水輔助飛秒激光直寫微流芯片及其在細胞分選中的應(yīng)用.pdf

1、近年來作為微全分析系統(tǒng)關(guān)鍵部件的微流芯片及其制備技術(shù)越來越完善。多種新材料與新技術(shù)的應(yīng)用使微流芯片的制備從簡單微流通道結(jié)構(gòu)向更加復雜的微流通道網(wǎng)絡(luò)和各種光電器件集成化方向發(fā)展。到目前為止,受加工方法的限制,各種三維復雜結(jié)構(gòu)的玻璃微流芯片仍較難實現(xiàn)。本文中,作者提出了使用水輔助飛秒激光直寫技術(shù)在玻璃材料中制備三維微流芯片的全新方法。同時,給出了飛秒激光與水相互作用刻蝕玻璃材料的機理解釋,在玻璃材料內(nèi)部制備出多種二維和三維微流芯片,并將制備

2、的微流芯片應(yīng)用于細胞分選。具體工作如下:
　　采用水輔助飛秒激光直寫技術(shù)制備了三維玻璃微流芯片。該方法可在玻璃材料內(nèi)部直接制備出具有復雜三維空間網(wǎng)絡(luò)微流通道結(jié)構(gòu)的玻璃微流芯片?？头爽F(xiàn)有機械加工和光刻技術(shù)無法直接在玻璃樣品內(nèi)部制備微流通道的難點,同時解決了現(xiàn)有三維微流芯片中通道長度短、三維結(jié)構(gòu)簡單的問題。與傳統(tǒng)的飛秒激光直寫輔以氫氟酸腐蝕制備三維微流芯片方法相比,制備的微流通道直徑均勻、邊緣規(guī)則、空間結(jié)構(gòu)和連接方式更加復雜多樣。在

3、水輔助飛秒激光直寫微流通道過程中,飛秒激光誘導產(chǎn)生的氣泡會使通道內(nèi)外部的液體形成對流,實現(xiàn)微流通道的自清洗,隨微流通道長度增加這種自清洗效應(yīng)會逐漸減弱,最終使制備的微流通道長度達到極限。如何有效的排出微流通道內(nèi)部的粉末是水輔助飛秒激光直寫技術(shù)的一個難點,因此,本文通過研究微流通道的自清洗機制,提出了一種有效的微流通道清洗方法,不僅實現(xiàn)了長微流通道的制備,而且實現(xiàn)了在玻璃內(nèi)部制備長螺旋微流通道陣列和多層三維微流芯片。
　　研究了飛秒

4、激光能量、掃描速度、掃描單元進給量對制備微流通道的影響。為提高微流通道內(nèi)表面的光滑程度,研究了玻璃微流芯片的退火工藝。在退火過程中,隨溫度的升高使微流通道內(nèi)表面玻璃材料首先發(fā)生軟化并在表面張力的作用下發(fā)生流動,使內(nèi)表面變得平滑,并且在高溫的作用下,玻璃材料不斷的向周圍膨脹使微流通道直徑不斷減小。通過對玻璃微流芯片退火溫度的調(diào)節(jié)可以控制微流通道直徑的大小。
　　研究了飛秒激光誘導水擊穿對玻璃材料進行刻蝕的機理。飛秒激光聚焦到水中,當

5、脈沖能量密度達到誘導水光學擊穿閾值時,會產(chǎn)生聲、光、熱等一系列復雜的物理現(xiàn)象。研究了飛秒激光誘導光學水擊穿時,水下沖擊波和高速射流的產(chǎn)生,并解釋了沖擊波和高速射流對玻璃材料進行刻蝕的機理。研究了不同飛秒激光脈沖能量下,使用水輔助飛秒激光直寫技術(shù)制備的微流通道截面形狀、中心和直徑尺寸的變化。提出了飛秒激光誘導水擊穿產(chǎn)生的沖擊波和高速射流對玻璃材料的各向同性刻蝕模型。解釋了隨飛秒激光脈沖能量的增加誘導產(chǎn)生的微流通道中心上移的現(xiàn)象,并給出了半

6、徑隨飛秒激光能量增大而增大的線性變化關(guān)系。
　　采用飛秒激光直寫和化學腐蝕的方法在玻璃內(nèi)部制備出了長螺旋微流通道。由于螺旋形微流通道具有高度復雜的空間結(jié)構(gòu),受制備方法的限制螺旋微流通道的實現(xiàn)一直是微流芯片制備領(lǐng)域內(nèi)的一個難題。本文采用飛秒激光直寫技術(shù)在玻璃材料內(nèi)部直寫螺旋微流通道圖形,然后使用5％的氫氟酸和高功率超聲清洗的方法對玻璃樣品進行腐蝕,制備出了長3mm的螺旋微流通道。在氫氟酸腐蝕作用下,制備的螺旋微流通道內(nèi)表面較粗糙,本

7、文采用退火的方法,有效提高了微流通道內(nèi)表面的光滑程度。退火后螺旋微流通道中間區(qū)域直徑為80μm,開口端直徑約為110μm。
　　研究了微流芯片在細胞分選上的應(yīng)用,并使用飛秒光鑷技術(shù)成功實現(xiàn)了細胞的分選。設(shè)計了一種具有細胞分選和收集功能的微流芯片結(jié)構(gòu),并使用水輔助飛秒激光直寫法在玻璃內(nèi)制備了細胞分選微流芯片。為使用飛秒光鑷實現(xiàn)細胞分選,本文提出了一種高效的微流芯片預處理方法,以降低微流通道內(nèi)表面的粗糙度。由于紅外波長的激光對生物組織