准分子激光微加工技术结合模塑技术加工微流控芯片

利用准分子激光微加工技术与模塑技术相结合的方法制造微流控芯片。用准分子激光在玻璃基胶层上刻蚀出加工质量较高的微流控生物芯片形貌,通过电铸技术对微流控芯片进行复制,得到反向金属模具。用金属模具通过注塑成型技术用聚碳酸酯注塑出微流控芯片。系统研究了准分子激光的能量密度和工作台移动速度对胶层微通道加工质量的影响;测量并分析了激光刻蚀加工出的微流控芯片原型、电铸的反向金属模板和注塑成型后的微流控芯片的轮廓精度和表面粗糙度,上表面尺度偏差不大于2μm,底面粗糙度小于20 nm。对注塑出的微流控芯片和激光直写刻蚀的几何结构相同的微流控芯片的流动性能进行比较测试。在流速较小时,用激光微加工技术与模塑技术相结合的方法加工的微通道比准分子激光直写法所加工的微通道流动性能更好。     

PMMA基连续流式PCR微流控芯片的CO2激光直写加工与应用

采用CO2激光直写烧蚀加工技术在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基片表面加工微通道.分析了CO2激光输出功率和激光束移动速度对加工质量的影响.选用4.5 W输出功率和76.2 mm/s移动速度,在30 s内加工了水力直径为100μm的微通道.在进行微通道的大批量、快速加工时,CO2激光直写烧蚀加工技术具有较高的工艺稳定性,工艺流程简单,可随时根据实验需要时微通道结构进行调整和再加工.微通道的激光拉曼光谱与PMMA基片相同,保证了微通道和盖片对聚合酶链式反应(PCR)物化学影响的一致性.虽然微通道边缘存在少量重铸物,但不会影响热压键合效果.芯片能够满足PCR扩增中的压力与密封要求.使用这种芯片实现了180 bp拟南芥脱氧核糖核酸(DNA)片段的PCR扩增,扩增效果与使用常规PCR仪相当,验证了采用CO2激光直写烧蚀方法加工PMMA基连续流式PCR微流控芯片的可行性.     

高聚物生物芯片材料激光加工性能分析

用准分子激光对高聚物材料进行微加工制作,可以获得比较理想的高聚物基生物芯片。根据对制作生物芯片材料的性能要求,比较了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)对不同波长激光的光波透过率,测量了高聚物材料经准分子激光加工后的微结构,并得出准分子激光对不同材料的刻蚀速率与入射激光能量密度之间的关系。结果表明,PMMA和PC都能够完全吸收KrF准分子激光能量,可以用准分子激光在表面进行微加工制作生物芯片;用PMMA制作出的生物芯片,在使用时对检测结果的质量影响比PC小;对于相同的入射激光能量密度,准分子激光对PMMA的刻蚀率比PC高;由于与准分子激光之间的反应机理不同,PMMA更容易被加工,但是加工后的微结构质量较PC差。     

激光制备PMMA基PCR微流控芯片的热压键合研究

MEMS技术的发展,使得PCR微流控芯片的制备成为了现实。本文采用波长248nm的准分子激光作为一种新型的微加工方法,在19KV电压和18mm/min的激光优化加工参数下,在40mm×63mm的PMMA基片上制备出了20个循环的PCR微流控芯片。芯片上微通道的宽为104μm,深为56μm,长为1040mm,芯片加工耗时57分钟。随后采用自己搭建的热压装置,定量讨论了热压键合的温度、压力和时间对芯片键合质量的影响,得出了PMMA基微流控芯片热压键合的最佳参数:95℃,160N,20min。并在该条件下成功地将PMMA基的20个循环的PCR微流控芯片和相同尺寸的盖片键合在一起,键合后的芯片具有良好的密封性,能够承受的最大压强为0.85Mpa,能满足进行PCR反应的要求。     

微流控生物芯片外部压强与流体流速的探讨

本文针对具有40个微通道的微流控生物芯片,设计了试剂进样装置,研究了几十个芯片的进样压强与芯片各微通道中流体流速之间的关系,目的是为了筛选出流速相对稳定的标准芯片,满足PCR基因扩增的需要。     

玻璃材料微通道的三倍频激光微加工研究

本文提出了一种新的制备生物芯片微通道的方法,从玻璃材料的特点与激光精密加工的优点出发,用三倍频ND：YAG激光器(λ=355nm)在玻璃基体上加工生物芯片微通道。文章对这种方法进行了初步探索,先用三倍频紫外激光对玻璃直接刻蚀,再用显微镜、三维形貌仪观察与测量所形成的微通道的质量。实验得出了激光脉冲重复频率与振镜扫描速度对微通道刻蚀的影响关系,以及要防止玻璃碎裂,所需要的激光能量密度。     

准分子激光加工PMMA生物芯片片基的实验研究

用准分子激光对高聚物材料进行微加工制作,可以得到比较理想的高聚物基生物芯片。采用248nm的KrF准分子激光器对PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)进行微细加工,探讨了准分子激光与PMMA相互作用的机理。进行了表面微通道制作和打孔实验,研究激光加工的工艺参数及加工质量的变化规律。结果表明,准分子激光蚀刻完全适合生物芯片的制作,而且加工过程简单,是一种行之有效的制作方法。     

微流控通道加工技术的研究进展

在微流控芯片中,微通道是进行微分析的重要保证,其成型质量直接影响芯片的分析性能。从加工机理、技术特点以及适用范围等方面对激光直写加工、光刻加工、热压印技术、微细铣削加工和3D打印等微流控通道主要加工方法进行了阐述,并总结了这几种加工技术的优缺点,这为实际生产提供了一定参考。最后,对微流控通道加工技术的发展进行了展望,未来微流控芯片将会向三维化、精密化以及微小化方向发展,芯片材料也趋于多样化,这些发展将不断推动微流控通道加工技术的发展。     

采用KrF准分子激光制备聚合酶链式反应微流控芯片

采用价格便宜的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)代替价格昂贵的硅或者玻璃作为聚合酶链式反应(PCR)微流控芯片的基片材料,采用柔性大、自动化程度高的准分子激光微加工方法代替加工工艺复杂的光刻化学腐蚀方法。通过对聚甲基丙烯酸甲酯准分子激光加工规律的研究,在19kV和18mm/min的优化加工参量下,在40mm×63mm的聚甲基丙烯酸甲酯基片上制备出了20个循环的聚合酶链式反应微流控芯片。芯片微通道横截面呈倒梯形,底面粗糙度小于0.5μm。微通道宽104μm,深56μm,长1040mm,加工耗时57min。该芯片和相同尺寸的盖片在160N和105℃条件下经过20min热压键合在一起,键合强度为0.85MPa。通过进样实验发现键合后的芯片具有良好的密封性。键合后的芯片和温控系统集成在一起,采用比例积分微分(PID)方法得到的控温精度为±0.2℃,采用红外热像仪得到的相邻温区间的温度梯度分别为16.5℃和22.2℃,即该芯片可以实现聚合酶链式反应扩增。     

248nm准分子激光刻蚀的无裂损石英玻璃表面微通道

利用248nm纳秒准分子激光,采用掩模投影和石英玻璃前表面直写刻蚀的方法,研究了激光脉冲能量密度、重复频率、扫描次数对微通道裂损的影响规律,分析了石英玻璃激光刻蚀及裂损的机理。结果表明,248nm纳秒准分子激光刻蚀石英玻璃的机理为光致电离及热烧蚀的共同作用;无裂损刻蚀JGS1型石英玻璃的激光能量密度阈值范围为16~30J·cm~(-2),刻蚀率可达每脉冲500nm;随着激光重复频率及扫描次数的增加,微通道容易因热积累及等离子体微爆炸冲击作用而裂损。基于优化的激光加工参数,当微通道宽度小于100μm时,可以实现无裂损的直线型(深度小于或等于50μm)及圆弧型(深度小于或等于28.5μm)微通道的加工。     

Miniaturized continuous-flow polymerase chain reaction microfluidic chip system

A miniaturized continuous-flow polymerase chain reaction (PCR) microfluidic chip system was developed to perform DNA amplification. This system consists of a 20-cycle continuous-flow PCR microfluidic chip, an electrical heating system and a miniature air pressure-vacuum pump. The chip was ablated with excimer laser direct-writing micromachining technique on a polymethyl methacrylate (PMMA) sheet. The ablated microchannel was inverse trapezoidal with a depth of 70 μm, top width of 200 μm and bottom width of 120 μm. Its surface roughness Ra was 1.42 μm after being treated with excimer laser polishing. The substrate sheet ablated with the microchannel was bonded with other cover sheets using hot-press bonding method to form a closed structure. The electrical heating system consisted of three groups of heating membranes, Pt100 sensors, copper blocks and PID temperature digital controllers. It could provide three distinct maintained temperature zones and a uniform temperature distribution in each zone. PCR amplification of a 170 base pair (bp) DNA fragment was carried out to validate the system's feasibility. The PCR temperatures were set as 94℃ for denaturation, 55℃ for primer annealing and 72℃ for extension. The flow rate in the microchannel was 40 nL/s and the total time for the completion of a 20-cycle amplification of 20 μL reagent was 15 min.     

准分子激光与角膜组织的相互作用及在屈光矫正中的应用

准分子激光在屈光手术中获得了迅速发展，193nm的准分子激光刻蚀角膜表面，改变角膜表面的光学结构从而矫正屈光不正，而且由于其微小的力学和热效应，不会损伤邻近组织。本文研究了激光和生物组织的相互作用，定性确定了光斑与角膜表面粗糙度关系，定量分析了193nm准分子激光高斯光束的切削量与能量密度的关系，在此基础上，给出准分子激光应用到眼科治疗机中的原理图、屈光程度与激光消融量的关系和具体算法，最后通过PMMA板的实验验证，并已应用到临床，取得了良好的效果。     

PMMA基PCR生物芯片及其准分子激光制备技术的几个关键问题

分析了微流控聚合梅链式反应(PCR)芯片循环的几何结构，对常规非闭环的穿透形式，确定了可行的温区排列结构;对于闭环式的空间分布形式，分析了几种结构的热效率。研究了准分子激光对聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)基片的刻蚀机制，获得了刻蚀曲线。对于PCR 芯片微流通道的加工，着重考虑了通道成形和表面粗糙度问题。其中，采用掩模形状控制法解决通道形状问题;采用激光抛光、近阈值能量、去应力退火等技术提高刻蚀通道的表面质量。在对PMMA基PCR芯片的键合问题研究中，采用了胶粘键合和热压键合两种方案，优选出热压键合的方案，制作了热压键合装置，获得了最佳键合参数，满足键合强度和通道成形要求。针对微流体连续流动的控制问题，研制了一台基于精密气泵结合气动控制的注射进样系统。利用制作的PCR 芯片和进样系统，成功地对170bp的DNA模板进行了扩增。     

KrF准分子激光刻蚀PMMA研究

为了研究准分子激光刻蚀聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的内在机理,将波长为248nm的KrF准分子激光垂直照射到PMMA材料表面,改变激光能量和脉冲数目,在大气背景下进行实验,照射后样品的表面形貌及化学结构用扫描电子显微镜（SEM）、3维形貌分析仪、X射线光电子能谱（XPS）等手段进行分析。SEM测试表明,在刻蚀区域出现孔状结构,说明刻蚀过程中有气体成分产生。XPS测试表明,激光照射后C1s峰的强度减弱而O1 s峰增强,据此推测PMMA侧链上的甲基被刻蚀掉且空气中的O2参与了反应。另外还研究了激光能量和脉冲数目对刻蚀率和表面粗糙度的影响。结果表明,随着激光能量和脉冲数目增加,刻蚀率和粗糙度并不是一直呈现递增的趋势。     

激光去除光纤涂敷层的实验研究

采用波长为10. 6μm的TEA CO2 红外激光和波长为248nm的KrF准分子激光去除SMF28光纤涂敷层,研究了激光脉冲能量密度和脉冲数与涂敷层去除效果之间的关系。实验 证明,涂敷层去除厚度随激光脉冲能量密度的增加呈对数增长,随红外激光脉冲数的增加呈对数变化,随紫外激光脉冲数的增加呈线性变化,且去除效果在红外激光8.15J / cm2、20个脉冲和紫外激光452mJ / cm2、800个脉冲下达到最佳。     

准分子激光屈光矫正系统及实验研究

以飞点扫描切削模式为基础,研制小光斑飞点扫描准分子激光角膜屈光矫正系统。利用此扫描系统做了PMMA板和角膜对比实验以及动物和盲眼实验。实验结果表明,该矫正系统具有治疗时间短、矫正精度高、角膜切削表面光滑,易于集成波前像差技术实现“个体化切削”方案等优点,具有较好的临床应用前景。     

用308nm准分子激光改变二氧化钛陶瓷的电导率

用３０８ｎｍ准分子激光对二氧化钛的陶瓷辐照，当能量密度高于阈值时，使其导电发生了显著的变化，室温下从原来的绝缘体转变为半导体。利用Ｘ射线衍射，Ｘ射线光电子能谱及显微分析等多种测试方法进行了分析，比较，稳定了该过程是由于高峰功率短脉冲的准分子激光对ＴｉＯ２的快速熔凝作用，导致了氧的缺位，引起了化学配比偏离。