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微流體器件中設(shè)有亞毫米級(jí)通道用于控制液體的微小流量, 這給臨床診斷用高性能生物分析帶來(lái)了希望。傳統(tǒng)的微流體器件是模壓在塑料基底上的,其制造過(guò)程是一種固有的二維加工過(guò)程, 限制了這種廉價(jià)器件的復(fù)雜性。
美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的研究人員已經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種飛秒激光制造技術(shù), 利用這種技術(shù)可以生產(chǎn)出具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的微毛細(xì)管。Groisman Mi-crofluidics 和 Kleinfeld Neurophysics 實(shí)驗(yàn)室的研究人員們首先用聚二鉀基硅氧烷 ( PDMS,poly-dimethysiloxane) 有機(jī)材料作基底, 用模壓方法在其上壓制成微通道, 再將蓋玻璃與 PDMS 粘接, 這樣在模壓通道上便產(chǎn)生了一個(gè)頂層。這是一種標(biāo)準(zhǔn)的二維微流體通道結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)。
科研人員利用波長(zhǎng)為 800 nm, 頻率為 1 kHz 的100 fs 脈沖激光對(duì) PDMS 材料曝光。該系統(tǒng)是由 Co-herent 公司生產(chǎn)的能泵浦飛秒激光振蕩器, 輸出功率為 10 W 的連續(xù)波綠激光器組成。振蕩器產(chǎn)生的激光脈沖經(jīng)美國(guó)制造的線性調(diào)頻脈沖放大器放大至較高的能量。泵浦激光器是 Coherent 公司生產(chǎn)的 Q開(kāi)關(guān) Nd∶YAG 綠激光器。通過(guò)數(shù)值孔徑 ( NA) 為 1.0 的 Olympus 水浸顯微物鏡聚焦產(chǎn)生一個(gè)很小的燒蝕區(qū), 燒蝕區(qū)的尺寸和幾何形狀與脈沖能量有關(guān)(能量變化范圍為 550~17 nJ)。
當(dāng)用激光脈沖照射, 并以 100 !m/s 的速度平移基底時(shí), 便產(chǎn)生一連串的燒蝕區(qū), 即微毛細(xì)管。燒蝕的碎片可能會(huì)阻塞通道, 但如果乙醇能流入燒蝕區(qū), 便可清除碎片。機(jī)械加工完成后, 在氫氟酸中清洗基底能夠增加微毛細(xì)管的穩(wěn)定性。如果不清洗碎片, 直徑<5 !m 的微毛細(xì)管可能很快被阻塞。由于優(yōu)化了工藝參數(shù), 研究人員已具備開(kāi)發(fā)這種技術(shù)的能力, 并采用這種技術(shù)制造了直徑范圍為 >1 !m ，<10 !m~ 的筆直通道。通道橫向和軸向運(yùn)動(dòng)組合可制造出三維螺旋式微毛細(xì)管。
研究人員將用飛秒激光技術(shù)制造的直徑為 1 !m的微毛細(xì)管與 2 個(gè) 50 !m 模壓通道連接在一起。當(dāng)液體流過(guò)通道時(shí), 利用 2 個(gè)較大通道之間產(chǎn)生的壓力差, 捕獲 5 !m 的聚苯乙烯小珠, 在液體流過(guò)通道時(shí), 使小珠堵住微毛細(xì)管開(kāi)口, 在不動(dòng)的活細(xì)胞曝露在各種變化的環(huán)境時(shí)可采用這種方法。
該研究項(xiàng)目的學(xué)術(shù)帶頭人 Chris B. Schaffer 認(rèn)為, 這種小特征尺寸和三維加工能力不僅使片上實(shí)驗(yàn)室器件用更高密度的微液體通道集成成為可能, 而且可以制造出具有新功能的通道結(jié)構(gòu)。雖然采用飛秒激光器能增加器件的獨(dú)特功能, 但要實(shí)現(xiàn)這些功能可能要花很高的成本。如果能用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)模壓出盡可能多的器件, 再用激光加工必要的器件, 成本便會(huì)降下來(lái)。
Schaffer 將在康內(nèi)爾大學(xué)的新生物光子學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)從事該項(xiàng)研究工作。
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