微流體器件中設有亞毫米級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了希望。傳統的微流體器件是模壓在塑料基底上的,其制造過程是一種固有的二維加工過程, 限制了這種廉價器件的復雜性。
美國加利福尼亞大學的研究人員已經實驗驗證了一種飛秒激光制造技術, 利用這種技術可以生產出具有復雜三維結構的微毛細管。Groisman Mi-crofluidics 和 Kleinfeld Neurophysics 實驗室的研究人員們首先用聚二鉀基硅氧烷 ( PDMS,poly-dimethysiloxane) 有機材料作基底, 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生了一個頂層。這是一種標準的二維微流體通道結構的制造技術。
科研人員利用波長為 800 nm, 頻率為 1 kHz 的100 fs 脈沖激光對 PDMS 材料曝光。該系統是由 Co-herent 公司生產的能泵浦飛秒激光振蕩器, 輸出功率為 10 W 的連續波綠激光器組成。振蕩器產生的激光脈沖經美國制造的線性調頻脈沖放大器放大至較高的能量。泵浦激光器是 Coherent 公司生產的 Q開關 Nd∶YAG 綠激光器。通過數值孔徑 ( NA) 為 1.0 的 Olympus 水浸顯微物鏡聚焦產生一個很小的燒蝕區, 燒蝕區的尺寸和幾何形狀與脈沖能量有關(能量變化范圍為 550~17 nJ)。
當用激光脈沖照射, 并以 100 !m/s 的速度平移基底時, 便產生一連串的燒蝕區, 即微毛細管。燒蝕的碎片可能會阻塞通道, 但如果乙醇能流入燒蝕區, 便可清除碎片。機械加工完成后, 在氫氟酸中清洗基底能夠增加微毛細管的穩定性。如果不清洗碎片, 直徑<5 !m 的微毛細管可能很快被阻塞。由于優化了工藝參數, 研究人員已具備開發這種技術的能力, 并采用這種技術制造了直徑范圍為 >1 !m ，<10 !m~ 的筆直通道。通道橫向和軸向運動組合可制造出三維螺旋式微毛細管。
研究人員將用飛秒激光技術制造的直徑為 1 !m的微毛細管與 2 個 50 !m 模壓通道連接在一起。當液體流過通道時, 利用 2 個較大通道之間產生的壓力差, 捕獲 5 !m 的聚苯乙烯小珠, 在液體流過通道時, 使小珠堵住微毛細管開口, 在不動的活細胞曝露在各種變化的環境時可采用這種方法。
該研究項目的學術帶頭人 Chris B. Schaffer 認為, 這種小特征尺寸和三維加工能力不僅使片上實驗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構。雖然采用飛秒激光器能增加器件的獨特功能, 但要實現這些功能可能要花很高的成本。如果能用標準技術模壓出盡可能多的器件, 再用激光加工必要的器件, 成本便會降下來。
Schaffer 將在康內爾大學的新生物光子學工程實驗室繼續從事該項研究工作。
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