基于紫外光固化的微流控芯片加工技术研究

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微流控技术(Microfluidic technology)被认为是二十一世纪的前沿技术之一。它是利用微机电系统在几平方厘米大小的芯片上加工微米级通道网络,并通过对微流体的精确操控,实现多种功能的集成,具有样品用量少、反应快速以及易于集成等优势,在化学、生物学、医学等领域获得了十分广泛的研究与应用。微流控技术的发展在很大程度上取决于芯片材料及其加工技术的进步。但目前的芯片仍严重依赖于聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)和热塑性聚合物等材料,所采用的加工技术分别为模塑法和热压/注塑成型法。前者非常简单,适合实验室内的芯片原型开发,但难以批量化生产;而后者则恰好相反,尽管可以廉价、高通量地制造芯片,但高昂的设备投入与复杂的模具加工大大限制了其在常规实验室中的应用。这实际上造成了实验室内芯片原型开发与工业中批量生产之间的严重脱节,导致大量的优秀研究成果难以转化成实际应用。此外,微流控芯片在微阀等活动部件的加工方面也存在较多问题。近年来,紫外光固化材料由于品类丰富、性质各异、成型快速、固化图案可控等优势正在获得日益广泛的关注。然而,截至目前光固化微流控芯片的加工仍面临着诸多挑战。在光固化芯片主体加工方面,绝大部分光固化材料的机械性能不适于当前的微加工技术,导致仅有极少数光固化材料被成功用于芯片制造。在芯片的原位加工方面,现有技术是利用外部掩膜实现选择性曝光,对准难度较大、光固化精度较低。针对以上这些问题,本文以紫外光固化技术为主线,重点展开了以下两个方面的研究工作:(1)提出了一种基于复合弹性支撑体光固化微流控芯片的制备方法(Composite Elastomer-Enabled Rapid Photofabrication,CERP)。所发展的复合弹性支撑体具有良好的弹性和柔韧性,并且能够与光固化材料共价连接。因此,通过将光固化芯片的通道层加工成薄膜状,在紫外光固化的同时即可实现与弹性支撑体的牢固连接,并且由于后者的柔性支撑作用,光固化薄层也将被赋予一定的弹性和柔韧性。这一特点将使得几乎所有光固化材料都可以被用于微流控芯片的加工。作为验证,本文成功加工了六种不同光固化材料的芯片,并通过微流控液滴制备实验证实了它们的完整性和功能性。该方法不仅简单、快速,而且具有较高的通量,单人单天以手工方式即可制备数百片芯片,体现出很好的批量加工潜力。此外,本文还进一步开展了包含多材料和多层结构的微流控芯片制备,以及表面修饰和原位加工等方面的应用,证明了CERP方法在复杂芯片加工方面的可行性。这些工作将大大促进紫外光固化材料在微流控芯片领域的应用,并且有望缩短当前实验室芯片原型开发与商业生产之间的距离。(2)将光固化材料用于微流控芯片内微阀的加工。针对芯片外掩膜的对准难题,本文利用原位显微光刻技术在PDMS芯片内对试剂进行选择性曝光,大大简化了光固化微结构加工的加工步骤。由于PDMS材料具有透气性,且光固化材料在氧气存在下曝光会在其表面形成一层未固化层,利用这一现象,本文成功在电磁微泵腔室的两端制备了单向止回阀。此外,本文对现有电磁微泵的泵膜进行了改进,设计了基于液态金属线圈的泵膜,与传统的基于磁粉的泵膜相比,振动幅度获得明显提升(最大可达442μm),驱动力更强。
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