微流控芯片是在微米级尺度空间内对微升、纳升体积的流体进行精密操控的器件,整体构造在硬币大小。自上个世纪末诞生以来,微流控芯片以灵敏度高、效率高、试剂消耗量低、环境友好、便携等优势,广泛应用于医学、生物学、化学等领域,曾被nature专刊誉为“这个世纪的技术”。当前,通过集成多种微米级组件,微流控芯片可实现例如温度调控、纳米粒子合成、分子探测、细胞操纵等多形式实验过程。从加工技术的角度上分析,是微纳加工技术的持续发展推动了微流控芯片的快速进步。目前,成熟的半导体工艺可以结合光刻与刻蚀技术,基于玻璃、硅等材料制备出各类尺寸、复杂形貌的微通道。若对微结构的分辨率、深宽比要求较高,可选用深反应离子刻蚀(DRIE)、感应耦合等离子体刻蚀(ICP)及其它精密的刻蚀技术。最近,为了提高生产效率,许多课题组开始借助于纳米压印、软光刻技术制作聚合物微流控芯片。虽然微流控芯片制作领域已经取得了显著的成绩,不过如何在非平面的微通道内原位、灵活集成多材料功能化部件,一直是微流控芯片发展过程中的挑战。首先,微流控芯片中微通道一般是由光刻、压印等工艺制作的,四壁并不是平面,这就对在其中精密集成功能化组件提出较高要求。而传统工艺只能制作二维结构,很难在三维微区空间内集成微纳部件。另外,目前可用于制作芯片的材料限于聚合物、玻璃、硅,无法满足未来多功能微流控芯片的需求。这些障碍成为微流控芯片加工技术亟待突破的瓶颈。近几年,可高精度三维加工的激光微纳制造技术不断成熟,已经实现了在各种非平面微流控芯片中灵活、定位集成众多功能化组件,在本领域崭露头角。例如基于多种光物理、光化学原理,包括激光烧蚀等减材制造技术,激光光聚合、激光光还原、激光光动力组装等增材制造技术已经应用于加工玻璃、金属、纳米材料、生物材料并制作微流控芯片。特别是,超短脉冲激光能显著地压制热效应,可将加工分辨率提高至50纳米以下,远远超过光学衍射极限。在此大背景下,本论文介绍若干新型功能微流控芯片的激光制备及其应用:1.微阀门结构在各类微流控芯片中用途广泛。尤其是能识别、响应微环境变化,调控微流体通量的智能响应微阀门,在微流控生化反应中意义很大。本论文第二部分首先介绍基于飞秒激光直写技术,通过数控梯度聚合程序,制备出形貌、尺寸可调,智能溶剂响应的仿生微阀门。其次,基于飞秒激光光动力组装技术,实现银纳米粒子的柔性组装与应用:制作了银线阵列微加热器;图案化加工在电化学中应用广泛的叉指电极、双电极系统、微电极阵列等体系;制备了具有纳米级粗糙形貌、可以应用于微流控催化化学的微反应器。另外,成功在微生物体表,定位组装磁性纳米粒子,实现了对其运动路径的全面控制,可用于制作活体生物微流控芯片。从原理上讲,飞秒激光光动力组装技术可将任意成分的纳米材料,在微区空间内定位组装在任意材料衬底表面,为进一步丰富微流控芯片功能提供新思路。2.当前绝大多数微流控芯片都需要外部压力注射设备完成流体驱动,并不是名副其实的便携式实验平台。数字微流控芯片提出将电场、磁场、光场、热场、机械振动场等物理场控制系统集成化、小型化,用于驱动微液滴,取得了一定成绩。但是这些外场不可避免的会对反应体系产生负面影响。本论文第三部分介绍通过激光疏水改性聚二甲基硅氧烷(PDMS),制造了一款重力驱动浮雕液滴微流控芯片:以天然无害的重力为驱动力,此芯片可操控微液滴,按照超疏水浮雕结构的引导,精确完成传输、通路选择、劈裂、融合、振荡、跳跃,以及多步骤集成操作。此外,笔者提出模块化拼接微流控芯片的概念,设计出一套浮雕液滴微流控芯片模块工具盒。可以根据实验需要,挑选若干功能模块,拼接在一起完成化学合成、生物标记等应用。凭借超疏水特性,浮雕芯片在使用过程中不会受到任何污染,可以重复使用,是一款便携式移动实验平台。3.飞秒激光直写以高精度制备三维微纳结构的能力著称。但是点点扫描的加工方式导致加工效率较低,严重阻碍其大规模应用。本论文第四部分介绍微流控芯片辅助飞秒激光直写技术:将飞秒激光紧聚焦在连续光敏微流体中持续进行三维直写,随着光敏流体的不断流动,即可加工出长度可调的、具有精细三维微纳结构的纤维。此工艺本质上基于飞秒激光双光子聚合技术,在继承后者所有的优点的基础上,突破了后者在加工尺度上的限制,理论上可直写出无限长微纳结构。对比所有其他微纳加工技术,只有此工艺能以超越衍射极限的分辨率直写三维无限长微纳结构。总体来说,本论文介绍了基于激光微纳加工技术制造微流控芯片、借助于微流控芯片进行激光微纳加工的创新性工作。首先,基于飞秒激光直写技术,在微通道内原位集成多种材料功能化组件,丰富微流控芯片性能。其次,基于激光雕刻、表面改性技术,制造出功能多样、可灵活组装、可重复利用的重力驱动浮雕微流控芯片,一种新型便携式移动实验平台。另外,以连续流微流控芯片为辅助,进行飞秒激光直写,得到长度可调、具有精细三维结构的纤维。本论文对微流控芯片技术、激光微纳加工技术的发展均将起到一定推动作用。