PMMA基PCR微流控生物芯片准分子激光加工

采用准分子激光在PMMA基片上刻蚀加工出PCR微流控生物芯片,分析了准分子激光能量密度和工作台移动速度对微通道加工质量(深度及粗糙度)的影响,加工过程中选择较低的激光能量密度和较高的工作台移动速度,都有利于获得底面更加光滑的微通道。通过热键合的方法制备出完整的密闭式PCR微流控生物芯片。     

超快激光制备PMMA微流道机理及工艺研究

由于传统加工方法不能解决PMMA微流道的加工质量不好和效率低的问题,本文对超快激光直写PMMA制备微流道的烧蚀机理和工艺参数进行了研究。根据实验分析不同的激光功率、加工速度和加工次数对微流道的宽度和横截面的影响规律,利用超快激光加工系统制备微流道,并采用超景深三维显微镜观测微流道的表面形貌。实验结果表明,当超快激光的加工速度为20 mm/s时,激光功率为1.5 W时,制备的微流道的宽度较小、宽度趋势比较平稳;当超快激光作用PMMA的次数一样,由于加工速度逐渐增加,制备的微流道其宽度和激光的加工速度保持线性增加。当加工速度越大时,微流道的宽度较小、且壁面趋势相对平缓,而当加工速度一定,超快激光的输出功率在1.5 W时,微流道内壁区域不易出现残渣堆积和气泡隆起现象。本文通过优化超快激光加工系统的工艺参数,从而加工出尺寸精度高、表面光滑、宽度为20~90 μm的微流道芯片。     

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。     

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。     

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。     

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。     

CO2激光多程平移法制备高质量梯形PMMA微通道

由于非金属材料对长波红外激光有较强的吸收,CO2激光常被用于制备PMMA微通道。激光光强呈高斯分布,导致常规激光静态多程刻蚀法制备的微通道截面为三角形,无法满足微流体芯片中的实际应用需求。提出了一种激光多程平移刻蚀法,以首次刻蚀形成的热影响区（HAZ）为界限多程横向重叠平移刻蚀,可以快速制备出理想梯形截面的高质量微通道。通过与CO2激光静态多程刻蚀法在横截面、热影响区、表面粗糙度等方面的对比,结果表明,CO2激光多程平移刻蚀法制备的PMMA微通道热影响区更小、表面更光滑、横截面更实用。     

采用激光制备毛细管电泳芯片微结构的研究

提出了一种采用248 nm准分子激光直写微加工系统制备聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基毛细管电泳芯片的新方法.主要对毛细管电泳芯片的样品池和微通道进行了实验研究.在19 kV,20 Hz,500个脉冲条件下,厚度为1.5 mm PMMA表面获得直径为1 mm、锥度为4.7 °的池;对宽度均为100 μm,深度不同的微通道底面进行了键合前后比较.最后在键合后宽度为100 μm、深度为30 μm的芯片上成功地完成了进样实验.     

基于准分子激光加工技术的内嵌光纤型微流控器件的制备

为了方便、快速、低成本地检测样品,提出一种内嵌光纤型微流控芯片的制备方法.利用248 nm的KrF准分子激光在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基片上进行微加工,构建芯片结构,并嵌入腐蚀过的直径35μm的单模光纤,从而形成内嵌光纤型芯片.探讨了准分子激光加工参数以及嵌入光纤的方法.结果表明,用准分子激光加工芯片,可控性好、简便可靠、加工过程可实现无人化.内嵌光纤实现了光纤的相互对准以及光纤对流道中央的对准,可以灵敏地获取样品的光学信号.     

高压输电线异物激光清除三维仿真研究

激光以其优异的性能在输电线路异物清除领域具有广阔的应用前景。为了安全、高效地清除输电线异物,须对激光与异物组织的作用机理进行研究。本文分析讨论了激光与尼龙材料的热作用机理,建立了激光束切割尼龙材料的三维数值仿真模型,仿真研究了不同激光移动速度和光斑尺寸下尼龙材料三维动态烧蚀形貌,分析研究了激光移动速度和光斑尺寸对材料烧蚀深度的影响趋势。结果表明,激光功率和光斑尺寸一定时,材料烧蚀的最高温度和烧蚀深度与激光移动速度成反比;激光功率和移动速度一定时,材料烧蚀的最高温度和烧蚀深度与光斑尺寸成反比。当激光功率为100W、光斑半径1cm时,烧蚀过程中不发生明火的激光最小移动速度为05cm/s。当激光移动速度为2cm/s、功率为100W 时,不发生明火的光斑最小直径为03cm。