飛秒激光技術(shù)在微流控芯片中的應(yīng)用

來源：微納精密加工自留地

一、什么是微流控芯片

和傳統(tǒng)芯片不同，微流控芯片更像是一個(gè)微米尺度的“生化反應(yīng)平臺(tái)”。詳細(xì)來說，微流控芯片是一種將生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域所涉及的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等基本操作單元集成到微米尺度的“芯片”上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜生物化學(xué)過程的快速、高效、自動(dòng)化分析的技術(shù)平臺(tái)。

由于微流控芯片是微米級(jí)的結(jié)構(gòu)，流體在其中顯示和產(chǎn)生了與宏觀尺度不同的特殊性能，因此發(fā)展出獨(dú)特的分析產(chǎn)生的性能。

微流控芯片需要精確操控微小液體樣本，比如：控制流體的流動(dòng)、混合、反應(yīng)和檢測(cè)。從這個(gè)角度出發(fā)，其核心結(jié)構(gòu)是微流道和微孔。也就是說，微流道和微孔的加工質(zhì)量，直接影響了微流控芯片的檢測(cè)效果。

二、微流控芯片加工工藝對(duì)比

以玻璃微流道為例，傳統(tǒng)的加工方法有：

（1）傳統(tǒng)機(jī)械加工：容易出現(xiàn)崩邊和裂紋。

（2）超聲波加工：效率較低，微小的形貌難控制。

（3）磨料射流加工：需要掩膜和基體，難加工出高深寬比的微通道。

（4）金剛石切割：精度不足，加工效率偏低。

（5）化學(xué)刻蝕：濕法刻蝕由于各向同性，流道不僅會(huì)在深度上被蝕刻，還會(huì)在水平表面向外擴(kuò)展，形成橫向的“側(cè)蝕”，從而影響流道精度；而干法刻蝕加工效率低下。

三、飛秒激光加工微流控芯片的優(yōu)勢(shì)

微流控芯片中主要的微米級(jí)結(jié)構(gòu)是：盲槽、盲孔、微孔。而飛秒激光作為一種前沿的微納加工技術(shù)，具有高精度、非接觸、材料適應(yīng)性廣和加工速度快等優(yōu)點(diǎn)，特別適合微流控芯片中微結(jié)構(gòu)的刻蝕。

下面，將從微流控芯片的關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)出發(fā)，分析飛秒激光的加工優(yōu)勢(shì)。

（1）微流控芯片極其關(guān)注微流道和微孔等的尺寸精度和形狀精度。因?yàn)樗鼈冎苯佑绊懥黧w的流動(dòng)特性和反應(yīng)效率。而飛秒激光作為一種超快激光，它的光斑直徑僅幾微米至十余微米，可以對(duì)材料做高精度的刻蝕和打孔。以深圳單色科技的加工指標(biāo)來看，微流道和微孔的尺寸精度可以控制在±1μm，這可以滿足大部分設(shè)計(jì)對(duì)于微流道等的精度要求。

（深圳單色科技 陶瓷微流道 加工案例）

（2）表面粗糙度:微流道和微孔的表面要求是光滑的，可以減少流體流動(dòng)阻力，避免樣品吸附，提高檢測(cè)靈敏度。而飛秒激光由于具有超短脈沖寬度，因此對(duì)材料的加工可以保證較好的刻蝕效果，可以極大避免重熔層或毛刺，也可以避免微裂紋等。因此：常規(guī)盲槽、盲孔的粗糙度可以控制在±0.4μm，能夠較好應(yīng)對(duì)微流控芯片的加工需求。

（3）材料適應(yīng)性:除了玻璃材質(zhì)外，微流控芯片所選擇的材料是非常廣泛的，如：高分子聚合物（Pi膜、PDMS膜等）、硅、陶瓷等，因此，微流控芯片的加工，往往需要適應(yīng)不同材料的特性。而飛秒激光具有極高的峰值功率，可以瞬間對(duì)材料進(jìn)行去除，因此對(duì)材料是沒有限制的，不管是硅、玻璃、膜類材料，都可以進(jìn)行微流道和盲孔的加工。

（深圳單色科技 PDMS膜微孔 加工案例）

四、結(jié)語

相信，飛秒激光憑借其突出的加工優(yōu)勢(shì)，可以進(jìn)一步推動(dòng)微流控技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為相關(guān)科研和工業(yè)項(xiàng)目做出重要的貢獻(xiàn)。

作者 | 陳敏蘭