生物醫(yī)學玻璃的激光微加工-芯片實驗室

瀏覽次數(shù)：1535　發(fā)布日期：2020-9-16　來源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責任自負

相信大家在部分科幻電影或動漫中，常常能看到可以植入人體的芯片，用來監(jiān)控身體各個參數(shù)、增強人體機能和神經(jīng)反應。芯片一旦植入，普通人就變身成為神秘特工或戰(zhàn)士。

而現(xiàn)實中隨著馬斯克的腦機接口正在一步步邁向臨床，AlphGo把人類棋手完虐等以前只能在科幻電影中見到的“未來科技”，逐步在現(xiàn)實生活中出現(xiàn)的時候，擁有“小身材有大智慧”的AI芯片似乎也能夠夢想照進現(xiàn)實了。

事實上，如今已有一些“芯片實驗室（Lab-on-a-chip）”出現(xiàn)了，并且其發(fā)展速度是非�？斓�！

芯片實驗室

什么是“芯片實驗室（Lab-on-a-chip）”？簡單地說，能夠?qū)⒄麄€在實驗室中進行的基本操作單位集成到簡單微系統(tǒng)上的技術(shù)就叫“芯片實驗室”。“芯片實驗室”中的芯片是作為流體在其中流動的微通道圖案，可被模塑或刻蝕。

微通道和外部宏觀環(huán)境之間的連接需要通過若干孔，這些孔穿透芯片，具有不同的尺寸，用于將流體注入芯片或從芯片中移除。在微流控芯片中，根據(jù)實驗需要，流體被混合、分離或引導。最終結(jié)果可形成自動復合系統(tǒng)，從而實現(xiàn)高通量檢測。

在生物醫(yī)學應用領(lǐng)域，芯片實驗室可以實現(xiàn)快速診斷。芯片實驗室技術(shù)有望成為一種重要的診斷工具。這些微型化的設備使醫(yī)療保健服務提供方可以使用非常少量的試劑和測試樣本執(zhí)行一系列診斷測試。此外得益于它們的便攜性，還可以在遠離實驗室環(huán)境的現(xiàn)場進行測試。

制作芯片實驗室（Lab- on-a-chip）或微流控芯片（Microfluidic chip）的材料主要是玻璃，受限于芯片的微尺度特性，在制備過程中，對玻璃進行激光微加工有著很高的要求。制作芯片實驗室的最大挑戰(zhàn)之一是在玻璃芯片內(nèi)部加工高精度管道、容器和閥門。

挑戰(zhàn)：玻璃微加工

由于其脆性和透明性，玻璃中進行微小的特征加工進行是相當困難的。如果使用常規(guī)工具手段，實際上是不可能的。但是超快激光器可以勝任這種加工。當脈沖持續(xù)時間低于幾十皮秒時，激光與材料的相互作用進入冷燒蝕狀態(tài)，加工質(zhì)量和精度會變得很高。

常規(guī)的微制造方法，例如光刻，壓印和軟蝕刻，已經(jīng)用于制備微流體芯片。然而，當要實現(xiàn)具有多功能集成的復雜微流控芯片時，這些方法將面臨巨大挑戰(zhàn)，因為它們需要太多工藝步驟，并且成本很高。

完美刻蝕來啦

▲由NKT Photonics的ORIGAMI XP飛秒激光制備的芯片實驗室樣品

大功率超快激光脈沖穿透玻璃。緊聚焦的飛秒激光脈沖可以經(jīng)濟高效地生產(chǎn)具有多功能的通用微流控芯片。超短脈沖寬度提供了令人難以置信的峰值功率，即使在透明材料中，也可以進行表面和塊狀材料內(nèi)部的改性以進行劃線。

▲飛秒激光加工的芯片溝道特寫

超快激光確保加工的高精度和高質(zhì)量。通過利用激光的高度空間選擇性，可以將相互作用區(qū)域精確地設置在材料的特定局部區(qū)域。這使得飛秒加工技術(shù)可以在透明材料中以微尺度對復雜的三維形狀進行非常高分辨率的圖案化和雕刻。

▲深度小于10 μm的溝道特寫

NKT超快激光器可以實現(xiàn)非常精細的深度和通道寬度控制

飛秒級超短脈沖寬度比材料中的電子-聲子耦合過程都短，因此超短的飛秒脈沖寬度，意味著在飛秒時間尺度傳遞能量，這能很好的抑制熱影響區(qū)的形成和熱損害。這種“冷燒蝕”方式實現(xiàn)了高精度和高分辨率的微加工處理，并具有無與倫比的處理可靠性。緊密聚焦的光束可以在微尺度上非常高分辨率地對復雜形狀進行微加工。