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《中国科学技术大学》 2018年
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功能化微流控芯片的飞秒激光高效集成技术研究

许兵  
【摘要】:微流控芯片技术是21世纪非常重要的技术之一。该技术具有传统分析方法所不具备的低试剂消耗、低成本、快速检测、高集成度、易于携带等优点:。芯片的设计和加工是微流控芯片技术的重要部分。传统的微流控芯片加工方法依赖于平面加工技术,仅适用于2D微流控芯片的加工,对于更多高性能的3D微流控器件的加工则很难实现。因此,迫切需要一种新的加工技术来解决这一难题。飞秒激光双光子聚合因其具有真三维加工能力、高分辨率、加工热效应低以及可加工材料多样等特性,已经被广泛研究。但是传统的飞秒激光双光子加工都是基于单光束逐点逐层扫描,其加工效率低,很难在实际生产中得到应用。基于空间光调制器的多焦点并行扫描技术可以大大减小结构的加工时间、提高加工效率,为飞秒激光双光子技术在芯片中加工3D微结构赋予芯片新功能提供了可能。本文将飞秒激光技术与空间光调制器的多焦点技术相结合,提出了基于空间光调制器的多焦点并行加工3D微流控芯片技术,大大的提高了 3D微流控器件的集成速度;同时,基于飞秒激光的3D加工能力,设计了多样化的芯片微结构,从而赋予芯片更优良的性能。本文首先分析了空间光调制技术,阐述了相位型与振幅型空间光调制器,并分析了相位型空间光调制器的调制原理;阐述了两种多焦点光束整形算法,比较了两种算法在多焦点光强一致性和收敛速度的优缺点,为后续芯片中加工3D器件做准备。在多焦点光束整形研究的基础上,将飞秒激光精确调制成预先设计的多焦点图案,实现芯片中3D器件的高效快速加工。进一步优化了芯片的加工工艺,为后续3D微器件的加工提供参考。快速集成了功能化过滤器,同时表征了过滤器在过滤粒子与细胞方面的优异性能。为了解决传统过滤器的易堵塞和分选尺寸单一的问题,我们设计了一种新型拱形分选器。通过栅状结构尺寸的设计,可以实现大尺寸颗粒,中间尺寸颗粒以及小尺寸颗粒的多模态分选。通过流体仿真来辅助3D分选器设计,实现分选器防堵性能的极大提升。利用飞秒激光多焦点并行加工技术,极大减少了新型分选器加工所需的时间(减小了 5倍)。最后,该分选器成功用于多种尺寸颗粒分选以及血液中癌细胞的捕获领域中。目前颗粒或细胞捕获方法仍有众多缺点:捕获效率低、选择性差、单捕获困难以及很难可控的捕获多颗粒团簇。针对这些问题,本文提出了基于流体控制的双光子光刻技术。系统地研究与优化了该技术的加工工艺,并成功的捕获了不同尺寸,形状和成分的单颗粒。另外,实现了可控的多颗粒簇捕获,并将其应用于光流体成像领域。最后初步实现了酵母菌的单捕获,并成功将其培养,证明其在单细胞分析领域的潜在应用价值。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TN492

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