面向纳流控芯片的纳米通道AFM热机械加工新方法研究

With the development of nanotechnology, the nanofluidic-based label free analysis method has become a hot research topic in the fields of chemistry and biology. The nanochannel is a key part in this technology. How to fabricate the nanochannels-based nanofluidic chips simply and effectively should be further studied. Therefore, this project focuses on the fabrication of nanochannel structures. The research on the machining mechanism and processing technology of the atomic force microscope (AFM)-based thermo-mechanical machining method to fabricate the nanochannel structures is proposed. First, the heat transfer mechanism between probe and sample under the coupling actions of the thermal and mechanics is studied by both modeling and simulation approaches. The material removal mechanism when scratching on the surface of the polymer thin-file using thermo-mechanical machining method is also analyzed. Second, the large-scale nanomachining experimental device based on the thermo-mechanical machining principle is established. Effects of both the material characteristics and the process parameters on the machined nanostructures are systematically investigated, and the optimal processing parameters are obtained. Then, the nanochannel structures meeting the requirements of the preparation of the nanofluidic chip can be fabricated. Finally, the preparation of the nanofluidic chip is achieved by both the transfer printing and bonding processes. In addition, the effects of the geometric sizes of the machined nanochannels on the detection efficiency and sensitivity of the ionic conductivity are analyzed. The research results of this project will provide strong theoretical and technical supports for the preparation of the nanochannels-based nanofluidic chips, which has an important significance and practical value.

随着纳米技术的发展，基于纳流控技术的无标记分析手段在化学、生物学等领域已经成为研究热点，其中纳米通道是该技术的关键部分。如何简单、有效地制备尺寸可控的纳米通道流控芯片有待进一步深入研究。本项目以纳米通道结构加工为研究对象，提出基于原子力显微镜热机械纳米加工技术的纳米通道加工机理和加工工艺的研究课题。首先，本课题拟通过建模和仿真的方式揭示在热机械作用下探针与样品之间热传导机制，分析在热机械作用下聚合物薄膜材料去除机理；其次，建立了基于热机械加工原理的大范围加工装置，系统地研究材料特性、加工工艺参数对加工结构的影响规律，优化加工工艺参数，得到符合纳流控芯片制备要求的纳米通道结构；最后，通过转印和键合工艺，实现纳流控芯片的制备，分析纳米通道几何尺寸对通道两侧离子导电率检测效率和灵敏度的影响机制。本项目的研究成果将为带有纳米通道的纳流控芯片制备提供有力的理论及技术支撑，具有重要意义与实际价值。

在纳米尺度通道中，由于双电层重叠的影响，会出现多种纳米尺度的迁移现象。同时，纳流控技术的研究使纳米单体，如病毒、细菌、蛋白质、DNA以及纳米粒子的检测、操纵和控制成为可能。当前，如何制备高精度纳米尺度通道已经成为国内外学者研究的热点和难点问题。本项目提出了基于AFM热机械刻划加工纳米通道的新方法，并将该方法得到的纳米通道应用于纳流控制备，测量了纳流控芯片的导通，并检测了微通道溶液扰动和酶促反应两种典型案例下纳通道两侧的电学特性。项目取得的成果如下：首先，建立了AFM热探针在聚合物表面加工纳米点及纳米沟槽过程理论模型，获得了探针形状、探针温度、施加载荷、材料参数、刻划速度等因素对加工结果的影响机制；采用分子动力学热机械刻划仿真模型，获得了探针温度、探针载荷等参数对原子位移、温度场分布及切削力的影响规律；采用探针在热作用下的COMSOL多物理场有限元仿真模型，分析了热探针在静态及移动状态下热场分布情况。第二，搭建了基于AFM探针的大范围加工系统，并开发了基于探针轨迹运动加工的模块；获得了探针温度、刻划速度、施加载荷等加工参数对在PMMA、PS和PPA等聚合物材料上加工结果的影响规律，得到了一致性好、两侧材料堆积较小的纳米通道。第三，提出了采用所制备的纳米通道，结合光刻、 PDMS转印等工艺过程制备纳流控芯片的工艺流程，制备了纳米通道导通性好的纳流控芯片；以KCl电解质溶液为例，得到了纳米通道尺寸、微通道宽度、纳米通道数量、溶液浓度等参数对纳通道两侧电学特性的影响规律，阐明了纳通道中影响其导电率检测灵敏度的因素；本项目选择微通道溶液扰动和胰蛋白酶酶促反应两种典型应用实例，检测在两种实例中纳通道两侧的电学特性，得到了较好的测试效果。本项目提出了一种新的纳米通道制备方法，并将其制备成纳流控芯片，对离子传输及生物分子进行了高精度检测，项目的研究成果即拓展了基于探针加工技术的内涵，也为纳流控芯片应用到化学、生物分子检测等领域奠定了良好的基础。