基于多孔玻璃新材料的三维微纳流体器件的飞秒激光制备与集成

微纳流控技术领域的迅猛发展越来越引起人们的关注，它已经对生物检测、药物学、分析化学等学科产生了巨大的影响，必将引导化学分析领域和生物医学领域的下一次革命。作为微纳流控技术的基础-微纳流体器件的制备，对于微纳流控技术的研究与发展有着重要的影响。微纳流体器件的性能很大程度上取决于微纳结构的几何尺寸和复杂程度，然而，迄今为止还没有技术能够在玻璃材料中加工出纳米量级的三维通道结构。本项目旨在发展一种基于多孔玻璃新材料的三维微-纳流体通道的飞秒激光加工技术，解决微/纳/宏的跨尺度连接与集成等关键技术问题；此基础上，结合飞秒激光多功能三维集成的优势，构建三维微纳流控芯片的原型器件，对其进行原理验证和初步表征，为飞秒激光后续制备结构更加复杂、功能更加完善的微-纳流控芯片奠定基础，推动相关应用领域的发展。

近年来微流体技术的快速发展，已经在化学、医药及生命科学等领域上造成革命性的冲击。通过在单一芯片上集成泵、阀、混合器、过滤器、分离器等流体的功能，微流体系统可用于微小体积液体的高精度操控，可望实现化学和生物分析的小型化和高度集成。当前，从基础理论到应用研究领域，由三维中空微纳结构组成的复杂流体系统已经吸引了广泛的关注。但是，对于传统的平面光刻制造技术而言，构建复杂的三维微纳流体系统现仍然是一个艰巨的挑战。作为一种直接的、无掩膜的制造技术，飞秒激光微加工提供了一种能够直接对透明材料内部进行高空间分辨的局域改性新方法。在该研究中，我们提出并发展了基于多孔玻璃的水辅助飞秒激光三维制造技术，可以实现具有高长径比和任意几何构型的三维微纳通道的快速制造。基于这种方法，我们成功演示了多种功能性的微纳流体器件，包括一个被动式三维微流混合器，毛细管电泳分析芯片，以及用于DNA单分子研究的微纳流体器件。我们还对形成的微纳米通道的物理机制进行了讨论。该技术为发展复杂流体系统并开拓其在芯片实验室领域的应用提供了新的机遇。