光纤功能器件集成式微流体芯片的飞秒激光制备及其微全分析研究

Through the integration research of optical fiber functional devices and microfluidic chips, we design and fabricate microfluidic chips integrated with optical fibers, which are used to construct a multifunctional micro total analysis system (µTAS). First of all, we fabricate fiber micro-pump, fiber optical tweezers, optical fiber valves and fiber biochemical sensors, etc, which can be integrated with microfluidic chips. And microfluidic chip function modules are devised to achieve microfluidic pumping, particle trapping and operation, directional diversion of the microfluidic, and microfluidic monitoring of composition and concentration. Then, aiming at different applications of the micro total analysis, we select different functional modules combined with the structures of microfluidic chip, such as injection ports, microfluidic channels, sample pools and liquid outlets, and directly devise the whole microfluidic chip system. Finally, the internal structures and integrating interfaces of microfluidic chip system are directly fabricated by using femtosecond laser induced water breakdown. The fabrication process is once formed, and the fiber integration is easy to implement. The purpose of this project is to solve the problem of the simple function existed in the micro-fluidic chip, and to realize the application of the micro total analysis by using the multifunctional microfluidic chip.

本课题通过对光纤功能器件与微流体芯片集成的研究，设计制备出基于光纤集成式微流体芯片，并构建多功能微全分析系统。首先，制备能够与微流体芯片集成的光纤微泵、光纤光镊、光纤光控阀门、光纤生化传感器等光纤功能器件，并设计出能够实现微流体泵送、粒子捕获与操作、微流体定向分流、微流体成分与浓度监测等功能的光纤集成式微流体芯片功能模块。然后，针对不同微全分析应用目的，选取不同的光纤集成式微流体芯片功能模块，结合微流芯片中的注液口、微流通道、样品池、出液口等结构，直接组合设计出整个微流体芯片系统。最后，利用飞秒激光诱导水击穿技术直接制备出微流体芯片系统的所有内部结构及光纤集成接口，制备过程一次成型，光纤集成易于操作实现。本课题旨在解决微流体芯片功能简单的问题，实现多功能微流体芯片的微全分析应用。

微流体芯片是微全分析系统中的核心部件，它将多种功能有效地集成在数毫米至厘米大小的微型器件中，可以在微米量级的功能单元内完成微量样品的制备、分离、反应和检测等过程。将光纤技术与微流体芯片技术结合能进一步拓展微流体芯片功能，提高对微流芯片内样本的操纵与多参量检测能力。本课题设计并制备了能够嵌入微流体芯片的光纤微纳功能器件、研究了微纳功能器件与微流芯片的集成技术、并成功构建了各类微全分析系统。主要内容包括：建立了飞秒激光诱导水击穿空腔刻蚀模型，利用飞秒激光诱导水击穿技术实现了透明材料内部三维微通道以及光纤微泵的制备；设计并制备了微纳光纤浓度监测传感器、光纤流速探针、微流体体积监测探针等光纤功能器件，可以实现微流体泵送、粒子捕获与操作、微流体定向分流、微流体成分与浓度监测等功能；利用飞秒激光诱导水击穿技术直接制备出微流体芯片系统的所有内部结构及光纤集成接口，解决了光纤功能器件与微流体芯片集成的问题。光纤功能器件集成的微流控芯片可实现对芯片内流体多个特性的实时监测并能够提供极高的检测灵敏度和极低的检测极限。基于本项目研究成果，申请发明专利5项（已授权2项），发表SCI论文27篇，其中，在国际光学一流期刊(Lab on a Chip、Nanophotonics、Optics letters、 Optics Express、 Sensors and Actuators B， SCI 影响因子均大于3.0)上发表论文21篇。