基于飞秒激光制备技术的新型微全分析纳米磁珠芯片的研究

微型全分析芯片通过生物、化学分析系统的高度微型化与集成化,最终在芯片级水平上实现分析实验室功能。在DNA的突变检测、基因表达、药物筛选及释放和疾病诊断等诸多领域有着十分广阔的应用前景，是当今生命科学、化学以及医学等领域研究的前沿热点之一。本项目拟采用飞秒激光微加工技术在石英材料内部直写加工出真三维微螺旋结构、微腔室、微进/出样通道，并结合MEMS微封装技术实现高度集成化的微电感阵列，进而制备出一种基于磁珠技术的新型微全分析芯片。通过飞秒激光微加工技术制作的微电磁单元与样本陷阱接触面积小、集成化工艺好、磁场效率高且集中可控，可以解决现有MEMS技术难以直接制备三维立式微电感的重大难题。拟研究制备的纳米磁珠芯片将可以实现在同一芯片上顺序完成细菌热裂解、DNA提纯、PCR扩增反应等过程。研究工作有望为集成化生物芯片制备提供一种新的工艺和方法，具有重要的科学意义和应用价值。

通过对生化分析设备的集成化与微型化，微流控芯片能够最大限度地把分析实验室的功能转移到便携式的分析设备中，最终实现分析实验室的个人化、家庭化。随着近年来材料科学、生化检测技术、微纳加工技术和微电子学所取得的突破性进展，微流控芯片技术也得到了迅速地发展。相比于传统检测设备，微流控芯片有着试剂消耗少、检测灵敏度高、分析速度快、液体流动可控和检测范围广等优点。由于在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，微流控芯片已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。.本项目通过对微流控芯片制备技术和应用的研究，取得了以下重要研究结果：.（1）提出了一种飞秒激光湿法刻蚀微纳制造方法，实现了硬脆材料上的高效、高精度三维微纳制造，受到国际学术界高度评价；提出了“激光功率补偿”和“测开孔结构”等三维微通道结构的飞秒激光湿法刻蚀优化技术路线。通过飞秒激光扫描路径上的激光功率补偿和侧开孔结构设计，提高了三维微流道的均匀性和可加工尺寸，解决了传统飞秒激光湿法刻蚀技术难以加工截面均匀、大尺寸三维复杂微流道的难题；.（2）提出了一种三维双螺旋交联式微混合器芯片。通过特殊三维双螺旋交联式微流道结构设计，将叠片层流、混沌对流和流体碰撞的被动式微混合机理集成在单个微混合器内，实现了宽雷诺系数范围内微流体的快速稳定混合。制备的三维双螺旋交联式微混合器可在在320 µm长度内，对0.003< Re< 30范围内的微流体实现快速稳定的混合；.（3）提出了一种结合飞秒激光湿法刻蚀技术和金属微固化技术制备复杂三维金属微结构的方法。利用飞秒激光湿法刻蚀技术在熔融石英材料内部制备具有三维复杂结构的微流道，然后结合微流控封装工艺和流体注入工艺将熔融金属导入到三维微流道中，熔融金属固化后获得三维金属微结构，最终实现了熔点为140℃的三维金属微器件的制备和封装；.（4）结合飞秒激光湿法刻蚀和金属微固化工艺，在熔融石英材料内部成功制备Rogowski三维微线圈，通过“石英-PDMS-电极”的芯片结构实现了Rogowski微分电流传感器的封装，实现了对高频电流信号的快速检测。.通过本项目的研究，共发表论文SCI论文37篇，获得发明专利3项；2013年获得教育部自然科学二等奖一项； 共培养博士生2名，硕士生3名。