I. Čo je mikrofluidný čip?
Na rozdiel od tradičných čipov je mikrofluidný čip skôr ako „biochemická reakčná platforma“ v mikrometrovej stupnici. Konkrétne mikrofluidný čip je technologická platforma, ktorá integruje základné prevádzkové jednotky, ako je príprava vzorky, reakcia, separácia a detekcia z polí ako biológia, chémia a medicína na „čip“ v mikrometrovej stupnici. To umožňuje rýchlu, efektívnu a automatizovanú analýzu komplexných biochemických procesov.
Pretože mikrofluidné čipy majú mikrosmerové štruktúry, tekutiny vykazujú a vytvárajú špeciálne vlastnosti, ktoré sa líšia od vlastností v makroskopickom meradle, čo vedie k vývoju jedinečných analytických schopností.
Mikrofluidné čipy vyžadujú presnú manipuláciu s drobnými kvapalinovými vzorkami, ako je regulačný prietok tekutín, miešanie, reakcia a detekcia. Z tohto hľadiska sú základnými štruktúrami mikrofluidného čipu mikrokanály a mikropodniky. Inými slovami, kvalita výroby mikrokanálov a mikropodnikov priamo ovplyvňuje výkonnosť a účinnosť detekcie mikrofluidného čipu.
II. Porovnanie metód výroby mikrofluidných čipov (ako príklad s použitím sklenených mikrokanálov)
Tradičné výrobné metódy zahŕňajú:
1. Tradičné mechanické obrábanie: náchylné na štiepanie a praskliny.
2. Ultrazvukové obrábanie: nízka účinnosť, s ťažkosťami pri regulácii jemných povrchových prvkov.
3. Abrasívne stručné obrábanie: Vyžaduje masku a substrát, čo sťažuje výrobu mikrokanálov s vysokými pomermi strán.
4. Diamantové rezanie: nedostatočná presnosť a nízka účinnosť obrábania.
5. Chemické leptanie:
- Vlhké leptanie, vďaka svojej izotropnej povahe, nielen do hĺbky leptaní kanálov, ale aj ich horizontálne rozširuje na povrchu, čo spôsobuje bočné „podhodnotenie“, ktoré ovplyvňujú presnosť kanála.
- Suché leptanie má na druhej strane nízku účinnosť spracovania.
III. Výhody femtosekundového laserového spracovania pre mikrofluidné čipy
Medzi primárne mikroskolné štruktúry v mikrofluidných čipoch patria slepé drážky, slepé diery a mikropodniky. Femtosekundové laserové spracovanie, ako špičková technológia mikro/nano výroby, ponúka výhody, ako je vysoká presnosť, bezkontaktné spracovanie, široká adaptabilita materiálu a rýchlosť rýchleho spracovania. Vďaka týmto vlastnostiam je obzvlášť vhodná na leptanie mikroštruktúr v mikrofluidných čipoch.
Nižšie analyzujeme výhody spracovania femtosekundového laserového spracovania založené na kľúčových metrikách kvality mikrofluidných čipov:
1. Rozmerová a presnosť tvaru mikrokanálov a mikropodnikov: mikrofluidné čipy vyžadujú extrémne vysokú presnosť v rozmeroch a tvaroch mikrokanálov a mikropodnikov, pretože tieto priame ovplyvňujú charakteristiky toku tekutiny a účinnosť reakcie. Ako ultra rýchly laser má femtosekundový laser bodový priemer iba niekoľkých mikrometrov do viac ako desiatich mikrometrov, čo umožňuje leptanie a vŕtanie materiálu s vysokou presnosťou. Napríklad štandardy spracovania z monokolorovej technológie Shenzhen ukazujú, že dimenzionálna presnosť mikrokanálov a mikropodnikov je možné kontrolovať v rámci ± 1μm, čím sa spĺňa požiadavky presnosti väčšiny návrhov pre mikrokanály a ďalšie komponenty.
(Keramické mikrofluidné kanály: Prípadová štúdia výroby)
2. Drsnosť povrchu: Povrchy mikrokanálov a mikropodnikov sú potrebné hladké, aby sa znížilo odolnosť proti prietoku tekutiny, zabránilo adsorpcii vzorky a zvýšila citlivosť detekcie. Femtosekundové lasery, s ultra-šikmou šírkou impulzov, zabezpečujú dobré výsledky leptania, minimalizujú prepracované vrstvy, roviny a mikro-kracky. V dôsledku toho je možné v 0}}}}}}}}}}}}}}}}}.
3. Adaptabilita materiálu: Okrem skla sa mikrofluidné čipy vyrábajú zo širokej škály materiálov vrátane polymérnych materiálov (napr. PI film, PDMS film), kremíka a keramiky. Preto musí výroba mikrofluidných triesok prispôsobiť vlastnosti rôznych materiálov. Femtosekundové lasery s extrémne vysokým maximálnym výkonom môžu okamžite odstrániť materiály, vďaka čomu sú vhodné na spracovanie rôznych materiálov. Či už ide o kremík, sklo alebo filmové materiály, femtosekundové lasery sa môžu použiť na výrobu mikrokanálov a slepých otvorov.
(PDMS membránové mikropodniky: Prípadová štúdia výroby)
Záver
Femtosekundová laserová technológia revolúcia v spôsobe výroby mikrofluidných čipov, ktoré sú základnými nástrojmi v biológii, chémii a medicíne. Výkon týchto čipov výrazne závisí od presnosti ich mikrokanálov a mikropodnikov, čo je štandard, ktorý tradičné výrobné metódy často nespĺňajú v dôsledku obmedzení presnosti, efektívnosti a materiálnej kompatibility.
Naopak, spracovanie laserových laserov femtosekund ponúka významné výhody vrátane vysokej presnosti, bezkontaktnej prevádzky, širokej adaptability materiálu a minimálnej drsnosti povrchu. Presným ovládaním rozmerov a tvarov mikrokanálov a mikropodnikov, optimalizáciou drsnosti povrchu a prispôsobením rôznych materiálov (ako je sklo, kremík a polyméry) poskytujú femtosekundové lasery spoľahlivé riešenie pre zložitý návrh a účinnú výrobu mikrofluidických štiepk.
Keďže sa v budúcnosti naďalej rozvíja technológia femtosekundovej laserovej technológie, očakáva sa, že jej aplikácie v oblasti mikrofluidných čipov sa rozšíria, riadia inovácie a širšie prijatie v oblastiach, ako je presnosť medicíny, monitorovanie životného prostredia a bioanalýza.