生物醫(yī)學(xué)玻璃的激光微加工—芯片實(shí)驗(yàn)室

2020-12-15

相信大家在部分科幻電影或動(dòng)漫中，常常能看到可以植入人體的芯片，用來監(jiān)控身體各個(gè)參數(shù)、增強(qiáng)人體機(jī)能和神經(jīng)反應(yīng)。芯片一旦植入，普通人就變身成為神秘特工或未來戰(zhàn)士。

而現(xiàn)實(shí)中隨著馬斯克的腦機(jī)接口正在一步步邁向臨床，AlphGo把人類棋手完虐等以前只能在科幻電影中見到的“未來科技”，逐步在現(xiàn)實(shí)生活中出現(xiàn)的時(shí)候，擁有“小身材有大智慧”的AI芯片似乎也能夠夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)了。

事實(shí)上，如今已有一些“芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-a-chip）”出現(xiàn)了，并且其發(fā)展速度是非常快的！

芯片實(shí)驗(yàn)室

什么是“芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-a-chip）”？簡(jiǎn)單地說，能夠?qū)⒄麄€(gè)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的基本操作單位集成到簡(jiǎn)單微系統(tǒng)上的技術(shù)就叫“芯片實(shí)驗(yàn)室”。“芯片實(shí)驗(yàn)室”中的芯片是作為流體在其中流動(dòng)的微通道圖案，可被模塑或刻蝕。

微通道和外部宏觀環(huán)境之間的連接需要通過若干孔，這些孔穿透芯片，具有不同的尺寸，用于將流體注入芯片或從芯片中移除。在微流控芯片中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，流體被混合、分離或引導(dǎo)。終結(jié)果可形成自動(dòng)復(fù)合系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)高通量檢測(cè)。

在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，芯片實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)快速診斷。芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)有望成為一種重要的診斷工具。這些微型化的設(shè)備使醫(yī)療保健服務(wù)提供方可以使用非常少量的試劑和測(cè)試樣本執(zhí)行一系列診斷測(cè)試。此外得益于它們的便攜性，還可以在遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。

制作芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab- on-a-chip）或微流控芯片（Microfluidic chip）的材料主要是玻璃，受限于芯片的微尺度特性，在制備過程中，對(duì)玻璃進(jìn)行激光微加工有著很高的要求。制作芯片實(shí)驗(yàn)室的大挑戰(zhàn)之一是在玻璃芯片內(nèi)部加工高精度管道、容器和閥門。

挑戰(zhàn)：玻璃微加工

由于其脆性和透明性，玻璃中進(jìn)行微小的特征加工進(jìn)行是相當(dāng)困難的。如果使用常規(guī)工具手段，實(shí)際上是不可能的。但是超快激光器可以勝任這種加工。當(dāng)脈沖持續(xù)時(shí)間低于幾十皮秒時(shí)，激光與材料的相互作用進(jìn)入冷燒蝕狀態(tài)，加工質(zhì)量和精度會(huì)變得很高。

常規(guī)的微制造方法，例如光刻，壓印和軟蝕刻，已經(jīng)用于制備微流體芯片。然而，當(dāng)要實(shí)現(xiàn)具有多功能集成的復(fù)雜微流控芯片時(shí)，這些方法將面臨巨大挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈冃枰喙に嚥襟E，并且成本很高。

刻蝕來啦

▲由NKT Photonics的ORIGAMI XP飛秒激光制備的芯片實(shí)驗(yàn)室樣品

大功率超快激光脈沖穿透玻璃。緊聚焦的飛秒激光脈沖可以經(jīng)濟(jì)有效地生產(chǎn)具有多功能的通用微流控芯片。超短脈沖寬度提供了令人難以置信的峰值功率，即使在透明材料中，也可以進(jìn)行表面和塊狀材料內(nèi)部的改性以進(jìn)行劃線。

▲飛秒激光加工的芯片溝道特寫

超快激光確保加工的高精度和高質(zhì)量。通過利用激光的高度空間選擇性，可以將相互作用區(qū)域準(zhǔn)確地設(shè)置在材料的特定局部區(qū)域。這使得飛秒加工技術(shù)可以在透明材料中以微尺度對(duì)復(fù)雜的三維形狀進(jìn)行非常高分辨率的圖案化和雕刻。

▲深度小于10 μm的溝道特寫

NKT超快激光器可以實(shí)現(xiàn)非常精細(xì)的深度和通道寬度控制

飛秒級(jí)超短脈沖寬度比材料中的電子-聲子耦合過程都短，因此超短的飛秒脈沖寬度，意味著在飛秒時(shí)間尺度傳遞能量，這能很好的降低熱影響區(qū)的形成和熱損害。這種“冷燒蝕”方式實(shí)現(xiàn)了高精度和高分辨率的微加工處理，并具有較高的處理可靠性。緊密聚焦的光束可以在微尺度上非常高分辨率地對(duì)復(fù)雜形狀進(jìn)行微加工。