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基于无掩模光刻的惯性分选微流控芯片的制备工艺研究

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摘要

微流控芯片由于具有易集成、耗样量少、检测精度高、成本低等优点在微纳医疗器械领域占有十分重要的地位，并逐步应用于疾病的早期发现、快速诊断与治疗。其中，微流控分选芯片是一种重要的样本预处理器件。在诸多微流控分选芯片中，惯性分选微流控技术作为一项新的分选技术广泛应用于对微纳米粒子的高效分选。本文总体以惯性分选微流控芯片的理论设计、计算流体动力学仿真、芯片制造工艺的开发、微流体实验平台的搭建以及芯片分选性能的测试为主线。具体研究成果如下：
　　首先，设计一种150μm宽、50μm高的具有平面螺旋微流道结构的惯性分选微流控芯片。此设计基于直流道悬浮粒子的惯性迁移原理和弯流道迪恩流对粒子的作用原理，并使用CFD-ACE+件在准确计算稳态流场的前提下，以瞬态解的形式动态模拟2μm和5μm混合粒子在螺旋流道中的惯性迁移过程。流场计算中，分别采用五面体和六面体网格单元类型对流道进行网格划分，通过比较不同网格单元类型以及网格疏密程度对流场计算结果的影响来确定合理的网格划分方案，并预测达到理想分选效果时流道入口的注射流速。
　　其次，探索并开发一套完整的PDMS-玻璃芯片的制作工艺路线。基于无掩模光刻技术制作50μm厚SU-8阳模并采用模塑法快速、批量、低成本地制作PDMS-玻璃芯片。采用单一变量法确定SU-8处在4×光刻物镜的焦深范围时对应光刻平台的Z轴偏移量，并对DMD的投影位置与光刻平台的步进运动关系进行了精确的匹配调节。确定SU-8的旋涂、前烘、后烘等常规工艺参数外，采用抗倒伏弯条状掩模探索具有不同深宽比特征的SU-8微结构所需最短曝光时间。在测定光刻系统多个灰度值对应的曝光功率的基础上，通过拼接曝光对照实验确定了合理的拼接边、角灰度值，并对曝光时间进行反馈和修正。
　　最后，制作PDMS-玻璃芯片并搭建微流体实验平台，对芯片的分选性能进行表征。配制体积分数为0.015％、直径分别为200nm、2μm、5μm的聚苯乙烯荧光粒子，研究不同大小的粒子在不同流速下的惯性迁移效果。在特定的注射流速下，采用高速CCD在螺旋流道出口的底面连续拍摄900张粒子荧光灰度图像，并使用ImageJ软件对荧光灰度图像序列进行叠加，分析叠加图像中螺旋流道出口宽度方向的相对荧光强度数据来量化粒子的惯性迁移过程。实验结果表明，注射流速为360μL/min时，芯片对2μm与5μm混合粒子具有较好的分选效果。

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