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面投影微立體光刻技術(shù)和模塑法制備微流控光學(xué)器件的對(duì)比研究

更新時(shí)間:2022-04-25點(diǎn)擊次數(shù):1102

微流控芯片是把生物、化學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上,以此取代常規(guī)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的各種操作。微流控芯片因具有高度集成化、分析效率高、制造成本低、試劑消耗量少等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種科學(xué)研究。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是目前應(yīng)用*泛的微流控芯片制備材料之一,它具有良好的透氣性、透光性、生物兼容性以及化學(xué)惰性,易于通過模具澆注成型?;诠饪毯?/span>PDMS倒模技術(shù)的模塑法是目前應(yīng)用最普.遍的微流控芯片加工方法。然而,這種方法加工時(shí)間長(zhǎng)、加工成本高、加工工藝繁瑣,并且模具的制造需要在潔凈室中完成。隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn),微流控芯片可以通過3D打印技術(shù)直接制備而成,或者結(jié)合PDMS翻模工藝與3D打印技術(shù)多步加工制備而成。這些方法不僅有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)微加工方式的不足,而且還可以制備具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的微流控芯片。另外,微流控芯片制備材料的選擇也更加廣泛。


近日,卡塔尼亞大學(xué)Lorena Saitta課題組采用面投影微立體光刻(PμSL)技術(shù)和基于3D打印的PDMS翻模技術(shù)制備了用于段塞流檢測(cè)的微流控光學(xué)器件,通過對(duì)比研究評(píng)估了兩種加工技術(shù)及其制備材料的利弊。研究人員基于PμSL (microArch S140,摩方精密) 3D打印技術(shù)采用HTL光敏樹脂一步成型了微流控光學(xué)器件,該技術(shù)具有超高的打印分辨率;作為對(duì)比,研究人員還采用基于聚合物噴射3D打印的PDMS翻模技術(shù)多步工藝制備了微流控光學(xué)器件。兩種加工方法制備的器件進(jìn)口和出口定位不同,HTL器件的進(jìn)口和出口與微通道同軸對(duì)齊,而PDMS器件受限于加工方法,其進(jìn)口和出口正交于微通道。另外,HTL器件是一體成型的,氣密性比較好,可以避免液體泄露問題。

圖1. 所設(shè)計(jì)的微流控光學(xué)器件的工作原理


圖2. PDMS微流控光學(xué)器件(Device 1)和HTL微流控光學(xué)器件(Device 2)的幾何結(jié)構(gòu)俯視圖的比較(單位:mm)


圖3. PDMS微流控光學(xué)器件的制備流程


圖4. 基于PμSL技術(shù)制備HTL微流控光學(xué)器件的流程


圖5. PDMS微流控光學(xué)器件(Device 1)和HTL微流控光學(xué)器件(Device 2)的完整氣水段塞流平均周期趨勢(shì)的比較

PDMS器件和HTL器件微通道的相對(duì)粗糙度分別為0.0001 %0.0002 %,因此,兩種加工技術(shù)均能保證微通道內(nèi)流體流動(dòng)的穩(wěn)定性。將兩種器件用于段塞流的檢測(cè),PDMS器件柔性比較大,居中對(duì)準(zhǔn)兩根光纖比較困難,觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化比較大;HTL器件的剛性比較好,觀測(cè)數(shù)據(jù)的分散性遠(yuǎn)小于PDMS器件。然而,HTL樹脂的透光性不如PDMS,檢測(cè)性能相對(duì)較低。因此,基于PμSL 3D打印技術(shù),結(jié)合透光性良好的3D打印樹脂材料的開發(fā),可以推進(jìn)微流控芯片的研究。該研究成果為微流控芯片的制造提供了新思路,以“Projection micro-stereolithography versus master-slave approach to manufacture a micro-optofluidic device for slug flow detection"為題發(fā)表在The International Journal of Advanced Manufacturing Technology上。