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案例研究

用于微流体应用的激光制造微通道表征

医疗设备, 案例研究, 模塑, 激光, 芯片实验室
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Photonics4Life 是圣地亚哥德孔波斯特拉大学(USC,西班牙)应用物理系的光学领域研究小组。它的研究领域之一是使用激光加工制造不同的微流控器件。这些装置可模拟血管病理学中的血管网络和细胞行为(例如微肿瘤、动脉粥样硬化斑块和动脉瘤的形成),用于进行临床前体外模型研究。

利用 Sensofar 的 3D 光学轮廓仪 S neox,我们可以轻松表征通过激光技术制造的微通道的形貌

因微流体领域呈现出的巨大应用潜力,它在过去几年中经历了巨大的发展。直接微流体应用的一些例子包括芯片实验室、芯片器官、护理点器件、细胞捕获、化学和生物学分析。在用途方面,微流控器件有不同的几何形状,其复杂程度可根据需要而调整,但是构成这些微流控器件的基本结构之一是微通道。

已知有几种材料可用于制造微通道,而材料的适用性取决于制造技术。这些材料中包括聚合物、硅或玻璃。制造技术的示例包括软刻蚀、光刻和热熔技术。但是,当使用钠钙玻璃作为材料时(因其坚固性、耐化学性、透明性和低成本),直接激光刻写便成为最合适的技术之一。其精确且多用途,可快速生成非常复杂的几何图形。而且,由于其非接触性质,因此没有污染物并且不需要洁净室设施。当为此应用目的进行纳米尺度操作时,必须具有非常良好的形貌图,以确保其质量,以及有关通道尺寸的所有信息。在此报告中,通过共聚焦显微镜对通过直接激光写入制造的结构进行了充分表征。

通过直接激光写入在钠钙玻璃上制造微通道。使用的激光器是 Rofin Nd:YVO4 系统,脉冲持续时间为 20 ns,中心波长为 1064 nm。该装置由检流计系统构成,该检流计系统处理,并且无需样品移动即可制造复杂的结构。使用焦距为 100 mm 的透镜将激光束聚焦在基板表面上,以确保工作区域面积为 80×80 mm2。钠钙玻璃购自当地供应商。
为了获得适当的结构纵横比,操作员对样品进行了多次激光扫描。因此对形貌演变进行研究。研究人员通过 1 到 10 次扫描制造出微通道。使用 Sensofar S neox 3D 光学轮廓仪,使用 20 倍放大倍率物镜捕获结构区域的共聚焦图像。生成表面轮廓,并描绘出激光扫描产生的微通道深度变化(图 1)。
微通道壁的粗糙度值是一个须获得的关键值,因为它必须足够低才可用于微流体应用。利用 Sensofar S neox 3D 光学轮廓仪和 SensoMAP 分析软件,研究人员得以从小面积获得粗糙度值。本研究选择了通过 50 倍放大倍率物镜获得的八次激光扫描微通道底部的形貌(图 2)。

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<em>图 1</em>. 不同激光扫描次数下的多个微通道的共聚焦图像(左:一次,右:十次)。生成的通道轮廓
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<em>图 2</em>. 根据 ISO 25178 标准,用激光制造的一个微通道的 3D 形貌以及通道底部的粗糙度参数

凭借激光直接写入的多功能性和精确度,我们可以制造出几种微流控器件。在这里,我们显示了使用 20 倍物镜获得的某些示例的部分 3D 共聚焦形貌图(图 3)。

cs6 USC - laser for microfluidic 3
<em>图 3</em>. 3D 共聚焦形貌图详细描绘了一些在钠钙玻璃操作激光的一些微流控器件示例

利用 Sensofar 的 3D 光学轮廓仪 S neox,我们可以轻松表征通过激光技术制造的微通道的形貌。
使用具有 20 倍放大倍率物镜的共聚焦技术分析激光扫描的结构轮廓的演变。此外,结合 SensoMAP 分析软件,可以计算出制造出的通道的粗糙度参数。在这个例子中,获取共聚焦形貌时使用了50 倍放大放大倍率物镜。
总之,通过使用 S neox 3D 光学轮廓仪,可以在尺寸和粗糙度上完美表征每个结构。

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