【背景概述】

飞秒激光具有独特的超短脉宽和极高的峰值强度，飞秒激光直写技术已广泛用于功能化微流控芯片的制备，从３个方面针对基于飞秒激光直写技术的微流控芯片进行综述：不同材料微流控芯片中的飞秒激光功能器件集成技术、飞秒激光集成微流控芯片的多功能应用以及微流控芯片的高效率飞秒激光加工技术，通过对飞秒激光直写技术在微流控领域的研究结果进行总结与归纳，为飞秒激光直写技术制备微流控芯片的研究、应用及发展方向提供参考。

【飞秒激光直写的原理】

飞秒激光直写技术对特定材料的加工主要利用的是双光子聚合(TPP)原理，而TPP的理论基础是双光子吸收(TPA)的三阶非线性效应原理。在光强足够大的情况下,光聚合材料的价电子在单个量子事件中同时吸收２个近红外光子，实现电子从基态到激发态的过渡（如下图1a所示）。TPA 速率与光强的平方成正比，因此TPA 只发生在光子密度足够高的焦点处，飞秒激光峰值功率高。很容易激发材料产生TPA。另外飞秒激光波长大材料吸收弱，穿透能力强。因此当飞秒激光聚焦到材料内部时，材料发生TPA 而产生聚合。在典型的TPP过程中，程序控制一束聚焦的激光束在３D 空间移动，根据设计逐点扫描，直至完成整个3D结构（如下图1b所示）。

图1 TPP 加工示意图

此外，与传统的微加工方法相比，飞秒激光加工工艺还具有其他优点，如可设计性和真3D加工，这些加工特性使TPP加工在芯片制备和功能化设计方面成为一种通用的工具。图２所示为TPP加工系统，其中CCD为电荷耦合器件存储器，SLM 为空间光调制器，CGH 为计算机全息图。该系统由激光源、光束导向系统、光束调制系统、计算机图形生成与控制系统和CCD监控系统组成，作为一套典型的激光处理系统，飞秒激光脉冲通过高数值孔径的透镜(NA 为1.35，放大倍数为,100)后聚焦于目标位置，3D移动平台可在X、Y、Z这３个方向上自由移动，运动精度均优于１nm，在预编程模式的指导下，放置在移动台上的光敏材料被飞秒激光辐射，材料性能发生变化,形成微结构。

图2 TPP 加工系统

【飞秒激光直写在功能化微流控芯片的应用】

玻璃微流控芯片：市售的玻璃管道大多在玻璃表面有一条凹槽，加工前先在玻璃管道上涂覆一层很薄的光刻胶，然后对光刻胶进行一系列的简单处理，如匀胶、旋涂、烘干,使之达到可以加工的状态；然后将处理好的玻璃管道放在显微镜加工平台上，用飞秒激光在微管道中加工3D微结构；加工完成后将玻璃管道放入光刻胶对应的显影液中，洗去多余的光刻胶；最后,在玻璃管道上表面用压力密封PDMS，得到所需的微流控芯片。需要说明的是使用压力密封是为了玻璃管道的重复利用，以及便于后续揭开PDMS 拍摄扫描电子显微镜(SEM)图像，如果使用等离子体辅助密封，玻璃会与PDMS表面发生化学变化，不利于玻璃微管道的重复利用。Xu等采用飞秒激光多焦点并行技术加工出了3D微流控芯片，并对技术和工艺进行了一系列改进。首先考虑到玻璃管壁对激光能量的衰减效应,需要适当提高激光能量，经过多次实验，得出管道中加工功率约为表面功率的1.1倍；其次,管道厚度远大于盖玻片厚度，前烘参数需要调整，经过实验得出最佳前烘参数为90min、100℃，管道中显影时间也需延长为玻片上的２倍；最后确定合适的初始加工位置，使微结构在底部牢固地粘住，且不会破坏结构的完整性。图3(a)~(d)所示.经过大量测试确定在CCD 中观察到激光在光刻胶中激发的荧光从不衰减到突然衰减(衰减意味着激光到达管道底部以下)处的上下１~２μm位置为最合适的初始加工面。

图3 利用飞秒激光多焦点并行技术加工3D微流控芯片

PDMS微流控芯片：Xu等设计了合适的微管道掩模板，并制得了PDMS微管道，采用停留控制结合飞秒激光TPP的方法，加工出了微捕获结构，如图4所示。通过控制微管道中的流体，实时创建单粒子或多粒子阵列，实现了任意位置、任意大小的单颗粒捕获和光流体成像，解决了捕获效率低的问题，有望应用于单细胞分析。Liu等在PDMS管道中用飞秒激光直写技术集成了一个螺旋桨结构，该结构可用于流体混合（如图4所示）。PDMS微管道可将复杂结构与经典微流控平台相结合，与传统的光刻技术相比，PDMS模具制备容易，可选材料范围广(如聚合物、玻璃、硅片等)，可重复利用，节约了管道的准备时间，提高了实验效率；此外，制备的PDMS管道所需设备简单，在普通的实验室环境下就能使用。

图4 螺旋桨微混合器加工示意图