专利名称：采用准分子激光制备高聚物基生物芯片微流路结构的方法和系统的制作方法
技术领域：
采用准分子激光制备高聚物基生物芯片微流路结构的方法和系统属激光微细加工技术领域，主要涉及以高聚物为基体的微流路类生物芯片上微流路加工。
背景技术：
生物芯片技术是90年代初期以来发展的一项新兴技术。它是分子生物学和微电子、微加工、微机械等学科的交叉产物。生物芯片的实质就是缩小了的生物化学分析器，通过微加工技术制成的生物芯片，将微米结构与生物化学处理结合集成到一个很小的氧化硅、玻璃或塑料等材质制成的芯片上。最初的生物芯片主要是用于DNA序列检测、基因表达谱鉴定等方面的点阵形式的芯片因此也称为基因芯片，目前生物芯片的研究正注重于微流路类芯片，其主要类型有PCR微流控芯片、CE电泳芯片，主要特征为将由在基片上刻蚀的微流路构成的容量仅为纳升级的微流路结构单元与各种电子控制单元、检测单元相结合，从而实现相应的集成生化分析功能。芯片中微流路的尺寸及表面形态特征将直接影响到生化反应的结果。因此在微流路芯片的制作过程中，主要用于微流路部分制作微加工技术是该项研究中的关键。
以往人们通常采用硅、玻璃等集成电路中广泛采用的材料来制做微流路芯片，尽管硅的微加工已经比较方便和成熟，而且具有很好的热传导性，但是这些材料与实验中所用生物样品的兼容性差，而且它们的光学和电学性质也限制了它们在微流路芯片中的进一步应用。而与之相比，高聚物有机材料则具有与生物样液兼容性好，较好的生物结合性能，热隔离型好，并且可在生物体内自动降解并通过体液循环排除，电绝缘性等优点。同时高聚物材料造价低廉，有利于实现低成本可抛弃型的生物芯片的制造。因此，越来越多的研究者开始关注采用高聚物有机材料作为生物芯片的基质。
目前，以硅、玻璃为基体生物芯片主要采用的加工方法有光刻、湿法化学刻蚀、电化学腐蚀、反应离子刻蚀等。但是这些方法只能局限于上述硅、玻璃等集成电路中广泛采用的材料，而且需要经过涂胶、曝光、显影、定影、晒板等多道工序，因此加工时间长，工艺复杂，要求操作程度高。难以适应芯片大批量生产和降低成本的要求。此外，目前针对高聚物的生物芯片的加工方法主要有热压法、注塑法、压印法等，这些方法需要依靠模具，加工灵活性差。无法满足不同结构的微流路类生物芯片快速发展的需求。
针对上述方法存在的缺陷，并考虑到准分子激光光子能量高适于刻蚀聚合物的特性，我们提出了利用准分子激光微细加工技术与CAD/CAM技术相结合的加工高聚物基生物芯片上微流路的新方法，该方法不但便捷、快速而且保证了良好的加工效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种准分子激光制备高聚物基生物芯片微流路结构的方法及系统基于生物芯片中微流路结构绘制的CAD图形所生成的数据文件和准分子激光微细加工系统，实现了微流路类生物芯片的快速成型，提高加工的灵活性、可靠性和降低生产成本。
本发明的技术思路为(1)将工件置于工作台上，在工作台Z轴方向运动范围内任意设定Z轴的位置，即设定放置于工作台上的工件与物镜之间的距离来确定工件表面的激光光斑面积；(2)根据已经确定的激光光斑面积和已知的材料的阈值能量密度、掩模图案的面积，得到阈值工作电压；根据这一阈值，当工件上的激光能量密度高于阈值能量密度时才能对材料实现刻蚀的原理设置工作电压；(3)根据通过公式确定工件表面的激光能量密度以及刻蚀率；(4)根据生物芯片中通常采用的微流路的尺寸及横截面形状，来设定加工参数和掩模图案，加工参数中包含工作台运动的速度、激光器触发脉冲频率和个数，微流路横截面的图案由所选取的掩模图案决定；(5)根据所要加工的生物芯片的微流路结构，利用AUTOCAD软件绘制结构图，并将图形文件生成包含有在X-Y两个方向上运动距离和运动路线信息的dat格式的数据文件，存储该文件以备调用；(6)读取数据文件获取X、Y轴的运动距离和运动路线，将它们和设置的加工参数进行检测后通过控制计算机驱动微加工工作台和激光器按设定的运动距离和运动路线、掩模图案和参数工作，实现基片上微流路结构的加工；(7)根据基片上微流路的起点和终点的位置，按以上步骤在盖片的对应位置以准分子激光刻蚀或者用常规的打孔方法加工用于注射和出射液体的过孔，完成对盖片的加工；
(8)按照现有的高聚物材料的键合方法，将加工好的基片与盖片键合，形成完整的密封的微流路结构，完成本发明生物芯片微流路结构的制作。
采用准分子激光的高聚物基的生物芯片微流路结构的制备方法，其基本原理为利用准分子激光具有的很高的光子能量，高于部分聚合物的结合键能的特性。基于这一性质，在准分子激光辐射的范围之内，高聚物材料的工件由于吸收光子，在光子流量超过阈值后实现有效的光解导致化学键的断裂。当断键的数量不断增加，生成的碎片达到一定的浓度时，被刻蚀材料体内的压力和温度急剧升高，导致体爆炸的发生，使得碎片离开基体，形成刻蚀。因此准分子激光加工被看作是一种冷加工，能够得到平滑的刻蚀表面。再配合上工作台即工件位置的移动，便可实现不同形状和参数的微流路的加工。微流路横截面形状的控制可以通过更换掩模而方便实现。微流路中流路的深度及表面质量可通过改变激光能量、激光脉冲频率、工作台移动速度这些加工参数来控制。
本发明方法的具体步骤为(1)将被加工工件置于工作台上，并与激光光束对准，在工作台Z轴方向运动范围内任意设定Z轴的位置，确定工件与物镜间的距离，从而确定工件表面上的光斑面积S；(2)根据公式①可以计算出F0*激光出射的阈值能量密度，F0/F0*＝S*/S①其中F0工件材料的阈值能量密度；F0*激光出射的阈值能量密度；S工件表面的激光光斑面积；S*掩模图案的面积且F0工件材料的阈值能量密度由工件材料本身决定，(3)根据公式②可以计算阈值激光出射能量E0E0＝F0*S0②，从而得到相应的阈值工作电压；(4)根据这一阈值工作电压，当工件材料上的激光能量密度高于阈值能量密度时才能对材料实现刻蚀的原理，设置激光大于阈值工作电压的工作电压，从而得到相应的激光出射能量E；(5)根据公式③F*＝E/S0③其中F*是由激光出射能量E和激光出射光斑面积S0决定的；激光出射光斑面积S0是由激光器本身决定，
(6)根据公式F/F*＝S*/S④计算出工件材料表面的激光能量密度F；其中F工件材料表面的激光能量密度；F*出射激光的能量密度；S工件表面的激光光斑面积；S*掩模图案的面积工件表面的激光能量密度F由激光器工作电压和工件表面的激光光斑面积决定，(7)根据刻蚀率公式⑤可以计算出刻蚀率xf；xf＝ln(F/F0)/α⑤其中xf刻蚀率；F工件表面的激光能量密度；F0工件材料的阈值能量密度；α工件材料对激光的吸收系数F0和α由所采用的工件材料和激光波长确定；(8)根据生物芯片中通常采用的微流路的尺寸及横截面形状，来设定加工参数和掩模图案，加工参数中包含工作台运动的速度、激光器触发脉冲频率和个数，微流路横截面的图案由所选取的掩模图案决定；根据h、xf和公式⑥确定出n，n＝h/xf⑥其中n每一加工处所需刻蚀的脉冲个数；h所要加工的微流路的深度；根据已知的l值代入公式⑦计算出f/v的值，根据这一关系选择适合的激光频率和工作台移动速度数值；f的工作范围由激光器本身决定，v的工作范围由工作台本身决定的；n＝6*1*f/v⑦l所使用掩模的长度；f激光脉冲频率；v工作台移动速度根据加工要求的微流路的横截面形状选择相应的掩模图案；(9)根据所要加工的微流路的结构和尺寸，采用AUTOCAD软件绘制微流路结构图形，并在AUTOCAD软件中将该图形文件转换成dat格式的数据文件存储到控制计算机中以备调用；(10)读取数据文件获取X、Y轴的运动距离和运动路线，将它们和上述步骤中设定的工作台移动速度、激光器工作电压、激光脉冲频率这些加工参数进行检测后传送至控制计算机，实现系统加工参数的配置；驱动工作台和激光器按设定的路线、掩模图案和参数工作，实现基片上微流路结构的加工；
(11)根据基片上微流路的起点和终点的位置，按步骤(1)-(10)的方法在盖片的对应位置以准分子激光刻蚀或者用常规的打孔方法加工用于注射和出射液体的过孔，完成对盖片的加工；(12)将加工好的基片与盖片以现有的高聚物键合技术键合在一起，从而实现微流路结构的密封，完成本发明生物芯片微流路结构的制作。一种采用准分子激光制备高聚物基生物芯片微流路结构的系统，其特征在于包含有控制计算机1及由它分别控制的准分子激光器2和驱动电机7，驱动电机7控制的X-Y-Z三维位移工作台8以及在工作台8上放置工件6，准分子激光器2出射光束采用反射镜3来改变方向光路，依次通过掩模旋转台4和成像物镜5照射在工件6上进行高聚物基生物芯片微流路结构的制备。
该系统中的掩模旋转板4包含有多种掩模图案，掩模图案的不同将导致加工所得的微流路横截面的差异。
本发明在微流路类生物芯片的制备中，具有灵活性，准确性，和高效性能够满足不同微流路结构的需要。
图1本发明方法主流程图；图2本发明系统具体实施方式
示意中1控制计算机，2准分子激光器，3反射镜，4旋转掩模板，5成像物镜，6工件，7驱动电机，8工作台；图3在AUTOCAD中绘制的基片的微流路加工图；图4在AUTOCAD中绘制的盖片加工图；图5微流路整体结构及进样效果；图6显微镜下观察的微流路内部形貌。
具体实施例方式
利用本发明技术，可以在COC(环烯共聚物)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等高聚物材料上加工生物芯片的微流路；本发明采用实施例介绍了我们在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料上进行了CE(毛细管电泳)生物芯片微流路的加工和进样实验；加工系统按常规方法制作、安装调试，其中，准分子激光器2的型号为Lambda physik LPX305IF，激光波长为248nm；计算机1为奔腾586PC机；计算机1中安装有向准分子激光器2、X-Y-Z三维位移工作台驱动电机7发送信号及从驱动电机7接收信号的通用输入、输出接口的内置激光加工系统控制卡，位移工作台的驱动电机7采用通用的步进电机；具体步骤如下(1)将经过在乙醇溶液中超声清洗的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料工件(面积20mm*20mm，厚度1mm)至于工作台上，根据加工需要进行定位和对准；通过调节Z轴，确定工件处于掩模图案通过物镜成像的像面上，由于该物镜的成像倍率为1/10，因此辐射在工件表面上的光斑面积S与掩模图案的面积S*之比为1/100，根据公式①工件材料的阈值激光能量密度与出射激光的阈值能量密度之比为100；(2)由于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)对248nm激光的吸收系数α为0.05μm-1，该波长的激光开始刻蚀PMMA材料的阈值激光能量密度F0为5000mJ/cm2；根据公式①此阈值对应的出射激光阈值能量密度为50mJ/cm2，由于本激光器的出射激光光斑面积为8cm2和公式②对应的阈值出射激光能量为400mJ，因此对于PMMA材料该激光器的工作电压均可满足加工要求；本实施例中设定工作电压为20kv，对应的激光能量为1000mJ；根据设定的出射激光能量值1000mJ，激光光斑面积为8cm2，计算得出射激光的能量密度F*，因此置于掩模像面的工件上的激光能量密度F为12500mJ/cm2；根据公式⑤xf＝ln(F/F0)/α计算得出刻蚀率xf为18μm/激光脉冲；(3)由于所需微流路的横截面为半圆形，因此选取了直径为1mm的圆孔型掩模；由于所要加工的微流路深度为100μm，刻蚀率xf为18μm/激光脉冲，所以根据公式⑥每一加工处都需要6个激光脉冲才能达到所需要的刻蚀深度100um；由于本例中采用的掩模为直径为1mm的圆孔，根据公式⑦得出激光脉冲频率f/工作台移动速度v的值为1，因此设置f为5hz，v为5mm/min；(4)根据所需要的微流路结构，在AUTOCAD软件中以1∶1的比例绘制基片上的微流路结构图如图3，并将该文件转换成数据文件存储到准分子激光微细加工系统的控制计算机1中，根据图形生成的数据文件由控制工作台在x-y两个方向上的运动路线和运动距离的加工指令顺序组成；(5)对输入的所有参数进行检测，由于本实施例的激光器工作频率为0-50hz，工作电压为13-23kv对应的激光能量在500-1200mJ，任何超过该范围的参数都会对激光器造成损坏，同样工作台的移动速度在0-60mm/min之间，也需要对输入值进行检查以免造成损坏，如果工作参数有效将继续下一步，如超出有效范围将停止工作；(6)CPU将设定的各种加工参数分别发送至硬件上对应的通道地址上，完成加工参数的配置；激光器的工作电压、脉冲频率参数数值被传送至控制激光器工作电压、脉冲频率2个通道地址，设定激光脉冲与工作台同步这一工作方式对应的参数值被传送至激光脉冲个数控制通道；X轴运动速度的数值被传送至控制X轴运动速度的通道地址；Y轴运动速度的数值被传送至控制Y轴运动速度的通道地址；然后按照所读取的数据文件(dat文件)上的加工指令的顺序，将其中每条指令对应的X-Y轴运动距离分别传送至控制X轴运动距离的通道地址和控制Y轴运动距离的通道地址，运动方向被传送至控制工作台方向的通道地址，在所设定的各种加工参数下逐条执行加工指令；通过计算机数据总线，将控制指令传输至相应的控制通道，再将控制信号发送给步进电机，驱动工作台及激光器的运转，依次执行运动指令完成整个加工路线；(7)传送设置的加工参数至相应的硬件上的通道地址，即将工作台移动速度5mm/min这一数值传送至x轴运动速度控制通道地址310H和y轴运动速度控制通道地址311H；激光脉冲频率5hz的数值被传送到脉冲频率控制通道地址319H；激光脉冲与工作台移动同步的指令传送至激光脉冲个数控制通道地址31bH；按照读取数据加工文件获得的加工指令，向控制x轴移动距离通道313H，y轴移动距离通道314H，运动方向通道31cH，按文件顺序发出对应的运动指令，逐条执行该文件的运动指令直至走完整个加工路线；从而驱动工作台及激光器实现基片上微流路的刻蚀；(8)根据基片上微流路的结构，盖片上需要刻蚀3个过孔作为注射孔和出射孔；在AUTOCAD中绘制盖片加工图如图4，生成相应的数据文件；按照与加工基片相同的步骤，设置激光器工作电压为23kv，脉冲频率为20hz，工作台移动速度为2mm/min，读取数据文件，完成盖片的加工；盖片上的过孔直径为500um；(9)将加工好的基片与盖片以三氯甲烷有机胶粘剂键合，首先将盖片固定在匀胶机上，设置匀胶机的工作参数为转动时间6秒；转动速度3000转/分，在开始转动后在转动中心处滴入三氯甲烷有机溶剂，转动结束后由于离心力的作用该胶粘剂被均匀的覆盖在盖片上，施加一定压力将基片与盖片对准固定在一起，待该胶粘剂固化后，即可实现微流路结构的密封，完成本发明生物芯片微流路结构的制作。
在完成全部的微流路结构制备后，由注射泵注入红色颜料查看进样效果，以验证该微流路结构的实际效果，由图5、6可见该结构不但保证了流路的均匀平滑而且实现了真正的密闭微流路；可以作为生物芯片的主体用于各种生化试验。
由此可见，按照以上的制备方法可以大大简化生物芯片的制作过程，明显提高制作的灵活性，并且保证了加工效果。
本发明及其系统只需采用不同的数据文件作为加工文件和设置不同的加工参数即可得到形态各异的微流路结构，并利用了准分子激光冷加工的特性保证了良好的加工效果；实现PCR(聚合酶链式扩增反应)芯片及CE(毛细管电泳)芯片等三维微流路类生物芯片的结构加工。
权利要求
1.一种采用准分子激光制备高聚物基生物芯片微流路结构的方法，其特征在于，它包括以下步骤(1)将被加工工件置于工作台上，并与激光光束对准，在工作台Z轴方向运动范围内任意设定Z轴的位置，确定工件与物镜间的距离，从而确定工件表面上的光斑面积S；(2)根据公式①可以计算出F0*激光出射的阈值能量密度，F0/F0*＝S*/S①其中F0工件材料的阈值能量密度；F0*激光出射的阈值能量密度；S工件表面的激光光斑面积；S*掩模图案的面积且F0工件材料的阈值能量密度由工件材料本身决定，(3)根据公式②可以计算阈值激光出射能量E0E0＝F0*S0②，从而得到相应的阈值工作电压；(4)根据这一阈值工作电压，当工件材料上的激光能量密度高于阈值能量密度时才能对材料实现刻蚀的原理，设置激光大于阈值工作电压的工作电压，从而得到相应的激光出射能量E；(5)根据公式③F*＝E/S0③其中F*是由激光出射能量E和激光出射光斑面积S0决定的；激光出射光斑面积S0是由激光器本身决定，(6)根据公式F/F*＝S*/S④计算出工件材料表面的激光能量密度F；其中F工件材料表面的激光能量密度；F*出射激光的能量密度；S工件表面的激光光斑面积；S*掩模图案的面积工件表面的激光能量密度F由激光器工作电压和工件表面的激光光斑面积决定，(7)根据刻蚀率公式⑤可以计算出刻蚀率xf；xf＝ln(F/F0)/α ⑤其中xf刻蚀率； F工件表面的激光能量密度；F0工件材料的阈值能量密度；α工件材料对激光的吸收系数F0和α由所采用的工件材料和激光波长确定；(8)根据生物芯片中通常采用的微流路的尺寸及横截面形状，来设定加工参数和掩模图案，加工参数中包含工作台运动的速度、激光器触发脉冲频率和个数，微流路横截面的图案由所选取的掩模图案决定；根据h、xf和公式⑥确定出n，n＝h/xf⑥其中n每一加工处所需刻蚀的脉冲个数；h所要加工的微流路的深度；根据已知的l值代入公式⑦计算出f/v的值，根据这一关系选择适合的激光频率和工作台移动速度数值；f的工作范围由激光器本身决定，v的工作范围由工作台本身决定的；n＝6*l*f/v⑦l所使用掩模的长度；f激光脉冲频率；v工作台移动速度根据加工要求的微流路的横截面形状选择相应的掩模图案；(9)根据所要加工的微流路的结构和尺寸，采用AUTOCAD软件绘制微流路结构图形，并在AUTOCAD软件中将该图形文件转换成dat格式的数据文件存储到控制计算机中以备调用；(10)读取数据文件获取X、Y轴的运动距离和运动路线，将它们和上述步骤中设定的工作台移动速度、激光器工作电压、激光脉冲频率这些加工参数进行检测后传送至控制计算机，实现系统加工参数的配置；驱动工作台和激光器按设定的路线、掩模图案和参数工作，实现基片上微流路结构的加工；(11)根据基片上微流路的起点和终点的位置，按步骤(1)-(10)的方法在盖片的对应位置以准分子激光刻蚀或者用常规的打孔方法加工用于注射和出射液体的过孔，完成对盖片的加工；(12)将加工好的基片与盖片以现有的高聚物键合技术键合在一起，从而实现微流路结构的密封，完成本发明生物芯片微流路结构的制作。
2.一种采用准分子激光制备高聚物基生物芯片微流路结构的系统，其特征在于包含有控制计算机1及由它分别控制的准分子激光器2和驱动电机7，驱动电机7控制的工作台8以及在工作台8上放置的工件6，准分子激光器2出射光束采用反射镜3来改变方向光路，依次通过掩模旋转台4和成像物镜5照射在工件6上进行高聚物基生物芯片微流路结构的制备。
全文摘要
准分子激光制备高聚物基生物芯片微流路结构的方法和系统属激光微细加工技术领域，方法包括确定光斑面积；设置工作电压；根据微流路的尺寸及横截面形状设定加工参数和掩模图案；根据微流路结构绘制图并将生成数据文件存储以备调用；读取数据文件和加工参数检测后驱动工作台和激光器工作完成基片加工；按以上步骤或常规打孔加工盖片；键合基片与盖片。系统包含控制计算机1及其控制的准分子激光器2和驱动电机7，驱动电机7控制的工作台8以及在工作台8上放置工件6，准分子激光器2出射光束用反射镜3来改变光路，通过掩模旋转台4和成像物镜5在工件6上进行加工。本发明实现了生物芯片快速成型，提高加工的灵活性、可靠性，降低生产成本。
文档编号G03F7/20GK1558291SQ200410000670
公开日2004年12月29日 申请日期2004年1月16日 优先权日2004年1月16日
发明者左铁钏, 张瑜, 陈涛, 刘世炳, 姚李英 申请人:北京工业大学