Kr-F脉冲激光优化PMMA微通道加工参数的响应面法研究及其在微流控器件中的应用

本研究针对传统微通道加工技术的局限性，采用248 nm Kr-F脉冲激光在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)上制备微流控通道。通过响应面法(RSM)优化激光能量(310 mJ)、扫描速度(10 mm/min)和频率(32 Hz)等参数，实现了表面光滑、深度均匀的方形微通道，为生物医学诊断设备开发提供了高效加工方案。

　　

在医疗诊断和即时检测(PoC)设备领域，微流控通道的加工精度直接决定生物样本检测的可靠性。传统微铣削、光刻等技术面临加工效率低、热变形严重等挑战，而聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)因其优异的光学特性(透光率92%)和生物相容性成为理想基底材料，但其紫外波段(100-400 nm)吸收特性使得加工参数优化尤为关键。

印度理工学院坎普尔分校和CMTI班加罗尔的研究团队在《Optics》发表论文，首次系统研究了248 nm Kr-F准分子激光加工PMMA的工艺优化。该研究采用中心复合旋转设计(CCRD)实验方案，通过20组实验量化分析了激光能量、扫描速度和频率对通道几何特征的影响，发现310 mJ能量配合10 mm/min扫描速度可产生最佳截面形状(R²=0.82)。

关键技术包括：1) 使用波长248 nm的Kr-F准分子激光系统；2) 响应面法(RSM)设计实验矩阵；3) 三维轮廓仪测量通道深度/宽度；4) 接触角测试表征亲水性；5) FTIR光谱分析材料降解程度。

【材料】选用2 mm厚PMMA板材，其60-70×10^-6/°C的热膨胀系数有效抑制加工变形。

【实验设计】通过CCRD方法建立三因素五水平实验模型，考察激光能量(250-350 mJ)、频率(20-40 Hz)和扫描速度(5-15 mm/min)的交互作用。

【结果】数据显示：1) 通道深度与激光能量呈正相关，310 mJ时达最大深度48.2±0.3 μm；2) 表面粗糙度(Ra)最优值为0.94 μm，出现在32 Hz频率组；3) 壁角接近90°的方形通道需严格控制扫描速度在8-12 mm/min区间。

【讨论】相比CO₂激光(10.6 μm)产生的热熔效应，Kr-F激光通过光化学分解实现冷加工，热影响区(HAZ)减少67%。FTIR分析证实PMMA主链断裂程度低于聚碳酸酯(PC)，这解释了其加工后仍保持92%透光率的特性。该工艺可实现单次加工数千个差异化微流道，为器官芯片等生物器件量产提供新方案。

研究证实，基于RSM的工艺优化能显著提升微通道加工一致性，其中频率对表面粗糙度影响最大(贡献率41%)，而激光能量决定深宽比。这些发现为开发新一代可抛弃式微流控诊断芯片奠定了工艺基础，特别适用于需要透明观察窗的循环肿瘤细胞检测等应用场景。