小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3

小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3

传统的光刻工艺中所使用的铬玻璃掩膜板需要由专业供应商提供，但是在研发环境中，掩膜板的设计通常需要经常改变。无掩膜光刻技术通过以软件设计电子掩膜板的方法，克服了这一问题。与通过物理掩膜板进行光照的传统工艺不同，激光直写是通过电脑控制一系列激光脉冲的开关，在光刻胶上直接曝光绘出所要的图案。

小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3是一款多功能激光直写光刻系统，具有结构小巧紧凑(70cm x 70cm x 70cm)，无掩膜直写系统的灵活性，还拥有高直写速度，高分辨率的特点。采用集成化设计，全自动控制，可靠性高，操作简便。适用于各种实验室桌面。

图1. 小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3

 

小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3的优势：

☛ 实验成本低：相比于传统光刻机，该光刻系统无需掩膜板，同时它也可以用来加工掩膜板，年均可节省成本数万元；

☛ 实验效率高：通过在计算机上设计图案就可轻松实现不同的微纳结构或器件的加工，同时具有多基片自动顺序加工功能；

☛ 光刻精度高：系统具有多组不同分辨率的激光加工模块(0.4 μm，0.6 μm， 1 μm，2 μm,  5 μm)，且均可通过软件自由切换；

☛ 加工速度快：最高可实现180 mm²/min的快速加工；

☛ 具有3D加工能力：256级灰度，可实现Z方向的不同深浅的加工；

☛ 适用范围广：可根据光刻需求的不同，配备365 nm，385 nm和405 nm波长光源或安装不同波长双光源；

☛ 使用成本低：设备的采购，使用和维护成本低于常规的光刻系统。

 

生物微流控领域器件制备

酿酒酵母菌是一种具有高工业附加值的菌种，其在真核和人类细胞研究等领域也有着非常重要的作用。酿酒酵母菌由于自身所在的细胞周期不同，遗传特性不同或是所处的环境不同可展现出球形单体，有芽双体或形成团簇等多种形貌。因此获得具有高纯度单一形貌的酿酒酵母菌无论是对生物学基础性研究还是对应用领域均有着非常重要的意义。

澳大利亚麦考瑞大学Ming Li课题组利用小型台式无掩膜直写光刻系统MicroWriter ML3制备了一系列矩形微流控通道[^1]。在制备的微流控通道中，通过粘弹性流体和牛顿流体的共同作用对不同形貌的酿酒酵母菌进行了有效的分类和收集。借助MicroWirter ML3中所采用的无掩模技术，课题组可以轻易实现对微流控传输通道长度的调节，优化出对不同形貌酵母菌进行分类的最佳参数。相关工作结果在SCI期刊《Analytical Chemistry》（IF=8.08）上发表。
 

图2.在MicroWriter ML3制备的微流控通道中利用粘弹性流体对不同形貌的酿酒酵母菌进行微流控连续筛选。

 

 

图3.在MicroWriter ML3制备的微流控流道中对不同形貌的酿酒酵母菌的分类和收集效果。

（a）为收集不同形貌酿酒酵母菌所设计的七个出口。

（b）不同形貌酵母菌在通过MicroWriter ML3制备的流道后与入口处的对比。

（c）MicroWriter ML3制备的微流控连续筛选器件对不同形貌的酵母菌的筛选效果。从不同出口处的收集结果可以看出，单体主要在O1出口，形成团簇的菌主要O4出口。

（d）MicroWriter ML3制备的微流控器件对不同形貌的酿酒酵母菌的分类结果，单体（蓝色），有芽双体（黄色）和形成团簇（紫色）。

（e）和（f）不同出口对不同形貌的酿酒酵母菌的分离和收集结果的柱状图。误差棒代表着三次实验的误差结果。

 

医学检测领域器件制备

在新冠疫情大流行的背景下，从大量人群中快速筛查出受感染个体对于流行病学研究有着十分重要的意义。目前，新冠病毒诊断采用的普遍标准主要是基于分析逆转录聚合酶链反应，可是在检测中核酸提取和扩增程序耗时较长，很难满足对广泛人群进行筛查的要求。
 

复旦大学魏大程教授课题组利用小型台式无掩膜直写光刻系统MicroWriter ML3制备出基于石墨烯场效应晶体管（g-FET）的生物传感器^[2]。该传感器上拥有Y形DNA双探针（Y-双探针），可用于新冠病毒的核酸检测分析。该传感器中的双探针设计，可以同时靶向SARS-CoV-2核酸的ORF1ab和N基因，从而实现更高的识别率和更低的检出极限（0.03份μL⁻¹)。这一检出极限比现有的核酸分析低1-2个数量级。该传感器最快的核酸检测速度约为1分钟，并实现了直接的五合一混合测试。由于快速、超灵敏、易于操作的特点以及混合检测的能力，这一传感器在大规模范围内筛查新冠病毒和其他流行病感染者方面具有巨大的前景。该工作发表在《Journal of the American Chemical Society》（IF=16.383）。

 

 

图4. 利用MicroWriter ML3制备基于g-FET的Y形双探针生物传感器。

（a）Y形双探针生物传感器进行SARS-CoV-2核酸检测的流程图。

（b）选定的病毒序列和探针在检测SARS-CoV-2时所靶向的核酸。ORF1ab: 非结构多蛋白基因; S: 棘突糖蛋白基因; E: 包膜蛋白基因; M: 膜蛋白基因; N: 核衣壳蛋白基因。图中数字表示SARS-CoV-2 NC_045512在GenBank中基因组的位置。

（c）经过MicroWriter ML3光刻制备的生物传感器的封装结果。图中的比例尺为1 cm。

（d）通过MicroWriter ML3制备的石墨烯通道的光学照片。

（e）在石墨烯上的Cy3共轭Y型双探针。图中的比例尺为250 μm。