CN101251532B - 微-纳流控芯片的二维纳米通道的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种微-纳流控芯片的二维纳米通道的制备方法，将纳米线放置载玻片上作为模板；通过热压法，将纳米线嵌入热塑性聚合物基片的上表面；用刻蚀剂将嵌入聚合物基片中的纳米线溶解后，在聚合物基片表面形成二维纳米通道；将形成二维纳米通道的聚合物基片与盖片封合，形成密封的二维纳米通道。可用于制备具有二维纳米通道的微-纳流控芯片，本发明制备二维纳米通道工艺简单，不需要昂贵的加工设备，成本低廉，加工速度快。
Description
技术领域
本发明涉及微-纳流控芯片的加工方法，特别是涉及微-纳流控芯片的二维纳米通道的制备方法。
背景技术
随着微细加工技术的进步，微流控芯片技术正朝着微-纳流控(micro-and nanofluidic)方向发展。由于微-纳流控芯片在单分子分析，生物技术以及生物传感器方面具有显著的优势和巨大的潜在应用，微-纳流控芯片技术已经吸引了化学，物理以及生物研究工作者的广泛兴趣。
加工纳米通道是集成微-纳流控芯片的关键，用于集成微-纳流控芯片的纳米通道可分为一维纳米通道(宽度微米级，深度纳米级)、二维纳米通道(宽度纳米级，深度纳米级)和纳滤膜三种。一维纳米通道可采用普通光刻技术制得。由于一维纳米通道的宽深比大，芯片在封接时容易产生通道塌陷。纳滤膜已经商品化，可被封接在两片加工有微米通道的基片之间，集成微-纳流控芯片。这两种纳米通道集成的微-纳流控芯片多用于生物大分子和离子的富集研究。由于一维纳米通道的宽度通常在几微米到数十微米之间，它在研究DNA分子拉伸，单分子之间相互作用等方面受到了很大限制。二维纳米通道主要用于DNA拉伸以及单分子间相互作用的研究，加工方法可分为光刻法和非光刻法两类。光刻法包括电子束光刻(Electron Beam Lithography)、聚焦离子束光刻(Focused-ion Beam Lithography)、纳米压印光刻(Nanoimprint Lithography)等。非光刻法包括：(1)化学蒸气沉积后延生长法制备硅纳米线模板，利用多步氧化刻蚀制备纳米管阵列，该法制备的纳米管长度只有8微米，并且集成微-纳流控芯片难度较大；(2)电纺法制备可热分解的聚合物纳米线，然后用热稳定物质包裹此纳米线，通过加热使纳米线热分解，获得纳米通道。该法制备的纳米通道较长，但是所需材料特殊不易获得。上述二维纳米通道的加工方法均需昂贵的设备，复杂的加工过程和高昂的加工费用，限制了微-纳流控芯片技术的发展，因此研究一种加工简便，成本低廉的微流控芯片的二维纳米通道的制备方法，对于微-纳流控芯片技术和单分子研究的发展都具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是建立一套简便快速，成本低廉的微-纳流控芯片的二维纳米通道的制备方法，克服目前二维纳米通道加工设备昂贵，加工过程复杂和加工费用高昂的问题。
本发明提供的微-纳流控芯片的二维纳米通道的制备方法，是将纳米线放置载玻片上作为模板；通过热压法，将纳米线嵌入热塑性聚合物基片的上表面；用刻蚀剂将嵌入聚合物基片中的纳米线溶解后，在聚合物基片表面形成二维纳米通道；将形成二维纳米通道的聚合物基片与盖片封合，形成密封的二维纳米通道。
本发明将加工有微米通道的盖片与上述加工有二维纳米通道的基片相封接，使二维纳米通道与微米通道相连，可得到集成的微-纳流控芯片。
本发明的所用的纳米线通过热拉伸法制得，直径在20-900纳米之间，长度可控制在5微米到4厘米之间。纳米线可放置为直线形，弧形或阵列形用于压制不同形状的纳米通道。
本发明的二维纳米通道的宽度在20-900纳米之间，长度在5微米到4厘米之间，形状可为直线形，阵列形，弧形或相互交叉。
本发明热压法制备二维纳米通道的具体步骤是：
●用热拉伸法制备纳米线；
●将一块洁净平整的聚合物基片盖在纳米线和载玻片上；
●将聚合物基片，纳米线和载玻片放入热压机中热压，使纳米线嵌入聚合物基片；
●将载玻片和聚合物基片剥离，用刻蚀剂溶解纳米线，露出纳米通道；
●去除了纳米线的聚合物基片与另一盖片封合，形成二维纳米通道。
本发明中的基片与盖片可为聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等热塑性聚合物，聚合物盖片和聚合物基片可以是相同的聚合物材料，也可以是不同的聚合物材料。
本发明所述的制备二维纳米通道的具体步骤可对同一基片重复使用，加工相对复杂的纳米通道结构。
本发明所述所述的封接方法可为热压法封接或聚二甲基硅氧烷基片可逆封接。
在本发明中，由于热拉伸法制作的纳米线表面光滑，硬度大，熔点高，可以作为热压法加工纳米通道的模板，避免了昂贵光刻设备的使用。热压法制备二维纳米通道和集成微-纳流控芯片加工过程简单，成本低廉，整个加工过程可在2个小时内完成。此外，通过对纳米线进行操纵或改变微米通道构形，可制备多种复杂构形的二维纳米通道和微-纳流控芯片。与现有二维纳米通道加工技术相比，本发明具有工艺简单，可在普通实验室条件下进行，不需要昂贵的加工设备，成本低廉，加工速度快等特点。
附图说明
图1制备二维纳米通道示意图
图2微-纳流控芯片示意图
图中：1-聚合物基片，2-纳米线，3-载玻片，4-二维纳米通道，5-盖片，6-微米通道，7-密封的二维纳米通道，8-储液池。
具体实施方式
实施例1
热拉伸法制作的纳米线：以二氧化硅光纤为原料，在酒精灯上加热，通过调节二氧化硅光纤离火焰的距离来调节加热部分的温度，边加热边拉伸，根据要求制得直径在20-900纳米之间，长度在5微米到4厘米之间的纳米线。
热压法制备二维纳米通道：步骤见图1。首先将一块洁净平整的聚合物基片1盖在二氧化硅纳米线2和载玻片上3(图1a)；将热压机的温度升到聚合物的玻璃态温度，施加压力，进行热压，使二氧化硅纳米线2嵌入聚合物基片1中(图1b)，保持压力一段时间，同时降低热压温度；待热压机温度降至50℃时，将载玻片3和聚合物基片1从热压机中取出，使之分离，聚合物基片1用氢氟酸溶解二氧化硅纳米线，聚合物基片1露出二维纳米通道4(图1c)。用聚合物盖片5与聚合物基片1封合后，形成密封的二维纳米通道7(图1d)。
实施例2
根据实施例1提供更具体的一个优化实例。将一根长4mm，直径100nm的二氧化硅纳米线2放置在载玻片3中心位置，将一块长3cm，宽2cm，厚0.5mm的聚碳酸酯基片1放置在纳米线2和载玻片3上；将它们放入热压机中，热压机下加热块升温至155℃，上加热块升温至140℃，施加1.2MPa压力，并保持1分钟，然后在5分钟内将加热块温度降至50℃，取出聚碳酸酯基片1和载玻片3，此时，纳米线2已经嵌入聚碳酸酯基片1中。剥离聚碳酸酯基片1和载玻片3，用氢氟酸溶解二氧化硅纳米线3，露出二维纳米通道4；在聚二甲基硅氧烷盖片5上加工微米通道6。将去除了纳米线的聚碳酸酯基片1与加工微米通道6的聚二甲基硅氧烷盖片5封合，形成密封的二维纳米通道7，二维纳米通道7与微米通道6相连，得到集成的微-纳流控芯片。本实例加工的二维纳米通道侧壁光滑，封接后没有塌陷和溶液泄漏处。
实施例3
根据实施例2提供制作十字交叉纳米通道的实例。使用实施例2的热压方法，首先将一根直径700nm的二氧化硅纳米线压入聚碳酸酯基片，用氢氟酸去除纳米线后，在聚碳酸酯基片上得到宽度和深度均为700nm的纳米通道，再将一根直径700nm的纳米线与此通道垂直放置，进行第二次热压，去除纳米线后与聚二甲基硅氧烷基片封接，形成十字形二维纳米通道，本实例可进一步拓展，用于加工纳米通道相互交叉的复杂通道构形。
实施例4
根据实施例1和实施例2提供一个加工微-纳流控芯片实例，此微纳流控芯片可以用于DNA分子拉伸等单分子研究。采用实施例2的热压参数在聚碳酸酯基片上压制一条宽337nm，长2mm的纳米通道，在聚二甲基硅氧烷盖片上加工两条宽50μm，深度5μm，间距50μm的通道，将盖片和基片封接后，集成为单分子拉伸研究中常用的微纳流控芯片(图2)。
Claims (5)
1.一种微一纳流控芯片的制备方法，其特征是将二氧化硅纳米线放置载玻片上作为模板；通过热压法，将二氧化硅纳米线嵌入聚碳酸酯基片的上表面；用氢氟酸将嵌入聚碳酸酯基片中的二氧化硅纳米线溶解后，在聚碳酸酯基片表面形成二维纳米通道；将形成二维纳米通道的聚碳酸酯基片与聚二甲基硅氧烷盖片封合，形成密封的二维纳米通道，二氧化硅纳米线直径在20-900纳米，长度在5微米到4厘米，将加工有微米通道的盖片与加工有二维纳米通道的基片相封接，二维纳米通道与微米通道相连，得到集成的微-纳流控芯片。
2.根据权利要求1所述的微-纳流控芯片的制备方法，其特征是所用的载玻片上放置纳米线为直线形，阵列形或弧形，用于压制不同形状的二维纳米通道。
3.根据权利要求1所述的微-纳流控芯片的制备方法，其特征是二维纳米通道的宽度在20-900纳米之间，长度在5微米到4厘米之间，形状为直线形，阵列形，弧形或相互交叉。
4.根据权利要求1所述的微-纳流控芯片的制备方法，其特征是交叉连接的复杂的二维纳米通道，使用多根纳米线作为模板，通过多次热压法制作。
5.根据权利要求1所述的微-纳流控芯片的制备方法，具体步骤是：
●用热拉伸法制备纳米线；
●将一块洁净平整的聚碳酸酯基片盖在纳米线和载玻片上；
●将聚碳酸酯基片，纳米线和载玻片放入热压机中热压，使纳米线嵌入聚碳酸酯基片；
●将载玻片和聚碳酸酯基片剥离，用刻蚀剂溶解基片上的纳米线，露出纳米通道；
●去除了纳米线的聚碳酸酯基片与盖片封合，形成二维纳米通道。
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