CN102644049A

CN102644049A - 一种基于TiO2纳米薄膜浸润性的微流体驱动方法

Info

Publication number: CN102644049A
Application number: CN2012101273469A
Authority: CN
Inventors: 陈涛; 刘宁; 王金淑; 李洪义; 吴坚; 刘世炳
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2012-08-22

Abstract

一种基于TiO₂纳米薄膜浸润性的微流体驱动方法，可应用于微全分析领域。利用TiO₂纳米薄膜的光致亲水性，采用脉冲激光沉积技术，在微流控芯片的微通道内沉积TiO₂纳米薄膜，用紫外灯照射该微通道，增强微流控芯片上微通道内表面的浸润性，得到增强的毛细力，驱动微流体在微通道内流动。微流控芯片上的微通道阵列结构还可组成毛细微泵。该驱动方法无需外部设备提供能量，可以实现微流体的快速、稳定驱动，对于实现微流体系统的集成化、微型化、自动化具有重要意义。

Description

一种基于TiO2纳米薄膜浸润性的微流体驱动方法

技术领域

本发明涉及一种基于TiO₂纳米薄膜浸润性的微流体驱动方法，可应用于微全分析领域。

背景技术

微流控技术是目前研究活跃的交叉学科领域。主要应用于生物医学、化学等方面。涉及到生物、医学、化学、光学、电子、材料等学科。微流控系统将生物和化学分析中的多种操作集成在尺寸非常小的芯片上，使生化反应和分析中的试样引入、混合、分离、等功能集成化。微流控芯片将传统实验室中各种重要功能集成在体积很小的芯片上，这种集成化、微型化带来了很多优点：(1)试剂消耗量大大减少，这一点尤其对珍贵稀少的试剂有重要意义；(2)反应速度成倍提高；(3)大幅降低了实验成本；(4)具有良好的便携性。

微流控芯片的结构特征在于各种复杂的微通道网络。微流控系统需要通过在这些微通道网络中对微流体的操作来实现各种功能，比如试剂的引入、混合、分离等。因此，微流控系统中的流体驱动技术是实现微流控芯片功能的关键技术。微流控系统采用各种类型的微泵来驱动流体，实际应用中对于微泵的基本要求是：能提供连续稳定的流量、结构简单、需要的辅助部件少、操作简便、制作和运行成本低。

在众多的微流体驱动方法中，利用微通道内的表面张力设计的毛细力驱动方法，不需要外加动力源，为微泵设计的集成化、微型化提供了一条重要途径。在具有良好亲水性的微通道内，容易产生较强的毛细力，可以用于微通道内流体的表面张力驱动。以毛细力作为驱动力制作的微泵不需要外接能源，从而避免了外置庞大的设备所带来的不便，有利于芯片的集成化和微型化。

TiO₂是一种重要的宽禁带半导体材料。1997年Fujishima等首次报道了TiO₂的光致超亲水性。紫外光照引起的TiO₂表面发生结构变化是导致TiO₂产生光致亲水现象的原因。TiO₂受到紫外光的照射后，其价带上的电子被激发到导带，电子与空穴向TiO₂表面迁移，在表面形成电子-空穴对。电子与T⁴⁺反应生成T³⁺，空穴与表面桥氧离子反应形成氧空位。空气中的水解离吸附在氧空位中，成为化学吸附水(表面羟基)，化学吸附水可进一步吸附空气中的水分，形成物理吸附层，即在T³⁺缺陷周围形成高度亲水的微区，而表面剩余区域仍保持疏水性，这样就在TiO₂表面形成了均匀分布的纳米尺寸分离的亲水微区。由于水滴尺寸远远大于亲水区面积，所以在宏观上TiO₂表面表现出亲水性。

脉冲激光沉积(PLD)是一种真空物理沉积工艺。高能量的激光束照射在靶材上，靶材表面的原子在激光光子的轰击下脱离周围原子的束缚，从而气化形成等离子体羽辉。当等离子体羽辉与靠近靶材的基片接触时，便在上面沉淀形成薄膜。脉冲激光沉积系统主要由激光光源、外光路系统和真空镀膜装置组成。激光束通过聚焦后通过真空室上的激光窗打在靶材上，轰击靶材产生等离子体羽辉。等离子体羽辉迅速沉积在基片上。溅射薄膜前需要将真空室内抽空，并将基片加热到一定的温度。在沉积薄膜的过程中，通常需要向真空室内充入某种气体，并动态维持真空室在一定的气压下，用以改善薄膜的性能。

发明内容

为了能使TiO₂表面的亲水性作为微流控的驱动，本发明提供一种基于TiO₂纳米薄膜浸润性的微流体驱动方法，使得微通道表面亲水性增强，依靠增强的毛细力，实现流体在微通道内快速、稳定流动。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于TiO2纳米薄膜浸润性的微流体驱动方法，在微流控芯片的微通道内沉积TiO2纳米薄膜，用紫外灯照射该微通道来驱动微通道内的液体流动。

所述在微流控芯片的微通道内沉积TiO2纳米薄膜采用脉冲激光沉积方法制备，该方法的步骤为：

A、采用光刻或湿法腐蚀方法在微流控芯片材料上集成微通道或毛细微泵，形成微流控芯片；

B、将清洗后的微流控芯片放入真空室内，使用TiO2作为靶材，靶材与微流控芯片基底之间的距离为6cm，将真空室抽真空到2×10-4Pa，然后向其中通入氧气，气压为2Pa，将微流控芯片加热到400℃；

C、采用KrF准分子激光轰击靶材，激光脉冲能量密度为20J/cm2，单脉冲能量为250mJ，脉冲频率为5Hz，持续80分钟，在微流控芯片的微通道或毛细微泵上形成TiO2纳米薄膜；

D、对TiO2纳米薄膜在真空室内进行原位退火处理，保温时间和降温时间分别为60分钟和30分钟，得到锐钛矿相的TiO2。

其中，所述微流控芯片材料为白冕玻璃或硅。所述毛细微泵由微通道阵列组成。

本发明的有益效果是：

(1)将TiO₂纳米薄膜纳米材料的光致亲水性用于微流体驱动领域，获得了快速、稳定的流体驱动效果。

(2)将TiO₂纳米薄膜的制备与微流控芯片上微通道的表面修饰结合起来，在微通道内获得了均匀分布的TiO₂纳米薄膜。

(3)为微流控内的表面改性提供了一种方便、过程简单的途径。

附图说明：

图1为采用了本发明所提供的一种基于TiO₂纳米薄膜浸润性的微流体驱动方法的玻璃微流控芯片结构图。

图2(a)为图1中经过TiO₂纳米薄膜修饰的单条微通道结构图。

图2(b)为图1中经过TiO₂纳米薄膜修饰的毛细微泵结构图。

图3为图1所示玻璃微流控芯片上沉积的TiO₂纳米薄膜的X射线衍射谱图。

图4(a)为未经过处理的芯片表面水的接触角；

图4(b)沉积了TiO₂纳米薄膜并经过紫外线照射的芯片上水的接触角。

图5为经过TiO₂薄膜修饰的微通道内液体流速随时间变化曲线。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步描述本发明，其目的在于更好地理解本发明的内容，而不是对本发明的限制。

本实施例的微流控芯片采用光刻或湿法腐蚀在白冕玻璃上制作，其结构如图1所示，包括单通道结构1，带有毛细微泵阵列7的微通道网络2，单通道进液口3、毛细微泵进液口4，单通道出液口5、毛细微泵出液口6。

使用KrF准分子激光在玻璃微流控芯片上沉积TiO₂纳米薄膜。首先将清洗后的玻璃微流控芯片放入真空室中，用真空泵将真空室抽到2×10^-4Pa，然后向其中通入氧气，气压为2Pa；将玻璃微流控芯片加热到400℃。然后采用KrF准分子激光轰击靶材，激光脉冲能量密度为20J/cm²，单脉冲能量为250mJ，脉冲频率为5Hz。薄膜沉积时间为80分钟。最后对TiO₂纳米薄膜在真空室内进行原位退火处理，以得到锐钛矿相的TiO₂。芯片在真空室中的保温时间和降温时间分别为60分钟和30分钟。

将经过TiO₂纳米薄膜修饰的芯片放在紫外灯下照射，获得微通道表面具有光致亲水性的芯片。

通过场发射扫描电子显微镜(FESEM，S4800)观察本发明中TiO₂薄膜修饰的玻璃微流控芯片表面的形貌，其图像结构分别见图2(a)和图2(b)。扫描电子显微镜显示玻璃微流控芯片表面经过TiO₂薄膜修饰后，形成了由纳米颗粒构成的粗糙表面。为了证明图玻璃微流控芯片表面修饰层为TiO₂，测试了修饰后的玻璃微流控芯片表面的X-射线光电子能谱，如图3所示。在经过修饰的芯片表面的X-射线光电子能谱中有明显的锐钛矿相TiO₂峰，表明本发明采用的脉冲激光沉积和原位退火方法的确可以在玻璃微流控芯片表面制备锐钛矿相的TiO₂薄膜。

通过接触角测量系统(OCA20，Dataphysics公司)对本发明芯片的浸润性进行测量。玻璃微流控芯片表面经本专利描述的方法可制得具有光致亲水性的TiO₂薄膜，使得玻璃微流控芯片表面的接触角平均值从57°降低到TiO₂修饰后的10°左右。图4(a)和图4(b)显示了3微升的水滴在未经过任何表面修饰的玻璃微流控芯片图4(a)和经过TiO₂修饰的玻璃微流控芯片上的测量图样图4(b)，可以看出TiO₂薄膜修饰后的玻璃微流控芯片表面浸润性得到明显的改善。

通过高速摄像的方法记录本发明的流体在微通道内的运动情况。通过计算微流体前端面的运动速度，来表征微通道内流体的流速。用紫外光对经过TiO₂修饰的芯片进行照射，测量照射后微通道内的流速。之后每间隔2小时测量一次流速。照射时所采用的紫外灯功率为20W，芯片平放在紫外灯管下方，镀有TiO₂薄膜的一面朝上，芯片与紫外灯管的距离10cm，照射时间为10分钟。图5显示了微通道内液体流速随时间变化关系。可以看出TiO₂修饰的微通道可以在超过8小时的时间内都能驱动流体以超过30mm/s的速度流动。

Claims

1.一种基于TiO₂纳米薄膜浸润性的微流体驱动方法，其特征在于：在微流控芯片的微通道内沉积TiO₂纳米薄膜，用紫外灯照射该微通道来驱动微通道内的液体流动。

2.如权利要求1所述的一种基于TiO₂纳米薄膜浸润性的微流体驱动方法，其特征在于：所述在微流控芯片的微通道内沉积TiO₂纳米薄膜采用脉冲激光沉积方法制备，该方法的步骤为，

B、将清洗后的微流控芯片放入真空室内，使用TiO₂作为靶材，靶材与微流控芯片基底之间的距离为6cm，将真空室抽真空到2×10^-4Pa，然后向其中通入氧气，气压为2Pa，将微流控芯片加热到400℃；

C、采用KrF准分子激光轰击靶材，激光脉冲能量密度为20J/cm²，单脉冲能量为250mJ，脉冲频率为5Hz，持续80分钟，在微流控芯片的微通道或毛细微泵上形成TiO₂纳米薄膜；

D、对TiO₂纳米薄膜在真空室内进行原位退火处理，保温时间和降温时间分别为60分钟和30分钟，得到锐钛矿相的TiO₂。

3.如权利要求2所述的一种基于TiO₂纳米薄膜浸润性的微流体驱动方法的制作方法，其特征在于：所述微流控芯片材料为白冕玻璃或硅。

4.如权利要求2或3所述的一种基于TiO₂纳米薄膜浸润性的微流体驱动方法的制作方法，其特征在于：所述毛细微泵由微通道阵列组成。