CN102950037A

CN102950037A - 一种金属微流控芯片上的微流体驱动方法

Info

Publication number: CN102950037A
Application number: CN2012104657297A
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: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2032-11-16
Also published as: CN102950037B

Abstract

一种金属微流控芯片上的微流体驱动方法属于微流控技术领域，应用于微全分析。该方法采用化学腐蚀法在金属钛片上制作出微流控芯片；采用阳极氧化法，在微流控芯片的微通道内生长TiO₂纳米管，利用TiO₂纳米管的亲水性，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。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，对于实现微流控系统的集成化、微型化、自动化具有重要意义。

Description

一种金属微流控芯片上的微流体驱动方法

技术领域

本发明涉及一种金属微流控芯片上的微流体驱动方法，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。纳米TiO₂具有优良的催化性能和亲水性。TiO₂纳米管具有高的比表面积，这一点使其具有更好的光催化能力、光电转换性能以及吸附能力。人们利用TiO₂纳米管的这一性质开展了大量光催化反应和染料敏化太阳能电池方面的研究。同时TiO₂纳米管结构由于其本身所具有的微细表面形貌，对材料表面的润湿性也具有很大影响。

TiO₂纳米管良好的亲水性有广泛的用途，尤其在生物医学领域。金属钛具有良好的生物相容性，广泛应用于生物医学领域。如果在金属钛表面生长纳米管层，可以有效增强钛金属的表面亲水性，良好的亲水性对于器官移植等有着重要意义。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供了一种金属微流控芯片上的流体驱动方法，在金属微流控芯片的通道内生长出TiO₂纳米管，使得金属微流控芯片的微通道内表面亲水性得到增强，依靠增强的毛细力，实现流体在微通道内快速、稳定流动。

本发明采用的技术方案是：在金属微流控芯片的微通道内生长TiO₂纳米管。该金属微流控芯片的材料为金属钛，采用光刻和湿法腐蚀方法制作，其步骤为，

（1）对金属钛片进行前处理：将金属钛片切割成3cm×3cm的正方形，用砂纸对钛片表面进行抛光，分别用丙酮、酒精、去离子水进行超声波清洗，以去除钛片表面的有机物；

（2）旋涂光刻胶：使用匀胶机在钛片表面旋涂厚度为2.5微米的光刻胶，并在加热板上高温烘干；

（3）紫外曝光：将经过烘干的钛片放在紫外曝光机上进行曝光，曝光前，将预先根据需要制作好的光刻掩模加载到曝光机上；

（4）显影和坚膜：将曝光后的钛片从曝光机上取下，放在显影液中50~90秒钟，之后取出并定影，经过曝光显影，光刻掩模上的图形被复制到金属钛片上，在钛片表面形成湿法腐蚀所需要的掩模，然后对显影之后的钛片进行高温烘干，烘干温度为180℃，时间为3分钟；

（5）湿法腐蚀：用松香将金属钛片背面和侧面包裹住，防止腐蚀液对钛片背面的腐蚀；采用含有氢氟酸的水溶液对光刻制作的金属钛片进行湿法腐蚀，腐蚀过程在室温下进行，腐蚀时间为2小时；经过腐蚀液的腐蚀，由光刻胶在钛片表面形成的掩模图案便被转移到了钛片上，在钛片上形成微通道结构，然后将钛片取出并用去离子水冲洗，烘干，得到钛的金属微流控芯片；

然后采用阳极氧化法在金属微流控芯片的进液口，微通道，毛细微泵等微结构的底部和侧壁生长TiO₂纳米管，使用双电极氧化装置来制备TiO₂纳米管，其步骤为，

（1）阳极氧化：使用双电极氧化装置对所述钛的金属微流控芯片进行阳极氧化，阳极氧化过程在水浴条件下进行，水浴温度为20℃，所采用的电解质溶液为3g/L的NH₄F，2vol%H₂O的乙二醇溶液，氧化电压设为30V，氧化时间2小时；

（2）烘干：阳极氧化结束后，将金属微流控芯片取出，用去离子水冲洗并烘干；

（3）热处理：随后在600℃条件下进行热处理，保温2小时，随炉冷却至室温。

其中，所述氢氟酸的水溶液采用HF和H₂O₂的混合水溶液，HF含量为10–30vol%，H₂O₂含量为20-35vol%。

本发明的有益效果：

（1）将TiO₂纳米管的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纳米管的阳极氧化制备方法和金属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纳米管。

（3）为金属微流控芯片上微通道内表面的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方法的金属微流控芯片结构图。

图2为发明制作TiO₂纳米管的双电极阳极氧化装置示意图。

图3（a）为未经过阳极氧化处理的金属微流控芯片上的水的接触角；

图3（b）为生长了TiO₂纳米管的金属微流控芯片上的水的接触角。。

具体实施方式

下面通过具体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紫外光刻和湿法腐蚀方法在金属钛片上制作，其结构如图1所示，包括进液口1，微通道2，毛细微泵3。其中毛细微泵3由一系列横竖交叉的微通道构成。毛细微泵3通过微通道2与进液口1相连通。

本实施例所采用的制备TiO₂纳米管的装置为双电极氧化装置，其结构如图2所示。包括恒电位仪4，电解液5，钛金属电极6和石墨电极7。

下面介绍金属微流控芯片的制作过程（1~7步）和在微通道2内制备TiO₂纳米管（8、9步）的过程：

1、基片准备：本实施例所使用的基片为厚度1mm的金属钛片，使用砂轮切割机将金属钛片切割成3cm×3cm的正方形。为保证光刻胶在钛片表面旋涂均匀，要用砂纸对钛片进行抛光处理。然后分别用丙酮、酒精、去离子水进行超声波清洗，以除去钛片表面沾污的有机物。

2、旋涂光刻胶：使用匀胶机在钛片上旋涂光刻胶，其原理是光刻胶在钛片表面高速旋转时借助离心力由钛片中心向外围铺展。具体操作步骤包括以下三步：首先，用吸管将一小滴光刻胶滴在钛片中心；第二步，打开旋转开关，使托盘加速旋转到设定的速度；最后，让钛片在给定的速度下旋转一定的时间。旋涂之后留在钛片表面的光刻胶厚度约为2.5微米。本实施例所使用的光刻胶为AZ9920，匀胶机转速为5000r/min，光刻胶旋涂厚度为2.5微米。

3、前烘处理：经过旋涂之后光刻胶中溶剂含量很高，极易吸附空气中的灰尘。为了降低光刻胶中的溶剂含量，采用高温烘干的办法。设定加热板温度为85℃，将旋涂好光刻胶的钛片放置在加热板上4.5分钟，使光刻胶中的溶剂大部分挥发出来。

4、紫外曝光：将经过烘干的钛片放在紫外曝光机上进行曝光。本实施例中使用的是KarlSuss公司的MA6曝光机。曝光前，将预先根据需要制作好的光刻掩膜加载到曝光机上。光刻胶中含有光敏剂，经过紫外曝光发生化学反应，造成正性光刻胶的感光区（或负性光刻胶的非感光区）能够溶解于显影液中，最终得到想要的图形。

5、显影：将曝光后的钛片从曝光机上取下，放在显影液中50~90秒钟，之后立即进行定影。正胶的感光区（或负胶的非感光区）溶于显影液中，想要得到的图形此时便显现出来。本实施例所采用的显影液为R351：DIW=6:1，定影液为DIW。

6、后烘（也称坚膜）：为了去除光刻胶中残余的溶剂，增强光刻胶与基片之间的黏着力，还需要对显影之后的钛片进行高温烘干处理，后烘的时间为180℃，时间为3分钟。

7、湿法腐蚀：后烘结束之后，对钛片进行湿法腐蚀。腐蚀液为HF含量为20vol%，H₂O₂含量为30vol%的水溶液，使用塑料烧杯盛装腐蚀液。腐蚀前，先用融化的松香将钛片的背面和边缘包裹住，防止钛片背面和边缘被腐蚀。在室温下，将钛片浸入腐蚀液中进行腐蚀。腐蚀过程中，钛片上被光刻胶覆盖的部分基本没有变化，而经过显影暴露出来的图形部分被腐蚀液所腐蚀。随着时间增加，腐蚀深度液增大。2小时之后将样品从腐蚀液中取出，用去离子水冲洗干净，并用电吹风将钛片吹干。经过腐蚀，就在钛片上得到了进液口1，微通道2，毛细微泵3等微结构。

8、阳极氧化：本实施例采用如图2所示的电解池装置进行阳极氧化制备TiO₂纳米管。以钛片作为阳极，以石墨作为阴极，恒电压源提供稳定的氧化电压。在氧化过程中进行磁力搅拌来减少金属/电解液界面的双电层厚度，使钛片表面具有一致的电流密度和电极表面温度。阳极氧化过程在水浴条件下进行，水浴温度为20℃，所采用的电解质溶液为3g/L的NH₄F，2vol%H₂O的乙二醇溶液，氧化电压设为30V，氧化时间2小时。氧化过程中记录电流-时间数据，根据电流-时间曲线控制监视实验过程。阳极氧化结束后，将样品取出，用去离子水冲洗并烘干。经过阳极氧化，进液口1，微通道2，毛细微泵3等微结构的底部和侧壁便生长出了TiO₂纳米管，而钛片的其余部分由于有光刻胶和松香的覆盖，与电解液不接触，所以这些表面不会生长出纳米管来。

9、退火：为了得到具有良好亲水性的锐钛矿纳米管，需要对生长出来的纳米管进行退火处理。阳极氧化之后，先将生长出TiO₂纳米管的芯片分别用丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗，以去除芯片表面的松香和光刻胶。然后将清洗干净的芯片在600℃条件下进行热处理，保温2小时，随炉冷却至室温。

本发明通过场发射电子显微镜（FESEM，S4800）观察TiO₂纳米管表面的形貌，显示阳极氧化法生长的TiO₂纳米管形貌非常均匀。本发明通过接触角测量系统（OCA20，Dataphysics公司）对TiO₂纳米管表面的浸润性进行测量。图3（a）和图3（b）显示了3微升的水滴在没有生长TiO₂纳米管的金属钛片表面图3（a）和生长了TiO₂纳米管的金属钛片表面图3（b）的测量图样，可以看出生长了TiO₂纳米管后，金属芯片表面亲水性得到明显的改善。本发明通过高速摄像的方法记录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。通过测量发现，经过TiO₂纳米管修饰之后，水在金属芯片上微通道内的流速可以超过10mm/s。

Claims

1.一种金属微流控芯片上的微流体驱动方法，其特征在于：在金属微流控芯片的微通道内生长TiO₂纳米管。

2.如权利要求1所述的一种金属微流控芯片上的微流体驱动方法，其特征在于：所述金属微流控芯片的材料为金属钛，采用光刻和湿法腐蚀方法制作，其步骤为，

所述TiO₂纳米管的生长采用阳极氧化法，使用双电极氧化装置制备，其步骤为，

3.如权利要求2所述的一种金属微流控芯片上的微流体驱动方法，其特征在于：所述氢氟酸的水溶液采用HF和H₂O₂的混合水溶液，HF含量为10–30vol%，H₂O₂含量为20-35vol%。