CN103145086B - 玻璃基仿生微纳通道及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种玻璃基仿生微纳通道及其制作方法，该微纳通道为采用组分均匀一致并且光学和力学性能优良的玻璃材料加工而成的微纳通道，该微纳通道的横截面呈规整圆形，微纳通道上具有各种尺寸大小的功能单元，各功能单元之间是自然过渡并且尺寸是连续变化；该方法利用玻璃的软化成型特性，以毫米级玻璃毛细管为毛坯，通过拉伸细化、软化吹制和软化收缩等步骤，加工出具有不同功能单元的玻璃基仿生微通道。本发明的玻璃基仿生微纳通道，结构简单可靠，流动性能良好，可有效改善微纳流体系统性能；该制作方法具有工艺可靠、所需设备简单、操作方便、成本低廉等优点，且加工精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种微纳加工与微流体器件技术领域，涉及基于玻璃软化成型工艺的仿生微纳通道及制作方法，尤其适用于微流控芯片、微混合器、微量检测等微流体系统的微通道。
背景技术
近年来，微流体系统在生物、医疗、微化工、环境检测等领域得到了广泛应用，对其性能、精度、成本等方面提出了越来越苛刻的要求。微流体系统通常由微驱动源、微流路（包括微通道与进出接口）、微阀、储液池、混合（反应）室等单元组成，其中微通道具有其它单元的连接和替代功能，可执行流体输运、操作、处理等操作，是微流体系统的核心元件。
目前，微通道加工工艺可分为三种类型：第一类是基于蚀刻、光刻、腐蚀等技术的微机械加工工艺（[1]Verpoorte E, De Rooij NF. Microfluidics meets MEMS[J].Proceedings of the IEEE, 2003, 91(6)：930-953. [2]林金明，李海芳.高聚物微流控芯片的制备方法[P].中国专利：ZL200410042716.4，2009-07-01.），适合于硅及其氧化物、玻璃、高聚物等材料的微通道加工，可达微米或亚微米量级，但微通道截面形状包括三角形、矩形和半圆形三种；第二类是用于高分子聚合物的热压印和热键合技术（李经民.学位论文：热塑性聚合物立体结构微流控器件制作方法及相关理论研究[D].大连：大连理工大学，2012（3）.），所加工微通道截面形状与微机械加工工艺的类似，单件成本较低，但尺寸精度较低，且冷却脱模时会产生变形或应力集中；第三类是基于玻璃热变形的毛细管拉制工艺（张晓乐，侯丽雅，章维一.玻璃三通微流体管道热流变拉制仪设计及实验[J].光学 精密工程，2008，16（9）：1706-1711.），可制作尺寸单一的圆形截面微管道，尺寸达亚微米量级，但缺少储液池、混合（反应）室等功能单元，且系统封装难度大。总体上，现有微通道加工工艺包括成型、键合和封装这三道工序，轴线仅能在平面内呈直线或折线分布，截面形状多呈三角形、矩形或半圆形，刚性表面粗糙不均，造成流动阻力较大，是影响微流体系统性能的重要因素。
而自然界中普遍存在的生物微通道，如家蚕丝腺、血液循环系统（尤指毛细血管）等，截面均呈规整圆形，尺寸在毫米至纳米范围内连续变化，各部位材料的组织、性质均匀一致，但其内部具有优异的流动性能，对人工微通道研究具有良好的启示作用。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于自然界生物微通道的玻璃基仿生微纳通道及其制作方法，其结构简单可靠，流动性能良好，可有效改善微纳流体系统性能，简化微纳通道制作方法，使加工工艺更简单可靠，且加工装置结构简单、成本低廉。
技术方案：为了实现上述目的，本发明的一种玻璃基仿生微纳通道，该微纳通道为采用组分均匀一致并且光学和力学性能优良的玻璃材料加工而成的微纳通道，该微纳通道的横截面呈规整圆形，微纳通道上具有各种尺寸大小的功能单元，各功能单元之间是自然过渡并且尺寸是连续变化。
作为优选，所述功能单元包括两端宏接口、反应室和连接通道，所述宏接口、反应室、连接通道的内外壁面均为液态张力收缩形成的光滑曲面且整体呈连续变化；所述两端宏接口直径为相同的毫米量级，所述反应室的直径为微米量级，所述连接通道直径为微米和（或）纳米量级。
本发明还公开了上述玻璃基仿生微纳通道的制作方法，利用玻璃的软化成型特性，以毫米级玻璃毛细管为毛坯，通过拉伸细化、软化吹制和软化收缩等步骤，加工出具有不同功能单元的玻璃基仿生微通道，具体包括以下步骤：
（a）清洁固定：对玻璃毛细管进行清洁后，氮气吹干，在烘箱中进一步烤干，将玻璃毛细管两端固定，玻璃毛细管一端密封，另一端与高压气源相连；
（b）拉伸细化：利用加热器件对玻璃毛细管指定部位加热至玻璃软化状态，反向拉伸玻璃毛细管两端，使玻璃毛细管软化部位伸长并细化，形成尺寸均匀一致的微通道，尺寸大小与被加热玻璃毛细管长度、加热时间和温度、拉制速度与距离控制参数相关；
（c）软化吹制：对微通道上需制作反应室或储液室等功能单元的部位加热软化，打开玻璃毛细管（1）端口的高压气源，向微通道内充入高压气体，使软化部位的玻璃材料被吹制出各种形状的功能单元，各功能单元间通过微通道相连，各单元体形状与尺寸可通过加热温度与时间、高压气体压强等参数来控制；其中，各功能单元的形状可以为圆球形、半圆球形、圆弧形等形状；
（d）软化收缩：在需要更小尺寸的微通道部位进一步加热，停止向微通道充入高压气体或把微通道内抽成负压，使玻璃微通道软化部位在表面张力作用下收缩，形成所需纳米通道，最终整体形成微纳通道。
其中，所述步骤（a）中，对玻璃毛细管两端固定时，采用同轴的左夹持滑块和右夹持滑块来进行固定。
连接通道包括微通道和纳米通道，微通道是指直径为微米量级的连接通道，纳米通道是指直径为纳米量级的连接通道。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种玻璃基仿生微纳通道及其制作方法具有以下优点：
（1）结构方面，仿生微纳通道具有自然界生物微小通道特征，截面形状规整，尺寸在跨尺度范围内连续变化，包含输运通道、反应室、储液池等多种功能单元，且整体具有一定柔性，可变形，而现有微通道多刻蚀在一定硬质基地上，截面呈矩形、梯形、三角形、半圆形等形状，且整体呈直线或折线分布；
（2）材料性能方面，仿生微纳通道所有结构均由材质均匀的玻璃加工而成，具有优异的光学性能，力学性能均匀一致，表面特性可根据需要进行局部改性处理，而现有微通道多由异质材料通过界面键合而成，存在强度不均、界面性质不同等问题；
（3）加工工艺方面，与现有微通道制作工艺相比，利用玻璃软化变型特性加工玻璃基仿生微纳通道的方法，包括拉伸细化、软化吹制和软化收缩等步骤，具有工艺可靠、所需设备简单、操作简便、成本低廉等优点，且加工精度高。
附图说明
图1为本发明玻璃基仿生微纳通道结构示图；
图2为本发明所述玻璃基仿生微纳通道制作工方法流程示图；
图3为本发明所述玻璃基仿生微纳通道典型制作装置基本组成示图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明的一种玻璃基仿生微纳通道，该微纳通道为采用组分均匀一致并且光学和力学性能优良的玻璃材料加工而成的具有生物微通道的特征与性能的微纳通道，该微纳通道的横截面呈规整圆形，微纳通道上具有各种尺寸大小的功能单元，各功能单元之间是自然过渡并且尺寸是连续变化。
本实施例中，玻璃材料可以选用石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅硅酸盐玻璃等各种组分类型。
在本发明中，功能单元包括两端宏接口16、反应室17和连接通道18，宏接口16、反应室17、连接通道18的内外壁面均为液态张力收缩形成的光滑曲面且整体呈连续变化；如图1所示，两端宏接口16直径为D0，都具有相同的毫米量级，反应室17的数目、形状、尺寸均可依据应用需求来加工，反应室17的直径为du1、du2、……duk，du1、du2、……duk为微米或亚微米级量级，连接通道18直径为dc1、dc2、……dc(k+1)，dc1、dc2、……dc(k+1)为微米和（或）纳米量级。
本发明还公开了上述玻璃基仿生微纳通道的制作方法，利用玻璃的软化成型特性，以毫米级玻璃毛细管为毛坯，通过拉伸细化、软化吹制和软化收缩等步骤，加工出具有不同功能单元的玻璃基仿生微通道。
如图3所示，一种制作玻璃基仿生微纳通道的装置基本组成包括：玻璃毛细管1、左夹持滑块2、右夹持滑块3、加热元件4、气源及压力调节器5，左夹持滑块2和右夹持滑块3夹持玻璃毛细管1毛坯的两端，并反向拉伸，要求左夹持滑块2和右夹持滑块3具有很高的同轴度，确保玻璃毛细管1及微通道处于同一直线上，防止出现装夹破碎，且左夹持滑块2和右夹持滑块3的拉伸速度和距离应适时可调可控；加热元件4应具有精确控制加热温度和时间的功能；气源及压力调节器5可适时控制微通道内部的正负压力。
如图2所示，一种玻璃基仿生微纳通道的制作方法，包括以下步骤：
（a）清洁固定：采用标准清洗液清洁玻璃毛细管1后，氮气吹干，在烘箱中进一步烤干，将玻璃毛细管1两端固定在同轴滑动左夹持滑块2和右夹持滑块3上，玻璃毛细管1一端密封，另一端与高压气源相连；
（b）拉伸细化：对玻璃毛细管1指定部位加热至玻璃软化状态，反向拉伸两端左夹持滑块2和右夹持滑块3，使玻璃毛细管1软化部位伸长并细化，形成尺寸均匀一致的微通道，尺寸大小与被加热玻璃毛细管长度、加热时间和温度、拉制速度与距离控制参数相关；
（c）软化吹制：打开玻璃毛细管1端口的高压气源，增加微通道内部气压，依次在微通道上需制作反应室17、储液池等功能单元，各功能单元部位继续加热至软化温度，在内部气压吹制下膨胀形成特定形状的反应室17、储液池，各单元体形状与尺寸可通过加热温度与时间、高压气体压强等参数来控制；反应室、储液池的形状可以为圆球形、半圆球形、圆弧形等形状；
（d）软化收缩：各功能单元间连接通道尺寸均匀一致，在需要更小尺寸的微通道部位进一步加热，同时取消端口高压气源或采用抽负压设备减小微通道内部压力，使玻璃微通道软化部位在表面张力作用下收缩，形成所需纳米通道，最终整体形成微纳通道，最终整体形成微纳通道。
玻璃基仿生微纳通道加工完成后，移至超净箱内密闭保存、备用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种玻璃基仿生微纳通道，其特征在于：该微纳通道为采用组分均匀一致并且光学和力学性能优良的玻璃材料加工而成的微纳通道，该微纳通道的横截面呈规整圆形，微纳通道上具有各种尺寸大小的功能单元，各功能单元之间是自然过渡并且尺寸是连续变化；
所述功能单元包括两端宏接口（16）、反应室（17）、连接通道（18），所述宏接口（16）、反应室（17）、连接通道（18）的内外壁面均为液态张力收缩形成的光滑曲面且整体呈连续变化；所述两端宏接口（16）直径为相同的毫米量级，所述反应室（17）的直径为微米量级，所述连接通道（18）直径为微米或纳米量级。
2.一种权利要求1所述的玻璃基仿生微纳通道的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）清洁固定：对玻璃毛细管（1）进行清洁后，氮气吹干，在烘箱中进一步烤干，将玻璃毛细管（1）两端固定，将玻璃毛细管（1）一端密封，另一端与高压气源相连；
（b）拉伸细化：利用加热器件对玻璃毛细管（1）指定部位加热至玻璃软化状态，反向拉伸玻璃毛细管（1）两端，使玻璃毛细管（1）软化部位伸长并细化，形成尺寸均匀一致的微通道；
（c）软化吹制：对微通道上需制作反应室（17）或储液室的部位加热软化，打开玻璃毛细管（1）端口的高压气源，向微通道内充入高压气体，使软化部位的玻璃材料被吹制出各种形状的反应室（17）或储液室，各反应室（17）或储液室间通过微通道相连；
（d）软化收缩：在需要更小尺寸的微通道部位进一步加热，停止向微通道充入高压气体或把微通道内抽成负压，使玻璃微通道软化部位在表面张力作用下收缩，形成所需纳米通道，最终整体形成微纳通道。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤（a）中，对玻璃毛细管（1）两端固定时，采用同轴的左夹持滑块（2）和右夹持滑块（3）来进行固定。
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