CN103753984A - 印章、印章的制备方法以及液滴阵列的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种印章，其包括一基底和设置于基底的表面的多个凹孔，其中，所述凹孔的内表面为超疏水表面。本发明还涉及一种印章的制备方法以及一种液滴阵列的形成方法。

Description

印章、印章的制备方法以及液滴阵列的制备方法

技术领域

本发明涉及一种印章，尤其涉及一种可用于转印液滴阵列的印章。

背景技术

基于微电子机械系统(MicroElectroMechanicalSystem, MEMS)技术研究而发展起来的微全分析系统(Micro Total Analysis Systems, μTAS)是近十年迅速发展起来的一种崭新的微生化分析系统，又称其为芯片实验室(Lab-on-a-Chip)或微流控芯片(Microfluidic Chip)。

从流体形态上分类，微全分析系统分为微管道连续流芯片系统和微液滴阵列芯片系统。相比微管道连续流芯片系统，微液滴芯片系统的样品和试剂量消耗更少，反应条件稳定，混合速度更快，不易造成交叉污染，且易于操控，这些优势使其成为一种全新的微生化分析技术。微液滴芯片系统已经被用于研究微尺度条件下众多的反应及其过程，并在化学和生命科学等领域拓展出重要应用。

一般的，生成单分散微液滴的技术原理是利用外界作用力以扰动连续相与分散相之间存在的界面张力使之达到失稳。通常，当待分散相某处施加的力大于其界面张力时，该处微量液体会突破界面张力进入连续相中形成液滴。目前通常采取的生成液滴的技术途径有：T型通道法、流动聚焦法、共聚焦法、气动法、电动法和光控法。

然而，这些方法在液滴生成及被操控的过程中需要复杂且大型的设备的辅助，使得现有技术难以微型化。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种方便转印液滴阵列的印章，以及简便的制备液滴阵列的方法。

一种印章，其包括一基底和设置于基底的表面的多个凹孔，其中，所述凹孔的内表面为超疏水表面。

一种印章的制备方法，其包括以下步骤：提供一第一基板，在第一基板的表面设置多个凸部；用等离子刻蚀所述凸部，使得凸部的表面粗糙化；以及，浇注一高分子材料，经固化、脱模后得到一包括多个凹孔的基底，所述凹孔的内表面为超疏水表面。

一种液滴阵列的制备方法，其包括以下步骤：提供一印章，所述印章包括一设置有多个凹孔的基底，所述凹孔的内表面为超疏水表面；将多个液滴设置于所述印章的凹孔内；以及，将所述多个液滴转移至一目标基板，得到所述液滴阵列。

与现有技术相比较，本发明所述印章具有以下优点：由于所述印章的凹孔的内表面为超疏水表面，而表现出具有较好的疏水性，因而，液滴难以附着在凹孔内，而全部转移至所述目标基板的表面得到液滴阵列，该方法简单易行，可多次重复转印，并且更易清洁，降低了成本。该液滴阵列的形成方法可用于生物医学、微流操控等领域。

附图说明

图1是本发明第一实施例所述印章的结构示意图。

图2是本发明第一实施例所述印章沿Ⅱ-Ⅱ线的剖视图。

图3是本发明第二实施例所述印章的制备方法。

图4是本发明第三实施例所述微液滴阵列的制备方法。

图5是本发明第四实施例所述印章的结构示意图。

图6是本发明第五实施例所述印章的制备方法。

主要元件符号说明

印章	10，20
		基底	11
第一表面	110
		凹孔	12
侧面	120
		底面	121
子凸起	122
		疏水层	13
第一基板	21
		凸部	22
凹部	23
		液滴	30
第二基板	40

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明实施例提供的印章、印章的制备方法及其微液滴阵列的制备方法作进一步的说明。

请参阅图1及图2，为本发明第一实施例提供的印章10，该印章10包括一基底11以及设置于基底11的表面的多个凹孔12。所述凹孔12的内表面为疏水表面。

所述基底11包括一第一表面110。所述凹孔12为一从第一表面110向所述基底11的内部凹陷而形成的一空间结构。所述凹孔12具有一底面121以及与底面121相邻的侧面120。所述侧面120与所述底面121相互垂直。所述凹孔12为一由所述侧面120与所述底面121围成的具有开口的空间结构。定义所述凹孔12的侧面120以及底面121为所述凹孔12的内表面。所述“超疏水”是指水滴在所述内表面的接触角大于等于140度。

该多个凹孔12均匀分布、以一定规律分布、以阵列分布或随机分布于所述第一表面110。优选地，该多个凹孔12均匀分布且相互间隔设置。所述多个凹孔12的排布方式可根据具体需要设置，只要保证在转印液滴时相邻的两个凹孔12的液滴不接触即可。相邻的两个凹孔12的间距大于所述凹孔12的开口的尺寸的二分之一。所述凹孔12在第一表面110的开口的形状不限，可为圆形、正方形、椭圆形等。所述凹孔12的开口的尺寸为1微米~500微米。定义所述凹孔12向内凹陷的尺寸为所述凹孔12的深度。所述凹孔12的深度不限，可为1微米~500微米。

本实施例中，所述凹孔12的形状为正方形，所述凹孔12的边长为100微米，所述凹孔12的深度为50微米，所述多个凹孔12排列成多行和多列的二维阵列结构，沿着所述二维阵列的行及列的方向上相邻的两个凹孔12之间的间距均为300微米。

所述凹孔12的内表面具有超疏水性质。具体的，所述凹孔12的侧面120以及底面121具有一定粗糙度，该侧面120以及底面121表现出超疏水性。所谓粗糙度是指凹孔12的侧面120以及底面121包括多个间距较小的子凸起122，该多个子凸起122的高低起伏的程度。本发明中采用算术粗糙度作为表征所述凹孔12的侧面120以及底面121的粗糙程度。所述算术粗糙度是指在一取样长度L内轮廓偏距绝对值的算术平均值。所述凹孔12的侧面120以及底面121的算术粗糙度大于50纳米。优选的，所述凹孔12的侧面120以及底面121的算术粗糙度大于100纳米。当水滴置于所述侧面120以及底面121时，形成的接触角大于140度且小于180度，因而当所述凹孔12内存在水溶液时，液滴的液面呈“凸起”状态。为了使水溶液进入所述凹孔12，需要将所述印章的凹孔12的开口方向朝上，借助重力、气压、机械外力等方式，使得水溶液充满凹孔12并保持超疏水状态。当将所述印章10与一目标基底接触时印章10，由于所述凹孔12内的水溶液的液面呈“凸起”状态，水溶液会容易的附着于目标基底，而不会停留于所述凹孔12内，从而实现转移水液滴。

所述基底11的材料可为玻璃、陶瓷、硅片等硬性材料，也可为柔性材料。进一步的，该基底11的材料可选择疏水材料。当所述基底11采用柔性材料，所述基底11具有可弯折的特性，所述基底11的材料可为聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚二乙基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷、甲基苯基聚硅氧烷、甲基辛基聚硅氧烷、3-氯丙基甲基-二甲基聚硅氧烷、二甲基-甲基辛基聚硅氧烷、聚烷氧基硅氧烷、甲基乙烯基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶、甲基双苯基室温硫化硅橡胶、聚二甲基硅氧烷与聚氨酯共混材料、或由稀土改性的聚硅氧烷材料中的至少一种。本实施例中，所述基底11的材料为PDMS。

所述印章10由于凹孔12的内表面为超疏水表面，因而，液滴难以附着在凹孔12内，而全部转移至目标基板的表面，从而实现微液滴的阵列形成。

请参阅图3，本发明第二实施例提供一种印章10的制备方法，其包括以下步骤：

步骤S1，提供一第一基板21，在第一基板21的表面设置多个凸部22，相邻的凸部22之间形成凹部23；

步骤S2，采用等离子刻蚀所述凸部22，使得凸部22的表面粗糙化；以及

步骤S3，浇注一高分子材料，经固化、脱模后得到一包括多个凹孔12的基底11，所述凹孔12的内表面为超疏水表面。

在步骤S1中，所述在第一基板21的表面设置多个凸部22的方法具体如下：

步骤S11，在所述第一基板21的表面设置一光刻胶层；以及

步骤S12，利用一掩模对该光刻胶层进行图案化，得到多个凸部22，并使所述第一基板21的部分表面暴露。

在步骤S11中，形成所述光刻胶层的方法为旋涂法，旋涂参数根据光刻胶和旋涂厚度决定。所述光刻胶层的材料可为正性光刻胶或负性光刻胶。形成的光刻胶层的厚度不限，只要所述光刻胶层平整均匀，其厚度满足图案化即可。所述基板的材料不限，可为硅、玻璃等。本实施例中，所述基板为硅片，所述光刻胶层的材料为SU-8光刻胶，将所述SU-8光刻胶通过旋涂的方式涂布于所述基板的表面，首先旋涂转速为800转/分钟，旋涂时间为15秒，然后旋涂转速为3000转/分钟，旋涂时间为30秒。

通过旋涂形成所述光刻胶层之后，还对所述光刻胶层进行预固化。所述预固化该光刻胶层通过一加温软烘的过程实现。所述加温软烘是指通过缓慢的升温至一预固化温度，然后再缓慢降温，以实现对所述光刻胶层预固化的目的。本实施例中，旋涂完成后，对SU-8光刻胶缓慢加热至95摄氏度左右，然后缓慢降至室温。

所述第一基板21为一片状结构。所述第一基板21包括一平整的表面。所述第一基板21的材料不限，可为玻璃、硅片、塑料或陶瓷。本实施例中，所述第一基板21的材料为硅片。

在步骤S12中，所述掩模包括多个通孔，该多个通孔形成一图案化的结构，对应于该多个通孔的光刻胶层暴露出来。通过曝光、显影得到多个凸部22，该多个凸部22与所述多个通孔的图案化结构相互补或者相同。本实施例中，在第一基板21的表面形成多个凸部22，相邻的两个凸部22之间为一凹部23，该多个凹部23与所述多个通孔的图案相同。

在步骤S2中，采用等离子体刻蚀的方法对所述凸部22进行表面处理，使得凸部22的表面粗糙化，进而使得步骤S3中的得到的凹孔12的内表面粗糙化。所述等离子体可与所述凸部22进行化学反应，而使得所述凸部22的表面具有一定的粗糙度。所述等离子体的气体成分可根据所述凸部22即光刻胶层的材料进行选择，只要所述等离子体可与所述凸部22进行反应即可。本实施例中，采用氧气等离子体刻蚀，处理时间为5分钟，射频功率100瓦，形成的气压1.8帕，氧气流量200标况毫升每分 (standard-state cubic centimeter per minute，sccm)。

进一步的，在等离子刻蚀所述凸部22之后，可在所述凸部22的表面沉积一疏水薄膜（图未示），该疏水薄膜有利于步骤S3中的脱模。所述疏水薄膜可为碳氟化合物或碳氢化合物。所述疏水薄膜可通过等离子沉积法形成。可以理解，所述疏水薄膜设置于光刻胶以及高分子材料之间，由于所述疏水薄膜的材料和固化的高分子材料都是疏水性的材料，所述疏水薄膜与固化的高分子材料之间的界面表面能小，即，所述疏水薄膜与固化的高分子材料结合紧密，因此较容易使光刻胶与疏水薄膜分离。

在步骤S3中，浇模、灌注一高分子材料，使得在所述多个凹部23填满高分子材料，再经由加热固化、切割，形成一体的基底11以及多个凹孔12。所述多个凹孔12的图案与所述多个凸部22的图案相互补。所述高分子材料为柔性材料。浇注的高分子材料为液态的高分子溶液。当所述高分子溶液固化后，由于所述凸部22的表面具有一定的粗糙度，因而当液态的高分子材料浇注之后，得到的凹孔12的内表面也对应的被粗糙化。可以理解，可以根据所述凸部22的表面被等离子刻蚀的程度来控制所述凹孔12的内表面的算术粗糙度，进而使得所述印章10表现出超疏水的性能。具体的，所述凹孔12的侧面120以及底面121的算术粗糙度大于50纳米。优选的，所述凹孔12的侧面120以及底面121的算术粗糙度大于100纳米。

本发明所述印章10的制备方法中，通过等离子刻蚀使得所述凸部22粗糙化，然后浇注高分子材料形成包括多个凹孔12的基底11，使得所述凹孔12的内表面粗糙化而表现出超疏水性，从而使得到的印章10具有疏水性。该制备方法较为简单，并且无需复杂的设备，易于操作实现。

请参阅图4，本发明第三实施例还提供一种液滴阵列的形成方法，其包括以下步骤：

步骤S10，提供一印章10，所述印章10包括一设置有多个凹孔12的基底11，所述凹孔12的内表面为超疏水表面；

步骤S20，将多个液滴30设置于所述印章10的凹孔12内；以及

步骤S30，将所述多个液滴30转移至一第二基板40，得到所述液滴阵列。

在步骤S10中，所述印章10为通过所述第二实施例的制备方法得到。所述凹孔12在所述基底11的表面呈一多行多列的二维阵列。相邻的两个凹孔12之间在所述行及列的方向上的间距不限，可根据具体需要设置，只要保证转移后的相邻两个液滴相互不接触。相邻的两个凹孔12的间距大于所述凹孔12的开口的尺寸的二分之一。本实施例中，所述相邻的两个凹孔12之间在所述行及列的方向上的间距为300微米。

在步骤20中，所述液滴30是指含水的液滴或者具有亲水性的液滴。将的凹孔12的开口方向朝上，借助重力、气压、机械外力等方式，使得液滴30充满凹孔12并保持超疏水状态。该液滴30的体积与凹孔12的开口的大小以及深度有关。本实施例中，所述凹孔12的开口的边长为100微米，所述凹孔12的深度为50微米，所述液滴30的体积约为5×10^-10升。

在步骤S30中，将所述多个液滴30转移的方法具体为：将所述第二基板40设置于所述基底11的上方，并覆盖所述凹孔12，然后施加一定的压力于第二基板40远离所述基底11的表面。由于所述基底11的材料为柔性材料，因而当施加压力于第二基板40时，压力会传至所述基底11，所述基底11也会发生形变，使得所述凹孔12内的液滴30会接触到第二基板40。由于所述凹孔12的侧面120以及底面121为超疏水表面，因而所述液滴30会容易的转至第二基板40的表面，而不会残留于所述凹孔12内。

该方法可多次重复转印，更易清洁，降低了成本。并且，当所述印章10中的基底11可采用柔性材料，因而得到的印章可应用于平面转印液滴，也可将液滴30转印至曲面上。该方法在化学合成、微萃取、蛋白质结晶、酶合成及其活性分析、单细胞分析等应用领域有着潜在的应用价值。

请参阅图5，为本发明第四实施例提供一印章20，该印章10包括一基底11、设置于基底11的表面的多个凹孔12以及贴附于所述基底11的表面的疏水层13。所述凹孔12的内表面为疏水表面。

所述印章20与第一实施例所述印章10的不同之处在于，所述基底11的表面贴附有所述疏水层13。所述疏水层13为一连续的层状结构。所述“贴附”是指所述疏水层13覆盖所述第一表面110、所述凹孔12的侧面120以及底面121。所述疏水层13可通过一有机溶液通过物理挥发沉积法的方式得到。所述有机溶液为低沸点易挥发的有机化合物，比如氯仿、氟油、苯及其衍生物（如二氯甲苯）、石油醚或短链烷烃。所述疏水层13的材料为碳氟化合物、碳氢化合物等疏水性的有机化合物。所述疏水层13实际上为所述有机溶液挥发沉积后得到的固态化合物，其化学式与所述有机溶液一致。通过设置所述疏水层13，所述凹孔12的内表面的疏水性可以进一步提高，从而使得在转印液滴时，水溶液在凹孔12内不易残留。所述疏水层13的厚度不限，只要完全覆盖所述基底11而成一连续的薄膜即可。本实施例中，所述疏水层13的材料为碳氟化合物，厚度为10纳米。

请参阅图6，为本发明第五实施例提供一种印章20的制备方法，其包括以下步骤：

步骤S11，提供一第一基板21，在第一基板21的表面设置多个凸部22，相邻的凸部22之间形成凹部23；

步骤S21，采用等离子刻蚀所述凸部22，使得凸部22的表面粗糙化；

步骤S31，浇注一高分子材料，经固化、脱模后得到一包括多个凹孔12的基底11，所述凹孔12的内表面为疏水表面，所述凸部22的图案与所述凹孔12的图案啮合；以及

步骤S41，沉积一疏水层13以覆盖所述基底11的表面。

所述印章20的制备方法与第二实施例所述印章10的制备方法的不同之处在于，步骤S41在所述基底11的表面沉积所述疏水层13。所述沉积疏水层13的方法不限，可为等离子沉积、化学气相沉积、磁控溅射法或物理挥发沉积法等。优选的，通过将一有机溶液采用物理挥发沉积法得到所述疏水层13。具体过程如下：提供一有机溶液，将包括多个凹部23的第一基板21倒扣于所述有机溶液的表面，使所述多个凸部22及凹部23面对所述有机溶液；经过一段时间的挥发过程后，在所述第一基板21的表面覆有一层疏水层13。所述有机溶液可盛放于一培养皿的底皿中，将第一基板21固定于培养皿的上盖，使所述凹部23的开口方向正对所述有机溶液的液面，最后再盖上培养皿的上盖。挥发过程可在室温下进行，也可在具有一定温度的恒温箱中进行。可以理解，所述第一基板21倒扣入所述培养皿中，所述第一基板21可与液面接触，也可使得所述第一基板21与液面通过一支撑体相间隔，只要保证所述凹部23及凹部23正对所述液面即可。由于有机溶液采用低沸点的有机化合物，因而经过一段时间后有机溶液会由液态变为气态，气态的有机分子会缓慢的沉积于凸部22的表面并覆盖所述第一基板21，得到所述疏水层13。本实施例中，所述有机溶液为四氟化碳溶液，所述有机溶液的体积为5微升，所述培养皿的面积为25平方厘米，挥发的时间为15分钟，所述挥发过程在室温下进行。

本发明所述印章20的制备方法中，通过在所述基底11的表面进一步沉积所述疏水层13，提高了所述凹孔12的内表面的疏水性能。该制备方法较为简单，易于操作实现。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种印章，其包括一基底和设置于基底的表面的多个凹孔，其特征在于，所述凹孔的内表面为超疏水表面。

2.如权利要求1所述的印章，其特征在于，所述凹孔的内表面为一粗糙的表面，所述凹孔的内表面的算术粗糙度大于50纳米。

3.如权利要求2所述的印章，其特征在于，所述凹孔的侧面以及底面的算术粗糙度大于100纳米。

4.如权利要求1所述的印章，其特征在于，所述基底的材料为聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷、甲基苯基聚硅氧烷、甲基辛基聚硅氧烷、3-氯丙基甲基-二甲基聚硅氧烷、二甲基-甲基辛基聚硅氧烷、聚烷氧基硅氧烷、甲基乙烯基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶、甲基双苯基室温硫化硅橡胶、聚二甲基硅氧烷与聚氨酯共混材料、或由稀土改性的聚硅氧烷材料中的至少一种。

5.如权利要求1所述的印章，其特征在于，还包括贴附于所述基底的表面的疏水层。

6.如权利要求5所述的印章，其特征在于，所述疏水层的材料为疏水材料，包括碳氟化合物或碳氢化合物。

7.一种印章的制备方法，其包括以下步骤：

提供一第一基板，在第一基板的表面设置多个凸部；

用等离子刻蚀所述凸部，使得凸部的表面粗糙化；以及

浇注一高分子材料，经固化、脱模后得到一包括多个凹孔的基底，所述凹孔的内表面为超疏水表面。

8.如权利要求7所述的印章的制备方法，其特征在于，所述在第一基板的表面设置多个凸部的方法为先在所述第一基板的表面设置一光刻胶层，然后利用一掩模对该光刻胶层进行图案化，得到多个凸部，并使所述第一基板的部分表面暴露。

9.如权利要求7所述的印章的制备方法，其特征在于，进一步包括在包括多个凹孔的基底的表面沉积一疏水层的步骤。

10.一种液滴阵列的制备方法，其包括以下步骤：

提供一印章，所述印章包括一设置有多个凹孔的基底，所述凹孔的内表面为超疏水表面；

将多个液滴设置于所述印章的凹孔内；以及

将所述多个液滴转移至一目标基板，得到所述液滴阵列。

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