CN103879953A - 一种基于蜡的刮涂图案化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于蜡的刮涂图案化方法，步骤为：对塑料片表面用进行亲水处理，用作基底；设计光子晶体图案或微流控通道的图案，并将设计好的图案用蜡打印在基底上；将SiO₂光子晶体胶体刮涂于打印有光子晶体图案的基底上，使SiO₂光子晶体胶体灌注于没有蜡的中空区域；或将酸解后的微晶纤维素悬液刮涂与打印有微流控通道的基底上，使酸解后的微晶纤维素悬液灌注于没有蜡的中空区域；溶剂挥发，形成SiO₂光子晶体或微流控芯片。使用刮涂法具有操作简单、无需加热，制作的光子晶体图案具有有序结构且角度有偏的优良光学性质，可应用于制作防伪图案等，而制作的微流控芯片具有分辨率高、流速快、样品消耗量小等特点，可用于低成本的生化现场检测。

Description

一种基于蜡的刮涂图案化方法

技术领域

本发明属于微加工领域，具体讲一种基于蜡的刮涂图案化方法,即在覆盖有蜡的亲水基底上刮涂水溶液悬浊液,从而使在亲水进行材料图案化的方法。使用该方法成功制备了图案化的光子晶体和纤维素，并应用于快速、高精度的纸微流控分析芯片的制作。

背景技术    

表面图案化是指在至少一维的方向上生成微米或者纳米级的规则表面结构的微加工方法，在微型反应器、微型阵列器件、微流控芯片等方面具有应用广泛。表面图案化方法有光刻蚀、基于扫描探针的微机械方法、微接触的印刷术、喷墨打印等，基于蜡的图案化方法主要有丝网印刷法、喷蜡打印机直接打印法等。

光子晶体图案化因其在成像、光学器件、微流控芯片的制作等方面具有良好的应用价值而倍受关注，目前图案化方法主要有喷墨打印和光刻等方法。而在纤维素纸基地底上进行图案化处理，而制成的纸微流控芯片具有成本低、制备方法简单、操作简单、使用后可任意处理等特点。目前纸微流控芯片的制作方法主要有：光刻、切绘、注射法蚀刻、等离子蚀刻、切削、喷蜡打印。

传统的蜡打印微加工方法目前仍具有分辨率低、需要加热、样品消耗大，光刻虽然提高分辨率但是耗时、成本高、操作复杂。喷墨打印需要昂贵的仪器或定制仪器且对操作人员要求较高。除了操作复杂、分辨率低外目前纸上微流控芯片还存在问题是流速过慢，传统的纸芯片需要15-20分钟流过5 cm长的纸通道。而快速检测是微流控芯片制作时必不可少的标准，因此急需一种新的方法进行高分辨率、快速POCT检测。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种基于蜡上刮涂的图案化方法，并基于该方法制备光子晶体和微流控芯片。本发明制备方法简单、无需加热、无需昂贵仪器。较常规图案化方法而言分辨率高，具有很好的使用价值。 

为解决本发明的技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种基于蜡上刮涂的图案化方法，其特征在于，步骤为：

（1）    对塑料片表面用进行亲水处理，用作基底；

（2）    设计光子晶体图案或微流控通道的图案，并将设计好的图案用蜡打印在基底上；

（3）    将SiO₂光子晶体胶体刮涂与打印有光子晶体图案的基底上，使SiO₂光子晶体胶体灌注于没有蜡的中空区域；或将酸解后的微晶纤维素悬液刮涂与打印有微流控通道的基底上，使酸解后的微晶纤维素悬液灌注于没有蜡的中空区域；

（4）    溶剂挥发，SiO₂光子晶体在中空区域自组装形成有序结构的图案；酸解后的微晶纤维素在中空区域形成微流控通道，将葡萄糖工作液和蛋白工作液分别滴加与微流控通道的两个检测区，吹干后封塑制成微流控芯片。

所述的步骤一的亲水处理方法为：采用Plasma等离子体处理机对塑料片表面处理、用1%-10%（w/w）的吐温-20水溶液处理或食人鱼溶液浸泡。

所述步骤二的图案采用喷蜡打印机打印。

所述步骤四的吹干采用氮气或者空气。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种基于蜡上刮涂的图案化方法，由于刮涂的材料被被选择性地沉积在由蜡制成的模板里,因此分辨率高（通道最细~10 μm）、易于制备、可量产制备并具有很好的实用性。

本发明基于蜡的刮涂图案化方法解决了传统图案化方法操作繁琐、成本高、分辨率低、制成的微流控芯片流速慢等缺点，应用于图案化的光子晶体具有简单、快速、有序，应用于POCT检测具有廉价、易操作、进样量少、灵敏、快速的特点。

本发明中涉及的基于蜡上刮涂的图案化的微加工方法与现有技术相比具有以下优点。

1、成本低、制备简易、稳定性高，可批量生产。

2、仅需要自然蒸发、直接打印出蜡的疏水区域因而无需另外加热使蜡融化制作疏水区域、无需昂贵的仪器。

3、通道宽度越细流速越快（最细通道~10 μm时流速~2 mm/s远高于普通纸芯片~0.2 mm/s）、因而越小的芯片反应越灵敏。

4、进样量少。

附图说明

图1为本发明的图案化光子晶体示意图； 

图2为本发明的图案化纤维素制作微流控芯片示意图；

图3为本发明方法制备的光子晶体图案示意图；

图4为对本发明光子晶体图案反射光谱表征；

图5为对本发明光子晶体图案扫描电镜表征；

图6为五种芯片的扫描图；

图7为Glu浓度和显色强度的线形图；

图8为BSA浓度和显色强度的线形图。

其中1为基底，2为蜡层，3为刮刀，4为葡萄糖检测区，5为加样区，6为蛋白检测区，7为冷表膜。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明做进一步详细说明。

实施例1  基于蜡上刮涂的图案化方法用于光子晶体图案化：

（1）将聚丙烯塑料片（PP）进行亲水处理，具体方式采用1%-10%（w/w）的吐温-20水溶液、食人鱼溶液浸泡或Plasma等离子体处理机等。

（2）使用CorelDraw12设计图案SEU（长1.5 mm，宽0.6 mm），使用喷蜡打印机将蜡的图案打印于PP上。

（3）分别将五种不同粒径（200, 240，270，288，950 nm）的SiO₂光子晶体胶体水溶液（质量分数40%）使用刮刀刮涂于打印好的PP上。

（4）室温下溶剂自然挥发，SiO₂纳米粒子在无蜡的中空区域形成光子晶体图案。并具备不同角度观察时颜色有变化的特征（图3）

（5）对图案进行反射光谱表征（图4）和扫描电镜表征（图5），结果表明，SiO₂纳米粒子在无蜡的中空区域自组装形成有序的光子晶体图案。

实施例2  基于蜡上刮涂的图案化方法用于纤维素图案化制作微流控芯片：

（1）将PP表面用1%（w/w）的吐温-20水溶液进行亲水处理

（2）使用CorelDraw12设计微流控图案（通道宽度最细处50 μm），使用喷蜡打印机将蜡的图案打印于PP上。

（3）酸解微晶纤维素制备小粒径的微晶纤维素：取10 g微晶纤维素（粒径~20 μm）加入到10mL硫酸中（质量分数64%），充分混匀后于45 ℃高速搅拌30 min，多次离心洗涤使悬液pH=7，后使用超声细胞破碎仪（S-450D）对其进行超声破碎10 min（50W），后超声分散30 min，冷冻干燥后得到粒径约为1-10 μm的微晶纤维素，取一定质量酸解后的微晶纤维素溶于水制成质量分数为4%的酸解微晶纤维素悬液。

（4）使用刮刀将酸解微晶纤维素悬液（质量分数4%）刮涂与打印好的PP上。

（5）室温下溶剂自然挥发，酸解微晶纤维素在无蜡的中空区域形成图案。

（6）将0.3 μL葡萄糖检测液（含4%（w/w）微晶纤维素）滴加于葡糖糖检测区，将0.3μL蛋白检测液（含4%（w/w）微晶纤维素）滴加于蛋白检测区，氮气吹干后使用冷裱膜对芯片进行封塑（预留加样区和检测区的孔）。

（7）将五组混有不同浓度的葡萄糖Glu（2.5，5，50，100，200 mM）和牛血清蛋白BSA（5，10，19，38，75 μM）的样品分别滴加0.3 μL于点样区，静止10 min后颜色完全显示，使用扫描仪扫描芯片。结果表明，随着浓度增加检测区颜色逐渐加深（图6），根据显色强度和浓度作图可知5-200 mM的Glu浓度和显色呈现很好的线性关系（图7），5-75 μM的BSA浓度和显色呈现很好的线性关系（图8）。

以上所述说明是为本发明较佳实施例的详细描述，仅为阐述本发明的可实现性及其优异效果，并非以此来限制本发明的专利范围，具体保护范围应以本发明权利要求书为准。且凡根据本发明精神实质所做出的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.  一种基于蜡上刮涂的图案化方法，其特征在于，步骤为：

步骤一、对塑料片表面用进行亲水处理，用作基底；

步骤二、设计光子晶体图案或微流控通道的图案，并将设计好的图案用蜡打印在基底上；

步骤三、将SiO₂光子晶体胶体刮涂与打印有光子晶体图案的基底上，使SiO₂光子晶体胶体灌注于没有蜡的中空区域；或将酸解后的微晶纤维素悬液刮涂与打印有微流控通道的基底上，使酸解后的微晶纤维素悬液灌注于没有蜡的中空区域；

步骤四、溶剂挥发，SiO₂光子晶体在中空区域自组装形成有序结构的图案；酸解后的微晶纤维素在中空区域形成微流控通道，将葡萄糖工作液和蛋白工作液分别滴加与微流控通道的两个检测区，吹干后封塑制成微流控分析芯片。

2.根据权利要求1所述的基于蜡上刮涂的图案化方法，其特征在于：所述步骤一的亲水处理方法为：采用Plasma等离子体处理机对塑料片表面进行处理、用1%-10%（w/w）的吐温-20水溶液处理或食人鱼溶液浸泡。

3.根据权利要求1所述的基于蜡上刮涂的图案化方法，其特征在于：所述步骤二的图案采用喷蜡打印机打印。

4.根据权利要求1所述的基于蜡上刮涂的图案化方法，其特征在于：所述步骤四的吹干采用氮气或者空气。

5.根据权利要求1所述的基于蜡上刮涂的图案化方法，其特征在于：所述的塑料片材质为PP、PVC、PP、HIPS或PET。

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