CN104307582B - 一种开放式微流控芯片及其制作方法和操控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开放式微流控芯片及其制作方法和操控方法。本发明的开放式微流控芯片，包括芯片基底，所述芯片基底上形成有超滑表面，其中所述超滑表面是润滑油填注具有凹陷微结构的表面形成的液体覆盖层。本发明的开放式微流控芯片采用超滑表面，大大降低外源物质在其表面运动的粘滞阻力，从而拓展了对外源物质尤其是流体的驱动方式，增加了操控的灵活性，并可以对敏感的体系进行操控。
Description
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，尤其涉及一种开放式微流控芯片及其制作方法和操控方法。
背景技术
目前主流的、应用较为成熟的微流控芯片，均为通道式微流控芯片。由于流体与管壁间的粘滞阻力较大，特别是在微米或纳米级的微通道内，根据圆管内粘滞阻力与半径的关系式，圆管径减小1个数量级，粘滞阻力至少提高4个数量级以上。因此，常用的微流控芯片，需要较为庞大和复杂的外部驱动设备提供驱动力。较大的驱动力还导致微通道内的压力较大，因此，微流控芯片键合处以及各种外接通道、阀门接合处的密封性要求较高，这增加了制备工艺难度。此外，通道式微流控芯片为封闭式的管道结构，这也限制了驱动方式的多样性以及操控的灵活性。
平面微流控的粘滞阻力更小、驱动方式灵活多样并且制备更为简单，因此在近期得到广泛研究。开放平面结构的微流控技术虽然减少了固液接触面积，但并未改善固液接触特性，因此仍然存在较大的接触角滞后(Contact angle hysteresis，CAH)，即液滴在固体运动存在较大的阻力，这也是一直制约微流控液滴操控的瓶颈。
电润湿数字微流控，是目前研究最为广泛的开放式平面微流控技术，国内的复旦大学等研究较多，并申请了较多相关专利(如申请号为20111029464.6、20121007344.6、20131007447.7、20131007447.9、20131012575.9、20131028076.0的中国专利申请)。但目前电润湿数字微流控的研究以及专利，主要集中在如何控制电极引导液滴运动，很少研究与液体接触的介电层材料本身。因此液滴受到的粘滞阻力仍然较大，往往需要较大的电压驱动，所以会经常出现介电层被击穿从而损坏的情况。比如申请号为20111029464.6的专利申请，通过依次对介电层下的电极顺序通电，驱动介电层表面的液滴进行运动。由数字微流控芯片结构可以看出，这种三文治夹层结构制备难度大，且介电层厚度需要控制的足够小，才能用较低的电压驱动液滴，但受加工工艺限制，目前常用的驱动电压仍然在几十伏左右，所以介电层经常会出现被击穿的现象。此外，通过电场对液滴进行操控，也限制了其应用范围，例如一些对电场较为敏感的生化反应，或者对含有生物活性物质的液滴，不适宜使用。
目前，也有少量做表面亲疏水处理的研究(L.Hong,Microfluid Nanofluid,2011.,NM.Oliveira,Appl.Phys.Express,2010.)，对材料表面做局部亲疏水处理，用于引导液体流动。但这些文章仅讲述了这种方式可以用于微流控领域，没有对流体操控包括液滴的运动和操控做详细的介绍和分析。并且，这类通过在表面加工微结构，或化学修饰获得亲疏水特性的方法，一方面工艺都比较复杂，成本较高，且效果不稳定；另一方面容易磨损失效，不适合大范围的长时间使用。
可自愈合多孔注液表面(self-healing,slippery liquid-infused poroussurface,SLIPS)，是由美国哈佛大学首次提出，并于2011年发表在Nature上。其策略是在多孔材料或粗糙表面填注润滑剂，从而获得对外源物质(与润滑剂不相溶)具有低粘附的超滑特性。例如，对水滴、矿物油、烷烃类液体具有小于2.5°的接触角滞后(CAH)。填注的润滑剂具有一定流动性，因此，这种超滑表面也具备一定的受损自愈能力。但是公开的专利和文章中，只是提到将其作为一种光滑、不沾污、自修复表面，并未提及用于微流控操控流体或者液滴进行运动，也未提及详细的SLIPS制备工艺。
现有的SLIPS制备工艺较为复杂，操作具有一定难度，难以进行大面积、图形化的超滑表面制备，较难实现对流体或液滴的复杂操控。此外，制作成本也相应较高。
发明内容
本发明提供一种开放式微流控芯片及其制作方法和操控方法，所述开放式微流控芯片采用超滑表面，大大降低外源物质在其表面运动的粘滞阻力，从而拓展了外源物质的驱动方式，增加了操控的灵活性，并可以对敏感的体系进行操控。
在第一方面，本发明提供一种开放式微流控芯片，包括芯片基底，所述芯片基底上形成有超滑表面，其中所述超滑表面是润滑油填注具有凹陷微结构的表面形成的液体覆盖层。
作为本发明的优选技术方案，所述超滑表面为图形化超滑表面。
作为本发明的优选技术方案，所述表面为平面、曲面和/或结构表面，优选为平面。
在第二方面，本发明提供一种第一方面所述的开放式微流控芯片的制作方法，所述方法包括：
在基板上形成图形化的黏附层；
在所述图形化的黏附层上黏附单层微球，得到图形化的微球模板；
用可塑性材料转印所述微球模板，得到具有凹陷微结构的表面；
向所述凹陷微结构中填充润滑油形成可自愈合多孔注液表面。
作为本发明的优选技术方案，所述在基板上形成图形化的黏附层具体为，通过涂覆、粘贴和/或打印黏性物质在基板上形成图形化的黏附层；或
在基板上涂覆、粘贴和/或打印黏性物质层，然后在所述黏性物质层表面涂覆、粘贴和/或打印图形化的非黏性物质层，得到图形化的黏附层。
作为本发明的优选技术方案，所述在所述图形化的黏附层上黏附单层微球具体为，通过将微球泼撒在所述图形化的黏附层上形成黏附的单层微球；或
将带有图形化的黏附层的基板以黏附层朝上的方式置于盛液器皿底部，在液面上放置足够形成单层微球的可漂浮微球，抽去器皿中的液体使所述微球自然降落在所述黏附层上而被黏住形成单层微球。
在第二方面，本发明还提供一种第一方面所述的开放式微流控芯片的制作方法，所述方法包括：
在基板上形成黏附层；
在所述黏附层上黏附单层微球，得到微球模板；
通过剪裁获得图形化的微球模板；
用可塑性材料转印所述微球模板，得到具有凹陷微结构的表面；
向所述凹陷微结构中填充润滑油形成可自愈合多孔注液表面。
作为本发明的优选技术方案，所述在基板上形成黏附层具体为，通过涂覆、粘贴和/或打印黏性物质在基板上形成黏附层。
作为本发明的优选技术方案，所述在所述黏附层上黏附单层微球具体为，通过将微球泼撒在所述黏附层上形成黏附的单层微球；或
将带有黏附层的基板以黏附层朝上的方式置于盛液器皿底部，在液面上放置足够形成单层微球的可漂浮微球，抽去器皿中的液体使所述微球自然降落在所述黏附层上而被黏住形成单层微球。
在第三方面，本发明提供一种第一方面所述的开放式微流控芯片的操控方法，所述方法包括：
将与所述润滑油不相溶的物质置于所述图形化超滑表面上；
通过各种驱动方式驱动所述物质在所述图形化超滑表面上运动。
作为本发明的优选技术方案，所述物质选自液滴、固体物质、细胞和生物组织中的一种或多种。
作为本发明的优选技术方案，所述驱动方式选自自身重力、低压气吹、电场、磁场、超声、机械振动和热梯度中的一种或多种，更优选自身重力和/或低压气吹。
作为本发明的优选技术方案，所述运动的形式为液滴生成、转运、停留、溶合、分裂、排列以及阵列中的一种或多种。
本发明的有益效果为：本发明将超滑表面应用于开放式微流控芯片，大大降低外源物质尤其是流体在其表面运动的粘滞阻力，液滴在临界滑动角2.5°左右时即可滑动；从而也拓展了外源物质尤其是流体的驱动方式，例如可以采用外源物质自身重力、低压气吹以及其它现有的驱动技术，如电场、磁场、超声、机械振动和热梯度等驱动方式；开放式结构，使得操控方式不受空间局限，增加了操控的灵活性；由于能借助自身重力或低压气吹的方式进行驱动，可以对敏感的体系(如生化反应或带生物活性的液滴等)进行操控。
此外，本发明采用独特的图形化超滑表面制备工艺，方法简便有效，降低了制备难度和成本，并且所制得的表面具备自修复功能，不易损坏失效。
附图说明
图1为本发明的开放式微流控芯片的结构示意图，其中1为基底；2为图形化超滑表面，即可自愈合多孔注液表面；3为液滴或流体。
图2为本发明中通过泼撒法在黏附层表面黏附单层微球的流程示意图，其中4为基板，5为黏附层，6为微球。
图3为本发明中通过泼撒法在黏附层表面黏附单层微球的显微图像。
图4为本发明中通过粘贴双面胶和打印非黏性物质形成图形化的黏附层过程中各步骤的照片结果。
图5为本发明中通过沉降法在黏附层表面黏附单层微球并通过转印和填注润滑油形成超滑表面的流程示意图，其中7为基板，8为黏附层，9为水，10为微球，11为PDMS，12为润滑油。
图6为本发明中采用沉降法形成的几种不同尺寸的微球模板的显微图像。
图7为本发明实施例制作的一个平面微流控芯片的实物照片。
图8为本发明实施例制作的另一个平面微流控芯片的实物照片。
图9为本发明实施例制作的超滑表面中，微球粒径与临界滑动角(液滴开始滑动时的倾斜角)、滑动速度的关系(a)，以及填注的润滑油粘度与临界滑动角、滑动速度的关系(b)。
图10为本发明实施例制作的平面微流控芯片,利用手动倾斜进行液滴操控(溶合、分裂、排列、储存和阵列移动)的情境图。
图11为本发明实施例制作的平面微流控芯片，利用转动斜台实现多液滴复合操控的情境图。
图12为本发明实施例制作的平面微流控芯片，利用低压气吹实现多液滴的顺序混合的情境图。
图13为本发明实施例制作的平面微流控芯片，利用低压气体驱动液滴实现多液滴移动、储存和混合的情境图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中，本发明中用到的术语解释如下：
本发明的开放式微流控芯片，包括芯片基底，所述芯片基底上形成有超滑表面，其中所述超滑表面是润滑油填注具有凹陷微结构的表面形成的液体覆盖层。
本发明的开放式微流控芯片，是相对于封闭的管道式微流控芯片而言的，即非封闭式的微流控芯片，一般表现为平面、曲面和/或结构表面的形式，但不局限于此。其中，结构表面是指在表面上具有一定结构，比如凸起、凹陷、微孔或孔洞等结构特征的表面。本发明的表面可以是单一的平面、曲面或结构表面的形式，也可以是多种表面的复合形式，比如部分平面部分曲面的形式、部分平面部分结构表面的形式或部分曲面部分结构表面的形式等。
本发明的超滑表面，应作最广义的理解，即任何对外源物质的粘附力比传统表面对外源物质的粘附力小的表面都应当理解为本发明的超滑表面。传统表面为固体形式的表面，其与外源物质(固体或液体等)的接触传统上表现为固-固接触或固-液接触，由于传统表面并非超滑表面，因此传统的固-固接触或固-液接触的粘附力较大，不利于外源物质的操控。而本发明的超滑表面是润滑油填注具有凹陷微结构的表面形成的液体覆盖层，即液体形式的表面。所以，本发明的超滑表面与外源物质(固体或液体等)的接触形式表现为液-固接触或液-液接触，由于润滑油对外源物质的粘附力较低，因此利于外源物质的操控。
本发明的超滑表面，包括但不限于可自愈合多孔注液表面，而是润滑油填注具有凹陷微结构的表面形成的液体覆盖层表面。其中，润滑油应作最广义的理解，即任何能够用于填注凹陷微结构而形成稳定的润滑油薄膜层并对外源物质具有比传统表面对外源物质更低的粘附力的液体，包括但不限于如十六烷、硅油、液体石蜡或植物油等，优选苯基硅油。凹陷微结构应作最广义的理解，即任何具有凹陷形式，比如微孔或孔洞等的结构，对于凹陷微结构的大小、形状和密集程度等没有特别限制，本发明的凹陷微结构还包括粗糙表面上的粗糙结构或通过化学修饰使得结构表面附着润滑油，例如枝接亲油性官能团等。本发明实施例中特别示出的凹陷微结构是微球模板转印出的凹形，由于微球的球形结构，凹陷微结构一般是半球形或近似半球形的。本发明实施例中的凹陷微结构只是较优选的形式，本发明并不受限于此。
本发明中，外源物质是相对于微流控芯片而言的，即使用本发明的微流控芯片操控的对象，包括但不限于固体和液体。虽然本发明采用“微流控芯片”的概念，但应当理解，使用本发明的微流控芯片操控的对象并不局限于流体，而是包括任何与本发明的超滑表面具有低粘附力的外源物质，包括但不限于固体和液体，其中液体包括液滴、连续流体和生化溶剂等，固体包括块状物、颗粒物和细胞等。
本发明的图形化超滑表面，是指具有特定形状和/或图案的超滑表面，任何形状和/或图案都是本发明所说的图形化，包括但不限于X形、Y形、矩形波形、格子形等。
本发明的超滑表面可有多方面的用途，例如在制冷系统中可作为防止冰霜形成的热交换器表面，用于自洁性衣物、织物或鞋子等的材料，作为建筑物等的防涂鸦表面，作为舰或船等上的防止海洋生物积垢的涂层，用于光学部件的防污染物黏附的涂层，用于日常炊具或容器的光滑涂层等，本发明特别用于作为开放式微流控芯片的超滑表面。
在本发明实施例中，在基板上形成黏附层的方式有多种，包括但不限于在基板上涂覆、粘贴和/或打印黏性物质，其中基板可以是任何可用支持介质，例如载玻片、盖玻片、聚氯乙烯(PVC)板、打印纸等；黏性物质可以是日常、实验或工业中使用的单、双面胶，胶水和光刻胶等；根据选用的黏性物质的类型，可以分别采用涂覆、粘贴或打印的方式将其形成在基板上，例如如果选用单、双面胶可采用粘贴方式，如果选用胶水和光刻胶，可以采用涂覆方式，在允许的情况下也可以采用打印的方式。
在本发明实施例中，所述黏附层可以是图形化的黏附层，所谓“图形化”，是指黏附层具有特定形状和/或图案。可以通过直接在基板上涂覆、粘贴和/或打印黏性物质的方式得到图形化的黏附层，也可以先在基板上涂覆、粘贴和/或打印黏性物质，形成一层黏性物质层，然后在所述黏性物质层表面涂覆、粘贴和/或打印图形化的非黏性物质，得到一层非黏性物质层，黏性物质层的一些部位被非黏性物质盖住，最终得到图形化的黏附层。这两种方式均是在黏附单层微球之前就形成图形化，这样只要黏附上单层微球即可得到图形化的微球模板。当然，作为可选择的其他方式，也可以先在基板上形成一整块覆盖整个基板的黏附层，然后黏附上单层微球，得到一整块微球模板，再按照设定的特定形状和/或图案剪裁微球模板，获得图形化的微球模板。这种方式的图形化形成于黏附单层微球之后。先图形化再黏附单层微球的方式简单直接，并且能够避免黏性物质和微球的浪费，因为所有黏性物质和微球均用于形成微球模板，而且图形化可以精确控制，尤其是通过打印的方式形成的图形比通过剪裁的方式形成的图形更加精确。
在黏附层上黏附单层微球的实现方式可有多种，在本发明实施例中列举了泼撒法(或称“干法”)和沉降法(或称“湿法”)两种实现方式。所谓泼撒法，是指将微球泼撒在黏附层上形成黏附的单层微球，在具体实施例中，比如将大量微球均匀地泼撒在基板的黏附层表面上，通过抖动或吹气去除多余的微球，而黏附在黏附层上的微球形成单层微球模板，具体操作中需要注意抖动或吹气的力度，既要去除多余的微球而又不至于将黏附在黏附层上的微球去除，可以反复多次进行泼撒、抖动或吹气操作，直到形成均匀的单层微球模板。一般来讲，本发明中使用的微球在纳米级至微米级，因此在需要的情况下需要借助显微镜等光学器械检测单层微球模板的质量状况。所谓沉降法，是指微球自然沉降在黏附层表面上而被黏附住，形成单层微球模板，具体可以将带有黏附层的基板以黏附层朝上的方式置于盛液器皿底部，在液面上放置足够形成单层微球的可漂浮微球，抽去器皿中的液体使微球自然降落在黏附层上而被黏住形成单层微球。其中，器皿中所盛装的液体不应对基板、黏附层和微球产生明显的腐蚀和破坏作用，根据具体情况可以选用水、乙醇、甲醇等，最优选水。在以水作为液体的情况下，具体可以这样操作：将黏附有黏附层的基板以黏附层朝上的方式置于盛水的器皿底部；在水面上放置大量可漂浮微球(足够形成单层微球)，静置一段时间后，由于重力和微球间的相互作用，最底层的微球会密集排列整齐并处于同一水平面；抽去器皿中的水使微球自然降落在黏附层上而被黏住；取出基板，将微球轻轻压实，以保证最底层的微球被黏附牢固，且微球间不存在大于微球直径的空隙；干燥后，将表面多余的微球抖去或者用高压气体吹走，即可得到单层密集排列的微球模板。需要说明的是，压实是为了更进一步牢固地黏附微球，根据具体情况，比如在黏附层的粘附力足够强的情况下，也可以省略该步骤；去除多余微球的方式也不限于抖动和吹气方式，在一些实施方式中，直接将基板的微球面朝下即可。
在本发明实施例中，转印微球模板的材料是可塑性材料，比如加热熔化、冷却固化的材料，比如聚乙烯(polyethylene，PE)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)等各种塑料材料；也可以是热固化材料，比如聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)等。其中，PDMS是优选的材料，它是微流控芯片的重要材料，在微流控技术领域获得了最广泛的应用，其使用非常方便，一般将主剂和硬化剂按照一定比例(比如10：1)混合后，浇注在模具中，烘烤后即可固化成型。
在本发明实施例中，微球作为形成凹陷微结构的模板，微球的材料选择不受限制，比如可以选择聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)或聚丙烯(PP)等作为微球材料，本发明优选采用聚苯乙烯微球。
本发明实施例中制备的开放式微流控芯片具有图1所示的结构，其中基底1上表面形成有凹陷微结构，该凹陷微结构内填注润滑油形成图形化超滑表面2，即可自愈合多孔注液表面，液滴或流体3可以在图形化超滑表面2表面上运动。
本发明的微流控芯片上的图形化超滑表面可采用现有的制备可自愈合多孔注液表面的方法制备，比如提拉法、旋涂法和电泳法等。其中，提拉法是最常用的方法，其做法是使微球在液体溶剂表面自组装成单层密集结构，然后使用基底材料从单层密集结构下面轻轻提拉，使得在基底材料表面形成单层密集排列微球。提拉法可以获得质量很高的单层密集排列微球，但是使用提拉法的前提是，微球具备自组装能力，即可以在液体溶剂中自主的相互吸引排列到一起。自组装一般是依赖微球间的范德华力实现，微球越大范德华力相对于外界干扰力(如重力、振动或流体扰动)就会越弱，稍微有点外界干扰，就会打断小球排列，因此该方法从根本上限制了使用的微球大小，即仅能用于纳米级别的微球自组装排列，对微米级别的微球排列失效。另外，提拉速度一般比较慢，因此影响制作效率，且稍微遇到抖动，就会使得排列好的微球分散开，难以实现大面积、图形化的微球排列。旋涂法即将微球溶液滴加在高速旋转的基材表面，利用旋转离心力将微球摊开，从而获得均匀排布的微球。但要获得质量较高的单层密集排列微球，对微球溶液的浓度、旋涂速度和基材表面平整度都有很高的要求，并且这种方法也难以实现大面积、图形化的微球排列。电泳法等其他方法目前只停留在原理验证阶段，实用性较差。总之，目前的方法存在如下缺陷：稳固性较差，微球大小有限制，过程较复杂，效率不高，操作具有一定难度，且难以制作大面积、图形化的微球模板。
本发明基于黏附层对微球的黏附实现微球模板的制作，进而通过转印和填注润滑油得到超滑表面。相比现有的提拉法具有明显优势，体现在黏附层的黏附力强、微球模板稳固性好，以及由此带来的适于各种大小的微球、不易受外界干扰力影响、制作过程简单、操作容易、效率较高、且容易制作大面积的微球模板的特点。更突出的优势在于可以对其进行图形化操作，按照设定的形状和/或图案形成超滑表面。图形化在本发明中具有重要意义，即用作开放式微流控芯片的流体操控轨道。
下面结合附图并通过具体实施例详细描述本发明的实现方式。
实施例1
本实施例首先通过涂覆黏性物质形成黏附层，然后通过泼撒法形成微球模板，再对微球模板进行图形化剪裁，继而使用PDMS对图形化的模板进行软复制转印得到凹陷微结构，最后向凹陷微结构内填注润滑油得到超滑表面，制成平面微流控芯片。
本实施例制作超滑表面的方法具体包括以下步骤：
(a)在基板上均匀地涂覆一层胶水，胶水的厚度要均匀，以免形成的黏附层表面不平整。
(b)按照图2所示的方式，将大量PS微球均匀地泼撒在步骤(a)基板的黏附层表面上，倾斜基板并通过抖动去除没有黏附上的微球，使得黏附在黏附层上的微球形成单层微球模板，该步骤也可以借助吹气去除没有黏附上的微球，可以反复多次进行泼撒、抖动或吹气操作，直到形成均匀的单层微球模板。如图3所示，示出了采用显微镜观察得到的单层微球模板排布情况，其中，a、b、c分别对应A、B、C三个区域的20倍放大后的显微图像，d对应A区域中局部60倍放大后的显微图像，可见微球均匀、致密排列，没有明显大于微球尺寸的间隙，说明通过上述泼撒法在黏附层表面形成的单层微球模板质量较好。
(c)按照设定的形状(比如X形或Y形等)剪裁单层微球模板。
(d)将液化的PDMS浇筑到剪裁好的单层微球模板上，烘烤固化成型。
(e)将固化的PDMS从单层微球模板上脱模即可得到具有凹陷微结构的基底，其中凹陷微结构由单层微球模板转印而成，呈半球形。
(f)在凹陷微结构内填注润滑油(如十六烷、硅油、液体石蜡或植物油等)形成润滑油薄膜，获得超滑表面，制成平面微流控芯片。
实施例2
本实施例与实施例1的不同在于，本实施例通过在基板上粘贴双面胶的方式形成黏附层，其它步骤与实施例1相同。
实施例3
本实施例与实施例1的不同在于，本实施例通过采用打印机在基板上打印黏性物质(胶水)，形成图形化的黏附层；然后采用实施例1中步骤(b)那样的泼撒法形成单层微球模板；再用PDMS对单层微球模板进行软复制；最后在软复制形成的凹陷微结构内填注润滑油形成润滑油薄膜，获得超滑表面，制成平面微流控芯片。
实施例4
本实施例首先在基板上粘贴双面胶，然后在双面胶上图形化打印非黏性物质(如墨水)覆盖双面胶的部分区域，未覆盖的区域即为图形化的黏附层区域；然后采用实施例1中步骤(b)那样的泼撒法形成单层微球模板；再用PDMS对单层微球模板进行软复制；最后在软复制形成的凹陷微结构内填注注润滑油形成润滑油薄膜，获得超滑表面，制成平面微流控芯片。
如图4所示，首先在基板上划定打印区域(a)；然后在打印区域内粘贴双面胶(b)；再在双面胶表面按照设计好的图形打印墨水(c)；最后形成图形化的黏附层(d)。图4c和4d中黑色区域为打印的墨水，其覆盖双面胶的部分区域。
实施例5
本实施例首先通过涂覆黏性物质形成黏附层，然后通过沉降法形成微球模板，再对微球模板进行图形化剪裁，继而使用PDMS对图形化的模板进行软复制转印得到凹陷微结构，最后向凹陷微结构内填注润滑油得到超滑表面，制成平面微流控芯片。
参考图5，本实施例制作超滑表面的方法具体包括以下步骤：
(a)在基板上均匀地涂覆一层胶水，胶水的厚度要均匀，以免形成的黏附层表面不平整。
(b)将步骤(a)的基板以黏附层朝上的方式置于盛水的器皿底部；然后，在水面上放置大量PS微球，静置一段时间(比如10min)；接着抽去器皿中的水使PS微球自然降落在黏附层上而被黏住；再取出基板，将微球轻轻压实，以保证最底层的微球被黏附牢固，且微球间不存在大于微球直径的空隙；干燥后，将表面多余的微球抖去或者用高压气体吹走，即可得到单层密集排列的微球模板。
(c)按照设定的形状(比如X形或Y形等)剪裁单层微球模板。
(d)将液化的PDMS浇筑到剪裁好的单层微球模板上，烘烤固化成型。
(e)将固化的PDMS从单层微球模板上脱模即可得到具有凹陷微结构的基底，其中凹陷微结构由单层微球模板转印而成，呈半球形。
(f)在凹陷微结构内填注润滑油(如十六烷、硅油、液体石蜡或植物油等)形成润滑油薄膜，获得超滑表面，制成平面微流控芯片。
本实施例中，步骤(b)描述的方法在本发明中称为沉降法，是在采用黏性物质黏附微球的基础上进一步的改进方法，相比现有技术中的提拉法具有明显的优势在于，本发明的沉降法不受单层微球模板大小的限制，理论上只要基板足够大、器皿足够大就可以一次性形成大面积的单层微球模板，然后根据具体需要裁剪使用。
本实施例中，将黏性物质黏附微球与沉降法结合还具有明显的优势在于：在水面上PS微球密布排列，最底层形成致密的排列结构，由于在水面上PS微球还没有被固定下来，因此它们互相之间的阻力较小，从而形成的单层微球模板比采用泼撒法形成的单层微球模板更加均匀致密。此外，沉降法的另一优势在于不受微球大小的影响，基本上从纳米级至微米级的微球都能很好地形成单层微球模板。图6显示了用沉降法制备的几种不同尺寸(5μm、20μm、50μm和100μm)的单层微球模板的显微图像，可见单层微球排列均匀、致密、有规则。
按照本实施例的方法制作的一个平面微流控芯片如图7所示，其上的图形是通过对单层微球模板剪裁，然后转印PDMS并填充润滑油得到的超滑轨道。只需要自身重力推动，不需要额外作用力，液滴即可沿着超滑轨道运动。
实施例6
本实施例与实施例5的不同在于，本实施例通过采用打印机在基板上打印黏性物质(胶水)，形成图形化的黏附层；然后采用实施例5中步骤(b)那样的沉降法形成单层微球模板；再用PDMS对单层微球模板进行软复制；最后在软复制形成的凹陷微结构内填注润滑油形成润滑油薄膜，获得超滑表面，制成平面微流控芯片。
按照本实施例的方法制作的一个平面微流控芯片如图8所示，其上的图形即超滑轨道，液滴可沿着超滑轨道运动。
试验例1
本试验例以实施例1的方法制作的超滑表面(以苯基硅油为润滑油)为例，研究了微球粒径与临界滑动角(液滴开始滑动时的倾斜角)、滑动速度的关系，以及填注的润滑油粘度与临界滑动角、滑动速度的关系。
结果如图9所示，以直径范围5μm～100μm的PS微球为模板制作的超滑表面，在临界滑动角小于5°时即可滑动；随着PS微球直径的增大，临界滑动角有所增大，但在实验所用小球直径达到100μm时，临界滑动角也没有超过5°。可见，超滑表面的超滑性能良好。另一方面，填注的润滑油粘度越大，临界滑动角越低，滑动速度越高。
试验例2
本试验例以实施例5的方法制作的平面微流控芯片为例，研究液滴在其上的溶合、分裂、排列、储存和阵列移动情况。
图10展示了，利用手动倾斜平面微流控芯片，通过图形化设计，引导液滴流动，实现液滴的溶合、分裂、排列、储存和阵列移动。
其中图10a～c显示了液滴在X形超滑轨道上的滑动行为，将液滴滴在超滑轨道的两个分叉端上(a)，略微倾斜微流控超滑平台，两个液滴即可向X形超滑轨道的中心滑动，并最终在中心点溶合(b)，然后由于自身重力和轨道结构的作用，溶合的液滴发生分裂(c)，并分别滑向X形超滑轨道的另外两个分叉端。
图10d～f显示了液滴在多分叉超滑轨道上的阵列移动情况，可以同时操控多个液滴分别滑动到不同分叉端。
本试验例中，液滴只需要借助于自身重力作用即可在超滑表面滑动，不需要额外作用力。并且只需要5°以下的倾斜角即可产生足够驱动液滴滑动的重力。说明，本发明的超滑表面的超滑性能优异。
试验例3
本试验例以实施例6的方法制作的平面微流控芯片为例，利用转动斜台研究多液滴在其上的复合操控情景。
图11展示了，将平面微流控芯片固定在由机电系统控制的转动斜台上，通过控制斜台的转动，实现液滴按预设的超滑表面图案滑动，机电系统的引入，使过程实现自动化，液滴运动精确可控，并且运动可以重复实现。
如图11所示，旋转箭头指示转动斜台带动平面微流控芯片的旋转方向。通过控制平面微流控芯片旋转可以将液滴储存在预设的沟道内，形成液滴阵列，最后对多液滴实现阵列移动。与图10所示的情景类似，本试验例中液滴只需要借助于自身重力作用即可在超滑表面滑动，不需要额外作用力。
试验例4
本试验例以实施例5的方法制作的平面微流控芯片为例，利用低压气吹实现多液滴的顺序混合的情境。
本试验中，利用低压气体(由迷你气泵KOGE KPV36A提供)驱动液滴运动，将平面微流控芯片放置在平面上，用气嘴驱动液滴按设定图形运动。低压气吹驱动比用自身重力驱动更具普适性，液滴运动速度也可控，并大大加快，提高了效率，通过超滑表面的图形化设计液滴可以在二维平面内按任意方向运动。
图12展示了，利用低压气体驱动液滴实现4种液滴的顺序混合，混合的顺序和混合速度可以按需要调整，喷气系统也是由控制板程序控制，因此可以实现混合过程的自动化操作。
试验例5
本试验例以实施例6的方法制作的平面微流控芯片为例，利用低压气体驱动液滴实现多液滴移动、储存和混合的情境。
图13展示了，利用低压气体驱动液滴实现多液滴移动、储存和混合，只需要较微弱的低压气体即可实现对液体的操控。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。
Claims (14)
1.一种开放式微流控芯片，包括芯片基底，其特征在于，所述芯片基底上形成有超滑表面，其中所述超滑表面是润滑油填注具有凹陷微结构的表面形成的液体覆盖层；所述超滑表面为图形化超滑表面；
所述开放式微流控芯片通过包括如下步骤的方法制作：
在基板上形成图形化的黏附层；
在所述图形化的黏附层上黏附单层微球，得到图形化的微球模板；
用可塑性材料转印所述微球模板，得到具有凹陷微结构的表面；
向所述凹陷微结构中填充润滑油形成可自愈合多孔注液表面。
2.根据权利要求1所述的开放式微流控芯片，其特征在于，所述表面为平面、曲面和/或结构表面。
3.根据权利要求2所述的开放式微流控芯片，其特征在于，所述表面为平面。
4.一种权利要求1所述的开放式微流控芯片的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
在基板上形成图形化的黏附层；
在所述图形化的黏附层上黏附单层微球，得到图形化的微球模板；
用可塑性材料转印所述微球模板，得到具有凹陷微结构的表面；
向所述凹陷微结构中填充润滑油形成可自愈合多孔注液表面。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述在基板上形成图形化的黏附层具体为，通过涂覆、粘贴和/或打印黏性物质在基板上形成图形化的黏附层；或在基板上涂覆、粘贴和/或打印黏性物质层，然后在所述黏性物质层表面涂覆、粘贴和/或打印图形化的非黏性物质层，得到图形化的黏附层。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述在所述图形化的黏附层上黏附单层微球具体为，通过将微球泼撒在所述图形化的黏附层上形成黏附的单层微球；或
将带有图形化的黏附层的基板以黏附层朝上的方式置于盛液器皿底部，在液面上放置足够形成单层微球的可漂浮微球，抽去器皿中的液体使所述微球自然降落在所述黏附层上而被黏住形成单层微球。
7.一种权利要求1所述的开放式微流控芯片的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
在基板上形成黏附层；
在所述黏附层上黏附单层微球，得到微球模板；
通过剪裁获得图形化的微球模板；
用可塑性材料转印所述微球模板，得到具有凹陷微结构的表面；
向所述凹陷微结构中填充润滑油形成可自愈合多孔注液表面。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在基板上形成黏附层具体为，通过涂覆、粘贴和/或打印黏性物质在基板上形成黏附层。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在所述黏附层上黏附单层微球具体为，通过将微球泼撒在所述黏附层上形成黏附的单层微球；或
将带有黏附层的基板以黏附层朝上的方式置于盛液器皿底部，在液面上放置足够形成单层微球的可漂浮微球，抽去器皿中的液体使所述微球自然降落在所述黏附层上而被黏住形成单层微球。
10.一种权利要求1所述的开放式微流控芯片的操控方法，其特征在于，所述方法包括：
将与所述润滑油不相溶的物质置于所述图形化超滑表面上；
通过各种驱动方式驱动所述物质在所述图形化超滑表面上运动。
11.根据权利要求10所述的操控方法，其特征在于，所述物质选自液滴、固体物质、细胞和生物组织中的一种或多种。
12.根据权利要求10所述的操控方法，其特征在于，所述驱动方式选自自身重力、低压气吹、电场、磁场、超声、机械振动和热梯度中的一种或多种。
13.根据权利要求12所述的操控方法，其特征在于，所述驱动方式选自自身重力和/或低压气吹。
14.根据权利要求10所述的操控方法，其特征在于，所述运动的形式为液滴生成、转运、停留、溶合、分裂、排列以及阵列中的一种或多种。
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-
2014
- 2014-09-30 CN CN201410525697.4A patent/CN104307582B/zh active Active
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