CN105498867B - 梯度二氧化硅表面微流体系统的构筑方法 - Google Patents

梯度二氧化硅表面微流体系统的构筑方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提出了一种基于超亲水‑疏水特性的梯度二氧化硅表面微流体系统的构筑方法，包括：在载体表面形成具有梯度的烟灰层；在所述具有梯度的烟灰层表面形成SiO2纳米膜层；利用疏水材料对SiO2纳米膜层进行修饰以形成疏水化的SiO2纳米层；在所述疏水化的SiO2纳米层上覆盖光掩膜，经紫外光照射即在SiO2纳米结构膜层表面以形成超亲水‑疏水的微流体。上述技术方案利用具有表面梯度的多孔网状烟灰结构，得到具有表面梯度的多孔网状SiO2结构，运用超亲水‑疏水特性制备微流体通道、将梯度与微流体通道巧妙的结合以增强微流体的毛细驱动力，从而实现流体在无外力的情况下快速完成自输送。

Description

梯度二氧化硅表面微流体系统的构筑方法
技术领域
本发明涉及材料制备和检测分析技术领域，特别是指一种基于超亲水-疏水特性的梯度二氧化硅表面微流体系统的构筑方法。
背景技术
作为一个交叉研究领域，微流体系统成为当前国内外研究的一个热点，广泛应用于生物医学和化学领域，如基因分析、药物研发、食品安全、环境监测、化学反应等。
微流体驱动技术是微流体系统中的关键技术之一，是实现微流体系统中流体精确控制的前提和基础。微流体驱动技术主要是将电能、磁能、热能、化学能、机械能等形式的能量转化为微流体的动能和势能。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，是一种成本低廉、操作简单、稳定的微流体驱动方法。
表面浸润性是固体表面的一个重要特性，一般用接触角表示。通常将水的接触角小于90°的表面称为亲水表面，大于90°的表面称为疏水表面。当固体表面水的接触角小于10°时，则称为超亲水表面；而接触角大于150°时，称为超疏水表面。
近年来，许多研究学者发现在浸润性梯度表面，液滴在非平衡表面力的作用下可以实现自驱动运动。1978年Greenspan首次提出了由于接触角的变化引起液滴运动的可能性，之后Greenspan和Brochard通过实验进行了论证。1992年Chaudhury和Whitesides利用扩散控制气相沉积硅烷化试剂的方法，制备了润湿性梯度表面，并证实了液滴在梯度表面可以沿15°倾斜表面向上运动。这种新型的表面张力驱动液滴的运动方式，可以广泛的应用于医学、生物和能源等领域。
现有的浸润性的表面的主要制备的方法有：化学气相沉积法、逐步浸入法、平版印刷、光降解、电晕处理、接触印刷、机械拉伸法、温度梯度法、光化学法等。但是这些方法绝大多数表面都不能直接的将界面自由能自发的转化为液滴机械能，而是需要其他外力催化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于超亲水-疏水特性的梯度二氧化硅表面微流体系统的构筑方法，能够在多孔网状结构基底上将梯度与微流体通道巧妙的结合以增强微流体的毛细驱动力，实现流体在无外力的情况下快速完成自输送。
为了达到上述目的，本发明实施例提供了一种基于超亲水-疏水特性的梯度二氧化硅表面微流体系统的构筑方法，包括：
步骤1、在载体表面形成具有梯度的烟灰层；
步骤2、在所述具有梯度的烟灰层表面形成SiO2纳米膜层；
步骤3、利用疏水材料对SiO2纳米膜层进行修饰以形成疏水化的SiO2纳米层；
步骤4、在所述疏水化的SiO2纳米层上覆盖光掩膜，经紫外光照射即在SiO2纳米结构膜层表面以形成超亲水-疏水的微流体。
其中，所述步骤1之前还包括：
对载体表面进行清洗并用氮气吹干。
其中，所述步骤1具体为：
将载体倾斜15°～60°放置在蜡烛火焰上方0.5cm处2～6秒，以在所述载体表面形成烟灰层。
其中，所述步骤2具体为：
将盛有试剂的容器与步骤1得到的样品一起放置在密闭干燥器中，在相对湿度为60％RH且环境温度为30℃的鼓风干燥箱中进行水解，利用化学气相沉积的方法，在所述具有梯度的烟灰层表面形成SiO2纳米膜层；其中所述试剂为分别盛有相同体积的正硅酸乙酯和氨水的两个容器，或盛有四氯化硅的容器。
其中，所述步骤2与步骤3之间还包括：
对载体经400～600℃热处理1～3小时后冷却。
其中，所述步骤3中的疏水材料为十八烷基三氯硅烷。
其中，所述疏水材料为Cl3Si(CH2)nCH3，其中n＝8至16。
其中，所述步骤3具体为：
将载体在3～10mmol的疏水材料中浸泡15～60分钟后取出，利用乙醇溶液清洗，并70～100℃下固定干燥5～10分钟，得到所述疏水化的SiO2纳米层。
其中，所述光掩模为纸或塑料膜，且通过激光刻蚀得到图案，超亲水-疏水微流体通道宽度设置为100～1000μm。
其中，载体由玻璃、石英、硅、陶瓷或金属形成。
本发明实施例的有益效果是：
上述方案利用具有表面梯度的多孔网状烟灰结构，得到具有表面梯度的多孔网状SiO2结构，运用超亲水-疏水特性制备微流体通道、将梯度与微流体通道巧妙的结合以增强微流体的毛细驱动力，从而实现流体在无外力的情况下快速完成自输送。上述技术方案制备的超亲水-疏水微流体通道无需特殊保护即可在空气中长期保存。
附图说明
图1是本发明实施案例1所得到的梯度SiO2正面和侧面的扫描电子显微镜(SEM)图。
图2是本发明实施案例1所得到的梯度SiO2表面，不同位置的SiO2厚度曲线。
图3是本发明实施案例1所得到的疏水的梯度SiO2表面，不同位置的接触角曲线。
图4是本发明实施案例1中采用十八烷基三氯硅烷(OTS)修饰的SiO2表面紫外处理区域与未处理区域的浸润性对比图。
图5是本发明实施案例1所得到的超亲水-疏水微流体通道的宽度分别为100μm、250μm、500μm、750μm、1000μm的不同体积的液滴沿着由薄到厚的梯度方向在铺展过程中的接触角变化曲线。
图6是本发明实施案例1所得到的梯度SiO2微流体通道a)与无梯度SiO2微流体通道b)以及OTS修饰的载玻片表面微流体通道c)之间的对比图(通道宽度均为500μm)，其中液滴体积为2μL。
图7是本发明实施案例3所得到的梯度SiO2表面超亲水-疏水微流体三通道检测蛋白质、葡萄糖、pH的图片。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明实施例的方法包括：
1)、载体表面形成具有梯度的烟灰层；
将载体表面清洗干净并用氮气吹干，将载体倾斜15°～60°放置在蜡烛火焰上方0.5cm处2～6秒，即得到具有梯度的烟灰层。
2)、SiO2纳米膜层覆盖烟灰层；
SiO2纳米膜层的制备，是利用正硅酸乙酯与氨水或者四氯化硅，的水解作用得到的，用化学气相沉积进行。具体的，将分别乘有正硅酸乙酯和氨水的两个容器(两种试剂体积相同)与步骤1得到的样品一起放置在密闭干燥器中，或者将试剂用四氯化硅代替，在相对湿度60％RH，且环境温度为30℃的鼓风干燥箱中放置12～24小时后取出，经400～600℃热处理1～3小时，除去烟灰层及其他有机物，自然冷却备用。
3)、用疏水材料修饰SiO2纳米膜层，形成疏水层；
疏水材料选自烷基三氯硅烷(Cl3Si(CH2)nCH3，n＝8～16)类化学试剂。将样品浸泡在3～10mmol烷基三氯硅烷甲苯溶液中15～60分钟取出，乙醇溶液清洗，70～100℃下固定干燥5～10分钟，得到疏水的SiO2膜层。
4)、在疏水化的SiO2纳米膜层上覆盖光掩膜，经紫外光照射即在梯度SiO2纳米结构膜层表面得到图案尺寸和形貌与光掩膜一致的超亲水-疏水的微流体。
具体的，下面结合附图对本发明实施例进行具体举例说明：
实施例1：
步骤1、取普通的载玻片，将载玻片浸泡在食人鱼溶液(98％H2SO4和30％H2O2，按比例为3:1混合)中，放置在200℃的加热板上加热1小时，取出后分别用丙酮、乙醇、去离子水在室温下分别进行超声净化各10分钟，然后用氮气吹干。
步骤2、将清洗好的载玻片倾斜45°放置在蜡烛火焰上方0.5cm处5秒钟，即得到具有梯度的多孔网状的烟灰结构。
步骤3、将得到的样品与两个分别乘有4mL正硅酸乙酯和4mL氨水的容器一起放置在密闭干燥器中，在相对湿度60％RH，且环境温度为30℃的鼓风干燥箱中放置24小时，正硅酸乙酯和氨水发生水解作用，生成的SiO2包覆在烟灰颗粒外，形成20～30nm厚的SiO2外壳。
步骤4、把得到的样品放在600℃马弗炉中加热2小时，自然冷却，即得到具有梯度的多孔网状的SiO2纳米结构膜层。
步骤5、将具有SiO2结构的基底浸泡在10mmol的OTS的甲苯溶液中1小时。取出后用乙醇溶液清洗，80℃下固定干燥5分钟，即得到疏水的SiO2膜层。
步骤6、以纸为光掩膜紧贴在OTS修饰的SiO2膜层表面，400W的高压汞灯作为紫外光源，工作距离为15厘米(9.5mW/cm2)，光辐射3小时。得到图案尺寸和形貌与光掩膜一致的超亲水-疏水的微流体通道。超亲水-疏水微流体通道宽度分别设置为100μm，250μm，500μm，750μm，1000μm。
如图1所示的即为利用上述方法获得的梯度SiO2正面和侧面的扫描电子显微镜(SEM)图。而图2是本发明实施案例1所得到的梯度SiO2表面，不同位置的SiO2厚度曲线。图3是本发明实施案例1所得到的疏水的梯度SiO2表面，不同位置的接触角曲线。图4是本发明实施案例1中采用十八烷基三氯硅烷(OTS)修饰的SiO2表面紫外处理区域与未处理区域的浸润性对比图。图5a-图5e为SiO2梯度表面微流体通道(宽度100μm，250μm，500μm，750μm，1000μm)中，不同体积的液滴沿着梯度方向(薄到厚)，在铺展过程中的接触角变化曲线。从图5中可以看出当通道宽度窄时，液滴体积大，流体的铺展受到限制；通道过于宽，又会造成药品试剂的浪费，所以在检测中应当选择合适的微流体通道宽度以及药品试剂的体积。图6为梯度SiO2表面微流体通道a)与无梯度SiO2表面微流体通道b)以及OTS修饰的载玻片表面微流体通道c)之间的对比图(通道宽度均为500μm)。将水滴滴在整个通道长度的中间位置，与其他两者相比，梯度SiO2表面制备的微流体通道中，液滴铺展速度快，并且明显向梯度厚的方向驱动。说明在具有梯度的多孔网状SiO2基底上，毛细力沿着梯度方向(薄到厚)逐渐增强。
实施例2
实施例2与实施例1的只有步骤3中生成SiO2外壳的方法不同。实施例2中是：将得到的烟灰层基底与100μL四氯化硅溶液一起密闭放置在培养皿中，在相对湿度60％RH，且环境温度为30℃的鼓风干燥箱中放置12小时。
其他制备方法同实施例1，也可以在SiO2膜层表面形成超亲水-疏水微流体通道。
实施例3：
实施例3与实施例1的只有步骤6中得到图案尺寸和形貌与光掩膜一致的超亲水-疏水的微流体通道的方法不同。
实施例3中，是将具有三通道图案的掩膜紧贴在OTS修饰的SiO2梯度膜层表面，从而得到图案尺寸和形貌与光掩膜一致的超亲水-疏水的微流体通道。其他制备方法同实施例1，可以在SiO2膜层表面形成超亲水-疏水微流体三通道，在这样的微流体中可以同时完成蛋白质、葡萄糖、pH的检测。
图7为SiO2梯度表面超亲水-疏水微流体三通道检测蛋白质、葡萄糖、pH的图片。当蛋白质、葡萄糖的混合溶液由样品区域流向检测区域(即沿着梯度方向，由薄到厚方向)时，在检测区域会分别检测出蛋白质、葡萄糖以及pH值。(蛋白质与四溴酚蓝反应显示蓝色，葡萄糖与葡萄糖氧化酶反应显示黄棕色，当pH值约等于8时，溴麝香草酚蓝显示淡蓝色。)
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的中高级技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰是在我们发明上的必然前展结果，也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于超亲水-疏水特性的梯度二氧化硅表面微流体系统的构筑方法，其特征在于，包括：
步骤1、在载体表面形成具有梯度的烟灰层；
步骤2、在所述具有梯度的烟灰层表面形成SiO2纳米膜层；
步骤3、利用疏水材料对SiO2纳米膜层进行修饰以形成疏水化的SiO2纳米膜层；
步骤4、在所述疏水化的SiO2纳米膜层上覆盖光掩膜，经紫外光照射即在SiO2纳米膜层表面以形成超亲水-疏水的微流体。
2.根据权利要求1所述基于超亲水-疏水特性的梯度二氧化硅表面微流体系统的构筑方法，其特征在于，所述步骤1之前还包括：
对载体表面进行清洗并用氮气吹干。
3.根据权利要求1所述基于超亲水-疏水特性的梯度二氧化硅表面微流体系统的构筑方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
将载体倾斜15°～60°放置在蜡烛火焰上方0.5cm处2～6秒，以在所述载体表面形成烟灰层。
4.根据权利要求1所述基于超亲水-疏水特性的梯度二氧化硅表面微流体系统的构筑方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
将盛有试剂的容器与步骤1得到的样品一起放置在密闭干燥器中，在相对湿度为60％RH且环境温度为30℃的鼓风干燥箱中进行水解，利用化学气相沉积的方法，在所述具有梯度的烟灰层表面形成SiO2纳米膜层；其中所述试剂为分别盛有相同体积的正硅酸乙酯和氨水的两个容器，或盛有四氯化硅的容器。
5.根据权利要求1所述基于超亲水-疏水特性的梯度二氧化硅表面微流体系统的构筑方法，其特征在于，所述步骤2与步骤3之间还包括：
对载体经400～600℃热处理1～3小时后冷却。
6.根据权利要求1所述基于超亲水-疏水特性的梯度二氧化硅表面微流体系统的构筑方法，其特征在于，所述疏水材料为Cl3Si(CH2)nCH3，其中n＝8 至16。
7.根据权利要求6所述基于超亲水-疏水特性的梯度二氧化硅表面微流体系统的构筑方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
将载体在3～10mmol的疏水材料中浸泡15～60分钟后取出，利用乙醇溶液清洗，并70～100℃下固定干燥5～10分钟，得到所述疏水化的SiO2纳米膜层。
8.根据权利要求1所述基于超亲水-疏水特性的梯度二氧化硅表面微流体系统的构筑方法，其特征在于，所述光掩膜为纸或塑料膜，且通过激光刻蚀得到图案，超亲水-疏水微流体通道宽度设置为100～1000μm。
9.根据权利要求1所述基于超亲水-疏水特性的梯度二氧化硅表面微流体系统的构筑方法，其特征在于，其中载体由玻璃、石英、硅、陶瓷或金属形成。
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