CN110215942A - 基于梯度效应的特殊浸润表面液滴定向输运方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于梯度效应的特殊浸润表面的液滴定向输运方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、在固体基底材料上制备超疏水表面；步骤二、在步骤一制备的超疏水表面构建液滴输运轨道，所述液滴输运轨道为具有梯度效应的亲水或超亲水沟道，沟道深度沿着轨道方向从浅到深梯度变化；步骤三、在步骤二构建的液滴输运轨道上进行液滴定向输运，液滴的定向输运力由液滴沿着沟道梯度方向的重力分量和毛细力提供。本发明的方法简单且有效，所制备的输运轨道具有梯度效应，液滴沿着从浅到深的轨道通过重力和毛细力实现液滴定向输运，不需要额外提供动力，减少了液滴定向输运过程中的能量消耗。

Description

基于梯度效应的特殊浸润表面液滴定向输运方法
技术领域
本发明属于微流控系统中的液体控制技术领域，涉及一种液滴定向输运方法，具体涉及一种基于梯度效应的特殊浸润表面的液滴定向输运方法。
背景技术
由于微流控芯片技术具有快速、高效、精确以及微型化等技术特点，在生物技术、化学分析、环境保护等诸多领域有着巨大的应用前景，所以有必要在各个领域中对微流控芯片技术深入研究，实现该领域科学技术的突破性的发展。在微流控芯片的众多制备技术中，液滴的定向输运是实现其他功能的基础和前提。下面介绍几种应用于微流控系统中的液滴的定向输运方法(进样方法)：
第一种方法是压力进样，毛细管进样的轨道两端保持不同的压力，微轨道中的液体在不同的压力差下就能够流动；
第二种方法是电动进样，采用电场为驱动力将液滴从进样池迁移入分离沟道；
第三种方法是夹流进样，就是利用交叉通道，在通道的两端设置电压分布，将经过交叉口对离子区带进行箍压，使之变窄，从而防止进样时样本泄露入分离沟道中。
通过以上液滴定向输运技术的总结，发现现有方法仍存在一些问题：液滴输运方法笨重，可输送液滴的体积范围过小；需要对液滴施加额外的能量或作用力时才能实现输运。所以，研究出无需外力或外部能量就能使液滴发生输运的技术具有很大的意义。
发明内容
为了解决现有方法存在的上述问题，本发明提供了一种基于梯度效应的特殊浸润表面的液滴定向输运方法。该方法简单且有效，所制备的输运轨道具有梯度效应，液滴沿着从浅到深的轨道通过重力和毛细力实现液滴定向输运，不需要额外提供动力，减少了液滴定向输运过程中的能量消耗。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于梯度效应的特殊浸润表面的液滴定向输运方法，包括如下步骤：
步骤一、在固体基底材料上制备超疏水表面；
步骤二、在步骤一制备的超疏水表面构建液滴输运轨道；
步骤三、在步骤二构建的液滴输运轨道上进行液滴定向输运，液滴的定向输运力由液滴沿着沟道梯度方向的重力分量和毛细力提供。
本发明中，所述固体基底材料为硅片、铝合金、PMMA、PDMS等中的一种。
本发明中，所述制备超疏水表面的方法为物理方法、化学方法或两种方法的混合。
本发明中，所述构建液滴输运轨道的方法包括紫外激光精细加工、车床加工和化学腐蚀等方法中的一种或几种方法的组合。
本发明中，所述液滴输运轨道的横截面可以为矩形、梯形、半圆形等任意形状中的一种或几种的组合。
本发明中，所述液滴输运轨道为具有梯度效应的亲水或超亲水沟道；沟道深度沿着轨道方向从浅到深梯度变化，沟道的宽度为20～800μm，深度为10～100μm；沟道的形状可以是直线型沟道，也可以是任意的曲线形沟道；可以在同一个基底上制备一条沟道，也可以是多条沟道；沟道可以交叉，也可以不交叉。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明在超疏水表面上制备超亲水轨道，利用梯度效应实现液滴的定向输运，制备方法简单，可以实现大面积制备；
2、本发明研究思路具有普适性，可以应用在多种基底上，如硅片、PMMA、PDMS等；
3、本发明所制备的输运轨道对于液滴在具有弯曲路径轨道上的控制能力更强，液滴在其上更不容易脱离轨道；
4、本发明所制备的具有几何梯度的输运轨道不需要额外的能量供给，减少了能量与设备的消耗。
附图说明
图1为具有梯度效应的超疏水-超亲水轨道模型图，图中：1-固体基底，2-超疏水表面，3-具有梯度效应的超亲水轨道，4-液滴；
图2为超疏水表面-超亲水输运轨道的制备流程图；
图3为圆形超疏水表面-超亲水输运轨道；
图4为超疏水表面-超亲水轨道的表面形貌；
图5为液滴在圆形梯度超疏水表面-超亲水轨道上的运动情况；
图6为曲线型超疏水表面-超亲水输运轨道的液滴定向输运。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：
如图1所示，本实施例以铝合金为例，用化学腐蚀和阳极氧化方法制备超疏水表面；随后，利用紫外激光雕刻在超疏水表面上制备具有几何梯度的超亲水轨道。具体制备步骤如下：
一、分级微纳米结构超疏水表面的制备
(1)使用#800、#1200和#1500砂纸打磨30mm*50mm*2mm的长方体铝合金表面，去除氧化层；
(2)将打磨后的铝合金分别用无水乙醇溶液和去离子水超声振荡清洗10分钟，烘干；
(3)配置100mL、浓度为2.5mol/L的稀盐酸溶液，150mL、浓度为0.3mol/L的草酸溶液和100mL、质量分数为5wt％的稀磷酸溶液；
(4)将步骤(1)去除氧化层的铝合金放入步骤(3)配置的稀盐酸溶液中刻蚀8分钟，取出铝合金用去离子水清洗干净并烘干；
(5)用步骤(3)配置的草酸溶液作为电解液，步骤(4)刻蚀后的铝合金作为阳极，石墨作为阴极，外加30V直流电压，室温下在磁力搅拌器搅拌下刻蚀铝合金片10分钟，之后用去离子水清洗干净并烘干；
(6)将步骤(5)刻蚀后的铝合金放入步骤(3)配置的稀磷酸溶液中，在恒温水浴锅50℃条件下刻蚀16分钟进行扩孔处理，之后取出铝合金，用去离子水清洗干净并烘干；
(7)将步骤(6)刻蚀后的铝合金浸泡在质量分数为0.5％的氟硅烷乙醇溶液中，放置于冰箱中低温氟化1小时，取出后在恒温干燥箱中120℃条件下干燥半小时。
二、超亲水输运轨道的制备
如图2所示，超亲水输运轨道的具体制备步骤如下：
(1)利用CAD绘制出轨道半径为10mm和轨道宽度为100μm的圆形轨道，其轨道如图3所示。为了雕刻出具有深度梯度的输运轨道，需要在CAD软件中绘制多个图层，每个图层的图形形状根据输运轨道的梯度角度按比例缩小，保持图层位置在垂直方向上重叠；
(2)利用紫外激光精细微加工设备对每个图层的图形进行多次雕刻，在雕刻完一个图层之后，将光斑聚焦的水平位置向下移动一定的距离，即在参数上设置一定的进给距离，如此分层进位加工便能雕刻出具有深度梯度的输运轨道，该输运沟道的表面形貌图如图4所示。由图4可以看出，本实施例制备的超疏水表面为微纳二元复合结构，沟道具有超亲水特性；
(3)对具有梯度的圆形轨道进行液滴定向输运测试，其运动情况如图5所示。由图5可以看出，液滴可以沿着圆形轨道在重力和毛细力的作用下，沿着圆形轨道进行定向移动。
实施例2：
本实施例以不锈钢基底为例，将3cm×5cm的矩形不锈钢片采用800目砂纸进行均匀的打磨，然后用1700目砂纸进行均匀打磨。打磨后的不锈钢片分别用丙酮和乙醇溶液各超声清洗10分钟，并用去离子水清洗干净。然后将不锈钢在4mol/L的硝酸和4mol/L盐酸在1:1的比例下，腐蚀时间3h，可以得到较为规则的微米表面形貌，为了获得微纳协同的二元结构，使用0.05mol/L醋酸锌水溶液作为前驱体，通过多次提拉腐蚀后的不锈钢基底，生长ZnO种子层，生长种子层的不锈钢表面采用水热合成法制备了ZnO纳米线阵列。实验中采用硝酸锌(0.03mol/L)和六甲基四胺(0.025mol/L)按照体积比1：1比例混合配置100ml的生长液，在生长液中添加0.75g的PEI溶液，使用氨水调节PH＝8，在水浴条件88℃下生长8小时，即可完成不锈钢基底制备微纳协同的表面。将制备的微纳协同表面在质量分数为0.5％的氟硅烷乙醇溶液中，放置于冰箱中低温氟化1小时，取出后在恒温干燥箱中120℃条件下干燥半小时，即可获得超疏水表面，表面接触角约为165°，滚动角小于2°。将制备的不锈钢超疏水表面在车床上通过切削加工制备出具有梯度的超亲水沟道，沟道的宽度为200μm，深度100μm，形状如图6所示。由图6可以看出，将液滴释放在沟道上时，液滴可以在重力和毛细力的作用下沿着轨道定向移动。

Claims (9)

1.一种基于梯度效应的特殊浸润表面的液滴定向输运方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、在固体基底材料上制备超疏水表面；
步骤二、在步骤一制备的超疏水表面构建液滴输运轨道，所述液滴输运轨道为具有梯度效应的亲水或超亲水沟道，沟道深度沿着轨道方向从浅到深梯度变化；
步骤三、在步骤二构建的液滴输运轨道上进行液滴定向输运，液滴的定向输运力由液滴沿着沟道梯度方向的重力分量和毛细力提供。
2.根据权利要求1所述的基于梯度效应的特殊浸润表面的液滴定向输运方法，其特征在于所述固体基底材料为硅片、铝合金、PMMA、PDMS中的一种。
3.根据权利要求1所述的基于梯度效应的特殊浸润表面的液滴定向输运方法，其特征在于所述制备超疏水表面的方法为物理方法和化学方法中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的基于梯度效应的特殊浸润表面的液滴定向输运方法，其特征在于所述构建液滴输运轨道的方法包括紫外激光精细加工、车床加工和化学腐蚀方法中的一种或几种方法的组合。
5.根据权利要求1所述的基于梯度效应的特殊浸润表面的液滴定向输运方法，其特征在于所述液滴输运轨道的横截面为任意形状中的一种或几种的组合。
6.根据权利要求1所述的基于梯度效应的特殊浸润表面的液滴定向输运方法，其特征在于所述液沟道的宽度为20～800μm，深度为10～100μm。
7.根据权利要求1或6所述的基于梯度效应的特殊浸润表面的液滴定向输运方法，其特征在于所述沟道的形状为直线型沟道或任意的曲线形沟道。
8.根据权利要求1所述的基于梯度效应的特殊浸润表面的液滴定向输运方法，其特征在于所述固体基底材料上制备有一条沟道或多条沟道。
9.根据权利要求8所述的基于梯度效应的特殊浸润表面的液滴定向输运方法，其特征在于所述多条沟道之间相互交叉或不交叉。
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