CN110898865A - 一种新型通用无泵定向输运液体表面及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种新型通用无泵定向输运液体表面及其制备方法，属于微流体系统领域。本发明的基底材料表面上设置有超疏液涂层，在具有梯形或者串联梯形图案的掩模板覆盖下用紫外线照射涂层，紫外线可以穿过掩模板的梯形区域涂层由超疏液状态转变为超亲液状态。超疏液涂层和由该涂层经紫外线照射后转化的梯形超亲液区域共同构成无泵定向输运液体表面。在梯形窄端滴加液体时，液体会在表面张力作用下自发输送到梯形宽度。本发明的表面由于无需微通道、泵、阀门、分选机或混合器等部件，从而可以消除气泡堵塞，最大限度的减少样品之间的交叉污染；同时，无需外界能量且可适用于任何材料，因此，该表面可广泛应用于数字微流控、生物制药等领域。

Description

一种新型通用无泵定向输运液体表面及其制备方法
技术领域
本发明属于微流体系统领域，具体是一种新型通用无泵定向输运液体表面及其制备方法。
背景技术
随着生物医学领域的不断进步，微流控技术在临床诊断、体外模型等方面发挥着越来越重要的作用。开放的微流体系统无需微通道、泵、阀门、分选机或混合器等部件，从而可以消除气泡堵塞，最大限度的减少样品之间的交叉污染。然而，在使用开放的微流体系统时，以受控的方式实现常规的微流体任务，例如，样品绘制、计量、合并和分配仍然是一个挑战。
传统的离散开放微流体控制主要通过电润湿介质、光电润湿、磁力、声振动等实现的。上述润湿驱动液滴移动需要持续的能量供应或特殊的基底材料，限制了离散微流体控制的快速发展。
因此，急需一种既可以实现无能源消耗，又能适用于任何材料的微流体控制系统的制备方法；制备一种新型通用无泵定向输运液体表面，具有及其重要的现实意义。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种新型通用无泵定向输运液体表面及其制备方法，本发明通过在基底材料表面上设置有超疏液涂层，在掩模板覆盖下用紫外线照射涂层，紫外线可以穿过掩模板的区域涂层由超疏液状态转变为超亲液状态，其它紫外线无法穿过的区域仍呈超疏水状态，超疏液涂层和由该涂层经紫外线照射后转化的梯形超亲液区域共同构成无泵定向输运液体表面；本发明的新型通用无泵定向输运液体表面能够实现在任何基底材料上无需外力实现液体的定向输送。
本发明是这样实现的：
一种新型通用无泵定向输运液体表面的制备方法，其特征在于，所述的方法具体如下：
步骤一、制备水性悬液，首先制备含光敏粒子和丙烯酸聚合物水性悬液：先将光敏粒子加入乙醇中，其中，光敏粒子的质量分数在5%～15%；将上述光敏粒子和乙醇的混合溶液进行超声波破碎仪搅拌；然后再将丙烯酸聚合物与水混合，配置质量分数为10%～40%的PMC溶液，并跟上述光敏粒子和乙醇的水性悬液混合，在室温下搅拌均匀，形成水性悬液；
步骤二、用喷枪将步骤一中制备的水性悬液喷涂在基底材料表面：喷枪在200kpa～400kpa压力下均匀喷涂在基底材料表面；再将基底材料置于60～70℃恒温炉中加热4～6小时；
步骤三、利用掩模板覆盖下，用紫外线照射步骤二中带有涂层的基底材料。所述的掩模板中，紫外线能够透过区域为梯形或者串联梯形，掩模版的作用是覆盖住不期望被曝光的部分，使得仅梯形或者串联梯形部分被紫外线照射。本发明紫外线能够透过区域仅能为梯形或者串联梯形，在此形状作用下，结合液体的表面张力，才能实现液体的运输。因此，只有在梯形或者串联形状下才能生效。
在梯形窄端滴加液体的条件下，液体会在拉普拉斯力的作用下迅速自发地流向梯形较宽一侧；通过调节超亲液的梯形区域所占面积比以及梯形尺寸参数，可以优化液体流动的速度。
进一步，所述的光敏粒子特征尺寸在30μm～400μm。光敏粒子如TiO2、ZnO等，且所述的光敏粒子具有良好的光催化作用。
进一步，所述的掩模板为紫外线能够透过区域呈单个梯形或者串联梯形，其余部分光线无法透过；或采用透明胶片，单个梯形或者串联梯形区域透明，光线可以透过，其余部分涂黑，使光线无法透过。
进一步，所述的步骤三为在390nm的紫外线下照射基底材料30～60分钟。
利用上述的制备方法得到的新型通用无泵定向输运液体表面，所述的无泵定向输运液体表面中：紫外线可以透过掩模板的区域由超疏液转变为超亲液状态，其他紫外线无法穿过的照射区域仍呈超疏液状态；超疏液涂层和经紫外线照射后转化的梯形超亲液区域共同构成无泵定向输运液体表面。
进一步，所述的无泵定向输运液体表面中：紫外线能够透过区域呈梯形，表面梯形形状为单一梯形或串联梯形；其中单一梯形的楔角在1～10°，长度在5～80mm，窄边宽度在1μm～8mm；相互串联的梯形窄边与宽边相接触，梯形的楔角在1～8°，长度在5～30mm，窄边宽度在1μm～6mm，串联个数为2～8个。
进一步，所述的超亲液区域的面积占超疏液涂层总面积的5~50%。
本发明与现有技术的有益效果在于：
本发明液体是在表面张力作用下，由于楔形形状特点使得液滴前后产生了不同的拉普拉斯压差，液体在拉普拉斯压差下移动，从而实现了液体的自运输。因此，该发明中液体的自输送是在不需要外界能量输送作用下完成的；其次，该发明由于无需微通道、泵、阀门等，因此可以消除气泡堵塞，减少样品间的交叉感染；最后，该发明的涂层由于适用于几乎任何基底材料，因此可以最大限度地节约成本。
本发明的新型通用无泵定向输运液体表面无需微通道、泵、阀门、分选机或混合器等部件，从而消除气泡堵塞，最大限度的减少样品之间的交叉污染；同时，无需外界能量且可适用于任何材料，因此，该表面可广泛应用于数字微流控、生物制药等领域。
附图说明
图1为本发明的新型通用无泵定向输运液体表面的制备示意图；
图2为本发明的新型通用无泵定向输运液体表面液滴的输运状态示意图；
图3为本发明的新型通用无泵定向输运液体表面为串联梯形的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，制备新型通用无泵定向输运液体表面的制备方法为：首先在基底材料上喷射超疏液涂层，再在具有梯形形状的掩模板覆盖下紫外线照射。对于超疏液涂层，上述紫外线可以透过掩模板的梯形区域照射到涂层上后，涂层相应的梯形区域由超疏液转变为超亲液状态，其余紫外线无法穿过的区域仍呈超疏液状态，由此构成无泵定向输运液体表面。本发明提供了上述技术方案所述新型通用无泵定向输运液体表面或上述技术方案所述制备方法制备得到的新型通用无泵定向输运液体表面在任何基底材料的应用。
为达到上述目的，本发明是通过以下方式得到无泵定向输运液体表面，首先在刀具表面喷涂超疏液涂层，然后在掩模板覆盖下用紫外线照射上述带有疏液层的基底材料。具体的制备方法如下：
步骤一、首先制备含光敏粒子（如TiO2、ZnO等）和PMC高聚物水性悬液。先将光敏粒子（如TiO2、ZnO等）加入乙醇中，其中，光敏粒子的质量分数在5%～15%，将上述光敏粒子和乙醇的混合溶液进行超声波破碎仪搅拌；然后配置质量分数为10%～40%的PMC溶液并跟上述光敏粒子和乙醇的水性悬液混合，在室温下搅拌均匀；
步骤二、用喷枪在200kpa～400kpa压力下均匀喷涂在基底材料表面；将上述基底材料置于60～70℃恒温炉中加热4～6小时；
（4）利用掩模板，将掩模板设置成紫外线能够透过区域呈梯形，其余部分光线无法透过用。或者激光打印机在透明胶片上将紫外线能够透过梯形区域以外的部分涂黑，在390nm的紫外线下照射30～60分钟。本发明中通过调节超亲液的梯形区域占疏液表面面积比例以及梯形数目、尺寸参数，可以优化液体流动的速度。
图1为本发明的无泵定向输运液体表面制备示意图。图2为本发明的新型通用无泵定向输运液体表面液滴的输运状态示意图，在梯形窄侧滴加液体的条件下，液体迅速自发地流向梯形较宽一侧。这种新型通用无泵定向输运液体表面制备方法分为两步，首先在基底材料表面喷涂疏液层，在具有梯形形状的模板的覆盖下，用紫外线选择性照射带有涂层的基底材料，使该区域转化为超亲液状态。图3为本发明的新型通用无泵定向输运液体表面为串联梯形的示意图。以下通过具体的实例进行叙述。
实施例1
所用材料为铝板，在基底材料表面喷涂疏液层，在设置有光线能够穿过的梯形形状的掩膜覆盖下，用紫外线选择性照射带有涂层的基底材料，使被照射区域由超疏水转化为超亲水。具体步骤如下：
（1）首先制备TiO2+PMC高聚物水性悬液。先将3g的TiO2加入28g乙醇中，再使用超声波破碎仪搅拌，频率设置为20kHz，功率设置为750W。然后将2.5g的PMC溶液加入水中，配置质量分数为20%的PMC溶液，并跟上述TiO2+乙醇悬浮液混合，在室温下搅拌均匀，形成稳定的分散体；
（2）用喷枪在300kpa压力下均匀喷涂在刀具表面；
（3）将上述刀具置于60℃恒温炉中加热4小时；
（4）用激光打印机在透明胶片上将紫外线能够透过区域梯形区域打印出负胶，在390nm的紫外线照射30分钟。
实施例2
所用材料为纸片，在基底材料表面喷涂疏液层，在设置有光线能够穿过的梯形形状的掩模板覆盖下，用紫外线选择性照射带有涂层的基底材料，使被照射区域由超疏水转化为超亲水。具体步骤如下：
（1）首先制备ZnO+PMC高聚物水性悬液。先将5g的ZnO加入30g乙醇中，再使用超声波破碎仪搅拌，频率设置为25kHz，功率设置为750W。然后将3g的PMC溶液加入水中，配置质量分数为25%的PMC溶液，并跟上述TiO2+乙醇悬浮液混合，在室温下搅拌均匀，形成稳定的分散体；
（2）用喷枪在280kpa压力下均匀喷涂在刀具表面；
（3）将上述刀具置于60℃恒温炉中加热3小时；
（4）用激光打印机在透明胶片上将紫外线能够透过区域梯形区域打印出负胶，在390nm的紫外线照射30分钟。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种新型通用无泵定向输运液体表面的制备方法，其特征在于，所述的方法具体如下：
步骤一、制备水性悬液，首先制备含光敏粒子和丙烯酸聚合物水性悬液：先将光敏粒子加入乙醇中，其中，光敏粒子的质量分数在5%～15%；将上述光敏粒子和乙醇的混合溶液进行超声波破碎仪搅拌；然后再将丙烯酸聚合物与水混合，配置质量分数为10%～40%的PMC溶液，并跟上述光敏粒子和乙醇的水性悬液混合，在室温下搅拌均匀，形成水性悬液；
步骤二、用喷枪将步骤一中制备的水性悬液喷涂在基底材料表面：喷枪在200kpa～400kpa压力下均匀喷涂在基底材料表面；再将基底材料置于60～70℃恒温炉中加热4～6小时；
步骤三、利用掩模板覆盖下，用紫外线照射步骤二中带有涂层的基底材料；所述的掩模板中，紫外线能够透过区域为梯形或者串联梯形。
2.根据权利要求1所述的一种新型通用无泵定向输运液体表面的制备方法，其特征在于，所述的光敏粒子特征尺寸在30μm～400μm。
3.根据权利要求1所述的一种新型通用无泵定向输运液体表面的制备方法，其特征在于，所述的掩模板为紫外线能够透过区域呈单个梯形或者串联梯形，其余部分光线无法透过；或采用透明胶片，单个梯形或者串联梯形区域透明，光线可以透过，其余部分涂黑，使光线无法透过。
4.根据权利要求1所述的一种新型通用无泵定向输运液体表面的制备方法，其特征在于，所述的步骤三为在390nm的紫外线下照射基底材料30～60分钟。
5.一种利用权利要求1~4任一所述的新型通用无泵定向输运液体表面的制备方法得到的新型通用无泵定向输运液体表面。
6.根据权利要求5所述的一种新型通用无泵定向输运液体表面，其特征在于，所述的无泵定向输运液体表面中：紫外线可以透过掩模板的区域由超疏液转变为超亲液状态，其他紫外线无法穿过的照射区域仍呈超疏液状态；超疏液涂层和经紫外线照射后转化的梯形超亲液区域共同构成无泵定向输运液体表面。
7.根据权利要求5所述的一种新型通用无泵定向输运液体表面，其特征在于，所述的无泵定向输运液体表面中：紫外线能够透过区域呈梯形，表面梯形形状为单一梯形或串联梯形；其中单一梯形的楔角在1～10°，长度在5～80mm，窄边宽度在1μm～8mm；相互串联的梯形窄边与宽边相接触，梯形的楔角在1～8°，长度在5～30mm，窄边宽度在1μm～6mm，串联个数为2～8个。
8.根据权利要求5所述的一种新型通用无泵定向输运液体表面，其特征在于，所述的超亲液区域的面积占超疏液涂层总面积的5~50%。
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