CN111135881B - 基于液-液层流界面分子扩散层内物质相互作用的化学笔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对样品表面进行微纳米级别化学修饰的装置。其包括化学笔对准装置及样品操控台；通过调整所述化学笔的结构及工作方式，化学笔在特定液体液面下形成丰富多样的层流图案，处在不同液流中的反应物仅能在微小的分子扩散区内相互接触并发生反应。将分子扩散区覆盖在待处理样品表面的特定位置，即可对样品表面微小区域进行化学修饰。通过精细调控电控载物台及XYZ位置控制平台移动样品或化学笔，可以实现样品不同位置的微纳米级别分辨率的修饰，从而画出所需图案。本发明利用层流间微小扩散区内的化学反应对于样品进行高精度处理，能够在样品表面画出微纳米分辨的修饰图案，从而为微纳流控芯片制造等领域的发展提供有力技术支撑。

Description

基于液-液层流界面分子扩散层内物质相互作用的化学笔

技术领域

本发明属于芯片领域，具体涉及样品精细修饰领域，特别是涉及一种基于液-液层流界面分子扩散层内物质相互作用的化学笔。

背景技术

微流控芯片中的多股同相(如水相)的液流在汇聚时通常会形成层流，处在不同液流中的分子只能通过扩散作用进行相互混合。这种扩散主要取决于分子在溶液中的扩散系数及扩散时间，当扩散时间较短时，分子扩散层的厚度通常能被控制在微米尺度。处于形成层流的两股液流中的分子只能在扩散层中进行化学反应，具有较高的空间选择性，可以通过沉淀反应形成微米线等独特的结构。当反应物所处液流并不直接接触时，反应物分子只能经过一定距离的扩散后才能接触并发生反应，此时的分子扩散反应区可以控制在纳米尺度。

然而目前这种层流间分子扩散层内的化学反应通常仅仅局限于芯片内，这极大地的限制了它的应用。如若能发展微流控探针，使层流形成于开放环境中，使分子扩散层能够与外部样品相接触，形成扩散层内的多组分高空间选择性的反应，将对于样品的高精度修饰有着极为重要的意义，能够应用于微纳流控芯片图案的制造等重要领域。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种对样品表面进行微纳米级别化学修饰的装置，其能将包含反应物的扩散层定向限制在样品表面特定的微小区域上，从而实现对样品的高精度修饰。

本发明提供的对样品表面进行微纳米级别化学修饰的装置，其中，所述装置包括化学笔对准装置、样品操控台和流动注射泵；

所述化学笔对准装置包括化学笔和XYZ位置控制平台；所述化学笔固定于所述XYZ位置控制平台上，以便于其在三维方向上的运动；

所述样品操控台包括电控载物台、敞口容器和显微镜物镜；

所述敞口容器放置于所述电控载物台上；

所述电控载物台下方配备有用于观察定位的所述显微镜物镜；

所述化学笔对准装置悬于所述样品操控台上方；

所述化学笔由所述流动注射泵驱动；

所述流动注射泵能够驱动所述化学笔内流体的运动；

启动所述流动注射泵，所述化学笔出口处能够形成稳定的层流分布。

上述装置中，所述化学笔为一系列微流控探针；具体为开放式微流控探针。该探针的出口排列成一定图案，通过调整通道的溶液注入/抽出速度来在所述待处理样品表面形成稳定的层流分布。

构成所述化学笔的材质选自玻璃和PDMS中至少一种。

所述化学笔出口所排成的图案丰富多样，包括但不限于正方四通道型和三角三通道型。其中所述正方四通道型所形成的为直接接触式反应物层流，适用于样品表面微米及亚微米级别的化学修饰。所述三角三通道型所形成的为间接接触式反应物层流，适用于样品表面纳米级别的化学修饰。复杂多组分反应仅需丰富化学笔笔尖通道图案即可实现(如实施例中所列举的三角四通道型和正方五通道型)。

所述化学笔化学反应丰富可调，包括但不限于沉淀反应、样品表面微区化学改性等，能够为新型的微纳流控装置的制造等领域提供有力技术支撑。

所述对样品表面进行微纳米级别化学修饰的装置还包括温度控制器；

所述温度控制器设置在所述电控载物台上，其上放置所述敞口容器。

所述流动注射泵的个数可为若干个。

上述本发明提供的对样品表面进行微纳米级别化学修饰的装置在对样品表面进行微纳米级别化学修饰中的应用，也属于本发明的保护范围。

本发明提供的利用所述对样品表面进行微纳米级别化学修饰的装置对样品表面进行微纳米级别化学修饰的方法，包括：

1)将待处理样品放置于装有特定液体的所述敞口容器中，并浸没于液面下方；

在所述显微镜物镜的观察下，移动所述电控载物台，将待处理样品移动到合适位置；打开所述温度控制器至所需温度；

2)通过调整所述XYZ位置控制平台使得所述化学笔垂直浸没在所述特定液体液面下方，对准所述待处理样品表面要处理的位置，并确保所述化学笔的笔尖与所述样品待处理样品表面的间距合适；

3)打开所述流动注射泵，驱动所述化学笔内的液体流动并通过微调流速促使所述化学笔的出口处形成稳定的层流后，降低所述化学笔的位置，处于分子扩散层中的反应物将与所接触的所述待处理样品表面反应，实现对所述待处理样品指定位置的微纳米级别化学修饰。

上述方法中，所述特定液体与所述流动注射泵中驱动的所述化学笔内的液体为同相液体(如水溶液)，所述特定液体与注入液体的具体成分可根据具体需求进行调整。

所述流动注射泵为商用流动注射泵，用以驱动所述化学笔内流体的运动。

本发明提供的对样品表面进行微纳米级别化学修饰的装置，该装置包括化学笔对准装置及样品操控台及流动注射泵；待处理样品置于所述样品操控台上，化学笔对准装置悬于操控台上方，化学笔由流动泵驱动；启动所述流动泵，化学笔出口处将形成层流界面，。通过化学笔对准装置及所述样品操控台的精准移动，造成所述待处理样品与化学笔的相对运动，从而在使得化学笔能在所述待处理样品上画出所需的图案。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明可以通过调整化学笔笔尖通道图案、流体成分及流体流速等因素，方便地控制分子扩散反应区的大小及反应类型，从而能够自如地对样品表面进行微纳米尺度的修饰。

2、本发明采用非接触式化学笔，仅依靠所形成的液流接触样品，从而很大程度上避免了对样品的机械损害。

3、本发明采用非接触式化学笔，其所形成的分子扩散层反应区可以远小于通道本身尺寸，因而可以在毫微米级的化学笔笔尖制作工艺上实现微纳米分辨率的样品表面化学修饰。

4、本发明能够利用沉淀反应(如银镜反应)在基板表面画出具有不同长宽高的纳米线，从而可用来制作微流控通道的模板，有望替代目前极度依赖进口光刻胶的软光刻技术，促进我国芯片事业发展。

5、本发明能够利用基质的表面化学改性，可在基质表面画出微纳米分辨率的亲/疏水图案，从而为高精度液体壁式微流控系统的制作(如水溶液通道外覆盖着油相外壁，油相当于传统的PDMS等固体材质)提供技术保证，带来微流控技术的根本性革新。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的正方四通道型化学笔及底部扩散层示意图。

图3为本发明的三角三通道型化学笔及底部扩散层示意图。

图4为本发明的多组分反应化学笔及底部扩散层示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供对样品表面进行微纳米级别化学修饰的装置，其包括样品操控台1、化学笔对准装置2及流动注射泵(图中未示出)。样品操控台1上设置有化学笔对准装置2，样品在样品操控台1上被原位修饰。

所述样品操控台1包括电控载物台3、温度控制器4、敞口容器5、特定液体6、待处理样品7、显微镜物镜9。电控载物台3上设置有温度控制器4，温度控制器4上放置装有特定液体6的敞口容器5。待处理样品7放在敞口容器5中，浸没于特定液体6液面下。电控载物台3下设置有显微镜物镜9，用以观察和记录样品的修饰过程。

上述各实施例中，如图1所示，化学笔对准装置2包括化学笔8、XYZ位置控制平台图中未示出)。化学笔8固定在XYZ位置控制平台上，调整位置使得化学笔笔尖移动到所需位置。化学笔8与多个流动注射泵(图中未示出)相连接，以此来驱动化学笔内的流体。

在一个优选的实施例中，电控载物台可以精准地以任意速度进行位置移动，造成化学笔笔尖和样品在XY方向上的位移，从而使得化学笔能对样品的不同位置进行高度可控化的修饰。

在一个优选的实施例中，如图2所示，化学笔8由玻璃管制成，底部经玻璃拉伸工艺形成正方四通道型笔尖，处于对角的两通道注入溶液其余两通道抽出溶液。所注入的两种反应物溶液A和B形成直接接触式层流，层流界面产生化学反应。分子扩散层性质可通过流速及溶液性质进行调整，扩散层可与所接触的局部样品表面产生反应，完成微米及亚微米级别的修饰。

在一个优选的实施例中，如图3所示，化学笔8由玻璃管制成，底部经玻璃拉伸工艺形成三角三通道型笔尖，相邻两通道注入溶液其余一个通道抽出溶液。所注入的两种反应物溶液A和B形成间接接触式层流，A与B扩散层所交汇的位置产生化学反应。分子扩散层性质可通过流速及溶液性质进行调整，扩散层可与所接触的局部样品表面产生反应，完成纳米级别的修饰。

在一个优选的实施例中，如图4所示，化学笔8的笔尖图案可以为三角四通道型和正方五通道型。各种反应物扩散层交汇的微区内产生多组分化学反应，可以对样品表面维纳尺度的区域进行复杂修饰。

本发明提供的利用对样品表面进行微纳米级别化学修饰的装置对样品表面进行微纳米级别化学修饰的方法，包括：

1)将待处理样品7放置在敞口容器5中，浸没于特定液体6液面下。在显微镜物镜9的观察下，移动电控载物台3，将待处理样品7移动到合适位置。打开温度控制器4调至所需温度。

2)通过调节XYZ位置控制平台(图中未示出)将化学笔8垂直浸没于特定液体6液面下，对准待处理样品7的所要处理的位置，并保证笔尖与样品的间距较大。

3)打开流动注射泵(图中未示出)，驱动化学笔8内的溶液流动。通过微调流速促使化学笔8出口处形成稳定的预期层流。降低化学笔8的位置，使之与样品间距调整到工作状态的大小(通常为几十微米)，开始对样品指定位置进行化学修饰。

4)精细操控电控载物台3，使之按需求移动待处理样品7，从而促使样品不同位置可以受到化学笔的修饰，形成所需图案。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (12)

1.一种对样品表面进行微纳米级别化学修饰的装置，其特征在于：所述装置包括化学笔对准装置、样品操控台和流动注射泵；

所述化学笔对准装置包括化学笔和XYZ位置控制平台；所述化学笔固定于所述XYZ位置控制平台上，以便于其在三维方向上的运动；

所述样品操控台包括电控载物台、敞口容器和显微镜物镜；

所述敞口容器放置于所述电控载物台上；

所述电控载物台下方配备有用于观察定位的所述显微镜物镜；

所述化学笔对准装置悬于所述样品操控台上方；

所述化学笔由所述流动注射泵驱动；

所述流动注射泵能够驱动所述化学笔内流体的运动；

启动所述流动注射泵，所述化学笔出口处能够形成稳定的层流分布。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述化学笔为微流控探针。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述 微流控探针为开放式微流控探针。

4.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于：构成所述化学笔的材质选自玻璃和PDMS中至少一种。

5.根据权利要求1-3任一所述的装置，其特征在于：所述化学笔的出口形成的层流为反应物层流。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述反应物层流为直接接触式或间接接触式反应物层流。

7.根据权利要求1-3任一所述的装置，其特征在于：所述化学笔的出口能够排列形成图案。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述图案为三角三通道型、正方四通道型和正方五通道型中至少一种。

9.根据权利要求1-3任一所述的装置，其特征在于：所述对样品表面进行微纳米级别化学修饰的装置还包括温度控制器；

所述温度控制器设置在所述电控载物台上，其上放置所述敞口容器。

10.权利要求1-3任一所述对样品表面进行微纳米级别化学修饰的装置在对样品表面进行微纳米级别化学修饰中的应用。

11.一种利用权利要求9所述对样品表面进行微纳米级别化学修饰的装置对样品表面进行微纳米级别化学修饰的方法，包括：

1)将待处理样品放置于装有特定液体的所述敞口容器中，并浸没于液面下方；

在所述显微镜物镜的观察下，移动所述电控载物台，将待处理样品移动到合适位置；打开所述温度控制器至所需温度；

2)通过调整所述XYZ位置控制平台使得所述化学笔垂直浸没在所述特定液体液面下方，对准所述待处理样品表面要处理的位置，并确保所述化学笔的笔尖与所述待处理样品表面的间距合适；

3)打开所述流动注射泵，驱动所述化学笔内的液体流动并通过微调流速促使所述化学笔的出口处形成稳定的层流后，降低所述化学笔的位置，处于分子扩散层中的反应物将与所接触的所述待处理样品表面反应，实现对所述待处理样品指定位置的微纳米级别化学修饰。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述特定液体与所述流动注射泵中驱动的所述化学笔内的液体为同相液体。

Images