CN111359683A - 无动力液滴输运的梯度微流体通道及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无动力液滴输运的梯度微流体通道及其制备方法。通过利用材料的微纳结构及浸润性调控来制备特殊浸润界面材料，从而构建具有超亲水‑疏水/超疏水二元界面的梯度微流体通道，其由窄向宽呈梯度变化，液体从窄端向宽端自发输运。本发明将特殊浸润性与梯度这两个作用同时集成于微通道，无需额外能量输入，可实现无动力流体输运。本发明的具有无动力液滴输运功能的梯度微流体通道提供了一种简单便捷、高效节能、经济环保的流体输运方法，为微流体调控、药物定向输送和微流控芯片的设计提供了新思路。

Description

无动力液滴输运的梯度微流体通道及其制备方法
技术领域
本发明属于微流控技术领域，涉及无动力液滴输运的梯度微流体通道及其制备方法。
背景技术
微流控技术，作为一种先进的微分析技术，在环境检测、食品安全、生化分析、高通量药物筛选、细胞测序等应用领域具有重要意义。微流体系统具有微型化、集成化的特征。微流体系统通过设计微阀、微泵等结构单元驱动流体在微通道中输运。然而，封闭式微流体系统中微通道易堵塞且难清除，常有气泡等问题，使微流控技术面临挑战。
开放型微流控界面，作为一门新兴的微流控技术，解决了界面堵塞和气泡的问题。开放型微流控界面，由于其结构简单，制备简便，流体操纵可接触，液滴操纵可控等优势，引起了人们的广泛兴趣。
近年来，基于开放型微流控界面发展了很多流体驱动的方法。例如，通过磁力、温度、电浸润、重力、声波等方式来驱动液滴输运。然而，这些流体的驱动常依赖于外界能量的输入，不仅产生能耗，而且使操作变得复杂，使应用受限。所以，迫切需要寻求一种简单有效、经济环保、低成本的无动力液滴输送方式。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种具有无动力液滴输运功能的梯度微流体通道及其制备方法，来解决目前流体输运中由于额外能量输入引起的能耗问题及带来的其他干扰。
本发明采用的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种无动力液滴输运的梯度微流体通道，其包含超亲水性的微流体通道，所述超亲水性的微流体通道周围为疏水/超疏水区域，所述超亲水性的微流体通道由所述疏水/超疏水区域限域，形成超亲水-疏水/超疏水二元界面；所述超亲水性的微流体通道由窄向宽呈梯度变化，使液体从窄端向宽端输运。
本发明的无动力液滴输运的梯度微流体通道，具有限域功能；微通道区域是超亲水的，通道周围由疏水/超疏水表面限域，流体只能在微通道中输运，避免试剂的扩散和浪费问题。
其中，“疏水/超疏水”表示疏水或超疏水。超亲水是指静态接触角小于10°，疏水是指静态接触角大于65°，超疏水是指静态接触角大于150°。
本发明的无动力液滴输运的梯度微流体通道，其通道由窄向宽梯度变化，液体沿着微通道从窄端向宽端输运。
本发明的具有无动力液滴输运功能的梯度微流体通道，微通道尺寸可控，梯度可控，两端尺寸不等时形成梯度微通道；通道两端尺寸差值大小可以调节微通道的梯度大小。
本发明的具有无动力液滴输运功能的梯度微流体通道，微通道梯度大小对流体输运有影响；微通道梯度大小可以调控流体输运的速度；梯度越大，流体输运速度越快，但是也有一定的范围，避免通道梯度过大，造成液体试剂的浪费。
所述的梯度微通道其数量可调，可以根据需求设计单通道和多通道。
第二方面，本发明提供一种微流控芯片，其包含本发明的无动力液滴输运的梯度微流体通道。
第三方面，本发明提供一种无动力液滴输运的梯度微流体通道的制备方法，包括以下步骤：
(1)选用或制备超亲水基材；
(2)对超亲水基材进行表面改性，得到疏水/超疏水表面；
(3)在步骤(1)或(2)得到的基底上覆盖梯度微通道掩模板，进行亲疏水图案化处理，从而得到包含超亲水-疏水/超疏水二元界面的无动力液滴输运的梯度微流体通道。
可选地，步骤(1)选用纸基基材为超亲水基材。
可选地，步骤(1)在载玻片上沉积二氧化硅层，得到超亲水基材。
可选地，步骤(2)用蜡笔或硅烷化试剂进行表面改性，得到疏水或超疏水表面；所用蜡笔可选用市面上便宜易得的普通蜡烛材料；所用硅烷化试剂可为十八烷基三甲氧基硅烷。
可选地，步骤(3)用梯度微通道掩模板覆盖步骤(1)选用或制备的超亲水基材，选用蜡笔在掩模板周围涂画薄层蜡进行表面疏水化改性即可得到超亲水-疏水二元界面的无动力液滴输运的梯度微流体通道。
可选地，步骤(3)用梯度微通道掩模板覆盖步骤(2)选用十八烷基三甲氧基硅烷改性得到的超疏水表面，用紫外光照即可得到超亲水-超疏水二元界面的无动力液滴输运的梯度微流体通道。
可选地，步骤(3)中梯度微通道掩模板的图案可根据需求设计为梯度单通道或者梯度多通道。
本发明的有益效果如下：
本发明的梯度微流体通道，同时集成了特殊浸润性与梯度这两个性质，微通道具有超亲水性，周围由疏水/超疏水区域限域，形成超亲水-疏水/超疏水二元微流体通道，其制备简便、原料易得、可控性强便于实现产业化生产。本发明的梯度微流体通道，微通道具有宽窄梯度，液体从微通道的窄端向宽端输运，输送速度快，无需额外能量输入，便可实现无动力流体输运，绿色环保、能耗低。本发明的梯度微流体通道，可控性强，可以设计单通道和多通道，多通道具有高通量的技术特点。本发明的梯度微流体通道制备方法简单方便，所用基材经济环保易得、成本低，能够为高效节能型微流控芯片的设计提供简便方法和新思路，可用于高通量、多组分检测分析，在食品安全、环境监测、生化分析和临床诊断中具有广泛的应用前景。
附图说明
图1.本发明梯度微流体通道一种纸基硝酸纤维素膜的扫描电镜表征图。
图2.本发明梯度微流体通道区域超亲水表面的接触角表征图。
图3.本发明梯度微流体通道周围背景区域疏水表面的接触角表征图。
图4.本发明的超亲水-疏水/超疏水梯度微流体通道示意图。
图5.本发明的梯度微流体通道上液滴输运过程示意图。
图6.本发明的梯度微流体通道上液滴输运图。
图7.本发明梯度微流体通道周围背景区域超疏水表面的接触角表征图
图8.本发明的梯度微流体多通道示意图。
图9.本发明的梯度微流体四通道上液滴的输运图。
具体实施方式
下面将结合实施方式对本发明进行详细的描述。应注意，下述实施例中描述的技术特征或技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
实施例1：
1.取硝酸纤维素膜，用扫描电子显微镜表征，该基底具有大量的纳米纤维网状结构，如图1所示；用静态接触角测量仪表征，接触角约为0°，如图2所示，水滴呈铺展状态，硝酸纤维素膜具备超亲水性。
2.将该纸基放入装有氨水(1mL)和四甲氧基硅烷(1mL)的真空干燥器，置于30℃烘箱静置过夜，沉积二氧化硅。取出用蜡笔在纸基表面涂画薄层蜡，用电热吹风机使其热熔。如图3所示，用静态接触角测量仪表征，发现水滴不会浸润铺展，改性后的纸基表面具有疏水性。
3.用梯度单通道掩模板覆盖硝酸纤维素膜，用蜡笔在掩模板周围涂画薄层蜡形成疏水区域，模板覆盖区域仍保持超亲水性，从而得到相应形状的超亲水-疏水梯度微流体通道，如图4所示。
4.取液滴，滴加到步骤(3)得到的超亲水-疏水梯度微通道较窄的一端，液滴会沿着梯度微流体通道流向较宽的一端，实现无动力液滴输运。图5示意了梯度微流体通道上液滴输运过程。
实施例2：
1.取普通滤纸，用静态接触角测量仪表征，液滴呈铺展状态，接触角约为0°，该基底具备超亲水性。
2.将滤纸放入装有氨水(1mL)和四甲氧基硅烷(1mL)的真空干燥器，置于30℃烘箱静置过夜，沉积二氧化硅。取出用蜡笔在纸基表面上涂画薄层蜡，用电热吹风机使其热熔。用静态接触角测量仪表征，发现水滴不会浸润铺展，改性后的纸基表面具有疏水性。
3.用梯度单通道掩模板覆盖滤纸，用蜡笔在掩模板周围涂画薄层蜡形成疏水区域，模板覆盖区域仍保持超亲水性，从而得到超亲水-疏水梯度微流体通道。
4.取2μL水，滴加到步骤(3)得到的超亲水-疏水梯度微流体通道较窄的一端，如图6所示，用静态接触角测量仪观察，液滴会沿着梯度微通道流向较宽的一端，实现无动力液滴输运。
实施例3：
1.取载玻片，沉积一层碳灰颗粒；将其放入置有10mL超纯水的真空干燥器，将真空干燥器置于30℃烘箱中30min，然后在干燥器中放入100μL四氯化硅，密封放置1h，沉积二氧化硅。取出该基底高温煅烧后得到超亲水基材，用静态接触角测量仪表征，接触角约为0°，液滴呈铺展状态，该基底具备超亲水性。
2.将步骤(1)得到的超亲水基底表面喷涂十八烷基三甲氧基硅烷溶液，依次用乙醇、超纯水水清洗，用氮气吹干后置于120℃的烘箱中固化15min。用静态接触角测量仪表征，液滴呈球状，改性后的基底具有超疏水性，如图7所示。
3.将步骤(2)得到的超疏水基底盖上梯度多通道掩模板，紫外光照30min后，得到相应形状的超亲水-超疏水梯度多通道，如图8所示，其中含有8个通道，具备高通量的特点。
4.取液滴，滴加到步骤(3)得到的超亲水-超疏水梯度多通道的进样口(多通道窄端的汇集处)，液滴会沿着每条梯度微通道输运到微通道较宽的一端，实现多通道、高通量无动力流体输运。
实施例4：
1.取载玻片，沉积一层碳灰颗粒；将其放入置有10mL超纯水的真空干燥器，将真空干燥器置于30℃烘箱中30min，然后在干燥器中放入100μL四氯化硅，密封放置1h，沉积二氧化硅。取出该基底高温煅烧后得到超亲水基材，用静态接触角测量仪表征，接触角约为0°，液滴呈铺展状态，该基底具备超亲水性。
2.将步骤(1)得到的超亲水基底表面用蜡笔涂画薄层蜡，用电热吹风机使其热熔。用静态接触角测量仪表征，发现水滴不会浸润铺展，改性后的基底表面具有疏水性。
3.用梯度四通道掩模板覆盖步骤(1)得到的超亲水基底，用蜡笔在掩模板周围涂画薄层蜡形成疏水区域，模板覆盖区域仍保持超亲水性，从而得到超亲水-疏水梯度微流体四通道。
4.取2μL水，滴加到步骤(3)得到的超亲水-疏水梯度微流体四通道的进样口(多通道窄端的汇集处)，用摄像机观察记录，如图9所示，液滴会从窄端进样口沿各梯度微通道输运到较宽的一端，实现多通道、高通量无动力流体输运。
以上所述实施例只是示例性的，虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明精神的情况下，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种无动力液滴输运的梯度微流体通道，其特征在于，包含超亲水性的微流体通道，所述超亲水性的微流体通道周围为疏水/超疏水区域，所述超亲水性的微流体通道由所述疏水/超疏水区域限域，形成超亲水-疏水/超疏水二元界面；所述超亲水性的微流体通道由窄向宽呈梯度变化，使液体从窄端向宽端输运。
2.根据权利要求1所述用的梯度微流体通道，其特征在于：所述超亲水性的微流体通道尺寸是可控的，根据需求设计调控微流体通道的尺寸；所述超亲水性的微流体通道两端尺寸不等时为梯度微通道。
3.根据权利要求1所述用的梯度微流体通道，其特征在于：所述超亲水性的微流体通道的梯度是可控的，通过两端尺寸差调节通道梯度大小；根据需求设计调控微流体通道的梯度。
4.根据权利要求1所述用的梯度微流体通道，其特征在于：通过所述超亲水性的微流体通道的梯度大小调控流体的输运速度；微流体通道的梯度越大，流体输运速度越快；微流体通道的梯度限定在一定的范围，以避免通道梯度过大造成液体试剂铺展和浪费。
5.一种微流控芯片，其特征在于，包含权利要求1～4中任一权利要求所述的无动力液滴输运的梯度微流体通道。
6.一种权利要求书1所述的无动力液滴输运的梯度微流体通道的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选用或制备超亲水基材；
(2)对超亲水基材进行表面改性，得到疏水/超疏水表面；
(3)在步骤(1)或(2)得到的基底上覆盖梯度微通道掩模板，进行亲疏水图案化处理，从而得到包含超亲水-疏水/超疏水二元界面的无动力液滴输运的梯度微流体通道。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)选用纸基基材为超亲水基材；或者，步骤(1)在载玻片上沉积二氧化硅层，得到超亲水基材。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)选用蜡笔或硅烷化试剂进行表面改性，得到疏水或超疏水表面。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)用梯度微通道掩模板覆盖步骤(1)选用或制备的超亲水基材，选用蜡笔在掩模板周围涂画薄层蜡进行表面疏水化改性，得到超亲水-疏水二元界面的无动力液滴输运的梯度微流体通道；或者，步骤(3)用梯度微通道掩模板覆盖步骤(2)改性得到的超疏水表面，用紫外光照得到超亲水-超疏水二元界面的无动力液滴输运的梯度微流体通道。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中梯度微通道掩模板的图案根据需求设计为梯度单通道或者梯度多通道。
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