CN112973816B - 一种微分分流装置及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微分分流装置及其制备方法和应用，适用于微通道内部液态试剂的分流和相关流动控制，该装置的核心部件是一片选择性预亲水化处理的超疏水薄膜。与现有的分流装置比较，本发明主要有三个优点：第一，结构简单，不含阀门、浮球等活动部件，机械稳定性好；第二，流量分配通过液滴隔断实现，控制精确且不受通道下游压力变化影响；第三，加工方法灵活，可以对任意分流比例进行高精度和差异性订制加工。本发明适用于生化制药、环境监测、食品工程和能源管理等众多领域中对小批量液态试剂的选择输运。

Description

一种微分分流装置及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及流动控制领域，特别是适用于微小通道内液态组分的微分分流装置及其制备方法和应用。

背景技术

在生化检测实验、制冷设备布液系统和微电子元件散热器等众多的应用场合中，微小通道内的液体分流是实现设备预期功能的重要环节。特别是对试剂用量要求精度高以及多种复杂反应的情况下，人工操作分流在加样过程常常需要耗费大量的时间及人力，而且分流误差大。而传统的液体分流装置一般通过内部结构对流体进行分流，高精度分流控制则要精密的机加工手段以及设置控制器，并以压差作为流动动力，需要压力泵或其他压力源。

目前常规的微分分流方法具有以下几处明显缺点：(1)采用自动移液器、多道移液枪等移液设备进行人工加样，存在成本高、易污染的缺点；(2)利用分流器内部结构和进出口压力差分流液体，分路流量易受出口压力影响；(3)高精度需要采用阀门和控制器，结构复杂，且增加制造成本；(4)部分分流器的分流性能受安装角度和流量影响。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种分流方法和实施装置，本装置结构简单、不含阀门、浮球等活动部件、机械稳定性好，流量分配通过液滴隔断实现，控制精确且不受通道下游压力变化影响，可对任意分流比例进行高精度和差异性订制加工。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种微分分流装置，包括一超疏水基片和一掩模板薄片，所述超疏水基片的表面形成一层超疏水涂层，所述掩模板薄片表面进行镂空处理，

所述掩模板薄片镂空处理的一面覆盖于所述超疏水基片带有超疏水涂层的表面，经过亲水化处理后，所述超疏水基片与掩模板薄片之间在镂空区域分别形成亲水吸附区、多个亲水分流通道及采集台，

所述亲水分流通道位于所述亲水吸附区的下部，所述采集台位于所述亲水分流通道的下部，所述亲水分流通道与所述采集台之间设有疏水桥。

本发明基于超疏水表面对液体的排斥和亲水表面对液体的吸附引导作用，液体进去中间亲水区后，由于毛细力和重力的双重作用，液体会在分流通道底部“疏水桥”附近形成悬挂液滴，预设宽度不同的采集台得到不同的液滴数目，最终决定各个出口流量。

进一步地，所述的多个亲水分流通道等间距设置，所述采集台包括预设宽度不同的多个采集台。

进一步地，所述疏水桥为一宽度为小于3mm的条状疏水区域。

进一步地，所述亲水化处理为采用氧气等离子处理技术进行亲水化处理。

进一步地，所述超疏水基片与掩模板薄片的材料采用金属或多种有机聚合物，所述有机聚合物选自聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯。

进一步地，所述超疏水涂层采用Neverwet处理经喷涂制得。

上述微分分流装置的制备方法，包括以下步骤：

(1)超疏水基片的制备：取一片金属或聚合物薄基片，对其表面进行处理，获得有微纳米尺度多孔结构的超疏水涂层；

(2)掩模板薄片的制备：取另一片金属或聚合物薄片，根据实际应用所需分流比例，采用光刻、激光或铣刀切割技术在该薄片上将吸附区、分流通道及采集台结构进行镂空处理；

(3)亲水化处理：将掩模板薄片覆盖在超疏水基片上，采用氧气等离子处理技术对该组合进行亲水化处理，镂空区域分别形成亲水吸附区、亲水分流通道及采集台，而覆盖部分仍为超疏水区域。

进一步地，步骤(1)所述超疏水涂层采用Neverwet处理，其具体操作为，先用Neverwet组分I进行第一次喷涂，间隔1分钟后，二次喷涂；然后，等待半小时，用Neverwet组分II第一次喷涂，间隔1分钟后，二次喷涂，通风处干燥12小时后进行后续加工。

进一步地，步骤(2)所述的分流通道采用激光或铣刀进行切割，或通过真空热压膜设备得到；当通道宽度小于0.5mm时，采用光刻加工得到；

步骤(3)所述的亲水化处理，采用将盖有模板的超疏水涂层，置于等离子处理设备中得到，时间为10秒至半个小时，通入的气体为空气或氧气。

所述微分分流装置的应用，该装置用于液体的微分分流，在所述微分分流装置的微通道进口通入液体，首先在亲水吸附区汇聚，并在重力作用下平均分散至各个亲水分流通道底部，由于中间疏水桥的隔断形成悬挂液滴，当亲水吸附区饱和后，多个亲水分流通道底部的悬挂液滴持续成长到一定尺寸，跨越疏水桥隔断区后被采集台捕获，根据不同个数的分流通道，在各个出口处得到不同流量的液体。

本发明提出的一种微分分流装置，其工作原理是基于超疏水表面对液体的排斥和亲水表面对液体的吸附引导作用，在一片微孔薄膜上制作出不同的亲水和疏水区，液体进去中间亲水区后，由于毛细力和重力的双重作用，液体会在分流通道底部“疏水桥”附近形成悬挂液滴，预设宽度不同的采集台得到不同的液滴数目，最终决定各个出口流量。

实现装置主要包含一片选择性预亲水化处理的超疏水薄膜、微通道进出口、用于遮挡部分超疏水区域的掩模板，所述的选择性预亲水化处理的超疏水薄膜是通过将定制模板覆盖于超疏水薄膜上，并对其整体进行亲水化处理得到的。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、结构简单，不含阀门、浮球等活动部件，机械稳定性好；

2、流量分配通过液滴隔断实现，控制精确且不受通道下游压力变化影响；

3、加工方法灵活，可以对任意分流比例进行高精度和差异性订制加工。

附图说明

图1为本发明的微分分流装置的制备流程示意图；

图2为本发明实现微小通道分流的工作原理示意图；

图中：

1-底板薄片

2-超疏水涂层

3-局部镂空的掩模板

4-亲水吸附区

5-亲水分流通道

6-疏水桥

7-采集台

8-悬挂液滴

9-微通道进口

10-出口

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种微分分流装置，包括一超疏水基片和一掩模板薄片，超疏水基片的表面形成一层超疏水涂层，掩模板薄片表面进行镂空处理，掩模板薄片镂空处理的一面覆盖于超疏水基片带有超疏水涂层的表面，经过亲水化处理后，超疏水基片与掩模板薄片之间在镂空区域分别形成亲水吸附区4、多个亲水分流通道5及采集台7，多个亲水分流通道等间距设置，亲水分流通道位于所述亲水吸附区的下部，所述采集台7位于所述亲水分流通道的下部，所述亲水分流通道与所述采集台7之间设有疏水桥6，疏水桥6为一宽度为小于3mm的条状疏水区域，采集台7包括预设宽度不同的多个采集台，采集台的个数及预设宽度根据具体分流的实际需要确定。

本发明基于超疏水表面对液体的排斥和亲水表面对液体的吸附引导作用，液体进去中间亲水区后，由于毛细力和重力的双重作用，液体会在分流通道底部“疏水桥”附近形成悬挂液滴8，预设宽度不同的采集台得到不同的液滴数目，最终决定各个出口流量。

上述微分分流装置的制备方法，包括以下步骤，具体制备流程图参见图1：

(1)超疏水基片的制备：取一片金属或聚合物薄基片，对其表面进行处理，获得有微纳米尺度多孔结构的超疏水涂层；

(2)掩模板薄片的制备：取另一片金属或聚合物薄片，根据实际应用所需分流比例，采用光刻、激光或铣刀切割技术在该薄片上将吸附区、分流通道及采集台结构进行镂空处理；

(3)亲水化处理：将掩模板薄片覆盖在超疏水基片上，采用氧气等离子处理技术对该组合进行亲水化处理，镂空区域分别形成亲水吸附区、亲水分流通道及采集台，而覆盖部分仍为超疏水区域。

超疏水基片、掩模板薄片的材料可选择金属或多种有机聚合物，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等。

超疏水涂层采用Neverwet处理，其具体操作为，先用Neverwet组分I进行第一次喷涂，间隔1分钟后，二次喷涂；然后，等待半小时，用Neverwet组分II第一次喷涂，间隔1分钟后，二次喷涂，通风处干燥12小时后进行后续加工。

步骤(2)分流通道采用激光或铣刀进行切割，或通过真空热压膜设备得到；当通道宽度小于0.5mm时，采用光刻加工得到；

步骤(3)亲水化处理，采用将盖有模板的超疏水涂层，置于等离子处理设备中得到，时间为10秒至半个小时，通入的气体为空气或氧气。

如图2，该装置用于液体的微分分流，在微分分流装置的微通道进口9通入液体，首先在亲水吸附区4汇聚，并在重力作用下平均分散至各个亲水分流通道5底部，由于中间疏水桥6的隔断形成悬挂液滴，当亲水吸附区4饱和后，多个亲水分流通道5底部的悬挂液滴8持续成长到一定尺寸，跨越疏水桥6隔断区后被采集台7捕获，根据不同个数的分流通道，在各个出口10处得到不同流量的液体。

以下为某一具体应用示例：

某一出口流量比为2:3的分流器的制备

步骤(1)：取一底板薄片1，大小为20mm(长)×20mm(宽)×0.5mm(厚)，材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，先用Neverwet组分I进行第一次喷涂，间隔1分钟后，二次喷涂。然后，等待半个小时，用Neverwet组分II第一次喷涂，间隔1分钟后，二次喷涂，通风干燥24小时得到超疏水涂层2；

步骤(2)：另取一薄片，大小和材料同步骤(1)，根据出口流量比，流道设置为，出口1为4个，出口2为6个，划线后用激光切割机切除多余部分，得到局部镂空的掩模板3；

步骤(3)：将局部镂空的掩模板3覆盖于步骤(1)的超疏水涂层2上，两层薄片用双面胶暂时固定，置于等离子处理设备中，通入空气，处理半个小时，得到部分区域亲水化的超疏水薄膜；

步骤(4)和步骤(5)：将微通道进口和两个微通道出口接在部分区域亲水化的超疏水薄膜片的两端，流体从进口进入后，则在重力作用下，依次进入亲水吸附区、分流通道，在“疏水桥”形成悬挂液体，然后进入两个微通道出口的的引道，进而在出口处得到流量比为2:3的流体。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微分分流装置，其特征在于，包括一超疏水基片和一掩模板薄片，所述超疏水基片的表面形成一层超疏水涂层，所述掩模板薄片表面进行镂空处理，

所述掩模板薄片镂空处理的一面覆盖于所述超疏水基片带有超疏水涂层的表面，经过亲水化处理后，所述超疏水基片与掩模板薄片之间在镂空区域分别形成亲水吸附区、多个亲水分流通道及采集台，

所述亲水分流通道位于所述亲水吸附区的下部，所述采集台位于所述亲水分流通道的下部，所述亲水分流通道与所述采集台之间设有疏水桥；

所述的多个亲水分流通道等间距设置，所述采集台包括预设宽度不同的多个采集台。

2.根据权利要求1所述的一种微分分流装置，其特征在于，所述疏水桥为一宽度为小于3 mm的条状疏水区域。

3.根据权利要求1所述的一种微分分流装置，其特征在于，所述亲水化处理为采用氧气等离子处理技术进行亲水化处理。

4.根据权利要求1所述的一种微分分流装置，其特征在于，所述超疏水基片与掩模板薄片的材料采用金属或多种有机聚合物，所述有机聚合物选自聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯。

5.根据权利要求1所述的一种微分分流装置，其特征在于，所述超疏水涂层采用Neverwet处理经喷涂制得。

6.如权利要求1-5任意一项所述的一种微分分流装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）超疏水基片的制备：取一片金属或聚合物薄基片，对其表面进行处理，获得有微纳米尺度多孔结构的超疏水涂层；

（2）掩模板薄片的制备：取另一片金属或聚合物薄片，根据实际应用所需分流比例，采用光刻、激光或铣刀切割技术在该薄片上将吸附区、分流通道及采集台结构进行镂空处理；

（3）亲水化处理：将掩模板薄片覆盖在超疏水基片上，采用氧气等离子处理技术对掩模板薄片及超疏水基片组合进行亲水化处理，镂空区域分别形成亲水吸附区、亲水分流通道及采集台，而覆盖部分仍为超疏水区域。

7.根据权利要求6所述的一种微分分流装置的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述超疏水涂层采用Neverwet处理，其具体操作为，先用Neverwet组分I进行第一次喷涂，间隔1分钟后，二次喷涂；然后，等待半小时，用Neverwet 组分II第一次喷涂，间隔1分钟后，二次喷涂，通风处干燥12小时后进行后续加工。

8.根据权利要求6所述的一种微分分流装置的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的分流通道采用激光或铣刀进行切割，或通过真空热压膜设备得到；当通道宽度小于0.5 mm时，采用光刻加工得到；

步骤（3）所述的亲水化处理，采用将盖有模板的超疏水涂层，置于等离子处理设备中得到，时间为10秒至半个小时，通入的气体为空气或氧气。

9.如权利要求1-5任意一项所述的一种微分分流装置的应用，其特征在于，该装置用于液体的微分分流，在所述微分分流装置的微通道进口通入液体，首先在亲水吸附区汇聚，并在重力作用下平均分散至各个亲水分流通道底部，由于中间疏水桥的隔断形成悬挂液滴，当亲水吸附区饱和后，多个亲水分流通道底部的悬挂液滴持续成长到一定尺寸，跨越疏水桥隔断区后被采集台捕获，根据不同个数的分流通道，在各个出口处得到不同流量的液体。

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