CN113649091A - 一种基于pdms表面的液体自驱动方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微流控技术领域，公开了一种基于PDMS表面的液体自驱动方法及其装置。该方法按照以下操作步骤：在PDMS表面制备阵列微纳米结构增强其疏水性；根据功能需求预先设计液滴的运动路径，并在液滴运动路径方向的前面进行红外激光照射，使得PDMS受照射区域吸热膨胀，该处微纳米结构间距发生变化，液滴在PDMS受照射区域的接触状态也同时改变，液滴前后的接触角差异推动液体的滚动；通过移动并改变红外激光在PDMS表面的照射位置，在无外界驱动力的作用下，引导液滴在无通道的PDMS表面按照既定的路径运动。所述装置包括预先制备了阵列微纳米结构的PDMS表面、控制红外激光的计算机、红外激光发射系统和工作平台。
Description
技术领域
本发明属于微流控技术领域，具体涉及一种基于PDMS表面的液体自驱动方法及其装置。
背景技术
微流控技术是一种精确控制和操控微尺度流体的技术，微流控装置又被称为为芯片实验室或微流控芯片技术，是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于微流控装置结构微小，而流体在微流控芯片中，它所显示以及产生的特殊性能与宏观尺度不同，因此发展出独特的分析产生的性能。它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。
PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料具有的优点是：(1)可以通过低温聚合得到；(2)柔软且弹性好，容易从模板上取出而不会损坏自身和模板；(3)具有优良的物理特性，可直接用于防潮绝缘，阻尼，减震，消泡，润滑，抛光等方面；(4)呈生物学惰性且无毒；(5)电绝缘性和耐候性、疏水性好，并具有很高的抗剪切能力；(6)表面张力小、具有导热性、导热系数0.134-0.159W/M*K。因此PDMS材料在用于制作微流控装置的所有高分子材料中备受关注。
在现有的微流控技术中，主要通过两个步骤实现流体的精确控制，首先是微流控芯片的制备，即以PDMS为基底，在上面加工出所需的微通道、微阀、微泵等工作单元，常见的微通道加工方法主要有模塑法、热压法、注塑法、软光刻法等，其中模塑法即将PDMS的预聚物浇注在带有微结构的模具上，固化成型后得到带有微结构的PDMS芯片。在PDMS基底上加工出微结构后需要在结构上加盖一层材料以形成封闭的通道才能进行各种分析操作，一般通过物理和化学两种方式实现键合。
在制备好微流控芯片后，还需要提供动力来驱使流体在微通道中流动到达指定的反应或者分析位置。常见的驱动力有外界提供的，如气泵提供的气压，微通道两端加入电场产生的电压等；也有通过微通道结构的不同设计达到流体自驱动，如通过拉普拉斯驱压力梯度实现液体自驱动的梭型结构，纺锥形结构以及仿猪笼草口型结构等。
上述现有的微流控技术中，主要的缺点是实现功能单一，适用范围小。在上述的技术中，首先通过工作目的以及功能需求去设计基底表面的微结构，根据微结构加工出对应的模具，再在基片表面制备出微结构。因此所制备的微流控芯片上的结构都是针对于某一项功能或者某一个工作应用来设计的，不具有普适性，在不同的工作需求下，或者为了实现其他的分析与反应功能时，只能使用不同的微流控芯片。同时，为了制备不同的微流控芯片，也必须加工出对应的模具，而模具一般需要经过制备光刻掩膜板、曝光、后处理以及湿法刻蚀等几个步骤，因此模具的生产周期往往较长，成本也较高。而微流控芯片实现功能单一性也使得模具与芯片的性价比更低。
其次，现有微流控技术中，主要通过气压等机械力或者电、热、磁等非机械力的转换驱使流体运动，外界驱动力一般有微驱动泵提供，外界驱动力的引入使得工作平台更为复杂，生产成本也更高。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种基于PDMS表面的液体自驱动方法；该方法使得以PDMS为基片的应用更广，其制备简单的微流控平台，无需针对不同功能在PDMS表面预先加工不同微通道结构，就能实现流体在材料表面的自驱动定向运输。
本发明的另一目的在于提供一种实现上述基于PDMS表面的液体自驱动方法的装置。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种基于PDMS表面的液体自驱动方法，按照以下操作步骤：在PDMS表面制备阵列微纳米结构增强其疏水性；根据功能需求预先设计液滴的运动路径，并在液滴运动路径方向的前面进行红外激光照射，使得PDMS受照射区域吸热膨胀，该处微纳米结构间距发生变化，液滴在PDMS受照射区域的接触状态也同时改变，液滴前后的接触角差异推动液体的滚动；通过移动并改变红外激光在PDMS表面的照射位置，在无外界驱动力的作用下，引导液滴在无通道的PDMS表面按照既定的路径运动。
上述方法具体按照以下操作步骤：
(1)在PDMS表面预先制备阵列微纳米结构，增强PDMS表面的疏水性，得到预先制备了阵列微纳米结构的PDMS表面；
(2)然后将预先制备了阵列微纳米结构的PDMS表面置于工作平台上，同时在控制红外激光的计算机的操纵下，红外激光发射系统在PDMS表面的不同位置照射激光；
(3)根据功能需求预先设计液滴的运动路径，并在液滴运动路径方向的前面进行红外激光照射，当激光照射在PDMS表面的微结构间距中，使得PDMS受照射区域吸热膨胀，该处微纳米结构间距发生变化，微结构间距增大，液滴的接触状态由Cassie状态转变为wenzel状态，该接触位置的接触角减小，此时液滴在材料表面的状态处于wenzel状态的接触面更大，表面能增加，液滴自发朝着wenzel接触状态的方向发生滚动；通过移动并改变红外激光在PDMS表面的照射位置，在无外界驱动力的作用下，引导液滴在无通道的PDMS表面按照既定的路径运动。
所述步骤(2)具体按照以下操作步骤：将预先制备了阵列微纳米结构的PDMS表面通过夹紧装置夹紧固定和置于工作平台上，夹紧装置在工作平台上通过滑轨移动进行x和y轴方向的运动；在控制红外激光的计算机的操纵下，红外激光发射系统在材料表面的不同位置照射激光；液滴样品通过液滴送样器输送至PDMS表面的指定位置。
在步骤(3)通过红外激光照射引导液滴在PDMS表面运动时，电荷耦合器将显微镜的电信号转化为数字信号，与计算机连接后实时观测液滴的运动状态和轨迹。
步骤(3)所述移动并改变红外激光在PDMS表面的照射位置是指由控制红外激光的计算机操纵工作平台上的夹紧装置在工作平台上进行x和y轴方向的运动，以改变红外激光在PDMS表面的照射位置。
所述红外激光的光束聚焦后，调整光斑大小，光斑的直径应大于液滴直径但不宜过大，因此属于可调控参数，优选光斑大小在300-500μm之间。
所述红外激光为多束，多束红外激光在PDMS表面实现分别引导不同的液滴同时进行不同的运动。
一种实现上述基于PDMS表面的液体自驱动方法的装置，该装置包括预先制备了阵列微纳米结构的PDMS表面、控制红外激光的计算机、红外激光发射系统和工作平台；所述预先制备了阵列微纳米结构的PDMS表面置于工作平台的上面；所述红外激光发射系统发射的红外激光光路途径与工作平台垂直；所述控制红外激光的计算机分别与红外激光发射系统和工作平台相连接。
该装置还包括夹紧装置、液滴送样器和显微镜；所述夹紧装置安装在工作平台上，预先制备了阵列微纳米结构的PDMS表面通过夹紧装置夹紧固定；所述显微镜与控制红外激光的计算机通过电荷耦合器相连接。
所述夹紧装置安装在工作平台上通过滑轨移动进行x和y轴方向的运动。
本发明的原理是：
根据Cassie和wenzel理论，表面粗糙度的增加会增加材料的亲疏水极性，而液滴的接触状态在Cassie和wenzel间切换时，其接触角和滚动角也会随之发生变化，当液滴在材料表面的接触位置间距较小时，液滴处于Cassie状态，此时液滴的接触角较大，滚动角较小，随着间距的不断增大，液滴会在自重的影响下，接触状态转变为wenzel模型，此时液滴的接触角减小，滚动角增大，而随着间距的不断增大，接触角会降低至材料原有接触角。
激光光束聚焦后，可以调整光斑大小在300-500μm之间，使其只照射在PDMS表面的某微小区域，而在长波段红外激光的照射下，材料吸收激光能量升温，并依据其热膨胀系数发生膨胀，使得微结构间距增加，间距的不断增加会导致液滴与材料表面的接触状态由Cassie转为wenzel状态，此时接触角减小，同时随着间距的继续增加，液滴在wenzel状态下的接触角也会不断减小，最终可以接近材料未做微结构处理前的接触角。
通过计算机对光照系统操纵，确定激光在PDMS表面的照射位置，并按照一定路线移动激光，引导液滴在材料表面按照预设路线流动，实现对液滴在表面的自驱动定向运输。同时，光照系统可以发射多束激光，能够在PDMS表面实现单次引导不同运动轨迹的多个液滴自驱动。
现有微流控技术主要是先根据所需的功能设计出微结构，选择合适材料制备带有该微结构的模板，然后通过注塑、热压、模塑等方法在基底上加工出微结构，再在基片上加盖一层材料以形成封闭通道即键合，最后通过施加驱动力驱使流体在通道中运动，并在所需的位置反应或分析。而本发明是预先在PDMS表面制备阵列微结构，使用红外激光照射使材料表面吸热膨胀并带动微结构的拉伸，随着微结构间距的不断增大，液滴在材料照射区域的接触状态发生改变，表面能增加，接触角减小，带动液滴发生滚动，通过改变激光的形状与照射位置，实现液滴在材料表面的自驱动以及使液滴在所需进行反应或者分析位置的润湿性更好；相比现有技术，本技术更为简单便捷，适用性广。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及有益效果：
1)只需通过操纵光照系统改变激光的形状以及位置就可以实现液滴在材料表面的不同运动路径，适用范围广；2)无需提供外界驱动力，通过液滴与材料之间接触角和表面能的变化实现液滴自驱动；3)可以精确作用于某一位置的改性，对于复杂的局部区域以及加工要求，适应性较好；4)无需针对不同工作需求或者功能设计与加工对应的模具，节约了生产成本与生产周期；5)改性过程对材料本身影响小，重复性高。
本发明的优点和有益效果进一步详细叙述如下：
相比于现有的微流控技术，本发明无需在材料表面加工微通道，而是利用红外激光在PDMS表面的照射位置和形状的变化来引导液滴按照一定的路径运动，针对不同的功能需求以及工作应用，只需对红外激光或者工作平台进行调整即可，无需重新设计并制备对应的微流控芯片。因此，本发明的适用性更强，应用范围更广，同时无通道加工也省去了模具的设计与制备，缩短了生产周期，也节约了生产成本。同时，本发明利用的是改变微结构间距后液滴接触状态的变化，通过液滴与材料表面的接触角变化差异引导液滴滚动，实现液滴在PDMS表面的自驱动。
同样的，在现如今PDMS表面制备微结构后，通过改变结构间距来达到对材料表面改性的技术中，主要是通过机械拉伸的方式达到的，在材料外端施加机械拉力，按照一定比例拉伸材料表面，通过整个表面的拉伸带动微结构间距改变，从而使得材料表面的接触角发生变化，但由于这种改性是整个材料表面同时发生的，因此只能应用于表面上单个液滴的运动控制或者表面液滴做相同方向的运动。而本发明使用红外激光照射，可以将改性区域聚焦在极小的范围内，因此可以应用于复杂的局部区域，并且通过不同的激光照射可以实现在同一表面上引导不同的液滴做不同的运动。
本发明的整个工作过程中，激光照射下的材料表面只是发生了吸热膨胀变化，并没有发生其他化学反应，因此对材料没有损害以及其他化学性能改变，整个变化过程重复性高，材料使用周期长，同时也不存在有毒、有害物质的产生，是一个科学环保，可持续发展的表面改性技术。
附图说明
图1是基于PDMS表面的液滴自驱动原理图和装置简图，其中(1)为预先制备了阵列微纳米结构的PDMS表面，(2)为控制红外激光的计算机，(3)为红外激光发射系统，(4)为工作平台。
图2是基于PDMS表面的液体自驱动装置图，其中(1)为预先制备了阵列微纳米结构的PDMS表面，(2)为控制红外激光的计算机，(3)为红外激光发射系统，(4)为工作平台，(5)为夹紧装置，(6)为液滴送样器，(7)为显微镜，(8)为电荷耦合器。
图3是红外激光照射前后材料照射区域表面结构变化状况图。
图4是随着热膨胀微结构间距增大，液滴在材料表面的接触状态图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种基于PDMS表面的液体自驱动装置，如图1和图2所示，该装置包括预先制备了阵列微纳米结构的PDMS表面(1)、控制红外激光的计算机(2)、红外激光发射系统(3)和工作平台(4)；所述预先制备了阵列微纳米结构的PDMS表面置于工作平台的上面；所述红外激光发射系统发射的红外激光光路途径与工作平台垂直；所述控制红外激光的计算机分别与红外激光发射系统和工作平台相连接。
该装置还包括夹紧装置(5)、液滴送样器(6)和显微镜(7)；所述夹紧装置安装在工作平台上，预先制备了阵列微纳米结构的PDMS表面通过夹紧装置夹紧固定；所述显微镜与控制红外激光的计算机通过电荷耦合器(8)相连接。
所述夹紧装置安装在工作平台上通过滑轨移动进行x和y轴方向的运动。
实施例2
一种利用实施例1所述装置进行液体自驱动的方法，按照以下操作步骤：在PDMS表面预先制备阵列微纳米结构，增强PDMS表面的疏水性，得到预先制备了阵列微纳米结构的PDMS薄膜(1)；然后将预先制备了阵列微纳米结构的PDMS表面(1)通过夹紧装置(5)夹紧固定和置于工作平台上，夹紧装置(5)在工作平台(4)上通过滑轨移动进行x和y轴方向的运动；在控制红外激光的计算机(2)的操纵下，红外激光发射系统(3)在材料表面的不同位置照射激光；液滴样品通过液滴送样器(6)输送至PDMS表面的指定位置，在通过激光照射引导液滴在PDMS表面运动时，电荷耦合器(8)将显微镜(7)的电信号转化为数字信号，与控制红外激光的计算机(2)连接后实时观测液滴的运动状态和轨迹；根据功能需求预先设计液滴的运动路径，并在液滴运动路径方向的前面进行红外激光照射，当激光照射在PDMS表面的微结构间距中，如图3所示，使得PDMS受照射区域吸热膨胀，该处微纳米结构间距发生变化，微结构间距增大，液滴的接触状态由Cassie状态转变为wenzel状态，该接触位置的接触角减小，此时液滴在材料表面的状态如图4所示，处于wenzel状态的接触面更大，表面能增加，液滴自发朝着wenzel接触状态的方向发生滚动。通过移动并改变红外激光在PDMS表面的照射位置(由控制红外激光的计算机操纵工作平台上的夹紧装置在工作平台上进行x和y轴方向的运动，以改变红外激光在PDMS表面的照射位置)，在无外界驱动力的作用下，引导液滴在无通道的PDMS表面按照既定的路径运动。
上述红外激光的光束聚焦后，调整光斑大小，光斑的直径应大于液滴直径但不宜过大，因此属于可调控参数，优选光斑大小在300-500μm之间
上述红外激光可以为多束，多束红外激光在PDMS表面实现分别引导不同的液滴同时进行不同的运动。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于PDMS表面的液体自驱动方法，其特征在于按照以下操作步骤：在PDMS表面制备阵列微纳米结构增强其疏水性；根据功能需求预先设计液滴的运动路径，并在液滴运动路径方向的前面进行红外激光照射，使得PDMS受照射区域吸热膨胀，该处微纳米结构间距发生变化，液滴在PDMS受照射区域的接触状态也同时改变，液滴前后的接触角差异推动液体的滚动；通过移动并改变红外激光在PDMS表面的照射位置，在无外界驱动力的作用下，引导液滴在无通道的PDMS表面按照既定的路径运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于PDMS表面的液体自驱动方法，其特征在于：该方法具体按照以下操作步骤：
(1)在PDMS表面预先制备阵列微纳米结构，增强PDMS表面的疏水性，得到预先制备了阵列微纳米结构的PDMS表面；
(2)然后将预先制备了阵列微纳米结构的PDMS表面置于工作平台上，同时在控制红外激光的计算机的操纵下，红外激光发射系统在PDMS表面的不同位置照射激光；
(3)根据功能需求预先设计液滴的运动路径，并在液滴运动路径方向的前面进行红外激光照射，当激光照射在PDMS表面的微结构间距中，使得PDMS受照射区域吸热膨胀，该处微纳米结构间距发生变化，微结构间距增大，液滴的接触状态由Cassie状态转变为wenzel状态，该接触位置的接触角减小，此时液滴在材料表面的状态处于wenzel状态的接触面更大，表面能增加，液滴自发朝着wenzel接触状态的方向发生滚动；通过移动并改变红外激光在PDMS表面的照射位置，在无外界驱动力的作用下，引导液滴在无通道的PDMS表面按照既定的路径运动。
3.根据权利要求2所述的一种基于PDMS表面的液体自驱动方法，其特征在于：所述步骤(2)具体按照以下操作步骤：将预先制备了阵列微纳米结构的PDMS表面通过夹紧装置夹紧固定和置于工作平台上，夹紧装置在工作平台上通过滑轨移动进行x和y轴方向的运动；在控制红外激光的计算机的操纵下，红外激光发射系统在材料表面的不同位置照射激光；液滴样品通过液滴送样器输送至PDMS表面的指定位置。
4.根据权利要求2所述的一种基于PDMS表面的液体自驱动方法，其特征在于：在步骤(3)通过红外激光照射引导液滴在PDMS表面运动时，电荷耦合器将显微镜的电信号转化为数字信号，与计算机连接后实时观测液滴的运动状态和轨迹。
5.根据权利要求2所述的一种基于PDMS表面的液体自驱动方法，其特征在于：步骤(3)所述移动并改变红外激光在PDMS表面的照射位置是指由控制红外激光的计算机操纵工作平台上的夹紧装置在工作平台上进行x和y轴方向的运动，以改变红外激光在PDMS表面的照射位置。
6.根据权利要求1所述的一种基于PDMS表面的液体自驱动方法，其特征在于：所述红外激光的光束聚焦后，调整光斑大小在300-500μm之间。
7.根据权利要求1所述的一种基于PDMS表面的液体自驱动方法，其特征在于：所述红外激光为多束，多束红外激光在PDMS表面实现分别引导不同的液滴同时进行不同的运动。
8.一种实现权利要求1-7任一项所述的基于PDMS表面的液体自驱动方法的装置，其特征在于：该装置包括预先制备了阵列微纳米结构的PDMS表面、控制红外激光的计算机、红外激光发射系统和工作平台；所述预先制备了阵列微纳米结构的PDMS表面置于工作平台的上面；所述红外激光发射系统发射的红外激光光路途径与工作平台垂直；所述控制红外激光的计算机分别与红外激光发射系统和工作平台相连接。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：该装置还包括夹紧装置、液滴送样器和显微镜；所述夹紧装置安装在工作平台上，预先制备了阵列微纳米结构的PDMS表面通过夹紧装置夹紧固定；所述显微镜与控制红外激光的计算机通过电荷耦合器相连接。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于：所述夹紧装置安装在工作平台上通过滑轨移动进行x和y轴方向的运动。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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