CN113856779A - 一种基于喷墨打印的平面微流控芯片制作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于喷墨打印的平面微流控芯片制作方法，属于材料表面处理、微电子设备及生化检测领域。解决了现有平面微流控芯片制备过程中存在工艺复杂、成本高、芯片耐久性差的问题。本发明方法包括：清洗基底，并烘干；对烘干后的基底进行研磨，研磨后利用去离子水进行超声波清洗；将研磨后基底和去离子水、氨水、0.1至5M氢氧化钠溶液、0.1至5M氢氧化钾溶液中一种或多种放入聚四氟乙烯的密闭容器中进行水热处理，时间t后取出基底恒温烘干，获得具有纳米粗糙结构的基底；通过微压电喷墨打印机在基底上制备超疏水图案；对基底打印完成后进行恒温烘干，获得具有通道的平面微流控芯片。本发明适用于材料表面处理技术领域。

Description

一种基于喷墨打印的平面微流控芯片制作方法

技术领域

本发明属于材料表面处理、微电子设备及生化检测领域。

背景技术

为了降低医疗、环保等领域生化检测所需设备的复杂性，实现随时随地的生化实验，生化检测芯片成为研究热点方向。生化检测芯片是将实验设备微型化、集成化、自动化，能够将分析实验室的制样、分离、检测等功能集中在一块芯片上。作为芯片实验室的重要分支，以微流控技术为基础的微流控芯片，能够使液体在微米级通道中进行反应，具有耗样少、通量高、速度快、无交叉污染的特点。

微流控芯片应用广泛，已经涉及到了环境监测、食品检查、药物筛选，疾病治疗等诸多领域，近些年来在分析分离领域越来越受到科研工作者们的重视和青睐。不仅可以实现微升或纳升级试剂以及单细胞检测，而且能够实现多通路检测，为分析实验室的个人化、快速化提供设备基础。

为了克服封闭式微流控芯片制备工艺复杂，以及待测液体驱动和检测精度受到管壁附着微气泡影响的缺陷，近年来开放式微流控芯片受到越来多的关注。开放式微流控芯片指的是液体通道为开放或半开放式，液体在通道中与空气接触。除了制备简单，开放式微流控芯片具有试剂操作可控性强的特点，并能够实现连续监测的能力。

但是，在以往平面微流控芯片研究中，图案化通常以掩膜光刻的方式进行，制备复杂、成本高，尤其是微纳米级的通道，需要非常精密的工艺水平和昂贵的制造设备。并且以往表面疏水化改性多采用氟化物修饰的方式，具有一定毒性，对环境有一定污染。并且氟化物与基底的接触不牢固，具有较低的耐久性，容易污染待测溶剂。这些缺点制约了微流控芯片的实用性。

发明内容

本发明目的是为了解决现有平面微流控芯片制备过程中存在工艺复杂、成本高、芯片耐久性差的问题，提出了一种基于喷墨打印的平面微流控芯片制作方法。

本发明所述一种基于喷墨打印的平面微流控芯片制作方法，包括：

步骤一、清洗基底，并烘干；

步骤二、对步骤一烘干后的基底进行研磨，研磨后利用去离子水进行超声波清洗；

步骤三、将去离子水、氨水、0.1至5M氢氧化钠溶液以及0.1至5M氢氧化钾溶液中的一种或多种放入聚四氟乙烯的密闭容器中，再将超声波清洗后的基底聚四氟乙烯的密闭容器中，对超声波清洗后的基底进行水热处理时间t后取出基底恒温烘干，获得具有纳米粗糙结构的基底；其中，t大于或等于3小时并且小于或等于48小时；

步骤四、通过微压电喷墨打印机在具有纳米粗糙结构的基底上制备超疏水图案；打印完成后再进行恒温烘干，获得具有超疏水图案的平面微流控芯片。

进一步地，本发明中，步骤一中，基底为玻璃片。

进一步地，本发明中，步骤一中，清洗基底的具体方法为：

利用酒精、去离子水对基底进行超声波清洗10分钟。

进一步地，本发明中，步骤二中，对步骤一烘干后的基底进行研磨的具体方法为：

采用三氧化二铝、二氧化硅和碳化硅中的至少一种磨料将基底研磨3秒至20秒。

进一步地，本发明中，步骤二中，三氧化二铝、二氧化硅和碳化硅的粒径为60目至800目。

进一步地，本发明中，步骤二中，三氧化二铝、二氧化硅和碳化硅的粒径采用60目，100目，200目，325目，500目或800目。

进一步地，本发明中，步骤二中，对步骤一烘干后的基底进行研磨的方式为：磨料流动加工、磨料超声振动加工或喷砂加工。

进一步地，本发明中，步骤四中，通过微压电喷墨打印机在基底上制备超疏水图案采用的溶液的溶质为二甲基硅氧烷、二甲基氢硅氧烷、十八烷基三氯硅烷和三甲基氯硅烷中的一种或两种混合液。

进一步地，本发明中，步骤四中，通过微压电喷墨打印机在基底上制备超疏水图案采用的溶液的溶剂为异丙醇、正丁醇、环己烷中的一种或多种。

进一步地，本发明中，步骤四中，打印机采用打印光盘封面模式进行打印。将基底通过胶带或胶水固定在打印光盘的托盘中进行打印。

本发明提出采用家用喷墨打印机绘制超疏水修饰层的方式。打印试剂为硅氧烷、氯硅烷等硅的有机化合物，以及环己烷、正丁醇、异丙醇等有机溶剂用来调节打印试剂粘度。为消除打印喷头温度对疏水试剂浓度的影响，本发明采用压电式打印机喷头。普通家用打印机的打印精度为微米级，能够实现几十微米通道的精准绘制。打印边界的清晰程度可以通过打印喷头出液量以及试剂浓度进行控制。

本发明提出的基于喷墨打印的平面微流控芯片，具有制作工艺简单，对环境无污染，产品稳定性高的特点。本发明摆脱了传统加工方式中的光刻、蚀刻等工艺，利用电脑绘图软件和家用喷墨打印机即可实现任意通道的高精度加工，制作工艺十分简单。相对于纸基底的微流控芯片，玻璃基底具有更强的稳定性和生物兼容性，不会发生渗透等问题导致待测物质残留，不会发生基底部分成分溶解于待测液体，可以用于较长时间检测的应用。此外，本发明制作过程中不使用氟化物进行低表面能修饰，不使用苯、甲苯等有较高毒性的溶剂，对环境无污染。

附图说明

图1是本发明所述基于喷墨打印的平面微流控芯片制作方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于喷墨打印的平面微流控芯片制作方法，包括：

步骤一、清洗基底，并烘干；

步骤二、对步骤一烘干后的基底进行研磨，研磨后利用去离子水进行超声波清洗；

步骤三、将去离子水、氨水、0.1至5M氢氧化钠溶液以及0.1至5M氢氧化钾溶液中的一种或多种放入聚四氟乙烯的密闭容器中，再将超声波清洗后的基底聚四氟乙烯的密闭容器中，对超声波清洗后的基底进行水热处理时间t后取出基底恒温烘干，获得具有纳米粗糙结构的基底；其中，t大于或等于3小时并且小于或等于48小时；

步骤四、通过微压电喷墨打印机在具有纳米粗糙结构的基底上制备超疏水图案；打印完成后再进行恒温烘干，获得具有超疏水图案的平面微流控芯片。

本发明目的是提供一种开放式微流控芯片。该方法具有制备成本低，无污染、耐久性高、制备过程简单的特点。本发明通过改变玻璃表面的浸润性来形成微流控芯片液体流道。首先提升玻璃表面亲水性，然后在亲水表面通过喷墨打印的方式制备通道的超疏水边界，超疏水边界所包围的内部部分即为亲水通道。由于亲水通道与超疏水边界表面能的差异，液体能够被束缚于亲水通道中。通过这样的方式形成了开放式微流控芯片通道。当有外界力作用时，液体会沿着亲水通道流动，例如通过在通道两端通过加载直流电压的方法，实现液体在亲水通道上的电泳驱动。

本发明所述方法提升了基底亲水性，玻璃本身不具有明显的亲水性，首先对玻璃进行增强亲水性的处理。由于玻璃表面为亲水性，因此制造特殊的微纳表面即可提升亲水性。本发明采用机械打磨和水热法处理的方式制造特定微纳表面。首先三氧化二铝、二氧化硅、碳化硅等颗粒硬度高，通过机械研磨的方式能够在玻璃表面制造均匀的微米级凹陷。然后本发明通过水热法对机械研磨后的表面进行二次处理。在一定温度和压力情况下，水分子能够进入玻璃表面晶格中，与玻璃进行水合作用，在表面形成花瓣状微纳结构，使玻璃表面具有超亲水性能。

本发明所述方法采用喷墨打印实现通道的超疏水边界，实现通道边界的超疏水性需要两个因素。一是在玻璃表面制造特定的微纳粗糙结构；二是降低该区域的表面能。表面的特定的微纳粗糙结构已经在研究内容1中实现。为了降低通道边界的表面能，需要选择合理的材料进行表面修饰。为了取消氟化物对环境的污染，并提升修饰层的附着力，本发明提出采用硅氧烷、氯硅烷等硅的有机化合物进行表面修饰。一方面硅的有机化合物能够降低表面能，提升疏水性，另一方面能与基底上聚硅酸纳米结构产生硅-硅键或硅-氧键，提升疏水层附着力。在疏水层和基底表面微小粗糙结构的共同作用下，在玻璃表面实现超疏水。

进一步地，本实施方式中，步骤一中，基底为玻璃片。

进一步地，本实施方式中，步骤一中，清洗基底的具体方法为：

利用酒精、去离子水对基底进行超声波清洗10分钟。

进一步地，本实施方式中，步骤二中，对步骤一烘干后的基底进行研磨的具体方法为：

采用三氧化二铝、二氧化硅和碳化硅中的至少一种磨料将基底研磨3秒至20秒。

进一步地，本实施方式中，步骤二中，三氧化二铝、二氧化硅和碳化硅的粒径为60目至800目。

进一步地，本实施方式中，步骤二中，三氧化二铝、二氧化硅和碳化硅的粒径采用60目，100目，200目，325目，500目或800目。

进一步地，本实施方式中，步骤二中，对步骤一烘干后的基底进行研磨的方式为：磨料流动加工、磨料超声振动加工或喷砂加工。

本实施方式中，采用60目，100目，200目，325目，500目，800目的以三氧化二铝、二氧化硅或碳化硅为主要成分的磨料将基底研磨3至20秒。磨料既可以是其中一种也可以是两种或两种以上材料的混合物。采用研磨方式可以是磨料流动加工、磨料超声振动加工或喷砂加工等。研磨后，用去离子水进行超声波清洗。

进一步地，本实施方式中，步骤四中，通过微压电喷墨打印机在基底上制备超疏水图案采用的溶液的溶质为二甲基硅氧烷、二甲基氢硅氧烷、十八烷基三氯硅烷和三甲基氯硅烷中的一种或两种混合液。

进一步地，本实施方式中，步骤四中，通过微压电喷墨打印机在基底上制备超疏水图案采用的溶液的溶剂为异丙醇、正丁醇、环己烷中的一种或多种。

进一步地，本实施方式中，步骤四中，打印机采用打印光盘封面模式进行打印，将基底通过胶带或胶水固定在打印光盘的托盘中进行打印。

本实施方式中，将研磨后玻璃和去离子水、氨水、0.1至5M氢氧化钠溶液、0.1至5M氢氧化钾溶液中一种或多种放入聚四氟乙烯的密闭容器中。将容器放入120至250℃的恒温箱中，进行3至48小时的水热处理。水热处理时间与温度有关。将反应后的玻璃片取出，在恒温箱中烘干。得到的玻璃基底具有纳米粗糙结构。通过微压电喷墨打印机在基底上制备超疏水图案，作为亲水通道的超疏水边界，通过浸润性差异。打印试剂的溶质为二甲基硅氧烷、二甲基氢硅氧烷等硅氧烷；十八烷基三氯硅烷、三甲基氯硅烷等氯硅烷。打印的溶质试剂既可以是其中一种也可以是两种的混合物。打印试剂的溶液为异丙醇、正丁醇、环己烷等。打印的溶剂既可以是其中一种也可以是两种的混合物。通过调节溶剂比例控制混合溶液的粘度。

本实施方式中，打印后的玻璃基底放入恒温箱中进行干燥处理，得到平面微流控芯片通道。其通道为亲水基底，通道边界为超疏水打印试剂。当液滴注入到亲水通道上时，由于基底表面浸润性差异。超疏水边界对液滴有排斥作用，将液滴约束在亲水通道上，从而实现对液体流动的控制。通过在通道两端通过加载直流电压的方法，实现液体在亲水通道上的流动。在实施方法中，研磨的微米结构能够极大的缩短步骤3中水热法的反应时间。

本发明具有以下特点

1、制备方法简单，工艺条件要求较低，不需要昂贵的设备，可以实现大面积制备。并且能够实现复杂通道的制备。

2、解决了封闭微流控芯片通道中气泡影响液体流动控制的问题，

3、制备过程中无需强酸强碱无氟化物，提高了生产安全性，有利于工业生产中对环境的保护。

4、采用打磨与水热腐蚀方式在玻璃基底表面制造均匀微纳粗糙结构，该结构为类似纳米网状结构，能够有效防止待检测溶液中的大分子物质在通道上的残留。

5、本发明采用含硅的有机高分子材料进行疏水修饰，能够与玻璃基底结合产生硅-硅键或硅-氧键，具有较高的机械性能，提升耐久程度。

6、相比于在纸基底上进行喷墨打印制造微流控芯片，以研磨后的玻璃等硬质材料为基底，能够获得更清晰的通道边界。并且能够降低待测液中大分子物质在通道上的吸附。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种基于喷墨打印的平面微流控芯片制作方法，其特征在于，包括：

步骤一、清洗基底，并烘干；

步骤二、对步骤一烘干后的基底进行研磨，研磨后利用去离子水进行超声波清洗；

步骤三、将去离子水、氨水、0.1至5M氢氧化钠溶液以及0.1至5M氢氧化钾溶液中的一种或多种放入聚四氟乙烯的密闭容器中,再将超声波清洗后的基底聚四氟乙烯的密闭容器中,进行水热处理，时间t后取出基底恒温烘干，获得具有纳米粗糙结构的基底；其中，t大于或等于3小时并且小于或等于48小时；

步骤四、通过微压电喷墨打印机在具有纳米粗糙结构的基底上制备超疏水图案；打印完成后再进行恒温烘干，获得具有超疏水图案的平面微流控芯片。

2.根据权利要求1所述的一种基于喷墨打印的平面微流控芯片制作方法，其特征在于，步骤一中，基底为玻璃片。

3.根据权利要求2所述的一种基于喷墨打印的平面微流控芯片制作方法，其特征在于，步骤一中，清洗基底的具体方法为：

利用酒精、去离子水对基底进行超声波清洗10分钟。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于喷墨打印的平面微流控芯片制作方法，其特征在于，步骤二中，对步骤一烘干后的基底进行研磨的具体方法为：

采用三氧化二铝、二氧化硅和碳化硅中的至少一种磨料将基底研磨3秒至20秒。

5.根据权利要求1所述的一种基于喷墨打印的平面微流控芯片制作方法，其特征在于，步骤二中，三氧化二铝、二氧化硅和碳化硅的粒径为60目至800目。

6.根据权利要求2或5所述的一种基于喷墨打印的平面微流控芯片制作方法，其特征在于，步骤二中，三氧化二铝、二氧化硅和碳化硅的粒径采用60目，100目，200目，325目，500目或800目。

7.根据权利要求2或3所述的一种基于喷墨打印的平面微流控芯片制作方法，其特征在于，步骤二中，对步骤一烘干后的基底进行研磨的方式为：磨料流动加工、磨料超声振动加工或喷砂加工。

8.根据权利要求7所述的一种基于喷墨打印的平面微流控芯片制作方法，其特征在于，步骤四中，通过微压电喷墨打印机在基底上制备超疏水图案采用的溶液的溶质为二甲基硅氧烷、二甲基氢硅氧烷、十八烷基三氯硅烷和三甲基氯硅烷中的一种或两种混合液。

9.根据权利要求2或8所述的一种基于喷墨打印的平面微流控芯片制作方法，其特征在于，

步骤四中，通过微压电喷墨打印机在基底上制备超疏水图案采用的溶液的溶剂为异丙醇、正丁醇、环己烷中的一种或多种。

10.根据权利要求2或3所述的一种基于喷墨打印的平面微流控芯片制作方法，其特征在于，步骤四中，打印机采用打印光盘封面模式进行打印，将基底通过胶带或胶水固定在打印光盘的托盘中进行打印。

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