CN206814393U - 一种基于微针的外部传输的电喷射装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于微针的外部传输的电喷射装置。该装置包括：至少1个微针，所述微针是前端细而末端粗的锥形，在微针的表面具有微纳结构，微纳结构由微针的储液位置贯通到微针的尖端；所述微纳结构为微纳沟槽结构或微纳突起结构；目标基底；电源，用以在微针与目标基底之间施加电压。本发明采用基于微针的外部传输，单次输运液体量小，不存在堵塞问题，能够实现大量液体的断续或连续输运，均匀一致，分辨率高，对材料的适用性广。采用非接触式方法，克服了探针转移技术对探针和基底的损伤、速度低的缺陷。

Description

一种基于微针的外部传输的电喷射装置

技术领域

本实用新型属于微量液体分配技术领域，特别涉及一种基于微针的外部传输的电喷射装置。

背景技术

微量液体分配技术已经成为生物化学分析及微制造领域的关键技术。现有的生物化学分析检测手段因为对检测样本容量的需求大，浓度高而受到限制。因此，将检测液分配形成微液滴阵列成为检测的良好选择方式。如何获得高分辨率，低时耗，低成本，高通量的液体分配技术成为发展的共同追求。

专利201510303559.6公布了通过微探针表面带取向的微纳沟槽结构传输液体的技术。利用一种带取向的微探针可以在表面张力的驱动下连续的传输液体，单次输运液体量小，不存在堵塞问题，能够实现大量液体的断续或连续输运，均匀一致，分辨率高。但此方法仍然是一种接触式方法，无法克服传输速度有限，对基底和针尖有损伤的缺点，且对传输液体的浓度要求比较苛刻。因此，本发明提出一种基于微针的外部传输的电喷射装置。

实用新型内容

针对现有技术不足，本实用新型提供了一种基于微针的外部传输的电喷射装置。

一种基于微针的外部传输的电喷射装置，该装置包括：

至少1个微针，所述微针是前端细而末端粗的锥形，在微针的表面具有微纳结构，微纳结构由微针的储液位置贯通到微针的尖端；所述微纳结构为微纳沟槽结构或微纳突起结构；

目标基底；

电源，用以在微针与目标基底之间施加电压。

一种实施方式中，该装置还包括移动装置，用以控制微针与目标基底的相对位置。

一种实施方式中，该装置还包括支架，在支架上直立地设有支撑杆，横杆的一端连接在支撑杆上，另一端连接微针，横杆能够相对支撑杆发生转动和上下移动，由此来对目标基底与微针的相对位置进行粗调；载物台通过载物台移动装置设置在支架上，目标基底置于载物台上，由载物台移动装置控制目标基底相对微针的上下、左右、前后位移的精细调节。

一种实施方式中，该装置还包括微纳观察装置，用以观察微针相对目标基底的位置，以及喷射出的微液滴。

一种实施方式中，该装置还包括固化装置，用以对液滴进行固化。

一种实施方式中，在微针的末端设有外套管，外套管的内表面与微针的外表面之间具有间隙，形成储液结构；所述储液结构与微纳结构连通。

一种实施方式中，该装置还包括微量泵，用以向储液结构中输送液体。

一种实施方式中，所述微纳沟槽结构的平均宽度及平均深度分别为10纳米～50微米；所述微纳突起结构的外径为10纳米～50微米。

一种实施方式中，所述微纳沟槽结构沿轴向排布或与轴向呈小于45°的夹角。

一种实施方式中，所述微纳沟槽结构为直线型、交叉型或曲线型。

一种实施方式中，所述微针的尖端的曲率圆半径小于10微米。

本实用新型的有益效果为：本发明采用基于微针的外部传输，单次输运液体量小，不存在堵塞问题，能够实现大量液体的断续或连续输运，均匀一致，分辨率高，对材料的适用性广。采用非接触式方法，克服了探针转移技术对探针和基底的损伤、速度低的缺陷。本装置可以应用于生物化学检测，实现样本需求量小，快速的检测和分析；还可以应用于微纳制造，实现自下而上，高精度，高速度的精密制造。

附图说明

图1为几种不同微纳结构的微针示意图。

图2为基于微针外表面传输的电喷射的原理示意图。

图3为蘸取式存储液体的示意图。

图4为利用微量泵输送液体的示意图。

图5为在目标基底上分配液滴阵列的示意图。

图6为利用光敏材料在目标基底上实现3D打印微纳制造的示意图。

图7为一种基于微针外部传输的电喷射装置的示意图。

图8为多个微针并行工作模式的示意图。

图中标记：1-直线型微纳沟槽结构、2-交叉型微纳沟槽结构、3-微纳突起结构、4-曲线型微纳沟槽结构、5-微针、6-储存液、7-储液基底、8-外套管、9-微量泵、10-固化装置、11-微纳观察装置、12-目标基底、13-载物台、14-载物台移动装置、15-电源、16-支架、17-并行微针、18-检测芯片、19-电路控制装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

本发明提供了一种基于微针的外部传输的电喷射装置，该装置包括微针，目标基底，以及用以在微针与目标基底之间施加电压的电源。

所述微针是前端细而末端粗的锥形，在微针的表面具有微纳结构，微纳结构由微针的储液位置贯通到微针的尖端。如图1所示，所述微纳结构为微纳沟槽结构，所述微纳沟槽结构可以是直线型微纳沟槽结构1、交叉型微纳沟槽结构2、曲线型微纳沟槽结构4，微纳沟槽结构沿轴向排布或与轴向呈小于45°的夹角，微纳沟槽结构的平均宽度及平均深度分别为10纳米～50微米。所述微纳结构还可以是微纳突起结构3，所述微纳突起结构的外径为10纳米～50微米。微针的尖端一般为半球形，其曲率圆半径小于10微米。

微针可以是通过电化学腐蚀或微纳加工获得的金属微针、表面沉积绝缘层的金属微针，或是表面沉积导电涂层(如金属层)的非金属材料的微针。

其中，可以通过蘸取液体的方式，向微针的储液位置输送液体。根据表面能最小原理，在锥形表面上，液滴会在表面张力的作用下自发地向曲率半径大的位置运动，直至达到平衡状态。因此合理设置微针上的储液位置，可以实现液体自发的运动至储液位置。蘸取式输送液体的一种实施例如图3所示，直接将微针尖端浸入储液基底7上的储存液6(毫米尺度以上的液滴)中，然后拔出微针，由于固液界面之间的粘附力，拔出过程会产生液桥，当液桥断裂后，会有部分液体残留到微针上，并自发的运动到微针的储液位置。还可以通过外接微量泵的方式，向微针的储液位置输送液体。外接微量泵的补充液体方式的一个实施例如图4所示，在微针的末端设有外套管8，外套管8的内表面与微针的外表面之间具有间隙，形成储液结构；所述储液结构与微纳结构连通。将微针的储液结构与微量泵9通过微管相连，启动微量泵9后，液体不断的从微量泵9挤出，不断向微针补充液体。本发明中所述微量泵9是一种广义的泵，包括市场上存在很多喷射液体的商业设备，例如压电振动喷射头等。

所述目标基底是一种导电材料或者绝缘材料，所述目标基底可以是柔性或者刚性材料。

所述电源的正负极分别通过导线连接至微针和目标基底。

该基于微针的外部传输的电喷射装置的工作方法，包括如下几个步骤：

1)通过蘸取液体或外接微量泵的方式向微针的储液位置放置或补充液体，液体的电导率大于10^-8S/m。微针储液位置的液体，在毛细力作用下通过微针表面的微纳结构不断向微针的尖端传输。

2)调节微针与目标基底之间的距离介于0.1微米至100微米，接通电源，在微针与目标基底之间施加电压，液体不断喷射到目标基底上。其中，如图2所示，在微针与目标基底之间施加电压时，在微针与目标基底之间形成锥形的电场分布，在微针的轴线方向电场最强，沿水平方向向外逐渐减弱，在库仑力和液体表面张力的共同作用下，微针最尖端表面的液体形成泰勒圆锥(Taylor G.Disintegration of water drops in an electricfield.Proceedings of the Royal Society of London A:Mathematical,Physical andEngineering Sciences.The Royal Society,1964,280(1382):383-397.)，当库仑力克服表面张力则可以从微针的最尖端喷射出直径范围为10纳米到100微米的液滴，喷射出的液体尺寸可以远远小于微针尖端的直径。施加的电压可以随微针与目标基底之间的距离变化而变化，一般距离越大，则施加的电压越大。

3)通过控制微针与目标基底的相对位置，液体在目标基底上可以形成点、线、面等复杂的设计图案。控制目标基底停顿的时间可以控制目标基底上液滴的大小；控制移动的速度可以控制液滴之间的间距；当移动速度足够小时，则相邻液滴会发生合并，进而形成线条。当传输液体为光敏材料或者是热敏材料，可以通过特定光照射或加热方式使液体固化，形成复杂的三维结构。

本发明可以用于生物化学分析检测中的微液体分配。如图5所示为应用于生物化学分析中的一个实施例。在微针的储液位置中添加待检测的液体，在检测芯片18与微针之间施加电压后，通过控制软件可以设置微针的停顿时间和微针相对检测芯片18发生位移的移动速度，在检测芯片18的确定位置准确的喷射出微量液体阵列，实现低样本量、快速的检测。一般在生物化学分析或微制造中，需要保证一定的精度和良好的重复性，因此需要控制好喷射液体的液滴直径，这可以通过实时控制电压的大小来抑制喷射过程扰动带来的影响，从而可以得到尺寸均一的微液滴。

本发明还可以用于微纳制造领域的3D打印。如图6所示为应用于微纳制造领域3D打印的一个实施例。在微针的储液位置中添加一种光敏材料，在目标基底与微针之间施加电压，通过软件控制微针相对目标基底的移动，形成液体图案，开启光固化装置10，将目标基底上的液体图案暴露在光固化装置10下10s，使其固化成固体层。当一层的图案打印完成后，自动调节微针相对目标基底的高度，开始新一层的打印，实现三维结构的打印。

图7为一种基于微针的外部传输的电喷射装置的示意图。在支架16上直立地设有支撑杆，横杆的一端连接在支撑杆上，另一端连接微针5，横杆能够相对支撑杆发生转动和上下移动，由此来进行目标基底12相对微针5的位置的粗调。载物台13通过载物台移动装置14设置在支架16上，目标基底12置于载物台13上，由载物台移动装置14控制目标基底12相对微针5的上下、左右、前后位移的精细调节。微量泵9通过软管连接至微针5的储液结构。电源15的正负极分别与微针5和载物台13连接。还设有微纳观察装置11，用以观察微针5相对目标基底12的位置，以及喷射出的微液滴，其可以是光学成像显微镜。

具体过程为，由微量泵9向微针5输送液体，在微纳观察装置11的观察下，首先由横杆带动微针5移动，对微针5与目标基底12之间的相对位置进行粗调；载物台移动装置14带动载物台13上的目标基底12发生上下、左右、前后移动，进行精细调节，保证微针5位于目标基底12的设定位置。微针5上储液结构中的液体浸润到微针5表面的微纳结构中，并通过微纳结构的毛细驱动传输到微针5的尖端，通过电源15在微针5与载物台13之间施加电压，液体在库仑力和表面张力的共同作用下喷射至目标基底12上。载物台移动装置14带动目标基底12不断移动，则在目标基底12上形成设计的图案。该过程中，通过微纳观察装置11对微液体图案进行观察。

当需要形成大量重复的图案时，可以使用并行微针17的方式来提高速度。并行微针17是通过将微加工或机械装配的方式实现多根微针的组合，微针的高度和间距相同。如图8所示为并行微针的示意图，3根微针通过机械装配的方式连接到一起，微针与目标基底之间的距离相同，在微针与目标基底之间施加电压后，通过电路控制装置19，可以控制同时产生3个微小液滴，也可以实现不同微针的程序化控制。

Claims (11)

1.一种基于微针的外部传输的电喷射装置，其特征在于，该装置包括：

至少1个微针，所述微针是前端细而末端粗的锥形，在微针的表面具有微纳结构，微纳结构由微针的储液位置贯通到微针的尖端；所述微纳结构为微纳沟槽结构或微纳突起结构；

目标基底；

电源，用以在微针与目标基底之间施加电压。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括移动装置，用以控制微针与目标基底的相对位置。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括支架，在支架上直立地设有支撑杆，横杆的一端连接在支撑杆上，另一端连接微针，横杆能够相对支撑杆发生转动和上下移动，由此来对目标基底与微针的相对位置进行粗调；载物台通过载物台移动装置设置在支架上，目标基底置于载物台上，由载物台移动装置控制目标基底相对微针的上下、左右、前后位移的精细调节。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括微纳观察装置，用以观察微针相对目标基底的位置，以及喷射出的微液滴。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括固化装置，用以对液滴进行固化。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在微针的末端设有外套管，外套管的内表面与微针的外表面之间具有间隙，形成储液结构；所述储液结构与微纳结构连通。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，该装置还包括微量泵，用以向储液结构中输送液体。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微纳沟槽结构的平均宽度及平均深度分别为10纳米～50微米；所述微纳突起结构的外径为10纳米～50微米。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微纳沟槽结构沿轴向排布或与轴向呈小于45°的夹角。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微纳沟槽结构为直线型、交叉型或曲线型。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微针的尖端的曲率圆半径小于10微米。