基底表面微流控的方法与流程

本发明涉及一种微结构器件的制备方法，特别是涉及一种表面微流控的方法，应用于微结构器件的制备技术领域。

背景技术：

微流控技术是指在基地内通过制造微管道处理或者操控微小流体的技术，而表面微流控是指通过对基地表面进行处理，在基地表面实现微流控技术。

近年来，微全分析系统最大限度地将分析实验室的功能转移到便携的分析设备中或芯片上，极大的节约了研究成本，提高了实验分析的精确性，并实现分析系统的个人化和家用化，被称为“芯片实验室”的微流控技术，是中发展最快、最有研究前景的一个领域。 表面微流控以其 ①系统高度微型化、集成化; ②试剂消耗量小; ③高通量分离、检测，且选择性好; ④分析速度快; ⑤成本低的特点，引起了学者们的广泛关注，并且广泛应用于化学、材料、生物、药物分析、医学诊断领域。

其主流的制作方法主要有传统微流控法与传统表面微流控法。传统微流控法主要包括光刻绕注法、机械加工法、热压法、模塑法、刻蚀法等。但是传统的制备方法都有一些制备上的缺点和局限性，并且难以避免１）微通道结构的设计与制造；２）微纳尺度流体的驱动与控制；３）微流控器件及系统的集成与封装等繁琐的步骤，大大阻碍了微流控芯片的普及和推广。例如：机械加工法基于精密机械或者激光雕刻技术，在硬质材料如硅片、玻璃、亚克力板等表面加工出凹槽的方法得到微尺度槽道，该方法得到的通道密封较困难，通道壁面的粗糙度难以控制，通道透光生能也易受影响。传统表面微流控法主要通过基底表面的亲疏水不同实现液体的选择性流动，其方法的有点是，摒弃了繁琐的传统微流控技术中管道的制作方法，检测方法更加便捷，成为最有望取代传统方法的技术。但是其方法也有明显的缺陷，最主要的问题就是难以实现传统方法对液体的精确控制，从而变成了此方法的发展瓶颈。

技术实现要素：

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基底表面微流控的方法，能通过亲疏水表面图案实现液体选择流动，能通过控制亲疏水表面图案线宽的不同控制液体流动速度快慢，能通过电学选区加热实现表面微流控，还能通过表面微流定向控输送有机功能分子。本发明基底表面微流控的方法包括对基底进行修饰处理，在基底表面制作液体流动的预图案，利用亲疏水原理，使溶剂沿图案流动，通过电学加热的方法，控制溶剂定向流动，在溶剂掺杂染料分子定向输送与稀释，本发明方法提供了微流控技术的另一种途径。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种基底表面微流控的方法，包括如下步骤：

a. 选取基底，采用疏水性物质或者亲水性物质作为修饰剂，对基底表面进行修饰处理，在基底表面上形成修饰表层，制得疏水性基底或者亲水性基底；

b. 在经过所述步骤a修饰处理过的基底上引入预图案；

c. 向经过所述步骤a修饰过处理的基底上的预图案上转移设定量的液体材料，利用基底上的预图案的表面和基底其他表面的亲疏水性质不同，使液体材料仅仅沿着基底上的预图案的线条延伸方向进行流动，形成液体材料微流，通过在所述步骤a中控制基底上的预图案线宽变化与液体材料的温度变化，来控制液体材料微流的流速和液体材料形成的微流区域图案的尺寸。本发明通过图案线宽的变化以及基底表面温度的不同实现溶剂流动速度的控制，客服了传统微流控技术的阀门安装以及传统表面微流控技术中流速难以控制的问题。

作为本发明优选的技术方案，在所述步骤c中，通过控制基底上的预图案的材料温度变化来控制液体材料的温度变化，形成液体材料微流。

作为本发明的一种进一步优选的技术方案，在所述步骤c中，利用电学加热的方法，通过电学选区，使基底上的预图案的整体或局部与外部电路连接，形成外联电路系统，通过控制外联电路系统施加到基底上的预图案的电流，对基底上的预图案的整体或局部进行加热，通过控制基底上的预图案的整体温度变化或局部温度变化，来控制流经基底上的预图案的整体区域或局部区域的液体材料微流的温度变化，进而来设定液体材料微流的流动轨道路径，使液体材料微流仅沿着基底上的预图案进行定向流动。本发明利用电学控制来实现表面微流控的方法，通过使用亲疏水基底，实现微流控溶剂的选区流动，就克服了传统微流控技术使用微流管道控制液体的弊端；通过电学选区加热，实现图案化基底表面的温度变化，从而控制溶剂的定向流动，克服了传统表面微流控技术流体方向不能控制的问题。

作为本发明的另一种进一步优选的技术方案，在所述步骤c中，通过控制基底温度变化来控制基底上的预图案的材料温度变化。

作为本发明上述方案的进一步优选的技术方案，驱动液体材料微流沿着基底上的预图案的线条延伸方向进行流动时，所述液体材料是由掺杂有机功能分子材料的分散剂制成的分散液，或者是由掺杂有机功能分子材料的溶剂制成的溶液，其中，有机功能分子材料以溶剂为载体液，通过基底上的预图案的表面上的液体材料微流驱动作用，使液体材料微流携带着有机功能分子材料，沿着基底上的预图案进行定向输送。本发明能实现利用表面微流控输送有机功能分子。

上述有机功能分子材料优选采用NPB或Alq₃材料。

上述基底优选采用半导体材料片、玻璃片、陶瓷片、有机材料片和复合材料片中的任意一种材料片或经化学修饰的上述材料的基片。

上述基底优选采用硅、氧化硅、硅酸盐、氧化铝和有机材料中的任意一种材料或任意几种材料的复合材料制成。

上述修饰剂优选采用氯硅烷、氟硅烷或HMDS。

在基底上制备预图案时，优选通过电子束光刻、光学光刻、软光刻、掩膜或扫描探针显微镜光刻方法，在基底上制备预图案材料的吸附区。

在基底上制备预图案时，预图案材料的吸附区优选由在基底上沉积有利于有机材料沉积的材料形成。

在基底上制备预图案时，所选择使用的有利于有机材料沉积的材料优选采用钛、金、银和其他相对于基底有不同表面能的材料中的任意一种材料或任意几种的复合材料。

驱动液体材料沿着基底上的预图案的线条延伸方向进行流动时，优选采用的液体材料为蜡烛或2-羟乙基吡啶材料。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1. 本发明表面微流控方法发生在基底表面，克服了传统微流控技术中苛刻的实验条件、精密的实验仪器要求，克服的表面微流控技术中难以实现溶剂流向难以控制的问题；

2. 本发明能在实验环境方面，实现了大气环境中的表面微流控；

3. 本发明在动力方面不要特殊的推动装置，仅仅利用电流的加热控制流动与静止，通过简单得调控电流大小以及改变线宽即可实现液体的流速控制；

4. 本发明在实验仪器方面不需要特殊的管道制作工具，仅仅利用成熟的图案化技术实现芯片的制作；

5. 本发明在检测方面，液体不需要在特殊的管道中流动，使检测与应用更趋于方便；

5. 本发明克服了传统制作工艺的苛刻要求，又突破了传统表面微流控技术发展的瓶颈，而且对仪器与环境的要求较低。

附图说明

图1为本发明实施例一在均匀加热状况下，蜡烛在亲疏水基底表面，在不同线宽下流动的图像。

图2为本发明实施例二在亲疏水表面均匀加热时蜡烛流动的图像。

图3为本发明实施例三在亲疏水表面使用电流选择性加热时蜡烛流动图像。

图4为本发明实施例四用电流加热定向输送有机染料分子的图像。

图5为本发明实施例五用电流分别加热输送不同有机染料分子的图像。

图6为本发明实施例五用电流分别加热输送不同有机染料分子的线路发光图像。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1，一种基底表面微流控的方法，包括如下步骤：

a. 选取硅片作为基底，采用疏水性物质作为修饰剂，对基底表面进行修饰处理，具体为：首先将硅片用氯仿、丙酮、乙醇、水超声处理10min，然后氮气吹干备用；配制氯仿：正乙烷的摩尔比为3：7的混合溶液40ml，再加入OTS 10ul，搅拌均匀后得到修饰剂，将上述处理后备用的硅片基底放入修饰剂中，在通风橱内静置5-7小时，在将硅片从修饰剂中取出后，再分别用氯仿、丙酮、乙醇冲洗硅片，采用氮气吹干硅片 ，然后在80℃下烘烤硅片10分钟，在硅片表面上形成修饰表层，制得疏水性基底；

b. 在经过所述步骤a修饰处理过的基底上引入由一系列平行线条组成的预图案，具体为：将在所述步骤a中所得疏水性基底进行光刻，在疏水性基底上制备预图案材料的吸附区，然后真空气相沉积厚度为2-3nm的Ti和厚度为12nm的Au，制备出金图案；

c. 将在所述步骤b中制作好的金图案在加热台上均匀加热至100℃，当金图案的温度稳定后，在金图案的一端添加固体石蜡，待石蜡融化后，由于亲疏水不同，石蜡液体即会自动沿着金线图案流动，参见图1。向经过所述步骤a修饰过处理的基底上的预图案上转移石蜡，利用疏水性基底上的金图案的表面和疏水性基底其他表面的亲疏水性质不同，使石蜡液体仅仅沿着疏水性基底上的金图案的线条延伸方向进行流动，形成液体石蜡微流，通过在所述步骤a中控制疏水性基底上的金图案线宽变化与液体石蜡的温度变化，来控制液体石蜡微流的流速和液体石蜡形成的微流区域图案的尺寸。

本实施例在采用光刻结合真空气相沉积蒸镀金，得到不同线宽宽度的金图案，再在加热台上均匀加热，在不同线宽下添加固体石蜡，蜡烛融化后即沿着预定的方向流动。线宽较宽时流动速度快，线宽较窄时流动速度慢，参见图1。本实施例方法可以应用于进行化学、材料、生物、药物分析、医学诊断等芯片器件的制备技术领域。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图2，一种基底表面微流控的方法，包括如下步骤：

a. 选取玻璃作为基底，采用疏水性物质作为修饰剂，对基底表面进行修饰处理，具体为：首先将玻璃用氯仿、丙酮、乙醇、水超声处理10min，然后氮气吹干备用；配制氯仿：正乙烷的摩尔比为3：7的混合溶液40ml，再加入OTS 10ul，搅拌均匀后得到修饰剂，将上述处理后备用的玻璃基底放入修饰剂中，在通风橱内静置5-7小时，在将玻璃从修饰剂中取出后，再分别用氯仿、丙酮、乙醇冲洗玻璃，采用氮气吹干玻璃 ，然后在80℃下烘烤硅片10分钟，在玻璃表面上形成修饰表层，制得疏水性基底；

b. 在经过所述步骤a修饰处理过的基底上引入具有同种宽度分支的预图案，具体为：将在所述步骤a中所得疏水性基底进行光刻，在疏水性基底上制备预图案材料的吸附区，然后真空气相沉积厚度为2-3nm的Ti和厚度为12nm的Au，制备出金图案；

c. 将在所述步骤b中制作好的金图案在加热台上均匀加热至100℃，当金图案的温度稳定后，在金图案的一端添加固体石蜡，待石蜡融化后，即会自动沿着金线图案的各分支线条流动，参见图2。向经过所述步骤a修饰过处理的基底上的预图案上转移石蜡，利用疏水性基底上的金图案的表面和疏水性基底其他表面的亲疏水性质不同，使石蜡液体仅仅沿着疏水性基底上的金图案的线条延伸方向进行流动，形成液体石蜡微流，通过在所述步骤a中控制疏水性基底上的金图案线宽变化与液体石蜡的温度变化，来控制液体石蜡微流的流速和液体石蜡形成的微流区域图案的尺寸。

本实施例在采用光刻结合真空气相沉积蒸镀金，得到具有同种宽度分支的金图案，再在加热台上均匀加热，在不同线宽下添加固体石蜡，蜡烛融化后即沿着预定的方向流动，参见图2。本实施例方法可以应用于进行化学、材料、生物、药物分析、医学诊断等芯片器件的制备技术领域。

实施例三：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图3，一种基底表面微流控的方法，包括如下步骤：

a. 本步骤与实施例二相同；

b. 本步骤与实施例二相同；

c. 利用电学加热的方法，选用电流控制加热方式，通过电学选区，使疏水性基底上的金图案的局部与外部电路连接，形成外联电路系统，通过控制外联电路系统施加到疏水性基底上的金图案的电流，对疏水性基底上的金图案的局部进行加热，未被通电的疏水性基底上的金图案的其他区域则没有被通电加热而温度较低，通过控制疏水性基底上的金图案的局部温度变化，来控制流经疏水性基底上的金图案的局部区域的液体材料微流的温度变化，进而来设定液体材料微流的流动轨道路径，使液体材料微流仅沿着疏水性基底上的金图案进行定向流动。对在所述步骤b中制作好的金图案局部进行加热，当金图案的温度稳定后，在金图案的一端添加固体石蜡，待石蜡融化后，即会自动沿着金线图案的选定分支线条流动，参见图3。向经过所述步骤a修饰过处理的基底上的预图案上转移石蜡，利用疏水性基底上的金图案的表面和疏水性基底其他表面的亲疏水性质不同，使石蜡液体仅仅沿着疏水性基底上的金图案的线条延伸方向进行流动，形成液体石蜡微流，通过在所述步骤a中控制疏水性基底上的金图案线宽变化与液体石蜡的温度变化，来控制液体石蜡微流的流速和液体石蜡形成的微流区域图案的尺寸。

本实施例由于石蜡在一定温度下才会融化，所以只要调节好电流大小，石蜡融化后即会沿着通电的区域流动。从而到达定向控制液体流动的目的，在亲疏水表面使用电流选择性加热时蜡烛流动图像，参见图3。本实施例选用玻璃作为基底进行上述操作，制作出亲疏水不同的电路金线图案，连接电路，利用直流稳压电源选取合适电流，进行电学选区加热。一端滴放蜡烛，蜡烛融化后即会沿着通电的金线电路流动。本实施例通过简单电学控制来实现表面微流控技术的方法，对基底进行修饰处理后，在基底表面制作液体流动的预图案，利用亲疏水原理，使溶剂沿图案流动，通过电学加热的方法，控制溶剂定向流动，在溶剂掺杂染料分子定向输送与稀释，此方法提供了微流控技术的另一种途径。本实施例方法可以应用于进行化学、材料、生物、药物分析、医学诊断等芯片器件的制备技术领域。

实施例四：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图4，一种基底表面微流控的方法，包括如下步骤：

a. 本步骤与实施例二相同；

b. 本步骤与实施例二相同；

c. 将蜡烛加热到100℃溶化后加入染料分子NPB后，在加热状态下超声至溶解，然后冷却至固体状态备用；然后利用电学加热的方法，选用电流控制加热方式，通过电学选区选择一条线路，使疏水性基底上的金图案的局部与外部电路连接，形成外联电路系统，用直流稳压电源加热，通过控制外联电路系统施加到疏水性基底上的金图案的电流，对疏水性基底上的金图案的局部进行加热，未被通电的疏水性基底上的金图案的其他区域则没有被通电加热而温度较低，通过控制疏水性基底上的金图案的局部温度变化，来控制流经疏水性基底上的金图案的局部区域的液体材料微流的温度变化，进而来设定液体材料微流的流动轨道路径，使液体材料微流仅沿着疏水性基底上的金图案进行定向流动。对在所述步骤b中制作好的金图案局部进行加热，当金图案的温度稳定后，在金图案的一端添加含有染料分子的固体蜡烛，待石蜡融化后，即会自动沿着金线图案的选定分支线条流动，参见图4。向经过所述步骤a修饰过处理的基底上的预图案上转移含有染料分子的固体蜡烛，利用疏水性基底上的金图案的表面和疏水性基底其他表面的亲疏水性质不同，使含有染料分子的蜡烛液体仅仅沿着疏水性基底上的金图案的线条延伸方向进行流动，形成含有染料分子的蜡烛液体微流，通过在所述步骤a中控制疏水性基底上的金图案线宽变化与含有染料分子的蜡烛液体的温度变化，来控制含有染料分子的蜡烛液体微流的流速和含有染料分子的蜡烛液体形成的微流区域图案的尺寸。

本实施例由于蜡烛在一定温度下才会融化，所以只要调节好电流大小，石蜡烛化后即会沿着通电的区域流动。从而到达定向控制液体流动的目的，实现通过蜡烛作为溶剂定向输送有机染料分子，将本实施例制备的芯片结构器件样品用紫外光激发，即可得到发光的一条线路，参见图4。本实施例将蜡烛在加热台上加热融化，趁热加入有机功能小分子，并在加热状态下进行超声使功能分子溶解到蜡烛中，再通过c步骤利用电学加热定向输送有机功能分子。本实施例方法可以应用于进行化学、材料、生物、药物分析、医学诊断等芯片器件的制备技术领域。

实施例五：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图5和图6，一种基底表面微流控的方法，包括如下步骤：

a. 本步骤与实施例二相同；

b. 在经过所述步骤a修饰处理过的基底上引入具有同种宽度的三条分支的预图案，具体为：将在所述步骤a中所得疏水性基底进行光刻，在疏水性基底上制备预图案材料的吸附区，然后真空气相沉积厚度为2-3nm的Ti和厚度为12nm的Au，制备出金图案；

c. 将蜡烛加热到100℃溶化后分别加入染料分子NPB和绿色Alq₃后，在分别加热状态下超声至溶解，然后分别冷却至固体状态备用，同时采用红色蜡烛作为第三种材料，本实施例与实施例四相比采用了不同的染料分子；然后利用电学加热的方法，选用电流控制加热方式，通过电学选区选择一条线路，使疏水性基底上的金图案的三条分支皆与外部电路连接，形成外联电路系统，用直流稳压电源加热，通过控制外联电路系统施加到疏水性基底上的金图案的电流，对疏水性基底上的金图案进行加热，通过控制疏水性基底上的金图案温度变化，来控制流经疏水性基底上的金图案的三条分支的液体材料微流的温度变化，进而来设定液体材料微流的流动轨道路径，使液体材料微流仅沿着疏水性基底上的金图案进行定向流动。利用电学加热对在所述步骤b中制作好的金图案不同线路进行加热，当金图案的温度稳定后，分别沿着输送含有染料分子NPB的蜡烛、含有染料分子Alq₃的蜡烛和红色蜡烛这三种蜡烛，使这三种蜡烛液体自动沿着金线图案的选定分支线条流动，参见图5。向经过所述步骤a修饰过处理的基底上的预图案上的三条分支转移各含有染料分子的固体蜡烛，利用疏水性基底上的金图案的表面和疏水性基底其他表面的亲疏水性质不同，使各蜡烛液体仅仅对应沿着疏水性基底上的金图案的线条延伸方向进行流动，形成各蜡烛液体微流，通过在所述步骤a中控制疏水性基底上的金图案线宽变化与各蜡烛液体的温度变化，来控制各蜡烛液体微流的流速和各蜡烛液体形成的微流区域图案的尺寸。

将本实施例制备的芯片结构器件样品用紫外光激发，即可得到三条发不同颜色光的线路，参见图6。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明基底表面微流控的方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。