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CN110354921A - 一种亚微米级的微流体通道器件及其应用 - Google Patents

一种亚微米级的微流体通道器件及其应用 Download PDF

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CN110354921A CN201910543987.4A CN201910543987A CN110354921A CN 110354921 A CN110354921 A CN 110354921A CN 201910543987 A CN201910543987 A CN 201910543987A CN 110354921 A CN110354921 A CN 110354921A
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channel device
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张嘉荣
王晗
王志锋
姚洪辉
严圣勇
曾俊
许国杰
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Guangdong University of Technology
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Guangdong University of Technology
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    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B1/00—Devices without movable or flexible elements, e.g. microcapillary devices
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
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    • D01D5/0007—Electro-spinning
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Abstract

本发明属于近场静电纺丝和微流道技术领域，公开一种亚微米级的微流体通道器件及其应用。所述器件是采用静电纺丝法将PEO溶液在导电玻璃上直写取向PEO纤维阵列，用胶带固定纤维两端，待PEO纤维完全干透后，沿着PEO纤维取向方向加入PDMS溶液，置于50～60℃真空干燥固化后，将剥离固化后的PDMS层超声，并浸泡在乙醇中，吹干，形成带亚微米级流道的PDMS光板；在导电玻璃上倒入PDMS溶液，置于50～60℃真空干燥固化后取出，形成不带流道的PDMS光板；利用热压将上述PDMS光板贴合，在压力的条件下，干燥中抽真空后取出，完成微流体通道器件的键合；在蓄水池处开设出入口，并将尼龙细管插入孔中固定制得。

Description

一种亚微米级的微流体通道器件及其应用
技术领域
本发明属于近场静电纺丝和微流道技术领域，更具体地，涉及一种亚微米级的微流体通道器件及其应用。
背景技术
近几十年来，随着微流体通道技术的不断发展，从微米发展到亚微米尺寸，广泛应用于分析化学、DNA及蛋白质分子的操作、环境监控、卫生保健和诊断等领域。聚二甲基硅氧烷(PDMS)的软倒模技术因具有成本低、透明性、透气性及生物兼容性好等优势，成为了制备微纳流体通道流行的技术。近年来，出现了一系列配合PDMS软光刻技术制作微纳结构及图案母模的技术，主要包括了超精密加工、光刻和电流体动力喷印技术其中，作为传统制备微纳图案的超精密加工和光刻技术，受限于综合成本高及制备过程复杂的特点，使其难以满足高性价比制造要求。而电流体动力喷印技术因其具有制备分辨率高、生物兼容性较好及低成本高灵活性等优势而备受关注，成为新一代的制备微纳微流体器件优势技术。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的不足之处，本发明首要目的在于提供一种亚微米级的微流体通道器件。
本发明的另一目的在于提供上述亚微米级的微流体通道器件的制备方法。通过近场直写合适的工艺来堆叠低层数的PEO纤维墙，结合PDMS倒模技术来制备亚微米级别的微流体通道器件。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种亚微米级的微流体通道器件，所述微流体通道器件的制备具体过程为：
S1.PEO溶液的配制：将PEO加入去离子水和挥发性溶剂配制成PEO溶液；
S2.带亚微米级流道的PDMS光板的制备：采用静电纺丝法将步骤S1配制的PEO溶液在导电玻璃上直写取向PEO纤维阵列，采用具有粘性的胶带固定纤维两端作为微流体通道的蓄水池模板，待PEO纤维完全干透后，倾斜导电玻璃，并沿着PEO纤维取向方向加入配置好的PDMS溶液，所述PDMS溶液由PDMS与固化剂组成，并平放静置，置于50～60℃真空干燥固化后取出，将剥离固化后的PDMS层放入去离子水中超声，并浸泡在无水乙醇中，取出用去离子水洗净并吹干，使PEO的倒模图案留在PDMS上，形成带亚微米级流道的PDMS光板；
S3.不带流道的PDMS光板的制备：在导电玻璃上倒入步骤S1中的PDMS溶液，置于50～60℃真空干燥固化后取出，形成不带流道的PDMS光板；
S4.利用热压将步骤S1和S2所得的带亚微米级流道的PDMS光板和不带流道的PDMS光板贴合，在压力的条件下，干燥中抽真空后取出，完成微流体通道器件的键合；
S5.在蓄水池处开设出入口，并将尼龙细管插入孔中固定，制得微流体通道器件。
优选地，步骤S1中所述PEO的分子量为100～200万，所述PEO溶液的质量浓度为3～10wt％。
优选地，步骤S1中所述挥发性溶剂为无水乙醇或丙酮；所述去离子水与挥发性溶剂的体积比为(1～2)：1。
优选地，步骤S2中所述静电纺丝的工艺参数为：纺丝针头到基板的距离为2.3～3.5mm，电压为1.5～2.5KV，基板速度为50～90mm/s。
优选地，步骤S2中所述固化剂为SYLGARD184。
优选地，步骤S2中所述PDMS和固化剂的质量比为5：(1～2)。
优选地，步骤S2中所述的静置的时间为1～2h。
优选地，步骤S2中所述的固化的时间为2～3h，所述超声的时间为0.3～0.5h，所述浸泡的时间为2～3h。
优选地，步骤S4中所述的压力为4-6N/50mmx50mm的PDMS。
优选地，步骤S4中所述的干燥的温度为50～60℃，所述的抽真空的时间为0.5～1h。
所述的亚微米级的微流体通道器件在微流控芯片，微机电系统、细胞筛选、微纳油液混合器件领域中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明利用静电纺丝近场直写工艺可定位沉积复杂亚微米级PEO图案，并配合PDMS来制备亚微米流道，制作步骤简单且灵活；
2.本发明可根据实际需求，通过规划运动路径控制纺丝运动平台制备出自主设计复杂化的图案，再通过该制作方法，可以获得目标图案的亚微米流道器件，具有操作简单，制备周期短，价格低等优点；
3.本发明的纺丝溶液的溶剂使用合适比例的去离子水和无水乙醇的混合液，无水乙醇的易挥发性能有利于纺丝过程中纺丝纤维的快速凝固，从而提高纤维的堆叠强度，保证后续的PDMS倒模成功，如果不加无水乙醇等挥发剂，PEO纤维无法堆叠，在PDMS上很难形成完整的流道。
附图说明
图1近场静电纺丝的原理图。
图2为本发明的亚微米流道的制备流程。
图3为PDMS倒模剥离图。
图4为PDMS流道SEM主视图。
图5为PDMS流道SEM俯视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
微流体通道器件的制备具体过程为：
S1.PEO溶液的配制：将聚氧化乙烯(PEO，200万分子量)加入去离子水与无水乙醇配制成质量浓度为8wt％的PEO溶液；
S2.带亚微米级流道的PDMS光板的制备：采用静电纺丝法，如图1近场静电纺丝的原理所示，将步骤S1配制的PEO溶液，在极距为(纺丝针头到基板的接受距离)3.0mm，电压为1.7KV，基板速度为80mm/s条件下用孔径为28G的针头，在导电玻璃上直写取向PEO纤维阵列，采用具有粘性的胶带固定纤维两端作为微流体通道的蓄水池模板，待PEO纤维完全干透后，倾斜导电玻璃，并沿着PEO纤维取向方向加入配置好的PDMS溶液，所述PDMS溶液由PDMS与固化剂组成，并平放静置，置于50～60℃真空干燥固化后取出，将剥离固化后的PDMS层放入去离子水中超声，并浸泡在无水乙醇中，取出用去离子水洗净并吹干，使PEO的倒模图案留在PDMS上，形成带亚微米级流道的PDMS光板；固化后的PDMS厚度大约为5.0mm；
S3.不带流道的PDMS光板的制备：在导电玻璃上倒入步骤S1中的PDMS溶液，置于50～60℃真空干燥固化后取出，形成不带流道的PDMS光板；
S4.利用热压将步骤S1和S2所得的带亚微米级流道的PDMS光板和不带流道的PDMS光板贴合，在压力的条件下，干燥中抽真空后取出，完成微流体通道器件的键合；
S5.在蓄水池处开设出入口，并将尼龙细管插入孔中固定，制得微流体通道器件。
图2为本发明的亚微米流道的制备流程，如图2中(1)所示在导电玻璃上直写取向PEO纤维阵列，随后采用透明胶带固定纤维两端作为微流体通道的蓄水池模板，如图2中(2)所示，待PEO纤维完全干透后，倾斜导电玻璃，并沿着PEO纤维取向方向缓慢倒配置好的PDMS溶液，并平放静置1小时(图2中(3))。同时，在洁净的导电玻璃上制作同样的PDMS光板，作为微流体通道器件的基板。将带PDMS的导电玻璃置于真空干燥炉内，待固化后取出，并利用镊子剥离固化后的PDMS层(图2中(4))。因PEO纤维强度较弱且易残留在PDMS中，将PDMS放入去离子水中超声振动半个小时，并浸泡在无水酒精中4小时以上，取出并利用去离子水洗净并吹干，此时PEO的倒模图案留在PDMS上，如图2终稿(5)所示。最终利用热压技术，将两块PDMS贴合，在500g压力的条件下，置入60℃干燥炉中抽真空2小时后取出，完成微流体通道器件的键合。接着利用自制工具在蓄水池处开约为1.0mm大小的出入口，并将尼龙细管插入孔中并固定，为完整的微流体器件的引入和流出液体做准备，完成微流体通道器件的制备，如图2中(6)所示。
图3为PDMS倒模剥离图。从图3中可知，PEO纤维成功在固化的PDMS上倒模出阵列流道；图4为PDMS流道SEM主视图。图5为PDMS流道SEM俯视图。从图4-5中可知，通过该制作方法可以制备800～900微米的流体通道。
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、组合和简化，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)

1.一种亚微米级的微流体通道器件，其特征在于，所述微流体通道器件的制备具体过程为：
S1.PEO溶液的配制：将PEO加入去离子水和挥发性溶剂配制成PEO溶液；
S2.带亚微米级流道的PDMS光板的制备：采用静电纺丝法将步骤S1配制的PEO溶液在导电玻璃上直写取向PEO纤维阵列，采用具有粘性的胶带固定纤维两端作为微流体通道的蓄水池模板，待PEO纤维完全干透后，倾斜导电玻璃，并沿着PEO纤维取向方向加入PDMS溶液，所述PDMS溶液由PDMS与固化剂组成，并平放静置，置于50～60℃真空干燥固化后取出，将剥离固化后的PDMS层放入去离子水中超声，并浸泡在无水乙醇中，取出用去离子水洗净并吹干，使PEO的倒模图案留在PDMS上，形成带亚微米级流道的PDMS光板；
S3.不带流道的PDMS光板的制备：在导电玻璃上倒入步骤S1中的PDMS溶液，置于50～60℃真空干燥固化后取出，形成不带流道的PDMS光板；
S4.利用热压将步骤S1和S2所得的带亚微米级流道的PDMS光板和不带流道的PDMS光板贴合，在压力的条件下，干燥中抽真空后取出，完成微流体通道器件的键合；
S5.在蓄水池处开设出入口，并将尼龙细管插入孔中固定，制得微流体通道器件。
2.根据权利要求1所述的亚微米级的微流体通道器件，其特征在于，步骤S1中所述PEO的分子量为100～200万，所述PEO溶液的质量浓度为3～10wt％。
3.根据权利要求1所述的亚微米级的微流体通道器件，其特征在于，步骤S1中所述挥发性溶剂为无水乙醇或丙酮；所述去离子水与挥发性溶剂的体积比为(1～2)：1。
4.根据权利要求1所述的亚微米级的微流体通道器件，其特征在于，步骤S2中所述静电纺丝的工艺参数为：纺丝针头到基板的距离为2.3～3.5mm，电压为1.5～2.5KV，基板速度为50～90mm/s。
5.根据权利要求1所述的亚微米级的微流体通道器件，其特征在于，步骤S2中所述固化剂为SYLGARD184；所述PDMS和固化剂的质量比为5：(1～2)。
6.根据权利要求1所述的亚微米级的微流体通道器件，其特征在于，步骤S2中所述的静置的时间为1～2h。
7.根据权利要求1所述的亚微米级的微流体通道器件，其特征在于，步骤S2中所述的固化的时间为2～3h，所述超声的时间为0.3～0.5h，所述浸泡的时间为2～3h。
8.根据权利要求1所述的亚微米级的微流体通道器件，其特征在于，步骤S4中所述的压力为4-6N/50mmx50mm的PDMS。
9.根据权利要求1所述的亚微米级的微流体通道器件，其特征在于，步骤S4中所述的干燥的温度为50～60℃，所述的抽真空的时间为0.5～1h。
10.权利要求1-9任一项所述的亚微米级的微流体通道器件在微流控芯片，微机电系统、细胞筛选、微纳油液混合器件领域中的应用。
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