CN111905846B - 基于微等离子体的纸基微流控芯片的制备装置与制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于微等离子体的纸基微流控芯片的制备装置与制备方法，包括等离子体发生器主体、高压电极片、接地电极片、等离子体射流喷嘴、工作气源、高压电源，高压电极片粘贴在等离子体发生器主体的一侧，并与高压电源的高压端相连；接地电极片粘贴在等离子体发生器主体另一侧，并与高压电源的接地端相连；等离子体射流喷嘴置于等离子体发生器主体下方，工作气源与等离子体发生器主体相连；本发明能够在无掩膜条件下实现微流体通道的高精度图形化加工，且加工参数实时可调；从而能够快速制备具有不同线宽、不同图案、不同润湿特性的亲/疏水微细通道，大大提高了纸基微流控芯片的制备效率。
Description
技术领域
本发明涉及气体放电等离子体技术领域，具体涉及一种基于微等离子体的纸基微流控芯片的制备装置与制备方法。
背景技术
随着食品安全、环境污染和医药卫生问题的日益突出，迫切需要一种快速准确的现场即时检测方法来满足样品实时检测与分析需求。纸基微流控芯片是分析检测领域出现的一种新兴微流控分析技术，因其采用纸张作为衬底代替传统材料如硅、玻璃以及高聚物等，且流体在纸上可通过毛细力实现无泵自驱动，使其具有成本低、加工简单、使用和携带方便等独特优势，在医疗诊断、食品质量检测和环境监测等领域具有广阔的应用前景。
针对纸基微流控芯片的制备，其核心就是在纸上加工出具有特定结构和图案的亲/疏水微通道网络，使得流体按既定轨迹流动，从而构建纸上微型实验室。目前，纸基微流控芯片的制备方法有很多，主要分为物理方法和化学方法。物理方法主要是通过激光处理、喷蜡打印、丝网印刷、喷墨打印以及印章压印等方法将疏水试剂(如石蜡、光刻胶等)填堵在纸张的特定纤维空隙内形成亲/疏水隔离通道。这些加工方法具有制备步骤简单，可批量生产等优点，但是加工后的通道图案分辨率较低，难以制备复杂精细的图案，且无法实时调整微流体通道的相关特性参数，如线宽、润湿特性等。而化学方法首先通过化学键合将疏水试剂(如烷基烯酮二聚体等)键合于纸张纤维表面实现纸张的疏水化，再通过紫外光刻、紫外固化等方法，在掩膜的保护下选择性区域降解结合在纤维表面的疏水试剂，从而实现微流道的构建。这些加工方法的优点是图案分辨率较高，但是设备昂贵，且一般需要借助掩膜来实现图案化，因此工艺复杂。此外，上述两种方法基本上都需要借助各种化学溶剂的湿法处理过程来进行疏水化处理，而这些化学溶剂的使用不仅对环境造成污染，而且对纸张本身也会造成污染，从而对检测结果产生一定的影响。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种基于微等离子体的纸基微流控芯片的制备装置，包括等离子体发生器主体、高压电极片、接地电极片、等离子体射流喷嘴、工作气源、高压电源，所述高压电极片粘贴在所述等离子体发生器主体的一侧，并与所述高压电源的高压端相连；所述接地电极片粘贴在所述等离子体发生器主体另一侧，并与所述高压电源的接地端相连；所述等离子体射流喷嘴置于所述等离子体发生器主体下方，所述工作气源与所述等离子体发生器主体相连。
较佳的，所述基于微等离子体的等离子体射流喷嘴包括第一柔性喷嘴与所述第二柔性喷嘴，所述第一柔性喷嘴与所述第二柔性喷嘴贴合对称设置，且所述第一柔性喷嘴与所述第二柔性喷嘴的贴合面上对应设置有第一配合槽和第二配合槽，所述第一配合槽和所述第二配合槽的槽口对应设置，在所述第一柔性喷嘴与所述第二柔性喷嘴贴合时所述第一配合槽和所述第二配合槽的槽口配合连接从而形成喷嘴沟槽，所述第一柔性喷嘴与所述第二柔性喷嘴形成所述等离子体射流喷嘴。
较佳的，所述基于微等离子体的等离子体射流喷嘴的两侧分别设置有压力块，所述压力块和所述第一柔性喷嘴、所述第二柔性喷嘴一一对应，所述压力块分别向第一柔性喷嘴与所述第二柔性喷嘴施加压力改变所述喷嘴沟槽尺寸。
较佳的，所述基于微等离子体的等离子体发生器主体底部设置有支持板，两所述支持板平行对称设置，所述第一柔性喷嘴和所述第二柔性喷嘴设置两所述支持板之间，所述压力块设置在两所述支持板之间，两所述支持板相对应的面上设置有内凹的调节槽。
较佳的，所述基于微等离子体的纸基微流控芯片的制备装置还包括上位机；所述工作气源通过流量控制器向所述等离子体发生器主体连通，所述高压电源、所述压力块和所述流量控制器均与所述上位机连接。
较佳的，所述基于微等离子体的纸基微流控芯片的制备装置还包括XY移动平台；所述XY移动平台置于所述等离子体射流喷嘴下方，所述XY移动平台控制疏水化滤纸的移动。
较佳的，所述工作气源为氦/氧混合气体，所述高压电源为正弦交流高压电源。
较佳的，所述第一柔性喷嘴与所述第二柔性喷嘴采用柔性材料聚二甲基硅氧烷制备。
较佳的，所述等离子体发生器主体的通孔轴线与所述喷嘴沟槽的轴线在一条直线上。
较佳的，一种基于微等离子体的纸基微流控芯片的制备方法，采用所述基于微等离子体的纸基微流控芯片的制备装置，包括如下步骤：
S1，在滤纸表面通过化学气相沉积法沉积一层厚度为10微米的parylene-C薄膜，得到疏水化滤纸；
S2，通过所述上位机分别控制所述流量控制器、所述高压电源、所述压力块以获得预设的工作气体流量、工作电压以及孔口尺寸，并产生大气压微等离子体射流；
S3，将所述疏水化滤纸放置在所述XY移动平台上，在无掩膜条件下，通过所述大气压微等离子体射流选择性刻蚀所述疏水化滤纸表面的parylene-C薄膜，从而在纸上构建图案化的亲/疏水微细通道。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，本发明是全干法制备过程，制备过程简单、操作方便、成本低廉、绿色环保，且整个制备过程对滤纸本身无污染；2，本发明能够在无掩膜条件下实现微流体通道的高精度图形化加工，且加工参数实时可调，尤其是微流体通道的加工线宽与润湿特性可通过控制压力块施加压力与工作气源成分进行在线调节；从而能够快速制备具有不同线宽、不同图案、不同润湿特性的亲/疏水微细通道，大大提高了纸基微流控芯片的制备效率。
附图说明
图1为所述基于微等离子体的纸基微流控芯片的制备装置的结构示意图；
图2为所述等离子体发生器主体的结构视图；
图3为所述等离子体射流喷嘴的结构视图；
图4为所述压力块的结构视图；
图5为所述基于微等离子体的纸基微流控芯片的制备方法的示意图。
图中数字表示：
1-滤纸；2-疏水化滤纸；300-等离子体发生器主体；301-高压电极片；302-接地电极片；303-第一柔性喷嘴；304-第二柔性喷嘴；305-支持板；306-调节槽；4-压力块；41-施压块；42-施压板；5-上位机；6-大气压微等离子体射流；7-工作气源；8-流量控制器；9-高压电源；10-XY移动平台；11-亲/疏水微细通道。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例一
如图1至图4所示，图1为所述基于微等离子体的纸基微流控芯片的制备装置的结构示意图；图2为所述等离子体发生器主体的结构视图；图3为所述等离子体射流喷嘴的结构视图；图4为所述压力块的结构视图。其中，图2中(a)为所述等离子体发生器主体的正视图，(b)为所述等离子体发生器主体的侧视图；(c)为所述等离子体发生器主体的仰视图。
本发明所述基于微等离子体的纸基微流控芯片的制备装置包括等离子体发生器主体300、高压电极片301、接地电极片302、第一柔性喷嘴303、第二柔性喷嘴304、压力块4、上位机5、工作气源7、流量控制器8、高压电源9、XY移动平台10。
所述等离子体发生器主体300底部设置有支持板305，两所述支持板305平行对称设置，所述第一柔性喷嘴303和所述第二柔性喷嘴304设置在两所述支持板305之间，两所述支持板305相对应的面上设置有内凹的调节槽306，所述调节槽306用于在对所述第一柔性喷嘴303和所述第二柔性喷嘴304进行施压时，为所述第一柔性喷嘴303和所述第二柔性喷嘴304提供形变空间。同时，所述压力块4设置在两所述支持板305之间，且一一对应所述第一柔性喷嘴303和所述第二柔性喷嘴304设置，所述压力块4包括施压块41和施压板42，所述施压板42固定设置在两所述支持板305之间并与两所述支持板305接触设置，从而实现所述施压板42的位置固定，便于对所述第一柔性喷嘴303和所述第二柔性喷嘴304进行均匀施压，所述施压块41和所述施压板42连接，所述施压块41对所述施压板42提供压力，故通过所述支持板305便于固定所述压力块4的位置，实现所述压力块4对所述第一柔性喷嘴303和所述第二柔性喷嘴304的施压。
所述高压电极片301粘贴在所述等离子体发生器主体300的一侧，并与所述高压电源9的高压端相连；所述接地电极片302粘贴在所述等离子体发生器主体300另一侧，并与所述高压电源9的接地端相连；所述高压电源9与所述上位机5相连，通过所述上位机5控制所述高压电源9的输出参数。
所述第一柔性喷嘴303与所述第二柔性喷嘴304贴合对称设置，且所述第一柔性喷嘴303与所述第二柔性喷嘴304的贴合面上对应设置有第一配合槽和第二配合槽，所述第一配合槽和所述第二配合槽的槽口对应设置，从而在所述第一柔性喷嘴303与所述第二柔性喷嘴304贴合时所述第一配合槽和所述第二配合槽的槽口配合连接从而形成喷嘴沟槽，所述喷嘴沟槽对应所述等离子体发生器主体300的出射口设置，所述第一柔性喷嘴303与所述第二柔性喷嘴304形成等离子体射流喷嘴。在本实施例中，所述第一配合槽和所述第二配合槽均为矩形槽，所述喷嘴沟槽为矩形孔。
所述第一柔性喷嘴303与所述第二柔性喷嘴304置于所述等离子体发生器主体300下方；所述等离子体发生器主体300中产生的大气压等离子体通过所述第一柔性喷嘴303与所述第二柔性喷嘴304贴合后形成的喷嘴射向大气中，形成大气压微等离子体射流6。
所述压力块4置于所述第一柔性喷嘴303与所述第二柔性喷嘴304两侧，并通过向第一柔性喷嘴303与所述第二柔性喷嘴304两侧施加压力改变喷嘴沟槽尺寸，以控制所述大气压微等离子体射流6的束流尺寸；所述压力块4与所述上位机5相连，通过所述上位机5控制压力块4的压力值。
所述工作气源7通过所述流量控制器8向所述等离子体发生器主体300中通入工作气体，所述流量控制器8和所述上位机5链接，气体流量调节可通过所述上位机5控制所述流量控制器8实现。
所述XY移动平台10与所述上位机5相连，通过所述上位机5控制所述XY移动平台10的运动轨迹与参数。
所述疏水化滤纸2置于所述XY移动平台10上并置于所述大气压微等离子体射流6下方，并随所述XY移动平台10按照预设轨迹移动，实现所述大气压微等离子体射流6对所述疏水化滤纸2的图形化刻蚀。
较佳的，所述工作气源7为氦/氧混合气体，所述高压电源9为正弦交流高压电源。
较佳的，所述高压电极片301与所述接地电极片302均为铜片电极。
较佳的，所述第一柔性喷嘴303与所述第二柔性喷嘴304采用柔性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)制备，可在压力作用下变形。
较佳的，所述等离子体发生器主体300的通孔轴线与所述喷嘴沟槽的轴线在一条直线上。
在其他实施例里，可以通过选择不同工作气源类型与流量，不同电源与参数，以及不同压力块设置参数与XY移动平台运动参数，制备具有不同线宽、不同图案、不同润湿特性的亲/疏水微细通道，从而可以为不同应用场合定制特定的纸基微流控芯片。
实施例二
如图5所示，图5为所述基于微等离子体的纸基微流控芯片的制备方法的示意图；本发明所述纸基微流控芯片的制备方法，包括如下步骤：
S1，在滤纸1表面通过化学气相沉积法沉积一层厚度为10微米的parylene-C薄膜实现所述滤纸1的疏水化，得到疏水化滤纸2；
S2，按照预设的加工要求，通过所述上位机5分别控制所述流量控制器8、所述高压电源9、所述压力块4以获得预设的工作气体流量(氦气：200sccm，氧气：20sccm)、工作电压(电压峰-峰值：15kV)以及孔口尺寸(100微米)，并产生大气压微等离子体射流6；
S3，借助所述XY移动平台10，在无掩膜条件下，利用S2中的所述大气压微等离子体射流6选择性刻蚀S1中的疏水化滤纸2表面的parylene-C薄膜以恢复其亲水性，从而在纸上构建图案化的亲/疏水微细通道11。
步骤S3中可根据加工需求，通过所述上位机5实时在线调整S2中产生的大气压微等离子体射流6的束流尺寸、活性粒子浓度等参数，从而可实时调整大气压微等离子体射流6对疏水化滤纸2刻蚀区域的线宽与刻蚀深度，以获得具有不同线宽、不同图案、不同润湿特性的亲/疏水微细通道11。
本发明能够在无掩膜条件下实现微流体通道的高精度图形化加工，且加工参数实时可调，尤其是微流体通道的加工线宽与润湿特性可通过控制压力块施加压力与工作气源成分进行在线调节；从而能够快速制备具有不同线宽、不同图案、不同润湿特性的亲/疏水微细通道，大大提高了纸基微流控芯片的制备效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于微等离子体的纸基微流控芯片的制备装置，其特征在于，包括等离子体发生器主体、高压电极片、接地电极片、等离子体射流喷嘴、工作气源、高压电源，所述高压电极片粘贴在所述等离子体发生器主体的一侧，并与所述高压电源的高压端相连；所述接地电极片粘贴在所述等离子体发生器主体另一侧，并与所述高压电源的接地端相连；所述等离子体射流喷嘴置于所述等离子体发生器主体下方，所述工作气源与所述等离子体发生器主体相连；
所述等离子体射流喷嘴包括第一柔性喷嘴与第二柔性喷嘴，所述第一柔性喷嘴与所述第二柔性喷嘴贴合对称设置，且所述第一柔性喷嘴与所述第二柔性喷嘴的贴合面上对应设置有第一配合槽和第二配合槽，所述第一配合槽和所述第二配合槽的槽口对应设置，在所述第一柔性喷嘴与所述第二柔性喷嘴贴合时所述第一配合槽和所述第二配合槽的槽口配合连接从而形成喷嘴沟槽，所述第一柔性喷嘴与所述第二柔性喷嘴形成所述等离子体射流喷嘴；
所述等离子体射流喷嘴的两侧分别设置有压力块，所述压力块和所述第一柔性喷嘴、所述第二柔性喷嘴一一对应，所述压力块分别向第一柔性喷嘴与所述第二柔性喷嘴施加压力改变所述喷嘴沟槽尺寸。
2.如权利要求1所述的基于微等离子体的纸基微流控芯片的制备装置，其特征在于，所述等离子体发生器主体底部设置有支持板，两所述支持板平行对称设置，所述第一柔性喷嘴和所述第二柔性喷嘴设置两所述支持板之间，所述压力块设置在两所述支持板之间，两所述支持板相对应的面上设置有内凹的调节槽。
3.如权利要求1所述的基于微等离子体的纸基微流控芯片的制备装置，其特征在于，所述纸基微流控芯片的制备装置还包括上位机；所述工作气源通过流量控制器向所述等离子体发生器主体连通，所述高压电源、所述压力块和所述流量控制器均与所述上位机连接。
4.如权利要求3所述的基于微等离子体的纸基微流控芯片的制备装置，其特征在于，所述纸基微流控芯片的制备装置还包括XY移动平台；所述XY移动平台置于所述等离子体射流喷嘴下方，所述XY移动平台控制疏水化滤纸的移动。
5.如权利要求4所述的基于微等离子体的纸基微流控芯片的制备装置，其特征在于，所述工作气源为氦/氧混合气体，所述高压电源为正弦交流高压电源。
6.如权利要求4所述的基于微等离子体的纸基微流控芯片的制备装置，其特征在于，所述第一柔性喷嘴与所述第二柔性喷嘴采用柔性材料聚二甲基硅氧烷制备。
7.如权利要求4所述的基于微等离子体的纸基微流控芯片的制备装置，其特征在于，所述等离子体发生器主体的通孔轴线与所述喷嘴沟槽的轴线在一条直线上。
8.一种基于微等离子体的纸基微流控芯片的制备方法，其特征在于，采用如权利要求4-7中任一项所述的基于微等离子体的纸基微流控芯片的制备装置，包括步骤：
S1，在滤纸表面通过化学气相沉积法沉积一层的parylene-C薄膜，得到疏水化滤纸；
S2，通过所述上位机分别控制所述流量控制器、所述高压电源、所述压力块以获得预设的工作气体流量、工作电压以及孔口尺寸，并产生大气压微等离子体射流；
S3，将所述疏水化滤纸放置在所述XY移动平台上，在无掩膜条件下，通过所述大气压微等离子体射流选择性刻蚀所述疏水化滤纸表面的parylene-C薄膜，从而在纸上构建图案化的亲/疏水微细通道。
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