一种水基微液滴无损操作装置与制备方法

1.本发明涉及功能结构激光微纳制造技术领域，特别是涉及一种基于超疏水功能表面制备的无损操作装置与制备方法。


背景技术：

2.微液滴具有体积小、比表面积大等特点，在微量测定、生物分析、细胞培养、化学检测、微反应器等领域具有重要潜在应用。试验中采用微液滴分析技术可大幅度降低试剂用量、降低试验成本。实现微液滴应用的前提是能够实现对液滴的精准操作，包括拾取、转移、释放等。
3.在目前研究中，利用仿生超疏水表面黏附作用差异实现对液滴的拾取与释放是一种常见方法，但操作表面对液滴的高黏附作用会导致液滴在转移过程中产生损失，难以实现无损转移。利用材料表面非对称微纳结构引发的毛细作用等驱动液滴移动是进行液滴平面操作的另一种方法，该方法可实现液滴无损转移，但液滴移动速度很慢，操作效率低下，且可操作液滴体积十分受限。因此，国内外学者围绕外场介入辅助液滴操作开展了大量研究工作，利用磁场、电场、热、光、机械振动等外场刺激驱动液滴移动，提高液滴移动速度，但该方法需要被操作液滴含有外场刺激响应粒子，且外场刺激可能会对被操作液滴内具有生物活性的物质造成损伤。
4.因此，目前尚缺少一种安全有效、简单快捷的方法来实现大范围微尺度液滴的无损操作。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明利用超快激光微纳加工技术，在柔性薄膜材料表面制备出微纳结构，赋予材料表面优异的超疏水性能与低黏附作用，将超疏水柔性薄膜与夹钳基体结合，利用夹钳基体夹持作用与薄膜表面超疏水性能实现大范围微升尺度水基液滴的无损操作。
6.为实现上述目标，本发明采用的技术方案如下：
7.本发明提供了一种基于低黏附性超疏水功能表面的水基微液滴无损操作装置，包括低黏附性超疏水薄膜和夹钳基体；所述的夹钳基体包括第一夹持部、第二夹持部和握持部，所述的握持部连接第一夹持部、第二夹持部，第一夹持部和第二夹持部在握持部的控制下可开合，第一夹持部、第二夹持部与水基微液滴接触的面呈凹槽状，且在该面粘贴有低黏附性超疏水薄膜。
8.作为进一步技术方案，所述的低黏附性超疏水薄膜的表面具有微纳结构，所述的微纳结构包括微米尺度的锥形阵列结构和分布在锥形结构表面的纳米结构，呈仿生荷叶结构，赋予材料表面优异的超疏水性能与低黏附作用。
9.需要进一步说明的是，本实施例中的“低黏附性超疏水薄膜表面”的水滴滚动角小于10
°
；
10.第二方面，本实施例还提供了一种基于低黏附性超疏水功能表面的水基微液滴无损装置的制备方法，包括以下步骤：
11.步骤1、利用增材制造工艺制备夹钳基体；
12.步骤2、选择制备低黏附性超疏水功能表面的薄膜材料，利用激光加工工艺在薄膜表面制备功能微纳结构；
13.步骤3、将激光加工后的低黏附性超疏水薄膜粘贴到第一夹持部、第二夹持部与水基微液滴接触面的表面。
14.相对于传统液滴操作方法，本发明一种基于低黏附性超疏水功能表面的水基微液滴无损操作方法，其优点包括：
15.1.本发明将夹钳基体与低黏附性超疏水薄膜结合在一起，利用夹钳基体的夹持作用与低黏附性超疏水薄膜表面超疏水性能实现大范围微升尺度水基液滴的无损操作。
16.2.通过在薄膜材料表面制备低黏附性超疏水结构，将超疏水薄膜粘贴在设计与制造的柔性夹钳表面，实现了微升尺度水基液滴的无损操作，该方法操作简单，无需外场作用介入，突破了微液滴操作效率低下、难以实现精准无损操作的局限性。
17.2.利用超快激光微纳加工技术，在柔性薄膜材料表面制备出微纳结构，赋予材料表面优异的超疏水性能与低黏附作用。
18.3.激光加工工艺简单、精度高、非接触、灵活性高，加工参数和光束扫描路径灵活可调；
19.4.夹钳基体结构设计灵活，增材制造工艺简单；
20.5.利用“二指夹钳”操作液滴方法简单，无需外场作用介入，突破了微液滴操作效率低下、难以实现精准无损操作的局限性。
附图说明
21.图1为本发明制备的一种用于微升液滴无损操作的夹钳装置；
22.图2为本发明设计的夹钳基体结构示意图；
23.图3为图2的a-a示意图；
24.图4为利用激光加工技术在薄膜表面制备的低黏附性超疏水微纳结构；
25.图5为低黏附性超疏水薄膜表面的超疏水性能测试结果；
26.图6为利用本发明制备的夹钳操作液滴的示意图。
27.图中标号如下：
28.1、夹钳基体，2、低黏附性超疏水薄膜，1-1第一夹持部，1-2第二夹持部，1-3握持部，1-4开口环。
具体实施方式
29.为更好地理解本发明内容，以下结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细介绍，所举实例只用于解释本发明，并不用于限定本发明的范围。
30.本实施例提出的基于低黏附性超疏水功能表面的水基微液滴无损操作装置，包括低黏附性超疏水薄膜2和夹钳基体1；所述的夹钳基体1包括第一夹持部1-1、第二夹持部1-2和握持部1-3，所述的握持部1-3连接第一夹持部1-1、第二夹持部1-2在握持部的控制下可
开合，第一夹持部1-1、第二夹持部1-2与水基微液滴接触的面呈凹槽状，且在该面粘贴有低黏附性超疏水薄膜2。通过在薄膜材料表面制备低黏附性超疏水结构，将超疏水薄膜粘贴在设计与制造的柔性夹钳表面，实现了微升尺度水基液滴的无损操作，该方法操作简单，无需外场作用介入，突破了微液滴操作效率低下、难以实现精准无损操作的局限性。
31.作为进一步技术方案，本实施例中的低黏附性超疏水薄膜2的表面具有微纳结构，所述的微纳结构包括微米尺度的锥形阵列结构和分布在锥形结构表面的纳米结构。
32.本实施例提出了一种基于低黏附性超疏水功能表面的水基微液滴无损装置的制备方法以及对应的操作方法，包括以下步骤：
33.步骤一、利用solidworks等三维建模软件对“二指夹钳”基体结构与两根“手指”之间的凹槽结构进行设计建模(图3)；
34.步骤二、选择制备“二指夹钳”基体结构的材料，确定“二指夹钳”基体结构增材制造工艺；
35.步骤三、利用增材制造工艺制备“二指夹钳”基体结构；
36.步骤四、选择制备低黏附性超疏水功能表面的薄膜材料；
37.步骤五、设计薄膜材料表面低黏附性超疏水功能微纳结构；
38.步骤六、确定薄膜表面低黏附性超疏水功能结构激光加工工艺，在薄膜表面制备功能微纳结构(图4)；
39.步骤七、将激光加工后的薄膜利用胶粘剂粘贴到“二指夹钳”凹槽表面，构成一种水基微液滴无损操作装置(图2)，利用“二指夹钳”两根“手指”的开/合作用实现对液滴的拾取与释放(图6)。
40.本实施例中，所述的“二指夹钳”基体结构由两根“手指”和一个柔性开口环组成，基体结构整体长度为65mm，宽度为20mm，高度为5mm，开口环内径φ15mm。
41.本实施例中，所述的凹槽结构如图2所示，其底部宽度为5mm，凹槽高度为5mm，凹槽侧面倾斜角度如图3所示，α为45
°
。
42.本实施例中，所述的制备“二指夹钳”基体结构的材料为丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)，“二指夹钳”基体结构增材制造工艺利用光固化成型技术。
43.本实施例中，所述的薄膜材料为硅橡胶。
44.本实施例中，所述的低黏附性超疏水功能微纳结构包括锥形阵列结构以及分布在锥形结构表面的纳米结构(图4)，锥形结构的高度为100μm，锥形结构之间间距为80μm。
45.本实施例中，所述的低黏附性超疏水功能微纳结构激光加工工艺，主要工艺参数如下：激光加功功率2.5w，激光频率为50khz，脉冲宽度为200fs，波长为343nm，光束扫描速度为1000mm/s。
46.本实施例采用紫外超快激光，在硅橡胶薄膜表面制备出具有低黏附性超疏水性能的功能微纳结构，通过将低黏附性超疏水薄膜粘贴到夹钳的凹槽表面，利用夹钳的开/合动作实现对微升水基液滴的无损操作。
47.本发明的上述实施例仅仅是为了说明本发明所做的举例，并不用于限定本发明的实施方式。凡是在本发明精神和原则内，对本发明方法、步骤或条件所作的任何修改、改进等，均属于本发明的范围。