专利名称：一种用于液体表面张力测定的微流控芯片装置的制作方法
技术领域：
本发明属于微流控芯片装置，特别涉及一种用于液体表面张力测定的微流控芯片装置。
背景技术：
20世纪90年代初，分析化学工作者提出了微全分析系统(μTAS)的思想。微全分析系统是将整个分析化学实验室的常用功能集成到厘米甚至毫米尺度的平台上，使之微型化、自动化、高度集成化和便携化。这种“芯片实验室”包括了常用的分析检测中所需要的功能，包括进样、预处理、分离、检测等，可以极大地减少试剂消耗，缩短分析时间并且能够减少样品的用量。非常适合实地采样、在线检测、过程控制等特殊实验工作。目前微全分析系统在分析仪器和分析科学领域产生了重大影响，成为目前的研究热点，并引导分析化学和生物化学技术向着微型化、集成化和便携化的趋势发展。在微全分析系统领域里，微流控芯片是最主要的研究方向。利用微加工工艺在玻璃或者高聚物材料上制作出微凹槽、微阀、微反应器、微检测器等功能单元，从而构成一个可以独立运行的微型检测系统。微流控芯片最重要的功能是可以在芯片内对液体进行可控的操作，包括进样、输送、定位、混合、分离和反应等操作，从而在化学、生物学等领域得到广泛的应用。
表面张力是液体的表层分子受到液体内部分子的作用力和液体外部分子作用力不平衡而产生的一种作用，它是液体的物理化学性质之一。通过测定溶液的表面张力，可以研究溶液表面的分子吸附等动力学过程。在纺织、造纸、采矿等工业领域，液体的表面张力控制着润湿、发泡、溶解等过程，必须加以研究和监测来控制产品质量。目前有多种方法可以测定液体的表面张力，常用的方法有测定力的方法，如圆环法和平板法，需要精确的测定圆环或平板在与液面接触时受到的作用力；测定压强的方法，如最大气泡法，需要测定气泡在形成过程中内部的压强；测定形状的方法，如旋转液滴法和悬滴法，需要对液滴的外形轮廓进行精确的测定以及复杂的数学处理；滴重法，测定液体在一段时间内从毛细管中下落的液滴的重量来推算液体的表面张力，需要精确的测定液滴的质量；毛细管上升法，测定液体在毛细管内的上升高度来推算液体的表面张力。这些方法普遍存在样品消耗量大，测定时间长，需要精密仪器或者光学和成像装置，不能进行高通量测定等不足。
目前通常使用毛细管对液体的表面张力进行测定；在使用毛细管进行测定时，需要将粗细不同的两根毛细管同时垂直地插入待测量的液体中，液体在表面张力的作用下会在毛细管中上升至一定高度，通过测定平衡时两根毛细管中液面的高度差，并结合液体密度就可以得到液体的表面张力。因此这种方法需要大量的样品，一般需要几毫升至十几毫升的样品；测定一个样品需要几分钟的时间，不能满足高通量的需要。
目前尚没有可供检测液体表面张力的微流控芯片装置。
本发明的目的在于提供一种用于液体表面张力测定的微流控芯片装置，即采用双毛细管上升法，通过使用微流控芯片代替传统的毛细管对液体的表面张力进行测定；本发明的技术方案如下本发明提供的用于液体表面张力测定的微流控芯片装置，包括一基片；所述基片的上表面上设置多条平行放置且尺寸相同的垂向第一凹槽和多条平行放置且尺寸相同的垂向第二凹槽，以及与所述垂向第一凹槽和垂向第二凹槽的一端相连通并垂直于所述垂向第一凹槽和垂向第二凹槽的横向第三凹槽；所述第三凹槽与所述垂向第一凹槽相连通部分的尺寸同垂向第一凹槽，所述横向第三凹槽与所述垂向第二凹槽相连通部分的尺寸同垂向第二凹槽；所述垂向第一凹槽和垂向第二凹槽的尺寸不同；所述垂向第一凹槽和垂向第二凹槽的另一端分别延伸出所述基片的一边缘；一盖板；所述盖板紧密贴合在所述基片的设有凹槽的上表面上；和一粘贴于所述盖板外表面上的透明材质的标示板；所述标示板上刻有标准国际长度刻度；所述垂向第一凹槽的截面面积为0.3-0.6 mm2。
所述垂向第二凹槽的截面面积为0.04-0.08 mm2。
所述横向第三凹槽与所述垂向第一凹槽相连通部分的截面面积为0.3-0.6mm2，所述横向第三凹槽与所述垂向第二凹槽相连通部分的截面面积为0.04-0.08mm2。
所述的基片为玻璃基片或硅基基片。
所述的垂向第一凹槽为方形槽或半圆形槽。
所述的垂向第二凹槽为方形槽或半圆形槽。
所述的横向第三凹槽为方形槽或半圆形槽。
在本发明中，使用标准的光刻和湿法刻蚀技术在玻璃基片或硅基基片上加工出内径不同的垂向第一凹槽、垂向第二凹槽和横向第三凹槽，使用载玻片作为盖板组装成芯片后，将待测样品引入凹槽，液体受重力和表面张力的作用而在凹槽内移动，最终达到平衡的状态。测定粗细凹槽中的液面高度差并结合液体密度数据就可以得到液体的表面张力数值。使用芯片的测定过程中也是在保持凹槽垂直的状态下进行的，不同点在于不是将芯片插入液体进行测定，而是将液体引入芯片中进行测定，所以需要的样品量非常少，一般为几十微升。同时，利用芯片加工技术可以在一个芯片上加工出很多条尺寸相同的凹槽，一次测定就可以得到多组平行的数据，从而大大提高测定的速度和准确度。
本发明利用传统的微流控芯片加工技术，使用玻璃材料(或硅基片)制作出结构简单的微流控芯片，将其用于测定液体的表面张力。使用的方法是双毛细管上升法，其原理与使用毛细管进行的试验是相同的，都需要构建出内径不同的两种管道，从而使液体进入两种管道后由于内径的不同而产生高度差，这一高度差和液体的表面张力是成线性的关系，基于这一原理并结合液体的密度就可以得到液体的表面张力数值。本发明中使用打印有刻度的聚酯胶片作为测定高度差的标尺，大大简化了高度测定的步骤，从而避免了使用读数显微镜等仪器时需要进行的精确调整。由于芯片的体积很小，可以很容易的对其进行防水处理，因此可以使用水浴控温，方便地对样品进行不同温度下表面张力的测定。
本发明中的装置适合测定的样品包括水溶液和大部分有机溶液，尤其适合低粘度的液体。测定高挥发性液体时也可以得到较准确的数据，因为液体在凹槽中的挥发过程显著减慢。测定有毒液体也更加安全，因为样品用量极少。本发明中的用于液体表面张力测定的微流控芯片装置的具体制做如下1.芯片设计为了产生液面高度差，需要在芯片上构建出不同内径的凹槽，在本发明中设计了两种尺寸的凹槽，这两种凹槽都在芯片平面上相互平行的重复排列。在这些凹槽的一端未端有一条垂直的凹槽将它们连接起来，这些凹槽的另一端与大气相通而作为进样口使用。
2.芯片的制作1)掩膜的制作用Adobe Illustrator CS矢量绘图软件设计光刻掩膜，凹槽为粗细两种并且平行排列，通过一条位于凹槽末端的垂直凹槽相连。用激光照排机输出掩膜胶片。使用同样的方法，制作具有精确刻度条纹的掩膜，用作刻度标尺。
2)光刻在暗室中，将掩膜覆盖在匀胶铬版上并压紧，置于紫外灯下曝光，经过显影和清洗，掩膜上的图形就被转移到胶铬版的光胶层上。将铬版放入烘箱中加热来加固光刻胶。
3)湿法刻蚀室温下将曝光后的铬版放入铬刻蚀液中，腐蚀没有光胶层保护的铬层，高纯水冲洗干净后，烘干。室温下用玻璃刻蚀液刻蚀凹槽。当细凹槽达到所要求的尺寸后，用透明胶带将细凹槽保护起来，将基片转移到高浓度的刻蚀液中继续刻蚀，直到粗凹槽符合设计要求。刻蚀完成后，依次除去残存的光胶层和铬层，并用高纯水冲洗干净得到玻璃基片。
4)芯片组装直接使用显微镜载玻片作为盖片而无需特殊加工或处理。将基片和盖片清洗后干燥，然后贴合在一起形成完整的凹槽结构，并用夹子将二者固定住。将印有刻度标尺的掩膜贴在芯片上，保持刻度线和凹槽垂直。
3.测定原理把毛细管插入液体后，毛细管中的液体会在表面张力的作用下而上升，当液面上升到一定的高度后，液柱的重力和毛细管内液面上的表面张力相平衡，液面随即停止上升。根据杨氏方程，此时各物理量的关系如下πR2hρg＝2πRγcosθ其中γ为液体的表面张力，R为毛细管半径，h为液体在毛细管内上升的高度，ρ为液体的密度，g为重力加速度。水及大多数有机液体与玻璃的接触角为0度，所以有γ=12Rhρg]]>使用单根毛细管进行测量的过程中，液体基准面的位置很难准确的测定，使用双毛细管法可以很好地解决这个问题。将两根内径不同的毛细管插入到待测液体中，液体在两个毛细管中上升的高度是不同的，可以得到γ=12R1h1ρg,]]>γ=12R2h2ρg]]>γ=Δhρ[g2(R1R2R2-R1)]]]>其中R1，R2，h1，h2分别对应两根毛细管的半径和毛细管中液面的高度，Δh为两根毛细管内液面的高度差。这一高度差可以比较方便和准确的测定。通过使用表面张力已知的样品作为标准进行校正，可以避免对毛细管内径的测定。得到的公式为γ=ΔhρΔh0ρ0γ0]]>其中Δh0，ρ0，γ0分别为标准液体在毛细管中的高度差，密度和表面张力。因此根据毛细管内外液面的高度差并结合待测液体的密度，就可以推算出液体的表面张力。使用芯片代替毛细管进行测定时，原理是相同的，计算公式也具有相同的形式。
4.工作流程根据待测样品的性质，先选择合适的标准样品进行测定，二者的性质越接近越好。将液体引入芯片中，液体在凹槽中流动并最终达到平衡，即可测定粗细凹槽中的液面高度差。清洗芯片后再引入待测液体，再次测定液面高度差，经过计算就可以得到待测样品的表面张力。液体的密度可以通过使用比重计测定。
本发明提供的用于液体表面张力测定的微流控芯片装置具有如下优点1.待测样品用量极少，一般为10-30μL。
2.测定样品速度快，一般耗时小于1分钟，并且可以获得多组平行数据。
3.适合测定高挥发性以及高毒性的样品。
4.加工技术简单，易于批量生产。
图1为本发明所述用于液体表面张力测定的微流控芯片装置的基片的结构示意图；图2为本发明的用于液体表面张力测定的微流控芯片装置的结构示意图；其中基片1盖板2标示板3标准国际长度单位31垂向第一凹槽11垂向第二凹槽12横向第三凹槽1具体实施方式
实施例11)基片1的掩膜设计掩膜胶片上凹槽的结构及尺寸设计如附图1所示。3条宽的垂向第一凹槽11与5条窄的垂向第二凹槽12平行排列，宽度分别为0.6mm和0.15mm，这两组凹槽通过一条与所述垂向第一凹槽11和垂向第二凹槽12垂直的横向第三凹槽13在末端相连通，所述横向第三凹槽13宽度为0.15mm。所述垂向第一凹槽11和垂向第二凹槽12的数量可以适当增减来控制样品用量。
2)基片1的制作
将掩膜胶片置于63mm×31.5mm×1.5mm的匀胶铬版上并压紧，使用波长365nm的紫外灯曝光200秒，然后在0.5％的氢氧化钠显影液中显影40秒。用去离子水清洗后，在100℃下加热半小时。在室温下用铬刻蚀液(硫酸铈铵∶高氯酸∶水＝50克∶15毫升∶300毫升)去除铬层，然后用高纯水冲洗干净并烘干。用0.5M HF/0.5M NH4F玻璃刻蚀剂腐蚀裸露的玻璃，刻蚀一段时间后，凹槽截面呈半圆形，在体视显微镜下测量凹槽直径。当细凹槽直径达到0.43mm后，用透明胶带将细凹槽保护起来，将基片1放入腐蚀剂中继续刻蚀，直到粗凹槽直径为1.28mm时停止刻蚀。依次使用丙酮、铬刻蚀液除去残余光胶层和铬层，得到具有本发明凹槽结构的玻璃基片，其结构和尺寸如图1所示。
3)本发明所述装置的组装使用75×25×1mm的显微镜载玻片作为盖板2，将基片1和盖板2依次在乙醇和去离子水中超声清洗10min后，放入浓H2SO4/H2O2(3∶1，V∶V)的混合溶液中，加热煮沸半小时。待冷却后，将其取出并用去离子水冲洗至玻璃片表面呈中性。将基片1和盖板2紧密贴合形成本发明的凹槽结构，并使用夹子将二者紧密的固定在一起。将印有刻度线的掩膜裁减为60×25mm的尺寸，并粘贴在盖板2上，其刻度线要保证与所述垂向第一凹槽11和垂向第二凹槽12相垂直。
实施例21)基片1的掩膜设计掩膜胶片上凹槽的结构及尺寸设计如附图1所示。3条宽的垂向第一凹槽11与5条窄的垂向第二凹槽12平行排列，宽度分别为0.6mm和0.15mm，这两组凹槽通过一条与所述垂向第一凹槽11和垂向第二凹槽12垂直的横向第三凹槽13在末端相连通，所述横向第三凹槽13宽度为0.15mm。所述垂向第一凹槽11和垂向第二凹槽12的数量可以适当增减来控制样品用量。
2)基片1的制作将掩膜胶片置于63mm×31.5mm×1.5mm的匀胶铬版上并压紧，使用波长365nm的紫外灯曝光200秒，然后在0.5％的氢氧化钠显影液中显影40秒。用去离子水清洗后，在100℃下加热半小时。在室温下用铬刻蚀液(硫酸铈铵∶高氯酸∶水＝50克∶15毫升∶300毫升)去除铬层，然后用高纯水冲洗干净并烘干。用0.5M HF/0.5M NH4F玻璃刻蚀剂腐蚀裸露的玻璃，刻蚀一段时间后，细凹槽截面呈矩形，粗凹槽截面呈半圆形，在体视显微镜下测量细凹槽宽度。当细凹槽宽度达到0.35mm后，用透明胶带将细凹槽保护起来，将基片1放入腐蚀剂中继续刻蚀，直到粗凹槽直径为1mm时停止刻蚀。依次使用丙酮、铬刻蚀液除去残余光胶层和铬层，得到具有本发明凹槽结构的玻璃基片。在显微镜下测量得出细凹槽部分深度为0.35mm。
3)本发明所述装置的组装使用75×25×1mm的显微镜载玻片作为盖板2，将基片1和盖板2依次在乙醇和去离子水中超声清洗10min后，放入浓H2SO4/H2O2(3∶1，V∶V)的混合溶液中，加热煮沸半小时。待冷却后，将其取出并用去离子水冲洗至玻璃片表面呈中性。将基片1和盖板2紧密贴合形成本发明的凹槽结构，并使用夹子将二者紧密的固定在一起。将印有刻度线的掩膜裁减为60×25mm的尺寸，并粘贴在盖板2上，其刻度线要保证与所述垂向第一凹槽11和垂向第二凹槽12相垂直。
实施例31)基片1的掩膜设计掩膜胶片上凹槽的结构及尺寸设计如附图1所示。3条宽的垂向第一凹槽11与5条窄的垂向第二凹槽12平行排列，宽度分别为0.6mm和0.15mm，这两组凹槽通过一条与所述垂向第一凹槽11和垂向第二凹槽12垂直的横向第三凹槽13在末端相连通，所述横向第三凹槽13宽度为0.15mm。所述垂向第一凹槽11和垂向第二凹槽12的数量可以适当增减来控制样品用量。
2)基片1的制作将掩膜胶片置于63mm×31.5mm×1.5mm的匀胶铬版上并压紧，使用波长365nm的紫外灯曝光200秒，然后在0.5％的氢氧化钠显影液中显影40秒。用去离子水清洗后，在100℃下加热半小时。在室温下用铬刻蚀液(硫酸铈铵∶高氯酸∶水＝50克∶15毫升∶300毫升)去除铬层，然后用高纯水冲洗干净并烘干。用0.5M HF/0.5M NH4F玻璃刻蚀剂腐蚀裸露的玻璃，刻蚀一段时间后，凹槽截面呈矩形，在体视显微镜下测量凹槽宽度。当细凹槽宽度达到0.3mm后，用透明胶带将细凹槽保护起来，将基片1放入腐蚀剂中继续刻蚀，直到粗凹槽宽度为0.8mm时停止刻蚀。依次使用丙酮、铬刻蚀液除去残余光胶层和铬层，得到具有本发明凹槽结构的玻璃基片，其结构和尺寸如图1所示。在显微镜下测量得出粗凹槽深度为0.3mm；细凹槽的深度为0.12mm。
3)本发明所述装置的组装使用75×25×1mm的显微镜载玻片作为盖板2，将基片1和盖板2依次在乙醇和去离子水中超声清洗10min后，放入浓H2SO4/H2O2(3∶1，V∶V)的混合溶液中，加热煮沸半小时。待冷却后，将其取出并用去离子水冲洗至玻璃片表面呈中性。将基片1和盖板2紧密贴合形成本发明的凹槽结构，并使用夹子将二者紧密的固定在一起。将印有刻度线的掩膜裁减为60×25mm的尺寸，并粘贴在盖板2上，其刻度线要保证与所述垂向第一凹槽11和垂向第二凹槽12相垂直。
实施例4用于液体表面张力测定的步骤如下测定样品前，本发明的用于液体表面张力测定的微流控芯片装置垂向放置。
1)每次测定样品前，需要使用表面张力和密度已知的液体进行标定，然后对未知样品进行测定，具体的测定步骤是相同的。首先使用移液枪移取15μL的液体，加入到粗凹槽(垂向第一凹槽11)与大气相同的末端。在毛细管作用力的驱动下，液体自动的被引入凹槽中。将芯片垂直地固定在水平面上，芯片凹槽中的液体最终在重力和毛细管作用力的共同作用下达到平衡，这一过程一般在30秒内即可完成。液面稳定后，即可通过透明掩膜上的刻度线读出液面的高度差。使用比重计得到液体的密度后，即可计算出液体的表面张力。
2)使用本发明中的装置可以方便的测定不同温度下液体的表面张力。使用透明胶带将整个装置除进样口以外的部分密封起来，然后把芯片垂直地固定在水浴槽中。启动恒温装置，设定为所需的温度，待水浴的温度稳定后将待测样品引入到装置中。由于装置中凹槽的内径很小，热量的传递非常快，很快就能在装置凹槽中的液体内形成温度平衡。液面稳定后即可进行液面高度差的测定，从而得到这一温度下的液体表面张力。
权利要求
1.一种用于液体表面张力测定的微流控芯片装置，包括一基片；所述基片的上表面上设置多条平行放置且尺寸相同的垂向第一凹槽和多条平行放置且尺寸相同的垂向第二凹槽，以及与所述垂向第一凹槽和垂向第二凹槽的一端相连通并垂直于所述垂向第一凹槽和垂向第二凹槽的横向第三凹槽；所述第三凹槽与所述垂向第一凹槽相连通部分的尺寸同垂向第一凹槽，所述横向第三凹槽与所述垂向第二凹槽相连通部分的尺寸同垂向第二凹槽；所述垂向第一凹槽和垂向第二凹槽的尺寸不同；所述垂向第一凹槽和垂向第二凹槽的另一端分别延伸出所述基片的一边缘；一盖板；所述盖板紧密贴合在所述基片的设有凹槽的上表面上；和一粘贴于所述盖板外表面上的透明材质的标示板；所述标示板上刻有标准国际长度刻度；所述垂向第一凹槽的截面面积为0.24-0.6mm2；所述垂向第二凹槽的截面面积为0.036-0.08mm2；所述横向第三凹槽与所述垂向第一凹槽相连通部分的截面面积为0.3-0.6mm2，所述横向第三凹槽与所述垂向第二凹槽相连通部分的截面面积为0.04-4.08mm2。
2.按权利要求1所述的用于液体表面张力测定的微流控芯片装置，其特征在于，所述的基片为玻璃基片或硅基基片。
3.按权利要求1所述的用于液体表面张力测定的微流控芯片装置，其特征在于，所述的垂向第一凹槽为方形槽或半圆形槽。
4.按权利要求1所述的用于液体表面张力测定的微流控芯片装置，其特征在于，所述的垂向第二凹槽为方形槽或半圆形槽。
5.按权利要求1所述的用于液体表面张力测定的微流控芯片装置，其特征在于，所述的横向第三凹槽为方形槽或半圆形槽。
全文摘要
本发明涉及的用于液体表面张力测定的微流控芯片装置，包括其上表面上设置平行放置的垂向第一凹槽和垂向第二凹槽的基片，以及与该垂向第一、第二垂向凹槽一端相连通并垂直的横向第三凹槽；该第一、第二垂向凹槽尺寸不同；该第一、第二垂向凹槽另一端延伸出基片边缘；紧密贴合在基片上表面的盖板；和粘贴于盖板外表面上的透明材质的刻有标准国际长度单位刻度的标示板；测定样品时，只需从凹槽末端引入液体，液体在毛细管作用力的驱动下自动进入芯片并达到平衡状态。测量液面高度差并结合液体的密度即可得到液体的表面张力。其测量简化，并可实现快速实时现场检测，在基础研究和工业生产上都有广泛的应用前景。
文档编号G01N13/02GK1987415SQ20061017151
公开日2007年6月27日 申请日期2006年12月30日 优先权日2006年12月30日
发明者林金明, 刘江疆 申请人:清华大学