专利名称：单分散水油液滴阵列超小反应器及制备方法、使用方法
技术领域：
本发明涉及微流体技术领域，特别涉及一种单分散水油液滴阵列超小反应器及制备方法、使用方法。
背景技术：
皮升(10_12 L)或飞升级(10_15 L)的油包水(W/0)液滴作为微反应器在化学、生物、食品、制药等工业生产和科学技术实践方面有着重要的应用。要产生大量单分散(即大小均一)的液滴，现有的办法主要是利用流动聚焦(flow focusing)或T形结构得到这种微液滴，其原理都是利用一种载流体对溶液流体的快速剪切来获得快速运动的液滴串，每秒钟可产生1000个单分散液滴或更多。但是这些办法产生的液滴直径一般在10微米量级，难以同时产生大量单分散的皮升或飞升级的超小液滴。在这些方法基础上，有人提出了纳米通道、电喷流等方法来解决这一问题，但是这些方法都需要复杂的加工工艺过程和可观的 能量输入(如气压、电压等)，且流速的波动稳定对液滴大小影响巨大。此外，基于已有技术的微液滴快速流动，难以有效、大量地捕捉、存储以进行分析，一般是通过几何特性、电学筛选和光学操纵的原理来捕获单个液滴，没办法同时处理大量的超小液滴。因此，需要一种简单、有效、低成本的技术来解决单分散超小液滴(皮升-飞升量级或更小)的产生和操控。
发明内容
本发明的发明目的是针对现有微流体技术的技术不足，提供一种同时产生和调控大量的单分散油包水液滴阵列的超小反应器的制备方法。进一步地，提供一种单分散油包水液滴阵列的超小反应器。进一步地，提供一种单分散油包水液滴阵列的超小反应器的使用方法。为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为
提供一种单分散水油液滴阵列超小反应器的制备方法，包括以下步骤
1)涂布通过旋转涂布将光刻胶均匀涂于衬底上，形成第一光刻胶层；
2)光刻在第一光刻胶层上表面均勻旋涂光刻胶，形成第二光刻胶层；经过对准和光刻之后，在第二光刻胶层进行显影处理，形成若干均匀分布的凸起；
3)成型在经过上述步骤2)处理的衬底上浇铸聚二甲基硅氧烷溶液，经脱气后在50-90° C的温度下加热固化；在上述步骤2)处理的衬底形成聚二甲基硅氧烷图形膜；且所述聚二甲基硅氧烷图形膜覆盖所述第一光刻胶层与第二光刻胶层；
4)钻孔脱模，将聚二甲基硅氧烷图形膜从衬底上剥下；该聚二甲基硅氧烷图形膜上与凸起接触的位置形成微阱，若干所述微阱形成微阱阵列；所述该聚二甲基硅氧烷图形膜上相应第一光刻胶层的位置形成主通道；该聚二甲基硅氧烷图形膜两侧钻孔，分别作为液体的入口和出口 ；该入口和出口贯穿聚二甲基硅氧烷图形膜且与主通道相接；
5)邦定将微阱阵列与主通道相对；接着用氧等离子体方法将经过步骤6)处理的聚二甲基硅氧烷图形膜与玻璃进行表面活化以完成粘接邦定；即制成单分散水油液滴阵列超小反应器。优选地，所述聚二甲基硅氧烷溶液以聚二甲基硅氧烷催化剂=10:1 (体积比)配制。一种单分散水油液滴阵列超小反应器制备方法，包括以下步骤
1)涂布通过旋转涂布将光刻胶均匀涂于第一衬底上，形成光刻胶层；
2)光刻经过对准和光刻之后，在光刻胶层进行显影处理，形成若干均匀分布的且贯穿光刻胶层的凹坑，形成光刻胶图形掩膜；
3)刻蚀通过上述光刻胶图形掩膜，利用感应耦合等离子体刻蚀从而在衬底上穿过通孔刻蚀出微阱，若干微阱结合形成微阱系列，相邻微阱之间形成凸起；
4)钻孔洗掉光刻胶层，在第一衬底两侧钻孔，分别作为液体的出口和入口；并通过低 压化学气相沉积在第一衬底上覆盖第一聚对二甲苯薄膜层；
5)二次刻蚀在第二衬底上利用光刻技术及感应耦合等离子体刻蚀制作主通道；并同样覆盖上第二聚对二甲苯薄膜层；
6)邦定将微阱阵列与主通道相对，然后将上述第一衬底与第二衬底在100°C-200° C的温度下进行粘接邦定；邦定后，所述主通道的长度大于微阱系列的长度，且所述出口和入口均与主通道相通；即制成单分散水油液滴阵列超小反应器。优选地，所述主通道的宽度与深度比彡20。优选地，所述衬底为硅；第一、第二衬底为二氧化硅
一种单分散水油液滴阵列超小反应器，包括衬底与衬底邦定的沟道；所述沟道与衬底之间形成主通道；所述主通道的宽度与深度比> 20 ;所述沟道靠近主通道的一侧设有微阱，若干所述微阱形成微阱阵列，且所述相邻微阱之间设有凸起；所述沟道两侧开孔，分别作为液体的入口和出口 ；所述入口和出口与主通道相通。一种单分散水油液滴阵列超小反应器的工作方法，包括以下步骤
1)先通过抽气设备将单分散水油液滴阵列超小反应器内的空气抽出，然后通过虹吸水溶液填满主通道和微阱阵列的所有空间；等待1-5分钟，使得被水溶液包裹的气泡逐渐消失;
2)之后将一种与水不混溶的油虹吸到主通道里面，将主通道里的水溶液排走，而在每个微阱里会留下被油切割的水溶液微液滴；
3)停止注入与水不混溶的油，在微阱阵列中便形成了静态的液滴阵列；液滴中的水分子会逐渐向油中扩散，使得液滴不断收缩直至稳定；
4)当液滴的体积稳定后，通入与水不混溶的油，通入与水不混溶的油的流速大于1000微升/小时，将这些液滴从微阱中释放出来并收集。优选地，在水溶液或与水不混溶的油中加入表面活性剂，所述表面活性剂为山梨糖醇酐油酸酯(Span 80)、吐温20(Tween 20)或EA,用于减少液体与微讲壁面的相互作用，进一步阻止水溶液中的溶剂小分子向与水不混溶的油中扩散。优选地,上述步骤2)中水溶液密度为P _，油的密度为P油；且，P mm< P油。优选地，所述水溶液包括溶于水的溶质，且溶质分子的大小比水分子至少大5倍，且溶质分子室温下在油中的溶解度〈I ppm ;所述与水不混溶的油为含有烷烃和\或苯环的有机溶剂，室温下水在油中的溶解度〈500 ppm。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果使用简单有效而廉价的工艺来原位产生和固定大量W/0微液滴组成的阵列，液滴的大小均匀、可控，可达到飞升量级。本技术步骤简单，结果可靠。由于宽通道设计大幅减少了压力损失，本技术受流速不稳定的影响较小。整个过程，包括抽真空与虹吸，都可以使用注射器在几分钟内完成，而不需要通常的注射泵或其它装置。
图I为聚二甲基硅氧烷图形膜与玻璃绑定的单分散水油液滴阵列超小反应器步骤I)的效果 图2为聚二甲基硅氧烷图形膜与玻璃绑定的单分散水油液滴阵列超小反应器步骤2)的效果图； 图3为聚二甲基硅氧烷图形膜与玻璃绑定的单分散水油液滴阵列超小反应器步骤3)的效果 图4为聚二甲基硅氧烷图形膜与玻璃绑定的单分散水油液滴阵列超小反应器步骤4)的效果 图5为聚二甲基硅氧烷图形膜与玻璃绑定的单分散水油液滴阵列超小反应器步骤5)的效果 图6为衬底与衬底绑定的单分散水油液滴阵列超小反应器步骤2)的效果 图7为衬底与衬底绑定的单分散水油液滴阵列超小反应器步骤3)的效果 图8为衬底与衬底绑定的单分散水油液滴阵列超小反应器步骤4)的效果 图9为衬底与衬底绑定的单分散水油液滴阵列超小反应器步骤5)的效果 图10为衬底与衬底绑定的单分散水油液滴阵列超小反应器步骤6)的效果 图11为本发明该单分散水油液滴阵列超小反应器的结构示意 图12为图11的A部放大 图13为图12的扩散过程 图14为去离子水液滴在大豆油里的收缩过程 图15为结合有荧光染料的葡萄聚糖液滴在大豆油里收缩过程 图16为液滴在大豆油中收缩的速率趋势图；(图中4为去离子水加入4wt%山梨糖醇酐油酸酯；5为初始浓度70 μ M的葡萄糖溶液；6为初始浓度5mM的HEPES缓冲液；7为去离子水)
图17为结合有荧光染料葡萄聚糖溶液在微阱中的收缩过程图(收缩时间为7min)；
图18为结合有荧光染料葡萄聚糖溶液在微阱中的收缩过程图(收缩时间为3h47min)；图19为结合有荧光染料葡萄聚糖溶液在微阱中的收缩过程图(收缩时间为7h54min)；图20为结合有荧光染料葡萄聚糖溶液在微阱中的收缩过程图(收缩时间为10h34min)；
图21为在大小为10 μ m微阱下产生的稳定的结合有荧光染料葡萄聚糖液滴排列图； 图22为在大小为20 μ m微阱下产生的稳定的结合有荧光染料葡萄聚糖液滴排列图； 图23为在大小为30 μ m微阱下产生的稳定的结合有荧光染料葡萄聚糖液滴排列图； 图24为在大小40 μ m微阱下产生的稳定的结合有荧光染料葡萄聚糖液滴排列图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。除非特别说明，本发明采用的材料和加工方法为本技术领域常规材料和加工方法。实施例I
本发明的原理是水在多种不相溶的油，如大豆油、硅油、氟化硅油等中都有一定溶解度，所以会不断往油中扩散，而水溶液的溶质分子一般比水分子大很多，在油中的扩散可以忽略。因此直到水分子在油和水溶液中的化学势平衡时，液滴大小达到稳定。去离子水液滴在大豆油中会在2分钟内迅速缩小，最后消失，如图14所示。
而含有荧光基团的葡萄聚糖液滴也在大豆油中以较慢的速率逐渐缩小，同时荧光增强,表面浓度增大,最后液滴的大小会达到一个稳定值,如图15所示。如图16所示，已有的研究表面液滴收缩的速率及平衡后的体积取决于油和表面活性剂的种类和分子数目，以及水在油中扩散的速率。如图1-5所示，通过旋涂将SU-8第一光刻胶层11覆盖在硅片12上面(如图I所示)，然后再次旋涂SU-8第二光刻胶层，经过显影处理后，在第二光刻胶层形成凸起。接着配置聚二甲基硅氧烷溶液(聚二甲基硅氧烷催化剂=10 :1)，倾倒至硅片12上面，且覆盖第一光刻胶层与第二光刻胶层；在合适的温度下加热固化，形成聚二甲基硅氧烷图形膜13。接着，再将聚二甲基硅氧烷图形模从硅片12上剥下，该聚二甲基硅氧烷图形膜13上相应凸起的位置形成微阱16，若干所述微阱结合成微阱阵列13，相邻微阱16之间设有凸起15。该聚二甲基硅氧烷图形膜上相应第一光刻胶层的位置形成主通道；且在聚二甲基硅氧烷图形模两侧钻孔，分别作为液体的出口和入口。最后，使用氧等离子体将聚二甲基硅氧烷成型模与玻璃邦定，制得聚二甲基硅氧烷图形膜与玻璃绑定的单分散水油液滴阵列超小反应器。如图11-13所示，该单分散水油液滴阵列超小反应器包括衬底与衬底邦定的沟道。沟道与衬底之间形成主通道2。主通道2的宽度与深度比>20。沟道靠近主通道的一侧设有微阱，若干所述微阱形成微阱阵列3。且相邻微阱之间设有凸起。沟道两侧开孔，分别作为液体的入口 I和出口 4 ;入口 I和出口 4与主通道2相通。本实施例中，微阱大小为IOum0如图15所示，将刻有微阱阵列的聚二甲基硅氧烷(PDMS)邦定在透明衬底上。聚二甲基硅氧烷与衬底之间留一条较宽的主通道2，在主通道2的顶部使用标准光刻工艺引入高密度的微阱阵列3。通过真空将反应器内的空气排走之后，利用结合有荧光染料(指示用)的葡萄聚糖液滴5通过虹吸填满主通道2和微阱16。之后将大豆油8虹吸到主通道2里面，将主通道2里的水溶液排走，而在每个微阱处会留下分立的微液滴。在结合有荧光染料的葡萄聚糖液滴或大豆油中可以加入表面活性剂6,如Span 80、Tween 20或EA,以减少液体与固体间的相互作用，并阻止结合有荧光染料的葡萄聚糖液滴中的溶剂小分子向大豆油中扩散。之后停止大豆油的注入，在微阱16中便形成了静态的液滴阵列。如图21所示，液滴中的水分子会逐渐向大豆油中扩散，使得液滴不断收缩直到达到一个稳定的大小，稳定大小为2. lum。通过使用与水有不同混溶性的大豆油可以改变结合有荧光染料的葡萄聚糖液滴的初始体积，通过改变结合有荧光染料的葡萄聚糖液滴的初始体积与浓度可以控制扩散的过程，最终改变结合有荧光染料的葡萄聚糖液滴的平衡体积。当结合有荧光染料的葡萄聚糖液滴的体积稳定后，可以通过高流速的大豆油将这些结合有荧光染料的葡萄聚糖液滴从微阱中释放出来并收集。图17-图20为结合有荧光染料葡萄聚糖溶液在微阱中的收缩过程图，收缩时间分别为7min ； 3h47min ；7h54min ；10h34mino实施例2
本实施例除下述特征外，其他均与实施例I相同如图22所示，本实施例中，微阱大小为20 μ m,液滴稳定大小为3. 7 μ m。实施例3 本实施例除下述特征外，其他均与实施例I相同如图23所示，本实施例中，微阱大小为30 μ m,液滴稳定大小为10. 6 μ m。实施例4
本实施例除下述特征外，其他均与实施例I相同如图24所示，本实施例中，微阱大小为40 μ m,液滴稳定大小为12. 4 μ m。实施例5
本实施例除下述特征外，其他均与实施例I相同水溶液采用HEPES缓冲液(初始浓度5mM)，该HEPES缓冲液的分子式C8H18N204S、中文名称为羟乙基哌嗪乙硫磺酸。油采用大豆油。在直径为20 μ m的微阱里，液滴稳定大小为5. 4 μ m。实施例6本实施例除下述特征外，其他均与实施例I相同如图6-10所示，在第一石英片23上均匀旋涂光刻胶层21，然后通过光刻在光刻胶层21上形成若干通孔(如图6所示);利用这层光刻胶层作为光刻胶图形掩模，并通过感应耦合等离子体在第一石英片23上刻蚀出微阱，若干微阱形成微阱阵列(如图7所示)。接着，洗掉光刻胶层，在第一石英片23两侧钻孔作为液体的出口和入口。通过低压化学气相沉积在第一石英片23上覆盖第一聚对二甲苯薄膜层(如图8所示)。再在第二石英片22上刻蚀出主通道1，并同样覆盖上第二聚对二甲苯薄膜层(如图9所示)。最后，将第一石英片23与第二石英片22在100-200° C下邦定(如图10所示)，制得单分散水油液滴阵列超小反应器。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
权利要求
1.一种单分散水油液滴阵列超小反应器的制备方法，其特征在于包括以下步骤 1)涂布通过旋转涂布将光刻胶均匀涂于衬底上，形成第一光刻胶层； 2)光刻在第一光刻胶层上表面均勻旋涂光刻胶，形成第二光刻胶层；经过对准和光刻之后，在第二光刻胶层进行显影处理，形成若干均匀分布的凸起； 3)成型在经过上述步骤2)处理的衬底上浇铸聚二甲基硅氧烷溶液，经脱气后在50° C -90° C的温度下加热固化，在上述步骤2)处理的衬底形成聚二甲基硅氧烷图形膜；且所述聚二甲基硅氧烷图形膜覆盖所述第一光刻胶层与第二光刻胶层； 4)钻孔脱模，将聚二甲基硅氧烷图形膜从衬底上剥下；该聚二甲基硅氧烷图形膜上与凸起接触的位置形成微阱，若干所述微阱形成微阱阵列；所述该聚二甲基硅氧烷图形膜上相应第一光刻胶层的位置形成主通道；该聚二甲基硅氧烷图形膜两侧钻孔，分别作为液体的入口和出口 ；该入口和出口贯穿聚二甲基硅氧烷图形膜且与主通道相接； 5)邦定将微阱阵列与主通道相对；接着用氧等离子体方法将经过步骤6)处理的聚二甲基硅氧烷图形膜与玻璃进行表面活化以完成粘接邦定；即制成单分散水油液滴阵列超小反应器。
2.根据权利要求I所述的单分散水油液滴阵列超细反应器制备方法，其特征在于所述聚二甲基硅氧烷溶液以聚二甲基硅氧烷催化剂=10:1 (体积比)配制。
3.一种单分散水油液滴阵列超小反应器制备方法，其特征在于包括以下步骤 1)涂布通过旋转涂布将光刻胶均匀涂于第一衬底上，形成光刻胶层； 2)光刻经过对准和光刻之后，在光刻胶层进行显影处理，形成若干均匀分布的且贯穿光刻胶层的凹坑，形成光刻胶图形掩膜； 3)刻蚀通过上述光刻胶图形掩膜，利用感应耦合等离子体刻蚀从而在衬底上刻蚀出微阱，若干微阱形成微阱系列，相邻微阱之间形成凸起； 4)钻孔洗掉光刻胶层，在第一衬底两侧钻孔，分别作为液体的出口和入口；并通过低压化学气相沉积在第一衬底上覆盖第一聚对二甲苯薄膜层； 5)二次刻蚀在第二衬底上利用光刻技术及感应耦合等离子体刻蚀制作主通道；并同样覆盖上第二聚对二甲苯薄膜层； 6)邦定将微阱阵列与主通道相对，然后将上述第一衬底与第二衬底在100°C-200° C的温度下进行粘接邦定；邦定后，所述主通道的长度大于微阱系列的长度，且所述出口和入口均与主通道相通；即制成单分散水油液滴阵列超小反应器。
4.根据权利要求I或3所述的单分散水油液滴阵列超小反应器制备方法，其特征在于所述主通道的宽度与深度比彡20。
5.根据权利要求I或3所述的单分散水油液滴阵列超小反应器制备方法，其特征在于所述衬底为硅；第一衬底和第二衬底均为二氧化硅。
6.一种如权利要求I或3所述的单分散水油液滴阵列超小反应器，其特征在于包括衬底与衬底邦定的沟道；所述沟道与衬底之间形成主通道；所述主通道的宽度与深度比≥20 ;所述沟道靠近主通道的一侧设有微阱，若干所述微阱形成微阱阵列，且所述相邻微阱之间设有凸起；所述沟道两侧开孔，分别作为液体的入口和出口 ；所述入口和出口与主通道相通。
7.—种单分散水油液滴阵列超小反应器的使用方法，该方法通过单分散水油液滴阵列超小反应器进行，其特征在于包括以下步骤 1)先通过抽气设备将单分散水油液滴阵列超小反应器内的空气抽出，然后通过虹吸水溶液填满主通道和微阱阵列的所有空间；等待1-5分钟，使得被水溶液包裹的气泡逐渐消失; 2)之后将一种与水不混溶的油虹吸到主通道里面，将主通道里的水溶液排走，而在每个微阱里会留下被油切割的水溶液微液滴； 3)停止注入与水不混溶的油，在微阱阵列中便形成了静态的液滴阵列；液滴中的水分子会逐渐向与水不混溶的油中扩散，使得液滴不断收缩直至稳定； 4)当上述液滴的体积稳定后，通入与水不混溶的油，通入油的流速大于1000微升/小时，可将这些液滴从微阱中释放出来并收集。
8.根据权利要求6所述的单分散水油液滴阵列超小反应器的使用方法，其特征在于在水溶液或与水不混溶的油中加入表面活性剂，所述表面活性剂为山梨糖醇酐油酸酯、吐温20或EA。
9.根据权利要求6所述的单分散水油液滴阵列超小反应器的使用方法，其特征在于上述步骤2)中水溶液密度为P溶液,油的密度为P油；且，P溶液< P油。
10.根据权利要求6所述的单分散水油液滴阵列超小反应器的使用方法，其特征在于所述水溶液包括溶于水的溶质，且溶质分子的大小比水分子至少大5倍，且室温下溶质分子在油中的溶解度< I ppm;所述与水不混溶的油为含有烷烃和\或苯环的有机溶剂，室温下水在油中的溶解度< 500 ppm。
全文摘要
本发明公开了一种单分散水油液滴阵列超小反应器及其制备方法与使用方法，包括衬底、与衬底邦定的沟道；所述沟道与衬底之间形成主通道；所述主通道的宽度与深度比≥20；所述沟道靠近主通道的一侧有微阱阵列，且所述主通道和微阱阵列形成垂直方向的三维结构；所述沟道两侧开孔，分别作为液体的入口和出口。该制备方法使用简单有效而廉价，可原位产生大量W/O微液滴组成的阵列；通过使用方法，产生的液滴的大小均匀、可控，可达到飞升量级，原理上可达到更小体积。
文档编号B01J19/00GK102716707SQ201210219210
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月28日 优先权日2012年6月28日
发明者吴天准, 四方哲也, 桂许春, 汤子康, 王玉超, 祝渊, 苏宇泉, 铃木宏明, 项荣 申请人:中山大学