本发明涉及微小体积液体的液滴技术领域，尤其涉及一种pdms模板以及该模板的制备方法；同时，本发明还涉及应用该pdms模板制备阵列式油包液滴结构的制备方法。
背景技术：
目前，微小体积液滴的生成方法，最常用的有主动式和被动式两种，主动式主要采用诸如气压、压电、微阀和磁场等外场驱动力实现液滴生成，被动式直接利用微通道几何结构的限制，促使流场交界面发生变形，因其界面不稳定性增加，从而生成液滴阵列。现有技术一般都是在微流控通道中完成液滴的制备，制备过程繁琐且需要额外的精密仪器的辅助，制备过程中消耗的试剂量过大，液滴的捕获、存储及操控难度较大。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明旨在提出一种pdms模板的制备方法，以降低其后续应用的阵列式油包液滴结构的制备的操控难度，降低阵列式油包液滴结构的制备中试剂的使用量。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种pdms模板的制备方法，其包括如下步骤：
步骤a，在硅片表面的刻蚀区域，刻蚀出圆柱形的、由微柱构成的微柱阵列，以获得微柱硅片；
步骤b，对获得的微柱硅片的表面进行疏水性处理；
步骤c，于所述微柱阵列所在的刻蚀区域处，滴加pdms材料并涂抹均匀；
步骤d，使pdms材料固化以形成pdms薄膜，将pdms薄膜和所述微柱硅片分离后，获得带有微柱通孔的pdms模板。
进一步的，所述微柱阵列分区域的分布在所述刻蚀区域内。
进一步的，位于同一区域内的所述微柱阵列包含的所述微柱相同。
进一步的，所述步骤d中，pdms材料固化，是将带有涂抹均匀的pdms材料的微柱硅片，置于加热板上加热后形成。
本发明的pdms模板的制备方法制得的pdms模板，其上带有微柱通孔的阵列，便于后续阵列式油包液滴结构的制备，并降低了阵列式油包液滴结构的制备难度以及油包液滴制备中试剂的使用量，可重复使用。
本发明的一种pdms模板，由如上所述的pdms模板的制备方法制得。
进一步的，所述pdms模板的厚度为110um～130um。
此外，本发明同时提供了一种阵列式油包液滴结构的制备方法，该方法包括如下步骤：
步骤a，取一玻璃片，并在玻璃片表面加工形成疏水层；
步骤b，将如上的pdms模板，贴合在步骤a获得的玻璃片上；
步骤c，等离子处理后，去除pdms模板，获得亲疏水玻璃基片；
步骤d，将试剂填充至亲疏水玻璃基片的所述pdms模板的所述微柱通孔对应的区域后，向所述微柱通孔对应区域添加油液，以获得阵列式油包液滴结构。
进一步的，所述步骤c，是将步骤b获得的贴合有pdms模板的玻璃片放置在等离子体清洗机中处理10秒钟。
进一步的，步骤d中的所述试剂为经稀释的ps微球溶液，或经染色的细胞溶液，或经稀释后的含有大肠杆菌的培养液。
进一步的，所述步骤d包括如下步骤：
选取一片具有亲水性质的玻璃盖片和两片玻璃垫片；
将两片所述玻璃垫片分别粘在所述亲疏水玻璃基片上的所述微柱通孔对应区域的两侧，并将试剂滴加在两片所述玻璃垫片之间区域；
使用所述玻璃盖片挤压所述试剂，使所述试剂填充在所述玻璃盖片、所述玻璃垫片和所述亲疏水玻璃基片形成的空间中；
将油液滴加在所述玻璃盖片的一侧，并向另一侧滑动所述玻璃盖片，直至所述玻璃盖片离开所述亲疏水玻璃基片；
在所述微柱通孔对应区域的周边处围构pdms材质。
本发明的阵列式油包液滴结构的制备方法，其可以以纯手工的方式完成，无需额外昂贵的精密仪器参与，降低了油包液滴结构的制备成本；在油包液滴结构的制备过程中，试剂的消耗量交底，生成的通量较好，而液滴的尺寸可进行控制，效果较好。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例一的pdms模板的制备方法以及由制得的pdms模板制备亲疏水玻璃基片的方法流程图；
图2为实施例一制得的pdms模板的光学显微图像。
图3为实施例一制得的pdms模板的切面的光学显微图像。
图4为本发明实施例二中制备油包水液滴阵列的步骤d的方法流程图。
图5为实施例二制备的油包水液滴阵列的荧光显微图像；
图6为实施例二制备的油包水液滴阵列中液滴的剖面图；
图7实施例二制备的油包水液滴阵列中液滴的三维图像；
图8为室温下油包水液滴阵列中液滴的底面直径、高度和体积随时间变化的图像。
图9为pdms模板第一通孔尺寸下ps球在液滴阵列中的分布情况的柱状图及对应的含有ps球的液滴阵列的荧光显微图像；
图10为pdms模板第二通孔尺寸下ps球在液滴阵列中的分布情况的柱状图及对应的含有ps球的液滴阵列的荧光显微图像；
图11为pdms模板第三通孔尺寸下ps球在液滴阵列中的分布情况的柱状图及对应的含有ps球的液滴阵列的荧光显微图像；
图12为含有细胞的液滴阵列的偏光照片；
图13为含有细胞的液滴阵列的荧光照片；
图14液滴中大肠杆菌数目随时间变化的曲线图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例一
本实施例涉及一种pdms模板的制备方法，该方法的整体设计思路上，主要包括如下如下步骤：
步骤a，在硅片表面的刻蚀区域，刻蚀出圆柱形的、由微柱构成的微柱阵列，以获得微柱硅片；
步骤b，对获得的微柱硅片的表面进行疏水性处理；
步骤c，于所述微柱阵列所在的刻蚀区域处，滴加pdms材料并涂抹均匀；
步骤d，使pdms材料固化以形成pdms薄膜，将pdms薄膜和所述微柱硅片分离后，获得带有微柱通孔的pdms模板。
其中，而为了更进一步的提高整体的使用效果，位于同一区域内的所述微柱阵列包含的所述微柱相同。
基于如上的整体设计思想，其步骤的具体实际操作如下：
步骤a，在硅片表面的刻蚀区域，刻蚀出圆柱形的、由微柱构成的微柱阵列，以获得微柱硅片。具体来讲，首先通过光刻技术在硅片表面刻蚀出不同尺寸的圆柱形微柱阵列。为了进一步提高整体的使用效果，所述微柱阵列分区域的分布在所述刻蚀区域内，如本实施例中，可以将刻蚀区域氛围三个区域，每个区域的微柱阵列包含的微柱相同，如三个区域中，其中一个区域的微柱的底面直径为80μm，第二个为110μm，第三个为140μm。每个区域的微柱数量，顺次设为18225个、13225个和10609个；所有区域的微柱的高度均为150μm，微柱间的间距皆为120μm。其制得的微柱硅片的效果图如图1(ⅰ)所示。
步骤b，对获得的微柱硅片的表面进行疏水性处理。具体来讲，使用氟硅烷(1h,1h,2h,2h-perfluorooctyltriethoxysilane，pots)修饰光刻得到的微柱硅片，使微柱硅片表面具有疏水性。该微柱硅片用于后续pdms模板的制备，通过疏水性处理后，其可重复使用。
步骤c，于所述微柱阵列所在的刻蚀区域处，滴加pdms材料并涂抹均匀。具体来讲，将足量的pdms(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)滴加在上述微柱硅片的微柱阵列区域，并刮涂掉多余的pdms，直至微柱的上底面露出。其制得的表面涂有pdms的、具有微柱阵列的硅片部分结构示意图如图1(ⅱ)所示。
步骤d，使pdms材料固化以形成pdms薄膜，将pdms薄膜和所述微柱硅片分离后，获得带有微柱通孔的pdms模板。具体来讲，pdms涂抹均匀后，将微柱硅片放置在100℃的加热板上加热10分钟，使硅片表面的pdms固化。因为硅片已经过疏水化处理，所以固化的pdms易于与硅片剥离开来。待硅片冷却后，缓慢揭下硅片表面的pdms薄膜，该pdms薄膜即为所需的pdms模板，该模板的尺寸为2.5cm×2.5cm，厚度为110um～130um。制得的pdms模板的结构示意图如图1(ⅳ)所示。图2示出了制得的pdms模板的光学显微图像，图3示出了制得的pdms模板的切面的光学显微图像，图2和图3的比例尺为100μm，放大倍数为100倍。从图中可以看出pdms模板上分布着尺寸均一、排布整齐的圆形通孔，通孔的直径和所用的硅柱的直径基本一致。
由此可以看出，所得的pdms模板厚度约为120μm，圆形通孔均匀的分布在pdms模板上。经观测，pdms模板上孔径的大小与微柱的尺寸相对应，即可得到含有孔径约为80μm、110μm和140μm的圆形通孔的pdms模板。通过显微镜观察可以发现，pdms模板一侧较为平整，而另一侧较为不平，平整的一侧可与玻璃基底紧密贴合。该pdms模板用于后续图案化玻璃基底的制备，且可多次重复使用。
实施例二
本实施例涉及一种阵列式油包液滴结构的制备方法，该方法的整体设计思想，主要包括如下步骤：
步骤a，取一玻璃片，并在玻璃片表面加工形成疏水层；
步骤b，将实施例一的pdms模板，贴合在步骤a获得的玻璃片上；
步骤c，等离子处理后，去除pdms模板，获得亲疏水玻璃基片；
步骤d，将试剂填充至亲疏水玻璃基片的所述pdms模板的所述微柱通孔对应区域后，向所述微柱通孔对应区域添加油液，以获得阵列式油包液滴结构。
基于如上的设计思想，本实施例中，对该方法的步骤具体描述如下：
步骤a，取一玻璃片，并在玻璃片表面加工形成疏水层。具体来讲，将洁净的玻璃片(7.5cm×7.5cm)放置在等离子体清洗机中清洗2分钟，除去玻璃片表面附着的杂质。为在玻璃片表面蒸镀上疏水层，使玻璃片具有与疏水性，取清洗后的玻璃片和适量氟硅烷于密闭容器中，并置于120℃的烘箱中加热2个小时。经测量，水在疏水化处理的玻璃片表面的静态接触角为103.8°经疏水化处理后的玻璃片的部分结构示意图如图1(ⅲ)所示。
步骤b，将实施例一的pdms模板，贴合在步骤a获得的玻璃片上。具体来讲，将pdms模板放置在疏水玻璃基片的表面，轻轻按压使pdms模板与玻璃基底紧密结合，贴合有pdms模板的玻璃片结构示意图如图1(ⅴ)所示。
步骤c，等离子处理后，去除pdms模板，获得亲疏水玻璃基片；具体来讲，将结合在一起的pdms模板与玻璃基底放置在等离子体清洗机中处理10秒钟，制得表面分布有亲水点阵图案的玻璃片，其部分结构示意图如图1(ⅵ)所示。
通过上述方法，即可实现在疏水玻璃基片表面的选择性刻蚀，被pdms模板覆盖的部分保留疏水的性质，而通过pdms模板上的通孔露出的玻璃基底部分，因等离子体的作用具有了亲水性质。揭去pdms模板，便可得到图案化的玻璃基片，尺寸均匀、形状规则的圆形亲水图案整齐的排布在疏水玻璃基底上。圆形亲水图案的尺寸与pdms模板上通孔的大小和等离子体的作用时间密切相关，当等离子体的作用时间控制在10秒时，亲水图案的尺寸与pdms模板上通孔的尺寸一致，即可通过控制pdms模板上通孔的尺寸和等离子体的作用时间来得到预设的尺寸的亲水图案。亲水图案的尺寸直接决定了后期形成的液滴的大小，因此可以通过控制亲水图案的尺寸来得到预想的尺寸的液滴。采用上述方法制备亲疏水图案化的玻璃基片，大大的简化了实验步骤，整个制备过程无需昂贵的、精密的仪器，且完全可以纯手工完成整个制备过程。
步骤d，将试剂填充至亲疏水玻璃基片的所述pdms模板的所述微柱通孔所在区域后，向所述微柱通孔所在区域添加油液，以获得阵列式油包液滴结构。
具体来讲，本实施例中，液滴阵列的制备过程中需要使用到一片具有亲水性质的玻璃盖片(7.5cm×2.5cm)和两片玻璃垫片(2.5cm×2.5cm)，玻璃盖片的厚度为1mm，玻璃垫片的厚度约为0.15mm。材料准备示意，如图4(ⅰ)所示。油包水液滴阵列的制备过程可分为四个步骤，第一步，将两片玻璃垫片分别粘在玻璃基片上亲水点阵区域的两侧，再将85μl的试剂滴加在亲水点阵区域；第二步，使用玻璃盖片挤压上一步添加的试剂，使试剂填充在玻璃盖片、玻璃垫片和玻璃基片的图案化区域三者形成的空间中；其使用示意图如图4(ⅱ)所示；第三步，将油液滴加在玻璃盖片的一侧，并向另一侧(图4(ⅲ)中箭头指示方向)以适当的速度滑动玻璃盖片直至玻璃盖片离开玻璃基片图案化区域的上方，其使用示意图如图4(ⅲ)所示；第四步，为维持油液覆盖在点阵的上方而不扩散到玻璃基片的其他区域，需使用一片1cm厚的pdms壁障将点阵区域包围住，其效果图如图4(ⅳ)所示。
图5为实施例二制备的油包水液滴阵列的荧光显微图像，图中的比例尺为100μm，显微镜的放大倍数为100倍。由图可知，所制备出的液滴阵列形状规则、尺寸均匀、排布整齐；图6为制备的油包水液滴阵列中液滴的剖面图，液滴的高度便由液滴的剖面图测得，图中的比例尺为50μm，显微镜的放大倍数为200倍；图7为制备的油包水液滴阵列中液滴的三维图像；图8为室温下油包水液滴阵列中液滴的底面直径、高度和体积随时间变化的图像，从图中可以看出油层的存在有效地阻止了液滴阵列的蒸发，液滴阵列可在室温下保存60h之久。
从如上描述及附图可以看出，制备油包水液滴阵列的步骤十分简单、快捷，无需复杂的、昂贵的仪器设备。此外，在如上的制备油包水液滴阵列的过程中，试剂的消耗量仅为85μl，当使用的试剂较为昂贵时，使用该方法制备液滴阵列可有效的节约试剂和成本。当滑动玻璃盖片时，油水界面也会随之移动，玻璃基片上疏水区域的试剂会轻易的被油替代掉，而亲水图案上的试剂则无法被油替代。当使用不同的pdms模板时可得到不同尺寸和个数的液滴形成的油包水液滴阵列。
综上所述：如上技术方案，当使用物质的量浓度为0.1mmol/l的荧光素钠溶液充当上述方案中的试剂，使用fluorinertfc40充当上述方案中的油液来制备油包水液滴阵列。当分别使用含有孔径为80μm、110μm和140μm的圆形通孔的pdms模板制备液滴阵列时，可分别得到由约为15000、11500和9500个液滴组成的油包水液滴阵列，液滴的覆盖率最高可接近90％。液滴阵列的形成过程非常之快，仅仅需要5秒钟。因此使用上述方法制备油包水液滴阵列的通量可达到3khz，这与现有的微流控技术相当，且使用不同的pdms模板可以很容易地控制液滴的数量和密度。
由荧光倒置显微镜可测得上述液滴阵列中液滴底面的平均直径分别为88.8±7.7μm、123.7±5.5μm和145.1±7.7μm。由荧光共聚焦显微镜可测得上述液滴阵列中液滴的平均高度分别为9.8±0.9μm、11.7±1.2μm和13.8±1.5μm。由液滴的底面直径和高度可计算得到上述液滴阵列中液滴的平均体积分别为31.0±4.9皮升、71.2±6.3皮升和115.8±12.1皮升，通过以上数据即可证明采用上述方法制备出的油包水液滴阵列具有良好的均匀性。当液滴没有被油覆盖时，因其体积极小，液滴会在几毫秒内蒸发殆尽。油的作用一方面是隔离各个液滴，另一方面油可以有效的阻止液滴的蒸发。通过持续的观测可知，由上述方法制备出的油包水液滴阵列可在室温下保存60个小时而阵列中的液滴没有明显的尺寸变化。
如上的阵列式油包液滴结构的制备方法，在使用时，可以采用不同的试剂，也实现不同的技术目的。如步骤d中的所述试剂为经稀释的ps微球溶液，或经染色的细胞溶液，或经稀释后的含有大肠杆菌的培养液。
具体来讲，如利用油包水液滴捕获聚苯乙烯微球中，可实现聚苯乙烯(polystyrene，ps)微球的捕获。具体操作是，所用ps微球的平均直径为5μm，使用荧光素钠溶液(0.1mmol/l)将ps微球溶液(2.5％w/v)稀释50、100、200、400和800倍。使用不同稀释倍数的ps微球溶液充当上述方法中的试剂来制备油包水液滴阵列，后续步骤保持不变，可制备出尺寸均一、排布整齐的含有ps微球的液滴阵列，图9示出了pdms模板第一通孔尺寸下ps球在液滴阵列中的分布情况的柱状图及对应的含有ps球的液滴阵列的荧光显微图像，其制备液滴阵列所使用的pdms模板的通孔的直径为140μm，柱状图中深色柱所示为实验结果，浅色柱为理论计算结果，荧光图像中比例尺为100μm，显微镜放大倍数为100倍。图10示出了pdms模板第二通孔尺寸下ps球在液滴阵列中的分布情况的柱状图及对应的含有ps球的液滴阵列的荧光显微图像，其制备液滴阵列所使用的pdms模板的通孔的直径为110μm，柱状图中深色柱所示为实验结果，浅色柱为理论计算结果，荧光图像中比例尺为100μm，显微镜放大倍数为100倍。图11示出了pdms模板第三通孔尺寸下ps球在液滴阵列中的分布情况的柱状图及对应的含有ps球的液滴阵列的荧光显微图像，其制备液滴阵列所使用的pdms模板的通孔的直径为80μm，柱状图中深色柱所示为实验结果，浅色柱为理论计算结果，荧光图像中比例尺为100μm，显微镜放大倍数为100倍。
因使用了不同浓度的ps微球溶液，所得的液滴阵列中平均每个液滴所含的ps微球的数目分别为26.2、11.6、4.1、2.1、1.5个。当使用稀释800倍的ps微球溶液制备液滴阵列时，平均每个液滴所含的ps微球的数目接近1个，即可实现单个ps微球的捕获。且经过观测和统计发现，在使用稀释800倍的ps微球溶液制备出的液滴阵列中，如上三种pdms模板通孔尺寸视图中所示的理论结果的计算由泊松分布得到，从图中可以看出，实验结果与理论结果基本相符，即ps微球在液滴阵列中的分布基本遵循泊松分布。
如利用如上方法，可用于单细胞的培养和分析。具体来讲，所使用的细胞为培养在含有90％的fk-12和10％的胎牛血清(fbs)的培养基中的a549人非小细胞肺癌细胞。当对培养基中的细胞进行消化后，为了对细胞进行染色而便于后续的观察，将1μl的绿色cmfda染料溶液(1mmol/l)添加到1ml的细胞悬浮液中并在37℃的环境中培养30分钟。将经过染色的细胞进行离心并弃去上清液，便可得到浓度为5×105个/ml的细胞悬浮液，使用fk-12稀释10倍后得到浓度为5×104个/ml的细胞溶液。将经过染色的浓度为5×104个/ml的a549人非小细胞肺癌细胞溶液充当上述方法中的试剂来制备油包水液滴阵列，后续步骤保持不变，可制备出尺寸均一、排布整齐的含有细胞的液滴阵列，其效果如图12、图13所示，其中，图12、图13的比例尺为100μm，显微镜的放大倍数为100倍。图12中黑色圆圈标识出的细胞位于液滴内，白色圆圈标识出的细胞位于液滴外，由图可知，上述用于制备油包水液滴阵列的方法十分适用于进行细胞的捕获和培养。
综上所述，如上整个制备过程所消耗的细胞溶液的体积仅为70μl。观测发现，使用浓度为5×104个/ml的细胞溶液制备出的被油包覆的液滴阵列中平均每个液滴所含的细胞的数目约为1个，即通过上述方法实现了单细胞的捕获和培养。
又如该方法用于单细菌的培养和分析中，将pdms预聚物溶液以3000rpm的转速旋涂于洁净的玻璃片(7.5cm×7.5cm)表面，然后将玻璃片置于80℃的烘箱中烘制三天，得到表面覆盖一层pdms薄层的玻璃片，并将该玻璃片作为制备液滴阵列过程中使用的基底。lb培养基干粉与去离子水按规定比例配制成液体lb培养液，将含有dh5α型的大肠杆菌的培养液用lb培养液稀释100倍。采用稀释后的含有大肠杆菌的培养液充当上述方法中的试剂，采用矿物油充当上述方法中的油液，并采用表面有pdms薄层的玻璃片作为上述方法中的基底来制备液滴阵列，其他步骤保持不变，可制备出尺寸均一、排布整齐的含有大肠杆菌的液滴阵列。
通过显微镜观察发现，使用稀释100倍的含有大肠杆菌的培养液制备出的液滴阵列中平均每个液滴所含的大肠杆菌的数目约为1个，即实现了单细菌的捕获。将含有大肠杆菌的液滴阵列置于24℃的环境中，通过显微镜可以看到大肠杆菌可正常生长和增殖。观察发现大肠杆菌在液滴中的增值可以分为三个阶段，图14所示出了所观测的7个液滴中大肠杆菌的数量随时间变化的折线图，插图所示为同一液滴分别在0h、18h和36h时的显微图像，图中的比例尺为20μm，显微镜的放大倍数为200倍。由图可知，第一个阶段为指数增长阶段，对应的时间为0到12小时；第二个阶段是增长速率下降阶段，对应的时间是12到24小时，该阶段中大肠杆菌的数量仍在增长；第三个阶段为稳定阶段，对应的时间是24到36小时，该阶段中大肠杆菌的数量保持恒定。另外，在大肠杆菌的培养过程中还观察到了细菌成丝现象。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。