用于微滴定向操控的表面通道结构及其制备方法

1.本发明涉及一种用于微滴定向操控的表面通道结构及其制备方法，属于微滴控制和超疏水
‑
超亲水表面技术领域。


背景技术：

2.目前，微滴作为一种全新的、极具发展前景的微流控技术已经引起了人们的广泛关注，微流控技术的迅速发展，能对微滴进行快速精确地处理与操控，与传统实验技术相比，微滴技术具有无可比拟的优势，其中具有微滴操控技术的微流体芯片可应用于医药领域、生物学中细胞筛选、化学反应等等。
3.传统常规的技术通常在微通道中对液滴进行驱动和控制很难得到完成，因此，发展一种简单高效、快速准确、低成本的方法进行微滴操控，是现在微流体领域迫切的需求。微流体芯片作为一种新型的分析检测平台，具有高通量、集成化、多重分析并行、易操作等优势，得到了广泛的应用。然而微流控系统的本身特性决定了其在某些实验条件下仍然有着不小的弊端，比如微流控系统中流体的连续流动形式存在着taylor分散、交叉污染等问题，且系统样品需求量较高，通道长度较长，这些问题都需要在实际运用中得到解决。为了实现对微滴体系的精确监控与操作，我们有必要发展更先进、灵敏度更高的微滴检测技术，使微流控系统更加智能化、自动化。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种用于微滴定向操控的表面通道结构及其制备方法。
5.本发明的目的通过以下技术方案来实现：
6.用于微滴定向操控的表面通道结构，特点是：表面通道结构是在超疏水表面上分布的超亲水通道结构，超亲水通道结构由三角形结构和多个等腰梯形结构依次连接而成。
7.进一步地，上述的用于微滴定向操控的表面通道结构，其中，所述超亲水通道结构的起始位置为三角形结构尖端，其底部与等腰梯形结构的窄端连接，相邻结构的连接方式为后一个的窄端与前一个的底部相连接，并在最后一个等腰梯形底部设立与之相连的圆形储水区作为液滴最终到达的位置。
8.进一步地，上述的用于微滴定向操控的表面通道结构，其中，所述三角形结构的锥度为3～15
°
，长度为5～30mm。
9.进一步地，上述的用于微滴定向操控的表面通道结构，其中，所述等腰梯形结构为截去三角形结构上半部分获得。
10.本发明用于微滴定向操控的表面通道结构的制备方法，包括以下步骤：
11.1)控制脉冲激光在材料表面利用十字扫描方式烧蚀出周期分布的微米锥和微米凹坑结构，微米锥和微米凹坑交替密集分布，峰
‑
坑微米结构上分布有纳米颗粒结构，形成双尺度微纳结构表面；
12.2)脉冲激光处理过的表面进行低表面能物质修饰，修饰后得到超疏水表面，接触角大于150
°
；
13.3)利用计算机cad绘图软件绘制出超亲水通道结构
14.4)在超疏水表面上利用脉冲激光再次扫描超亲水通道结构，将材料表面低表面能物质修饰层去除，使激光处理过的图案所处区域由超疏水特性转化为超亲水特性，未经处理的区域仍表现为超疏水特性，即得到具有超疏水
‑
超亲水混合结构的自驱动集水图案，此时微峰
‑
微坑结构转变为平行微槽，纳米颗粒转变为纳米绒毛结构。
15.更进一步地，上述的用于微滴定向操控的表面通道结构的制备方法，其中，步骤1)和步骤4)中，所述脉冲激光为纳秒激光、皮秒激光或飞秒激光；所述材料为金属或激光可加工的复合材料。
16.更进一步地，上述的用于微滴定向操控的表面通道结构的制备方法，其中，步骤1)，脉冲激光为飞秒激光，激光功率为10w，波长为1030nm，脉宽450fs，脉冲频率1mhz，扫描速度为80～150mm/s，扫描间距为0.03～0.05mm。
17.更进一步地，上述的用于微滴定向操控的表面通道结构的制备方法，其中，步骤4)，脉冲激光为红外纳秒激光，激光功率为10w，波长为1064nm，脉宽20ns，脉冲频率20khz，扫描速度为150～500mm/s，扫描间距为0.05～0.1mm。
18.更进一步地，上述的用于微滴定向操控的表面通道结构的制备方法，其中，步骤4)，低表面能物质修饰采用液相修饰方法，首先配置质量浓度0.01mol/l～0.05mol/l无水乙醇的硬脂酸溶液，将激光处理后的材料表面放置在该溶液中常温下浸泡0.5～1小时，然后在干燥的自然环境中斜立自然晾干。
19.更进一步地，上述的用于微滴定向操控的表面通道结构的制备方法，其中，步骤4)，利用脉冲激光再次扫描超亲水通道结构，首先脉冲激光在超疏水表面依次扫描出三角形、等腰梯形和底部圆形的轮廓，然后以所设置的扫描间距和轮廓中线条的填充方向扫描出轮廓内的填充线条，完成轮廓内微槽的制备，液滴在该轮廓内表面上表现出超亲水特性，与超疏水表面十字扫描方式不同，超亲水表面采用单向扫描出利于导流的微槽结构。
20.本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
21.①
本发明采用三角形结构和等腰梯形结构沿主轴方向两侧由于曲率的不同产生拉普拉斯压差驱动表面液滴运输的原理设计连接结构，可实现远距离表面液滴任意方向自驱动高效运输；
22.②
超亲水通道的制备所采用的激光加工工艺具有工艺简单，加工高效可控、微米结构参数精密可调，可进行任意表面制备超亲水
‑
超疏水复杂混合图案等优势；
23.③
超亲水通道结构主要应用于尤其是在需要精确控制液滴的量和方向时的领域，例如，微滴操控、微生物芯片、医药实验等等，可通过等腰梯形结构的数量和角度的变化连接组合成不同的输送通道，进行液滴的定向操控。
24.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
26.图1为超亲水通道结构示意图；
27.图2为相邻两个通道结构任意方向连接示意图；
28.图3a为超疏水区域周期分布的微峰
‑
微坑结构在扫描电镜下的微观形貌照片；
29.图3b为超疏水区域周期分布的微峰
‑
微坑结构在扫描电镜下的微峰表面的纳米颗粒扫描电镜照片；
30.图3c为超亲水区域周期分布的微峰
‑
微槽结构在扫描电镜下的微观形貌照片；
31.图3d为超亲水区域周期分布的微峰
‑
微坑结构在扫描电镜下的微峰表面的纳米绒毛扫描电镜照片；
32.图4a为超疏水表面区域接触角照片；
33.图4b为超亲水表面区域接触角照片；
34.图5a为弯折形超亲水通道结构示意图；
35.图5b为圆形超亲水通道结构示意图；
36.图5c为8字形超亲水通道结构示意图；
37.图6为三种超亲水通道结构在微滴运输实验中的照片。
38.图中各附图标记的含义：
39.1—三角形结构，2—等腰梯形结构，3—圆形储水区。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
42.如图1所示，用于微滴定向操控的表面通道结构，表面通道结构是在超疏水表面上分布有超亲水通道结构，超亲水通道结构由三角形结构1和多个等腰梯形结构2依次连接而成。超亲水通道结构的起始位置为三角形结构尖端，其底部与等腰梯形结构的窄端连接，相邻结构的连接方式为后一个的窄端与前一个的底部相连接，并在最后一个等腰梯形底部设立与之相连的圆形储水区3作为液滴最终到达的位置。
43.如图2和图5a、图5b、图5c，超亲水通道结构，相邻结构的连接方向灵活，可任意设计通道的连接方向来控制液滴运输方向。
44.三角形结构的锥度为3～15
°
，长度为5～30mm，锥度越小，长度可以设计越长；相反，锥度越大，长度应设计越短；根据液滴的大小选择合适的几何尺寸。
45.等腰梯形结构为截去三角形结构上半部分获得，保证液滴运输的连续性。
46.如图1和图6，微滴定向操控的表面通道的结构其原理为，液滴在分布有超亲水通道结构的超疏水表面因超疏水
‑
超亲水产生的湿润性梯度只在超亲水通道结构中运动，处于超亲水通道中的微滴因三角形上下非对称结构而存在曲率差异，由于液滴表面的张力作用产生拉普拉斯压差，从而驱动液滴从三角形结构尖端运输到底部，液滴在等腰梯形内运输状态与三角形相同，均为从结构窄端运往底部，由于等腰梯形结构依次相连，因此，液滴会不断获得驱动力传递下去，并且沿着不同结构连接方向定向移动，不会因为距离而受到限制，最终到达指定位置圆形储水区。
47.表面结构不仅可以快速高效的运输液滴，而且可以多角度变化结构，形成不同方向的运输通道，且多个等腰梯形结构的依次连接，能够使液滴在远距离通道中不会丧失驱动力，为微滴操控技术领域提供一种可以无能量消耗的液滴驱动表面结构，同时该表面结构具有强大的定向运输能力，根据需要设计不同方向性的微滴通道。
48.本发明用于微滴定向操控的表面通道结构的制备方法，包括以下步骤：
49.1)如图3a和图3b，计算机控制脉冲激光在材料表面利用十字扫描方式烧蚀出周期分布的微米锥和微米凹坑结构，微米锥和微米凹坑交替密集分布，峰
‑
坑微米结构上分布有纳米颗粒结构，形成双尺度微纳结构表面；
50.2)如图4a，脉冲激光处理过的表面进行低表面能物质修饰，修饰后得到超疏水表面，接触角大于150
°
；
51.3)利用计算机cad绘图软件绘制出超亲水通道结构
52.4)在超疏水表面上利用脉冲激光再次扫描超亲水通道结构，将材料表面低表面能物质修饰层去除，使激光处理过的图案所处区域由超疏水特性转化为超亲水特性，接触角接近于0
°
，未经处理的区域仍表现为超疏水特性，即得到具有超疏水
‑
超亲水混合结构的自驱动集水图案，此时微峰
‑
微坑结构转变为平行微槽，纳米颗粒转变为纳米绒毛结构。
53.步骤1)和步骤4)中，脉冲激光为纳秒激光、皮秒激光或飞秒激光；材料为金属或激光可加工的复合材料。
54.步骤1)，脉冲激光为飞秒激光，激光功率为10w，波长为1030nm，脉宽450fs，脉冲频率1mhz，扫描速度为80～150mm/s，扫描间距为0.03～0.05mm。
55.步骤4)，脉冲激光为红外纳秒激光，激光功率为10w，波长为1064nm，脉宽20ns，脉冲频率20khz，扫描速度为150～500mm/s，扫描间距为0.05～0.1mm。
56.步骤4)，低表面能物质修饰采用液相修饰方法，首先配置质量浓度0.01mol/l～0.05mol/l无水乙醇的硬脂酸溶液，将激光处理后的材料表面放置在该溶液中常温下浸泡0.5～1小时，然后在干燥的自然环境中斜立自然晾干10分钟左右即可。
57.如图3a和图3c，步骤4)，利用脉冲激光再次扫描超亲水通道结构，首先脉冲激光在超疏水表面依次扫描出三角形、等腰梯形和底部圆形的轮廓，然后以所设置的扫描间距和轮廓中线条的填充方向扫描出轮廓内的填充线条，完成轮廓内微槽的制备，液滴在该轮廓内表面上表现出超亲水特性，与超疏水表面十字扫描方式不同，超亲水表面采用单向扫描出利于导流的微槽结构。
58.步骤1)和步骤4)中，材料为金属或激光可加工的复合材料，具体可采用6061铝合金，激光处理前后，材料表面均在无水乙醇中超声清洗10分钟，去除表面污渍和加工过后留下的残渣。
59.制备超疏水表面和超亲水通道结构分别采用红外飞秒激光和红外纳秒激光，不同的是，如图4a和4b，一方面，第二次使用纳秒激光加工是为了利用纳秒激光的高热特性去除低表面能物质硬脂酸，将超疏水特性转化为超亲水特性，纳秒激光未烧蚀的区域仍保持超疏水特性，此后该表面上拥有超疏水
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超亲水混合区域；如图3a、图3c、图3d、图6，另一方面，超疏水表面采用十字扫描方式加工出微峰
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微坑周期结构，而超亲水表面则采用单向扫描方式加工出利于导流的微槽结构，这种结构具有强大的自驱动力和方向性操控微滴的功能。
60.本发明中采用首个三角形结构与多个等腰梯形结构依次连接构成微滴控制的超亲水通道结构，液滴在三角形上存在时，液滴表面的曲率沿通道主轴方向呈现不对称分布，处于三角形较宽一端的曲率较小，而处于三角形较窄一端曲率较大，由于这种液滴两端曲率的差异，其内部由曲率所引起的拉普拉斯力也会存在差异，这种拉普拉斯差会将液滴推向三角形较宽的一端，实现液滴的自驱动运输，液滴等腰梯形上的运动模式和三角形结构一致，不同的是由于三角形结构比等腰梯形结构曲率差异大，因此液滴从三角形结构上开始运输时可以获得较大的加速度，使得液滴得到快速运输；
61.本发明采用三角形结构和等腰梯形结构依次连接构成超亲水通道结构的思路进行微滴操控，且相邻结构可任意方向连接，这样增加了微滴运输通道的设计多样性和灵活性，实现高强度的自驱动和方向性微滴操控，连续的驱动力使得通道有能力克服重力进行运输；
62.由于本发明中表面的液滴通过多段连接的运输通道，液滴在每一个通道结构表面都可以获得驱动力，因此，不会因为远距离的运输而丧失驱动力，避免了因液滴在表面的堵塞与塞积而导致的运输效率降低和运输过程被中断等问题，保证了该表面可以进行持续不断地运输；
63.本发明中脉冲激光烧蚀工艺简单可靠，可控性好，精度和效率较高，非常适合工业化生产工艺。
64.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
65.上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
66.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要
素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。