专利名称：基于聚3-己基噻吩和c60衍生物的光敏混合聚合物光电导薄膜操控芯片及制备方法
技术领域：
本发明涉及微纳米自动化制造领域、微流控领域以及微纳生物技术领域，具体说是一种规模化、自动化、可重复、低成本的微纳米粒子操作与装配技术，进一步说是一种光电导薄膜操控芯片及制备方法。
背景技术：
微纳米科学和技术是在微纳米尺度上研究物质的特性和相互作用，并利用这些特性的一个新型科学。其最终目标是直接以物质在微纳米尺度上表现出来的特性，制造具有特定功能的产品。微纳米尺度下的物质，如无机的纳米管线、纳米颗粒，在电、磁、光、力、热等物理学及化学方面具有许多新奇性能，以这些纳米材料作为构筑单元的纳米电子器件， 将为电子、信息、材料、先进制造、生物医学等领域的技术发展提供新的契机与技术途径；而有机的细胞、蛋白质、DNA等是生命的基本组成单元，对其进行研究并构成的纳米生物系统， 将会给生物医学带来革命性的突破，同时也将促进人类在更微小的尺度上探索生命与研究生命的奥秘。微纳米材料的批量/单体传输、筛选、搬运、定位及装配等自动化操控技术对规模化微纳米样品制备，尤其是面向生物实体的操纵，对促进微纳米技术发展，特别是生物医学技术的发展具有非常重要的意义。微纳米物质(如粒子、管线、分子等)的操控技术已成为研究微纳米科学和实现纳米制造技术的核心技术之一，也是当前极端制造技术领域研究中亟待解决的重要难题。它不仅是微纳米科学研究和拓展的技术手段，而且也是微纳米科技走向应用领域，微纳米高技术产业的支柱。
十几年来，国内外大批学者尝试了多种方法，发展出了多种微/纳米操控技术。其中，可实现微/纳米材料在特定位置操作与装配的技术主要包括通过控制探针运动和施加力进行纳米观测和操作的扫描探针显微镜(AFM)技术。尽管AFM能够在可控、可重复的条件下完成各种高精度纳米操作任务，然而这种方法的扫描成像与操作都必须通过探针来实现的，操作效率非常低，并且，扫描范围很小，因此很难实现规模化自动化的纳米加工与操控。利用磁场梯度对磁性微纳米粒子产生足够强的静态或动态作用力，进而实现拉伸或捕获的磁镊(Magnetic tweezers)技术。由于磁镊技术只能操作磁性粒子，磁性粒子的堆积行为和诱发的磁力矩通常很小等问题，大大限制了该种技术的发展与应用。利用光场制动力原理实现为微小物体的夹持与操作的光镊(Optical tweezers)技术；光镊操作被认为是一种潜在的纳米加工方法，但将其用于生物样品操作时，由于光源功率非常大，所产生的热量会对样品造成很大损害，甚至因为热量过高而杀死活性生物样，因此，这项技术仍然存在很多的局限性。利用电场的操作技术又被称为介电泳(DEP)，是指处于空间非均勻电场中的中性粒子，由于被极化而受到电场力的作用产生运动的现象。其运动规律是由所施加电场的频率和粒子的感应偶极矩决定的。尽管介电泳技术在很多领域得到了广泛的应用，但随着微纳米技术不断向应用领域发展，该项技术的缺点逐渐显露出来。介电泳技术必须要通过物理微电极才可以实现，而现有的微电极制作都是经过复杂的MEMS工艺，并且，一种结构尺寸的微电极芯片可操作的样品种类及大小是有限的，当被操作对象变化时，就需要重新设计制作电极芯片。因此，这就要花费大量的时间和制作成本。光诱导介电泳技术(ODEP) 是将光学技术与介电泳技术相结合的一种新兴操作技术，它首先在沉积有光敏材料的氧化铟锡(ITO)玻璃上施加AC电压，当光照射到其上时，被光照射到的区域就呈导通状态，从而在该区域诱导生产虚拟电极，进而产生介电泳现象。光诱导介电泳技术由于不再需要制备物理电极，完全靠计算机实时控制的投影光诱导产生虚拟电极，因此是一种实现了数字化， 可重构、自动化的微/纳米操作方法，一出现就在微/纳米操作技术领域引起极大反响和强烈关注，被认为是实现纳米自动化制造最有前途的技术之一。
光敏材料是光诱导介电泳系统的核心。光诱导介电泳技术的实现主要是靠光敏材料所具有的光电导特性，即在没有光照的条件下，光敏材料电导率非常小，成完全截止状态；光照条件下，光敏材料电导率非常大，成导通状态，进而在液体层上形成非均勻电场，对液体中的粒子产生介电泳力。现有的光诱导介电泳操作芯片及系统所采用的光敏材料主要都是氢化非晶硅，其光电导的约为暗电导的1000倍。目前最常规、最成熟的氢化非晶硅 (a:Si-H)薄膜的制备方法是等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)。此法制备的氢化非晶硅(a:Si-H)薄膜具有均勻的结构、较好的附着性以及良好的光电导特性。但a:Si-H的制备需要在专门的超洁净净化室内进行，制备设备和其成本十分高昂，制备工艺复杂，而且使用的是有毒易爆的气体(SiH4, BH3, PH3),制备过程中设备的工作温度为30(Γ450° C。这些都大大妨碍了光诱导介电泳技术的应用于推广。
因此，在利用光诱导介电泳技术进行微纳米样品操控的时候，能否采用一种新型的光敏材料，不仅具有较高的光暗电导比，同时，制备工艺简单，最好可在室温下进行，并且普通的实验室环境既可满足制备环境的要求，成为解决光诱导介电泳技术在微纳米自动化制造领域应用的关键技术问题。这一问题的解决将大大降低光诱导介电泳操作芯片的复杂程度，降低制备成本，缩短制备时间，并将大大地推动微纳米自动化操作与装配技术的进步，促进光诱导介电泳技术在微纳米自动化制造领域，纳米生物技术领域的推广与应用。发明内容
为了克服现有以a: Si-H为光电导薄膜层材料的光诱导介电泳芯片制备工艺复杂、需要专门的制备环境和制备设备、制备成本高昂，以及由于使用有毒有害气体所带来的危险性等等不足，本发明的目的在于提供一种制备工艺简单、成本低的、采用一种新型光敏材料的，可以实现微纳米尺度规模化自动化操控的光诱导介电泳芯片。
本发明提出的微纳米规模化自动化操控芯片是一种基于光诱导介电泳技术的微流控芯片。与现有光诱导介电泳芯片大多采用氢化非晶硅为光电导材料不同的是，本发明采用聚 3-己基噻吩(P3HT)和 C60 衍生物 PCBM ([6，6]-phenyl-C61_butyric acid methyl ester)的混合光敏聚合物(P3HT =PCBM)为光电导薄膜层材料，通过被投影光照射到P3HT PCBM薄膜层产生虚拟电极，进而在上下基板之间形成非均勻电场，对其中的微纳米样品产生介电泳力，来实现对样品的规模化自动化操作与装配。
其中，本发明的核心-光敏材料选用了聚3-己基噻吩和C60衍生物混合光敏聚合物(P3HT :PCBM)，其作用机理及效果如下C60本身具有良好的导电性，与其它高分钟聚合物共轭可得到更好的光电导特性。上世纪90年代，国际上首次报道了以共轭聚合物作为电子给体材料(donor，D)，C60作为电子受体材料(acc印tor，A)之间光诱导电荷转移现象。众所周知，ρ型半导体材料P3HT是一种很好的电子施主材料。而PCBM是一种电子受主材料，是C60的衍生物，与C60相比，PCBM具有更好的溶解性，同时具备了 C60的优点，如好的电子亲和势、透明性好和良好的电子传输性能。P3HT =PCBM共混结构增大了 D/A(给体/受体)界面面积，每个D/A接触处形成了一个异质结，分散的异质结减小了光激子的扩散距离，有利于电荷的分离。同时，D/A网络是双连续结构，激子分离成的电子与空穴在各自连续网络中传输到电极，有利于电荷的传导与收集。 因此，在P3HT :PCBM异质结结构中，P3HT在光照后，电子受到激发后发生跃迁，由于其周围存在受主分子PCBM，那么P3HT受激发产生的电子会以非常快(飞秒)的速度传递给附近的 PCBM材料，从而使得这种光敏材料具有很快的光电转换速度以及很高的光电转换效率。
具体方案如下一种基于聚 3-己基噻吩(P3HT)和 C60 衍生物 PCBM( [6，6]-phenyl-C61_butyric acid methyl ester)的光敏混合聚合物(P3HT :PCBM)光电导薄膜操控芯片，其特征在于包括上层基片、下层基片，以及位于两层基片之间的液体腔壁和其中的液体腔；所述上层基片本身为透明的，且与液体腔接触的表面设置一层透明的导电薄膜，即上导电薄膜层；所述下层基片同样是透明的，下层基片与液体腔接触的表面设置一基于P3HT :PCBM的光电导薄膜层， 下层基片下部也设置导电薄膜，即下导电薄膜层；所述上导电薄膜层和下导电薄膜层均设置连接外部交流电压的引线；为了保护光电导薄膜层，防止其发生电解以及减小光电导薄膜层在液体环境中表现出的不稳定特性以及为了降低光电导薄膜层与基片上透明导电薄膜之间的接触电阻，提高芯片性能及工作稳定性，所述光电导薄膜层的上面设置绝缘层，所述光电导薄膜层与下导电薄膜层间设置过渡层；所述上、下导电薄膜层由氧化铟锡(ITO)材料制作；过渡层采用3，4-乙烯二氧噻吩/ 聚苯乙烯磺酸(PED0T- PSS)制作；绝缘层采用氟化锂(LiF)材料制作；液体腔壁的材料为透明导电双面胶。
本发明还公开一种所述的操控芯片的制备方法，制备工艺如下步骤1 先后用IPA (isopropyl alcohol-异丙醇)、酒精和去离子水浸泡带有ITO薄膜的玻璃，将其洗净，然后用氮气吹干；步骤2 将PEDOT =PSS水溶液旋涂在下基片的下导电薄膜层上，干燥后成膜； 步骤3 秤取等重量的P3HT和PCBM，分别加入氯苯溶液中，震荡溶解后将两者混合，并用磁力搅拌器使其混合均勻，以获得P3HT =PCBM混合液；步骤4 将步骤2得到的基片预热，把步骤3得到的P3HT :PCBM混合液旋涂到其上，然后在烘箱中热处理；步骤5 利用热沉积设备在步骤4得到的薄膜上沉积一层LiF。
本发明的微纳米规模化自动化操控芯片是通过如下方式实现对微纳米尺度物质进行规模化自动化的操作与装配的。当在上层基片和下层基片上施加交流电压时，由于下层基片所包含的光电导薄膜在无光照的条件下，具有极小的电导率，此时在液体层上无压降，既不形成非均勻电场，因此，对于液体中的粒子不产生介电泳力，粒子保持静止状态。当投影光照射到下层基片上时，下层基片所包含的光电导薄膜在有光照的条件下，电导率迅速升高，被投影光照射到的下层基片区域相当于一个虚拟的电极，进而在液体层上形成了非均勻电场，由此，位于液体层中的粒子便受到了介电泳力。在此力的作用下，粒子要么受到正介电泳力的作用被吸附到虚拟电极区域上，要么受负介电泳力被推向远离虚拟电极的区域。当投影光受计算机的控制在下层基片上运动时，所生成的虚拟电极也发生运动，进而带动粒子在液体层中运动，从而实现对粒子的操作。由于该系统完全不依赖芯片的特殊物理结构，只要是下层基片上投影光可以照射到的区域，理论上都可以实现操作，并且，投影光斑的大小和数量只与所选择的投影设备有关，因此，可实现大规模的操作。另外，投影光的形状、数量和运动都可以由计算机直接控制，而液体中的粒子的位置也可通过视觉监控系统进行采集，因此，可实现自动化操作。
本发明具有如下特点1)该芯片完全采用光敏聚合物材料制作。光电导薄膜层采用P3HT:PCBM材料。相对于现有的以氢化非晶硅为光电导材料的光诱导介电泳芯片，这种聚合物芯片的制备工艺非常简单，可在常温下进行，对制备环境无特殊要求，因此，大大降低了芯片的制备周期和成本；2)由于利用了光敏材料的光电导特性，该芯片无需制作任何物理电极结构，因此，大大降低了芯片的制备成本；3)通过计算机控制投影图像照射到芯片上生成虚拟电极，可实现完全数字化的操作。 并且，通过对投影图像的形状的改变，即可实现各种不同形状、尺寸的虚拟电极结构，是一种高度柔性，完全可重构的系统。
图1为本发明芯片的结构示意图；图2为本发明芯片的工作系统原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明芯片由上基片、透明液体腔壁8、液体腔9、下基片组成；上基片包括透明基底1和上导电薄膜层2 ；下基片由绝缘层7、光电导薄膜层6、过渡层5、下透明导电薄膜层3以及基底4。
本实施例中，上基底1和下基底4均采用玻璃。上导电薄膜层2和下导电薄膜层3 均采用ITO制作。下基片上的绝缘层采用LiF制作。光导电薄膜层采用P3HT:PCBM制作。 过渡层采用PEDOT- PSS制作。液体腔壁8的材料为透明导电双面胶。被操作对象分散于液体腔9中的液体介质中。该芯片的具体的制备工艺如下步骤1 先后用IPA、酒精和去离子水浸泡带有ITO薄膜的玻璃，将其洗净，然后用氮气吹干；步骤2 将PEDOT =PSS水溶液旋涂在下基片的下导电薄膜层上，干燥后成膜； 步骤3 秤取等重量的P3HT和PCBM，分别加入氯苯溶液中，震荡溶解后将两者混合，并用磁力搅拌器使其混合均勻，以获得P3HT =PCBM混合液；步骤4 将步骤2得到的基片预热，把步骤3得到的P3HT =PCBM混合液旋涂到其上，然后在烘箱中热处理；步骤5 利用热沉积设备在步骤4得到的薄膜上沉积一层LiF。
如图2所示，本发明芯片的工作系统组成原理图中，交流信号发生器用于在芯片的上下基片上施加交流电压信号。由计算机101控制的投影机103将光图案通过聚光镜 102照射到芯片上。下基片的光电导材料P3HT :PCBM薄膜在有光照的条件下，呈导通状态， 进而在投影光图案上方，在液体层的上下表面之间形成非均勻电场，使得位于液体层中的粒子受到介电泳力的作用产生运动。当通过计算机101控制光投影图案变换形状、位置时， 相应的粒子也随着投影光的移动而运动。上方的CCD104用于实时监视跟踪粒子的运动状态。
权利要求
1.一种基于聚3-己基噻吩(P3HT)和C60衍生物PCBM的光敏混合聚合物光电导薄膜操控芯片，其特征在于包括上层基片、下层基片，以及位于两层基片之间的液体腔壁和其中的液体腔；所述上层基片本身为透明的，且与液体腔接触的表面设置一层透明的导电薄膜，即上导电薄膜层；所述下层基片同样是透明的，下层基片与液体腔接触的表面设置一基于P3HT =PCBM的光电导薄膜层，下层基片下部也设置导电薄膜，即下导电薄膜层；所述上导电薄膜层和下导电薄膜层均设置连接外部交流电压的引线。
2.根据权利要求1所述的操控芯片，其特征在于所述光电导薄膜层的上面设置绝缘层，所述光电导薄膜层与下导电薄膜层间设置过渡层。
3.根据权利要求2所述的操控芯片，其特征在于所述上、下导电薄膜层由氧化铟锡 (ITO)材料制作；过渡层采用3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸(PED0T- PSS)制作；绝缘层采用氟化锂(LiF)材料制作；液体腔壁的材料为透明导电双面胶。
4.一种权利要求1所述的操控芯片的制备方法，其特征在于制备工艺如下步骤1 先后用IPA (isopropyl alcohol-异丙醇)、酒精和去离子水浸泡带有ITO薄膜的玻璃，将其洗净，然后用氮气吹干；步骤2 将PEDOT =PSS水溶液旋涂在下基片的下导电薄膜层上，干燥后成膜； 步骤3 秤取等重量的P3HT和PCBM，分别加入氯苯溶液中，震荡溶解后将两者混合，并用磁力搅拌器使其混合均勻，以获得P3HT =PCBM混合液；步骤4 将步骤2得到的基片预热，把步骤3得到的P3HT :PCBM混合液旋涂到其上，然后在烘箱中热处理；步骤5 利用热沉积设备在步骤4得到的薄膜上沉积一层LiF。
全文摘要
本发明公开一种基于聚3-己基噻吩(P3HT)和C60衍生物PCBM的光敏混合聚合物光电导薄膜操控芯片及制备方法，所述芯片包括上层基片、下层基片、液体腔；所述上层基片设置上导电薄膜层；所述下层基片设置一基于P3HTPCBM的光电导薄膜层及下导电薄膜层；所述上导电薄膜层和下导电薄膜层均设置连接外部交流电压的引线；所述光电导薄膜层的上面设置绝缘层，下面设置过渡层。本发明具有如下特点1.制备工艺非常简单，可在常温下进行，对制备环境无特殊要求，因此，大大降低了芯片的制备周期和成本；2.由于利用了光敏材料的光电导特性，降低了芯片的制备成本；3.通过计算机控制投影图像照射到芯片上生成虚拟电极，可实现完全数字化的操作。
文档编号B81C1/00GK102478581SQ20101056299
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者刘柱, 周磊, 曲艳丽, 李文荣, 梁文峰, 王淑娥, 董再励 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所