CN105689026A - 一种微液滴及微阵列的分离制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于材料界面浸润技术领域的一种分离单个液滴制备微液滴及微阵列的方法。该方法为将液滴在图案化的亲水性/疏水性基底上，通过控制液滴与基底之间的接触力，以及液滴与基底之间的相对滑移速度，可将液滴的体积进行精确控制分离得到微液滴及微阵列。本发明所采用的微液滴分离及微阵列制备方法，能够利用一滴样品溶液制备大量的微小液滴，具有分离的微液滴体积小，对样品溶液要求低，所需样品少，分离效率高，设备简单，操作简便，制备成本低，应用范围更广等一系列优点。本发明所述的液滴分离及微阵列制备方法在表面图案化、生物分析及检测、化学反应、药物研发领域具有广泛的应用前景。

Description

一种微液滴及微阵列的分离制备方法

技术领域

本发明属于材料界面浸润技术领域，特别涉及分离单个液滴制备微液滴及微阵列的方法。

背景技术

微液滴制备在生物分析及检测、化学反应、药物研发、表面图案化领域具有广泛的应用前景。目前微液滴制备方法主要包括物理限域(参考文献：R.J.Jackman,D.C.Duffy,E.Ostuni,N.D.Willmore,G.M.Whitesides,Anal.Chem.1998,70,2280-2287；E.Ostuni,C.S.Chen,D.E.Ingber,G.M.Whitesides,Langmuir2001,17,2828-2834.)、T型孔道微流控制备(相关专利号：CN104084247A、CN104107734A、CN104130932A)、打印制备(相关专利号：CN104004652A、CN103974547A)等。但是，目前所采用的方法存在很多缺陷，包括所需样品量大，所需设备昂贵或复杂，制备的微液滴处于油相包围之中难以分离，以及制备的微液滴体积大。对于样品非常昂贵或量及其少的情况，利用当前技术很难实现大量微液滴的分离及微阵列的简易制备。

发明内容

为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种利用表面张力差异实现液滴切割制备微液滴及微阵列的方法。

本发明提出的切割液滴制备微液滴及微阵列的技术方案为：将液滴在图案化的亲水性/疏水性基底上，通过控制液滴与基底之间的接触力，以及液滴与基底之间的相对滑移速度，可将液滴的体积进行精确控制分离得到微液滴及微阵列。

本发明所述的微液滴分离方法为：

1)、在基底表面构筑图案化的亲水性区域和疏水性区域；

2)、以0-650μN的压力和1-20mm/s的速度在基底表面拖动液滴。

所述的疏水性区域接触角大于100°，优选140-180°；所述的亲水性区域接触角小于60°，优选0-20°。

所述的液滴为极性28-80mN/m之间的液体，所述液滴的体积大于图案的分辨率。

所述液滴选自水、乙二醇、丙二醇、丙三醇、二甲基亚砜中的一种或几种，或者选自无机盐溶液、纳米粒子溶液、细胞溶液、蛋白质溶液、DNA溶液、血浆。

所述的亲水性区域由亲水性材料或者亲水性基底构成，或者经亲水性修饰得到；所述的疏水性区域由疏水性材料或疏水性基底构成，或者经疏水性修饰得到。

所述的亲水性基底选自亲水性金属、亲水性金属氧化物、玻璃、硅片、亲水性聚合物膜、亲水性木材、纸、亲水性纤维织物中的一种或几种。

所述的疏水性基底选自疏水性金属、疏水性金属氧化物、疏水性聚合物膜中的一种或几种。

所述的亲水性材料选自亲水性纳米粒子、亲水性微米粒子、亲水性聚合物、亲水性分子中的一种或几种。

所述的疏水性材料选自聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚全氟丙烯、疏水性纳米粒子、硅烷、氟硅烷、氯硅烷、氟硅氧烷、氯硅氧烷、聚氯乙烯、中的一种或几种。

所述的亲水性修饰方法为紫外曝光、离子束刻蚀、等离子体处理、食人鱼洗液处理、旋涂法、喷涂法、电纺、打印、电化学腐蚀中的一种或几种。

所述的疏水性修饰方法为气相修饰法、液相修饰法、旋涂法、喷涂法、电纺、打印、电化学腐蚀中的一种或几种。

上述制备得到的微液滴中的溶剂挥发后，剩下的溶质形成微阵列。

上述微液滴分离方法在生物分析及检测、化学反应、药物研发、样品分离领域的应用。

本发明所采用的微液滴分离及微阵列制备方法，能够利用一滴样品溶液制备大量的微小液滴，具有分离的微液滴体积小，对样品溶液要求低，所需样品少，分离效率高，设备简单，操作简便，制备成本低，应用范围更广等一系列优点。本发明所述的液滴分离及微阵列制备方法在表面图案化、生物分析及检测、化学反应、药物研发领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1.本发明中液滴分离制备微液滴阵列所用的自制设备示意图；

图2.本发明所述的液滴分离制备的微液滴阵列的示意图；

附图标记：1-X-Y移动控制器，2-万分之一天平，3-具有亲水性图案区域的疏水性基底，4-用于液滴切割制备微液滴的原始滑动液滴，5-液滴切割制备的微液滴。

具体实施方式

实施例1

利用一滴乙二醇溶液制备乙二醇微液滴阵列。将硅片进行清洁处理，具体步骤如下：用丙酮和乙醇溶液分别对硅片超声三次，用去离子水冲洗干净。然后将硅片浸入体积分数为1％的十八烷基三氯硅烷的甲苯溶液中，浸泡10分钟，取出后用氮气吹干。整个过程都在洁净间中进行，防止空气中粉尘等污染硅片。此时硅片的接触角为106°。然后进行亲水性区域的制备。将硅片置于光掩膜版下，然后放在波长为365nm的紫外光下，进行曝光10分钟。在曝光过程中，处于透光区域的十八烷基三氯硅烷分子分解，该区域同时变为亲水性区域。用吸管固定一滴乙二醇溶液，以650μN的压力和10mm/s的速度使乙二醇液滴在含有亲水性区域的疏水性硅片表面滑动。由于亲水性区域和疏水性区域对乙二醇溶液的粘附性不同，因此可以在亲水性区域得到乙二醇的微液滴阵列。

实施例2

用一滴染料溶液制备染料图案。将实验室常用的滤纸进行疏水化修饰。其实验方法为：将滤纸置于洁净的真空干燥器中，在其中放置一片载玻片，向载玻片上滴一滴全氟癸基三甲氧基硅烷。然后用油泵对真空干燥器抽真空10分钟。然后将干燥器在60摄氏度烘箱中放置2小时。取出后，滤纸的静态接触角为140°。疏水性滤纸的亲水性区域制备方法如下：将5毫升水和5毫升乙二醇混合均匀，向其中加入质量分数为1％的PAA(分子量3000)。搅拌均匀后，作为喷墨打印的墨水。用喷墨打印机在疏水性滤纸上进行打印，打印上墨水的区域变为亲水性区域，没有打印上墨水的区域仍然为疏水性区域。将一滴染料溶液用滴管固定，以0压力和20mm/s的速度在亲疏水图案化滤纸表面滚动。由于亲水性区域对染料溶液的粘附性高，疏水性区域对染料溶液的粘附性低，粘附性的差异使得染料溶液被切割成微液滴。将滤纸表面的亲水区域制备成图案，则可以得到染料溶液的微液滴图案。待溶剂挥发完后，在滤纸上就得到染料图案。

实施例3

氯化钠晶体的制备。亲水性基材制备：将载玻片用乙醇和丙酮超声三次，然后用蒸馏水冲洗干净，再用氮气吹干。整个过程在洁净间中进行，保证玻璃片表面没有被空气中的杂物污染。然后用微加工的方法将表面制备疏水性特氟龙的图案。图案厚度在50纳米到10微米之间。此时，被特氟龙包覆的表面为疏水性区域，没有被特氟龙表面包覆的区域为亲水性区域。将一滴饱和氯化钠溶液用滴管固定住，200μN的压力和1mm/s的速度在亲疏水图案化的特氟龙/亲水玻璃表面滑动。特氟龙表面对饱和氯化钠溶液粘附力小，亲水玻璃片对饱和氯化钠溶液粘附力大。饱和氯化钠溶液在粘附力大的亲水玻璃片区域被切割，成为微液滴。随着切割下的微液滴中水的蒸发，氯化钠逐渐形成晶核并开始长成晶体。该种方法制备氯化钠晶体效率高，时间短，易操作。

实施例4

微球的可控定量分离。亲疏水图案化基材制备：将硅片进行清洁处理，具体操作如下：用丙酮和乙醇溶液分别对硅片超声三次，然后用蒸馏水洗净，并用氮气吹干。然后在硅片上旋涂一层光刻胶正胶，光刻胶正胶厚度在200纳米到3微米之间。在光掩膜版保护下，用紫外光对光刻胶进行选择紫外曝光。被紫外光照射到的区域可以被显影剂清洗掉，没有被紫外光照射到的区域仍然有光刻胶。用显影剂处理完全后，用气相沉积的方法对硅片进行疏水性修饰，具体操作方法同实例2。修饰完成后，将部分覆盖光刻胶的硅片用丙酮超声1小时，除去残余的光刻胶。此时，新除去光刻胶的区域由于在疏水性修饰过程中没有被修饰，因此为亲水性区域。疏水性修饰过程中裸露出的硅片部分变为疏水性区域。然后用滴管控制一滴直径为5微米的聚苯乙烯微球溶液(质量分数5％)以500μN的压力和15mm/s的速度在亲疏水图案化的硅片表面滑动。由于亲疏水性区域对微球溶液的粘附力不同，因此微球溶液液滴被切割，成为微液滴。待微液滴中溶剂蒸发完后，则可实现对微球的分离。通过盖面亲水性区域的大小以及微球溶液液滴在硅片表面滑动的速度和压力，可以实现对分离出微球的数量进行控制，从而实现微球的可控数量的分离。

实施例5

单细胞分离。亲疏水图案化基材的制备：将甲基丙烯酸丁酯、二甲基丙烯酸次乙酯、1-癸醇、环己醇、2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮按质量比10:16：24:49:1的比例混合均匀。然后将混合物置于距离为1mm的两个平行玻璃片之间，加上光掩膜版，然后在365nm紫外光下照射10分钟，进行选择性光引发聚合。聚合后去掉玻璃片，形成的聚合物膜即为亲疏水性图案化膜。光掩膜版上透光的区域能够引发光聚合，该区域下方的聚合物聚合后接触角为155°。光掩膜版上其他不透光的区域不能够引发光聚合，该区域下方的聚合物膜接触角为20°。用滴管固定一滴细胞液，以300μN的压力和5mm/s的速度在亲疏水图案化的基材表面滑动。由于亲水性区域和疏水性区域对细胞液的粘附性不同，因此细胞液液滴能够被切割成含有细胞的微液滴。通过控制细胞液的浓度和亲水性区域的大小，可以实现单细胞的分离。

Claims (8)

1.一种微液滴分离方法，其特征在于，其具体操作步骤为：

1)在基底表面构筑图案化的亲水性区域和疏水性区域；

2)以0-650μN的压力和1-20mm/s的速度在基底表面拖动液滴。

2.根据权利要求1所述的微液滴分离方法，其特征在于，所述的疏水性区域接触角大于100°，优选140-180°；所述的亲水性区域接触角小于60°，优选0-20°。

3.根据权利要求1所述的微液滴分离方法，其特征在于，所述的液滴为极性28-80mN/m之间的液体，所述液滴的体积大于图案的分辨率。

4.根据权利要求1所述的微液滴分离方法，其特征在于，所述液滴选自水、乙二醇、丙二醇、丙三醇、二甲基亚砜中的一种或几种，或者选自无机盐溶液、纳米粒子溶液、细胞溶液、蛋白质溶液、DNA溶液、血浆。

5.根据权利要求1所述的微液滴分离方法，其特征在于，所述的亲水性区域由亲水性材料或者亲水性基底构成，或者经亲水性修饰得到；所述的疏水性区域由疏水性材料或疏水性基底构成，或者经疏水性修饰得到。

6.根据权利要求5所述的微液滴分离方法，其特征在于，所述的亲水性基底选自亲水性金属、亲水性金属氧化物、玻璃、硅片、亲水性聚合物膜、亲水性木材、纸、亲水性纤维织物中的一种或几种；

所述的疏水性基底选自疏水性金属、疏水性金属氧化物、疏水性聚合物膜中的一种或几种；

所述的亲水性材料选自亲水性纳米粒子、亲水性微米粒子、亲水性聚合物、亲水性分子中的一种或几种；

所述的疏水性材料选自聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚全氟丙烯、疏水性纳米粒子、硅烷、氟硅烷、氯硅烷、氟硅氧烷、氯硅氧烷、聚氯乙烯、中的一种或几种；

所述的亲水性修饰方法为紫外曝光、离子束刻蚀、等离子体处理、食人鱼洗液处理、旋涂法、喷涂法、电纺、打印、电化学腐蚀中的一种或几种；

所述的疏水性修饰方法为气相修饰法、液相修饰法、旋涂法、喷涂法、电纺、打印、电化学腐蚀中的一种或几种。

7.根据权利要求1-6任一所述的微液滴分离方法制备得到的微液滴中的溶剂挥发后，剩下的溶质形成微阵列。

8.根据权利要求1所述的微液滴分离方法在生物分析及检测、化学反应、药物研发、样品分离领域的应用。