CN114849800B - 微流控芯片及制备方法和氧化锌纳米棒阵列图案化生长的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流控芯片及制备方法和氧化锌纳米棒阵列图案化生长的应用，其特点是该芯片利用机械加工的方法制备PDMS基片，并将三个PDMS基片和玻璃基片对准封装得到微流控芯片，实现图案化氧化锌纳米棒阵列的生长，其中两个PDMS基片分别设有流道阵列和通孔阵列结构；所述流道由入口、微腔室流道和出口组成；所述微腔室流道由与基底平行的圆形腔室结构组成，圆形腔室结构与通孔结构一一对应，形成了下层微腔室上层流道的双层结构，用于定义图案化生长的区域。本发明与现有技术相比具有提升合成材料的效率，降低芯片成本的优势，可广泛用于研制场发射器件、气体传感器以及生物荧光检测传感器，为相关工作者提供很好的思路设计和参考。

Description

微流控芯片及制备方法和氧化锌纳米棒阵列图案化生长的 应用

技术领域

本发明涉及微流控芯片制造技术领域，尤其是一种三维流道结构的微流控芯片及其制备方法和实现氧化锌纳米棒阵列图案化生长的应用。

背景技术

近年来，随着生物分析检测、器官芯片、化学合成、食品检测和环境检测等领域的发展微流控芯片的制造技术也在不断地发展。常见的微流控芯片制造技术包括光刻法、热压法、模塑法、软光刻法、激光烧蚀法、机械加工法和LIGA法等。光刻法是利用光成像和光敏胶在微流控芯片的基片，如硅、玻璃等材料上图形化的加工技术；热压法是将聚合物基片和模具对准加热并施加一定的压力得到的具有微结构的芯片加工技术；模塑法是通过光刻胶等得到模具并在模具上固化高聚物得到具有微结构的芯片加工技术；软光刻法利用弹性模具代替光刻中使用的硬模形成微结构；激光烧蚀法是一种非接触式的微细加工技术；机械加工法常用于在硬质基片上加工尺寸加大的微结构芯片；LIGA法常用于制作深宽比比较大的芯片。根据以上加工的方法，可以实现三维流道芯片的加工。

微反应器是微流控技术发展的重要组成部分，在材料合成方面比普通的合成技术具有显著而突出的优势，例如试剂消耗少，传热、传质效率高，易于精确控制反应参数和实时在线监测，操作更加安全，高度的适应性和集成性等，近年来飞速发展成为纳米材料合成的新平台。发展新型的微流控合成芯片可以有效的实现纳米材料的定位合成，为基于纳米材料的检测器件的研制开辟了新的途径。

氧化锌是一种n型、直接禁带宽度为3.37 eV 的II-VI 族半导体化合物，在室温下，具有较大的激子的束缚能（60 meV）。氧化锌是一种极性半导体材料，有两个极性相反的晶面和不同的表面结合能，通过改变合成条件能得到不同形貌结构。氧化锌纳米材料具有独特的物理化学性质，在多个研究领域有着广阔的应用前景，如紫外激光器、太阳能电池、纳米发电机、气体传感器等。氧化锌还具有良好的生物相容性和生物可降解性，被广泛用于生物检测领域。在检测领域，为了实现高效高通量的检测，往往需要多个检测单元以实现快速稳定的多样本检测。因此，对检测载体的设计及制备提出了新的要求。氧化锌纳米材料由于其加工工艺的优势，适用于作于高通量的检测载体。在传统的氧化锌纳米材料合成研究中，常用水热法制备大批量较高质量的氧化锌纳米棒阵列，但由于常规方法制备的材料试剂消耗大，即时可控性较差，合成条件优化耗时长，而微流控合成技术可优化反应条件，得到性能更优的材料。此外，为了增强基于氧化锌纳米材料检测传感器的性能，优化氧化锌纳米结构，实现周期性或局部图案化生长，大规模制造多样化的基板以实现氧化锌纳米材料阵列批量生产至关重要。

现有技术的图案化纳米结构阵列的制备方法包括光刻、纳米球光刻、干涉光刻、激光书写、电子束光刻和纳米注入等。但这些技术通常需要洁净室和昂贵的设备，低通量较低。迄今为止所发展的有关图案化原位合成材料的设计方案涉及的设备较为昂贵，难以实现批量化生产，导致了它的应用局限性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足提供了一种微流控芯片及制备方法和氧化锌纳米棒阵列图案化生长的应用，采用由若干个流道阵列和通孔阵列组成的微流控芯片，流道阵列的圆形腔室结构与通孔阵列的通孔结构一一对应，形成了下层微腔室与上层流道的双层结构，用于定义图案化生长的区域，每个流道上的圆形微腔室结构下方与通孔相对应，形成三维流道结构，每个流道的入口和出口处可集成微泵和微阀，用于实现化学物质的定时、定量注入；生长溶液通过与外界相连的流通道来提供，进入圆形腔室发生化学反应，实现材料的定位生长，得到图案化的氧化锌纳米棒阵列。本发明通过流道提供了流动合成的反应环境，提升合成材料的效率，利用微流控芯片合成氧化锌纳米棒，试剂用量少，质量稳定，便于可控合成，通过机械加工的方法制备微流控芯片，可批量生产，大大降低了芯片成本低，制作方法简单，易于操作，可广泛用于研制场发射器件，气体传感器以及生物荧光检测传感器等，为相关工作者提供很好的思路设计和参考。并能广泛地应用于生物荧光检测领域对不同种类荧光标记的生物分子，例如DNA、细胞因子、蛋白质、细菌以及病毒等进行高效检测的应用。

本发明的目的是这样实现的：一种微流控芯片，其特点是该微流控芯片由封装在玻璃基底上的三层PDMS基片组成；所述第一层PDMS基片为若干个圆柱形通孔组成的平行阵列构成图案化生长区域；所述第二层PDMS基片由若干个直流道组成的平行阵列，直流道的两端设有流道出/入口（若一端为流道入口，另一端则为流道出口），两流道出/入口之间设有若干个圆形微腔室结构，每一个圆形微腔室与第一层PDMS基片上的圆柱形通孔一一对应。生长溶液通过直流道注入圆柱形通孔，并完成生长溶液更新，实现材料的生长；所述第三层PDMS基片上设有若干与流道出/入口对应设置的流体进/出口（若一侧为流体进口，另一端则为流体出口），且第三层PDMS基片的流体进/出口与第二层PDMS基片的流道出/入口相连通，形成微流控芯片的上盖，构成闭合的三维流道区域。生长溶液通过流体进口注入流道和圆柱形通孔，在玻璃基底上实现图案化氧化锌纳米棒阵列的生长，并在圆柱形通孔处制备得到图案化氧化锌纳米棒阵列。

一种微流控芯片的制备，其特点是具体包括下述步骤：

（一）、制作PDMS基片

1）基片的制作

将PDMS单体与PDMS（固化剂）按质量比1~50：1混合，优选10：1，混合均匀后放入真空干燥箱中抽真空15 分钟，去除气泡后将其浇筑在硅片上，经固化后得到PDMS基片，也可将PDMS材料换成PMMA、 PC或PS基片。

2）第一、第二层基片的制作

绘图制作基片模型，包括直流道和圆柱形通孔结构，通过刻字机批量打印的方法，制成具有直流道和圆柱形通孔相对位置标记的PDMS层，机械加工批量制备第一、第二层PDMS基片，第二层PDMS基片上的直流道高度小于等于300微米，宽度小于等于2毫米；第一层PDMS基片上的圆柱形通孔高度小于等于300 微米，直径小于等于1毫米。

3）第三层基片的制作

将PDMS单体与PDMS（固化剂）按质量比1~50：1的混合，优选10：1，混合均匀后放在真空干燥箱中抽真空15 分钟，去除气泡后将其浇筑在无结构的硅片上，经固化后得到模制成型的第三层PDMS基片，作为芯片的上盖，其厚度小于等于8毫米，通过微细加工机床定位打通第三层PDMS基片上的流体进/出口。

所述构成直流道和圆柱形通孔阵列的第一、第二层PDMS基片的材料为生物兼容高分子材料，也可选用PMMA、PC或PS热塑性材料，其厚度小于等于300 微米。

（二）、玻璃基底的制作

1）依次用丙酮、异丙醇和去离子水对玻璃片超声清洗15 分钟，然后用氮气干燥得到洁净的玻璃片。

2）将二水合乙酸锌溶解在乙醇中，超声3~15分钟制备得到种子溶液，以1000~3000转/分钟的速度将种子溶液旋涂在玻璃底板上，重复2~5次，然后通过250~350℃温度下热处理 1~3小时，将乙酸锌分解为氧化锌纳米晶体，在洁净的玻璃基底上制得氧化锌纳米材料棒阵列的种子层，所述二水合乙酸锌与乙醇的质量比为1：360～370。

（三）、芯片的封装

将三层PDMS基与玻璃基底进行键合，将其封装成微流控芯片。

一种微流控芯片在氧化锌纳米棒阵列图案化生长的应用，其特点是所述第三PDMS基片的流体进/出口上设有集成微泵和微阀，用于反应物的定时、定量注入，实现图案化的氧化锌纳米棒阵列，其合成具体包括如下步骤：

1）氧化锌生长溶液的配制

配制六亚甲基四胺、聚乙烯亚胺、六水合硝酸锌和水的溶液，将其按1：2～2.5：4～4.5：570～580的质量比混合，并用浓氨水调节pH=10~12，配制得到氧化锌生长溶液；

2）流道和通孔的清洗

通过注射泵向流体进/出口将去离子水注入直流道，对流道和通孔进行清洗，其流速为5~50微升/分钟，清洗时间为5～15分钟；

3）氧化锌生长溶液的注入

通过注射泵向流体进/出口将氧化锌生长溶液持续注入直流道和圆柱形通孔完成生长溶液更新，实现材料的生长；

4）氧化锌纳米棒的合成

通过注射泵向流体进/出口持续注入氧化锌生长溶液，并将芯片放置加热台上加热生长，加热1~3小时，在圆柱形通孔处制得具有图案化阵列结构的氧化锌纳米棒，所述氧化锌生长溶液的注入时间为15～150分钟，其流速为5~50微升/ 分钟。

本发明与现有技术相比成本低廉、制作简单、普适性好、产率高，并且易于实现批量化生产的方法来实现图案化氧化锌纳米棒阵列生长，基于微通道可减少试剂消耗，实现高效可控，并可根据具体实验的需要，改变流道和腔室设计，实现不同图案化的纳米材料阵列，高通量检测的功能尤其适用于场发射器件，气体传感器等，且能够广泛地应用于生物荧光检测领域对不同种类荧光标记的生物分子，如DNA、细胞因子、蛋白质、细菌以及病毒等进行高效检测的应用。

附图说明

图1为本发明的微流控芯片结构示意图；

图2为第三层基片结构示意图；

图3为第二层基片结构示意图；

图4为第一层基片结构示意图；

图5为三层基片之间的吻合位置及阵列的整体示意图；

图6为实施例2制备的微流控芯片实物照片；

图7为本实施例3制备的氧化锌纳米棒阵列照片；

图8为实施例1制备的氧化锌纳米棒的扫描电镜照片；

图9为实施例2制备的氧化锌纳米棒的扫描电镜照片。

具体实施方式

通过以具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

参阅图1，本发明的微流控芯片由玻璃基底1上依次设置的第一层PDMS基片2、第二层PDMS基片3和第三层PDMS基片4封装而成，所述第三层PDMS基片4上设有若干的流体进/出口4-1（若一端为流体进口，则另一端为流体出口）；所述流体进/出口4-1与第二层PDMS基片的流道出/入口3-3相连通，形成微流控芯片的上盖，构成闭合的三维流道区域，生长溶液通过流体进口注入第二层PDMS基片3的流道3-1，最后进入第一层PDMS基片2的圆柱形通孔2-1，在玻璃基底上实现图案化氧化锌纳米棒阵列的生长，在圆柱形通孔2-1处制备得到图案化氧化锌纳米棒阵列；所述玻璃基底1旋涂有氧化锌晶体的种子层5。

参阅图2，所述第一层PDMS基片2上设有若干个圆柱形通孔2-1组成的平行阵列，构成图案化生长区域，所述圆柱形通孔2-1的高度小于等于300 微米，直径小于等于1毫米。

参阅图3，所述第二层PDMS基片3由若干个直流道3-1组成的平行阵列，直流道3-1的两端设有流道出/入口3-3，若一端为流道入口，另一端则为流道出口，两流道出/入口3-3之间的流道上设有若干个圆形微腔室结构3-2。其中，设置在直流道3-1水平方向的每一个圆形微腔室结构3-2与第一层PDMS基片2上的圆柱形通孔2-1一一对应，生长溶液通过直流道3-1注入圆柱形通孔2-1，并完成生长溶液更新，实现材料的生长。

参阅图4，所述第三层PDMS基片4上设有若干与流道出/入口3-3为对应设置的流体进/出口4-1，若一侧的流体进/出口4-1为入口，另一侧的流体进/出口4-1则为出口。入口与出口分别与第二层PDMS基片3上的直流道3-1两端的流体入口和出口相连，形成芯片的上盖，构成闭合的三维流道区域。生长溶液通过入口进入直流道3-1，注入圆柱形通孔2-1在玻璃基底1上实现图案化氧化锌纳米棒阵列的生长。

将第一层PDMS基片2、第二层PDMS基片3和第三层PDMS基片4与玻璃基底1进行键合，将其封装成微流控芯片。

参阅图5，该图展示了位于上、中、下三层PDMS基片之间的吻合位置关系，以及与玻璃基底1之间的吻合位置关系和阵列状态，同时，展示了直流道3-1和圆柱形通孔2-1的对应关系及流体进/出口4-1之间的位置关系。

实施例2

本发明微流控芯片的制备具体步骤如下：

（一）、制作PDMS基片（2、3、4）

1）批量打印第一、二层基片用Graphtec Pro Studio绘图并切割制作基片模型，主要包括两部分：直流道3-1和圆柱形通孔2-1。其中，直流道3-1宽度为1毫米，高度为200微米，长度为15毫米；圆柱形通孔2-1直径为800微米，高度为200微米，每个圆孔位置与圆形微腔室结构3-2的位置相对应，如图5所示，通过刻字机批量打印的方法制成具有直流道3-1和圆柱形通孔2-1相对位置标记的第一层PDMS基片2、第二层PDMS基片3，其厚度为200微米。

2）模制成型第三层基片

将液态的PDMS 单体与PDMS（固化剂）按质量比10:1 的比例混合，充分搅拌，除气泡后倒在培养皿的硅片上，PDMS 厚度为5毫米，于80℃温度下固化3 小时，然后将固化的PDMS从模具剥离，成为无结构的PDMS 基片，将其通过微细加工铣床定位用0.75毫米针头打通PDMS基片上的相应流道出入口4-1，制得第三层PDMS基片4。

（二）、制作基底

1）配制10mM乙酸锌溶于乙醇溶液；

2）将溶液以2000转/分钟的速度旋涂于玻璃片上，重复3次；

3）将上述旋涂乙酸锌的玻璃片于300℃温度下烧制1小时，制得玻璃基底1上旋涂有氧化锌晶体的种子层5，其厚度为11 纳米。

（三）、芯片的封装

1）第二、三层基片的键合

用等离子体氧化处理第二层PDMS基片3和第三层PDMS基片4的表面，实现将第二层PDMS基片3与第三层PDMS基片4键合后形成的a基片；

2）第一层基片与基底的键合

用等离子体氧化处理第一层PDMS基片2和玻璃基底1的表面，实现将第一层PDMS基片2与玻璃基底1的键合后形成的b基底；

3））芯片的键合

参阅图6，用等离子体氧化处理a基片和b基底的表面，实现将a基片与b基底的键合，制得本发明所述的一种实现氧化锌纳米棒阵列图案化生长的微流控芯片。

本实施例芯片的基底材料为玻璃片，三层基片为PDMS制成的扁平片；直流道3-1的高度为200微米，宽度为2毫米；圆柱形通孔2-1的高度为200 微米，直径为800微米；第三层PDMS基片4高度为5毫米。所述芯片的基底材料为玻璃片，基片材料为PDMS制成的扁平片。

实施例3

本发明微流控芯片用于合成氧化锌纳米棒阵列的应用具体步骤如下：

1）配制氧化锌生长溶液

配制六亚甲基四胺、聚乙烯亚胺、六水合硝酸锌和水的溶液，按1：2～2.5：4～4.5：570～580的质量比混合，并用浓氨水调节pH=11，制得氧化锌生长溶液。

2）流道和通孔的清洗

通过注射泵向流体进/出口4-1，即入口持续注入去离子水，其注入速度为21.14微升/分钟；时间为10分钟。

3）氧化锌生长溶液的注入

4）氧化锌纳米棒的合成

在上述步骤3结束后，将芯片放置加热台，加热温度为90℃，加热时长1小时，通过注射泵向流体进/出口4-1持续注入氧化锌生长溶液，其注入速度为21.14微升/分钟。

参阅图7，在玻璃基底1上的圆柱形通孔2-1处制得具有图案化阵列结构的氧化锌纳米棒。

参阅图8，上述制备的图案化阵列结构的氧化锌纳米棒经电镜扫描，可以看出氧化锌纳米棒阵列的表面形貌为棒状结构，说明在微腔室合成的ZnO纳米棒的直径均匀。

参阅图9，上述制备的图案化阵列结构的氧化锌纳米棒经电镜扫描，可以看出氧化锌纳米棒阵列的侧面形貌为棒状结构，说明在微腔室合成的ZnO纳米棒的长度均一。

本发明利用流道中的生长溶液通过实时的精确调控，在整个合成的过程中，氧化锌的生长是通过流道与通孔形成的腔室来完成的，由于尺寸的缩小，流体行为主要由粘度决定，高比表面积的通道使芯片内可实现快速传质和传热，得到差异性较小的产物并提高产率。通过向微通道实时供给生长溶液，在通孔对应的玻璃基底上进行合成和生长，实现图案化的氧化锌纳米棒的制备。相对于现行的材料合成体系，基于微通道可减少试剂消耗，实现高效可控，并可根据具体实验的需要改变流道和腔室的设计，实现不同图案化的纳米材料阵列和高通量检测的功能，该芯片的制备主要基于机械加工技术，可降低成本，扩大生产规模，实现批量生产，特别适用于场发射器件，气体传感器等，且能够广泛地应用于生物荧光检测领域对不同种类荧光标记的生物分子，例如DNA、细胞因子、蛋白质、细菌以及病毒等）进行高效检测的应用，成本低廉、操作简单、普适性好、产率高并且易于实现批量化生产的方法来实现图案化氧化锌纳米棒阵列生长具有重要的现实意义。

以上只是对本发明作进一步的说明，并非用以限制本专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种微流控芯片，其特征在于该微流控芯片由玻璃基底上依次设置的第一层PDMS基片、第二层PDMS基片和第三层PDMS基片封装而成，所述第一层PDMS基片上设有若干个圆柱形通孔组成平行设置的通孔阵列；所述第二层PDMS基片上设有若干与通孔阵列对应设置的直流道；所述直流道的两端分别设有流道出/入口，两出、入口之间设有若干与圆柱形通孔对应设置的圆形微腔室结构，且与第一层PDMS基片的圆柱形通孔为键合连通；所述第三层PDMS基片上设有若干与流道出/入口对应设置的流体进/出口，且与第二层PDMS基片的流道出/入口为键合连通，形成微流控芯片的上盖，构成闭合的三维流道区域，生长溶液通过流体进/出口进入直流道，在圆柱形通孔处的玻璃基底上实现图案化氧化锌纳米棒阵列的生长，制得图案化氧化锌纳米棒阵列；所述玻璃基底上设有氧化锌纳米晶体的种子层。

2.一种权利要求1所述微流控芯片的制备方法，其特征在于所述微流控芯片的制备方法具体包括如下步骤：

（一）、PDMS基片的制作

1）第一、第二层基片的制作

机械加工批量制备第一层PDMS基片和第二层PDMS基片，具体包括：绘图制作直流道和圆柱形通孔的基片模型，通过刻字机批量打印的方法，分别制成具有直流道和圆柱形通孔相对位置标记的第一层PDMS基片和第二层PDMS基片；

2）第三层基片的制作

在培养皿中浇筑基片，模制成型第三层PDMS基片，通过微细加工机床定位打通第三层PDMS基片上的流体进/出口；

（二）、玻璃基底的制作

利用溶解于乙醇中的二水合乙酸锌在玻璃基底上制备氧化锌纳米晶体的种子层；

（三）、芯片的封装

将第一层PDMS基片与第二层PDMS基片和第三层PDMS基片及其玻璃基底进行键合，将其封装成微流控芯片。

3.根据权利要求2所述微流控芯片的制备方法，其特征在于所述第一层PDMS基片、第二层PDMS基片和第三层PDMS基片为聚合物聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或聚苯乙烯的生物兼容高分子材料，其厚度小于等于300 微米。

4.根据权利要求2所述微流控芯片的制备方法，其特征在于所述流道的高度为第二层PDMS基片的厚度，其宽度小于等于2毫米。

5.根据权利要求2所述微流控芯片的制备方法，其特征在于所述圆柱形通孔直径小于等于1 厘米，其高度为第一层PDMS基片的厚度。

6.根据权利要求2所述微流控芯片的制备方法，其特征在于所述氧化锌纳米晶体采用溶液旋涂法在洁净的玻璃基底上制备种子层，具体步骤如下：

1）依次用丙酮、异丙醇和去离子水对玻璃片超声清洗15 分钟，然后用氮气干燥得到洁净的玻璃片；

2）将二水合乙酸锌和乙醇按1：360～370的质量比混合，超声3~15分钟，制得种子溶液，将其以1000~3000转/分钟的速度旋涂在玻璃基底（1）上，重复2~5次后在250~350℃温度下热处理 1~3小时，将乙酸锌分解为氧化锌纳米晶体，制得氧化锌纳米棒阵列生长的种子层（5），其厚度为8～16纳米。

7.一种权利要求2所述微流控芯片的制备方法制备的微流控芯片在氧化锌纳米棒阵列图案化生长的应用，其特征在于第三层PDMS基片（4）的流体进/出口（4-1）上设有集成微泵和微阀，用于反应物的定时、定量注入，实现图案化的氧化锌纳米棒阵列，其合成具体包括下述步骤：

1）氧化锌生长溶液的配制

将六亚甲基四胺、聚乙烯亚胺、六水合硝酸锌和水按1：2～2.5：4～4.5：570～580的质量比混合，并用氨水调节pH=10~12，配制得到氧化锌生长溶液；

2）流道和通孔的清洗

通过注射泵向流体进/出口（4-1）将去离子水注入直流道（3-1），其流速为5~50微升/分钟，对流道和通孔清洗5～15 分钟；

3）氧化锌生长溶液的注入

通过注射泵向流体进/出口（4-1）将氧化锌生长溶液注入直流道（3-1）和圆柱形通孔（2-1），完成生长溶液更新，实现材料的生长；

4）氧化锌纳米棒的合成

通过注射泵向流体进/出口（4-1）持续注入氧化锌生长溶液，并将芯片放置加热台上加热生长，加热1~3小时，在圆柱形通孔（2-1）处制得具有图案化阵列结构的氧化锌纳米棒，所述氧化锌生长溶液的注入时间为15～150 分钟，其流速为5~50微升/ 分钟。