[发明专利]基于硅纳米柱阵列的微流体单向阀门器件的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种基于硅纳米柱阵列的微流体单向阀门器件的制备方法。

背景技术

由于微流体系统拥有反应物消耗少、分析时间短、可携带、低成本和高灵敏度等特性，在过去十年里，微流体系统已经成为材料科学领域一个独立而重要的分支（G.M.Whitesides,Nature,2006,442,368–373；J.West,M.Becker,S.Tombrink and A.Manz,Anal.Chem.,2008,80,4403–4419）。然而为了实现微流体技术的实际应用，仍然存在许多技术问题需要解决。在这些技术问题中，对微流体的控制是一个推动微流体体系深入发展的核心技术。在微流体体系中，对微流体的调控主要由微阀门器件实现，主要用于流量的调控、开关的转换，和液体、气体或真空的封装。

在过去几年里，人们创造了很多新颖的微加工技术来制备微流体阀门器件，例如微型机械阀门和压力控制阀门。这些阀门在微流体孔道里制备和构建额外的微动机械部分或控制部分，这些额外部分的构筑往往是昂贵的，这与微流体体系的低成本特性背道而驰。为了解决这个问题，许多基于非机械方法的微流体阀门器件的制备被提出，例如利用溶液相转换、热敏聚合物或毛细力等。因此考虑到微流体体系未来的应用，制备新概念的非机械微流体器件是非常有意义的。

发明内容

本发明的目的是提供一种步骤简单、低耗的基于“Janus（两面神）”硅纳米柱阵列的微流体单向阀门器件的制备方法。

我们的方法涉及以改良的微模塑技术结合等离子刻蚀技术制备硅片表面的硅纳米柱阵列，再通过倾斜的沉积技术及选择性修饰的方法来制备具有“两面神”结构的硅纳米柱阵列并将其用于微流体单向阀门器件。整个过程操作简便，过程低耗清洁，并且所制备的“两面神”硅纳米柱阵列具有很好的稳定性。通过与聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流体孔道结合，实现了水在孔道中的单向流动的调控。通过改变流体的流量或者孔道的截面积进而调控流体的压强，从而可以实现所制备的单向阀门的开关。利用我们的方法制备的单向阀门器件，无论在科学研究中还是在微流体体系的实际应用中都具有重要的意义。本发明所述的基于“两面神”硅纳米柱阵列的微流体单向阀门器件的制备方法，具体步骤如下：

1）取10～20mL浓度为1～5wt%的二氧化硅胶体微球的乙醇分散液，超声10～20min使其分散均匀，然后在亲水基底（硅片、石英片或玻璃片）表面滴加0.2～0.5mL上述分散液，常温静止8～10h直至乙醇挥发完全，从而通过自组装的方法在亲水基底表面得到多层紧密堆积的二氧化硅胶体晶体；

2）将聚二甲基硅氧烷（PDMS）预聚体与固化剂按质量比10：0.5～1.0的比例混合均匀，真空脱气10～30min后旋涂到氟化处理过的疏水玻璃片表面（1000～2000rpm，30～60s），在60～100℃固化3～10h；冷却后将固化好的厚度为50～500μm的PDMS薄膜从玻璃片上小心地揭下，再将其覆盖到步骤1）得到的多层紧密堆积的二氧化硅胶体晶体上，60～120℃加热2～5h，使PDMS薄膜与胶体晶体表面充分牢固接触，然后揭起PDMS薄膜，并在甲苯和乙醇混合溶液（比例为1：3～1：1）中超声10～60s，即可在PDMS薄膜上得到单层紧密堆积的二维二氧化硅胶体晶体；

3）将该PDMS薄膜浸泡到甲苯中1～2min，使PDMS薄膜充分溶胀，从而使PDMS薄膜上的二维胶体晶体变为非紧密堆积，再将这些经过溶胀的非紧密堆积的二维二氧化硅微球与表面旋涂有水溶性聚合物膜层（厚度为100～350nm，水溶性聚合物的浓度为3～5wt%，旋涂条件为2000～3000rpm，10～60s）的平整基底（如硅片、玻璃片、石英片等）紧密接触，在一定的压力（1×10⁴～2×10⁴Pa）下60～120℃加热3～5h，然后揭去PDMS薄膜后，非紧密堆积的二维二氧化硅微球被固定在旋涂有水溶性聚合物膜层的平整基底上；将所得到的固定在平整基底上的二维非紧密堆积胶体晶体用100W～200W的O₂等离子体清洗10～30s使其表面带有羟基，再通过化学气相沉积使其表面氟化，就得到了表面氟化了的二维二氧化硅非紧密堆积胶体晶体；