[发明专利]一种基于纳米结构之间纳米缝隙的微-纳流控芯片及其制备方法

说明书

一种基于纳米结构之间纳米缝隙的微‑纳流控芯片及其制备方法，属于微‑纳流控芯片技术领域。本发明结合传统光刻技术与胶体晶体刻蚀方法，在硅基底表面的选定位置制备几十至几百纳米的纳米结构阵列，利用纳米结构之间的纳米缝隙作为纳米通道，用以连接微孔道，形成微‑纳流控芯片。本发明通过改变刻蚀的条件以及所用微球的尺寸，可以精确地调控所制备纳米缝隙及孔道的尺寸。适用于PDMS‑硅、玻璃‑硅、PDMS‑玻璃等材质的微‑纳流控芯片的制备。用本方法制备的纳米孔道中，纳米结构本身具有很大的表面积，使得制备的纳米孔道的表面‑体积比与传统纳米孔道相比得到很大的提高，有利于对孔道表面进一步的修饰，从而进一步赋予不同的功能。

技术领域

本发明属于微-纳流控芯片技术领域，具体涉及一种基于纳米结构之间纳米缝隙的微-纳流控芯片及其制备方法。

背景技术

在过去20年期间，基于微纳制备技术的微-纳流控芯片引起了科学家广泛的关注，并应用于很多研究领域，包括DNA分析、生物化学检测、纳流控电动力学以及复杂的分子传输(W.Sparreboom,A.van den Berg,J.C.T.Eijkel,Nat.Nanotechnol.2009,4,713.)。通常，纳流孔道是指在任一维度上特征尺寸小于100nm的孔道。在这种小尺寸的孔道中，静电双电层的重叠引起了孔道中的一些新的传质现象，使得对一些单个物质的检测和控制成为可能。一个纳流控芯片器件通常通过微流孔道在相应的部位引入样品，因此对微-纳流控芯片的需求日益增加，制备高效、高通量、可控的微-纳芯片的技术得到了持续的关注和发展。

目前为止，研究人员发展了多种方法用以制备微-纳流控芯片(参考文献：D.Ha,J.Hong,H.Shin,T.Kim,Lab Chip 2016,16,4296.)。这些方法大体可以分为传统方法和非传统方法，每种方法都具有各自的优缺点。传统方法包括光刻、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、纳米压印技术等，这些方法可以得到高精度、可重复性好的纳米孔道，但是这些技术一方面需要昂贵的仪器设备，另一方面效率低下，不利于样品的大面积制备与实际应用。非传统方法包括基于牺牲层技术或者弹性材料的机械形变行为(褶皱、裂纹、和结构倒塌等)的一些方法、软刻蚀技术和复模等，这种非传统的制备方法较为省时省力，但制备出的孔道在精度和重复性方面具有一定的局限性。因此，急需发展一种简单且有效地制备尺寸可控、可大面积制备纳流控芯片的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法简单、成本低廉、尺寸可控、可大面积制备、具有高表面体积比的基于纳米结构之间纳米缝隙的微-纳流控芯片及其制备方法。

本发明结合传统光刻技术与胶体晶体刻蚀方法，在硅基底表面的选定位置制备几十至几百纳米的纳米结构阵列，利用纳米结构之间的纳米缝隙作为纳米通道，用以连接微孔道，形成微-纳流控芯片。微孔道是把聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体与交联剂按一定比例混合均匀，倾倒到通过湿法刻蚀制备的玻璃微流体模板上面，固化完全后揭起PDMS而获得。如图1所示，通过光刻和显影在硅基底上露出一选定区域，并利用界面自组装方法在基底上沉积单层紧密排列的聚苯乙烯(PS)微球，并通过氧气等离子体刻蚀减小PS微球的直径，并以这种非紧密排列的微球为掩版，利用SF₆/CHF₃等离子体刻蚀硅基底，再除去残留的聚合物后得到一定区域内具有纳米柱阵列的硅基底，最后通过与PDMS微孔道的不可逆键合实现了PDMS-硅材质的微-纳孔道芯片的制备。通过调控刻蚀PS微球和硅的时间，可以精确地调控所得到的纳米缝隙的尺寸，进而实现对纳米孔道尺寸的调控，也可以通过改变初始PS微球的尺寸来实现对纳米缝隙密度的控制。由于与光刻技术和微孔道制备技术兼容，容易实现大面积、不同图案和复杂的芯片设计，有利于芯片的集成。这种微-纳孔道的制备方法也可以适用于硅-玻璃和PDMS-玻璃材质的微-纳芯片的制备。由于纳米孔道中具有很多有序的纳米结构，且结构本身具有很大的表面积，使得整个纳米孔道的表面-体积比得到很大的提高。

本发明所述的基于纳米结构之间纳米缝隙的微-纳流控芯片的制备方法，具体步骤如下：