玻璃基仿生微納通道及其制作方法技術

本發明專利技術公開了一種玻璃基仿生微納通道及其制作方法，該微納通道為采用組分均勻一致并且光學和力學性能優良的玻璃材料加工而成的微納通道，該微納通道的橫截面呈規整圓形，微納通道上具有各種尺寸大小的功能單元，各功能單元之間是自然過渡并且尺寸是連續變化；該方法利用玻璃的軟化成型特性，以毫米級玻璃毛細管為毛坯，通過拉伸細化、軟化吹制和軟化收縮等步驟，加工出具有不同功能單元的玻璃基仿生微通道。本發明專利技術的玻璃基仿生微納通道，結構簡單可靠，流動性能良好，可有效改善微納流體系統性能；該制作方法具有工藝可靠、所需設備簡單、操作方便、成本低廉等優點，且加工精度高。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種微納加工與微流體器件
，涉及基于玻璃軟化成型工藝的仿生微納通道及制作方法，尤其適用于微流控芯片、微混合器、微量檢測等微流體系統的微通道。
技術介紹
近年來，微流體系統在生物、醫療、微化工、環境檢測等領域得到了廣泛應用，對其性能、精度、成本等方面提出了越來越苛刻的要求。微流體系統通常由微驅動源、微流路(包括微通道與進出接口)、微閥、儲液池、混合(反應)室等單元組成，其中微通道具有其它單元的連接和替代功能，可執行流體輸運、操作、處理等操作，是微流體系統的核心元件。目前，微通道加工工藝可分為三種類型:第一類是基于蝕刻、光刻、腐蝕等技術的微機械加工工藝(Verpoorte E, De Rooij NF.Microfluidics meets MEMS.Proceedings of the IEEE, 2003, 91(6):930-953.林金明，李海芳.高聚物微流控芯片的制備方法.中國專利:ZL200410042716.4,2009-07-01.)，適合于硅及其氧化物、玻璃、高聚物等材料的微通道加工，可達微米或亞微米量級，但微通道截面形狀包括三角形、矩形和半圓形三種；第二類是用于高分子聚合物的熱壓印和熱鍵合技術(李經民.學位論文:熱塑性聚合物立體結構微流控器件制作方法及相關理論研究.大連:大連理工大學，2012 (3).)，所加工微通道截面形狀與微機械加工工藝的類似，單件成本較低，但尺寸精度較低，且冷卻脫模時會產生變形或應力集中；第三類是基于玻璃熱變形的毛細管拉制工藝(張曉樂，侯麗雅，章維一.玻璃三通微流體管道熱流變拉制儀設計及實驗.光學精密工程，2008，16 (9):1706-1711.)，可制作尺寸單一的圓形截面微管道，尺寸達亞微米量級，但缺少儲液池、混合(反應)室等功能單元，且系統封裝難度大。總體上，現有微通道加工工藝包括成型、鍵合和封裝這三道工序，軸線僅能在平面內呈直線或折線分布，截面形狀多呈三角形、矩形或半圓形，剛性表面粗糙不均，造成流動阻力較大，是影響微流體系統性能的重要因素。而自然界中普遍存在的生物微通道，如家蠶絲腺、血液循環系統(尤指毛細血管)等，截面均呈規整圓形，尺寸在毫米至納米范圍內連續變化，各部位材料的組織、性質均勻一致，但其內部具有優異的流動性能，對人工微通道研究具有良好的啟示作用。
技術實現思路
專利技術目的:為了克服現有技術中存在的不足，本專利技術提供一種基于自然界生物微通道的，其結構簡單可靠，流動性能良好，可有效改善微納流體系統性能，簡化微納通道制作方法，使加工工藝更簡單可靠，且加工裝置結構簡單、成本低廉。技術方案:為了實現上述目的，本專利技術的一種玻璃基仿生微納通道，該微納通道為采用組分均勻一致并且光學和力學性能優良的玻璃材料加工而成的微納通道，該微納通道的橫截面呈規整圓形，微納通道上具有各種尺寸大小的功能單元，各功能單元之間是自然過渡并且尺寸是連續變化。作為優選，所述功能單元包括兩端宏接口、反應室和連接通道，所述宏接口、反應室、連接通道的內外壁面均為液態張力收縮形成的光滑曲面且整體呈連續變化；所述兩端宏接口直徑為相同的毫米量級，所述反應室的直徑為微米量級，所述連接通道直徑為微米和(或)納米量級。本專利技術還公開了上述玻璃基仿生微納通道的制作方法，利用玻璃的軟化成型特性，以毫米級玻璃毛細管為毛坯，通過拉伸細化、軟化吹制和軟化收縮等步驟，加工出具有不同功能單元的玻璃基仿生微通道，具體包括以下步驟: (a)清潔固定:對玻璃毛細管進行清潔后，氮氣吹干，在烘箱中進一步烤干，將玻璃毛細管兩端固定，玻璃毛細管一端密封，另一端與高壓氣源相連； (b)拉伸細化:利用加熱器件對玻璃毛細管指定部位加熱至玻璃軟化狀態，反向拉伸玻璃毛細管兩端，使玻璃毛細管軟化部位伸長并細化，形成尺寸均勻一致的微通道，尺寸大小與被加熱玻璃毛細管長度、加熱時間和溫度、拉制速度與距離控制參數相關； (C)軟化吹制:對微通道上需制作反應室或儲液室等功能單元的部位加熱軟化，打開玻璃毛細管(I)端口的高壓氣源，向微通道內充入高壓氣體，使軟化部位的玻璃材料被吹制出各種形狀的功能單元，各功能單元間通過微通道相連，各單元體形狀與尺寸可通過加熱溫度與時間、高壓氣體壓強等參數來控制；其中，各功能單元的形狀可以為圓球形、半圓球形、圓弧形等形狀； (d)軟化收縮:在需要更小尺寸的微通道部位進一步加熱，停止向微通道充入高壓氣體或把微通道內抽成負壓，使玻璃微通道軟化部位在表面張力作用下收縮，形成所需納米通道，最終整體形成微納通道。其中，所述步驟(a)中，對玻璃毛細管兩端固定時，采用同軸的左夾持滑塊和右夾持滑塊來進行固定。連接通道包括微通道和納米通道，微通道是指直徑為微米量級的連接通道，納米通道是指直徑為納米量級的連接通道。有益效果:與現有技術相比，本專利技術的一種具有以下優點: (1)結構方面，仿生微納通道具有自然界生物微小通道特征，截面形狀規整，尺寸在跨尺度范圍內連續變化，包含輸運通道、反應室、儲液池等多種功能單元，且整體具有一定柔性，可變形，而現有微通道多刻蝕在一定硬質基地上，截面呈矩形、梯形、三角形、半圓形等形狀，且整體呈直線或折線分布； (2)材料性能方面，仿生微納通道所有結構均由材質均勻的玻璃加工而成，具有優異的光學性能，力學性能均勻一致，表面特性可根據需要進行局部改性處理，而現有微通道多由異質材料通過界面鍵合而成，存在強度不均、界面性質不同等問題； (3)加工工藝方面，與現有微通道制作工藝相比，利用玻璃軟化變型特性加工玻璃基仿生微納通道的方法，包括拉伸細化、軟化吹制和軟化收縮等步驟，具有工藝可靠、所需設備簡單、操作簡便、成本低廉等優點，且加工精度高。附圖說明圖1為本專利技術玻璃基仿生微納通道結構示 圖2為本專利技術所述玻璃基仿生微納通道制作工方法流程示 圖3為本專利技術所述玻璃基仿生微納通道典型制作裝置基本組成示圖。具體實施例方式下面結合附圖對本專利技術作更進一步的說明。如圖1所示，本專利技術的一種玻璃基仿生微納通道，該微納通道為采用組分均勻一致并且光學和力學性能優良的玻璃材料加工而成的具有生物微通道的特征與性能的微納通道，該微納通道的橫截面呈規整圓形，微納通道上具有各種尺寸大小的功能單元，各功能單元之間是自然過渡并且尺寸是連續變化。本實施例中，玻璃材料可以選用石英玻璃、硼硅酸鹽玻璃、鉛硅酸鹽玻璃等各種組分類型。在本專利技術中，功能單元包括兩端宏接口 16、反應室17和連接通道18，宏接口 16、反應室17、連接通道18的內外壁面均為液態張力收縮形成的光滑曲面且整體呈連續變化；如圖1所示，兩端宏接口 16直徑為Dtl，都具有相同的毫米量級，反應室17的數目、形狀、尺寸均可依據應用需求來加工，反應室17的直徑為“……duk，dul、du2、……Cluk為微米或亞微米級量級，連接通道18直徑為dcl、dc2、……dc(k+1), dcl、dc2、……dc(k+1)為微米和(或)納米量級。本專利技術還公開了上述玻璃基仿生微納通道的制作方法，利用玻璃的軟化成型特性，以毫米級玻璃毛細管 為毛坯，通過拉伸細化、軟化吹制和軟化收縮等步驟，加工出具有不同功能單元的玻璃基仿生微通道。如圖3所示，一種制作玻璃基仿生微納通道的裝置基本組成包括:玻璃毛本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種玻璃基仿生微納通道，其特征在于：該微納通道為采用組分均勻一致并且光學和力學性能優良的玻璃材料加工而成的微納通道，該微納通道的橫截面呈規整圓形，微納通道上具有各種尺寸大小的功能單元，各功能單元之間是自然過渡并且尺寸是連續變化。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：田桂中，周宏根，李濱城，李磊，景旭文，
申請(專利權)人：江蘇科技大學，
類型：發明
國別省市：