图案化流体阵列及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及材料领域，公开了图案化流体阵列及其制备方法和应用。图案化流体阵列的制备方法，包括：(A)制备具有多个图案化结构单元且具有浸润性质的基底，其中，相邻的两个图案化结构单元之间的距离D与图案化结构单元的尺寸d的比值不小于2；(B)将所述基底与表面平整的基材进行组装，得到具有夹层的微流体装置，然后将流体1注入所述微流体装置并充满夹层，再将流体2注入微流体装置，其中，流体1与流体2不相容；每个图案化结构单元的内部形成图案化流体1，相邻的图案化结构单元之间填充有流体2，得到图案化流体阵列。本发明专利技术实现了一种流体在另外一种流体中的精确图案化，且制备方法简单快捷、成本低廉、便于大规模生产。

Patterned fluid array and its preparation and Application

The invention relates to the field of materials, discloses a patterned fluid array, and a preparation method and application thereof. The preparation method of the patterned fluid array includes: (A) preparing a substrate having a plurality of patterned structural units and a wetting property, wherein the distance between the adjacent two patterned structural units D is not less than 2 to the size D of the patterned structural unit; (B) assembling the substrate with a flat surface, A microfluidic device with interlayer is obtained, and then fluid 1 is injected into the microfluidic device and filled with interlayer, and then fluid 2 is injected into the microfluidic device, where fluid 1 is incompatible with fluid 2; a patterned fluid 1 is formed inside each patterned structural unit, and fluid 2 is filled between adjacent patterned structural units. Patterned fluid arrays. The invention realizes the accurate patterning of one fluid in another fluid, and the preparation method is simple, fast, low cost and convenient for large-scale production.

【技术实现步骤摘要】
图案化流体阵列及其制备方法和应用
本专利技术涉及材料领域，具体涉及图案化流体阵列及其制备方法和应用。
技术介绍
流体界面是两相流体互相接触的区域。由于两相流体性质的不同，界面处出现一些的物理参数突变会产生很多基本的物理化学过程，这些过程几乎涉及了化学、化工、材料、物理、生物等各学科领域，在生产生活中具有重要的作用。在液液界面上，由界面处浓度的不同而出现的物质交换，涉及到扩散及化学反应过程，从而在化学合成、药物释放和蒸馏萃取等物质分离方面具有重要的应用；又比如，在工业采油中，油水界面因动量传递而出现的粘性指进现象，对工业采油技术中提高原油采收率具有重要的影响。在气液界面发生的过程具有更为广泛的应用，如蒸发过程所涉及的咖啡环效应、马兰格尼效应等，在基于溶液处理的器件加工，高精度打印与印刷、功能材料的组装与图案化、生物细胞分离等方面具有十分广泛的应用；表面张力使空气中的液体柱出现的瑞利不稳定现象、在喷墨打印技术中具有广泛的应用；气液界面引起的界面吸附，在泡沫浮选技术中具有重要应用；以及借助气液界面处折射率、密度和弹性模量的突变可以制备气泡光栅、气泡声子晶体等。实现对流体界面的操控，对控制和利用这些过程具有重要的意义，从而在微流体、化学反应控制、材料制备、溶液加工与组装、生物分析和功能器件制造等方面具有十分广泛的应用。然而，目前常用的制备流体间界面的方法是利用微流体技术，其制备的界面是微气泡、微液滴等与其不相容的流体之间形成的流动界面。这种技术虽然可以在微米尺度内制造大量的流体间的界面，具有比表面积大的优势。但是这些界面易于流动而无法固定、且在表面张力的作用下都为单一形貌的球形，因此难以实现对流体界面的精确调控。因此，实现一种流体在另外一种流体中精确图案化，从而制备出精确图案化的流体界面，是流体界面控制的一个重要研究方向。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的很难实现两种不相容流体的精确图案化的问题，提供图案化流体阵列及其制备方法和应用，该方法实现了一种流体(流体1)在另外一种流体(流体2)中的精确图案化，且制备方法简单快捷、成本低廉、便于大规模生产。为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供了一种图案化流体阵列的制备方法，该方法包括以下步骤：(A)制备具有多个图案化结构单元3且具有浸润性质的基底4，其中，相邻的两个图案化结构单元3之间的距离D与图案化结构单元3的尺寸d的比值不小于2；(B)将所述基底4与表面平整的基材5进行组装，得到具有夹层的微流体装置，然后将流体1注入所述微流体装置并充满夹层，再将流体2注入微流体装置，其中，流体1与流体2不相容，且流体1在流体2中，流体1在基底4的表面的接触角θ12小于90°；每个图案化结构单元3的内部形成图案化流体1，相邻的图案化结构单元1之间填充有流体2，得到图案化流体阵列。本专利技术第二方面提供由上述的方法制备的图案化流体阵列，其中，该图案化流体阵列包含具有多个图案化结构结构单元3的基底4，以及盖在所述基底4表面的平整的基材5，每个图案化结构单元3内部填充有流体1，相邻的图案化结构单元1之间填充有流体2。本专利技术第三方面提供了上述的图案化流体阵列在微反应器、界面反应和催化、单细胞分析、微生物研究、材料合成和功能器件制备中的应用。本专利技术通过利用图案化结构单元的钉扎作用实现两种不相容流体间的选择性取代(流体2部分取代流体1)，利用图案化结构单元实现了未被取代的流体(流体1)的大小、形貌和排列的精确调控，也即实现了流体1在不相容流体2中的精确图案化。该制备方法简单快捷、成本低廉、便于大规模生产。附图说明图1是流体1在流体2中，流体1在基底4的表面的接触角θ12的示意图；图2是本专利技术的流体2取代流体1的过程示意图；图3是微流体装置的照片；图4是实施例2制备的图案化流体阵列的荧光显微镜图片；图5是实施例4制备的图案化流体阵列的荧光显微镜图片。附图标记说明1、流体12、流体23、图案化结构单元4、基底5、表面平整的基材6、基础单元具体实施方式在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。专利技术第一方面提供了一种图案化流体阵列的制备方法，该方法包括以下步骤：(A)制备具有多个图案化结构单元3且具有浸润性质的基底4，其中，相邻的两个图案化结构单元3之间的距离D与图案化结构单元3的尺寸d的比值不小于2；(B)将所述基底4与表面平整的基材5进行组装，得到具有夹层的微流体装置，然后将流体1注入所述微流体装置并充满夹层，再将流体2注入微流体装置，其中，流体1与流体2不相容，且流体1在流体2中，流体1在基底4的表面的接触角θ12小于90°；每个图案化结构单元3的内部形成图案化流体1，相邻的图案化结构单元1之间填充有流体2，得到图案化流体阵列。在本专利技术中，先将流体1注入所述微流体装置并充满夹层，再将流体2注入微流体装置的夹层，此时流体2部分取代流体1，多余的流体1(被取代的流体1)排出微流体装置的夹层，此时流体1在图案化结构单元的内部，流体2在图案化结构单元之间，形成了流体1在流体2中的结构。在本专利技术中，D是指图案化结构单元的中心到相邻的图案化结构单元的中心的距离，如图2的标注D所示。在本专利技术中，d是指图案化结构单元的尺寸。例如图案化结构单元为四个柱子形成的正方形时，正方形的边长就是d。例如图案化结构单元为十二个柱子形成的正方形，正方形的单边由四个柱子构成，这时d就是四个柱子的直径加上间距的长度。例如图案化结构单元为圆形，d指这个圆形的直径。例如三个圆柱组成的图案化结构单元，d指相邻两个柱子的直径加上间距的长度，如图2的标注d所示。根据本专利技术的方法，相邻的两个图案化结构单元之间的距离D应具有较远的距离，从而实现本专利技术的目的。具体地，相邻的两个图案化结构单元之间的距离D与图案化结构单元的尺寸d的比值不小于2，也就是说，D至少是d的2倍。根据本专利技术的方法，流体1、流体2被注入和排出微通道的方法是在外力作用下使流体出现压强差别而使流体被压进和压出微流体装置的夹层的所有方式，例如可以为但不限于：通过微流体注射泵实施。根据本专利技术的方法，流体2注入微流体装置的速度以形成流体2部分取代流体的1为目的，优选地，流体2注入微流体装置的速度为1-500μL/min，进一步优选为10-100μL/min。该流速下形成的图案化流体阵列更加精细。也即，将流体1从一端注入充满夹层，缓慢注入与流体1不相容的流体2，在图案化结构单元的作用下，使流体1只有部分被取代，即形成了流体1在流体2中的图案化流体阵列。在本专利技术中，具有夹层的微流体装置以能够给夹层输送液体为目的，例如可以在基底4上面覆盖表面平整的基材5，其中，基材5具有可以输送液体的孔洞，使用C形夹具将基底4和基材5固定，基材5的孔洞与管道相连，并连接上微流体注射泵，管道的材质以耐腐蚀为目的，例如可以为但不限于：聚四氟乙烯材质。但是具有夹层的微流体装置并不限于此，以能够实现通入和排出液体为目的，例如，微流体装置可以如图3所示。根据本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种图案化流体阵列的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(A)制备具有多个图案化结构单元(3)且具有浸润性质的基底(4)，其中，相邻的两个图案化结构单元(3)之间的距离D与图案化结构单元(3)的尺寸d的比值不小于2；(B)将所述基底(4)与表面平整的基材(5)进行组装，得到具有夹层的微流体装置，然后将流体(1)注入所述微流体装置并充满夹层，再将流体(2)注入微流体装置，其中，流体(1)与流体(2)不相容，且流体(1)在流体(2)中，流体(1)在基底(4)的表面的接触角θ12小于90°；每个图案化结构单元(3)的内部形成图案化流体(1)，相邻的图案化结构单元(1)之间填充有流体(2)，得到图案化流体阵列。

【技术特征摘要】
1.一种图案化流体阵列的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(A)制备具有多个图案化结构单元(3)且具有浸润性质的基底(4)，其中，相邻的两个图案化结构单元(3)之间的距离D与图案化结构单元(3)的尺寸d的比值不小于2；(B)将所述基底(4)与表面平整的基材(5)进行组装，得到具有夹层的微流体装置，然后将流体(1)注入所述微流体装置并充满夹层，再将流体(2)注入微流体装置，其中，流体(1)与流体(2)不相容，且流体(1)在流体(2)中，流体(1)在基底(4)的表面的接触角θ12小于90°；每个图案化结构单元(3)的内部形成图案化流体(1)，相邻的图案化结构单元(1)之间填充有流体(2)，得到图案化流体阵列。2.根据权利要求1所述的方法，其中，流体(2)注入微流体装置的速度为1-500μL/min，优选为10-100μL/min。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述每个图案化结构单元包含多个基础单元(6)；优选地，所述基础单元(6)为圆柱、锥形、纺锤柱、蘑菇型、椭圆柱和多面体柱中的一种或多种；优选地，所述每个基础单元(6)的高度为5μm-500μm，每个基础单元的直径为2μm-300μm。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述图案化结构单元为圆柱阵列结构、锥形阵列结构、纺锤柱阵列结构、蘑菇型阵列结构、椭圆柱阵列结构和多面体柱阵列结构中的一种或多种；优选地，所述图案化结构单元的图形为三角形、正方形、五边形、六边形、八边形、圆形或不规则图形。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基底(4)的材质选自硅片、铝片、铜片、玻璃片、聚四氟乙烯、PDMS膜、PET膜、PMMS膜或PU膜；优选地，所述表面平整的基材(5)的材质为硅片、石英片、铁片、铜片、铝片、聚硅氧烷片和橡胶片中的一种。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述流体(1)的粘...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄占东，李正，苏萌，宋延林，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11