一种用于液体表面张力测定的微流控芯片装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及的用于液体表面张力测定的微流控芯片装置，包括：其上表面上设置平行放置的垂向第一凹槽和垂向第二凹槽的基片，以及与该垂向第一、第二垂向凹槽一端相连通并垂直的横向第三凹槽；该第一、第二垂向凹槽尺寸不同；该第一、第二垂向凹槽另一端延伸出基片边缘；紧密贴合在基片上表面的盖板；和粘贴于盖板外表面上的透明材质的刻有标准国际长度单位刻度的标示板；测定样品时，只需从凹槽末端引入液体，液体在毛细管作用力的驱动下自动进入芯片并达到平衡状态。测量液面高度差并结合液体的密度即可得到液体的表面张力。其测量简化，并可实现快速实时现场检测，在基础研究和工业生产上都有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微流控芯片装置，特别涉及一种用于液体表面张力测定的微流控芯片装置。
技术介绍
20世纪90年代初，分析化学工作者提出了微全分析系统(μTAS)的思想。微全分析系统是将整个分析化学实验室的常用功能集成到厘米甚至毫米尺度的平台上，使之微型化、自动化、高度集成化和便携化。这种“芯片实验室”包括了常用的分析检测中所需要的功能，包括进样、预处理、分离、检测等，可以极大地减少试剂消耗，缩短分析时间并且能够减少样品的用量。非常适合实地采样、在线检测、过程控制等特殊实验工作。目前微全分析系统在分析仪器和分析科学领域产生了重大影响，成为目前的研究热点，并引导分析化学和生物化学技术向着微型化、集成化和便携化的趋势发展。在微全分析系统领域里，微流控芯片是最主要的研究方向。利用微加工工艺在玻璃或者高聚物材料上制作出微凹槽、微阀、微反应器、微检测器等功能单元，从而构成一个可以独立运行的微型检测系统。微流控芯片最重要的功能是可以在芯片内对液体进行可控的操作，包括进样、输送、定位、混合、分离和反应等操作，从而在化学、生物学等领域得到广泛的应用。表面张力是液体的表层分子受到液体内部分子的作用力和液体外部分子作用力不平衡而产生的一种作用，它是液体的物理化学性质之一。通过测定溶液的表面张力，可以研究溶液表面的分子吸附等动力学过程。在纺织、造纸、采矿等工业领域，液体的表面张力控制着润湿、发泡、溶解等过程，必须加以研究和监测来控制产品质量。目前有多种方法可以测定液体的表面张力，常用的方法有测定力的方法，如圆环法和平板法，需要精确的测定圆环或平板在与液面接触时受到的作用力；测定压强的方法，如最大气泡法，需要测定气泡在形成过程中内部的压强；测定形状的方法，如旋转液滴法和悬滴法，需要对液滴的外形轮廓进行精确的测定以及复杂的数学处理；滴重法，测定液体在一段时间内从毛细管中下落的液滴的重量来推算液体的表面张力，需要精确的测定液滴的质量；毛细管上升法，测定液体在毛细管内的上升高度来推算液体的表面张力。这些方法普遍存在样品消耗量大，测定时间长，需要精密仪器或者光学和成像装置，不能进行高通量测定等不足。目前通常使用毛细管对液体的表面张力进行测定；在使用毛细管进行测定时，需要将粗细不同的两根毛细管同时垂直地插入待测量的液体中，液体在表面张力的作用下会在毛细管中上升至一定高度，通过测定平衡时两根毛细管中液面的高度差，并结合液体密度就可以得到液体的表面张力。因此这种方法需要大量的样品，一般需要几毫升至十几毫升的样品；测定一个样品需要几分钟的时间，不能满足高通量的需要。目前尚没有可供检测液体表面张力的微流控芯片装置。本专利技术的目的在于提供一种用于液体表面张力测定的微流控芯片装置，即采用双毛细管上升法，通过使用微流控芯片代替传统的毛细管对液体的表面张力进行测定；本专利技术的技术方案如下本专利技术提供的用于液体表面张力测定的微流控芯片装置，包括一基片；所述基片的上表面上设置多条平行放置且尺寸相同的垂向第一凹槽和多条平行放置且尺寸相同的垂向第二凹槽，以及与所述垂向第一凹槽和垂向第二凹槽的一端相连通并垂直于所述垂向第一凹槽和垂向第二凹槽的横向第三凹槽；所述第三凹槽与所述垂向第一凹槽相连通部分的尺寸同垂向第一凹槽，所述横向第三凹槽与所述垂向第二凹槽相连通部分的尺寸同垂向第二凹槽；所述垂向第一凹槽和垂向第二凹槽的尺寸不同；所述垂向第一凹槽和垂向第二凹槽的另一端分别延伸出所述基片的一边缘；一盖板；所述盖板紧密贴合在所述基片的设有凹槽的上表面上；和一粘贴于所述盖板外表面上的透明材质的标示板；所述标示板上刻有标准国际长度刻度；所述垂向第一凹槽的截面面积为0.3-0.6 mm2。所述垂向第二凹槽的截面面积为0.04-0.08 mm2。所述横向第三凹槽与所述垂向第一凹槽相连通部分的截面面积为0.3-0.6mm2，所述横向第三凹槽与所述垂向第二凹槽相连通部分的截面面积为0.04-0.08mm2。所述的基片为玻璃基片或硅基基片。所述的垂向第一凹槽为方形槽或半圆形槽。所述的垂向第二凹槽为方形槽或半圆形槽。所述的横向第三凹槽为方形槽或半圆形槽。在本专利技术中，使用标准的光刻和湿法刻蚀技术在玻璃基片或硅基基片上加工出内径不同的垂向第一凹槽、垂向第二凹槽和横向第三凹槽，使用载玻片作为盖板组装成芯片后，将待测样品引入凹槽，液体受重力和表面张力的作用而在凹槽内移动，最终达到平衡的状态。测定粗细凹槽中的液面高度差并结合液体密度数据就可以得到液体的表面张力数值。使用芯片的测定过程中也是在保持凹槽垂直的状态下进行的，不同点在于不是将芯片插入液体进行测定，而是将液体引入芯片中进行测定，所以需要的样品量非常少，一般为几十微升。同时，利用芯片加工技术可以在一个芯片上加工出很多条尺寸相同的凹槽，一次测定就可以得到多组平行的数据，从而大大提高测定的速度和准确度。本专利技术利用传统的微流控芯片加工技术，使用玻璃材料(或硅基片)制作出结构简单的微流控芯片，将其用于测定液体的表面张力。使用的方法是双毛细管上升法，其原理与使用毛细管进行的试验是相同的，都需要构建出内径不同的两种管道，从而使液体进入两种管道后由于内径的不同而产生高度差，这一高度差和液体的表面张力是成线性的关系，基于这一原理并结合液体的密度就可以得到液体的表面张力数值。本专利技术中使用打印有刻度的聚酯胶片作为测定高度差的标尺，大大简化了高度测定的步骤，从而避免了使用读数显微镜等仪器时需要进行的精确调整。由于芯片的体积很小，可以很容易的对其进行防水处理，因此可以使用水浴控温，方便地对样品进行不同温度下表面张力的测定。本专利技术中的装置适合测定的样品包括水溶液和大部分有机溶液，尤其适合低粘度的液体。测定高挥发性液体时也可以得到较准确的数据，因为液体在凹槽中的挥发过程显著减慢。测定有毒液体也更加安全，因为样品用量极少。本专利技术中的用于液体表面张力测定的微流控芯片装置的具体制做如下1.芯片设计为了产生液面高度差，需要在芯片上构建出不同内径的凹槽，在本专利技术中设计了两种尺寸的凹槽，这两种凹槽都在芯片平面上相互平行的重复排列。在这些凹槽的一端未端有一条垂直的凹槽将它们连接起来，这些凹槽的另一端与大气相通而作为进样口使用。2.芯片的制作1)掩膜的制作用Adobe Illustrator CS矢量绘图软件设计光刻掩膜，凹槽为粗细两种并且平行排列，通过一条位于凹槽末端的垂直凹槽相连。用激光照排机输出掩膜胶片。使用同样的方法，制作具有精确刻度条纹的掩膜，用作刻度标尺。2)光刻在暗室中，将掩膜覆盖在匀胶铬版上并压紧，置于紫外灯下曝光，经过显影和清洗，掩膜上的图形就被转移到胶铬版的光胶层上。将铬版放入烘箱中加热来加固光刻胶。3)湿法刻蚀室温下将曝光后的铬版放入铬刻蚀液中，腐蚀没有光胶层保护的铬层，高纯水冲洗干净后，烘干。室温下用玻璃刻蚀液刻蚀凹槽。当细凹槽达到所要求的尺寸后，用透明胶带将细凹槽保护起来，将基片转移到高浓度的刻蚀液中继续刻蚀，直到粗凹槽符合设计要求。刻蚀完成后，依次除去残存的光胶层和铬层，并用高纯水冲洗干净得到玻璃基片。4)芯片组装直接使用显微镜载玻片作为盖片而无需特殊加工或处理。将基片和盖片清洗后干燥，然后贴合在一起形成完整的凹槽结构，并用夹子将二者固定住。将印有刻度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于液体表面张力测定的微流控芯片装置，包括：一基片；所述基片的上表面上设置多条平行放置且尺寸相同的垂向第一凹槽和多条平行放置且尺寸相同的垂向第二凹槽，以及与所述垂向第一凹槽和垂向第二凹槽的一端相连通并垂直于所述垂向第一凹槽和垂向 第二凹槽的横向第三凹槽；所述第三凹槽与所述垂向第一凹槽相连通部分的尺寸同垂向第一凹槽，所述横向第三凹槽与所述垂向第二凹槽相连通部分的尺寸同垂向第二凹槽；所述垂向第一凹槽和垂向第二凹槽的尺寸不同；所述垂向第一凹槽和垂向第二凹槽的另一端分别延伸出所述基片的一边缘；一盖板；所述盖板紧密贴合在所述基片的设有凹槽的上表面上；和一粘贴于所述盖板外表面上的透明材质的标示板；所述标示板上刻有标准国际长度刻度；所述垂向第一凹槽的截面面积为０．２４－０．６ｍｍ↑［２］；　 　所述垂向第二凹槽的截面面积为０．０３６－０．０８ｍｍ↑［２］；所述横向第三凹槽与所述垂向第一凹槽相连通部分的截面面积为０．３－０．６ｍｍ↑［２］，所述横向第三凹槽与所述垂向第二凹槽相连通部分的截面面积为０．０４－０．０８ｍｍ↑ ［２］。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：林金明，刘江疆，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]