本實(shí)用新型涉及一種液滴自驅(qū)動式微反應(yīng)器。

背景技術(shù)：

自20世紀(jì)80年代“微通道散熱器”的概念首次被提出以來，微設(shè)備就開始以一種高速發(fā)展的姿態(tài)進(jìn)入到化學(xué)化工領(lǐng)域，以微反應(yīng)系統(tǒng)為核心的微化工技術(shù)以其簡單高效、快速靈活、精度高等優(yōu)勢受到廣大科技工作者和商業(yè)領(lǐng)域的青睞。近30年來，基于不同的方法和目的，各種各樣的微反應(yīng)器被設(shè)計(jì)開發(fā)出來并嘗試應(yīng)用到各種領(lǐng)域。

近年來，基于某些特定的反應(yīng)對流道表面潤濕性的要求，表面潤濕性開始被引入到微反應(yīng)器中，利用潤濕性可以有效調(diào)控流道的性質(zhì)。

傳統(tǒng)的微反應(yīng)系統(tǒng)主要通過光刻、蝕刻和機(jī)械加工的方法在硅片、玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等材料上制作，這些制備方法存在這制作設(shè)備昂貴，制備過程復(fù)雜，流道精確度不夠等缺點(diǎn)，而且大部分需要外部輔助設(shè)備來提供動力，大大的限制了微反應(yīng)器的工業(yè)化進(jìn)程。結(jié)合潤濕性，制作具備潤濕梯度微反應(yīng)器流道，實(shí)現(xiàn)液滴的自驅(qū)動，以減少外部輔助動力設(shè)備，簡化為反應(yīng)器裝置，降低成本，這方面的研究幾乎沒有。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型針對目前的微反應(yīng)系統(tǒng)存在這制作設(shè)備昂貴，制備過程復(fù)雜，流道精確度不夠等缺點(diǎn)，而且大部分需要外部輔助設(shè)備來提 供動力的問題，提出了一種操作簡單、實(shí)現(xiàn)了微流體的自驅(qū)動，極大降低了微流體驅(qū)動的成本，具有便攜、經(jīng)濟(jì)、快速、高效的特點(diǎn)，在機(jī)合成過程，微米和納米材料的制備和日用化學(xué)品的生產(chǎn)等相關(guān)領(lǐng)域具有廣泛的運(yùn)用前景的液滴自驅(qū)動式微反應(yīng)器的制備方法及其微反應(yīng)器。

本實(shí)用新型所述的液滴自驅(qū)動式微反應(yīng)器，其特征在于：包括基體和涂覆在基體表面的親-疏水層，所述的親-疏水層為在疏水涂層上設(shè)計(jì)有三條親水流道；所述的親水流道內(nèi)被劃分為多個區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)有若干等距排列的超疏水條帶狀圖案，而從流道始端到末端方向，相鄰區(qū)域的超疏水條帶狀圖案的間距增大，即流道內(nèi)從始端到末端親水區(qū)所占比例呈梯度遞增，從而在流道內(nèi)形成潤濕梯度，實(shí)現(xiàn)液滴自驅(qū)動。三條流道呈“倒品字”狀排列，其中上部分兩條相互平行的親水流道為反應(yīng)試劑的入口流道，通過控制兩平行流道的間距可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)試劑體積比的精確控制；兩種反應(yīng)試劑融合后進(jìn)入到第三條親水流道，融合后的兩種試劑在該流道內(nèi)充分反應(yīng)，最后自運(yùn)輸?shù)街付ǖ膮^(qū)域。且第三條流道的始端為楔形狀并插入到兩入口流道末端之間，三條流道均平行設(shè)置。

本實(shí)用新型所述的一種液滴自驅(qū)動式微反應(yīng)器的制備方法，包括以下步驟：

1)制備超疏水二氧化鈦涂覆液：將二氧化鈦粉末與無水乙醇混合后在50～100Hz條件下超聲配成的二氧化鈦懸浮液，再加入硅烷，繼續(xù)在50～100Hz條件下超聲混勻，然后室溫下反應(yīng)10～15h，得到超 疏水二氧化鈦涂覆液；所述的無水乙醇的加入量以二氧化鈦質(zhì)量計(jì)為0.01～0.02g/mL，所述硅烷與二氧化鈦懸浮液體積比為0.01～0.03：1；

2)制備帶超疏水層的基體：利用旋涂機(jī)將超疏水二氧化鈦涂覆液分次旋涂到清洗干凈的基體表面，然后置于烘箱中100～120℃處理1～2h，得到帶超疏水層的基體；所述的超疏水二氧化鈦涂覆液的涂覆用量為0.1～0.2g/cm³；

3)制備掩膜板：在AoutCAD中設(shè)計(jì)好微反應(yīng)器的幾何參數(shù)，通過高分辨的激光打印機(jī)在膠片上打印出來，此時帶圖案的膠片即為掩膜板；所述的參數(shù)包括圖案的形狀、排布、圖案密度以及圖案間距；

4)制備微反應(yīng)器：將掩膜板覆蓋在通過步驟2)獲得的帶超疏水涂層的基體上，開啟深紫外光(UV)光源，紫外光透過掩膜板的透光區(qū)域，照射到超疏水涂層表面，曝光5～10min后，被曝光區(qū)域由超疏水轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水，而基體剩余的部分仍然保持超疏水，掩膜板上的微反應(yīng)器圖案被復(fù)制到超疏水涂層表面。

所述的硅烷為十八烷基三甲氧基硅烷。

步驟1)中的第一次超聲時間為30～60min，第二次超聲時間為10～20min。

步驟1)中的基體為玻璃片、金屬片或者棉織品。

所述的基體的清潔方式為：將基體依次在丙酮、乙醇、去離子水中超聲10～20min，超聲頻率為50～100Hz。

步驟2)中的旋涂次數(shù)為五次，每次取50μL二氧化鈦涂覆液 旋涂到洗凈的基體表面。

所述的UV輻照強(qiáng)度為15mW cm^-2，波長為390nm。

本實(shí)用新型的有益效果是：

1)納米粒子增大表面粗糙度，使得流道內(nèi)外的親疏水性差距增大，防止液滴擴(kuò)散到流道外，解決流道精度不足的問題。

2)將潤濕梯度引入到微反應(yīng)器流道內(nèi)，為微液滴提供驅(qū)動力，實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動，從而簡化了外部壓力系統(tǒng)等輔助設(shè)備，更易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微型化、產(chǎn)業(yè)化和便攜化。

3)通過設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)液滴體積比的精確控制，液滴的充分混合和快速運(yùn)輸，從而提供微反應(yīng)器效率。

附圖說明

圖1為微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖，圖中標(biāo)號為：21和22為兩個平行的入口流道，23為液滴融合運(yùn)輸?shù)牧鞯溃?4為反應(yīng)試劑目的儲液區(qū)，25為條帶狀的超疏水圖案，箭頭表示液滴流道方向；圖中陰影部分為超疏水區(qū)域，無陰影部分為超親水區(qū)域。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型

參照附圖：

實(shí)施例1本實(shí)用新型所述的一種液滴自驅(qū)動式微反應(yīng)器，其特征在于：包括基體1和涂覆在基體表面的親-疏水層2，所述的親-疏水層上設(shè)有三條親水流道，且三條流道呈“倒品字”排列，其中上部分兩個相互平行的入口流道為21和22，反應(yīng)試劑融合后運(yùn)輸?shù)牧鞯?為23，最終反應(yīng)后的試劑進(jìn)入目的地24；所述的三個親水流道內(nèi)被劃分為多個區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)有若干等距排列的超疏水條帶狀圖案25，而從流道始端到末端方向，相鄰區(qū)域的超疏水條帶狀圖案的間距增大，即流道內(nèi)從始端到末端親水區(qū)所占比例呈梯度遞增，從而在流道內(nèi)形成潤濕梯度，實(shí)現(xiàn)液滴自驅(qū)動。

實(shí)施例2本實(shí)用新型所述的一種液滴自驅(qū)動式微反應(yīng)器的制備方法，包括以下步驟：

1)制備超疏水二氧化鈦涂覆液：將0.1g二氧化鈦粉末與10mL無水乙醇混合后在100Hz條件下超聲30min配成0.01g/mL的二氧化鈦懸浮液，再加入0.2mL十八烷基三甲氧基硅烷，繼續(xù)在100Hz條件下超聲混勻，然后室溫下反應(yīng)12h，得到超疏水二氧化鈦涂覆液；所述十八烷基三甲氧基硅烷與二氧化鈦懸浮液體積比為0.02：1；

2)制備帶超疏水層的基體：利用旋涂機(jī)將超疏水二氧化鈦涂覆液分次旋涂到清洗干凈的基體上表面，然后置于烘箱中100℃處理1h，得到帶超疏水層的基體；所述的旋涂機(jī)的轉(zhuǎn)速為1000rad/min；所述的超疏水二氧化鈦涂覆液的涂覆用量為0.1g/cm³；

3)制備掩膜板：在AoutCAD中設(shè)計(jì)好微反應(yīng)器的幾何參數(shù)，通過高分辨的激光打印機(jī)在膠片上打印出來，此時帶圖案的膠片即為掩膜板；所述的參數(shù)包括圖案的形狀、排布、圖案密度以及圖案間距；

4)制備微反應(yīng)器：將掩膜板覆蓋在步驟2)獲得的帶超疏水 表面的基體上表面，然后開啟深紫外光UV光源，使得基體表面的超疏水表面在深紫外光UV光源下曝光30min，此時基體與透光圖區(qū)對應(yīng)的位置透光，對該區(qū)域進(jìn)行區(qū)域選擇性光解，被曝光區(qū)域由超疏水轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水，而基體剩余的部分輸水，掩膜板上的透光圖區(qū)被復(fù)制到基體的超疏水表面上，使得所述的基體表面覆蓋一層親水和疏水交替排列的親-疏水層，其中所述的UV輻照強(qiáng)度為15mWcm^-2，波長為390nm，高度間距為20cm。

本方法制備的超疏水表面，液滴在超疏水表面呈現(xiàn)球狀，接觸角為152°。用計(jì)算機(jī)輔助軟件設(shè)計(jì)繪制流道和微反應(yīng)器的形狀和尺寸，掩膜板白色區(qū)域透光，灰色區(qū)域不透光，從左到右曝光區(qū)域逐漸增大；UV曝光后表面從超疏水轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水，得到從左到右親水區(qū)域逐步增大的流道。將該流道設(shè)計(jì)集成到微反應(yīng)器中，單一流道寬度為1mm，長度為10mm，微反應(yīng)器總長度為21.5mm。

步驟1)中的基體為玻璃片、金屬片或者棉織品。

所述的基體的清潔方式為：將基體依次在丙酮、乙醇、去離子水中超聲10min，超聲頻率為100Hz。

步驟2)中的旋涂次數(shù)為五次，每次取50μL二氧化鈦涂覆液旋涂到洗凈的基體表面。

實(shí)施例3液滴在單一流道內(nèi)的運(yùn)動：

設(shè)計(jì)的流道，流道寬度為2mm，總長度為8mm，從左到右設(shè)計(jì)八個不同的區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)的疏水單元為100μm，疏水單元之間 的間距逐漸增大，即親水區(qū)域所占比例逐漸增大，在流道內(nèi)形成潤濕梯度。光照曝光后即得到能實(shí)現(xiàn)液滴自驅(qū)動的流道，液滴在流道內(nèi)自驅(qū)動的光學(xué)圖片，合理設(shè)計(jì)流道內(nèi)潤濕梯度可實(shí)現(xiàn)流速的自定義。

實(shí)施例4微反應(yīng)器實(shí)施案例：

設(shè)計(jì)的微反應(yīng)器，該系統(tǒng)由3條寬度為1mm的平行流道組成，每條流道10mm，裝置總長度為21.5mm，兩條入口流道間距為1mm。利用實(shí)例四中的設(shè)計(jì)思路，每個流道從上到下設(shè)計(jì)十個不同的區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)的疏水單元為100μm，疏水單元之間的間距逐漸增大，即親水區(qū)域所占比例逐漸增大，在每個流道內(nèi)形成潤濕梯度。被亞甲基藍(lán)染色的液滴b在流道B內(nèi)自驅(qū)動的光學(xué)圖片；被蘇丹紅染色的液滴a在流道A內(nèi)自驅(qū)動的光學(xué)圖片；當(dāng)液滴b和液滴a的體積比為2:1(2滴：1滴)時，兩種液滴寬度突破兩個入口流道的間距，兩種液滴會發(fā)生融合到達(dá)流道C，在流道C內(nèi)發(fā)生反應(yīng)得到反應(yīng)物c，并最終運(yùn)動到指定的位置，合理設(shè)計(jì)兩個入口流道的間距可精確控制反應(yīng)液滴的體積和比例。

本說明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對實(shí)用新型構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍也包括本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)用新型構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。