一种基于表面电荷打印制备带电路径、进行生物液滴传输、静电复印及微纳自组装的方法与流程

本发明涉及数控打印系统技术领域，具体涉及一种基于表面电荷打印制备带电路径、进行生物液滴传输、静电复印及微纳自组装的方法，更具体涉及一种基于表面电荷打印制备具有电荷密度梯度的带电路径的方法、基于表面电荷打印制备具有电荷密度梯度的带电路径进行生物液滴传输的方法及其基于表面电荷打印进行静电复印、微纳自组装的方法。

背景技术：

在生物液体传输应用的微流控和生物分析领域中，其表面电荷的产生主要依靠外接电源，外接电源产生的电荷施加给生物液体转化成带电液滴进行运输。在此过程中难免会造成生物液体损失，同时由于该运输过程还需外加电源，使得对设备要求高。

目前，产生表面电荷主要依靠外接电源。在静电复印技术，作为电照相术或静电影像术的最广泛形式，其最基本或起始的步骤就是让光电导介质带电，而使表面带电的技术就是依靠外接电源产生的辉光放电。这样产生表面电荷的方法使得在静电复印技术中采用的设备构造比较复杂，且应用场景受限。

并且微纳米材料自组装中，也通常使用静电来控制。通过外接电源极化材料形成驻极体图案，从而来引导微纳米材料的自组装。然而驻极体图案一旦形成，则无法更改，不能实现材料的重复多次利用。同时，极化时需要高压设备，使得技术成本变高，且存在安全隐患。

技术实现要素：

本发明的目的是提供具体涉及一种基于表面电荷打印制备带电路径、进行生物液滴传输、静电复印及微纳自组装的方法，更具体涉及一种基于表面电荷打印制备具有电荷密度梯度的带电路径的方法、基于表面电荷打印制备具有电荷密度梯度的带电路径进行生物液滴传输的方法及其基于表面电荷打印进行静电复印、微纳自组装的方法，，以解决现有表面电荷由于都是通过外施电源产生，从而造成在生物液体传输、静电复印和微纳米材料自组装领域中利用现有表面电荷进行作业时造成其使用的设备结构复杂且成本要求高，同时还存在安全隐患的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种基于表面电荷打印制备具有电荷密度梯度的带电路径的方法，其包括以下步骤：

将具有超疏水表面的材料置于移动平台上，用液滴针头向材料的超疏水表面滴水；同时控制液滴针头的滴落高度和平台移动路径，在材料的超疏水表面打印出具有电荷密度梯度的带电路径。

本发明采用固液界面接触带电，利用水滴中存在水的电离平衡，同时存在h⁺和oh^-，当水滴与材料的超疏水表面接触时，超疏水表面倾向吸附负电荷(oh^-离子)，从而在固液界面形成双电层。当水滴撞击在超疏水表面后快速反弹分离时，吸附在表面的氢氧根离子来不及扩散到水滴中，而被吸附留在超疏水表面，使超疏水表面带上表面电荷，且该表面电荷为负电。水滴滴落高度越高与超疏水表面的接触面积越大，形成的表面电荷其带电量也就越大，从而使得单位面积下的表面电荷密度也就越大，同时控制液滴针头滴落高度和平台移动路径，可在材料的超疏水表面上打印出具有电荷密度梯度的带电路径。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述水滴滴落方向与材料表面形成的夹角范围为大于0°且小于90°。

优选地，水滴滴落方向与材料表面形成的夹角范围5°、10°、15°、20°、30°、45°、60°、75°或85°。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述超疏水表面还包括超双疏水表面。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述水滴直径为500μm-10mm。

优选地，水滴直径为500μm、800μm、1mm、3mm、5mm、8mm或10mm。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述水滴滴落初速度为0m/s-50m/s。

优选地，水滴滴落初速度为0m/s、5m/s、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s或50m/s。当水滴滴落初速度为0m/s时水滴做自由落体运动滴落到材料上。

一种基于具有电荷密度梯度的带电路径进行生物液体传输的方法，采用上述的具有电荷密度梯度的带电路径的打印方法，其包括以下步骤：

移取生物液体到已打印的具有电荷密度梯度的带电路径的材料上，并且在表面电荷密度低的一端轻轻释放生物液体，生物液体由表面电荷密度低一端运输到表面电荷密度高的一端。

一种基于表面电荷打印进行静电复印的方法，其特征在于，包括：

(1)微液滴喷头由可程序化控制喷射出水滴撞击具有超疏水表面的材料上，在超疏水表面得到影像图案化的负电图像；

(2)将带正电的上色剂喷涂到具有超疏水表面的材料上，得到显影化的静电图像；

(3)将带正电的复印纸与具有超疏水表面的材料上正面接触，在10℃-80℃温度下加热1s-1min，得到固化的复印图像。

本发明的基于表面电荷打印进行静电复印的方法，基于直接复印的原理，根据图像文字深浅通过微液滴喷头由可程序化控制喷射出水滴撞击具有超疏水表面的材料上，依照图像文字深处表面电荷密度大，图像文字浅处表面电荷密度小，从而在超疏水表面得到影像图案化的负电图像。然后通过带正电的上色剂被静电图像吸引使其显影化，通过复印纸定影得到固化的复印图像。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述水滴直径为1um-500μm。

优选地，水滴直径为1μm、10μm、100μm、200μm、400μm或500μm。

一种基于表面电荷打印进行微纳自组装的方法，其包括以下步骤：

将微液滴喷头由可程序化控制喷射出水滴撞击具有超疏水表面的材料上，在其表面形成自定义图案化的表面电荷微阵列，然后将材料置于含纳米颗粒的悬浮液中，静置5s-10min后取出，在材料表面得到纳米颗粒自组装的微阵列。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述水滴直径为1um-500μm。

优选地，水滴直径为1μm、10μm、100μm、200μm、400μm或500μm。

通过本发明的方法产生的表面电荷，采用离子风对打印的表面电荷进行吹扫5s-15s即可去除。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用水滴撞击具有超疏水表面材料与之接触使其带电，并通过控制水滴滴落高度和平台移动路径，打印出具有电荷密度梯度的带电路径，其操作简便，设备简单且成本低，整个打印过程无需外接电源，不存在安全隐患。

2、本发明打印形成的具有电荷密度梯度的带电路径可以用于生物液体的传输，可实现生物液体快速且无损失的液滴转移，对于高价值的生物样品具有重要意义。

3、本发明的基于表面电荷打印进行静电复印的方法，利用水滴撞击超疏水表面产生表面电荷，其产生表面电荷方法简单便捷、对设备要求低生产成本低，并且其产生的表面电荷通过离子风可轻松去除，具有可擦写性。

4、本发明的基于表面电荷打印进行微纳自组装的方法，利用水滴撞击超疏水表面产生表面电荷，其产生表面电荷方法简单便捷、无需使用高压设备，则并不存在安全隐患。同时产生的表面电荷易于擦写，可多次改变驻极体图案，从而实现材料的重复多次利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为实施例14得到的sio2纳米颗粒自组装的微阵列。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

需要说明的是，本发明中的水滴直径是指从液滴针头或微液滴喷头中出来的水滴的直径。

一、一种基于表面电荷打印制备具有电荷密度梯度的带电路径的方法，其包括以下步骤：

将具有超疏水表面的材料置于倾斜角度为1°-10°的移动平台上，用液滴针头向材料的超疏水表面滴水，水滴滴落方向与材料表面形成的夹角范围为大于0°且小于90°，其中水滴直径为500μm-10mm、水滴滴落初速度为0m/s-50m/s，当滴落初速度为0m/s是水滴以自由落体滴落到材料表面。同时控制液滴针头的滴落高度和平台移动路径，在材料的超疏水表面打印出具有电荷密度梯度路径。液滴针头滴落水滴的起始滴落高度为10mm-50mm，终点滴落高度为80mm-150mm，其中起始滴落高度和终点滴落高度分别指液滴针头在滴落起点和滴落终点时距离材料表面的垂直高度。本发明的材料除超疏水表面外还包括超双疏水表面。

实施例1：

本实施例的基于表面电荷打印制备具有电荷密度梯度的带电路径的方法，其包括以下步骤：

将具有超疏水表面的材料置于倾斜角度为10°的移动平台上，材料在移动平台上以3mm/s速度水平移动，且材料的移动距离为60mm。

用液滴针头向材料的超疏水表面滴水，水滴滴落方向与材料表面形成的夹角为5°，其中水滴直径为500μm、水滴滴落初速度为50m/s。液滴针头滴落水滴的起始滴落高度为50mm，以1mm/s的速度移动液滴针头沿竖直方向移动到达水滴的终点滴落高度80mm，撞击高度差为30mm。在此期间，水滴滴速以2滴/s滴落。

在材料的超疏水表面打印出长度为45mm、宽度为650μm的具有电荷密度梯度的带电路径，该带电路径的表面电位为-2700v至-800v。

实施例2：

本实施例的基于表面电荷打印制备具有电荷密度梯度的带电路径的方法与实施例1相同，区别在于本实施例中水滴滴落方向与材料表面形成的夹角为10°，其中水滴直径为800μm、水滴滴落初速度为40m/s。

在材料的超疏水表面打印出长度为57mm、宽度为900μm的具有电荷密度梯度的带电路径，该带电路径的表面电位为-2850v至-980v。

实施例3：

本实施例的基于表面电荷打印制备具有电荷密度梯度的带电路径的方法与实施例1相同，区别在于本实施例中水滴滴落方向与材料表面形成的夹角为15°，其中水滴直径为1mm、水滴滴落初速度为30m/s。

在材料的超疏水表面打印出长度为47mm、宽度为1.1mm的具有电荷密度梯度的带电路径，该带电路径的表面电位为-3000v至-1000v。

实施例4：

本实施例的基于表面电荷打印制备具有电荷密度梯度的带电路径的方法，其包括以下步骤：

将具有超疏水表面的材料置于倾斜角度为5°的移动平台上，材料在移动平台上以2mm/s速度呈s形移动，且材料的起点与终点的移动直线距离为60mm。

用液滴针头向材料的超疏水表面滴水，水滴滴落方向与材料表面形成的夹角为20°，其中水滴直径为3mm、水滴滴落初速度为30m/s。液滴针头滴落水滴的起始滴落高度为10mm，以1mm/s的速度移动液滴针头沿竖直方向移动到达水滴的终点滴落高度为100mm，撞击高度差为90mm。在此期间，水滴滴速以2滴/s滴落。

在材料的超疏水表面打印出长度为50mm、宽度为3.5mm的s形具有电荷密度梯度的带电路径，该带电路径的表面电位为-2650v至-780v。

实施例5

本实施例的基于表面电荷打印制备具有电荷密度梯度的带电路径的方法与实施例4相同，区别在于本实施例中水滴滴落方向与材料表面形成的夹角为30°，其中水滴直径为5mm、水滴滴落初速度为10m/s。

在材料的超疏水表面打印出长度为45mm、宽度为6.2mm的s形具有电荷密度梯度的带电路径，该带电路径的表面电位为-2750v至-800v。

实施例6

本实施例的基于表面电荷打印制备具有电荷密度梯度的带电路径的方法与实施例4相同，区别在于本实施例中水滴滴落方向与材料表面形成的夹角为45°，其中水滴直径为8mm、水滴滴落初速度为5m/s。

在材料的超疏水表面打印出长度为47mm、宽度为9.2mm的s形具有电荷密度梯度的带电路径，该带电路径的表面电位为-2900v至-850v。

实施例7：

本实施例的基于表面电荷打印制备具有电荷密度梯度的带电路径的方法，其包括以下步骤：

将具有超疏水表面的材料置于倾斜角度为1°的移动平台上，材料在移动平台上按照2mm/s速度以初始水滴滴落位置为圆心做螺旋运动。

用液滴针头向材料的超疏水表面滴水，水滴滴落方向与材料表面形成的夹角为60°，其中水滴直径为10mm、水滴滴落初速度为0m/s，水滴做自由落体运动滴落到材料的超疏水表面。液滴针头滴落水滴的起始滴落高度为30mm，以1mm/s的速度移动液滴针头沿竖直方向移动到达水滴的终点滴落高度为150mm，撞击高度差为120mm。在此期间，水滴滴速以2滴/s滴落。

在材料的超疏水表面打印出直径为47mm的圆形具有电荷密度梯度的带电路径，该带电路径的表面电位为-2450v至-1850v。

实施例8：

本实施例的基于表面电荷打印制备具有电荷密度梯度的带电路径的方法与实施例7相同，区别在于本实施例中水滴滴落方向与材料表面形成的夹角为75°，其中水滴直径为500μm、水滴滴落初速度为40m/s。

在材料的超疏水表面打印出直径为43mm的圆形具有电荷密度梯度的带电路径，该带电路径的表面电位为-2550v至-1950v。

实施例9：

本实施例的基于表面电荷打印制备具有电荷密度梯度的带电路径的方法与实施例7相同，区别在于本实施例中水滴滴落方向与材料表面形成的夹角为85°，其中水滴直径为8mm、水滴滴落速度为10m/s。

在材料的超疏水表面打印出直径为45mm的圆形具有电荷密度梯度的带电路径，该带电路径的表面电位为2670v至-2010v。

二、一种基于表面电荷打印制备具有电荷密度梯度的带电路径进行生物液体传输的方法，采用上述的基于表面电荷打印制备具有电荷密度梯度的带电路径的方法，其包括以下步骤：

移取生物液体到已打印的具有电荷密度梯度的带电路径的材料上，并且在表面电荷密度低的一端轻轻释放生物液体，生物液体由表面电荷密度低一端运输到表面电荷密度高的一端。

实施例10：

本实施例分别采用实施例1、4和7打印出的基于表面电荷打印制备具有电荷密度梯度的带电路径进行生物液体传输，使用移液枪分别取10μl的浓度为0.1mol/lnacl溶液到打印好的路径电荷密度低的一端，轻轻释放生物液体，释放之后的生物液体沿着带电路径向前快速运动并到达带电路径的另一端。

本实施例的生物液体(nacl溶液)在实施例1、4和7上的具有电荷密度梯度路径其运输时间分别为0.05s、0.12s和0.35s。

三、一种基于表面电荷打印进行静电复印的方法，包括以下步骤：

(1)微液滴喷头由可程序化控制喷射出水滴撞击具有超疏水表面的材料上，在超疏水表面得到影像图案化的负电图像；其中，水滴直径为1μm-500μm，且喷射出水滴的初速度为0.1-50m/s；

(2)将带正电的上色剂喷涂到具有超疏水表面的材料上，得到显影化的静电图像；

(3)将带正电的复印纸与具有超疏水表面的材料上接触，在10℃-80℃温度下加热1s-1min，得到固化的复印图像。

实施例11：

本实施例的基于表面电荷打印进行静电复印的方法，包括以下步骤：

(1)微液滴喷头由可程序化控制喷射出水滴撞击具有超疏水表面的材料上，在超疏水表面得到影像图案化的负电图像；其中，微液滴喷头距离材料表面的高度设为5mm，水滴直径为1μm，且喷射出水滴的初速度为50m/s。

(2)将带正电的上色剂喷涂到具有超疏水表面的材料上，得到显影化的静电图像；

(3)将带正电的复印纸与具有超疏水表面的材料上正面接触，在10℃温度下加热1min，得到固化的复印图像。

实施例12：

本实施例的基于表面电荷打印进行静电复印的方法与实施例11相同，区别在于：步骤(1)中，水滴直径为100μm，且喷射出水滴的初速度为1m/s。步骤(3)中在40℃温度下加热25s。

实施例13：

本实施例的基于表面电荷打印进行静电复印的方法与实施例11相同，区别在于：步骤(1)中，水滴直径为500μm，且喷射出水滴的初速度为0.1m/s。步骤(3)中在80℃温度下加热1s。

四、一种基于表面电荷打印进行微纳自组装的方法，其包括以下步骤：

将微液滴喷头由可程序化控制喷射出水滴撞击具有超疏水表面的材料上，在其表面形成自定义图案化的表面电荷微阵列，然后将材料置于含纳米颗粒的悬浮液中，静置5s-10min后取出，在材料表面得到纳米颗粒自组装的微阵列。其中，水滴直径为1μm-500μm，且喷射出水滴的初速度为0.1-50m/s。

实施例14：

本实施例的基于表面电荷打印进行微纳自组装的方法，其包括以下步骤：

将具有超疏水表面的材料置于的移动平台上，由微液滴喷头产生水滴喷射到超疏水表面，微液滴喷头距离材料表面的高度设为5mm，水滴直径为5um、水滴喷射速度为10m/s；由可程序化控制平台移动路径，得到自定义图案化的表面电荷微阵列。表面电荷微阵列为水滴直径为10μm，水滴间隔为100μm的总面积为1cm*1cm的矩阵区域，测得该区域的表面电位为-300v。将该具有表面电荷阵列的超疏水表面置于含sio2纳米颗粒的乙醇悬浮液中，其中sio2纳米颗粒的粒径为500nm，且sio2纳米颗粒在乙醇悬浮液中浓度为5％。待静置5s后取出，得到sio2纳米颗粒自组装的微阵列，如图1所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。