专利名称：一种二维纳米阵列管道制备方法
技术领域：
本发明涉及纳流控芯片制造技术，特别是超长阵列纳米管道非光刻的制备与复 制方法
背景技术：
纳流控是在21世纪初才兴起的一种基于纳米结构特殊性，通过对超微量溶液在 纳米结构中的控制而实现一系列功能性操作的研究领域，是一个技术密集和学科交叉型 的研究方向。它通过对超微量的液体的控制，可以实现高通量，超快速的物质筛选，分 离，富集，构型调控以及识别等操作，甚至可能拥有反馈识别功能。在精确尺度生物 仿生，药物筛选控制释放，实时在线生命监测系统，微电子等领域都具有广泛的发展前 景。纳米管道是指深度或宽度在100纳米以下的管道，它是纳流控技术中加工技术 的核心对象之一，也是开展系统纳流控研究的先决条件。不同于纳米孔结构，纳米管道 具有尺寸可控，位置可控，数目可控的特点。并且由于其远长于纳米孔，可以用于集成 纳流控体系的开发。但是长期以来缺乏简单易行、廉价广谱的纳米管道制备方法。传统 的光刻方法受到昂贵设备，专业知识和技能的限制，只能在极少数实验室开展，且其在 超长管道的制备上受局限。而文献报道的其它替代方法也往往不能满足定量化单管道操 控或者高重复性和可控性的要求。因此，一种高度可控的非光刻的纳米管道制备方法就 具有特别重要的意义。以往的工作中的较为规整又具有单管道可控性的纳米管道主要基于高分子材料 力学不稳定性，通过在力学异质界面上施加单向的作用力来使异质界面产生裂纹或者褶 皱。但是基于机械拉伸的方法虽然能够获得阵列纳米管道，但是管道分布或者尺寸一 致性不理想，而且所需的机械拉伸装置也需要精确控制，重复性难以保证，不利于定量 化，商品化。因此亟需一种更加便捷可控的方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种廉价易行的制备、复制纳管道及其阵列的方法。本发明的技术方案如下一种二维纳米阵列管道的制备方法，它包括下列步骤步骤1.将加热台温度设置到一定值(80°C 100°C )，等待升温到预设，将室温 调节到一定值(15°C 25°C)；步骤2.在聚苯乙烯petri-dish培养皿中加入一定量乙醇(0.1 5mL)，并放到加 热台上，开始计时；步骤3.在一定时间后(乙醇完全挥发完，并且培养皿上表面出现阵列纳米管 道，一般为1 72小时)，将培养皿从加热台取下，显微镜表征管道分布情况；步骤4.将聚丙烯酰胺液态塑料反应原液A和原液B两组份按1 1质量混合均勻，浇附在长有纳米阵列管道的聚苯乙烯培养皿上盖中，并且用真空泵抽真空除气泡， 使混合物固化40分钟(抽真空的时间需计算在内)；步骤5.将固化的塑料从聚苯乙烯盖子中剥离，然后在60 80°C烘箱中继续加热 固化一小时，制得塑料模具；步骤6.将聚二甲基硅氧烷(PDMS)前体和固化剂按(5 10) 1质量混合均 勻，浇附在塑料模具上，并用真空泵抽真空除气泡，然后将浇有PDMS混合液的模具放 在烘箱里60 100°C加热0.2 1小时，使PDMS固化；步骤7.将固化的PDMS从塑料模具中揭下，显微镜，扫描电镜，原子力显微镜 表征复制情况。使用这种PDMS纳米阵列膜前需要用等离子体处理以增加表面亲水性和机械强度。
本发明中制备的纳米管道具有16 220nm深度可控性(见图3结果)，长度可 以延伸至培养皿盖的尺度，具有相似间距的阵列性(可以达到8根管道间距>99%的一致 性)(见图2A，4B、4C)，间距在100 200um(见图2A，4B，4C)，能够满足与微结构 一一相连，适用于具有单管道分辨率的多通道纳流体器件的制备和集成。更加细致的表征说明管道具有三角形截面(见图2B，2C)，相比传统加工中的矩 形截面具有更好的力学稳定性，因此可以用来在弹性塑料表面复制纳米阵列管道，在一 定深宽比范围内获得的管道不会像四面体截面结构那样发生顶端坍塌。因此可以用于复 制。本发明成功引进了一种复制聚苯乙烯表面纳结构的方法，并用于复制聚二甲基硅氧 烷纳米阵列管道制品(见图4)。监控纳米管道生长过程表明纳米管道起源于乙醇溶胀层在乙醇重新挥发后的表 面裂纹(见图5)。这种裂纹由于受表面张力作用，会从起始点迅速延伸，从而形成长达 厘米级的纳米管道。对实验的条件进行详细的考察发现，乙醇的用量直接控制着裂纹的 最大深度，在一定范围内呈线性关系(见图3)，成为本发明控制纳米管道深度的依据。 通过力学分析可以看出，这种裂纹的产生在两条裂纹的中间具有最大几率，因此总体而 言产生了均勻间距的管道阵列(见图6)。本发明的具体效果(意义)如下本发明利用乙醇在聚苯乙烯表面形成纳米级溶胀层的收缩开裂制得了具有优良 结构特点的纳米管道阵列。其中溶胀层厚度给予纳米管道深度可控性，聚苯乙烯高分子 的同轴性给予了纳米管道的单向性，而溶胀后收缩过程的力学分布给予了纳米管道等间 距的性质。这种优良的几何结构在非光刻方法中几乎可以和光学衍射方法相媲美，而又 克服了光学衍射图案排列密集，难以单个研究的缺点。相对于其它非光刻方法也具有一 定优势。在制备过程上，本发明有效避免了对昂贵精密制作设备的要求，对人工操作的 要求降到了最低限度，节约了人力物力财力。同时本方法使用的材料和试剂具有绿色环 保，生物相容，廉价易得的特点，能够用于包括生命医学在内的诸多领域。通过对这种 纳米结构复制成模，我们还实现了对同一结构的批量廉价的制备。
图1.纳米阵列管道制备装置示意图。
图2.为制得的纳米阵列管道几何表征结果。A为光学显微镜表征，说明管道具 有阵列性质。B为原子力显微镜对单根管道拍摄的三维图像，说明管道具有三角形，且 形状比较均勻。C为原子力显微镜对单根管道截面的图像，说明管道在此条件下具有100 纳米左右的深度和数百纳米的顶宽。图3.管道最大尺寸随乙醇用量的关系。A为宽度随乙醇用量的变化，显示乙醇 用量越多宽度越大，且呈现加速增大的趋势。B为深度随乙醇用量的变化，显示乙醇用 量与最大深度间的关系近似线性，范围在16纳米到220纳米间，尺度范围跨度大，满足 纳米管道各种尺度要求。图4.复制到PDMS上的纳米阵列结构。A为扫描电子显微镜对单根纳米管道的 扫描图，显示复制得到的PDMS管道继承了聚苯乙烯原始纳米管道的三角形截面结构， 管道比较均一。B为光学显微镜获得的PDMS管道的总体图像，通过C中对透射光强度 的分析可以看出阵列纳米管到具有非常出色的均勻性，说明复制是成功的。另外通过透 射光强度分析得到管道间距一致性R > 99%。
具体实施例方式下面结合附图和实例对本 发明作进一步说明。实验过程中使用分析纯乙醇(95%)，聚苯乙烯培养皿，精度为0.5°C的加热控制台。实施例1.在聚苯乙烯表面制备纳米阵列管道步骤1.将加热台温度设置到80°C，等待升温到预设，将室温调节到一定值 25 0C ；步骤2.在聚苯乙烯培养皿中加入一定量乙醇，分别为lmL、2mL、3mL、4mL、 5mL,并放到加热台上，开始计时；步骤3.在24小时后，将培养皿从加热台取下，显微镜表征管道分布情况，AFM 表针管道几何性质(见图1、图2和图3)。实施例2.PDMS纳米阵列管道膜的制备步骤1.将聚丙烯酰胺液态塑料原液A和原液B两组份按1 1质量混合均勻， 浇附在长有纳米阵列管道的聚苯乙烯培养皿上盖中，并且用真空泵抽真空除气泡，使混 合物固化40分钟(抽真空的时间需计算在内)；步骤2.将固化的塑料从聚苯乙烯盖子中剥离，然后在60°C烘箱中继续加热固化 一小时，制得塑料模具。步骤3.将聚二甲基硅氧烷(PDMS)前体和固化剂按10 1质量混合均勻，浇附 在塑料模具上，并用真空泵抽真空除气泡。然后将浇有PDMS混合液的模具放在烘箱里 80°C加热1小时，使PDMS固化。步骤4.将固化的PDMS从塑料模具中揭下，显微镜，扫描电镜，原子力显微镜 表征复制情况(见图4)。使用这种PDMS纳米阵列膜前需要用等离子体处理以增加表面 亲水性和机械强度。
权利要求
1. 一种二维纳米阵列管道的制备方法，其特征是它包括下列步骤 步骤1.将加热台温度设置到80°c 100°C，等待升温到预设，将室温调节到15°c 25 0C ；步骤2.在聚苯乙烯培养皿中加入乙醇0.1 5mL，并放到加热台上，开始计时； 步骤3.在1 72小时后，乙醇完全挥发完，并且培养皿上表面出现阵列纳米管道， 将培养皿从加热台取下，显微镜表征管道分布情况；步骤4.将聚丙烯酰胺液态塑料反应原液A和原液B两组份按1 1质量混合均勻， 浇附在长有纳米阵列管道的聚苯乙烯培养皿上盖中，并且用真空泵抽真空除气泡，使混 合物固化40分钟；步骤5.将固化的塑料从聚苯乙烯盖子中剥离，然后在60 80°C烘箱中继续加热固化 一小时，制得塑料模具；步骤6.将聚二甲基硅氧烷前体和固化剂按5 10 1质量混合均勻，浇附在塑料模 具上，并用真空泵抽真空除气泡，然后将浇有聚二甲基硅氧烷混合液的模具放在烘箱里 60 100°C加热0.2 1小时，使聚二甲基硅氧烷固化；步骤7.将固化的二甲基硅氧烷从塑料模具中揭下，显微镜，扫描电镜，原子力显微 镜表征复制情况。
全文摘要
一种二维纳米阵列管道的制备方法，它是在聚苯乙烯培养皿中加入一定量乙醇，并放到加热台上，在一定时间后，乙醇完全挥发完，并且培养皿上表面出现阵列纳米管道，将聚丙烯酰胺液态塑料反应原液A和原液B两组份按1∶1质量混合均匀，浇附在长有纳米阵列管道的聚苯乙烯培养皿上盖中，并且用真空泵抽真空除气泡，使混合物固化40分钟，将固化的塑料从聚苯乙烯盖子中剥离，然后在60～80℃烘箱中加热固化，制得塑料模具，将聚二甲基硅氧烷前体和固化剂混合均匀，浇附在塑料模具上，并抽真空除气泡，然后将浇有PDMS混合液的模具放在烘箱里加热，使PDMS固化；将固化的PDMS从塑料模具中揭下，显微镜，扫描电镜，原子力显微镜表征复制情况。
文档编号C08L83/04GK102010597SQ20101029649
公开日2011年4月13日 申请日期2010年9月26日 优先权日2010年9月26日
发明者徐碧漪, 徐静娟, 陈洪渊 申请人:南京大学