一种进行微纳米图案化的方法和装置

本发明属于微纳尺度图案化，具体涉及一种进行微纳米图案化的方法和装置。

背景技术：

1、在微纳尺度上图案化，对构建纳米结构有非常重要的意义。基于不同外部作用机制(例如，流体剪切、声、电、磁、热和光)的图案化方法，为设计和制备精确尺寸、可调形状和可定制的2d或3d胶体颗粒图案提供了可能，并且取得了显著进展。但是，由于复杂的时间和空间分辨率条件，基于电场、磁场和声场等全局场系统在构建纳米结构中仍然受到限制。对于利用直接或间接的外部作用与胶体物质相互作用的图案化方法，对胶体颗粒的捕获或递送受电场、磁场和声场等全局场作用的影响，图案化原材料的几何形状有限，无法实现精确控制每个胶体颗粒的图案化操作。

2、为了克服这些障碍，科研人员已经开发了许多定制图案化方法，比如光学力、光电、光化学、光热机械、气泡和光热泳等，可以在各种时间和空间分辨率下进行定制光学图案操作。

3、在上述技术中，光学力方法采用双激光器，运用两个不同波长的激光，实现颗粒的方向控制操作，与颗粒的表面等离子体不共振的激光器用于捕获和对准颗粒，而另一个共振的激光器用于快速沉积排列的颗粒。光学力利用光对胶体颗粒施加光学力，将胶体颗粒移动到目标位置，通过各种机制将胶体颗粒固定在基板上。该技术已被广泛用于捕获和操纵生物样品，例如病毒、细菌以及动物细胞。

4、然而，光学力方法图案化胶体颗粒的光力方向会产生角度偏差，从而导致胶体颗粒产生位置误差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种进行微纳米图案化的方法和装置，本发明提供的进行微纳米图案化的方法精确度高。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供了一种进行微纳米图案化的方法，包括以下步骤：

4、(1)在双层中空玻璃基板的内表面平铺水凝胶溶液后预聚，得到修饰双层中空玻璃基板；所述水凝胶溶液为光热和ph响应型水凝胶；

5、(2)向所述修饰双层中空玻璃基板的中空内加入待图案化液滴，所述待图案化液滴形成待图案化液柱；所述待图案化液滴包括待图案化颗粒和溶剂；

6、(3)采用光镊的激光对所述待图案化液柱进行图案化处理并使所述预聚的水凝胶溶液进行聚合反应，所述激光照射的次数以微纳米图案的维度为准；所述激光的波长为1064nm，功率不大于250mw。

7、优选的，所述光热和ph响应型水凝胶为聚甲基丙烯酸羟乙基酯水凝胶；

8、所述聚甲基丙烯酸羟乙基酯水凝胶的制备方法为：将单体、交联剂和良溶剂混合后聚合反应；

9、所述单体包括甲基丙烯酸羟乙酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯和甲基丙烯酸；所述交联剂为2,2-二羟甲基丙酸；所述良溶剂包括水和异丙醇。

10、优选的，所述单体和交联剂的质量比为250～300:1；

11、所述单体和良溶剂的质量比为120～170:50。

12、优选的，所述甲基丙烯酸羟乙酯和乙二醇二甲基丙烯酸酯的摩尔比为150～200:5；

13、所述甲基丙烯酸羟乙酯和甲基丙烯酸的摩尔比为30～80:4。

14、优选的，所述预聚形成的水凝胶膜的厚度<1mm。

15、优选的，所述待图案化颗粒包括胶体颗粒、细菌和生物成分中的一种或几种。

16、优选的，所述胶体颗粒为单分散颗粒，粒径为1μm或2μm；

17、所述胶体颗粒包括聚苯乙烯颗粒和荧光聚苯乙烯微球中的一种或几种；

18、所述细菌包括金黄色葡萄球菌和大肠杆菌中的一种或几种；

19、所述生物成分包括细胞。

20、优选的，所述待图案化液滴的质量浓度优选为10-6～10-4g/ml。

21、本发明还提供了一种进行微纳米图案化的装置，包括双层中空玻璃基板01和光镊系统02；

22、所述双层中空玻璃基板01包括2层亲水性玻璃基板0101和纳米魔力双面胶带0102；

23、所述光镊系统02包括光学镊子0201、声光偏转器系统0202和cmos图像传感器0203。

24、优选的，所述亲水性玻璃基板的长度为40～60mm，宽度为22～26mm，厚度为2～4μm，中空厚度为0.5～1.5mm；

25、所述纳米魔力双面胶带的长度为3～5m，宽度为2～3cm，厚度为0.8～1.2mm。

26、本发明提供了一种进行微纳米图案化的方法。本发明提供的方法是运用光、热与化学结合，来实现高精准度图案化。本发明在双层中空玻璃基板上平铺水凝胶溶液，修饰双层中空玻璃基板的内表面，水凝胶预聚后加入待图案化液滴，待图案化液滴在界面张力作用下形成待图案化液柱，然后利用激光照射到待图案化液柱中(不同于现有光学力在空气中，本发明光学力在液体中)，从而会产生稳定的流场(待图案化颗粒溶液流动)、温度场及光力场；通过光热产生的对流和光力共同作用，将待图案化液滴中的待图案化颗粒(比如胶体颗粒和细菌)，捕获至修饰双层中空玻璃基板的内表面的预定位置(根据目标图案确定待图案化颗粒的预定位置)，同时光热效应促进了待图案化颗粒周围的水凝胶聚合，进而将待图案化颗粒固定在修饰双层中空玻璃基板的内表面上。本发明通过光热产生的对流和光力共同作用，避免了光力方向产生角度偏差导致的图案位置误差。

27、本发明通过对激光的控制实现图案化：本发明将激光照射到待图案化液柱中，激光波长与液柱的吸收相匹配，它可以在各种时间和空间分辨率下进行定制，并且可以在外部热场和磁场存在下工作，从而能够以精确和快速的方式实现胶体颗粒图案化，尤其是4d图案化。

28、相比于光学力技术，本发明提供的方法精准快速，分辨率高，不受磁、热和电等作用的影响，操作简单，适用性强，可用于制造不同形状、尺寸和任意颗粒原材料的图案；本发明提供的方法功耗低，不会破坏脆弱的待图案化颗粒，比如纳米颗粒、生物成分和细胞等；在空间分布上，本发明提供的方法可以用于一维线性结构、二维晶格结构、三维立体结构以及随环境响应和时间变化的四维结构的图案。

29、本发明提供的进行微纳米图案化的方法基于光控像素直写(像素是指待图案化颗粒，如胶体颗粒和细菌)在微纳尺度上图案化，图案精确度高，图案化效率高，并且适用性强，可用于制造不同形状、尺寸和任意颗粒原材料的图案。

30、本发明还提供了一种进行微纳米图案化的装置，包括双层中空玻璃基板01和光镊系统02；所述双层中空玻璃基板01包括2层亲水性玻璃基板0101和纳米魔力双面胶带0102。本发明提供的装置操作精确度高，结构简单，成本低，适合工业化生产。

技术特征：

1.一种进行微纳米图案化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光热和ph响应型水凝胶为聚甲基丙烯酸羟乙基酯水凝胶；

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述单体和交联剂的质量比为250～300:1；

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述甲基丙烯酸羟乙酯和乙二醇二甲基丙烯酸酯的摩尔比为150～200:5；

5.根据权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于，所述预聚形成的水凝胶膜的厚度<1mm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待图案化颗粒包括胶体颗粒、细菌和生物成分中的一种或几种。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述胶体颗粒为单分散颗粒，粒径为1μm或2μm；

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待图案化液滴的质量浓度优选为10-6～10-4g/ml。

9.一种进行微纳米图案化的装置，其特征在于，包括双层中空玻璃基板(01)和光镊系统(02)；

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述亲水性玻璃基板的长度为40～60mm，宽度为22～26mm，厚度为2～4μm，中空厚度为0.5～1.5mm；

技术总结本发明属于微纳尺度图案化技术领域，具体涉及一种进行微纳米图案化的方法和装置。本发明在双层中空玻璃基板上平铺水凝胶溶液，水凝胶预聚后加入待图案化液滴，该液体在界面张力作用下形成待图案化液柱，然后将激光照射到待图案化液柱中，激光波长与液柱的吸收相匹配，产生稳定的流场、温度场及光力场。本发明通过光热产生的对流和光力共同作用，将待图案化颗粒捕获至修饰双层中空玻璃基板内表面预定位置，避免了光力方向产生角度偏差导致的图案位置误差，光热效应还促进了待图案化颗粒周围的水凝胶聚合，进而将待图案化颗粒固定。本发明可以在各种时间和空间分辨率下进行定制，精确快速实现胶体颗粒图案化。技术研发人员：辛洪宝,史阳,黄晶萍,李宝军,刘炼柔,李醒,徐欣欣受保护的技术使用者：暨南大学技术研发日：技术公布日：2024/3/21