一种微纳毛细管等内径刻蚀制备不同形貌尖端的方法及系统

摘要

一种微纳毛细管等内径刻蚀制备不同形貌尖端的方法及系统，属于微加工领域。氢氟酸刻蚀舱、水浴加热套管、循环水浴泵、导管、管内气压控制装置。本发明的刻蚀方法包括：双套管刻蚀，单套管刻蚀，裸管刻蚀和液面刻蚀四种。本发明可制备，锥形长度为1～10mm，锥尖外径1～500μm，内径为0.1～450μm的等内径毛细管尖端，精确取液的下限体积为飞升级。在等内径下，取样体积与液段长度线性相关，大大简化了体积计算和取样压力控制过程，实现了取样体积可视化，提高了取液精度。本法所得毛细管尖端具有多种用途如：用于动植物细胞活体取样，作为质谱进样针使用等。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微纳毛细管等内径刻蚀制备不同形貌尖端的方法及系统，属于微 加工领域。

背景技术

分析系统的微型化，分析样品的微量化是分析化学的发展趋势。其中如何实现纳 升级、皮升级甚至飞升样品的精确移取，成为现代分析化学尤其是为微纳流控分析、生物分 析领域亟待解决的问题。

针对上述问题，现存解决方式多为：以一端带有锥形尖端的毛细管作移液管，另一 端连接微量注射器或电渗泵作为压力推进装置，以此实现微量体积液体的可控移取。对于 毛细管锥形尖端的制备现存主流方法为加热拉制法，即以激光、高温电弧等加热源局部加 热石英毛细管使之软化，同时在毛细管两端施以拉力使毛细管内外径同时自然收缩变细直 至断裂制得。该法已经实现机械自动化操作，虽然制备快速、尖端形貌可控，但该法致命的 缺点在于：所得毛细管尖端内外径均为锥形，且受机器所限，锥形内径形态不可避免的存在 个体差异。这样便使得取液体积的精确计算和取液时的压力控制变得非常困难。

参考ChemicalScience,2015,6,3334，锥形内外径尖端取液体积及所需压力计算 如下：

体积V计算公式：

$V=\frac{{\mathrm{\pi R}}_O^3}{3tan\left(\frac{\theta }{2}\right)}[1+\frac{L}{R_O}tan{\left(\frac{\theta }{2}\right)}^3-1]$

R_O是尖端端口外径，θ是尖端锥角度数，L是取样液体段长度。

尖端单位时间取液量W与进样压差△P的关系计算：

$W=\frac{{\mathrm{\pi \Delta P}}_{\rho }{R}_O^4}{8\mu L}\frac{3{\lambda }^3}{1+\lambda +{\lambda }^3},\lambda =\frac{R_L}{R_O}$

R_L是所取液段广口端面半径，ρ是液体密度，μ是液体粘度。

采用微纳毛细管等内径刻蚀制备不同形貌尖端的方法及系统在改变内径的情况 下，同样可以快速可控地获得尖端外径为微米级甚至纳米级尺寸的毛细管锥形尖端。而且 从根本上避免了复杂的体积计算和压力控制过程，几乎无差别的内径以及在等内径下简单 的压力传递规律也保证了取样的准确度和重复性。

发明内容

本发明提供一种微纳毛细管等内径刻蚀制备不同形貌尖端的方法及系统，能够利 用氢氟酸将弹性石英毛细管可控刻蚀获得多种形貌的等内径尖端。

为了实现以上发明目的，本发明采用的技术方案如下。

一种微纳毛细管等内径刻蚀制备不同形貌尖端的系统，其特征在于：包括氢氟酸 刻蚀舱(1)、水浴加热套管(2)、循环水浴泵(3)、导管(4)、管内气压控制装置(5)；水浴加热 套管(2)通过导管(4)与控制温度的循环水浴泵(3)连接，构成循环加热系统；氢氟酸刻蚀舱 (1)穿过水浴加热套管(2)预设的加热管道，氢氟酸刻蚀舱(1)的两端分别与管内气压控制 装置(5)连接；

氢氟酸刻蚀舱包括一耐酸塑料管(11)、一带外皮的石英毛细管(7)、Peek管A(9)、 Peek管B(15)、离心管水封头A(8)、离心管水封头B(16)、橡胶塞A(10)、橡胶塞B(14)、毛细管 去皮段(12)、氢氟酸液(3)；一耐酸塑料管(11)内封装氢氟酸液(3)，耐酸塑料管(11)的两端 采用橡胶塞A和橡胶塞B封口，Peek管A(9)和Peek管B(15)分别经由耐酸塑料管(11)的两端 的橡胶塞A和橡胶塞B支撑固定，且可沿耐酸塑料管(11)的轴线向耐酸塑料管(11)内外移 动，带外皮的石英毛细管(7)在Peek管A(9)和Peek管B(15)内沿轴向贯穿Peek管A(9)和Peek 管B(15)；离心管水封头A(8)和离心管水封头B(16)分别将耐酸塑料管(11)外的Peek管A(9) 端口和Peek管B(15)端口与带外皮的石英毛细管(7)的表面密封在一起；带外皮的石英毛细 管(7)的两端分别超出两个离心管水封头，带外皮的石英毛细管(7)的两端分别与管内气压 控制装置(5)连通；在耐酸塑料管(11)内部Peek管A(9)和Peek管B(15)之间留有距离可调， 在此距离间，石英毛细管的外皮预先去掉构成毛细管去皮段。

水浴加热套管(2)设有多个加热管道，水浴加热套管(2)设有多个氢氟酸刻蚀舱 (1)。

水浴加热套管(2)和耐酸塑料管均为透明的，在水浴加热套管(2)外设有显微操作 平台(6)实现刻蚀可视化。

采用上述系统进行微纳毛细管等内径刻蚀的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)刻蚀前系统的组装，将耐酸塑料管(11)、Peek管A(9)、Peek管B(15)、橡胶塞A (10)、橡胶塞B(14)按位置装配好；

(2)带外皮石英毛细管(7)的预处理，取一根带外皮石英毛细管(7)，在毛细管合适 位置，根据需要获得毛细管尖端的长度去除毛细管外皮即得毛细管去皮段(12)；

(3)将氢氟酸液(13)从Peek管A(9)或Peek管B(15)导入耐酸塑料管(11)中，然后将 离心管水封头A(8)和离心管水封头B(16)分别封套在Peek管A(9)管口和Peek管B(15)管口；

(4)将Peek管A(9)和Peek管B(15)沿轴向移动对接在一起；将步骤(2)所得带外皮 石英毛细管(7)一端接通管内气压控制装置(5)并通气，另一端依次穿过离心管水封头A、 Peek管A、氢氟酸液、peek管B、离心管水封头B，最后接回气压装置；

(5)然后移动调节Peek管A(9)或/和Peek管B(15)，使得暴漏的毛细管去皮段(12) 进行刻蚀；将刻蚀完之后的石英毛细管分别从离心管水封头A(8)和离心管水封头B(16)的 两边取出；

(6)重复步骤(4)和步骤(5)，进行循环刻蚀。

氢氟酸刻蚀舱由两个插有peek管(9,15)的橡胶塞(10,14)分别封堵在一根透明塑 料管(11)两端构成，peek管可在橡胶塞中移动，通过peek管(9)或peek管(15)向刻蚀舱内注 入适当量的氢氟酸(13)，peek管外端增设离心管水封头(8,16)用以防止氢氟酸的溢出挥 发；

将氢氟酸刻蚀舱(1)插入水浴加热套管(2)，套管两端接通控温循环水浴泵(3)，氢 氟酸刻蚀舱(1)和水浴加热套管(2)均为无色透明；

取一根弹性石英毛细管(7)，在毛细管合适位置，根据想要获得毛细管尖端的长度 去除相应长度的毛细管外皮即得毛细管去皮段(12)；

将插入了氢氟酸刻蚀舱(1)的水浴加热套管(2)转移至显微操作平台(6)上，在显 微镜下调整两peek管(9,15)至合适间距，将毛细管去皮段(12)调整至相对于两peek管(9, 15)间距处合适位置；

使两根peek管(9,15)内均嵌套毛细管去皮段(12)的，为双套管刻蚀；

使仅有一根peek管(9或15)内嵌套毛细管去皮段(12)的，为单套管刻蚀；

使两根peek(9,15)内均未嵌套毛细管去皮段(12)的，为裸管刻蚀；

上述两根peek管(9,15)与去皮段(12)的不同位置关系，再结合两peek管(9,15)的 不同间距，均可调节不同形貌毛细管尖端刻蚀；

也可在利用液面张力作用在刻蚀舱内使氢氟酸液(13)两端中存在空气，将毛细管 去皮段(12)一部分没入氢氟酸中另一部分在酸液外的空气中，如此刻蚀为液面刻蚀；

调节循环水浴泵(3)至合适水浴温度，调节管内气压控制装置(5)至合适管内气 压，显微镜下观察毛细管去皮段(12)直至被刻蚀断裂，观察两尖端形态，继续将两尖端留在 氢氟酸(13)中少许时间，用以进一步修饰尖端至较佳状态，迅速拔出两个尖端转移至弱碱 性水溶液中充分清洗；

刻蚀后所得毛细管尖端晾干后外加硬质套管保护存放。

显然，一个毛细管刻蚀舱一次刻蚀过程可同时得到两个相同锥尖尺寸的毛细管尖 端。

因为控温水浴加热套管(2)存在多个加热通道，可同时给多个毛细管刻蚀舱提供 恒温水域环境，因此可按一定的时间间隔另一端依次套入多个刻蚀舱，在一段时间内同时 刻蚀多跟毛细管。

所述peek管(9,15)规格可根据被刻蚀毛细管外径尺寸合理选用。

本发明的刻蚀方法可实现：双套管刻蚀，单套管刻蚀，裸管刻蚀和液面刻蚀四种。 本发明可制备：锥形长度为1～10mm，锥尖外径1～500μm，内径为0.1～450μm的等内径毛细 管尖端，精确取液的下限体积为飞升级。在等内径下，取样体积与液段长度线性相关，大大 简化了体积计算和取样压力控制过程，实现了取样体积可视化，提高了取液精度。本法所得 毛细管尖端具有多种用途如：用于动植物细胞活体取样，作为质谱进样针使用等。

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：

(1)能够可控制备多种形貌的等内径毛细管尖端。

(2)极大的简化了取样体积的计算过程，实现了取样体积可视化控制。使用等内径 尖端取样时，取样体积V与进入毛细管内径的液段长度L满足公式：

$V=\frac{{\mathrm{\pi R}}^{2}L}{4}$

其中，R为毛细管直径。可见在显微镜下只需测量液段长度便可轻易算得取样体 积。实现了取样体积的可视化。

(3)取样压力更易控制，更利于准确取样。等内经下压力递变规律远比锥形内径简 单，更利于取样时的压力控制，从而更准确的控制取样量。

(4)本方法所制尖端具有多种用途，比如：可实现微米级单细胞活体取样；将毛细 管制成色谱柱可实现原位取样、在线色谱分离双重功能，从根本上避免微量样品的损耗和 稀释问题；也可作为质谱进样针使用。

附图说明

图1是本发明一种微纳毛细管等内径刻蚀制备不同形貌尖端的方法及系统的刻蚀 系统示意图；

图2是本发明具体实施方式中的氢氟酸刻蚀舱(1)结构透视图；

图3是本发明具体实施方式中的控温水浴加热套管(2)结构透视图；

图4是本发明具体实施方式中的900nm内径毛细管横切面扫描电镜图；

图5是本发明具体实施方式中用双套管刻蚀法所得毛细管尖端5倍显微图；

图6是本发明具体实施方式中用单套管刻蚀法所得毛细管尖端20倍显微图；

图7是本发明具体实施方式中用裸管刻蚀法所得毛细管尖端10倍显微图；

图8是本发明具体实施方式中用液面刻蚀法所得毛细管尖端20倍显微图；

图9是本发明具体实施方式中所得900nm等内径尖端100倍显微图；

图10是本发明具体实施方式中的尖端细胞取样图；

1氢氟酸刻蚀舱，2水浴加热套管，3循环水浴泵，4橡胶导管，5管内气压控制装置，6 显微操作平台，7带外皮的石英毛细管，8、16离心管水封头，9、15Peek管,10、14橡胶塞，11 耐酸塑料管，12毛细管去皮段，13氢氟酸液。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它 实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明实施例提供一种微纳毛细管等内径刻蚀制备不同形貌尖端的方法及系统， 现以150μm外径，0.9μm内径微纳毛细管尖端刻蚀及洋葱细胞活体取样为例对本发明进行详 细描述，具体实施步骤如下：

毛细管尖端刻蚀

S1.一套自组建的毛细管刻蚀系统包括一个氢氟酸刻蚀舱1、一套控温水浴加热装 置2、一个管内气压控制装置5、一个显微操作平台6；(如图1所示)

S2.通过peek管9向刻蚀舱内注入适当量的氢氟酸13，peek管9和peek管15外端分 别增设离心管水封头8和16，用以防止氢氟酸的溢出挥发；(如图2所示)

S3.将氢氟酸刻蚀舱1插入直径相近的一个水浴加热套管2的加热通道内，套管两 端接通控温循环水浴泵3，排除加热套馆内的空气；(如图3所示)

S4.取60cm150μm外径，0.9μm内径毛细管7，在其中间位置，去除3mm宽度的毛细管 外皮，得到刻蚀窗口12；(如图2所示)

S5.毛细管7一端接通气压装置5后，另一端依次穿过离心管水封头8、Peek管9、氢 氟酸液13、peek管15、离心管水封头16，最后引回气压装置5；

S6.然后将插有刻蚀舱1的恒温水浴加热套管2转移至显微操作平台6上，在显微镜 下调整peek管9和peek管15之间，peek管9、peek管15与毛细管去皮段12之间以及毛细管去 皮段12与氢氟酸液段13之间的相对位置关系，按照各细分刻蚀方法，具体操作如下：

(A)双套管刻蚀：peek管9和peek管15端口相距1mm，且均嵌套进毛细管去皮段12， 两peek管间隙处位于去皮段外围偏右一点，可以分别获得修长形(左边)短促形(右边)两种 尖端；(刻蚀结果见图5)

(B)单套管刻蚀：仅有peek9内嵌套毛细管去皮段12约2mm，peek管15端口远离去皮 段至少1cm，可获得先快速收缩而后缓慢变细的尖端；(刻蚀结果见图6)

(C)裸管刻蚀：peek管9和peek管15端口均远离毛细管去皮段12至少1cm，可获得先 快速收缩而后保持相当长一段极细等外径的尖端；(刻蚀结果见图7)

(D)液面刻蚀：利用液面张力作用在刻蚀舱1内制造出氢氟酸与空气的气液两相界 面，将毛细管去皮段12没入氢氟酸液中1mm另外2mm在空气中，可获得先收缩后等外径再收 缩的二次锥形尖端。(刻蚀结果见图8)

S7.调节循环水浴泵3至水浴温度30℃，调节管内气压控制装置5使输出气压为 300psi，显微镜下观察毛细管去皮段12被刻蚀情况，刻蚀速度大约为3μm/min；

S8.38～53min毛细管去皮段12被刻蚀断裂，借助尖端所排出气泡形态判断尖端 端口形态，继续将尖端留在氢氟酸中大于15s用以进一步修饰尖端至较佳状态，迅速拔出两 个尖端转移至弱碱性水溶液中充分清洗；

S13.将所得毛细管尖端晾干后外加硬质套管保护存放。

按照实施例的任一方法制备得到的尖端用于洋葱细胞活体取样

S1.取新鲜洋葱，揭取下表皮单层细胞平展在载玻片上；

S2.将尖端毛细管另一端接通电渗泵；

S3.显微镜下操作尖端刺入洋葱细胞进行取样。(参见图10)

需要说明的是，上述方法和系统内的各单元之间的相互配合、执行过程等内容，由 于与本发明方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处 不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的4个细分方法中的全部或部分装置组 件是重复使用，大大节约了实验时长。

以上对本发明实施例所提供的一种微纳毛细管等内径刻蚀制备不同形貌尖端的 方法及系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的实施方式及所得产品的 应用进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时， 对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改 变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。