基于声表面行波的纳米粒子可控合成反应加速装置及方法

本发明涉及一种纳米粒子可控合成反应加速技术，尤其是涉及了一种基于声表面行波的纳米粒子可控合成反应加速装置及方法。

背景技术：

尺寸在纳米级别的粒状材料因其独有的特点而表现出了不同于宏观块状材料的力学、电子学、光学等性质，因而成为近年来在物理、化学、材料等研究和应用领域的热点之一，其中金属纳米粒子如金纳米粒子等更因其独特的表面效应、量子隧道效应、小尺寸效应、生物亲和性等特性使其在制药、医疗、农业、催化和微电子等诸多领域都有着广泛的应用前景。例如金纳米粒子因其具有独特的表面等离子共振特性而产生了特殊的光电性质，其在传感器的应用上表现出巨大的潜力；将阿霉素附着在金纳米粒子表面通过一个酸敏性载体用以将阿霉素输送到肿瘤细胞体内，在输送的过程中金纳米粒子表现出良好的药物输送性能；且金纳米粒子在将有毒污染物硝基酚降解为氨基酸的过程中表现出了优秀的催化性能。

纳米粒子的合成目前已有许多种较为成熟完善的方法，近几年来国内外也出现了许多新型金纳米粒子的合成方法比如胰岛素还原法、植物水提物还原法、微波辅助加热法和水热反应法等。在众多金纳米粒子的制备方法中，液相还原法因操作简便、反应时间短、设备简单而被众多科研工作者所使用，而在液相还原法的众多方法里又属氯金酸柠檬酸钠水相还原法最为经典成熟。

微流体反应器是一种操控微流体在微流道内运动状态的系统，是利用微机械加工技术制作的一种新型微化学反应器，因其具有制剂用量小、安全性高、绿色环保、反应用时短等优点在科学实验研究、生物医药及化学化工等领域得到了广泛的应用。迄今为止主要有主动式及被动式两大类的微流体反应器，主动式的外部作用主要有微搅拌、磁场及声表面波等，被动式的结构主要有旋转式、直通道式、分流式等。国内外所设计的微反应器目前多为被动式，其混合效果往往难以达到理想混合水平，且混合时间也较主动式长。

技术实现要素：

为了解决常规纳米粒子合成和反应加速方法和设备存在的问题，利用高频声表面波的声场作用，本发明提出了一种基于声表面行波的纳米粒子可控合成反应加速装置及方法。高频的声表面行波在反应腔室内形成声表面波行波场，利用纳米粒子合成所需的两种液相制剂：还原剂溶液和前驱体溶液在声表面行波场中所受声辐射力随声表面行波传播方向而运动的特点，在阻碍纳米晶核的沉积与聚集的同时，均衡每一个晶核的反应条件与成长机会，促进纳米粒子快速、均匀以及规整的生长，从而实现对所合成纳米粒子的可控合成反应加速。本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一、一种基于声表面行波的纳米粒子可控合成反应加速装置

纳米粒子可控合成反应加速装置包括铌酸锂晶片、反应腔室和一号叉指电极、二号叉指电极、三号叉指电极、四号叉指电极、五号叉指电极和六号叉指电极六个叉指电极，六个叉指电极按一号叉指电极-六号叉指电极的顺序以顺时针方向沿着反应腔室布置，反应腔室粘贴在通过氧等离子键合方法与铌酸锂晶片的中心，每个叉指电极与铌酸锂晶片构成一个声表面行波叉指换能器，每个叉指电极均与外部的信号发生器的输出通道相连，六个叉指电极按一号叉指电极-六号叉指电极的顺序沿顺时针方向以两个叉指电极为一组分为三组叉指电极，三组叉指电极以顺时针方向布置在反应腔室的周围，一号叉指电极和二号叉指电极为第一组叉指电极，三号叉指电极和四号叉指电极为第二组叉指电极、五号叉指电极和六号叉指电极为第三组叉指电极，三组叉指电极沿铌酸锂晶片的周向间隔均匀分布，发出声表面行波的朝向沿铌酸锂晶片径向分布。

所述的反应腔室呈三条长侧边和三条短侧边间隔连接形成的六边形，三组叉指电极分布于反应腔室的三个长侧边，反应腔室的三个短侧边布置两个入口端和一个出口端，两个入口端分别作为连接到反应腔室内部的还原剂入口和前驱体入口，还原剂入口和前驱体入口分别通入用于合成反应加速的还原剂溶液和前驱体溶液，出口端作为连接到反应腔室外部的粒子流出口，通过六个电极所连接的信号发生器的输出通道的开闭进行相应的换能器组合从而形成不同模式进行合成反应加速，合成反应加速后生成的所需粒径大小的纳米粒子通过粒子流出口流出到反应腔室外部。

所述的信号发生器向叉指电极施加电信号，叉指电极作为声表面波源向反应腔室内部发出声表面行波，未反应的还原剂溶液、前驱体溶液及还原剂溶液与前驱体溶液反应生成的纳米粒子晶核在声表面行波驱动作用下沿着声表面行波传播方向进行运动，使得反应腔室中的纳米粒子晶核分散均匀，同时使得未反应的还原剂溶液和前驱体溶液有序运动与充分接触进而加速合成反应。

对叉指电极施加所需频率和幅值的电信号，电信号沿着叉指电极向反应腔室激发出对应幅值和频率的声表面行波并驱动未反应的还原剂溶液、前驱体溶液及还原剂溶液和前驱体溶液反应生成的纳米粒子晶核进行运动。

所述的六个叉指电极均采用铝材，通过光刻和物理气相沉积的方法在铌酸锂晶片上形成。

所述的声表面行波换能器所采用的铌酸锂晶片的切片方向与传统上使用的y切128°(010)平面不同，该铌酸锂晶片基底采用的是在铌酸锂晶体的z切(001)平面，该切割的慢度(慢度即相速度的倒数)和平面波强度曲线具有三个对称轴，并将六个叉指电极分为三组对称布置在三个夹角互为120°的对称轴上。

所述的反应腔室采用聚二甲基硅氧烷合成。

二、一种基于声表面行波的纳米粒子可控合成反应加速方法

方法包括以下具体步骤：

步骤1：打开还原剂入口和前驱体入口，关闭粒子流出口，将还原剂溶液和前驱体溶液分别通过还原剂入口和前驱体入口流入反应腔室，还原剂溶液和前驱体溶液充满反应腔室时关闭还原剂入口和前驱体入口，还原剂溶液和前驱体溶液反应生成纳米粒子晶核，还有未反应的还原剂溶液和前驱体溶液；

步骤2：启动信号发生器向六个叉指电极施加电信号，使六个叉指电极各自的声表面行波叉指换能器在铌酸锂晶片上产生声表面行波并向反应腔室激发，使得反应腔室中产生声表面行波场，从而在反应腔室中形成声表面行波覆盖段，声表面行波覆盖段是指反应腔室内位于叉指电极发出声表面行波朝向方向上的区域，使得反应腔室内的未反应的还原剂溶液、前驱体溶液以及还原剂溶液和前驱体溶液反应生成的纳米粒子晶核在声表面行波驱动作用下分散均匀；

步骤3：完成步骤2后，按照以下两种模式其中一种对叉指电极施加电信号使聚集于反应腔室内壁边缘或角落未均匀分散的纳米粒子晶核分散均匀；

第一种模式：启动信号发生器向任意两组叉指电极施加电信号，使对应的声表面行波叉指换能器在铌酸锂晶片上产生声表面行波并向反应腔室激发，使得反应腔室中产生声表面行波场从而在反应腔室中形成声表面行波覆盖段，将聚集于反应腔室内壁边缘未均匀分散的纳米粒子晶核在声表面行波驱动作用下分散均匀，便于后续的加速合成反应；

第二种模式：选取任意一组叉指电极组作为参考叉指电极组，启动信号发生器向参考叉指电极组和其他两组中均更远离参考叉指电极组中的一个叉指电极施加电信号，使对应的声表面行波叉指换能器在铌酸锂晶片上产生声表面行波向反应腔室激发，使得反应腔室中产生声表面行波场，从而在反应腔室中形成声表面行波覆盖段，将聚集于反应腔室角落而未均匀分散的纳米粒子晶核在声表面行波驱动作用下分散均匀，便于后续的加速合成反应；

步骤4：通过步骤2和步骤3使反应腔室内的未反应的还原剂溶液、前驱体溶液以及还原剂溶液和前驱体溶液反应生成的纳米粒子晶核分散均匀后，再启动信号发生器向二号叉指电极、四号叉指电极和六号叉指电极或一号叉指电极、三号叉指电极和五号叉指电极中的其中一种施加电信号，使三个叉指电极各自的声表面行波叉指换能器在铌酸锂晶片上产生声表面行波并向反应腔室激发，使得反应腔室中产生声表面行波场，从而在反应腔室中形成三个声表面行波覆盖段，三个声表面行波覆盖段沿着声表面行波传播方向依次首尾相连形成顺时针方向或逆时针方向的环形声表面行波覆盖区域，未反应的还原剂溶液和前驱体溶液在顺时针方向或逆时针方向的声表面行波覆盖区域的作用下在反应腔室中形成顺时针方向或逆时针方向的有序运动与充分接触；

步骤5：重复步骤4以合成具有固定浓度、形貌及均一分散性的纳米粒子后，打开粒子流出口，纳米粒子从粒子流出口流出到反应腔室外部，然后关闭粒子流出口，打开还原剂入口和前驱体入口进行下一轮的纳米粒子的合成。

通过控制步骤4中顺时针方向或逆时针方向的声表面行波的时间周期、声表面行波信号的激发频率、声表面行波信号的峰峰值加载电压及作用在还原剂溶液和前驱体溶液的时间，控制纳米粒子晶核的反应条件与生长条件，实现对纳米粒子的可控合成反应加速。在阻碍纳米粒子晶核的沉积与聚集的同时，均衡每一个纳米粒子晶核的反应条件与成长机会，促进纳米粒子晶核快速、均匀以及规整的生长，从而实现对所合成的纳米粒子的可控合成反应加速。

本发明通过控制声表面行波微流控混合加速模式的时间周期、声表面行波信号的激发频率、声表面行波信号的峰峰值加载电压及其作用还原剂与前驱体溶液两相制剂的时间从而制备纳米粒子粒径可控的溶液，高频的声表面波在合成反应腔室内形成声表面行波场，利用两相制剂在声表面行波场中所受声辐射力随声表面行波传播方向而运动的特点，在阻碍纳米晶核的沉积与聚集的同时，均衡每一个晶核的反应条件与成长机会，促进纳米粒子快速、均匀以及规整的生长，从而实现对所合成纳米粒子的可控合成反应加速。

本发明具有的有益效果是：

(1)本发明利用所发明的叉指换能器在不同混合模式下产生不同作用区域和作用方向声表面行波场的特点，在合成反应腔室的指定区域产生声表面行波场，从而实现了多种液相制剂微流控混匀模式和纳米粒子加速合成模式；

(2)本发明所用设备简单、操作简便，可促进纳米粒子晶核快速、均匀以及规整的生长，从而实现对所合成纳米粒子的可控合成反应加速，实现合成纳米粒子粒径尺寸的精确控制；

(3)本发明具有易与其他微流控技术结合、能耗低的特点。

总述，本发明能实现金属纳米粒子的多种混合模式下的可控加速合成，具有操作简便、可控性强、设备简单、粒子粒径均一，分散性好等特点。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是本发明的可控合成反应加速装置俯视图；

图3是实现全腔室液相制剂和晶核混匀功能的换能器组合工作示意图；

图4是实现腔室内壁边缘液相制剂和晶核混匀功能的换能器组合工作示意图；

图5是实现腔室角落液相制剂和晶核混匀功能的换能器组合工作示意图；

图6是实现全腔室顺时针合成反应加速功能的换能器组合工作示意图；

图7是实现全腔室逆时针合成反应加速功能的换能器组合工作示意图。

图中：1、铌酸锂晶片，2、反应腔室，3、一号叉指电极，4、二号叉指电极，5、三号叉指电极，6、四号叉指电极，7、五号叉指电极，8、六号叉指电极，9、还原剂入口，10、前驱体入口，11、粒子流出口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1和图2所示，本发明包括铌酸锂晶片1、反应腔室2和一号叉指电极3、二号叉指电极4、三号叉指电极5、四号叉指电极6、五号叉指电极7和六号叉指电极8六个叉指电极，六个叉指电极按一号叉指电极-六号叉指电极的顺序以顺时针方向沿着反应腔室2布置，反应腔室2粘贴在通过氧等离子键合方法与铌酸锂晶片1的中心，每个叉指电极与铌酸锂晶片1构成一个声表面行波叉指换能器，每个叉指电极均与外部的信号发生器的输出通道相连，六个叉指电极按一号叉指电极-六号叉指电极的顺序沿顺时针方向以两个叉指电极为一组分为三组叉指电极，三组叉指电极以顺时针方向布置在反应腔室2的周围，具体实施中，一号叉指电极3和二号叉指电极4为第一组叉指电极，三号叉指电极5和四号叉指电极6为第二组叉指电极、五号叉指电极7和六号叉指电极8为第三组叉指电极，三组叉指电极沿铌酸锂晶片1的周向间隔均匀分布，发出声表面行波的朝向沿铌酸锂晶片1径向分布。

如图1和图2所示，反应腔室2呈三条长侧边和三条短侧边间隔连接形成的六边形，三组叉指电极分布于反应腔室2的三个长侧边，反应腔室2的三个短侧边布置两个入口端和一个出口端，两个入口端分别作为连接到反应腔室2内部的还原剂入口9和前驱体入口10，还原剂入口9和前驱体入口10分别通入用于合成反应加速的还原剂溶液和前驱体溶液，出口端作为连接到反应腔室2外部的粒子流出口11，通过六个电极所连接的信号发生器的输出通道的开闭进行相应的换能器组合从而形成不同模式进行合成反应加速，合成反应加速后生成的所需粒径大小的纳米粒子通过粒子流出口11流出到反应腔室2外部。

信号发生器向叉指电极施加电信号，叉指电极作为声表面波源向反应腔室2内部发出声表面行波，未反应的还原剂溶液、前驱体溶液及还原剂溶液与前驱体溶液反应生成的纳米粒子晶核在声表面行波驱动作用下沿着声表面行波传播方向进行运动，使得反应腔室2中的纳米粒子晶核分散均匀，同时使得未反应的还原剂溶液和前驱体溶液有序运动与充分接触进而加速合成反应。

对叉指电极施加所需频率和幅值的电信号，电信号沿着叉指电极向反应腔室2激发出对应幅值和频率的声表面行波并驱动未反应的还原剂溶液、前驱体溶液及还原剂溶液和前驱体溶液反应生成的纳米粒子晶核进行运动。

具体实施的六个叉指电极均采用铝材，通过光刻和物理气相沉积的方法在铌酸锂晶片1上形成。

声表面行波换能器所采用的铌酸锂晶片1的切片方向与传统上使用的y切128°(010)平面不同，该铌酸锂晶片1基底采用的是在铌酸锂晶体的z切(001)平面，该切割的慢度(相速度的倒数)和平面波强度曲线具有三个对称轴，并将六个叉指电极分为三组对称布置在三个夹角互为120°的对称轴上。

一号叉指电极-六号叉指电极的制备方法：在铌酸锂(lino3)晶片1上旋涂一层正性光刻胶，采用预先制作的掩膜板进行掩膜曝光，随后洗去曝光的光刻胶，在铌酸锂(lino3)晶片上获得与金属叉指电极形状相同的无胶区域；采用物理气相沉积的方法在光刻后的铌酸锂晶片上沉积一层厚度为200nm的金属铝，之后采用丙酮溶解掉残余的光刻胶及多余的金属薄膜，获得的一号叉指电极-六号叉指电极。

反应腔室2的制备方法：采用软光刻方法制作su-8模具，浇注pdms后加热固化，获得反应腔室2，反应腔室2的形状如图1所示；通过氧等离子键合方法将反应腔室2粘结在铌酸锂晶片1上的一号-六号叉指电极中心的位置。

基于声表面行波的纳米粒子可控合成反应加速方法，包括以下具体步骤：

步骤1：打开还原剂入口9和前驱体入口10，关闭粒子流出口11，将还原剂溶液和前驱体溶液分别通过还原剂入口9和前驱体入口10流入反应腔室2，还原剂溶液和前驱体溶液充满反应腔室2时关闭还原剂入口9和前驱体入口10，还原剂溶液和前驱体溶液反应生成纳米粒子晶核，还有未反应的还原剂溶液和前驱体溶液；

步骤2：如图3所示，启动信号发生器向六个叉指电极施加电信号，使六个叉指电极各自的声表面行波叉指换能器在铌酸锂晶片1上产生声表面行波并向反应腔室2激发，使得反应腔室2中产生声表面行波场，从而在反应腔室2中形成声表面行波覆盖段，声表面行波覆盖段是指反应腔室2内位于叉指电极发出声表面行波朝向方向上的区域，使得反应腔室2内的未反应的还原剂溶液、前驱体溶液以及还原剂溶液和前驱体溶液反应生成的纳米粒子晶核在声表面行波驱动作用下分散均匀；

步骤3：如图4和图5所示，完成步骤2后，按照以下两种模式其中一种对叉指电极施加电信号使聚集于反应腔室2内壁边缘或角落未均匀分散的纳米粒子晶核分散均匀；

第一种模式：启动信号发生器向任意两组叉指电极施加电信号，使对应的声表面行波叉指换能器在铌酸锂晶片1上产生声表面行波并向反应腔室2激发，使得反应腔室2中产生声表面行波场从而在反应腔室2中形成声表面行波覆盖段，将聚集于反应腔室2内壁边缘未均匀分散的纳米粒子晶核在声表面行波驱动作用下分散均匀，便于后续的加速合成反应；

第二种模式：选取任意一组叉指电极组作为参考叉指电极组，启动信号发生器向参考叉指电极组和其他两组中均更远离参考叉指电极组中的一个叉指电极施加电信号，使对应的声表面行波叉指换能器在铌酸锂晶片1上产生声表面行波向反应腔室2激发，使得反应腔室2中产生声表面行波场，从而在反应腔室2中形成声表面行波覆盖段，将聚集于反应腔室2角落而未均匀分散的纳米粒子晶核在声表面行波驱动作用下分散均匀，便于后续的加速合成反应；

步骤4：如图6和图7所示，通过步骤2和步骤3使反应腔室2内的未反应的还原剂溶液、前驱体溶液以及还原剂溶液和前驱体溶液反应生成的纳米粒子晶核分散均匀后，再启动信号发生器向二号叉指电极4、四号叉指电极6和六号叉指电极8或一号叉指电极3、三号叉指电极5和五号叉指电极7中的其中一种施加电信号，使三个叉指电极各自的声表面行波叉指换能器在铌酸锂晶片1上产生声表面行波并向反应腔室2激发，使得反应腔室2中产生声表面行波场，从而在反应腔室2中形成三个声表面行波覆盖段，三个声表面行波覆盖段沿着声表面行波传播方向依次首尾相连形成顺时针方向或逆时针方向的环形声表面行波覆盖区域，未反应的还原剂溶液和前驱体溶液在顺时针方向或逆时针方向的声表面行波覆盖区域的作用下在反应腔室2中形成顺时针方向或逆时针方向的有序运动与充分接触；

步骤5：重复步骤4以合成具有固定浓度、形貌及均一分散性的纳米粒子后，打开粒子流出口11，纳米粒子从粒子流出口11流出到反应腔室2外部，然后关闭粒子流出口11，打开还原剂入口9和前驱体入口10进行下一轮的纳米粒子的合成。

通过控制步骤4中顺时针方向或逆时针方向的声表面行波的时间周期、声表面行波信号的激发频率、声表面行波信号的峰峰值加载电压及作用在还原剂溶液和前驱体溶液的时间，控制纳米粒子晶核的反应条件与生长条件，实现对纳米粒子的可控合成反应加速。在阻碍纳米粒子晶核的沉积与聚集的同时，均衡每一个纳米粒子晶核的反应条件与成长机会，促进纳米粒子晶核快速、均匀以及规整的生长，从而实现对所合成的纳米粒子的可控合成反应加速。

由实施例可见，本发明实现了纳米粒子可控合成反应加速，操作简便，能耗低，适用范围广。