纳米微球单层薄膜的大面积自组装制备装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了纳米微球单层薄膜的自组装制备装置。具体的，本实用新型的纳米微球单层薄膜的自组装制备装置包括：盛液器皿、至少一个注射泵和至少一个与所述注射泵配套使用的注射器；所述注射器包括针筒和针头，且所述注射泵用于推动所述注射器将注射器中的液体注入所述盛液器皿中；所述注射器的注射角为0～90°。该装置的操作简单，成本低廉，可制备大面积的二维有序的纳米微球单层薄膜，克服了现有技术中薄膜成形质量差、成形时间长、成形面积小且无法大规模生产的缺点。
【专利说明】
纳米微球单层薄膜的大面积自组装制备装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及薄膜制备领域，具体地涉及纳米微球单层薄膜的大面积自组装制备装置。
【背景技术】
[0002]近些年来，有序周期结构材料在光电器件、光催化、生物传感、分子的吸附和分离，以及光子晶体等化学、物理以及生物的众多领域产生了非常大的应用价值。有序周期结构材料的制备方法主要包括:微加工刻蚀技术、全息干涉法、光刻法、以及模板-填充法和自组装方法等。对于微加工刻蚀技术、全息干涉、光刻等制备方法来说，其制备工艺复杂、制备成本昂贵，制备尺寸只有微米量级等缺点，因而，开发价廉且具有大规模生产能力的工艺方法是纳米科学的研宄重点之一。
[0003]众所周知，通过Langmuir-Blodgge (LB)膜技术可将气-液界面上的单层膜转移至固体模片上，得到二维有序的单层或多层膜，是超薄有序有机膜研宄领域中应用最广泛的分子组装技术。但是由于LB膜中分子与基片表面、同层分子间及相邻层分子间均为范德华力结合，因而膜对温度、时间、化学环境及外压的稳定性弱，影响了它的实用性；另一方面，在分子设计时，我们既要考虑其容易成膜，又要使所成的膜具有设计所要求的物理化学性质，二者往往难以兼得。自组装(Self-Assembly，以下简称SA)膜可在一定程度上满足上述要求，近年来引起了研宄者的广泛关注。目前人们研宄较多的，是溶液中的SA膜。含多个长链的两亲性化合物在溶液中即可自动形成水合囊泡、单层膜和类脂双层膜，利用这一性质可模拟分子识别、生物活性分子在双层膜中的镶嵌和取向，还可以作为制备二维有序无机薄膜、二维有序有机薄膜的模板。实际上这种成膜技术仍属于LB膜技术，只是分子在溶液中的有序集合是自动的，不需要象LB膜那样施加外力。SA成膜技术快速简便，并且对温度、时间、化学环境及外压稳定，有较高的二维或三维有序性，是获得超晶格有序材料的一种有效途径。
[0004]开发基于SA成膜技术的大面积纳米微球单层薄膜的制备方法，对光学、电学、化工、生物等领域具有重要意义。首先，纳米微球颗粒具有单分散性，利用其球形形貌、粒径的均一性，可用于构筑光子带隙材料，适用于化学传感、柔性显示、生物编码等领域；其次，大面积有序纳米微球可作为模板剂使用，用于构筑具有规整结构、大比表面积的多孔体相材料，适用于高灵敏度、高催化性能传感及催化材料的研制；此外，经各种修饰后的纳米微球模板，可用于特定物质如核酸、蛋白质等生物大分子的固定及高通量、高特异性的多功能生物化学分析和检测。最近，科学家开发出一种纳米球刻蚀技术(nanosphere lithography,NSL)的方法用于制备纳米结构，而采用NSL技术制备2D纳米阵列的关键，就是必须用自组装的办法形成周期遮挡层来实现周期的微纳级图形转移。该方法是使用尺寸分布窄的纳米胶体球，如聚苯乙烯纳米微球等，利用其排列高度整齐的自组装效应制成薄膜，所需仪器设备低廉，且工艺容易操作，只需变化不同纳米颗粒球的粒径，便可在各种基板上得到不同纳米尺寸的大面积周期阵列结构。
[0005]综上所述，自组装技术目前被公认为是一种价廉高效的纳米材料制备的关键技术，在全球各实验室得到了广泛应用和研宄。然而，已经报道的自组装技术所制得的单层薄膜，往往具有成形质量差、成形时间长、成形面积小等问题，往往仅可以用于实验研宄，无法满足大规模生产的需要。
[0006]综上所述，目前尚缺乏令人满意的、成形质量高、成形时间长、成形面积大以及可大规模生产的自组装制膜技术，因此，本领域迫切需要开发新的高成形质量、长成形时间、大成形面积以及可大规模生产的自组装制膜技术。
实用新型内容
[0007]本实用新型提供了一种可制备高质量、长成形时间、大面积纳米微球单层薄膜的
目.ο
[0008]在本实用新型的第一方面，提供了一种制备纳米微球单层薄膜的装置，该装置包括:
[0009]盛液器皿、至少一个注射泵和至少一个与所述注射泵配套使用的注射器；
[0010]所述注射器包括针筒和针头，且所述注射泵用于推动所述注射器将注射器中的液体注入所述盛液器皿中；
[0011]所述注射器的注射角为O?90°。
[0012]在本实用新型的一个优选应用中，所述注射角为注射器中的液体从所述注射器的针尖射出时与所述盛液模块中与液面平行的底面的最小夹角。
[0013]在本实用新型的一个优选应用中，所述注射角为O?30°。
[0014]在本实用新型的一个优选应用中，所述注射器的针头分为相连接的第一端部和第二端部，且所述第一端部和第二端部之间的最小夹角为90?180°。
[0015]在本实用新型的一个优选应用中，所述注射角为30?90°，所述针头的第一端部和第二端部在同一直线上。
[0016]在本实用新型的一个优选应用中，所述针头的第一端部靠近针筒。
[0017]在本实用新型的一个优选应用中，所述装置包括两个注射泵和至少两个注射器，每个所述注射泵至少配套有一个注射器。
[0018]在本实用新型的一个优选应用中，所述注射器的针尖距所述盛液器皿中的液面的高度为_2?3_。
[0019]在本实用新型的一个优选应用中，盛液器皿中液面的面积为Imm2?90m2。
[0020]应理解，在本实用新型范围内中，本实用新型的上述各技术特征和在下文中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再--累述。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1示出了本实用新型中聚苯乙烯纳米微球单层薄膜自组装制备装置的示意图；
[0022]图2示出了本实用新型中聚苯乙烯纳米微球单层薄膜自组装制备的具体操作示意图；
[0023]图3示出了本实用新型中所用制备装置的注射器针头的示意图；
[0024]图4示出了本实用新型所述的装置制备的聚苯乙烯纳米微球单层薄膜的扫描电子显微镜照片。
【具体实施方式】
[0025]本实用新型人经过广泛而深入的研宄，通过大量试验，成功研发出制备纳米微球单层薄膜的装置。该装置通过注射泵推动注射器，将纳米微球溶液注射到含有表面活性剂溶液的盛液器皿中，在表面活性剂的溶液表面可大面积自组装生长二维有序的纳米微球单层薄膜，该装置的操作简单，成本低廉，可制备大面积的二维有序的纳米微球单层薄膜，克服了现有技术中的制膜装置制备的薄膜成形质量差、成形时间长、成形面积小且无法大规模生产的缺点。在此基础上完成了本实用新型。
[0026]如图2和图3所示，本实用新型制备纳米微球单层薄膜的装置，包括盛液器皿3、至少一个注射泵I和至少一个与所述注射泵配套使用的注射器2 ;所述注射器2包括针筒和针头，且所述注射泵I用于推动所述注射器2将注射器2中的液体注入所述盛液器皿3中；所述注射器2的注射角为O?90°。其中，所述注射角为注射器中的液体从所述注射器的针尖射出时与所述盛液模块中与液面平行的底面的最小夹角。
[0027]在本实用新型一优选的注射角为O?20°。
[0028]在使用时，注射泵I推动注射器2，将注射器2中的液体以一定的流速注入到盛液器皿3中，其中，注射器2中的液体从其针尖射出的角度，即注射角可调。
[0029]在本实用新型中，所述注射泵是指能够以一定速度推动注射器出射液体的装置。一种优选的注射泵的规格为:通道数量I?4、适用注射器类型10 μ I?60ml、每微步距离0.1561Jm(l/16步)、每微步注射量0.13 μ I (60ml注射器)、最大线速度65mm/min、最小线速度5 μπι/min、流量范围249.95IJL/hr?54.16ml/min (60ml注射器)。一种优选的注射器是指有刻度的Iml容积普通规格针管设备。
[0030]在本实用新型中，所述盛液器皿主要是指各类普通试验容器及用具，用于完成自组装过程的器皿按照铺设薄膜面积需要选择相应面积大小的器皿:玻璃或者有机材料皆可、圆形或者方形皆可、没有特定的限制，优选地，容器的内壁高度大于2cm。
[0031]在本实用新型中，优选地，制备纳米微球单层薄膜的装置可在无尘无震恒温的环境下搭建，利用注射泵来控制装有纳米微球溶液的注射器，利用相应器皿装载去表面活性剂溶液形成平整的液面，然后将注射器针头与液面接触连接，从而能实施平稳的液体注射；优选地，所述装置可以使用多台注射泵来完成多管注射器的注射，有效提高成膜效率。
[0032]在本实用新型中，注射器的针头可被分为第一端部a和第二端部b (如图3所示)，主要是为了调节注射角，将针头弯折，从而方便以有利于薄膜铺设的注射角出射液体。针尖与盛液器皿中液体的距离可正可负，正值表示针尖位于液面上方，负值表示针尖位于液面下方(即插入液面)。第一端部和第二端部之间的最小夹角为90?180°。
[0033]应用
[0034]本实用新型的装置可用于制备纳米微球单层薄膜，制备的纳米微球单层薄膜可作为模板剂构筑多孔体相材料、经修饰的纳米微球薄膜模板可用于核酸、蛋白质等生气大分子的固定及高通量、高特异性的多功能生物化学分析和检测。此外，纳米微球单层薄膜也可作为阻挡层用于纳米球刻蚀技术。
[0035]下面通过一具体的制备纳米微球薄膜的过程，介绍本装置的应用。
[0036]以制备300nm聚苯乙烯纳米微球大面积自组装单层薄膜为例。如图1所示:所示装置采用两台LSP01-1型号的注射泵1、两支ICC注射器2、一个92X 15mm培养皿3等。
[0037]在前述装置下，利用本实用新型提供的技术参数和改装工艺，自组装300nm聚苯乙烯纳米微球的单层薄膜，具体步骤为:
[0038](I)溶液配制:将聚苯乙烯纳米微球原液与无水乙醇按照1:1.2的比例来配置，装于广口瓶中，然后置于超声波清洗机中超声振荡5?10分钟；称取3g重量SDS(十二烷基磺酸钠)粉末放于塑料量杯中，然后加入45ml去离子水，再置于超声波清洗机中超声振荡3?5分钟，制成表面活性剂溶液备用；利用ICC注射器吸取配制好的聚苯乙烯纳米微球溶液 Iml。
[0039](2)注射器针头改装，如图3所示，将针头前半部弯折度(即第一端部和第二端部之间的夹角Θ为135度)，弯折方向与针头针尖处的截面相垂直。
[0040](3)将装置按照图1所示在通风橱内摆放，并使注射器针头尾部略高于培养皿周边上沿，培养皿内注入去离子水并使得液面高度略低于边沿(2?3_左右)；在培养皿内滴入配制好的表面活性剂0.5ml (总的表面活性剂浓度约为1.5X10-3mol/L);旋转注射器，使得针尖处截面基本与去离子水液面垂直并保持针尖稍高于液面(不大于1mm)。
[0041](4)将上述两注射器针尖轻压接触液面然后松开，具体操作示意如图2所示，进而保证针尖处出射的聚苯乙烯纳米微球溶液紧贴整体液面。
[0042](5)设置注射泵参数:液量设定为0.2ml ;流速设定为0.15ml/h?具体使用参照装置使用说明书。
[0043](6)通电后，开启注射泵，实验过程约为I小时，实验过程中期液面呈现彩色，最后呈现单一色调。普通日光灯下呈现淡蓝色液面，强光下呈现海蓝色液面。
[0044](7)薄膜生成完毕后，即可利用所选已清洗的基片捞取薄膜，其中用清洗后的P型商业硅片捞取300nm聚苯乙烯纳米微球单层薄膜聚苯乙烯纳米微球单层薄膜的微观结构如图4所示。
[0045]本实用新型的主要优点包括:
[0046](I)本实用新型开发了一种基于自组装的高效、廉价、可控的大面积纳米微球单层有序薄膜生长装置，实验证明，纳米微球单层薄膜的致密性、连续性都很好，取得了显著的效果。
[0047](2)本实用新型生成的纳米微球单层薄膜适用范围广，能在各类基片表面铺设。
[0048](3)本实用新型适用于纳米微球颗粒直径在50?100nm尺寸的自组装单层有序薄膜生长，可选择的纳米微球颗粒种类繁多。
[0049](4)本实用新型的装置生产的纳米微球单层薄膜面积不单单可以满足实验室需要的平方厘米数量级，同时可以工业生产的尺寸要求。
[0050](5)本实用新型的装置操作轻便，不需要消耗大量的人力。
[0051]在本实用新型提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本实用新型的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
【权利要求】
1.一种纳米微球单层薄膜的大面积自组装制备装置，其特征在于，该装置包括: 盛液器皿、至少一个注射泵和至少一个与所述注射泵配套使用的注射器； 所述注射器包括针筒和针头，且所述注射泵用于推动所述注射器将注射器中的液体注入所述盛液器皿中； 所述注射器的注射角为O?90°。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述注射角为O?30°。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述注射器的针头分为相连接的第一端部和第二端部，且所述第一端部和第二端部之间的最小夹角为90?180°。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述注射角为30?90°，所述针头的第一端部和第二端部在同一直线上。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述针头的第一端部靠近针筒。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括两个注射泵和至少两个注射器，每个所述注射泵至少配套有一个注射器。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述注射器的针尖距所述盛液器皿中的液面的高度为-2?3mm。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，盛液器皿中液面的面积为Imm2?90m 20
【文档编号】C08L25/06GK204237731SQ201420239374
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年5月9日 优先权日:2014年5月9日
【发明者】李思众, 叶继春, 高平奇, 韩灿, 盛江 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所