一种生成体相纳米级气泡的方法和装置与流程

本发明涉及物理化学中的纳米气泡，更具体地涉及一种生成体相纳米级气泡的方法和装置。

背景技术：

最早的体相纳米气泡的报导研究来源于人们对超声和空化效应的研究。到2000年开始有了大量关于体相气泡的研究，这些研究关注体相气泡的物理性质和它在溶液中的浓度。目前，由于体相纳米气泡的存在可能对多个领域带来影响，越来越多的各种领域的科学研究人员开始对体相纳米气泡产生浓厚的兴趣。例如，体相纳米气泡应用于表面清洗领域，通过吸附被机械搅拌激起的污染，可以阻止它们再沉淀而达到清洗的效果。在水处理领域，由于纳米气泡直径更小，比表面更大，在水中存在的时间更长，从而可以有效的提高曝气效率，很大程度上提高了污水处理的效率并促进生态的恢复。在生物医学领域，纳米气泡的应用研究虽然才刚刚起步，但前景广阔，微纳米气泡在超声成像和超声造影剂具有较强的回波反射性能，能够显著增强医学超声检测信号，弥补了传统超声诊断技术的敏感性和分辨率不够高的不足，而微米气泡受限于其较大的尺寸，应用范围受限于其血管内，然而纳米气泡不仅可以穿过血管壁到达组织内部，还可以突破脑血屏障，可以作为新型的超声造影剂应用于分子成像以及用于药物运输。在癌症的诊断与靶向治疗上也具有明显的优势，纳米级的气泡可以到达组织内部，在人体温度范围内可以长时间稳定存在，纳米气泡穿过由于癌症病变而变大的毛细血管在癌症细胞处聚集，超声成像此时可以比较清楚的观察到，然后加大超声频率，气泡破裂，从而达到靶向治疗的作用。

然而，在理论上还很难解释纳米气泡的稳定存在。根据经典热力学的解释：气泡的体积越小，内部的压力就越大，而压力大必然导致气泡破裂。例如直径为10nm的气泡，根据laplace方程计算出的它的内部压力为144大气压(1.44×10⁷pa)(用物理参数表示)，这么高的内部压力使得气泡瞬间就会消失。另外，根据分子动力学模拟研究，室温下水中纳米气泡的存在时间仅为几个到几百个皮秒，在实验中往往是观察不到这么短时间内存在的纳米气泡。但近年有几个研究小组用原子力显微镜直接观察到了固液界面上的纳米气泡，这为纳米气泡的存在提供了直接证据。另外，利用冷冻刻蚀方法和中子衍射方法也预测出了纳米气泡的存在。所以，要系统、深入地研究纳米气泡，解决理论与实验的不一致，必须先建立一种简便的、可控的方法来形成和深入研究纳米气泡的稳定机制。另外，形成气泡的气体来源也很难控制，导致实验的重复性差。同时，纳米气泡有多种潜在的生物医学应用价值，为了应用于生物实验或者临床医学研究中，我们需要开发在实验室条件下可以产生清洁气体种类和比例可精确调控的纳米气泡水的方法。已有的方法大多是产生固液界面的纳米气泡。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的无法稳定性产生体相纳米气泡的问题，更好地促进纳米气泡在各个领域的重要应用，本发明旨在提供一种生成体相纳米级气泡的方法和装置。

本发明所述的生成体相纳米级气泡的方法，其中，液体的反应介质容置于一腔室中，向腔室中通入成分可控的气体进行加压，使得腔室内的压强大于1atm且不超过20atm，保持5-60min，反应介质中气体溶解度增大，形成过饱和状态，然后放气减压5s-30min至常压，反应介质中气体溶解度降低逐渐形成气核，随着放气逐渐在反应介质的内部生成体相纳米级气泡。

优选地，放气减压15min至常压。

优选地，该气体是单一气体或混合气体。优选地，该气体为kr、h2、n2、he、ne、ar、xe、ch4、o2、ch4、sf6、cf4、c5f12、和/或上述任何气体通过任意比例混合的混合气体。

优选地，该反应介质为水、酸溶液、碱溶液、盐溶液、缓冲液、和/或蛋白溶液。优选地，该酸溶液的ph值为4-7的盐酸。优选地，该碱溶液为碱金属或碱土金属的碱溶液。优选地，该碱溶液为ph为7-10的氢氧化钠、氢化化钾、氢氧化钙、和/或氢氧化镁。优选地，该缓冲液为生物实验中常用的缓冲液。优选地，该缓冲液为pbs、te、tae、tbe、tbs、和/或tris-glycine。优选地，该蛋白溶液为血清白蛋白溶液。优选地，该蛋白溶液为牛血清白蛋白、和/或胃蛋白酶及溶菌酶。

优选地，反应介质预先经过脱气处理以除去其中溶解的气体，以得到脱气反应介质。该脱气反应介质可以作为加压后减压的对照组的参比溶液。

优选地，在进行清洁操作时不仅保证干净无尘，还保证无微生物污染，可以获得医用级别清洁度的纳米气泡。特别地，通入水蒸气，完全杀死管路中霉菌的孢子，使得最难杀死的微生物得到清除，保证其它微生物完全被消灭，从而得到医用级别清洁度的体相纳米气泡。产生的气泡水符合国标规定的清洁度就可以保证生产所用的器械可以达到所需的清洁度(参见gb/t6682)。

本发明所述的生成体相纳米级气泡的装置，包括液体的反应介质、腔室和观测装置，该腔室通过增压阀连接不同的气体并通过放气阀与外界连通，通过该增压阀和放气阀来控制腔室中的压强，液体的反应介质容置于该腔室中并响应于压强的变化生成体相纳米级气泡，观测装置对体相纳米气泡进行观测。

优选地，该观测装置为纳米示踪分析系统(nanoparticletrackinganalysis，nta)。具体地，将加压减压完毕的水注入纳米示踪分析系统的样品池中，使用显微镜观察并使用高分辨率摄像机进行颗粒运动轨迹的记录，利用stokes-einstein方程即可得到样品中每个颗粒物的粒径，并可测得颗粒的真实浓度。

优选地，观测装置根据体相纳米气泡的数量和粒径分布来调整腔室中的压强、保持时间和放气时间，以最终控制体相纳米气泡的数量和大小。例如，观测装置可以调整加压时间、和/或放气时间来控制体相纳米气泡的数量和大小。具体地，对照组中通入的气体为单一成份的高纯度气体及多种单一成份高纯度气体以任意比例混合的气体，与未通入气体的空白组作对照来反映生成的体相纳米气泡的数量和浓度分布。

根据本发明的方法，可以产生成分确定的、单一成分的体相纳米气泡或多种成分混合气体的纳米气泡，具有很好的重现性，操作简便。另外，根据本发明的方法产生的体相纳米气泡，清洁度高，可用于生物医学研究，甚至达到医用级别清洁度。而且，根据本发明的方法，可以控制纳米气泡的气体类型、纳米气泡的大小和数量。根据本发明的装置，可以进一步开发成医疗器械等各种新型设备，在诸多领域都有广泛的应用。

附图说明

图1是根据本发明的实施例1的体相纳米气泡的数量分布图；

图2a是根据本发明的实施例2的通气体加压前的缓冲溶液的镜下结果图；

图2b是根据本发明的实施例2的通气体加压后的缓冲溶液的镜下结果图；

图2c是根据本发明的实施例2的通气体加压产生纳米气泡之后再脱气的缓冲溶液的镜下结果图；

图3示出了根据本发明的实施例2的通气体加压前、加压后、加压产生纳米气泡之后再脱气的缓冲溶液中的体相纳米气泡的粒径分布与纳米气泡浓度；

图4示出了根据本发明的实施例2的通气体加压前、加压后、加压产生纳米气泡之后再脱气的缓冲溶液中的体相纳米气泡的数量分布；

图5示出了根据本发明的实施例5的牛血清白蛋白溶液中的体相纳米气泡。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

实施例中所用纳米颗粒分析仪是nanosightns300系统(malverninstruments,inc.)、配备样品池(蓝色激光器)、显微镜机架、高分辨率摄像机scmos、纳米示踪分析系统；水是millipore超纯水，样品池在使用前用水、乙醇、水交替清洗。带盖玻璃试剂瓶及玻璃注射器在使用前用去离子水清洗3遍并使用超声洗净，在干燥箱中烘干。

制作脱气水，使用脱气水来配置各种液体的反应介质。制作脱气水的步骤：取水置于洁净的带盖玻璃试剂瓶中，冰冻。冰冻的目的是尽可能除去溶解到水中的气体，进行深度脱气。取下盖子，使用封口膜封口，并在封口膜上打四个小孔，置于真空干燥箱中，抽真空，0.1atm保持10个小时，取出重复上述操作三遍，溶液选择为脱气水，配置其它溶液要注意为非腐蚀性，腐蚀性溶液会腐蚀载物台上的镀层，使其不平整，不平整的镀层会折射激光，使信噪比降低。

实施例1在脱气水中生成氪气纳米气泡

在脱气水中加氪气到6个标准大气压保持30min，得到的体相纳米气泡的数量分布如图1所示，气泡数量每ml可以达10⁸量级。

纳米气泡数量具体测量步骤如下：

打开nanosight启动温控软件ntatemperaturecontroller；检查是否连接完好，开启主程序ntaprogram。用洁净的玻璃注射器取用加压减压法制备的纳米气泡水，吸入液体量约1ml左右，排出注射器顶端的空气，“缓慢”注入样品池中，至“出口端”有液体流出为止。为防止出口处液体滴下，垫小块卷纸。将样品池置于显微镜载物台上，蓝色激光应为发光状态(若未亮点击nta软件capture界面中cameralevel调至较高处，激发激光)，前后、左右调节样品池位置，上下调节焦距，至能观测到蓝色激光束，利用nta软件的观测图像精细调节焦距、位置。若视野一片高亮，说明样品太浓，需要重新稀释。高亮需要稀释，设置cameraduration为60s，记录5次取均值。如图1所示，在时间范围5s<t≦15min内，随着放气时间越长，生成的纳米气泡数量越多。将纳米气泡水置于真空干燥箱中脱气之后测量发现纳米气泡的数量显著下降，所以可以说明实验中所生成的气泡成分为气体，至于气体成分，因为气体来源是我们直接通入的可控的特定气体成分。且加压是通过增加体积固定的腔体中的气体含量来实现的，在加压之前先使用反应气体对腔体内进行吹扫，吹出样品腔中的空气。说明生成的气泡为特定成分可控的气体纳米气泡，而不是其它物质。

观察过程如上，设置cameralevel为9，屏幕亮度为9，颗粒粒径阈值为5。随后取剩余的纳米气泡水，使用封口膜封口，扎若干个小洞，置于真空干燥箱中脱气一小时。观察过程如上，设置cameralevel为8，屏幕亮度为10，颗粒粒径阈值为5。

实施例2在tbe溶液中生成氪气纳米气泡

用去离子水配置tbe溶液，使用玻璃注射器取玻璃试剂瓶中距离气液界面2cm左右溶液，注入纳米示踪分子系统的样品池中。设置cameralevel为8，屏幕亮度为10，颗粒粒径阈值为5。随后制作纳米气泡水，使用移液器取3mltbe溶液置于三通阀的样品池中，通入氪气使腔体中的压强达到6个标准大气压，保持30分钟，之后缓慢放气过程持续15分钟。

观察发现，加压减压之后的tbe溶液中颗粒数显著增加，达1.6×10⁸个/ml，脱气之后颗粒数显著减少，减少至1.2×10⁷个/ml，甚至少于初始未经过任何处理的tbe溶液中的颗粒数，即1.3×10⁷/ml。说明通过加压减压法产生的氮气纳米气泡tbe溶液中增加的颗粒为纳米气泡，脱气后颗粒数显著减少说明纳米气泡tbe溶液中增加的纳米气泡中的成分确实为气体。

如图2a-2c分别通气体加压前的tbe缓冲溶液、通气体加压后的tbe缓冲溶液和通气体加压产生纳米气泡之后再脱气的tbe缓冲溶液。通过高速摄影机记录纳米气泡的运动轨迹，取其中一帧，nta获取纳米气泡的尺寸分布以及浓度是通过高速摄影机记录纳米气泡折射光斑运动轨迹，根据运动速度利用爱因斯坦-斯托克斯方程求解而得的。从图中可以看出未经过加压减压处理的tbe缓冲溶液中纳米气泡数量不多，而经过加压减压处理的tbe缓冲溶液中纳米气泡数量显著增加，图2c在图2b基础上进行减压深度脱气处理，纳米气泡数量又显著减少。图3示出了通气体加压前、加压后、加压产生纳米气泡之后再脱气的tbe缓冲溶液中的体相纳米气泡的粒径分布与纳米气泡浓度，如图所示，未经过处理的水中颗粒数小于10⁵量级，而经过加压减压法处理生成的氪气纳米气泡水中纳米气泡的含量显著增加，粒径为～100nm的纳米气泡数量接近10⁶，平均粒径在100nm-200nm之间的纳米气泡数量接近2.0×10⁶个/ml，平均粒径接近200nm的纳米气泡数量远超过10⁶。图4示出了通气体加压前、加压后、加压产生纳米气泡之后再脱气的tbe缓冲溶液中的体相纳米气泡的数量分布，加压前溶液中可以探测到的纳米颗粒很少，而经过加压减压法处理之后，纳米气泡的数量显著增多，数量超过的10⁶，比未处理前增加了一个数量级，而为了证明增加的这些纳米颗粒都是纳米气泡，我们通过脱气，将气泡水中的气泡抽掉，溶液中的纳米颗粒的数量又显著降低，降到和使用加压减压法处理之前一个数量级，说明了使用此方法可以产生大量的纳米气泡，多出的一个数量级的纳米颗粒即为纳米气泡。

实施例3在稀氢氧化钾溶液中生成氮气纳米气泡

装置和操作步骤如实施例1，但使用0.001-1.0mol/l的氢氧化钾溶液作为溶剂，加6个标准大气压，保持30分钟，缓慢放气时间持续15秒，得到的纳米气泡粒径范围为50～300nm。气泡数量可达2.5×10⁸个/ml，误差范围为±5.9×10⁷个/ml。

实施例4在氯化钠溶液中生成氮气纳米气泡

装置和操作步骤如实施例1，但使用0.001-0.1mol/l的氯化钠溶液，生成的纳米气泡大小与tbe和氢氧化钾溶液的类似。气泡数量可达2.13×10⁸个/ml，误差范围为±6.6×10⁷个/ml。

实施例5在bsa(牛血清白蛋白)溶液中生成氮气纳米气泡

加压向0.1mg/ml的bsa溶液中通入氮气，使加压减压装置内部压强达到6atm，保持30分钟，放气5分钟所产生的纳米气泡的粒径和数量分布，如图5所示，对牛血清白蛋白溶液通过加压减压的方法也可以产生大量的纳米气泡。没有经过加压减压法处理的牛血清白蛋白溶液中的颗粒数作为空白背景来对比，显示出牛血清白蛋白溶液中通过加压减压可以产生大量的纳米气泡。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。