技术领域
[0001] 本
发明属于
纳米技术领域，具体为一种自动化纳米气泡制备装置及其制备方法。
背景技术
[0002] 纳米气泡是在溶液中尺寸在数百纳米及以下的微小气泡。根据众多文献报道，
水中的纳米气泡具有以下几个特性：
[0003] (1)具有很强的
稳定性：常温常压下通常可以保存10天以上；
[0004] (2)具有很强的
吸附能
力：工业上常用微纳气泡吸附微小颗粒；
[0005] (3)具有很强的声学特性：微纳气泡作为超声
造影剂用于临床。
[0006] 目前纳米气泡制备的方法主要有机械搅拌、
电解、超声
空化等。机械搅拌通过
电机带动
涡轮转动，剪切水流形成纳米气泡，在制备大体量的纳米气泡上有一定优势，但是因为样品直接和电机
接触，有可能被杂质污染，而且制备纳米气泡浓度较低。电解法可以在一个小体系内完成，但是由于气泡由电解产生，在制备特殊气体气泡的时候如六氟化硫气泡，此方法不可行。超声空化也存在制备气泡浓度较低、粒径分布宽等缺点。尤其当前携载纳米颗粒的气泡制备方法仍采用传统的乳液法、超声空化法以及微流道法等，这些方法制备的气泡是微米尺度，但是关于均匀可控的纳米尺度的气泡暂无报道。
发明内容
[0007] 发明目的：为了克服
现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种自动化纳米气泡制备装置，本发明的另一目的是提供一种制备气泡尺寸均一、形貌数量可控的自动化纳米颗粒自组装纳米气泡的制备方法。
[0008] 技术方案：本发明所述的一种自动化纳米气泡制备装置，包括
箱体、控制中心、运动单元、温控单元、充排气单元、反应瓶、连通管和
注射器，控制中心设置在箱体内，温控单元分别与反应瓶和控制中心相连，运动单元与箱体固定连接，反应瓶通过连通管与注射器相连，运动单元包括步进电机、电动运动平台、
气缸、顶塞夹头、注射器夹头和反应瓶夹头，步进电机与控制中心相连，运动单元使用步进电机作为动力，步进电机带动注射器顶塞运动，从而实现纳米颗粒自组装成可控的纳米气泡结构，气缸用于带动反应瓶夹头升降。
[0009] 控制中心包括串口屏、Micro Python核心板、串口电平转换模
块和步进电机
驱动器，根据步进电机的控制原理，串口屏发送指令给Micro Python核心板，Micro Python核心板生成不同
频率的脉冲波给步进电机驱动器，通过生成脉冲的个数实现对步进电机运动距离的控制。温控单元为TEC温控器，实时读取
温度，通过发送数据到控制单元来实现目标温度的设定。顶塞夹头通过底部的滑块与电动运动平台的滑槽滑动连接。排气单元包括气罐、气
泵、电磁
阀和
橡胶管。连通管有三个支管和一个中间体，支管上分别有一个阀
门。
[0010] 本发明所述的一种自动化纳米颗粒自组装纳米气泡的制备方法，包含以下步骤：
[0011] a、启动自动化纳米气泡制备装置；
[0012] b、排掉注射器和反应瓶中的空气，向注射器和连通管中充入不与水发生化学反应且难溶于水的气体，气体可为六氟化硫、全氟化
碳气体、一
氧化氮、
硫化氢、
一氧化碳、氧气、氢气或氦气，反应瓶中有去离子水和纳米颗粒，纳米颗粒为超顺
磁性氧化
铁纳米颗粒、金纳米颗粒或
银纳米颗粒；
[0013] c、安装好注射器和反应瓶，用顶塞夹头夹紧注射器的顶塞，用注射器夹头夹紧注射器的瓶身，用反应瓶夹头夹紧反应瓶的瓶身，注射器的针头在液面以上；
[0014] d、将温度调节至设定温度1-50℃；
[0015] e、设定步进电机运动模式，即步进电机的速度为10-30mm/s，运动距离为1-200mm，往返运动次数为2-1000次；
[0016] f、步进电机按照设定模式运动，顶塞向下运动使气体体积减小，再向上运动使部分水进入连通管，以10-30mm/s的恒定速度反复循环压缩；
[0017] g、停止装置。
[0018] 有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：本发明利用水力空化的原理，由全自动设备，通过注射器反复喷出的高速水流产生纳米气泡，可批量制备浓度可调、尺寸均匀可控的
生物医用纳米颗粒包裹的纳米气泡材料；本发明全自动机械操作，有利于节省人力和时间，有利于减少人为操作带来的偶然性；本发明的制备方法在不增强激励
信号的情况下，有利于提高气泡的超声非对称性振动，可用于超声靶向显影增强。
附图说明
[0019] 图1是本发明的自动化纳米气泡制备装置的立体图。
[0020] 图2是本发明的反应瓶、注射器处的局部放大图。
[0021] 图3是本发明的运动单元的结构示意图。
[0022] 图4是本发明的
实施例5制得的样品的粒径分布图。
[0023] 图5是本发明的实施例5制得的样品的扫描
电子显微镜图。
[0024] 图6是本发明的实施例6制得的样品的透射电子显微镜图。
具体实施方式
[0025] 如图1，自动化纳米气泡制备装置包括箱体1、控制中心2、运动单元3、温控单元、充排气单元、反应瓶4、连通管5和注射器6，控制中心2在箱体1的一侧，箱体1上固定有若干组运动单元3，装置可以实现
温度控制，自动化充气与排气，自动化制备纳米气泡。
[0026] 如图2，反应瓶4通过连通管5与注射器6相连，连通管5有三个支管和一个中间体，所述支管上分别与阀门14连接，注射器6的针头16插在反应瓶4里，反应瓶4用
铝盖和橡胶塞密封。阀门14也可换成橡胶塞以实现密封功能。
[0027] 如图3，运动单元3包括步进电机7、电动运动平台8、气缸9、顶塞夹头10、注射器夹头11和反应瓶夹头12，步进电机7的运动模式由控制中心2控制，电动运动平台8带动
活塞升降运动，气缸9用于带动反应瓶夹头12升降，气缸9优选为直线运动气缸9，顶塞夹头10用来夹紧注射器6的顶塞15，注射器夹头11用来夹紧注射器6的瓶身，反应瓶夹头12用来夹紧反应瓶4的瓶身。
[0028] 超
顺磁性氧化铁纳米颗粒为三氧化二铁纳米颗粒或四氧化三铁纳米颗粒。
[0029] 制备方法实施例1
[0030] 一种自动化纳米颗粒自组装纳米气泡的制备方法，包含以下步骤：
[0031] 1、启动自动化纳米气泡制备装置；
[0032] 2、排掉注射器6和反应瓶4中的空气，向注射器6和连通管5中充入全氟化碳气体，反应瓶4中有2ml去离子水和2μl
超顺磁性四氧化三铁纳米颗粒；
[0033] 3、安装好注射器6和反应瓶4，用顶塞夹头10夹紧注射器6的顶塞15，用注射器夹头11夹紧注射器6的瓶身，用反应瓶夹头12夹紧反应瓶4的瓶身，注射器6的针头16在液面以上，构成密闭系统，空气总体积V0＝4.5mL；
[0034] 4、将温度调节至1℃；
[0035] 5、设定步进电机7运动模式，即步进电机7的速度为15mm/s，运动距离为1mm，往返运动次数为2次；
[0036] 6、步进电机7按照设定模式运动，顶塞15向下运动使气体体积减小至V1＝1.5mL，此时压力为0.3MPa，再向上运动使部分水进入连通管5，气体总体积回复至V2＝2.5mL，以15mm/s的恒定速度，使气体和水在一定的压力下混合，反复循环压缩2次；
[0037] 7、停止装置。
[0038] 制备方法实施例2
[0039] 一种自动化纳米颗粒自组装纳米气泡的制备方法，包含以下步骤：
[0040] 1、启动自动化纳米气泡制备装置；
[0041] 2、排掉注射器6和反应瓶4中的空气，向注射器6和连通管5中充入一氧化氮气体，反应瓶4中有2ml去离子水和2μl三氧化二铁纳米颗粒；
[0042] 3、安装好注射器6和反应瓶4，用顶塞夹头10夹紧注射器6的顶塞15，用注射器夹头11夹紧注射器6的瓶身，用反应瓶夹头12夹紧反应瓶4的瓶身，注射器6的针头16在液面以上，构成密闭系统，空气总体积V0＝4.5mL；
[0043] 4、将温度调节至50℃；
[0044] 5、设定步进电机7运动模式，即步进电机7的速度为25mm/s，运动距离为200mm，往返运动次数为1000次；
[0045] 6、步进电机7按照设定模式运动，顶塞15向下运动使气体体积减小至V1＝1.5mL，此时压力为0.3MPa，再向上运动使部分水进入连通管5，气体总体积回复至V2＝2.5mL，以25mm/s的恒定速度，使气体和水在一定的压力下混合，反复循环压缩1000次；
[0046] 7、停止装置。
[0047] 制备方法实施例3
[0048] 一种自动化纳米颗粒自组装纳米气泡的制备方法，包含以下步骤：
[0049] 1、启动自动化纳米气泡制备装置；
[0050] 2、排掉注射器6和反应瓶4中的空气，向注射器6和连通管5中充入硫化氢气体，反应瓶4中有2ml去离子水和2μl银纳米颗粒；
[0051] 3、安装好注射器6和反应瓶4，用顶塞夹头10夹紧注射器6的顶塞15，用注射器夹头11夹紧注射器6的瓶身，用反应瓶夹头12夹紧反应瓶4的瓶身，注射器6的针头16在液面以上，构成密闭系统，空气总体积V0＝4.5mL；
[0052] 4、将温度调节至25℃；
[0053] 5、设定步进电机7运动模式，即步进电机7的速度为20mm/s，运动距离为100mm，往返运动次数为500次；
[0054] 6、步进电机7按照设定模式运动，顶塞15向下运动使气体体积减小至V1＝1.5mL，此时压力为0.3MPa，再向上运动使部分水进入连通管5，气体总体积回复至V2＝2.5mL，以20mm/s的恒定速度，使气体和水在一定的压力下混合，反复循环压缩500次；
[0055] 7、停止装置。
[0056] 制备方法实施例4
[0057] 一种自动化纳米颗粒自组装纳米气泡的制备方法，包含以下步骤：
[0058] 1、启动自动化纳米气泡制备装置；
[0059] 2、排掉注射器6和反应瓶4中的空气，向注射器6和连通管5中充入一氧化碳气体，，反应瓶4中有2ml去离子水和2μl金纳米颗粒；
[0060] 3、安装好注射器6和反应瓶4，用顶塞夹头10夹紧注射器6的顶塞15，用注射器夹头11夹紧注射器6的瓶身，用反应瓶夹头12夹紧反应瓶4的瓶身，注射器6的针头16在液面以上，构成密闭系统，空气总体积V0＝4.5mL；
[0061] 4、将温度调节至10℃；
[0062] 5、设定步进电机7运动模式，即步进电机7的速度为13mm/s，运动距离为40mm，往返运动次数为700次；
[0063] 6、步进电机7按照设定模式运动，顶塞15向下运动使气体体积减小至V1＝1.5mL，此时压力为0.3MPa，再向上运动使部分水进入连通管5，气体总体积回复至V2＝2.5mL，以13mm/s的恒定速度，使气体和水在一定的压力下混合，反复循环压缩800次；
[0064] 7、停止装置。
[0065] 一氧化碳气体可以替换为氧气、氢气或氦气等不与水发生化学反应且难溶于水的气体。
[0066] 制备方法实施例5
[0067] 一种自动化纳米颗粒自组装纳米气泡的制备方法，包含以下步骤：
[0068] 1、启动自动化纳米气泡制备装置；
[0069] 2、排掉注射器6和反应瓶4中的空气，向注射器6和连通管5中充入六氟化硫气体，反应瓶4中有2ml去离子水和2μl超顺磁性四氧化三铁纳米颗粒；
[0070] 3、安装好注射器6和反应瓶4，用顶塞夹头10夹紧注射器6的顶塞15，用注射器夹头11夹紧注射器6的瓶身，用反应瓶夹头12夹紧反应瓶4的瓶身，注射器6的针头16在液面以上，构成密闭系统，空气总体积V0＝4.5mL；
[0071] 4、将温度调节至40℃；
[0072] 5、设定步进电机7运动模式，即步进电机7的速度为30mm/s，运动距离为50mm，往返运动次数为100次；
[0073] 6、步进电机7按照设定模式运动，顶塞15向下运动使气体体积减小至V1＝1.5mL，此时压力为0.3MPa，再向上运动使部分水进入连通管5，气体总体积回复至V2＝2.5mL，以30mm/s的恒定速度，使气体和水在一定的压力下混合，反复循环压缩100次；
[0074] 7、停止装置。
[0075] 图4为实施例5所制得的样品的粒径分布图，由
马尔文粒径仪测得，从图中可以看出，样品的平均粒径为100-300nm，多分散系数PDI＝0.2-0.4，PDI(分散系数)为0.28，代表样品粒径均一，分散性较好，Z-average(平均粒径)为237nm。图5为其扫描电镜下样品的形态，白色的球为磁性纳米气泡的结构形貌。
[0076] 制备方法实施例6
[0077] 一种自动化纳米颗粒自组装纳米气泡的制备方法，包含以下步骤：
[0078] 1、启动自动化纳米气泡制备装置；
[0079] 2、排掉注射器6和反应瓶4中的空气，向注射器6和连通管5中充入六氟化硫气体，反应瓶4中有2ml去离子水和2μl金纳米颗粒；
[0080] 3、安装好注射器6和反应瓶4，用顶塞夹头10夹紧注射器6的顶塞15，用注射器夹头11夹紧注射器6的瓶身，用反应瓶夹头12夹紧反应瓶4的瓶身，注射器6的针头16在液面以上，构成密闭系统，空气总体积V0＝4.5mL；
[0081] 4、将温度调节至15℃；
[0082] 5、设定步进电机7运动模式，即步进电机7的速度为10mm/s，运动距离为120mm，往返运动次数为100次；
[0083] 6、步进电机7按照设定模式运动，顶塞15向下运动使气体体积减小至V1＝1.5mL，此时压力为0.3MPa，再向上运动使部分水进入连通管5，气体总体积回复至V2＝2.5mL，以10mm/s的恒定速度，使气体和水在一定的压力下混合，反复循环压缩100次；
[0084] 7、停止装置。
[0085] 图6是本发明的实施例6制得的样品的透射电子显微镜图，从图中可以看出，金纳米颗粒自组装成球形气泡结构。
