CN102909382A - 一种在有机溶剂中制备金属纳米颗粒的装置 - Google Patents

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Abstract

一种在有机溶剂中制备金属纳米颗粒的装置，包括有：一激光器，该激光器的光路上设置有一分束镜，将激光器的光路分成烧蚀光路和辐照光路；其中：烧蚀光路经过聚焦后通过一全反镜垂直照射在有机溶剂中的金属靶材上；辐照光路经过激光扩束器成为非聚焦激光对有机溶剂进行辐照；一吸收光谱仪，测量有机溶剂中金属纳米颗粒的大小和含量。本发明制备的金属纳米颗粒大小可控，颗粒度均一，且不含表面活性剂等化学杂质，可以广泛应用于生物、物理、化学等研究领域。

Description

一种在有机溶剂中制备金属纳米颗粒的装置
技术领域
本发明涉及一种在有机溶剂中制备金属纳米颗粒的装置，本发明制备的金属纳米颗粒纯净、大小可控且粒度均一。
背景技术
金属纳米颗粒在生物、物理、化学等领域有着广泛的应用。传统的制备方法是化学溶胶-凝胶法，该方法虽然产量高但过程复杂，一般的分散液是水，对于不同有机溶剂，需选用相应的稳定剂。在很多生物以及物理领域中，需要在各种有机溶剂中制备化学上“纯净”的金属纳米颗粒。比如，生物探测和成像需要无毒的银纳米颗粒，而化学方法合成的纳米颗粒多含有毒化学物质，需要经过复杂的处理才能安全应用；又如，金属纳米颗粒用于增强拉曼散射时，传统的柠檬酸盐还原法制备的金属纳米颗粒的拉曼增强活性随着胶体放置的时间而发生很大改变，需要一种化学“纯净”的胶体。
与化学方法相比，物理方法具有得天独厚的优势。1997年MarekProchazka等人就已经用激光烧蚀方法制备出银纳米颗粒，并应用于增强拉曼散射[Probing Applications of Laser-Ablated Ag Colloids in SERSSpectroscopy：Improvement of Ablation Procedure and SERS SpectralTesting，Analytical Chemistry，69(24)5103，1997]。实际应用中，人们希望制备颗粒度均匀，大小可控的金属纳米颗粒溶液。Fumitaka等人在溶液中添加适量十二烷基硫酸钠后，得到粒度均匀可控的金属纳米颗粒，但这种方法还是引入了表面活性剂，不能不说是一种“化学污染”。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在有机溶剂中制备金属纳米颗粒的装置，在激光烧蚀部分之外，添加激光辐照和实时监测组件，对纳米颗粒的大小和均匀性进行控制，从而在有机溶剂中制备出所需大小的单分散金属纳米颗粒胶体。
为实现上述目的，本发明提供的在有机溶剂中制备金属纳米颗粒的装置，包括有：
一激光器，该激光器的光路上设置有一分束镜，将激光器的光路分成烧蚀光路和辐照光路；其中：
烧蚀光路经过聚焦后通过一全反镜垂直照射在有机溶剂中的金属靶材上；
辐照光路经过激光扩束器成为非聚焦激光对有机溶剂进行辐照；
一吸收光谱仪，测量有机溶剂中金属纳米颗粒的大小和含量。
所述的装置，其中烧蚀光路和辐照光路中各设置有激光功率探测器。
所述的装置，其中烧蚀光路和辐照光路中均设置有衰减器控制光强。
所述的装置，其中有机溶剂和金属靶材均放置在比色皿中。
所述的装置，其中比色皿固定在底座上，以保证激光的良好聚焦。
所述的装置，其中比色皿可以从固定座上取下直接于吸收光谱仪上测量吸收谱。
所述的装置，其中金属靶材浸没于有机溶剂下方2cm。
本发明的优点是将激光烧蚀和激光辐照结合起来，对烧蚀过程以及晶粒生长过程进行控制，并用吸收谱进行监控，从而在有机溶剂中得到单分散的金属纳米颗粒。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图。
图2是实施例一制备的银纳米颗粒的紫外可见吸收谱。
图3是实施例一制备的银纳米颗粒的TEM图。
图4是实施例二制备的银纳米颗粒的紫外可见吸收谱。
图中组件符号说明：
激光器1；第一分束镜2；第二分束镜22；第三分束镜222；凸透镜3；第一激光功率探测器4；第二激光功率探测器44；全反镜5；比色皿6；比色皿固定台7；第一衰减器8；第二衰减器88；紫外-可见光栅光谱仪9；激光扩束器10。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供的在有机溶剂中制备金属纳米颗粒的装置，在激光器1的光路上设置有一片60％∶40％的分束镜2，将激光器的光路分成功率为60％的烧蚀光路，以及功率为40％的辐照光路。其中：
烧蚀光路由凸透镜3聚焦后再由全反射镜5垂直照射在比色皿6中。烧蚀光路中设置有激光功率探测器4和衰减器8，并将烧蚀光路中第三分光束222分出的部分光强用于监测和调节激光器的功率。
辐照光路由第二分束器22反射至激光扩束器10，将辐照光路变换为非聚焦激光，使扩束后的光束尽量覆盖比色皿6中的全部溶液，以保证溶液中各处的纳米颗粒受到作用。辐照光路中设置有第二激光功率探测器44和第二衰减器88，并将辐照光路中第三分光束22分出的部分光强用于监测和调节激光器的功率。
比色皿6用于盛放有机溶剂和金属靶材，金属靶材放置在有机溶剂液面下约2cm处。比色皿6固定在一个金属制成的比色皿固定台7中，固定后比色皿6受到激光冲击产生的位置漂移以及每次装卸时产生的位置误差远小于激光的瑞利散射长度，以保证激光的良好聚焦。
本发明在使用时的调整过程，首先调整烧蚀光路，使得光线垂直聚焦在浸没在溶液中的金属靶上。调整辐照光路时，应使扩束后的光束尽量覆盖整个溶液，以保证溶液中各处的纳米颗粒受到作用。具体操作过程中，可以根据需要单独打开烧蚀光路、辐照光路或者同时打开两路。增加烧蚀光路的功率，可以提高纳米颗粒产生的速率，同时会产生比较大的颗粒，此时需要同时打开辐照光路对产生的颗粒大小进行调整。
下面结合实例对本发明作进一步说明：
实施例一：在PGMEA中制备银纳米颗粒
激光光路分为图1所示上部的烧蚀光路和下部的辐照光路。使用Nd:YAG激光器产生的倍频光532nm，脉宽10ns，重复频率10Hz，分束后60％用于烧蚀，40％用于辐照。每一路均有衰减器以调节光强并分出40％用于监测功率。烧蚀光束经150mm石英透镜聚焦在浸没在有机溶液中的金属靶上。辐照光路经过扩束器辐照整个溶液。激光烧蚀出来了的金属纳米颗粒，在额外激光的辐照下，将会被融化并重新生长成大小均匀的颗粒。本发明的方法不引入额外的化学物质，而且通过控制生长过程可以控制生成纳米颗粒的大小。石英比色皿可以随时取下并直接放在光栅光谱仪中快速测量紫外-可见吸收谱。
在10mm光程比色皿6中盛装2ml丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)，将一小块直径为8mm，厚度为1mm的银片抛光，用30％硝酸浸泡20分钟后，清洗干净放入比色皿6中。将比色皿6固定在比色皿固定架7上，固定后比色皿受到激光冲击产生的位置漂移以及每次装卸长生的位置误差远小于激光的瑞利散射长度。
首先关闭辐照光路，将烧蚀光路功率调整到3mW左右，调整透镜3的位置，直至听到激光打在金属靶上产生的啪啪声，说明已经很好聚焦，然后调整石英比色皿6的角度以保证光束垂直打在金属靶上，从而得到最高的烧蚀效率。将烧蚀激光功率调节为150mW，辐照激光功率调节为200mW，烧蚀的同时辐照，进行15分钟。此时溶液变成黄色，测量吸收谱在400nm处有很强的吸收峰(如图2所示)，证明了银纳米颗粒的存在，显示纳米颗粒大小为15nm左右，且形状大小均匀(如图3所示)。
实施例二：在二甲基甲酰胺(DMF)中制备银纳米颗粒
银片处理、激光调整过程同上面实例，烧蚀功率仍为150mW，但不加辐照激光，烧蚀15分钟后，吸收谱在404nm处有较强的吸收峰，说明银纳米颗粒的存在，其紫外可见吸收谱如图4所示。

Claims (7)

1.一种在有机溶剂中制备金属纳米颗粒的装置，包括有：
一激光器，该激光器的光路上设置有一分束镜，将激光器的光路分成烧蚀光路和辐照光路；其中：
烧蚀光路经过聚焦后通过一全反镜垂直照射在有机溶剂中的金属靶材上；
辐照光路经过激光扩束器成为非聚焦激光对有机溶剂进行辐照；
一吸收光谱仪，测量有机溶剂中金属纳米颗粒的大小和含量。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，烧蚀光路和辐照光路中各设置有激光功率探测器。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，烧蚀光路和辐照光路中均设置有衰减器控制光强。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，有机溶剂和金属靶材均放置在比色皿中。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，比色皿固定在底座上，以保证激光的良好聚焦。
6.根据权利要求4所述的装置，其中，比色皿可以从固定座上取下直接于吸收光谱仪上测量吸收谱。
7.根据权利要求1或4所述的装置，其中，金属靶材浸没于有机溶剂下方2cm。
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