CN103018492B - 一种物理粘附法制备pvdf微颗粒探针的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物理粘附法制备PVDF微颗粒探针的装置及方法，装置包括设置在基础台上的微操作器和显微镜，微操作器端头设置有“L型”探针夹，显微镜的镜头与“L型”探针夹相对设置。方法包括：制备5-20μm的PVDF微颗粒；使用粘附剂将所得微颗粒粘附于AFM无针尖探针微悬臂自由端，干燥固化后得到PVDF微颗粒探针。本发明适用于各种微颗粒探针的制备，其操作简单，实用性强。所制备PVDF微颗粒探针成本低，来源广泛，可用于不同水质条件下膜-污染物及污染物之间微观力的定量测定，以此来解析膜污染机理。

Description

一种物理粘附法制备PVDF微颗粒探针的装置及方法

技术领域

本发明属于原子力显微镜（AFM）探针制备领域，具体涉及一种物理粘附法制备PVDF微颗粒探针的装置及方法。

背景技术

原子力显微镜（AFM）自1986年问世以来，经过几十年的不断发展，以其原子级分辨率、无需进行样品预处理，并可在空气、真空、液态等不同环境下有效测定AFM探针与样品之间的相互作用力等特点，已被广泛地应用于生物、化学、胶体、环境等领域微观作用力的测定分析。但是，普通的AFM探针是由硅化物制备而成，所以用普通AFM探针测定的微观作用力是硅化物与样品之间的作用力，并不能满足广大研究者的应用要求，因此探针改性技术应运而生。其中Ducker及Butt等人提出的用成分已知的球形微颗粒探针取代普通探针测量微观作用力的探针改性技术受到了广泛的关注，此技术的核心就是在AFM微悬臂自由端粘附尺寸与成分已知的微颗粒得到AFM微颗粒探针，以此来测定微颗粒探针与特定样品表面间的相互作用力。与传统探针相比，微颗粒改性探针具有自身颗粒物成分已知、种类多、球形结构抗外界干扰的能力强、能有效定量测定微颗粒与被测样品表面间的微观作用力等优点。

微颗粒探针改性技术同样受到分离膜研究者的青睐，在过去的几年中，一些分离膜研究者以-COOH，-OH及牛血清蛋白（BSA）取代最典型的分离膜有机污染物腐殖质、多糖、蛋白质，制备了-COOH，-OH及BSA微颗粒探针，以此来测定微颗粒探针与不同污染程度的分离膜之间的相互作用力，从而得到污染物-膜及污染物-污染物之间的相互作用力，为分离膜污染机理解析提供了有价值的理论基础。但是，-COOH，-OH及BSA微颗粒不但价格昂贵、种类单一、来源范围窄、制备方法复杂，而且容易变性、成品率低、对保存条件、制备条件及测试环境的要求非常严格；此外，上述探针只是代表了分离膜污染物中的单一污染物，而且在复杂水质条件下容易和水中其他污染物相互反应，影响微观力的测定。基于此，本发明使用来源广泛，价格低，化学性能稳定，应用最广泛的膜材料之一——PVDF制备微颗粒探针。但是，直接购买的PVDF微颗粒粒径范围主要分布于30-200μm之间，小于20μm的微颗粒非常少，所以本发明采用熔融凝胶法制备5-20μm的PVDF颗粒，即在高温下使用PVDF的非溶剂和溶剂的混合液溶解PVDF，溶解过程溶剂不断蒸发，最后只剩下非溶剂，迅速冷却非溶剂与PVDF的混合液，使得PVDF凝胶固化。此方法不但有效去除了PVDF颗粒表面防团聚的活性剂，而且得到大量5-20μm的PVDF颗粒，可用于PVDF探针的制备。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，其目的之一是提供一种AFM微颗粒探针制备装置，该装置简单快捷、易于操作、实用性强、成本低。

本发明的另一目的在于提供基于该AFM微颗粒探针制备装置的物理粘附法制备PVDF微颗粒探针的方法。该方法流程简单、成本低、易于实现、实用性强。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

一种物理粘附法制备PVDF微颗粒探针的装置，包括：设置在基础台上的微操作器和显微镜，所述微操作器端头设置有“L型”探针夹，所述显微镜的镜头与“L型”探针夹相对设置。

进一步的，本发明所述装置中：

所述“L型”探针夹由“L型”连接杆螺纹连接在探针台上组合而成，所述探针台端面设置有放置AFM无针尖探针的探针槽，所述探针槽的上端设置有通过螺丝固定的簧片；所述簧片的延伸端、探针台的末端设置有用以支起簧片的“Ⅰ型”铜柱。

所述“L型”探针夹由不锈钢材料制作，其通过连接杆A端与微操作器相连；探针台通过螺纹与连接杆的B端相连且可0-360°任意旋转；AFM无针尖探针放置于设置在探针台上的探针槽中，由螺丝固定的簧片固定探针槽中的AFM探针；设置在探针台末端的“Ⅰ”型铜柱可竖直方向移动，用以支起簧片。

相应地，本发明给出了利用上述装置进行物理粘附法制备PVDF微颗粒探针的方法，该方法包括下述步骤：

1）将PVDF微颗粒置于有机溶剂含量为10wt%-20wt%的水溶液中，60—80℃搅拌1-2h后向水溶液中加入冰块，至水溶液温度达0℃；

2）将步骤1）所得含有PVDF微颗粒的水溶液超声分散10min，后用5μL移液枪移取水溶液至第一载玻片a表面，自然干燥后得到PVDF微颗粒，待用；

3）将AFM无针尖探针安装在设置于探针台上的探针槽内，通过微操作器控制夹持有AFM无针尖探针的探针台的三维移动；

4）将粘附剂液滴移至第二载玻片b表面，然后将第二载玻片b置于显微镜视野中；

5）将探针槽所在的平面朝下，通过微操作器控制“L型”探针夹的三维移动，使得夹持在探针槽内的AFM无针尖探针悬臂自由端粘上粘附剂；

6）将第二载玻片b从显微镜视野中移走，将步骤2）所得载有PVDF微颗粒的第一载玻片a移至显微镜视野下；

7）控制夹持有AFM无针尖探针微悬臂的探针台三维移动，将目的PVDF微颗粒粘附在AFM无针尖探针微悬臂自由端；

8）将粘附有PVDF微颗粒的AFM无针尖探针自探针台上取下，自然干燥后得到PVDF微颗粒探针。

进一步的，本发明所述方法中：

所述PVDF微颗粒是5-20μm的PVDF粒子。

所述有机溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜，N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种。

所述粘附剂包括但不限于环氧树脂或美国乐泰玻璃胶。

与现有的技术相比较，本发明的优点及有益效果为：该发明所用装置简单快捷、易于操作、实用性强、成本低。该发明通过使用熔融凝胶法制备5-20μm的PVDF微颗粒，方法简单易行，成本低。该发明制备的PVDF微颗粒探针与传统的用来解析膜污染机理的-COOH，-OH及BSA微颗粒探针相比较，不但价格低、来源广泛、对制备及测试环境无要求、不易变性，而且容易吸附各种污染物，得到多种实际污染物探针。

附图说明

图1是AFM探针制备装置系统图；

图2是“L型”探针夹示意图；

图3是5μm的PVDF微颗粒探针显微镜下视图；

图4是10μm的PVDF微颗粒探针显微镜下视图；

图5是20μm的PVDF微颗粒探针显微镜下视图；

图6是17μm的PVDF微颗粒探针显微镜下视图。

图中：1、微操作器；2、“L型”探针夹；3、显微镜；4、连接杆；5、探针台；6、螺丝；7、簧片；8、探针槽；9、“Ⅰ”型铜柱。

具体实施方式

以下结合具体实例对本发明进行进一步的说明，但是所述实例并不构成对本发明的限制。

本发明的装置见图1所示，包括设置在基础台上的微操作器1和显微镜3，微操作器1端头设置有“L型”探针夹2，显微镜3的镜头与“L型”探针夹2相对设置。

如图2所示，“L型”探针夹2由“L型”连接杆4螺纹连接在探针台5上组合而成，探针台5端面设置有放置AFM无针尖探针的探针槽8，探针槽8的上端设置有通过螺丝6固定的簧片7；簧片7的延伸端、探针台5的末端设置有用以支起簧片7的“Ⅰ型”铜柱9。该“L型”探针夹2采用不锈钢材料制作。

本发明的方法通过下述实施例做详细说明。

实施例1

1）将商业购买的PVDF微颗粒置于N，N-二甲基乙酰胺含量为20wt%的水溶液中，60℃下搅拌溶解1.5h后，停止对水溶液的加热，继续搅拌且往水溶液中不断加入冰块，直至混合液温度达到0℃；

此方法的主要机理是有机溶剂为PVDF溶剂，而水为PVDF非溶剂，PVDF在高温下搅拌溶解的过程中，有机溶剂不断挥发的同时PVDF粒子在不断溶解，其粒径也在不断减小，当有机溶剂挥发完全后迅速降温冷却，使得PVDF微颗粒在水溶液中迅速凝胶固化，得到小粒径的PVDF微颗粒。

2）将步骤1）所得含有PVDF微颗粒的水溶液超声分散10min，超声结束后用5μL移液枪移取水溶液到第一载玻片a表面；自然干燥后得到PVDF微颗粒，待用；

3）松开螺丝6，将置于探针槽8上方的簧片7沿90°移转，将AFM无针尖探针一端安装在探针槽8内，将簧片7沿-90°移转压至安放于探针槽8内的AFM无针尖探针上，然后拧紧固定簧片的螺丝6；最后用微操作器1上的固定螺丝将连接杆4的A端与微操作器1相连，此时可通过微操作器1控制AFM无针尖探针的三维移动；

4）使用5μL移液枪将311环氧树脂液滴移至第二载玻片b表面，然后将第二载玻片b置于显微镜3的视野中；

5）以连接杆4的B端为轴，旋转探针台5，使得探针槽8所在的平面朝下；然后通过微操作器1控制“L型”探针夹2的三维移动，即AFM无针尖探针的上下、左右、前后移动，从而来调节AFM无针尖探针微悬臂自由端与311环氧树脂的相对位置，调好后通过微操作器1控制微悬臂的上下移动，使得AFM无针尖探针悬臂自由端粘上311环氧树脂；

6）将第二载玻片b从显微镜3视野中移走，将步骤2）所得载有PVDF微颗粒的第一载玻片a移至光学显微镜3视野下；

7）在第一载玻片a表面找到5μm的PVDF微颗粒，通过微操作器1控制AFM探针悬臂的三维移动来调节微悬臂自由端与PVDF微颗粒的相对位置，然后调节控制夹持有AFM无针尖探针微悬臂的探针台5的上下移动，通过无针尖探针微悬臂自由端的311环氧树脂将PVDF粘附在悬臂自由端；

8）将探针台5进行180°旋转，将粘附有PVDF微颗粒的AFM无针尖探针自探针台5上取下，自然干燥得到PVDF微颗粒探针。

9）用“Ⅰ”型铜柱9顶起簧片7，松开固定簧片的螺丝6，用镊子取下所得PVDF微颗粒探针，制备结束。所得PVDF探针见图3所示。

实施例2、实施例3、实施例4

实施例2、3、4制备步骤及设备工艺流程同实施例1，具体制备条件如下表：

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种物理粘附法制备PVDF微颗粒探针的装置，其特征在于，包括设置在基础台上的微操作器(1)和显微镜(3)，所述微操作器(1)端头设置有“L型”探针夹(2)，所述显微镜(3)的镜头与“L型”探针夹(2)相对设置；

所述“L型”探针夹(2)由“L型”连接杆(4)螺纹连接在探针台(5)上组合而成，所述探针台(5)端面设置有放置AFM无针尖探针的探针槽(8)，所述探针槽(8)的上端设置有通过螺丝(6)固定的簧片(7)；所述簧片(7)的延伸端、探针台(5)的末端设置有用以支起簧片(7)的“Ⅰ”型铜柱(9)；

AFM无针尖探针微悬臂自由端粘附有PVDF微颗粒，PVDF微颗粒是9-20μm的PVDF粒子；

所述“L型”探针夹(2)由不锈钢材料制作，其通过连接杆(4)A端与微操作器(1)相连；探针台(5)通过螺纹与连接杆(4)的B端相连且0-360°任意旋转；由螺丝固定的簧片(7)固定探针槽中的AFM探针；设置在探针台(5)末端的“Ⅰ”型铜柱(9)竖直方向移动，用以支起簧片(7)。

2.一种基于权利要求1所述装置的物理粘附法制备PVDF微颗粒探针的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将PVDF微颗粒置于有机溶剂含量为10wt％-20wt％的水溶液中，在60—80℃下搅拌1-2h后向水溶液中加入冰块，至水溶液温度达到0℃；

2)将步骤1)所得含有PVDF微颗粒的水溶液用超声分散10min，后用5μL移液枪移取水溶液至第一载玻片a表面，自然干燥后得到PVDF微颗粒，待用；

3)将AFM无针尖探针安装在设置于探针台(5)上的探针槽(8)内；通过微操作器(1)控制夹持有AFM无针尖探针的探针台(5)的三维移动；

4)将粘附剂液滴移至第二载玻片b表面，然后将第二载玻片b置于显微镜(3)视野中；

5)将探针槽(8)所在的平面朝下，通过微操作器(1)控制“L型”探针夹(2)的三维移动，使得夹持在探针槽(8)内的AFM无针尖探针微悬臂自由端粘上粘附剂；

6)将第二载玻片b从显微镜(3)视野中移走，将步骤2)所得载有PVDF微颗粒的第一载玻片a移至显微镜(3)视野下；

7)控制夹持有AFM无针尖探针的探针台(5)三维移动，将目的PVDF微颗粒粘附在AFM无针尖探针微悬臂自由端；

8)将粘附有PVDF微颗粒的AFM无针尖探针自探针台(5)上取下，自然干燥后得到PVDF微颗粒探针；

所述PVDF微颗粒是9-20μm的PVDF粒子。

3.根据权利要求2所述的一种物理粘附法制备PVDF微颗粒探针的方法，其特征在于，所述有机溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜，N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种。

4.根据权利要求2所述的一种物理粘附法制备PVDF微颗粒探针的方法，其特征在于，所述粘附剂包括环氧树脂或美国乐泰玻璃胶。