CN106076218A

CN106076218A - 微流控芯片及碳量子点的合成方法

Info

Publication number: CN106076218A
Application number: CN201610382852.0A
Authority: CN
Inventors: 聂富强; 宋国庆; 林佑昇; 陈红梅; 顾志鹏; 赵志海
Original assignee: SUZHOU WENHAO CHIP TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SUZHOU WENHAO MICROFLUIDIC TECHNOLOGY Co.,Ltd.
Priority date: 2016-06-01
Filing date: 2016-06-01
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2036-06-01
Also published as: CN106076218B

Abstract

本申请公开了一种微流控芯片及碳量子点的合成方法，该微流控芯片包括本体、以及形成于本体上的微通道，该微通道的一端形成有三个进样口，另一端形成有一出样口，所述微通道包括依次设置于进样口和出样口之间的混合通道和反应通道，所述混合通道包括交替设置的第一通道和第二通道，所述第一通道和第二通道具有不同的宽度和/或长度，所述反应通道由外向内螺旋后再从内向外螺旋。本发明在芯片上通过连续流的方法合成CDs。与体相工艺相比，反应条件温和，反应时间大大缩短。

Description

微流控芯片及碳量子点的合成方法

技术领域

本申请属于利用微流控技术合成纳米材料技术领域，特别是涉及一种微流控芯片及碳量子点的合成方法。

背景技术

碳量子点是一种尺寸在10 nm 以下，单分散性的准球形荧光碳纳米材料。自2004年在用电弧法合成碳纳米管的过程中无意间发现carbon dots (CDs) 的十余年以来，其凭借优异的物理、化学及生物学性能（如：光致发旋光性、亲水性、化学及光稳定性、生物兼容性、低细胞毒性、易于功能化及电子学特性等），在传感学、生物医学、光电子学及催化学等领域迅速获得了广泛的关注。

与此同时，微流控芯片技术（microfluidic chip）由于其小体积、高通量、自动化精确控制等优势，在微纳结构材料的合成领域展现出其优于宏观反应体系的优势。

目前CDs的合成方法已经趋于比较成熟，宏观体系下的合成方法主要可以归纳为两大类：自上而下(top-down)与自下而上(bottom-up)的合成方法。

自上而下法利用弧光放电、激光烧蚀、电化学氧化等手段，将尺寸较大的碳基材料（石墨烯、碳纳米管、活性炭、蜡烛燃烧灰等）剥离出小尺寸的CDs产品。自上而下的方法普遍存在碳源利用率低，尺寸控制困难，杂质多提纯困难的缺点。

自下而上的合成法则是利用化学氧化、热分解、微波加热等手段使小尺寸的碳前躯体（有机聚合物、生物分子、农副产品等）通过聚合碳化过程直接合成出表面含有各种官能团的CDs。自下而上的方法存在反应条件剧烈（如化学氧化法），过程难以控制（如弧光放电法），操作繁琐，容易产生操作误差，该类方法制备的CDs尺寸分布不均匀。

初步合成的CDs的荧光量子产率（quantum yield, QY）往往较低，性质单一，需要进行进一步的表面修饰、元素掺杂与钝化等处理，才能获得高荧光量子产率且具有实际应用价值的CDs产品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微流控芯片及碳量子点的合成方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开一种微流控芯片，包括本体、以及形成于本体上的微通道，该微通道的一端形成有三个进样口，另一端形成有一出样口，所述微通道包括依次设置于进样口和出样口之间的混合通道和反应通道，所述混合通道包括交替设置的第一通道和第二通道，所述第一通道和第二通道具有不同的宽度和/或长度，所述反应通道由外向内螺旋后再从内向外螺旋。

优选的，在上述的微流控芯片中，所述混合通道曲线延伸。

优选的，在上述的微流控芯片中，所述第一通道的深×宽×长为600μm×1000μm×2mm；所述第二通道的深×宽×长为600μm×400μm×3mm；所述反应通道的深×宽为800 μm× 1000 μm。

优选的，在上述的微流控芯片中，所述三个进样口与混合通道之间分别通过第一进样通道、第二进样通道和第三进样通道连通，所述第一进样通道和第二进样通道之间的夹角为30°，所述第二进样通道和第三进样通道之间的夹角为30°。

优选的，在上述的微流控芯片中，所述本体包括叠加设置的第一芯片层和第二芯片层，所述微通道凹设于所述第一芯片层的表面，所述第二芯片层与第一芯片层之间围成所述微通道，所述进样口和出样口开设于所述第一芯片层或第二芯片层上。

优选的，在上述的微流控芯片中，所述本体的材质为PMMA。

相应的，本申请还公开了一种碳量子点的合成方法，包括：

S1、将权利要求1至6任一所述的微流控芯片置于70-90℃的恒温条件中；

S2、第二进样口注入Cu(Ac)₂ 溶液，第一进样口和第三进样口注入抗坏血酸溶液，反应时间1-2小时;

S3、反应产物分散在溶液中从出样口流出，在室温下自然冷却，离心分离沉淀物，保留上清液，清除残余反应物和杂质，得到CDs浓缩液。

优选的，在上述的碳量子点的合成方法中，所述Cu(Ac)₂ 溶液流速为0.03-1 μl s⁻¹。

优选的，在上述的碳量子点的合成方法中，所述抗坏血酸溶液流速为0.07 μl s⁻¹。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明控制底物在微通道内温和条件下反应。从而实现自动化操作，条件可控，重现性好。

2、本发明通过反应物在微反应器内限制性热解法实现在合成过程中实现对产品尺寸的控制。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中微流控芯片的结构示意图；

图2所示为图1中A的放大示意图；

图3中，(A) CDs紫外可见吸收光谱; 及CDs浓缩液分别在白炽灯和波长365 nm紫外线光源下的对比；(B) CDs的激发和发射光谱；(C) TEM 图和粒径分布图； (D) HRTEM 图；

图4中，分别为本发明实施例获得的CDs的： (A) XPS 扫描全谱图 (B) C1s 部分谱图(C) FTIR 谱图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1和图2所示，微流控芯片，包括本体1、以及形成于本体上的微通道2，该微通道的一端形成有三个进样口24，另一端形成有一出样口21，微通道包括依次设置于进样口和出样口之间的混合通道22和反应通道23，混合通道22包括交替设置的第一通道221和第二通道222，第一通道221宽度大于第二通道222，和/或第一通道221的长度小于第二通道222，反应通道23由外向内螺旋后再从内向外螺旋。

该技术方案中，混合通道主要用以实现流经液体的混合，其通过交替设置且具有不同尺寸的通道构成，在一实施例中，第一通道221宽度大于第二通道222，在另一实施例中，第一通道221宽度大于第二通道222，同时第一通道221的长度小于第二通道222。

进一步的，混合通道曲线延伸。

优选的，第一通道的深×宽×长为600μm×1000μm×2mm；第二通道的深×宽×长为600μm×400μm×3mm；反应通道的深×宽为800 μm × 1000 μm。

该技术方案中，混合通道由蛇形信道组成，信道内设有大量的微结构，由连续的深×宽×长为600μm×1000μm×2mm宽通道和600μm×400μm×3mm狭窄的通道组成，通过对流体的多次挤压和舒张以提高混合效率；反应部分由螺旋信道组成，信道由深×宽为800 μm× 1000 μm 的通道组成，较大的尺寸和长度可保证较高的通量和较长的停留时间，从而实现CDs纳米颗粒的生长。

进一步地，三个进样口24与混合通道之间分别通过第一进样通道241、第二进样通道242和第三进样通道连通243，第一进样通道241和第二进样通道242之间的夹角为30°，第二进样通道242和第三进样通道243之间的夹角为30°。

本体1包括叠加设置的第一芯片层和第二芯片层，微通道凹设于第一芯片层的表面，第二芯片层与第一芯片层之间围成微通道，进样口和出样口开设于第一芯片层或第二芯片层上。本体的材质优选为PMMA。

以下以合成碳量子点为例对上述微流控芯片应用进行说明，但是应注意的是，本案微流控芯片同样可用于其它化学合成：尺寸较小的量子点及纳米簇的合成，包括Si、CdS、PbS、ZnO、CuInS₂量子点及金属纳米簇等。

碳量子点合成方法：

将微流控芯片置于80℃的恒温装置中，第二进样口注入5 mM Cu(Ac)₂ 溶液，流速为0.06 μl s⁻¹，其余两个进样口注入抗坏血酸溶液，流速为0.07 μl s⁻¹，总停留时间为100min。最后反应产物分散在溶液中从出口流出，在室温下自然冷却，14000转离心20min，保留上清液。之后利用透析管清除残余反应物和杂质，得到CDs浓缩液。

对获得的CDs进行测试，图3所示分别为，(A) CDs紫外可见吸收光谱; 及CDs浓缩液分别在白炽灯和波长365 nm紫外线光源下的对比；(B) CDs的激发和发射光谱；(C) TEM图和粒径分布图； (D) HRTEM 图。

图4所示分别为：(A) XPS 扫描全谱图 (B) C1s 部分谱图 (C) FTIR 谱图。

UV-vis, XPS, 红外光谱等表征结果表明CDs表面有丰富的羟基集团，具有极好的亲水性和稳定性。

X射线光电子能谱 (XPS) 用来表征CDs的化学组成与结构。结果表明存在两种元素，分别为碳(C1s, 286 eV)和氧(O1s, 533 eV; 图3 A)。能谱分析碳含量为58.77%。在C1s分峰后得到284.45 eV，286.05 eV和288.05 eV三个峰(图3 B)，分别对应于C=C, C-O和C=O键。傅里叶红外变换光谱FITR结果 (图3 C) 进一步表明，在3396 cm^-1附近存在广泛的吸收带，证明有大量羟基存在，从而有利于提高亲水性、稳定性以及在水中的分散性。同时，在 1000-1300 cm^-1处的吸收带既包括了C-OH 伸缩振动和-OH 弯曲振动，进一步表明了大量羟基的存在。

综上所述，本发明优点至少包括：

（1）反应条件温和(80 ℃)

（2）与体相合成工艺相比大大缩短了反应时间(100 min)。

（3）SEM 表征结果表明合成的CDs性能优异，粒径分布均匀（2-3nm），杂质少。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims

1.一种微流控芯片，其特征在于，包括本体、以及形成于本体上的微通道，该微通道的一端形成有三个进样口，另一端形成有一出样口，所述微通道包括依次设置于进样口和出样口之间的混合通道和反应通道，所述混合通道包括交替设置的第一通道和第二通道，所述第一通道和第二通道具有不同的宽度和/或长度，所述反应通道由外向内螺旋后再从内向外螺旋。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述混合通道曲线延伸。

3.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：

所述第一通道的深×宽×长为600μm×1000μm×2mm；

所述第二通道的深×宽×长为600μm×400μm×3mm；

所述反应通道的深×宽为800 μm × 1000 μm。

4.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述三个进样口与混合通道之间分别通过第一进样通道、第二进样通道和第三进样通道连通，所述第一进样通道和第二进样通道之间的夹角为30°，所述第二进样通道和第三进样通道之间的夹角为30°。

5.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述本体包括叠加设置的第一芯片层和第二芯片层，所述微通道凹设于所述第一芯片层的表面，所述第二芯片层与第一芯片层之间围成所述微通道，所述进样口和出样口开设于所述第一芯片层或第二芯片层上。

6.根据权利要求1或5所述的微流控芯片，其特征在于：所述本体的材质为PMMA。

7.一种碳量子点的合成方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的碳量子点的合成方法，其特征在于：所述Cu(Ac)₂ 溶液流速为0.03-0.1 μl s¹。

9.根据权利要求7所述的碳量子点的合成方法，其特征在于：所述抗坏血酸溶液流速为0.07 μl s¹。