CN107973621A - 一种基于石墨烯/纳米金涂层的反应岛及其制备方法和应用 - Google Patents

一种基于石墨烯/纳米金涂层的反应岛及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

一种基于石墨烯/纳米金涂层的反应岛及其制备方法和应用，反应岛表面由里到外依次涂覆有石墨烯和纳米金涂层。该加热装置原理简单、可操作性强，石墨烯/纳米金涂层具有优良的热传导性，在加热过程中能够实现能量低损耗升温。利用直径为1μm‑5cm的反应岛代替市面上简单的加热系统，能够实现高效的光热转换及热效应的调节。利用了石墨烯/纳米金的光热效应，在最高加热温度、温度上升速率等指标方面都有明显的提升；并可通过DSP综合系统控制整个光热过程，达到加热过程精密调控的目的。

Description

一种基于石墨烯/纳米金涂层的反应岛及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于纳米材料的光热效应领域，具体涉及一种基于石墨烯/纳米金涂层的光热效应的光加热装置。
背景技术
光热作用在生物医学领域是一个热门话题。纳米金具有表面等离子共振性质（SPR），可以将吸收的光能转化为热能释放出来，即纳米金的光热作用。纳米金周围的共同作用物质不同会导致纳米金的光热效应不同。纳米金表面的光热效应不仅可以为诸多传感器提供技术上的支持，并且可以为其他材料提供能量，本工艺实现了使用氧化石墨烯和石墨烯作为基底与纳米金涂层共同实现光热转换，对于未来的光热发展的应用有着很强的引导作用。在生物及医疗领域，纳米金与石墨烯或氧化石墨烯协同实现光热作用拥有着得天独厚的优势，在无毒性的条件下培养细胞，并且可以根据自己的需求来对细胞周围的环境进行加热，通过材料本身与细胞直接接触为细胞的生长提供能量支持。氧化石墨烯和石墨烯的稳定性为材料的制作提供了新的方向。
发明内容
解决的技术问题：本发明提供了一种衬底为石墨烯/纳米金涂层的高效的光加热装置，利用加热模块（红外激光发射装置+功率驱动电路）对石墨烯/纳米金涂层为衬底的反应岛进行加热，利用温控模块实时控制反应岛的温度实现对加热过程的精确调控，适用于恒定温度下的化学沉积及无毒环境下细胞培养。
技术方案：一种基于石墨烯/纳米金涂层的反应岛，反应岛表面由里到外依次涂覆有石墨烯和纳米金涂层。
基于石墨烯/纳米金涂层的反应岛的制备方法，步骤为：将反应岛充分洁净表面，之后用氮气吹干，再用硅烷化试剂进行处理，在其表面构建平整的氧化石墨烯片层；通过还原反应岛表面的氧化石墨烯，在表面涂覆纳米金涂层得到反应岛。
优选的，上述硅烷化试剂为丙酮和APTES的混合物，其中丙酮:APTES的质量比为（90:10）~（99.5:0.5）。
优选的，上述还原方法为：DMF和水合肼以质量比1:4配成还原试剂，将反应岛置于80℃环境中油浴24h，通过试剂的蒸汽来还原反应岛表面的氧化石墨烯，再以三氯甲烷洗净并用氮气吹干。
优选的，上述纳米金涂层的涂覆方法为：使用小型离子溅射仪在压力为10mbr/Pa和电流10-12mA的情况下离子溅射10s到3min。
上述基于石墨烯/纳米金涂层的反应岛在光加热装置中的应用。
优选的，上述光的波长为808nm。
有益效果：1、该加热装置原理简单、可操作性强，石墨烯/纳米金涂层具有优良的热传导性，在加热过程中能够实现能量低损耗升温。2、利用直径为1μm-5cm的反应岛代替市面上简单的加热系统，能够实现高效的光热转换及热效应的调节。3、利用了石墨烯/纳米金的光热效应，在最高加热温度、温度上升速率等指标方面都有明显的提升；并可通过DSP综合系统控制整个光热过程，达到加热过程精密调控的目的。
附图说明
图1为200nm氧化石墨烯的SEM图像及200nm石墨烯的SEM图像，对比结果清晰地显示了二者在表面平整性上的差别，(a)200nm氧化石墨烯的SEM图像；(b)200nm石墨烯的SEM图像。
图2为GO（氧化石墨烯）的红外吸收光谱及G（石墨烯）的红外吸收光谱图，结果为在800-900nm的波长范围内，氧化石墨烯和石墨烯均没有明显的吸收峰，可以证明在这段波长范围内，氧化石墨烯和石墨烯本身不具有光热作用，使用波长为808nm的近红外照射时，本身温度不会增强，排除本身产生光热效应造成的干扰；（a）GO的红外吸收光谱；（b）G的红外吸收光谱；
图3为光热图像，四条曲线代表的温度变化分别是：1、氧化石墨烯镀金；2、石墨烯镀金；3、载玻片镀金；4、空白载玻片，结果为在载玻片上的氧化石墨烯/纳米金涂层的光热效应（升温速率、终末温度）较载玻片及单镀纳米金的载玻片有显著的提升。
图4为氧化石墨烯表面镀金的光热效应及石墨烯表面镀金的光热效应图，结果为在升温结束后二者均具有很好的温度稳定性。其中：1、2、3分别代表第一次检测第二次检测和第三次检测，每次检测间隔2周，样品室温保存；(a) 氧化石墨烯表面镀金的光热效应稳定性；(b)石墨烯表面镀金的光热效应稳定性。
具体实施方式
以下实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
实施例1
选取加热材料转移到直径为50μm的石英石反应岛上，将反应岛充分洁净表面，在120℃的环境下置于食人鱼溶液中油浴10分钟，之后用氮气吹干，再用硅烷化试剂进行处理，在其表面构建平整的氧化石墨烯片层，表面未涂覆石墨烯/纳米金涂层。调节控温装置的参数，用808nm的红外光，90°的入射角对反应岛上的材料进行近红外加热，设置温度阈值为100℃。通过控温装置的温度传感器所提示的样品表面温度信息观察到在26s后样品表面温度（下简称温度）上升至40.9℃，并在139s左右达到50.9℃，300s后温度仍在不断变化，测得最高温度为53.7℃。说明未涂覆石墨烯/纳米金涂层的反应岛在光热中的升温的速率、最高加热温度以及稳定性上表现较差。
实施例2
选取加热材料转移到直径为50μm的石英石反应岛上，将反应岛充分洁净表面，在120℃的环境下置于食人鱼溶液中油浴10分钟，之后用氮气吹干，再用硅烷化试剂进行处理，在其表面构建平整的氧化石墨烯片层；表面用小型离子溅射仪涂覆厚度为20nm的纳米金涂层。调节控温装置的参数，用808nm的红外光，90°的入射角对反应岛上的材料进行近红外加热，设置温度阈值为100℃，调节红外光源与反应岛的距离为1cm（最小距离）。通过控温装置的温度传感器所提示的样品表面温度信息观察到在47s后样品表面温度上升至68℃，并在104s左右达到100℃，107s后温度保持稳定，且反应岛石墨烯/纳米金涂层状态良好，加热材料位于照射光斑中心并未观察到异常状况。说明涂覆有石墨烯/纳米金涂层的反应岛体系在加热性能（升温速率、最高加热温度、加热稳定性）上明显存在优势。
实施例3
选取加热材料转移到直径为50μm的聚苯乙烯反应岛上，将反应岛充分洁净表面，之后用氮气吹干，再用硅烷化试剂进行处理，在其表面构建平整的氧化石墨烯片层；表面用小型离子溅射仪涂覆厚度为30nm的纳米金涂层，调节控温装置的参数，用980nm的红外光，30°的入射角对反应岛上的材料进行近红外加热，设置温度阈值为100℃，调节红外光源与反应岛的距离为10cm（最大距离）。通过控温装置的温度传感器所提示的样品表面温度信息观察到在47s后温度上升至56℃，84s后温度上升至85℃，并在108s左右达到100℃，109s后温度保持稳定且反应岛氧化石墨烯/纳米金涂层状态良好，加热材料位于照射光斑中心并未观察到异常状况。说明低频的红外光（980nm）、非90°入射角、红外光源与反应岛处在最大距离的加热条件在加热速率上相比最优加热条件（808nm，90°入射角、1cm的光源与反应岛距离）在初期的加热过程中存在一定的差距。
实施例4
选取加热材料转移到直径为50μm的石英石反应岛上，将反应岛充分洁净表面，在120℃的环境下置于食人鱼溶液中油浴10分钟，之后用氮气吹干，再用硅烷化试剂进行处理，在其表面构建平整的氧化石墨烯片层再还原成石墨烯片层；表面用小型离子溅射仪涂覆厚度为30nm的纳米金涂层，调节控温装置的参数，用980nm的红外光，30°的入射角对反应岛上的材料进行近红外加热，设置温度阈值为100℃，调节红外光源与反应岛的距离为5cm。通过控温装置的温度传感器所提示的样品表面温度信息观察到在47s后温度上升至56℃，84s后温度上升至85℃，并在108s左右达到100℃，109s后温度保持稳定且反应岛石墨烯/纳米金涂层状态良好，加热材料位于照射光斑中心并未观察到异常状况。说明低频的红外光（980nm）、非90°入射角、红外光源与反应岛处在最大距离的加热条件在加热速率上相比最优加热条件（808nm，90°入射角、1cm的光源与反应岛距离）在初期的加热过程中存在一定的差距。

Claims (7)

1.一种基于石墨烯/纳米金涂层的反应岛，其特征在于反应岛表面由里到外依次涂覆有石墨烯和纳米金涂层。
2.权利要求1所述基于石墨烯/纳米金涂层的反应岛的制备方法，其特征在于步骤为：将反应岛充分洁净表面，之后用氮气吹干，再用硅烷化试剂进行处理，在其表面构建平整的氧化石墨烯片层；通过还原反应岛表面的氧化石墨烯，在表面涂覆纳米金涂层得到反应岛。
3.根据权利要求2所述基于石墨烯/纳米金涂层的反应岛的制备方法，其特征在于所述硅烷化试剂为丙酮和APTES的混合物，其中丙酮:APTES的质量比为（90:10）~（99.5:0.5）.。
4.根据权利要求2所述基于石墨烯/纳米金涂层的反应岛的制备方法，其特征在于所述还原方法为：DMF和水合肼以质量比1:4配成还原试剂，将反应岛置于80℃环境中油浴24h，通过试剂的蒸汽来还原反应岛表面的氧化石墨烯，再以三氯甲烷洗净并用氮气吹干。
5.根据权利要求2所述基于石墨烯/纳米金涂层的反应岛的制备方法，其特征在于所述纳米金涂层的涂覆方法为：使用小型离子溅射仪在压力为10mbr/Pa和电流10-12mA的情况下离子溅射10s到3min。
6.权利要求1所述基于石墨烯/纳米金涂层的反应岛在光加热装置中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于光的波长为808nm。
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