CN111298731B - 一种光驱动液体弹珠及其制备方法和运动方法 - Google Patents

一种光驱动液体弹珠及其制备方法和运动方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及界面浸润技术领域，提供了一种光驱动液体弹珠及其制备方法和运动方法。本发明提供的光驱动液体弹珠由液滴和疏水改性MXene粉末组成，所述疏水改性MXene粉末包裹在液滴表面。本发明提供的光驱动液体弹珠在非接触红外光照射下能够移动，具有光驱动特性；而且本发明提供的液体弹珠结构稳定，短时间内液体弹珠不会破裂，保证了液体弹珠内部液体在运输过程中不被污染。本发明还提供了所述光驱动液体弹珠的制备方法，本发明提供的制备方法简单，很好的满足了科研以及生产上对微流体运输的需要。

Description

一种光驱动液体弹珠及其制备方法和运动方法
技术领域
本发明涉及界面浸润技术领域，尤其涉及一种光驱动液体弹珠及其制备方法和运动方法。
背景技术
在液滴与纳米或者微米级疏水颗粒接触以后，这些疏水颗粒会自发转移至液滴表面，包裹并稳定液滴，形成液体弹珠。液体弹珠没有接触线，可以保证在不泄露内部液体的同时快速移动。这些特点使其在传感器、微流体和微反应器等领域具有非常大的潜在应用。
发明内容
本发明提供了一种光驱动液体弹珠，本发明提供的光驱动液体弹珠在近红外光照射下能够移动，具有光驱动特性。
本发明提供了一种光驱动液体弹珠，所述光驱动液体弹珠由液滴和疏水改性MXene粉末组成，所述疏水改性MXene粉末包裹在液滴表面。
优选的，所述光驱动液体弹珠的直径为2～20mm。
优选的，所述的液滴的成分包括水、甘油、水溶液或甘油水溶液。
优选的，所述疏水改性MXene粉末由MXene粉末经硅烷偶联剂改性得到。
本发明还提供了上述技术方案所述光驱动液体弹珠的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅烷偶联剂加入醇溶剂溶液中，再加入酸搅拌混合，然后再与MXene粉末混合进行改性反应，然后将反应物料依次进行过滤和滤饼烘干处理，得到疏水改性MXene粉末；
(2)在基底上平铺一层疏水改性MXene粉末，然后将液滴滴落在疏水改性MXene粉末上，晃动基底使液滴在疏水改性MXene粉末上滚动，直至液滴表面完全被疏水改性MXene粉末包覆，得到光驱动液体弹珠。
优选的，所述步骤(1)中醇溶剂与硅烷偶联剂的质量比为5～99:1～95；加入酸将醇溶剂和硅烷偶联剂混合物的pH调节至酸性；所述硅烷偶联剂和醇溶剂的总质量和MXene粉末的质量比为100:0.01～10。
优选的，所述步骤(1)中硅烷偶联剂、醇溶剂和酸搅拌混合的温度为20～30℃，时间为0.2～4h；改性反应的温度为20～30℃，时间为0.5～200h。
优选的，所述步骤(2)中平铺的疏水改性MXene粉末的厚度为0.2～20mm。
优选的，所述步骤(2)中所述液滴的体积为10～1000μL；所述滚动的时间为5～1200s。
本发明还提供了上述技术方案所述光驱动液体弹珠在近红外光驱动下的运动方法，包括以下步骤：
将光驱动液体弹珠放于水面，用红外激光笔照射，所述光驱动液体弹珠发生光驱动运动，所述近红外光波长为760～1000nm，所述红外激光笔的功率为1～3500mW；所述光驱动液体弹珠为上述技术方案任一项所述光驱动液体弹珠。
有益效果
本发明提供了一种光驱动液体弹珠，本发明提供的光驱动液体弹珠在非接触近红外光照射下能够移动，具有光驱动特性；而且本发明提供的液体弹珠结构稳定，短时间内液体弹珠不会破裂，保证了液体弹珠内部液体在运输过程中不被污染。
本发明还提供了所述光驱动液体弹珠的制备方法，本发明提供的制备方法简单，很好的满足了科研以及生产上对微流体运输的需要。
附图说明
图1为本发明实施例3改性前的MXene粉末的SEM图；
图2为本发明实施例3改性后的疏水改性MXene-2粉末的SEM图；
图3为Mxene液体弹珠光驱动运动轨迹图。
具体实施方式
本发明提供了一种光驱动液体弹珠，所述光驱动液体弹珠由液滴和疏水改性MXene粉末组成，所述疏水改性MXene粉末包裹在液滴表面。
本发明提供的光驱动液体弹珠中液滴的成分优选为水、甘油、水溶液或甘油水溶液。在本发明中，所述水溶液优选包括以水为溶剂的盐溶液、以水为溶剂的胶体溶液或以水为溶剂的细胞培养液，所述盐溶液的成分优选为氯化物水溶液，进一步优选为氯化钠水溶液，所述盐溶液的质量浓度优选为1％至饱和，进一步优选为4％至饱和；所述胶体溶液的成分优选为氢氧化铁胶体溶液或氢氧化铝胶体溶液；所述细胞培养液优选为大肠杆菌细胞培养液。
本发明提供的光驱动液体弹珠中疏水改性MXene粉末优选由MXene粉末经硅烷偶联剂改性得到。
本发明提供的光驱动液体弹珠在非接触式红外光照射下，液体弹珠的移动效率高，移动速度快，移动位置准确；而且本发明提供的液体弹珠结构稳定，短时间内液体弹珠不会破裂，保证了内部液体在运输过程中不被污染。本发明还提供了上述技术方案所述光驱动液体弹珠的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅烷偶联剂加入醇溶剂中，再加入酸搅拌混合，然后再与MXene粉末混合进行改性反应，然后将混合物料依次进行过滤、滤饼烘干处理，得到疏水改性MXene粉末；
(2)在基底上平铺一层疏水改性MXene粉末，然后将液滴滴落在所述疏水改性MXene粉末上，晃动基底使液滴在疏水改性MXene粉末上滚动，直至液滴表面完全被MXene粉末包覆，得到光驱动液体弹珠。
本发明将硅烷偶联剂、醇溶剂和酸搅拌混合，然后再与MXene粉末搅拌混合，然后将混合物料依次进行过滤、滤饼烘干处理，得到疏水改性MXene粉末。
本发明先将硅烷偶联剂加入醇溶剂中，后加入酸搅拌混合，所述醇溶剂优选为甲醇(AR)、乙醇(AR)或异丙醇(AR)，更优选为乙醇(AR)；所述硅烷偶联剂优选为全氟代硅烷，更优选为1H,1H,2H,2H-全氟辛基三甲氧基硅、1H,1H,2H,2H-全氟葵基三甲氧基硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟葵基三乙氧基硅烷或1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷。在本发明中，所述醇溶剂与硅烷偶联剂的质量比优选为5～99:1～95，进一步优选为50～99:1～50，更优选为99:1；所述酸优选盐酸(AR)、醋酸(AR)或硝酸(AR)，本发明加入酸将醇溶剂和硅烷偶联剂混合物的pH值调节至酸性，优选为调节pH值至1～6，进一步优选为3.5～4.5，更优选为4；所述酸的加入方式优选为滴入。在本发明中，所述搅拌混合的温度优选为20～30℃，所述搅拌混合的时间优选为0.2～4h，进一步优选为0.5～2h，更优选为1h。
搅拌混合完成后，将MXene粉末倒入上述混合溶液中混合进行改性反应。在本发明中，所述MXene粉末优选为单层或多层Ti3C2Tx粉末，其来源没有特别要求，采用市售商品即可。在本发明中，所述硅烷偶联剂和醇溶剂的总质量和MXene粉末的质量比优选为100:0.01～10，进一步优选为100:0.1～5，更优选为100:0.2；所述搅拌混合的温度优选为20～30℃，时间优选为0.5～200h，进一步优选为0.5～10h，更优选为2h。本发明在改性反应过程中，所述硅烷偶联剂中的疏水基团与MXene粉末上的羟基官能团连接，实现对MXene粉末的改性，得到疏水改性MXene粉末。
改性反应完成后，本发明将反应料液依次进行过滤、滤饼烘干处理，得到疏水改性MXene粉末。
得到疏水改性MXene粉末后，本发明在基底上平铺一层疏水改性MXene粉末，然后将液滴滴落在所述疏水改性MXene粉末上，晃动基底使液滴在疏水改性MXene粉末上滚动，直至在液滴表面完全被疏水改性MXene粉末包覆，得到光驱动液体弹珠。
在本发明中，所述平铺的疏水改性MXene粉末的厚度优选为0.2～20mm，进一步优选为0.2～10mm，更优选为2mm。在本发明中，所述滴落的液滴的体积优选为10～1000μL，进一步优选为10～100μL，更优选15μL。在本发明中，所述液滴在疏水改性MXene粉末上滚动的时间优选为5～1200s，进一步优选为10～50s，更优选为30s。
本发明还提供了上述技术方案所述光驱动液体弹珠在近红外光驱动下的运动方法，包括以下步骤：
将光驱动液体弹珠放于水面，用红外激光笔照射，所述光驱动液体弹珠发生光驱动运动。在本发明中，所述红外光的入射角优选为0～90°，进一步优选30～60°，更优选45°；所述红外光的波长优选为760～1000nm，进一步优选760～840nm，更优选800nm；所述红外激光笔的功率优选为1～3500mW，进一步优选200～1400mW，更优选800mW。
本发明提供的方法简单，很好地满足了科研以及生产上对微流体运输的需要。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
本实施例制备疏水改性MXene-0粉末：
将99g乙醇，1g 1H,1H,2H,2H-全氟辛基三甲氧基硅烷混合后，滴入盐酸溶液调节pH为4，混合常温下搅拌1h后，将0.2g Ti3C2Tx粉末加入上述混合溶液中，继续搅拌1h，然后经过滤和烘干，获得疏水改性MXene-0粉末。
实施例2
本实施例说明制备疏水改性MXene-1粉末：
将50g乙醇，50g 1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷，滴入盐酸溶液调节pH为3.5,混合常温下搅拌0.5h后，将0.1g Ti3C2Tx粉末加入上述混合溶液中，继续搅拌0.5h，然后经过滤和烘干，获得疏水改性MXene-1粉末。
实施例3
本实施例说明制备疏水改性MXene-2粉末：
同实施例1，区别在于所使用的硅烷偶联剂为1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷，获得疏水改性MXene-2粉末。
改性前的MXene粉末的SEM图如图1所示，通过实施例3改性后的疏水改性MXene-2粉末的SEM图如图2所示，由图1和图2可知，改性后的MXene粉末形貌与改性前的MXene粉末形貌类似，说明改性对MXene的粉末形貌影响不大。
实施例4
本实施例说明制备疏水改性MXene-3粉末：
将99g乙醇，1g 1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷，滴入盐酸溶液调节pH为4.5，常温下搅拌2h后，将5g Ti3C2Tx粉末加入上述混合溶液中，继续搅拌10h，然后经过滤和烘干，获得疏水改性MXene-3粉末。
实施例5
本实施例说明疏水改性的MXene-0粉末制备光驱动液体弹珠：
在不亲水玻璃培养皿底部铺满一层2mm厚疏水改性MXene-0粉末，使粉末完全覆盖表面；
使用微量注射器滴下纯水15μL，使液滴落在疏水改性MXene-0粉末上；
液滴在疏水改性MXene-0粉末上滚动30s，使得部分疏水改性MXene-0粉末转移至液滴表面，液滴表面完全被黑色疏水改性MXene-0粉末包裹，形成MXene-0液体弹珠。
实施例6
本实施例说明疏水改性MXene-1粉末制备光驱动液体弹珠：
同实施例5，区别在于在玻璃培养皿底部铺满一层2mm厚疏水改性MXene-1粉末，形成MXene-1液体弹珠。
实施例7
本实施例说明疏水改性MXene-2粉末制备光驱动液体弹珠：
同实施例5，区别在于在玻璃培养皿底部铺满一层2mm厚疏水改性MXene-2粉末，形成MXene-2液体弹珠。
实施例8
本实施例说明疏水改性MXene-3粉末制备光驱动液体弹珠：
同实施例5，区别在于在玻璃培养皿底部铺满一层2mm厚疏水改性MXene-3粉末，形成MXene-3液体弹珠。
实施例9
本实施例说明制备光驱动液体弹珠MXene-2-1：
同实施例7，区别在于采用的液滴是NaCl水溶液(NaCl:4％wt)，获得液体弹珠标记为MXene-2-1。
实施例10
本实施例说明制备光驱动液体弹珠MXene-2-2：
在玻璃培养皿底部铺满一层0.2mm厚的疏水改性MXene-2粉末，使粉末完全覆盖表面；
使用微量注射器滴下纯水10μL，使液滴落在疏水改性MXene-2粉末上；
液滴在粉末上滚动10s，使得部分疏水改性MXene-2粉末转移至液滴表面，液滴表面完全被黑色疏水改性MXene-2粉末包裹，形成MXene-2-2液体弹珠。
实施例11
本实施例说明制备光驱动液体弹珠MXene-2-3：
在玻璃培养皿底部铺满一层10mm厚的疏水改性MXene-2粉末，使粉末完全覆盖表面；
使用微量注射器滴下纯水100μL，使液滴落在疏水改性MXene-2粉末上；
液滴在疏水改性MXene-2粉末上滚动50s，使得部分疏水改性MXene-2粉末转移至液滴表面，液滴表面完全被黑色疏水改性MXene-2粉末包裹，形成MXene-2-3液体弹珠。
性能测试
实施例12～14为采用不同光照条件对光驱动液体弹珠MXene-2的光驱动性能进行测试：
实施例12
将MXene-2液体弹珠放于水面，用红外激光笔照射，波长760nm，功率200mW，将该测试过程下的液体弹珠记录为MXene-2-4，入射角度30°，性质见表1。
实施例13
将MXene-2液体弹珠放于水面，用红外激光笔照射，波长800nm，功率800mW，入射角度45°，为便于记录，将该测试过程下的液体弹珠记录为MXene-2-5，液体弹珠性质见表1。
实施例14
将MXene-2液体弹珠放于水面，用红外激光笔照射，波长840nm，功率1400mW，入射角度90°，为便于记录，将该测试过程下的液体弹珠记录为MXene-2-6，液体弹珠性质见表1。
实施例15
本实施例说明红外光驱动MXene-1液体弹珠的光驱动性质：
将MXene-1液体弹珠放于水面，用红外激光笔照射，波长800nm功率800mW，入射角度45°，液体弹珠性质见表1。
实施例16
本实施例说明红外光驱动MXene-3液体弹珠的光驱动性质：
将MXene-3液体弹珠放于水面，用红外激光笔照射，波长800nm，功率800mW，入射角度45°，液体弹珠性质见表1。
实施例17
本实施例说明红外光驱动MXene-2-1液体弹珠的光驱动性质：
将MXene-2-1液体弹珠放于水面，用红外激光笔照射，波长800nm，功率800mW，入射角度45°，液体弹珠性质见表1。
实施例18
本实施例说明红外光驱动MXene-2-2液体弹珠的光驱动性质：
将MXene-2-2液体弹珠放于水面，用红外激光笔照射，波长800nm，功率800mW，入射角度45°，液体弹珠性质见表1。
实施例19
本实施例说明红外光驱动MXene-2-3液体弹珠的光驱动性质：
将MXene-2-3液体弹珠放于水面，用红外激光笔照射，波长800nm，功率800mW，入射角度45°，液体弹珠性质见表1。
实施例20
本实施例说明红外光驱动MXene-0液体弹珠的光驱动性质：
将MXene-0液体弹珠放于水面，用红外激光笔照射，波长800nm，功率800mW，入射角度45°，液体弹珠性质见表1。
对比例1
本对比例说明未经疏水改性的MXene-4粉末制备光驱动液体弹珠：
在不亲水玻璃培养皿底部铺满一层2mm厚未经疏水改性的MXene粉末，使粉末完全覆盖表面；
使用微量注射器滴下纯水15μL，使液滴落在未经疏水改性的MXene粉末上；
液滴在未经疏水改性的MXene粉末上滚动30s，使得部分未经疏水改性的MXene粉末转移至液滴表面，液滴表面完全被黑色未经疏水改性的MXene粉末包裹，形成MXene-4液体弹珠。
对比例2
本对比例说明对比例1制备得到的红外光驱动液体弹珠MXene-4的光驱动性质：
将对比例1制备得到的MXene-4液体弹珠放于水面，用红外激光笔照射，波长800nm，激光笔功率800mW，入射角度45°，液体弹珠性质见表1。
表1不同实验方法制备得到的液体弹珠性质
Figure BDA0002401290030000091
Figure BDA0002401290030000101
由表1可知，本发明所有实施例提供的液体弹珠均可在光驱动下进行移动。实施例13、实施例17和实施例20所获得的液体弹珠具有较好的性能，弹珠维持时间长、移动速度快和移动位置准确。实施例12和实施例13进行对比可知：激光功率和激光照射角度对液体弹珠的移动速度以及移动精度有一定影响；实施例13和实施例20对比可知：采用不同的硅烷偶联剂对液体弹珠的性质也有一定影响，1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷制备的液体弹珠具有更好的性能；实施例13、实施例15和实施例16对比可知：硅烷偶联剂水解过程各原料配比以及溶液pH对硅烷偶联剂的水解有一定影响，进而影响了所制备的液体弹珠的性能；实施例13、实施例18和实施例19对比可知：制备液体弹珠过程中疏水改性MXene粉末厚度，液滴体积，滚动时间对液体弹珠的性能有一定影响。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种光驱动液体弹珠，其特征在于，所述光驱动液体弹珠由液滴和疏水改性MXene粉末组成，所述疏水改性MXene粉末包裹在液滴表面；
所述光驱动液体弹珠的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅烷偶联剂加入醇溶剂中，再加入酸搅拌混合，然后再与MXene粉末混合进行改性反应，然后将反应物料依次进行过滤和滤饼烘干处理，得到疏水改性MXene粉末；
(2)在基底上平铺一层疏水改性MXene粉末，然后将液滴滴落在疏水改性MXene粉末上，晃动基底使液滴在疏水改性MXene粉末上滚动，直至液滴表面完全被疏水改性MXene粉末包覆，得到光驱动液体弹珠；
所述步骤(1)中醇溶剂与硅烷偶联剂的质量比为5～99:1～95；加入酸将醇溶剂和硅烷偶联剂混合物的pH值调节至酸性；所述硅烷偶联剂和醇溶剂的总质量和MXene粉末的质量比为100:0.01～10；
所述MXene粉末为单层或多层Ti3C2Tx粉末。
2.根据权利要求1所述的光驱动液体弹珠，其特征在于，所述光驱动液体弹珠的直径为2～20mm。
3.根据权利要求1所述的光驱动液体弹珠，其特征在于，所述液滴的成分包括水、甘油、水溶液或甘油水溶液。
4.根据权利要求1所述的光驱动液体弹珠，其特征在于，所述疏水改性MXene粉末由MXene粉末经硅烷偶联剂改性得到。
5.权利要求1～4任一项所述光驱动液体弹珠的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅烷偶联剂加入醇溶剂中，再加入酸搅拌混合，然后再与MXene粉末混合进行改性反应，然后将反应物料依次进行过滤和滤饼烘干处理，得到疏水改性MXene粉末；
(2)在基底上平铺一层疏水改性MXene粉末，然后将液滴滴落在疏水改性MXene粉末上，晃动基底使液滴在疏水改性MXene粉末上滚动，直至液滴表面完全被疏水改性MXene粉末包覆，得到光驱动液体弹珠；
所述步骤(1)中醇溶剂与硅烷偶联剂的质量比为5～99:1～95；加入酸将醇溶剂和硅烷偶联剂混合物的pH值调节至酸性；所述硅烷偶联剂和醇溶剂的总质量和MXene粉末的质量比为100:0.01～10。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中硅烷偶联剂、醇溶剂和酸搅拌混合的温度为20～30℃，时间为0.2～4h；改性反应的温度为20～30℃，时间为0.5～200h。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中平铺的疏水改性MXene粉末的厚度为0.2～20mm。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述液滴的体积为10～1000μL；所述滚动的时间为5～1200s。
9.一种光驱动液体弹珠在近红外光驱动下的运动方法，包括以下步骤：
将光驱动液体弹珠放于水面，用红外激光笔照射，所述光驱动液体弹珠发生光驱动运动，所述近红外光波长为760～1000nm，所述红外激光笔的功率为1～3500mW；
所述光驱动液体弹珠为权利要求1～4任一项所述光驱动液体弹珠。
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