一种高效的超大量液槽池制备方法
阅读说明：本技术 一种高效的超大量液槽池制备方法 (Efficient preparation method of ultra-large liquid tank ) 是由 陈斌 刘志文 于 2021-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高效的超大量液槽池制备方法,以碳酸二甲酯(DMC)为溶剂制备浓度为15%-20%(w/v,g/mL)的聚醋酸乙烯酯(PVAC)溶液作为壳前驱液,以水为溶剂制备10 vol%-70 vol%甘油溶液作为核前驱液,通过同轴静电纺丝技术,以碳支持膜直接接收纺丝纤维,从而得到由PVAC包裹水的纤维状可直接用于电子显微镜测试的液槽池。本方法可以在30 s内制备约9000个液槽池,极大地提高了液槽池的制备效率,整个流程中所使用的原材料价格低廉易获取,大幅度节约了成本；同时制备的大量液槽池都在同一个支撑膜或基底上,因而可在同样的外界条件下观测大量样品在真实液体环境下的行为,从而可以方便的用来做统计研究。(The invention discloses a high-efficiency preparation method of an ultra-large liquid tank, which is characterized in that a polyvinyl acetate (PVAC) solution with the concentration of 15-20% (w/v, g/mL) is prepared by taking dimethyl carbonate (DMC) as a solvent to serve as a shell precursor solution, a glycerol solution with the concentration of 10-70 vol% is prepared by taking water as a solvent to serve as a core precursor solution, and a carbon supporting film is used for directly receiving spinning fibers through a coaxial electrostatic spinning technology, so that the fibrous liquid tank which is wrapped by the PVAC and can be directly used for electron microscope testing is obtained. The method can prepare about 9000 liquid tank pools within 30 s, greatly improves the preparation efficiency of the liquid tank pools, has low price and easy acquisition of raw materials used in the whole process, and greatly saves the cost; meanwhile, a large number of prepared liquid tank pools are on the same supporting film or substrate, so that the behavior of a large number of samples in a real liquid environment can be observed under the same external condition, and the method can be conveniently used for statistical research.)
技术领域
本发明属于电子显微镜检测技术领域，具体涉及一种可直接用于电子显微镜测试的液槽池。
背景技术
电子显微镜能对材料和生物样品的结构及其演变动力学进行原子级别的实时观测。由于电子显微镜的腔体要求真空环境，因此一般用来表征的样品都是固态的。然而，很多真实的使役条件却是在液体环境中，如材料体系的电化学过程、催化、自组装等和生物体系的各种生理过程等。要想实现电镜观测液体下的样品行为，都是采用液槽池来进行的。液槽池一般由两块薄片组成，在薄片中间注入液体样品并密封。液槽池制备的难点在于：1）其成像窗口必须足够薄以使电子束能够透过；2）与此同时，如此薄的成像窗口材料必须有足够的强度以能够抵抗高真空带来的压强差。电子显微镜发明的几十年以来，研究人员从最开始尝试用三明治形状的薄铝箔来密封液体，一直发展到现在使用氮化硅/硅和石墨烯来制作液槽池。
近些年比较重要的发展总结如下。2003年，William等人首次报道了使用氮化硅/硅作为液槽池窗口，其高强度保证了高真空下的稳定，同时较低的原子序数也提高了液体环境下的空间分辨率。2009年，Zheng等人利用更薄的氮化硅薄膜制造出了独立液槽池，且分辩率达到了1 nm。同年，De Jonge等人给氮化硅液槽池加上了微管与注射泵，以使液槽池内部的液体可以循环流动，从而成功观察到池内大量样品的状态。2012年，Yuk等人通过双层石墨烯包裹液体方式制作成液槽池以观察铂的生长，其优异的分辨率归因于超薄的石墨烯材料。此外，也有一些石墨烯衍生的液槽池，如直接将石墨烯铺在非晶碳膜上。
尽管液槽池发展的一个方向，如分辨率在不断的改善，但是这些液槽池的制备方法普遍十分繁琐，其过程耗时、耗力且成本高昂，导致液槽池的使用受限。尤其是，当需要有大量的液槽池样品能进行统计行为研究时，以上制作液槽池的手段将难以胜任。因此，迫切需要一种简化的液槽池制备手段，使液体环境下的样本统计成为可能。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明将基于同轴静电纺丝技术，开发一种新型的液槽池制备技术，以达到高效超大量制备、成本低廉、即用型的目的。
本发明液槽池制备方法如下：
（1）原料：聚醋酸乙烯酯（170000 g/mol， Macklin），碳酸二甲酯（99%, Adamas），甘油（≥99% Greagent），超纯水。
（2）生产工艺流程图如图4所示；
（3）生产工艺过程：
1.液槽池采用同轴静电纺丝技术来制备，在纺丝前需要分别准备好核壳的前驱液。以碳酸二甲酯（DMC）为溶剂制备浓度为15%-20%（w/v, g/mL）的聚醋酸乙烯酯（PVAC）溶液作为壳前驱液，以水为溶剂制备10 vol%-70 vol%甘油溶液作为核前驱液（对于制备包含纳米颗粒的液槽池样品，只需在核前驱液中掺入对应的纳米颗粒即可）。核壳前驱液准备好后，将这些溶液分别转移到静电纺丝机的对应注射器中用于后续的纺丝过程；
2. 将核壳注射器置于能精确控制流速的微量泵上，在标压下保持温度为30-40℃，相对湿度为30-40%。通过同轴静电纺丝技术使核溶液与壳溶液形成泰勒锥并产生最终的核壳纳米纤维。纺丝时的电压为10-20 kV，同轴针头针尖到接收器的距离为10-20 cm；
3. 采用碳支持膜直接接收纺丝纤维，从而得到由PVAC包裹水的纤维状液槽池。此种方法制备的液槽池可直接用于电子显微镜测试。
本发明技术方案具有如下优点：
1.本发明可以在30 s内制备约9000个液槽池，极大地提高了液槽池的制备效率；
2.整个流程中所使用的原材料价格低廉易获取，大幅度节约了成本；
3.制备的大量液槽池都在同一个支撑膜上，因而可在同样的条件下观测液槽池中大量样品的行为，从而可以方便的用来做统计研究。
附图说明
：图1是本发明所制备的液槽池不同状态下透射电镜观测图；
图2是本发明液槽池中原位观测气泡变化示意图；
图3是本发明液槽池包含纳米颗粒时变化示意图；
图4是本发明生产工艺流程图。
具体实施方式
1. 取4 g PVAC分散于20 mL DMC中配制成20%（w/v）的分散液作为壳溶液；取1 mL甘油溶解于9 mL超纯水中配制成10 vol%的溶液作为核溶液；
2. 打开加热器和除湿器，控制温度和相对湿度分别为35℃和35%。取一片20 nm厚的碳支持膜，将其边缘贴在滚筒接收器上。调节同轴针头针尖到接收器的距离为15 cm；
3. 用两只10 mL注射器分别取足够的核溶液与壳溶液置于微量泵上，并将注射器分别连上同轴针头的核/壳进液口。先以较快的速度向前推进核/壳溶液使核溶液到达针口，擦去溢出的核/壳溶液；
4. 预设核溶液推料速度为1.12 mL/h，壳溶液推料速度为4.38 mL/h，纺丝电压为15 kV，滚筒转动速度为60 r/min。依次开启微量泵与电压，在静电纺丝的电流体动力过程中，液体在针口形成泰勒锥进而形成射流。壳溶液溶剂将快速挥发而形成聚合物外壳，核溶液会被保留在纤维状外壳中形成液槽池；
5. 喷射30 s后依次关闭电压、微量泵及滚筒，取下碳支持膜用于电子显微镜测试。
为了确认该液槽池的工作效果，我们将它置于透射电镜（TEM, TALOS F200X）进行表征。采用电镜中的电子束作为激发源，我们可以通过电荷耦合元件（CCD）相机实时观测液槽池中样品受激发后的动力学行为，举例几个典型应用如下。图1：透射电镜中典型的液槽池。（a）多液槽池图像。（b）单个液槽池的放大图像。（c）液槽池的结构示意图。（d）同一基底上多个液槽池的制备实现了同时观测多个样品体系（如气泡）的演化过程。这里演示了电子束激励下的三个气泡。这些气泡以不同的速度收缩，变化速率依次为气泡1 >气泡3 >气泡2。每个气泡的长度单位为纳米。
图1a给出了一个典型的多液槽池图像，可以看到几根线状的纤维，其中液槽池位于突出的珠子(用实心箭头标记)内。将液槽池图像进一步放大，可以观测到内部的气泡如图1b（实线箭头标记的暗处为液体，虚线箭头标记的亮处为气泡）。根据气泡形状，可以判断制备的液槽池形状为管状。图1c中给出了该液槽池的结构示意图，即PVAC聚合物外壳包裹的一条管状液体通道。
通过与文献中现有的液槽池制备方法相比，本方法可以在同一基底上高效制备大量的液槽池，一片直径3 mm碳支撑膜上的液槽池数量约为9000个（纺丝时间30 s）。这也使得多个液槽池中样品的动态过程可以在同一时间、同样外界的条件下进行观测，如图1d所示。在最初状态（0 s），三个相互独立的液槽池中各包含一个气泡，它们的长度分别是1950、1325、2700 nm。在电子束辐照8秒后，气泡的尺寸发生了变化，其中气泡2和气泡3分别在长度上收缩了大约6%和66%，气泡1收缩并消失。当电子束辐照16 s后，气泡2依旧存在而气泡3再次收缩至消失。这意味着这些不同大小尺寸的气泡在抵抗电子束辐照时会以不同的速率发生变化，印证了本方法可以用于统计性的研究大量液槽池样品在同一外界条件下的动力学行为。
我们进一步原位检测了不同的气泡动力学行为，包括气泡生长、气泡收缩、气泡稳定和气泡融合等过程（图2）。一系列电镜快照显示了气泡随时间的演化。(a)电子束激励下，大于临界尺寸的气泡趋于增长。(b)小于临界尺寸的气泡趋于收缩。(c)适当大小的气泡(达到稳定的临界尺寸)可以保持稳定。(d)当多个气泡共存时，它们会合并成单个气泡，然后单个气泡逐渐缩小，直到最终消失。不同时刻下每个气泡的长度单位为纳米。
举例说明: 对于气泡的生长（图2a），初始长度为1466 nm的气泡在电子束辐照后逐渐长大，当辐照6 s后长度增加到2857 nm (近2倍)。另一方面，一定数量的气泡长度会减小，如图2b中2421nm长度的气泡在激发过程中逐渐收缩，最终在10s时消失。然而，在适当的尺寸(稳定的临界尺寸)下，原气泡在辐照过程中是稳定的（图2c）。此外，如果同一液槽池内同时存在多个气泡（图2d），它们会在辐照后会合并成单个气泡（3 s），然后收缩直至最后消失（12 s）。
上述演示的是制备的液槽池的一个领域的应用，即研究气泡的各种动力学行为。同时，气泡演化产生的驱动力将驱动液体中纳米颗粒各种各样的运动，在自主纳米马达和药物输送方面具有潜在的应用前景。对于这里的大气泡，我们选择了两个尺寸相似的典型体系，即单个金纳米颗粒(对称形态；~ 50 nm；图3a和3c)和金团聚体(不对称形态；~ 70nm；图3b和3d)，展示了形态不对称效应对纳米结构样品运动的影响。图3（a，b）为金纳米颗粒与团聚体在透射电镜下拍到的运动快照，可由此得到颗粒和团聚体的运动轨迹并进而分析其扩散行为。图3 (c，d)为单个金纳米颗粒和金团聚体在液槽池内的透射电镜图像以及相应红色虚线框内的放大图像，可清晰分辨~10 nm的金颗粒。
这些金纳米结构样品在液体中的运动是由于电子束的辐照，气泡开始收缩导致液体流动引起的。因此，通过本产品可以实时观测纳米结构在液体中的运动状态。
综上所述，本方法适用于高效制备大量液槽池并进行统计性观测。相对于动辄百/千元一片的氮化硅薄膜或石墨烯薄膜，本方法极大的节约了材料成本。同时，本方法在30 s内即可得到 ~ 9000个液槽池，极大的节约了时间成本。
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