量子點合成全連續(xù)微反應器設計與制作-開題-課件

量子點合成全連續(xù)微反應器的設計與制作

黃永指導教師：欒偉玲副教授EASTCHINAUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYShangHai，2019量子點合成全連續(xù)微反應器的設計與制作黃永內(nèi)容提綱1.背景與可行性分析2.微反應器的加工與制作3.微反應系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計4.研究內(nèi)容與創(chuàng)新點5.當前工作、難點及進度安排內(nèi)容提綱1.背景與可行性分析2.微反應器的加工與2一、背景與可行性分析量子點也稱半導體納米晶體。當半導體納米粒子的尺寸與其電子空穴半徑相接近時，由于電子波函數(shù)的量子限制效應，半導體納米粒子能帶的有效帶隙隨粒子的半徑減少而增加，導致吸收光譜和熒光光譜的藍移……量子點微反應器全連續(xù)微反應器是把化學或生物的反應過程微縮到一塊由幾個不同執(zhí)行功能微器件所構(gòu)成的大小為幾平方厘米的平臺上，實現(xiàn)反應過程的自動化、集成化、精密化和連續(xù)性。徽反應器具有狹窄規(guī)整的微通道、小反應空間和大的比表面積……一、背景與可行性分析量子點也稱半導體納米晶體。當半導體納米粒3一、背景與可行性分析量子點

光譜性質(zhì)主要取決于半導體納米粒子的半徑大小，通過改變粒子的大小可獲得從紫外到近紅外范圍內(nèi)任意點的光譜。小的量子點產(chǎn)生短波長的光子，看起來是藍色，越大的點，光子的波長越大，所發(fā)出的光也越紅。如用ZnS包裹的CdSe量子點，直徑2.1nm，發(fā)射綠光，直徑4.6nm發(fā)射紅光，改變其直徑可獲得從藍色到紅色波長范圍內(nèi)的發(fā)射光譜。量子點由于有以上的優(yōu)勢，在生物醫(yī)用、遠程通訊等領域都有廣泛的應用和巨大的市場潛力。用量子點標記活細胞能同時標記多種不同類型的蛋白質(zhì)或活細胞，為生物、醫(yī)學等研究帶來了重大突破。一、背景與可行性分析量子點量子點由于有以上的優(yōu)勢，4一、背景與可行性分析全連續(xù)微反應器全連續(xù)微反應器是把化學或生物的反應過程微縮到一塊由幾個不同執(zhí)行功能微器件所構(gòu)成的大小為幾平方厘米的平臺上，實現(xiàn)反應過程的自動化、集成化、精密化和連續(xù)性。由于微反應系統(tǒng)體積小、攜帶性強、調(diào)控精確度高、連續(xù)性強，便于集成和大量生產(chǎn)，不僅可用于化學反應，在分析、細胞培養(yǎng)、臨床診斷、藥物篩選和生命科學等領域都有廣泛的應用。微反應器及其他微通道設備的通道特征尺寸(當量直徑)數(shù)量級是微米級，而典型的實驗裝置和生產(chǎn)裝置分別不超過1000平方米/立方米和100平方米/立方米。一、背景與可行性分析全連續(xù)微反應器微反應器及其他微通5一、背景與可行性分析精確反應空間尺度小，擴散作用增強，應時間縮短，比表面積大，化學反應簡單、精確。節(jié)約能耗低、物耗少、污染小。每種樣品所消耗的試劑僅幾微升至幾十微升，成本很低。通用改變原料溶液的種類和相應的溫控、微反應系統(tǒng)就可以完成不同量子點的合成。安全可避免合成過程中部分原料的易燃、易爆、有毒等性質(zhì)造成負面影響。方便便攜，可實現(xiàn)在產(chǎn)品使用地的就地生產(chǎn)和供貨，使得量子點更加新鮮、功能更好。

優(yōu)點一、背景與可行性分析精確反應空間尺度小，擴散作用增強，應時6一、背景與可行性分析研究現(xiàn)狀1982年，瑞典斯德哥爾摩表面化學研究所的Boutonnet等首先在微反應器中制備了可用于生物殺菌和催化的Pt、Pd、Re、Ir等金屬團簇。2019年英國倫敦皇家學院的Mello等人報道了利用芯片反應器合成CdS量子點的結(jié)果。美國加州大學伯克利分校的Alivisatos小組利用玻璃基板上的微通合成了高質(zhì)量的量子點，而且通過熒光CCD進行合成量子點性能的在線監(jiān)測，詳細地研究了CdSe量子點在微流環(huán)境中的晶粒生長控制。2019年，麻省理工大學的Bawendi研究小組在石英毛細管微反應系統(tǒng)中合成了性能優(yōu)異的CdSe量子點。2019年日本產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所的Nakamura小組用氧化硅毛細管作為微反應器利用三正辛基氧化膦(TOPO)和三正辛基膦(TOP)的混合物合成了ZnS包裹的CdSe納米晶，實現(xiàn)了CdSe納米晶的連續(xù)生產(chǎn)。一、背景與可行性分析研究現(xiàn)狀7二、微反應器的加工制作技術加工性能

費用

鍵合

強度

批量加工

硅OXOOO石英OXXOX玻璃OOOOO塑料OOOOO陶瓷OXXOX硅橡膠

OOOOOO：一般或合適

X：差加工材料的選擇二、微反應器的加工制作技術加工性能費用鍵合強度批量加8二、微反應器的加工制作技術常用加工方法通常微反應器的制作需綜合運用多種微加工技術，目前常用的方法有：單晶材料的整體微加工技術，低壓等離子體或離子束干式刻蝕法，光刻、電鑄和塑模結(jié)合的工藝(LIGA工藝)，微模塑技術，玻璃的濕式化學刻蝕，銑、削、鋸、模壓、沖孔和鉆孔等精加工技術，金屬薄片的各向同性濕式化學刻蝕，微電火加工技術(μEDM)和激光燒蝕技術等。

實驗室采用的方案目前，實驗室設計制作微流控芯片的主要材料是玻璃，預加工方法上選擇光學曝光后進行濕法刻蝕的方案。實驗當中，我們選擇了鉻板玻璃，其特點是來源方便，價格適中，可加工性好。槽道采用濕法刻蝕加工，腐蝕出完整的玻璃通道后進行鍵合。二、微反應器的加工制作技術常用加工方法通常微反應器的制作需綜9二、微反應器的加工制作技術玻璃的濕法刻蝕工藝玻璃基板的制備設計并打印掩膜曝光與顯影洗鉻、腐蝕、清洗動態(tài)表面改性二、微反應器的加工制作技術玻璃的濕法刻蝕工藝10二、微反應器的加工制作技術玻璃芯片的封裝鍵合微加工得到的玻璃或聚合物材料平面上的開放的微通道結(jié)構(gòu)需要通過可靠封合形成微管路，這樣才能應用于微分析系統(tǒng)。根據(jù)原理不同，封合可分為物理封合和化學鍵合。實驗中我們可以考慮多種鍵合方式并用的方法來完成芯片的封合過程，主要有熱鍵合、膠黏結(jié)劑鍵合、表面活化輔助鍵合等。

表面活化輔助鍵合：采用表面化學活化材料使玻璃產(chǎn)生羥基，利用玻璃表面硅羥基的縮合作用實現(xiàn)封合。實驗中我們采用NH4OH和H2O2溶液浸泡，然后在硅酸鈉溶液中鍵合，可滿足小型芯片的封合需要。二、微反應器的加工制作技術玻璃芯片的封裝鍵合11三、微反應系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計微通道具有極佳的傳熱特性，溶液流經(jīng)該通道后可被迅速加熱至形核溫度……彎道流道比三角形流道具有更好的混合效果好和良好的擴散能力……拋物線流型使得粒子尺寸分布范圍較大，引入氣液分段結(jié)構(gòu)后可顯著改善……混合傳熱流型流道中的理論分析三、微反應系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計微通道具有極佳的傳熱特性，溶液流經(jīng)該12三、微反應系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計兩種槽道結(jié)構(gòu)混合效果對比

三、微反應系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計兩種槽道結(jié)構(gòu)混合效果對比

13三、微反應系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計微槽道內(nèi)傳熱流型與氣液分段以內(nèi)徑為200μm的石英毛細管為例，將原料液從20℃加熱到299℃僅需0.28s。拋物線流型導致壁面附近的晶粒較大，在流動的液體中引入氣體，用形成的氣泡將液體均勻的分隔開，使不同部位的流體在通道中的停留時間相同，合成產(chǎn)物粒徑分布窄。三、微反應系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計微槽道內(nèi)傳熱流型與氣液分段以內(nèi)徑為214三、微反應系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計微反應系統(tǒng)的構(gòu)建與預定設計方案模擬合成系統(tǒng)流程混合芯片與反應芯片加熱圈三、微反應系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計微反應系統(tǒng)的構(gòu)建與預定設計方案模擬合15四、任務總結(jié)與創(chuàng)新點微反應器設計理論分析與驗證微加工工藝探索微反應器加工制作工藝和芯片鍵合方法，能夠利用現(xiàn)有設備制作了尺寸精確、性能優(yōu)良的全連續(xù)微反應系統(tǒng)。根據(jù)實驗需求，能夠合理組合各子系統(tǒng)，設計出相應的微反應器并進行性能測試，繼而擴展它的功能實現(xiàn)更大范圍的應用。借助流體力學模擬軟件和有限元分析軟件對微槽道內(nèi)的流動狀態(tài)、傳質(zhì)、傳熱進行分析，為系統(tǒng)的設計制作提供理論支持。任務要點四、任務總結(jié)與創(chuàng)新點微反應器設計理論分析與驗證微加工工16四、任務總結(jié)與創(chuàng)新點課題創(chuàng)新點設計制作出Cd系量子點合成使用的全連續(xù)微反應器系統(tǒng)，使得微反應器不僅能滿足CdSe/ZnS核殼結(jié)構(gòu)量子點的合成，而且可以通過改變合適的設計參數(shù)達到合成其他量子點的目的，通用性好。改變傳統(tǒng)的在燒瓶中合成量子點的方法，實現(xiàn)量子點在微反應器中的合成，有效地降低成本，提高合成效率和可重復性，為量子點大量生產(chǎn)提供新的解決方案。四、任務總結(jié)與創(chuàng)新點課題創(chuàng)新點17五、已進行的工作、難點及進度安排目前已完成的一些工作初步探索了微加工工藝及流程，并對芯片的鍵合進行了嘗試。接下來要進行加工參數(shù)的優(yōu)化，嘗試其他加工方法，改善工藝。在廣泛參考相關研究成果的基礎上，給出了微反應系統(tǒng)的預設計方案，包括混合芯片、微反應芯片和加熱結(jié)構(gòu)三個部分。最終方案的選擇還要考慮整個課題其他方面的因素。

五、已進行的工作、難點及進度安排目前已完成的一些工作18五、已進行的工作、難點及進度安排難點分析如何在現(xiàn)有的實驗設備和加工條件的基礎上制作出尺寸精確、性能優(yōu)良的微芯片是個難點。各個子系統(tǒng)怎樣合理布局、優(yōu)化組合，系統(tǒng)工作過程中監(jiān)測器件怎樣安置并保證測試的準確，如何安排反應物料的進出等。如何找出合適的方法對微槽道中納米量子點的流場進行模擬與分析。五、已進行的工作、難點及進度安排難點分析19五、已進行的工作、難點及進度安排進度安排06年9月～06年10月查閱資料，了解課題，進行初步接觸并撰寫開題報告。06年11月～07年3月考察毛細管內(nèi)的模擬合成參數(shù)；探索并優(yōu)化微加工方案，初步制作出微反應系統(tǒng)。07年4月～07年6月嘗試在微反應器內(nèi)合成量子點并通過實驗反饋逐步改進；進行微槽道的理論分析與流場模擬工作。07年7月～06年9月通過微反應器合成量子點；改進芯片結(jié)構(gòu)，優(yōu)化參數(shù)，擴大其適用范圍。06年10月～08年1月完善理論分析工作；總結(jié)工作成果，撰寫論文，準備答辯。五、已進行的工作、難點及進度安排進度安排20ThankYou!ThankYou!量子點合成全連續(xù)微反應器的設計與制作

黃永指導教師：欒偉玲副教授EASTCHINAUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYShangHai，2019量子點合成全連續(xù)微反應器的設計與制作黃永內(nèi)容提綱1.背景與可行性分析2.微反應器的加工與制作3.微反應系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計4.研究內(nèi)容與創(chuàng)新點5.當前工作、難點及進度安排內(nèi)容提綱1.背景與可行性分析2.微反應器的加工與23一、背景與可行性分析量子點也稱半導體納米晶體。當半導體納米粒子的尺寸與其電子空穴半徑相接近時，由于電子波函數(shù)的量子限制效應，半導體納米粒子能帶的有效帶隙隨粒子的半徑減少而增加，導致吸收光譜和熒光光譜的藍移……量子點微反應器全連續(xù)微反應器是把化學或生物的反應過程微縮到一塊由幾個不同執(zhí)行功能微器件所構(gòu)成的大小為幾平方厘米的平臺上，實現(xiàn)反應過程的自動化、集成化、精密化和連續(xù)性。徽反應器具有狹窄規(guī)整的微通道、小反應空間和大的比表面積……一、背景與可行性分析量子點也稱半導體納米晶體。當半導體納米粒24一、背景與可行性分析量子點

光譜性質(zhì)主要取決于半導體納米粒子的半徑大小，通過改變粒子的大小可獲得從紫外到近紅外范圍內(nèi)任意點的光譜。小的量子點產(chǎn)生短波長的光子，看起來是藍色，越大的點，光子的波長越大，所發(fā)出的光也越紅。如用ZnS包裹的CdSe量子點，直徑2.1nm，發(fā)射綠光，直徑4.6nm發(fā)射紅光，改變其直徑可獲得從藍色到紅色波長范圍內(nèi)的發(fā)射光譜。量子點由于有以上的優(yōu)勢，在生物醫(yī)用、遠程通訊等領域都有廣泛的應用和巨大的市場潛力。用量子點標記活細胞能同時標記多種不同類型的蛋白質(zhì)或活細胞，為生物、醫(yī)學等研究帶來了重大突破。一、背景與可行性分析量子點量子點由于有以上的優(yōu)勢，25一、背景與可行性分析全連續(xù)微反應器全連續(xù)微反應器是把化學或生物的反應過程微縮到一塊由幾個不同執(zhí)行功能微器件所構(gòu)成的大小為幾平方厘米的平臺上，實現(xiàn)反應過程的自動化、集成化、精密化和連續(xù)性。由于微反應系統(tǒng)體積小、攜帶性強、調(diào)控精確度高、連續(xù)性強，便于集成和大量生產(chǎn)，不僅可用于化學反應，在分析、細胞培養(yǎng)、臨床診斷、藥物篩選和生命科學等領域都有廣泛的應用。微反應器及其他微通道設備的通道特征尺寸(當量直徑)數(shù)量級是微米級，而典型的實驗裝置和生產(chǎn)裝置分別不超過1000平方米/立方米和100平方米/立方米。一、背景與可行性分析全連續(xù)微反應器微反應器及其他微通26一、背景與可行性分析精確反應空間尺度小，擴散作用增強，應時間縮短，比表面積大，化學反應簡單、精確。節(jié)約能耗低、物耗少、污染小。每種樣品所消耗的試劑僅幾微升至幾十微升，成本很低。通用改變原料溶液的種類和相應的溫控、微反應系統(tǒng)就可以完成不同量子點的合成。安全可避免合成過程中部分原料的易燃、易爆、有毒等性質(zhì)造成負面影響。方便便攜，可實現(xiàn)在產(chǎn)品使用地的就地生產(chǎn)和供貨，使得量子點更加新鮮、功能更好。

優(yōu)點一、背景與可行性分析精確反應空間尺度小，擴散作用增強，應時27一、背景與可行性分析研究現(xiàn)狀1982年，瑞典斯德哥爾摩表面化學研究所的Boutonnet等首先在微反應器中制備了可用于生物殺菌和催化的Pt、Pd、Re、Ir等金屬團簇。2019年英國倫敦皇家學院的Mello等人報道了利用芯片反應器合成CdS量子點的結(jié)果。美國加州大學伯克利分校的Alivisatos小組利用玻璃基板上的微通合成了高質(zhì)量的量子點，而且通過熒光CCD進行合成量子點性能的在線監(jiān)測，詳細地研究了CdSe量子點在微流環(huán)境中的晶粒生長控制。2019年，麻省理工大學的Bawendi研究小組在石英毛細管微反應系統(tǒng)中合成了性能優(yōu)異的CdSe量子點。2019年日本產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所的Nakamura小組用氧化硅毛細管作為微反應器利用三正辛基氧化膦(TOPO)和三正辛基膦(TOP)的混合物合成了ZnS包裹的CdSe納米晶，實現(xiàn)了CdSe納米晶的連續(xù)生產(chǎn)。一、背景與可行性分析研究現(xiàn)狀28二、微反應器的加工制作技術加工性能

費用

鍵合

強度

批量加工

硅OXOOO石英OXXOX玻璃OOOOO塑料OOOOO陶瓷OXXOX硅橡膠

OOOOOO：一般或合適

X：差加工材料的選擇二、微反應器的加工制作技術加工性能費用鍵合強度批量加29二、微反應器的加工制作技術常用加工方法通常微反應器的制作需綜合運用多種微加工技術，目前常用的方法有：單晶材料的整體微加工技術，低壓等離子體或離子束干式刻蝕法，光刻、電鑄和塑模結(jié)合的工藝(LIGA工藝)，微模塑技術，玻璃的濕式化學刻蝕，銑、削、鋸、模壓、沖孔和鉆孔等精加工技術，金屬薄片的各向同性濕式化學刻蝕，微電火加工技術(μEDM)和激光燒蝕技術等。

實驗室采用的方案目前，實驗室設計制作微流控芯片的主要材料是玻璃，預加工方法上選擇光學曝光后進行濕法刻蝕的方案。實驗當中，我們選擇了鉻板玻璃，其特點是來源方便，價格適中，可加工性好。槽道采用濕法刻蝕加工，腐蝕出完整的玻璃通道后進行鍵合。二、微反應器的加工制作技術常用加工方法通常微反應器的制作需綜30二、微反應器的加工制作技術玻璃的濕法刻蝕工藝玻璃基板的制備設計并打印掩膜曝光與顯影洗鉻、腐蝕、清洗動態(tài)表面改性二、微反應器的加工制作技術玻璃的濕法刻蝕工藝31二、微反應器的加工制作技術玻璃芯片的封裝鍵合微加工得到的玻璃或聚合物材料平面上的開放的微通道結(jié)構(gòu)需要通過可靠封合形成微管路，這樣才能應用于微分析系統(tǒng)。根據(jù)原理不同，封合可分為物理封合和化學鍵合。實驗中我們可以考慮多種鍵合方式并用的方法來完成芯片的封合過程，主要有熱鍵合、膠黏結(jié)劑鍵合、表面活化輔助鍵合等。

表面活化輔助鍵合：采用表面化學活化材料使玻璃產(chǎn)生羥基，利用玻璃表面硅羥基的縮合作用實現(xiàn)封合。實驗中我們采用NH4OH和H2O2溶液浸泡，然后在硅酸鈉溶液中鍵合，可滿足小型芯片的封合需要。二、微反應器的加工制作技術玻璃芯片的封裝鍵合32三、微反應系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計微通道具有極佳的傳熱特性，溶液流經(jīng)該通道后可被迅速加熱至形核溫度……彎道流道比三角形流道具有更好的混合效果好和良好的擴散能力……拋物線流型使得粒子尺寸分布范圍較大，引入氣液分段結(jié)構(gòu)后可顯著改善……混合傳熱流型流道中的理論分析三、微反應系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計微通道具有極佳的傳熱特性，溶液流經(jīng)該33三、微反應系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計兩種槽道結(jié)構(gòu)混合效果對比

三、微反應系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計兩種槽道結(jié)構(gòu)混合效果對比

34三、微反應系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計微槽道內(nèi)傳熱流型與氣液分段以內(nèi)徑為200μm的石英毛細管為例，將原料液從20℃加熱到299℃僅需0.28s。拋物線流型導致壁面附近的晶粒較大，在流動的液體中引入氣體，用形成的氣泡將液體均勻的分隔開，使不同部位的流體在通道中的停留時間相同，合成產(chǎn)物粒徑分布窄。三、微反應系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計微槽道內(nèi)傳熱流型與氣液分段以內(nèi)徑為235三、微反應系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計微反應系統(tǒng)的構(gòu)建與預定設計方案模擬合成系統(tǒng)流程混合芯片與反應芯片加熱圈三、微反應系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計微反應系統(tǒng)的構(gòu)建與預定設計方案模擬合36四、任務總結(jié)與創(chuàng)新點微反應器設計理論分析與驗證微加工工藝探索微反應器加工制作工藝和芯片鍵合方法，能夠利用現(xiàn)有設備制作了尺寸精確、性能優(yōu)良的全連續(xù)微反應系統(tǒng)。根據(jù)實驗需求，能夠合理組合各子系統(tǒng)，設計出相應的微反應器并進行性能測試，繼而擴展它的功能實現(xiàn)更大范圍的應用。借助流體力學模擬軟件和有限元分析軟件對微槽道內(nèi)的流動狀態(tài)、傳質(zhì)、傳熱進行分析，為系統(tǒng)的設計制作提供理論支持。任務要點四、任務總結(jié)與創(chuàng)新點微反應器設計理論分析與驗證微加工工37四、任務總結(jié)與創(chuàng)新點課題創(chuàng)新點設計制作出Cd系量子