CN109224895A - 一种纳米气泡的制备装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种纳米气泡的制备装置及其制备方法。先构建一套体积可变的密闭装置，由与体积可变装置(1)相连的连通管(2)插入固定体积的生成容器(3)中组成。该方法包括将一定体积的液体(水或脂质的水分散液)和特定气体收容于密闭装置中；压缩体积达到一定压力，同时部分气体通过连通管被压入液体实现气液混合；恢复到常压，液体中局部过饱和气体溢出形成微纳气泡，脂质存在时则通过在气液界面自组装形成脂质包覆气泡；反复压缩气体并恢复到常压，获得常温常压下稳定的自由纳米气泡或脂质包覆气泡。该方法装置简单、操作简易，能够获得具有纳米尺寸、较窄粒径分布及数量可控的自由纳米气泡或脂质包覆纳米气泡。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米气泡的制备装置及其制备方法，属于纳米气泡的制备的技术领域。
背景技术
近年来，微纳气泡由于具有尺寸小、上升速度慢、传质效率高等优点，被广泛用于浮选、水体净化、医疗美容、生物医学等各种行业和应用领域。其中，由于纳米气泡在液相中停留时间比微米气泡更长，具有更小的尺寸和更大的比表面积，成为科学应用领域的重要方向。
纳米气泡按有无膜材可分为自由气泡(Free gas microbubbles)和包裹气泡(Encapsulated microbubbles)。现已开发出各种各样的自由纳米气泡制备方法，具体地包括气液两相旋转剪切法、醇水置换法、曝气法、超声空化法、电解水法等。这些方法存在系统复杂、操作繁琐、气泡尺寸分布宽、数量难以控制的缺点。对于包膜气泡而言，制备的大部分为微米尺寸气泡，如目前商业化的微气泡造影剂SonoVue、Optison、Levovist、Echogen等，或者通过严格的参数控制和后分离等方法从微纳气泡中获得，方法较复杂繁琐。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种装置简易、操作简便，可获得较窄粒度分布和数量可控的纳米气泡的制备装置和方法。一方面涉及一种制备自由纳米气泡的方法，通过反复压缩气体至水中再恢复到大气压，利用反复压差法制备自由纳米气泡；另一方面涉及一种制备脂质包覆纳米气泡的方法，先制备脂质和水的混合物；在通过反复压缩气体至水中再恢复到大气压，利用反复压差法制备自由纳米气泡；利用脂质在气泡表面的自组装制备脂质包覆的纳米气泡。
技术方案：本发明的一种纳米气泡的制备装置包括体积可变装置、生成容器和连通管；在生成容器中装有液体，在体积可变装置中有气体，连通管的一端与体积可变装置相连，一端插入生成容器中的液体中；其中，生成容器为具有固定体积且密闭状态的装置；体积可变装置包括管筒和柱塞，通过改变柱塞位置改变总容积，从而改变装置内压力。
本发明的纳米气泡的制备方法，通过反复压缩体积可变装置中气体至生成容器中的液体中再恢复到大气压，利用反复压差法制备自由纳米气泡，该方法包括下述步骤：a)将一定体积的液体收容于生成容器，生成容器上侧、连通管和体积可变装置中填充气体，构成密闭系统；b)施力压缩体积可变装置的柱塞，将部分气体通过连通管压入液体中，增加密闭系统压力；c)去除外力，使柱塞回复到与大气压平衡位置，密闭系统压力降为常压；d)重复加压-降为常压过程若干次。
所述的自由纳米气泡，利用脂质分子在自由纳米气泡表面的自组装作用，制备获得脂质包覆的纳米气泡；该方法包括以下步骤：1)制备脂质和水的混合物液体；2)在所述混合物液体中制备脂质包覆的纳米气泡，包括以下步骤：a)将脂质和水的混合物液体收容于生成容器，生成容器上侧、连通管和体积可变装置中填充气体，构成密闭系统；b)施力压缩体积可变装置的柱塞，将部分气体通过连通管压入液相中，增加密闭系统压力；c)去除外力，使柱塞回复到与大气压平衡位置，密闭系统压力降为常压；d)重复加压-降为常压过程若干次。
所述的体积可变装置，通过调节体积可变装置的体积改变系统的压力，产生压力差。
所述的体积可变装置，通过改变系统压力，可驱动部分液体和气体通过连通管，产生的剪切作用使气液两相充分混合。
所述的生成容器以密闭状态收容生成的内含特定气体的纳米气泡和水的混悬液，兼做纳米气泡储存装置。
所述的自由纳米气泡为纳米尺寸，具有窄的尺寸分布。
所述的气体为空气、二氧化碳、氧气、氮气、氢气、一氧化氮、硫化氢、氙气、六氟化硫或全氟烷烃中的一种或几种。
所述的液体为去离子水、生理盐水、等渗溶液、等张溶液或缓冲溶液。
所述的脂质包括任何能在自由气泡的气液界面上发生自组装的两亲性化合物，包括磷脂类和药学上可接受的其它表面活性剂。
有益效果：本发明的优点为：
1.制备方法简单，操作容易，重复性好。
2.可制备获得纳米尺寸的气泡。
3.制备的气泡尺寸分布较窄。
4.纳米气泡浓度可调节。
5.制备装置也是储存装置，常温常压下，制备的纳米气泡稳定性好。
附图说明
图1为本发明纳米气泡制备装置结构示意图。
图中有：体积可变装置1，包括管筒和柱筛；生成容器2；连通管3；气体4；液体5。
图2为用本发明的纳米气泡制备方法所生成的自由纳米气泡a和磷脂包覆纳米气泡b的粒径分布图。
具体实施方式
一种自由纳米气泡的制备方法包括下述工序：将一定体积的液体收容于生成容器，生成容器上侧、连通管和体积可变装置中填充特定气体，构成密闭系统；施力压缩体积可变装置的柱塞，将部分气体通过连通管压入液相中，增加密闭系统压力；去除外力，使柱塞回复到与大气压平衡位置，密闭系统压力降为常压；重复加压-降为常压过程若干次，最终获得常压下稳定的纳米气泡。
另外，纳米气泡制备完成后，去除连通管和体积可变装置，维持生成室的密闭状态可储存制备的纳米气泡，直到使用前开启。
所述的液体包括去离子水、生理盐水、等渗溶液、等张溶液或缓冲溶液。
所述的气体包括空气、二氧化碳、氧气、氮气、氢气、一氧化氮、硫化氢、氙气、六氟化硫或全氟烷烃中的一种或几种。
所述的生成容器，优选具备对液体进行搅拌的搅拌装置。
本发明的原理是在压缩过程中，通过气流冲击作用和气液流体经过连通管的剪切作用，实现高压下的气液充分混合，增大气体在水中的溶解形成局部过饱和；恢复到常压时，溶解的过饱和气体会释放出来，汇集并生成微纳气泡；在反复降压-降为常压过程中，不稳定的微气泡缩小或破裂，最终获得常压下稳定的纳米气泡。对于固定的体系(固定的气体液比例和最大压力)，加压-降为常压过程能产生一定数量的纳米气泡，重复次数越多，累积生成的纳米气泡越多，可通过调节重复操作次数调节气泡浓度。
一种脂质包覆纳米气泡的制备方法包括下述工序：制备脂质和水的混合物液体；在混合物液体中制备自由纳米气泡，利用脂质分子在自由气泡表面的自组装作用，制备获得脂质包覆的纳米气泡。
在混合物液体中制备自由纳米气泡具优选包括以下步骤：将一定体积的混合物液体收容于生成容器，生成容器上侧、连通管和体积可变装置中填充特定气体，构成密闭系统；施力压缩体积可变装置的柱塞，将部分气体通过连通管压入液相中，增加密闭系统压力；去除外力，使柱塞回复到与大气压平衡位置，密闭系统压力降为常压；重复加压-降为常压过程若干次，最终获得常压下稳定的纳米气泡。
本发明的原理是分散在水中的脂质分子遇到自由纳米气泡，会在气泡形成的气液界面吸附并自组装，形成脂质包覆的纳米气泡。
所述的脂质包括任何能在自由气泡的气液界面上发生自组装的两亲性化合物，包括磷脂类和药学上可接受的其它表面活性剂。磷脂类包括蛋黄卵磷脂、大豆卵磷脂、氢化蛋黄卵磷脂、氢化大豆卵磷脂、鞘磷脂、磷脂酰乙醇胺、二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱、二棕榈酰磷脂酰胆碱、二硬脂酰磷脂酰胆碱、二油酰磷脂酰胆碱、二月桂酰磷脂酰胆碱、二月桂酰磷脂酰甘油、二肉豆蔻酰磷脂酰甘油、二棕榈酰磷脂酰甘油、二硬脂酰磷脂酰甘油、二油酰磷脂酰甘油、二月桂酰磷脂酸、二肉豆蔻酰磷脂酸、二硬脂酰磷脂酸或二油酰磷脂酰丝氨酸其中的一种或几种的混合物；药学上可接受的其它表面活性剂，包括吐温80、泊洛沙姆188、十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠等。
实施例1：
制备纳米气泡的装置，由体积可变装置1、生成容器2和连通管3组成。生成容器的固定体积为3mL；体积可变装置的容积可在0-5mL范围改变；连通管体积为0.5mL，一端连接体积可变装置，一端插入生成容器收容的水中。
将2mL的去气去离子水和4.5mL的99.99％的高纯六氟化硫(SF6)收容于由1、2、3组成的纳米气泡装置中，构成密闭系统，此时体积可变装置1的平衡容积为3mL；施力压缩1,将3mLSF6通过连通管压入水中，此时SF6总体积为1.5mL，系统压力为0.3MPa；去除外力，使柱筛回复至与大气压平衡位置，密闭系统压力降为常压，此时部分水和SF6通过连通管3进入体积可变装置1，剪切作用进一步使SF6和水充分混合；重复加压到0.3MPa-降为常压过程10次，获得自由SF6纳米气泡和水的混悬液。采用马尔文动态光散射测试测得自由SF6气泡的平均粒径为(226±9)nm，多分散系数PDI＝0.10±0.02。
实施例2：
本实施案例装置同实施案例1。采用与实施例1相同的步骤，仅有的区别在于填充气体为空气。采用马尔文动态光散射测试测得自由空气气泡的平均粒径为(233±2)nm,多分散系数PDI＝0.17±0.03。
实施例3：
本实施案例装置同实施案例1。采用与实施例1相同的步骤，仅有的区别在于填充气体为99.99％的高纯氙气(Xe)。采用马尔文动态光散射测试测得自由Xe气泡的平均粒径为(232±8)nm,多分散系数PDI＝0.20±0.02。
实施例4：
本实施案例装置同实施案例1，采用与实施例1相同的步骤，仅有的区别在于重复加压到0.3MPa-降为常压过程的次数为50次或100次；采用nanosight测试气泡的平均粒径和气泡浓度，测试结果如下表所示：
表1.不同反复压缩次数制备的自由纳米气泡的尺寸和浓度
| 反复压缩次数 | 10 | 50 | 100 |
| 平均尺寸(nm) | 195±72 | 183±68 | 184±71 |
| 气泡浓度(个/mL) | 7.62×10<sup>8</sup> | 23.16×10<sup>8</sup> | 34.89×10<sup>8</sup> |
实施例5：
本实施案例装置同实施案例1。在生成容器中加入4mg的蛋黄卵磷脂(ePC)乙醇溶液，真空干燥去除溶剂，在生成容器底部形成ePC膜；采用与实施例1相同的步骤在ePC和水的混合物液体中制备自由纳米气泡，利用脂质分子在自由气泡表面的自组装作用，制备获得脂质包覆的纳米气泡。采用马尔文动态光散射测试测得ePC包覆SF6气泡的平均粒径为(290±12)nm，多分散系数PDI＝0.25±0.05。
实施例6：
本实施案例装置同实施案例1。采用与实施例5相同的步骤，仅有的区别在于在生成容器中加入1mg的二棕榈酸酰基磷脂酰甘油钠盐(DPPG)氯仿溶液，旋转蒸发去除溶剂，在生成器底部形成DPPG膜。采用马尔文动态光散射测试测得DPPG包覆SF6气泡的平均粒径为(310±10)nm，多分散系数PDI＝0.28±0.07。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种纳米气泡的制备装置，其特征在于，该制备装置包括体积可变装置(1)、生成容器(2)和连通管(3)；在生成容器(2)中装有液体(5)，在体积可变装置(1)中有气体(4)，连通管(3)的一端与体积可变装置(1)相连，一端插入生成容器(2)中的液体(5)中；其中，生成容器(2)为具有固定体积且密闭状态的装置；体积可变装置(1)包括管筒和柱塞，通过改变柱塞位置改变总容积，从而改变装置内压力。
2.一种采用权利要求1所述装置的纳米气泡的制备方法，其特征在于，通过反复压缩体积可变装置(1)中气体(4)至生成容器(2)中的液体(5)中再恢复到大气压，利用反复压差法制备自由纳米气泡，该方法包括下述步骤：a)将一定体积的液体收容于生成容器，生成容器上侧、连通管和体积可变装置中填充气体，构成密闭系统；b)施力压缩体积可变装置的柱塞，将部分气体通过连通管压入液体中，增加密闭系统压力；c)去除外力，使柱塞回复到与大气压平衡位置，密闭系统压力降为常压；d)重复加压-降为常压过程若干次。
3.根据权利要求2所述装置的纳米气泡的制备方法，其特征在于，所述的自由纳米气泡，利用脂质分子在自由纳米气泡表面的自组装作用，制备获得脂质包覆的纳米气泡；该方法包括以下步骤：1)制备脂质和水的混合物液体；2)在所述混合物液体中制备脂质包覆的纳米气泡，包括以下步骤：a)将脂质和水的混合物液体收容于生成容器，生成容器上侧、连通管和体积可变装置中填充气体，构成密闭系统；b)施力压缩体积可变装置的柱塞，将部分气体通过连通管压入液相中，增加密闭系统压力；c)去除外力，使柱塞回复到与大气压平衡位置，密闭系统压力降为常压；d)重复加压-降为常压过程若干次。
4.根据权利要求2所述装置的纳米气泡的制备方法，其特征在于，所述的体积可变装置(1)，通过调节体积可变装置的体积改变系统的压力，产生压力差。
5.根据权利要求2所述的纳米气泡的制备方法，其特征在于，所述的体积可变装置(1)，通过改变系统压力，可驱动部分液体和气体通过连通管，产生的剪切作用使气液两相充分混合。
6.根据权利要求2所述的纳米气泡的制备方法，其特征在于，所述的生成容器以密闭状态收容生成的内含特定气体的纳米气泡和水的混悬液，兼做纳米气泡储存装置。
7.根据权利要求2所述的纳米气泡的制备方法，其特征在于，所述的自由纳米气泡为纳米尺寸，具有窄的尺寸分布。
8.根据权利要求2或3所述的纳米气泡的制备方法，其特征在于，所述的气体为空气、二氧化碳、氧气、氮气、氢气、一氧化氮、硫化氢、氙气、六氟化硫或全氟烷烃中的一种或几种。
9.根据权利要求2或3所述的纳米气泡的制备方法，其特征在于，所述的液体为去离子水、生理盐水、等渗溶液、等张溶液或缓冲溶液。
10.根据权利要求3所述的纳米气泡的制备方法，其特征在于，所述的脂质包括任何能在自由气泡的气液界面上发生自组装的两亲性化合物，包括磷脂类和药学上可接受的其它表面活性剂。
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