技术领域
[0001] 本发明涉及纳米孔径膜，即含有5个纳米孔的膜，这种纳米孔径膜的制备方法及其应用。
相关背景技术
[0002] 无论是实验室研究还是工业生产，生物流体分子分离是几乎所有生物技术和制药工艺的基本操作。 同时生物流体分子分离也在临床诊断和疾病治疗中起重要作用，如血液透析。溶质分离最基本的仪器为具孔滤膜。 因此，分离技术的突破性发展可能影响工业和人体健康的各个领域。
[0003] 可以捕捉纳米级物质(如病毒和细菌)的滤膜也对空气和水源净化系统和药物溶液低温消毒起到重要作用。 上述空气过滤可应用于飞机和军用装备中，在战争或恐怖袭击中使上述装备免于大规模生化武器的袭击。 除了空气过滤，有效地过滤水和液体中的纳米级污染物也是极为重要的。 首先，上述工艺可增加发展中国家可饮用水的来源。 除此之外，针对包括人体血清在内的液体病毒过滤方面的研究与开发也在进行中，如HIV。
[0004] 典型的过滤材料采用塑料或纤维素聚合物的织物制得。 采用此种方法制备的滤膜通常具有较宽的孔径分布，且最小孔径通常会被滤液中的小分子堵塞。根据Tong等，“Silicon Nitride Nanosieve Membrane，”Nano Letters 4：283～287(2004)描述的，大量小孔径和较高的滤膜厚度是制约滤液流经滤膜的两大主要因素。 此外，上述滤膜热稳定性(通常在200℃以上开始降解)或化学稳定性(受溶剂、酸和碱的影响)较差。
[0005] 纳米技术的最新发展使得制备具有高密度和直径精确到几纳米的薄滤膜成为可能。 但上述制备工艺所需设备价格昂贵(如电子束刻蚀(EBL)或聚焦离子束刻蚀(FIB))，且因采用序列工艺，这使得大量纳米孔径的制备效率较低(如纳米孔径需一个接一个的制得)。
[0006] 美国专利11/414,991描述了一种用于制备纳米孔径膜的工艺。 在最后一步制备过程中，大量纳米孔径通过移除氧化物涂层的方法制得。 但如该专利所公开的，所制得的纳米孔径其密度较低且纳米孔径的粒径(特别是大孔径＞20nm)分布较宽。
[0007] 美国专利5,753,014中披露了一种孔径在5nm～50μm的滤膜，这种滤膜的制备方法及其应用。 采用光刻蚀或印痕技术，通过将指定样式的辅助层引入指定区域的方法将孔径引入膜层。上述样式通过刻蚀的方法转移到膜层。 上述专利中指出制备上述具孔膜的方法之一为提起部分上述膜层和指定样式的覆盖层下层。 上述提起工艺可提高膜表面强度，但却影响其在某些领域的适用性，如医药或生物制药领域。
[0008] 定义
[0009] 除非另行说明，下列定义适用于说明书及所附的权利要求项。
[0010] “孔径”或“孔道”定义为通过膜的开口，如开口从膜的一端至另一端，且具有两个开口端。 与之对应的“腔”、“坑”和“洞”定义为膜中开口，含有开口端和闭口端。
[0011] 本发明所述纳米孔径定义为孔径大小在纳米级、亚微米级或微米级的孔，如3～3000nm。
[0012] 积垢定义为不溶物，如细菌、胶体、氧化物、生物分子和水基杂垢，沉积在膜表面。
[0013] 应理解的是，支撑材料可为各种形状，如平的、圆形、曲线形或矩形。
[0014] 纳米刻蚀被定义为用作构造纳米级结构物的一系列方法。
[0015] 聚合物电解质是含有正电荷和负电荷的大分子(如聚合物)。
[0016] 胶体为非常小、分散很细的固体(如不溶粒子)，且因其较小粒径和所带电荷，可在液体中长时间分散。
[0017] 本发明中所述纳米级指粒径小于3000nm。
[0018] 简写
[0019] CL 胶体刻蚀
[0020] nm 纳米
[0021] PS 聚苯乙烯
[0022] ACH 羟基氯化铝
[0023] PDDA 聚二烯丙基二甲基胺盐酸盐
[0024] PSS 聚4-苯乙烯磺酸钠
[0025] mM 毫摩尔
[0026] RIE 活性离子刻蚀
[0027] EBL 电子束刻蚀
[0028] FBL 聚焦离子束刻蚀
[0029] s 秒
[0030] LP-CVD 低压化学气相沉积
[0031] PA-CVD 等离子辅助化学气相沉积
[0032] PDMS 聚二甲基硅氧烷
[0033] KOH 氢氧化钾
[0034] HNA HF、HNO3和乙酸混合物
[0035] TMAH 四甲基氢氧化铵
[0036] EDP 乙二胺邻苯二酚
[0037] AG 没食子酸胺
[0038] TEM 透射电子显微镜
[0039] SEM 扫描电子显微镜
[0040] RDF 经向分布函数
[0041] rpm 每分钟转数
[0042] RRMS 粗糙度均方根
[0043] RMAX 粗糙度最大峰值
[0044] RCA清洁在美国无线电公司(RCA)工作期间由Werner Kern开发的晶片清洁标准步骤。 包括三个步骤：1)除去有机污染物；2)除去氧化物薄层；和3)除去离子污染物。第一步(称为SC-1，其中SC意为标准清洁)采用75℃或80℃下，比例为1∶1∶5的NH4OH+H2O2+H2O溶液。 第二步为25℃下，在1∶50的HF+H2O溶液中短时间浸渍，以除去氧化物薄层和部分离子污染物。第三步和最后一步(称为SC-2)采用75℃或80℃下，比例为1∶1∶6的HCl+H2O2+H2O的溶液。
具体实施方式
[0168] 本发明的第一个实施方案提供了一种制备含纳米孔径的膜的方法，所述方法包括以下步骤：
[0169] a)提供包括第一面和与之相反的第二面的支撑，
[0170] b)将胶体粒子沉积并吸附于所述支撑的所述第一面上，
[0171] c)将一层成膜材料沉积于所述的胶体粒子和支撑上，
[0172] d)将胶黏材料施加于被成膜材料覆盖的胶体粒子上，
[0173] e)通过将胶体粒子和胶黏材料一起剥离的方法将所述覆盖的胶体粒子从所述支撑上进行机械移除，其中至少部分被成膜材料覆盖的胶体粒子从支撑上移除，而带有孔径的成膜材料仍保留于支撑上，
[0174] f)对于所述带有孔径的膜，在所述支撑上贯穿支撑的整个厚度形成窗口，使所述膜从支撑的第二面显露出来。
[0175] 本发明的另一个实施方案在本发明第一个实施方案的基础上提供了一种方法，其中保护层在步骤e)之后施加到所述带有孔径的成膜材料上，并在步骤f)后被移除。
[0176] 应该理解的是，第一个实施方案中步骤c)之后，除了与胶体粒子接触区域外，支撑被所述成膜材料所覆盖。 成膜材料不会在胶体粒子与支撑之间的接触区域内粘结于支撑上。 由于胶体粒子的形状与粒径大小，成膜材料也将避免其粘于胶体粒子周围的至少部分区域(立即)的支撑上。
[0177] 本发明的第二个实施方案中提供了一种制备含有纳米孔径的膜的方法，所述方法包括以下步骤：
[0178] a)提供包括第一面和与之相反的第二面的成膜材料，
[0179] b)将胶体粒子沉积并吸附于所述成膜材料的第一面上，
[0180] c)将保护材料层沉积于所述胶体粒子和成膜材料上，
[0181] d)将胶黏材料施加于被保护材料覆盖的胶体粒子上，
[0182] e)通过将胶体粒子和胶黏材料一起剥离的方法将所述被保护材料覆盖的胶体粒子从所述成膜材料上进行机械移除，其中至少部分被保护材料覆盖的胶体粒子从所述成膜材料上移除，而带有孔径的保护材料膜仍保留于所述成膜材料上，
[0183] f)在保护材料的孔径内对成膜材料进行刻蚀，形成带有孔径的膜。
[0184] 应理解的是，第二个实施方案中步骤c)之后，除了与胶体粒子的接触区域外，成膜材料被所述保护材料所覆盖。 保护材料不会在胶体粒子与成膜材料的接触区域内粘结于成膜材料上。 由于胶体粒子的形状与粒径大小，保护材料也将避免在胶体粒子周围的至少部分区域(立即)内粘于成膜材料上。
[0185] 本发明的第三个实施方案在本发明第二个实施方案的基础上提供了一种方法，其特征在于，所述成膜材料施加于具有第一面和与之相反的第二面的支撑上，其中成膜材料施加于支撑的第一面上，并在支撑上贯穿支撑的整个厚度形成窗口，使所述膜从支撑的第二面显露出来，所述窗口可在成膜材料上形成孔径进而生成带有纳米孔径的所述膜之前或之后形成。
[0186] 本发明的另一个实施方案在本发明第二个或第三个实施方案的基础上提供了一种方法，其中成膜材料的厚度可以大于、等于或小于胶体刻蚀中所用的粒子直径。
[0187] 本发明的第四个实施方案在本发明第二个或第三个实施方案的基础上提供了一种方法，进一步包括在对成膜材料进行刻蚀后，将所述保护材料进行移除。
[0188] 本发明的第五个实施方案在本发明前述任一实施方案基础上提供了一种方法，进一步包括在将成膜材料或保护材料沉积于所述被吸附的胶体粒子前，采用化学和/或物理刻蚀的方法减小被吸附的胶体粒子。
[0189] 本发明的第六个实施方案在本发明前述任一实施方案基础上提供了一种方法，其中支撑上的窗口采用刻蚀工艺进行制备。
[0190] 本发明的第七个实施方案在本发明前述任一实施方案基础上提供了一种方法，其中成膜材料包括硅化合物，如氮化硅或氧化硅，或铬、金、镍或铝等金属或上述材料的混合物。
[0191] 本发明的第八个实施方案在本发明前述任一实施方案基础上提供了一种方法，其中支撑包括硅或锗。
[0192] 本发明的第九个实施方案在本发明前述任一实施方案基础上提供了一种方法，其中保护材料为硅化合物，如氮化硅或氧化硅；聚合物材料或铬、金、镍或铝等金属。
[0193] 本发明的第十个实施方案在本发明前述任一实施方案基础上提供了一种方法，其中胶体粒子由聚苯乙烯、氧化物如SiO2或Al2O3、TiO2等金属氧化物制成。
[0194] 本发明的第十一个实施方案在本发明前述任一实施方案基础上提供了一种方法，其中胶体粒子的大小为3～3000nm。
[0195] 本发明的第十二个实施方案在本发明前述任一实施方案基础上提供了一种方法，其中覆盖胶体粒子的成膜材料或保护材料的厚度等于或小于胶体刻蚀中所使用的粒子直径，优选等于或小于胶体刻蚀中所使用的粒子直径的50％或33％。
[0196] 本发明的第十三个实施方案在本发明前述任一实施方案基础上提供了一种方法，进一步包括减小纳米孔径的直径。
[0197] 本发明的第十四个实施方案在本发明前述任一实施方案基础上提供了一种方法，进一步包括采用一种或几种功能性涂料对膜进行涂层。
[0198] 本发明的第十五个实施方案提供了一种采用本发明前述任一实施方案的方法制备的膜。
[0199] 本发明的另一个实施方案在本发明前述任一实施方案基础上提供了一种方法，其中制备步骤的顺序有所不同。
[0200] 本发明的另一个实施方案在本发明前述任一实施方案基础上提供了一种方法，其中胶体粒子或纳米孔径为3～3000nm。
[0201] 本发明的另一个实施方案在本发明前述任一实施方案基础上提供了一种方法，其中胶体粒子或纳米孔径为5～300nm。
[0202] 本发明的另一个实施方案在本发明第一个至前述任一实施方案基础上提供了一种方法，其中胶体粒子或纳米孔径为30～300nm。
[0203] 本发明的另一个实施方案在本发明前述任一实施方案基础上提供了一种方法，其中胶体粒子或纳米孔径为80～150nm。
[0204] 所有实施方案可与本发明所述其他方面、实施方案或权利要求相结合。
[0205] 本发明的另一实施方案在本发明前述任一实施方案基础上提供了一种方法，其中胶体粒子或纳米孔径约为100nm。
[0206] 本发明的另一实施方案在本发明前述任一实施方案基础上提供了一种方法，其中膜的厚度为100nm或更小。
[0207] 本发明的另一实施方案在本发明前述任一实施方案基础上提供了一种方法，其中膜的厚度为30～100nm。
[0208] 本发明的另一实施方案提供了一种采用本发明之前或之后所述实施方案制备的膜。
[0209] 本发明的另一实施方案提供了一种采用本发明前述任一实施方案制备的膜，该膜包括氮化硅或氧化硅，其中所述膜的厚度等于或小于100nm，且包括至少一个随机排列的纳米孔径，且纳米孔径的粒径分布较窄。
[0210] 本发明的另一实施方案提供了一种采用本发明前述任一实施方案制备的膜，其中包括随机排列的纳米孔径的所述膜，其粒径分布窄，并具有可控的平均孔距。
[0211] 本发明所有实施方案可与本发明的其他方面、实施方案或权利要求进行结合。
[0212] 本发明的另一实施方案提供了将采用前述任一实施方案的方法制备的膜用作生物传感器，应用于药物传输系统，用于对小分子或生物分子进行筛选、分离或净化，对气体或液体进行微生物、细菌、病毒、小粒子、分子或离子的过滤或应用于燃料电池隔膜。
[0213] 本发明的另一实施方案提供了采用前述任一实施方案的方法制备的膜的应用，其中在相对于膜横向流动或切向流动的方向上进行膜过滤。
[0214] 本发明的另一实施方案中，采用前述任一实施方案方法中的一种或几种方法制备的几种膜进行组合应用。
[0215] 本发明的另一实施方案在前述任一实施方案基础上提供了一种方法，其中通过向胶体溶液中添加与胶体粒子所带电荷相反的离子的方法，对上述胶体粒子间距进行控制。
[0216] 本发明的另一实施方案在前述任一实施方案基础上提供了一种方法，其中在移除胶体粒子之前或之后，采用成膜材料或保护材料对支撑的第二面进行涂层。
[0217] 上述实施方案可与其他方面、具体实施方案或权利要求进行结合。
[0218] 本发明通过下列非限制性具体实施例进一步进行阐述。
[0219] 具体实施例
[0220] 如前所述方法3中步骤1～5(不含步骤6～7)，在Si3N4膜上制备纳米孔径。
[0221] 步骤1前，膜表面先在氧等离子体中处理30s(50W，250mTorr，PlasmaTherm Batchtop VII RIE/PE 95M)。 随后采用如下步骤沉积三电子层：
[0222] 1)将膜在2％PDDA水溶液中浸渍30s，用流水冲洗30s，并在3000rpm下进行离心脱水；
[0223] 2)将膜在2％PSS水溶液中浸渍30s，用流水冲洗30s，并在3000rpm下进行离心脱水；
[0224] 3)将膜在5％ACH水溶液中浸渍30s，用流水冲洗30s，并在3000rpm下进行离心脱水。
[0225] 步骤1中，单分散(110nm±5nm)聚苯乙烯(PS)球(硫酸盐乳胶分散于水相中(0.2wt％)，购自Interfacial Dynamics Corporation，俄勒冈州，美国)分散于膜上，并保留2min。 随后，上述晶片用流水冲洗30s，并用吹氮气的方法进行干燥。
[0226] 步骤2中，采用电子束蒸发的方法(AVAC HVC-600)将10nmCr沉积于膜上。
[0227] 步骤3中，采用胶带(SWT-10，Nitto Scandinavia AB)移除胶体粒子和覆盖胶体粒子的材料。
[0228] 步骤4中，采用等离子刻蚀的方法(2.5min，100W，25mTorr，PlasmaTherm Batchtop VII RIE/PE 95M)，在未被Cr保护的膜上进行刻蚀，进而形成孔径。
[0229] 步骤5中，在6wt％硝酸和16％硝酸铈铵混合液中，采用湿刻蚀的方法将Cr层进行移除。
[0230] 采用扫面电镜(SEM，JEOL JSM-6301F)对被吸附的粒子和被刻蚀的孔径进行照相。 采用ImageJ v1.40软件(NIH，美国)对计数区、直径和粒子坐标等进行分析，进而对粒径和粒子分布进行表征。 上述结果列于粒子直径分布柱状图中。
