一种3D打印恒温控湿微液滴原位拉曼反应池及其应用

本发明属于微液滴界面原位表征实验装置，具体涉及一种基于3d打印技术制备的一体化恒温控湿原位拉曼反应池，可用于显微镜下微液滴的长时间稳定原位拉曼光谱表征，适用于微液滴界面电场测量、界面反应过程动态监测等研究场景。

背景技术：

1、微液滴界面化学是当前分析化学与物理化学领域的研究前沿，微液滴因具有超高比表面积、部分溶剂化效应、极端ph分布及强界面电场等独特性质，可诱导并加速多种化学反应，在合成化学、分析检测、生物医学等领域展现出重要应用价值。其中，微液滴空气-水界面处的强界面电场（可达109v/m量级）被认为是微液滴反应的核心驱动因素之一，因此精准测量微液滴界面电场的分布与变化，对揭示微液滴反应机理至关重要。

2、拉曼光谱技术因具备无损、原位、时空分辨率高等优势，是微液滴界面电场表征的主流手段，通常以氰根等对电场敏感的分子探针的拉曼峰斯塔克位移定量反映电场强度。但在实际检测中，微液滴尺寸通常为数十至数百微米，极易受环境气流、温度波动影响而快速挥发、变形甚至破裂；同时拉曼检测的激光照射会产生局部热效应，进一步加剧液滴挥发与界面波动，导致拉曼信号漂移、强度衰减，严重降低测量准确性与数据可重复性。

3、目前尚无适配显微拉曼光谱仪的商品化微液滴专用控湿反应池。现有研究多采用封闭式样品腔，通过外接加湿器与气路系统向腔内通入高湿气体以抑制液滴挥发，但该类方案需配套加湿设备、流量控制单元与复杂管路，结构繁琐、成本高昂，且湿度响应存在明显滞后，难以在显微拉曼的有限操作空间内实现快速、稳定的湿度调控。此外，现有原位拉曼反应池多针对电化学体系、块体样品或细胞样品设计，未针对微液滴易挥发、对温湿度高度敏感的特性进行适配；部分采用3d打印制备的原位检测装置，也未形成“底部储水加热蒸发+微孔气压平衡”的一体化控湿方案，无法兼顾结构紧凑性与湿度稳定性。

4、因此，开发一种结构紧凑、成本低廉、控湿稳定且与显微拉曼平台高度兼容的微液滴专用反应池，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种3d打印恒温控湿微液滴原位拉曼反应池及其制备方法与应用，解决现有微液滴拉曼表征中液滴易挥发不稳定、湿度控制装置复杂昂贵的问题，实现微液滴的长时间稳定观测与原位拉曼光谱的可靠采集。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种3d打印恒温控湿微液滴原位拉曼反应池，包括3d打印一体化成型的绝缘池体；所述池体顶部设有供激光入射的石英观察窗，池体内部设有隔层，隔层将池体内部分隔成储水腔和加热腔，加热腔处于储水腔下部，储水腔底面中心设有用于承载样品台的圆台凸起，加热腔内设有加热模块；所述储水腔用于盛装去离子水且工作状态下液面低于圆台凸起的顶面；所述池体的顶部还开设有用于平衡池内气压的微孔。

3、进一步地，所述池体整体尺寸为长50mm、宽40mm、高20mm，池体壁厚为2mm，兼顾结构强度与显微平台适配性。

4、进一步地，所述石英观察窗直径为10mm，采用厚度为0.17mm的石英盖玻片密封覆盖，对可见-近红外波段激光透过率高，背景荧光干扰低，适配常规显微物镜规格。

5、进一步地，所述圆台凸起的尺寸为5mm×5mm×10mm，设置于池体底面中心，用于抬升样品台高度，使样品平面与物镜工作距离匹配，满足聚焦需求。

6、进一步地，所述加热模块为电热陶瓷片，适配3~8v低压直流电源，工作状态下可使储水腔底部温度稳定在50℃，驱动储水腔内水体匀速蒸发。

7、进一步地，所述微孔直径为0.5mm，设于池体顶部边缘区域，可平衡加热过程中池内升高的气压，避免压力累积，同时孔径足够小，可减缓池内湿度向外散失，维持高湿环境稳定。

8、进一步地，所述池体采用光敏树脂经光固化3d打印制备，经异丙醇清洗与紫外二次固化处理，具备良好的机械强度、耐水性与化学稳定性。

9、本发明还提供上述反应池的制备方法，包括以下步骤：

10、s1、三维建模与切片：采用三维建模软件构建反应池的实体模型，导出为stl格式文件；将文件导入光固化切片软件，设置单层曝光时间为3s，对池体顶部、悬垂结构区域添加点阵支撑，支撑密度设置为40%，兼顾支撑强度与后期易拆除性。

11、s2、光固化打印：将光敏树脂注入3d打印机树脂槽，静置10分钟消除树脂内气泡；校准打印平台z轴零点并确认平台水平，导入切片后的打印文件，启动光固化打印程序。

12、s3、后处理：打印完成后取出打印平台，将成型池体从平台上分离；将池体浸入体积分数75%的异丙醇中超声清洗10分钟，去除表面残留的未固化树脂；取出后用高纯氮气吹干，再置于紫外灯下二次固化30分钟，使树脂充分交联，提升池体的机械强度与耐水耐化学性能。

13、本发明还提供上述反应池在微液滴界面电场原位拉曼表征中的应用。

14、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

15、1、本发明采用3d打印技术一体成型池体结构，可根据实验需求快速定制修改，加工周期短、材料成本低，无需复杂组装，整体结构紧凑，可直接适配各类商用显微拉曼平台。

16、2、本发明采用“底部储水+加热自然蒸发”的被动控湿方案，无需外接加湿器与复杂气路系统；通过加热驱动水体持续蒸发，可在池内快速形成并长期维持95%以上的高湿环境，有效抑制微液滴挥发，将百微米级微液滴在激光照射下的稳定存活时间从不足5分钟提升至60分钟以上。

17、3、本发明在高湿环境可有效缓冲激光照射产生的局部升温，避免液滴因局部过热发生变形、破裂，显著降低拉曼信号的漂移与波动，提升测量准确性与数据可重复性。

18、4、本发明的加热模块采用3~8v低压直流供电，安全性高，温控方式简单可靠；池体尺寸与观察窗规格适配常规显微拉曼系统，可直接用于微液滴界面电场测量、界面反应动力学监测、微液滴物化性质表征等多种实验场景。

19、5、本发明顶部微孔在平衡池内气压、避免压力累积的同时，最大限度减少湿度散失，实现了密封性与湿度稳定性的平衡。

1.一种3d打印恒温控湿微液滴原位拉曼反应池，其特征在于，包括3d打印一体化成型的绝缘池体；所述池体顶部设有供激光入射的石英观察窗，池体内部设有隔层，隔层将池体内部分隔成储水腔和加热腔，加热腔处于储水腔下部，储水腔底面中心设有用于承载样品台的圆台凸起，加热腔内设有加热模块；所述储水腔用于盛装去离子水且工作状态下液面低于圆台凸起的顶面；所述池体的顶部还开设有用于平衡池内气压的微孔。

2.根据权利要求1所述的反应池，其特征在于，所述池体整体尺寸为长50mm、宽40mm、高20mm，池体壁厚为2mm；所述石英观察窗直径为10mm，采用厚度为0.17mm的石英盖玻片密封覆盖。

3.根据权利要求1所述的反应池，其特征在于，所述圆台凸起的尺寸为5mm×5mm×10mm，其顶面与石英观察窗的间距适配显微拉曼物镜的工作距离。

4.根据权利要求1所述的反应池，其特征在于，所述加热模块为电热陶瓷片，适配3~8v直流电源，工作状态下可使储水腔底部温度稳定在50℃。

5.根据权利要求1所述的反应池，其特征在于，所述微孔直径为0.5mm，设于池体顶部的边缘区域。

6.根据权利要求1所述的反应池，其特征在于，所述池体采用光敏树脂经光固化3d打印制备，经异丙醇清洗与紫外二次固化处理。

7.一种如权利要求1~6任一项所述的3d打印恒温控湿微液滴原位拉曼反应池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.一种如权利要求1~6任一项所述的3d打印恒温控湿微液滴原位拉曼反应池在微液滴界面电场原位拉曼表征中的应用。