專利名稱:碳納米管制備二維可控納米元件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米技術(shù)領(lǐng)域：
的制備方法，具體涉及一種碳納米管制備二維可控納米元件的方法。
背景技術(shù)：
生物的原生質(zhì)體膜上存在著天然的蛋白質(zhì)孔洞，可以進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外的離子交換，用膜片鉗能夠檢測(cè)離子流動(dòng)情況。用α溶血素侵染雙脂膜形成一種兩側(cè)不對(duì)稱的蛋白質(zhì)納米孔，也可用于離子流的檢測(cè)，目前大量用于核酸和單鏈脫氧核酸(統(tǒng)稱核酸)穿孔的動(dòng)力學(xué)研究，檢測(cè)核酸分子片段的大小，并有測(cè)定核酸堿基序列的潛力，但由于這種納米孔是蛋白質(zhì)在雙脂膜上形成的孔容易老化、不能耐受較高的電壓、通透性受pH和鹽濃度影響較大、還可能存在與核酸互作位點(diǎn)，在有效的電場(chǎng)強(qiáng)度下，核酸通過納米孔的速度太快，超出了當(dāng)前膜片鉗的分辨率(1個(gè)電信號(hào)/毫秒)，不能準(zhǔn)確記載各個(gè)堿基的電信號(hào)，雖然通過調(diào)節(jié)電泳液組分等已將核酸的穿孔速度降至3nt/微秒，但仍超出了儀器分辨率3個(gè)數(shù)量級(jí)，這些都使納米孔測(cè)序變得復(fù)雜化。為了克服蛋白孔存在的天然缺陷，人們用離子束、電子束刻蝕或?yàn)R射、重離子穿孔后再進(jìn)行化學(xué)蝕刻、聚合物薄膜扎孔以及低密度商業(yè)膜內(nèi)鍍等方法制備固體膜，但制備所得納米孔的三維尺度不可控，很不規(guī)則。因此，如何制備尺度可控的納米孔，成了提高檢測(cè)帶電分子如核酸、核酸一磷酸或脫氧核酸一磷酸等電信號(hào)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，對(duì)DNA和RNA測(cè)序的準(zhǔn)確性起著決定性作用。
經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Sun，L.和Crooks，R.M.在《Journalof the American Chemical Society》(《美國化學(xué)協(xié)會(huì)雜志》，2000年第122卷第12340-12345頁)發(fā)表了題為“Single carbon nanotube membranesAwell-defined model for studying mass transport through nanoporousmaterials”(“單碳納米管膜供大量穿越納米孔材料研究的精準(zhǔn)模型”)的文章，提出如下技術(shù)方案將多壁碳納米管包埋于環(huán)氧樹脂中，再垂直于納米管方向切割成薄片，獲得單孔直徑153nm、厚度(孔深)660nm的薄膜。但這種納米元件的孔徑太大，只能用于直徑在100nm的聚苯乙烯顆粒的檢測(cè)，而不能直接用于檢測(cè)離子或直徑較小的帶電分子如核酸或其組分核苷或脫氧核苷一磷酸。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種碳納米管制備二維可控納米元件的方法，使其實(shí)現(xiàn)對(duì)納米元件二維(孔徑和孔深)尺度的控制，提高對(duì)分子量、三維結(jié)構(gòu)有差異帶電分子的分辨率。
本發(fā)明方法是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，首先是獲得單根碳納米管，其后將單根碳納米管包埋到絕緣聚合物中形成復(fù)合體，然后將復(fù)合體切片，獲得單孔膜，最后將單孔薄膜固定到絕緣固體支撐物上，獲得二維可控納米元件。
本發(fā)明方法具體步驟如下①單根碳納米管的獲得制備單根單壁碳納米管或用分散劑分離出單根商業(yè)單壁、雙壁或多壁碳納米管，原子力顯微鏡或透射電子顯微鏡輔助，選取內(nèi)徑在1-3nm的碳納米管；②單根碳納米管的包埋將挑選的單根碳納米管包埋于絕緣聚合物中，待絕緣聚合物凝固后形成復(fù)合體；③復(fù)合體的切片用鉆石刀(也稱金剛石刀)或激光刀，垂直于碳納米管方向按0.2-100μm厚度切割復(fù)合體，獲得厚度在納米至微米級(jí)的單孔膜，原子力顯微鏡確認(rèn)，單孔膜的厚度即為納米孔的孔深；④單孔膜的加固將切片獲得的單孔膜固定到絕緣固相(如硅片或膠木)支撐物上獲得二維可控納米元件。
所述的分散劑，是指十二烷磺基酸鈉、十八烷基胺或可溶性導(dǎo)電聚吡咯等。所述的絕緣聚合物，是環(huán)氧樹脂或TEFLON(特氟隆)等。
利用本發(fā)明方法制備的二維可控納米元件中納米孔為規(guī)則的筒形，孔徑可控制在1-3nm，孔深可控制在0.2-100μm，克服了現(xiàn)有技術(shù)中制備的納米孔的不規(guī)則問題。本發(fā)明方法制備的二維可控納米元件，將為以外切酶為基礎(chǔ)的DNA、RNA和蛋白質(zhì)單分子測(cè)序以及其他帶電分子穿孔動(dòng)力學(xué)研究提供關(guān)鍵的傳感器。
圖1為本發(fā)明方法過程示意圖具體實(shí)施方式
如圖1所示，制作或挑選出內(nèi)徑在1-3nm的單根單壁、雙壁或多壁碳納米管1，然后將其以環(huán)氧樹脂或TEFLON包埋，待環(huán)氧樹脂或TEFLON凝固后形成復(fù)合體2，用鉆石刀或激光刀3垂直于碳納米管1縱軸，按0.2-100μm厚度對(duì)復(fù)合體2切片，得到單孔膜4，原子力顯微鏡確認(rèn)后，將單孔膜4固定到絕緣固相支持物上，獲得二維可控納米元件5。
實(shí)施例1用化學(xué)氣相沉積法定向制作超長、內(nèi)徑在1-3nm的單根單壁碳納米管1(實(shí)現(xiàn)第一維控制)，用環(huán)氧樹脂將該碳納米管1從基座上粘下，待環(huán)氧樹脂凝固后以碳納米管1面向上的方式，將該碳納米管1置于盛有環(huán)氧樹脂的長方形模具(三維尺度在5-50mm)中，碳納米管1縱軸與模具縱軸方向一致，填充體積為模具的一半為宜，再在碳納米管1上方加入環(huán)氧樹脂將模具填滿，固定后獲得碳納米管與環(huán)氧樹脂的復(fù)合體2，將復(fù)合體2固定到顯微切片機(jī)上，用鉆石刀3 垂直于碳納米管1縱軸，以50nm左右的厚度逐級(jí)增加，切割出不同厚度的單孔膜4(200nm-100μm)(實(shí)現(xiàn)第二維控制)，原子力顯微鏡表征確認(rèn)后，再將上述單孔膜4固定到絕緣固相支持物上，獲得二維可控納米元件5。絕緣固相支持物采用硅片或膠木，中心有一直徑在2-10μm的小孔，外形可以是正方形或矩形，尺度長和寬在1cm左右，厚度在mm級(jí)，以手工可操作為宜。
效果利用將單根單壁碳納米管以環(huán)氧樹脂包埋后，再經(jīng)鉆石刀切片，最后加固而獲得的二維可控納米元件，其堅(jiān)固耐用，納米元件中的筒形納米孔形狀規(guī)則、孔壁光潔無靜電，而且孔徑和孔深在納米級(jí)可控，對(duì)dNMPs筆跡的識(shí)別準(zhǔn)確率在99-100％。
實(shí)施例2購置商業(yè)雙壁或多壁碳納米管，與十二烷磺基酸鈉混合后，將混合液涂抹在玻璃或硅片上，原子力顯微鏡檢查，找出內(nèi)徑在1-3nm的單根碳納米管1(實(shí)現(xiàn)第一維控制)，用環(huán)氧樹脂將其從基座上粘下，待環(huán)氧樹脂凝固后，以碳納米管1面向上將其置于盛有環(huán)氧樹脂的長方形模具(三維尺度在5-50mm)中，碳納米管1縱軸與模具縱軸方向一致，填充體積為模具的一半為宜，再在碳納米管1上方加入環(huán)氧樹脂將模具填滿，固定后獲得碳納米管與環(huán)氧樹脂的復(fù)合體2；將復(fù)合體2固定到顯微切片機(jī)上，用鉆石刀3垂直于碳納米管1縱軸，以50nm左右的厚度逐級(jí)增加(實(shí)現(xiàn)第二維在納米級(jí)的控制)，切割復(fù)合體2，得到不同厚度的單孔膜4(200nm-100μm)，原子力顯微鏡表征確認(rèn)后，再將單孔膜4固定到絕緣固相支持物上，獲得二維可控納米元件5。絕緣固相支持物采用硅片或膠木，中心有一直徑在2-10μm的小孔，外形可以是正方形或矩形，尺度長和寬在1cm左右，厚度在mm級(jí)，以手工可操作為宜。
效果利用將雙壁或多壁碳納米管用環(huán)氧樹脂包埋后，再經(jīng)鉆石刀切片，最后加固而獲得的二維可控納米元件，其堅(jiān)固耐用，納米元件中的筒形納米孔形狀規(guī)則、孔壁光潔無靜電，而且孔徑和孔深在納米級(jí)可控，對(duì)dNMPs筆跡的識(shí)別準(zhǔn)確率在99-100％。
實(shí)施例3用化學(xué)氣相沉積法定向制作超長、內(nèi)徑在1-3nm的單根單壁碳納米管1(實(shí)現(xiàn)第一維控制)，用環(huán)氧樹脂將該碳納米管1從基座上粘下，待環(huán)氧樹脂凝固后以碳納米管1面向上置于盛有環(huán)氧樹脂的長方形模具(三維尺度在5-50mm)中，碳納米管1縱軸與模具縱軸方向一致，填充體積為模具的一半為宜，再在碳納米管1上方加入環(huán)氧樹脂將模具填滿，固定后獲得碳納米管與環(huán)氧樹脂的復(fù)合體2。將復(fù)合體2固定到切片機(jī)上，用激光刀3垂直于碳納米管1縱軸，以100nm左右的厚度逐級(jí)增加，切割復(fù)合體2，得到不同厚度的單孔膜4(200nm-100μm)(實(shí)現(xiàn)第二維控制)，原子力顯微鏡表征確認(rèn)后，再將單孔膜4固定到絕緣固相支持物上，獲得二維可控納米元件5。絕緣固相支持物采用硅片或膠木，中心有一直徑在2-10μm的小孔，外形可以是正方形或矩形，尺度長和寬在1cm左右，厚度在mm級(jí)，以手工可操作為宜。
效果利用將單根單壁碳納米管以包埋環(huán)氧樹脂后，再經(jīng)激光刀切片，最后加固而獲得的二維可控納米元件，其堅(jiān)固耐用，納米元件中的筒形納米孔形狀規(guī)則、孔壁光潔無靜電，而且孔徑和孔深在納米級(jí)可控，對(duì)dNMPs筆跡的識(shí)別準(zhǔn)確率在99-100％。
實(shí)施例4購置商業(yè)雙壁或多壁碳納米管，與十八烷基胺混合后，將混合液涂抹在玻璃或硅片上，原子力顯微鏡檢查，找出內(nèi)徑在1-3nm的單根碳納米管1(實(shí)現(xiàn)第一維控制)，將該碳納米管1轉(zhuǎn)移到400℃固化的TEFLON基座上，再向基座加液體TEFLON后，加溫到400度，待TEFLON固化形成復(fù)合體2，將復(fù)合體2固定到顯微切片機(jī)上，用激光刀3垂直于碳納米管1縱軸，以100nm左右的厚度逐級(jí)增加(實(shí)現(xiàn)第二維在納米級(jí)的控制)，切割復(fù)合體2，得到不同厚度的單孔膜4(200nm-100μm)，原子力顯微鏡表征確認(rèn)后，再將單孔膜4固定到絕緣固相支持物上，獲得二維可控納米元件5。絕緣固相支持物采用硅片或膠木，中心有一直徑在2-10μm的小孔，外形可以是正方形或矩形，尺度長和寬在1cm左右，厚度在mm級(jí)，以手工可操作為宜。
效果利用將雙壁或多壁碳納米管以TEFLON包埋后，再經(jīng)激光刀切片，最后加固而獲得的二維可控納米元件，其堅(jiān)固耐用，納米元件中的筒形納米孔形狀規(guī)則、孔壁光潔無靜電，而且孔徑和孔深在納米級(jí)可控，對(duì)dNMPs筆跡的識(shí)別準(zhǔn)確率在99-100％。
實(shí)施例5用化學(xué)氣相沉積法定向制作超長、內(nèi)徑在1-3nm的單根單壁碳納米管1，或用可溶性導(dǎo)電聚吡咯分散商業(yè)雙壁或多壁碳納米管，原子力顯微鏡輔助下挑選內(nèi)徑在1-3納米的單根單壁、雙壁或多壁碳納米管1(實(shí)現(xiàn)第一維控制)，而后將其轉(zhuǎn)移到一半盛有TEFLON底座的模具(三維尺度在5-50mm)中，碳納米管1縱軸與模具縱軸方向一致，再在碳納米管1上方加入TEFLON將模具填滿，固定后獲得碳納米管1與TEFLON的復(fù)合體2，將復(fù)合體2固定到切片機(jī)上，用激光刀3按垂直于碳納米管1縱軸方向，以100nm左右的厚度逐級(jí)增加，切割復(fù)合體2，得到不同厚度的單孔膜4(200nm-100μm)(實(shí)現(xiàn)第二維控制)，原子力顯微鏡表征確認(rèn)后，再將單孔膜4固定到絕緣固相支持物上，獲得二維可控納米元件5。絕緣固相支持物采用硅片或膠木，其中心有一直徑在2-10μm的小孔，外形可以是正方形或矩形，長和寬在1cm左右，厚度在mm級(jí)，以手工可操作為宜。
效果利用將單壁碳納米管以TEFLON包埋后，再經(jīng)激光刀切片，最后加固而獲得的二維可控納米元件，其堅(jiān)固耐用，納米元件中的筒形納米孔形狀規(guī)則、孔壁光潔無靜電，而且孔徑和孔深在納米級(jí)可控，對(duì)dNMPs筆跡的識(shí)別準(zhǔn)確率在99-100％。
權(quán)利要求
1.一種碳納米管制備二維可控納米元件的方法，其特征在于，首先制備單根單壁碳納米管或用分散劑將商業(yè)單壁、雙壁和多壁碳納米管分離出單根碳納米管，在原子力顯微鏡或透射電子顯微鏡輔助下，選取內(nèi)徑在1-3nm的單根碳納米管，獲得單根碳納米管，其后將該碳納米管包埋到絕緣聚合物中形成復(fù)合體，然后將復(fù)合體切片獲得單孔膜，最后將單孔膜固定到絕緣固相支撐物上，獲得二維可控納米元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的碳納米管制備二維可控納米元件的方法，其特征是，所述的分散劑，是十二烷磺基酸鈉、十八烷基胺或可溶性導(dǎo)電聚吡咯。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的碳納米管制備二維可控納米元件的方法，其特征是，所述的將單根碳納米管包埋，具體為將上述內(nèi)徑在1-3nm的單根碳納米管包埋到絕緣聚合物中，待絕緣聚合物凝固后形成復(fù)合體。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1或3所述的碳納米管制備二維可控納米元件的方法，其特征是，所述的絕緣聚合物，是環(huán)氧樹脂或TEFLON。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的碳納米管制備二維可控納米元件的方法，其特征是，所述的將復(fù)合體切片，具體為用鉆石刀或激光刀垂直于碳納米管方向，按200nm-100μm厚度切割上述復(fù)合體，獲得單孔膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1或5所述的碳納米管制備二維可控納米元件的方法，其特征是，所述的單孔膜，其厚度即為納米孔的孔深，在納米至微米級(jí)。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的碳納米管制備二維可控納米元件的方法，其特征是，所述的絕緣固相支撐物是硅片或膠木，其中心有一直徑在2-10μm的小孔、外形是正方形或矩形、長和寬在1cm、厚度在mm級(jí)。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的碳納米管制備二維可控納米元件的方法，其特征是，所述的二維可控納米元件中納米孔為規(guī)則的筒形、孔徑1-3nm、孔深0.2-100μm。
專利摘要
一種碳納米管制備二維可控納米元件的方法，屬于納米技術(shù)領(lǐng)域：
。本發(fā)明方法具體為首先是獲得單根單壁、雙壁或多壁碳納米管，其后將該碳納米管包埋到絕緣聚合物中形成復(fù)合體，然后將復(fù)合體切片，獲得單孔膜，最后將單孔膜固定到絕緣固相支撐物上，獲得二維可控納米元件。利用本發(fā)明方法制備的二維可控納米元件，其堅(jiān)固耐用，納米元件中的納米孔為筒形，硬度高、表面光潔、無靜電，可耐受較高的電壓，能準(zhǔn)確識(shí)別帶電分子dNMPs、rNMPs和aas，可作為結(jié)合外切酶對(duì)DNA、RNA和蛋白質(zhì)進(jìn)行單分子測(cè)序的關(guān)鍵元件。
文檔編號(hào)B82B3/00GK1994864SQ200610147236
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年12月14日
發(fā)明者王志民, 黃少銘 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué), 溫州大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan