一種新型碳纖維納米錐電極的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種新型碳纖維納米錐電極，屬于電化學(xué)及材料科學(xué)領(lǐng)域。該新型碳纖維納米錐電極包含碳纖維、電極引線和玻璃毛細(xì)管；碳纖維與電極引線通過導(dǎo)電膠連接，碳纖維前面部分的50～100μm處刻蝕成針狀，針狀的尖端直徑為100～300nm；玻璃毛細(xì)管的一端拉制成直徑小于或等于1μm的尖端；與電極引線連接的碳纖維穿入拉尖的玻璃毛細(xì)管，且碳纖維露出玻璃毛細(xì)管尖端，電極引線露出玻璃毛細(xì)管的另一端，該端用AB膠封口。本實用新型從根本上解決了納米電極絕緣后尖端難以暴露的問題。本實用新型碳纖維納米錐電極具有低噪音、高靈敏度、高時空分辨率的優(yōu)點，可用于神經(jīng)科學(xué)研究中對突觸間隙內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)實時探測。
【專利說明】 一種新型碳纖維納米錐電極
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于電化學(xué)及材料科學(xué)領(lǐng)域，涉及一種新型碳纖維納米錐電極。
【背景技術(shù)】
[0002]目前構(gòu)建納米電極的方法一般分為一步法和兩步法。一步法將電極尖端以外的部分絕緣，主要是將刻蝕的金屬線穿過或蘸涂熔融絕緣物如石蠟、玻璃等絕緣物。由于絕緣層較厚，制得的納米電極雖然活性面小，但是幾何尺寸較大，限制了電極在納米尺度范圍內(nèi)的應(yīng)用。兩步法首先將電極完全絕緣，然后通過各種方法將電極尖端的絕緣物除去。但是這種方法技術(shù)復(fù)雜，操作難度較大且制得的電極重復(fù)性不好。迄今為止，已有多種方法如化學(xué)和火焰蝕刻法制作針狀碳纖維納米電極，然而將電極活性表面絕緣且暴露極小的納米尖端卻存在很大困難。雖然已有文獻(xiàn)報道采用多種方法暴露納米級尖端，但是依然存在操作繁瑣以及較難實現(xiàn)批量制備等問題。發(fā)展一種制作方法簡單、易于實現(xiàn)批量生產(chǎn)、電化學(xué)性能優(yōu)良、時空分辨率高、且可用于納米尺度突觸間隙內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)分泌動力學(xué)的實時動態(tài)監(jiān)測的納米錐狀電極，在國際上尚未取得突破。
實用新型內(nèi)容
[0003]本實用新型的目的在于提供一種低噪音、高靈敏度、高時空分辨率的新型碳纖維納米錐電極。
[0004]本實用新型的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):
[0005]一種新型碳纖維納米錐電極，包含碳纖維、電極引線和玻璃毛細(xì)管；碳纖維與電極引線通過導(dǎo)電膠連接，碳纖維前面部分的50?100 μ m處刻蝕成針狀，針狀的尖端直徑為100?300nm ;玻璃毛細(xì)管的一端拉制成直徑小于或等于Ιμπι的尖端；與電極引線連接的碳纖維穿入拉尖的玻璃毛細(xì)管，且碳纖維露出玻璃毛細(xì)管尖端，電極引線露出玻璃毛細(xì)管的另一端，該端用AB膠封口。
[0006]所述的碳纖維的直徑優(yōu)選為5?7 μ m、長度優(yōu)選為2?3cm。
[0007]所述的電極引線優(yōu)選為銅絲；電極引線的直徑優(yōu)選為0.3?0.5mm，長度優(yōu)選為8 ?12cm。
[0008]所述的導(dǎo)電膠優(yōu)選為石墨導(dǎo)電膠(即環(huán)氧樹脂+乙二胺+石墨粉)。
[0009]所述的玻璃毛細(xì)管的壁厚優(yōu)選為0.4?0.6mm。
[0010]所述的碳纖維優(yōu)選為露出玻璃毛細(xì)管尖端0.5?I μ m。
[0011]上述新型碳纖維納米錐電極的制備方法，包含如下步驟:
[0012](I)將碳纖維與電極引線采用導(dǎo)電膠粘連，待導(dǎo)電膠凝固后，將碳纖維清洗，在空氣中晾干。
[0013](2)將碳纖維前面部分的50?100 μ m處刻蝕成針狀。
[0014](3)將玻璃毛細(xì)管用拉制儀拉制成直徑小于或等于I μ m的尖端。玻璃毛細(xì)管尖端的直徑小于或等于I微米，以保證最終玻璃絕緣部分的直徑小。[0015](4)將與電極引線連接的碳纖維穿入拉尖的玻璃毛細(xì)管內(nèi)，使碳纖維露出玻璃毛細(xì)管尖端2?5 μ m，玻璃毛細(xì)管的另一端用AB膠封口。將刻蝕好的碳纖維穿入玻璃管要緩慢，防止用力過大戳破玻璃管的尖端。
[0016](5)待AB膠固化后，用拋光儀進(jìn)一步加熱封口。具體的方法與電生理中玻璃微管的拋光方法類似。用拋光儀封口的時候一定要控制好玻璃毛細(xì)管尖端與加熱絲的距離，并且在加熱的過程中要根據(jù)需要，不斷調(diào)節(jié)兩者的位置。
[0017](6)將露出玻璃毛細(xì)管尖端的碳纖維刻蝕至所需的長度(一般為0.5?Ιμπι)即制得新型碳纖維納米錐電極。在拋光儀上進(jìn)一步刻蝕碳纖維尖端時要控制好玻璃毛細(xì)管尖端與加熱絲的距離，防止碳纖維尖端被完全燒熔而消失。
[0018]步驟(I)中所述的導(dǎo)電膠優(yōu)選為石墨導(dǎo)電膠(即環(huán)氧樹脂+乙二胺+石墨粉)；因為銀導(dǎo)電膠在后面清洗碳纖維的過程中會使碳纖維和銅絲脫落，而制作納米電極最重要的一個步驟就是保持碳纖維表面干凈。
[0019]步驟(I)中所述的清洗優(yōu)選為依次用丙酮、乙醇、二次蒸餾水超聲清洗。
[0020]步驟(2)中所述的刻蝕優(yōu)選為用酒精燈藍(lán)色的火焰進(jìn)行刻蝕。酒精燈的火焰要燒成藍(lán)色的火焰，這個過程從點燃酒精燈到呈藍(lán)色火焰至少需要10分鐘；藍(lán)色的火焰有利于刻蝕得到尺寸極小的碳纖維納米電極尖端，并使得電極表面光滑。
[0021]上述新型碳纖維納米錐電極在突觸間隙內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)實時探測中的應(yīng)用。
[0022]本實用新型具有如下優(yōu)點和效果:
[0023]本實用新型的制備方法不僅大大簡化了電極的制作步驟，還從根本上解決了納米電極絕緣后尖端難以暴露的問題。本實用新型的碳纖維納米錐電極可直接用作掃描電化學(xué)顯微鏡的探針、以及納米尺度下的動力學(xué)研究及分析。尤為重要的是，由于本實用新型制得的碳纖維納米錐電極尖端直徑只有100?300nm，且玻璃絕緣層厚度僅有I μ m左右，電極幾何尺寸很小，其能夠貼近神經(jīng)細(xì)胞上的任何位置，還能插入到納米尺度突觸間隙進(jìn)行探測，并且不會對突觸造成明顯損傷?？傊?，本實用新型碳纖維納米錐電極優(yōu)越的性能(低噪音、高靈敏度、高時空分辨率)及簡單易制的特點使其在對電極性能要求高且消耗量大的神經(jīng)科學(xué)研究中具有重要意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本實用新型新型碳纖維納米錐電極的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1-碳纖維，2-導(dǎo)電膠，3-玻璃毛細(xì)管，4-電極引線，5-AB膠。
[0025]圖2是本實用新型新型碳纖維納米錐電極的主要制作步驟示意圖。
[0026]圖3是實施例2的新型碳纖維納米錐電極的掃描電鏡圖，其中B為A放大圖。
[0027]圖4是實施例2的新型碳纖維納米錐電極在六氯四氨合釕中的循環(huán)伏安圖。
[0028]圖5是10根實施例2的新型碳纖維納米錐在六氯四氨合釕中的循環(huán)伏安圖。
[0029]圖6是新型碳纖維納米錐電極在SCG-VSMC的突觸間隙內(nèi)的檢測結(jié)果圖，其中，A是時間序列(Time-lapse)成像顯示新型碳纖維納米錐電極插入SCG-VSMC突觸間隙全過程(a、b、C、d、e、f、h是電極逐漸插入SCG-VSM突觸間隙的全過程，白色箭頭指示的為交感曲張體，h中電極納米尖端已輕微挑起曲張體);B是70mM高鉀誘導(dǎo)交感神經(jīng)元安培信號峰(a、b、C、d是安培信號峰)，圖上部為放大的單個囊泡胞吐安培信號。【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合實施例及附圖對本實用新型做進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。
[0031]實施例1
[0032]一種新型碳纖維納米錐電極，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包含碳纖維1、電極引線4和玻璃毛細(xì)管3 ;碳纖維I與電極引線4通過導(dǎo)電膠2連接，碳纖維I前面部分的50?100 μ m處刻蝕成針狀，針狀的尖端直徑為100?300nm ;玻璃毛細(xì)管3的一端拉制成直徑小于或等于I μ m的尖端；與電極引線4連接的碳纖維I穿入拉尖的玻璃毛細(xì)管3，且碳纖維I露出玻璃毛細(xì)管3尖端，電極引線4露出玻璃毛細(xì)管3的另一端，該端用AB膠5封口。
[0033]所述的碳纖維I的直徑為5?7 μ m、長度為2?3cm ;所述的電極引線4為銅絲，其直徑為0.3?0.5mm，長度為8?12cm ;所述的導(dǎo)電膠2為石墨導(dǎo)電膠(即環(huán)氧樹脂+乙二胺+石墨粉)；所述的玻璃毛細(xì)管3的壁厚為0.4?0.6mm ;所述的碳纖維I露出玻璃毛細(xì)管3尖端0.5?I μ m。
[0034]新型碳纖維納米錐電極的主要制作步驟示意圖如圖2所示。
[0035]實施例2
[0036](I)將直徑為 7 μ m,長度 2 ?3cm 碳纖維(Goodfellow C0., Oxford, U.K.)與電極引線銅絲(直徑0.4_，長度約IOcm)用石墨導(dǎo)電膠粘連，室溫放置至導(dǎo)電膠凝固；將碳纖維依次用丙酮、乙醇、二次蒸餾水超聲清洗，在空氣中晾干。
[0037](2)將碳纖維靠近酒精燈富氧的藍(lán)色火焰，待碳纖維尖端微紅立即撤出火焰，把碳纖維前面部分的50?100 μ m處刻蝕成針狀，尖端直徑為100?300nm。
[0038](3)將潔凈的玻璃毛細(xì)管(長度10cm，外徑1.0mm，內(nèi)徑0.58mm)用激光拉制儀(P2000, Sutter Instruments, U.S.A.)拉制成直徑約為Iym的尖端(具體參數(shù)為heat=380,fil=4, vel=40, del=200, pul=0)。
[0039](4)將與銅絲連接的碳纖維從另一端穿入拉尖的玻璃毛細(xì)管內(nèi)，在白色背景下看到毛細(xì)管內(nèi)碳纖維扭曲后立即停止，此時碳纖維露出玻璃毛細(xì)管尖端約2?5μπι;玻璃毛細(xì)管的另一端用AB膠封口。
[0040](5)待 AB 膠固化后用拋光儀(MF9OO, World Precision Instruments, USA)進(jìn)一步加熱封口。具體的方法跟電生理中玻璃微管的拋光方法類似，將加熱的強(qiáng)度控制在80左右，按加熱按鈕2?3下即可，每次按的時間為Is左右。
[0041](6)將露出玻璃毛細(xì)管尖端的碳纖維用拋光儀刻蝕至0.5?I μ m即制得新型碳纖維納米錐電極。
[0042]實施例3
[0043](I)將直徑為 7 μ m,長度 2 ?3cm 碳纖維(Goodfellow C0., Oxford, U.K.)與電極引線銅絲(直徑0.35mm，長度約10cm)用石墨導(dǎo)電膠粘連，室溫放置至導(dǎo)電膠凝固；然后再將碳纖維依次用丙酮、乙醇、二次蒸餾水超聲清洗，在空氣中晾干。
[0044](2)將碳纖維靠近酒精燈富氧的藍(lán)色火焰，待碳纖維尖端微紅立即撤出火焰，把碳纖維前面部分的50?100 μ m處刻蝕成針狀，尖端直徑為100?300nm。
[0045](3)將潔凈的玻璃毛細(xì)管(長度為10cm，外徑1.0mm,內(nèi)徑0.50mm)用激光拉制儀(P2000, Sutter Instruments, U.S.A.)拉制成直徑約為Iym的尖端(具體參數(shù)為heat=390,fil=5, vel=40, del=200, pul=0)。
[0046](4)將與銅絲連接的碳纖維從另一端穿入拉尖的玻璃毛細(xì)管內(nèi)，在白色背景下看到毛細(xì)管內(nèi)碳纖維扭曲后立即停止，此時碳纖維露出玻璃毛細(xì)管尖端約2?5μπι ;玻璃毛細(xì)管的另一端用AB膠封口。
[0047](5)待AB膠固化后用拋光儀(2002-C，武漢東山新技術(shù)應(yīng)用研究所)進(jìn)一步加熱封口。具體的方法跟電生理中玻璃微管的拋光方法類似，調(diào)節(jié)加熱電壓為11V，摁下加熱按鈕，
持續(xù)約一秒，重復(fù)兩次。
[0048](6)將露出玻璃毛細(xì)管尖端的碳纖維用拋光儀進(jìn)一步刻蝕至0.5?I μ m即制得新型碳纖維納米錐電極。
[0049]通過SEM電鏡和電化學(xué)工作站的儀器表征(見圖3?5)發(fā)現(xiàn)，本實用新型制備的新型碳纖維納米錐電極具有良好的電化學(xué)性能。由圖4和圖5可知電極極限電流低，充電電流小，電極的重復(fù)性好；通過計算得到10根電極的平均電容和術(shù)平方根噪音分別為
0.55±0.24pF和460± 115fA(mean土s.d., n=15)，說明該電極噪音低。該電極可以對pA級的電流進(jìn)行檢測說明其靈敏度極高(見圖4和圖5)，電極尖端直徑只有100?300nm，且玻璃絕緣層厚度僅有I μ m左右(見圖3)，電極幾何尺寸很小，可以插入到突觸間隙內(nèi)進(jìn)行實時探測。
[0050]將實施例2所制備的新型碳纖維納米錐電極運用到大鼠頸上交感神經(jīng)元和大鼠胸動脈平滑肌細(xì)胞(SCG-VSMC)的突觸間隙內(nèi)進(jìn)行檢測，得到了很好的結(jié)果(見圖6)。這種檢測的具體過程為:首先將原代SCG神經(jīng)元滴入到培養(yǎng)有VSMC的培養(yǎng)皿中進(jìn)行常規(guī)培養(yǎng)3?5天，形成突觸間隙，然后在微操作手和顯微鏡下將所制備的新型碳纖維納米錐電極如圖6A所示插入到SCG-VSMC突觸間隙，然后給碳纖維加上780mV的電壓，給予細(xì)胞70mM的高鉀刺激在膜片鉗放大器中記錄所得到的信號，如圖6B所示。發(fā)現(xiàn)在交感神經(jīng)元和平滑肌的突觸間隙檢測到的安培信號峰比在單個交感神經(jīng)元上得到的信號峰更復(fù)雜，多數(shù)表現(xiàn)為kiss and run形式如圖6B的a、b、C、d的放大峰。結(jié)果表明神經(jīng)信號傳導(dǎo)過程中，交感曲張體釋放去甲腎上腺素行為受突觸后受體調(diào)控，且具有更為復(fù)雜的動力學(xué)行為。將本實用新型的新型碳纖維納米錐電極深入突觸間隙，通過對神經(jīng)元釋放神經(jīng)遞質(zhì)的安培檢測，建立了一種神經(jīng)元與其靶細(xì)胞之間信號傳導(dǎo)實時監(jiān)測的新方法，可以在神經(jīng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用。
[0051]上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種新型碳纖維納米錐電極，其特征在于:包含碳纖維、電極引線和玻璃毛細(xì)管；碳纖維與電極引線通過導(dǎo)電膠連接，碳纖維前面部分的50?100 μ m處刻蝕成針狀，針狀的尖端直徑為100?300nm ;玻璃毛細(xì)管的一端拉制成直徑小于或等于I μ m的尖端；與電極引線連接的碳纖維穿入拉尖的玻璃毛細(xì)管，且碳纖維露出玻璃毛細(xì)管尖端，電極引線露出玻璃毛細(xì)管的另一端，該端用AB膠封口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型碳纖維納米錐電極，其特征在于:所述的碳纖維的直徑為5?7 μ m、長度為2?3cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型碳纖維納米錐電極，其特征在于:所述的電極引線為銅絲；電極引線的直徑為0.3?0.5mm,長度為8?12cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型碳纖維納米錐電極，其特征在于:所述的導(dǎo)電膠為石墨導(dǎo)電膠。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型碳纖維納米錐電極，其特征在于:所述的玻璃毛細(xì)管的壁厚為0.4?0.6_。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型碳纖維納米錐電極，其特征在于:所述的碳纖維露出玻璃毛細(xì)管尖端0.5?I μ m。
【文檔編號】G01N27/30GK203376286SQ201320500918
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年8月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月16日
【發(fā)明者】黃衛(wèi)華, 李玉桃, 吳文展, 張淑慧 申請人:武漢大學(xué)