專利名稱：碳納米管制備二維可控納米元件的方法
技術領域：
本發明涉及一種納米技術領域的制備方法，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：
生物的原生質體膜上存在著天然的蛋白質孔洞，可以進行細胞內和細胞外的離子交換，用膜片鉗能夠檢測離子流動情況。用α溶血素侵染雙脂膜形成一種兩側不對稱的蛋白質納米孔，也可用于離子流的檢測，目前大量用于核酸和單鏈脫氧核酸(統稱核酸)穿孔的動力學研究，檢測核酸分子片段的大小，并有測定核酸堿基序列的潛力，但由于這種納米孔是蛋白質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，在有效的電場強度下，核酸通過納米孔的速度太快，超出了當前膜片鉗的分辨率(1個電信號/毫秒)，不能準確記載各個堿基的電信號，雖然通過調節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個數量級，這些都使納米孔測序變得復雜化。為了克服蛋白孔存在的天然缺陷，人們用離子束、電子束刻蝕或濺射、重離子穿孔后再進行化學蝕刻、聚合物薄膜扎孔以及低密度商業膜內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，很不規則。因此，如何制備尺度可控的納米孔，成了提高檢測帶電分子如核酸、核酸一磷酸或脫氧核酸一磷酸等電信號準確性的關鍵，對DNA和RNA測序的準確性起著決定性作用。
經過對現有技術的文獻檢索發現，Sun，L.和Crooks，R.M.在《Journalof the American Chemical Society》(《美國化學協會雜志》，2000年第122卷第12340-12345頁)發表了題為“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模型”)的文章，提出如下技術方案將多壁碳納米管包埋于環氧樹脂中，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，而不能直接用于檢測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。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提出一種碳納米管制備二維可控納米元件的方法，使其實現對納米元件二維(孔徑和孔深)尺度的控制，提高對分子量、三維結構有差異帶電分子的分辨率。
本發明方法是通過以下技術方案實現的，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合體，然后將復合體切片，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合體；③復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厚度切割復合體，獲得厚度在納米至微米級的單孔膜，原子力顯微鏡確認，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電聚吡咯等。所述的絕緣聚合物，是環氧樹脂或TEFLON(特氟隆)等。
利用本發明方法制備的二維可控納米元件中納米孔為規則的筒形，孔徑可控制在1-3nm，孔深可控制在0.2-100μm，克服了現有技術中制備的納米孔的不規則問題。本發明方法制備的二維可控納米元件，將為以外切酶為基礎的DNA、RNA和蛋白質單分子測序以及其他帶電分子穿孔動力學研究提供關鍵的傳感器。
圖1為本發明方法過程示意圖具體實施方式
如圖1所示，制作或挑選出內徑在1-3nm的單根單壁、雙壁或多壁碳納米管1，然后將其以環氧樹脂或TEFLON包埋，待環氧樹脂或TEFLON凝固后形成復合體2，用鉆石刀或激光刀3垂直于碳納米管1縱軸，按0.2-100μm厚度對復合體2切片，得到單孔膜4，原子力顯微鏡確認后，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。
實施例1用化學氣相沉積法定向制作超長、內徑在1-3nm的單根單壁碳納米管1(實現第一維控制)，用環氧樹脂將該碳納米管1從基座上粘下，待環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上方加入環氧樹脂將模具填滿，固定后獲得碳納米管與環氧樹脂的復合體2，將復合體2固定到顯微切片機上，用鉆石刀3 垂直于碳納米管1縱軸，以50nm左右的厚度逐級增加，切割出不同厚度的單孔膜4(200nm-100μm)(實現第二維控制)，原子力顯微鏡表征確認后，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，以手工可操作為宜。
效果利用將單根單壁碳納米管以環氧樹脂包埋后，再經鉆石刀切片，最后加固而獲得的二維可控納米元件，其堅固耐用，納米元件中的筒形納米孔形狀規則、孔壁光潔無靜電，而且孔徑和孔深在納米級可控，對dNMPs筆跡的識別準確率在99-100％。
實施例2購置商業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，找出內徑在1-3nm的單根碳納米管1(實現第一維控制)，用環氧樹脂將其從基座上粘下，待環氧樹脂凝固后，以碳納米管1面向上將其置于盛有環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上方加入環氧樹脂將模具填滿，固定后獲得碳納米管與環氧樹脂的復合體2；將復合體2固定到顯微切片機上，用鉆石刀3垂直于碳納米管1縱軸，以50nm左右的厚度逐級增加(實現第二維在納米級的控制)，切割復合體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，以手工可操作為宜。
效果利用將雙壁或多壁碳納米管用環氧樹脂包埋后，再經鉆石刀切片，最后加固而獲得的二維可控納米元件，其堅固耐用，納米元件中的筒形納米孔形狀規則、孔壁光潔無靜電，而且孔徑和孔深在納米級可控，對dNMPs筆跡的識別準確率在99-100％。
實施例3用化學氣相沉積法定向制作超長、內徑在1-3nm的單根單壁碳納米管1(實現第一維控制)，用環氧樹脂將該碳納米管1從基座上粘下，待環氧樹脂凝固后以碳納米管1面向上置于盛有環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上方加入環氧樹脂將模具填滿，固定后獲得碳納米管與環氧樹脂的復合體2。將復合體2固定到切片機上，用激光刀3垂直于碳納米管1縱軸，以100nm左右的厚度逐級增加，切割復合體2，得到不同厚度的單孔膜4(200nm-100μm)(實現第二維控制)，原子力顯微鏡表征確認后，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，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氧樹脂后，再經激光刀切片，最后加固而獲得的二維可控納米元件，其堅固耐用，納米元件中的筒形納米孔形狀規則、孔壁光潔無靜電，而且孔徑和孔深在納米級可控，對dNMPs筆跡的識別準確率在99-100％。
實施例4購置商業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，找出內徑在1-3nm的單根碳納米管1(實現第一維控制)，將該碳納米管1轉移到400℃固化的TEFLON基座上，再向基座加液體TEFLON后，加溫到400度，待TEFLON固化形成復合體2，將復合體2固定到顯微切片機上，用激光刀3垂直于碳納米管1縱軸，以100nm左右的厚度逐級增加(實現第二維在納米級的控制)，切割復合體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，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，再經激光刀切片，最后加固而獲得的二維可控納米元件，其堅固耐用，納米元件中的筒形納米孔形狀規則、孔壁光潔無靜電，而且孔徑和孔深在納米級可控，對dNMPs筆跡的識別準確率在99-100％。
實施例5用化學氣相沉積法定向制作超長、內徑在1-3nm的單根單壁碳納米管1，或用可溶性導電聚吡咯分散商業雙壁或多壁碳納米管，原子力顯微鏡輔助下挑選內徑在1-3納米的單根單壁、雙壁或多壁碳納米管1(實現第一維控制)，而后將其轉移到一半盛有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的復合體2，將復合體2固定到切片機上，用激光刀3按垂直于碳納米管1縱軸方向，以100nm左右的厚度逐級增加，切割復合體2，得到不同厚度的單孔膜4(200nm-100μm)(實現第二維控制)，原子力顯微鏡表征確認后，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，以手工可操作為宜。
效果利用將單壁碳納米管以TEFLON包埋后，再經激光刀切片，最后加固而獲得的二維可控納米元件，其堅固耐用，納米元件中的筒形納米孔形狀規則、孔壁光潔無靜電，而且孔徑和孔深在納米級可控，對dNMPs筆跡的識別準確率在99-100％。
權利要求
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合體，然后將復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.根據權利要求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電聚吡咯。
3.根據權利要求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合體。
4.根據權利要求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，是環氧樹脂或TEFLON。
5.根據權利要求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厚度切割上述復合體，獲得單孔膜。
6.根據權利要求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。
7.根據權利要求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。
8.根據權利要求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則的筒形、孔徑1-3nm、孔深0.2-100μm。
全文摘要
一種碳納米管制備二維可控納米元件的方法，屬于納米技術領域。本發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合體，然后將復合體切片，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。利用本發明方法制備的二維可控納米元件，其堅固耐用，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，能準確識別帶電分子dNMPs、rNMPs和aas，可作為結合外切酶對DNA、RNA和蛋白質進行單分子測序的關鍵元件。
文檔編號B82B3/00GK1994864SQ20061014723
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月14日 優先權日2006年12月14日
發明者王志民, 黃少銘 申請人:上海交通大學, 溫州大學