CN102175738B - 一种基于玻璃微管的单纳米孔传感器及其制造方法 - Google Patents

一种基于玻璃微管的单纳米孔传感器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于玻璃微管的单纳米孔传感器，玻璃微管，其包括位于一端的突起；单纳米孔，设置在所述突起中；两流体室，分别设置在单纳米孔的两端，且两流体室通过单纳米孔相连接；用于给两流体室施加电压的第一电压源；两Pt电极，设置在突起上且位于单纳米孔的上、下侧；用于检测两Pt电极之间电流的电流表，电流表的两端分别与两Pt电极相连接；和用于给两Pt电极施加电压的第二电压源；所述单纳米孔和流体室中均设有电解液。本发明的传感器采用四电极，可以获得径向电流和轴向电流，使得本发明的传感器具有较高的灵敏度，且本发明的方法简单，可以大大的降低传感器的制造成本。

Description

一种基于玻璃微管的单纳米孔传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及的是一种用于检测分子的装置及其制造方法，具体涉及的是一种基于玻璃微管的单纳米孔传感器及其制造方法。
背景技术
目前，纳米通道主要包括天然纳米通道及固态纳米通道。固态纳米孔的制备主要在固态薄膜材料上进行，方法有：①离子束雕刻，离子束溅射侵蚀孔膜材料制成一个纳米孔或刺激物质横向运输收缩成一个纳米孔；②微雕铸，先用光刻技术制成母版，再在PDMS上金属沉积制备纳米孔；③潜径迹蚀刻，聚合物薄膜被高能重离子辐照后沿入射离子路径产生潜径迹，再对薄膜潜在离子轨道进行化学蚀刻，从而构成一个孔膜；④高能电子束诱导微调，高强度电子流可使得材料表面改性，微调已加工好的纳米孔(其可用FIB钻孔或电子束光刻获得)的直径。但是薄膜纳米孔加工成本较高，因为这些方法需要昂贵的制造设备或特殊材料，诸如扫描电子显微镜(SEM)的聚焦离子束系统、透射电镜(TEM)的高能高聚焦性的电子束或具有低密度离子轨道的聚合物膜；其力学稳定性较差：易受到薄膜结构的机械力学特性的限制，薄膜与溶液之间的表面张力也极易影响薄膜与基底的吸附稳定性，还有盐溶液腐蚀、热膨胀变形能制约着固态薄膜纳米孔的使用寿命；其噪音影响较大：绝缘的薄膜材料一般都是沉积在基体上的，两种不同材料的键合情况、各种场(溶液、温度、振动)环境下薄膜与基体的受力情况都会对纳米孔结构稳定性产生影响，从而实验得到调制电流飘动范围大，噪音影响显著。
利用纳米通道技术的生物分子传感器不仅可以进行DNA测序，还可以检测细菌、蛋白质分子和检测抗原-抗体的反应，从而应用于疾病检测、药物筛选，具有广泛的应用前景。纳米孔检测技术的原理就是通过辨识纳米孔内导电性介质所引起的调制电流的变化幅度和持续时间达到辨识该介质的目的。但目前电流检测都是在轴向加电压产生离子电流，但是在轴向加电压会限制其分辨率而且无法判断被测介质在孔内的运动状态。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种机械力学特性及结构稳定性比较高的，具有较好的使用寿命和低水平的噪音影响的一种基于玻璃微管的单纳米孔传感器及其制造方法。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明的一种基于玻璃微管的单纳米孔传感器，包括玻璃微管，包括位于一端的突起；单纳米孔，设置在突起中；两流体室，分别设置在单纳米孔的两端并通过单纳米孔相连接；用于给两流体室施加电压的第一电压源；两Pt电极，设置在突起上且位于单纳米孔的上、下侧；用于检测两Pt电极之间电流的电流表，电流表的两端分别与两Pt电极相连接；和用于给两Pt电极施加电压的第二电压源；单纳米孔和流体室中均设有电解液。采用了相互垂直的两对电极，所以具备较高的灵敏度。
上述单纳米孔的直径为1～100nm。适合不同介质的尺寸范围。
本发明的基于玻璃微管的单纳米孔传感器的制造方法，包括以下几个步骤：
(a)在玻璃微管内密封石蜡，然后对玻璃微管进行局部加热，使玻璃微管熔封、拉断，熔封的玻璃微管内部形成一个锥形的纳米通道；
(b)用丙酮去除玻璃微管中的石蜡，并用砂轮磨削位于突起处的纳米通道，突起中得到一个单纳米孔，在单纳米孔的两端分别连接一个流体室，在单纳米孔和流体室中装电解液，除去石蜡，使得单纳米孔具有统一而明确的材料特性，所以该单纳米孔具有较高的结构稳定性；
(c)采用原子层沉积的方法，在突起上且位于单纳米孔的上、下侧形成两个Pt电极，用电流表检测两Pt电极之间的电流，电流表的两端分别与两Pt电极相连接；
(d)在两流体室之间加第一电压源，在两Pt电极之间加第二电压源。
本发明的传感器采用四电极，可以获得径向电流和轴向电流，将径向电流和轴向电流比较，能够获得更高的灵敏度和辨识率，而且通过径向电流还能够分析被测介质过孔的状态，便于以后进一步分析介质的性质等；采用本发明的方法制备的单纳米孔的直径为1～100nm，适合于检测不同的介质，且制得的单纳米孔具有结构强度高、信噪比较低和灵敏度较高等优点；且本发明的方法简单，可以大大的降低传感器的制造成本。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为本发明密封有石蜡的玻璃微管结构示意图；
图2为图1经加热后的结构示意图；
图3为本发明的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
本发明的单纳米孔传感器包括玻璃微管1，玻璃微管1包括位于右端的突起5，在突起5中设有单纳米孔3，在单纳米孔3的两端分别设有一个流体室，两流体室通过单纳米孔3相连接，用第一电压源提供两流体室之间的电压，在突起5上位于单纳米孔3上、下侧设有两个Pt电极4，用电流表7检测两Pt电极4之间的电流，电流表7的两端分别与两Pt电极4相连接，用第二电压源提供两Pt电极之间的电压，单纳米孔3和流体室中均设有电解液。
本发明的基于玻璃微管的单纳米孔传感器的制造方法，包括以下几个步骤：
(a)在玻璃微管1内放入少量的固态石蜡2，使固态石蜡2均匀地分布在玻璃微管1的内壁上(参见图1)，然后在玻璃微管1的中间位置进行局部加热，使玻璃微管1熔封、拉断，此时，熔封的玻璃微管1内的压强大于标准压强，体积受限的气态石蜡2具有抵抗压缩的趋势，位于突起5处的石蜡2形成物理占位，此时，熔融态的玻璃微管1包覆石蜡2形成一个锥形的纳米通道6(参见图2)；
(b)用化学溶解的方法，去除石蜡2，实现纳米通道6的洞通，再用金刚石砂轮磨削位于突起5处的纳米通道6，此时，突起5中得到一个直径为1～100nm单纳米孔3；在单纳米孔3的两端分别连接一个流体室，在单纳米孔3和流体室中装电解液，两流体室通过单纳米孔3相连接，在左端的流体室内添加需要检测的介质；去除石蜡2，使得单纳米孔3具有统一而明确的材料特性，所以该单纳米孔3具有较高的结构稳定性；
(c)参见图3，在突起5的右端通过原子层沉积的方法，在突起5处单纳米孔3的上、下两侧分别沉积Pt层，将导线与Pt层相连接形成Pt电极4，作为径向电极，用电流表7检测两Pt电极4之间的电流，电流表7的两端分别与两Pt电极4相连接；
(d)在两流体室之间加第一电压源，由于单纳米孔3的直径略大于待测介质的直径，当沿单纳米孔3的两端施加电压时，会产生离子电流，从而将待测分子拉过单纳米孔3；当单纳米孔3直径与待辨识的介质直径接近时，当异质介质通过单纳米孔3的时候，由于介质的堵塞将引起电流的微弱变化，通过实验建立离子电流与不同介质一一对应的关系，此时可以通过检测单纳米孔3中离子电流的变化，进而辨识介质；在两Pt电极4之间加第二电压源，从而获得径向电流，通过分析径向电流，从而得知被测介质的过孔状态等。原子层沉积的方法为现有技术，此处不再赘言。
本发明的传感器采用四电极，可以获得径向电流和轴向电流，将径向电流和轴向电流比较，能够获得更高的灵敏度和辨识率，而且通过径向电流还能够分析被测介质过孔的状态，便于以后进一步分析介质的性质等；采用本发明的方法制备的单纳米孔3的直径为1～100nm，适合于检测不同的介质，且制得的单纳米孔3具有结构强度高、信噪比较低和灵敏度较高等优点；且本发明的方法简单，可以大大的降低传感器的制造成本。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.基于玻璃微管的单纳米孔传感器的制造方法，包括以下几个步骤：
（a）在玻璃微管（1）内密封固态石蜡（2）,然后对玻璃微管（1）进行局部加热，使玻璃微管（1）熔封、拉断，熔封的玻璃微管（1）内部形成一个锥形的纳米通道（6）；
（b）用丙酮去除玻璃微管（1）中的石蜡（2），并用砂轮磨削位于突起（5）处的纳米通道（6），突起（5）中得到一个单纳米孔（3），在单纳米孔（3）的两端分别连接一个流体室，在单纳米孔（3）和两流体室中均装电解液；
（c）采用原子层沉积的方法，在突起（5）上且位于单纳米孔（3）的上、下侧形成两个Pt电极（4），用电流表（7）检测两Pt电极（4）之间的电流，电流表（7）的两端分别与两Pt电极（4）相连接；
（d）在两流体室之间加第一电压源，在两Pt电极（4）之间加第二电压源；
所述基于玻璃微管的单纳米孔传感器，包括
玻璃微管（1），其包括位于一端的突起（5）；
单纳米孔（3），设置在所述突起（5）中；
两流体室，分别设置在所述单纳米孔（3）的两端，且两流体室通过单纳米孔（3）相连接；
用于给两流体室施加电压的第一电压源；
两Pt电极（4），设置在所述突起（5）上且位于所述单纳米孔（3）的上、下侧；
用于检测两Pt电极（4）之间电流的电流表（7），所述电流表（7）的两端分别与两Pt电极（4）相连接；和
用于给两Pt电极（4）施加电压的第二电压源；
所述单纳米孔（3）和流体室中均设有电解液；
所述单纳米孔（3）的直径为1～100nm。
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