CN108195914B - 一种能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法 - Google Patents

一种能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法，具体操作步骤如下：步骤一：制备单壁碳纳米管；步骤二：在步骤一中制备出的单壁碳纳米管上修饰纳米金颗粒；步骤三：制备碳管两端电极片。步骤四：通过探针台和电化学工作站测量出单根单壁碳纳米管修饰上纳米金的电极间的电导并记录；本发明在单壁碳纳米管上原位生长单壁碳纳米管，然后通过浸泡的方法沉积上纳米金颗粒。无需对碳纳米管进行基片转移，也无需通过外加电场沉积或组装上纳米金颗粒，方法简单。可以通过单壁碳纳米管中探针分子的改变，适用于检测其他不同的目标分子，具有普适性，更利于推广使用。

Description

一种能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳 纳米管的制备方法
技术领域
本发明涉及纳米材料领域，具体涉及一种能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法。
背景技术
随着生物技术的发展以及生物产品应用得越来越广泛，生物分子的检测方法也已发展成熟，各类检测技术早已经广泛应用于不同的生物分子检测领域。正是依赖于这些有效的检测手段才保证了我国食品、药品监测的准确性，保证了流通的安全。现阶段的检测手段都是针对单一生物分子进行检测，并且都需要用荧光标记物或生物试剂盒等昂贵的试剂材料，成本高，所需的检测仪器复杂，不利于普及。
目前，纳米材料被广泛地应用于生物单壁碳纳米管的研究和开发。其中，合成简便、比表面积大、吸附能力强、电子传导能力良好、光学性质丰富、生物相容性好的纳米金（通常1-100 纳米）是被研究得最多的一种。基于纳米金的生物单壁碳纳米管具有低耗费、高灵敏以及小尺寸等优点，因此被人们广泛地研究并将其应用于生物检测领域。
基于金纳米颗粒的电化学生物单壁碳纳米管，利用组装技术将纳米金固定在电极表面，不仅可以携带多个指示剂分子，还可以增加电极的有效表面积，从而大大提高了电化学检测的灵敏度。单壁碳纳米管作为目前研究最热门的一维线性材料，具有许多异常的力学、电学和化学性能，因而是构建电化学生物单壁碳纳米管最好的一维线性材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种检测灵敏，制备方便，成本低廉，分析速度快，便于携带，易于批量化生产并且能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法。
一种能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法，具体操作步骤如下：
步骤一：制备单壁碳纳米管；
步骤二：在步骤一中制备出的单壁碳纳米管上修饰纳米金颗粒；操作方法如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
使用HCl 溶液处理制备好的单壁碳纳米管基片；
Figure 3545DEST_PATH_IMAGE002
取出单壁碳纳米管基片，用氮气吹干；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
再将单壁碳纳米管基片置于HAuCl4中，取出后用水和乙醇冲洗；再重复用上述溶液处理一次；
Figure 501522DEST_PATH_IMAGE004
将处理完成的单壁碳纳米管基片用氮气吹干，置于氩气环境中热处理，以保证纳米金颗粒与单壁碳纳米管形成良好的固定接触；
步骤三：制备碳管两端电极片；操作方法如下：
Figure 210853DEST_PATH_IMAGE001
将修饰好纳米金的单壁碳纳米管基片与金属掩模板重合放置；其中，所述金属掩模板上间隔预设有孔洞；
Figure 161491DEST_PATH_IMAGE002
使用真空蒸镀法将金膜镀到单壁碳纳米管基片表面，取下金属掩模板后，单壁碳纳米管基片上方孔处露出部分则镀上了一层金膜，纵向间隔处由于有金属格挡，形成一道狭缝，金膜电极片和狭缝便组成了单壁碳纳米管上修饰纳米金的杂化电极；
Figure 43996DEST_PATH_IMAGE003
筛选出单根单壁碳纳米管修饰上纳米金的电极。
步骤四：通过探针台和电化学工作站测量出单根单壁碳纳米管修饰上纳米金的电极间的电导并记录；
本发明一种能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法，进一步的，所述步骤一中制备单壁碳纳米管的具体方法如下：
Figure 396480DEST_PATH_IMAGE001
将表面厚度为250nm-350nm的SiO2的Si基片手工裁成15mm×12mm的小片；
Figure 276712DEST_PATH_IMAGE002
用丙酮、乙醇和水进行超声清洗处理；
Figure 714646DEST_PATH_IMAGE003
以乙醇为碳源，Fe为催化剂，在Si基片表面生长出单壁碳纳米管。
本发明一种能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法，进一步的，所述步骤一中
Figure 135263DEST_PATH_IMAGE003
的生长温度为850℃-950℃。
本发明一种能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法，进一步的，所述步骤二中
Figure 607833DEST_PATH_IMAGE001
的处理时间为20min-40min；处理温度40℃-80℃。
本发明一种能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法，进一步的，所述步骤二中
Figure 658965DEST_PATH_IMAGE003
的HAuCl4的浓度为3mM-10mM，浸泡时间为20min-40min。
本发明一种能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法，进一步的，所述步骤二中
Figure 584196DEST_PATH_IMAGE004
的热处理温度280℃-350℃，处理时间10min-30min。
本发明一种能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法，进一步的，所述步骤三①中金属掩模板孔洞为方孔。
本发明一种能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法，进一步的，所述步骤三①中金属掩模板上，孔洞横向间隔0.2mm-0.4mm，纵向间隔0.03mm-0.05mm。
本发明一种能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法，进一步的，所述步骤三③中通对电极间的电导测试或者在扫描电子显微镜下观察来筛选电极。
本发明的有益效果体现在：
1，本发明提供一种能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法，在单壁碳纳米管上原位生长单壁碳纳米管，然后通过浸泡的方法沉积上纳米金颗粒。无需对碳纳米管进行基片转移，也无需通过外加电场沉积或组装上纳米金颗粒，方法简单。结合纳米金比表面积大、吸附能力强、电子传导能力良好和单壁碳纳米管独特的电化学性能，构建出基于在单根单壁碳纳米管上沉积纳米金的调控信号的电化学单壁碳纳米管。
2，本发明提供一种能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法，以单壁碳纳米管为载体连接电极，由于碳纳米管自身具有一定导电能力，能灵敏地检测到纳米金颗粒大小的变化，进而通过自身电导的改变实现电信号转化，进一步提高了单壁碳纳米管的灵敏度和检测下限。检测生物分子具有灵敏度高、分析速度快、仪器简单、成本低、便携以及能实现原位实时检测等优点。
3，可以通过单壁碳纳米管中探针分子的改变，适用于检测其他不同的目标分子，不需要用到荧光标记物及生物试剂盒等昂贵的试剂材料，具有普适性，更利于推广使用。
4，本发明提供一种能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法，构建了一根超长的单壁碳纳米管，因而可以实现器件的并联使用，对同一样品，可以同时检测多个不同的目标分子。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的主要目的和其它优点可通过在说明书、权利要求书中所特别指出的方案来实现和获得。
附图说明
图1为本发明提供一种能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备流程图；
图2为生物分子检测方法图；
图3为电流图。
具体实施方式
本发明提供一种能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法，具体操作步骤如下：
步骤一：制备单壁碳纳米管；操作方法如下：
Figure 808504DEST_PATH_IMAGE001
将表面厚度为250nm-350nm的SiO2的Si基片手工裁成15mm×12mm的小片；
Figure 870001DEST_PATH_IMAGE002
用丙酮、乙醇和水进行超声清洗处理；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
以乙醇为碳源，Fe为催化剂，用Fast-heating CVD 法在Si基片表面生长出单壁碳纳米管，生长温度为850℃-950℃。
步骤二：在步骤一中制备出的单壁碳纳米管上修饰纳米金颗粒；操作方法如下：
Figure 83246DEST_PATH_IMAGE001
使用1M HCl 溶液处理制备好的单壁碳纳米管基片；处理时间为20min-40min；处理温度40℃-80℃。
Figure 433456DEST_PATH_IMAGE002
取出单壁碳纳米管基片，用氮气吹干；
Figure 461455DEST_PATH_IMAGE003
再将单壁碳纳米管基片置于HAuCl4中（乙醇和水体积比为1:1），取出后用水和乙醇冲洗；再重复用上述溶液处理一次；HAuCl4的浓度为3mM-10mM，浸泡时间为20min-40min。
Figure 643037DEST_PATH_IMAGE004
将处理完成的单壁碳纳米管基片用氮气吹干，置于氩气环境中热处理，以保证纳米金颗粒与单壁碳纳米管形成良好的固定接触。热处理温度280℃-350℃，处理时间10min-30min。
步骤三：制备碳管两端电极片；操作方法如下：
Figure 770393DEST_PATH_IMAGE001
将修饰好纳米金的单壁碳纳米管基片与金属掩模板重合放置；其中，所述金属掩模板上间隔预设有孔洞；金属掩模板孔洞为方孔。孔洞横向间隔0.2mm-0.4mm，纵向间隔0.03mm-0.05mm。
Figure 670216DEST_PATH_IMAGE002
使用真空蒸镀法将金膜镀到单壁碳纳米管基片表面，取下金属掩模板后，单壁碳纳米管基片上方孔处露出部分则镀上了一层金膜，纵向间隔处由于有金属格挡，形成一道长为0.7mm 、宽为0.03mm的狭缝，金膜电极片和狭缝便组成了单壁碳纳米管上修饰纳米金的杂化电极；
Figure 236327DEST_PATH_IMAGE003
通对电极间的电导测试或者在扫描电子显微镜下观察，来筛选出单根单壁碳纳米管修饰上纳米金的电极。
步骤四：通过探针台和电化学工作站测量出单根单壁碳纳米管修饰上纳米金的电极间的电导并记录。
将基片用含探针分子的溶液处理，使纳米金充分吸附探针分子，再将基片置于待检测样品溶液中。
如图1所示，每两片电极片均可构成构成一对电极，通过探针台和电化学工作站测量出经过处理后的电极间的电导并记录。每片电极横长度向0.7mm，纵向长度0.9mm，横向间距0.3mm，纵向间距30μm。
按照上述方法制备实施例1～3，反应条件如下表1所示：
表1实施例1～3的反应条件
Figure DEST_PATH_IMAGE007
每对电极间结构如图2，每对电极间均有一根单壁碳纳米管，碳纳米管上沉积有密集的纳米金颗粒。未经任何处理前，通过探针台和电化学工作站可以测得其电极间的电导，此时由于纳米金颗粒较小，未连接成线，此时测得的为小电流。将单壁碳纳米管用高浓度探针分子溶液处理，由于纳米金表面强大的吸附能力，纳米金表面会被探针分子紧密包裹住。之后将单壁碳纳米管置于样品溶液中处理，如果，样品溶液中有目标分子，则纳米金表面探针分子被清除，纳米金表面重新暴露出来；如果，样品溶液中无目标分子，则探针分子无法被清除，纳米金继续被包裹住。将经样品溶液处理过的器件置于葡萄糖氯金酸溶液中，只有当纳米金表面处于暴露状态下，纳米金颗粒才能自生长变大连接成线。通过对电极间电导能力的测试，完成自生长的电极间为大电流，未能完成自生长的电极间为小电流。电极间电流变大，说明纳米金能完成自生长，即样品溶液中含有目标分子，从而实现对目标分子的电信号转化检测。
本发明提供的能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管，电极间通过单根单壁碳纳米管连接，碳纳米管本身具有一定导电能力，纳米金的自生长促使碳纳米管的电导能力增强，可以灵敏的通过电信号转化捕捉到，进一步提高了灵敏度和检测下限。
检测的目标物是可以为DNA，生物酶,等生物分子。我们可以设计探针分子的核酸序列，从而检测出特定序列的目标核酸分子。例如，探针分子为：(5′→ 3′)CCACATCATCCATATAGCT。能检测出目标分子序列AGCTATATGGATGATGTGG。
具体的检测步骤：
将单壁碳纳米管浸泡于高浓度探针分子溶液中使其充分吸附探针分子，取出，用超纯水水冲洗，氮气吹干。通过探针台和电化学工作站测量其电导。再将单壁碳纳米管置于待测样品溶液中一段时间，取出，用超纯水冲洗，氮气吹干。随后，单壁碳纳米管置于氯金酸和葡萄糖的溶液中一段时间，取出，用超纯水冲洗，氮气吹干，最后再通过探针台和电化学工作站测量其电导。检测生物分子示例：将实施例1中制备的单壁碳纳米管基片置于500μM氯金酸和250Mm葡萄糖溶液中10min。取出并用氮气吹干。如图3所示，此时通过探针台和电化学工作站测量电极间的导电。如果电极间的电导没有明显的变化，说明样品中没有目标分子。如果电极间电导明显增大，说明待测样品中有目标分子。
综上，本发明一种能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法成功构建了单壁碳纳米管与纳米金颗粒组合器件，通过利用纳米金自生长的条件作为检测目标生物分子的开关。由于单壁碳纳米管本身具有一定导电能力，当纳米金颗粒长大后，增加的电导可以通过单壁碳纳米管被检测到，因而具有更高的灵敏度。同时具有分析速度快、仪器简单、成本低、便携以及能实现原位实时检测等优点。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，具体操作步骤如下：
步骤一：制备单壁碳纳米管；
制备单壁碳纳米管的具体方法如下：
①将表面厚度为250nm-550nm的SiO2的Si基片手工裁成15mm×12mm的小片；
②用丙酮、乙醇和水进行超声清洗处理；
③以乙醇为碳源，Fe为催化剂，在Si基片表面生长出单壁碳纳米管；生长温度为850℃-950℃；
步骤二：在步骤一中制备出的单壁碳纳米管上修饰纳米金；操作方法如下：
①使用HCl溶液处理制备好的单壁碳纳米管基片；
②取出单壁碳纳米管基片，用氮气吹干；
③再将单壁碳纳米管基片置于HAuCl4中，取出后用水和乙醇冲洗；再重复用上述溶液处理一次；
④将处理完成的单壁碳纳米管基片用氮气吹干，置于氩气环境中热处理，以保证纳米金颗粒与单壁碳纳米管形成好的固定接触；
步骤三：制备碳管两端电极片，操作方法如下：
①将修饰好纳米金的单壁碳纳米管基片与金属掩模板重合放置；其中，所述金属掩模板上间隔预设有孔洞；
②使用真空蒸镀法将金膜镀到单壁碳纳米管基片表面，取下金属掩模板后，单壁碳纳米管基片上方孔处露出部分则镀上了一层金膜，纵向间隔处由于有金属格挡，形成一道狭缝，金膜电极片和狭缝便组成了单壁碳纳米管上修饰纳米金的杂化电极；
③筛选出单根单壁碳纳米管修饰上纳米金的电极；
步骤四：通过探针台和电化学工作站测量出单根单壁碳纳米管修饰上纳米金的电极间的电导并记录。
2.如权利要求1所述的能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述步骤二中①的处理时间为20min-40min；处理温度40℃-80℃。
3.如权利要求1所述的能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述步骤二中③的HAuCl4的浓度为3mM-10mM，浸泡时间为20min-40min。
4.如权利要求1所述的能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述步骤二中④的热处理温度280℃-350℃，处理时间10min-30min。
5.如权利要求1所述的能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述步骤三①中金属掩模板孔洞为方孔。
6.如权利要求1所述的能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述步骤三①中金属掩模板上，孔洞横向间隔0.2mm-0.4mm，纵向间隔0.01mm-0.05mm。
7.如权利要求1所述的能利用其自生长条件电信号转换检测生物分子的单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述步骤三③中通对电极间的电导测试或者在扫描电子显微镜下观察来筛选电极。
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