CN110484962A - 自动化阵列式纳米针尖电化学制备平台及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种自动化阵列式纳米针尖电化学制备平台及制备方法，包括电化学分析仪、电流表、阵列式双极夹具、铂环阴极、金丝阳极、电解质溶液池、控制终端和伺服电机位移平台；其中所述控制终端分别与所述电化学分析仪和伺服电机位移平台电连接；所述铂环阴极和金丝阳极分别与所述阵列式双极夹具上的两层导电石墨电连接；所述电化学分析仪、电流表、阵列式双极夹具、铂环阴极、金丝阳极和电解质溶液池通过导线连成一个闭合的回路；反应过程中，铂环阴极与金丝阳极均浸没在电解质溶液池的溶液中。本发明大大缩短了纳米针尖的批量制备时间；并且能够防止制备完成的纳米针尖在提离过程中与液面意外接触而受到破坏。

Description

自动化阵列式纳米针尖电化学制备平台及制备方法
技术领域
本发明涉及一种自动化阵列式纳米针尖电化学制备平台及制备方法，属于电化学方法制备金属纳米针尖领域。
背景技术
拉曼光谱是目前非常具备前景的一种无损原位分子检测技术，被广泛应用于物理，化学，生物，医疗等各个领域。然而由于拉曼光谱信号微弱，如何提高拉曼光谱信号便成为非常关键的问题。目前针尖增强拉曼是一种被广泛应用的增强拉曼光谱信号的方法。针尖增强拉曼需要纳米级别的探针来提高局部区域的电场从而实现拉曼光谱的增强，如何制备高质量低成本且符合要求的纳米针尖成为了问题的关键所在。目前，制备纳米针尖的方法包括机械加工，晶须生长，离子铣削等，而电化学方法制备金属纳米针尖因为有着成本低，操作时间短，操作容易等优势而被广泛应用。
电化学方法制备金纳米探针通常以金丝作为阳极，铂环作为阴极，通过在金丝阳极上施加合适的电势以对金丝进行刻蚀，金丝尖端会和电解质溶液发生反应。金会逐渐溶解于溶液，并由此形成一个锋利的尖端。直至电解质溶液液面以下的金丝全部溶解，刻蚀反应结束，纳米针尖制备完成。目前，用于针尖增强拉曼的探针针尖曲率半径一般小于100纳米。然而，在传统的电化学方法制备金纳米探针的过程中，一次操作过程只能制备一根金纳米探针，批量生产的效率较低，需要反复更换金丝也使得操作较为繁琐。另外，刻蚀反应开始前，手动调整金丝在电解质溶液池中的位置会产生比较大的误差，刻蚀反应结束后，手动提升金丝可能会触碰溶液对制备完成的金纳米探针造成不可逆的破坏。这些因素都会降低金纳米针尖制备的成功率。
发明内容
发明目的：为了解决上述问题，本发明提出一种自动化阵列式纳米针尖电化学制备平台及制备方法，该平台一方面能够通过阵列式夹具实现一次多量的纳米针尖刻蚀制备生产，大大缩短了纳米针尖的批量制备时间；另一方面能够通过控制终端控制伺服电机以精确自动地驱动平台。在刻蚀反应开始时，平台自动下降使所有金针尖均精确地浸没于电解质溶液中，在刻蚀反应结束时，平台自动上升，将所有刻蚀完成的针尖提离液面，防止制备完成的纳米针尖在提离过程中与液面意外接触而受到破坏。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种自动化阵列式纳米针尖电化学制备平台，包括电化学分析仪、电流表、阵列式双极夹具、铂环阴极、金丝阳极、电解质溶液池、控制终端和伺服电机位移平台；其中所述控制终端分别与所述电化学分析仪和伺服电机位移平台电连接；所述铂环阴极和金丝阳极分别与所述阵列式双极夹具上的两层导电石墨电连接；所述电化学分析仪、电流表、阵列式双极夹具、铂环阴极、金丝阳极和电解质溶液池通过导线连成一个闭合的回路；反应过程中，铂环阴极与金丝阳极均浸没在电解质溶液池的溶液中。
所述的自动化阵列式纳米针尖电化学制备平台，所述阵列式双极夹具的形状为正六边形，包含37个反应夹位和两层导电石墨层，每个反应位固定夹住一个铂环阴极和一个金丝阳极，所有铂环阴极与下层导电石墨电连接，所有金丝阳极与上层导电石墨电连接，而两层导电石墨分别与电化学分析仪的正负极电连接。
用上述自动化阵列式纳米针尖电化学制备平台进行纳米针尖电化学制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)设备准备：首先在阵列式双极夹具的各个夹位固定好铂环阴极和金丝阳极，并将电化学分析仪、电流表、阵列式双极夹具和电解质溶液池通过导线连接成一个闭合的回路；
(2)启动设备开始反应：在控制终端上确定反应开始，则控制终端控制伺服电机位移平台下降，直至所有铂环阴极和金丝阳极均浸没于电解质溶液池的液面以下，启动电化学分析仪，电化学分析仪通过循环伏安测试分析并获取该条件下应施加在金丝阳极上的最佳电势，然后通过向金丝阳极施加该电势以进行刻蚀反应；
(3)刻蚀反应结束：电流表示数降至10-4A以下并保持恒定不再跳动，电化学分析仪读取电流表示数并将信号反馈给控制终端，控制终端控制伺服电机位移平台上升，上升过程中，确保制备完成的金纳米针尖不再和液面发生接触而受到意外的破坏。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
1.本发明不同于传统的单次操作生产一根纳米探针，该自动化阵列式纳米针尖电化学制备平台加入了阵列式双极夹具结构，单次操作能生产大量的纳米探针，很大程度上提升了批量生产纳米探针的工作效率。另外，在刻蚀反应开始前将针尖置入电解质溶液池和刻蚀反应后将将针尖提离电解质溶液池的过程均采用控制终端控制伺服电机位移平台实现，能减小制备误差，避免制备完成的针尖与液面二次接触受到不可逆的破坏。。
2.本发明的方法与传统电化学刻蚀纳米针尖方法相比，一方面能一次性同时刻蚀大量的纳米针尖，非常大程度上减少了批量制备金纳米针尖的制备时间，另一方面反应开始和结束时均由控制终端精确控制伺服电机位移平台位移，保证反应开始前所有铂环阴极和金丝阳极能到达合适位置，反应结束后制备完成的金纳米针尖在提升过程中不会和液面发生接触而受到意外的破坏。
附图说明
图1是自动化阵列式纳米针尖电化学制备平台示意图；
图2是阵列式双极夹具平面示意图；
其中，1-电化学分析仪、2-电流表、3-阵列式双极夹具、4-铂环阴极、5-金丝阳极、6-电解质溶液池、7-控制终端、8-伺服电机位移平台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明自动化阵列式纳米针尖电化学制备平台包括电化学分析仪1、电流表2、阵列式双极夹具3、铂环阴极4、金丝阳极5、电解质溶液池6、控制终端7和伺服电机位移平台8；其中所述控制终端7分别与所述电化学分析仪1和伺服电机位移平台8电连接；所述铂环阴极4和金丝阳极5分别与所述阵列式双极夹具3上的两层导电石墨电连接；所述电化学分析仪1、电流表2、阵列式双极夹具3、铂环阴极4、金丝阳极5和电解质溶液池6通过导线连成一个闭合的回路；反应过程中，铂环阴极4与金丝阳极5均浸没在电解质溶液池6的溶液中。电化学方法刻蚀金纳米针尖的化学本质是金和溶液中的氯离子发生反应，金丝阳极5上的电化学反应方程式如下：
如图2所示，反应开始前，首先在阵列式双极夹具3的各个夹位固定好铂环阴极4和金丝阳极5。所有铂环阴极4和阵列式双极夹具3的下层导电石墨接触，所有金丝阳极5和阵列式双极夹具3的上层导电石墨接触。在控制终端7上确定使反应开始，控制终端7控制伺服电机位移平台缓慢下降，直至所有铂环阴极4和金丝阳极5均浸没于电解质溶液池6的液面以下且处于合适的位置。电化学分析仪1通过阵列式双极夹具3的上层石墨对金丝阳极5施加变化的电势，即使用循环伏安法进行测试，将测量获得的数据传输到控制终端7上。控制终端7根据分析得到的循环伏安特性曲线反馈，给电化学分析仪1该条件下可以施加的较适宜的电势，即电化学分析仪1将该电势通过阵列式双极夹具3的上层石墨施加于所有金丝阳极 5上，金纳米针尖的刻蚀反应开始。
随着刻蚀反应的进行，金丝阳极5逐渐溶解于电解质溶液池6中，直至金丝阳极5在液面以下部分全部被溶解，即金丝阳极5与电解质溶液液面分离，则反应结束。此时，电流表2的示数将降至10-4A以下并保持恒定不再跳动。电化学分析仪1反馈给控制终端7，控制终端7精确控制伺服电机位移平台8向上位移，保证反应结束后制备完成的金纳米针尖在提升过程中不会和液面发生二次接触而受到意外的不可逆破坏，这有利于提升纳米针尖的制备成功率。
通过上述基于自动化阵列式纳米针尖电化学制备平台的纳米针尖电化学制备方法，一方面可以单次多量高效地批量化制备一批纳米针尖，非常大程度上减少了批量制备金纳米针尖的制备时间，提高了工作效率；另一方面反应开始和结束时均由控制终端精确控制伺服电机位移平台进行自动化位移操作，减少了因插入溶液深度不同而产生的误差，也避免了提升纳米针尖过程中和液面发生二次接触而受到意外的不可逆破坏，提高了批量生产金纳米针尖的成功率。

Claims (3)

1.一种自动化阵列式纳米针尖电化学制备平台，其特征在于，包括电化学分析仪、电流表、阵列式双极夹具、铂环阴极、金丝阳极、电解质溶液池、控制终端和伺服电机位移平台；其中所述控制终端分别与所述电化学分析仪和伺服电机位移平台电连接；所述铂环阴极和金丝阳极分别与所述阵列式双极夹具上的两层导电石墨电连接；所述电化学分析仪、电流表、阵列式双极夹具、铂环阴极、金丝阳极和电解质溶液池通过导线连成一个闭合的回路；反应过程中，铂环阴极与金丝阳极均浸没在电解质溶液池的溶液中。
2.根据权利要求1所述的自动化阵列式纳米针尖电化学制备平台，其特征在于，所述阵列式双极夹具的形状为正六边形，包含37个反应夹位和两层导电石墨层，每个反应位固定夹住一个铂环阴极和一个金丝阳极，所有铂环阴极与下层导电石墨电连接，所有金丝阳极与上层导电石墨电连接，而两层导电石墨分别与电化学分析仪的正负极电连接。
3.一种用上述自动化阵列式纳米针尖电化学制备平台进行纳米针尖电化学制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
（1）设备准备：首先在阵列式双极夹具的各个夹位固定好铂环阴极和金丝阳极，并将电化学分析仪、电流表、阵列式双极夹具和电解质溶液池通过导线连接成一个闭合的回路；
（2）启动设备开始反应：在控制终端上确定反应开始，则控制终端控制伺服电机位移平台下降，直至所有铂环阴极和金丝阳极均浸没于电解质溶液池的液面以下，启动电化学分析仪，电化学分析仪通过循环伏安测试分析并获取该条件下应施加在金丝阳极上的最佳电势，然后通过向金丝阳极施加该电势以进行刻蚀反应；
（3）刻蚀反应结束：电流表示数降至10-4A以下并保持恒定不再跳动，电化学分析仪读取电流表示数并将信号反馈给控制终端，控制终端控制伺服电机位移平台上升，上升过程中，确保制备完成的金纳米针尖不再和液面发生接触而受到意外的破坏。
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