CN113960129A - 利用单根单壁碳纳米管作为电极器件的制备方法及利用其进行多巴胺检测的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了利用单根单壁碳纳米管作为电极器件的制备方法及利用其进行多巴胺检测的方法，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根单壁碳纳米管的两端修饰上一对金电极；具体操作方法如下：s1，使用HCl溶液除去已生长碳纳米管的硅片表面的铁催化剂；HCl溶液要在70℃中保持约30min处理碳纳米管的硅片；s2，取出单壁碳纳米管的硅片，用氮气枪吹干硅片表面的；s3，利用20mm*20mm金属掩膜版和生长碳纳米管的硅片重叠在一起，金属掩膜版上是有镂空的框架。利用单根单壁碳纳米管作为电极的器件制备及其用于多巴胺的检测，其中单壁碳纳米管具有良好的导电性能、纳米级尺寸，比表面积大等特性。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料领域，特别是利用单根单壁碳纳米管作为电极器件的制备方法及利用其进行多巴胺检测的方法。
背景技术
多巴胺(DA)作为一种儿茶酚胺神经递质，能够影响大脑功能和中枢神经系统。它还影响肾脏、激素和心血管系统。多巴胺与老年痴呆症、精神分裂症等各种疾病有着密切的联系。因此DA检测对于这些疾病的早期诊断和治疗至关重要。
碳材料作为电极被广泛用于核酸、蛋白质、病毒以及微生物等生物分子的检测。其中碳纳米管具有较大的比表面积、导电性强、强大的吸附能力、良好的光学性能等性质，被广泛应用于生物检测领域。
其目前很少人利用单根单壁碳纳米管作为电极，形成一个微米器件，用于检测多巴胺。
发明内容
本发明的目的是提供制备简单、低成本、操作简单的碳纳米管器件。基于单根单壁碳纳米管作为电极，用于检测生物分子多巴胺。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：本发明提供利用单根单壁碳纳米管作为电极器件的制备方法，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根单壁碳纳米管的两端修饰上一对金电极；具体操作方法如下：
s1，使用HCl溶液除去已生长碳纳米管的硅片表面的铁催化剂；HCl溶液要在70℃中保持约30min处理碳纳米管的硅片；
s2，取出单壁碳纳米管的硅片，用氮气枪吹干硅片表面的；
s3，利用20mm*20mm金属掩膜版和生长碳纳米管的硅片重叠在一起，金属掩膜版上是有镂空的框架；
s4，利用真空蒸镀法将金蒸镀到碳纳米管的硅片上，除去金属掩膜版后，金属金属掩膜版镂空的地方形成了一片金膜，两片小金膜间隙上存在一道宽度约为60μm狭缝；
s5，利用扫描电子显微镜筛选出和电极连接的单根碳纳米管，将蒸镀金膜的单壁碳纳米管的硅片进行筛选。筛选出单根单壁碳纳米管，并且对其进行定位；
步骤三；利用电子束刻蚀胶覆盖硅片表面；利用电子束刻蚀胶(PMMA)旋涂在碳纳米管的硅片表面，促使金电极表面完全被PMMA覆盖。
步骤四，利用电子束光刻系统(EBL)在电极之间曝光15μm长度的碳纳米管。
具体的，操作方法如下：
s1，利用电子束光刻系统将小金电极狭缝之间的单根单壁碳纳米管；
s2，进行显影和定影，彻底将碳纳米管曝光出来。
进一步，步骤一中制备单壁碳纳米管的具体方法如下：
s1，将SiO2/Si基片裁成的小片，小片尺寸为15mm*15mm，SiO2/Si基片的表面厚度为250nm-550nm；
具体为：第一，用超纯水、丙酮、乙醇和超纯水依次进行超声清洗处理；超声清洗时间均为10min；
SiO2/Si基片涂上铁催化剂，用乙醇作为碳源，还原气氛是氢气气氛；碳源是通过氩气鼓泡乙醇溶液产生的，碳源的流速约为300sccm，还原气氛是氢气气氛，流速约为300sccm；
第二，生长温度为980℃，生长时间为20min；
第三，化学气相沉积后，将体系进行程序降温；
s2，用超纯水、丙酮、乙醇和超纯水依次进行超声清洗处理；
s3，利用化学气相沉积法(CVD)生长出单壁碳纳米管。
进一步，金属掩膜版中的小电极是长方形孔洞。
进一步，通过扫描电子显微镜观察筛选单壁碳纳米管。
进一步，显影和定影的时间均30s。
进一步，使用凹槽盛放液体；凹槽体积为100μL。
进一步，步骤三具体包括：s1，在硅片表面滴加PMMA胶，利用旋胶机将PMMA均匀覆盖在硅片表面；旋胶转度为3000r/min、时间为30s；，先旋涂PMMA才有显影和定影。
s2，取下硅片后，利用加热板蒸发PMMA胶内部的溶剂；加热板的温度设定为150℃、加热时间约为2min。
本发明还公开了利用单根单壁碳纳米管作为电极器件的制备方法进行多巴胺检测的方法，具体步骤如下：s1，通过探针凹槽检测台和电化学工作站测量单根单壁碳纳米管在不同浓度的多巴胺时的电流变化；
s2，利用该器件的曝光单壁碳纳米管作为电极，用于检测不同细胞所释放出的多巴胺含量，从而达到区分细胞的种类。
进一步，所述检测台包括下部矩形底座1和设置在底座1上部的观察板2，底座1中部设置有用于放置待测硅片的凹槽3，观察板2上设置有两个矩形观察洞口4，相邻两个观察洞口4之间的板体上还开设有滴液长孔5，观察板2底部、滴液长孔5正下方四周边缘设置有密封垫层7，所述底座1和观察板2的四个角部分别对称设置用于穿过螺栓的孔洞6。
进一步，凹槽3的底面与底座1的底面平齐。
进一步，孔洞6内设置有与螺栓配合的内螺纹。
进一步，底座1和观察板2的厚度至少为：4mm。
进一步，底座1和观察板2均为方形，方形边长为40mm。
进一步，密封垫层7为硅胶材质，厚度为0.3-1.0mm，优选0.5mm。
进一步，底座1和观察板2采用PMMA材质。
进一步，滴液长孔5的长度为：9.8mm，宽度为：2.5mm。
进一步，孔洞6的直径至少为1mm。
进一步，提供一种包括上述凹槽检测台的传感器检测装置，还包括正电极、负电极、设置在凹槽3内的待测硅片以及设置在待测硅片与凹槽3空隙间的填充液，待测硅片包括硅片本体和设置在硅片本体上的金属框架，正电极一端与金属框架接触设置，负电极一端设置在填充液内。
进一步，填充液pH值7.4。
进一步，所述金属框架至少有两组，相邻两组金属框架之间留有间隙。进一步，具体的， s1，待测硅片设置在凹槽内；
s2，将观察板放置在底座上，用螺栓固定；
s3，从滴液长孔滴加缓冲液；
s4，连接正负电极，观察电流变化。
这两个矩形主要的作用是露出硅片上的大金电极，有利于探针电极(钨针)和金电极的接触，不是仅仅是用来观察的。
本发明的有益效果体现在：
1，本发明提供的利用单根单壁碳纳米管作为电极器件的制备方法及利用其进行多巴胺检测的方法，利用单根单壁碳纳米管作为电极的器件制备及其用于多巴胺的检测，其中单壁碳纳米管具有良好的导电性能、纳米级尺寸，比表面积大等特性；利用碳纳米管的纳米尺寸和导电性质用于检测多巴胺的快
2，本发明基于利用单根单壁碳纳米管作为电极器件的制备方法及利用其进行多巴胺检测的方法。用单根碳纳米管作为电极，利用金膜连接碳纳米管，金膜在器件中起到导线的作用。
3，本发明利用单根单壁碳纳米管作为电极器件的制备方法及利用其进行多巴胺检测的方法。该器件在检测多巴胺的过程，操作简单，成本低。同时可以为更多的生物分子提高检测的方法。
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中所特别指出的方案来实现和获得。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1为底座俯视图。
图2为观察板俯视图。
图3为硅片示意图。
图4为金属框架位置示意图。
图5为蒸镀后的硅片实物示意图。
图6为传感器示意图。
图7为原理示意图。
图8为电极间SEM图。
图9为图8的局部放大图1。
图10为图8的局部放大图2。
图11为凹槽检测台示意图1。
图12为凹槽检测台俯视图。
图13为凹槽检测台示意图2。
图14为检测使用状态图。
图15为金属掩膜版示意图1。
图16为金属掩膜版示意图2。
图17扫描电子显微镜(SEM)对碳纳米管电极的表征图。
图18电化学工作站测定加缓冲溶液前后的电流图。
图19电化学工作站测定不同浓度的多巴胺的I-t电流图。
图20该生物传感器在浓度为1-5μM的多巴胺DA刺激下，测得的I～t电流图。
图21显微镜下小金电极示意图。
图22单根碳管示意图。
图23为底座和观察板位置示意图1。
图24为底座和观察板位置示意图2。
图25为观察板示意图2。
附图标记：1-底座、2-观察板、3-凹槽、4-观察洞口、5-滴液长孔、6-孔洞、7-密封垫层。
具体实施方式
以下通过实施例来详细说明本发明的技术方案，以下的实施例仅仅是示例性的，仅能用来解释和说明本发明的技术方案，而不能解释为对本发明技术方案的限制。
利用单根单壁碳纳米管作为电极器件的制备方法，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根单壁碳纳米管的两端修饰上一对金电极；具体操作方法如下：
s1，使用HCl溶液除去已生长碳纳米管的硅片表面的铁催化剂；HCl溶液要在70℃中保持约30min处理碳纳米管的硅片，用大量的超纯水清洗；
s2，取出单壁碳纳米管的硅片，用氮气枪吹干硅片表面的；
s3，利用20mm*20mm金属掩膜版和生长碳纳米管的硅片重叠在一起，金属掩膜版上是有镂空的框架；
s4，利用真空蒸镀法将金蒸镀到碳纳米管的硅片上，除去金属掩膜版后，金属金属掩膜版镂空的地方形成了一片金膜，两片小金膜间隙上存在一道宽度约为60μm狭缝；其中，金属掩膜版中的小电极是长方形孔洞。参见图15、16所示。
s5，利用扫描电子显微镜筛选出和电极连接的单根碳纳米管，将蒸镀金膜的单壁碳纳米管的硅片进行筛选。筛选出单根单壁碳纳米管，并且对其进行定位；
步骤三；利用电子束刻蚀胶覆盖硅片表面；利用电子束刻蚀胶(PMMA)旋涂在碳纳米管的硅片表面，促使金电极表面完全被PMMA覆盖。
步骤四，利用电子束光刻系统(EBL)在电极之间曝光15μm长度的碳纳米管。
具体的，操作方法如下：
s1，利用电子束光刻系统将小金电极狭缝之间的单根单壁碳纳米管；
s2，进行显影和定影，彻底将碳纳米管曝光出来。
其中，步骤一中制备单壁碳纳米管的具体方法如下：
s1，将SiO2/Si基片裁成的小片，小片尺寸为15mm*15mm，SiO2/Si基片的表面厚度为250nm-550nm；
具体为：第一，用超纯水、丙酮、乙醇和超纯水依次进行超声清洗处理；超声清洗时间均为10min；
SiO2/Si基片涂上铁催化剂，用乙醇作为碳源，还原气氛是氢气气氛；碳源是通过氩气鼓泡乙醇溶液产生的，碳源的流速约为300sccm，还原气氛是氢气气氛，流速约为300sccm；
第二，生长温度为980℃，生长时间为20min；
第三，化学气相沉积后，将体系进行程序降温；
s2，用超纯水、丙酮、乙醇和超纯水依次进行超声清洗处理；
s3，利用化学气相沉积法(CVD)生长出单壁碳纳米管。主要通过扫描电子显微镜观察筛选单壁碳纳米管。
使用凹槽盛放液体；凹槽体积为100μL。
步骤三具体包括：s1，在硅片表面滴加PMMA胶，利用旋胶机将PMMA均匀覆盖在硅片表面；旋胶转度为3000r/min、时间为30s；
s2，取下硅片后，利用加热板蒸发PMMA胶内部的溶剂；加热板的温度设定为150℃、加热时间约为2min。参见图3、4、5、
利用单根单壁碳纳米管作为电极器件的制备方法进行多巴胺检测的方法，具体步骤如下：s1，通过探针凹槽检测台和电化学工作站测量单根单壁碳纳米管在不同浓度的多巴胺时的电流变化；
s2，利用该器件的曝光单壁碳纳米管作为电极，用于检测不同细胞所释放出的多巴胺含量，从而达到区分细胞的种类。
具体的检测步骤，s1，待测硅片设置在凹槽内；
s2，将观察板放置在底座上，用螺栓固定；
s3，从滴液长孔滴加缓冲液；
s4，连接正负电极，观察电流变化。
参见图1、2、11、12、13、14、23、24、25，本实验中，所述检测台包括下部矩形底座1和设置在底座1上部的观察板2，底座1中部设置有用于放置待测硅片的凹槽3，观察板2上设置有两个矩形观察洞口4，相邻两个观察洞口4之间的板体上还开设有滴液长孔 5，所述底座1和观察板2的四个角部分别对称设置用于穿过螺栓的孔洞6。
其中，凹槽3的底面与底座1的底面平齐。孔洞6内设置有与螺栓配合的内螺纹。底座 1和观察板2的厚度至少为：4mm。底座1和观察板2均为方形，方形边长为40mm。底座1 和观察板2采用PMMA材质。滴液长孔5的长度为：9.8mm，宽度为：2.5mm。孔洞6的直径至少为1mm。
还提供一种包括上述的凹槽检测台的传感器检测装置，还包括正电极、负电极、设置在凹槽3内的待测硅片以及设置在待测硅片与凹槽3空隙间的填充液，待测硅片包括硅片本体和设置在硅片本体上的金属框架，正电极一端与金属框架接触设置，负电极一端设置在填充液内。填充液pH值7.4。所述金属框架至少有两组，相邻两组金属框架之间留有间隙。参见图6、7、8、9、10所示。
其中填充液包含：140mM的NaCl，3.28mM的KCl，1.80mM的CaCl2，0.50mM的MgCl2，9.96mM的HEPES，50mM的Glu。
通过探针台和电化学工作站测量单根单壁碳纳米管在不同浓度的多巴胺时的电流变化并记录，施加电压为780mV，进行I-t电化学测试；电化学工作站和探针台共同工作，形成三电极体系，从而获得对应测多巴胺的电流数据。
实施例1，参照图17-22所示。
步骤一：制备单壁碳纳米管，操作方法如下：
1)将表面厚度为250nm-550nm的SiO2/Si基片裁成15mm*15mm的小片；
2)用超纯水、丙酮、乙醇和超纯水依次进行超声清洗处理10min；
3)SiO2/Si基片涂上铁催化剂，用乙醇作为碳源，通过氩气鼓泡乙醇溶液产生的，碳源流速约为300sccm，还原气氛是氢气气氛，流速约为300sccm；
4)生长温度为980℃，生长时间为20min；
5)设定程序自动降温
步骤二：在单根单壁碳纳米管的两端修饰上一对金电极，操作步骤如下：
1)使用1M HCl溶液在70℃30min从而除去已生长碳纳米管的硅片表面的铁催化剂；
2)取出单壁碳纳米管的硅片，用氮气枪吹干硅片表面；
3)利用20mm*20mm金属掩膜版和生长碳纳米管的硅片重叠在一起，金属掩膜版上是有镂空的框架；
4)利用真空蒸镀法将金蒸镀在碳纳米管的硅片表面上，取下金属掩膜版后，金属掩膜版镂空的地方形成了一片金膜，两片小金膜间隙上存在一道宽度约为60μm的狭缝；
5)利用扫描电子显微镜筛选出和电极连接的单根碳纳米管，并且对其进行相应的定位；
步骤三：利用电子束刻蚀胶覆盖硅片表面。利用电子束刻蚀胶(PMMA)旋涂在碳纳米管的硅片表面，促使金电极表面完全被PMMA覆盖。具体步骤如下：
1)在硅片表面滴加PMMA胶，旋胶机将PMMA均匀覆盖在硅片表面，旋胶速度为3000r/min，时间为30s；
2)取下硅片后，利用加热板蒸发PMMA胶的溶剂，蒸发温度为150℃，时间为2min；
步骤四：利用电子束光刻系统(EBL)在电极之间曝光碳纳米管。操作方法如下：
1)利用电子束光刻系统将小金电极狭缝之间的单根单壁碳纳米管；
2)然后将该硅片浸泡在显影液中30s，再浸泡在定影液中30s，用氮气枪将硅片表面溶剂吹干。
步骤五：通过探针台和电化学工作站测量单根单壁碳纳米管在不同浓度的多巴胺时的电流变化并记录。具体操作步骤如下：
1)将探针接触金膜，测定碳纳米管加入缓冲溶液前后的I-V电流图，确定金膜和探针接触良好以及单根单壁碳纳米管性能良好。
2)将Ag/AgCl电极和碳纳米管电极形成三电极体系，在电压为780mV进行I-t电流测试，体系中加入30μL SE缓冲液(PH＝7.4，140mM NaCl、5mM KCl、1.8mM CaCl2、0.5mMMgCl2、1mM HEPEs、5mM D-glu)，加入依次加入10μL不同浓度的多巴胺溶液。在780mV电压下，如果有多巴胺存在的情况下，多巴胺会被氧化成多巴醌，导致电流增大。电流随着多巴胺的浓度增大而增大。
本发明单根单壁碳纳米管作为电极的器件制备及其用于多巴胺的检测。在硅片生长单壁碳纳米管，利用碳纳米管具有良好的导电性能，筛选单根单壁碳纳米管作为电极，在780mV 检测多巴胺，具有较高的灵敏度。该测试方法具有操作简单、成本低等优点。实验中，显影和定影的时间均30s。
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 (10)
1.利用单根单壁碳纳米管作为电极器件的制备方法，其特征在于：具体操作步骤如下：步骤一：制备单壁碳纳米管；
步骤二：在步骤一中制备出的单根单壁碳纳米管的两端修饰上一对金电极；具体操作方法如下：
s1，使用HCl溶液除去已生长碳纳米管的硅片表面的铁催化剂；HCl溶液要在70℃中保持约30min处理碳纳米管的硅片,用大量的超纯水清洗；
s2，取出单壁碳纳米管的硅片，用氮气枪吹干硅片表面的；
s3，利用20mm*20mm金属掩膜版和生长碳纳米管的硅片重叠在一起，金属掩膜版上是有镂空的框架；
s4，利用真空蒸镀法将金蒸镀到碳纳米管的硅片上，除去金属掩膜版后，金属掩膜版镂空的地方形成了一片金膜，两片小金膜间隙上存在一道宽度约为60μm狭缝；
s5，利用扫描电子显微镜筛选出和电极连接的单根碳纳米管,将蒸镀金膜的单壁碳纳米管的硅片进行筛选；筛选出单根单壁碳纳米管，并且对其进行定位；
步骤三；利用电子束刻蚀胶覆盖硅片表面；利用电子束刻蚀胶(PMMA)旋涂在碳纳米管的硅片表面，促使金电极表面完全被PMMA覆盖；
步骤四，利用电子束光刻系统(EBL)在电极之间曝光15μm长度的碳纳米管。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤一中制备单壁碳纳米管的具体方法如下：
s1，将SiO2/Si基片裁成的小片,小片尺寸为15mm*15mm,SiO2/Si基片的表面厚度为250nm-550nm；
具体为：第一，用超纯水、丙酮、乙醇和超纯水依次进行超声清洗处理；超声清洗时间均为10min；
SiO2/Si基片涂上铁催化剂，用乙醇作为碳源，还原气氛是氢气气氛；碳源是通过氩气鼓泡乙醇溶液产生的，碳源的流速约为300sccm，还原气氛是氢气气氛，流速约为300sccm；
第二，生长温度为980℃，生长时间为20min；
第三，化学气相沉积后，将体系进行程序降温；
s2，用超纯水、丙酮、乙醇和超纯水依次进行超声清洗处理；
s3，利用化学气相沉积法(CVD)生长出单壁碳纳米管。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，金属掩膜版中的小电极是长方形孔洞。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，通过扫描电子显微镜观察筛选单壁碳纳米管。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，显影和定影的时间均30s。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，使用凹槽盛放液体；凹槽体积为100μL。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤三具体包括:s1,在硅片表面滴加PMMA胶，利用旋胶机将PMMA均匀覆盖在硅片表面；旋胶转度为3000r/min、时间为30s；
s2,取下硅片后，利用加热板蒸发PMMA胶内部的溶剂；加热板的温度设定为150℃、加热时间约为2min。
8.利用如权利要求1-7中任意一项所述的利用单根单壁碳纳米管作为电极器件的制备方法进行多巴胺检测的方法，其特征在于，具体步骤如下：s1，通过探针凹槽检测台和电化学工作站测量单根单壁碳纳米管在不同浓度的多巴胺时的电流变化；
s2，利用该器件的曝光单壁碳纳米管作为电极，用于检测不同细胞所释放出的多巴胺含量，从而达到区分细胞的种类。
9.如权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述检测台包括下部矩形底座(1)和设置在底座(1)上部的观察板(2),底座(1)中部设置有用于放置待测硅片的凹槽(3),观察板(2)上设置有两个矩形观察洞口(4)，相邻两个观察洞口(4)之间的板体上还开设有滴液长孔(5)，观察板(2)底部、滴液长孔(5)正下方四周边缘设置有密封垫层(7)，所述底座(1)和观察板(2)的四个角部分别对称设置用于穿过螺栓的孔洞(6)。
10.如权利要求9所述的检测方法，其特征在于，具体的，s1，待测硅片设置在凹槽内；
s2，将观察板放置在底座上，用螺栓固定；
s3，从滴液长孔滴加缓冲液；
s4，连接正负电极，观察电流变化。
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