CN203376286U

CN203376286U - 一种新型碳纤维纳米锥电极

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Publication number: CN203376286U
Application number: CN201320500918.3U
Authority: CN
Inventors: 黄卫华; 李玉桃; 吴文展; 张淑慧
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2013-08-16
Filing date: 2013-08-16
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2023-08-16

Abstract

本实用新型公开了一种新型碳纤维纳米锥电极，属于电化学及材料科学领域。该新型碳纤维纳米锥电极包含碳纤维、电极引线和玻璃毛细管；碳纤维与电极引线通过导电胶连接，碳纤维前面部分的50～100μm处刻蚀成针状，针状的尖端直径为100～300nm；玻璃毛细管的一端拉制成直径小于或等于1μm的尖端；与电极引线连接的碳纤维穿入拉尖的玻璃毛细管，且碳纤维露出玻璃毛细管尖端，电极引线露出玻璃毛细管的另一端，该端用AB胶封口。本实用新型从根本上解决了纳米电极绝缘后尖端难以暴露的问题。本实用新型碳纤维纳米锥电极具有低噪音、高灵敏度、高时空分辨率的优点，可用于神经科学研究中对突触间隙内神经递质实时探测。

Description

一种新型碳纤维纳米锥电极

技术领域

本实用新型属于电化学及材料科学领域，涉及一种新型碳纤维纳米锥电极。

背景技术

目前构建纳米电极的方法一般分为一步法和两步法。一步法将电极尖端以外的部分绝缘，主要是将刻蚀的金属线穿过或蘸涂熔融绝缘物如石蜡、玻璃等绝缘物。由于绝缘层较厚，制得的纳米电极虽然活性面小，但是几何尺寸较大，限制了电极在纳米尺度范围内的应用。两步法首先将电极完全绝缘，然后通过各种方法将电极尖端的绝缘物除去。但是这种方法技术复杂，操作难度较大且制得的电极重复性不好。迄今为止，已有多种方法如化学和火焰蚀刻法制作针状碳纤维纳米电极，然而将电极活性表面绝缘且暴露极小的纳米尖端却存在很大困难。虽然已有文献报道采用多种方法暴露纳米级尖端，但是依然存在操作繁琐以及较难实现批量制备等问题。发展一种制作方法简单、易于实现批量生产、电化学性能优良、时空分辨率高、且可用于纳米尺度突触间隙内神经递质分泌动力学的实时动态监测的纳米锥状电极，在国际上尚未取得突破。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种低噪音、高灵敏度、高时空分辨率的新型碳纤维纳米锥电极。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：

一种新型碳纤维纳米锥电极，包含碳纤维、电极引线和玻璃毛细管；碳纤维与电极引线通过导电胶连接，碳纤维前面部分的50～100μm处刻蚀成针状，针状的尖端直径为100～300nm；玻璃毛细管的一端拉制成直径小于或等于1μm的尖端；与电极引线连接的碳纤维穿入拉尖的玻璃毛细管，且碳纤维露出玻璃毛细管尖端，电极引线露出玻璃毛细管的另一端，该端用AB胶封口。

所述的碳纤维的直径优选为5～7μm、长度优选为2～3cm。

所述的电极引线优选为铜丝；电极引线的直径优选为0.3～0.5mm，长度优选为8～12cm。

所述的导电胶优选为石墨导电胶（即环氧树脂+乙二胺+石墨粉）。

所述的玻璃毛细管的壁厚优选为0.4～0.6mm。

所述的碳纤维优选为露出玻璃毛细管尖端0.5～1μm。

上述新型碳纤维纳米锥电极的制备方法，包含如下步骤：

（1）将碳纤维与电极引线采用导电胶粘连，待导电胶凝固后，将碳纤维清洗，在空气中晾干。

（2）将碳纤维前面部分的50～100μm处刻蚀成针状。

（3）将玻璃毛细管用拉制仪拉制成直径小于或等于1μm的尖端。玻璃毛细管尖端的直径小于或等于1微米，以保证最终玻璃绝缘部分的直径小。

（4）将与电极引线连接的碳纤维穿入拉尖的玻璃毛细管内，使碳纤维露出玻璃毛细管尖端2～5μm，玻璃毛细管的另一端用AB胶封口。将刻蚀好的碳纤维穿入玻璃管要缓慢，防止用力过大戳破玻璃管的尖端。

（5）待AB胶固化后，用抛光仪进一步加热封口。具体的方法与电生理中玻璃微管的抛光方法类似。用抛光仪封口的时候一定要控制好玻璃毛细管尖端与加热丝的距离，并且在加热的过程中要根据需要，不断调节两者的位置。

（6）将露出玻璃毛细管尖端的碳纤维刻蚀至所需的长度（一般为0.5～1μm）即制得新型碳纤维纳米锥电极。在抛光仪上进一步刻蚀碳纤维尖端时要控制好玻璃毛细管尖端与加热丝的距离，防止碳纤维尖端被完全烧熔而消失。

步骤（1）中所述的导电胶优选为石墨导电胶（即环氧树脂+乙二胺+石墨粉）；因为银导电胶在后面清洗碳纤维的过程中会使碳纤维和铜丝脱落，而制作纳米电极最重要的一个步骤就是保持碳纤维表面干净。

步骤（1）中所述的清洗优选为依次用丙酮、乙醇、二次蒸馏水超声清洗。

步骤（2）中所述的刻蚀优选为用酒精灯蓝色的火焰进行刻蚀。酒精灯的火焰要烧成蓝色的火焰，这个过程从点燃酒精灯到呈蓝色火焰至少需要10分钟；蓝色的火焰有利于刻蚀得到尺寸极小的碳纤维纳米电极尖端，并使得电极表面光滑。

上述新型碳纤维纳米锥电极在突触间隙内神经递质实时探测中的应用。

本实用新型具有如下优点和效果：

本实用新型的制备方法不仅大大简化了电极的制作步骤，还从根本上解决了纳米电极绝缘后尖端难以暴露的问题。本实用新型的碳纤维纳米锥电极可直接用作扫描电化学显微镜的探针、以及纳米尺度下的动力学研究及分析。尤为重要的是，由于本实用新型制得的碳纤维纳米锥电极尖端直径只有100～300nm，且玻璃绝缘层厚度仅有1μm左右，电极几何尺寸很小，其能够贴近神经细胞上的任何位置，还能插入到纳米尺度突触间隙进行探测，并且不会对突触造成明显损伤。总之，本实用新型碳纤维纳米锥电极优越的性能（低噪音、高灵敏度、高时空分辨率）及简单易制的特点使其在对电极性能要求高且消耗量大的神经科学研究中具有重要意义。

附图说明

图1是本实用新型新型碳纤维纳米锥电极的结构示意图，其中，1-碳纤维，2-导电胶，3-玻璃毛细管，4-电极引线，5-AB胶。

图2是本实用新型新型碳纤维纳米锥电极的主要制作步骤示意图。

图3是实施例2的新型碳纤维纳米锥电极的扫描电镜图，其中B为A放大图。

图4是实施例2的新型碳纤维纳米锥电极在六氯四氨合钌中的循环伏安图。

图5是10根实施例2的新型碳纤维纳米锥在六氯四氨合钌中的循环伏安图。

图6是新型碳纤维纳米锥电极在SCG-VSMC的突触间隙内的检测结果图，其中，A是时间序列（Time-lapse）成像显示新型碳纤维纳米锥电极插入SCG-VSMC突触间隙全过程（a、b、c、d、e、f、h是电极逐渐插入SCG-VSM突触间隙的全过程，白色箭头指示的为交感曲张体，h中电极纳米尖端已轻微挑起曲张体）；B是70mM高钾诱导交感神经元安培信号峰（a、b、c、d是安培信号峰），图上部为放大的单个囊泡胞吐安培信号。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型做进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

一种新型碳纤维纳米锥电极，其结构示意图如图1所示，包含碳纤维1、电极引线4和玻璃毛细管3；碳纤维1与电极引线4通过导电胶2连接，碳纤维1前面部分的50～100μm处刻蚀成针状，针状的尖端直径为100～300nm；玻璃毛细管3的一端拉制成直径小于或等于1μm的尖端；与电极引线4连接的碳纤维1穿入拉尖的玻璃毛细管3，且碳纤维1露出玻璃毛细管3尖端，电极引线4露出玻璃毛细管3的另一端，该端用AB胶5封口。

所述的碳纤维1的直径为5～7μm、长度为2～3cm；所述的电极引线4为铜丝，其直径为0.3～0.5mm，长度为8～12cm；所述的导电胶2为石墨导电胶（即环氧树脂+乙二胺+石墨粉）；所述的玻璃毛细管3的壁厚为0.4～0.6mm；所述的碳纤维1露出玻璃毛细管3尖端0.5～1μm。

新型碳纤维纳米锥电极的主要制作步骤示意图如图2所示。

实施例2

（1）将直径为7μm，长度2～3cm碳纤维（Goodfellow Co.,Oxford,U.K.）与电极引线铜丝（直径0.4mm，长度约10cm）用石墨导电胶粘连，室温放置至导电胶凝固；将碳纤维依次用丙酮、乙醇、二次蒸馏水超声清洗，在空气中晾干。

（2）将碳纤维靠近酒精灯富氧的蓝色火焰，待碳纤维尖端微红立即撤出火焰，把碳纤维前面部分的50～100μm处刻蚀成针状，尖端直径为100～300nm。

（3）将洁净的玻璃毛细管（长度10cm，外径1.0mm，内径0.58mm）用激光拉制仪（P2000,Sutter Instruments,U.S.A.）拉制成直径约为1μm的尖端（具体参数为heat=380,fil=4,vel=40,del=200,pul=0）。

（4）将与铜丝连接的碳纤维从另一端穿入拉尖的玻璃毛细管内，在白色背景下看到毛细管内碳纤维扭曲后立即停止，此时碳纤维露出玻璃毛细管尖端约2～5μm；玻璃毛细管的另一端用AB胶封口。

（5）待AB胶固化后用抛光仪（MF900,World Precision Instruments,USA）进一步加热封口。具体的方法跟电生理中玻璃微管的抛光方法类似，将加热的强度控制在80左右，按加热按钮2～3下即可，每次按的时间为1s左右。

（6）将露出玻璃毛细管尖端的碳纤维用抛光仪刻蚀至0.5～1μm即制得新型碳纤维纳米锥电极。

实施例3

（1）将直径为7μm，长度2～3cm碳纤维（Goodfellow Co.,Oxford,U.K.）与电极引线铜丝（直径0.35mm，长度约10cm）用石墨导电胶粘连，室温放置至导电胶凝固；然后再将碳纤维依次用丙酮、乙醇、二次蒸馏水超声清洗，在空气中晾干。

（3）将洁净的玻璃毛细管（长度为10cm，外径1.0mm，内径0.50mm）用激光拉制仪（P2000,Sutter Instruments,U.S.A.）拉制成直径约为1μm的尖端（具体参数为heat=390,fil=5,vel=40,del=200,pul=0）。

（5）待AB胶固化后用抛光仪（2002-C，武汉东山新技术应用研究所）进一步加热封口。具体的方法跟电生理中玻璃微管的抛光方法类似，调节加热电压为11V，摁下加热按钮，持续约一秒，重复两次。

（6）将露出玻璃毛细管尖端的碳纤维用抛光仪进一步刻蚀至0.5～1μm即制得新型碳纤维纳米锥电极。

通过SEM电镜和电化学工作站的仪器表征（见图3～5）发现，本实用新型制备的新型碳纤维纳米锥电极具有良好的电化学性能。由图4和图5可知电极极限电流低，充电电流小，电极的重复性好；通过计算得到10根电极的平均电容和术平方根噪音分别为0.55±0.24pF和460±115fA(mean±s.d.,n=15)，说明该电极噪音低。该电极可以对pA级的电流进行检测说明其灵敏度极高（见图4和图5），电极尖端直径只有100～300nm，且玻璃绝缘层厚度仅有1μm左右（见图3），电极几何尺寸很小，可以插入到突触间隙内进行实时探测。

将实施例2所制备的新型碳纤维纳米锥电极运用到大鼠颈上交感神经元和大鼠胸动脉平滑肌细胞（SCG-VSMC）的突触间隙内进行检测，得到了很好的结果（见图6）。这种检测的具体过程为：首先将原代SCG神经元滴入到培养有VSMC的培养皿中进行常规培养3～5天，形成突触间隙，然后在微操作手和显微镜下将所制备的新型碳纤维纳米锥电极如图6A所示插入到SCG-VSMC突触间隙，然后给碳纤维加上780mV的电压，给予细胞70mM的高钾刺激在膜片钳放大器中记录所得到的信号，如图6B所示。发现在交感神经元和平滑肌的突触间隙检测到的安培信号峰比在单个交感神经元上得到的信号峰更复杂，多数表现为kissand run形式如图6B的a、b、c、d的放大峰。结果表明神经信号传导过程中，交感曲张体释放去甲肾上腺素行为受突触后受体调控，且具有更为复杂的动力学行为。将本实用新型的新型碳纤维纳米锥电极深入突触间隙，通过对神经元释放神经递质的安培检测，建立了一种神经元与其靶细胞之间信号传导实时监测的新方法，可以在神经医学领域得到很好的应用。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种新型碳纤维纳米锥电极，其特征在于：包含碳纤维、电极引线和玻璃毛细管；碳纤维与电极引线通过导电胶连接，碳纤维前面部分的50～100μm处刻蚀成针状，针状的尖端直径为100～300nm；玻璃毛细管的一端拉制成直径小于或等于1μm的尖端；与电极引线连接的碳纤维穿入拉尖的玻璃毛细管，且碳纤维露出玻璃毛细管尖端，电极引线露出玻璃毛细管的另一端，该端用AB胶封口。

2.根据权利要求1所述的新型碳纤维纳米锥电极，其特征在于：所述的碳纤维的直径为5～7μm、长度为2～3cm。

3.根据权利要求1所述的新型碳纤维纳米锥电极，其特征在于：所述的电极引线为铜丝；电极引线的直径为0.3～0.5mm，长度为8～12cm。

4.根据权利要求1所述的新型碳纤维纳米锥电极，其特征在于：所述的导电胶为石墨导电胶。

5.根据权利要求1所述的新型碳纤维纳米锥电极，其特征在于：所述的玻璃毛细管的壁厚为0.4～0.6mm。

6.根据权利要求1所述的新型碳纤维纳米锥电极，其特征在于：所述的碳纤维露出玻璃毛细管尖端0.5～1μm。