一种基于碳纳米管的纳流控芯片的制备方法

1.本技术属于生物医药新材料领域，具体地，本技术涉及基于碳纳米管的纳米通道高精度加工方法及其在生物医药领域的用途。


背景技术：

2.纳米通道在多个领域中都有广泛的应用，例如可用于病毒和生物大分子检测的生物传感器、纳米药物研发、纳米流控芯片、高热流密度芯片散热等。无论是检测过程中的电流变化还是药物的精确输送和检测，都要求纳米通道具有良好的均一性(一般指的是沿纳米通道长度方向上的高度均一性)、密封性以及经济性，以实现高信噪比和实用价值。
3.目前常用的纳米通道制备方法包括传统光刻法、高能束加工法、纳米压印光刻法等：传统光刻法，通过掩膜板刻蚀，能够实现批量加工，该方法广泛应用于微流控芯片的制备，然而，该方法加工的通道横向尺寸会受到uv(ultraviolet rays)光的波长限制，通道的宽度一般被限制为微米级，该方法对刻蚀速率要求严苛，容易造成纳米通道在长度方向上高度不均匀的问题。微米级光刻技术由于其低分辨率限制了纳米通道的制造，具有纳米级精度的光刻机设备由于价格过于昂贵，并不适合制备纳流控芯片，因此该种方法仍就有局限性。
4.使用电子束、质子束、聚焦离子束、飞秒激光束等的高能束加工法利用高能束在材料上的直接照射使材料发生物理、化学变化，从而制造纳米通道，该类方法需要使用昂贵的加工设备，难以实现多个纳米通道的并行加工，制备成本高、效率低。
5.纳米压印光刻法是一种采用纳米压印与光刻相结合的制备方法，其原理为：以光刻胶等聚合物为辅助，通过使用含微纳结构的模具压印在待加工材料上，以实现微纳结构图案复制的技术。该方法一般包含三个步骤：加工压印模板、图样的转移、加工衬底，即首先通过刻蚀等手段加工出模具，然后以光刻胶等聚合物作为缓冲层覆盖在待加工材料表面，将模具压印在其表面，使之发生机械变形，再用紫外光等进行照射将其固化，最后去除缓冲层即可得到与模具结构一致的微纳结构材料，例如当模具为采用反应离子刻蚀法所得的槽道，通过纳米压印光刻技术得到的也将会是与之相同的槽道，但该种技术需要复杂的模具制作过程，且加工分辨率取决于模板性质，因此如何制作高精度的纳米结构模板是该方法的关键问题。目前该技术在精确控制通道尺寸、有效控制壁面粗糙度和通道均匀性上有所不足。
6.综上可见，开发一种能精确调控纳米通道尺寸、实用性强的纳米通道制备方法对于病毒和生物大分子检测技术、纳米医药、纳米流控器件、高热流密度芯片散热的关键核心技术突破很有意义。
7.碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料，属于新材料领域中的前沿新材料和纳米材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，层与层之
间保持固定的距离，约0.34nm。碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此按照石墨烯片的层数可分为：单壁碳纳米管（或称单层碳纳米管，single-walled carbon nanotubes, swcnts）和多壁碳纳米管（或多层碳纳米管，multi-walled carbon nanotubes, mwcnts），单壁管典型直径在0.6-2nm，多壁管最内层可达0.4nm，最粗可达数百纳米，但典型管径为2-100nm。碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有天然的纳米尺度直径、高长径比，具有天然的原子级光滑内壁，沿纳米管轴向方向具有结构和性质均匀性，优异的力学、电学、热学性质和化学稳定性。


技术实现要素：

8.本发明将碳纳米管应用到纳米流控芯片的制备中，提供了一种基于碳纳米管的纳米通道高精度加工方法。
9.一方面，本技术提供了一种基于纳米管的纳米通道加工方法，所述加工方法包括：步骤一、在基片上刻蚀标记；步骤二、在刻蚀好标记的基片上生长碳纳米管水平阵列；步骤三、通过光刻胶保护住所需的碳纳米管；步骤四、将其他多余的碳纳米管用氧等离子体刻蚀掉；步骤五、通过光刻的方法，在所需的碳纳米管上构建微流道；步骤六、将碳纳米管两端打断；步骤七、在微流道上表面键合一层预先打孔的pdms；步骤八、在预留的打孔处插入进液管和出液管。
10.进一步地，所述基片为si/sio2片。
11.进一步地，所述纳米管为碳纳米管或氮化硼纳米管。
12.进一步地，所述纳米管为碳纳米管。
13.进一步地，步骤三使用正光刻胶，步骤五使用负光刻胶。
14.进一步地，步骤三中使用az 1500 4.4cp 光刻正胶，步骤五中使用su-8 2050光刻负胶。
15.进一步地，步骤三中包括匀胶、前烘、曝光、显影、清洗步骤；步骤五中包括匀胶、前烘、曝光、后烘烤、显影、清洗步骤。
16.进一步地，步骤六中利用fib精准刻蚀技术将碳纳米管两端打断。
17.进一步地，步骤八中包括在出液口插入电极的步骤。
18.另一方面，本技术提供了使用上述方法制备的基于纳米管的纳米通道。
19.另一方面，本技术提供了上述方法在制备病毒或生物大分子检测器件，纳米流控器件，高热流密度芯片散热器件或药物载体中的应用。
20.另一方面，本技术提供了病毒或生物大分子检测器件，纳米流控器件，高热流密度芯片散热器件或药物载体，其包含本技术的基于纳米管的纳米通道。
21.本技术中的纳米管不限于申请文件中所列种类单壁或多壁碳纳米管和氮化硼纳米管，其他已知和研究中的纳米管，如氧化铝纳米管、氧化锌纳米管和聚合物纳米管经过适当的加工性能验证也可用于本技术。
22.本技术中的正负光刻胶不限于申请文件中所列种类az 1500 4.4cp和su-8 2050，
其他已知和研究中的光刻胶经过适当的加工性能验证也可用于本技术。
23.有益效果：本技术的方法不仅加工精度高，操作简单，与传统技术兼容性高，可设计的空间大，而且制备得到的纳米通道具有较高的长径比，在沿纳米管轴线方向具有良好的均一性和稳定性，最小尺寸可以减小到0.4nm，尺寸精确可控，密封性较好，当流体介质沿该纳米通道运动时不易漏液。本技术为人们在更小的尺寸以及更接近理想模型的通道中探索物质输运提供了可能。实验结果可以在同尺度下跟分子动力学模拟结果进行对比并相互验证，也是长期以来所期待的，将极大丰富人们对纳米尺度物质输运的认识和理解。
24.对于本技术中的名词和缩写：si/sio2：硅/二氧化硅；pdms：聚二甲基硅氧烷，(polydimethylsiloxane)，是一种疏水类的有机硅物料，是微流控芯片流道的常用材料；fib：聚焦离子束。
附图说明
25.图1为本技术的制备方法基本流程图。
26.图2-7为根据本技术的方法制备的直径5nm的纳米通道扫描电子显微镜20000倍放大图。
27.图8为根据本技术的方法制备的直径5nm的纳米通道三维共聚焦显微镜100倍三维成像图。
28.图9为根据本技术的方法制备的5nm碳纳米管纳流控芯片的实物照片。
29.具体实施方式
30.实施例1 纳流控芯片的基本制备过程纳流控芯片的基本制备过程包括以下步骤：步骤一、在si/sio2片上刻蚀标记；步骤二、在刻蚀好标记的si/sio2片上生长碳纳米管水平阵列；步骤三、通过光刻胶保护住需要的一根碳纳米管；步骤四、将其他多余的碳纳米管用氧等离子体刻蚀掉；步骤五、通过光刻的方法，在该碳纳米管上构建两条独立的su-8微流道；步骤六、利用fib精准刻蚀技术将碳纳米管两端打断；步骤七、在su-8微流道上表面键合一层预先打孔的pdms ；步骤八、在预留的打孔处插入进液管和出液管，如果需要电学测量也可以在出液口插入电极。
31.实施例2通过光刻胶保护所需碳纳米管的过程匀胶：本流程采用的是az 1500 4.4cp 光刻正胶，经查表，为了得到厚度1um的结构，转速设置为500rpm 10s，之后2000rpm 30s。
32.前烘：在热板上100℃烘烤1min。
33.曝光：g线接触式曝光机曝光5s。
34.显影：用az300mif (2.38%) 将基片浸泡在水槽里1min。
35.清洗：用去离子水清洗30s。
[0036] 实施例3 光刻构建微流道的过程匀胶：将su-8 2050光刻负胶滴加在基片上，将基片吸附在匀胶机上静止一段时间。查表，为了得到厚度50um的结构，转速设置为500rpm 10s，之后3000rpm 30s。
[0037]
前烘：在热板上先是65℃烘烤4min，然后再95℃烘烤9min。然后将一片滤纸放在大塑料培养皿中，将热的硅片放在滤纸上降至室温。
[0038]
曝光：接触式曝光机曝光20s。
[0039]
后烘：在热板上先是65℃烘烤2min，然后再95℃烘烤7min。然后将一片滤纸放在大塑料培养皿中，将热的硅片放在滤纸上降至室温。
[0040]
显影：将待显影基片完全浸泡在显影液中7min，然后fresh显影液喷淋冲洗10s，显影之后使用异丙醇轻柔冲洗定影，如果基片被放入异丙醇后有白色颗粒产生，则证明显影不充分，仍存在残留光刻胶，需要重复显影和定影步骤。之后使用去离子水彻底冲洗，使用洁净气体吹干。
[0041]
清洗：用去离子水清洗1min。
[0042] 实施例4 本技术方法的实际使用我们使用实施例1-3中上述方法成功构建了包含单根5nm碳纳米管纳米通道的纳流控芯片，如图2-7所示。单根碳纳米管的纳米通道在技术上要比多根纳米通道更有难度。图2-5是在步骤五完成后微流道与纳米通道相结合的放大图，从图片中可以清晰地看出，一条单根纳米通道横穿两条微流道。图6-7是在步骤六完成后看到这根碳纳米管暴露在微流道的那一部分被打断，而光刻胶下面的一段被保留，从而将两条独立的微流道联通。图8是在微流道键合pdms前，微流道在三维共聚焦显微镜下的三维成像图。图9是整个纳流控芯片的实物图照片。
[0043]
我们之后进行该纳流控芯片的漏液检测，本方法构建的纳流控芯片为实验组，之后又构建了两个对照组芯片。对照组一为在步骤二时通过控制生长条件，在基片上未生长碳纳米管，其余步骤均保持不变，即对照组一为在基片上未生长碳纳米管的芯片。对照组二为在步骤六处未利用fib精准刻蚀技术将碳纳米管两端打断，其余步骤均保持不变，即对照组二为碳纳米管未被打断的芯片。将实验组和对照组一、对照组二进行密封性实验，通入的溶液为氯化钾电解质溶液，通过施加电压，发现仅在实验组芯片测得电流，对照组一和对照组二均未测得电流。这个结果说明该方法制备的芯片密封性良好，仅存碳纳米管一条流体流动通道，不存在其他的流体流动通道。
[0044]
我们之后利用构建的纳流控芯片研究了单链dna在纳米通道中的输运，并系统了单链dna分子在其中的运动规律，未来有望运用到dna测序、核酸检测当中。