一种基于水相纳米颗粒自组装制备纳米多孔结构的方法及其应用与流程

本发明属于纳米孔技术领域，是一种以毛细管尖端为支撑体通过单分散的水相纳米颗粒自组装形成纳米多孔结构的方法及其应用。

背景技术：

随着微加工技术的快速发展，人工纳米孔的制备成为现实。2001年，Li等人利用高能离子束在Si₃N₄薄膜上制备得到直径为61 nm的孔洞。固态纳米孔在稳定性、电流噪声、工艺集成方面有着显著的优势，大大扩展了纳米孔道技术的研究范围。但其重复性较差，尤其在接近纳米尺度时无法精确控制孔径，同时受限于如今的半导体工艺制造水平，固态纳米孔的制造还较为复杂与昂贵。因此，在探索和改进制备纳米多孔结构的方法是很有必要的。其中在我们在先的专利（中国专利104101630A）中，采用的是在有机相纳米颗粒中合成纳米多孔结构，但有机相存在疏水、有毒以及生物相容性差等局限性，导致了有机相合成的纳米多孔结构无法用于研究蛋白质离子跨膜机制、探索新型DNA测序方法以及制备新型电池等方面。但生物体中重要物质的传输过程往往发生在水相中，如离子通道它在神经传导、能量转换、物质交换以及对外界环境的刺激等能够做出响应，实现了纳米离子孔道的打开或者关闭，从而维持正常的生命活动。因此，实现在水相纳米颗粒中制备纳米多孔结构具有非常重要的意义，可以极大的拓展其应用领域。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明提供了一种基于水相纳米颗粒自组装制备纳米多孔结构的方法。该方法利用电荷效应，对毛细管外管壁或水相纳米颗粒进行改性，通过对毛细管壁和水相纳米颗粒的表面电荷密度的精确调控，成功实现了在水相纳米颗粒中自组装制备纳米多孔结构。

该方法制备出的纳米多孔结构，在克服了制备固态纳米孔仪器昂贵、重复性较差，在接近纳米尺度时无法精确控制孔径等问题的同时能够实现在水相纳米颗粒中自组装制备纳米多孔结构。

本发明主要通过如下技术方案来实现：

一种基于水相纳米颗粒自组装制备纳米多孔结构的方法，包括以下步骤：

（1）以毛细管作为支撑体，向毛细管中注入交联剂溶液；

（2）将毛细管外管壁或水相纳米颗粒的表面修饰上正电荷物质；

（3）将毛细管浸入水相纳米颗粒的溶液中，在支撑体的依托下，纳米颗粒在毛细管上自组装得到纳米多孔结构。具体而言，第一种方式是对毛细管外管壁进行改性。将注入了交联剂的毛细管外管壁修饰上正电荷物质，最后将其尖端浸入水相纳米颗粒的溶液中，交联剂自尖端沿毛细管外管壁“自上而下”扩散并与纳米颗粒接触和聚集，通过连续自组装过程，最后在毛细管尖端形成外形规整的纳米多孔结构。

第二种方式是对水相纳米颗粒表面电荷进行改性。首先向水相纳米颗粒的溶液中加入一定量的正电荷物质，对纳米颗粒表面电荷进行改性，提高其表面电势。随后将注入了交联剂的毛细管的尖端浸入表面电荷已经改性的水相纳米颗粒的溶液中，交联剂自尖端沿毛细管外管壁“自上而下”扩散并与纳米颗粒接触和聚集，通过连续自组装过程，最后在毛细管尖端形成外形规整的纳米多孔结构。

所述的支撑体为玻璃毛细管或石英毛细管，其中玻璃毛细管制备方法简单，操作简易，可控性较好，同时因其本身具有亲水性质，适宜用在水相环境。

上述毛细管形状为圆形，但不限制为圆形，可以为方形、三角形等；毛细管中可包含引流管，但不限制为必须有流管的毛细管。此外，毛细管仅在尖端为纳米级，其尾部为宏观尺寸，总长度为几毫米到十几厘米。毛细管的制备为现有技术，本发明对此不作特别限定。

进一步的，所述支撑体尖端的孔径在50nm～10µm，优选孔径在100～500nm，在此孔径范围内，支撑体组装成的微米球，形状规整，并且在水相纳米颗粒自组装后整流效应明显。

本发明所述的方法，其中所述纳米颗粒为圆形，但不限制为圆形，可以为三角形、棒状、五角星和花状等。

进一步的，所述水相纳米颗粒为金属纳米颗粒或非金属纳米颗粒，优选为金、银、铜、镍等金属及氧化铜、二氧化硅、二氧化钛等非金属纳米颗粒。本发明中优选为金纳米颗粒、银纳米颗粒或金属氧化物纳米颗粒。所述纳米颗粒直径在5～100nm，优选10～50nm。

进一步的，本发明所述的自组装是在纳米颗粒的溶液中完成的，所述的纳米颗粒的溶液，其浓度为0.061nmol/L～7.397nmol/L。不同粒径的纳米颗粒能够形成不同尺寸的纳米孔，本发明所述的技术方案中，所形成的纳米孔可在1～15nm调节, 优选3 nm。

本发明所述的方法，其中所述交联剂需满足与纳米颗粒接触后能键和，并经过连续自组装最后形成外形规整的多孔结构即可，满足上述要求的各种已知交联剂都可以用于本发明。本发明所述的交联剂优选为二巯基化合物，其中，优选所述交联剂为3,6-二氧-1,8-辛二硫醇、3,6,9-三氧十一烷-1,11-二硫醇、3,6,9,12,15-五氧十七烷-1,17-二硫醇、聚乙二醇二硫醇或3’端和5’端连接巯基的DNA，此类交联剂的组装效果最佳。

进一步的，本发明所述的交联剂优选为二巯基化合物，所述二巯基化合物不局限为两端含有巯基的乙二醇（如3,6-二氧-1,8-辛二硫醇），也可以是两端含有二巯基的其它分子，例如，3’端和5’端连接巯基的DNA、多肽、聚合物等亲水分子。

进一步的，交联剂不限制于必须包括硫醇基团，可以是带有能够链接不同纳米粒子基团的其他化合物如二氨基烷烃、二羧基烷烃、两端分别带氨基的DNA、两端分别带羧基的DNA、两端分别带氨基的多肽、两边分别带氨基的多肽、两端分别带叠氮基团的DNA、两端分别带叠氮基的多肽、两端分别带叠氮基的烷烃等。此外，本发明所述交联剂不限制于必须包括两个相同的反应基团，如可以是一端带有巯基另一端带有氨基的DNA分子。

本发明所述的方法，所述正电荷物质需满足对毛细管外管壁改性后或者对水相纳米颗粒表面电荷改性后，均能使交联剂与纳米颗粒接触后能键和，并经过连续自组装后形成外形规整的纳米多孔结构即可，满足上述要求的各种已知正电荷物质都可以用于本发明。其中，优选所述正电荷物质为十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十四烷基三甲基溴化铵、四丁基氟化铵、正四辛基氯化铵、3-氨基丙基-三乙氧基硅烷或正四辛基溴化铵。

进一步的，本发明所述的正电荷物质优选为有机物铵盐化合物或带正电荷的有机化合物，所述正电荷物质不局限为有机物铵盐化合物，也可以是带正电荷的其它分子，例如，带正电荷的氨基酸、壳寡糖或带正电荷的聚合物等。

本发明所述的自组装过程时间为二十四个小时，但不限于为二十四个小时，可以从一小时到一百二十小时不等，不同的修饰时间，所得到的纳米多孔结构直径不同。

本发明的第二目的在于保护由上述方法制备得到的纳米多孔结构，所述纳米多孔结构孔径均匀，大约为1～15nm，具体结构如图1所示，当自组装金纳米颗粒直径为15nm，交联剂为3,6-二氧-1,8-辛二硫醇，正电荷物质为正四辛基溴化铵时，自组装所形成的纳米多孔结构孔径约为2～5nm。

本发明还提供了上述自组装制备的纳米多孔结构在化学分析和生物分析中的应用，所述的化学分析包括简单离子的检测、有机物分子检测、聚合物的检测、温度响应的分子检测。生物分析包括某些特定结构类蛋白质，特定序列的DNA或者对外界环境的刺激如电压、pH、紫外光、温度等能够做出响应的多肽。

以玻璃毛细管为支撑体自组装过程形成的纳米多孔结构，可以有各方面的应用。应用一：简单离子的检测。自组装形成的纳米管尖端为多孔结构，孔径大小为几个纳米，由于孔径迅速缩小，出现很明显的整流效应。当带有电荷的离子通过多纳米孔时，由于电荷的改变，整流效应会发生改变。所以可以达到检测简单离子的目的。应用二：纳米孔的热效应。在组装的纳米多孔结构表面修饰上温度敏感的分子，在外加电场驱动下，离子穿过纳米孔道过程中是否会产生热效应，可以通过温敏探针分子检测响应信号，从而判断是否存在热效应。这为物质在纳米孔通道中的输运对研究生物膜离子跨膜机制、探索新型DNA测序方法以及生物传感等研究方面具有非常重要意义。应用三：拉曼增强光谱分析。交联剂的不同长度可以调节纳米颗粒之间的距离，当纳米颗粒之间的距离处在合适的大小时光照，由于电磁场增强效应，则交联剂所显示出的拉曼信号会得到显著增强。

从上述技术方案以及结果可知，本发明首次制备了基于单分散水相纳米颗粒自组装形成纳米多孔结构，其优势在于所用材料简单、易得，重复性好，条件温和，适用性广泛。且毛细管后端为宏观尺寸，方便与各种机械、电子设备结合，实现在三维空间内的定位。

附图说明：

图1、本发明的纳米多孔结构的制备方法过程示意图。

图2、纳米玻璃毛细管加工后的电镜图。

图3、合成的单分散金纳米颗粒电镜图。

图4、通过自组装形成的纳米多孔结构的电镜图。

图5、银纳米颗粒自组装形成的纳米多孔结构的光学显微镜图。

图6、金纳米颗粒自组装形成的纳米多孔结构的光学显微镜图。

图7、聚焦离子束切割纳米多孔结构后的电镜图。

图8、电化学测试装置结构示意图。

图9、电解质为0.01 mol/L氯化钠溶液时的i-V曲线。

图10、纯3,6-二氧-1,8-辛二硫醇液体和纳米多孔结构的拉曼光谱图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图说明对本发明的技术方案做进一步的说明，但不应理解为对本发明的限制：

实施例1

本发明制备纳米孔道的方法，包括如下步骤：

（1）制备玻璃毛细管尖端：所用的仪器为美国SUTTER公司P-2000拉针仪，玻璃毛细管为SUTTER公司的BOROSILIGATE GLASS WITH FILAMENT,O.D:1.0mm，I.D:0.58mm，总长度为10 cm。设置参数为LINE 1: HEAT=305，FIL=4，VEL=33，DEL=200，PUL=150LINE 2: HEAT=290，FIL=3，VEL=30，DEL=160，PUL= Null

用此规格的毛细管在上述条件下制备出的毛细管尖端直径为50～200 nm，如图2所示。

（2）制备水相金纳米颗粒溶液：将100mL 0.01%的HAuCl₄溶液加热至沸腾，迅速加入4 mL 1%柠檬酸三钠水溶液，开始有些蓝色，然后浅蓝、蓝色，再加热出现红色，煮沸7～10min出现透明的橙红色，停止加热，冷却至室温即可。所制备的水相金纳米粒径约为15nm，转移至存储器中，放在4℃冰箱内保存，如图3所示。

（3）制备正四辛基溴化铵溶液：将正四辛基溴化铵加入水中，超声溶解得到澄清透明溶液。

（4）制备纳米多孔结构：如图1所示，把3,6-二氧-1,8-辛二硫醇溶液加入到纳米玻璃毛细管的尖端，然后将尖端放入到正四辛基溴化铵溶液中，室温下对毛细管外管壁修饰5min。最后将尖端浸入到单分散的水相金纳米颗粒溶液中，由于扩散作用，3,6-二氧-1,8-辛二硫醇与金纳米颗粒接触，一个二硫醇分子两端的硫醇基团分别与两个金纳米颗粒键和，经过这样的连续自组装，最后形成一个外形规整的纳米多孔结构，孔径由纳米颗粒大小和交联剂分子共同调节，尺寸直径在1～20 μm，如图4所示。

实施例2

在实施例1中所用的支撑体为玻璃毛细管，在实施例2中将支撑体改换为尖端尺寸为100nm～500 nm的石英毛细管，采用粒径为5 nm～20 nm的镍纳米颗粒，其水溶液浓度为0.061nmol/L，采用的交联剂3,6,9-三氧十一烷-1,11-二硫醇，加入的正电荷物质为正四辛基氯化铵，其它条件不变，通过镍纳米颗粒的自组装形成数微米的纳米多孔结构。

实施例3

实施例3与实施例1相比，仅将毛细管更换为尖端尺寸为200 nm～600 nm的石英毛细管，采用粒径为10 nm～50 nm的铜纳米颗粒，其水溶液浓度为0.176 nmol/L，采用的交联剂为3,6,9,12,15-五氧十七烷-1,17-二硫醇，加入的正电荷物质为谷氨酸，其它条件不变，通过铜纳米颗粒的自组装形成数微米的纳米多孔结构。

实施例4

实施例4与实施例1相比，仅将毛细管更换为尖端尺寸为300 nm～800 nm的玻璃毛细管，采用粒径为20 nm～50 nm的银纳米颗粒，其水溶液浓度为1.5nmol/L，采用的交联剂为5’-SH-AGC CTG ATG TCGCCT GTC-SH-3’，加入的正电荷物质为十六烷基三甲基氯化铵，其它条件不变，通过银纳米颗粒的自组装形成数微米的纳米多孔结构，如图5所示。

实施例5

实施例5与实施例1相比，仅将毛细管更换为尖端尺寸为700 nm～1.5µm的石英毛细管，采用粒径为50 nm～80 nm的二氧化硅纳米颗粒，其水溶液浓度为4 nmol/L，采用的交联剂为3,6,9,12,15-五氧十七烷-1,17-二硫醇，加入的正电荷物质为正四辛基氟化铵，其它条件不变，通过二氧化硅纳米颗粒的自组装形成数微米的纳米多孔结构。

实施例6

实施例6与实施例1相比，仅将毛细管更换为尖端尺寸为2µm～6µm的玻璃毛细管，采用粒径为80 nm～100 nm的二氧化钛纳米颗粒，其水溶液浓度为2 nmol/L，采用的交联剂为5’-SH-CAT CGA GGT CCAATG GCT-SH-3’，加入的正电荷物质为3-氨基丙基-三乙氧基硅烷，其它条件不变，通过二氧化钛纳米颗粒的自组装形成数微米的纳米多孔结构。

实施例7

实施例7与实施例1相比，仅将毛细管更换为尖端尺寸为5µm～10µm的玻璃毛细管，采用粒径为10 nm～20 nm的金纳米颗粒，其水溶液浓度为7.397nmol/L，采用的交联剂为3,6-二氧-1,8-辛二硫醇，加入的正电荷物质为十六烷基三甲基溴化铵，其它条件不变，通过金纳米颗粒的自组装形成数微米的纳米多孔结构，如图6所示。

实施例8

实施例8与实施例1相比，仅将采用的交联剂更换为聚乙二醇二硫醇，加入的正电荷物质为十四烷基三甲基溴化铵，其它条件不变，通过金纳米颗粒的自组装形成数微米的纳米多孔结构。

实施例9

实施例9与实施例1相比，仅将加入的正电荷物质更换为壳寡糖，其它条件不变，通过金纳米颗粒的自组装形成数微米的纳米多孔结构。

实施例10

实施例10与实施例1相比，仅将加入的正电荷物质更换为聚丙烯酰胺，其它条件不变，通过金纳米颗粒的自组装形成数微米的纳米多孔结构。

实施例11

聚焦离子束(Focused Ion Beam，FIB)系统是利用透射电镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割仪。离子束为液相金属镓（Ga），当外加电场作用于液相金属离子源，可使液态镓形成细小尖端，再加上负电场牵引尖端的镓，而导出镓离子束。在成像方面，聚焦离子束显微镜和扫描电子显微镜的原理比较相近，其中离子束的试片表面受镓离子扫描撞击而激发出的二次电子和二次离子是影像的来源。实验中可以利用聚焦离子束将金球切割开，然后对金球进行成像。本实验中观察的是以实施例1组装的金球。

FIB切割图显示，金球的大小虽然可以达到10μm，但内部仍然是有无数个小的金纳米颗粒组成，并没有融合成大的金纳米粒子，保持其单个纳米颗粒性质，说明金球内部是多孔状结构。同时由于经历离子束轰击的时间较长，表面一层的金纳米粒子已经逐渐融合，难以观察，但下面截面仍能观察到金纳米颗粒，如图7所示。

实施例12

本实施例对实施例1中制备的纳米多孔结构进行了电化学测试，图8是电化学测试的装置示意图。1是Ag/AgCl作为电极，2是电解质溶液，3是制备的纳米多孔结构。以0.01 mol/L氯化钠为电解质，线性扫描伏安法扫描，起始电位+1.0V，终止电位-1.0V，扫速0.01V/s，结果如图9所示，由于管壁带负电，阳离子的迁移占主导地位，正电势下阳离子由内向外迁移，由于尖端孔径较小，大量阳离子在锥形端积聚，产生逆电势，因此电流很小，产生了很好的整流效应。

实施例13

本实施例对纯3,6-二氧-1,8-辛二硫醇液体和玻璃毛细管尖端进行自组装后形成纳米多孔结构（实施例1所得金球）分别进行了拉曼光谱测量，如图10所示。测量具体参数为：633nm激光照射，所用激光强度为5%，积分时间为10s。在纳米多孔结构的拉曼谱图中，2862cm^-1和2921 cm^-1分别为二巯基分子的亚甲基对称和不对称伸缩振动峰，在261 cm^-1出现新的Au-S振动峰，同时处在2570 cm^-1的S-H伸缩振动峰消失，更一步证明金球是金纳米颗粒通过二巯基连接分子自组装而成三维超晶体金纳米多孔道结构。

采用本发明所述方法制备纳米多孔结构简单方便，易于操作，成功率高。在此制备方法中，如果没有纳米毛细管的支撑不能形成球形纳米多孔结构；如果没有交联剂则不能形成纳米多孔结构；如果没有正电荷物质修饰毛细管外管壁或者对水相金纳米颗粒表面电荷进行改性也是不能形成球形纳米多孔结构。