一种多功能集成超微/纳米电极及其制备方法与流程

本发明涉及微电极领域的电极制备，具体地，涉及一种多功能集成超微/纳米电极及其制备方法。

背景技术：

电极工作区域的半径或宽度简称为一维尺度，人们将一维尺度处于100nm-25μm的电极称为超微电极，一维尺度在100nm以下的电极则称为纳米电极。同一维尺度通常处于毫米级别的常规电极相比，超微/纳米电极具有高电流密度、快速时间响应、低ir降、小rc时间常数、高信噪比、高传质速率以及易于达到稳态等优势。这些优势使其广泛应用于活体细胞/亚细胞级别监测分析、生物大分子分析、单分子检测、secm和afm中高分辨率成像、电化学反应机理研究等多个领域。

目前较为常见的一种超微/纳米电极制备方法采用局部加热玻璃管材(内部可封有贵金属等材料)，通过玻璃管材两端施加拉力制备出超微/纳米级别的超细尖端，继而通过抛光、沉积和表面修饰等工艺实现超微/纳米电极制备。该种方法工艺流程安全简单，且制备出的电极几何形貌具有高可控性和重复性。

随着对于空间分辨率、光刺激以及药物刺激等需求日益增加，在拉制法的基础上研究制备多功能集成的超微/纳米电极的方法具有十分重要的意义。

经过针对现有技术的检索发现：

瑞典哥德堡大学yuqinglin等人在analyticalchemistry，2012,84上撰文“carbon-ringmicroelectrodearraysforelectrochemicalimagingofsinglecellexocytosis:fabricationandcharacterization”，其首先将若干玻璃管材粘接在一起，继而通过丁烷火焰加热拉制和烷烃气体热解碳沉积成功制备出集成8个、10个、12个和15个碳电极记录点的超微电极阵列，提高了检测信号的空间分辨率，然而受到加工方法限制，制备出的单个碳电极记录点一维尺度普遍在15-25μm之间。

美国加州大学圣克鲁兹分校r.adamseger,paoloactis等人在nanoscale，2012,4上撰文“voltagecontrollednano-injectionsystemforsingle-cellsurgery”，其采用拉制法拉制双孔玻璃管并在表面溅射一层金，通过控制施加电压的时间与幅值等参数实现细胞级别的显微注射，并且基于双给药通道能够将不同比例的两种药物同时注入单个细胞中。

英国帝国理工大学binoypaulosenadappuram，paolocadinu等人在naturenanotechnology，2019，14中撰文“nanoscaletweezersforsingle-cellbiopsies”，其采用拉制法拉制双孔玻璃管并结合烷烃气体热解碳沉积实现双碳电极集成，在此基础上通过介电泳技术实现dna、蛋白质以及单个线粒体的俘获摄取。

综上所述，基于拉制法制备出的超微/纳米电极实现多电极记录点、给药通道以及光刺激等多种功能后，通过多通道和多功能的不同组合具备传统超微/纳米电极难以实现的功能。但是现有多功能超微/纳米电极制备方法具有诸多限制，如大多数方法使通过拉制双孔玻璃管材实现双通道集成，其集成度低且难以实现多功能的可控组合，因此亟需提出一种更加自由灵活的多功能集成超微/纳米电极制备方法。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种多功能集成超微/纳米电极及其制备方法。

根据本发明的第一方面，提供一种多功能集成超微/纳米电极的制备方法，包括：

s1，管状模具填充液态低熔点金属，将用于制备功能通道的管材穿入填充液态低熔点金属的管状模具中；所述管状模具使用的聚合物材料工作温度低于低熔点金属熔点；

s2，待液态低熔点金属固化，通过反应离子刻蚀去除管状模具，得到内部包裹有管材的固态低熔点金属块；

s3，将内部包裹有管材的固态低熔点金属块穿入玻璃管中，加热使低熔点金属热熔固化后贴附住玻璃管内壁；

s4，将s3处理后的玻璃管拉制出探针，探针尖端打磨抛光，去除探针尖端的低熔点金属，实现各功能通道的分离释放。

可选地，所述用于制备功能通道的管材的表面均匀包裹有玻璃材质的金属微丝、玻璃微管、光纤裸芯中一种或多种。

可选地，所述包裹有玻璃材质的金属微丝、玻璃微管、光纤裸芯，其中，

所述金属微丝用于集成金属盘状电极点；

所述玻璃微管用于集成液体微通道；

所述光纤裸芯用于集成光通路；

通过上述金属微丝、玻璃微管、光纤裸芯中一种或多种，根据具体应用自由集成不同种类、数量、几何参数的功能通道。

可选地，所述s1中，包括：

所述管状模具采用聚合物材质，其中填充满液态低熔点金属，所述管状模具使用的聚合物材料工作温度低于低熔点金属熔点；

所述用于制备功能通道的管材垂直穿入填充满液态低熔点金属的管状模具中，其中，将所述用于制备功能通道的管材需要预先用紫外固化胶封住垂直穿入所述管状模具的一端，以防止穿入过程中液态低熔点金属进入或污染管材。

可选地，所述包裹有玻璃材质的金属微丝、玻璃微管，通过如下方式获得：从拉制法制备出的金属电极、玻璃电极尖端截取下得到的，截取部分的外径大小在5-50μm之间；

所述包裹有玻璃材质的光纤裸芯，直径大小在10-150μm之间。

可选地，所述s2，包括：

等待管状模具中液态低熔点金属凝固成固体状态，将其置于反应离子刻蚀机中，使用等离子体去除聚合物材料以暴露内部包裹有用于制备功能通道的管材的固态低熔点金属块。

可选地，所述s3，包括：

将内部包裹有用于制备功能通道的管材的固态低熔点金属块穿入玻璃管材中，调整位置使其位于玻璃管材的中间位置；

采用热源加热玻璃管材中间位置，使低熔点金属热熔固化后低熔点金属和玻璃管材内壁贴附在一起。

可选地，在完成s3加热后，进一步采用显微镜观察：

在显微镜下观察低熔点金属和玻璃管材内壁的贴附质量；

在显微镜下观察低熔点金属中表面均匀包裹玻璃材质的金属微丝、玻璃微管、光纤裸芯的几何位置，需要使其法线方向与玻璃管材法线方向保持一致。

可选地，所述s4，包括：

采用拉针仪拉制出两个具有超细尖端的探针；

将拉制出的探针采用磨针仪进行尖端打磨抛光，以暴露出工作区域，并使得探针尖端表面平整光滑；按照实际需要，不同深度的打磨抛光能够在几何尺度上实现从纳米电极级别到超微电极级别的工作区域暴露；

通过化学腐蚀去除探针尖端的低熔点金属，实现各功能通道的分离释放。

根据本发明的第二方面，还提供一种多功能集成超微/纳米电极，该电极采用上述制备方法得到。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下至少一种有益效果：

本发明上述方法通过s1和s2两个步骤将用于制备金属电极通路、液体通路和光通路的管材集成到固态低熔点金属块中，继而通过拉制法实现多功能、多通道集成的超微/纳米电极制备。

本发明上述方法通过自行选择不同数量、形状和大小的功能管材，能够根据具体应用自由灵活集成所需种类、数量和几何参数的功能通道，同时摆脱了传统拉制法中多孔玻璃管材孔洞数量对于通道数量的束缚。该种方法制备过程简单便捷，成本较低。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一较优实施例多功能集成超微/纳米电极的制备流程示意图；

图2为本发明一优选实施例用于制备功能通道的管材的固态低熔点金属块制备过程图；

图3为本发明一优选实施例中用于实现多功能集成的三种管材结构示意图；

图4为本发明一优选实施例中制备表面均匀包裹玻璃材质的金属微丝的流程示意图；

图5为本发明一优选实施例中制备玻璃微管的流程示意图；

图6为本发明一优选实施例制备出的光电集成纳米电极顶端俯视图；

图7为本发明一优选实施例制备出的金纳米电极阵列顶端俯视图；

图8为本发明一优选实施例中制备出的集成金属电极记录点和给药通道的多功能纳米电极顶端俯视图；

图9为本发明一优选实施例中制备出的一种集成金属电极记录点和双给药通道的多功能纳米电极顶端俯视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明一较优实施例多功能集成超微/纳米电极的制备流程示意图。参照图1所示，多功能集成超微/纳米电极的制备方法可以包括以下步骤：

1)在管状模具中填充满液态低熔点金属，将表面均匀包裹有玻璃材质的金属微丝、玻璃微管以及光纤裸芯等用于制备功能通道的管材垂直穿入填充满液态低熔点金属的模具中；金属微丝、玻璃微管以及光纤裸芯可以选择其中一种或几种，具体根据实际应用来自由集成不同种类、数量、几何参数的功能通道。

2)待管状模具中液态低熔点金属凝固成固体状态，将其置于反应离子刻蚀机中，使用等离子体去除聚合物材料以暴露内部包裹有用于制备功能通道的管材的固态低熔点金属块；

3)将内部包裹有用于制备功能通道的管材的固态低熔点金属块穿入玻璃管材中，调整位置使其位于玻璃管材的中间位置；

4)采用热源加热玻璃管材中间位置保证低熔点金属和玻璃管材内壁贴附在一起；

5)将4)处理后的玻璃管材采用拉针仪拉制出两个具有超细尖端的探针；

6)将步骤5)拉制出的探针采用磨针仪进行尖端打磨抛光，以暴露出工作区域，并使得探针尖端表面平整光滑；

7)通过化学腐蚀去除探针前端的低熔点金属，实现各功能通道的分离释放。

本发明上述优选实施例基于拉制法制备出的超微/纳米电极能够实现多电极记录点、液体通道以及光通路的多功能和多通道集成，根据具体应用可以自由灵活集成不同种类、数量和几何参数的功能通道，集成度高且容易实现多功能的可控组合，更加自由灵活。

图2为本发明一优选实施例用于制备功能通道的管材的固态低熔点金属块制备过程图，该过程对应上述图1所示的步骤1)-2)。

参照图2所示，图2中标记分别表示为：1为管状模具、2填充满模具1的低熔点金属、3为光纤裸芯、4为表面均匀包裹玻璃材质的金属微丝、5为玻璃微管、6为内部包裹有3-5这三种制备功能通道的管材的固态低熔点金属。

图3为本发明一优选实施例中用于实现多功能集成的三种管材结构示意图；该实施例中，表面均匀包裹有玻璃材质的金属微丝用于集成金属盘状电极点，玻璃微管用于集成液体微通道，光纤裸芯用于集成光通路。

图4为本发明一优选实施例中制备表面均匀包裹玻璃材质的金属微丝的流程示意图。该实施例中表面均匀包裹玻璃材质的金属微丝是通过在常规拉制法制备出的金属电极尖端截取下得到的，金属材质可选择金、铂、银等金属。通过调整拉制参数，截取部分的外径大小在5-50μm之间。

图5为本发明一优选实施例中制备玻璃微管的流程示意图。该实施例中玻璃微管通过在常规拉制法制备出的玻璃电极尖端截取下得到的。通过调整拉制参数，截取部分的外径大小在5-50μm之间。

作为一优选方式，步骤1)中用于制备功能通道的管材需要预先用紫外固化胶封住垂直穿入模具的一端，以防止穿入过程中液态低熔点金属进入或污染管材。紫外固化胶在步骤7)中通过丙酮超声清洗去除。

作为一优选方式，步骤4)中为了确保后续拉制电极的成品率，完成加热后在显微镜下观察低熔点金属和玻璃管材内壁的贴附质量。同样的，为了确保后续拉制电极的成品率，还可以在完成加热后，在显微镜下观察低熔点金属中表面均匀包裹玻璃材质的金属微丝、玻璃微管或光纤裸芯的几何位置，需要使其法线方向与玻璃管材法线方向保持一致。

作为一优选方式，步骤5)完成电极拉制后，为了保证拉制出的电极各个通路连续不断，可以在显微镜下观察筛选。另外，步骤5)拉制过程中加热温度为1100-1400℃，加热扫描范围为1-3mm，拉力大小为200-255n。

作为一优选方式，步骤6)完成打磨抛光以暴露工作区域后，根据多功能电极的具体构成完成封装，贵金属电极通路需要完成引线，微管需要完成液体通路连接，光纤通路需要完成光纤耦合。另外，该步骤可以按照实际需要，不同深度的打磨抛光能够在几何尺度上实现从纳米电极级别到超微电极级别的工作区域暴露。

作为一优选方式，步骤7)中采用非氧化性浓酸、氧化性稀酸或者盐溶液化学腐蚀低熔点金属，如浓盐酸或稀硫酸等。

为了更好地说明本发明上述实施例的制备过程，以下提供具体实施例进行说明，实施例采用聚合物材质的管状模具、nmcicp反应离子刻蚀机、p-2000激光拉针仪、bv-10磨针仪等，但是在其他实施例中，也可以采用其他的设备。管状模具所用聚合物材质可选用聚酰亚胺、聚醚醚酮等，低熔点金属材料可选用锡、镓铟锡合金等，其熔点需要低于所用聚合物材料长期使用温度上限值，通常在300℃以下。

实施例一

一种光电集成纳米电极的制备方法，包括以下步骤：

1)首先取锡块放置于热板上，热板温度设置为250℃，等待锡块熔化后，将长度在2-3mm左右的管状模具(聚酰亚胺材质)1中填充满液态金属锡2，其内、外径分别为0.5mm和0.7mm。按图4所示流程制备一根外径为30μm左右的表面均匀包裹有玻璃材质的金属微丝4，将其和一根外径为125μm的光纤裸芯3垂直插入填充满液态金属锡2的管状模具1中，用于制备功能通道的管材需要预先用紫外固化胶封住垂直穿入模具的一端，以防止穿入过程中液态低熔点金属进入或污染管材；

2)待管状模具1中液态金属锡2凝固成固体状态，将其置于nmcicp反应离子刻蚀机中使用o2等离子体去除管状模具1，暴露内部包裹有2根管材的固态金属锡6；

3)将内部包裹有2根管材的固态金属锡6穿入石英玻璃管中，石英玻璃管长度为75mm，内外径分别为0.5mm和1mm，调整位置使其位于玻璃管材的中间位置；

4)采用丁烷焊枪加热石英玻璃管中间位置，使得金属锡和石英玻璃管内壁融合为一体，使用显微镜检查金属锡和石英玻璃管内壁贴附质量；

5)采用p-2000激光拉针仪将步骤4)中处理后的石英玻璃管拉制出两个具有超细尖端的探针，拉制过程中加热温度为1300℃，加热扫描范围为1.9mm，拉力大小为245n。。使用显微镜检查拉制后的探针确保内部金丝和光纤微丝连续不断；

6)将步骤5)拉制出的探针采用bv-10磨针仪进行尖端打磨抛光，以暴露出工作区域，并使得探针尖端表面平整光滑，打磨抛光过程中使用显微镜检查尖端尺度和尖端表面质量；

7)将探针尖端浸没于稀盐酸中去除探针尖端的金属锡，实现各功能通道的分离释放。之后将实现各通道释放分离的光电集成纳米电极依次使用去离子水超声、无水乙醇、丙酮和去离子水中各超声清洗5分钟，完成光电集成纳米电极制备。具体可以参见图6，为实施例一中制备出的光电集成纳米电极顶端俯视图。

实施例二

一种金纳米电极阵列的制备方法，包括以下步骤：

1)首先取熔点为50℃的固态镓铟锡合金块放置于热板上，热板温度设置为60℃，等待固态镓铟锡合金块熔化后，将长度在2-3mm左右的管状模具(聚醚醚酮材质)1中填充满液态镓铟锡合金2，其内、外径分别为0.5mm和0.7mm。按图4所示流程制备四根外径为30μm左右的表面均匀包裹有玻璃材质的金属微丝4，将其垂直插入填充满液态镓铟锡合金2的管状模具1中，用于制备功能通道的管材需要预先用紫外固化胶封住垂直穿入模具的一端，以防止穿入过程中液态低熔点金属进入或污染管材；

2)等待管状模具1中液态镓铟锡合金2凝固成固体状态，将其置于nmcicp反应离子刻蚀机中使用o2等离子体去除管状模具1，暴露内部包裹有4根管材的固态镓铟锡合金6；

3)将内部包裹有4根管材的固态镓铟锡合金6穿入石英玻璃管中，石英玻璃管长度为75mm，内外径分别为0.5mm和1mm，调整位置使其位于玻璃管材的中间位置；

4)采用温度设置为100℃的热风枪加热石英玻璃管中间位置，使得镓铟锡合金和石英玻璃管内壁融合为一体，使用显微镜检查镓铟锡合金和石英玻璃管内壁贴附质量；

5)采用p-2000激光拉针仪将步骤4)中处理后的石英玻璃管拉制出两个具有超细尖端的探针，拉制过程中加热温度为1300℃，加热扫描范围为1.9mm，拉力大小为255n。。使用显微镜检查拉制后的探针确保内部金丝连续不断；

6)将步骤5)拉制出的探针采用bv-10磨针仪进行尖端打磨抛光，以暴露出工作区域，并使得探针尖端表面平整光滑，打磨抛光过程中使用显微镜检查尖端尺度和尖端表面质量；

7)将探针尖端浸没于稀盐酸中去除探针尖端的镓铟锡合金，实现各功能通道的分离释放。之后将实现各通道释放分离的金纳米电极阵列依次使用去离子水超声、无水乙醇。丙酮和去离子水中各超声清洗5分钟，完成集成4个电极记录点的金纳米电极阵列制备。具体参照图7所示，为本实施例制备出的金纳米电极阵列顶端俯视图。

实施例三

一种集成金属电极记录点和给药通道的多功能纳米电极制备方法，包括以下步骤：

1)首先取锡块放置于热板上，热板温度设置为250℃，等待锡块熔化后，将长度在2-3mm左右的管状模具(聚酰亚胺材质)1中填充满液态金属锡2，其内、外径分别为0.5mm和0.7mm。按图4所示流程制备一根外径为30μm左右的表面均匀包裹有玻璃材质的金属微丝4，按图5所示流程制备一根外径为30μm左右的玻璃微管5将其垂直插入填充满液态金属锡2的管状模具1中，用于制备功能通道的管材需要预先用紫外固化胶封住垂直穿入模具的一端，以防止穿入过程中液态低熔点金属进入或污染管材；

2)等待管状模具1中液态金属锡2凝固成固体状态，将其置于nmcicp反应离子刻蚀机中使用o2等离子体去除管状模具1，暴露内部包裹有2根管材的固态金属锡6；

3)将内部包裹有2根管材的固态金属锡6穿入石英玻璃管中，石英玻璃管长度为75mm，内外径分别为0.5mm和1mm，调整位置使其位于玻璃管材的中间位置；

4)采用丁烷焊枪加热石英玻璃管中间位置，使得金属锡和石英玻璃管内壁融合为一体，使用显微镜检查金属锡和石英玻璃管内壁贴附质量；

5)采用p-2000激光拉针仪将步骤4)中处理后的石英玻璃管拉制出两个具有超细尖端的探针，拉制过程中加热温度为1400℃，加热扫描范围为1.5mm，拉力大小为255n。。使用显微镜检查拉制后的探针确保内部金丝和液体通道连续不断；

6)将步骤5)拉制出的探针采用bv-10磨针仪进行尖端打磨抛光，以暴露出工作区域，并使得探针尖端表面平整光滑，打磨抛光过程中使用显微镜检查尖端尺度和尖端表面质量；

7)将探针尖端浸没于稀盐酸中去除探针尖端的金属锡，实现各功能通道的分离释放。之后将实现各通道释放分离的集成金属电极记录点和给药通道的多功能纳米电极依次使用去离子水超声、无水乙醇、丙酮和去离子水中各超声清洗5分钟，完成集成金属电极记录点和给药通道的多功能纳米电极制备。参照图8所示，为本实施例中制备出的集成金属电极记录点和给药通道的多功能纳米电极顶端俯视图。

实施例四

一种集成金属电极记录点和双给药通道(两液体通道直径大小不同)的多功能纳米电极制备方法，包括以下步骤：

1)首先取锡块放置于热板上，热板温度设置为250℃，等待锡块熔化后，将长度在2-3mm左右的管状模具(聚酰亚胺材质)1中填充满液态金属锡2，其内、外径分别为0.5mm和0.7mm。按图4所示流程制备一根外径为30μm左右的表面均匀包裹有玻璃材质的金属微丝4，按图5所示流程制备一根外径为30μm左右的玻璃微管5和一根外径为50μm左右的玻璃微管5将其垂直插入填充满液态金属锡2的管状模具1中，用于制备功能通道的管材需要预先用紫外固化胶封住垂直穿入模具的一端，以防止穿入过程中液态低熔点金属进入或污染管材；

2)等待管状模具1中液态金属锡2凝固成固体状态，将其置于nmcicp反应离子刻蚀机中使用o2等离子体去除管状模具1，暴露内部包裹有3根管材的固态金属锡6；

3)将内部包裹有3根管材的固态金属锡6穿入石英玻璃管中，石英玻璃管长度为75mm，内外径分别为0.5mm和1mm，调整位置使其位于玻璃管材的中间位置；

4)采用丁烷焊枪加热石英玻璃管中间位置，使得金属锡和石英玻璃管内壁融合为一体，使用显微镜检查金属锡和石英玻璃管内壁贴附质量；

5)采用p-2000激光拉针仪将步骤4中处理后的石英玻璃管拉制出两个具有超细尖端的探针，拉制过程中加热温度为1300℃，加热扫描范围为1.9mm，拉力大小为250n。使用显微镜检查拉制后的探针确保内部金丝和液体通道连续不断；

6)将步骤5拉制出的探针采用bv-10磨针仪进行尖端打磨抛光，以暴露出工作区域，并使得探针尖端表面平整光滑，打磨抛光过程中使用显微镜检查尖端尺度和尖端表面质量；

7)将探针尖端浸没于稀盐酸中去除探针尖端的金属锡，实现各功能通道的分离释放。之后将实现各通道释放分离的集成金属电极记录点和双给药通道(两液体通道直径大小不同)的多功能纳米电极依次使用去离子水超声、无水乙醇、丙酮和去离子水中各超声清洗5分钟，完成集成金属电极记录点和给药通道的多功能纳米电极制备。具体参照图9所示，为本实施例中制备出的一种集成金属电极记录点和双给药通道(两液体通道直径大小不同)的多功能纳米电极顶端俯视图。

本发明上述实施例，基于拉制法制备出的超微/纳米电极能够实现多电极记录点、液体通道以及光通路的多功能和多通道集成，根据具体应用可以自由灵活集成不同种类、数量和几何参数的功能通道。该种方法制备过程简单便捷，成本较低，组合更为灵活。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。