阅读说明：本技术 制备基于固态纳米孔的对温度和pH双重响应的纳米流体二极管的方法 (Method for preparing nano-fluid diode based on solid-state nano-hole and having dual response to temperature and pH ) 是由 李君� 安鹏荣 谢彦博 于 2019-07-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种制备基于固态纳米孔的对温度和pH双重响应的纳米流体二极管的方法,首先将PET膜进行化学刻蚀,得到单个锥形纳米孔,此时纳米孔的内表面有很多羧基,因此在中性条件下会带有负电荷,而PLL分子上的氨基在中性条件下会质子化带有很多正电荷,因此PLL可通过静电吸附的方法修饰到纳米孔的内表,得到PLL修饰的纳米孔。而PLL分子在pH和温度的双重作用下,会呈现出α-螺旋与β-折叠两种构象,从而导致亲疏水性的变化,使PLL修饰的纳米孔呈现出对pH和温度的双重响应的ON/OFF状态。避免了用化学方法进行修饰,从而避免了PLL分子在固态纳米孔上修饰密度不够,导致无法得到固态纳米孔上pH和温度响应的纳米流体二极管的问题。(The invention relates to a method for preparing a nano fluid diode based on solid-state nano pores and having double responses to temperature and pH. And the PLL molecule can present two conformations of alpha-helix and beta-sheet under the dual action of pH and temperature, thereby leading to the change of hydrophilicity and hydrophobicity, and leading the PLL modified nanopore to present an ON/OFF state with dual response to the pH and the temperature. The problem that a nanometer fluid diode with pH and temperature response on the solid-state nanopore cannot be obtained due to insufficient modification density of PLL molecules on the solid-state nanopore is solved.)

制备基于固态纳米孔的对温度和pH双重响应的纳米流体二极 管的方法

技术领域

本发明属于纳米流体器件技术领域，涉及一种制备基于固态纳米孔的对温度和pH双重响应的纳米流体二极管的方法，通过将聚赖氨酸分子修饰到固态纳米孔内表面实现的。

背景技术

聚赖氨酸(PLL)广泛应用于组织切片、玻片黏合与细胞体外培养。PLL作为一种多聚阳离子分子与组织切片上的阴离子相互作用会产生较强的黏合力，适用组织学，免疫组织化学，冰冻切片，细胞涂片，原位杂交等使用的玻片的防脱片处理，以防实验操作过程中组织掉片。PLL也可促进细胞的贴壁，因此常用于细胞体外培养。用PLL 包被培养皿已被广泛的用于培养细胞，说明PLL可以通过物理吸附的方法包被多种形状、材质的容器，为在纳米孔内表面修饰PLL提供了可能。

纳米流体二极管具有类似于生物体离子通道的对离子选择性通过和对外界环境刺激产生反应的特性，并且其物理化学性质稳定，对温度、酸碱性有良好的容忍性。离子选择性通过的现象也被称为整流现象，是一种物理现象，是指在相同的驱动力推动下正向和逆向的电流幅值大小不同。近年来，纳米流体二极管的研究取得了重要进展，并在DNA测序、纳流控芯片等多个领域展现出了一定的应用前景。研究人员已经通过各种方法对纳米孔进行修饰，得到能对外界刺激进行响应的纳米流体二极管，这些外界刺激包括pH、电、光、特定离子、生物分子或压力。目前，通过在纳米孔内表面修饰的方法制备纳米流体二极管仍有较多困难，如下：(i)纳米孔道尺寸较小，修饰的物质难进入，使得修饰的物质在纳米孔上的密度不够；(ii)共价修饰操作复杂，合成特定结构分子成本较高；(iii)纳米孔表面修饰后不稳定，修饰物易脱落，使得纳米流体二极管的重复性不好。而本方法很好的

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种制备基于固态纳米孔的对温度和pH双重响应的纳米流体二极管的方法，成功的构建了固态纳米孔上的对pH和温度双重响应的纳米流体二极管，克服了以上困难，得到了操作简单、成本低廉、修饰密度高、重复性好的修饰纳米孔的方法。

技术方案

一种制备基于固态纳米孔的对温度和pH双重响应的纳米流体二极管的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对聚对苯二甲酸PET膜每面进行辐照，再采用化学刻蚀的方法在表面处理干净的聚对苯二甲酸PET上刻蚀纳米孔；

所述的纳米孔为单锥形纳米孔，锥角为1:6.5～1:4.3；

步骤2：将刻蚀好的纳米孔的PET在聚赖氨酸溶液中浸泡3h～5h；所述聚赖氨酸溶液为5μg/mL～200μg/mL的聚赖氨酸PLL水溶液；

步骤3：水冲洗干净后再放到40℃～50℃的烘箱中3h～5h，在聚对苯二甲酸PET 上得到聚赖氨酸修饰的固态纳米孔，即得到一个对温度有响应的纳米流体二极管。

所述辐照时间为PET膜每面1.5h。

所述聚对苯二甲酸PET膜厚度为13μm时，单锥形纳米孔的大孔直径在2～3 μm，小孔直径在10～60nm。

所述单锥形纳米孔采用不对称刻蚀方法刻蚀。

所述不对称刻蚀方法为：在PET薄膜两侧施加跨膜电压1V～2V，薄膜的一侧加刻蚀液，另一侧加入阻止液，使用电流测量装置检测刻蚀过程，一旦离子电流增大2个数量级则说明纳米孔刻通，得到PET单锥形纳米孔。

所述刻蚀液为9mol/L的NaOH溶液。

所述阻止液采用1mol/L HCOOH和KCl混合溶液，HCOOH与KCl的比例为 HCOOH9.5mL与KCl 18.6g。

有益效果

本发明提出的一种制备基于固态纳米孔的对温度和pH双重响应的纳米流体二极管的方法，巧妙的采用了静电吸附的方法修饰纳米孔的内表面。首先将PET膜进行化学刻蚀，得到单个锥形纳米孔，此时纳米孔的内表面有很多羧基，因此在中性条件下会带有负电荷，而PLL分子上的氨基在中性条件下会质子化带有很多正电荷，因此 PLL可通过静电吸附的方法修饰到纳米孔的内表，得到PLL修饰的纳米孔。而PLL 分子在pH和温度的双重作用下，会呈现出α-螺旋与β-折叠两种构象，从而导致亲疏水性的变化，使PLL修饰的纳米孔呈现出对pH和温度的双重响应的ON/OFF状态。避免了用化学方法进行修饰，从而避免了PLL分子在固态纳米孔上修饰密度不够，导致无法得到固态纳米孔上pH和温度响应的纳米流体二极管的问题。

本发明通过物理修饰的方法构建了固态纳米孔上的纳米流体二极管，为修饰固态纳米孔构建对pH和温度双重响应的纳米流体二极管提供了一种新的方法。

附图说明

图1：本发明的方法示意图：首先将PET膜进行化学刻蚀，得到单锥形纳米孔，纳米孔内表面带羧基负离子。再用浸泡的方法去修饰纳米孔，得到PLL修饰的纳米孔。而PLL分子会对温度有响应，PLL分子上的氨基质子化成铵根离子带正电荷且会对pH 有响应，即制备了对pH和温度都有响应的纳米流体二极管。

图2：为刻通的单锥形纳米孔在0.1M KCl中的电化学表征的I-V曲线图数据。未修饰的单锥形纳米孔的电化学表征，是为了证明刻通的纳米孔有整流效应且内表面带有羧酸根负离子。

图3为修饰PLL后的单锥形纳米孔在0.1M KCl中的电化学表征的I-V曲线图数据。修饰PLL后的单锥形纳米孔的电化学表征，证明了修饰后的纳米孔内表面带有与未修饰前相反的电荷，即铵根离子。

图4(a)为修饰PLL后pH响应的原理示意图；(b)为修饰PLL后的单锥形纳米孔在不同的pH下的0.1M KCl中电化学表征的I-V曲线图数据。不同pH下的电化学表征，证明了修饰完PLL的纳米孔对pH有响应。

图5中(a)为修饰PLL后有温度响应的原理示意图；(b)为修饰了PLL的单锥形纳米孔在不同温度下的在0.1M KCl中的电化学表征的I-V曲线图，可看出从22℃-50℃的升温过程中整流效应逐渐增大，说明温度在70℃以下时，温度升高可促进溶液中的离子通过纳米孔，此时纳米孔内表面的PLL是亲水的；温度升高到70℃时整流效应最小，电流很小，孔接近不通的状态，证明了PLL在70℃时是疏水的；(c)为单锥形纳米孔在22℃和70℃下的I-V曲线图的5个循环图，说明修饰PLL后的单锥形纳米孔对温度的响应是可逆的。

图6中为膜表面修饰PLL前后的XPS数据。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明提供了一种新的制备基于固态纳米孔的对温度和pH双重响应的纳米流体二极管的方法，其制备过程和工作原理如下：

首先利用辐照将PET表面处理干净，用化学刻蚀的方法刻蚀纳米孔，将刻蚀好的纳米孔在聚赖氨酸溶液中浸泡，取出用二次水冲洗干净，再放到的烘箱，得到聚赖氨酸修饰的固态纳米孔。所述的聚赖氨酸的结构为：

聚赖氨酸分子上有很多的氨基，氨基质子化后会带正电荷，修饰PLL后得到的是内表面有很多氨基的固态纳米孔，PLL分子在pH和温度的双重作用下，会呈现出α- 螺旋与β-折叠两种构象，从而导致亲疏水性的变化，使PLL修饰的纳米孔呈现出对 pH和温度的双重响应的ON/OFF状态。

实施例

1.在PET上制备单锥形纳米孔

首先将重离子辐照过的PET膜在二次水中浸泡3分钟，除去膜表面的灰尘和杂质，晾干，待用。再在紫外灯下每面辐照1.5h，待用。

本实施例的PET膜厚度为13μm，刻蚀纳米孔为锥角在1:6.5～1:4.3的单锥形纳米孔，大孔直径在2～3μm，小孔直径在10～60nm。

配制9mol/L的NaOH溶液250mL，其中加入NaOH的质量为90.0g储存在250mL 容量瓶中，1mol/L HCOOH和KCl混合溶液250mL，其中加入HCOOH 9.5mL，KCl 18.6g储存在250mL容量瓶中。接下来通过化学刻蚀的方法进行纳米孔的刻蚀。单锥形纳米孔的制备用的是不对称刻蚀法：即在辐照过的薄膜两侧施加跨膜电压，薄膜的一侧加刻蚀液即9mol/L的NaOH溶液，一侧加入阻止液即1mol/L HCOOH和KCl 混合溶液，使用电流测量装置检测刻蚀过程，一旦离子电流增大2个数量级则说明纳米孔已刻通。此时，得到PET单锥形纳米孔，为修饰实验做好准备。

2.PET单个纳米孔的电化学表征

由于单锥形纳米孔道结构的不对称性，并且在纳米孔内表面带有羧酸根负离子，因此在外加电压的情况下存在整流效应，因此检测已刻蚀好的单锥形纳米孔的整流效应。配制0.1mol/L的KCl溶液100mL，其中加入KCl的质量为0.74g储存在100mL 容量瓶中。在薄膜的两侧施加跨膜电压1V～2V，薄膜两侧都加0.1mol/L的KCl溶液，使用电流检测装置检测整流过程。从I-V曲线数据可以看出，单锥形纳米孔在外加电压的情况下具有整流效应，并且负向电流比正向电流大，因此可证明制备的单锥形纳米孔内表面带有负电荷。

3.在纳米孔内表面修饰聚赖氨酸

配置0.1g/mL的PLL水溶液其中加入质量为0.01g的PLL，二次水10mL储存在离心管中待用。把配置好的溶液稀释至25μg/mL的聚赖氨酸(PLL)水溶液。将刻蚀好的单锥形纳米孔放入烧杯，加入25μg/mL的聚赖氨酸(PLL)水溶液10mL，静置，3h。取出放入烘箱45℃，4h。取出用二次水冲洗，吹干，待用。

或将刻蚀好的纳米孔的PET在聚赖氨酸溶液中浸泡5h；取出放入烘箱50℃，5h。取出用二次水冲洗，吹干，待用。

或将刻蚀好的纳米孔的PET在聚赖氨酸溶液中浸泡4h；取出放入烘箱40℃，3h。取出用二次水冲洗，吹干，待用。

或将刻蚀好的纳米孔的PET在聚赖氨酸溶液中浸泡3.5h；取出放入烘箱45℃，3.5h。取出用二次水冲洗，吹干，待用。

或将刻蚀好的纳米孔的PET在聚赖氨酸溶液中浸泡4.5h；取出放入烘箱47℃，4.5h。取出用二次水冲洗，吹干，待用。

所述聚赖氨酸溶液为5μg/mL～200μg/mL的聚赖氨酸PLL水溶液；

4.修饰完PLL的纳米孔的电化学表征

分别配制pH＝11，pH＝3的KOH，HCl溶液250mL，分别储存在250mL玻璃瓶中。用两种溶液以不同比例调节0.1mol/L KCl溶液，使得0.1mol/L KCl有不同pH (3、5、7、9、11)，待pH稳定后放置于25mL烧杯中待用。

在修饰好的单锥形纳米孔薄膜两侧加相同pH的0.1mol/L的KCl溶液，薄膜的两侧施加跨膜电压，使用电流检测装置检测整流过程。分别检测不同pH下的电流，作不同pH下的I-V曲线图，见图3。从图中可看出与图2相比电流发生了反转，说明将 PLL修饰到了纳米孔内表面，使得纳米孔的内表面带正电荷。且随着pH的减小，正向电流越大，即整流效应越大，说明修饰完PLL的纳米孔对pH有响应。

再将修饰好的单锥形纳米孔两端施加电压，在膜的两端加入pH为11.5的0.1mol/LKCl溶液，在对装置进行加热，加热温度为70℃。用电流检测装置进行电流检测，作 I-V曲线图，可看出正向、负向电流都接近于0，接近于孔不通的状态。说明修饰完 PLL的单锥形纳米孔是一个对温度有响应的纳米流体二极管。

5.修饰前后纳米孔的XPS表征

将两个清洗过的PET膜分别浸泡在9mol/L的NaOH溶液中，并在60℃的温度下加热1h。在取其中一个按上述2的方法进行修饰PLL。

将修饰好PLL的PET膜和未修饰PLL的PET膜分别裁成0.5×0.5mm的小片，做XPS，得到XPS数据。从二者的N的XPS数据可看出，修饰完PLL的膜中含有N 元素，而未修饰的膜中则没有，说明修饰PLL的过程确实把PLL修饰到了膜上。