CN102115026A - 一维纳米结构、其制备方法及一维纳米结构作标记的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种一维纳米结构,该一维纳米结构包含一种元素的至少两种同位素,该一维纳米结构由一维纳米结构片段组成,其中,至少一个一维纳米结构片段包括所述元素的至少两种同位素,且该元素的至少两种同位素按一定的质量比均匀混合。本发明还提供一种一维纳米结构的制备方法以及采用上述一维纳米结构用作标记的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米材料、一种纳米材料的制备方法及应用该纳米材料用作标记的方法,尤其涉及一种一维纳米结构及其制备方法,以及应用该一维纳米结构用作标记的方法。
背景技术
同位素标示方法是研究材料生长机理的有力工具,因此,同位素标记的纳米材料可以研究该纳米材料的生长机理,该同位素标记的纳米材料是利用在纳米材料的合成过程中,将含有某一特定元素(一般是轻元素,如碳、硼、氮或氧)的同位素的反应物按照预定的浓度(以纯物质或混合物的形式)和顺序使其参与反应,从而制备出原位生长的该同位素标示的纳米材料。
范守善等人于2006年4月18日公告的,公告号为US 7,029,751B2,标题为“Isotope-doped carbon nanotube and method and apparatus for forming thesame”的专利揭示了一种掺有同位素的碳纳米管及其制备方法。该掺有同位素的碳纳米管包括由单一同位素组成的第一碳纳米管片段和第二碳纳米管片段,该第一碳纳米管片段和第二碳纳米管片段沿碳纳米管的纵向交替排列。该掺有同位素的碳纳米管的制备方法包括如下步骤:提供含有单一同位素的第一碳源气和第二碳源气;提供其上沉积有催化剂的基底,并将该基底置入反应室中;将该反应室抽成真空,通入预定压力的保护性气体;在650~750℃的反应条件下,使第一碳源气体发生反应并使反应生成的第一碳纳米管片段沉积于该基底上;反应预定时间后,将碳源切换至第二碳源气上,在650~750℃的反应条件下,使第二碳源气体发生反应,生成的第二碳纳米管片段生长于第一碳纳米管片段之上,从而得到掺有同位素的碳纳米管。
然而,上述发明中提供的碳纳米管的每个片段都是由单一的同位素组成,因此可构成不同标识的碳纳米管的种类有限,从而使得使用该碳纳米管用于标记的物质的种类有限,限制了可以标记的物质的范围。
发明内容
有鉴于此,确有必要提供一种具有较多类型的一维纳米结构及其制备方法,以及应用该一维纳米结构用作标记的方法。
一种一维纳米结构,该一维纳米结构包含一种元素的至少两种同位素,该一维纳米结构由一维纳米结构片段组成,其中,至少一个一维纳米结构片段包括所述元素的至少两种同位素,且该元素的至少两种同位素按一定的质量比均匀混合。
一种一维纳米结构的制备方法,包括以下步骤:提供反应源,该反应源包括两种以上的单一同位素;提供一基底,并将该基底置入一反应室;以及利用化学气相沉积法,将所述反应源中的至少两种以上的同一同位素于所述反应室中同时发生反应,于基底上生长至少一一维纳米结构片段。
一种使用一维纳米结构用作标记的方法,包括以下步骤:提供多种已知拉曼峰值的一维纳米结构,每一种一维纳米结构为上述的一维纳米结构;提供多种已知的待标记物,在该每个待标记物内植入所述一维纳米结构;采用拉曼光谱仪检测所述植入有一维纳米结构的待标记物中的一维纳米结构的拉曼峰值;以及根据检测到的一维纳米结构的拉曼峰值,识别所述待标记物的类型。
与现有技术相比较,本发明提供的一维纳米结构中的至少一个一维纳米结构片段包括一元素的至少两种同位素,该元素的至少两种同位素按一定的质量比均匀混合;由于同位素的种类不同或各同位素的质量比不同,所述的一维纳米结构也不同,因此本发明可以提供更多种类的一维纳米结构;本发明提供的一维纳米结构的制备方法可以制备出多种一维纳米结构。故,使用本发明提供的一维纳米结构可以用于标记更多不同的种类的物质,扩大了可以标记的物质的范围。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的碳纳米管的示意图。
图2是本发明提供的制备第一实施例的碳纳米管所采用的碳纳米管制备装置示意图。
图3是本发明第二实施例提供的碳纳米管的示意图。
图4是本发明第三实施例提供的碳纳米管的示意图。
图5是本发明提供的使用碳纳米管用作标记的方法流程图。
主要元件符号说明
碳纳米管 10;20;30
碳纳米管制备装置 100
碳源气输入管道 102;103;104
反应炉 106
阀门 112;113;114
排气通道 116
保护气体输入通道 118
基底 132
催化剂 134
第一碳纳米管片段 210;310
第二碳纳米管片段 220;320
第三碳纳米管片段 230;330
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例,对本发明提供的一维纳米结构、其制备方法及使用该一维纳米结构用作标记的方法作进一步的详细说明。
本发明提供一种一维纳米结构,该一维纳米结构包含一种元素的至少两种同位素,该一维纳米结构由一维纳米结构片段组成,其中,至少一个一维纳米结构片段包括所述元素的至少两种同位素,且该元素的至少两种同位素按一定质量比均匀混合。
当所述一维纳米结构由一个一维纳米结构片段组成时,该一维纳米结构包含一种元素的至少两种同位素,且该元素的至少两种同位素按一定的质量比均匀混合。所谓混合是指所述元素的至少两种同位素相互分散而达到均匀的状态。
当所述一维纳米结构由多个一维纳米结构片段组成时,该一维纳米结构中相邻的两个一维纳米结构片段的组成不同。所述一维纳米结构片段中的组成不同,那么所述一维纳米结构片段就不同。所述组成不同具体是指:组成相邻的两个一维纳米结构片段的所述元素的同位素不同,其中,该元素的同位素的质量比可以相同,也可以不相同;或组成相邻的两个一维纳米结构片段的所述元素的同位素相同,但该元素的各同位素的质量比不同。
所述一维纳米结构为纳米线或纳米管。所述纳米线可以为碳纳米线、氮化物纳米线、氧化物纳米线等纳米线状结构。所述纳米管可以为碳纳米管、氮化物纳米管、氧化物纳米管等纳米管状结构。其中,所述氮化物纳米管可以为氮化硼纳米管。所述氮化物纳米线可以为氮化镓纳米线、氮化铝纳米线或氮化硅纳米线等。所述氧化物纳米管可以为氧化钛纳米管、氧化铁纳米管或氧化钒纳米管等。所述氧化物纳米线可以为氧化锌纳米线、氧化钴纳米线、氧化硅纳米线、氧化锡纳米线或氧化铁纳米线等。所述一维纳米结构中的元素包括轻元素,该轻元素可以为碳元素、硼元素、氮元素或氧元素等。通过控制一维纳米结构中的轻元素的同位素的质量比,就可以得到所述一维纳米结构。如,通过控制碳元素的同位素的质量比,可以得到所述碳纳米管。所述氮化硼纳米管可以通过控制硼元素的同位素的质量比或氮元素的同位素的质量比得到。所述氮化镓纳米线可以通过控制氮元素的同位素的质量比得到。所述氧化锌纳米线可以通过控制氧元素的同位素的质量比得到。
下面以碳纳米管为例,进一步阐述本发明。
请参阅图1,本发明第一实施例提供一碳纳米管10,该碳纳米管10由一个碳纳米管片段组成,该碳纳米管片段由碳元素的至少两种同位素组成,且该碳元素的至少两种同位素按一定的质量比均匀混合。所述碳元素的至少两种同位素的质量比可以根据实际需要而确定。所述碳纳米管10的长度不限,根据需要确定,优选地,该碳纳米管10的长度为10~1000微米。所述碳元素的同位素包括12C、13C和14C。本实施例中,所述碳纳米管10由12C、13C及14C组成,且12C、13C及14C的质量比为7.2∶6.5∶5.6;该碳纳米管10的长度为10~50微米,直径为0.5~50纳米。
本发明提供一种利用化学气相沉积法制备上述碳纳米管10的方法,该制备方法包括以下步骤:(s11)提供一碳纳米管制备装置100以及一碳源气,该碳源气包含有三种碳元素的同位素;(s12)提供一沉积有催化剂134的基底132,并将该基底132置入碳纳米管制备装置100中;(s13)利用化学气相沉积法,将所述碳源气按照三种同位素预定的质量比同时通入所述碳纳米管制备装置110中并发生反应,从而得到掺有同位素的碳纳米管10(图未示)。
在所述步骤(s11)中,如图2所示,碳纳米管制备装置100包括一反应室110、一用于加热该反应室110的反应炉106、一保护气体输入通道118、三个碳源气输入通道102、103、104、以及一排气通道116。所述碳源气输入通道到102有一阀门112,所述碳源气输入通道到103有一阀门113,所述碳源气输入通道到104有一阀门114。所述碳源气为三种单独的乙烯气体,该三种乙烯气体分别由单一的12C、13C和14C组成。
在所述步骤(s12)中,所述催化剂134是厚度为5nm的铁膜。该铁膜可以通过沉积法、溅射法或蒸镀法等方法形成于所述基底132上。
在所述步骤(s13)中,首先,通过排气通道116将反应室110抽真空后,通过保护气体输入通道118通入压强为1个大气压的氩气,同时通过反应炉106加热反应室110至其温度达700℃;其次,同时打开阀门112、113及114,通过碳源气输入通道102向反应室110内通入流量为120sccm(标准状态下,每分钟每立方厘米)由12C组成的乙烯气体;通过碳源气输入通道103向反应室110内通入流量为100sccm,由13C组成的乙烯气体;通过碳源气输入通道104向反应室110内通入流量为80sccm由14C组成的乙烯气体;反应生成碳纳米管10,该碳纳米管10沉积于该催化剂134上;该碳纳米管10的由12C、13C及14C组成。
可以理解,所述碳源气也可以为由12C、13C和14C组成的乙烯混合气体;且该乙烯混合气体中的12C、13C和14C的质量比为7.2∶6.5∶5.6。然后,通过上述碳源气输入通道将该乙烯混合气体通入所述反应室110进行反应,从而得到所述碳纳米管10。
可以理解,本制备方法中的催化剂134可以用钴、镍或其它合适的催化剂代替铁;也可用其它含有单一碳元素同位素的碳氢化合物,如甲烷、乙炔、丙二烯等代替乙烯作为碳源气使用,也可以采用氦气、氮气或者是氢气等代替氩气作为保护气使用。
请参阅图3,本发明第二实施例提供一种碳纳米管20。该碳纳米管20包括一第一碳纳米管片段210、一生成于该第一碳纳米管片段210上的第二碳纳米管片段220及一生长于该第二碳纳米管片段220上的第三碳纳米管片段230;即,该第二碳纳米管片段220位于所述第一碳纳米管片段210及第三碳纳米管片段230之间。所述第一碳纳米管片段210由12C及14C的组成,且12C及14C的质量比为8∶7。所述第二碳纳米管片段220由12C、13C和14C组成,且12C、13C和14C的质量比为8∶8∶7。所述第三碳纳米管片段230由单一的12C组成。所述碳纳米管20的长度为30~50微米。
可以理解,所述碳纳米管20不仅可以只包括上述三个碳纳米管片段,还可以包括其他组成的碳纳米管片段。而且各个片段的成分不限于此,质量比也不限于此,如所述第二碳纳米管片段220也可以由13C和14C的组成,但13C和14C的质量比为8∶7。
本发明还提供一种制备上述碳纳米管20的方法,该制备方法包括以下步骤:(s21)提供一碳纳米管制备装置100以及三种碳源气,该三种碳源气均包含有单一同位素;(s22)提供一沉积有催化剂134的基底132,并将该基底132置入碳纳米管制备装置100中;以及(s23)通过多次改变同时通入所述碳纳米管制备装置100中的碳源气的组成,利用化学气相沉积法,依次反应预定时间后,从而得到掺有同位素的碳纳米管20(图未示),该碳纳米管20包括多个碳纳米管片段。该制备方法与第一实施例的碳纳米管10的第一种制备方法基本相同,不同之处在于:步骤(s23)不同。
请参阅图2,所述步骤(s21)及(s22)与制备碳纳米管10的方法中的步骤(s11)及(s12)相同。
所述步骤(s23)具体包括以下步骤:
首先,通过排气通道116将反应室110抽真空后,通过保护气体输入通道118通入压强为1个大气压的氩气,同时通过反应炉106加热反应室110至其温度达700℃。
其次,同时打开阀门112及114,通过碳源气输入通道102向反应室110内通入流量为120sccm由12C组成的乙烯气体;通过碳源气输入通道104向反应室110内通入流量为90sccm由14C组成的乙烯气体;反应生成第一碳纳米管片段210(图未示),该第一碳纳米管片段210沉积于所述催化剂134上;该第一碳纳米管片段210由12C及14C组成。
再次,反应预定时间后,输入到反应室110内的由12C和14C组成的乙烯气体的流量保持不变,并打开阀门113,通过碳源气输入通道103向反应室110内通入流量为110sccm由13C组成的乙烯气体,反应生成第二碳纳米管片段220(图未示),该第二碳纳米管片段220生长于所述第一碳纳米管片段210上;该第二碳纳米管片段220由12C、13C和14C组成。
然后,反应预定时间后,同时关闭阀门113及114,阀门112依然打开,气体输入通道102内的由12C组成的乙烯气体继续通入反应室110内;反应生成第三碳纳米管片段230(图未示),该第三碳纳米管片段230生长于所述第二碳纳米管片段220上;该第三碳纳米管片段230由12C组成。
最后,继续反应预定时间后,将反应室110冷却至室温,在催化剂134上得到掺有同位素的碳纳米管20。
所述碳纳米管30也可以通过先将上述三种碳源气中碳元素的同位素分别按照12C及14C的质量比为8∶7,12C、13C和14C的质量比为8∶8∶7,以及单一的12C进行混合,得到三种碳源气混合气体;然后再将该三种碳源气混合气体按照需要的顺序依次通入所述碳纳米管制备装置100中进行反应的方法来制备。
请参阅图4,本发明第三实施例提供一碳纳米管30,该碳纳米管片段30包括一第一碳纳米管片段310、一第二碳纳米管片段320以及一第三碳纳米管片段330,所述第二碳纳米管片段320设置于所述第一碳纳米管片段310及第三碳纳米管片段330之间。所述第一碳纳米管片段310由12C、13C和14C组成,且12C、13C及14C的质量比为14∶14∶13。所述第二碳纳米管片段320由12C、13C和14C组成,且12C、13C及14C的质量比为7.2∶6.5∶5.6。所述第三碳纳米管片段330由12C、13C和14C组成,且12C、13C及14C的质量比为5.5∶6.5∶7。所述碳纳米管30的长度为50~100微米。
可以理解,所述碳纳米管30不仅可以只包括上述三个碳纳米管片段,还可以包括其他组成的碳纳米管片段;而且各个片段的成分不限于此,质量比也不限于此,如;所述碳纳米管30还可以包括一生长于所述第三碳纳米管片段330上的第四碳纳米管片段,即所述第三碳纳米管片段330生长于所述第二碳纳米管片段320及第四碳纳米管片段之间;所述第四碳纳米管片段340由13C和14C组成,且13C及14C的质量比为1∶1。
可以理解,本发明提供的碳纳米管30也可以采用制备碳纳米管20的方法制备,通过多次改变通入所述反应室110中的碳源气中的同位素的质量比,使所述碳源气发生反应,来制备该碳纳米管30;具体地,可以通过控制通入反应室110中的碳源气的流量来改变通入所述反应室110中的碳源气中的同位素的质量比。
另外,也可以利用化学气相沉积法来制备其它的一维纳米结构,如,氮化物纳米线、氮化物纳米线、氧化物纳米线或氧化物纳米管等。这些一维纳米结构的制备方法,可以包括以下步骤:提供反应源,该反应源包括两种以上的单一同位素;提供一基底,并将该基底置入一反应室;以及利用化学气相沉积法,将所述反应源中的至少两种以上的同一同位素于所述反应室中同时发生反应,于基底上生长至少一一维纳米结构片段。
其中,只要控制参加反应的轻元素的同位素的质量比,就可以得到所述一维纳米结构。所述反应源所包括的物质的种类根据所述一维纳米结构来决定。如,制备氮化镓纳米线的反应源就包括氮源气和镓源。具体地,当所述一维纳米结构为氮化镓纳米线,该氮化镓纳米线为一个氮化镓纳米线片段,且包括两种氮元素的同位素时,通过控制通入所述反应室中的氮源气中氮元素的两种同位素的质量比,在催化剂的作用下,使该氮源气中的两种同位素同时与镓源反应,从而生成所述氮化镓纳米线。所述氮源气可以为氨气、氮气等。所述镓源可以为氧化镓等镓的化合物。
同理,通过控制通入所述反应室中的氮源气中氮元素的同位素的组成,在催化剂的作用下,使该氮源气中的两种同位素同时与硼源反应,就可以生成所述氮化硼纳米管。通过控制通入所述反应室中的氧源气中氧元素的同位素的组成,使该氧源气中的两种同位素同时与锌源反应,就可以生成所述氧化锌纳米线。
请参阅图5,本发明还提供一种采用一维纳米结构用作标记的方法,该方法包括以下步骤:提供多种已知拉曼峰值的一维纳米结构,每一种一维纳米结构包含一种元素的至少两种同位素,该一维纳米结构由一维纳米结构片段组成,至少一个一维纳米结构片段包括所述元素的至少两种同位素,且该元素的至少两种同位素按一定的质量比均匀混合;提供多种已知的待标记物,在该每个待标记物内植入所述一维纳米结构;采用拉曼光谱仪检测所述植入有一维纳米结构的待标记物中的一维纳米结构的拉曼峰值;以及根据检测到的一维纳米结构的拉曼峰值,识别所述待标记物的类型。
其中,所述待标记物含有活性基团;该活性基团为羟基(-OH)、羧基(-COOH)、氨基(-NH2或-NH-)、酰基(-CO-)或硝基(-NO2)。具体地,所述待标记物可以为DNA、蛋白质、葡萄糖、葡萄糖酸、淀粉、生物酶、山梨醇或有机胺等含有活性基团的物质。
请一并参阅图1,图3及图4,本实施例提供一种检测葡萄糖酸、葡萄糖、山梨醇的方法,具体包括以下步骤:
(1)提供第一实施例的碳纳米管10,第二实施例的碳纳米管20及第三实施例的碳纳米管30;其中,碳纳米管10的拉曼峰值为L1,碳纳米管20的拉曼峰值为L2,碳纳米管30的拉曼峰值为L3。
(2)提供三个已知待标记物葡萄糖酸、葡萄糖、山梨醇,把碳纳米管10植入待标记物葡萄糖酸中,碳纳米管20植入待标记物葡萄糖中,碳纳米管30植入待标记物山梨醇中,其中,碳纳米管10、20、30并不影响待标记物的特性。
(3)采用拉曼光谱仪对含有植入碳纳米管的葡萄糖酸、葡萄糖、山梨醇进行检测,得到碳纳米管的拉曼峰值;检测到的拉曼峰值为L1、L2、L3。
(4)根据检测到的碳纳米管的拉曼峰值,识别所述葡萄糖酸、葡萄糖、山梨醇。
具体地,碳纳米管不同,所得的拉曼峰值也不同;碳纳米管相同,所得到的拉曼峰值也相同;拉曼峰值为L1的碳纳米管为碳纳米管10,由步骤(2)可知,碳纳米管10植入葡萄糖中,因此,步骤(3)中检测到的拉曼峰值为L1的待标记物为葡萄糖酸。同理,步骤(5)中检测到的拉曼峰值为L2的待标记物为葡萄糖;拉曼峰值为L3的待标记物为山梨醇。
通过上述的标记方法,可以研究所述待标记物葡萄糖酸、葡萄糖、山梨醇在同一环境中的变化状态,有利于科学研究。
可以理解,上述用作标记的碳纳米管不限于上述碳纳米管10、20、30;本发明提供的标记待标记物的方法可以同时标记两种或两种以上物质,只要是能提供多少种碳纳米管即能标记多少种待标记物。上述标记待标记物的方法也可以应用到其他领域中,如药品。
本发明实施例提供的一维纳米结构中的至少一个一维纳米结构片段包括一元素的至少两种同位素,该元素的至少两种同位素按一定的质量比均匀混合;由于同位素的种类不同或各同位素的质量比不同,所述的一维纳米结构也不同,因此,本发明实施例可以提供更多种类的一维纳米结构;本发明实施例提供的一维纳米结构的制备方法也可以制备出多种的一维纳米结构。故,使用本发明实施例提供的一维纳米结构可以同时标记更多种类的物质,不但扩大了可以标记的物质的范围;而且有利于研究待标记物的性能,以及该多种待标记物在同一环境下的状态变化。
另外,本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化,这些依据本发明精神所做的变化,都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (15)
1.一种一维纳米结构,该一维纳米结构包含一种元素的至少两种同位素,该一维纳米结构由一维纳米结构片段组成,其特征在于,至少一个一维纳米结构片段包括所述元素的至少两种同位素,且该元素的至少两种同位素按一定的质量比均匀混合。
2.如权利要求1所述的一维纳米结构,其特征在于,所述一维纳米结构由至少两个一维纳米结构片段组成,且相邻的两个一维纳米结构片段的组成不同。
3.如权利要求2所述的一维纳米结构,其特征在于,所述相邻的两个一维纳米结构片段中的所述元素的同位素不同。
4.如权利要求2所述的一维纳米结构,其特征在于,所述相邻的两个一维纳米结构片段中的所述元素的同位素相同,该元素的同位素的质量比不同。
5.如权利要求1至4中任一项所述的一维纳米结构,其特征在于,所述一维纳米结构为碳纳米管、碳纳米线、氮化物纳米管、氮化物纳米线、氧化物纳米管或氧化物纳米线。
6.如权利要求1至4中任一项所述的一维纳米结构,其特征在于,所述元素为碳、硼、氮或氧。
7.一种一维纳米结构的制备方法,包括以下步骤:
提供反应源,该反应源包括两种以上的单一同位素;
提供一基底,并将该基底置入一反应室;以及
利用化学气相沉积法,将所述反应源中的至少两种以上的同一同位素于所述反应室中同时发生反应,于基底上生长至少一一维纳米结构片段。
8.如权利要求7所述的一维纳米结构的制备方法,其特征在于,所述利用化学气相沉积法得到掺有同位素的碳纳米管的步骤为:通过多次改变同时置于所述反应室中的反应源的组成,依次反应预定时间后,得到一生长于所述基底的掺有同位素的一维纳米结构,该一维纳米结构包括多个一维纳米结构片段。
9.如权利要求8所述的一维纳米结构的制备方法,其特征在于,所述改变同时置于所述反应室中的反应源的组成的方法为改变置于所述反应室中的反应源的种类。
10.如权利要求7所述的一维纳米结构的制备方法,其特征在于,所述改变同时置于所述反应室中的反应源的组成的方法为改变置于所述反应室中的反应源中的同位素的质量比。
11.如权利要求7所述的一维纳米结构的制备方法,其特征在于,所述一维纳米结构为碳纳米管;所述反应源为碳源气,该碳源气包括两种以上的单一碳元素的同位素;所述基底上沉积有催化剂。
12.一种使用一维纳米结构用作标记的方法,包括以下步骤:
提供多种已知拉曼峰值的一维纳米结构,每一种一维纳米结构为如权利要求1-6所述的一维纳米结构;
提供多种已知的待标记物,在该每个待标记物内植入所述一维纳米结构;
采用拉曼光谱仪检测所述植入有一维纳米结构的待标记物中的一维纳米结构的拉曼峰值;以及
根据检测到的一维纳米结构的拉曼峰值,识别所述待标记物的类型。
13.如权利要求12所述的使用一维纳米结构用作标记的方法,其特征在于,所述待标记物含有活性基团。
14.如权利要求13所述的使用一维纳米结构用作标记的方法,其特征在于,所述活性基团为羟基、羧基、氨基、酰基或硝基。
15.如权利要求12所述的使用一维纳米结构用作标记的方法,其特征在于,所述待标记物为DNA、蛋白质、葡萄糖、葡萄糖酸、淀粉、生物酶、山梨醇或有机胺。
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