НАНОИНЖЕКТОР

Предлагаемая полезная модель относится к конструкции специальных наноинжекторов с диаметром внутреннего канала около 2-3 нм, которые предназначены для введения жидких и газообразных проб при проведении экспериментов в самых различных областях техники и естествознания, например для проведения опытов в электронике, биологии и медицине.
Известен наноинжектор, который содержит шприц и углеродную нанотрубку (J.R.Freedman, D.Mattia, G.Korneva, Y.Gogotsi, G.Friedman and Fonteccio. Magnetically assembled carbon nanotube tipped pipettes. // Applied Physical letters. - 2007. - Vol.90. - P.103108-103112.
В известном наноинжекторе в качестве иглы была применена многостенная углеродная нанотрубка с диаметром ~150 нм, заполненная магнитными наночастицами оксида железа (для перемещения нанотрубки и установки ее в устройстве подачи жидкости с помощью магнита). Большие размеры иглы (150 нм в диаметре) позволяют работать лишь с достаточно крупными объектами, например с клетками, и не могут быть использованы для введения жидких проб в небольшие клеточные тела. Кроме того, метод сборки конструкции наноинжектора с помощью магнитных наночастиц не применим для иглы из одностенных нанотрубок (диаметром ~1 нм), поскольку частицы имеют относительно большие размеры (~10 нм).
Технической задачей настоящего изобретения является создание наноинжектора, лишенного указанных недостатков и имеющего на порядок меньший диаметр иглы наноинжектора и его канала.
Техническим результатом является создание наноинжектора, позволяющего проводить эксперименты с объектами от 5-10 нм и более, благодаря применению углеродного нанокомпозита с одностенной нанотрубкой, выполняющей функцию в качестве иглы одностенной углеродной нанотрубки с диаметром 2-3 нм.
Поставленная задача и необходимый технический результат достигаются тем, что в наноинжекторе, который содержит шприц и углеродную нанотрубку, между шприцем и иглой размещен переходный элемент. В переходном элементе выполнены два сопрягающихся канала разного диаметра, в канал, имеющий больший диаметр, герметично установлен микрокапилляр, а в канале меньшего диаметра герметично установлен углеродный нанокомпозит с одностенной нанотрубкой, выполняющей функцию иглы. Переходный элемент может быть выполнен в виде кремниевой пластины в форме параллелепипеда, в торцевых стенках которого выполнены два перпендикулярных друг другу сопрягающихся канала различного диаметра. В качестве микрокаппиляра возможно использование пропиленовой трубки диаметром 40-50 мкм, герметично уплотняющаяся относительно переходного элемента посредством акрилонитрита. Углеродный нанокомпозит с одностенной углеродной нанотрубкой диаметром 2-3 нм, которая используется в качестве иглы, фиксируется и герметизируется в канале меньшего диаметра переходного элемента посредством напыления углерода. Диаметр канала большего диаметра в переходном элементе составляет 50-60 мкм, а диаметр канала меньшего диаметра составляет 1.5-2.5 мкм.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
на фиг.1 схематично представлена конструкция предлагаемого наноинжектора;
На фиг.2 представлена микрофотография с просвечивающего микроскопа кончика углеродного нанокомпозита, который предварительно обработали лазером для снятия пироуглеродного слоя.
На фиг.3а - изображена микрофотография, демонстрирующая процесс вытравления ионным пучком отверстия в торцевой части пластины для пропиленового капилляра диаметром 40 мкм и глубиной 100 мкм.
На фиг.3б изображено это же самое отверстие, но под углом 35 градусов.
На фиг.4а - изображена РЭМ микрофотография, показывающая процесс монтажа нити нанокомпозита в отверстие в кремниевой пластине
На фиг.4б - изображена РЭМ микрофотография, показывающая процесс герметизации напылением углерода нити нанокомпозита в отверстии в кремниевой пластине
На фиг.5 - фотография наноинжектора в сборе
Предлагаемый наноинжектор содержит шприц 1, например медицинский шприц, который посредством микрокаппиляра 2 гидравлически связан с переходным элементом 3, в котором выполнен канал 4. Уплотнение микрокапилляра 2 относительно переходного элемента 3 обеспечивается уплотнением 5. Канал 4 сопрягается с каналом 6, диаметр которого на порядок меньше диаметра канала 4. В канале 6 установлен углеродный нанокомпозит 7 с одностенной углеродной нанотрубкой, выполняющей функцию иглы. Уплотнение углеродного нанокомпозита 7 обеспечивается уплотнением 8, которое создается путем напыления углерода. Каналы 4 и 6 могут сопрягаться под прямым углом, а переходный элемент 3 может иметь форму параллелепипед. Микрокапилляр, представляющий собой трубку с наружным диаметром 40-50 мкм, выполняется из полимерного материала, например пропилена. Микрокапилляр 2 уплотняется относительно канала 4, имеющего внутренний диаметр 50-60 мкм, посредством акрилонитрита. Нанокомпозит 7 с одностенной углеродной нанотрубкой с диаметром 2-3 нм, которая используется в качестве иглы, фиксируется и герметизируется в канале 6 диаметром 1,5-2.5 мкм посредством уплотнения 8, создаваемого напылением углерода..
Пример практического выполнения наноинжектора.
Особенностью конструкции является применение углеродного нанокомпозита 7. состоящего из одностенной углеродной нанотрубки в пироуглеродной оболочке. Диаметр этого композита составляет от 80 нм до 300 нм, а длина до 1 мм. Возможность использования такого нанокомпозита существенно расширяется в связи с тем, что разработана методика частичного или полного удаления пироуглеродного слоя без повреждения одностенной трубки. Эта операция может быть произведена до или после осуществления монтажа наноинжектора, в зависимости от поставленной задачи.
Поскольку разница в диаметрах нанокомпозита и пропиленовой капиллярной трубки достигает двух-трех порядков, то для соединения капилляра и нанокомпозита был разработан переходный элемент, Этот элемент был изготовлен с помощью прибора FEI Quanta 200 3D, снабженного манипулятором Kleindeik и системой локального осаждения углерода.
Для изготовления переходного элемента была использована кремниевая пластина АСМ кантилевера толщиной 380 мкм. На фиг.2 изображена микрофотография с просвечивающего микроскопа высокого разрешения кончика углеродного нанокомпозита предварительно обработанного лазером для снятия пироуглеродного слоя. На фиг.3а изображена микрофотография, демонстрирующая процесс вытравления ионным пучком отверстия в торцевой части пластины для пропиленового капилляра диаметром 40 мкм и глубиной 100 мкм. Для травления углубления использовали максимальный ионный ток (20 нА). Перекрытие областей травления по горизонтали - 50%. Время травления - 200 минут. Сканирующая электронная микроскопия под углом 35° к нормали показала глубину отверстия ~95 мкм (фиг.3б). Иглу АСМ кантилевера отрезали фокусированным ионным пучком.
В плоскости перпендикулярной основному отверстию на расстоянии 91 мкм от кромки образца ионным пучком растравливали отверстие диаметром 2 мкм, предназначенное для введения и закрепления иглы наноинжектора. Углеродный нанокомпозит приваривали к микроманипулятору и вводили в вырезанное отверстие (Фиг.4а) и фиксировали с помощью напыления углерода (Фиг.4б).
Изготовленное таким образом устройство переносили из камеры электронного микроскопа и закрепляли под оптическим микроскопом с длиннофокусным объективом (увеличение 30-100 крат), где и производили вставку и закрепление микрокапилляра в торцевом отверстии, предназначенном для ввода жидкой пробы непосредственно в наноинжектор. Закрепление капилляра осуществляли с помощью акрилонитрилового адгезивного состава полностью изолирующего вводное отверстие наноинжектора. Общий вид наноинжектора с присоединенным капилляром показан на Фиг.5
Предлагаемый наноинжектор по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества:
1. В качества иглы наноинжектора использована одностенная углеродная трубка, которая обладает существенно меньшим диаметром (около 2-3 нм) по сравнению с многостенной трубкой использованной в прототипе. Диаметр внутреннего канала в одностенной трубке составляет 1-1,5 нм, что позволяет сузить участок подачи жидкости или газа. Применение одностенной углеродной нанотрубки позволяет кардинально повысить локальность при введение жидких и газовых проб в области биологи, медицины и электроники.
2. Одностенная углеродная нанотрубка не обладает магнитными свойствами.
3. В случае постановки задачи подачи газовой среды переходный элемент может быть использован в качестве контейнера для источника газа.