一种履带式纳米小车及其控制、制备方法

1.本发明涉及纳米机器人医疗应用领域，特别是涉及一种履带式纳米小车及其控制、制备方法。


背景技术：

2.纳米操控，包含纳米颗粒的运输、筛选、固定和运动，一直是自上而下或者自下而上建立纳米设备和系统的关键技术。
3.近年来，由于其在dna分析设备、芯片实验室技术、纳米机电设备和医疗科学中的广泛应用而受到越来越多的关注。
4.如何操控纳米尺度下的颗粒，国内外学者提出了不同的力学方法和技术。现有的研究中有利用具有梯度变化场性质的功能基底来运输微纳米颗粒，除此之外还包括浸润性，曲率，温度，刚度或者应变等多种方面的研究内容。
5.现有的机械操控手段，有采用扫描隧道显微镜(stm)尖端与摩擦力显微镜(ffm)或者微夹钳等技术来进行纳米尺度下的机械操控以及通过电沉积技术来提取和释放带电纳米颗粒到金电极表面上。
6.在这些方法中，除了接触式操控，即被操控的颗粒要与驱动设备紧密接触，还有采用非接触式的操控方法，比如碳纳米管中杂质的清除或者大量相同纳米颗粒的分离。还有研究人员采用磁场，电场或者光学等方法实现了微纳米尺度下颗粒的非接触式操控。在现有的非接触式操控方法中，大多数纳米运输的距离较短，且受到一定的局限。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种可实现无需与驱动设备紧密接触，可以长距离运输，可实现既能直行又能拐弯的对目标运输分子能够精准运输的履带式纳米小车及其控制、制备方法。
8.本发明的技术方案：本发明所述的一种履带式纳米小车，以环状脱氧核苷酸为履带，以电渗流驱动所述环状脱氧核糖核苷酸旋转，带动小车底板运动，使纳米小车可以进行直行和转弯运动。
9.进一步的，所述小车底板上设有贯穿所述小车底板的纳米孔；所述纳米孔上设有纳米电极，所述纳米电极连接独立电压源；调节所述纳米电极所连接独立电压源的方向与强度，进而控制纳米孔内的电渗流强度；
10.所述纳米孔包括前排纳米孔和后排纳米孔；所述环状脱氧核糖核苷酸两端分别穿过所述前排纳米孔和后排纳米孔；所述前排纳米孔和后排纳米孔所带电荷相反。
11.进一步的，所述小车底板上设有两条平行于所述小车底板长度方向的履带；
12.所述前排纳米孔包括第一履带前纳米孔和第二履带前纳米孔；
13.所述后排纳米孔包括第一履带后纳米孔和第二履带后纳米孔。
14.进一步的，所述环状脱氧核苷酸由脱氧核糖核酸链通过磷酸二酯键首尾相连成闭
合环状。
15.本发明还公开了一种履带式纳米小车的控制方法，包括直行控制和转弯控制；所述直行控制包括向前直行控制和向后直行控制；
16.所述向前直行控制，步骤为：在小车底板的两端外加电压，控制所述第一履带后纳米孔和所述第二履带后纳米孔上的纳米电极带等幅值负电荷，第一履带前纳米孔和第二履带前纳米孔上的纳米电极带等幅值正电荷，使得两条环状脱氧核糖核苷酸逆时针旋转，进而带动底盘向前行走；
17.所述向后直行控制，步骤为：在小车底板的两端外加电压，控制第一履带后纳米孔和第二履带后纳米孔带等幅值正电荷，第一履带前纳米孔和第二履带前纳米孔带等幅值负电荷，使得两条环状脱氧核糖核苷酸顺时针旋转，进而带动底盘向后行走。
18.所述转弯控制，步骤为：在所述直行控制步骤的前提下，向第二履带侧转弯，则使第一履带前纳米孔、第一履带后纳米孔上所带的电荷量高于所述第二履带前纳米孔和第二履带后纳米孔所带的电荷，则可利用差速转弯，使小车向所述第二履带侧转弯；
19.在所述直行控制步骤的前提下，向第一履带侧转弯，则使第一履带前纳米孔、第一履带后纳米孔上所带的电荷量低于所述第二履带前纳米孔和第二履带后纳米孔所带的电荷，则可利用差速转弯，使小车向所述第一履带侧转弯。
20.本发明还公开了一种履带式纳米小车的制备方法，其特征在于：所述履带式纳米小车的底板的制作方法，包括如下步骤：
21.s1：以洁净的硅片为基底，在硅片表面沉积上一层sin
x
纳米薄膜，接着利用光刻技术来图形化纳米孔膜的特征形态，然后采用活性离子刻蚀工艺将部分的硅片基底底部的氮化硅薄膜腐蚀，紧接着采用湿法刻蚀法去除前一步暴露出来的指定部位的si，最终得到悬空着的氮化硅薄膜；
22.s2：在基底上选择一个方形区域，其边长根据预设的脱氧核糖核酸链的长度作为参考选择，然后在方形的四个对应点利用离子束或者电子束轰击悬空着的氮化硅薄膜得到纳米孔，接着在纳米孔内加工圆形金电极，并制作引线用于与外接电压源相连；
23.s3：在底板上镀上防护层，防止电极氧化和芯片绝缘。
24.进一步的，所述履带的制作方法，包括将末端悬空的脱氧核糖核酸链的两端分别穿过底板上的纳米孔，并通过磷酸二酯键首尾相连成闭合环状。
25.进一步的，包括如下步骤：
26.a1、采用pcr扩增技术合成末端悬空的脱氧核糖核酸链，所述脱氧核糖核酸链的长度可以根据实际需求调控碱基的组成个数；
27.a2、通过外加电压以及增设纳米金电荷将脱氧核糖核酸链的两端分别穿过基底薄膜的两个孔中；
28.a3、向a1中溶液加入t4dna连接酶以及能源辅因子atp，在12～30℃下反应16小时，使脱氧核糖核酸链首尾相接。
29.本发明与现有技术相比的有益效果：
30.1.本发明设计的履带式纳米小车是利用单链脱氧核糖核苷酸在电渗流强度不同下，过孔的速度也会不同的原理，将同一条链的首尾串联起来，使穿过两个纳米孔，在不同的纳米孔中有不同的电渗流强度，从而实现转动，再利用摩擦传动原理带动小车实现在基
底上的行走，当两条履带的电渗流强度不同时，会导致旋转的速度不同，根据差速转弯原理，可以实现小车的转弯运动，本发明可以直接将目标分子从基底表面的一端运送到任意位置，解决现有问题中被操控的颗粒要与驱动设备紧密接触、大多数纳米运输的距离较短，且受到一定的局限的问题。
31.2.本发明可以通过调节四个纳米孔与纳米电极所连接的电压源的方向与强度，利用电渗驱动，实现纳米小车的直线前进、后退以及转弯等功能，有利于快速地将目标分子精准地运送到指定位置。
32.3.该履带式纳米小车构造简单，只需要两条履带式的环状脱氧核糖核苷酸以及一块四孔的薄膜底座连接而成，底座的大小随履带长度的变化而变化，可根据运输分子的大小构造不同大小的小车。
附图说明
33.图1是本发明中履带式纳米小车的具体结构示意图。
具体实施方式
34.为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
35.本发明以环状脱氧核苷酸为履带，以电渗流驱动环状脱氧核糖核苷酸旋转，带动小车底板3运动，使纳米小车可以进行直行和转弯运动。
36.具体来说，小车底板3上设有贯穿小车底板3的纳米孔；纳米孔上设有纳米电极，纳米电极连接独立电压源；调节纳米电极所连接独立电压源的方向与强度，进而控制纳米孔内的电渗流强度；
37.纳米孔包括前排纳米孔和后排纳米孔；环状脱氧核糖核苷酸两端分别穿过前排纳米孔和后排纳米孔；前排纳米孔和后排纳米孔所带电荷相反。
38.本装置可采用一条及以上履带进行工作，如图1所示，在采用两条履带进行工作时，在小车底板3上设有两条平行于小车底板3长度方向的履带；具体为第一履带1和第二履带2；
39.前排纳米孔包括第一履带前纳米孔81和第二履带前纳米孔83；
40.后排纳米孔包括第一履带后纳米孔82和第二履带后纳米孔84。
41.第一履带1穿过第一履带前纳米孔81和第一履带后纳米孔82；
42.第二履带2穿过第二履带前纳米孔83和第二履带后纳米孔84；
43.第一履带前纳米孔81上设有第一纳米电极4，第一纳米电极4连接独立电压源9；
44.第一履带后纳米孔82上设有第二纳米电极5，第二纳米电极5连接独立电压源10；
45.第二履带后纳米孔83上设有第三纳米电极6，第三纳米电极6连接独立电压源11；
46.第二履带后纳米孔84上设有第四纳米电极5，第四纳米电极7连接独立电压源12；
47.在进行小车向前直行控制，步骤为：在小车底板3的两端外加电压，控制第一履带后纳米孔82和第二履带后纳米孔84上的纳米电极带等幅值负电荷，第一履带前纳米孔81和第二履带前纳米孔83上的纳米电极带等幅值正电荷，使得两条环状脱氧核糖核苷酸逆时针旋转，进而带动底盘向前行走；
48.在进行小车向后直行控制，步骤为：在小车底板3的两端外加电压，控制第一履带后纳米孔82和第二履带后纳米孔84带等幅值正电荷，第一履带前纳米孔81和第二履带前纳米孔83带等幅值负电荷，使得两条环状脱氧核糖核苷酸顺时针旋转，进而带动底盘向后行走。
49.在进行小车转弯控制，步骤为：在直行控制步骤的前提下，向第二履带侧转弯，则使第一履带前纳米孔81、第一履带后纳米孔82上所带的电荷量高于第二履带前纳米孔83和第二履带后纳米孔84所带的电荷，则可利用差速转弯，使小车向第二履带侧转弯；
50.在进行小车直行控制步骤的前提下，向第一履带侧转弯，则使第一履带前纳米孔81、第一履带后纳米孔82上所带的电荷量低于第二履带前纳米孔83和第二履带后纳米孔84所带的电荷，则可利用差速转弯，使小车向第一履带侧转弯。
51.纳米履带由两条脱氧核苷酸链首尾连接成环状脱氧核苷酸组成，其具体布局参见图1所示。
52.本发明的履带式纳米小车的前期准备过程、工作过程和其运动控制方法如下：
53.首先对图1所示的纳米小车进行合成组装制备，方法如下：
54.步骤1：采用pcr扩增技术合成末端悬空的脱氧核糖核酸链，dna的长度可以根据实际需求调控碱基的组成个数；
55.步骤2：以洁净的硅片为基底，采用低压化学气相沉积方法在硅片表面沉积上一层sin
x
纳米薄膜，接着利用光刻技术来图形化纳米孔膜的特征形态，然后采用活性离子刻蚀工艺将部分的硅片基底底部的氮化硅薄膜腐蚀，紧接着采用湿法刻蚀法去除前一步暴露出来的指定部位的si，最终得到悬空着的氮化硅薄膜；
56.步骤3：在基底上选择一个正方形区域，其边长根据预设的脱氧核糖核酸链的长度作为参考选择，然后在正方形的四个对应点利用离子束或者电子束轰击悬空着的氮化硅薄膜得到纳米孔，接着在纳米孔内加工厚度为0.5nm、直径为1.6nm的圆形金电极，并制作引线用于与外接电压源相连；
57.步骤4：采用聚焦离子束(fib)或透射电子显微镜(tem)在纳米金电极中心加工一个1.6nm的纳米孔，并将该正方形区域薄膜沿边长裁出；
58.步骤5：采用磁控溅射或者原子层沉积设备在基底上镀上一层2-3nm厚的二氧化硅薄膜用于防止金电极氧化，同时将纳米孔的直径降低至1.4nm左右；
59.步骤6：将碳基薄膜放置于两个液池中间，保证两个液池内的溶液仅能通过该薄膜上的纳米孔进行流通，然后在薄膜的一侧放入步骤1中制备而得的脱氧核糖核酸链溶液。通过不断调整外加电压以及孔上电极电荷，使两条脱氧核糖核苷酸链的两端同时进入两个纳米孔内；
60.步骤7：将步骤6中穿好脱氧核糖核苷酸链的基底单独放置在溶液中，加入t4dna连接酶以及能源辅因子atp，在12～30℃下反应16小时；
61.完成上述步骤后，将纳米小车放置于基底溶液中。
62.在对纳米小车的控制中，在底座的两端加上外加电压，并且控制纳米金电极的电荷，控制需要前进方向的纳米金电极带正电荷，相反方向的纳米金电极带负电荷，纳米小车上的两条脱氧核糖核酸链将会受到电渗流驱动的作用从而旋转起来。
63.对于转弯情况，增加转向外侧纳米金电极的的正负电荷量大小，使外侧链旋转速
度加快，从而达到旋转目的。
64.上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。