CN115464511B - 一种集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置及其使用方法 - Google Patents

一种集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置及其使用方法，所述的装置，含有夹持器、直线轴承、导电探头、载盘、滚珠轴承、电机、支撑架、主机外壳、人机交互界面和电路。其中，夹持器、直线轴承、载盘、滚珠轴承和电机构成打磨部分；导电探头、人机交互界面和电路构成检测控制部分；将夹持器、直线轴承、导电探头、载盘、滚珠轴承、电机、人机交互界面和电路同时置入主机外壳构成集纳米孔制备及纳米孔孔径检测于一体的装置。本发明实现了多通道孔径实时检测及纳米孔的可控制备，对于在纳米尺度下通道中的科学问题研究中具有广泛的应用前景。

Description

一种集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置及其使用 方法
技术领域
本发明涉及纳米孔制备、纳米孔孔径检测领域，具体的是一种集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置。
背景技术
玻璃纳米孔道制备是将电化学锐化的金或铂等微丝尖端密封在毛细管末端。使用基于高输入阻抗金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的电路手动打磨毛细管末端，以监测金或铂等微丝尖端在毛细管末端裸露出的半径。基于抛光电路阻抗的数值分析，适当偏置MOSFET电路，可重复制造半径小至10nm的纳米孔道，并可根据金或铂等微丝尖端电流大小来确定纳米孔的尺寸。但是，目前在玻璃纳米孔手动打磨过程中，研究员接收手动打磨报警设备的停止信号并做出反应的时间相比于机器更长，由此造成过度打磨；另一方面，打磨过程中，纳米孔孔径大小无法实时检测，研究员需要在打磨的过程中不断的通过显微镜观察孔径大小，因此所制备出的纳米孔孔径大小存在很大的偶然性。所以，目前的玻璃纳米孔道制备存在效率低、成功率低和无法实时孔径检测的问题。对于在纳米尺度下通道中的科学问题研究中具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置，它能同时实现纳米孔制备和对纳米孔孔径实时的检测，对于在纳米尺度下通道中的科学问题研究中具有广泛的应用前景。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。
一种集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置，包括主机外壳，所述的主机外壳内设有电路单元、外壳正面设有人机交互界面；外壳上设有支撑架，所述的支撑架包括竖直柱和水平板两部分；其中水平板位于外壳上方并和外壳的上表面平行；
一载盘设于外壳的上表面中间部分、支撑架的水平板正下方；载盘内设有磨具和0.02M浓度的KCl溶液；所述的磨具能够相对于水平板旋转；
水平板中心底部向下设有导电探头，导电探头末端浸没在载盘的0.02M浓度的KCl溶液内；
水平板还设有至少一个穿孔，所述的穿孔用于嵌入直线轴承，直线轴承中***夹持器；毛细管密封锐化金属丝插接在夹持器内，所述的毛细管密封锐化金属丝顶端接入信号检测电路；毛细管密封锐化金属丝末端浸没在载盘的导电溶液(例如0.02M浓度的KCl溶液)内，并与载盘磨具接触。
毛细管密封锐化金属丝与导电溶液的整体电阻为打磨电阻。打磨过程中，由于毛细管密封锐化金属丝裸露出来的尖端孔径不断变大，打磨电阻不断变小。
进一步，磨具包括砂纸或砂轮。
进一步，所述的磨具相对于水平板旋转，通过磨具和载盘形成同步旋转连接关系，所述的载盘通过驱动单元旋转。
进一步，所述的驱动单元为电机，所述的电机设于外壳内，电机的输出轴和载盘形成同步旋转连接关系。
进一步，所述的导电溶液用于导通毛细管密封锐化金属丝和导电探头。
进一步，装置中还包括直线轴承，直线轴承嵌入水平板穿孔内，夹持器由上至下穿过直线轴承。
进一步，所述的支撑架的竖直柱设于外壳的上表面靠近边缘处。
进一步，所述的人机交互界面硬件部分包括LCD显示屏和触摸屏，并在此基础上配备了图形用户界面。
进一步，所述的电路包括单片机最小***、信号放大电路、模数转换电路、电机驱动电路、上位机通信电路和DC-DC转换电路。
进一步，所述人机交互界面和电机由电路中的单片机作为控制器。
进一步，通过电路中的单片机实现多通道信号采集，由此实现多纳米孔同时制备。
进一步，所述图形用户界面包括电信号显示、孔径尺寸显示、打磨时间显示、打磨速度调控、开关功能和任务完成提醒。
本发明还提供所述装置的使用方法，通过人机交互界面控制电机转速和制备时间，由此控制纳米孔制备速度。具体过程包括夹持器中夹持毛细管密封锐化金属丝，并在垂直于纳米孔制备平面的方向上自动向下移动；同时底部载盘带动磨具对毛细管密封锐化金属丝尖端进行打磨；当毛细管密封锐化金属丝尖端暴露时，打磨电阻发生变化，经电路将信号放大并转换成数字信号，并通过人机交互界面实时显示数据。
本发明集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置的积极效果是：
能实现纳米孔制备，并检测和控制所制备的纳米孔径大小；同时能够实现多根玻璃纳米孔的制备，以及电信号检测；在帮助科研工作者提高纳米孔制备效率的同时，也能获取制备过程中的相关数据，这对于在纳米尺度下通道中的科学问题研究中具有广泛的应用前景。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明的结构作进一步说明。
图1为本发明集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置的结构示意图
图2为本发明集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置的***图
图3为本发明集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置的正视图
图4为本发明集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置的侧视图
图5为本发明集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置的俯视图
附图的标号分别为：1、夹持器；2、直线轴承；3、导电探头；4、载盘；5、滚珠轴承；6、电机；7、支撑架；8、主机外壳；9、人机交互界面；10、电路；
具体实施方式
以下结合附图具体介绍纳米孔制备及纳米孔孔径检测于一体的装置的具体实施方式，但是需要指出的是，本发明的实施不限于以下的实施方式。
一种集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置，参见图1至图5，包括夹持器1、直线轴承2、导电探头3、载盘4、滚珠轴承5、电机6、支撑架7、主机外壳8、人机交互界面9和电路10。其中，夹持器1、直线轴承2、载盘4、滚珠轴承5、电机6构成打磨部分；导电探头3、人机交互界面9、电路10构成检测控制部分；将夹持器1、直线轴承2、导电探头3、载盘4、滚珠轴承5、电机6、人机交互界面9、电路10置入主机外壳8构成一种集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置。
所述的主机外壳8上设有支撑架7，所述的支撑架7包括竖直柱和水平板两部分。竖直柱竖直设于主机外壳的上表面一侧，水平板从竖直柱的上端向主机外壳8中间部分的上方延伸并和主机外壳8的上表面平行。载盘4设于主机外壳8的上表面中间部分，支撑架7的水平板正下方。
载盘4底部中央同电机6的输出轴固定，形成同步旋转连接关系。载盘4底部和主机外壳7上表面之间还设有多个滚珠轴承5，从而使载盘4的转动更平稳。
载盘4内固定有打磨材料，在本实施例中为砂纸。载盘4还设有导电溶液。在本实施例中，为0.02M浓度的KCl溶液。
在支撑架7的水平板底部中心向下设有导电探头3，其末端浸没在载盘4中0.02M浓度的KCl溶液内。支撑架7的水平板还设有多个穿孔，穿孔内嵌入直线轴承2，所述的直线轴承用于插接夹持器1，夹持器1由上至下穿过直线轴承2。直线轴承2使夹持器1不会晃动，上下移动的时候更顺滑。在本实施例中，夹持器1设有四个，分别设于支撑架7的水平板四个角上。
所述电路10包括单片机最小***、信号放大电路、模数转换电路、电机驱动电路、上位机通信电路和DC-DC转换电路，主要进行信号采集处理、电机驱动、电源管理和上位机数据传输。所述微控制器同时控制人机交互界面和检测制备电路。
所述的人机交互界面包含LCD显示屏、图形用户界面和触摸屏。用于控制打磨过程中的打磨速度和开关，并对打磨过程中经过微控制器及检测电路采集并处理过的打磨回路数据进行显示，由此用户可以实时的观察到打磨过程中的实验数据和孔径变化，并且这些数据可以实时的上传到上位机。
具体实施过程中，将砂纸固定在载盘4之后，加入0.02M浓度的KCl溶液；再将毛细管密封锐化金属丝放入夹持器1中固定***到直线轴承2中，毛细管密封锐化金属丝上端通过导线连接至信号检测电路中。夹持器1由于重力的作用会不断地自动向下移动；打开打磨开关，载盘4带动砂纸不断对密封有锐化金属丝的毛细管进行打磨；当毛细管密封锐化金属丝暴露出合适的纳米孔径时，打磨停止，取出密封有锐化金属丝的毛细管，并将密封有锐化金属丝的毛细管通过酸溶液腐蚀，即可得到玻璃纳米孔。
本发明集多通道孔径检测及纳米孔制备仪于一体的装置的工作原理是：毛细管密封锐化金属放入夹持器中固定***到直线轴承中，夹持器由于重力的作用以及毛细管尖端不断的打磨损耗，会不断地自动向下移动；在电机的带动下，固定有砂纸并加入0.02M浓度的KCl溶液的载盘在电机的带动下转动，形成打磨动作；在打磨过程中，当毛细管密封锐化金属丝暴露出合适的纳米孔径时，打磨电阻可由1018数量级下降到109数量级，电信号的发生突变。通过用户的设定，微控制器和检测制备电路可以检测到电信号的突变，并对信号进行采集和计算，检测这一孔径是否满足用户需求。在打磨过程中，如果不满足用户所设定的孔径需求，则继续打磨，直到满足用户需要停止打磨，并指示出哪一根密封有锐化金属丝的毛细管完成打磨。
本发明集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置能实现纳米孔制备，并检测及控制制备的纳米孔尺寸大小；同时能够实现多根玻璃纳米孔的制备，以及电信号检测；在帮助科研工作者提高纳米孔制备效率的同时，也能获取制备过程中的相关数据，这对于纳米尺度下通道中的科学问题研究中具有广泛的应用前景。

Claims (10)

1.一种集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置，其特征在于：包括主机外壳，所述的主机外壳内设有电路单元、外壳正面设有人机交互界面；外壳上设有支撑架，所述的支撑架包括竖直柱和水平板两部分；其中水平板位于外壳上方并和外壳的上表面平行；
一载盘设于外壳的上表面中间部分、支撑架的水平板正下方；且载盘内设有磨具和导电溶液；所述的磨具能够相对于水平板旋转；
水平板中心底部向下设有导电探头，导电探头末端浸没在载盘的导电溶液内，其上端接入信号检测电路中；
水平板还设有至少一穿孔，所述的穿孔用于嵌入直线轴承，直线轴承中***夹持器，以保持打磨过程中夹持器的稳定；毛细管密封锐化金属丝插接于夹持器内，所述的毛细管密封锐化金属丝顶端接入信号检测电路；毛细管密封锐化金属丝末端依靠重力浸没在载盘的导电溶液内，并与载盘磨具接触。
2.根据权利要求1所述的一种集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置，其特征在于：磨具为砂纸或砂轮。
3.根据权利要求1所述的一种集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置，其特征在于：所述的磨具相对于水平板旋转，是通过磨具和载盘形成同步旋转连接关系，所述的载盘通过驱动单元旋转。
4.根据权利要求3所述的一种集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置，其特征在于：所述的驱动单元为电机，所述的电机设于外壳内，电机的输出轴同载盘形成同步旋转连接关系。
5.根据权利要求1所述的一种集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置，其特征在于：还包括直线轴承，直线轴承嵌入水平板穿孔，夹持器由上至下穿过直线轴承。
6.根据权利要求1所述的一种集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置，其特征在于：所述的支撑架的竖直柱设于外壳的上表面靠近边缘处。
7.根据权利要求1所述的一种集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置，其特征在于：夹持器包括夹头和中空套杆，用来夹持毛细管密封锐化金属丝。
8.根据权利要求1所述的一种集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置，其特征在于：人机交互界面硬件包括LCD显示屏和触摸屏，并在此硬件基础上搭载图形用户界面。
9.根据权利要求8所述的一种集多通道孔径检测及纳米孔制备于一体的装置，其特征在于：图形用户界面包括电信号显示、孔径尺寸显示、打磨时间显示、打磨速度调控、开关功能和任务完成提醒。
10.根据权利要求1至9任一项所述的装置的使用方法，其特征在于：通过人机交互界面控制电机转速和制备时间，由此控制纳米孔制备速度；夹持器中夹持毛细管密封锐化金属丝，并在垂直于纳米孔制备平面的方向上自动向下移动，毛细管密封锐化金属丝末端始终浸润在导电溶液中，并与磨具接触；同时底部载盘带动磨具对毛细管密封锐化金属丝尖端进行打磨；当毛细管密封锐化金属丝尖端暴露时，打磨电阻发生变化，经信号检测电路获取实时电信号，电路再将信号放大并转换成数字信号，并通过人机交互界面实时显示数据。
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