[发明专利]纳米针阵列及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种纳米针阵列及其制备方法和应用。本发明纳米针阵列制备方法包括的步骤有：在基底表面上形成待刻蚀基材膜层；在所述待刻蚀基材膜层表面形成用于刻蚀纳米针阵列的掩膜层；从所述掩膜层至所述基底的方向，对形成有所述掩膜层的所述待刻蚀基材膜层表面进行第一刻蚀处理，形成纳米柱阵列；对所述纳米柱阵列中的纳米柱的顶端进行第二刻蚀处理，在所述纳米柱顶端形成尖端结构，形成纳米针阵列。所述纳米针阵列所含的纳米针包括纳米针本体，在所述纳米针本体的针头部为尖端结构。

技术领域

本发明属于微纳生物芯片制造技术领域，具体涉及一种纳米针阵列及其制备方法和应用。

背景技术

金刚石是性能独特的多功能材料，集电学、光学、力学、热学等极端物化性质于一体。一维纳米金刚石除了具有金刚石固有的物理化学性质以外，其形貌及尺寸的改变也使其拥有一些块体金刚石所没有的特性，如既硬又弹的力学性能、高的比表面积、尖端效应等。因此，一维纳米金刚石阵列在药物传递、化学和生物传感器、高性能电极、分析传感器、量子信息器件等诸多领域都有重要的应用。

利用高深宽比纳米材料机械刺穿细胞膜的技术逐渐成为一种极具前景的向细胞内递送物质和实现细胞内探测的手段。

有研究表明，可以利用硅纳米线或纳米针阵列实现细胞内神经网络探测和细胞内药物传输的应用。硅纳米针/线阵列的制备通常是基于光刻掩膜板或纳米球掩膜板，并利用金属辅助湿法化学刻蚀技术获得。与硅纳米材料相比，一维超硬材料如金刚石纳米结构可保持非常高的杨氏模量、屈服强度和断裂强度。有报道采用单根直径800 nm以下金刚石纳米针向细胞内递送物质且没有造成细胞的严重损害，但是该方法需要使用AFM并且通量极低。

如在公开的一种利用纳米针阵列向细胞内传递物质的装置和方法技术方案中，利用该方法可以简单方便地直接传输需要进入细胞的物质透过细胞膜。化疗药物、抗体以及其他生物分子都可以直接被传递到胞质内，而无需通过传统的细胞传递信号通路。利用该方法能够成功转染神经细胞，其转染效率高达45%，仅需时10分钟。如在公开的另一份技术方案中利用金刚石、立方氮化硼、氮化碳、氮化硼、掺硼氮化碳、金属硼化物等材料的纳米针可以实现向细胞内传递物质。

然而目前制备纳米针阵列薄膜的手段可控性差，深宽比较小，且制备成本高昂。例如，利用Au、SiO₂和Al₂O₃、Fox-16等材料做抗蚀剂，通过光刻技术获得刻蚀掩膜板，然后进行反应等离子体刻蚀的方法，可以获得整齐排布、密度可调控的纳米针阵列薄膜。但是这些方法普遍存在价格非常昂贵，制备流程复杂，曝光时间长，纳米柱尺寸参数难以调整，制备面积小，批量生产难等缺点，而且刻蚀生长的纳米针阵列尺寸有限、可控性差。

另一些研究表明，当反应离子刻蚀中离子动能较高，且金刚石薄膜附近存在易于被离子溅射的材料时，这些材料有可能被溅射到金刚石薄膜表面从而自发形成刻蚀掩模。相对而言，自发形成掩模的反应离子刻蚀过程非常简单、迅速，价格较低。但是这一过程的随机性非常大，许多刻蚀参数之间相互作用、相互耦合，纳米针阵列形成的工艺窗口非常窄，难以获得尺寸、密度分布均匀，大面积制备的纳米针阵列。

另外，现有的技术方法仅限于制备硅基底上的纳米针阵列，并用于细胞内的检测。然而为了实现纳米针阵列薄膜在更广泛药物传递和生物传感中的应用，例如有时需要易于与其它设备或器件连接，或需要透明，或具备柔韧性以适应弯曲的生物组织结构，需要普适的制备方法适合更广泛的基底材料选择。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种纳米针阵列及其制备方法，旨在解决现有纳米针阵列制备方法存在的纳米柱尺寸参数难以调整，制备面积小，批量生产难，刻蚀生长的纳米针阵列尺寸有限、可控性差的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明的一方面，提供了一种纳米针阵列的制备方法。所述纳米针阵列的制备方法包括如下步骤：

在基底表面上形成待刻蚀基材膜层；