一种纳米孔玻璃与氧化铝陶瓷基板复合载体材料的制备方法

摘要

本发明涉及一种在氧化铝陶瓷基板上制备纳米孔径点阵排列载体材料的方法。一种纳米孔玻璃与氧化铝陶瓷基板复合载体材料的制备方法，其特征在于包括下列步骤：1)纳米孔基体玻璃制备；2)纳米孔基体玻璃粉末制备；3)过渡层制备；4)纳米孔基体玻璃粉末与氧化铝陶瓷基板复合；5)热处理和侵蚀。本发明得到的载体材料强度高，可贮存大量的生物和化学样本，同时耐受合成循环和检测实验中某些试剂的侵蚀，不会导致样本的脱落，可用于固定或隔离生物化学样本，满足生物技术研究和其它相关学科发展的需要。

说明书

                              技术领域

本发明涉及一种在氧化铝陶瓷基板上制备纳米孔径点阵排列载体材料的方法。

                              背景技术

21世纪是生命科学的世纪，生物技术已在医疗诊断方面的应用逐渐趋于成熟。与此同时，相关的生物和化学装置技术亦得到了快速的发展，如生物传感器、生物信息技术、化学传感器等。然而怎样去研究如此众多基因及蛋白质在生命过程中所负担的功能就成了全世界生命科学工作者共同的课题，生物芯片正是在这样的背景下应运而生的。

随着生物技术和基因工程的快速发展，急需一种微观有序排列的载体材料(基片)，其可固定生物化学样本，同时微观有序排列的基片要具有以下性能和尺寸特征：

1、基片应由惰性材料制备，同时具有合适的机械强度(断裂强度大于40MPa)，尺寸较小。

2、在基片上，可制备出独立的多孔点阵排列。

3、每个点阵排列具有上百万个纳米孔，可贮存或隔离生物化学样本。

4、孔的尺寸可控制，以满足不同研究应用的需要。

5、基片的形状易于设计和制作，以降低制备成本。

                              发明内容

本发明的目的在于提供一种强度高、微观有序排列、贮存量大的纳米孔玻璃与氧化铝陶瓷基板复合载体材料的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：一种纳米孔玻璃与氧化铝陶瓷基板复合载体材料的制备方法，包括下列步骤：

1)纳米孔基体玻璃制备；2)纳米孔基体玻璃粉末制备；3)过渡层制备；4)纳米孔基体玻璃粉末与氧化铝陶瓷基板复合；5)热处理和侵蚀。

所述的步骤1)的纳米孔基体玻璃制备：取玻璃系统为SiO₂-B₂O₃-Na₂O，其重量百分比分别为64.0-74.0、20.0-27.0、4.0-11.0；外加添加剂，添加剂为TiO₂、ZrO₂中的任意一种或二种混合，TiO₂、ZrO₂的添加量分别为玻璃系统重量的0-2.0％、0-2.0％，按配比称量后混合，在1450-1520℃下熔化、成型，在420～460℃退火，得纳米孔基体玻璃；所述的步骤2)的纳米孔基体玻璃粉末的制备：将纳米孔基体玻璃粉碎为颗粒大小38～74μm(200-400目)的粉末；所述的步骤3)的过渡层制备：采用浓度为0.5～1mol/L的硅酸钠溶胶，在氧化铝陶瓷基板上涂覆厚度为100-200nm的过渡层；所述的步骤4)的纳米孔基体玻璃粉末与氧化铝陶瓷基板复合：将纳米孔基体玻璃粉末与粘结剂聚乙烯醇(PVA)按重量比100∶1～50∶1的范围混合，用挤压法将混合物与涂有过渡层的氧化铝陶瓷基板成型，成型压力为3-6MPa，成型后的复合基板在1100-1300℃烧结10-60min，升温速率5-10℃/min；所述的步骤5)的热处理和侵蚀：烧结后的复合基板在580-710℃热处理6-48h，然后将复合基板置于混合酸HCl+NH₄Cl中，其浓度分别为1～2mol/L和0.1～0.2mol/L，按体积比1∶1混合，于85～97℃油浴锅中酸处理12～48h，蒸馏水清洗，120℃干燥24h后，形成纳米孔玻璃与氧化铝陶瓷基板复合载体材料。

所述的TiO₂、ZrO₂的最佳添加量分别为玻璃系统重量的0.5-2.0％、0.5-2.0％。

本发明以氧化铝陶瓷为基板材料，在其表面涂覆硅酸钠溶胶过渡层后，再将玻璃粉与粘结剂聚乙烯醇的混合物采用挤压成型方法，在基板材料上按一定的排列方法成型后烧结，然后将烧结后的复合载体材料在合适温度下进行热处理、酸侵蚀后，涂覆的玻璃粉会形成具有纳米级的孔径，通过控制热处理温度、时间、酸腐蚀参数，可使孔结构连通或独立，同时其孔径可在10-100纳米范围可调。选择不同的排列方式和玻璃粉与粘结剂聚乙烯醇混合物中玻璃粉的比例，可实现调控复合载体材料的存贮密度，从而达到制备不同孔径大小和贮存密度的复合载体材料。

本发明提出以氧化铝陶瓷为基板，纳米孔基体玻璃粉末与氧化铝陶瓷基板复合，综合了玻璃和陶瓷的优点。最大的优点在于：强度高、大规模、微制造、微观有序排列；在复合载体材料(芯片)的单位面积上可同时检测多种疾病或分析多种生物样本，且可贮存量大；且其荧光背景低、制造成本低、应用方便等优点；同时耐受合成循环和检测实验中某些试剂的侵蚀，不会导致样本的脱落，可用于固定或隔离生物化学样本，满足生物技术研究和其它相关学科发展的需要。给复合科学又开辟新的应用途径，对相关科学的发展和产业的进步具有重要的意义。

                              附图说明

图1是本发明的工艺流程图

图2是纳米孔玻璃与氧化铝陶瓷基板复合载体材料的结构示意图

图中：1-纳米孔基体玻璃粉末与聚乙烯醇混合物，2-氧化铝陶瓷基板。

                             具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：如图1所示，一种纳米孔玻璃与氧化铝陶瓷基板复合载体材料的制备方法，包括下列步骤：

取玻璃系统为SiO₂-B₂O₃-Na₂O，其重量百分比分别为64、27、9；，按配比称量后混合。将混合料熔化，熔化温度1450℃，均化好的玻璃液注到成型模内成为坯料，在460℃退火，得纳米孔基体玻璃。采用浓度0.8mol/L的硅酸钠溶胶，在氧化铝陶瓷基板上涂覆厚度为100nm的过渡层，得试样2。将制备好的纳米孔基体玻璃粉碎，取颗粒大小于38～74μm间粉末，与粘结剂聚乙烯醇(PVA)按重量比100∶1充分混合，得试样1。试样1位于试样2的过渡层上面用挤压法成型，成型压力为4MPa，成型后的复合基板以升温速率10℃/min升温至1200℃烧结30min。烧结后的复合基板在680℃热处理12h，然后将复合基板置于混合酸HCl+NH₄Cl中，其浓度分别为2mol/L和0.1mol/L按体积比1∶1混合，于95℃油浴锅中酸处理24h。侵蚀后用蒸馏水清洗，120℃干燥24h后可制得纳米孔玻璃与氧化铝陶瓷基板复合载体材料，其结构如图2所示。

实施例2：一种纳米孔玻璃与氧化铝陶瓷基板复合的载体材料制备方法，包括下列步骤：

取玻璃系统为SiO₂-B₂O₃-Na₂O，其重量百分比分别为74、20、6；取添加剂为TiO₂，TiO₂的添加量为玻璃系统重量的1.0％(外加)，按配比称量后混合。将混合料熔化，熔化温度1500℃，均化好的玻璃液注到成型模内成为坯料，在460℃退火，得纳米孔基体玻璃。采用浓度1.0mol/L的硅酸钠溶胶，在氧化铝陶瓷基板上涂覆厚度为150nm的过渡层，得试样2。将制备好的纳米孔基体玻璃粉碎，取颗粒大小于38～74μm间粉末，与粘结剂聚乙烯醇(PVA)按重量比80∶1充分混合，得试样1。试样1位于试样2的过渡层上面用挤压法成型，成型压力为5MPa，成型后的复合基板以升温速率10℃/min升温至1250℃烧结20min。烧结后的复合基板在710℃热处理12h，然后将复合基板置于混合酸HCl+NH₄Cl中，其浓度分别为2mol/L和0.2mol/L按体积比1∶1混合，于90℃油浴锅中酸处理12h。侵蚀后用蒸馏水清洗，120℃干燥24h后可制得纳米孔玻璃与氧化铝陶瓷基板复合载体材料。

实施例3：一种纳米孔玻璃与氧化铝陶瓷基板复合的载体材料制备方法，包括下列步骤：

取玻璃系统为SiO₂-B₂O₃-Na₂O，其重量百分比分别为70、19、11；取添加剂ZrO₂，ZrO₂的添加量为玻璃系统重量的2.0％(外加)，按配比称量后混合。将混合料熔化，熔化温度1510℃，均化好的玻璃液注到成型模内成为坯料，在450℃退火，得纳米孔基体玻璃。采用浓度1.0mol/L的硅酸钠溶胶，在氧化铝陶瓷基板上涂覆厚度为150nm的过渡层，得试样2。将制备好的纳米孔基体玻璃粉碎，取颗粒大小于38～74μm间粉末，与粘结剂聚乙烯醇(PVA)按重量比80∶1充分混合，得试样1。试样1位于试样2的过渡层上面用挤压法成型，成型压力为5MPa，成型后的复合基板以升温速率10℃/min升温至1150℃烧结20min。烧结后的复合基板在650℃热处理12h，然后将复合基板置于混合酸HCl+NH₄Cl中，其浓度分别为1.0mol/L和0.1mol/L按体积比1∶1混合，于90℃油浴锅中酸处理8h。侵蚀后用蒸馏水清洗，120℃干燥24h后可制得纳米孔玻璃与氧化铝陶瓷基板复合载体材料。

实施例4：一种纳米孔玻璃与氧化铝陶瓷基板复合的载体材料制备方法，包括下列步骤：

取玻璃系统为SiO₂-B₂O₃-Na₂O-TiO₂，其重量百分比分别为74、20、6；取添加剂为TiO₂和ZrO₂，TiO₂、ZrO₂的添加量分别为玻璃系统重量的1.0％、0.75％(外加)，按配比称量后混合。将混合料熔化，熔化温度1520℃，均化好的玻璃液注到成型模内成为坯料，在420℃退火，得纳米孔基体玻璃。采用浓度0.5mol/L的硅酸钠溶胶，在氧化铝陶瓷基板上涂覆厚度为180nm的过渡层，得试样2。将所制备纳米孔基体玻璃粉碎，取颗粒大小于38～74μm间粉末，与粘结剂聚乙烯醇(PVA)按重量比60∶1充分混合，得试样1。试样1位于试样2的过渡层上面用挤压法成型，成型压力为3MPa，成型后的复合基板以升温速率10℃/min升温至1300℃烧结15min。烧结后的复合基板在650℃热处理48h，然后将复合基板置于混合酸HCl+NH₄Cl中，其浓度分别为1mol/L和0.2mol/L按体积比1∶1混合，于95℃油浴锅中酸处理48h。侵蚀后用蒸馏水清洗，120℃干燥24h后可制得纳米孔玻璃与氧化铝陶瓷基板复合载体材料。