基于固体纳米孔的DNA分子检测器件设计与制造

发布时间：2019-07-24 06:05

【摘要】：基于纳米孔的DNA分子检测方法被认为是最具有竞争力的第三代基因测序器件核心关键技术,纳米孔主要材料有生物分子膜和人工合成固体膜。论文针对固体纳米孔的设计、制造与检测开展相关研究工作。为了克服生物纳米孔的缺点,本文设计并制造出氮化硅纳米孔芯片和金纳米间隙-纳米孔芯片两种固体纳米孔器件。同时,为了解决纳米电极之间的超小间距这一制造难题,本文研究了工艺简单、低成本的硅纳米线的可控制造方法,为硅纳米线间隙-纳米孔器件的制造提供关键技术支持。最后,通过对DNA穿过纳米孔的模型建立,对实验测量结果进行拟合,实现了单碱基分子的辨识。取得创新性研究成果如下：1、在跨尺度制造方面,集成了微机电系统制造工艺、聚焦离子束和透射电子显微镜等技术,实现氮化硅纳米孔芯片的跨尺度制造。利用微机电系统的制造工艺批量制作出氮化硅薄膜芯片,这种圆片级、工艺简单、高成品率的氮化硅薄膜芯片制造方法为氮化硅纳米孔的制造提供了支持。借助于聚焦离子束和透射电子显微镜实现氮化硅的纳米孔制造。利用聚焦离子束减薄,降低氮化硅薄膜厚度,进而实现三维纳米孔的制造,确保所制造的纳米孔直径和孔的长度都在纳米尺度。利用这种方法制备的氮化硅纳米孔进行DNA过孔验证实验,实现对DNA通过纳米孔时空间姿态的辨识,表明该芯片可以用于DNA序列检测的研究。2、利用纳机电系统方法设计并制造出金纳米间隙-纳米孔器件。创新设计了悬空夹心结构实现金纳米线的包埋,借助于聚焦离子束刻蚀出纳米通孔,实现悬空夹心结构的贯穿,并最终形成金纳米间隙-纳米孔(即金纳米电极)的原创性基因检测芯片。3、为了提高金纳米电极基因检测芯片的成品率,课题开展了硅纳米线电极制造工艺的研究,以代替金纳米电极基因检测芯片。通过大量实验,实现了硅纳米线在微米尺度铜的催化下生长,利用透射电子显微镜装备的选区电子衍射、能谱表征等检测手段证实所获得到直径均匀的纳米线为无定型的贫氧硅纳米线,并基于大量实验,提出该方法生长硅纳米线的机理。我们发现氢气的存在加速了铜与氧化硅的反应,在氧化硅层上打开了基体硅向上扩散的通道,导致硅原子富集在铜硅化合物上,当硅原子达到过饱和时,便生长出纳米线。基于这种纳米线生长机理,我们提出通过控制铜图形位置、尺寸,氧化硅厚度、退火时间,可以实现硅纳米线的位置和尺寸的精确控制。从而在国际上最先利用微米尺度催化剂,实现硅纳米线的定点可控制造,这为硅纳米线电极制造奠定坚实基础。4、基于我们所提出的硅纳米线定位生长方法,采用硅-氧化硅-铜结构芯片,在氢气和氩气氛围中退火实现了硅纳米线沿着基体分布制造。研究发现200 nm厚铜薄膜退火能得到规则的环状硅纳米线,而400 nm厚铜膜退火后得到的硅纳米线环均为不规则形状,其最终形成的封闭环外围有收缩的痕迹。而厚度为600 nm的铜薄膜退火得到的纳米线形态与前两者不同,得到的是平面内相互连接的硅纳米线网。测试显示硅纳米线网具有良好的电学特征。基于我们所提出的制造工艺,实现平面内硅纳米线的可控制造,避免了“自上而下”制造平面内硅纳米线的高成本等缺点。5、开展了平面内硅纳米线的可控制造研究。研究结果表明厚度为200 nm的铜图形退火后可以制备出位置和尺寸可控的平面内硅纳米线环及其阵列。尺寸在2.4μm～4.6μm之间的铜图形退火之后可以得到的单个硅纳米线环。随着铜图形尺寸的增加,得到多个硅纳米线环。硅纳米线环的数量与铜图形直径的平方成线性关系。单个纳米线环直径都小于1.6μm,绝大部尺寸在1μm以下。通过主动设计和制造厚度为600 nm铜图形,可以实现平面内方向、图形可控的硅纳米线网制造。所制备出硅纳米线网的最小线宽可以达到500 nm。这为纳尺度电极、纳机电器件的制造提供了一个新的制造工艺。也为硅纳米线间隙-纳米孔器件的制造提供关键技术支持。6、在纳米孔芯片制造的基础上,开展单碱基分子和不同长度DNA分子的检测实验,同时建立DNA穿过纳米孔的物理模型,对实验结果进行拟合,实现了单碱基分子(dATP和dTTP)和短链DNA分子(poly(dA)20和poly(dT)20)的辨识。
【图文】：

图１．２生物纳米孔（ａ）固体固体纳米孔（ｂ）和}
米间隙（ｃ）检测ＤＮＡ巧列示意图ＰＷ逡逑２逡逑

分子检测器件制造。逡逑１．２研究现状逡逑基于纳米孔的第Ｈ代基因测序理论是由Ｃｏｕｌｔｅｒ计数器发展而来，Ｗ其原理如图１．１逡逑所示。将纳米化器件装夹在液池中央，液池两侧的溶液仅通过纳米孔相连通。将一定浓逡逑度的ＤＮＡ分子放入液池的一端，并施加一电场。ＤＮＡ分子在电场力的作用下，从负极逡逑端向正极端移动，并在纳米孔内形成一定的占位，导致通过纳米孔的离子电流发生改变。逡逑最终，可由离子电流信号的变化实现ＤＮＡ分子序列的识别。逡逑纳米孔在离子渗透、生物分子检测Ｗ及药物输送等热点领域已经受到极大关注。最逡逑早提出基于纳米孔实现基因序列识别的是Ｄｅａｍｅｒ和Ａｋｅｓｏｎ邋（上个世纪９０年代）。Ｗ逡逑当时的《件还不够成熟，处于理论研究阶段。随着离子束刻蚀技术的发展，极大地提高逡逑了纳米孔的制造技术Ｗ，也促使基于纳米孔的生物分子检测器件得到很好的改良。目前，逡逑已经不少文献概述了纳米孔制造技术、离子电流表征、ＤＮＡ测序Ｗ及未来展望。Ｐ－Ｗ逡逑随着测序技术的发展，基于第王代基因测序原理的器件可分为生物纳米孔器件、固体逡逑纳米孔器件和纳米间隙器件（图１．２）。生物纳米孔和固体纳米孔的测序原理是基于逡逑ＤＮＡ碱基在纳米孔内的物理占位导致离子电流发生变化

图１．５邋（ａ）采用快速制造纳米孔示意凶；（！＞NB）纳米孔ＳＥＭ幽；（ｄ）纳米孔直径分布Wｆｗｉ逡逑Ｗａｎｕｎｕ，Ｍ等Ｍ基于上文的方法，用ＴＥＭ在厚度为２５邋ｎｍ的ＳｉＮ膜上制作出直径逡逑为３．５邋ｎｍ的纳米孔

作为后续纳米孔阵列的标记。然后用聚焦离子束（Ｆｏｃｕｓｅｄ邋Ｉｏｎ邋Ｂｅａｍ，巧Ｂ）刻蚀Ｓ逡逑层结构的第一层ＳｉＮ（兰层结构ＳｉＮ／ＳｉＣＶＳｉＮ），再刻蚀Ｓｉ0２层，最后用ＴＥＭ在ＳｉＮ膜上逡逑制备纳米孔（图１．５）。这种方法的优点是孔便于纳米孔的光学探测，制作的纳米孔的平逡逑均直径为５．１４邋ｒｕｎ。（２）用扫描透射电子显微镜（Ｓｃａｎｎｉｎｇ邋Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎ逡逑Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，邋ＳＴＥＭ）在ＳｉＮ膜上钻孔，直接定位扫描线圈偏转束达到所需要的量，从而逡逑进入快速、灵活和自动加工模式。加工得到的纳米孔的平均直径为９．３邋ｎｍ。逡逑（ａ）＾逦＿＿＿＿逦．（的．逡逑Ｉ邋ＩＦ＂诵逦：；；；；逡逑＾逦￣阿．’逦＇逡逑ｊｃ）逦？逡逑４逦矿？诵．’、、逦？；逦，逡逑．‘…，逦．省逡逑５逦．邋．邋’，，，，１邋．ｉｉｉｉｍ’ｉ，逦雾逡逑冢逦Ｖ：１逡逑ＨＨＩ逦■Ｍｌ邋／逦＼逡逑巧邋ＳｉＷ４邋Ｓｉ0２逦２００邋ｉｖｎ逡逑１０－Pt逦ＰＩ逡逑ＣＯ逦／、逦言逡逑§逦Ａ逡逑ＩＩ逦！邋＼逦Ｉ逡逑Ｑ逦［３＾逦＾逦＇、．ｉ邋Ｉ邋ｎ逡逑３逦４逦５逦６逦７逡逑ｄｉａｍｅｔｅｒ邋（ｎｍ）逡逑图１．５邋（ａ）采用快速制造纳米孔示意凶；（！＞NB）纳米孔ＳＥＭ幽；（ｄ）纳米孔直径分布Wｆｗｉ逡逑Ｗａｎｕｎｕ，Ｍ等Ｍ基于上文的方法，用ＴＥＭ在厚度为２５邋ｎｍ的ＳｉＮ膜上制作出直径逡逑为３．５邋ｎｍ的纳米孔。此外，该小组用低压沉积法在面积为５邋ｉｒｎｎＸＳ邋ｍｍ的ＳｉＮ纳米薄逡逑膜上生长一层厚度为５＾ｌｍ的Ｓｉ０２
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH-39;TB383.1

【相似文献】