固態(tài)納米孔單分子傳感器設計制造及關鍵技術研究.pdf

1、納米孔傳感器經(jīng)過二十多年的發(fā)展，由于其簡單實用性，受到了業(yè)界的廣泛關注，成為目前最具有前景的單分子檢測技術。利用該技術，已經(jīng)可以成功檢測各種小分子、有機聚合物、蛋白質、酶和生物分子的復合物等。并且，最令人興奮的是該技術在快速基因測序上顯示出的巨大潛力，有望大幅提高基因測序的速度并降低基因測序的成本。本文以固態(tài)納米孔傳感器為研究對象，開展了固態(tài)納米孔的設計和制造研究。探索了待測分子在不同溫度條件下的輸運過程。分析了不同溶液濃度情況下納米孔

2、內離子的輸運機理。并通過實驗和數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)了待測分子結構與過孔狀態(tài)的辨識。本文的主要研究成果如下:
　　(1)在納米孔傳感器制造方面，實現(xiàn)了氮化硅(Si3N4)和氧化鋁(Al2O3)納米孔的三維尺寸可控制造。具體制造工藝分為兩部分:首先設計了微機電系統(tǒng)(MEMS)工藝，實現(xiàn)了氮化硅自支撐薄膜芯片的制造。然后在此基礎上，系統(tǒng)性的研究聚焦離子束(FIB)和透射電子顯微鏡(TEM)的加工工藝，
　　并進行參數(shù)優(yōu)化。提出先減薄再加

3、工納米孔的加工策略，制備出孔徑2nm以下，長度20nm以下的氮化硅納米孔。此外，本文基于原子層沉積(ALD)技術，設計了氧化鋁納米孔的制造工藝。該工藝不僅能夠精確的控制氧化鋁納米孔的長度和孔徑，還能夠擴展至多種基于ALD沉積材料的納米孔制造。通過DNA分子檢測實驗驗證，氮化硅和氧化鋁納米孔傳感器均能夠成功的應用于生物分子檢測。相比較氮化硅納米孔，氧化鋁納米孔傳感器的背景噪音更弱，檢測性能更優(yōu)異。
　　(2)系統(tǒng)性的研究了溶液溫度對

4、DNA分子在納米孔內的輸運速度和被納米孔捕獲概率的影響。實驗結果表明，通過降低溶液溫度能夠提高溶液粘度從而降低DNA分子的過孔速度。此外，僅降低納米孔一端溶液的溫度，就能有效降低DNA分子的輸運速度，與溫度梯度的方向幾乎無關。說明溫度梯度產生的熱泳力對電場驅動下的DNA分子過孔速度幾乎沒有影響。但是DNA分子的捕獲概率卻受到溫度梯度方向的調控。溫度梯度與DNA分子運動方向相同時，DNA分子被捕獲概率增高，反之則降低。當trans端的溶液

5、溫度降低至2℃，cis端的溫度保持在21℃時，過孔時間可以達到2.26ms，捕獲概率為1.23s-1，分別為兩端溶液溫度均為20℃情況下過孔時間的1.5倍，捕獲概率的1.7倍。據(jù)此，本論文總結出僅降低trans端溶液溫度的檢測策略，不僅能夠有效延長待測分子的過孔時間還能增加待測分子的被捕獲概率，從而提高納米孔傳感器的性能。
　　(3)系統(tǒng)性的研究了溶液濃度梯度對DNA分子過孔信號的調控機理。發(fā)現(xiàn)了在高濃度且存在濃度梯度的情況下，待

6、測分子通過納米孔時能夠增強離子電流。本文利用數(shù)值模擬對這一反常的現(xiàn)象進行分析，提出在濃度梯度條件下電滲流(EOF)能夠增強離子電流的新理論。高濃度條件下上升的過孔信號源自于DNA分子進入納米孔后對EOF的增強。增強的EOF能夠將高濃度端更多的離子輸運至納米孔內，從而導致離子電流的上升。此外本文還研究了孔徑對上升過孔信號產生的影響。實驗結果表明，孔徑較大的納米孔在較低濃度差的情況下就能觀察到上升的過孔信號;而孔徑減小到一定程度后，由于EO

7、F流量受到限制，導致引入離子的能力降低，即使增大濃度差也只能得到下降的過孔信號。該現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和機理的提出完善了納米孔傳感器檢測過程中的離子輸運理論。
　　(4)利用納米孔傳感器開展了對具體生物分子的檢測研究。通過對檢測信號的分析和信息提取，實現(xiàn)了單鏈和雙鏈DNA分子以及不同長度DNA分子的區(qū)分。證明了本課題制造出的納米孔傳感器在實際單分子辨識中的精確性。同時，還對長鏈DNA分子在一價KCl和二價Mg2Cl溶液中的相互作用進行了檢測