固態(tài)納米孔單分子傳感器設(shè)計(jì)制造及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

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

2、內(nèi)離子的輸運(yùn)機(jī)理。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)了待測(cè)分子結(jié)構(gòu)與過(guò)孔狀態(tài)的辨識(shí)。本文的主要研究成果如下:
　　(1)在納米孔傳感器制造方面，實(shí)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(shè)計(jì)了微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝，實(shí)現(xiàn)了氮化硅自支撐薄膜芯片的制造。然后在此基礎(chǔ)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(jìn)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(zhǎng)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(shù)，設(shè)計(jì)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(zhǎng)度和孔徑，還能夠擴(kuò)展至多種基于ALD沉積材料的納米孔制造。通過(guò)DNA分子檢測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，氮化硅和氧化鋁納米孔傳感器均能夠成功的應(yīng)用于生物分子檢測(cè)。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(cè)性能更優(yōu)異。
　　(2)系統(tǒng)性的研究了溶液溫度對(duì)

4、DNA分子在納米孔內(nèi)的輸運(yùn)速度和被納米孔捕獲概率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)降低溶液溫度能夠提高溶液粘度從而降低DNA分子的過(guò)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(yùn)速度，與溫度梯度的方向幾乎無(wú)關(guān)。說(shuō)明溫度梯度產(chǎn)生的熱泳力對(duì)電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的DNA分子過(guò)孔速度幾乎沒(méi)有影響。但是DNA分子的捕獲概率卻受到溫度梯度方向的調(diào)控。溫度梯度與DNA分子運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)，DNA分子被捕獲概率增高，反之則降低。當(dāng)trans端的溶液

5、溫度降低至2℃，cis端的溫度保持在21℃時(shí)，過(guò)孔時(shí)間可以達(dá)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(guò)孔時(shí)間的1.5倍，捕獲概率的1.7倍。據(jù)此，本論文總結(jié)出僅降低trans端溶液溫度的檢測(cè)策略，不僅能夠有效延長(zhǎng)待測(cè)分子的過(guò)孔時(shí)間還能增加待測(cè)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(duì)DNA分子過(guò)孔信號(hào)的調(diào)控機(jī)理。發(fā)現(xiàn)了在高濃度且存在濃度梯度的情況下，待

6、測(cè)分子通過(guò)納米孔時(shí)能夠增強(qiáng)離子電流。本文利用數(shù)值模擬對(duì)這一反常的現(xiàn)象進(jìn)行分析，提出在濃度梯度條件下電滲流(EOF)能夠增強(qiáng)離子電流的新理論。高濃度條件下上升的過(guò)孔信號(hào)源自于DNA分子進(jìn)入納米孔后對(duì)EOF的增強(qiáng)。增強(qiáng)的EOF能夠?qū)⒏邼舛榷烁嗟碾x子輸運(yùn)至納米孔內(nèi)，從而導(dǎo)致離子電流的上升。此外本文還研究了孔徑對(duì)上升過(guò)孔信號(hào)產(chǎn)生的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guò)孔信號(hào);而孔徑減小到一定程度后，由于EO

7、F流量受到限制，導(dǎo)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(guò)孔信號(hào)。該現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和機(jī)理的提出完善了納米孔傳感器檢測(cè)過(guò)程中的離子輸運(yùn)理論。
　　(4)利用納米孔傳感器開(kāi)展了對(duì)具體生物分子的檢測(cè)研究。通過(guò)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的分析和信息提取，實(shí)現(xiàn)了單鏈和雙鏈DNA分子以及不同長(zhǎng)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(shí)際單分子辨識(shí)中的精確性。同時(shí)，還對(duì)長(zhǎng)鏈DNA分子在一價(jià)KCl和二價(jià)Mg2Cl溶液中的相互作用進(jìn)行了檢測(cè)