CN101694474B - 一种纳米孔电学传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米孔电学传感器。它包括基板、第一绝缘层、对称性电极、电接触层、第二绝缘层、纳米孔；在基板上依次设有第一绝缘层、对称性电极，在第一绝缘层上和对称性电极边缘上设有电接触层，在对称性电极上设有第二绝缘层，在基板、第一绝缘层、对称性电极和第二绝缘层的中心设有纳米孔。本发明的纳米电极的厚度可以控制在0.35～0.7nm之间，达到检测单链DNA中的单个碱基的电学特征的分辨率要求，从而适于便宜，快速电子基因测序。本发明的纳米孔电学传感器解决了将纳米电极集成于纳米孔的技术难点，其制备纳米电极的方法简单。

Description

一种纳米孔电学传感器
技术领域
本发明涉及传感器，尤其涉及一种纳米孔电学传感器。
背景技术
纳米孔(nanopore)能够在单分子分辨水平探测及表征生物分子如DNA，RNA及聚肽，潜在的基于纳米孔的单分子基因测序技术不需要荧光标记物，不需要PCR反应，有望能直接并快速“读”出DNA的碱基序列；该测序技术有望大大降低测序成本，实现个性化医疗[M.Zwolak，M.Di Ventra，Rev.Mod.Phys.2008，80，141-165；D.Branton，et al.，Nature Biotechnol.2008，26，1146-1153]。基于纳米孔的单分子基因测序技术是DNA碱基在电泳作用下依次地穿越纳米孔，同时检测碱基穿越纳米孔隙时而产生的光学或电信号的差异来对DNA进行测序。基于纳米孔的单分子基因测序技术主要有三种检测方法：离子封锁电流(Strand-sequencing using ionic current blockage)，横向电子电流(Strand-sequencingusing transverse electron currents)，光学信息(Nanopore sequencing using syntheticDNA and optical readout)。目前制备的纳米孔的深度一般大于10nm，大大超出单链DNA碱基间距0.7nm，也即是孔中同时有15个碱基通过，因此无法达到基因测序的单碱基的分辨率；因此，要达到单碱基的分辨率，必须将具备能够识别单链DNA中的单碱基元件。另外，离子封锁电流只有pA量级，信噪比很低。
在2005年，美国加州大学圣迭哥分校的Di Ventra等[M.Di Ventra et al，NanoLett.2005，5，421-424.]通过理论计算认为：当DNA通过纳米孔时可以测量DNA碱基的横向隧道电子电流而对其进行测序。这要求将纳米电极集成于纳米孔系统，这样纳米电极将记录在DNA穿越纳米孔时产生的与DNA链垂直的电流，由于每个DNA的碱基在结构上和化学上都有所区别；因此每个碱基都可能存在独特的电子特征，利用这些子特征可能对DNA进行测序。然而，尽管目前制备纳米孔的技术比较成熟[J.Li，et al，Nature 2001，412，166-169；A.J.Storm，et al，Nature Mater.2003，2，537-540；M.J.Kim，et al，Adv.Mater.2006，18，3149-3153；B.M.Venkatesan，et al，Adv.Mater.2009，21，2771-2776.]，但是，迄今为止还没有技术方法将具有单碱基分辨率纳米电极集成于纳米孔系统。另外，2007年，徐明生等人[M.S.Xu，et al，Small 2007，3，1539-1543.]利用超高真空隧道扫描显微镜首次在实验上揭示DNA的4种碱基之间存在着电子指纹特性；因此，在DNA穿越纳米孔时，测量流经碱基而产生的电子电流有望实现快速，成本低的电子基因测序。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种纳米孔电学传感器。
纳米孔电学传感器包括基板、第一绝缘层、对称性电极、电接触层、第二绝缘层、纳米孔；在基板上依次设有第一绝缘层、对称性电极，在第一绝缘层上和对称性电极边缘上设有电接触层，在对称性电极上设有第二绝缘层，在基板、第一绝缘层、对称性电极和第二绝缘层的中心设有纳米孔。
所述的对称性电极为2～30对中心发射状纳米电极，且对称性地分布于纳米孔周围，纳米电极之间互相不接触，纳米电极的厚度为0.35～3.5nm。所述的基板的材料为半导体材料或绝缘材料，半导体材料为Si、GaN、Ge或GaAs中的一种，绝缘材料为SiC。所述的第一绝缘层和第二绝缘层的材料为SiO2、Al2O3、BN、SiC或SiNx中的一种或多种的层状混合物。所述的对称性电极的材料为层状导电材料，层状导电材料为石墨，所述的石墨为1～10层的石墨烯。所述的电接触层的材料为Au、Cr、Ti、Pd、Pt、Cu、Al、或Ni中的一种或多种的混合物。所述的纳米孔的孔径为1～50nm。
本发明的纳米电极的厚度可以控制在0.35～0.7nm之间，达到检测单链DNA中的单个碱基的电学特征的分辨率要求，从而适于便宜，快速电子基因测序。本发明的纳米孔电学传感器解决了将纳米电极集成于纳米孔的技术难点，其制备纳米电极的方法简单。
附图说明
图1为本发明的纳米孔电学传感器的结构示意图；
图2为本发明的纳米孔电学传感器的断面示意图；
图3为转移于SiO2/Si之上的石墨烯的光学显微镜照片；
图4为转移于SiO2/Si之上的石墨烯的Raman谱。
图5为本发明的纳米孔电学传感器的制备流程示意图；
图6为本发明的纳米孔电学传感器的制备流程示意图；
图7为本发明的纳米孔电学传感器的制备流程示意图；
图中，基板1、绝缘层2、对称性电极3、电接触层4、绝缘层5、纳米孔6、石墨烯层7、金属催化层8。
具体实施方式
如图1、2所示，纳米孔电学传感器包括基板1、第一绝缘层2、对称性电极3、电接触层4、第二绝缘层5和纳米孔6；在基板1上依次设有第一绝缘层2、对称性电极3，在第一绝缘层2上和对称性电极3边缘上设有电接触层4，在对称性电极3上设有第二绝缘层5，在基板1、第一绝缘层2、对称性电极3和第二绝缘层5的中心设有纳米孔6。
所述的基板1的材料为半导体材料或绝缘材料，半导体材料为Si、GaN、Ge或GaAs中的一种，绝缘材料为SiC，优选为单晶硅和SiC。所述的第一绝缘层2和第二绝缘层5的材料为SiO2、Al2O3、BN、SiC或SiNx中的一种或多种的层状混合物。其中绝缘层的制备可以采用所有适当的制备技术如：真空热蒸镀，溶液旋涂，热氧化，低压化学气相沉积，等离子增强化学气相沉积，原子层沉积等。绝缘层的厚度一般为3nm～3μm，最优厚度为3～100nm。
所述的对称性电极3为2～30对中心发射状纳米电极，且对称性地分布于纳米孔6周围，纳米电极之间互相不接触，纳米电极的厚度为0.35～3.5nm，优选0.35～1.5nm。考虑到碱基穿越纳米孔是的取向(orientation)以及构造(conformation)等效应，对称性电极的对数一般多于一对，最优对数为4对-24对，这样有助于在统计上识别单链DNA中的碱基。所述的对称性电极3的材料为层状导电材料，层状导电材料为石墨；所述的石墨为1～10层的石墨烯。层状导电材料优选石墨烯，因为单层石墨烯的厚度为0.35nm，双层石墨烯的厚度为0.7nm，1～10层的石墨烯可以满足对称性电极3的厚度要求，且简单可控。电极层的制备，包括直接在绝缘层上生长电极层和将制备好的电极层转移到第一绝缘层上，比如直接在SiC绝缘层上制备石墨烯。由于纳米电极之间要求互相不接触，这样的对称性电极可以采用光刻，电子束刻蚀，激光光刻，反应离子束刻蚀技术，氧等离子体刻蚀等技术制备。
所述的电接触层4的材料为Au、Cr、Ti、Pd、Pt、Cu、Al或Ni中的一种或多种的混合物。其中电接触层4的制备可以采用真空热蒸镀，溶液旋涂，热氧化，低压化学气相沉积，等离子增强化学气相沉积，原子层沉积等技术方法，其厚度一般为15～600nm。
所述的纳米孔6的孔径为1～50nm，对基因测序而言最优为1～3nm。纳米孔的制备可以采用纳米制备技术，如电子束刻蚀，聚焦离子束刻蚀，脉冲离子束刻蚀，He离子束刻蚀等。
实施例1：化学气相沉积法制备及转移石墨烯
在SiO2(300nm)/Si(500μm)上制备100nm Cu膜，将其放置于超高真空中(5.0×10-9torr)进行950℃热处理30分钟；然后，通C2H4气体生长60秒；从而在Cu膜上得到石墨烯。从Cu上转移石墨烯到SiO2/Si上：在石墨烯上旋涂500nm Polymethylmethacrylate(PMMA)层，将涂有PMMA的石墨烯/Cu放置于硝酸铁溶液中将Cu膜腐蚀掉，从而得到PMMA/石墨烯，然后将PMMA/石墨烯转移到SiO2/Si上(图3与图4)，最后，用丙酮溶解掉PMMA，这样石墨烯转移到了SiO2/Si上。
效果：在金属Cu表面上可以制备高均匀性的单层石墨烯，并且，很容易通过腐蚀Cu催化层而将石墨烯转移到绝缘层上。
实施例2
如图5所示：在500μm厚的单晶硅基板1(图5a)上热氧化制备50nm SiO2绝缘层2(图5b)；将制备好的石墨烯层7转移到在SiO2绝缘层2(图5c)；石墨烯可以用不同的方法制备，如化学气相沉积方法在金属Cu上制备，然后转移到上SiO2绝缘层2。采用光刻及氧等离子体刻蚀制备石墨烯电极对3图形(图5d)。其中，由于石墨烯电极层的厚度只有0.35nm的程度，为了建立有效的电接触，在石墨烯电极对3图形上利用光刻及刻蚀技术在石墨烯电极对上制备Cr(5nm)/Au(50nm)电接触层4(图5e)；然后，采用原子层沉积技术制备70nm Al2O3以及等离子增强化学气相沉积方法制备100nm Si3N4复合绝缘层5(图5f)；最后，在电极对交叉的位置制备孔径为1nm纳米孔6(图5g)。
实施例3
如图6所示：在500μm厚的单晶SiC{0001}基板1在超高真空中(1.0×10-10torr)进行热(950℃-1400℃)表面处理成为富硅面(Si-terminated surface)或者富碳面(C-terminated surface)绝缘层2(图6a)，从而外延生长得到石墨烯层7(图6b)。采用光刻及氧等离子体刻蚀制备石墨烯电极对3图形(图6c)。其中，由于石墨烯电极层的厚度只有大约0.7nm的程度，为了建立有效的电接触，在石墨烯电极对3图形上利用光刻及刻蚀技术在石墨烯电极对上制备Pd(50nm)电接触层4(图6d)；然后，采用等离子增强化学气相沉积方法制备100nm Si3N4绝缘层5(图6e)；最后，在电极对交叉的位置制备孔径为3nm纳米孔6(图6f)。
效果：对绝缘的单晶SiC在超高真空表面上可以大规模地制备高均匀性的石墨烯，从而不需要将制备的石墨烯进行转移。
实施例4
在600μm厚的单晶硅基板1(图7a)上热氧化制备100nm SiO2绝缘层2(图7b)；在SiO2绝缘层2制备100nm金属Ni催化层8(图7c)，此金属催化层8用来生长石墨烯电极层3；在制备100nm金属Ni催化层8后，将其置于超高真空中(9×10-9torr)进行热(950℃)处理30分钟，然后，在CH4气氛中在Ni催化层8上合成石墨烯电极3(图7d)。石墨烯电极合成后，将其放于1M的FeCl3溶液中将金属Ni催化层反应掉，这样石墨烯电极3就自动地留在SiO2绝缘层2上(图7e)。其中，石墨烯电极的厚度大约为1.05nm程度，为了建立有效的电接触，在石墨烯电极3图形上利用光刻及刻蚀技术在石墨烯电极上制备Pt(50nm)电接触层4(图7f)；然后，采用原子层沉积技术制备150nm Al2O3层5(图7g)；最后，在电极对交叉的位置制备孔径为30nm纳米孔6(图7h)。
效果：此实施例直接在第一绝缘层上制备金属催化层用来直接合成石墨烯；合成石墨烯后，将催化金属层反应掉，石墨烯就直接留在绝缘层上，从而避免了转移步骤。金属催化层材料可以从Ni，Cu，Pt，Pd，Ir，Ru，Co和Fe中选择一种或几种，其厚度为15nm-600nm。用于合成石墨烯的含碳气体选自一氧化碳，乙烷，乙烯，乙醇，乙炔，丙烷，丙烷，丙烯，丁烷，丁二烯，戊烷，戊烯，环戊二烯，正己烷，环己烷，苯和甲苯。
所附图只是为了更简单清楚地说明本发明的创新性，并不一定代表纳米孔电学传感器的实际的尺寸，大小以及形状等。

Claims (7)

1.一种纳米孔电学传感器，其特征在于包括基板(1)、第一绝缘层(2)、对称性电极(3)、电接触层(4)、第二绝缘层(5)和纳米孔(6)；在基板(1)上依次设有第一绝缘层(2)、对称性电极(3)，在第一绝缘层(2)上和对称性电极(3)边缘上设有电接触层(4)，在对称性电极(3)上设有第二绝缘层(5)，在基板(1)、第一绝缘层(2)、对称性电极(3)和第二绝缘层(5)的中心设有纳米孔(6)；所述的对称性电极(3)对称性地分布于纳米孔(6)周围，电极之间互相不接触；对称性电极(3)的材料为层状导电材料石墨，电极的厚度为0.35～3.5nm。
2.根据权利要求1所述的一种纳米孔电学传感器，其特征在于所述的对称性电极(3)为2～30对中心发射状纳米电极。
3.根据权利要求1所述的一种纳米孔电学传感器，其特征在于所述的基板(1)的材料为半导体材料或绝缘材料，半导体材料为Si、GaN、Ge或GaAs中的一种，绝缘材料为SiC。
4.根据权利要求1所述的一种纳米孔电学传感器，其特征在于所述的第一绝缘层(2)和第二绝缘层(5)的材料为SiO2、Al2O3、BN、SiC或SiNx中的一种或多种的层状混合物。
5.根据权利要求1所述的一种纳米孔电学传感器，其特征在于所述的石墨为1～10层的石墨烯。
6.根据权利要求1所述的一种纳米孔电学传感器，其特征在于所述的电接触层(4)的材料为Au、Cr、Ti、Pd、Pt、Cu、Al或Ni中的一种或多种的混合物。
7.根据权利要求1所述的一种纳米孔电学传感器，其特征在于所述的纳米孔(6)的孔径为1～50nm。
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