CN102384934A

CN102384934A - 在纳米孔表面制备纳米间隙电极的方法

Info

Publication number: CN102384934A
Application number: CN2011102853236A
Authority: CN
Inventors: 吴宏文; 刘丽萍; 谢骁; 叶晓峰; 赵志亮; 陆祖宏; 刘全俊; 易红
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2012-03-21

Abstract

本发明涉及在纳米孔表面制备纳米间隙电极的方法：(1)在基材表面相对的两条金属线的端面上分别修饰核苷酸片段A和核苷酸片段B；(2)引入两端分别与核苷酸片段A和核苷酸片段B互补的双链DNA，使双链DNA和两金属线上的核苷酸片段A和核苷酸片段B结合后，以非折叠状态连接在两金属线之间；(3)在双链DNA骨架上沉积、聚集Ag⁺，然后使聚集的Ag⁺还原成Ag纳米线；(4)将Ag纳米线刻蚀穿，并将基材刻蚀形成贯穿的纳米孔，形成表面具有纳米间隙电极的纳米孔。本发明所述方法可以在固态纳米孔孔内制备出纳米间隙电极的方法，从而能够实现二维同时检测生物大分子通过纳米孔所产生的信号变化，广泛地应用各种生物大分子的检测。

Description

在纳米孔表面制备纳米间隙电极的方法

技术领域

本发明涉及一种在纳米孔表面制备纳米间隙电极的方法。

背景技术

纳米孔测序一直以来被视为第三代基因组测序方法的重要组成部分，其原理是DNA在外加电压的驱动下，穿过一个纳米数量级直径的小孔，引起离子电流的改变。1996年，Kasianowicz及其同事首次报道了单链DNA在外加电场的作用下，通过自组装在脂质双分子层上的α-溶血素纳米孔，并且在DNA分子通过α-溶血素纳米孔时检测到了电流的变化。很多理论和实验都已经证明了，不同的碱基由于其不同的原子组成以及结构，导致他们在穿过同一纳米孔时产生的电流变化也不同，因此可以根据检测到的信号来可以区分出四种不同的碱基A、T、C、G，获得DNA分子的序列信息及基因组成，为实现直接、快速的检测单链DNA的遗传信息提供了可能[Branton D，et al.，Nature Biotechnol.2008，26，1146-1153；DeamerD W，Branton D.Acc Chem Res.2002，35，817-825]。

但是，α-溶血素纳米孔等生物纳米孔存在一些固有的缺点，比如孔径固定、寿命短、稳定性差、环境条件要求高，这些缺陷在一定程度上限制了生物纳米孔在检测生物大分子上的应用。后来，人们发现可以聚焦离子束工作站或是聚焦电子束工作站在Si₃N₄薄膜打出纳米数量级的小孔[Li J，et al.Nature，2001，412，166-169]，而且孔径是可以控制的。人造Si₃N₄纳米孔的出现，使得纳米孔装置再一次引起了学界的兴趣和重视，也被越来越多地应用于DNA测序以外的其他生物大分子的检测。相对于生物纳米孔来说，人造纳米孔直径可控，化学性质稳定，可以重复利用，已经成为近几年纳米孔研究中的热点。

纳米孔应用于DNA等生物大分子的检测，其原理是基于生物大分子通过时产生的纵向离子电流的改变，而很多时候一维的信号还不足以推断出生物大分子的内部信息，比如DNA分子的碱基序列。通过集成在纳米孔孔内的纳米间隙电极来检测生物大分子通过纳米孔时产生的横向隧道电流，实现了二维双通道同时检测生物大分子过孔的信号变化，提高了检测的准确性和可信性[Yuhui He，et al.applied physics letters，2010，97]。

发明内容

本发明提供一种在纳米孔表面制备纳米间隙电极的方法。

所述在纳米孔表面制备纳米间隙电极的方法如下：

(1)在基材表面相对的两条金属线的端面上分别修饰核苷酸片段A和核苷酸片段B；

(2)引入两端分别与核苷酸片段A和核苷酸片段B互补的双链DNA，使双链DNA和两金属线上的核苷酸片段A和核苷酸片段B结合后，以非折叠状态连接在两金属线之间；

(3)在双链DNA骨架上沉积、聚集Ag⁺，然后使聚集的Ag⁺还原成Ag纳米线；

(4)将Ag纳米线刻蚀穿，并将基材刻蚀形成贯穿的纳米孔，形成表面具有纳米间隙电极的纳米孔。

所述基材表面相对的两条金属线相距16μm-5μm。

所述核苷酸片段A和核苷酸片段B长12bp-40bp，DNA分子长15kb-48kb。

所述金属线为Au，核苷酸片段A和B的3’端修饰-SH后分别连接到两金属线的端面上，或者核苷酸片段A和B的5’端修饰-SH后分别连接到两金属线的端面上。为了便于在两金属线端面分别修饰不同的核苷酸片段，可以通过已有的方法，先使一条金属线相对惰化，仅使另一条金属线参与和核苷酸片段的反应，如在需要惰化的金属线表面覆盖无法与核苷酸片段反应的掩膜。优选的方法是，在一条金属线表面覆盖一层铜，使修饰-SH后的核苷酸片段A选择性结合到Au线端面；然后去掉前述金属线表面的铜，露出Au，再使修饰-SH后的核苷酸片段B结合到去掉铜后暴露出来的Au线端面。可采用公知的方法在金属线表面覆盖一层铜或去掉覆盖的铜，如电镀或电解。

本发明所述方法可以在固态纳米孔孔内制备出纳米间隙电极的方法，从而能够实现二维同时检测生物大分子通过纳米孔所产生的信号变化，广泛地应用各种生物大分子的检测。

附图说明

图1示出实施例1中表面有金属线的基材的制备流程；

图2示出实施例1中在纳米孔表面制备纳米间隙电极的制备流程。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，双面抛光的4寸硅晶圆1，先用浓硫酸和双氧水的混合溶液以及BOE清洗，以去除硅晶圆表面的杂质，包括表面自然氧化所形成的二氧化硅。通过溅射在硅片的一面上沉积一层几纳米的二氧化硅薄膜2，使用低压气相沉积方法(LPCVD)在二氧化硅薄膜上(即正面)沉积一层10-100nm的氮化硅3。在正面的氮化硅薄膜上，通过传统光刻方法在光刻胶上光刻出需要的金属线图案，然后使用电子束蒸镀形成最终的金属线图形4。硅片反面通过LPCVD沉积一层400nm左右的氮化硅5，通过光刻形成刻蚀窗图形，接着用RIE刻蚀，在氮化硅薄膜上刻蚀出腐蚀窗6，紧接着用TMAH溶液在刻蚀窗上继续腐蚀硅，形成悬臂结构7。

正面的氮化硅薄膜3表面为四个5μm宽的材料为Au的金属线相距5μm。首先，利用电化学工作站在其中的3个金属线上电镀上金属铜8，目的是防止核苷酸片段A与这三个电极结合，而是特异性地结合到没有镀铜的金属线上；长为12bp的核苷酸片段A的末端先修饰-SH，巯基-SH可以与金结合，但和铜不易结合，因此，可以将特异性寡聚核苷酸片段oligoA9的3’端通过-SH连接到暴露的Au金属线一端；其次，将需要制作电极的另一金属线上的铜电解，暴露出能和-SH结合的金10；接着，采用同样的方法，将长为12bp的与核苷酸片段oligoA序列不同的特异性寡聚核苷酸片段oligoB 10的3’端通过-SH连接到电解铜后暴露出的Au金属线一端；当两金属线分别接上了oligoA和oligoB以后，引入长15kb的DNA分子12，其两端分别与oligoA和oligoB互补，因此退火的条件下，该DNA分子12能和两金属线上的特异性寡聚核苷酸片段oligoA和oligoB结合；用倒置荧光显微镜观察DNA是否连接到两个金导线上，由于DNA带负电，有利于进行Ag+的沉积，在碱性条件下加入Ag⁺(将样品浸入0.1mmol/L的AgNO₃溶液即可)，Ag⁺能聚集在DNA的骨架上，形成Ag⁺/DNA复合物14；最后，加入hydroquinone(对二苯酚)，使得Ag⁺/DNA复合物结合更加紧密；在酸性条件下，使得Ag⁺快速还原成Ag纳米线16。在纳米银线16制作好以后，利用FIB在特定的位置将线与氮化硅薄膜同时刻蚀穿，最终形成了集成表面间隙电极的纳米孔，纳米间隙电极的线宽4-10nm，纳米间隙电极5-40nm，纳米孔5-40nm。

Claims

1.一种在纳米孔表面制备纳米间隙电极的方法，其特征在于，

(4)将Ag纳米线刻蚀穿，并将基材刻蚀形成贯穿的纳米孔，从而形成表面具有纳米间隙电极的纳米孔。

2.如权利要求1所述的在纳米孔表面制备纳米间隙电极的方法，其特征在于，所述基材表面相对的两条金属线相距5μm-16μm。

3.如权利要求2所述的在纳米孔表面制备纳米间隙电极的方法，其特征在于，所述核苷酸片段A和核苷酸片段B长12bp-40bp，DNA分子长15kb-48kb。

4.如权利要求1-3中任一项所述的在纳米孔表面制备纳米间隙电极的方法，其特征在于，所述金属线为Au，核苷酸片段A和B的3’端修饰-SH后分别连接到两金属线的端面上，或者核苷酸片段A和B的5’端修饰-SH后分别连接到两金属线的端面上。

5.如权利要求4所述的在纳米孔表面制备纳米间隙电极的方法，其特征在于，在一条金属线表面覆盖一层铜，使修饰-SH后的核苷酸片段A选择性结合到Au线端面；然后去掉前述金属线表面的铜，露出Au，再使修饰-SH后的核苷酸片段B结合到去掉铜后暴露出来的Au线端面。