CN102539503A - 一种纳流控芯片及基于afm的加工方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种纳流控芯片及基于AFM的加工方法和应用，所述芯片的两端设置两个储液池，每个储液池连有微米管道，所述两个微米管道间设置纳米管道，所述纳米管道两侧各设置与管道成垂直的电极。利用AFM探针加工出连通微米管道的纳米管道。在芯片储液池间施加一定电压，同时在管道两侧电极上施加一个小电压并测量电流信号的变化；当有物体在纳米管道中流动经过电极时，将产生电流的变化，对该信号检测可用于分析纳米材料的结构及物理特性。该纳流控芯片的加工及信号检测方法可应用于DNA分子的低成本、快速测序。

Description

一种纳流控芯片及基于AFM的加工方法和应用

技术领域

本发明属于纳米加工及纳流控信号检测领域，具体地说是通过AFM加工出纳米级深度及宽度的管道，并通过横向电极对管道内流动的纳米物体状态进行检测的方法。

背景技术

纳米管道是指至少有一维尺寸在纳米级的微小管道，纳米管道在纳流控研究领域中具有许多优势。由于纳米管道的尺寸在纳米级，因而可用于研究在如此细小的管道内液体和气体的新颖物理特性。纳米管道相比纳米孔来说，具有较长的一维尺度，使得管道中液体可以具有更慢的流动速度，因而可提高检测的分辨率。同时在纳米管道两侧可设置多个检测点，这些有助于对管道内物体特性进行高灵敏度、多点检测。包含纳米管道的纳流控芯片可广泛应用于对细小纳米物体进行高灵敏度检测和操作，如生物分子检测及单DNA操作等。

目前纳米管道的加工方法主要有聚焦离子束法,化学腐蚀方法。聚焦离子束加工方法利用等离子体轰击样本去除样本表面材料，形成沟道。但该方法价格昂贵，容易损伤样本，且准备样本的过程很缓慢。化学腐蚀方法通过化学溶液与样本发生化学反应将一定样本腐蚀掉形成沟道，但该方法难以控制腐蚀沟道的参数及均匀性，且容易留下残留物，造成污染。

 

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种纳流控芯片及基于AFM的加工方法和应用。

近年来原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)成为纳米加工的有力工具，AFM纳米加工方法具有加工精度高，不需要苛刻的操作环境(如真空，低温等)，操作灵活，成本低廉等优点。利用AFM的探针操控技术可以实现纳米尺度下的推、拉、刻、划等操作。通过探针刻划操作，可以在样本上加工出多种形式的纳米凹槽、沟道等纳米结构。将AFM加工技术应用到纳流控领域目前还没有相关报道，我们将结合AFM纳米加工的优势，使其与纳流控芯片的加工制作相结合，加工出纳米管道，利用该管道可对纳米物体(颗粒，生物分子等)进行计量、尺寸检测及特性测试。本发明的具体方案如下：

 一种纳流控芯片，其特征在于：在芯片的两端设置两个储液池，每个储液池连有微米管道，所述两个微米管道间设置纳米管道，所述纳米管道两侧各设置与纳米管道成垂直的电极。

为取得最佳技术效果，所述纳米管道深度为1—20nm，宽1-200nm，长15-25mm；所述电极的数量为5对。

本发明还公开了所述纳流控芯片的加工方法：

1）设计加工出纳流控芯片结构，芯片由微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)加工工艺完成，芯片结构为：含有两个储液池，储液池间连有微米管道，所述微米管道间留有20微米待加工区域，用于利用AFM刻划加工出纳米管道，通过该电极可对管道内物体物理特性进行信号检测；

2）利用AFM探针的机械刻划功能，通过控制探针压入芯片一定深度，并控制探针直线运动，可在芯片上预留的待加工区域加工出深度在深度为1—20nm，宽1-200nm，长15-25mm的沟道；纳米管道两侧各有5个与纳米管道成垂直的电极；

3）对加工好纳米管道的芯片进行阳极键合封装（阳极键合是一种利用电和热相互作用实现固体电解质玻璃(陶瓷)与半导体(金属)材料固态连接的一种方法），并在封装后的芯片储液池上方各加工出小孔，通入直径几个纳米的带电颗粒溶液或DNA溶液。

本发明进一步公开了一种所述纳流控芯片的应用方法， 在芯片储液池间施加一定电压，同时在管道两侧电极上施加一个小电压并测量电流信号的变化；当有物体在纳米管道中流动经过电极时，将产生电流的变化，对该信号检测可用于分析纳米材料的结构及物理特性。

本发明的原理：

设计加工出带有横向电极的特定结构纳流控芯片，并利用AFM加工出深度和宽度都在纳米级的纳米管道。通过在管道入口和出口储液池施加一定电压，可驱动管道内带电纳米物体（颗粒，生物分子等）在管道内运动。当管道内带电纳米物体经过管道两侧的微电极时将引起电极测得的电流信号发生变化，进而利用该信号变化可对纳米物体（颗粒，生物分子等）的结构和物理特性进行分析。

本发明具有如下优点：

纳米管道的AFM加工方法快捷，精确而且成本不高。电压驱动纳米物体（颗粒，生物分子等）通过管道的方法通过改变电压大小及电压极性可有效、灵活地改变纳米物体（颗粒，生物分子等）在纳米管道中的运动速度、方向，有利于通过电极对纳米物体（颗粒，生物分子等）的结构和物理特性进行高灵敏度检测。本发明可用于DNA分子的低成本、快速测序，因而对生物医学及生物检测具有重要科学意义。

附图说明

图1为本发明的纳流控芯片结构图；

图2为AFM实际加工的纳米管道照片；

图3a-图3b为纳米物体溶液通过纳米管道的荧光照片；

图4为电极检测到的纳米物体通过纳米管道过程中的电信号曲线。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明。

图1为本发明纳流控芯片结构，其中1所指示部分为电极，芯片上设计了5对电极，2为AFM加工出的纳米管道，3为微米管道，4为储液池。

加工方法为

1）设计纳流控芯片：设计加工出如图1所示的纳流控芯片，其中微米管道3中间的未连接区域为待加工区域，用于后续利用AFM加工方法加工出纳米管道2。该芯片结构中可利用电极1对纳米管道2中的纳米物体溶液进行信号检测分析；

2）AFM加工纳米管道：通过控制AFM探针压入芯片表面一定深度，并控制探针直线运动，可在芯片上预留的待加工区域加工出深度和宽度都在纳米级的纳米管道2，纳米管道2的尺寸为深度为1—20nm，宽1-200nm，长15-25mm，AFM实际加工的效果如图2所示。AFM探针在加工纳米管道2过程中同时将电极1割断形成自配准的电极对，用于对纳米管道2中的纳米物体进行信号检测。

3）芯片的键合封装及通入带电纳米物体溶液：对加工好纳米管道的芯片进行阳极键合封装，

所述阳极键合封装是指：利用电和热相互作用实现电解质玻璃对微流控芯片的固态封盖，使得纳米管道在微流控芯片内部成为一个中空的疏通管道，用于通入纳米物体溶液。

在封装后的芯片储液池4上方加工出小孔，在抽真空条件下通入带电纳米物体溶液5 (颗粒，生物分子等)，如图3a-图3b所示，在图3a中，微米管道3没有液体，无法显示，当有液体通过时（图3b所示），微米管道3有液体流动，微米管道3可显示。图中液体流动方向为由右侧流向左侧。

纳米管道中纳米物体溶液的电场驱动及信号检测：在芯片的两个储液池4分别施加一定电压，则如图3a所示，右侧微米管道3中的纳米物体溶液在电场驱动下，带电纳米物体由右侧微米管道3经纳米管道2流动到左侧微米管道3。从图3b可以看到右侧的纳米物体溶液5已经流到了左侧的微米管道中。在此过程中，通过在电极1测量电流的变化。当纳米管道中有纳米物体经过电极1时，将引起电流产生突变，如图4所示。利用该信号可对纳米物体的结构和物理特性进行深入分析。

Claims (5)

1.一种纳流控芯片，其特征在于：在芯片的两端设置两个储液池，每个储液池连有微米管道，所述两个微米管道间设置纳米管道，所述纳米管道两侧各设置与纳米管道垂直的电极。

2.根据权利要求1所述的纳流控芯片，其特征在于：所述纳米管道深度为1—20nm，宽1-200nm，长15-25mm。

3.权利要求1所述的纳流控芯片，其特征在于：所述电极的数量为5对。

4.一种权利要求1所述纳流控芯片的加工方法，其特征在于是按照下述方法加工：

1）设计加工出纳流控芯片结构，芯片由微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)加工工艺完成，芯片结构为：含有两个储液池，储液池间连有微米管道，所述微米管道间留有20微米待加工区域，用于利用AFM刻划加工出纳米管道，AFM探针在加工纳米管道过程中同时将电极割断形成自配准的电极对，通过该电极对可对管道内物体物理特性进行信号检测；

2）利用AFM探针的机械刻划功能，通过控制探针压入芯片一定深度，并控制探针直线运动，可在芯片上预留的待加工区域加工出深度为1—20nm，宽1-200nm，长15-25mm的沟道；纳米管道两侧各有5个与纳米管道成垂直的电极；

3）对加工好纳米管道的芯片进行阳极键合封装，并在封装后的芯片储液池上方各加工出小孔，通入直径几个纳米的带电颗粒溶液或DNA溶液。

5.一种权利要求1所述纳流控芯片的应用方法，其特征在于：在芯片储液池间施加一定电压，同时在纳米管道两侧电极上施加一个小电压并测量电流信号的变化；当有物体在纳米管道中流动经过电极时，将产生电流的变化，对该信号检测可用于分析纳米材料的结构及物理特性。

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