CN111123428B - 一种零模波导孔孔壁的修饰方法及零模波导孔结构 - Google Patents

一种零模波导孔孔壁的修饰方法及零模波导孔结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种零模波导孔孔壁的修饰方法，该方法包括覆盖聚合物、紫外光照射在金属覆盖层的表面形成第一化学键以及聚合物进行剥离。本发明还涉及一种零模波导孔结构。本发明通过在零模波导孔的孔壁上覆盖聚合物，通过紫外光进行照射在金属覆盖层的表面进行键合形成具有高折射率非反射的第一化学键；增加高折射率非反射材料的第一化学键的沉积厚度可以缩小零模波导孔的孔内体积，显著减小孔内的游离核苷酸，提高信噪比。另外，通过在孔内部沉积高折射率非反射材料的第一化学键可以使被激发荧光的位置远离零模波导孔的金属壁，使荧光不会减弱甚至淬灭，荧光效果增强的同时也使得检测更加灵敏。

Description

一种零模波导孔孔壁的修饰方法及零模波导孔结构
技术领域
本发明涉及微纳加工工艺领域，尤其涉及一种零模波导孔孔壁的修饰方法及零模波导孔结构。
背景技术
目前利用零模波导孔(ZMW)实现单分子实时测序，两个主要技术成分是：一是零模波导(ZMW)限制允许在与酶相关的标记核苷酸浓度下进行单分子检测，另一个是荧光标记的磷酸连接核苷酸，允许观察不间断的DNA聚合。
ZMWs纳米结构由密集的孔阵列组成，在透明衬底(例如二氧化硅)上沉积金属膜。每个ZMW变成一个纳米光子可视化室，用于记录单个聚合反应，提供的检测体积仅为10-21升。这个体积比衍射限制共焦显微镜提高1000倍，使得在荧光标记核苷酸扩散的背景下观察单核苷酸掺入事件成为可能。除了减少观察体积内标记核苷酸的数量外，高度受限的体积还导致扩散探视时间大大缩短。这使得通过观察体积(通常持续几微秒)的标记核苷酸扩散事件和酶核苷酸掺入事件(通常持续几毫秒)之间更好的时间区分。第二个重要组成部分是磷酸连接核苷酸，其荧光标签通常通过连接体连接到末端磷酸盐而不是碱基。用磷酸连接的核苷酸100％取代未修饰的核苷酸，这是因为酶在结合过程中分解荧光团，留下一个完全天然的双链核酸。
但是在测序的过程中孔内游离的核苷酸较多，对荧光信号检测产生干扰、信噪比低；荧光在被激发时越靠近金属孔壁产生的效果越弱，当完全靠近时会发生荧光淬灭。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种零模波导孔孔壁的修饰方法。
本发明通过在零模波导孔的孔壁上覆盖聚合物，以减小零模波导孔的孔内体积，提高信噪比。
本发明提供一种零模波导孔孔壁的修饰方法，包括如下步骤：在零模波导孔的孔壁上覆盖聚合物并进行固化；其中，零模波导孔的孔壁在覆盖前包括金属覆盖层与光纤波导层；
利用紫外光对覆盖后的所述聚合物的零模波导孔进行照射，所述聚合物在所述紫外光的照射下与所述金属覆盖层的表面进行键合形成第一化学键，所述第一化学键为具有高折射率非反射的材料；
将所述聚合物从零模波导孔的孔壁上剥离，所述第一化学键键合于所述金属覆盖层的表面；所述第一化学键在所述金属覆盖层的表面形成设定厚度，以减小零模波导孔的孔内体积。
优选地，所述利用所述紫外光对覆盖所述聚合物的零模波导孔进行照射，包括：
利用所述紫外光对覆盖所述聚合物的零模波导孔的上表面与下表面同时进行照射。
优选地，所述聚合物在所述紫外光的照射下与所述金属覆盖层的表面进行键合形成第一化学键，包括：
所述聚合物在所述紫外光的照射下不与所述光纤波导层的表面进行反应。
优选地，所述聚合物在所述紫外光的照射下与所述金属覆盖层的表面进行键合形成第一化学键，包括：
所述聚合物在所述紫外光的照射下与所述金属覆盖层的表面进行键合形成第一化学键的同时与所述光纤波导层的表面进行反应形成第二化学键；当将所述聚合物从零模波导孔的孔壁上剥离的时候，所述第二化学键跟随所述聚合物一同被剥离。
优选地，所述紫外光的波长范围为：大于等于250nm并小于等于260nm。
优选地，将所述聚合物从零模波导孔的孔壁上剥离，包括：
所述聚合物通过机械剥离的方式从零模波导孔的孔壁上脱离。
优选地，所述利用所述紫外光对覆盖所述聚合物的零模波导孔进行照射，包括：
利用所述紫外光对覆盖所述聚合物的零模波导孔进行设定时间的照射，通过所述设定时间的照射使得所述第一化学键形成所述设定厚度。
优选地，所述设定厚度的所述第一化学键使其与零模波导孔内的待测样本的折射率比大于等于1.5并小于等于3.0。
优选地，所述聚合物为聚二甲基硅氧烷。
本发明还提供了一种零模波导孔结构，包括利用一种零模波导孔孔壁的修饰方法制作的波导孔结构本体，所述波导孔结构本体包括按顺序叠加的透明衬底层、非透明的光纤波导层与金属覆盖层，所述透明衬底层、光纤波导层以及金属覆盖层三者之间依次层叠；所述金属覆盖层与光纤波导层之间形成波导孔，在所述波导孔的孔壁及所述金属覆盖层的表面覆盖所述聚合物，所述聚合物填充所述波导孔的内部；
在所述紫外光的作用下所述聚合物与所述金属覆盖层之间形成所述第一化学键，所述第一化学键在所述波导孔的内壁上形成设定厚度，以减小所述波导孔的孔径。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明公开了一种零模波导孔孔壁的修饰方法，该方法通过在零模波导孔的孔壁上覆盖聚合物，通过紫外光进行照射在金属覆盖层的表面进行键合形成具有高折射率非反射的第一化学键；增加高折射率非反射材料的第一化学键的沉积厚度可以缩小零模波导孔的孔内体积，显著减小孔内的游离核苷酸，提高信噪比。另外，通过在孔内部沉积高折射率非反射材料的第一化学键可以使被激发荧光的位置远离零模波导孔的金属壁，使荧光不会减弱甚至淬灭，荧光效果增强的同时也使得检测更加灵敏。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的一种零模波导孔孔壁的修饰方法的整体流程图；
图2为本发明的一种零模波导孔孔壁的修饰方法的未修饰之前的结构图；
图3为本发明的一种零模波导孔孔壁的修饰方法中覆盖聚合物的结构示意图；
图4为本发明的一种零模波导孔孔壁的修饰方法中的紫外光照射的结构示意图；
图5为本发明的一种零模波导孔孔壁的修饰方法中的键合成化学键的结构示意图；
图6为本发明的一种零模波导孔孔壁的修饰方法中的聚合物剥离的结构示意图；
附图标记：101、透明衬底层，102、光纤波导层，103、金属覆盖层，104、聚合物，105、第一化学键。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
本发明提供一种零模波导孔孔壁的修饰方法，如图1-6所示，包括如下步骤：
S1、在零模波导孔的孔壁上覆盖聚合物104并进行固化；其中，零模波导孔的孔壁在覆盖前包括金属覆盖层103与光纤波导层102。在一个实施例中，如图2、3所示，金属覆盖层103与光纤波导层102形成孔壁为金属覆盖层103孔底端为光纤波导层102的孔即零模波导孔。在零模波导孔内覆盖聚合物104，该聚合物104可以在紫外光的照射下与金属覆盖层103进行键合，该聚合物104优选聚二甲基硅氧烷。聚二甲基硅氧烷填充整个零模波导孔并延伸至金属覆盖层103的表面。
S2、利用紫外光对覆盖所述聚合物104的零模波导孔进行设定时间的照射，所述聚合物104在所述紫外光的照射下与所述金属覆盖层103的表面进行键合形成第一化学键105，所述第一化学键105为具有高折射率非反射的材料。在一个实施例中，如图4所示，将已经固化好的覆盖聚合物的零模波导孔利用紫外光进行照射，聚二甲基硅氧烷在紫外光的照射下与金属覆盖层103之间进行键合形成第一化学键105，该第一化学键105牢固的吸附于金属覆盖层103的表面。金属覆盖层103的材料一般为铝或金。
利用所述紫外光对覆盖所述聚合物104的零模波导孔的上表面与下表面同时进行照射。一般地，当入射波长大于零模波导孔直径的1.7倍，入射光的光斑远大于波导孔的直径，该入射光将不能在波导孔中传输，光只能照亮其中一部分区域；而通过对零模波导孔的上、下表面同时进行照射将可以避免该种情况的发生，使得零模波导孔的内部都能被紫外光照射到。
在一个实施例中，所述聚合物104在所述紫外光的照射下不与所述光纤波导层102的表面进行反应。波导孔的底端为光纤波导层102，在进行聚合物104覆盖的时候波导孔的底端也被覆盖有聚合物104。在利用紫外光进行照射的时候，光纤波导层102与聚合物104不反应，当将聚合物104进行剥离后，零模波导孔的底端还是光纤波导层102；而零模波导孔的孔壁上形成具有高折射率非反射的第一化学键105，第一化学键105的产生的厚度缩小零模波导孔的孔内体积，显著减小孔内的游离核苷酸，提高信噪比。
在另一个实施例中，所述聚合物104在所述紫外光的照射下与所述金属覆盖层103的表面进行键合形成第一化学键105的同时与所述光纤波导层102的表面进行反应形成第二化学键；当将所述聚合物104从零模波导孔的孔壁上剥离的时候，所述第二化学键跟随所述聚合物104一同被剥离。无论聚合物104与光纤波导层102反应还是不反应，在进行聚合物剥离后，零模波导孔的底端为光纤波导层102。
紫外光的波长范围为250nm到260nm。一般地，第一化学键105在零模波导孔的孔壁上形成的厚度大小与紫外光的照射时间的长短有直接关系。利用紫外光对覆盖有聚合物104的零模波导孔上下表面同时照射大约20秒，零模波导孔的内壁上将形成厚度为2nm的化学键，再继续照射大约100秒提升化学键表面的平整度。
利用所述紫外光对覆盖所述聚合物104的零模波导孔进行设定时间的照射，通过所述设定时间的照射使得所述第一化学键形成所述设定厚度。所述设定厚度的所述第一化学键105使其与零模波导孔内的待测样本的折射率比大于等于1.5并小于等于3.0。在零模波导孔的内部表面覆盖一层高折射率非反射材料，高折射率非反射材料覆盖金属覆盖层103的表面，高折射率非反射材料与待测样本折射比率越高，荧光的强度就越高，但是较高的荧光强度会影响酶的活性，可以通过控制高折射率非反射材料5在零模波导孔的孔壁上的厚度来调整高折射率非反射材料与待测样本的折射比率，该折射比率一般控制在1.5-3.0之间可保证在增强荧光的同时保证酶的活性。
S3、将所述聚合物从零模波导孔的孔壁上剥离，所述第一化学键105键合于所述金属覆盖层103的表面；所述第一化学键105在所述金属覆盖层103的表面形成设定厚度，以减小零模波导孔的孔内体积。在一个实施例中，如图5、6所示，通过机械剥离的方式将聚合物104从零模波导孔内剥离，第一化学键105吸附于零模波导孔的孔壁上以及孔壁的延伸即金属覆盖层103的表面。第一化学键105在金属覆盖层103上形成的厚度由紫外光的照射时间长短来决定。第一化学键105的厚度即高折射率非反射的沉积厚度，该厚度可以缩小零模波导孔的孔内体积，显著减少孔内的游离核苷酸，提高信噪比。另外，通过在孔内部沉积高折射率非反射材料的第一化学键105可以使被激发荧光的位置远离零模波导孔的金属壁，使荧光不会减弱甚至淬灭，淬灭即表明在荧光过程中，光子产生的数量在很短的时间内衰减或者消失；荧光效果增强的同时也使得检测更加灵敏。通过设定紫外光的照射时间来确定第一化学键105的厚度即控制孔内样本与非反射壁的折射率，可以在增强荧光与保证酶活性之间获得最佳平衡。
本发明还提供一种零模波导孔结构，如图2-6所示，包括利用一种零模波导孔孔壁的修饰方法制作的波导孔结构本体，所述波导孔结构本体包括按顺序叠加的透明衬底层、非透明的光纤波导层与金属覆盖层，所述透明衬底层101、光纤波导层102以及金属覆盖层103三者之间依次层叠；所述金属覆盖层103与光纤波导层102之间形成波导孔，在所述波导孔的孔壁及所述金属覆盖层103的表面覆盖所述聚合物104，所述聚合物104填充所述波导孔的内部；
在所述紫外光的作用下所述聚合物104与所述金属覆盖层103之间形成所述第一化学键105，所述第一化学键105在所述波导孔的内壁上形成设定厚度，以减小所述波导孔的孔径。在一个实施例中，光纤波导层102镶嵌在透明衬底内，作为孔底部的激发光源。光纤波导层102与金属覆盖层103之间一般通过电子束加工而成，金属覆盖层103以金属铝为例，具体地步骤包括：
清洗：用70℃的一份氢氧化铵，一份过氧化氢和六份水的溶液清洗盖玻片即包含光纤波导的玻璃。将盖玻片浸入该溶液中数分钟，然后在溢出的去离子水浴中冲洗10分钟。用压缩的干燥氮气干燥样品，然后用氧等离子体处理3分钟。
镀铝：通过热蒸发将清洁的盖玻片涂覆50nm的铝。
旋涂光刻胶：将电子束光刻抗蚀剂ZEP-7000A以3000RPM旋涂到盖玻片上60秒，热台170℃下烘烤30分钟，该过程产生约300nm厚的膜。
光刻及显影：将薄膜安装在电子束光刻系统中曝光，以微米分开的点图案进行电子束曝光，使用二甲苯溶液在室温下显影图案3分钟，用异丙醇冲洗终止显影，然后立即用压缩的干燥氮气吹干。
金属铝刻蚀：RIE20 sccm Cl2,40sccm BCl3,and 2sccm H2将显影的图案转移到铝层，将压力保持在20mT，并通过反馈控制射频功率以将样品偏置电位保持在400V。蚀刻进行约1分20秒。在从蚀刻室移除之后，立即将样品在去离子水中漂洗以除去残留的氯自由基，其可在暴露于空气中的水分时降解结构。将剩余的抗蚀剂暴露于短波长紫外线辐射下以使其曝光，并用该膜的另一种显影剂除去曝光的抗蚀剂甲基异丁基酮(MIBK)。
清洗：将样品在异丙醇中漂洗并用干燥氮气吹干。使用前的最后一步是使它们经受氧等离子体以硬化铝天然氧化物并除去加工过程中的任何有机残留物。使用1000瓦曝光3分钟，但是关闭射频功率以保持基板温度低于120℃以防止损坏铝膜。
所述波导孔的底端为所述光纤波导层，所述光纤波导层的表面不包括所述第一化学键。
所述波导孔的直径范围为10nm到300nm。一般波导孔的直径为100nm。
本发明公开了一种零模波导孔孔壁的修饰方法及利用该方法制作的零模波导孔结构，该方法通过在零模波导孔的孔壁上覆盖聚合物，通过紫外光进行照射在金属覆盖层的表面进行键合形成具有高折射率非反射的第一化学键；增加高折射率非反射材料的第一化学键的沉积厚度可以缩小零模波导孔的孔内体积，显著减小孔内的游离核苷酸，提高信噪比。另外，通过在孔内部沉积高折射率非反射材料的第一化学键可以使被激发荧光的位置远离零模波导孔的金属壁，使荧光不会减弱甚至淬灭，荧光效果增强的同时也使得检测更加灵敏。
以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种零模波导孔孔壁的修饰方法，其特征在于，包括如下步骤：
在零模波导孔的孔壁上覆盖聚合物并进行固化；其中，零模波导孔的孔壁在覆盖前包括金属覆盖层与光纤波导层；
利用紫外光对覆盖后的所述聚合物的零模波导孔进行照射，所述聚合物在所述紫外光的照射下与所述金属覆盖层的表面进行键合形成第一化学键，所述第一化学键为具有高折射率非反射的材料；
将所述聚合物从零模波导孔的孔壁上剥离，所述第一化学键键合于所述金属覆盖层的表面；所述第一化学键在所述金属覆盖层的表面形成设定厚度，以减小零模波导孔的孔内体积；
其中，所述具有高折射率非反射的材料为所述材料与零模波导孔内的待测样本的折射率比大于等于1.5并小于等于3.0。
2.如权利要求1所述的一种零模波导孔孔壁的修饰方法，其特征在于，所述利用所述紫外光对覆盖所述聚合物的零模波导孔进行照射，包括：
利用所述紫外光对覆盖所述聚合物的零模波导孔的上表面与下表面同时进行照射。
3.如权利要求2所述的一种零模波导孔孔壁的修饰方法，其特征在于，所述聚合物在所述紫外光的照射下与所述金属覆盖层的表面进行键合形成第一化学键，包括：
所述聚合物在所述紫外光的照射下不与所述光纤波导层的表面进行反应。
4.如权利要求2所述的一种零模波导孔孔壁的修饰方法，其特征在于，所述聚合物在所述紫外光的照射下与所述金属覆盖层的表面进行键合形成第一化学键，包括：
所述聚合物在所述紫外光的照射下与所述金属覆盖层的表面进行键合形成第一化学键的同时与所述光纤波导层的表面进行反应形成第二化学键；当将所述聚合物从零模波导孔的孔壁上剥离的时候，所述第二化学键跟随所述聚合物一同被剥离。
5.如权利要求2所述的一种零模波导孔孔壁的修饰方法，其特征在于，所述紫外光的波长范围为：大于等于250nm并小于等于260nm。
6.如权利要求1所述的一种零模波导孔孔壁的修饰方法，其特征在于，将所述聚合物从零模波导孔的孔壁上剥离，包括：
所述聚合物通过机械剥离的方式从零模波导孔的孔壁上脱离。
7.如权利要求2所述的一种零模波导孔孔壁的修饰方法，其特征在于，所述利用所述紫外光对覆盖所述聚合物的零模波导孔进行照射，包括：
利用所述紫外光对覆盖所述聚合物的零模波导孔进行设定时间的照射，通过所述设定时间的照射使得所述第一化学键形成所述设定厚度。
8.如权利要求1-7任一项所述的一种零模波导孔孔壁的修饰方法，其特征在于，所述聚合物为聚二甲基硅氧烷。
9.一种零模波导孔结构，其特征在于，包括利用权利要求1所述的一种零模波导孔孔壁的修饰方法制作的波导孔结构本体，所述波导孔结构本体包括按顺序叠加的透明衬底层、非透明的光纤波导层与金属覆盖层，所述透明衬底层、光纤波导层以及金属覆盖层三者之间依次层叠；所述金属覆盖层与光纤波导层之间形成波导孔，在所述波导孔的孔壁及所述金属覆盖层的表面覆盖所述聚合物，所述聚合物填充所述波导孔的内部；
在所述紫外光的作用下所述聚合物与所述金属覆盖层之间形成所述第一化学键，所述第一化学键在所述波导孔的内壁上形成设定厚度，以减小所述波导孔的孔径。
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