CN112251343A - 一种dna测序装置、固态纳米孔组件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种DNA测序装置、固态纳米孔组件及其制备方法，包括：固态纳米孔组件，包括在硅片上刻蚀倒金字塔形微腔，倒金字塔形微腔的塔顶形成一固态纳米孔，倒金字塔形微腔的塔底两侧蒸镀有第一金属电极；在硅片上方生长有第一层氧化硅，在第一层氧化硅下方沉积有一层氮化硅；在氮化硅方生长一第二层氧化硅形成金属电极氧化硅基座，在金属氧化硅基座刻蚀出一柱状空腔，柱状空腔底部的第二氧化硅上覆盖有第二金属电极；第一金属电极、电流测量装置以及电源、第二金属电极构成纵向微弱电流测量回路；电流测量装置测量纵向微弱电流测量回路的电流强度的变化对通过固态纳米孔的DNA序列进行测定。通过本发明实施例，可以提高DNA测序精度和测序效率。
Description
技术领域
本发明涉及基因检测领域，特别涉及一种DNA测序装置、固态纳米孔组件及其制备方法。
背景技术
纳米孔传感器经过二十多年的发展，由于其简单实用性，受到了业界的广泛关注，成为目前最具有前景的单分子检测技术。利用该技术，己经可以成功检测各种小分子、有机聚合物、蛋白质、酶和生物分子的复合物等。
相较于一般生物纳米孔，固态纳米孔传感器由于性质相对稳定，且不易受到温度、pH值等之影响，也不会受到化学药品的破坏，并具备能控制大小、选择不同固态材料等优点，固态纳米孔传感器的潜力与应用越来越受到重视。
然而，传统的固态纳米孔DNA测序装置也面临一些以下问题：
首先，聚焦离子束技术(FIB)制作固态纳米孔只能单个制作成本偏高。
其次，固态纳米孔通道长度过长，达到5nm以上，当多个碱基依次通过时测序电流变化过长。
再次，传统的固态纳米孔DNA测序电极的制作一般采用外接电极的方法，该方法不但复杂且存在着诸如影响检测稳定性、运输安装不便、增加成本等缺点。
最后，由于DNA通过纳米孔的流速太快，传统的固态纳米孔DNA测序装置普遍存在碱基检测识别率不高的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供的一种DNA测序装置、固态纳米孔组件及其制备方法，通过形成一种金属电极-氮化硅纳米孔-金属电极的三维封装的固态纳米孔阵列结构，缩短了纳米孔通道，提高了稳定性且更易控制孔径，使得DNA测序可以分辨到单个碱基，提高测序精度和提高测序效率。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
根据本发明实施例的一个方面，提供的一种DNA测序装置，包括固态纳米孔组件、电流测量装置和电源；其中：
所述固态纳米孔组件包括固态纳米孔结构和金属电极氧化硅基座；所述固态纳米孔结构包括一硅片，在所述硅片上刻蚀倒金字塔形微腔，所述倒金字塔形微腔的塔顶形成一固态纳米孔，所述倒金字塔形微腔的塔底两侧蒸镀有第一金属电极；在硅片上方生长有第一层氧化硅，在第一层氧化硅下方沉积有一层氮化硅；
所述金属电极氧化硅基座是在所述氮化硅方生长一第二层氧化硅形成，在所述金属氧化硅基座刻蚀出一柱状空腔，所述柱状空腔底部的第二氧化硅上覆盖有第二金属电极；
所述第一金属电极、电流测量装置以及电源、第二金属电极构成纵向微弱电流测量回路；所述电流测量装置测量该纵向微弱电流测量回路的纵向微弱电流强度的变化对通过固态纳米孔的DNA序列进行测定。
根据本发明实施例的另一个方面，提供的一种固态纳米孔组件，包括固态纳米孔结构和金属电极氧化硅基座；
所述固态纳米孔结构包括一硅片，在所述硅片上刻蚀倒金字塔形微腔，所述倒金字塔形微腔的塔顶形成一固态纳米孔，所述倒金字塔形微腔的塔底两侧蒸镀有第一金属电极；在硅片上方生长有第一层氧化硅，在第一层氧化硅下方沉积有一层氮化硅；
所述金属电极氧化硅基座是在所述氮化硅方生长一第二层氧化硅形成，在所述金属氧化硅基座刻蚀出一柱状空腔，所述柱状空腔底部的第二氧化硅上覆盖有第二金属电极。
根据本发明实施例的另一个方面，提供的一种固态纳米孔组件的制备方法，所述方法包括：
在硅片的底部上生成一层氧化硅；
在氧化硅上沉积氮化硅；
在氮化硅上蒸镀第一金属电极；
在硅片上蚀刻倒金字塔形微腔；
在倒金字塔形微腔的塔顶形成一固态纳米孔；
在氮化硅下方生长第二层氧化硅，并在第二层氧化硅上刻蚀第二金属电极；
采用阳极键合方法将氮化硅和第二层氧化硅固定在一起。
与相关技术相比，本发明实施例提供的一种DNA测序装置、固态纳米孔组件及其制备方法，所述DNA测序装置包括固态纳米孔组件、电流测量装置和电源；其中：所述固态纳米孔组件包括固态纳米孔结构和金属电极氧化硅基座；所述固态纳米孔结构包括一硅片，在所述硅片上刻蚀倒金字塔形微腔，所述倒金字塔形微腔的塔顶形成一固态纳米孔，所述倒金字塔形微腔的塔底两侧蒸镀有第一金属电极；在硅片上方生长有第一层氧化硅，在第一层氧化硅下方沉积有一层氮化硅；所述金属电极氧化硅基座是在所述氮化硅方生长一第二层氧化硅形成，在所述金属氧化硅基座刻蚀出一柱状空腔，所述柱状空腔底部的第二氧化硅上覆盖有第二金属电极；所述第一金属电极、电流测量装置以及电源、第二金属电极构成纵向微弱电流测量回路；所述电流测量装置测量该纵向微弱电流测量回路的纵向微弱电流强度的变化对通过固态纳米孔的DNA序列进行测定。通过本发明实施例，通过利用金属电极(金属电极铬/金)、硅、氧化硅、氮化硅材料形成一种金属电极-氮化硅纳米孔-金属电极(MPM)的三维封装的固态纳米孔结构，即在氮化硅上方的硅片上刻蚀有倒金字塔形微腔，在氮化硅下方的金属电极氧化硅基座刻蚀有直径大于倒金字塔形微腔塔底直径的柱状空腔，倒金字塔形微腔的塔顶形成固态纳米孔，所述柱状空腔底部的氧化硅上覆盖有第二金属电极形成正电极，倒金字塔形微腔的塔底两侧蒸镀第一金属电极形成负电极，第一金属电极、电流测量装置以及电源、第二金属电极构成纵向微弱电流测量回路，所述电流测量装置测量该纵向微弱电流测量回路的纵向微弱电流强度的变化对通过固态纳米孔的DNA序列进行测定。本实施例采用固态纳米孔，相比生物分子纳米孔，提高了稳定性且更易控制孔径，克服了生物分子纳米孔的不稳定性和孔径不易控制性；本实施例采用氮化硅纳米孔，相比常规硅材料固态纳米孔，缩短了纳米孔通道，使得DNA测序可以分辨到单个碱基，解决了常规固态纳米孔通道太长导致测序分辨率难以达到单个碱基的问题。本实施例采用固定电极的方法测纳米孔纵向离子电流，稳定性更强，从而提高测序精度，具有降低成本、体积更小、携带方便等特点，改善传统纳米孔离子电流，阻塞法信噪比低、易受外界环境干扰等问题。并且，本实施例采用使用加热的氢氧化钾(KOH)蚀刻与红外线双面对准曝光相结合的方法，在氮化硅上制作固态纳米孔，并结合带金属电极氧化硅基底构成金属电极-氮化硅纳米孔-金属电极的MPM结构，通过施加电场使得带负电荷的核酸分子穿过MPM结构，该结构不但可以稳定控制DNA通过孔的速度，同时由于采用了氮化硅材料，可以进行纵向离子电流和横向电流检测，提高测序效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种DNA测序装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种固态纳米孔组件的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种固态纳米孔组件制备方法的流程示意图；
图4为本发明实施例提供的一种固态纳米孔组件制备方法的流程示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅以解释本发明，并不用于限定本发明。
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
在一个实施例中，如图1所示，本发明提供一种基于三维封装的固态纳米孔DNA测序装置，所述DNA测序装置包括固态纳米孔组件100、电流测量装置200和电源300；其中：
所述固态纳米孔组件100包括固态纳米孔结构10和金属电极氧化硅基座20；所述固态纳米孔结构10包括一硅片11，在所述硅片11上刻蚀倒金字塔形微腔111，所述倒金字塔形微腔111的塔顶形成一固态纳米孔115，所述倒金字塔形微腔111的塔底两侧蒸镀有第一金属电极114形成负电极；在硅片11上方生长有第一层氧化硅112，在第一层氧化硅112下方沉积有一层氮化硅113。
所述金属电极氧化硅基座20是在所述氮化硅113下方生长一第二层氧化硅116形成，在所述金属氧化硅基座20刻蚀出一直径大于所述倒金字塔形微腔11塔底直径的柱状空腔21，所述柱状空腔21底部的第二氧化硅116上覆盖有第二金属电极22形成正电极。
所述第一金属电极114、电流测量装置20以及电源30、第二金属电极22构成纵向微弱电流测量回路；具体为：第一金属电极114、电流测量装置20依次串接后连接至电源30的负极，第二金属电极22连接至电源30的正极，构成纵向微弱电流测量回路。所述电流测量装置20测量该纵向微弱电流测量回路的纵向微弱电流强度的变化对通过固态纳米孔115的DNA序列进行测定。
优选地，所述电流测量装置20为皮安级电流表。所述电源30的偏置电压为0.05～0.2V。
优选地，所述硅片11的厚度为200-300微米(μm)，所述氧化硅112的厚度为1500纳米(nm)，所述氮化硅113的厚度为40纳米。
优选地，所述固态纳米孔115的直径为1.5～10纳米。
优选地，所述第一金属电极114和所述第二金属电极22是金属电极铬/金。
优选地，在所述倒金字塔形微腔111的塔底两侧的第一金属电极114两端的氮化硅113外部采用聚二甲基硅氧烷119包围形成一空腔118，所述空腔118中填充有电解液。优选地，所述电解液为KCl、Na Cl或Li Cl溶液，其浓度为0.8～1.5mol/L，pH值为8.0。
优选地，所述柱状空腔21填充有电解液。优选地，所述电解液为KCl、Na Cl或Li Cl溶液，其浓度为0.8～1.5mol/L，pH值为8.0。
在本实施例中，通过利用金属电极(金属电极铬/金)、硅、氧化硅、氮化硅材料形成一种金属电极-氮化硅纳米孔-金属电极(MPM)的三维封装的固态纳米孔结构，即在氮化硅上方的硅片上刻蚀有倒金字塔形微腔，在氮化硅下方的金属电极氧化硅基座刻蚀有直径大于倒金字塔形微腔塔底直径的柱状空腔，倒金字塔形微腔的塔顶形成固态纳米孔，所述柱状空腔底部的氧化硅上覆盖有第二金属电极形成正电极，倒金字塔形微腔的塔底两侧蒸镀第一金属电极形成负电极，第一金属电极、电流测量装置以及电源、第二金属电极构成纵向微弱电流测量回路，所述电流测量装置测量该纵向微弱电流测量回路的纵向微弱电流强度的变化对通过固态纳米孔的DNA序列进行测定。本实施例采用固态纳米孔，相比生物分子纳米孔，提高了稳定性且更易控制孔径，克服了生物分子纳米孔的不稳定性和孔径不易控制性；本实施例采用氮化硅纳米孔，相比常规硅材料固态纳米孔，缩短了纳米孔通道，使得DNA测序可以分辨到单个碱基，解决了常规固态纳米孔通道太长导致测序分辨率难以达到单个碱基的问题。本实施例采用固定电极的方法测纳米孔纵向离子电流，稳定性更强，从而提高测序精度，具有降低成本、体积更小、携带方便等特点，改善传统纳米孔离子电流，阻塞法信噪比低、易受外界环境干扰等问题。并且，本实施例采用使用加热的氢氧化钾(KOH)蚀刻与红外线双面对准曝光相结合的方法，在氮化硅上制作固态纳米孔，并结合带金属电极氧化硅基底构成金属电极-氮化硅纳米孔-金属电极的MPM结构，通过施加电场使得带负电荷的核酸分子穿过MPM结构，该结构不但可以稳定控制DNA通过孔的速度，同时由于采用了氮化硅材料，可以进行纵向离子电流和横向电流检测，提高测序效率。
在一个实施例中，如图2所示，本发明提供一种基于三维封装的固态纳米孔组件，所述固态纳米孔组件100包括固态纳米孔结构10和金属电极氧化硅基座20；其中：
所述固态纳米孔结构10包括一硅片11，在所述硅片11上刻蚀倒金字塔形微腔111，所述倒金字塔形微腔111的塔顶形成一固态纳米孔115，所述倒金字塔形微腔111的塔底两侧蒸镀有第一金属电极114形成负电极；在硅片11上方生长有第一层氧化硅112，在第一层氧化硅112下方沉积有一层氮化硅113。
所述金属电极氧化硅基座20是在所述氮化硅113下方生长第二层氧化硅116形成，在所述金属氧化硅基座20刻蚀出一直径大于所述倒金字塔形微腔11塔底直径的柱状空腔21，所述柱状空腔21底部的第二层氧化硅116上覆盖有第二金属电极22形成正电极。
优选地，所述硅片11的厚度为200-300微米(μm)，所述氧化硅112的厚度为1500纳米(nm)，所述氮化硅113的厚度为40纳米。
优选地，所述固态纳米孔115的直径为1.5～10纳米。
优选地，所述第一金属电极114和所述第二金属电极22是金属电极铬/金。
优选地，在所述倒金字塔形微腔111的塔底两侧的第一金属电极114两端的氮化硅113外部采用聚二甲基硅氧烷119包围形成一空腔118，所述空腔118中填充有电解液。优选地，所述电解液为KCl、Na Cl或Li Cl溶液，其浓度为0.8～1.5mol/L，pH值为8.0。
优选地，所述柱状空腔21填充有电解液。优选地，所述电解液为KCl、Na Cl或Li Cl溶液，其浓度为0.8～1.5mol/L，pH值为8.0。
在本实施例中，通过利用金属电极(金属电极铬/金)、硅、氧化硅、氮化硅材料形成一种金属电极-氮化硅纳米孔-金属电极(MPM)的三维封装的固态纳米孔结构，即在氮化硅上方的硅片上刻蚀有倒金字塔形微腔，在氮化硅下方的金属电极氧化硅基座刻蚀有直径大于倒金字塔形微腔塔底直径的柱状空腔，倒金字塔形微腔的塔顶形成固态纳米孔，所述柱状空腔底部的氧化硅上覆盖有第二金属电极形成正电极，倒金字塔形微腔的塔底两侧蒸镀第一金属电极形成负电极。本实施例采用固态纳米孔，相比生物分子纳米孔，提高了稳定性且更易控制孔径，克服了生物分子纳米孔的不稳定性和孔径不易控制性；本实施例采用氮化硅纳米孔，相比常规硅材料固态纳米孔，缩短了纳米孔通道，使得DNA测序可以分辨到单个碱基，解决了常规固态纳米孔通道太长导致测序分辨率难以达到单个碱基的问题。本实施例采用固定电极的方法测纳米孔纵向离子电流，稳定性更强，从而提高测序精度，具有降低成本、体积更小、携带方便等特点，改善传统纳米孔离子电流，阻塞法信噪比低、易受外界环境干扰等问题。并且，本实施例采用使用加热的氢氧化钾(KOH)蚀刻与红外线双面对准曝光相结合的方法，在氮化硅上制作固态纳米孔，并结合带金属电极氧化硅基底构成金属电极-氮化硅纳米孔-金属电极的MPM结构，通过施加电场使得带负电荷的核酸分子穿过MPM结构，该结构不但可以稳定控制DNA通过孔的速度，同时由于采用了氮化硅材料，可以进行纵向离子电流和横向电流检测，提高测序效率。
需要说明的是，上述固态纳米孔组件实施例与DNA测序装置实施例属于同一构思，其具体实现过程详见DNA测序装置实施例，且DNA测序装置实施例中的技术特征在所述固态纳米孔组件实施例中均对应适用，这里不再赘述。
在一个实施例中，如图3和图4所示，本发明提供一种基于三维封装的固态纳米孔组件的制备方法，包括：
S1、在硅片11的底部生成一层氧化硅112，包括：
用RCA工艺清洁硅片，采用去离子水冲洗，然后旋转干燥。优选地，所述硅片11的厚度为200-300微米，直径为100毫米。
将硅片11放置于离子体增强化学气相沉积(PECVD)炉内。
采用湿HCl氧化工艺在硅片11的底部生长一层氧化硅112。优选地，所述氧化硅112的厚度为1500纳米。该氧化硅的厚度用菲涅米斯F40光学测量系统检查。如图4(1)所示。
S2、在氧化硅112上沉积氮化硅113，包括：
在PEVCD炉内，以预定速率在氧化硅112表面上沉积低应力氮化硅113。优选地，所述预定速率为0.7nm/sec，所述氮化硅113的厚度为40nm。该氮化硅的厚度用菲涅米斯F40光学测量系统检查。如图4(2)所示。
S3、在氮化硅113上蒸镀第一金属电极114，包括：
在氮化硅113的顶部旋涂光刻胶4，并进行烘烤，包括：在氮化硅113的顶部涂上Shipley S1813光刻胶4，使用旋转涂布机，在85摄氏度的烤箱中烘烤2分钟。如图4(3)所示。
对硅片进行曝光，将曝光完成的硅片浸泡在氢氧化四甲基胺中显影，得到所需的正方形图案，再用DI Water定影；包括：使用OAI-500红外线双面对准曝光机进行曝光6秒，将曝光完的硅片浸泡在氢氧化四甲基胺2.38％(AZ-300)中显影20秒，剩下所需边长为0.8～1.5mm的正方形图案，再用DI Water定影。如图4(4)所示。
在氮化硅113上蒸镀第一金属电极114，包括：使用热蒸镀机在氮化硅113上进行蒸镀，蒸镀第一金属电极114，完成一面金属电极。优选地，所述第一金属电极114为金属电极铬/金，第一金属电极铬/金的厚度为20nm/50nm(即铬/金的厚度为20nm/50nm)。如图4(5)所示。
S4、在硅片11上蚀刻倒金字塔形微腔111；包括：
在硅片11的顶部旋涂光刻胶4，并进行烘烤，包括：在硅片11的顶部涂上ShipleyS1813光刻胶4，使用旋转涂布机，在90摄氏度的烤箱中烘烤30分钟。如图4(6)所示。
对硅片11进行接触光刻形成与光掩模相同的图案；包括：使用ABM接触对准器进行接触光刻；对准器将图案从光掩模转移到硅片上的光刻胶4；将光掩模放置在光致抗蚀剂的顶部，使铬面朝上；在光掩模上显示了近紫外(405-365nm)波长的光，从而暴露了没有铬的光刻胶4部分；光刻胶4在暴露于紫外光后会发生化学变化，使用MIF 726显影剂进行60秒显影将其去除；显影后，光致抗蚀剂具有与光掩模相同的图案，并暴露出氮化硅3。如图4(7)所示。
去除部分氮化硅113和氧化硅112，包括：通过Oxford 81Etcher使用CF3/O2化学物质去除部分氮化硅113；去除部分氮化硅113后使氧化硅112暴露在氮化硅113下方；采用CHF3/CF4/Ar化学方法使用Oxford 81去除部分氧化硅112。如图4(8)所示。
使用加热的氢氧化钾(KOH)在硅片11上蚀刻倒金字塔形微腔111，包括：使用加热的氢氧化钾(KOH)蚀刻硅片，该氢氧化钾沿硅片基底蚀刻，但不会蚀刻氮化硅113；蚀刻在硅片11的相对侧上形成了氧化硅112和氮化硅113的独立窗口，从而形成倒金字塔形微腔111。如图4(9)所示。
S5、在倒金字塔形微腔111的塔顶形成一固态纳米孔115；包括：
使用缓冲氧化物蚀刻(BOE)去除氧化硅112，留下一层独立的氮化硅113层。如图4(10)所示。
在氮化硅113的顶部旋涂聚甲基丙烯酸甲酯5(PMMA)的涂层，包括：将聚甲基丙烯酸甲酯5(PMMA)的涂层旋涂在氮化硅113层的顶部，然后在115摄氏度下烘烤60秒。如图4(11)所示。
对硅片进行曝光，将曝光完成的硅片浸泡在氢氧化四甲基胺中显影，得到所需图案，再用DI Water定影；包括：使用OAI-500红外线双面对准曝光机进行曝光6秒，将曝光完的硅片浸泡在氢氧化四甲基胺2.38％(AZ-300)中显影20秒，剩下所需图案，再用DI Water定影。如图4(12)所示。
将硅片进行电子束曝光，在倒金字塔形微腔111的塔顶形成一固态纳米孔115；包括：将硅片使用加装Nanometer Pattern Generation System(NPGS)系统之扫描式电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)按照预设的固态纳米孔洞图形进行电子束曝光，以在倒金字塔形微腔111的塔顶形成一固态纳米孔115；其中，所述预设的固态纳米孔洞图形是使用Design CAD设计所需的固态纳米孔洞图形。如图4(13)所示。
去除剩余的聚甲基丙烯酸甲酯5。如图4(14)所示。
S6、在氮化硅113下方生长第二层氧化硅116，并在第二层氧化硅116上刻蚀第二金属电极22；包括：
在氮化硅113下方生长第二层氧化硅116形成金属电极氧化硅基座20，包括：在100微米厚的100毫米氧化硅片上，使用正型光阻剂(AZ-1500)，利用旋转涂布机将光阻涂布于硅片表面，在烤盘上以85℃软烤两分钟。如图4(15)所示。
在所述金属氧化硅基座20(第二层氧化硅116)刻蚀出一直径大于所述倒金字塔形微腔11塔底直径的柱状空腔21，包括：使用ABM接触对准器进行接触光刻；对准器将图案从光掩模转移到晶片上的光刻胶4；将光掩模放置在光致抗蚀剂的顶部，使铬面朝上；使用MIF726显影剂进行2分钟显影将光刻胶4去除；在第二层氧化硅116中间留下深50微米深的柱状空腔21。如图4(16)和图4(17)所示。
在柱状空腔21底部的氧化硅上覆盖有第二金属电极22，包括：用热蒸镀机进行蒸镀，在第二层氧化硅116的柱状空腔21中蒸镀第二金属电极22。完成第二金属电极。优选地，第二金属电极22为金属电级铬/金，第二金属电极铬/金的厚度为20nm/50nm(即铬/金的厚度为20nm/50nm)。如图4(18)所示。
清除Shipley S1813光刻胶4。如图4(19)所示。
S7、采用阳极键合方法将氮化硅113和第二层氧化硅116固定在一起，从而将制备的固态纳米孔转移到金属电极氧化硅基座上。如图4(20)所示。
在本实施例中，通过利用金属电极(金属电极铬/金)、硅、氧化硅、氮化硅材料形成一种金属电极-氮化硅纳米孔-金属电极(MPM)的三维封装的固态纳米孔结构，即在氮化硅上方的硅片上刻蚀有倒金字塔形微腔，在氮化硅下方的金属电极氧化硅基座刻蚀有直径大于倒金字塔形微腔塔底直径的柱状空腔，倒金字塔形微腔的塔顶形成固态纳米孔，所述柱状空腔底部的氧化硅上覆盖有第二金属电极形成正电极，倒金字塔形微腔的塔底两侧蒸镀第一金属电极形成负电极。本实施例采用固态纳米孔，相比生物分子纳米孔，提高了稳定性且更易控制孔径，克服了生物分子纳米孔的不稳定性和孔径不易控制性；本实施例采用氮化硅纳米孔，相比常规硅材料固态纳米孔，缩短了纳米孔通道，使得DNA测序可以分辨到单个碱基，解决了常规固态纳米孔通道太长导致测序分辨率难以达到单个碱基的问题。本实施例采用固定电极的方法测纳米孔纵向离子电流，稳定性更强，从而提高测序精度，具有降低成本、体积更小、携带方便等特点，改善传统纳米孔离子电流，阻塞法信噪比低、易受外界环境干扰等问题。并且，本实施例采用使用加热的氢氧化钾(KOH)蚀刻与红外线双面对准曝光相结合的方法，在氮化硅上制作固态纳米孔，并结合带金属电极氧化硅基底构成金属电极-氮化硅纳米孔-金属电极的MPM结构，通过施加电场使得带负电荷的核酸分子穿过MPM结构，该结构不但可以稳定控制DNA通过孔的速度，同时由于采用了氮化硅材料，可以进行纵向离子电流和横向电流检测，提高测序效率。
需要说明的是，上述固态纳米孔组件的制备方法实施例与固态纳米孔组件实施例属于同一构思，其具体实现过程详见固态纳米孔组件实施例，且固态纳米孔组件实施例中的技术特征在所述固态纳米孔组件的制备方法实施例中均对应适用，这里不再赘述。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (11)
1.一种DNA测序装置，其特征在于，所述DNA测序装置包括固态纳米孔组件、电流测量装置和电源；其中：
所述固态纳米孔组件包括固态纳米孔结构和金属电极氧化硅基座；所述固态纳米孔结构包括一硅片，在所述硅片上刻蚀倒金字塔形微腔，所述倒金字塔形微腔的塔顶形成一固态纳米孔，所述倒金字塔形微腔的塔底两侧蒸镀有第一金属电极；在硅片上方生长有第一层氧化硅，在第一层氧化硅下方沉积有一层氮化硅；
所述金属电极氧化硅基座是在所述氮化硅方生长一第二层氧化硅形成，在所述金属氧化硅基座刻蚀出一柱状空腔，所述柱状空腔底部的第二氧化硅上覆盖有第二金属电极；
所述第一金属电极、电流测量装置以及电源、第二金属电极构成纵向微弱电流测量回路；所述电流测量装置测量该纵向微弱电流测量回路的纵向微弱电流强度的变化对通过固态纳米孔的DNA序列进行测定。
2.如权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于，所述柱状空腔的直径大于所述倒金字塔形微腔塔底直径。
3.如权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于，在所述倒金字塔形微腔的塔底两侧的第一金属电极两端的氮化硅外部采用聚二甲基硅氧烷包围形成一空腔。
4.一种固态纳米孔组件，其特征在于，所述固态纳米孔组件包括固态纳米孔结构和金属电极氧化硅基座；
所述固态纳米孔结构包括一硅片，在所述硅片上刻蚀倒金字塔形微腔，所述倒金字塔形微腔的塔顶形成一固态纳米孔，所述倒金字塔形微腔的塔底两侧蒸镀有第一金属电极；在硅片上方生长有第一层氧化硅，在第一层氧化硅下方沉积有一层氮化硅；
所述金属电极氧化硅基座是在所述氮化硅方生长一第二层氧化硅形成，在所述金属氧化硅基座刻蚀出一柱状空腔，所述柱状空腔底部的第二氧化硅上覆盖有第二金属电极。
5.如权利要求4所述的固态纳米孔组件，其特征在于，所述柱状空腔的直径大于所述倒金字塔形微腔塔底直径。
6.如权利要求4所述的固态纳米孔组件，其特征在于，在所述倒金字塔形微腔的塔底两侧的第一金属电极两端的氮化硅外部采用聚二甲基硅氧烷包围形成一空腔。
7.一种固态纳米孔组件的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
在硅片的底部上生成一层氧化硅；
在氧化硅上沉积氮化硅；
在氮化硅上蒸镀第一金属电极；
在硅片上蚀刻倒金字塔形微腔；
在倒金字塔形微腔的塔顶形成一固态纳米孔；
在氮化硅下方生长第二层氧化硅，并在第二层氧化硅上刻蚀第二金属电极；
采用阳极键合方法将氮化硅和第二层氧化硅固定在一起。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在氮化硅上蒸镀第一金属电极，包括：
在氮化硅的顶部旋涂光刻胶；
对硅片进行曝光，将曝光完成的硅片浸泡在氢氧化四甲基胺中显影，得到所需的正方形图案，再用DI Water定影；
在氮化硅上蒸镀第一金属电极。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述在硅片上蚀刻倒金字塔形微腔；包括：
在硅片的顶部旋涂光刻胶；
对硅片进行接触光刻形成与光掩模相同的图案；
去除部分氮化硅和氧化硅；
使用加热的氢氧化钾在硅片上蚀刻倒金字塔形微腔。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述在倒金字塔形微腔的塔顶形成一固态纳米孔；包括：
使用缓冲氧化物蚀刻去除氧化硅，留下一层独立的氮化硅层；
在氮化硅的顶部旋涂聚甲基丙烯酸甲酯的涂层；
对硅片进行曝光，将曝光完成的硅片浸泡在氢氧化四甲基胺中显影，得到所需图案，再用DI Water定影；
将硅片进行电子束曝光，在倒金字塔形微腔的塔顶形成一固态纳米孔。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述在氮化硅下方生长第二层氧化硅，并在第二层氧化硅上刻蚀第二金属电极；包括：
在氮化硅下方生长第二层氧化硅形成金属电极氧化硅基座；
在所述第二层氧化硅刻蚀出一直径大于所述倒金字塔形微腔塔底直径的柱状空腔；
在柱状空腔底部的氧化硅上覆盖有第二金属电极；
清除光刻胶。
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