[發明專利]基于石墨烯納米孔-微腔-固態納米孔的DNA測序裝置及制作方法

有效

• 申請號: 201210362732.6
• 申請日: 2012-09-25
• 公開（公告）號: CN102901763A
• 公開（公告）日: 2013-01-30
• 發明（設計）人: 劉澤文;鄧濤;陳劍
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N27/416
• 分類號: G01N27/416;B82Y35/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賈玉健

1.基于石墨烯納米孔-微腔-固態納米孔的DNA測序裝置，其特征在于：包括SOI硅片（1），置于SOI硅片（1）內的二氧化硅埋層（2），在二氧化硅埋層（2）上部的SOI硅片（1）上刻蝕有倒金字塔形微腔（21），在二氧化硅埋層（2）下部的SOI硅片（1）上刻蝕有直徑大于倒金字塔形微腔（21）塔底直徑的柱狀孔，倒金字塔形微腔（21）的塔頂為固態納米孔（20），二氧化硅薄膜（5）包覆在SOI硅片（1）外部，在柱狀孔底部的二氧化硅薄膜（5）外部包覆有金屬鉑薄膜（6），在SOI硅片（1）上部有通過金電極（12）固定于二氧化硅薄膜（5）上的石墨烯（8），在石墨烯（8）中央刻蝕有石墨烯納米孔（19），石墨烯納米孔（19）和固態納米孔（20）同軸，在金電極（12）兩端的SOI硅片（1）外部上下采用聚二甲基硅氧烷（10）包圍形成空腔，空腔中填充有電解液（18），置于SOI硅片（1）上部的鉑電極（13）接負電位，置于SOI硅片（1）下部的鉑電極（13）接正電位，鉑電極（13）和縱向微弱電流測量裝置（15）以及電源（14）構成縱向微弱電流測量回路，金電極(12)和橫向微弱電流測量裝置(16)以及電源（22）構成橫向微弱電流測量回路。

2.根據權利要求1所述的DNA測序裝置，其特征在于：所述二氧化硅埋層（2）的厚度為400nm。

3.根據權利要求1所述的DNA測序裝置，其特征在于：所述固態納米孔（20）的直徑為1.5～10nm。

4.根據權利要求1所述的DNA測序裝置，其特征在于：所述石墨烯（8）為單原子層或多原子層。

5.根據權利要求1所述的DNA測序裝置，其特征在于：所述石墨烯納米孔（19）的直徑為1.5～7nm。

6.根據權利要求1所述的DNA測序裝置，其特征在于：所述二氧化硅薄膜（5）厚度為5～30nm。

7.根據權利要求1所述的DNA測序裝置，其特征在于：所述縱向微弱電流測量裝置（15）和橫向微弱電流測量裝置（16）均為皮安級電流表。

8.根據權利要求1所述的DNA測序裝置，其特征在于：所述電解液（18）為KCl、NaCl或LiCl溶液，其濃度為0.8～1.5mol/L,pH值為8.0。

9.根據權利要求1所述的DNA測序裝置，其特征在于：所述電源（14）的偏置電壓為0.05～0.2V，硅片上方的鉑電極（13）接電源（14）負極，硅片下方鉑電極（13）接電源（14）正極。

10.權利要求1至9任一項所述的DNA測序裝置的制作方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1：在SOI硅片（1）的正面覆蓋一層300nm厚的保護材料鉻（3），在SOI硅片（1）的背面覆蓋一層700nm厚的保護材料鋁（4），所述SOI硅片（1）為P型SOI硅片；

步驟2：采用光刻技術將需要在SOI硅片（1）上刻蝕出的圖形加工到正面保護材料鉻（3）上和背面保護材料鋁（4）上，圖形的深度到達SOI硅片（1）的表面；

步驟3：以保護材料鋁（4）作為掩模，在SOI硅片（1）的背面運用感應耦合等離子體刻蝕的方法刻蝕出垂直的正方形柱狀孔，正方形刻蝕窗口的邊長為0.8～1.5mm，感應耦合等離子體刻蝕過程直到遇到SOI硅片（1）的二氧化硅埋層（2）時自停止；

步驟4：以保護材料鉻（3）作為掩模，在SOI硅片（1）的正面采用KOH溶液各向異性濕法刻蝕的方法刻蝕出倒錐形的腔，根據SOI硅片（1）頂層硅的厚度H來設計KOH溶液各向異性濕法刻蝕窗口正方形的邊長W，其關系式為：W＝2H/tanα，其中α是單晶硅100晶面與111晶面之間的夾角，為54.74°，KOH溶液配比為KOH：H2O：IPA=50g:100mL:10mL，其中IPA為異丙醇，刻蝕溫度為60℃，精度控制在±1℃；

步驟5：使用氫氟酸溶液除去SOI硅片（1）的氧化埋層（2），釋放納米孔，得到直徑為10～30nm的固態納米孔（20）；

步驟6：使用硝酸鈰銨溶液除去SOI硅片（1）正面的保護材料鉻（3），使用磷酸溶液除去SOI硅片（1）背面的保護材料鋁（4）；

步驟7：將制作有固態納米孔（20）的SOI硅片（1）表面熱氧化生長一層厚度為5～30nm的致密的二氧化硅薄膜（5），此步驟既能夠使固態納米孔（20）直徑收縮至1.5～10nm，又能夠保證SOI硅片（1）與下一步中的石墨烯（8）保持良好的絕緣；

步驟8：在硅襯底背面感應耦合等離子體刻蝕區域濺射一層厚度為200～400nm的金屬鉑薄膜（6），以此作為離子刻蝕石墨烯（8）形成石墨烯納米孔（19）的掩模；

步驟9：把以銅基（9）CVD方法制備的石墨烯（8）轉移到SOI硅片（1）表面：首先以銅基（9）為基底通過CVD生長制備石墨烯（8），并在石墨烯（8）表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯（7）；然后使用聚二甲基硅氧烷（10）自然粘合在聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/銅基表面；接下來先把聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/銅基置于FeCl3溶液（11）中腐蝕掉銅基（9），并多次在去離子水中清洗，去除石墨烯（8）表面殘存的金屬離子；然后利用聚二甲基硅氧烷（10）把聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯轉移到準備好的SOI硅片（1）上；再去除聚甲基丙烯酸甲酯（7）和聚二甲基硅氧烷（10）；

步驟10：在石墨烯（8）兩端淀積金電極（12），以此可將石墨烯固定在SOI硅片（1）上。

步驟11：以金屬鉑薄膜（6）為掩模，運用離子自對準刻蝕在微尺寸石墨烯（8）上制備直徑為1.5～7nm的石墨烯納米孔（19）。

步驟12：在兩個金電極（12）之間接入橫向微弱電流測量裝置（16）和電源（22），在兩個鉑電極（13）之間接入縱向微弱電流測量裝置（15）和提供驅動單鏈DNA（17）穿過石墨烯納米孔（19）和固態納米孔（20）電場的電源（14），最后制得基于石墨烯納米孔-微腔-固態納米孔的DNA測序裝置。