[發(fā)明專利]基于石墨烯納米孔-微腔-固態(tài)納米孔的DNA測序裝置及制作方法

有效

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• 申請日: 2012-09-25
• 公開（公告）號: CN102901763A
• 公開（公告）日: 2013-01-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉澤文;鄧濤;陳劍
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: G01N27/416
• 分類號: G01N27/416;B82Y35/00
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 賈玉健

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及生物分子檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于石墨烯納米孔-微腔-固態(tài)納米孔的DNA測序裝置及制作方法。

背景技術(shù)

DNA測序技術(shù)是現(xiàn)代生命科學(xué)研究的核心技術(shù)之一。在所有以低成本、高通量、直接測序為目標的第三代測序技術(shù)中，基于納米孔的單分子測序被認為是最有希望實現(xiàn)1000美元人類基因檢測計劃的技術(shù)。

固態(tài)納米孔的孔徑可以靈活的人為控制，且具有理想的生化孔徑穩(wěn)定性，優(yōu)異的物、化性能。借助于顯微鏡電子束技術(shù)、聚焦離子束技術(shù)(FIB)等工藝，研究人員已經(jīng)成功制作出了各種孔徑可控的納米、亞納米固態(tài)孔。各種基于固態(tài)納米孔的DNA測序的研究也取得了很好的進展。

然而，固態(tài)納米孔的制作也面臨一些問題。首先，采用FIB制作固態(tài)納米孔成本高且只能逐個制作；其次，固態(tài)納米孔通道長度通常為5nm以上,可以容納十多個堿基,這一尺寸對于測序所需要的分辨單個堿基引起的電流變化過長；再次，當(dāng)單個核苷酸占據(jù)納米孔時只有大約100個離子穿過納米孔，而4個堿基在結(jié)構(gòu)上只有數(shù)個原子的差異，這種細微的結(jié)構(gòu)化差異導(dǎo)致的電流變化太微弱，以至于研究人員很難區(qū)分出每個堿基。第四，所有基于納米孔的測序方法目前尚無有效的控制DNA通過納米孔的流速的方法，由于速度太快，造成了堿基檢測識別率不高的問題。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提出了一種基于石墨烯納米孔-微腔-固態(tài)納米孔的DNA測序裝置及制作方法，能夠改善傳統(tǒng)納米孔離子電流阻塞法信噪比低、易受外界環(huán)境干擾等問題，從而提高測序精度。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

基于石墨烯納米孔-微腔-固態(tài)納米孔的DNA測序裝置，包括SOI硅片1，置于SOI硅片1內(nèi)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(tài)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(tài)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(gòu)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(gòu)成橫向微弱電流測量回路。

所述二氧化硅埋層2的厚度為400nm。

所述固態(tài)納米孔20的直徑為1.5～10nm。

所述石墨烯8為單原子層或多原子層。

所述石墨烯納米孔19的直徑為1.5～7nm。

所述二氧化硅薄膜5厚度為5～30nm。

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。

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。

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。

上述所述的DNA測序裝置的制作方法，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(shù)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(yīng)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(yīng)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；