專利名稱：單粒子束刻蝕薄膜的單納米孔制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種納米孔的制備方法，特別涉及一種單粒子束刻蝕薄膜的單納米孔制作方法。屬于納米技術領域。
背景技術：
生物的原生質(zhì)體膜上存在著天然的蛋白質(zhì)孔洞，可以進行細胞內(nèi)和細胞外的離子交換，用膜片鉗能夠檢測離子流動情況，用α溶血素侵染雙脂膜形成一種兩側不對稱的蛋白質(zhì)納米孔，也可用于離子流的檢測，但更多的是用于核酸和單鏈脫氧核酸(統(tǒng)稱核酸)穿孔的動力學研究，檢測核酸分子片段的大小，還有測定它們堿基序列的潛力，但由于這種納米孔是蛋白質(zhì)在雙脂膜上形成的孔，容易老化、不能耐受較高的電壓、通透性受pH和鹽濃度影響較大、還可能存在與核酸互作用位點，在有效的電場強度下，核酸通過納米孔的速度太快，超出了當前膜片鉗的分辨率，雖然通過調(diào)節(jié)電泳液組分等已將核酸的穿孔速度降至3nt/微秒，但仍超出了儀器分辨率3個數(shù)量級，這些都使納米孔測序變得復雜化。為了克服蛋白孔存在的天然缺陷，人們用離子束、電子束刻蝕或濺射、重離子穿孔后再進行化學蝕刻、聚合物薄膜扎孔以及低密度商業(yè)膜內(nèi)鍍等方法制備固體膜，但納米孔的三維尺度不可控，很不規(guī)則，所以如何制作尺度可控的納米孔，成了提高檢測帶電分子電信號準確性的關鍵。但在以往采用固體納米孔對核酸鏈直接測序研究中，被人們忽視的一個嚴重問題，是單鏈核酸上相鄰堿基間距只有7，也即現(xiàn)有的固體納米孔孔深太大，一般在μm級，可同時容納多個堿基，這樣，就會引起電信號的混淆而無法測出核酸分子中堿基的實際序列。
經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，Golovchenko等人在《Nature》(《自然雜志》，2001年第412卷166-169頁)發(fā)表了題為“Ion-beam sculpting at nanometrelength scales”(“粒子束在納米長尺度下雕刻”)的論文，提出以Si3N4基片為材料，用Ar+粒子束濺射制作出口寬1.8nm的孔，孔的形狀呈不規(guī)則狀，利用口徑5nm、深度約10nm的孔檢測500bp雙鏈DNA穿孔動力學，發(fā)現(xiàn)其穿孔時間都在5毫秒以內(nèi)，即其穿孔速率為100bp/亳秒，并依此申請了美國專利號7118657，專利名為“Pulsed ion beam control of solid state features”(“固相形狀的脈沖粒子束控制”)的專利，利用該專利技術，雖然能獲得納米孔直徑在5nm的元件，但納米孔的形狀很不規(guī)則，首先是孔口不是圓形，所以在進行雙鏈DNA長度檢測時，相同長度的DNA片段沒有相同的穿孔時間，其次是孔的深度不可控制，制作出的納米孔深度在10nm，超出了單鏈DNA堿基間距0.7nm，也即是孔中可同時容納約15個堿基，因此無法用于單鏈DNA分子的納米孔測序。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提出一種單粒子束刻蝕薄膜的單納米孔制作方法，使其實現(xiàn)二維(直徑和孔深)可控的單納米孔的制備，所制得的單納米孔為圓形、孔徑在1個nm級可控、孔深在從級到μm級可控，適于檢測核酸分子的大小或分辨其堿基組分。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明方法具體為將厚度在2-5μm的固體絕緣薄膜置于帶有粒子檢測裝置的一個可水平旋轉(zhuǎn)的載體上，用束流截面直徑0.5-1nm的單粒子束(帶電粒子束或中子束)刻蝕上述固體絕緣薄膜，單粒子束入射角大于等于9.6°、小于90°，并且單粒子束在該薄膜底部、頂部、或二者之間某處與固體絕緣薄膜旋轉(zhuǎn)軸交叉，待單粒子束完全穿透該薄膜后，固體絕緣薄膜底部的粒子監(jiān)測器反饋使載體旋轉(zhuǎn)一次，使固體絕緣薄膜被穿透處與單粒子束相對移動1埃，再刻蝕，如此反復，直至固體絕緣薄膜旋轉(zhuǎn)一周，獲得最小直徑約1-3nm、納米孔邊緣厚度小于核酸鏈中兩個相鄰堿基的間距(0.7nm)的圓臺形或雙倒圓臺形單納米孔，單粒子束入射角為90°時，連續(xù)刻蝕直至穿透固體絕緣薄膜，獲得直徑在約1nm的筒形納米孔。
所述的固體絕緣薄膜，為硅片、云母片、金剛石薄膜或石英玻璃薄膜。
所述的單納米孔，其形狀取決于單粒子束的入射角以及單粒子束與固體絕緣薄膜旋轉(zhuǎn)軸的交叉位置，當單粒子束入射角大于等于9.6°、小于90°，單粒子束與固體絕緣薄膜旋轉(zhuǎn)軸的交叉位置在固體絕緣薄膜頂部或底部時，單納米孔為圓臺形，單粒子束與固體絕緣薄膜旋轉(zhuǎn)軸的交叉位置在固體絕緣薄膜上下兩個面之問時，單納米孔為雙倒圓臺形(交叉位置在固體絕緣薄膜高度一半處時，為對稱的雙倒圓臺形；交叉位置在固體絕緣薄膜上下兩個面之間的其他位置時，為不對稱的雙倒圓臺形)；單粒子束入射角為90°時，單納米孔為圓筒形。
本發(fā)明方法制作的圓臺形和各種雙倒圓臺形單納米孔，納米孔內(nèi)邊緣深度小于0.7nm，與電泳槽和膜片鉗結合，可精確將單鏈DNA和RNA的相鄰堿基逐一分別檢測，克服了以往納米孔過深、同時容納多個堿基而無法逐一鑒別堿基信號的缺點，為以納米孔為基礎的核酸測序提供了關鍵器件，用這樣的器件測序，有望實現(xiàn)超高速、低成本、高精度、無缺口的基因組測序，滿足對快速測序的多種需求。利用本發(fā)明方法，還可獲得筒形單納米孔，與現(xiàn)有技術制作的納米孔相比，其孔的深度和直徑可控、形狀規(guī)則、內(nèi)部光潔、可大幅度提高信噪比，從而可更精確地檢測雙鏈DNA的大小。
具體實施例方式
實施例1將厚度2μm的硅片置于帶有離子檢測裝置的一個可水平旋轉(zhuǎn)的載體上，用束流截面直徑1nm的單粒子束，以60度入射角刻蝕硅片，使單粒子束在硅片底部與硅片的旋轉(zhuǎn)軸交叉，待硅片被完全穿透后，硅片底部的粒子監(jiān)測器反饋使載體旋轉(zhuǎn)一次，使硅片被穿透處與單粒子束相對移動1，硅片與粒子束瞄準器相對位置旋轉(zhuǎn)1nm，再刻蝕，如此反復，直至硅片旋轉(zhuǎn)一周，獲得最小直徑約1.2nm、納米孔內(nèi)邊緣厚度在0.5nm的單納米孔，該單納米孔為圓臺形。
將含有單納米孔的硅片固定到中心有一直徑約10μm小孔的矩形或圓形固相支撐物(厚度在mm級，邊長或直徑在cm級)上并將硅片四周密封，納米孔對準支持物小孔中心，獲得大小適于手工操作的納米元件(mm-cm級)。
效果用單粒子束刻蝕制作圓臺形單納米孔，可將單納米孔的直徑控制在1.2nm，納米孔內(nèi)邊緣厚度控制在0.5nm。
實施例2將厚度5μm的云母片置于帶有粒子檢測裝置的一個可水平旋轉(zhuǎn)的載體上，用束流截面直徑1nm的單粒子束，以45度入射角刻蝕云母片，使粒子束在云母片厚度的一半處與旋轉(zhuǎn)軸交叉，待云母片被完全穿透后，云母片底部的粒子監(jiān)測器反饋使載體上的云母片被穿透處與粒子束瞄準器相對位置旋轉(zhuǎn)1，再刻蝕，如此反復，直至云母片旋轉(zhuǎn)一周，獲得最小直徑約1.5nm、納米孔邊緣厚度約0.5nm的單納米孔，該單納米孔為對稱的雙倒圓臺形。
將含有單納米孔的云母片固定到中心有一個直徑10μm小孔的矩形或圓形固相支撐物(厚度在mm級，邊長或直徑在cm級)上，納米孔對準支持物小孔中心，并將云母片四周密封，獲得大小適于手工操作的納米元件(mm-cm級)。
效果用單粒子束刻蝕制作雙倒圓臺形單納米孔，可將單納米孔的直徑控制在1.5nm，納米孔內(nèi)邊緣厚度控制在0.5nm。
實施例3將厚度2.5μm的金剛石薄膜置于帶有粒子檢測裝置的一個可水平旋轉(zhuǎn)的載體上，用束流截面直徑1nm的單粒子束，以90度入射角刻蝕金剛石薄膜，直至薄膜完全穿透，獲得直徑約1nm的筒形單納米孔，納米孔深為2.5μm。
制備一個中心有μm級小孔的矩形或圓形固相支撐物(厚度在mm級，邊長或直徑在cm級)，將金剛石薄膜上納米孔對準小孔的中心，金剛石薄膜四周密封，獲得大小適于手工操作的納米元件。
效果用單粒子束刻蝕制作筒形單納米孔，可將單納米孔的直徑控制在約1nm，金剛石薄膜的厚度即為孔深，即2.5μm。
實施例4將厚度5μm的石英玻璃薄膜置于帶有離子檢測裝置的一個可水平旋轉(zhuǎn)的載體上，用束流截面直徑0.5nm的單粒子束，以9.6度入射角刻蝕石英玻璃薄膜，使粒子束在距石英玻璃薄膜上面2μm處與旋轉(zhuǎn)軸交叉，待石英玻璃薄膜被完全穿透后，石英玻璃薄膜底部的粒子監(jiān)測器反饋使載體旋轉(zhuǎn)一次，使石英玻璃薄膜被穿透處與單粒子束相對移動1，石英玻璃薄膜與粒子束瞄準器相對位置旋轉(zhuǎn)0.5nm，再刻蝕，如此反復，直至石英玻璃薄膜旋轉(zhuǎn)一周，獲得最小直徑約3nm、納米孔內(nèi)邊緣厚度約0.5nm的單納米孔，該單納米孔為不對稱雙倒圓臺形。
將含有單納米孔的石英玻璃薄膜固定到中心有一直徑約10μm小孔的矩形或圓形固相支撐物(厚度在mm級，邊長或直徑在cm級)上并將石英玻璃薄膜四周密封，納米孔對準支持物小孔中心，獲得大小適于手工操作的納米元件(mm-cm級)。
效果用單粒子束刻蝕制作圓臺形單納米孔，可將單納米孔的直徑控制在3nm，納米孔內(nèi)邊厚度控制在0.5nm。
實施例5將厚度2μm的硅片置于帶有離子檢測裝置的一個可水平旋轉(zhuǎn)的載體上，用束流截面直徑0.5nm的單粒子束，以30度入射角刻蝕硅片，使單粒子束在硅片頂部與硅片的旋轉(zhuǎn)軸交叉，待硅片完全穿透后，硅片底部的粒子監(jiān)測器反饋使載體旋轉(zhuǎn)一次，使硅片被穿透處與單粒子束相對移動1，硅片與粒子束瞄準器相對位置旋轉(zhuǎn)1nm，再刻蝕，如此反復，直至硅片旋轉(zhuǎn)一周，獲得最小直徑1nm、納米孔內(nèi)邊緣厚度在0.5nm的單納米孔，該單納米孔為圓臺形。
將含有單納米孔的硅片固定到中心有一直徑約10μm小孔的矩形或圓形固相支撐物(厚度在mm級，邊長或直徑在cm級)上并將硅片四周密封，納米孔對準支持物小孔中心，獲得大小適于手工操作的納米元件(mm-cm級)。
效果用單粒子束刻蝕制作圓臺形單納米孔，可將單納米孔的直徑控制在1nm，納米孔內(nèi)邊緣厚度控制在0.5nm。
權利要求
1.一種單粒子束刻蝕薄膜的單納米孔制作方法，其特征在于，所述方法具體為將固體絕緣薄膜置于帶有粒子檢測裝置的一個可水平旋轉(zhuǎn)的載體上，用單粒子束刻蝕固體絕緣薄膜，單粒子束入射角大于等于9.6°小于等于90°，并且單粒子束在該薄膜底部、頂部、或二者之間與固體絕緣薄膜旋轉(zhuǎn)軸交叉，待單粒子束完全穿透該薄膜后，固體絕緣薄膜底部的粒子監(jiān)測器反饋使載體旋轉(zhuǎn)一次，使固體絕緣薄膜被穿透處與單粒子束相對移動1，再刻蝕，如此反復，直至固體絕緣薄膜旋轉(zhuǎn)一周，獲得單納米孔。
2.根據(jù)權利要求1所述的單粒子束刻蝕薄膜的單納米孔制作方法，其特征是，所述的固體絕緣薄膜，其厚度為2-5μm。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的單粒子束刻蝕薄膜的單納米孔制作方法，其特征是，所述的固體絕緣薄膜，為硅片、云母片、金剛石薄膜或石英玻璃薄膜。
4.根據(jù)權利要求1所述的單粒子束刻蝕薄膜的單納米孔制作方法，其特征是，所述的單粒子束，為束流截面直徑在0.5-1nm的單粒子束。
5.根據(jù)權利要求1所述的單粒子束刻蝕薄膜的單納米孔制作方法，其特征是，所述的單納米孔，為直徑1-3nm、孔邊緣厚度＜0.7nm、圓臺形或雙倒圓臺形的納米孔。
6.根據(jù)權利要求1所述的單粒子束刻蝕薄膜的單納米孔制作方法，其特征是，所述的單納米孔，為直徑1nm的筒形納米孔。
7.根據(jù)權利要求1或5或6所述的單粒子束刻蝕薄膜的單納米孔制作方法，其特征是，所述的單納米孔，其形狀取決于單粒子束的入射角以及單粒子束與固體絕緣薄膜旋轉(zhuǎn)軸的交叉位置，當單粒子束的入射角大于等于9.6°小于90°，單粒子束與固體絕緣薄膜旋轉(zhuǎn)軸的交叉位置在固體絕緣薄膜頂部或底部時，單納米孔為圓臺形，單粒子束與固體絕緣薄膜旋轉(zhuǎn)軸的交叉位置在固體絕緣薄膜上下兩個面之間時，單納米孔為雙倒圓臺形；單粒子束入射角為90°時，單納米孔為筒形。
8.根據(jù)權利要求1或5所述的單粒子束刻蝕薄膜的單納米孔制作方法，其特征是，所述的單納米孔，當單粒子束入射角大于等于9.6°、小于等于90°，單粒子束與固體絕緣薄膜旋轉(zhuǎn)軸交叉位置在固體絕緣薄膜高度一半處時，為對稱的雙倒圓臺形，單粒子束與固體絕緣薄膜旋轉(zhuǎn)軸交叉位置在固體絕緣薄膜上下兩個面之間的其它位置時，為不對稱的雙倒圓臺形。
全文摘要
一種單粒子束刻蝕薄膜的單納米孔制作方法，屬于納米技術領域。本發(fā)明將固體絕緣薄膜置于帶有粒子檢測裝置的一個可水平旋轉(zhuǎn)的載體上，用單粒子束刻蝕該薄膜，單粒子束入射角大于等于9.6°、小于等于90°，并且單粒子束在該薄膜底部、頂部、或二者之間與薄膜旋轉(zhuǎn)軸交叉，待單粒子束完全穿透該薄膜后，固體絕緣薄膜底部的粒子監(jiān)測器反饋使該薄膜被穿透處與單粒子束相對移動1，再刻蝕，如此反復，直至固體絕緣薄膜旋轉(zhuǎn)一周，獲得圓臺形、雙倒圓臺形或圓筒形的單納米孔。本發(fā)明方法制備的單納米孔，孔徑在1個nm級可控，孔深在從級到μm級可控，適于分辨單鏈DNA或RNA分子的堿基組分和檢測雙鏈DNA分子的大小，為核酸測序提供了關鍵器件。
文檔編號G01N27/28GK1986383SQ20061014723
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月14日 優(yōu)先權日2006年12月14日
發(fā)明者王志民 申請人:上海交通大學