專利名稱：一種納米孔電學(xué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器，尤其涉及一種納米孔電學(xué)傳感器。
背景技術(shù)：
納米孔(nanopore)能夠在單分子分辨水平探測(cè)及表征生物分子如DNA， RNA及 聚肽，潛在的基于納米孔的單分子基因測(cè)序技術(shù)不需要熒光標(biāo)記物，不需要PCR反應(yīng)，有 望能直接并快速"讀"出DNA的堿基序列；該測(cè)序技術(shù)有望大大降低測(cè)序成本，實(shí)現(xiàn)個(gè)性 化醫(yī)療[M. Zwolak， M. Di Ventra， Rev. Mod. Phys. 2008，80， 141-165 ;D. Branton， et al.， Nature Biotechnol. 2008， 26， 1146-1153]。基于納米孔的單分子基因測(cè)序技術(shù)是DNA 堿基在電泳作用下依次地穿越納米孔，同時(shí)檢測(cè)堿基穿越納米孔隙時(shí)而產(chǎn)生的光學(xué)或電 信號(hào)的差異來(lái)對(duì)DNA進(jìn)行測(cè)序?；诩{米孔的單分子基因測(cè)序技術(shù)主要有三種檢測(cè)方 法離子封鎖電流(Strand-sequencing using ionic current blockage)，橫向電子電 流(Strand-sequencingusing transverse electron currents)，光學(xué)信息(Nanopore sequencing using syntheticDNA and optical readout)。目前制備的納米孔的深度一般 大于lOnm，大大超出單鏈DNA堿基間距O. 7nm，也即是孔中同時(shí)有15個(gè)堿基通過(guò)，因此無(wú)法 達(dá)到基因測(cè)序的單堿基的分辨率；因此，要達(dá)到單堿基的分辨率，必須將具備能夠識(shí)別單鏈 DNA中的單堿基元件。另外，離子封鎖電流只有pA量級(jí)，信噪比很低。
在2005年，美國(guó)加州大學(xué)圣迭哥分校的Di Ventra等[M.Di Ventra et al， NanoLett. 2005， 5， 421-424.]通過(guò)理論計(jì)算認(rèn)為當(dāng)DNA通過(guò)納米孔時(shí)可以測(cè)量DNA堿基 的橫向隧道電子電流而對(duì)其進(jìn)行測(cè)序。這要求將納米電極集成于納米孔系統(tǒng)，這樣納米電 極將記錄在DNA穿越納米孔時(shí)產(chǎn)生的與DNA鏈垂直的電流，由于每個(gè)DNA的堿基在結(jié)構(gòu)上 和化學(xué)上都有所區(qū)別；因此每個(gè)堿基都可能存在獨(dú)特的電子特征，利用這些子特征可能對(duì) DNA進(jìn)行測(cè)序。然而，盡管目前制備納米孔的技術(shù)比較成熟[J. Li， et al， Nature 2001， 412，166-169 ;A. J. Storm， et al， Nature Mater.2003， 2， 537—540 ;M. J. Kim， et al， Adv. Mater. 2006，18，3149-3153 ;B. M. Venkatesan, et al，Adv.Mater. 2009，21，2771-2776.]，但 是，迄今為止還沒(méi)有技術(shù)方法將具有單堿基分辨率納米電極集成于納米孔系統(tǒng)。另外，2007 年，徐明生等人[M. S. Xu，et al， Small 2007,3， 1539-1543.]利用超高真空隧道掃描顯微鏡 首次在實(shí)驗(yàn)上揭示DNA的4種堿基之間存在著電子指紋特性；因此，在DNA穿越納米孔時(shí)， 測(cè)量流經(jīng)堿基而產(chǎn)生的電子電流有望實(shí)現(xiàn)快速，成本低的電子基因測(cè)序。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種納米孔電學(xué)傳感器。 納米孔電學(xué)傳感器包括基板、第一絕緣層、對(duì)稱性電極、電接觸層、第二絕緣層、納
米孔；在基板上依次設(shè)有第一絕緣層、對(duì)稱性電極，在第一絕緣層上和對(duì)稱性電極邊緣上設(shè)
有電接觸層，在對(duì)稱性電極上設(shè)有第二絕緣層，在基板、第一絕緣層、對(duì)稱性電極和第二絕
緣層的中心設(shè)有納米孔。
所述的對(duì)稱性電極為2 30對(duì)中心發(fā)射狀納米電極，且對(duì)稱性地分布于納米孔 周?chē)?，納米電極之間互相不接觸，納米電極的厚度為0. 3 3. 5nm。所述的基板的材料為半 導(dǎo)體材料或絕緣材料，半導(dǎo)體材料為Si、GaN、Ge或GaAs中的一種或多種的混合物，絕緣材 料為SiC。所述的第一絕緣層和第二絕緣層的材料為Si02、Al203、BN、SiC或SiNx中的一種 或多種的混合物。所述的對(duì)稱性電極的材料為層狀導(dǎo)電材料，層狀導(dǎo)電材料為石墨、MoS2、 NbSe2或Bi^^CaCuA。所述的石墨為1 10層的石墨烯。所述的電接觸層的材料為Au、 Cr、Ti、Pd、Pt、Cu、Al、Ni或PSS:PEDOT中的一種或多種的混合物。所述的納米孔的孔徑為 1 50nm。 本發(fā)明的納米電極的厚度可以控制在0. 35 0. 7nm之間，達(dá)到檢測(cè)單鏈DNA中的 單個(gè)堿基的電學(xué)特征的分辨率要求，從而適于便宜，快速電子基因測(cè)序。本發(fā)明的納米孔電 學(xué)傳感器解決了將納米電極集成于納米孔的技術(shù)難點(diǎn)，其制備納米電極的方法簡(jiǎn)單。


圖1為本發(fā)明的納米孔電學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明的納米孔電學(xué)傳感器的斷面示意圖；
圖3為轉(zhuǎn)移于Si02/Si之上的石墨烯的光學(xué)顯微鏡照片；
圖4為轉(zhuǎn)移于Si02/Si之上的石墨烯的Raman譜。
圖5為本發(fā)明的納米孔電學(xué)傳感器的制備流程示意圖；
圖6為本發(fā)明的納米孔電學(xué)傳感器的制備流程示意圖；
圖7為本發(fā)明的納米孔電學(xué)傳感器的制備流程示意圖； 圖中，基板1、絕緣層2、對(duì)稱性電極3、電接觸層4、絕緣層5、納米孔6、石墨烯層7、 金屬催化層8。
具體實(shí)施例方式
如圖1、2所示，納米孔電學(xué)傳感器包括基板1、第一絕緣層2、對(duì)稱性電極3、電接觸 層4、第二絕緣層5和納米孔6 ;在基板1上依次設(shè)有第一絕緣層2、對(duì)稱性電極3，在第一絕 緣層2上和對(duì)稱性電極3邊緣上設(shè)有電接觸層4，在對(duì)稱性電極3上設(shè)有第二絕緣層5，在 基板1、第一絕緣層2、對(duì)稱性電極3和第二絕緣層5的中心設(shè)有納米孔6。
所述的基板1的材料為半導(dǎo)體材料或絕緣材料，半導(dǎo)體材料為Si、GaN、Ge或GaAs 中的一種或多種的混合物，絕緣材料為SiC，優(yōu)選為單晶硅和SiC。所述的第一絕緣層2和 第二絕緣層5的材料為Si02、Al203、BN、SiC或SiNx中的一種或多種的混合物。其中絕緣層 的制備可以采用所有適當(dāng)?shù)闹苽浼夹g(shù)如真空熱蒸鍍，溶液旋涂，熱氧化，低壓化學(xué)氣相沉 積，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積，原子層沉積等。絕緣層的厚度一般為3nm 3 i！ m，最優(yōu)厚度 為3 100nm。 所述的對(duì)稱性電極3為2 30對(duì)中心發(fā)射狀納米電極，且對(duì)稱性地分布于納米孔 6周?chē)?，納米電極之間互相不接觸，納米電極的厚度為0. 3 3. 5nm，優(yōu)選0. 3 1. 5nm?？?慮到堿基穿越納米孔是的取向(orientation)以及構(gòu)造(conformation)等效應(yīng)，對(duì)稱性電 極的對(duì)數(shù)一般多于一對(duì)，最優(yōu)對(duì)數(shù)為4對(duì)-24對(duì)，這樣有助于在統(tǒng)計(jì)上識(shí)別單鏈DNA中的 堿基。所述的對(duì)稱性電極3的材料為層狀導(dǎo)電材料，層狀導(dǎo)電材料為石墨、MoS2、 NbSe2或Bi2Sr2CaCU20x。所述的石墨為1 10層的石墨烯。層狀導(dǎo)電材料優(yōu)選石墨烯，因?yàn)閱螌邮?墨烯的厚度為O. 35nm，雙層石墨烯的厚度為0. 7nm， 1 IO層的石墨烯可以滿足對(duì)稱性電極 3的厚度要求，且簡(jiǎn)單可控。電極層的制備，包括直接在絕緣層上生長(zhǎng)電極層和將制備好的 電極層轉(zhuǎn)移到第一絕緣層上，比如直接在SiC絕緣層上制備石墨烯。由于納米電極之間要 求互相不接觸，這樣的對(duì)稱性電極可以采用光刻，電子束刻蝕，激光光刻，反應(yīng)離子束刻蝕 技術(shù)，氧等離子體刻蝕等技術(shù)制備。 所述的電接觸層4的材料為Au、Cr、Ti、Pd、Pt、Cu、Al、Ni或PSS:PEDOT中的一種或 多種的混合物。其中電接觸層4的制備可以采用真空熱蒸鍍，溶液旋涂，熱氧化，低壓化學(xué) 氣相沉積，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積，原子層沉積等技術(shù)方法，其厚度一般為15 600nm。
所述的納米孔6的孔徑為1 50nm，對(duì)基因測(cè)序而言最優(yōu)為1 3nm。納米孔的 制備可以采用納米制備技術(shù)，如電子束刻蝕，聚焦離子束刻蝕，脈沖離子束刻蝕，He離子束 刻蝕等。 實(shí)施例1 :化學(xué)氣相沉積法制備及轉(zhuǎn)移石墨烯 在Si02(300nm)/Si (500 y m)上制備100nm Cu膜，將其放置于超高真空 中(5. OX 10—9torr)進(jìn)行950 °C熱處理30分鐘；然后，通C2H4氣體生長(zhǎng)60秒；從而 在Cu膜上得到石墨烯。從Cu上轉(zhuǎn)移石墨烯到Si02/Si上在石墨烯上旋涂500nm Polymethylmethacrylate (PMMA)層，將涂有PMMA的石墨烯/Cu放置于硝酸鐵溶液中將Cu 膜腐蝕掉，從而得到PMMA/石墨烯，然后將PMMA/石墨烯轉(zhuǎn)移到Si02/Si上(圖3與圖4)， 最后，用丙酮溶解掉PMMA，這樣石墨烯轉(zhuǎn)移到了 Si02/Si上。 效果在金屬Cu表面上可以制備高均勻性的單層石墨烯，并且，很容易通過(guò)腐蝕 Cu催化層而將石墨烯轉(zhuǎn)移到絕緣層上。
實(shí)施例2 如圖5所示在500 ii m厚的單晶硅基板1 (圖5a)上熱氧化制備50nm Si02絕緣 層2(圖5b);將制備好的石墨烯層7轉(zhuǎn)移到在Si(^絕緣層2(圖5c);石墨烯可以用不同的 方法制備，如化學(xué)氣相沉積方法在金屬Cu上制備，然后轉(zhuǎn)移到上Si02絕緣層2。采用光刻 及氧等離子體刻蝕制備石墨烯電極對(duì)3圖形(圖5d)。其中，由于石墨烯電極層的厚度只有 0. 35nm的程度，為了建立有效的電接觸，在石墨烯電極對(duì)3圖形上利用光刻及刻蝕技術(shù)在 石墨烯電極對(duì)上制備Cr(5nm)/Au(50nm)電接觸層4(圖5e);然后，采用原子層沉積技術(shù)制 備70nm A1203以及等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法制備100nm Si3N4復(fù)合絕緣層5 (圖5f); 最后，在電極對(duì)交叉的位置制備孔徑為lnm納米孔6(圖5g)。
實(shí)施例3 如圖6所示在500iim厚的單晶SiCU)0011基板l在超高真空中(1. 0X 10—1Qtorr) 進(jìn)行熱(950°C -1400°C )表面處理成為富硅面(Si-terminated surface)或者富碳面 (C-terminated surface)絕緣層2 (圖6a)，從而外延生長(zhǎng)得到石墨烯層7 (圖6b)。采用光 刻及氧等離子體刻蝕制備石墨烯電極對(duì)3圖形(圖6c)。其中，由于石墨烯電極層的厚度只 有大約O. 7nm的程度，為了建立有效的電接觸，在石墨烯電極對(duì)3圖形上利用光刻及刻蝕技 術(shù)在石墨烯電極對(duì)上制備Pd(50nm)電接觸層4(圖6d);然后，采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉 積方法制備100nm Si^絕緣層5(圖6e);最后，在電極對(duì)交叉的位置制備孔徑為3nm納米 孔6 (圖6f)。
5
效果對(duì)絕緣的單晶SiC在超高真空表面上可以大規(guī)模地制備高均勻性的石墨 烯，從而不需要將制備的石墨烯進(jìn)行轉(zhuǎn)移。
實(shí)施例4 在600 ii m厚的單晶硅基板1 (圖7a)上熱氧化制備lOOnm Si02絕緣層2 (圖7b); 在Si02絕緣層2制備lOOnm金屬Ni催化層8 (圖7c)，此金屬催化層8用來(lái)生長(zhǎng)石墨烯電極 層3 ;在制備100nm金屬Ni催化層8后，將其置于超高真空中(9X10—9torr)進(jìn)行熱(950°C ) 處理30分鐘，然后，在CH4氣氛中在Ni催化層8上合成石墨烯電極3 (圖7d)。石墨烯電極 合成后，將其放于1M的FeCl3溶液中將金屬Ni催化層反應(yīng)掉，這樣石墨烯電極3就自動(dòng)地 留在Si02絕緣層2上(圖7e)。其中，石墨烯電極的厚度大約為1.05nm程度，為了建立有 效的電接觸，在石墨烯電極3圖形上利用光刻及刻蝕技術(shù)在石墨烯電極上制備Pt(50nm)電 接觸層4(圖7f);然后，采用原子層沉積技術(shù)制備150nm A1203層5 (圖7g);最后，在電極 對(duì)交叉的位置制備孔徑為30nm納米孔6 (圖7h)。 效果此實(shí)施例直接在第一絕緣層上制備金屬催化層用來(lái)直接合成石墨烯；合成 石墨烯后，將催化金屬層反應(yīng)掉，石墨烯就直接留在絕緣層上，從而避免了轉(zhuǎn)移步驟。金屬 催化層材料可以從Ni， Cu，Pt，Pd， Ir， Ru， Co和Fe中選擇一種或幾種，其厚度為15nm-600nm。 用于合成石墨烯的含碳?xì)怏w選自 一氧化碳，乙烷，乙烯，乙醇，乙炔，丙烷，丙烷，丙烯，丁烷， 丁二烯，戊烷，戊烯，環(huán)戊二烯，正己烷，環(huán)己烷，苯和甲苯。 所附圖只是為了更簡(jiǎn)單清楚地說(shuō)明本發(fā)明的創(chuàng)新性，并不一定代表納米孔電學(xué)傳 感器的實(shí)際的尺寸，大小以及形狀等。
權(quán)利要求
一種納米孔電學(xué)傳感器，其特征在于包括基板(1)、第一絕緣層(2)、對(duì)稱性電極(3)、電接觸層(4)、第二絕緣層(5)和納米孔(6)；在基板(1)上依次設(shè)有第一絕緣層(2)、對(duì)稱性電極(3)，在第一絕緣層(2)上和對(duì)稱性電極(3)邊緣上設(shè)有電接觸層(4)，在對(duì)稱性電極(3)上設(shè)有第二絕緣層(5)，在基板(1)、第一絕緣層(2)、對(duì)稱性電極(3)和第二絕緣層(5)的中心設(shè)有納米孔(6)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種納米孔電學(xué)傳感器，其特征在于所述的對(duì)稱性電極(3)為2 30對(duì)中心發(fā)射狀納米電極，且對(duì)稱性地分布于納米孔(6)周?chē)?，納米電極之間互相不接觸，納米電極的厚度為0. 3 3. 5nm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種納米孔電學(xué)傳感器，其特征在于所述的基板(1)的材料為半導(dǎo)體材料或絕緣材料，半導(dǎo)體材料為Si、GaN、Ge或GaAs中的一種或多種的混合物，絕緣材料為SiC。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種納米孔電學(xué)傳感器，其特征在于所述的第一絕緣層(2)和第二絕緣層(5)的材料為Si02、 A1203、 BN、 SiC或SiNx中的一種或多種的混合物。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種納米孔電學(xué)傳感器，其特征在于所述的對(duì)稱性電極(3)的材料為層狀導(dǎo)電材料，層狀導(dǎo)電材料為石墨、MoS2、NbSe2或Bi2Sr2CaCu20x。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種納米孔電學(xué)傳感器，其特征在于所述的石墨為1 10層的石墨烯。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種納米孔電學(xué)傳感器，其特征在于所述的電接觸層(4)的材料為Au、Cr、Ti、Pd、Pt、Cu、Al、Ni或PSS:PEDOT中的一種或多種的混合物。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種納米孔電學(xué)傳感器，其特征在于所述的納米孔(6)的孔徑為1 50nm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種納米孔電學(xué)傳感器。它包括基板、第一絕緣層、對(duì)稱性電極、電接觸層、第二絕緣層、納米孔；在基板上依次設(shè)有第一絕緣層、對(duì)稱性電極，在第一絕緣層上和對(duì)稱性電極邊緣上設(shè)有電接觸層，在對(duì)稱性電極上設(shè)有第二絕緣層，在基板、第一絕緣層、對(duì)稱性電極和第二絕緣層的中心設(shè)有納米孔。本發(fā)明的納米電極的厚度可以控制在0.35～0.7nm之間，達(dá)到檢測(cè)單鏈DNA中的單個(gè)堿基的電學(xué)特征的分辨率要求，從而適于便宜，快速電子基因測(cè)序。本發(fā)明的納米孔電學(xué)傳感器解決了將納米電極集成于納米孔的技術(shù)難點(diǎn)，其制備納米電極的方法簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)G01N27/00GK101694474SQ20091015404
公開(kāi)日2010年4月14日 申請(qǐng)日期2009年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月22日
發(fā)明者吳剛, 徐明生, 施敏敏, 汪茫, 陳紅征 申請(qǐng)人:浙江大學(xué);