一种含有纳米管基纳米通道的芯片及其制备方法和应用

1.本发明属于芯片制备技术领域，涉及一种含有纳米管基纳米通道的芯片及其制备方法和应用。


背景技术：

2.单分子纳米通道技术是建立在膜片钳技术基础上的膜通道仿生技术，其基本原理则是基于统计学原理的coulter计数法，即两个储液槽间仅由一个微纳米通道连通，通道尺寸与被测物尺寸相当。在两个储液槽中分别放置电极并施加电压，再用微电流计来检测回路接通时的电流信号。当通道完全导通时，在外加电场力的驱动下，溶液中的带电离子在电场驱动下作定向移动，能够检测到平稳的基线电流信号；而当溶液中的某个带电的大分子在电场力驱动下穿过纳米通道时，由于其尺寸与通道的尺寸相当，就会发生短暂的电流阻塞/增大效应，产生一个电流脉冲信号。当这个大分子通过纳米通道后，电流又会很快回到初始的稳定值。统计分析被测物通过纳米通道时产生的电流脉冲信号的峰值、持续时间以及形状等特性，就可以得到被测物的大小、长度、折叠状态、运动快慢等特性。这项技术现已被广泛用于核酸、蛋白等生物大分子的检测分析，如dna、rna测序和疾病标志物检测等。
3.一般来说，纳米通道的电导可以由以下公式推出：
[0004][0005]
式中，σ为电解液的离子电导率，l为膜厚，d为纳米通道的直径。
[0006]
从公式可以看出，纳米通道的电导与其直径息息相关，而实验研究表明，被测物通过纳米通道时产生的电流脉冲信号的峰值、持续时间以及形状等与纳米孔的固有属性(孔径、厚度和电荷分布等)密不可分。
[0007]
目前，被测物在测试过程中的运动方向与常用的固态纳米通道的原子排布方向相垂直，在外加电压作用下，被测物与纳米通道边缘发生相互作用(碰撞、吸附-脱附等)，极易造成纳米通道边缘原子脱落，从而导致纳米通道直径扩大。测试过程中孔径发生变化，被测物的信号特征也会发生相应的变化，从而导致最终的数据分析有误差，甚至得到完全错误的统计结果。
[0008]
与现在常用的固态纳米通道相比，纳米管(碳纳米管、氮化硼纳米管等)是一种在整个通道范围内(纳米～毫米尺度)结构高度统一的天然的纳米级通道，最重要的是，被测物在测试过程中的运动方向与纳米管的原子排布方向相平行和管内原子级的粗糙度，极大地减少了由于与被测物间的相互作用而导致的原子脱落，有效避免了扩孔现象，能使检测信号更为稳定和准确。现在，通过纳米管形成纳米通道，一是通过光刻加工的方法，将纳米管包埋在光刻胶或pmma下；二是将超声截短的纳米管嵌入磷脂双分子层；三是通过手动控制纳米操纵系统，将纳米管插入开孔的氮化硅纳米孔后封装。第一种方法操作相对简单，但只能形成微米级长度的纳米通道。第二种方法可以形成纳米级长度的纳米通道，但无法有效控制嵌入磷脂双分子层的纳米管数量。第三种方法操作非常困难，成品率很低且成品个
体差异性显著。此外，三种方法都无法实现纳米管基纳米通道的阵列化制作，实现高通量检测，同样也无法实现纳米管基纳米通道芯片的批量化制作，实现工业化生产。
[0009]
因此有必要将纳米管用于制备形成芯片的纳米通道以改善芯片的性能，并有必要开发一种方法，实现单个或阵列纳米管基纳米通道芯片的可控制备。


技术实现要素：

[0010]
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种含有纳米管基纳米通道的芯片；本发明的目的之二在于提供一种含有纳米管基纳米通道的芯片的制备方法；本发明的目的之三在于提供一种纳米管基纳米通道芯片在检测生物大分子方面的应用。
[0011]
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0012]
1、一种含有纳米管基纳米通道的芯片，所述芯片中含有纳米管形成的纳米通道，所述纳米通道由单根的纳米管或多根纳米管形成的纳米管阵列组成，所述纳米管通道位于芯片中支撑层中开孔层的小孔或小孔阵列内。
[0013]
优选的，所述纳米管为碳纳米管或氮化硼纳米管；
[0014]
所述纳米管的直径为0.5～100nm。
[0015]
优选的，所述小孔或小孔阵列中的小孔的直径为30～500nm、深度为60～1000nm；
[0016]
所述支撑层从下到上依次包括基片、绝缘层、金属层和开孔层。
[0017]
进一步优选的，所述开孔层的材料为氧化硅或氮化硅中的任意一种或两种；
[0018]
所述小孔的直径不小于纳米管的直径，所述纳米管的长度大于等于小孔的长度。
[0019]
进一步优选的，所述基片的材料包括硅、硅/氧化硅、石英或玻璃；
[0020]
所述绝缘层的厚度为100～500nm、材料为氧化硅或氮化硅中的任意一种或两种；
[0021]
所述金属层的厚度为100～200nm、材料为铬、钴、钛或金中的任意一种或几种。
[0022]
优选的，所述小孔中含有纳米管通道和包埋固定的填充层；
[0023]
所述填充层的厚度为60～1200nm、材料为氧化硅、氮化硅或氢倍半硅氧烷聚合物中的任意一种。
[0024]
上述述芯片的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0025]
(1)在基片上从下到上依次沉积绝缘层、金属层和开孔层；
[0026]
(2)通过微纳加工方法，在开孔层上制备能够贯穿开孔层的小孔或由小孔形成的小孔阵列；
[0027]
(3)在所述小孔或小孔阵列中沉积纳米管；
[0028]
(4)在开孔层上沉积或者旋涂填充层；
[0029]
(5)通过刻蚀减薄的方法，将填充层和开孔层减薄，至填充层和开孔层的总厚度小于纳米管长度，并通过控制刻蚀减薄的程度来控制纳米管的长度；
[0030]
(6)依次在基片、绝缘层和金属层上开孔至与纳米管联通即可得到一种含有纳米管基纳米通道的芯片。
[0031]
优选的，步骤(1)中所述沉积的方法为溅射镀膜、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积或电子束蒸发中的任意一种；
[0032]
步骤(2)中所述微纳加工的方法为聚焦离子束钻孔或电子束光刻后进行反应离子刻蚀；
[0033]
步骤(3)中所述沉积的方法为介电泳沉积；
[0034]
步骤(4)中所述沉积的方法为溅射镀膜、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积或电子束蒸发中的任意一种；
[0035]
步骤(5)中所述刻蚀减薄的方法为：离子束刻蚀或化学减薄；
[0036]
步骤(6)中所述开孔方法为：离子束刻蚀、反应离子刻蚀或化学腐蚀。
[0037]
3、上述芯片在检测生物大分子方面的应用。
[0038]
优选的，所述生物大分子为dna、rna、多肽或蛋白。
[0039]
本发明的有益效果在于：
[0040]
1、本发明公开了一种含有纳米管基纳米通道的芯片，该芯片中含有纳米管形成的纳米通道，在使用过程中以纳米管状结构为核心，由于被测物在测试过程中的运动方向与纳米管的原子排布方向相平行和管内原子级的粗糙度，极大地减少了由于与被测物间的相互作用而导致的原子脱落，有效避免了扩孔现象，能使检测结果更为稳定和准确。
[0041]
2、本发明还公开了一种含有纳米管基纳米通道的芯片的制备方法，通过在基片上依次沉积绝缘层、金属层和开孔层，然后通过微纳加工方法，在开孔层上制备小孔或小孔阵列，在小孔或小孔阵列中沉积纳米管，然后通过沉积或者旋涂形成填充层(同时填充层的材料也进入到纳米管中)，再通过刻蚀减薄的方法，将沉积的封装层和开孔层减薄，确保纳米管顶端开通，并通过控制刻蚀减薄的程度来控制纳米管的长度，最后依次在基片、绝缘层和金属层上开孔至与纳米管联通。本发明的制备方法不仅可以制备长度可控的纳米管基纳米通道，还可以形成大规模纳米孔阵列，且孔径根据纳米管的优化选择，可以保持高度一致。
[0042]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0043]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0044]
图1为实施例1和实施例2中含有纳米管基纳米通道芯片的制备流程图；
[0045]
图2为实施例3和实施例4中含有纳米管阵列基纳米通道芯片的制备流程图；
[0046]
图3为将实施例1中制备的含有碳纳米管基纳米通道的芯片用于生物大分子(寡核苷酸)检测的原理图，其中1-1为基底、1-2为绝缘层、1-3为金属层、1-4为开孔层、1-5为填充层材料、1-6为碳纳米管、1-7为电源、1-8为电流计、1-9为电极、1-10为寡核苷酸、1-11为电解液；
[0047]
图4为实施例1中制备的含有碳纳米管基纳米通道的芯片检测寡核苷酸的特征电流信号；
[0048]
图5为实施例2中制备的含有氮化硼纳米管基纳米通道的芯片检测炭疽致死因子的特征电流信号；
[0049]
图6为将实施例3中制备的含有碳纳米管阵列基纳米通道的芯片用于生物大分子(短肽)检测的原理图，其中1-1为基底、1-2为绝缘层、1-3为金属层、1-4为开孔层、1-5为填
充层材料、1-6为碳纳米管、1-7为电源、1-8为电流计、1-9为电极、1-10为短肽、1-11为电解液。
具体实施方式
[0050]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0051]
实施例1
[0052]
一种含有碳纳米管基纳米通道的芯片，具体的制备方法包括如下步骤：
[0053]
(1)将硅/氧化硅作为基片，将其放入乙醇中超声清洗10min后取出，用去离子水冲洗、氮气吹干，再放入食人鱼洗液中浸泡30min后取出，用去离子水冲洗、氮气吹干；
[0054]
(2)通过等离子体增强化学气相沉积法在步骤(1)中清洗干净的硅/氧化硅基片上沉积一层厚度为100nm的氮化硅薄膜作为绝缘层；
[0055]
(3)通过电子束蒸发的方法在步骤(2)中形成的绝缘层上先沉积一层厚度为20nm的铬、然后沉积一层厚度为80nm的铂形成金属层；
[0056]
(4)通过化学气相沉积法在步骤(3)中形成的金属层上沉积一层厚度为80nm的氮化硅薄膜作为开孔层；
[0057]
(5)通过聚焦离子束的方法在步骤(4)中制备形成的开孔层上打一个孔径为30～40nm、其深度为80nm的小孔，刚好穿透最后沉积的氮化硅开孔层；
[0058]
(6)将步骤(5)中得到的带有小孔的产品放入含有长度大于等于80nm的碳纳米管的溶液中，通过介电泳沉积的方法将碳纳米管沉积到小孔中形成纳米通道；
[0059]
(7)通过等离子体增强化学气相沉积法在步骤(6)中形成的产品上再沉积一层厚度为90nm的氧化硅层作为填充层，将沉积的碳纳米管包埋固定在小孔内；
[0060]
(8)通过离子束刻蚀将填充层和开孔层薄膜减薄至20nm，露出碳纳米管顶端开孔；
[0061]
(9)分别通过湿法腐蚀、等离子体刻蚀和湿法腐蚀将基片底面的玻璃、氮化硅和金属层腐蚀，得到两端开通的含有碳纳米管基纳米通道的芯片。
[0062]
实施例2
[0063]
一种含有氮化硼纳米管基纳米通道的芯片，具体的制备方法如下：
[0064]
(1)将硅片作为基片，将其放入乙醇中超声清洗10min后取出，用去离子水冲洗、氮气吹干，再放入食人鱼洗液中浸泡30min后取出，用去离子水冲洗、氮气吹干；
[0065]
(2)通过化学气相沉积法在步骤(1)中清洗干净的硅基片上沉积一层厚度为500nm的氧化硅薄膜作为绝缘层；
[0066]
(3)通过溅射镀膜在步骤(2)中形成的绝缘层上先沉积一层厚度为10nm的铬、然后沉积一层厚度为140nm的钴、最后沉积一层厚度为20nm的钛作为金属层；
[0067]
(4)通过等离子体增强化学气相沉积法在步骤(3)中形成的金属层上沉积一层厚度为1000nm的氮化硅薄膜作为开孔层；
[0068]
(5)通过聚焦离子束在步骤(4)中形成的金属层上打一个孔径为300-500nm、深度为1000nm的小孔，刚好穿透最后沉积的氮化硅层；
[0069]
(6)将步骤(5)中得到的带有小孔的产品放入含有长度大于等于1000nm的氮化硼纳米管的溶液中，通过介电泳沉积的方法将氮化硼纳米管沉积到小孔中形成纳米通道；
[0070]
(7)通过化学气相沉积法在步骤(6)中形成的产品上再沉积一层厚度为1200nm的氮化硅薄膜作为填充层，将沉积的氮化硼纳米管包埋固定在小孔内；
[0071]
(8)通过离子束刻蚀将填充层和开孔层薄膜减薄至800nm，露出氮化硼纳米管顶端开孔；
[0072]
(9)分别通过湿法腐蚀、等离子体刻蚀和湿法腐蚀将基片底面的硅、氧化硅和金属层腐蚀，得到两端开通的氮化硼纳米管芯片。
[0073]
实施例1和实施例2中含有纳米管基纳米通道芯片的制备流程如图1所示。
[0074]
实施例3
[0075]
一种含有碳纳米管阵列基纳米通道的芯片，具体的制备方法如下：
[0076]
(1)将硅/氧化硅作为基片，将其放入乙醇中超声清洗10min后取出，用去离子水冲洗、氮气吹干，再放入食人鱼洗液中浸泡30min后取出，用去离子水冲洗、氮气吹干；
[0077]
(2)通过等离子体增强化学气相沉积法在步骤(1)中清洗干净的基片上沉积一层厚度为200nm的氮化硅薄膜作为绝缘层；
[0078]
(3)通过电子束蒸发在步骤(2)中形成的绝缘层上先沉积一层厚度为50nm的铬，然后沉积一层厚度为60nm的金作为金属层；
[0079]
(4)通过化学气相沉积法在步骤(3)中形成的金属层上沉积一层厚度为200nm的氧化硅薄膜作为开孔层；
[0080]
(5)通过聚焦离子束在步骤(4)中形成的开孔层上加工小孔阵列，其阵列中小孔的孔径为80～100nm、深度为200nm，刚好穿透最后沉积的氮化硅开孔层；
[0081]
(6)将步骤(5)中制备得到的带有小孔阵列的产品放入含有长度大于等于200nm的碳纳米管溶液中，通过介电泳沉积，将碳纳米管沉积到小孔阵列中；
[0082]
(7)通过旋涂法在步骤(6)中形成的产品上再涂附一层厚度为200nm的氢倍半硅氧烷聚合物薄膜作为填充层，将沉积的碳纳米管包埋固定在小孔内；
[0083]
(8)通过离子束刻蚀将填充层和开孔层薄膜减薄至100nm，露出碳纳米管顶端开孔；
[0084]
(9)分别通过湿法腐蚀、等离子体刻蚀和湿法腐蚀将基片底面的硅、氧化硅、氮化硅和金属层腐蚀，得到两端开通的碳纳米管阵列芯片。
[0085]
实施例4
[0086]
一种含有氮化硼纳米管阵列基纳米通道的芯片，具体的制备方法如下：
[0087]
(1)将石英片作为基片，将其放入乙醇中超声清洗10min后取出，用去离子水冲洗、氮气吹干，再放入食人鱼洗液中浸泡30min后取出，用去离子水冲洗、氮气吹干；
[0088]
(2)通过化学气相沉积法在步骤(1)清洗干净的芯片上沉积一层厚度为200nm的氮化硅薄膜作为绝缘层；
[0089]
(3)通过电子束蒸发在步骤(2)中形成的绝缘层上先沉积一层厚度为10nm的铬，然后沉积一层厚度为40nm的钴，最后沉积一层厚度为50nm的金作为金属层；
[0090]
(4)通过等离子体增强化学气相沉积法在步骤(3)中形成的金属层上沉积一层厚度为500nm的氮化硅薄膜作为开孔层；
[0091]
(5)通过电子束和反应离子刻蚀刻蚀在步骤(4)中形成的开孔层上制备小孔阵列，其阵列中小孔的孔径为200-300nm、深度为500nm，刚好穿透最后沉积的氮化硅层；
[0092]
(6)将步骤(5)中制备得到的带有小孔阵列的产品放入含有长度大于等于500nm的氮化硼纳米管的溶液中，通过介电泳沉积的方法将氮化硼纳米管沉积到小孔阵列中；
[0093]
(7)通过化学气相沉积法在步骤(6)中形成的产品上再沉积一层厚度为600nm的氮化硅薄膜作为填充层，将沉积的氮化硼纳米管阵列包埋固定在小孔阵列内；
[0094]
(8)通过化学减薄将填充层和开孔层薄膜减薄至200nm，露出氮化硼纳米管顶端开孔；
[0095]
(9)分别通过湿法腐蚀、等离子体刻蚀和湿法腐蚀将基片底面的硅、氧化硅、氮化硅和金属层腐蚀，得到两端开通的氮化硼纳米管阵列芯片。
[0096]
实施例3和实施例4中制备含有纳米管阵列基纳米通道芯片的流程如图2所示。
[0097]
实施例5
[0098]
将实施例1中制备的含有碳纳米管基纳米通道的芯片用于生物大分子(寡核苷酸)检测，检测原理如图3所示，其中1-1为基底、1-2为绝缘层、1-3为金属层、1-4为开孔层、1-5为填充层材料、1-6为碳纳米管、1-7为电源、1-8为电流计、1-9为电极、1-10为寡核苷酸、1-11为电解液。以检测寡核苷酸为例，具体检测过程如下所示：
[0099]
(1)将实施例1中制备的含有碳纳米管基纳米通道的芯片依次放入去离子水和乙醇中各浸泡10min；
[0100]
(2)将浸泡后的芯片装入夹具，碳纳米管作为联通芯片两侧电解质溶液的唯一通道；
[0101]
(3)将寡核苷酸样品加入到电解液腔室中，在芯片两侧加上电压，可观察到寡核苷酸通过碳纳米管的电流信号。
[0102]
通过上述检测过程，得到寡核苷酸明显的特征电流信号，如图4所示。从图4中可以看出，芯片检测得到的电流基线平稳，信号具有较高的信噪比和分辨率。
[0103]
实施例6
[0104]
将实施例2中制备的含有氮化硼纳米管基纳米通道的芯片用于生物大分子检测。以检测炭疽致死因子为例，具体检测过程如下所示：
[0105]
(1)将实施例2中制备的含有氮化硼纳米管基纳米通道的芯片依次放入去离子水和乙醇中各浸泡10min；
[0106]
(2)将浸泡后的芯片装入夹具，氮化硼纳米管作为联通芯片两侧电解质溶液的唯一通道；
[0107]
(3)将炭疽致死因子样品加入到电解液腔室中，在芯片两侧加上电压，可观察到炭疽致死因子通过氮化硼纳米管的电流信号。
[0108]
通过上述检测过程，得到炭疽致死因子明显的特征电流信号，如图5所示。从图5中可以看出，芯片检测得到的电流基线依然平稳，信号具有较高的信噪比和分辨率。
[0109]
实施例7
[0110]
将实施例3中制备的含有碳纳米管阵列基纳米通道的芯片用于生物大分子(短肽)
检测，检测原理如图6所示，其中1-1为基底、1-2为绝缘层、1-3为金属层、1-4为开孔层、1-5为填充层材料、1-6为碳纳米管、1-7为电源、1-8为电流计、1-9为电极、1-10为短肽、1-11为电解液。以检测短肽为例，具体检测过程如下所示：
[0111]
(1)将实施例3中制备的碳纳米管阵列芯片依次放入去离子水和乙醇中各浸泡10min；
[0112]
(2)将浸泡后的检测芯片装入夹具，碳纳米管阵列作为联通芯片两侧电解质溶液的唯一通道；
[0113]
(3)将短肽样品加入到电解液腔室中，在芯片两侧加上电压，可观察到短肽通过碳纳米管阵列的电流信号。
[0114]
通过上述检测过程，同时得到多个纳米通道检测到短肽的特征电流信号，提高了纳米通道检测的通量。
[0115]
实施例8
[0116]
将实施例4中制备的含有氮化硼纳米管阵列基纳米通道的芯片用于生物大分子检测。以检测免疫球蛋白为例，具体检测过程如下所示：
[0117]
(1)将实施例4中制备的氮化硼纳米管阵列芯片依次放入去离子水和乙醇中各浸泡10min；
[0118]
(2)将浸泡后的检测芯片装入夹具，氮化硼纳米管阵列作为联通芯片两侧电解质溶液的唯一通道；
[0119]
(3)将免疫球蛋白样品加入到电解液腔室中，在芯片两侧加上电压，可观察到免疫球蛋白通过氮化硼纳米管阵列的电流信号。
[0120]
通过上述检测过程，同时得到多个纳米通道检测到的免疫球蛋白的特征电流信号，提高了纳米通道检测的通量。
[0121]
另外，将上述实施例制备的含有纳米管基纳米通道的芯片用于检测dna、rna、多肽或蛋白，都具有高的分辨率和灵敏度。其原因在于：本发明提供的含有纳米管基纳米通道的芯片，与现在常用的固态纳米孔相比，作为待测物通道的纳米管或纳米管阵列在整个通道范围内(纳米～毫米尺度)结构高度统一；最重要的是，被测物在测试过程中的运动方向与纳米管的原子排布方向相平行和管内原子级的粗糙度，极大地减少了由于与被测物间的相互作用而导致的原子脱落，有效避免了扩孔现象，能使检测信号更为稳定和准确。
[0122]
综上所述，本发明公开了一种含有纳米管基纳米通道的芯片，该芯片中含有纳米管形成的纳米通道，在使用过程中以纳米管状结构为核心，由于被测物在测试过程中的运动方向与纳米管的原子排布方向相平行和管内原子级的粗糙度，极大地减少了由于与被测物间的相互作用而导致的原子脱落，有效避免了扩孔现象，能使检测结果更为稳定和准确。本发明还公开了一种含有纳米管基纳米通道的芯片的制备方法，通过在基片上依次沉积绝缘层、金属层和开孔层，然后通过微纳加工方法，在开孔层上制备小孔或小孔阵列，在小孔或小孔阵列中沉积纳米管，然后通过沉积或者旋涂形成填充层(同时填充层的材料也进入到纳米管中)，再通过刻蚀减薄的方法，将沉积的封装层和开孔层减薄，确保纳米管顶端开通，并通过控制刻蚀减薄的程度来控制纳米管的长度，最后依次在基片、绝缘层和金属层上开孔至于纳米管联通。本发明的制备方法不仅可以制备长度可控的纳米管基纳米通道，还可以形成大规模纳米孔阵列，且孔径根据纳米管的优化选择，可以保持高度一致。
[0123]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。