专利名称：单粒子束刻蚀薄膜的单纳米孔制作方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米孔的制备方法，特别涉及一种单粒子束刻蚀薄膜的单纳米孔制作方法。属于纳米技术领域。
背景技术：
生物的原生质体膜上存在着天然的蛋白质孔洞，可以进行细胞内和细胞外的离子交换，用膜片钳能够检测离子流动情况，用α溶血素侵染双脂膜形成一种两侧不对称的蛋白质纳米孔，也可用于离子流的检测，但更多的是用于核酸和单链脱氧核酸(统称核酸)穿孔的动力学研究，检测核酸分子片段的大小，还有测定它们碱基序列的潜力，但由于这种纳米孔是蛋白质在双脂膜上形成的孔，容易老化、不能耐受较高的电压、通透性受pH和盐浓度影响较大、还可能存在与核酸互作用位点，在有效的电场强度下，核酸通过纳米孔的速度太快，超出了当前膜片钳的分辨率，虽然通过调节电泳液组分等已将核酸的穿孔速度降至3nt/微秒，但仍超出了仪器分辨率3个数量级，这些都使纳米孔测序变得复杂化。为了克服蛋白孔存在的天然缺陷，人们用离子束、电子束刻蚀或溅射、重离子穿孔后再进行化学蚀刻、聚合物薄膜扎孔以及低密度商业膜内镀等方法制备固体膜，但纳米孔的三维尺度不可控，很不规则，所以如何制作尺度可控的纳米孔，成了提高检测带电分子电信号准确性的关键。但在以往采用固体纳米孔对核酸链直接测序研究中，被人们忽视的一个严重问题，是单链核酸上相邻碱基间距只有7，也即现有的固体纳米孔孔深太大，一般在μm级，可同时容纳多个碱基，这样，就会引起电信号的混淆而无法测出核酸分子中碱基的实际序列。
经对现有技术的文献检索发现，Golovchenko等人在《Nature》(《自然杂志》，2001年第412卷166-169页)发表了题为“Ion-beam sculpting at nanometrelength scales”(“粒子束在纳米长尺度下雕刻”)的论文，提出以Si3N4基片为材料，用Ar+粒子束溅射制作出口宽1.8nm的孔，孔的形状呈不规则状，利用口径5nm、深度约10nm的孔检测500bp双链DNA穿孔动力学，发现其穿孔时间都在5毫秒以内，即其穿孔速率为100bp/亳秒，并依此申请了美国专利号7118657，专利名为“Pulsed ion beam control of solid state features”(“固相形状的脉冲粒子束控制”)的专利，利用该专利技术，虽然能获得纳米孔直径在5nm的元件，但纳米孔的形状很不规则，首先是孔口不是圆形，所以在进行双链DNA长度检测时，相同长度的DNA片段没有相同的穿孔时间，其次是孔的深度不可控制，制作出的纳米孔深度在10nm，超出了单链DNA碱基间距0.7nm，也即是孔中可同时容纳约15个碱基，因此无法用于单链DNA分子的纳米孔测序。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种单粒子束刻蚀薄膜的单纳米孔制作方法，使其实现二维(直径和孔深)可控的单纳米孔的制备，所制得的单纳米孔为圆形、孔径在1个nm级可控、孔深在从级到μm级可控，适于检测核酸分子的大小或分辨其碱基组分。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明方法具体为将厚度在2-5μm的固体绝缘薄膜置于带有粒子检测装置的一个可水平旋转的载体上，用束流截面直径0.5-1nm的单粒子束(带电粒子束或中子束)刻蚀上述固体绝缘薄膜，单粒子束入射角大于等于9.6°、小于90°，并且单粒子束在该薄膜底部、顶部、或二者之间某处与固体绝缘薄膜旋转轴交叉，待单粒子束完全穿透该薄膜后，固体绝缘薄膜底部的粒子监测器反馈使载体旋转一次，使固体绝缘薄膜被穿透处与单粒子束相对移动1埃，再刻蚀，如此反复，直至固体绝缘薄膜旋转一周，获得最小直径约1-3nm、纳米孔边缘厚度小于核酸链中两个相邻碱基的间距(0.7nm)的圆台形或双倒圆台形单纳米孔，单粒子束入射角为90°时，连续刻蚀直至穿透固体绝缘薄膜，获得直径在约1nm的筒形纳米孔。
所述的固体绝缘薄膜，为硅片、云母片、金刚石薄膜或石英玻璃薄膜。
所述的单纳米孔，其形状取决于单粒子束的入射角以及单粒子束与固体绝缘薄膜旋转轴的交叉位置，当单粒子束入射角大于等于9.6°、小于90°，单粒子束与固体绝缘薄膜旋转轴的交叉位置在固体绝缘薄膜顶部或底部时，单纳米孔为圆台形，单粒子束与固体绝缘薄膜旋转轴的交叉位置在固体绝缘薄膜上下两个面之问时，单纳米孔为双倒圆台形(交叉位置在固体绝缘薄膜高度一半处时，为对称的双倒圆台形；交叉位置在固体绝缘薄膜上下两个面之间的其他位置时，为不对称的双倒圆台形)；单粒子束入射角为90°时，单纳米孔为圆筒形。
本发明方法制作的圆台形和各种双倒圆台形单纳米孔，纳米孔内边缘深度小于0.7nm，与电泳槽和膜片钳结合，可精确将单链DNA和RNA的相邻碱基逐一分别检测，克服了以往纳米孔过深、同时容纳多个碱基而无法逐一鉴别碱基信号的缺点，为以纳米孔为基础的核酸测序提供了关键器件，用这样的器件测序，有望实现超高速、低成本、高精度、无缺口的基因组测序，满足对快速测序的多种需求。利用本发明方法，还可获得筒形单纳米孔，与现有技术制作的纳米孔相比，其孔的深度和直径可控、形状规则、内部光洁、可大幅度提高信噪比，从而可更精确地检测双链DNA的大小。
具体实施例方式
实施例1将厚度2μm的硅片置于带有离子检测装置的一个可水平旋转的载体上，用束流截面直径1nm的单粒子束，以60度入射角刻蚀硅片，使单粒子束在硅片底部与硅片的旋转轴交叉，待硅片被完全穿透后，硅片底部的粒子监测器反馈使载体旋转一次，使硅片被穿透处与单粒子束相对移动1，硅片与粒子束瞄准器相对位置旋转1nm，再刻蚀，如此反复，直至硅片旋转一周，获得最小直径约1.2nm、纳米孔内边缘厚度在0.5nm的单纳米孔，该单纳米孔为圆台形。
将含有单纳米孔的硅片固定到中心有一直径约10μm小孔的矩形或圆形固相支撑物(厚度在mm级，边长或直径在cm级)上并将硅片四周密封，纳米孔对准支持物小孔中心，获得大小适于手工操作的纳米元件(mm-cm级)。
效果用单粒子束刻蚀制作圆台形单纳米孔，可将单纳米孔的直径控制在1.2nm，纳米孔内边缘厚度控制在0.5nm。
实施例2将厚度5μm的云母片置于带有粒子检测装置的一个可水平旋转的载体上，用束流截面直径1nm的单粒子束，以45度入射角刻蚀云母片，使粒子束在云母片厚度的一半处与旋转轴交叉，待云母片被完全穿透后，云母片底部的粒子监测器反馈使载体上的云母片被穿透处与粒子束瞄准器相对位置旋转1，再刻蚀，如此反复，直至云母片旋转一周，获得最小直径约1.5nm、纳米孔边缘厚度约0.5nm的单纳米孔，该单纳米孔为对称的双倒圆台形。
将含有单纳米孔的云母片固定到中心有一个直径10μm小孔的矩形或圆形固相支撑物(厚度在mm级，边长或直径在cm级)上，纳米孔对准支持物小孔中心，并将云母片四周密封，获得大小适于手工操作的纳米元件(mm-cm级)。
效果用单粒子束刻蚀制作双倒圆台形单纳米孔，可将单纳米孔的直径控制在1.5nm，纳米孔内边缘厚度控制在0.5nm。
实施例3将厚度2.5μm的金刚石薄膜置于带有粒子检测装置的一个可水平旋转的载体上，用束流截面直径1nm的单粒子束，以90度入射角刻蚀金刚石薄膜，直至薄膜完全穿透，获得直径约1nm的筒形单纳米孔，纳米孔深为2.5μm。
制备一个中心有μm级小孔的矩形或圆形固相支撑物(厚度在mm级，边长或直径在cm级)，将金刚石薄膜上纳米孔对准小孔的中心，金刚石薄膜四周密封，获得大小适于手工操作的纳米元件。
效果用单粒子束刻蚀制作筒形单纳米孔，可将单纳米孔的直径控制在约1nm，金刚石薄膜的厚度即为孔深，即2.5μm。
实施例4将厚度5μm的石英玻璃薄膜置于带有离子检测装置的一个可水平旋转的载体上，用束流截面直径0.5nm的单粒子束，以9.6度入射角刻蚀石英玻璃薄膜，使粒子束在距石英玻璃薄膜上面2μm处与旋转轴交叉，待石英玻璃薄膜被完全穿透后，石英玻璃薄膜底部的粒子监测器反馈使载体旋转一次，使石英玻璃薄膜被穿透处与单粒子束相对移动1，石英玻璃薄膜与粒子束瞄准器相对位置旋转0.5nm，再刻蚀，如此反复，直至石英玻璃薄膜旋转一周，获得最小直径约3nm、纳米孔内边缘厚度约0.5nm的单纳米孔，该单纳米孔为不对称双倒圆台形。
将含有单纳米孔的石英玻璃薄膜固定到中心有一直径约10μm小孔的矩形或圆形固相支撑物(厚度在mm级，边长或直径在cm级)上并将石英玻璃薄膜四周密封，纳米孔对准支持物小孔中心，获得大小适于手工操作的纳米元件(mm-cm级)。
效果用单粒子束刻蚀制作圆台形单纳米孔，可将单纳米孔的直径控制在3nm，纳米孔内边厚度控制在0.5nm。
实施例5将厚度2μm的硅片置于带有离子检测装置的一个可水平旋转的载体上，用束流截面直径0.5nm的单粒子束，以30度入射角刻蚀硅片，使单粒子束在硅片顶部与硅片的旋转轴交叉，待硅片完全穿透后，硅片底部的粒子监测器反馈使载体旋转一次，使硅片被穿透处与单粒子束相对移动1，硅片与粒子束瞄准器相对位置旋转1nm，再刻蚀，如此反复，直至硅片旋转一周，获得最小直径1nm、纳米孔内边缘厚度在0.5nm的单纳米孔，该单纳米孔为圆台形。
将含有单纳米孔的硅片固定到中心有一直径约10μm小孔的矩形或圆形固相支撑物(厚度在mm级，边长或直径在cm级)上并将硅片四周密封，纳米孔对准支持物小孔中心，获得大小适于手工操作的纳米元件(mm-cm级)。
效果用单粒子束刻蚀制作圆台形单纳米孔，可将单纳米孔的直径控制在1nm，纳米孔内边缘厚度控制在0.5nm。
权利要求
1.一种单粒子束刻蚀薄膜的单纳米孔制作方法，其特征在于，所述方法具体为将固体绝缘薄膜置于带有粒子检测装置的一个可水平旋转的载体上，用单粒子束刻蚀固体绝缘薄膜，单粒子束入射角大于等于9.6°小于等于90°，并且单粒子束在该薄膜底部、顶部、或二者之间与固体绝缘薄膜旋转轴交叉，待单粒子束完全穿透该薄膜后，固体绝缘薄膜底部的粒子监测器反馈使载体旋转一次，使固体绝缘薄膜被穿透处与单粒子束相对移动1，再刻蚀，如此反复，直至固体绝缘薄膜旋转一周，获得单纳米孔。
2.根据权利要求1所述的单粒子束刻蚀薄膜的单纳米孔制作方法，其特征是，所述的固体绝缘薄膜，其厚度为2-5μm。
3.根据权利要求1或2所述的单粒子束刻蚀薄膜的单纳米孔制作方法，其特征是，所述的固体绝缘薄膜，为硅片、云母片、金刚石薄膜或石英玻璃薄膜。
4.根据权利要求1所述的单粒子束刻蚀薄膜的单纳米孔制作方法，其特征是，所述的单粒子束，为束流截面直径在0.5-1nm的单粒子束。
5.根据权利要求1所述的单粒子束刻蚀薄膜的单纳米孔制作方法，其特征是，所述的单纳米孔，为直径1-3nm、孔边缘厚度＜0.7nm、圆台形或双倒圆台形的纳米孔。
6.根据权利要求1所述的单粒子束刻蚀薄膜的单纳米孔制作方法，其特征是，所述的单纳米孔，为直径1nm的筒形纳米孔。
7.根据权利要求1或5或6所述的单粒子束刻蚀薄膜的单纳米孔制作方法，其特征是，所述的单纳米孔，其形状取决于单粒子束的入射角以及单粒子束与固体绝缘薄膜旋转轴的交叉位置，当单粒子束的入射角大于等于9.6°小于90°，单粒子束与固体绝缘薄膜旋转轴的交叉位置在固体绝缘薄膜顶部或底部时，单纳米孔为圆台形，单粒子束与固体绝缘薄膜旋转轴的交叉位置在固体绝缘薄膜上下两个面之间时，单纳米孔为双倒圆台形；单粒子束入射角为90°时，单纳米孔为筒形。
8.根据权利要求1或5所述的单粒子束刻蚀薄膜的单纳米孔制作方法，其特征是，所述的单纳米孔，当单粒子束入射角大于等于9.6°、小于等于90°，单粒子束与固体绝缘薄膜旋转轴交叉位置在固体绝缘薄膜高度一半处时，为对称的双倒圆台形，单粒子束与固体绝缘薄膜旋转轴交叉位置在固体绝缘薄膜上下两个面之间的其它位置时，为不对称的双倒圆台形。
全文摘要
一种单粒子束刻蚀薄膜的单纳米孔制作方法，属于纳米技术领域。本发明将固体绝缘薄膜置于带有粒子检测装置的一个可水平旋转的载体上，用单粒子束刻蚀该薄膜，单粒子束入射角大于等于9.6°、小于等于90°，并且单粒子束在该薄膜底部、顶部、或二者之间与薄膜旋转轴交叉，待单粒子束完全穿透该薄膜后，固体绝缘薄膜底部的粒子监测器反馈使该薄膜被穿透处与单粒子束相对移动1，再刻蚀，如此反复，直至固体绝缘薄膜旋转一周，获得圆台形、双倒圆台形或圆筒形的单纳米孔。本发明方法制备的单纳米孔，孔径在1个nm级可控，孔深在从级到μm级可控，适于分辨单链DNA或RNA分子的碱基组分和检测双链DNA分子的大小，为核酸测序提供了关键器件。
文档编号G01N27/28GK1986383SQ20061014723
公开日2007年6月27日 申请日期2006年12月14日 优先权日2006年12月14日
发明者王志民 申请人:上海交通大学