基于激光和压强调制的固态纳米孔穿孔控制方法与流程

本发明涉及固态纳米孔探测技术，特别是基于激光和压强调制的固态纳米孔穿孔控制方法。

背景技术

生物大分子是生命活动的主要载体，过去几十年中，生物大分子研究方法和技术的进步对生命科学的发展产生了极其重大的影响。随着学界对生命活动过程的深入研究，对生物大分子结构和物理化学性质的检测和研究已经开始进入单分子层次。相比于传统的基于总体平均的观测手段，单分子探测方法具有如下优势，首先，通过多次连续测量，单分子性质的不均匀性分布可以被展示出来；其次，通过直接记录系统扰动，可以得到单分子轨迹的动态和统计信息，这些信息在传统观测方法中被统计平均的结果所掩盖。最后，基于单分子的观测手段能够实现许多传统观测手段无能为力的实时瞬态过程的捕捉。目前，应用较多的单分子探测和表征手段按工作模式和作用机制，可以分为x射线衍射、单分子荧光、电子显微镜，主要侧重于对生物大分子的成像与表征；以及原子力显微镜(afm)、光镊和磁镊，主要侧重于对生物大分子的捕获与操纵。

而最近十几年新兴起的纳米孔(nanopore)单分子探测技术，利用生物分子穿过纳米孔时对其离子电流的阻塞(pa量级)，来得到生物分子的结构和动力学等信息，具有高分辨率、快速低成本、样品低损伤、顺序直读、大面阵、优异环境兼容性以及无需样品前期处理等特点，已广泛应用于蛋白、dna-蛋白复合物、rna、高分子聚合物、金属离子等几乎所有带电分子和粒子的探测，尤其是基于纳米孔的新一代基因检测方法的发展而使得固态纳米孔作为一种成熟的单分子检测技术受到了广泛关注。

但是，基于固态纳米孔的探测技术在超精密测量甚至基因测序领域的进一步发展仍面临时间分辨率、空间分辨率、信噪比、高通量等诸多挑战。对于空间分辨率，研究表明横向遂穿电极或基于石墨烯等的二维材料纳米孔可以实现nm级间距的位置分辨；对于信噪比，可以通过减小纳米孔芯片寄生电容、降低电解液电阻或降低放大器噪声等进一步改善；对于高通量探测，阵列纳米孔结合光学信号的探测模式具有多路信号同时探测的潜力。而对于时间分辨率，目前待测物的穿孔速度过快，远远超过了信号发生器的频率响应速度和滤波器的截止频率，导致无法对其超精细结构进行分辨和识别，成为固态纳米孔技术进一步大规模应用的重要瓶颈。fologea等系统研究了生物分子平均穿孔时间与纳米孔实验参数的关系，发现减小驱动电压、增大电解质浓度、增大粘滞系数、降低温度等能减慢生物分子的穿孔速度，但是减速效果十分有限(2～8倍)，且以损失信噪比和捕获率为代价。另外，研究者采用小于5nm的小尺寸纳米孔，通过生物分子与孔壁较强的相互作用进行减速，该方法的缺点是在在平均穿孔时间延长的同时，穿孔时间分布的半高宽也加大了，即在减速的同时对生物分子的穿孔引入更大的不确定性。因此对于固态纳米孔探测技术的时间分辨率和穿孔过程控制目前几乎没有十分有效的方法。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于激光和压强调制的固态纳米孔穿孔控制方法。

本发明实施例提出了基于激光和压强调制的固态纳米孔穿孔控制方法，包括：(1)进行固态纳米孔芯片的微纳制备；(2)对所述固态纳米孔芯片进行水下浸润，搭建集成共聚焦光学系统的纳米孔芯片测试系统；(3)采用激光辐照所述固态纳米孔芯片的固态膜表面，通过离子电流变化确定所述固态纳米孔芯片的纳米孔位置；(4)改变控制条件，对探测物穿孔进行控制，当所述纳米孔出现堵孔情况时，对所述纳米孔进行激光辐照以分解和清理污染物，以延长所述纳米孔的使用时间，其中，所述控制条件包括压强大小和方向、激光功率、电压大小和极性、电解液浓度。

在一些实施例中，所述固态纳米孔芯片是在超薄绝缘薄膜上制备出的，且所述固态纳米孔芯片带有微型凹槽结构；以及所述进行固态纳米孔芯片的微纳制备，包括如下操作：芯片薄膜的生长、光刻开窗、刻蚀微型凹槽结构、rca腐蚀、氢氧化钾湿法腐蚀、划片、磷酸减薄、透射电镜纳米钻孔、等离子体清洗。

在一些实施例中，所述对所述固态纳米孔芯片进行水下浸润，包括：预先用乙醇滴淋需要与泳池拧紧固定的连接部件，以完全除去其表面的气泡，其中，所述泳池内溶液的充填顺序依次为乙醇、去离子水、电解质溶液；在光学显微镜中完成上下泳池的对中和组装固定后，迅速将所述固态纳米孔芯片浸没在装满去离子水的水缸内。

在一些实施例中，所述搭建集成共聚焦光学系统的纳米孔芯片测试系统，包括：使用水浸的参数为1.2na、60倍的光学显微镜和闭环xyz的三自由度纳米微位移器将来自波长为532nm的激光器的扩束光束聚焦到sin薄膜上；在探测端使用单光子成像相机连续测量达到功率，并在光束线性极化之后使用可调谐的半波片进行调整；在发射端利用长通滤波器和ccd照相机对发射光束进行对准；使用膜片钳放大器对pa量级的纳米孔电压和电流信号进行倍增放大，并使用16位数据采集板卡进行采样；使用另一块与模数转换采集卡同步的快速数字板卡，从pi控制器读取压电控制台位置并进行扫描，采用自行编写的labview程序进行数据采集。

在一些实施例中，采用激光辐照所述固态纳米孔芯片的固态膜表面，通过离子电流变化确定所述固态纳米孔芯片的纳米孔位置，包括：采用532nm的绿色激光光束对纳米孔芯片进行线扫，实时观测纳米孔电流基线的变化，其中，扫描速率1μm/s；响应于检测到开孔基线电流抬升达到预设倍数范围，将表面聚焦光束所定位到的位置确定为纳米孔所在位置，其中，所述预设倍数范围为2至5倍。

在一些实施例中，改变控制条件，对探测物穿孔进行控制，包括：在泳池cis端加入待测物，通过膜片钳放大器对cis、tans端施加不小于100mv且不大于500mv的电压差，驱动待测物从cis端穿过纳米孔到达trans端，以阻塞电流大小和阻塞电流持续时间作为穿孔物的几何尺寸、电荷分布、二级结构的特征参数；采用共聚焦显微镜发射出的10μw量级的低功率绿色激光照射sin薄膜固态纳米孔处位置，改变纳米孔附近的表面电荷密度，以诱导一个与探测物穿孔速度同向或反向的电渗透流，同时改变控制条件，对探测物穿孔进行控制；其中，所述低功率绿色激光的波长为532nm；所述所述控制条件包括压强大小和方向、激光功率、电压大小和极性、电解液浓度；所述对探测物穿孔进行控制包括减速、加速、单分子操纵。

在一些实施例中，当所述纳米孔出现堵孔情况时，对所述纳米孔进行激光辐照以分解和清理污染物，包括：在大量待测物穿孔后，采用10mw量级的高功率绿色激光持续照射sin薄膜固态纳米孔处及附近位置，以将吸附物辐照分解或推出纳米孔，其中，所述高功率绿色激光的波长为532nm。

在一些实施例中，探测物包括以下至少一项：蛋白、dna、rna、有机高分子聚合物、离子、小分子和单分子化合物。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法利用外部激光和压强对于纳米孔附近力场分布进行可逆的调制，可克服传统的调节纳米孔孔径、电解质浓度、溶液粘滞系数等内部实验参数控制待测物穿孔导致的测量信噪比和捕捉率下降，且调节过程为不可逆转变的局限，实现对穿孔过程更为精确的控制。

(2)本发明方法可以高效的利用高功率激光辐照对纳米孔表面污染物进行分解和清理，且方法简便，快速，保证了长时间的纳米孔使用寿命。

附图说明

图1为本发明的基于激光和压强调制的固态纳米孔穿孔控制方法的一个实施例的流程图；

图2为本发明基于激光和压强调制的固态纳米孔穿孔控制方法中的进行纳米孔芯片的微纳制备的流程示意图；

图3为本发明基于激光和压强调制的固态纳米孔穿孔控制方法中的基于激光和压强调制固态纳米孔附近力场分布对单根吸附3kbp双链dna进行捕获推出再捕获的单分子操纵示意图。

具体实施方式

本发明针对现有技术的不足，提出一种基于激光和压强调制的固态纳米孔穿孔控制方法，下面以该方法对单根吸附3kbp双链dna进行捕获推出再捕获的单分子操纵为例，对基于激光和压强调制的固态纳米孔穿孔控制方法的实施例进行详细的描述，但不用来限制本发明的范围。

图1示出了可以应用本申请的基于激光和压强调制的固态纳米孔穿孔控制方法的一个实施例的流程图。该基于激光和压强调制的固态纳米孔穿孔控制方法，包括以下步骤：

步骤101，进行固态纳米孔芯片的微纳制备。

在本实施例中，可以利用微纳制备手段进行固态纳米孔芯片的微纳制备。

在本实施例的一些可选的实现方式中，固态纳米孔芯片可以是在超薄绝缘薄膜上制备出的，固态纳米孔芯片可以带有微型凹槽结构。上述进行固态纳米孔芯片的微纳制备，可以包括如下操作：芯片薄膜的生长、光刻开窗、刻蚀微型凹槽结构、rca腐蚀、氢氧化钾湿法腐蚀、划片、磷酸减薄、透射电镜纳米钻孔、等离子体清洗等。具体地，

图2示出了进行纳米孔芯片的微纳制备的流程示意图，包括如下步骤：

(1)进行固态纳米孔芯片薄膜的生长。首先在厚度为400μm的标准4英寸硅片两端热氧化生长2μm左右的sio2(二氧化硅)，再用低压化学气相沉积(lpcvd，lowpressurechemicalvapordeposition)的方法在sio2层外侧生长150～200nm的sin(氮化硅)，形成五层堆叠的层状芯片薄膜，可以将所形成的该五层堆叠的层状芯片薄膜称为超薄绝缘薄膜。

(2)采用紫外光刻的方法开窗：将(1)中制备得到的超薄绝缘薄膜上下表面甩上s1818光刻胶，根据所需光刻胶厚度调节甩胶机转速。完成甩胶工艺以后，用设计好的光刻掩膜版做紫外曝光以及显影。完成曝光显影之后进行反应离子束刻蚀(rie，reactiveionetching)以及去光刻胶，rie刻蚀直接把小窗格中的sin全部刻掉。之后用热丙酮去掉所有剩余光刻胶。

(3)微型凹槽(mini-membrane)制备，通过聚焦离子束(fib，focusedionbeam)在(2)中得到的芯片sio2层上刻蚀一个尺寸大小为1-1.5μm边长的正方形凹槽，构成微型凹槽结构。其中，刻蚀厚度为sio2层总厚度的75％左右，这一方面可以维护悬空膜的稳定性，另一方面可以达到尽可能低的电容。

(4)rca反应，对(3)中的芯片进行“rca”(radiocorporationofamerica)刻蚀清洗，以除去表面的碳氢化合物和金属污染物并去除fib刻蚀剩余的25％的残余sio2衬底。

(5)氢氧化钾(koh)湿法腐蚀，腐蚀条件为80摄氏度5小时，koh溶液的浓度为33％，腐蚀到上sio2薄膜面上时窗的边长为a，a尽量控制在20μm以下，目的是尽量减少电容面积。

(6)划片，预留划片划痕，方便之后解理3*3mm的方形小片。

(7)磷酸减薄sin层，用浓磷酸160℃水浴加热，将顶部的sin膜减薄至50-100nm。

(8)透射电子显微镜纳米钻孔：采用高能聚焦电子束(feif30300kv)对(7)中的sin悬空膜进行纳米钻孔。首先，在2k的放大倍数下调节聚光镜合轴以及象散，移动样品台的位置通过亮斑定位到纳米孔中心的窗格区域。在3.5k～5k的放大倍数下通过肉眼对芯片边界的明暗变化情况粗调物镜的聚焦和象散。当粗调完成后，插入物镜光阑将放大倍数进一步调节到20k左右，通过调节fet光环使样品的位置精确调整到最佳点。通过该方法聚焦的样品位置与高能电子束的焦点的差距不超过1nm。最后将放大倍数调至56k以上进行纳米钻孔,2-3分钟开孔形成后移动聚焦光斑将纳米孔研磨到所需几何尺寸和形状。

(9)对纳米钻孔过程中产生的无定型碳污染进行等离子体清洗，碳污染是指在纳米钻孔的过程中在纳米孔的周边集聚的一些无定型碳污染，这种无定型碳污染可能会导致后续纳米孔实验中的堵孔事故。因此，需要将纳米孔芯片进行等离子体清洗，条件为在氧氩混合体积比为3:7的气氛下清洗3分钟。

步骤102，对所述固态纳米孔芯片进行水下浸润，搭建集成共聚焦光学系统的纳米孔芯片测试系统。

在本实施例中，浸润微纳制备得到的固态纳米孔芯片，整个浸润过程在水下进行，并搭建集成共聚焦光学系统的纳米孔芯片测试系统。

在本实施例的一些可选的实现方式中，可以预先用乙醇滴淋需要与泳池拧紧固定的连接部件，以完全除去其表面的气泡，其中，所述泳池内溶液的充填顺序依次为乙醇、去离子水、电解质溶液。而后，在光学显微镜中完成上下泳池的对中和组装固定后，迅速将所述固态纳米孔芯片浸没在装满去离子水的水缸内，以进行固态纳米孔芯片的水下浸润。具体地，可以按照如下步骤执行：将上下泳池的两个入液端组装上和装有酒精的注射器，其余端口全部敞开。分别将乙醇注入上泳池和下泳池，卡死导液管上阀门禁止乙醇回流。之后迅速将整个泳池浸没在装满去离子水的水缸内。通过水缸侧壁确认芯片正反两面都处于浸润状态而没有气泡形成。接下来把注射器内酒精缓慢推送进泳池，之后更换为装有去离子水的注射器，在更换注射器的过程中需格外小心切勿引进气泡。然后缓慢推送注射器内的去离子水，此时泳池应该已经完全处于水环境当中了。接下来换上装满氯化钾(kcl)盐溶液的注射器，在缓慢注液的同时把敞开的端口组装上对应的部件。为了防止引入气泡，每个部件在进入水缸之前都要先用乙醇润洗表面，组装完每一个部件之后都要缓慢推送一段注射器中的溶液以排除可能引入的气泡，最后小心拧紧泳池剩余端口的连接管。从水缸中取出组装完成的泳池，放在干净的无尘纸上，用氮气枪吹干表面。由于整个泳池浸润过程都放在水下进行，所以可以最大程度的避免静电荷在si和sin表面的积累。

在本实施例的一些可选的实现方式中，可以采用如下方式搭建集成共聚焦光学系统的纳米孔芯片测试系统：首先，使用水浸的参数为1.2na、60倍的光学显微镜和闭环xyz的三自由度纳米微位移器将来自波长为532nm的激光器的扩束光束聚焦到sin薄膜上。而后，在探测端使用单光子成像相机连续测量达到功率，并在光束线性极化之后使用可调谐的半波片进行调整。之后，在发射端利用长通滤波器和ccd照相机对发射光束进行对准。然后，使用膜片钳放大器对pa量级的纳米孔电压和电流信号进行倍增放大，并使用16位数据采集板卡进行采样。最后，使用另一块与模数转换采集卡同步的快速数字板卡，从pi控制器读取压电控制台位置并进行扫描，采用自行编写的labview程序进行数据采集。

步骤103，采用激光辐照所述固态纳米孔芯片的固态膜表面，通过离子电流变化确定所述固态纳米孔芯片的纳米孔位置。

在本实施例中，可以采用激光辐照所述固态纳米孔芯片的固态膜表面，通过离子电流变化确定所述固态纳米孔芯片的纳米孔位置。

在本实施例的一些可选的实现方式中，可以通过激光辐照固态膜处离子电流的变化定位纳米孔的位置，首先采用波长为532nm的绿色激光光束对纳米孔芯片进行线扫(扫描速率1μm/s)，实时观测纳米孔电流基线的变化。当光束扫描至纳米孔附近区域时，开孔基线电流会出现显著抬升，例如提升到预设倍数范围(例如2至5倍)，此时表面聚焦光束已经定位到纳米孔所在位置，表面聚焦光束所定位到的位置即为纳米孔所在位置。

步骤104，改变控制条件，对探测物穿孔进行控制，当所述纳米孔出现堵孔情况时，对所述纳米孔进行激光辐照以分解和清理污染物，以延长所述纳米孔的使用时间，其中，所述控制条件包括压强大小和方向、激光功率、电压大小和极性、电解液浓度。

在本实施例中，可以使用电压驱动3kb双链dna穿过纳米孔，在泳池cis端加入待测物，通过膜片钳放大器对cis、tans端施加电压(不小于100mv且不大于500mv)差，驱动待测物从cis端穿过纳米孔到达trans端，通过双daq板卡和8级贝塞尔滤波器对dna的穿孔信号进行滤波，提出并数据处理得到dna穿孔对应的阻塞电流大小和阻塞电流持续时间。

在本实施例中，可以改变控制条件，对探测物穿孔进行控制，当所述纳米孔出现堵孔情况时，对所述纳米孔进行激光辐照以分解和清理污染物，以延长所述纳米孔的使用时间。其中，所述控制条件可以包括压强大小和方向、激光功率、电压大小和极性、电解液浓度。

在本实施例的一些可选的实现方式中，可以具体按照如下步骤执行：首先，在泳池cis端加入待测物，通过膜片钳放大器对cis、tans端施加不小于100mv且不大于500mv的电压差，驱动待测物从cis端穿过纳米孔到达trans端，以阻塞电流大小和阻塞电流持续时间作为穿孔物的几何尺寸、电荷分布、二级结构的特征参数。而后，采用共聚焦显微镜发射出的10μw量级的低功率绿色激光照射sin薄膜固态纳米孔处位置，改变纳米孔附近的表面电荷密度，以诱导一个与探测物穿孔速度同向或反向的电渗透流，同时改变控制条件，对探测物穿孔进行控制。其中，所述低功率绿色激光的波长为532nm；所述控制条件可以包括但不限于：压强大小和方向、激光功率、电压大小和极性、电解液浓度；所述对探测物穿孔进行控制包括减速、加速、单分子操纵。

在本实施例的一些可选的实现方式中，当上述纳米孔出现堵孔情况时，可以按照如下方式对所述纳米孔进行激光辐照以分解和清理污染物：在大量待测物穿孔后，采用10mw量级的高功率绿色激光持续照射sin薄膜固态纳米孔处及附近位置，以将吸附物辐照分解或推出纳米孔，其中，所述高功率绿色激光的波长为532nm。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述探测物可以包括以下至少一项：蛋白、dna、rna、有机高分子聚合物、离子、小分子和单分子化合物。

在本实施例的一些可选的实现方式中，可以采用激光—压强-电场三场调制，对随机吸附在纳米孔附近的3kbp双链dna进行捕获推出再捕获的单分子操纵，如图3所示。由于在高的盐浓度下dna极易吸附到纳米孔薄膜表面，借助于这种实验现象，我们采用1.6m的kcl溶液，将3kbp的dna注入到上泳池，观察电流基线变化情况，当电流基线出现持续阶降，且阶降高度对应于非折叠dna分子的阻塞电流时，代表单根dna分子已经吸附到纳米孔表面，随后注入大量的盐溶液冲去其余的dna分子。随后，在固定其他实验参数的条件下，反复交替扫描激光功率(0～5.7nw)、压强(0～3.2atm)和驱动电压(100mv～500mv)的大小，获得单根dna反复进出纳米孔对应的纳米孔基线电流变化的交变曲线，实现对单根吸附dna链的反复捕获与操纵。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本申请的上述实施例提供的方法，利用利用激光和压强对固态纳米孔附近的力场进行调制，可克服传统的调节纳米孔孔径、电解质浓度、溶液粘滞系数等内部实验参数控制待测物穿孔导致的测量信噪比和捕捉率下降，且调节过程为不可逆转变的局限，实现对穿孔过程更为精确的控制。同时，可以高效的利用高功率激光辐照对纳米孔表面污染物进行分解和清理，且方法简便，快速，保证了长时间的纳米孔使用寿命。