基于阵列纳米孔的多通道生物分子检测芯片及其制作方法

本公开涉及纳米孔分子检测技术领域，尤其涉及一种基于阵列纳米孔的多通道生物分子检测芯片及其制作方法。

背景技术：

基于纳米孔技术进行生物分子检测源于库尔特计数器的发明和单通道电流记录技术，通过在两端液池添加电解质溶液，并使用电泳技术驱动生物分子通过纳米孔，测量过孔过程中生物分子由于空间占位引起的纳米孔电流变化，可以进行对过孔生物分子的检测。因此纳米孔检测技术被广泛的应用于dna检测、蛋白质检测等单分子研究领域，同时也被认为是可用于第三代基因测序的检测技术。但目前的纳米孔检测技术仅驱动生物分子通过单个纳米孔，过孔过程中存在易堵塞、过孔效率低等问题，如何提高过孔效率实现生物分子的高通量筛选是当前亟需解决的问题。

技术实现要素：

本公开提供了一种基于阵列纳米孔的多通道生物分子检测芯片及其制作方法，其技术目的是有效地同时检测多个纳米孔通过生物分子的电流变化，进而实现生物分子的快速检测和高通量筛选。

本公开的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于阵列纳米孔的多通道生物分子检测芯片，包括多孔纳米孔膜、至少两个纳米导线和封装层氧化硅，每个所述纳米导线独立分布，所述多孔纳米孔膜包括自下而上连接的下氧化硅层、硅基底和上氧化硅层，所述封装层氧化硅与所述上氧化硅层连接；

所述纳米导线设在所述上氧化硅层的上表面并通过所述封装层氧化硅进行封装，每个所述纳米导线的一端都设有纳米孔、另一端都设有孔，所述纳米孔贯穿所述封装层氧化硅和所述上氧化硅层，所述孔贯穿所述封装层氧化硅，所述孔作为引出端口连接外部电路；

其中，所述纳米孔在所述封装层氧化硅的上表面呈阵列排列。

进一步地，在所述上氧化硅层中的所述纳米孔底部的对应位置处：所述硅基底和下氧化硅层都形成了暴露窗口，所述暴露窗口用于让所述纳米孔的底部形成薄膜窗口。

一种基于阵列纳米孔的多通道生物分子检测芯片，包括:

s1:通过低压化学气相沉积的方法，在硅基底的下表面和上表面分别沉积下氧化硅层、上氧化硅层；

s2：在上氧化硅层上涂抹光刻胶，并进行坚膜形成第一保护层；

s3：在下氧化硅层上涂抹光刻胶，并进行光刻、显影、清洗、甩干、坚膜，下氧化硅层形成带暴露窗口的第二保护层；

s4：使用反应离子刻蚀系统，对所述暴露窗口处的氧化硅进行去除，并将硅基底置于氢氧化钾溶液中对硅基底进行刻蚀，获得上氧化硅层下表面的薄膜窗口；

s5：对步骤s4获得的薄膜窗口进行食人鱼溶液清洗，使其表面获得大量羟基；

s6：将步骤s5中获得的薄膜窗口置于纳米运动平台上，并测量纳米针头与纳米运动平台之间的电容变化，确定薄膜窗口的位置坐标；

s7：使用近场电纺技术，在薄膜窗口定向沉积聚酰胺酸纳米线；

s8：将步骤s7中得到的聚酰胺酸纳米线浸入银盐溶液中生成羧酸银盐并清洗，再浸入还原性溶液还原成银颗粒并清洗，反复重复步骤s8，直至形成聚酰胺酸-银复合纳米线；

s9：对所述聚酰胺酸-银复合纳米线进行惰性气体保护烧结，获得聚酰胺酸-银复合纳米导线；

s10：使用磁控溅射技术，在所述聚酰胺酸-银复合纳米导线上覆盖封装层氧化硅；

s11：使用聚焦离子束在所述聚酰胺酸-银复合纳米导线的两端进行打孔、剪薄，获得多通道生物分子检测芯片；

其中，每个所述聚酰胺酸-银复合纳米导线的一端打有纳米孔、另一端打有孔，所述纳米孔贯穿所述封装层氧化硅和所述上氧化硅层，所述孔贯穿所述封装层氧化硅，所述孔作为引出端口连接外部电路；

其中，所述纳米孔在所述封装层氧化硅的上表面呈阵列排列。

本公开的有益效果在于：本发明所述的基于阵列纳米孔的多通道生物分子检测芯片及其制作方法，通过多根纳米导线单独检测、控制单个纳米孔中的电流变化，可实现各个纳米孔的开合控制，阻断或允许生物分子过孔；同时可开展生物分子同时多通道过孔，实现生物分子的快速检测与高通量筛选。

附图说明

图1为本发明所述的基于阵列纳米孔的多通道生物分子检测芯片的剖面示意图；

图2为本发明所述的基于阵列纳米孔的多通道生物分子检测芯片的截面示意图；

图3为本发明所述检测芯片俯视时纳米导线的阵列分布示意图；

图4为本发明所述检测芯片的步骤s1的示意图；

图5为本发明所述检测芯片的步骤s3的示意图；

图6为本发明所述检测芯片的步骤s4的示意图；

图7为本发明所述检测芯片的步骤s5的示意图；

图8为本发明所述检测芯片的步骤s7的示意图；

图9为本发明所述检测芯片的步骤s8的示意图；

图10为本发明所述检测芯片的步骤s9的示意图；

图11为本发明所述检测芯片的步骤s10的示意图；

图中：1-多孔纳米孔膜；2-纳米导线；3-封装层氧化硅；4-引出端口；5-第一保护层；6-第二保护层；7-暴露窗口；8-纳米孔；9-孔；101-下氧化硅层；102-硅基底；103-上氧化硅层；104-薄膜窗口；201-聚酰胺酸纳米线；202-银颗粒。

具体实施方式

下面将结合附图对本公开技术方案进行详细说明。在本发明的描述中，需要理解地是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，仅用来区分不同的组成部分。

另外，术语“自上而下”、“上”、“下”、“上表面”、“下表面”、“一端”、“另一端”、“陈列”、“底部”、“中间”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。

图1为本发明所述的基于阵列纳米孔的多通道生物分子检测芯片的剖面示意图，如图1所示，该检测芯片包括多孔纳米孔膜1、至少两个纳米导线2和封装层氧化硅3，每个纳米导线2独立分布。该多孔纳米孔膜1包括自下而上连接的下氧化硅层101、硅基底102和上氧化硅层103，封装层氧化硅3则与上氧化硅层103连接。

纳米导线2设在上氧化硅层103的上表面并通过封装层氧化硅3进行封装，也就是说纳米导线2设在上氧化硅层103和封装层氧化硅3的中间，如图2所示。每个纳米导线2的一端都设有纳米孔8、另一端都设有孔9，该纳米孔8贯穿封装层氧化硅3和上氧化硅层103，孔9贯穿封装层氧化硅3，孔9作为引出端口4连接外部电路。

优先地，从图2可知，纳米导线2处于上氧化硅层103和封装层氧化硅3的中间，该纳米导线2的一端为纳米孔8，纳米导线2的该端部基本位于该纳米孔8的中间位置或略偏于中间位置处。因此，该纳米孔8的两端及其中间位置处的纳米导线2都可以作为电极，可以通过纳米导线2分别控制纳米孔8两端的电势。

从图1和图2可以看出，在上氧化硅层103上的纳米孔8的对应位置处，硅基底102和下氧化硅层101都形成了暴露窗口7，该暴露窗口7是为了让上氧化硅层103的纳米孔8的底部成为悬空薄膜(即薄膜窗口104)而刻蚀加工形成的，即通过反应离子刻蚀和化学湿法刻蚀形成的大孔(暴露窗口7)，而不是打出来的纳米孔。

图3为本发明所述检测芯片俯视时纳米导线的阵列分布示意图，如图3所示，纳米导线至少有2个，根据实际需要，上氧化硅层103的上表面可布置有多个纳米导线2，那么每个纳米导线2对应的纳米孔8在封装层氧化硅3的上表面呈阵列排列；同样，纳米导线2一端的孔也呈阵列排列。

本公开所述基于阵列纳米孔的多通道生物分子检测芯片的附图如图4至图11所示，具体包括:

s1:通过低压化学气相沉积的方法，在硅基底102正反两面沉积下氧化硅层101、上氧化硅层103，如图4所示。

s2：在上氧化硅层103上涂抹光刻胶，并进行坚膜形成第一保护层5。

s3：在下氧化硅层101上涂抹光刻胶，并进行光刻、显影、清洗、甩干、坚膜，下氧化硅层101形成带暴露窗口7的第二保护层6，如图5所示。

s4：使用反应离子刻蚀系统，对所述暴露窗口7处的氧化硅进行去除，并将硅基底102置于氢氧化钾溶液中对硅基底102进行刻蚀，获得上氧化硅层103下表面的薄膜窗口104，如图6所示。

s5：对步骤s4获得的薄膜窗口104进行食人鱼溶液清洗，使其表面获得大量羟基，如图7所示。

s6：将步骤s5中获得的薄膜窗口104置于纳米运动平台上，并测量纳米针头与纳米运动平台之间的电容变化，确定薄膜窗口104的位置坐标。

步骤s6中，纳米运动平台是放置固定整个芯片的部分，纳米运动平台上安装有基板，该基板一般为金属基板，检测芯片固定在金属基板上，且通过纳米运动平台控制水平移动，测量纳米针头与纳米运动平台之间的电容变化，实际就是测量纳米针头与金属基板之间的电容变化。

s7：使用近场电纺技术，在薄膜窗口104定向沉积聚酰胺酸纳米线201，如图8所示。

s8：将步骤s7中得到的聚酰胺酸纳米线201浸入银盐溶液中生成羧酸银盐并清洗，再浸入还原性溶液还原成银颗粒202并清洗，反复重复步骤s8，直至形成聚酰胺酸-银复合纳米线，如图9所示。

s9：对所述聚酰胺酸-银复合纳米线进行惰性气体保护烧结，获得聚酰胺酸-银复合纳米导线2，如图10所示。

s10：使用磁控溅射技术，在所述聚酰胺酸-银复合纳米导线2上覆盖封装层氧化硅3，如图11所示。

s11：使用聚焦离子束在所述聚酰胺酸-银复合纳米导线2的两端进行打孔、剪薄，获得多通道生物分子检测芯片。

步骤s11，每个聚酰胺酸-银复合纳米导线2的一端打有纳米孔8、另一端打有孔9，该纳米孔8贯穿封装层氧化硅3和上氧化硅层103，且纳米孔8位于薄膜窗口104的上方，同时，纳米孔8在封装层氧化硅3的上表面呈阵列排列；孔9贯穿封装层氧化硅3，且孔9作为引出端口4连接外部电路。

步骤s11中，对所述聚酰胺酸-银复合纳米导线2的一端进行打孔9时，对引出端口4处的封装层氧化硅3进行剪薄以暴露聚酰胺酸-银复合纳米导线2，然后使用聚焦离子束在所述孔处沉积铂金属，最终得到引出端口4。

步骤s4中，对所述硅基底102进行刻蚀时，应充分刻蚀所述硅基底102且不能将上氧化硅层103刻穿。这里的充分刻蚀以不将上氧化硅层103刻穿为标准，具体的刻蚀程度，会根据刻蚀厚度、温度、氢氧化钾浓度而确定。

以上为本公开示范性实施例，本公开的保护范围由权利要求书及其等效物限定。