基于激光和压强调制的固态纳米孔穿孔控制方法技术

本申请实施例公开了基于激光和压强调制的固态纳米孔穿孔控制方法，该方法的一具体实施方式包括：进行固态纳米孔芯片的微纳制备；对该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；采用激光辐照该固态纳米孔芯片的固态膜表面，通过离子电流变化确定该固态纳米孔芯片的纳米孔位置；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，对该纳米孔进行激光辐照以分解和清理污染物。该实施方式保证了测量信噪比和捕捉率，且调节过程为可逆转变，具有很好的实用价值，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，方法简便，快速，保证了长时间的纳米孔使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
基于激光和压强调制的固态纳米孔穿孔控制方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：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。本专利技术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。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术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)本专利技术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为本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光和压强调制的固态纳米孔穿孔控制方法，其特征在于，所述方法包括：(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。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光和压强调制的固态纳米孔穿孔控制方法，其特征在于，所述方法包括：(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。2.根据权利要求1所述的一种基于激光和压强调制的固态纳米孔穿孔控制方法，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的一种基于激光和压强调制的固态纳米孔穿孔控制方法，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的一种基于激光和压强调制的固态纳米孔穿孔控制方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张恒彬，贝晓敏，陈强，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11