柔性基底纳米孔结构及柔性基底纳米孔阵列制造技术

本发明专利技术提供一种柔性基底纳米孔结构及纳米孔阵列，包括柔性基底和纳米孔结构，纳米孔结构形成于孔基底上，纳米孔结构包括纳米孔腔、纳米孔，纳米孔腔贯穿孔基底，纳米孔是纳米孔腔的一端开口，纳米孔腔呈非线性缩小腔体或线性缩小腔体向纳米孔延伸；还包括：光栅，由多组光栅槽构成；孔保护膜，覆盖光栅和纳米孔腔；金属层，覆盖孔保护膜，以缩小纳米孔尺寸至1～100nm；流体腔。每个纳米孔结构含一个覆盖金属层的等离激元光谱纳米孔，纳米孔周围是布拉格光栅反射镜，实现柔性基底制备；单个纳米孔的尺寸小，具有不易被外力折断，满足恶劣环境下的测序有益效果；金属层表面局域等离激元增强电场与距离呈指数衰减，提供亚纳米的空间分辨率。

Nanopore structure of flexible substrate and nanopore array of flexible substrate

【技术实现步骤摘要】
柔性基底纳米孔结构及柔性基底纳米孔阵列
本专利技术属于基因测序领域和生物分子传感领域，尤其涉及一种柔性基底纳米孔结构及柔性基底纳米孔阵列。
技术介绍
遗传信息的测量对生命科学和医学领域具有革命性的推动作用。未来精准医疗与个性化医疗需求成本更低、速度更快、精度更高以及读长更长的新型测序技术。新一代单分子实时测序技术解决了读长更长和速度更快的需求；最近飞速发展的生物纳米孔测序技术进一步解决了成本更低的需求。生物纳米孔测序技术不需要准备大量的样品，样品制备过程不需要耗费生物与化学试剂，大大降低了测序成本，也节省了DNA克隆和扩增的时间，节约了时间成本。英国OxfordNanoporeTechnologies(ONT)公司发布第一款商用生物纳米孔测序仪MinION，具有手掌大小的体积，便携性非常好，极大地拓展了测序仪的应用场景。比如MinION被用于非洲地区的埃博拉病毒的快速检测和鉴定工作，被美国国家航空航天局用于太空中的测序工作。然而，目前的生物纳米孔镶嵌在脂双层膜上，对环境敏感(pH，温度，盐浓度等)，稳定性和耐用性比较差，使用寿命有限；另外，生物纳米孔一般只能采用离子阻断电流的检测机制，需要特制低噪电流放大电路达到足够的灵敏度，使测序单元的大规模矩阵化集成具有非常大的挑战性。为克服生物纳米孔的缺点，具有良好稳定性、耐用性，适合大规模批量生产，容易与光电检测集成的固态纳米孔被广泛研究。目前的固态纳米孔技术主要也是通过测量离子阻断电流来实现测序，但其面临诸多挑战：首先，DNA链在纳米孔中的转运行为不易控制，碱基的朝向不受控制，具有很大的随机性，DNA移动速度太快(0.1～1μs/bp)；DNA与纳米孔表面发生非特异性结合，形成二级或三级结构，阻塞纳米孔，限制DNA链的正常转运行为；在传统的生物和固态纳米孔检测技术中，一般使用离子阻断电流来分辨不同的碱基序列，然而电流检测技术具有一个本质的局限性：纳米孔周围的电场会向两侧延伸，导致纳米孔有效长度延长，限制了检测分辨率。这些问题都严重限制了固态纳米孔测序技术的成功实现。为了解决上述问题，本专利技术提出下面几项技术方案，以实现方便快捷准确的纳米孔测序：新型柔性基底固态纳米孔制备技术；模块化的纳米孔装置实时快速组装模式；使用运动蛋白有效地控制DNA或RNA在固态纳米孔中的转运速度；将光谱测量技术结合至固态纳米孔测量中，提高序列测量的准确度。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供基于运动蛋白的DNA转运速度控制装置，用于解决固态纳米孔存在的几个问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种柔性基底纳米孔结构，包括柔性基底和纳米孔结构，所述纳米孔结构形成于孔基底上，所述纳米孔结构包括纳米孔腔、纳米孔，其特征在于，所述纳米孔腔贯穿所述孔基底，所述纳米孔是所述纳米孔腔的一端开口，所述纳米孔腔呈非线性缩小腔体或线性缩小腔体向所述纳米孔延伸；所述纳米孔结构还包括：光栅，所述光栅围绕所述纳米孔腔，所述光栅形成于所述孔基底上表面并远离所述纳米孔，所述光栅由多组光栅槽构成，孔保护膜，覆盖所述光栅和所述纳米孔腔，金属层，覆盖所述孔保护膜，以缩小所述纳米孔尺寸至1～100nm；流体腔，由所述柔性基底不覆盖所述光栅和所述纳米孔腔、围绕所述光栅和所述纳米孔腔上方形成。优选地，所述孔基底是氮化硅或硅。优选地，所述纳米孔腔的横截面呈圆形、方形或长方形。优选地，所述纳米孔的尺寸为1-100nm。优选地，所述孔保护膜包括二氧化硅层。优选地，所述金属层是铝、亚铅、金、银、铜、白金或镍材料，所述金属层厚度为10～500nm。优选地，所述光栅槽的横截面呈多个同心环、对称的平行直线或对称的弧度线，所述光栅槽的剖面呈倒三角形、方形或梯形。优选地，所述柔性基底是聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚异戊二烯、丙烯酸脂、甲基丙烯酸甲酯、邻叠氮萘醌、线性酚醛树脂、硅酮胶、玻璃胶材料、SU-8高分子聚合物中的至少一种；所述柔性基底的厚度为0.1-1000μm。优选地，所述孔基底还包括盲孔阵列，所述柔性基底填充所述盲孔阵列。还一种柔性基底纳米孔阵列，其特征在于，若干如所述纳米孔结构以阵列形式设置于一所述柔性基底中。本专利技术提供的柔性基底纳米孔结构、柔性基底纳米孔阵列，每个纳米孔结构含有一个覆盖金膜的等离激元光谱纳米孔，纳米孔周围是布拉格光栅反射镜，实现柔性基底纳米孔结构或柔性基底纳米孔阵列的制备，单个纳米孔的尺寸比较小，具有不容易发生机械折断，减少外部环境对纳米孔器件的冲击，纳米孔不易被外力折断，满足恶劣环境下的测序工作的有益效果；金属层表面局域等离激元增强电场与距离呈指数衰减，可以提供亚纳米的空间分辨率，因此无论纳米孔的尺寸如何，只利用表面的等离激元增强电场即可以实现亚纳米空间分辨率的检测。附图说明图1a是在晶圆上预形成纳米孔结构的孔基底阵列的俯视图。图1b是在晶圆上预形成纳米孔结构的孔基底阵列的立体视图。图2a～2f是在氮化硅孔基底上形成纳米孔工艺分步骤的剖视图。图3a～3f是在硅孔基底上形成纳米孔工艺分步骤的剖视图。图4a～4i是3种光栅结构与3种纳米孔结构的组合俯视图。图5a～5f是2种光栅结构与3种纳米孔结构的组合俯视图。图6a～6c是3种光栅槽横截面图。图7a～7c是在孔基底上形成柔性基底工艺步骤的剖视图。图8a～8b是图7a的俯视图。图8c是形成于孔基底上盲孔的俯视示意图。.图9a～9c是形成柔性基底纳米孔工艺步骤的剖视图。图10a～10c是形成柔性基底纳米孔工艺步骤的俯视图。图11是柔性基底纳米孔阵列的立体图。图12是柔性基底纳米孔制造方法的流程图。图13是模块化组装纳米孔装置组装剖面示意图。图14a～b是流道开口密封件装配示意图及其剖面结构图图15a～b是模块化组装纳米孔装置剖面示意图及其俯视图。图16a～b是装配结构剖面示意图。图17a～c是在运动蛋白上修饰DNA长链尾的流程示意图。图18是将运动蛋白锚定在金属层的流程示意图。图19是拉曼光谱法生物分子测序系统。图20a是表面增强拉曼光谱方法DNA测序示意图。图20b是超快相干拉曼光谱方法DNA测序示意图。图21是拉曼光谱直接读出的DNA的序列信息。元件标号说明1衬底74流体腔基座2牺牲层75电源3孔基底76流道系统4柔性基底91激光拉曼显微镜5纳米孔腔92光谱测量装置6盲孔93数据采集分析装置7纳米孔装置711装配结构8运动蛋白721流体腔21孔下微腔741流体下腔30孔保护牺牲层751第一电极31光栅槽752第二电极32孔保护膜761第一流道开口密封件33金属层762第二流道开本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性基底纳米孔结构，包括柔性基底和纳米孔结构，所述纳米孔结构形成于孔基底上，所述纳米孔结构包括纳米孔腔、纳米孔，其特征在于，/n所述纳米孔腔贯穿所述孔基底，所述纳米孔是所述纳米孔腔的一端开口，所述纳米孔腔呈非线性缩小腔体或线性缩小腔体向所述纳米孔延伸；/n所述纳米孔结构还包括：/n光栅，所述光栅围绕所述纳米孔腔，所述光栅形成于所述孔基底上表面并远离所述纳米孔，所述光栅由多组光栅槽构成，/n孔保护膜，覆盖所述光栅和所述纳米孔腔，/n金属层，覆盖所述孔保护膜，以缩小所述纳米孔尺寸至1～100nm；/n流体腔，由所述柔性基底不覆盖所述光栅和所述纳米孔腔、围绕所述光栅和所述纳米孔腔上方形成。/n

【技术特征摘要】
1.一种柔性基底纳米孔结构，包括柔性基底和纳米孔结构，所述纳米孔结构形成于孔基底上，所述纳米孔结构包括纳米孔腔、纳米孔，其特征在于，
所述纳米孔腔贯穿所述孔基底，所述纳米孔是所述纳米孔腔的一端开口，所述纳米孔腔呈非线性缩小腔体或线性缩小腔体向所述纳米孔延伸；
所述纳米孔结构还包括：
光栅，所述光栅围绕所述纳米孔腔，所述光栅形成于所述孔基底上表面并远离所述纳米孔，所述光栅由多组光栅槽构成，
孔保护膜，覆盖所述光栅和所述纳米孔腔，
金属层，覆盖所述孔保护膜，以缩小所述纳米孔尺寸至1～100nm；
流体腔，由所述柔性基底不覆盖所述光栅和所述纳米孔腔、围绕所述光栅和所述纳米孔腔上方形成。


2.根据权利要求1所述的纳米孔结构，其特征在于，所述孔基底是氮化硅或硅。


3.根据权利要求1所述的纳米孔结构，其特征在于，所述纳米孔腔的横截面呈圆形、方形或长方形。


4.根据权利要求1所述的纳米孔结构，其特征在于，所述纳米孔的尺寸为1-100nm。

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【专利技术属性】
技术研发人员：陈昌，胡春瑞，豆传国，
申请(专利权)人：上海新微技术研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31