一种含有纳米管基纳米通道的芯片及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种含有纳米管基纳米通道的芯片及其制备方法和应用，属于芯片制备技术领域。本发明专利技术公开了一种含有纳米管基纳米通道的芯片，该芯片中含有纳米管形成的纳米通道，在使用过程中以纳米管状结构为核心，由于被测物在测试过程中的运动方向与纳米管的原子排布方向相平行和管内原子级的粗糙度，极大地减少了由于与被测物间的相互作用而导致的原子脱落，有效避免了扩孔现象，能使检测结果更为稳定和准确。定和准确。定和准确。

【技术实现步骤摘要】
一种含有纳米管基纳米通道的芯片及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于芯片制备
，涉及一种含有纳米管基纳米通道的芯片及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]单分子纳米通道技术是建立在膜片钳技术基础上的膜通道仿生技术，其基本原理则是基于统计学原理的Coulter计数法，即两个储液槽间仅由一个微纳米通道连通，通道尺寸与被测物尺寸相当。在两个储液槽中分别放置电极并施加电压，再用微电流计来检测回路接通时的电流信号。当通道完全导通时，在外加电场力的驱动下，溶液中的带电离子在电场驱动下作定向移动，能够检测到平稳的基线电流信号；而当溶液中的某个带电的大分子在电场力驱动下穿过纳米通道时，由于其尺寸与通道的尺寸相当，就会发生短暂的电流阻塞/增大效应，产生一个电流脉冲信号。当这个大分子通过纳米通道后，电流又会很快回到初始的稳定值。统计分析被测物通过纳米通道时产生的电流脉冲信号的峰值、持续时间以及形状等特性，就可以得到被测物的大小、长度、折叠状态、运动快慢等特性。这项技术现已被广泛用于核酸、蛋白等生物大分子的检测分析，如DNA、RNA测序和疾病标志物检测等。
[0003]一般来说，纳米通道的电导可以由以下公式推出：
[0004][0005]式中，σ为电解液的离子电导率，L为膜厚，d为纳米通道的直径。
[0006]从公式可以看出，纳米通道的电导与其直径息息相关，而实验研究表明，被测物通过纳米通道时产生的电流脉冲信号的峰值、持续时间以及形状等与纳米孔的固有属性(孔径、厚度和电荷分布等)密不可分。
>[0007]目前，被测物在测试过程中的运动方向与常用的固态纳米通道的原子排布方向相垂直，在外加电压作用下，被测物与纳米通道边缘发生相互作用(碰撞、吸附
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脱附等)，极易造成纳米通道边缘原子脱落，从而导致纳米通道直径扩大。测试过程中孔径发生变化，被测物的信号特征也会发生相应的变化，从而导致最终的数据分析有误差，甚至得到完全错误的统计结果。
[0008]与现在常用的固态纳米通道相比，纳米管(碳纳米管、氮化硼纳米管等)是一种在整个通道范围内(纳米～毫米尺度)结构高度统一的天然的纳米级通道，最重要的是，被测物在测试过程中的运动方向与纳米管的原子排布方向相平行和管内原子级的粗糙度，极大地减少了由于与被测物间的相互作用而导致的原子脱落，有效避免了扩孔现象，能使检测信号更为稳定和准确。现在，通过纳米管形成纳米通道，一是通过光刻加工的方法，将纳米管包埋在光刻胶或PMMA下；二是将超声截短的纳米管嵌入磷脂双分子层；三是通过手动控制纳米操纵系统，将纳米管插入开孔的氮化硅纳米孔后封装。第一种方法操作相对简单，但只能形成微米级长度的纳米通道。第二种方法可以形成纳米级长度的纳米通道，但无法有效控制嵌入磷脂双分子层的纳米管数量。第三种方法操作非常困难，成品率很低且成品个
体差异性显著。此外，三种方法都无法实现纳米管基纳米通道的阵列化制作，实现高通量检测，同样也无法实现纳米管基纳米通道芯片的批量化制作，实现工业化生产。
[0009]因此有必要将纳米管用于制备形成芯片的纳米通道以改善芯片的性能，并有必要开发一种方法，实现单个或阵列纳米管基纳米通道芯片的可控制备。

技术实现思路

[0010]有鉴于此，本专利技术的目的之一在于提供一种含有纳米管基纳米通道的芯片；本专利技术的目的之二在于提供一种含有纳米管基纳米通道的芯片的制备方法；本专利技术的目的之三在于提供一种纳米管基纳米通道芯片在检测生物大分子方面的应用。
[0011]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0012]1、一种含有纳米管基纳米通道的芯片，所述芯片中含有纳米管形成的纳米通道，所述纳米通道由单根的纳米管或多根纳米管形成的纳米管阵列组成，所述纳米管通道位于芯片中支撑层中开孔层的小孔或小孔阵列内。
[0013]优选的，所述纳米管为碳纳米管或氮化硼纳米管；
[0014]所述纳米管的直径为0.5～100nm。
[0015]优选的，所述小孔或小孔阵列中的小孔的直径为30～500nm、深度为60～1000nm；
[0016]所述支撑层从下到上依次包括基片、绝缘层、金属层和开孔层。
[0017]进一步优选的，所述开孔层的材料为氧化硅或氮化硅中的任意一种或两种；
[0018]所述小孔的直径不小于纳米管的直径，所述纳米管的长度大于等于小孔的长度。
[0019]进一步优选的，所述基片的材料包括硅、硅/氧化硅、石英或玻璃；
[0020]所述绝缘层的厚度为100～500nm、材料为氧化硅或氮化硅中的任意一种或两种；
[0021]所述金属层的厚度为100～200nm、材料为铬、钴、钛或金中的任意一种或几种。
[0022]优选的，所述小孔中含有纳米管通道和包埋固定的填充层；
[0023]所述填充层的厚度为60～1200nm、材料为氧化硅、氮化硅或氢倍半硅氧烷聚合物中的任意一种。
[0024]上述述芯片的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0025](1)在基片上从下到上依次沉积绝缘层、金属层和开孔层；
[0026](2)通过微纳加工方法，在开孔层上制备能够贯穿开孔层的小孔或由小孔形成的小孔阵列；
[0027](3)在所述小孔或小孔阵列中沉积纳米管；
[0028](4)在开孔层上沉积或者旋涂填充层；
[0029](5)通过刻蚀减薄的方法，将填充层和开孔层减薄，至填充层和开孔层的总厚度小于纳米管长度，并通过控制刻蚀减薄的程度来控制纳米管的长度；
[0030](6)依次在基片、绝缘层和金属层上开孔至与纳米管联通即可得到一种含有纳米管基纳米通道的芯片。
[0031]优选的，步骤(1)中所述沉积的方法为溅射镀膜、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积或电子束蒸发中的任意一种；
[0032]步骤(2)中所述微纳加工的方法为聚焦离子束钻孔或电子束光刻后进行反应离子刻蚀；
[0033]步骤(3)中所述沉积的方法为介电泳沉积；
[0034]步骤(4)中所述沉积的方法为溅射镀膜、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积或电子束蒸发中的任意一种；
[0035]步骤(5)中所述刻蚀减薄的方法为：离子束刻蚀或化学减薄；
[0036]步骤(6)中所述开孔方法为：离子束刻蚀、反应离子刻蚀或化学腐蚀。
[0037]3、上述芯片在检测生物大分子方面的应用。
[0038]优选的，所述生物大分子为DNA、RNA、多肽或蛋白。
[0039]本专利技术的有益效果在于：
[0040]1、本专利技术公开了一种含有纳米管基纳米通道的芯片，该芯片中含有纳米管形成的纳米通道，在使用过程中以纳米管状结构为核心，由于被测物在测试过程中的运动方向与纳米管的原子排布方向相平行和管内原子级的粗糙度，极大地减少了由于与被测物间的相互作用而导致的原子脱落，有效避免了扩孔现象，能使检测结果更为稳定和准确。
[0041本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含有纳米管基纳米通道的芯片，其特征在于，所述芯片中含有纳米管形成的纳米通道，所述纳米通道由单根的纳米管或多根纳米管形成的纳米管阵列组成，所述纳米管通道位于芯片中支撑层中开孔层的小孔或小孔阵列内。2.根据权利要求1所述含有纳米管基纳米通道的芯片，其特征在于，所述纳米管为碳纳米管或氮化硼纳米管；所述纳米管的直径为0.5～100nm。3.根据权利要求1所述含有纳米管基纳米通道的芯片，其特征在于，所述小孔或小孔阵列中的小孔的直径为30～500nm、深度为60～1000nm；所述支撑层从下到上依次包括基片、绝缘层、金属层和开孔层。4.根据权利要求3所述含有纳米管基纳米通道的芯片，其特征在于，所述开孔层的材料为氧化硅或氮化硅中的任意一种或两种；所述小孔的直径不小于纳米管的直径，所述纳米管的长度大于等于小孔的长度。5.根据权利要求3所述含有纳米管基纳米通道的芯片，其特征在于，所述基片的材料包括硅、硅/氧化硅、石英或玻璃；所述绝缘层的厚度为100～500nm、材料为氧化硅或氮化硅中的任意一种或两种；所述金属层的厚度为100～200nm、材料为铬、钴、钛或金中的任意一种或几种。6.根据权利要求1所述含有纳米管基纳米通道的芯片，其特征在于，所述小孔中含有纳米管通道和包埋固定的填充层；所述填充层的厚度为60～1200nm、材料为氧化硅、氮化硅或氢倍半硅氧烷聚合物中的任意一种。...

【专利技术属性】
技术研发人员：王赟姣，王德强，王亮，谢婉谊，方绍熙，殷博华，袁家虎，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：