一种纳米孔电学传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种纳米孔电学传感器。它包括基板、第一绝缘层、对称性电极、电接触层、第二绝缘层、纳米孔；在基板上依次设有第一绝缘层、对称性电极，在第一绝缘层上和对称性电极边缘上设有电接触层，在对称性电极上设有第二绝缘层，在基板、第一绝缘层、对称性电极和第二绝缘层的中心设有纳米孔。本发明专利技术的纳米电极的厚度可以控制在０．３５～０．７ｎｍ之间，达到检测单链ＤＮＡ中的单个碱基的电学特征的分辨率要求，从而适于便宜，快速电子基因测序。本发明专利技术的纳米孔电学传感器解决了将纳米电极集成于纳米孔的技术难点，其制备纳米电极的方法简单。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及传感器，尤其涉及一种纳米孔电学传感器。
技术介绍
纳米孔(nanopore)能够在单分子分辨水平探测及表征生物分子如DNA， RNA及 聚肽，潜在的基于纳米孔的单分子基因测序技术不需要荧光标记物，不需要PCR反应，有 望能直接并快速读出DNA的碱基序列；该测序技术有望大大降低测序成本，实现个性 化医疗[M. Zwolak， M. Di Ventra， Rev. Mod. Phys. 2008，80， 141-165 ;D. Branton， et al.， Nature Biotechnol. 2008， 26， 1146-1153]。基于纳米孔的单分子基因测序技术是DNA 碱基在电泳作用下依次地穿越纳米孔，同时检测碱基穿越纳米孔隙时而产生的光学或电 信号的差异来对DNA进行测序。基于纳米孔的单分子基因测序技术主要有三种检测方 法离子封锁电流(Strand-sequencing using ionic current blockage)，横向电子电 流(Strand-sequencingusing transverse electron currents)，光学信息(Nanopore sequencing using syntheticDNA and optical readout)。目前制备的纳米孔的深度一般 大于lOnm，大大超出单链DNA碱基间距O. 7nm，也即是孔中同时有15个碱基通过，因此无法 达到基因测序的单碱基的分辨率；因此，要达到单碱基的分辨率，必须将具备能够识别单链 DNA中的单碱基元件。另外，离子封锁电流只有pA量级，信噪比很低。 在2005年，美国加州大学圣迭哥分校的Di Ventra等[M.Di Ventra et al， NanoLett. 2005， 5， 421-424.]通过理论计算认为当DNA通过纳米孔时可以测量DNA碱基 的横向隧道电子电流而对其进行测序。这要求将纳米电极集成于纳米孔系统，这样纳米电 极将记录在DNA穿越纳米孔时产生的与DNA链垂直的电流，由于每个DNA的碱基在结构上 和化学上都有所区别；因此每个碱基都可能存在独特的电子特征，利用这些子特征可能对 DNA进行测序。然而，尽管目前制备纳米孔的技术比较成熟[J. Li， et al， Nature 2001， 412，166-169 ;A. J. Storm， et al， Nature Mater.2003， 2， 537—540 ;M. J. Kim， et al， Adv. Mater. 2006，18，3149-3153 ;B. M. Venkatesan, et al，Adv.Mater. 2009，21，2771-2776.]，但 是，迄今为止还没有技术方法将具有单碱基分辨率纳米电极集成于纳米孔系统。另外，2007 年，徐明生等人[M. S. Xu，et al， Small 2007,3， 1539-1543.]利用超高真空隧道扫描显微镜 首次在实验上揭示DNA的4种碱基之间存在着电子指纹特性；因此，在DNA穿越纳米孔时， 测量流经碱基而产生的电子电流有望实现快速，成本低的电子基因测序。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提出一种纳米孔电学传感器。 纳米孔电学传感器包括基板、第一绝缘层、对称性电极、电接触层、第二绝缘层、纳米孔；在基板上依次设有第一绝缘层、对称性电极，在第一绝缘层上和对称性电极边缘上设有电接触层，在对称性电极上设有第二绝缘层，在基板、第一绝缘层、对称性电极和第二绝缘层的中心设有纳米孔。 所述的对称性电极为2 30对中心发射状纳米电极，且对称性地分布于纳米孔 周围，纳米电极之间互相不接触，纳米电极的厚度为0. 3 3. 5nm。所述的基板的材料为半 导体材料或绝缘材料，半导体材料为Si、GaN、Ge或GaAs中的一种或多种的混合物，绝缘材 料为SiC。所述的第一绝缘层和第二绝缘层的材料为Si02、Al203、BN、SiC或SiNx中的一种 或多种的混合物。所述的对称性电极的材料为层状导电材料，层状导电材料为石墨、MoS2、 NbSe2或Bi^^CaCuA。所述的石墨为1 10层的石墨烯。所述的电接触层的材料为Au、 Cr、Ti、Pd、Pt、Cu、Al、Ni或PSS:PEDOT中的一种或多种的混合物。所述的纳米孔的孔径为 1 50nm。 本专利技术的纳米电极的厚度可以控制在0. 35 0. 7nm之间，达到检测单链DNA中的 单个碱基的电学特征的分辨率要求，从而适于便宜，快速电子基因测序。本专利技术的纳米孔电 学传感器解决了将纳米电极集成于纳米孔的技术难点，其制备纳米电极的方法简单。附图说明 图1为本专利技术的纳米孔电学传感器的结构示意图； 图2为本专利技术的纳米孔电学传感器的断面示意图； 图3为转移于Si02/Si之上的石墨烯的光学显微镜照片； 图4为转移于Si02/Si之上的石墨烯的Raman谱。 图5为本专利技术的纳米孔电学传感器的制备流程示意图； 图6为本专利技术的纳米孔电学传感器的制备流程示意图； 图7为本专利技术的纳米孔电学传感器的制备流程示意图； 图中，基板1、绝缘层2、对称性电极3、电接触层4、绝缘层5、纳米孔6、石墨烯层7、 金属催化层8。具体实施例方式如图1、2所示，纳米孔电学传感器包括基板1、第一绝缘层2、对称性电极3、电接触 层4、第二绝缘层5和纳米孔6 ;在基板1上依次设有第一绝缘层2、对称性电极3，在第一绝 缘层2上和对称性电极3边缘上设有电接触层4，在对称性电极3上设有第二绝缘层5，在 基板1、第一绝缘层2、对称性电极3和第二绝缘层5的中心设有纳米孔6。 所述的基板1的材料为半导体材料或绝缘材料，半导体材料为Si、GaN、Ge或GaAs 中的一种或多种的混合物，绝缘材料为SiC，优选为单晶硅和SiC。所述的第一绝缘层2和 第二绝缘层5的材料为Si02、Al203、BN、SiC或SiNx中的一种或多种的混合物。其中绝缘层 的制备可以采用所有适当的制备技术如真空热蒸镀，溶液旋涂，热氧化，低压化学气相沉 积，等离子增强化学气相沉积，原子层沉积等。绝缘层的厚度一般为3nm 3 i！ m，最优厚度 为3 100nm。 所述的对称性电极3为2 30对中心发射状纳米电极，且对称性地分布于纳米孔 6周围，纳米电极之间互相不接触，纳米电极的厚度为0. 3 3. 5nm，优选0. 3 1. 5nm。考 虑到碱基穿越纳米孔是的取向(orientation)以及构造(conformation)等效应，对称性电 极的对数一般多于一对，最优对数为4对-24对，这样有助于在统计上识别单链DNA中的 碱基。所述的对称性电极3的材料为层状导电材料，层状导电材料为石墨、MoS2、 NbSe2或Bi2Sr2CaCU20x。所述的石墨为1 10层的石墨烯。层状导电材料优选石墨烯，因为单层石 墨烯的厚度为O. 35nm，双层石墨烯的厚度为0. 7nm， 1 IO层的石墨烯可以满足对称性电极 3的厚度要求，且简单可控。电极层的制备，包括直接在绝缘层上生长电极层和将制备好的 电极层转移到第一绝缘层上，比如直接在SiC绝缘层上制备石墨烯。由于纳米电极之间要 求互本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米孔电学传感器，其特征在于包括基板（１）、第一绝缘层（２）、对称性电极（３）、电接触层（４）、第二绝缘层（５）和纳米孔（６）；在基板（１）上依次设有第一绝缘层（２）、对称性电极（３），在第一绝缘层（２）上和对称性电极（３）边缘上设有电接触层（４），在对称性电极（３）上设有第二绝缘层（５），在基板（１）、第一绝缘层（２）、对称性电极（３）和第二绝缘层（５）的中心设有纳米孔（６）。

【技术特征摘要】
一种纳米孔电学传感器，其特征在于包括基板(1)、第一绝缘层(2)、对称性电极(3)、电接触层(4)、第二绝缘层(5)和纳米孔(6)；在基板(1)上依次设有第一绝缘层(2)、对称性电极(3)，在第一绝缘层(2)上和对称性电极(3)边缘上设有电接触层(4)，在对称性电极(3)上设有第二绝缘层(5)，在基板(1)、第一绝缘层(2)、对称性电极(3)和第二绝缘层(5)的中心设有纳米孔(6)。2. 根据权利要求l所述的一种纳米孔电学传感器，其特征在于所述的对称性电极(3)为2 30对中心发射状纳米电极，且对称性地分布于纳米孔(6)周围，纳米电极之间互相不接触，纳米电极的厚度为0. 3 3. 5nm。3. 根据权利要求l所述的一种纳米孔电学传感器，其特征在于所述的基板(1)的材料为半导体材料或绝缘材料，半导体材料为Si、GaN、Ge或GaAs中的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐明生，陈红征，施敏敏，吴刚，汪茫，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[]