一种双面氦离子束刻蚀制备近零厚度纳米孔的方法及其产品和应用

技术领域

本发明属于单分子纳米孔检测技术领域，具体涉及一种双面氦离子束刻蚀制备近零厚度纳米孔的方法及其产品和应用。

背景技术

纳米孔单分子检测技术是基于库尔特计数器原理和离子通道模型的一种高精度生物检测技术。1953年，Coulter提出在电解质溶液中，通过监测粒子通过微米级小孔时引起的通道电阻波动，反映相关粒子的基本物理性质，如尺寸、形状、带电量等。这种利用电阻性脉冲传感的概念，已广泛应用于生命科学和生物化学研究领域。纳米孔的传感原理是大小与孔直径大小近似的待测分子通过纳米孔时，会导致离子电流变化，而这个瞬时的变化则可以用来反映待测分子的理化性质。

现有纳米孔根据材料可分为生物纳米孔和固态纳米孔，由于生物纳米孔其固有的环境适应性差、孔的形状和大小固定、难以工业化大量生产等缺陷，目前固态纳米孔有很大的应用前景。然而固态纳米孔由于其材料的固有特性，在检测时由于其膜厚难以达到与DNA单碱基长度相匹配的大小，现在二维材料膜厚虽然理论上可以达到，但由于其接入电阻的限制，在实际应用中其传感长度无法达到与膜厚精度相匹配的程度，目前还没有成功在应用中实现理论可达的分空间辨率，所以难以实现对DNA、RNA序列、其共价修饰的DNA序列、共价修饰的RNA序列或蛋白质分子的精确检测。同时，对于生物小分子的检测，纳米孔检测原理要求待测分子与孔径大小近似，这要求形成孔结构的特征尺寸与生物分子的大小相匹配以获得更高的检测灵敏度。目前传统微纳加工领域能够在实际应用中达到亚10nm加工精度的技术非常少，而氦离子束刻蚀则可以实现这一目标。另外，在生物分子传感过程中，DNA、RNA分子易位过快，纳米孔的时间分辨率不足也是一个很大的缺陷。目前的一些提高时间分辨率的方法普遍依赖于修饰或者实验条件的控制，不适于批量生产与运用；另外，现有一些制备纳米孔技术如电介质击穿无法在薄膜上制备位置确定的多个纳米孔结构；并且纳米孔的捕获率较低，也是一个很大的问题。由于许多生物小分子的检测需要很小的纳米孔孔径，需要利用精细的加工手段才可以实现。

因此需要在制备过程中实现对于材料、孔径大小、孔径个数的个性化选择，并且实现厚度和直径均可与生物小分子大小相匹配的纳米孔制备以方便适应各种不同待测生物小分子的具体性质。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种双面氦离子束刻蚀制备近零厚度纳米孔的方法；本发明的目的之二在于提供一种双面氦离子束刻蚀制备近零厚度纳米孔；本发明的目的之三在于提供一种近零厚度纳米孔单分子检测器件；本发明的目的之四在于提供一种近零厚度纳米孔单分子检测器件在单分子检测分析方面的应用。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1.一种双面氦离子束刻蚀制备近零厚度纳米孔的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)制备硅基薄膜衬底：在厚度为10～20μm的硅衬底上通过化学气相沉积法生长化合物材料形成硅基薄膜衬底，所述化合物材料包括厚度为50～200nm的二氧化硅和厚度为10～30nm氮化硅薄膜组成的双层材料、厚度为20～30nm的氮化硅薄膜形成的单层材料或厚度为10～30nm的氮化硅薄膜和厚度为20～100nm的氧化铝薄膜组成的双层材料中的任意一种，

所述厚度为10～30nm的氮化硅薄膜和厚度20～100nm为的氧化铝薄膜组成的双层材料中氮化硅薄膜位于硅衬底和氧化铝薄膜之间；

(2)制备薄膜窗口：通过化学湿法腐蚀在步骤(1)中所述硅基薄膜衬底上的硅衬底上进行刻蚀，使硅衬底腐蚀形成一个边长为10～30μm的薄膜窗口，即得到具有薄膜窗口的硅基薄膜衬底；

(3)近零厚度纳米孔的制备：通过氦离子束刻蚀在步骤(2)中所述具有薄膜窗口的硅基薄膜衬底的正面加工形成深度为10～30nm纳米线条阵列，通过氦离子束刻蚀在步骤(2)中所述具有薄膜窗口的硅基薄膜衬底的背面加工形成深度为10～220nm纳米线条，其中正面加工的所述纳米线条阵列和背面加工形成的所述纳米线条以10～90°的夹角相交形成纳米孔。

优选的，为了增加待测分子的捕获率，所述方法还包括在正面形成的所述纳米线阵列的纳米线两端分别刻蚀出一个不通透的漏斗状小孔。

优选的，所述化合物材料为二氧化硅与氮化硅薄膜组成的双层材料或氮化硅薄膜形成的单层材料时，薄膜窗口所在的一面为背面，另一面为正面。

优选的，所述化合物材料为氮化硅薄膜与氧化铝薄膜组成的双层材料时，薄膜窗口所在的一面为正面，另一面为背面。

优选的，正面加工形成的所述纳米线条阵列中纳米线条长为50～3000nm、宽为1～50nm、周期为100～1000nm。

优选的，正面加工的过程中所述氦离子束刻蚀的参数设置为：光阑10μm，束流小于等于1pA，剂量为100～500nc/μm

优选的，背面加工形成的所述纳米线条长为50～7000nm、宽为1～50nm。

优选的，背面加工的过程中所述氦离子束刻蚀的参数设置为：光阑10μm，束流小于等于1pA，剂量为100～2000nc/μm

优选的，所述纳米线条阵列中纳米线条的深度与纳米线条的深度之和等于所述化合物材料的厚度。

2.根据上述方法制备得到近零厚度纳米孔。

3.一种近零厚度纳米孔单分子检测器件，所述器件含有上述近零厚度纳米孔。

优选的，所述器件还包括检测电极和检测池。

4.上述近零厚度纳米孔单分子检测器件在单分子检测分析方面的应用。

优选的，所述单分子为DNA序列、DNA序列的修饰、RNA序列、RNA序列的修饰或蛋白质分子中的任意一种。

本发明的有益效果在于：本发明公开了一种双面氦离子束刻蚀制备近零厚度纳米孔的方法，通过具有极高的加工精度和可控性的氦离子束加工方法，制备得到具有高度可控性的零厚度纳米孔结构，使其材料、孔径大小、孔径的样式、孔径个数都可以根据待测分子的性质进行专有性设计，能够提高纳米孔检测DNA序列、RNA序列或DNA序列的修饰、RNA序列的修饰或蛋白质的空间分辨率、时间分辨率以及捕获率。本发明制备方法的主要优点有：(1)采用氦离子束刻蚀的加工方式，氦离子束刻蚀在加工精细结构时能达到亚10nm的加工精度，对于生物小分子的识别，孔的加工精度十分重要，并且氦离子束刻蚀的深宽比很好，不同于TEM钻孔技术打出的漏斗状纳米孔，氦离子束刻蚀可以形成一个很规整的柱状沟道形状；(2)提出了一种双面加工的方法，通过在正面加工形成纳米线条阵列，在背面加工形成纳米线条，只需要背面加工的纳米线条处在正面加工的纳米阵列范围内即可形成纳米孔，十分便利，解决了由于氮化硅薄膜尺寸很小且质地较脆而引起的打过长的线条结构或者直接进行区域材料大面积打薄容易造成材料损坏的问题；(3)同时可以根据单孔、双孔或者多孔的需要来调整在背面加工形成纳米线条的长度，从而使其能够由于制备不同用途的纳米孔生物传感检测(例如：形成单孔可以进行传统的纳米孔生物传感检测，通过电流变化显示出待测分子的理化性质；形成双孔结构有希望实现双捕获，即两个孔同时捕获待测分子实现双捕获有利于我们加长待测分子在孔中的停留时间，使得纳米孔检测的时间分辨率大大提高；形成多孔结构(多孔为3个及其以上个数的纳米孔)则形成了纳米孔阵列，可以高通量的进行传感)，使得器件选择有很大灵活性；(4)还可以通过调整正面加工形成纳米线条阵列和背面加工形成纳米线条之间的角度来控制形成孔径的具体形状；(5)同时用氦离子束在正面形成纳米线条阵列的纳米线条的两侧各形成一个不通透的漏斗状小孔，利用漏斗状的形状可以吸引待测分子并将其引入沟道从而进入纳米孔，从而进一步提高捕获率；(6)通过控制加工过程中的深度，使正面形成的纳米线条阵列的深度小于背面的纳米线条深度，以减少对于材料的损伤，使得结构更加的稳定。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为含有近零厚度纳米孔的器件的3D效果示意图，其中a为俯视图，b为仰视图，c为透视的线条框架图；

图2为剖面3D效果示意图，其中a为3D剖面图，b为透视的3D线条框架剖面图；

图3为本发明近零厚度纳米孔的制备流程图；

图4为实施例1中通过本发明的方法制备的单孔结构的近零厚度纳米孔，其中a、b和c分别为俯视图、仰视图和主视图；

图5为实施例2中通过本发明的方法制备的双孔结构的近零厚度纳米孔，其中a、b和c分别为俯视图、仰视图和主视图；

图6为实施例3中通过本发明的方法制备的多孔结构的近零厚度纳米孔，其中a、b和c分别为俯视图、仰视图和主视图；

图7为实施例1中通过本发明的方法在正面加工形成纳米线条阵列后的FIB扫描成像图；

图8为实施例3中通过本发明的方法在加工形成多孔纳米孔器件后的AFM表征图；

图9为实施例1中通过本发明的方法制备的近零纳米孔形成的检测器件在300mV电压、1M KCL、pH＝8的条件下检测的记录结果(IV_02_1M KCL pH8)和IV拟合图(FittedData)。

图10为实施例1中通过本发明的方法制备的近零纳米孔形成的检测器件在300mV电压、1M KCL、pH＝8的条件下检测生物小分子质粒PUC18的检测结果电流轨迹图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实例1

制备单孔结构的近零厚度纳米孔，其制备过程具体按照如下步骤进行：

1、选取厚为10～20μm的硅衬底，采用化学气相沉积的方法在硅衬底上生长一层厚为30nm的氮化硅材料得到硅基薄膜衬底。

2、利用化学湿法腐蚀在硅基薄膜衬底的硅衬底面上进行腐蚀，形成一个边长为20μm的薄膜窗口，即得到具有薄膜窗口的硅基薄膜衬底。

3、在氮化硅材料的一面(正面)利用氦离子束刻蚀(刻蚀参数设置为：光阑10μm，束流小于等于1pA，剂量为100～300nc/μm

4、在具有薄膜窗口的一面(背面)，对应于正面加工形成的纳米线条阵列的区域，在与正面加工纳米线条阵列为正交关系的方向上，同样采用氦离子束刻蚀(刻蚀参数设置为：光阑10μm，束流小于等于1pA，剂量为100～1000nc/μm

5、在材料正面找到形成纳米孔线条阵列的竖向纳米线，并在其纳米线条的两端分别刻蚀出一个不通透的漏斗状小孔，其结构如图4所示，其中a、b和c分别为俯视图、仰视图和主视图。

6、利用上述制备的近零厚度纳米孔进行生物分子检测，其检测过程如下：

将上述制备的近零厚度纳米孔与检测电极、检测池等进行组装，形成一种近零厚度纳米孔单分子检测器件，将检测器件置于电解液(KCL，pH＝8、偏置电压300mV)中并分开两个腔室，调整实验条件(pH值、偏置电压大小、温度、电解液浓度)至待测物分子的最适条件(1M的KCL、pH＝8)下记录此时的IV曲线图(如图9所示)。由于此时纳米孔孔径约2.5nm。检测质粒分子(PUC18)经过孔时，记录前后相应的电流发生的变化(如图10所示)，进而可以利用电流变化的信息对该生物小分子进行探测。由于上述检测过程中采用的检测器件中的纳米孔在物理上是近零厚度的，而纳米孔的空间分辨率很大程度上取决于膜厚，故形成的纳米孔有极高的空间分辨率，该空间分辨率是实现生物小分子检测的前提条件。

实施例2

制备双孔结构的近零厚度纳米孔，其制备过程如下所示：

1、选取厚为10～20μm的硅衬底，先采用化学气相沉积的方法在硅衬底上生长一层厚为200nm的二氧化硅材料，然后再在二氧化硅上使用化学气相沉积生长一层厚为20nm的氮化硅材料，得到硅基薄膜衬底。

2、利用化学湿法腐蚀在硅基薄膜衬底的硅衬底面上进行腐蚀，形成一个边长为20μm的薄膜窗口，即得到具有薄膜窗口的硅基薄膜衬底。

3、在氮化硅材料的一面(正面)利用氦离子束刻蚀(刻蚀参数设置为：光阑10μm，束流小于等于1pA，剂量为100～300nc/μm

4、在具有薄膜窗口的一面(背面)，对应于正面加工形成的纳米线条阵列的区域，在与正面加工纳米线条阵列为10°夹角的方向上，同样采用氦离子束刻蚀(刻蚀参数设置为：光阑10μm，束流小于等于1pA，剂量为100～1000nc/μm

5、在材料正面找到形成纳米孔线条阵列的竖向纳米线，并在其纳米线条的两端分别刻蚀出一个不通透的漏斗状小孔，得到的结构如图5所示，其中a、b和c分别为俯视图、仰视图和主视图。

6、利用上述制备的近零厚度纳米孔进行生物分子检测，其检测过程如下：

将上述制备的近零厚度纳米孔与检测电极、检测池等进行组装，形成一种近零厚度纳米孔单分子检测器件，对于长链DNA分子进行检测(1M的KCl pH＝8)。调整实验条件(pH值、偏置电压大小、温度、电解液浓度、)至待测分子的最适条件(1M KCL、pH＝8)附近，进行电流轨迹信号的记录，并由此可以对记录的电流轨迹信号进行分析。由于形成的器件是双孔结构，理论上有概率实现双捕获事件，发生“双孔拉锯”现象，使得待测分子过孔速度减缓。

实施例3

制备近零厚度纳米孔，其制备过程如下所示：

1、选取厚为10～20μm的硅衬底，先采用化学气相沉积的方法在硅衬底上生长一层厚为20nm的氮化硅材料，然后再在氮化硅上使用化学气相沉积生长一层厚为100nm的氧化铝材料，得到硅基薄膜衬底。

2、利用化学湿法腐蚀在硅基薄膜衬底的硅衬底面上进行腐蚀，形成一个边长为20μm的薄膜窗口，即得到具有薄膜窗口的硅基薄膜衬底。

3、在氮化硅材料的一面(正面)利用氦离子束刻蚀(刻蚀参数设置为：光阑10μm，束流小于等于1pA，剂量为100～500nc/μm

4、在氧化铝材料的一面(背面)，对应于正面加工形成的纳米线条阵列的区域，在与正面加工形成的纳米线条阵列为90°夹角的方向上，同样采用氦离子束刻蚀(刻蚀参数设置为：光阑10μm，束流小于等于1pA，剂量为100～2000nc/μm

5、在材料正面找到形成纳米孔线条阵列的竖向纳米线，并在其纳米线条的两端分别刻蚀出一个不通透的漏斗状小孔，其结构如图6所示，其中a、b和c分别为俯视图、仰视图和主视图。

6、利用上述制备的近零厚度纳米孔进行生物分子检测，其检测过程如下：

将上述制备的近零厚度纳米孔与检测电极、检测池等进行组装，形成一种近零厚度纳米孔单分子检测器件，其AFM表征后图像如图8所示。同样按照上述实施例中的方法对蛋白质分子进行检测。由于上述检测过程中采用的检测器件中的纳米孔在物理上说近零厚度的，形成的检测器件中具有多孔结构，理论上有概率实现多重捕获事件，可以使得分子过孔事件延长几个数量级，大大增加了传感结构的数据传输通量。

制备得到的含有近零厚度纳米孔的器件的3D效果示意图如图1所示，其中a为俯视图，b为仰视图，c为透视的线条框架图。图2为剖面3D效果示意图，其中a为3D剖面图，b为透视的3D线条框架剖面图。本发明的制备过程如图3所示，分别采用俯视图(上)和主视图(下)的变化过程来展示，首先在硅衬底上通过化学气相沉积法生长化合物材料并过化学湿法腐蚀形成具有薄膜窗口的硅基薄膜衬底，其次在具有薄膜窗口的硅基薄膜衬底的正面进行氦离子束刻蚀形成纳米线条阵列，然后在硅基薄膜衬底的背面进行氦离子束刻蚀形成与纳米线条阵列成10～90°的夹角的纳米线条，还可以包括在纳米线条阵列的纳米线条两端分别刻蚀出一个不通透的漏斗状小孔。图4为实施例1中通过本发明的方法制备的单孔结构的近零厚度纳米孔，其中a、b和c分别为俯视图、仰视图和主视图；图5为实施例2中通过本发明的方法制备的双孔结构的近零厚度纳米孔，其中a、b和c分别为俯视图、仰视图和主视图。图6为实施例3中通过本发明的方法制备的多孔结构的近零厚度纳米孔，其中a、b和c分别为俯视图、仰视图和主视图。图7实施例1中为通过本发明的方法在正面加工形成纳米线条阵列后的FIB扫描成像图。图8为实施例3中通过本发明的方法加工形成多孔近零纳米孔器件后的AFM表征图。图9为实施例1中通过本发明的方法制备的近零纳米孔形成的检测器件在300mV电压、1M KCL、pH＝8的条件下检测的记录结果(IV_02_1M KCL pH8)和IV拟合图(Fitted Data)。图10为实施例1中通过本发明的方法制备的近零纳米孔形成的检测器件在300mV电压、1M的KCL、pH＝8的条件下检测质粒分子(PUC18)时电流发生的变化图。

事实上，本发明利用氦离子束加工所制备的近零厚度纳米孔传感器件具有加工精度高度可控的优势，所以有发展成为一个通用的传感平台的优势。利用形成薄膜的化合物材料的不同性质、加工出孔结构数量以及大小的不同，可以方便可控的针对不同的待测分子进行最合适的传感条件的测试，即可以根据待测分子的性质进行材料、孔径、孔样式的调整。所以本发明制备的近零厚度纳米孔在纳米孔生物传感中有极大的应用潜力。

综上所述，本发明公开了一种双面氦离子束刻蚀制备近零厚度纳米孔的方法，通过具有极高的加工精度和可控性的氦离子束加工方法，制备得到具有高度的可控性的零厚度纳米孔结构，使其材料、孔径大小、孔径的样式、孔径个数都可以根据待测分子的性质进行专有性设计，能够提高纳米孔检测DNA、RNA序列或DNA序列修饰、RNA序列修饰或蛋白质的空间分辨率、时间分辨率以及捕获率。本发明制备方法的主要优点有：(1)采用氦离子束刻蚀的加工方式，氦离子束刻蚀在加工精细结构时能达到亚10nm的加工精度，对于生物小分子的识别、孔的加工精度十分重要，并且氦离子束刻蚀的深宽比很好，不同于TEM钻孔技术打出的漏斗状纳米孔，氦离子束刻蚀可以形成一个很规整的柱状沟道形状；(2)提出了一种双面加工的方法，通过在正面加工形成纳米线条阵列，在背面加工形成纳米线条，只需要背面加工的纳米线条处在正面加工的纳米阵列范围内即可形成纳米孔，十分便利，解决了由于氮化硅薄膜尺寸很小且质地较脆而引起的打过长的线条结构或者直接进行区域材料大面积打薄容易造成材料损坏的问题；(3)同时可以根据单孔、双孔或者多孔的需要来调整在背面加工形成纳米线条的长度，从而使其能够由于制备不同用途的纳米孔生物传感检测(例如：形成单孔可以进行传统的纳米孔生物传感检测，通过电流变化显示出待测分子的理化性质；形成双孔结构有希望实现双捕获，即两个孔同时捕获待测分子实现双捕获有利于我们加长待测分子在孔中的停留时间，使得纳米孔检测的时间分辨率大大提高；形成多孔结构则形成了纳米孔阵列，可以高通量的进行传感)；(4)还可以通过调整正面加工形成纳米线条阵列和背面加工形成纳米线条之间的角度来控制形成孔径的具体形状；(5)同时用离子束在正面形成纳米线条阵列的纳米线条的两侧各形成一个不通透的漏斗状小孔，利用漏斗状的形状可以吸引待测分子并将其引入沟道从而进入纳米孔，从而提高捕获率；(6)通过控制加工过程中的深度，使正面形成的纳米线条阵列的深度小于背面的纳米线条深度，以减少对于材料的损伤，使得结构更加的稳定。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。