一种可见光诱导的SiN纳米网平台可控制备方法及其应用

技术领域

本发明属于微纳加工技术领域，具体涉及一种可见光诱导的SiN纳米网平台可控制备方法及其应用。

背景技术

近二十年来，纳米孔传感技术作为一种简单的高灵敏度无标记单分子分析手段，受到广泛关注，利用纳米孔对蛋白分子的研究已经取得了显著的成果。纳米孔分析检测基本原理是当分析物通过纳米孔时，会阻断纳米孔的离子开孔电流，形成可检测的临时阻塞电流，当待检测分析物完全通过纳米孔后，离子电流再次恢复到开孔电流水平。通过纳米孔的电流脉冲幅值、易位滞留时间和事件间隔时间可以获得单个蛋白的体积、形状、偶极矩和浓度等信息。在过去的几年里，人工合成的固态纳米孔成为目前研究的热点，例如激光辅助毛细管拉制的玻璃纳米孔和氮化硅纳米孔，已经实现了对通常处于折叠状态的单个蛋白质的检测。为评估蛋白质的大小、形状、电荷、偶极子和旋转扩散系数提供了可能性。但是在使用氮化硅固态纳米孔研究蛋白质易位时，所产生的电流信号除了过孔事件以外，还存在滞留时间较短的碰撞信号以及较长的蛋白质与纳米孔相互作用的信号。这些事件是否由蛋白复杂的三维结构所导致，能否用于其结构的表征等方面都仍需要进行大量的研究。利用纳米孔获得更多蛋白质的三维结构信息，将进一步提高纳米孔对于蛋白质性质描述的潜力。利用DNA折纸术形成的带负电的多孔纳米球，利用电渗流捕获蛋白并阻挡其易位过孔，使蛋白能够在空腔中停留以至于能长时间研究蛋白的构象变化。然而，在这种策略中同样需要考虑DNA组装体的稳定性，以及它可能会在电场中被压缩，引起孔口离子波动，导致信噪比降低。无论针对过孔或者捕获研究，纳米孔作为传感平台的核心部件，其可适用性制约着该分析技术的使用场景和整体水平。如果能发展一种基于纳米孔的稳定刚性的全无机蛋白捕获平台，效仿渔网结构，用于蛋白质的形貌、构象变化等信息的研究将具有重要意义。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种在可见光下诱导SiNx纳米孔缩孔以实现对孔径进行控制的方法，并提供了该控制方法在全无机蛋白捕获及结构分析的应用。

本发明通过简便的两步法制备全无机氮化硅纳米网结构：电子束刻蚀制备氮化硅纳米孔以及后续的可见光诱导构建氮化硅纳米网。由于电子束打孔得到的SiNx孔周围有损伤区域，且该区域主要由Si元素组成，N元素含量很少，非晶Si对可见光有吸收，故而可以利用光照使该区域发生应变，加之表面张力的作用使SiNx发生缩孔。基于上述特性，本发明提供的方法可以确定孔径随光照时间变化的规律，进而实现对所需孔径SiNx纳米孔的可控制备。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种可见光诱导的SiN纳米网平台可控制备方法，包括以下步骤：

(1)利用透射电子显微镜的电子束聚焦于SiNx薄膜上制备出不同直径的纳米孔；

(2)将步骤(1)的带有纳米孔的SiNx薄膜置于溶液A中，用氙灯在室温下进行不同时间的光照以收缩孔径；

(3)光照后的SiNx纳米孔置于TEM下观察孔径的变化，并确定孔径随光照时间的变化规律；

(4)通过步骤(3)的变化规律实现对所需孔径SiNx纳米孔的可控制备。

进一步，所述步骤(1)中，制备纳米孔的方法包括在成像模式下将透射电子显微镜的电子束聚焦，通过一次或者多次调节放大倍数获得不同直径的纳米孔。

进一步，所述步骤(1)中，纳米孔的孔径范围为5-60nm。

进一步，所述步骤(2)中，溶液A为KCl溶液或水。

更进一步，所述KCl溶液的浓度为0.5-3M。优选的，所述KCl溶液的浓度为1M。

进一步，所述步骤(2)中，采用的光源为50W高均匀氙灯，辐照高度为20cm，输出光强通过光功率计测量，缩孔过程中调节光强使其在2-6mW cm

进一步，所述步骤(3)中，变化规律为孔径随光照时间增长而缩小，直至完全收缩形成网状平台。

更进一步，所述所述步骤(3)中，完全收缩形成的网状平台的厚度小于周围不收缩部分的厚度。

第二方面，本发明提供第一方面所述的方法在全无机蛋白捕获及结构分析的应用。本发明方法制备获得具有稳定刚性的SiN纳米网平台可用于全无机蛋白捕获平台的构建及蛋白质结构分析。

本发明的有益效果：

本发明利用透射电镜电子束制备不同孔径的纳米孔，再采用可见光诱导SiNx缩孔，与已报道的利用离子束、电子束缩孔手段相比，方法更加简单，成本更低，且得到的无机纳米网结构具有更好的稳定性，尺寸可调性，易修饰性，可重复利用等优点。利用本发明制备获得具有稳定刚性的SiN纳米网平台可用于全无机蛋白捕获平台的构建及蛋白质结构分析。

附图说明

图1为TEM电子束制备的氮化硅纳米孔以及经过高均匀氙灯照射后的TEM图，标尺为10nm；其中，a～c对应实施例1不同辐照时间的孔径变化图，d～f对应对应实施例2不同辐照时间的孔径变化图，g～i对应实施例2不同辐照时间的孔径变化图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的内容进一步说明，本发明的内容完全不限于此。

下述实施例中，SiNx薄膜购于NANOPORE solutions公司。

实施例1

可见光诱导的SiNx纳米网平台的制备方法，包括如下步骤：

(1)将SiNx薄膜置于TEM样品杆，上样后在成像模式下将TEM的电子束聚焦，在放大倍数1.2Mⅹ下，SiNx薄膜在电子束辐照下出孔，得到初始直径为11nm的孔；

(2)将上述SiNx孔置于1M KCl溶液中，在高均匀氙灯下照射，氙灯功率为50W，辐照高度20cm，光强4mW cm

(3)将上述缩了一部分的SiNx孔置于1M KCl溶液中，继续用高均匀氙灯照射(光照条件不变)，3min后取出用水冲洗后烘干再用TEM观察孔的变化，如图1(c)所示，光照6min后SiNx孔完全缩住，得到SiNx纳米网状平台，平台部分比周围SiNx本体薄膜的厚度要小。

实施例2

可见光诱导的SiNx纳米网平台的制备方法，包括如下步骤：

(1)将SiNx薄膜置于TEM样品杆，上样后在成像模式下将TEM的电子束聚焦，在放大倍数1.2Mⅹ下，SiNx薄膜在电子束辐照下出孔，得到初始直径约为10nm的孔，再将电子束稍散开，在1.0Mⅹ放大倍数下将孔扩大，得到直径21nm的孔；

(2)将上述SiNx孔置于1M KCl溶液中，在高均匀氙灯下照射，氙灯功率为50W，辐照高度20cm，光强4mW cm

(3)将上述缩了一部分的SiNx孔置于1M KCl溶液中，继续用高均匀氙灯照射(光照条件不变)，7min后取出用水冲洗后烘干再用TEM观察孔的变化，如图1(f)所示，光照10min后SiNx孔完全缩住，得到SiNx纳米网状平台，平台部分比周围SiNx本体薄膜的厚度要小。

实施例3

可见光诱导的SiNx纳米网平台的制备方法，包括如下步骤：

(1)将SiNx薄膜置于TEM样品杆，上样后在成像模式下将TEM的电子束聚焦，在放大倍数1.2Mⅹ下，SiNx薄膜在电子束辐照下出孔，得到初始直径约为10nm的孔，再将电子束稍散开，在1.0Mⅹ放大倍数下将孔扩大，得到直径为33nm的孔；

(2)将上述SiNx孔置于1M KCl溶液中，在高均匀氙灯下照射，氙灯功率为50W，辐照高度20cm，光强4mW cm

(3)将上述缩了一部分的SiNx孔置于1M KCl溶液中，继续用高均匀氙灯照射(光照条件不变)，20min后取出用水冲洗后烘干再用TEM观察孔的变化，如图1(i)所示，光照45min后SiNx孔完全缩住，得到SiNx纳米网状平台，平台部分比周围SiNx本体薄膜的厚度要小。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。