專利名稱：在納米孔表面制備納米間隙電極的方法
技術領域：
本發明涉及一種在納米孔表面制備納米間隙電極的方法。
背景技術：
納米孔測序一直以來被視為第三代基因組測序方法的重要組成部分，其原理是DNA在外加電壓的驅動下，穿過一個納米數量級直徑的小孔，引起離子電流的改變。1996年，Kasianowicz及其同事首次報道了單鏈DNA在外加電場的作用下，通過自組裝在脂質雙分子層上的α-溶血素納米孔，并且在DNA分子通過α-溶血素納米孔時檢測到了電流的變化。很多理論和實驗都已經證明了，不同的堿基由于其不同的原子組成以及結構，導致他們在穿過同一納米孔時產生的電流變化也不同，因此可以根據檢測到的信號來可以區分出四種不同的堿基A、Τ、C、G，獲得DNA分子的序列信息及基因組成，為實現直接、快速的檢測單鏈 DNA 的遺傳信息提供了可能[Branton D, et al.，Nature Biotechnol. 2008，26，1146-1153 ；Deamer D W, Branton D. Acc Chem Res. 2002，35，817-825]。但是，α -溶血素納米孔等生物納米孔存在一些固有的缺點，比如孔徑固定、壽命短、穩定性差、環境條件要求高，這些缺陷在一定程度上限制了生物納米孔在檢測生物大分子上的應用。后來，人們發現可以聚焦離子束工作站或是聚焦電子束工作站在Si3N4薄膜打出納米數量級的小孔[Li J，et al. Nature，2001，412，166-169]，而且孔徑是可以控制的。人造Si3N4納米孔的出現，使得納米孔裝置再一次引起了學界的興趣和重視，也被越來越多地應用于DNA測序以外的其他生物大分子的檢測。相對于生物納米孔來說，人造納米孔直徑可控，化學性質穩定，可以重復利用，已經成為近幾年納米孔研究中的熱點。納米孔應用于DNA等生物大分子的檢測，其原理是基于生物大分子通過時產生的縱向離子電流的改變，而很多時候一維的信號還不足以推斷出生物大分子的內部信息，比如DNA分子的堿基序列。通過集成在納米孔孔內的納米間隙電極來檢測生物大分子通過納米孔時產生的橫向隧道電流，實現了二維雙通道同時檢測生物大分子過孔的信號變化，提高了檢測的準確性和可信性[Yuhui He, et al. applied physics letters，2010，97]。
發明內容
本發明提供一種在納米孔表面制備納米間隙電極的方法。所述在納米孔表面制備納米間隙電極的方法如下(1)在基材表面相對的兩條金屬線的端面上分別修飾核苷酸片段A和核苷酸片段B ；(2)引入兩端分別與核苷酸片段A和核苷酸片段B互補的雙鏈DNA，使雙鏈DNA和兩金屬線上的核苷酸片段A和核苷酸片段B結合后，以非折疊狀態連接在兩金屬線之間；(3)在雙鏈DNA骨架上沉積、聚集Ag+，然后使聚集的Ag+還原成Ag納米線；(4)將Ag納米線刻蝕穿，并將基材刻蝕形成貫穿的納米孔，形成表面具有納米間隙電極的納米孔。
所述基材表面相對的兩條金屬線相距16 μ m-5 μ m。所述核苷酸片段A和核苷酸片段B長12bp-40bp，DNA分子長151Λ-481Λ。所述金屬線為Au，核苷酸片段A和B的3’端修飾-SH后分別連接到兩金屬線的端面上，或者核苷酸片段A和B的5’端修飾-SH后分別連接到兩金屬線的端面上。為了便于在兩金屬線端面分別修飾不同的核苷酸片段，可以通過已有的方法，先使一條金屬線相對惰化，僅使另一條金屬線參與和核苷酸片段的反應，如在需要惰化的金屬線表面覆蓋無法與核苷酸片段反應的掩膜。優選的方法是，在一條金屬線表面覆蓋一層銅，使修飾-SH后的核苷酸片段A選擇性結合到Au線端面；然后去掉前述金屬線表面的銅，露出Au，再使修飾-SH后的核苷酸片段B結合到去掉銅后暴露出來的Au線端面。可采用公知的方法在金屬線表面覆蓋一層銅或去掉覆蓋的銅，如電鍍或電解。本發明所述方法可以在固態納米孔孔內制備出納米間隙電極的方法，從而能夠實現二維同時檢測生物大分子通過納米孔所產生的信號變化，廣泛地應用各種生物大分子的檢測。
圖1示出實施例1中表面有金屬線的基材的制備流程；圖2示出實施例1中在納米孔表面制備納米間隙電極的制備流程。
具體實施例方式實施例1如圖1所示，雙面拋光的4寸硅晶圓1，先用濃硫酸和雙氧水的混合溶液以及BOE清洗，以去除硅晶圓表面的雜質，包括表面自然氧化所形成的二氧化硅。通過濺射在硅片的一面上沉積一層幾納米的二氧化硅薄膜2，使用低壓氣相沉積方法(LPCVD)在二氧化硅薄膜上(即正面)沉積一層IO-IOOnm的氮化硅3。在正面的氮化硅薄膜上，通過傳統光刻方法在光刻膠上光刻出需要的金屬線圖案，然后使用電子束蒸鍍形成最終的金屬線圖形4。硅片反面通過LPCVD沉積一層400nm左右的氮化硅5，通過光刻形成刻蝕窗圖形，接著用RIE刻蝕，在氮化硅薄膜上刻蝕出腐蝕窗6，緊接著用TMAH溶液在刻蝕窗上繼續腐蝕硅，形成懸臂結構7。正面的氮化硅薄膜3表面為四個5 μ m寬的材料為Au的金屬線相距5 μ m。首先，利用電化學工作站在其中的3個金屬線上電鍍上金屬銅8，目的是防止核苷酸片段A與這三個電極結合，而是特異性地結合到沒有鍍銅的金屬線上；長為12bp的核苷酸片段A的末端先修飾-SH，巰基-SH可以與金結合，但和銅不易結合，因此，可以將特異性寡聚核苷酸片段oligoA9的3’端通過-SH連接到暴露的Au金屬線一端；其次，將需要制作電極的另一金屬線上的銅電解，暴露出能和-SH結合的金10 ；接著，采用同樣的方法，將長為12bp的與核苷酸片段oligoA序列不同的特異性寡聚核苷酸片段oligoB 10的3’端通過-SH連接到電解銅后暴露出的Au金屬線一端；當兩金屬線分別接上了 oligoA和oligoB以后，引入長151Λ的DNA分子12，其兩端分別與oligoA和oligoB互補，因此退火的條件下，該DNA分子12能和兩金屬線上的特異性寡聚核苷酸片段oligoA和oligoB結合；用倒置熒光顯微鏡觀察DNA是否連接到兩個金導線上，由于DNA帶負電，有利于進行Ag+的沉積，在堿性條件下加入Ag+(將樣品浸入0. lmmol/L的AgNO3溶液即可)，Ag+能聚集在DNA的骨架上，形成Ag+/DNA復合物14 ；最后，加入hydroquinone (對二苯酚)，使得Ag+/DNA復合物結合更加緊密；在酸性條件下，使得Ag+快速還原成Ag納米線16。在納米銀線16制作好以后，利用FIB在特定的位置將線與氮化硅薄膜同時刻蝕穿，最終形成了集成表面間隙電極的納米孔，納米間隙電極的線寬4-lOnm，納米間隙電極5_40歷，納米孔5_40歷。
權利要求
1.一種在納米孔表面制備納米間隙電極的方法，其特征在于，(1)在基材表面相對的兩條金屬線的端面上分別修飾核苷酸片段A和核苷酸片段B；(2)引入兩端分別與核苷酸片段A和核苷酸片段B互補的雙鏈DNA，使雙鏈DNA和兩金屬線上的核苷酸片段A和核苷酸片段B結合后，以非折疊狀態連接在兩金屬線之間；(3)在雙鏈DNA骨架上沉積、聚集Ag+，然后使聚集的Ag+還原成Ag納米線；(4)將Ag納米線刻蝕穿，并將基材刻蝕形成貫穿的納米孔，從而形成表面具有納米間隙電極的納米孔。
2.如權利要求1所述的在納米孔表面制備納米間隙電極的方法，其特征在于，所述基材表面相對的兩條金屬線相距5 μ m-16 μ m。
3.如權利要求2所述的在納米孔表面制備納米間隙電極的方法，其特征在于，所述核 苷酸片段A和核苷酸片段B長12bp-40bp，DNA分子長151Λ-481Λ。
4.如權利要求1-3中任一項所述的在納米孔表面制備納米間隙電極的方法，其特征在于，所述金屬線為Au，核苷酸片段A和B的3’端修飾-SH后分別連接到兩金屬線的端面上，或者核苷酸片段A和B的5’端修飾-SH后分別連接到兩金屬線的端面上。
5.如權利要求4所述的在納米孔表面制備納米間隙電極的方法，其特征在于，在一條金屬線表面覆蓋一層銅，使修飾-SH后的核苷酸片段A選擇性結合到Au線端面；然后去掉前述金屬線表面的銅，露出Au，再使修飾-SH后的核苷酸片段B結合到去掉銅后暴露出來的Au線端面。
全文摘要
本發明涉及在納米孔表面制備納米間隙電極的方法(1)在基材表面相對的兩條金屬線的端面上分別修飾核苷酸片段A和核苷酸片段B；(2)引入兩端分別與核苷酸片段A和核苷酸片段B互補的雙鏈DNA，使雙鏈DNA和兩金屬線上的核苷酸片段A和核苷酸片段B結合后，以非折疊狀態連接在兩金屬線之間；(3)在雙鏈DNA骨架上沉積、聚集Ag+，然后使聚集的Ag+還原成Ag納米線；(4)將Ag納米線刻蝕穿，并將基材刻蝕形成貫穿的納米孔，形成表面具有納米間隙電極的納米孔。本發明所述方法可以在固態納米孔孔內制備出納米間隙電極的方法，從而能夠實現二維同時檢測生物大分子通過納米孔所產生的信號變化，廣泛地應用各種生物大分子的檢測。
文檔編號G01N27/327GK102384934SQ20111028532
公開日2012年3月21日 申請日期2011年9月23日 優先權日2011年9月23日
發明者劉麗萍, 劉全俊, 葉曉峰, 吳宏文, 易紅, 謝驍, 趙志亮, 陸祖宏 申請人:東南大學