[发明专利]DNA测序装置及制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及DNA测序技术领域，尤其涉及一种DNA测序装置及制作方法。

背景技术

脱氧核糖核酸(DNA)测序技术是现代生命科学研究的核心技术之一。从基于荧光标记Sanger法的第一代测序技术到以循环阵列合成测序法为代表的第二代测序技术，极大地改变了人们研究所有生命蓝图的方式，推动了基因组学及其相关学科的创立与发展。

然而，经过数十年的发展，第一代测序技术由于对电泳分离技术的依赖，在速度和成本方面都已达到了极限。第二代测序技术由于对荧光或者化学发光物质的依赖，使得仪器设备、生化试剂的成本难以显著降低。为实现百美元人类基因组(HDG)目标，迫切需要一种新型的不使用任何标记的直接测序方法。在所有以低成本、高通量、直接测序为目标的新一代DNA测序技术中，基于纳米孔的单分子测序被认为是最有希望的DNA测序技术。

截止目前，基于纳米孔的DNA单分子直接测序方法主要分为二大类：纵向离子电流阻塞法和横向隧穿电流法。离子电流阻塞法的挑战是纳米孔通道过长导致测序精度有待提高。横向隧穿电流法需要在纳米孔边缘制造一对相距仅为1.5nm左右的隧穿电极，测序精度高但工艺难度大。由于上述两类方法对纳米孔的结构要求各不相同，因而往往单独采用，限制了纳米孔DNA测序的精度和可靠性。

发明内容

本发明的实施例提供了一种DNA测序装置及制作方法，以实现DNA分子的准确、高效、低成本测序。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种DNA测序装置，包括：

设置于双面抛光单晶硅片上的底层接触电极，在底层接触电极上方覆盖有底层石墨烯微带，在底层石墨烯微带上方覆盖有六方氮化硼微带，在六方氮化硼微带上方覆盖有顶层石墨烯微带，底层石墨烯微带、六方氮化硼微带和顶层石墨烯微带构成了一个石墨烯—六方氮化硼—石墨烯异质结构，在石墨烯—六方氮化硼—石墨烯异质结中心刻蚀石墨烯—六方氮化硼—石墨烯纳米孔。

进一步地，包括置于双面抛光单晶硅片上的二氧化硅薄膜，该二氧化硅薄膜顶部生长有氮化硅薄膜，在氮化硅薄膜上刻蚀有矩形窗口，在氮化硅薄膜上利用光刻和热蒸发或电子束蒸发技术制备铬/金底层接触电极。

进一步地，利用光刻和等离子体刻蚀技术图形化石墨烯—六方氮化硼—石墨烯异质结构，利用光刻和热蒸发或电子束蒸发技术在顶层石墨烯微带上方制备两个顶层接触电极，利用聚焦电子束或聚焦离子束技术在悬浮的石墨烯—六方氮化硼—石墨烯异质结中心刻蚀一个亚10nm的石墨烯—六方氮化硼—石墨烯纳米孔。

进一步地，在单晶硅片的背面利用双面光刻、感应耦合等离子体或各向异性湿法刻蚀技术制作微腔，测序反应腔中填充有电解质溶液，反应腔用于支撑上层的氮化硅薄膜以及石墨烯—六方氮化硼—石墨烯异质结。

底层接触电极接正电位，位于石墨烯—六方氮化硼—石墨烯纳米孔左、右两侧的顶层接触电极分别接正电位和负电位。

进一步地，底层接触电极、顶层右侧接触电极、纵向微弱隧穿电流测量设备和可变电压源构成纵向隧穿电流测量回路；

分布在石墨烯—六方氮化硼—石墨烯纳米孔左右两边的一对顶层接触电极、横向微弱隧穿电流测量设备和可变电压源构成横向隧穿电流测量回路；

置于单晶硅片上方的铂电极接正电位，置于单晶硅片下方的铂电极接负电位，铂电极、微弱离子电流测量设备和可变电压源构成微弱离子电流测量回路。

进一步地，所述石墨烯—六方氮化硼—石墨烯纳米孔的直径为1—10nm。

进一步地，所述顶层石墨烯微带为单层或多层石墨烯，所述底层石墨烯微带为单层或多层石墨烯，所述六方氮化硼微带为单层或多层六方氮化硼。

进一步地，用于驱动单链DNA分子穿过石墨烯—六方氮化硼—石墨烯纳米孔的静电场由可变电压源提供，所述可变电压源的偏置电压应为0.05—

0.25V，在石墨烯—六方氮化硼—石墨烯纳米孔上方的铂电极接正电位，在石墨烯—六方氮化硼—石墨烯纳米孔下方的铂电极接负电位。

进一步地，在石墨烯—六方氮化硼—石墨烯纳米孔顶层石墨烯上的右侧接触电极接负电位，在底层石墨烯上的底层接触电极接正电位，在石墨烯—六方氮化硼—石墨烯纳米孔左右两边的一对顶层接触电极分别接正电位和负电位。

根据本发明的另一个方面，提供了一种DNA测序装置的制作方法，包括如下步骤：