[发明专利]基于石墨烯纳米孔-微腔-固态纳米孔的DNA测序装置及制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物分子检测技术领域，具体涉及一种基于石墨烯纳米孔-微腔-固态纳米孔的DNA测序装置及制作方法。

背景技术

DNA测序技术是现代生命科学研究的核心技术之一。在所有以低成本、高通量、直接测序为目标的第三代测序技术中，基于纳米孔的单分子测序被认为是最有希望实现1000美元人类基因检测计划的技术。

固态纳米孔的孔径可以灵活的人为控制，且具有理想的生化孔径稳定性，优异的物、化性能。借助于显微镜电子束技术、聚焦离子束技术(FIB)等工艺，研究人员已经成功制作出了各种孔径可控的纳米、亚纳米固态孔。各种基于固态纳米孔的DNA测序的研究也取得了很好的进展。

然而，固态纳米孔的制作也面临一些问题。首先，采用FIB制作固态纳米孔成本高且只能逐个制作；其次，固态纳米孔通道长度通常为5nm以上,可以容纳十多个碱基,这一尺寸对于测序所需要的分辨单个碱基引起的电流变化过长；再次，当单个核苷酸占据纳米孔时只有大约100个离子穿过纳米孔，而4个碱基在结构上只有数个原子的差异，这种细微的结构化差异导致的电流变化太微弱，以至于研究人员很难区分出每个碱基。第四，所有基于纳米孔的测序方法目前尚无有效的控制DNA通过纳米孔的流速的方法，由于速度太快，造成了碱基检测识别率不高的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提出了一种基于石墨烯纳米孔-微腔-固态纳米孔的DNA测序装置及制作方法，能够改善传统纳米孔离子电流阻塞法信噪比低、易受外界环境干扰等问题，从而提高测序精度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于石墨烯纳米孔-微腔-固态纳米孔的DNA测序装置，包括SOI硅片1，置于SOI硅片1内的二氧化硅埋层2，在二氧化硅埋层2上部的SOI硅片1上刻蚀有倒金字塔形微腔21，在二氧化硅埋层2下部的SOI硅片1上刻蚀有直径大于倒金字塔形微腔21塔底直径的柱状孔，倒金字塔形微腔21的塔顶为固态纳米孔20，二氧化硅薄膜5包覆在SOI硅片1外部，在柱状孔底部的二氧化硅薄膜5外部包覆有金属铂薄膜6，在SOI硅片1上部有通过金电极12固定于二氧化硅薄膜5上的石墨烯8，在石墨烯8中央刻蚀有石墨烯纳米孔19，石墨烯纳米孔19和固态纳米孔20同轴，在金电极12两端的SOI硅片1外部上下采用聚二甲基硅氧烷10包围形成空腔，空腔中填充有电解液18，置于SOI硅片1上部的铂电极13接负电位，置于SOI硅片1下部的铂电极13接正电位，铂电极13和纵向微弱电流测量装置15以及电源14构成纵向微弱电流测量回路，金电极12和横向微弱电流测量装置16以及电源22构成横向微弱电流测量回路。

所述二氧化硅埋层2的厚度为400nm。

所述固态纳米孔20的直径为1.5～10nm。

所述石墨烯8为单原子层或多原子层。

所述石墨烯纳米孔19的直径为1.5～7nm。

所述二氧化硅薄膜5厚度为5～30nm。

所述纵向微弱电流测量装置15和横向微弱电流测量装置16均为皮安级电流表。

所述电解液18为KCl、NaCl或LiCl溶液，其浓度为0.8～1.5mol/L,pH值为8.0。

所述电源14的偏置电压为0.05～0.2V，硅片上方的铂电极13接电源14负极，硅片下方铂电极13接电源14正极。

上述所述的DNA测序装置的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在SOI硅片1的正面覆盖一层300nm厚的保护材料铬3，在SOI硅片1的背面覆盖一层700nm厚的保护材料铝4，所述SOI硅片1为P型SOI硅片；

步骤2：采用光刻技术将需要在SOI硅片1上刻蚀出的图形加工到正面保护材料铬3上和背面保护材料铝4上，图形的深度到达SOI硅片1的表面；

步骤3：以保护材料铝4作为掩模，在SOI硅片1的背面运用感应耦合等离子体刻蚀的方法刻蚀出垂直的正方形柱状孔，正方形刻蚀窗口的边长为0.8～1.5mm，感应耦合等离子体刻蚀过程直到遇到SOI硅片1的二氧化硅埋层2时自停止；