摘 要

纳米孔通道指直径在0.1至100nm的纳米孔或纳米通道结构，其在科学领域科研实验中，具有巨大的潜在应用价值。目前纳米孔通常用氮化硅或者石墨烯材料加工，用硅基材料承载，通过光学光刻和反应离子蚀刻制备出来。但是现阶段纳米孔通道的密封处理和夹持装置设计以及设计装置对于实验的可操作性还有待优化，这些都对后续实验结果的精确性都有重要的影响。为使得本设计能更好的市场化推广，所以考虑了封装上的优化。在此基础上进行了纳米孔通道芯片的固定装置的结构设计的相关工作。

关键词：纳米孔通道；夹持装置；密封优化；降低信噪比

ABSTRACT

The Nanopore channel refers to a Nanopore or Nanopore channel structure with a diameter of 0.1 to 100 nm, which has a huge potential application value in scientific scientific research experiments. At present, Nanopore channels are usually processed with Silicon nitride or graphene materials, carried by silicon-based materials, and prepared by optical photolithography and reaction ion etching. But at present, the design of the sealing and clamping device for the nanhole channel and its operability are still to be optimized, all of which have an important influence on the accuracy of the subsequent experimental results. Therefore, the structural design of the fixed device of the nanoscale channel chip is carried out.

Key words：Nanoporous channel; Clamping device; Sealing device; Economy

目录

摘 要 2

第一章 绪论 5

1.1研究背景 5

1.2国内外发展现状 5

1.3纳米孔测序的原理 6

1.3.1方法 7

第二章 固态纳米孔通道的制备 9

2.1纳米孔的精确加工 9

2.2纳米孔通道液池的结构设计 9

2.3夹持装置的设计 10

2.4夹持装置的尺寸配合 10

第三章 固态纳米孔的密封优化处理 12

3.1硅氧烷弹性体垫圈和Si3N4膜 12

3.2垫圈的结构优化和膜结构的性能优化 12

第四章 降低电信号噪声 14

4.1固态纳米孔传感器的噪声分析 14

4.2屏蔽电信号装置 14

4.2.1整套实验装置的模型 15

4.3注意事项 16

第五章 结论与总结 17

致 谢 20

附录 21

绪论

1.1研究背景

由于如今一些相关DNA方面的探究在持续实施，其序列、构造还有有关的测序技能都在迅速的进步，现在也慢慢的变为生命科技探究里的重要方面，对这个技能探究的水准对有关化学、生物等一些相关的学科还有范畴都有着特别大的促进作用，使用纳米孔通道研制出了新的测序手法，能够高速、精准的获得测序成果，且其花销比较低。

但是，即便现阶段DNA测序技术得到了不断的发展，DNA测序技术中使用的纳米孔通道也还存在着些许问题。比如：纳米孔通道的设计较为复杂，不能够规模化的生产、市场化的推广；夹持装置设计的较为简单，不能最大化的确保纳米孔通道的紧凑性，以便减少实验中溶液通过纳米孔通道渗漏；纳米孔通道的密封性不够，目前使用垫圈加在纳米孔通道的连接处，但是垫圈未经过优化处理；再者在屏蔽电信号的噪声处理上，只考虑了环境外部环境噪声，未考虑溶液中也有微生物，微生物也会产生电信号噪声。

所以本设计的目的是：使得纳米孔固定装置更加简单、密封性更好、减少电信号的噪声、美观性、易操作性均得到提高。

1.2国内外发展现状

开销低、品质高、非标记是纳米孔此类检测科技身为新的一个科技平台所有的优点，其能够把基因组测序的开销控制在一千元美金以内，有部分中国和外国的团体踊跃的参加到这类探究中，特别是英国的一家相关企业的Bayley组别首先研制了商业能够使用的DNA测序设施，此类科技对于生命科学的进展有着帮助和促进的关键作用，革新个体化医疗。

在上个世纪80年代的中期美国里的学者首次指出了人类基因组计划这一理念，并在90年代的初期开始实施，它想要完成的是通过测算人们体内的染色体中含有的碱基对合成的核苷酸序列，来完成人们基因组的相关图谱，而且识出他们中含有的个别基因的序列资料，实现破解人们基因的遗传问题的目标，这类技术最先能够回忆到1954年，那个时候就有着一批科学家曾指出了测量多聚核糖核苷酸的化学降解法。该方法主要是利用磷脂单酯酶的脱磷酸作用以及高碘酸盐的氧化作用讲寡荷塘核苷酸从链的尾端一个一个的慢慢分开而且测定它们的类别，不过因为他控制的繁杂程度高，这种方式不能够普通的使用，Coulter计数器的问世和单通道的电流记录技能是纳米孔技术的源头，有关的科学家、学者早在上世纪70年代中期就使用到了膜片钳方式来测算膜电势，探究膜蛋白和离子轨道，推进了纳米孔测序技术的真实使用进度。

上世纪90年代中期，也有着一些科学家指出了使用型溶血素来对DNA测序的新想法，是此类测序技术的进入新篇章的标志，之后由着Mspa蛋白和有关噬菌体的相连机器等有关的科学探究报导，更加充实了纳米孔科技的探究，并在21世纪初期开始了此类科技的新篇章。

美国的一家知名的基因研究中心在21世纪初期启用了“千元基因组测序研究项目”，它的方向是想让人们有关测序的开展得到控制，由于生物科技和一些有关的科技水平的高速进展，一类以反分子作为基础的测序方式随之而出现，把纳米孔作为基础的这类测序方式，是下代也就是第三代的测序方式里花费最少，而且最有实力的技术，这类技术是使用电泳的机制，依靠电泳来带动个体分子一个一个的经过纳米孔来完成测序的，假如对如今存有的这类方式实施更深入的探究和改善，它很有可能会达成第三代基因测序技术的要求，进而能够让人类完成一天里值需要支付千元美金之下就能够实现基因组测序的目的。

1.3纳米孔测序的原理

图1-1 纳米孔测试原理图

纳米孔的运作机制：在通过电的电解质的容器里，有着纳米程度的小孔的绝缘体把整个容器分为两个部分，如图1-1所示，在电流的反应之下作电解反应，一些离子和一些其他的细小架构的分子也能够通过这个小孔，构成了平稳的能够测出的离子电流，掌控这个孔的大小与孔表的特征、释放的电流和电解液的因素，能够测出不一样的分子类型。

因为构成DNA的几类分子的各个方面都不一样，单链的DNA在和核酸外切酶的反应之下会被快速的一个一个分割为脱氧核糖核苷酸分子，在独个的碱基在整个的电路的带领下经过了这个小孔的时候，不一样的碱基的特性差别致使穿过这个小孔的时候引发的电压的变更程度不一样，进而获得所要测定的DNA的序列资料。

1.3.1方法

图1-2（a）纳米孔DNA检测的示意图，（b）由 -DNA分子在200mV偏压下转移通过20nm直径纳米孔的离子电流阻塞，（c）固态纳米孔的制备过程，

（d）20nm直径纳米孔的SEM图像，（e）具有纳米孔的PDMS涂覆芯片的光学图像（顶视图），（f）通过硅氧烷弹性体垫圈密封的PMMA流动池。

图1-2（a）显示了纳米孔DNA检测的实验示意图，并且通过20nm直径纳米孔的离子电流记录显示在图1-2（b）中，以及通过 -DNA分子从顺式腔室转移到反式腔室的离子电流阻断在200 mV偏压下。如图1-2（c）所示，固态纳米孔制造工艺首先在lt;100gt;硅基板两侧沉积100nm厚的低应力Si3N4膜，尺寸为2.5mm×通过低压化学气相沉积（LPCVD）2.5mm×0.4mm。然后，一个720通过光学光刻和反应离子蚀刻（RIE）在一侧Si3N4膜的中心图案化m×720μm方形蚀刻窗口。使用四甲基氢氧化铵（TMAH）湿蚀刻来蚀刻暴露的硅衬底以产生160μm×160μm的独立式Si3N4膜。应注意可通过最小化膜厚度来增强纳米孔灵敏度。在膜中心更集中的区域进行铣削，尺寸为1m×1m，在双光束显微镜（ Helios 600i NanoLab，FEI公司，Helio 600i NanoLab，Heli 600i NanoLab，FEI公司，Helino 600i NanoLab）中通过聚焦离子束（FIB）进一步降低膜厚度直至约10 nm。希尔斯伯勒，美国）。最后，通过FIB在Si3N4 膜的研磨区域上钻出20nm 的纳米孔，如图1-2（ d ）所示。用piranha溶液清洗纳米孔芯片，然后用去离子重复水冲洗。为了降低介电信号噪声[26]，在自支撑膜周围涂上薄的聚二甲基硅氧烷（PDMS）层并使其固化。光学图像如图1-2（e）所示。在实验之前，芯片在氧等离子体中在两侧处理30秒，以使纳米孔区域成为亲水表面。然后将芯片组装成聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）流动池并通过硅氧烷弹性体垫圈密封（图1-2（f））。将两个Ag / AgCl 电极浸入两个电解质隔室中，以建立跨膜电位，用于检测通过纳米孔的跨膜离子电流，它们连接到电阻反馈放大器（EPC10，HEKA Elektronik），频率为100 kHz， 并进行低通滤波。 10 kHz。将1mol / L KCl脱气，过滤，并在室温下使用pH8.0的10mmol / L Tris-HCl和1mmol / L EDTA将pH调节至8.0，用作电解质。该-DNA（48.5 kbp）用于本工作，购自Takara BIO Inc.，电解液中的浓度为3μg/ mL。正温度系数（PTC）加热器用于加热电解质。通过将装置浸入冰水混合物中来实 现溶液冷却。芯片附近的电解液温度由超细长的K型热 电偶温度计测量。在电解质温度稳定以及离子电流之后 开始DNA分子检测实验。一切测量在黑暗的法拉第笼内进行，以屏蔽任何进一步的电磁干扰。

第二章 固态纳米孔通道的制备

2.1纳米孔的精确加工

众所周知，经过聚焦离子束或者化学刻蚀法是特性长度高过20纳米的纳米孔阵列能够获取的条件，不过在孔的尺寸小到纳米级别的时候制作是有着特别大的困难的，当前时间基本普遍使用的方式首先运用上述的两类方法制作出差不多是20纳米的小孔，之后再使用电子束或离子束来进行辐照，让这些小孔的尺寸慢慢减小，达到我们的需求，这类方式在精准的操控，大批量的集成和用料的选择这些地方也有着他的一些局限性。