基于暗場成像的固態(tài)納米通道的光電同步傳感方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電化學(xué)分析技術(shù)及納米光譜技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及利用等離子共振散射結(jié)合離子電流檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)納米通道光電信號(hào)同步傳感的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]納米通道電化學(xué)檢測技術(shù)(Nanopore Technique)是一種單分子分析技術(shù)，它利用生物分子自組裝或通過半導(dǎo)體微加工手段，獲得孔徑從I納米至數(shù)百納米的納米孔，然后利用電場驅(qū)動(dòng)單個(gè)分子、納米顆粒、聚合物等待測物穿過納米尺寸的通道，從而引起納米通道產(chǎn)生微弱的信號(hào)變化，在單分子、單顆粒水平上研宄待測物組成、運(yùn)動(dòng)等性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)分子實(shí)時(shí)、高通量、無標(biāo)記、超靈敏的分析。納米通道電化學(xué)檢測技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括:單分子DNA測序、致病蛋白及多肽的檢測、生物分子相互作用過程的研宄以及單個(gè)納米顆粒的分析等等。
[0003]固體納米通道技術(shù)一般是利用微加工技術(shù)在固態(tài)薄膜上獲得納米孔，然后通過納米孔連通電化學(xué)池及其內(nèi)部的電解質(zhì)溶液，在兩個(gè)電化學(xué)池內(nèi)施加一定電位后產(chǎn)生從皮安到納安水平的離子電流；當(dāng)單個(gè)待測物通過納米通道時(shí)，由于單個(gè)待測物體積的排阻效應(yīng)及自身待定的情況，造成從皮安到納安水平的電流阻斷或信號(hào)增強(qiáng)。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)固體納米通道技術(shù)可多通道同步讀取，以及同步獲取待測物分子結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)等信息，人們研宄出了利用熒光標(biāo)記進(jìn)行納米通道光信號(hào)讀取的方法，例如，利用過納米孔過程單個(gè)待測物發(fā)出的微弱熒光信號(hào)的改變，對(duì)單個(gè)分子的行為、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析。目前，用于納米通道光電同步讀取的技術(shù)是需要引入染料基團(tuán)的，而這樣做不僅會(huì)對(duì)單個(gè)分子、單個(gè)顆粒水平的待測物的運(yùn)動(dòng)行為產(chǎn)生影響，而且標(biāo)記過程繁雜，染料分子光漂白、標(biāo)記的失敗都會(huì)影響單分子的分析結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種基于暗場成像的固態(tài)納米通道的光電同步傳感方法，通過金屬鍍膜的固態(tài)納米通道芯片，利用可見光在納米通道邊緣激發(fā)局域表面等離子激元產(chǎn)生有特征的散射信號(hào)并被顯微成像及光信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)收集和記錄，從而在不引入染料分子、無需標(biāo)記的情況下，實(shí)現(xiàn)納米通道中光電信號(hào)的同步傳感。本發(fā)明的傳感方法能對(duì)單分子、單顆粒水平實(shí)現(xiàn)對(duì)多種生物大分子(包括核糖核酸、脫氧核糖核酸、多肽、蛋白)、無機(jī)聚合物、金屬或非金屬納米顆粒的運(yùn)動(dòng)行為、光學(xué)信息、結(jié)構(gòu)性質(zhì)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)高速讀取。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了以下技術(shù)方案。
[0007]一種基于暗場成像的固態(tài)納米通道的光電同步傳感方法，其特征在于，包括以下步驟:
(O制備涂敷有金屬納米涂層的半導(dǎo)體基片薄膜
①利用微加工技術(shù)，在硅框架上制備厚度為100 nm以下的納米通道半導(dǎo)體基片薄膜； ②在所述半導(dǎo)體基片薄膜上均勻涂敷一層或多層金屬納米涂層，獲得涂敷有金屬納米涂層的半導(dǎo)體基片薄膜；
(2)制備金屬覆膜納米通道芯片
利用半導(dǎo)體納米加工技術(shù)，在步驟(I)獲得的涂敷有金屬納米涂層的半導(dǎo)體基片薄膜上加工直徑為納米水平的通道，所述通道的尺寸根據(jù)實(shí)際待測物選取，獲得金屬覆膜納米通道芯片；
(3)制備光電檢測微池
將步驟(2)獲得的金屬覆膜納米通道芯片固定密封在由兩個(gè)池體構(gòu)成的光電檢測微池之間，使半導(dǎo)體基片薄膜上的納米通道成為上下兩個(gè)池體之間唯一的連接通道；在一端的光電檢測微池中加注所需濃度的電解質(zhì)溶液；
(4)利用金屬覆膜納米通道暗場成像
將步驟(3)封裝好的光電檢測微池放入暗場顯微成像系統(tǒng)進(jìn)行暗場成像，利用光強(qiáng)和光譜采集記錄裝置持續(xù)記錄光散射強(qiáng)度和光譜數(shù)據(jù)，獲得持續(xù)穩(wěn)定的納米通道特征散射信號(hào)對(duì)時(shí)間的基線數(shù)據(jù)；
(5)利用金屬覆膜納米通道記錄離子電流強(qiáng)度
在步驟(3)封裝好的光電檢測微池上下兩池體間施加直流電壓，利用皮安級(jí)電流放大器和高速數(shù)據(jù)采集裝置，持續(xù)記錄離子電流強(qiáng)度數(shù)據(jù)，獲得持續(xù)穩(wěn)定的納米通道離子電流信號(hào)對(duì)時(shí)間的基線數(shù)據(jù)；
(6)加入待測物進(jìn)行光電同步檢測
在步驟(3)封裝好的光電檢測微池中加入待測物，再在所述光電檢測微池的上下兩池體間施加直流電壓，即用封裝的金屬覆膜納米通道芯片進(jìn)行暗場成像，記錄光散射強(qiáng)度和光譜數(shù)據(jù)，再同步記錄納米通道離子電流和特征散射信號(hào)隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)；
(7)多通道數(shù)據(jù)分析
將步驟(6)同步記錄得到的光散射強(qiáng)度和光譜數(shù)據(jù)與離子電流強(qiáng)度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)以及納米通道特征散射信號(hào)隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)。
[0008]進(jìn)一步，步驟(I)所述的半導(dǎo)體基片薄膜包括:低應(yīng)力氮化娃薄膜、二氧化娃薄膜、三氧化二鋁薄膜、硫化鉬薄膜或石墨烯薄膜。
[0009]進(jìn)一步，步驟(I)所述的金屬納米涂層包括金、銀、銅或鋁的、能產(chǎn)生表面等離子激元(SPP)的金屬納米涂層，所述金屬納米涂層的厚度根據(jù)待測物性質(zhì)選取。
[0010]進(jìn)一步，步驟(2)所述的納米水平的通道為直徑I微米以下的通孔。
[0011]進(jìn)一步，步驟(3)所述光電檢測微池為透明的上下兩個(gè)池體，所述池體的材質(zhì)為聚合物、石英、玻璃或者能滿足透光、密封要求且不與待測物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的其他材料。
[0012]進(jìn)一步，步驟(3)所述的電解質(zhì)溶液為硝酸鉀、氯化鉀、氯化鈉或磷酸鹽緩沖溶液。
[0013]進(jìn)一步，步驟(6)所述的待測物包括:核糖核酸(RNA)、脫氧核糖核酸(DNA)、多肽、蛋白、納米顆?；虿《尽?br>[0014]進(jìn)一步，步驟(5)和步驟(6)所述的直流電壓的電壓范圍為-1OOOmV至+1000mV，其產(chǎn)生的離子電流強(qiáng)度為皮安水平到納安水平。
[0015]進(jìn)一步，在步驟(6)的同步測試與記錄中，金屬鍍膜納米通道能產(chǎn)生表面等離子激元共振；通過調(diào)節(jié)所述金屬鍍膜納米通道的幾何形貌(如尺寸、形狀)、鍍膜厚度、鍍膜種類以及通道及周圍基片的形貌，能實(shí)現(xiàn)對(duì)所述金屬鍍膜納米通道特有的散射信號(hào)強(qiáng)度、光譜、偏振狀態(tài)的調(diào)控。
[0016]進(jìn)一步，在步驟(6)的同步測試與記錄中，金屬鍍膜納米通道能產(chǎn)生離子電流信號(hào)；通過調(diào)節(jié)所述金屬鍍膜納米通道的幾何形貌(如尺寸、形狀)、鍍膜厚度、鍍膜種類，能實(shí)現(xiàn)對(duì)所述金屬鍍膜納米通道特有的離子電流信號(hào)基線的調(diào)控。
[0017]本發(fā)明基于暗場成像的固態(tài)納米通道的光電同步傳感方法的積極效果是:
(I)利用金屬鍍膜納米通道邊沿金屬在可見光激發(fā)下產(chǎn)生的表面等離子激元共振，使納米通道自身產(chǎn)生可被探測、可被調(diào)節(jié)、有特征的散射光信號(hào)，達(dá)到無需染料基團(tuán)、無需標(biāo)記就能讀取單個(gè)納米通道光信號(hào)的目的。
[0018](2)通過光電同步傳感的方法，在不引入染料基團(tuán)、染料分子并且在無需標(biāo)記的情況下能實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)納米尺度待測物穿孔(納米通道)過程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測。
[0019](3)利用同步可對(duì)照的數(shù)據(jù)采集方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測物體積、帶電情況、光學(xué)性質(zhì)、化學(xué)結(jié)構(gòu)等動(dòng)態(tài)信息的采集，能從多個(gè)維度觀測單個(gè)待測物在運(yùn)動(dòng)過程中各類性質(zhì)變化的情況。
[0020](4)將光學(xué)探測與電流檢測方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模多通道信號(hào)的同步獲取，加速了納米通道技術(shù)的檢測速率，擴(kuò)大了其應(yīng)用領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明基于暗場成像的固態(tài)納米通道的光電同步傳感方法的流程框圖。
[0022]圖2為實(shí)施例1涂敷有金屬納米涂層的半導(dǎo)體基片薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖3為金屬覆膜納米通道芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖4為光電檢測微池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖5為暗場成像、光譜及光路強(qiáng)度監(jiān)測的原理框圖。
[0026]圖6為圖5中第二相機(jī)的替代形式。
[0027]圖中的標(biāo)號(hào)分別為:
1、金層；2、鈦層；3、氮化娃薄膜；
4、方窗；5、基片；6、通孔；
7、上蓋玻片；8、上池體；9、金屬覆膜納米通道芯片；
10、下池體；11、下蓋玻片；12、注放液管。
【具體實(shí)施方式】
[0028]以下結(jié)合附圖繼續(xù)介紹本發(fā)明基于暗場成像的固態(tài)納米通道的光電同步傳感方法的【具體實(shí)施方式】。需要說明的是，本發(fā)明的實(shí)施不限于以下的實(shí)施方式。<