基于纳米孔测序的磁镊微控系统设计与制造

摘要

基于纳米孔的第四代DNA测序技术是目前最有可能实现常规化基因疾病诊断治疗手段。纳米孔芯片为DNA测序实验的核心器件，实现DNA分子占位信息到离子电流的转化传感器；而磁镊是控制简化DNA复杂过孔行为的有效手段。由此本文所做的主要工作有两方面： （1）基于动力学校对机理的固态纳米孔测序技术，本文设计了全新结构的纳米孔芯片，在氮化硅/氧化硅/氮化硅（Si3N4/SiO2/Si3N4）三明治结构层的基础上，增加了氧化硅/氮化硅（SiO2/Si3N4）双牺牲层，在减小悬空薄膜应力的同时还能通过增加电容来有效降低测序噪声，通过热应力计算确定各层薄膜的厚度，避免在生产过程中薄膜的破裂。利用微机电系统（micelectromechanical systems，NEMS），制定三明治结构薄膜芯片的工艺流程，包括低压化学气相沉积，多次光刻，反应离子束刻蚀，湿法腐蚀等技术，得到高质量的悬空三明治结构薄膜。进一步对此工艺制造的薄膜进行聚焦离子束（FIB）刻蚀，用蔡司的氦离子显微镜制造得到直径约5nm的纳米孔。 （2）以双面拉伸DNA为目的设计并搭建了一套双面磁镊微控系统，磁镊脱胎于双面探针台，包括磁路系统，磁针操纵器，显微成像系统，样品液池，屏蔽笼等。并对其进行了单双磁极控制磁珠的实验，证明这套磁镊系统能完成在10μm数量级的距离内通过人为调整微操纵器以控制单个磁珠，实现从厘米→毫米→微米→纳米的控制链；用ANSYS对磁场环境进行模拟分析，解释磁珠在溶液中的运动行为。并且在存在磁极的环境中进行DNA过孔实验，分析过孔电流时间特性，分析磁镊对DNA过孔实验的影响。

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