阅读说明：本技术 一种固态纳米孔修饰处理方法 (solid-state nanopore modification treatment method ) 是由 古家强 伊戈尔·伊万诺夫 何筠 田晖 于 2019-10-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种固态纳米孔修饰处理方法,包括以下步骤：1)对固态纳米孔进行清洗和干燥；2)将清洗和干燥处理过的固态纳米孔置于等离子清洗机中,进行表面等离子处理,得到羟基化的固态纳米孔；3)将硅烷溶液涂覆在羟基化的固态纳米孔上,保护气氛下进行硅烷化,再进行清洗和干燥,得到硅烷化的固态纳米孔；4)对硅烷化的固态纳米孔进行烘烤处理、清洗和干燥。本发明在短时间内便可以对大量固态纳米孔进行快速有效的修饰处理,对实验设备条件要求简单,成本低廉。(The invention discloses a solid-state nanopore modification treatment method which comprises the following steps of 1) cleaning and drying solid-state nanopores, 2) placing the cleaned and dried solid-state nanopores in a plasma cleaning machine for surface plasma treatment to obtain hydroxylated solid-state nanopores, 3) coating a silane solution on the hydroxylated solid-state nanopores, silanizing in a protective atmosphere, cleaning and drying to obtain silanized solid-state nanopores, and 4) baking, cleaning and drying the silanized solid-state nanopores.)

一种固态纳米孔修饰处理方法

技术领域

本发明涉及一种固态纳米孔修饰处理方法。

背景技术

固态纳米孔即在纳米级厚度的薄膜上人工制备的纳米尺寸的通道，具有高稳定性、可调节的孔径和化学环境，且可以结合半导体集成制造方法进行大规模生产，在单分子检测方面具有巨大的应用前景。类似于细胞计数器的库尔特原理，当分子穿过和其尺寸相近的纳米孔时，会对纳米孔通道内的离子流产生显著影响，出现可测量分析的电化学信号，再对该电化学信号进行分析便可以得到被检测物的相关信息。

纳米孔测序(即通过固态纳米孔进行DNA单分子碱基序列的实时分析)与传统利用大型光学仪器进行测序相比，具有小型化、低成本、高灵敏度等优势，是目前研究的热点。纳米孔测序的原理是在电解质溶液中利用电场驱动单个DNA分子通过与其直径相近的固态纳米孔，由于不同碱基(A、T、C、G)具有不同的分子结构，对固态纳米孔内离子流的影响也不相同，通过测量DNA分子易位时相应碱基特征电流信号来识别相应的碱基，从而实现DNA的碱基序列读取。固态纳米孔不仅可以进行基因测序，而且在其他单分子检测领域也具有巨大的应用价值，例如：蛋白质检测，可以作为检测重大疾病的标志物，实现重大疾病的早期诊断。

当生物分子在电场驱动下通过固态纳米孔时，由于生物分子的通孔易位速度很快，现阶段的电流信号采集仪器难以达到如此高的时间分辨率(例如：DNA分子易位速度约为5～30纳秒每碱基，而仪器所需的采样时间为毫秒每碱基级别)，所以不经过任何功能化修饰的固态纳米孔仅能分辨DNA分子单链和双链以及长链和短链的区别。对固态纳米孔进行修饰，通过改变固态纳米孔内的化学环境(例如：引入带负电的基团)可以实现对检测分子通孔易位速度的控制，但现有的固态纳米孔修饰方法普遍存在工艺繁琐、处理时间长(数小时至几天)、效率低等问题，且修饰效果一般，进行了修饰处理的固态纳米孔仍然无法很好地满足实际应用需求。

因此，有必要开发一种便捷快速、效率高、修饰效果好的固态纳米孔修饰处理方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固态纳米孔修饰处理方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种固态纳米孔修饰处理方法，包括以下步骤：

1)对固态纳米孔进行清洗和干燥；

2)将清洗和干燥处理过的固态纳米孔置于等离子清洗机中，进行表面等离子处理，得到羟基化的固态纳米孔；

3)将硅烷溶液涂覆在羟基化的固态纳米孔上，保护气氛下进行硅烷化，再进行清洗和干燥，得到硅烷化的固态纳米孔；

4)对硅烷化的固态纳米孔进行烘烤处理、清洗和干燥。

优选的，步骤1)所述清洗为用去离子水和异丙醇依次对固态纳米孔进行清洗。

优选的，步骤2)所述表面等离子处理的时间为2～5min。

优选的，步骤3)所述硅烷溶液由硅烷和溶剂按照体积比1：(9～99)组成。

优选的，步骤3)所述硅烷溶液中的硅烷为3-氨丙基二甲基乙氧基硅烷、二甲基辛基氯硅烷、3-巯基丙基三乙氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、(3-氰丙基)二甲基氯硅烷、二甲基十八烷基氯硅烷中的至少一种。

优选的，步骤3)所述硅烷溶液中的溶剂为癸烷、乙醇、丙酮、己烷、辛烷、十六烷中的至少一种。

优选的，步骤3)所述硅烷溶液通过旋涂的方式涂覆在固态纳米孔上。

优选的，步骤3)所述硅烷化的时间为20～40min。

优选的，步骤3)所述保护气氛为氮气气氛。

优选的，步骤4)所述烘烤处理的温度为80～100℃，时间为20～40min。

优选的，步骤1)、3)和4)所述干燥为用氮气吹干。

优选的，步骤3)和4)所述清洗为用异丙醇对固态纳米孔进行清洗。

本发明的有益效果是：本发明在短时间内便可以对大量固态纳米孔进行快速有效的修饰处理，对实验设备条件要求简单，成本低廉。

附图说明

图1为实施例1～3修饰处理的固态纳米孔在相同氯化钾浓度(100mM)和pH(pH＝7)条件下的I-V曲线。

图2为实施例1氨基硅烷修饰处理的氧化硅固态纳米孔和未进行修饰处理的氧化硅固态纳米孔在浓度100mM的KCl溶液中的电导-pH关系曲线。

图3为实施例3氯硅烷修饰处理的氮化硅固态纳米孔、对比例氯硅烷修饰处理的氮化硅固态纳米孔和未进行修饰处理的氮化硅固态纳米孔在相同氯化钾浓度(100mM)和pH(pH＝7)条件下的I-V曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。

实施例1：

一种氧化硅固态纳米孔修饰处理方法，包括以下步骤：

1)依次用去离子水和异丙醇对氧化硅固态纳米孔(孔径30nm)进行清洗，再用纯度99.9％的干燥氮气吹干；

2)将清洗和干燥处理过的氧化硅固态纳米孔置于等离子清洗机(功率150W)中，再通入H₂/Ar混合气(流速10sccm)，进行3min表面等离子处理，得到羟基化的氧化硅固态纳米孔；

3)将硅烷溶液(由3-氨丙基二甲基乙氧基硅烷和无水癸烷按照体积比1:49组成)旋涂在羟基化的氧化硅固态纳米孔上，氮气气氛下室温进行30min硅烷化，再用异丙醇进行清洗，最后用纯度99.9％的干燥氮气吹干，得到硅烷化的氧化硅固态纳米孔；

4)将硅烷化的氧化硅固态纳米孔置于90℃下烘烤30min，再用异丙醇进行清洗，最后用纯度99.9％的干燥氮气吹干，得到氨基硅烷修饰处理的氧化硅固态纳米孔。

实施例2：

一种氧化铝固态纳米孔修饰处理方法，包括以下步骤：

1)依次用去离子水和异丙醇对氧化铝固态纳米孔(孔径30nm)进行清洗，再用纯度99.9％的干燥氮气吹干；

2)将清洗和干燥处理过的氧化铝固态纳米孔置于等离子清洗机(功率150W)中，再通入H₂/Ar混合气(流速15sccm)，进行2min等离子清洗，得到羟基化的氧化铝固态纳米孔；

3)将硅烷溶液(由(3-氰丙基)二甲基氯硅烷和无水辛烷按照体积比1:9组成)旋涂在羟基化的氧化铝固态纳米孔上，氮气气氛下室温进行30min硅烷化，再用异丙醇进行清洗，最后用纯度99.9％的干燥氮气吹干，得到硅烷化的氧化铝固态纳米孔；

4)将硅烷化的氧化铝固态纳米孔置于90℃下烘烤30min，再用异丙醇进行清洗，最后用纯度99.9％的干燥氮气吹干，得到氯硅烷修饰处理的氧化铝固态纳米孔。

实施例3：

一种氮化硅固态纳米孔修饰处理方法，包括以下步骤：

1)依次用去离子水和异丙醇对氮化硅固态纳米孔(孔径30nm)进行清洗，再用纯度99.9％的干燥氮气吹干；

2)将清洗和干燥处理过的氮化硅固态纳米孔置于等离子清洗机(功率150W)中，再通入H₂/Ar混合气(流速10sccm)，进行4min等离子处理，得到羟基化的氮化硅固态纳米孔；

3)将硅烷溶液(由二甲基辛基氯硅烷和无水癸烷按照体积比1:19组成)旋涂在羟基化的氮化硅固态纳米孔上，氮气气氛下室温进行30min硅烷化，再用异丙醇进行清洗，最后用纯度99.9％的干燥氮气吹干，得到硅烷化的氮化硅固态纳米孔；

4)将硅烷化的氮化硅固态纳米孔置于90℃下烘烤30min，再用异丙醇进行清洗，最后用纯度99.9％的干燥氮气吹干，得到氯硅烷修饰处理的氮化硅固态纳米孔。

对比例：

一种氮化硅固态纳米孔修饰处理方法，包括以下步骤：

1)依次用去离子水和异丙醇对氮化硅固态纳米孔(孔径30nm)进行清洗，再用纯度99.9％的干燥氮气吹干；

2)将清洗和干燥处理过的氮化硅固态纳米孔置于氧化性酸溶液(由质量分数30％的双氧水和质量分数98％的浓硫酸按照体积比1:2组成)中，70℃下进行30min羟基化，取出用去离子水和异丙醇进行清洗，再用纯度99.9％的干燥氮气吹干，得到羟基化的氮化硅固态纳米孔；

3)将羟基化的氮化硅固态纳米孔放入硅烷溶液(由二甲基辛基氯硅烷和无水癸烷按照体积比1:200组成)中，氮气气氛下室温进行48h硅烷化，再用异丙醇进行清洗，最后用纯度99.9％的干燥氮气吹干，得到氯硅烷修饰处理的氮化硅固态纳米孔。

性能测试：

1)实施例1～3修饰处理的固态纳米孔在相同氯化钾浓度(100mM)和pH(pH＝7)条件下的I-V曲线如图1所示。

由图1可知：通过本发明的方法修饰处理过的固态纳米孔的I-V曲线的斜率(电导)相比未进行修饰处理的固态纳米孔明显下降，且I-V曲线保持较好的线型性，即本发明的方法可以对固态纳米孔进行有效的表面修饰，可以有效调节固态纳米孔的孔径大小。

2)实施例1氨基硅烷修饰处理的氧化硅固态纳米孔和未进行修饰处理的氧化硅固态纳米孔在浓度100mM的KCl溶液中的电导-pH(pH＝2～12)关系曲线如图2所示。

由图2可知：氧化硅固态纳米孔经过3-氨丙基二甲基乙氧基硅烷修饰处理后电导明显降低，表明硅烷修饰处理对氧化硅固态纳米孔的孔径有明显的调控作用；经过3-氨丙基二甲基乙氧基硅烷修饰处理的氧化硅固态纳米孔的电导随着pH升高而降低，与未进行修饰处理的氧化硅固态纳米孔对pH的响应相反，这是由于氨基端基所带电荷与环境pH有关，使得3-氨丙基二甲基乙氧基硅烷修饰处理的氧化硅固态纳米孔内壁电荷随着氨基所带电荷状态变化而变化。

由此可见，本发明的方法可以有效地在固态纳米孔表面上修饰不同的官能团分子，调节固态纳米孔的有效孔径大小，并且可以通过选择修饰不同的官能团来调节固态纳米孔表面所带电荷，人为调控固态纳米孔的物理化学性质。

3)实施例3氯硅烷修饰处理的氮化硅固态纳米孔、对比例氯硅烷修饰处理的氮化硅固态纳米孔和未进行修饰处理的氮化硅固态纳米孔在相同氯化钾浓度(100mM)和pH(pH＝7)条件下的I-V曲线如图3所示。

由图3可知：本发明的方法和对比例的方法都可以对固态纳米孔进行修饰处理，进而可以实现固态纳米孔有效孔径调节(两种方法修饰处理后的固态纳米孔相对于未进行修饰处理的固态纳米孔电导都明显减小，且二者电导接近)，但本发明的方法可以大大缩短固态纳米孔的修饰处理时间，从通常所需的1～2天可以缩短至1～2h，大大提高了修饰处理效率，且本发明的方法可以利用多种硅烷对不同材质的固态纳米孔(金属氧化物、硅基材料等)进行快速有效的修饰处理，实现固态纳米孔物理化学性质的调节，实验所需设备简单，能够实现固态纳米孔批量处理，处理成本低，对纳米孔器件的加工和功能化具有重要意义。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。