マイクロヒータ組込み型ゲーティングナノポアデバイスの創製

微型加热器内置门控纳米孔装置的研制

基本信息

批准号：
14F04355
负责人：
谷口正輝
金额：
$ 0.77万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2014
资助国家：
日本
起止时间：
2014-04-25 至 2016-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14F04355/
关键词：
マイクロ・ナノセンサナノポア単分子

项目摘要

本研究では、マイクロヒータ付きナノポアデバイスを用いて、ヒータの局所温度制御を利用することでナノポア近傍に温度勾配を形成させて、DNAなどの検体分子・粒子のポア捕捉頻度及びポア通過速度の制御を実証することを目的とした。そこで、まずヒータ付きナノポアデバイスの作製プロセスの構築を行った。窒化膜付きシリコンウエハの片面の窒化膜を反応性イオンエッチングにより部分的に除去した。そしてKOHによるウエットエッチングにより厚さ50ナノメートルのメンブレンを形成させた。次にフォトリソグラフィー法等微細加工技術を用いてマイクロ電極パターンを作製し、続いて電子線リソグラフィー法および高周波スパッタ法により白金マイクロヒータを作製した。最後に、電子線リソグラフィーによってナノポアを描画し、反応性イオンエッチングによる窒化シリコン層の掘削を行うことで、マイクロヒータ付きナノポアを作製することに成功した。作製したデバイスを用いて標準ポリマー微粒子の検出実験を実施した。ポア設計では、細孔の厚さが直径に比して小さく作られた低アスペクト比ポア構造を応用した。この構造では、ポアに印加する電圧によって生じる電場がポアの比較的遠方にまで広がるため、DNAなどの分子・粒子の捕捉効率を向上させることが期待できる一方、粒子通過に伴い生じるイオン電流変化についての理解が不十分であった。そこで、種々の低アスペクト比を持ったポア構造を作製し、これを用いてイオン電流シグナルとポア形状との関係を系統的に調べた。その結果、低アスペクト比ポアにおけるイオン電流変化では、ポア外部のアクセス抵抗の寄与が顕著に現れるため、粒子のポア進入経路に大きく依存した電流波形が観測される、ということを明らかにすることができた。この結果は、今後のマイクロヒータ付きナノポアデバイスによる高効率なDNA検出に大きく寄与する成果である。

在这项研究中，我们使用带有微型加热器的纳米孔装置，利用加热器的局部温度控制，在纳米孔附近形成温度梯度，并控制DNA等样品分子/颗粒的孔捕获频率和孔通过速度。目的是证明这一点。因此，我们首先构建了带有加热器的纳米孔器件的制造工艺。通过反应离子蚀刻，部分去除具有氮化膜的硅晶片一侧的氮化膜。然后通过用KOH湿法蚀刻形成厚度为50纳米的膜。接下来，使用诸如光刻之类的微加工技术来制造微电极图案，然后使用电子束光刻和高频溅射来制造铂微加热器。最后，通过使用电子束光刻绘制纳米孔并使用反应离子蚀刻挖掘氮化硅层，他们成功地用微型加热器创建了纳米孔。使用所制造的装置进行标准聚合物颗粒检测实验。在孔隙设计中，我们采用了低纵横比的孔隙结构，其中孔隙厚度小于直径。在这种结构中，施加到孔上的电压产生的电场会传播到距孔相对较远的距离，因此人们对提高分子和颗粒（例如DNA）的捕获效率的期望尚不完全清楚。因此，我们创建了各种低纵横比的孔隙结构，并用它们系统地研究离子电流信号与孔隙形状之间的关系。结果，我们发现孔外的进入电阻对低纵横比孔中离子电流的变化的贡献变得显着，因此高度依赖于颗粒进入孔的路径的电流波形为我观察到了。这一结果将极大地有助于未来使用配备微型加热器的纳米孔设备进行高效的DNA检测。