納米孔傳感技術(shù)是一種新興的生物分子檢測技術(shù)。其工作原理如圖1所示，在納米孔兩側(cè)鹽溶液中施加電場，溶液中帶負(fù)電的生物分子在電場驅(qū)動下穿過納米孔，生物分子在納米孔內(nèi)的物理占位產(chǎn)生阻塞電流。通過檢測待測分子穿過納米孔時產(chǎn)生的阻塞電流來判斷分子的結(jié)構(gòu)特征。納米孔主要分為生物納米孔和固態(tài)納米孔兩類。與生物納米孔相比，固態(tài)納米孔具有尺寸可調(diào)節(jié)、化學(xué)穩(wěn)定性良好以及可擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，在蛋白質(zhì)、病毒等復(fù)雜結(jié)構(gòu)生物分子檢測中具有巨大的潛力。然而，傳統(tǒng)固態(tài)納米孔的檢測分辨率不足，限制其在生物分子檢測中的應(yīng)用。石墨烯、二硫化鉬、二硫化鎢等二維材料具有原子層厚度，能提高固態(tài)納米孔傳感器檢測分辨率。其中，石墨烯是目前所發(fā)現(xiàn)的最薄的二維材料，單原子層厚度的石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)性能，可制成懸空式納米孔傳感器，極大地提升固態(tài)納米孔檢測分辨率。

圖1 納米孔傳感器工作原理圖

據(jù)麥姆斯咨詢報道，廣東工業(yè)大學(xué)研究人員利用石墨烯為加工材料，基于MEMS工藝與二維材料濕法轉(zhuǎn)移工藝組合制造出超薄石墨烯納米孔傳感器，并在此基礎(chǔ)之上開展牛血清蛋白（BSA）分子過孔形態(tài)檢測研究。研究結(jié)果顯示，該石墨烯納米孔傳感器可以有效檢測出BSA分子不同的過孔形態(tài)。相關(guān)研究成果以論文形式于發(fā)表于《機(jī)械工程學(xué)報》期刊。

石墨烯納米孔制備

采用如圖2所示工藝制備獲得石墨烯納米孔。首先，通過低壓化學(xué)氣相沉積法在硅片兩側(cè)沉積200 nm的低應(yīng)力氮化硅（Si3N4）薄膜。隨后，通過光刻與反應(yīng)離子刻蝕（RIE）工藝在背面Si3N4薄膜上刻蝕出硅基體釋放窗口。接著使用氫氧化鉀（KOH）刻蝕基體硅，得到Si3N4納米薄膜。繼而，利用光刻與RIE工藝在薄膜的中央制造出直徑為3 μm的Si3N4微孔。再借助于石墨烯濕法轉(zhuǎn)移技術(shù)，將單層石墨烯轉(zhuǎn)移至Si3N4微孔上方。最后，利用氦離子束在單層石墨烯上制造出石墨烯納米孔。

圖2 石墨烯納米孔制造工藝流程圖

石墨烯納米孔檢測牛血清蛋白

通過膜片鉗放大器在納米孔兩側(cè)施加電壓以形成電流通路，檢測設(shè)備如圖3所示。在溶液中未添加BSA分子的情況下，采集到的電流信號為一條穩(wěn)定的基線，如圖4a所示。在液池Cis端添加樣品后，帶負(fù)電的BSA分子在電場驅(qū)動下穿過石墨烯納米孔，其在納米孔內(nèi)的物理占位會導(dǎo)致電信號產(chǎn)生阻塞電流，如圖4b所示。通過統(tǒng)計(jì)分析BSA分子過孔時阻塞電流的平均幅值及過孔時間分布，可以間接得到BSA分子的結(jié)構(gòu)、過孔形態(tài)等信息。

圖3 膜片鉗檢測系統(tǒng)

圖4 石墨烯納米孔膜片鉗檢測

根據(jù)BSA分子過孔事件統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，BSA分子穿過石墨烯納米孔時阻塞電流主要分布在150 pA，繼而計(jì)算出BSA分子直徑約為4.83 nm，與BSA分子實(shí)際直徑相符。此外，從BSA分子過孔事件分布可以看出BSA分子主要是以豎直形態(tài)穿過石墨烯納米孔。同時，該實(shí)驗(yàn)使用的超薄石墨烯納米孔傳感器檢測到的BSA分子阻塞電流可以計(jì)算出BSA分子橫截面積，從而推出BSA分子的旋轉(zhuǎn)角度，具有更高的檢測分辨率。

圖5 BSA分子檢測實(shí)驗(yàn)

圖6 BSA分子過孔特征信號圖及簡化結(jié)構(gòu)

總體而言，制備出的超薄石墨烯納米孔傳感器可以檢測出BSA分子不同的過孔形態(tài)。但由于石墨烯納米孔直徑較大，還存在多個BSA分子同時穿過石墨烯納米孔的現(xiàn)象。未來，還需要制造孔徑更小的石墨烯納米孔，以限制孔內(nèi)BSA分子數(shù)量，提高石墨烯納米孔傳感器的檢測分辨率。此外，還需要減小石墨烯懸空膜的面積或者在石墨烯表面沉積氧化鋁等絕緣層來降低石墨烯納米孔傳感器的噪音。

審核編輯 ：李倩