本發(fā)明涉及微納加工，具體涉及一種柔性納米孔道及其制備方法、機(jī)械調(diào)控裝置。

背景技術(shù)：

1、納米孔檢測(cè)技術(shù)自20世紀(jì)末興起以來，逐漸從生物納米孔向固態(tài)納米孔（如氮化硅、氧化硅）發(fā)展，因其高穩(wěn)定性、可重復(fù)加工性及耐極端環(huán)境能力，成為基因測(cè)序、單分子分析等領(lǐng)域的核心工具。以氮化硅為代表的固態(tài)納米孔技術(shù)通過精密加工（如聚焦離子束刻蝕）實(shí)現(xiàn)了孔徑的納米級(jí)控制，并在復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如結(jié)合石墨烯薄膜、氮化硅薄膜）中顯著提升了檢測(cè)靈敏度。然而，固態(tài)納米孔的局限性有：

2、（1）材料機(jī)械強(qiáng)度不夠，多數(shù)剛性材料固體孔，如氧化硅、氮化硅薄膜的脆性使其在使用過程中易破損，一定程度上提升了使用成本。

3、（2）剛性材料難以適應(yīng)多功能用途需求，如氮化硅薄膜的物理剛性導(dǎo)致其孔徑無法隨外部條件（如壓力、電場(chǎng)）動(dòng)態(tài)調(diào)整，且剛性材料固體孔受壓易破損。并且在機(jī)械調(diào)控應(yīng)用中存在一定限制，例如，在加壓驅(qū)動(dòng)生物分子過孔時(shí)，固定孔徑無法通過形變調(diào)節(jié)流體阻力，導(dǎo)致分子過孔速度與信號(hào)分辨率難以兼顧，而降低驅(qū)動(dòng)電壓雖可延長(zhǎng)過孔時(shí)間，卻犧牲了信噪比。

4、機(jī)械力施加方式也存在一定局限性，現(xiàn)有機(jī)械調(diào)控手段（如壓電驅(qū)動(dòng)器、機(jī)械拉伸裝置）存在系統(tǒng)復(fù)雜、成本高或體積大等問題。例如，壓電驅(qū)動(dòng)需精密電路控制，而機(jī)械拉伸裝置難以實(shí)現(xiàn)微米級(jí)精準(zhǔn)調(diào)控，且與液池集成困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種柔性納米孔道及其制備方法、機(jī)械調(diào)控裝置，通過采用pdms納米孔道，具有較好的彈性，能夠承受反復(fù)形變，通過對(duì)納米孔道的孔徑變徑調(diào)節(jié)，能夠顯著提升信號(hào)分辨率和檢測(cè)精度。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、結(jié)合第一方面，一種柔性納米孔道，所述納米孔道為通孔，開設(shè)于有機(jī)膜上；所述有機(jī)膜設(shè)置于硅基底上，所述硅基底上開設(shè)有窗口，所述納米孔道的開設(shè)于該窗口區(qū)域內(nèi)。

4、結(jié)合第一方面，進(jìn)一步地，所述窗口為正方形，邊長(zhǎng)為30μm~200μm；所述納米孔道的直徑為10nm~100nm；所述有機(jī)膜的厚度為50nm~1000nm。

5、所述納米孔道的幾何尺寸需根據(jù)具體應(yīng)用確定，如根據(jù)所需通過的待測(cè)分子的大小來確定納米孔道的孔徑大小；硅基底的正方形窗口的大小需根據(jù)有機(jī)膜的彈性性能來確定，具體確定方法為現(xiàn)有技術(shù)。

6、結(jié)合第一方面，進(jìn)一步地，所述有機(jī)膜為pdms膜或聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯膜（pet）或聚甲基丙烯酸甲酯膜（pmma）等其它有彈性有機(jī)膜。優(yōu)選有機(jī)膜為pdms膜，即聚二甲基硅氧烷膜。

7、本發(fā)明的納米孔道的孔徑可通過外部機(jī)械力調(diào)控，施加機(jī)械力時(shí)pdms柔性薄膜發(fā)生彈性形變，導(dǎo)致納米孔道孔徑變化，調(diào)控范圍為初始孔徑的±10%~±70%。

8、第二方面，進(jìn)一步地，一種柔性納米孔道的制備方法，用于制備上述的納米孔道，包括以下步驟：

9、將硅圓晶進(jìn)行雙面拋光，得到硅基底，用四甲基氫氧化氨對(duì)硅基底進(jìn)行定向腐蝕，在硅基底上腐蝕出一個(gè)窗口；

10、用旋涂法將pdms溶液旋涂于銅片上，固化后形成pdms膜；

11、將固化后的pdms膜通過濕法轉(zhuǎn)移至硅基底表面，使pdms膜覆蓋于窗口區(qū)域形成自支撐結(jié)構(gòu)；

12、利用聚焦離子束刻蝕技術(shù)，在對(duì)應(yīng)窗口區(qū)域的pdms膜刻蝕出納米孔道。

13、結(jié)合第二方面，進(jìn)一步地，采用四甲基氫氧化銨（tmah）溶液進(jìn)行定向腐蝕，腐蝕溫度為80℃~95℃，腐蝕時(shí)間為2~8小時(shí)。

14、結(jié)合第二方面，進(jìn)一步地，所述用旋涂法將pdms溶液旋涂于銅片上，固化后形成pdms膜，包括：

15、pdms溶液與固化劑的質(zhì)量比為10:1~8:1，旋涂具體過程為：將臺(tái)式勻膠機(jī)置于通風(fēng)廚中，打開電源，分別將準(zhǔn)備好的干凈的銅片粘在ito玻璃片上放在勻膠機(jī)的真空吸座上，銅片的正面朝上，啟動(dòng)真空泵，將玻璃片牢牢地吸住，并用滴管吸幾滴配好的pmma溶液滴到銅片上，啟動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)樣品先以100~500?rpm的速度旋涂10-15秒，然后以3000~4000rpm的速度旋涂40-60秒，即可初步得到均勻的薄膜樣品，再進(jìn)行固化，固化溫度為80℃~100℃，固化時(shí)間為2~5小時(shí)，固化后得到帶有pdms膜的銅片。

16、結(jié)合第二方面，進(jìn)一步地，所述將固化后的pdms膜通過濕法轉(zhuǎn)移至硅基底表面，使pdms膜覆蓋于窗口區(qū)域，包括：

17、得到帶有pdms膜的銅片浸入氯化鐵溶液中，帶有pdms膜的正面朝上，背面接觸氯化鐵溶液，刻蝕銅片，放置2～4h，直至銅片完全溶解；銅片完全溶解后，pdms膜浮在三氯化鐵溶液表面；隨后用去離子水清洗pdms膜，并將洗凈的pdms膜轉(zhuǎn)移至硅基底表面，自然風(fēng)干后再進(jìn)行烘烤，使pdms膜和硅基底充分貼合。

18、結(jié)合第二方面，進(jìn)一步地，所述利用聚焦離子束刻蝕技術(shù)，在對(duì)應(yīng)窗口區(qū)域的pdms膜刻蝕出納米孔道，包括：使用聚焦離子束在pdms膜2上濺射出納米孔道3，刻蝕參數(shù)為離子束電流1.1pa～40pa，刻蝕時(shí)間500ms～20s。

19、結(jié)合第三方面，一種柔性納米孔道的機(jī)械調(diào)控裝置，用于對(duì)本發(fā)明的納米孔道進(jìn)行機(jī)械調(diào)控和檢測(cè)，包括膜片鉗放大器、微流泵、計(jì)算機(jī)、成對(duì)設(shè)置的電極、第一液池、第二液池以及芯片；所述芯片包括上述的納米孔道；所述芯片設(shè)置于第一液池和第二液池之間；所述第二液池為密閉液池，且集成有一個(gè)所述電機(jī)和注液軟管，；另一個(gè)電機(jī)設(shè)置于第一液池中，成對(duì)設(shè)置的電機(jī)的一端分別插入第一液池、第二液池中，另一端皆與膜片鉗放大器連接；所述膜片鉗放大器與計(jì)算機(jī)通信連接，用于采集2個(gè)電極之間的離子電流，并將采集的離子電流數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)用于接收來自膜片鉗放大器的離子電流數(shù)據(jù)，從而記錄納米孔道的孔徑變化過程。

20、對(duì)本發(fā)明的柔性納米孔道施加軸向機(jī)械力，使pdms柔性薄膜發(fā)生彈性形變，從而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)納米孔道的孔徑。軸向機(jī)械力為通過微流泵向密閉的第二液池中注液產(chǎn)生軸向壓力來實(shí)現(xiàn)的。

21、通過微流泵向密閉的第二液池中注液，同時(shí)使用膜片鉗放大器施加偏置電壓，pdms膜上的納米孔道在壓力作用下，納米孔道的孔徑結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而離子的輸運(yùn)也產(chǎn)生變化，通過膜片鉗放大器的離子電流大小變化來反映。

22、結(jié)合第三方面，進(jìn)一步地，本發(fā)明的裝置還包括導(dǎo)管，微流泵的注射器通過導(dǎo)管與第二液池上的氣孔密封塞連接。優(yōu)選地，所述導(dǎo)管為聚四氟乙烯（ptfe）導(dǎo)管。優(yōu)選地，所述第一液池和第二液池皆為有機(jī)玻璃液池。

23、結(jié)合第三方面，進(jìn)一步地，所述第二液池還包括電極密封塞和氣孔密封塞，電極密封塞用于密封其內(nèi)電極，氣孔密封塞用于密封與導(dǎo)管匹配的氣孔。

24、結(jié)合第三方面，進(jìn)一步地，成對(duì)設(shè)置的電極一個(gè)為陰極電極，另一個(gè)為陽(yáng)極電極，可選銀/氯化銀電極。

25、結(jié)合第三方面，再進(jìn)一步地，第一液池和第二液池內(nèi)放置有氯化鉀（kcl）溶液或氯化鈉（nacl）溶液或其他鹽溶液。當(dāng)選用氯化鉀鹽溶液時(shí)，氯化鉀鹽溶液為0.001mol/l～1mol/l濃度的kcl溶液。

26、結(jié)合第三方面，進(jìn)一步地，本發(fā)明的裝置還包括橡膠墊圈，所述第一液池和第二液池的沉孔內(nèi)各設(shè)置有橡膠墊圈，所述第一液池和第二液池的沉孔內(nèi)的橡膠墊圈將芯片加持在中間。

27、結(jié)合第三方面，進(jìn)一步地，所述芯片上的窗口為近第一液池、遠(yuǎn)離第二液池的設(shè)置。

28、在機(jī)械調(diào)控過程中，微流泵通過細(xì)軟的導(dǎo)管將注射器與密閉的第二液池集成的注液氣孔相連，注射器內(nèi)放有相同濃度的kcl溶液，通過微流泵程序設(shè)置控制單次注液量為5μl~50μl?（可根據(jù)密閉的第二液池內(nèi)部體積換算成具體壓力），在壓力作用下，硅基底上的pdms膜會(huì)產(chǎn)生一定程度的彈性變形，從而帶動(dòng)柔性納米孔道有效孔徑的變化，膜片鉗放大器記錄的是pdms膜納米孔道變形過程中的離子電流信號(hào)。

29、本發(fā)明采用了pdms柔性薄膜，相較于剛性固體孔有效提高了納米孔道的韌性，并通過微流泵加壓的方法給柔性pdms納米孔施加機(jī)械力使孔道發(fā)生彈性變形，實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性納米孔道結(jié)構(gòu)形態(tài)的機(jī)械調(diào)控，從而對(duì)孔道內(nèi)離子輸運(yùn)產(chǎn)生影響，調(diào)控范圍為初始孔徑的±10%～±70%。

30、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種柔性納米孔道及其制備方法、機(jī)械調(diào)控裝置，具備以下有益效果：

31、（1）本發(fā)明使用了pdms薄膜，具備更強(qiáng)的韌性，具備較好的彈性，可承受反復(fù)形變，避免因壓力導(dǎo)致的永久性破損；硅基底剛性支撐與柔性pdms薄膜結(jié)合，既避免塌陷，又能夠保留彈性調(diào)控能力，實(shí)現(xiàn)高壓環(huán)境下的穩(wěn)定工作。

32、（2）本發(fā)明能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)孔徑調(diào)節(jié)，通過外部壓力或機(jī)械力能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)本發(fā)明的柔性納米孔的孔徑實(shí)時(shí)、可逆調(diào)控，適配不同環(huán)境下的使用需求，且結(jié)合膜片鉗放大器對(duì)離子電流的觀測(cè)來判斷有效孔徑的變化情況。

33、（3）本發(fā)明采用了高精度加工與集成，采用聚焦離子束（fib）刻蝕工藝，在pdms薄膜窗口區(qū)域加工納米孔道，并通過濕法轉(zhuǎn)移技術(shù)將pdms薄膜與硅基底無縫結(jié)合，避免界面分層；橡膠墊圈的設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化液池密封性，減少壓力泄漏。

34、（4）本發(fā)明具有加工靈活的特點(diǎn)與成本優(yōu)勢(shì)，通過旋涂、刻蝕、濕法轉(zhuǎn)移等工藝實(shí)現(xiàn)薄膜高效制備，無需復(fù)雜設(shè)備。

35、（5）本發(fā)明集成了動(dòng)態(tài)調(diào)控系統(tǒng)，通過微流泵設(shè)備向密閉液池中注液從而向pdms薄膜納米孔道施加壓力，通過控制抽注液的量來有效控制施加力的大小，實(shí)現(xiàn)孔徑實(shí)時(shí)、可逆調(diào)節(jié)（±10%～±70%），結(jié)合加壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可精準(zhǔn)控制孔徑變化大小，解決了現(xiàn)有機(jī)械力施加方式的局限性、現(xiàn)有機(jī)械調(diào)控手段存在系統(tǒng)復(fù)雜、成本高以及體積大等問題。

36、（6）本發(fā)明采用壓力與彈性的協(xié)同調(diào)控，通過微流泵向密閉有機(jī)玻璃液池注液產(chǎn)生可控壓力，利用pdms薄膜的彈性特性，使納米孔道在液壓力作用下發(fā)生均勻形變（孔徑調(diào)節(jié)范圍±10%～±70%）。