奈米孔洞制作及三维结构分析并应用於生物感测-国立彰化师范大学理.PDF

自然科學與教育 Natural Science and Education 2015,第一期第一卷,157-170 2015,1(1),157-170 奈米孔洞製作及三維結構分析並應用於生物感測 1 2 2* 陳建翰 , 張旭言 , 吳憲昌 1 國立彰化師範大學 光電科技研究所 2 國立彰化師範大學 物理系 E-mail: wucs@cc.ncue.edu.tw 本文將介紹生物感測晶片的發展，從生物性薄膜的量測到固態奈米孔洞 （Solid-state nanopore ）的生物感測晶片，並分析其中的優劣。接著再提到如何利用穿透式電子顯微鏡製 作奈米孔洞 。利用高能量電子束直接於氮化矽薄膜上進行奈米孔洞的製作，不只能精準控制 孔洞直徑至奈米尺度還能透過調控電子束條件製作不同的側壁結構。同時利用電子束穿透樣 品之特性，針對奈米孔洞作電子束斷層掃描，拍攝一連串不同翻轉角度之TEM 相片，藉由軟 體計算還原建立其三維模型，進而達到孔洞側壁的分析。其中奈米孔洞的製作，也針對不同 電子束狀態轟擊氮化矽薄膜表面所造成的孔洞側壁作詳細的分析，研究立體結構對流體力學 的影響。最後本研究期望利用TEM 的加工技術，製作出雙股螺旋脫氧核醣核酸定序的晶片， 期望藉由這樣的方式，製作出對於DNA 分子具有高偵測靈敏度的奈米孔洞生物晶片。 關鍵詞 ：生物感測晶片 、奈米孔洞、穿透式電子顯微鏡 、DNA 期刊分類 ：物理 壹、緒論 奈米孔洞生物量測晶片是近年來跨領域結合相當熱門的一個研究方向。在 1996 年 Kasianowicz[1]提出利用生物性脂質雙分子層作為薄膜架構，並在薄膜上植入生物性蛋白通道， 在薄膜兩端給予一電場並通入雙股螺旋脫氧核醣核酸（Deoxyribo Nucleic Acid ; DNA ），量測其 離子電流大小以及變化，利用孔洞被分子佔據時，孔洞能讓離子電流通過的有效面積的改變 導致離子電流變化 ，來證明可以偵測到物質穿過孔洞。而後開啟了利用奈米孔洞的結構做生 物性量測的研究，其中以基因定序為主軸，發展出了相當多元的系統以及量測方法。基本上 利用奈米孔洞結構量測可分為兩大類：一是生物性薄膜植入通道蛋白量測、二是利用半導體 製程製作固態奈米孔洞量測。其中生物性量測最常使用脂質雙分子層作為薄膜的基本架構 ， 其性質相當穩定。並且在過往的研究已經相當確定該分子結構，有利於在模擬分析上的運用。 接著再於薄膜上植入不同的生物蛋白通道，作為生物感測用量測通道。 但生物性量測缺點在於通道蛋白以及生物性薄膜皆有活性問題存在，環境中很多變因會 導致失去活性，例如：溫度、溶液酸鹼度、等等…。所以固態奈米孔洞為解決活性問題而做 為替代的量測方案 ，固態奈米孔洞通常是在以氮化矽或是二氧化矽為材料的薄膜上製作出奈 米孔洞。其特性為耐酸鹼範圍較廣，可以重複回收利用量測。並且可以控制奈米孔洞在薄膜 上的位置以及大小。 158 陳建翰 張旭言 吳憲昌 而在本研究中主要是利用穿透式電子顯微鏡（Transmission electron microscopy ; TEM ）製 作奈米孔洞，主要是利用高能量電子束進行直接鑽孔製作奈米孔洞。不同電子束轟擊薄膜表 面所呈現的奈米孔洞的側壁結構也有所不同，然而在以往的文獻上並沒有進行系統性的研究。 因此本研究中會利用三維電子斷層掃描術分析其側壁結構的不同處。利用電子斷層掃描技術， 本研究展示不同樣品的形貌分析。利用TEM 所拍照片進行模型重建，可以分析其模型的三維 形貌，以彌補二維影像的不足。藉由上述技術分析了解孔洞特性之後，接著使用TEM 在氮化 矽薄膜上製作不同洞徑大小的奈米孔洞以及改變側壁形貌的奈米孔洞。將製作出來的奈米孔 洞樣品用於DNA 定序量測，並針對不同側壁形貌是否會影響奈米孔洞在電解質溶液中的電阻 值 ，以及量測DNA 訊號是否有所差異。