顾兴中 刘 磊 王 霏 倪中华

(东南大学机械工程学院,南京 211189)(江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点试验室,南京 211189)(东南大学苏州研究院,苏州 215123)

基于纳米孔的纳流体器件被认为是第3代DNA测序的基础,其工作基础是Coulter计数器原理[1]．DNA分子在电压驱动下通过纳米孔时会引起电流的微弱变化,通过检测电流的变化,可以实现对DNA分子结构信息的判断[2]．纳流体检测器件的核心单元是纳米通道．固态纳米通道具有尺寸可调、化学物理性质稳定、表面化学特征易于调节等优点．但相对于生物纳米通道而言,其背景噪声较强,且DNA分子通过纳米通道时,引起的电流差异为fA数量级,过大的离子电流噪声限制了DNA分子的检测及辨识．因此,研究纳流体通道内噪声信号产生的机理,成为准确辨识DNA分子的首要基础．

试验中的高频噪声可以通过滤波器有效滤除．对于低频1/f噪声,在频域上其功率谱与频率f的关系表现为1/fα的特征．不同结构纳米通道的1/f噪声的特征各不相同．至今,还未出现统一的模型对这种噪声进行全面解释．

Hooge等[3]总结了各种金属和半导体电阻中 1/f噪声的测量结果,提出了Hooge公式,认为1/f噪声的产生是一种体效应的结果,主要是由载流子数目波动引起的．Smeets等[4]用Hooge公式解释了纳米通道中低频1/f噪声与载体数目有关的试验现象．Tasserit等[5]在研究通过聚酰亚胺薄膜的离子电流1/f噪声时,发现其与盐溶液的浓度和pH值无关．Powell等[6]研究了锥形纳米通道离子电流的非平衡1/f噪声,发现锥形纳米通道中低频噪声与电压极性有关,但未能解释这种非平衡1/f噪声产生的机理．

本文分析了λ-DNA分子通过固态纳米通道时的低频1/f噪声,探索其产生的机理与规律．在此基础上,研究了不同试验条件对1/f噪声的影响,并对比分析了氮化硅、石墨烯以及玻璃等不同材质纳米通道内1/f噪声的大小．

1 试验

1.1 试验仪器

DNA过孔信号采集使用德国HEKA膜片钳系统．该系统包括HEKA公司的膜片钳放大器、数据采集软件Pathmaster、数据分析软件Fitmaster、电极夹持器、 Siskyou公司的显微操作器系统、静电屏蔽网、防震台、Sutter公司的x-y移动载物台、Olympus公司的倒置显微镜以及方正科技的台式计算机等．

1.2 信号采集

DNA的一个重要性质是其在溶液中带电荷．在弱酸性、中性和碱性溶液中,DNA上的每一个核苷酸均带一个负电荷,在电解液中两极间施加直流电压后,DNA可在电场作用下向正极迁移．对于给定的纳米通道,DNA分子过孔时的大小、形状将决定检测电流振幅的大小．电解质溶液中不同姿态的DNA分子在穿越纳米通道时,除引起电流改变外,其滞留在通道内的时间以及电流波动持续的时间也不同．因此,通过分析阻塞电流的振幅涨落、时间迟滞等变化,能够推测DNA分子过孔时的姿态,在一定条件下,便可实现对DNA分子结构的识别[7]．本文选用λ-DNA作为试验用的生物大分子．

1.2.1 纳米通道加工、封装与检测装置

不同的固态纳米通道的加工方法各异．用FIB/SEM聚焦离子/电子双束显微电镜可以加工氮化硅、石墨烯等纳米通道．目前,采用直接轰击得到的氮化硅纳米通道的孔径均小于50 nm;如果进行缩孔操作,则孔径可以进一步缩小．利用密封在玻璃管内的石蜡受热相变,诱导半熔融玻璃成形,可以形成玻璃基纳米管．

利用有机玻璃材料设计加工样品池．采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)将加工好的纳米通道薄膜和样品池密封连接,烘干待用．PDMS 在加热凝固过程中具有良好的扩散性,故整个制备过程中需要注意PDMS的用量,且要防止操作用力过大或受力不均,避免薄膜破碎．

在样品池的两腔内注入提前配好的相同浓度的KCl电解液溶液,且KCl溶液中含有一定浓度的λ-DNA．用薄膜将样品池的两腔隔开,这样纳米通道就成为样品池两腔间唯一的通道．注入盐溶液的速度不能过快,否则会产生气泡而引入噪声．

1.2.2 离子电流的数据采集

为了获得比较完整的离子电流数据,当电压施加到电极两端时就开始采集数据．由于电极两端施加电压后会出现电极极化现象,故每次采集的数据都是平均值．

图1给出了膜片钳检测记录的λ-DNA通过纳米通道时离子电流的变化情况．试验条件与相关参数如下:氮化硅纳米通道孔径为60 nm;膜片钳放大器的采样频率为50 kHz,采集时间为5 s,电压为1 V;电解质溶液为1 mol/L KCl．由图可知,氮化硅纳米通道内的基准离子电流上出现了电流下降的跳跃(blockage),其幅度大小和持续时间均不同,说明λ-DNA过孔时的姿态不同．图1中,离子电流波动较大,噪声信号较强,难以清晰分辨出blockage信号．为此,采用Matlab软件对图1所示的电流信号进行处理,将其转换为功率谱密度图,以便深入研究纳流体通道内噪声信号的产生机理,并制定有效的降噪措施．

图1 λ-DNA通过纳米孔时的离子电流图

2 1/f 噪声分析

1/f噪声是限制固态纳米通道内λ-DNA辨识分辨率的主要因素,其功率谱与频率成反比．1/f噪声功率谱的计算公式如下:

式中,a为噪声幅度;b为频率的幂次,一般取值为1～2．根据Hooge公式,离子电流的功率谱为

式中,I为平均电流;Nc为载流子数目;αH为Hooge系数,在固态纳米通道中，αH=1.1×10-4 [4]．对离子电流功率谱进行归一化得到

式中,A为归一化的噪声功率．故噪声功率为

Hooge公式中,固态纳米通道中的1/f噪声与电荷载体的数目成反比．

2.1 电压的影响

不同浓度的盐溶液中,零电压下的电流均为零,噪声主要为 Johnson 噪声．因此,1/f噪声的产生与电场作用下的离子运动有关．对于孔径为33 nm的氮化硅纳米通道,不同电压条件下离子电流所对应的噪声功率谱密度见图2．试验中,在1 mol/L KCl溶液中分别施加0,±100和±1 000 mV的电压．从图中可以看出,随着电压绝对值的增大,噪声值也逐渐变大．当频率为1 Hz时,0,±100,±1 000 mV电压对应的功率谱值相差近100倍,电压绝对值相同时的功率谱密度曲线基本重合．此外,由于1/f噪声是一种低频噪声,在f>1 000 Hz的高频区,所有功率谱密度曲线几乎都是重合的．随着电压绝对值的增大,电流绝对值也随之增加,出现电荷局部拥挤现象,导致局部电阻增大,1/f噪声的功率也逐渐增大．

图2 氮化硅纳米通道内离子电流功率谱密度

2.2 纳米通道尺寸的影响

图3为2种孔径氮化硅纳米通道中离子电流功率谱密度的对比．试验中,电压为1 000 mV,KCl浓度为1 mol/L．由图可知,孔径对1/f噪声的影响较小,只有当频率在100 Hz以下时噪声大小才有明显的区别,且孔径越大,噪声幅度越大．

图3 不同孔径纳米通道内离子电流功率谱密度

2.3 盐浓度的影响

分别在2种浓度的KCl溶液中对两端电极施加1 000 mV电压,得到的离子电流功率谱密度见图4．如果只考虑通道内体态离子浓度,离子溶液中的载流子数目由电解液的浓度决定,盐浓度越大,通道内载流子数目越多．由图可知,2 mol/L KCl溶液中电流的功率谱密度比0.125 mol/L KCl溶液中电流的功率谱密度高．

材料的表面特性也对1/f噪声有影响．在KCl溶液中,圆柱形纳米通道内离子电流的电导公式为[8]．

图4 不同浓度下纳米通道离子电流功率谱密度

式中,G为离子电导,与载流子数目成正比;d为圆柱纳米通道直径;L为圆柱纳米通道长度;nKCl为溶液中氯化钾的浓度;μK,μCl分别为钾离子和氯离子的迁移率;σ为纳米通道表面的表面电荷密度．式(5)中电导的值由2项组成:第1项表示纳米通道中体态离子浓度;第2项表示屏蔽纳米通道壁面电荷的反离子浓度．由此可见,1/f噪声不仅由盐体态溶液的浓度决定,同时也受到壁面电荷的影响．

为考察电荷对通道内离子电流的影响,用表面电荷的功率谱密度来表示式(4)中的噪声功率,即

式中,q为表面电荷数目;Sq为表面电荷功率谱密度．用表面电荷密度来表示圆柱纳米通道内的噪声功率,即

(7)

式(7)表明,噪声与纳米通道电导表面电荷密度相关,而表面电荷密度的变化依赖于溶液中体态离子浓度[9]．因此,在低盐区,纳米通道内载流子的数目由屏蔽孔壁电荷的反离子决定,壁面电荷浓度越高,反离子数目越多,噪声幅度越小．而在高盐区,纳米通道内载流子的数目由体态离子浓度决定,盐浓度越高,体态离子数目越多,噪声幅度越小．根据表面波动模型可知,溶液中较高的体态离子浓度引起较大的表面电荷波动,因此,2 mol/L盐溶液中的噪声明显比0.125 mol/L盐溶液中的噪声大．故纳米通道内的1/f噪声是由溶液体态离子与壁面电荷综合作用引起的．

2.4 纳米通道材质的影响

各种不同材质纳米通道结构的1/f噪声特征是不同的．图5给出了相同试验条件下石墨烯、氮化硅和玻璃3种材质纳米通道的噪声比较．由图可知,石墨烯纳米通道的噪声最大,其次是氮化硅纳米通道,玻璃纳米通道的噪声比氮化硅纳米通道的噪声略偏小．

图5 不同材料纳米通道内离子电流功率谱密度

石墨烯纳米通道比氮化硅纳米通道电容大,导电石墨烯薄片与电解液是电容耦合的,实际试验中石墨烯通过支撑的氮化硅和硅与电解质形成一个电容．在较高的频率区,主要的噪声是由装置电容将放大器电压噪声转变为电流噪声引起的;在低频区,依然是以1/f噪声为主导．

石墨烯是一种单原子层石墨材料,其晶格是碳原子构成的二维蜂巢结构,具有极高的载流子迁移率．对式(5)求导得到

用表面电荷密度来表示圆柱纳米通道内的噪声功率时,噪声功率与溶液中离子迁移率的平方成正比．对于圆柱形纳米通道,由于石墨烯材料具有特殊的结构和特性,因此与氮化硅纳米通道相比,石墨烯纳米通道具有更大的噪声．

玻璃纳米通道噪声比氮化硅纳米通道噪声略偏小的原因与其几何形状有关．试验所用的玻璃纳米通道是通过拉制获得,从“微”到“纳”的尺寸近似锥形连续变化[10]．对于锥形管,Poisson-Nernst-Planck(PNP)方程的模拟结果表明,在锥形管小端,正电压时通道内离子浓度低于盐溶液体态离子浓度,负电压时通道内离子浓度的变化则与电场强度的变化一致．随着负电压的增加,通道内离子浓度随电压幅度呈指数增加．锥形纳米通道的形状不对称加上有限的表面电荷,造成了孔内电场对电压极性的依赖,也导致离子浓度不对称．

3 结语

在第3代DNA测序研究过程中,发现λ-DNA分子通过固态纳米通道的离子电流具有信号弱、噪声大的特点,分析了低频1/f噪声的产生机理与规律．然后,研究了电压、孔径、盐浓度、通道形状以及材料对1/f噪声的影响,为将来开展纳米流体器件的降噪研究进行了有益的探索．

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