1.本发明涉及基因检测设备技术领域，具体涉及一种诱导损伤介电击穿固态纳米孔的制备方法和固态纳米孔器件。
背景技术：
2.基因作为传递遗传信息的基本单元，是dna分子或者rna分子上携带遗传信息的特定核苷酸序列。生物体的生、长、衰、老、病、死等一切生命现象都与基因有关，它也是决定生命健康的内在因素。因此基因测序技术被列为生命科学的重要课题。第一代与第二代基因测序技术，实现了对基因的高精度测序，但仍需花费较长的时间以及高额的花费。因此，实现高准确性、长读长、低成本、高通量、效率高的基因测序对生命科学研究具有重要意义。
3.纳米孔传感技术作为第三代测序技术，由于具有高通量、长读长、低成本等优势，目前已经成为一种被广泛研究以及应用的生物传感技术。同时，制备孔径小、鲁棒性强的固态纳米孔传感器十分具有必要性。在固态纳米孔制备方面，目前的制备方法主要有离子束刻蚀，电子束溅射刻蚀、电化学腐蚀，但是这些制备方法制造出的纳米孔孔径大多在10nm以上，难以满足高精度测序的要求。
4.目前新兴的电介质击穿打孔的方法可以在薄膜上产生亚纳米级的纳米孔，且具有设备廉价、操作简单等优点。然而，电介质击穿打孔的技术仍存在不足之处：由于薄膜表面较为均匀，因此电击穿事件会随机性地发在薄膜表面的某一位置，以致纳米孔会在薄膜上任意位置生成，或者同时生成多个纳米孔，而且孔径较大难以控制。已有研究使用afm探针通过尖端控制实现局部介电击穿制造固态纳米孔，可精确控制纳米孔生成的位置，并加速电击穿成孔的过程，但需要昂贵的设备以及专业复杂的操作，不利于商业化的发展。
技术实现要素：
5.本发明的目的之一在于避免现有技术中的不足之处而提供一种诱导损伤介电击穿固态纳米孔的制备方法，该诱导损伤介电击穿固态纳米孔的制备方法能够限制纳米孔生成位置，且能提高成孔速度，实现在薄膜上原位快速制造固态纳米孔，具有方便快捷和可操性强的优点。
6.本发明的目的之二在于提供一种固态纳米孔器件。
7.为实现上述目的之一，本发明提供以下技术方案：
8.提供一种诱导损伤介电击穿固态纳米孔的制备方法，包括以下步骤，
9.s1.将洁净的si3n4薄膜芯片置于真空腔内，在所述si3n4薄膜芯片表面进行辐照，使所述si3n4薄膜表面诱导出损伤区；
10.s2.将诱导了损伤区的所述si3n4薄膜芯片清洗，随后载入液池腔室，采用介电击穿技术对所述损伤区进行介电击穿，得到固态纳米孔；
11.所述si3n4薄膜芯片载入所述液池腔室的步骤包括：将所述si3n4薄膜芯片放置于
液池腔室内，使得所述液池腔室被分隔为第一腔室和第二腔室，分别向所述第一腔室和所述第二腔室注入电解液，使所述第一腔室的电解液和所述第二腔室的电解液分别连接电极的顺式端和反式端。
12.在一些实施方式中，所述步骤s1中，通过氦离子束在所述si3n4薄膜芯片表面进行辐照。
13.在一些实施方式中，所述氦离子束的辐照持续时间为10ms～20ms。
14.在一些实施方式中，所述损伤区的面积为2nm～15nm。
15.在一些实施方式中，所述电解液的浓度为0.1m～3m。
16.在一些实施方式中，所述电解液为kcl溶液、nacl溶液、licl溶液、mgcl2溶液或cacl2溶液中的任意一种或多种。
17.在一些实施方式中，所述步骤s1中，获得洁净si3n4薄膜芯片的步骤包括：将所述si3n4薄膜芯片先在乙醇中浸泡30min～60min，再在去离子水中浸泡30min～60min，最后用等离子体清洗5min～10min。
18.在一些实施方式中，所述步骤s2中，清洗诱导了损伤区的所述si3n4薄膜芯片的步骤包括：将si3n4薄膜芯片先在乙醇中静置30min～60min，再置入去离子水中静置30min～60min，最后以10w～30w的功率的等离子体清洗10s～30s。
19.在一些实施方式中，所述介电击穿技术采用介电击穿装置，所述介电击穿装置包括电压源、显示界面和电磁屏蔽盒；
20.所述电压源为介电击穿提供递增电流脉冲模式，所述递增电流脉冲模式的初始电流值为1e-9
～1e-7
a、步长为1e-9
～1e-8
a；
21.所述显示界面与所述电压源连接以显示纳米孔的孔径；
22.所述电压源通过电极与液池腔室连接，当纳米孔的孔径到达阈值时，所述电压源停止工作。
23.本发明一种诱导损伤介电击穿固态纳米孔的制备方法的有益效果：
24.(1)本发明的诱导损伤介电击穿固态纳米孔的制备方法，其先在si3n4薄膜芯片上辐照产生损伤区，再通过介电击穿作用在该损伤区上击穿出固态纳米孔，由于损伤区坏其晶体结构的完整性，使薄膜在近表面下一定深度处产生氦泡等各种缺陷，而该缺陷具有高密度性，电击会优先在该缺陷中形成，实现对电击事件进行诱导，能够限制纳米孔生成位置，其成本低并且精准率高，能够为纳米孔基因测序技术提供支撑，适合大规模生产应用。
25.(2)本发明的诱导损伤介电击穿固态纳米孔的制备方法，其在电击穿前，先辐照出缺陷，辐照制造缺陷的速度比电击快，辐照后，能减少电击进程，有效地提高了固态纳米孔的制造效率。
26.(3)本发明的诱导损伤介电击穿固态纳米孔的制备方法，其自动定位的作用，不但能t提高制孔的精确度，还能简化纳米孔定位所需的操作，缩短成孔所需的时间；固态纳米孔在薄膜上生成位置、数量与制备时间可控，引入损伤薄膜具有较高的机械稳定性。
27.为实现上述目的之二，本发明提供以下技术方案：
28.提供一种固态纳米孔器件，包括硅基体，所述硅基体的两侧设有si3n4薄膜芯片，采用上述的诱导损伤介电击穿固态纳米孔的制备方法在所述si3n4薄膜芯片上制得固态纳米孔。
附图说明
29.图1是本技术具体实施例方式中的诱导损伤介电击穿制备固态纳米孔的流程图。
30.图2是本技术具体实施例方式中的诱导损伤介电击穿固态纳米孔的tem表征图，其中，(a)表示氦离子束诱导形成损伤区，(b)表示介电击穿制得的固态纳米孔。
31.图3是本技术具体实施方式中的介电击穿装置示意图的实物图。
具体实施方式
32.下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
33.在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“该”旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
34.应当理解，尽管在本发明可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
35.实施例1
36.本实施例公开的诱导损伤介电击穿固态纳米孔的制备方法，包括以下步骤，如图1所示，
37.s1.将洁净的si3n4薄膜芯片置于真空腔内，在所述si3n4薄膜芯片表面进行辐照，使所述si3n4薄膜表面诱导出损伤区；
38.s2.将诱导了损伤区的所述si3n4薄膜芯片清洗，随后载入液池腔室，采用介电击穿技术对所述损伤区进行介电击穿，得到固态纳米孔；
39.所述si3n4薄膜芯片载入所述液池腔室的步骤包括：将所述si3n4薄膜芯片放置于液池腔室内，使得所述液池腔室被分隔为第一腔室和第二腔室，分别向所述第一腔室和所述第二腔室注入电解液，使所述第一腔室的电解液和所述第二腔室的电解液分别连接电极的顺式端和反式端。
40.上述的诱导损伤介电击穿固态纳米孔的制备方法，其先在si3n4薄膜芯片上辐照产生损伤区，再通过介电击穿作用在该损伤区上击穿出固态纳米孔，由于损伤区坏其晶体结构的完整性，使薄膜在近表面下一定深度处产生氦泡等各种缺陷，而该缺陷具有高密度性，电击会优先在该缺陷中形成，实现对电击事件进行诱导，能够限制纳米孔生成位置，其成本低并且精准率高，能够为纳米孔基因测序技术提供支撑，适合大规模生产应用。其在电击穿前，先辐照出缺陷，辐照制造缺陷的速度比电击快，辐照后，能减少电击进程，有效地提高了固态纳米孔的制造效率。其自动定位的作用，不但能t提高制孔的精确度，还能简化纳
米孔定位所需的操作，缩短成孔所需的时间；固态纳米孔在薄膜上生成位置、数量与制备时间可控，引入损伤薄膜具有较高的机械稳定性。
41.本实施例中，所述步骤s1中，通过氦离子束在所述si3n4薄膜芯片表面进行辐照。所述氦离子束的辐照持续时间为10ms～20ms，优选为15ms。该辐照时间能根据实际情况进行选择，此处不作唯一限制。
42.本实施例中，所述损伤区的面积为2nm～15nm，优选为10nm。
43.本实施例中，所述电解液的浓度为0.1m～3m，优选为2m。所述电解液为kcl溶液、nacl溶液、licl溶液、mgcl2溶液或cacl2溶液中的任意一种或多种。
44.本实施例中，所述步骤s1中，获得洁净si3n4薄膜芯片的步骤包括：将所述si3n4薄膜芯片先在乙醇中浸泡30min～60min，优选为40min，再在去离子水中浸泡30min～60min，优选为40min，最后用等离子体清洗5min～10min，优选为8min，以去除该si3n4薄膜芯片表面的有机污染以及杂质。
45.本实施例中，所述步骤s2中，清洗诱导了损伤区的所述si3n4薄膜芯片的步骤包括：将si3n4薄膜芯片先在乙醇中静置30min～60min，优选为40min，再置入去离子水中静置30min～60min，优选为40min，最后以10w～30w功率的等离子体清洗10s～30s，优选为20s。
46.本实施例中，所述介电击穿技术采用如图3所示的介电击穿装置，所述介电击穿装置包括电压源、显示界面和电磁屏蔽盒；
47.所述电压源为介电击穿提供递增电流脉冲模式，所述递增电流脉冲模式的初始电流值为1e-9
～1e-7
a、步长为1e-9
～1e-8
a；所述显示界面与所述电压源连接以显示纳米孔的孔径。
48.所述电压源通过电极与液池腔室连接，当纳米孔的孔径到达阈值时，所述电压源停止工作。
49.该电压源根据电导与孔径的理论公式通过软件实时计算与控制孔径的大小并在显示界面上显示，能在薄膜上实现方便、快捷、原位、可控地制造固态纳米孔器件，因此能有效地监控纳米固态孔的尺寸，能制备出尺寸更小的固态纳米孔，提高了纳米孔的制备精度，其用于基因序列检测，为疾病诊断提供参考，具有重要的学术价值与应用前景。
50.实施例2
51.为进一步地说明本发明的具体实施操作，本实施例提供了一种诱导损伤介电击穿以si3n4薄膜为基底的固态纳米孔器件制备方法，制备流程图如图1所示，制备方法包括以下步骤：
52.s1.进行si3n4薄膜芯片预处理：选用si3n4薄膜厚度为5～30nm的si3n4薄膜芯片，在对si3n4薄膜进行氦离子束辐照前，需先进行预处理。具体预处理的步骤包括：将该si3n4薄膜芯片在乙醇和去离子水中分别浸泡30～60min后，用等离子体处理5～10min以去除该si3n4薄膜芯片表面的有机污染以及杂质。
53.s2.氦离子束刻蚀si3n4薄膜表面诱导薄膜损伤：将上述制备的经过预处理的si3n4薄膜芯片置于聚焦离子束加工的真空腔内采用氦离子束进行加工，每剂量体积1.6e-1
μm2/nc，持续时间10～20ms，每剂量体积根据所加工si3n4薄膜的厚度相应调整，在si3n4薄膜表
面进行氦离子束辐照，使得在si3n4薄膜表面形成一个直径约为10nm的损伤区域，如图2中a所示，其示出了一个损伤区域。
54.s3.制备诱导损伤介电击穿固态纳米孔器件：将上述形成的表面诱导损伤薄膜等离子体清洗(将该表面诱导损伤薄膜依次置入乙醇和去离子水中静置30min～60min，以10w～30w的功率进行等离子体清洗10～30s，去除该表面诱导损伤薄膜的污染物杂质以及降低样品电容去除表面有机污染和杂质，并载入液池腔室，液池腔室的体积为200μl，在液池腔室两侧分别注入体积为200μl的电解液，电解液为浓度为0.1m～3m的kcl溶液。
55.利用电压源表，使用定制化的软件程序制备纳米孔，使用介电击穿法的递增电流脉冲模式制备纳米孔，其中递增电流脉冲模式的初始电流值为1e-9
～1e-7
a、步长为1e-9
～1e-8
a，当程序界面显示拟合孔径显示为2nm～3nm时停止打孔，将纳米孔器件放置于清水中静置30min～60min即可得到诱导损伤介电击穿固态纳米孔器件，制备的固态纳米孔如图2中b所示。
56.可见，本技术能准确地制备出尺寸小的固态纳米孔。
57.实施例3
58.本实施例还公开了一种固态纳米孔器件，包括硅基体，所述硅基体的两侧设有si3n4薄膜芯片，采用实施例1的诱导损伤介电击穿固态纳米孔的制备方法在所述si3n4薄膜芯片上制得固态纳米孔。
59.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
60.在本技术的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
61.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
62.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于
对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。
63.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。