基于多重纳米材料圆片级集成的纳流控芯片技术研究

Nanofluidic chips play an important role in the separation of biomolecules. In the nanofluidic chips, however, the lack of functional surface modification leads to poor separation efficiency of biomolecules with similarity in terms of volume, chain length and net charge. By combining molecular self-assembly technique and atomic layer deposition technology, the project is proposed to study the influence of self-assembled monolayers on the deposition process of other nano-materials. The study will help to understand how to region-selectively graft nano-materials with the aid of self-assembled monolayers. Moreover, self-assembled films can be prepared as "sacrificial layer" for building nano-channels. On this basis, further research will focus on region-selective modification of self-assembled monolayer in nanochannels. Finally, in order to realize high-efficiency separation of specific biological samples, by using above-mentioned wafer-level integration methods of multi-nanomaterials, molecular probes can be constructed on the nanostructures. The integration methods will be helpful for the progress of nucleic acids/proteins pre-treatment chips.

纳流控芯片在生物分子分离方面发挥了重要作用，但是现有纳流控芯片其纳米结构表面缺乏功能分子修饰，在对体积、链长和净电荷相近的生物分子的分离方面缺乏有效的识别手段。本项目拟将分子自组装技术和原子层沉积技术相结合，研究自组装单分子末端基对其它纳米材料前驱体分子沉积过程的影响,通过局域性生长的自组装单分子膜实现其它纳米材料的定位生长，并开发出以自组装分子薄膜作为“牺牲层”制备纳米沟道的方法。在此基础上，进一步研究在纳米沟道中局域选择性修饰自组装单分子薄膜的方法，开发出多重纳米材料圆片级集成的工艺方法。最后，利用该方法在纳流控芯片中构建表面修饰有特异性分子探针的多功能纳米结构，实现对特定生物样本的高效分离，以满足面向核酸、蛋白质等物质检测的预处理芯片不断发展的技术需求。

目前多数纳流控芯片依然存在表面缺乏功能化修饰，特性单一等问题，因此急需通过在纳米结构表面再构筑纳米分子，在进一步增加芯片的比表面积的同时增加结构的功能特性，实现芯片多功能化，以适应微流控芯片技术的发展要求。针对上述需求，本项目将分子自组装技术和表面图形化技术相结合，从自组装单分子层的可调控构筑方法入手，开发了一套针对于单/多层分子薄膜的“准lift-off”工艺，借助深紫外光刻或金属牺牲层技术巧妙实现了SAM“准lift-off”工艺，实现了纳米超薄膜的定点局域化去除，解决了纳米级薄膜的图形化难题；进而研究了多重SAM的构筑过程及其特性，确定了多重分子构筑时的优化顺序，形成了在圆片不同区域定点构筑多种自组装单分子层的“纳纳兼容”技术；本项目还开发了一套可调控的纳米沟道集成制造工艺，利用具有不同表面基团的纳米介孔结构实现了对纳流道的功能调控，制造了表面特性可调控的集成纳米沟道芯片，并通过实验验证了芯片的导流功能，进而制造了一款集成有微混合器的萃取芯片。本研究的工作为建立微纳结合的流控芯片提供了广泛适用的技术，利用本项目开发的自组装分子图案化技术，不仅可以满足流控芯片的导流、富集、萃取等功能，还为MEMS器件的表面修饰提供了全新的可实用的技术，具有良好的实用前景。