[论文解读] Sub-20 nm Nanopores Sculptured by a Single Nanosecond Laser Pulse

Yanwen Yuan, Guangyuan Li+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2018

Nanopore and Nanochannel Transport Studies参考文献 36被引用 3

一句话总结

本文展示了一种快速、低成本的方法，利用单个纳秒激光脉冲制造直径小至19 nm的固态纳米孔，绕过了传统昂贵的聚焦离子束/电子束技术。该过程通过二维轴对称瞬态热传导模型进行建模，通过原子层沉积氧化铝实现亚10 nm孔径，从而实现高灵敏度的DNA穿孔检测，并显著提高信噪比。

ABSTRACT

Single-molecule based 3rd generation DNA sequencing technologies have been explored with tremendous effort, among which nanopore sequencing is considered as one of the most promising to achieve the goal of $1,000 genome project towards personalized medicine. Solid state nanopore is consented to be complementary to protein nanopore and subjected to extensive investigations in the past decade. However, the prevailing solid-state nanopore preparation still relies on focused ion or electron beams, which are expensive and time consuming. Here we demonstrate the fabrication of nanopores down to 19 nm with a single nanosecond laser pulse. The laser drilling process is understood based upon a 2D axisymmetric transient heat transfer model, which predicts the laser fluence-dependent pore size distribution and shape with excellent agreement to electron microscopy and tomography analysis. As-drilled nanopore devices (26 nm) exhibit adequate sensitivity to detect single DNA molecule translocations and discriminate unfolded or folded events. Sub-10 nm nanopores can be readily achieved upon a thin layer of alumina deposition by atomic layer deposition, which further improves the DNA translocation signal to noise ratio considerably. Our work provides a solution for fast, low-cost and efficient large-scale fabrication of solid state nanopore devices for the 3rd generation nanopore sequencing.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、低成本的替代方案，用于固态纳米孔的制造，以替代聚焦离子束或电子束方法。
• 实现适合单分子DNA测序的亚20 nm孔径。
• 实现高灵敏度的DNA穿孔检测，显著提高信噪比。
• 通过瞬态热传导模拟，对激光诱导孔洞形成过程进行建模与验证。
• 证明通过原子层沉积技术在激光钻孔后沉积氧化铝，可实现亚10 nm孔径的可行性。

提出的方法

• 使用单个纳秒激光脉冲在薄膜上钻孔，精确控制脉冲能量和持续时间。
• 采用二维轴对称瞬态热传导模型，模拟激光辐照期间的热力学行为，并预测孔洞形貌。
• 利用电子显微镜和断层扫描技术，对预测的孔径大小和形状进行实验验证。
• 在激光钻孔后，通过原子层沉积（ALD）技术在表面沉积一层薄氧化铝，以减小孔径并提升穿孔信号质量。
• 将孔径分布与形状与激光辐照度相关联，以优化制造的可重复性。
• 测量单个DNA分子的穿孔事件，以评估所制造纳米孔的传感性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个纳秒激光脉冲是否能可靠地产生直径小于20 nm的固态纳米孔？
• RQ2 激光辐照度如何影响最终孔径的大小与形状？该影响是否能被热力学模型准确预测？
• RQ3 通过激光后氧化铝沉积，是否能显著改善DNA穿孔事件的信噪比？
• RQ4 激光制造的纳米孔器件是否具备足够的灵敏度，用于单分子DNA检测？
• RQ5 该方法在大规模、低成本纳米孔器件生产方面具有多大程度的可扩展性？

主要发现

• 激光钻孔工艺成功制造出直径小至19 nm的纳米孔，实验结果与二维瞬态热传导模型预测结果高度一致。
• 孔径分布与形状强烈依赖于激光辐照度，且模型能准确预测这些结果。
• 未经处理的26 nm孔径样品已表现出足够灵敏度，可检测单个DNA分子的穿孔事件，并能区分未折叠与折叠状态。
• 在沉积一层薄氧化铝后，成功实现亚10 nm孔径，显著提升了DNA穿孔信号的信噪比。
• 该方法可实现快速、低成本且可扩展的固态纳米孔制造，为传统聚焦离子束或电子束技术提供了切实可行的替代方案。
• 本研究证实了超快激光脉冲在第三代DNA测序背景下实现高精度纳米孔制造的可行性。