可连续直写纳米粒子和蛋白质分子的扫描探针阵列及其关键技术研究

本课题拟设计和制造一种可实现高精度、大规模、低成本纳米制造的扫描探针阵列，并研究基于这种探针的分子纳米制造技术。该扫描探针采用了内置微通道和探针阵列，克服了DPN技术的两大局限，即必须不断蘸取"墨水"和无法并行书写的缺点，以期实现在较大面积表面上连续地印刷高精度的蛋白质分子或纳米粒子结构，这些结构可用于直接的化学和生物传感，或用于制造高密度的纳米机电系统阵列。本课题拟研究微型探针中内置微通道的制造工艺流程和关键技术，以及探针阵列并行书写的稳定性和可靠性问题。并采用流-固耦合模型和分子动力学理论研究分子沉积受探针形状、分子类型、基底材料及环境因素的影响，提出DPN纳米制造可控性、重复性及选择性原理。最终，我们将展示该系统具有大规模并行制造高精度纳米传感器的能力。

本项目将蘸水笔纳米印刷技术（DPN）和微流控技术相结合，采用表面硅和体硅工艺制备了内置微流道的扫描探针，经测试该探针具有连续直写纳米粒子和DNA分子的能力，是一种高精度、低成本纳米制造的新方法，同时在生物纳米制造方面具有不可替代的优越性。项目实施期间取得了三方面的成果：1.采用表面硅和体硅工艺相结合的微细加工技术，实现了内置微流控通道的纳米探针的制造。采用三层夹心结构制造悬臂梁，通过刻蚀牺牲层形成内置通道，再通过沉积Si3N4将管口封闭；通过改进工艺，制造具有“火山口”形状的针尖结构，既保留了AFM探针的分辨率又能做到和微通道的有效连接；2.采用CFD数值模拟建立了流体在内置微流道中的动力学模型，研究了流体从储液槽到微流道，从微流道到“火山口”形针尖的流动特性，具体分析了鲁塞尔数、表面润湿性、压降和湿度对微流体流动性能的影响。建立了纳米粒子和碳纳米管在流体中流动的分子动力学模型，研究纳米粒子在微流道中的输运性质以及在管壁和拐弯处的沉积和绑定特性，设计和优化了探针的形状参数和材料的选择。3.实现了探针的并行书写，且书写的一致性较好，大大提高蘸水笔纳米沉积的效率，采用本项目研制的探针，成功实现了Au纳米粒子（15nm）和DNA分子的书写。本项目后续拟开展扫描探针在生物制造特别是干细胞转录方面的研究。项目实施期间共发表标注基金资助号的SCI论文16篇，授权发明专利3项，负责人入选首批“青年拔尖人才计划”。