用于控制固态纳米孔的大小的方法技术

提供一种用于精确地扩大形成在膜中的纳米孔的方法。该方法包括：施加电势穿过该纳米孔，其中该电势具有在高值和低值之间振荡的脉冲波形；在以低值将电势施加到所述纳米孔时，测量流经该纳米孔的电流；部分地基于所测量的电流确定纳米孔的大小；以及当纳米孔的大小对应于期望的大小时，移除施加到该膜的电势。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】 相关申请的交叉参引本申请要求享有2012年5月7日提交的美国临时申请No. 61/643, 651和2013年 3月14日提交的美国临时申请No. 61/781,081的权益。每个上述申请的全部公开内容都通 过引用的方式纳入本文。
本公开内容涉及使用高电场调整固态纳米孔的大小的技术。
技术介绍
生物纳米孔和固态纳米孔提供了在单个分子水平感测生物分子分析物的手段。个 体纳米孔通常被嵌入在薄绝缘膜中，这为离子电流在两个液体储存器之间通过提供唯一的 管道。利用较大尺度库尔特计数器的原理，纳米孔实验与离子电流的变化相关联以确定带 电生物分子的长度、大小、电荷和构造，因为带电生物分子在存在外部电场的情况下会被电 泳驱动通过纳米孔。 虽然生物纳米孔（诸如a-溶血素）通常提供更大的灵敏度和低噪声属性，但是 支持的脂质双层是易碎的并且具有固定大小，限制了它们的应用。另一方面，固态纳米孔 通常被制造在薄（10-50nm)绝缘膜中，诸如，氮化硅膜或氧化硅膜，并且可被制成不同的大 小，容易与晶片尺度技术集成，并且是更结实的，允许更宽范围的实验条件。尽管有这些优 点，但是固态纳米孔技术仍有限制它们用于生物分子研究的许多实际缺点。虽然控制纳米 孔的大小是可行的，但是由于需要专业仪器和技术人员，因此通常实现起来既昂贵又费力。 例如，最近已经在扫描电子显微镜（SEM)中示出通过聚焦离子束钻孔的纳米孔会在特定实 验条件下收缩。在其它的方法中，通过透射电子显微镜（TEM)钻孔的纳米孔可根据束条件 以及随后暴露于水性溶剂而扩张或收缩。在这些情况下，限制了可实现的纳米孔大小的范 围，因为在化学处理之后或当浸入某一液体环境中时纳米孔的大小会变化，所以难以控制 且甚至是不可靠的。 通过固态纳米孔的离子电流还可能遭受高程度的噪声，噪声源是纳米孔文献中的 一个广泛研究的话题。虽然已经提出多种方法来减少电噪声，但是可靠的、稳定的低噪声纳 米孔的产率通常仍相当低。在钻孔和成像期间含碳残留物的沉积可对电气信号质量具有不 利影响，通常使完全湿润成为挑战并导致形成可能难以移除的纳米气泡。此外，分析物分子 堵塞纳米孔会降低信号质量，致使孔不能用于另外的实验。这些影响大大减少了功能性纳 米孔器件的产率并且增加了与固态纳米孔研究相关的成本。因此，可靠的纳米孔的可再现 制造和调整不仅对于学术研究环境是挑战而且对于任何基于纳米孔技术的商业化也仍是 挑战。 本部分提供了与本公开内容有关的背景信息，该背景信息不必然是现有技术。
技术实现思路
本部分提供了公开内容的总体概述，并不是完整公开了本公开内容的全部范围或 其所有特征。 提供了一种用于调整形成在固态膜中的纳米孔的方法。该方法包括：施加电势穿 过纳米孔，其中该电势具有在高值和低值之间振荡的脉冲波形；测量流经该纳米孔的电流； 部分地基于所测量的电流确定该纳米孔的大小；以及当该纳米孔的大小对应于期望的大小 时，移除施加穿过该纳米孔的电势。 在本公开内容的一个方面，对流经该纳米孔的电流的测量发生在以高值施加电势 时；然而，在另一方面，对流经该纳米孔的电流的测量发生在以低值施加电势时。 在本公开内容的一个方面，该方法还被限定以包括：为在纳米孔中感生出电场的 电势选择一个值并在一个预定时间段内施加该电势，其中该电场为近似0. 3伏每纳米。在 该预定时间段之后，将施加穿过该纳米孔的电势减少到小于所选择的值的一个值，并且当 以已减少的值施加电势时，测量流经该纳米孔的电流。部分地基于所测量的电流确定该纳 米孔的大小。 在本公开内容的一些方面，重复此过程直到所测量的电流超过阈值。当重新施加 相对较高的电势时，该电势的极性可被反向以实现或维持孔几何结构的对称。一旦所测量 的电流超出该阈值，则移除电势。 从本文提供的描述中将明了应用的其它领域。在本
技术实现思路
中的描述和具体实施 例仅旨在出于例示的目的并且不旨在限制本公开内容的范围。 【附图说明】 本文所描述的附图仅出于例示选定的实施方案的目的而不是例示全部可能的实 施方式，并且不旨在限制本公开内容的范围。 图1是描绘用于调整纳米孔的大小的示例技术的流程图； 图2是描绘用于调整纳米孔的示例设备的图； 图3A和图3B分别是例示应用高电场之前和之后的电流迹线的曲线图； 图4A是一个曲线图，例示了施加穿过纳米孔的电势的脉冲波形和指示增长的穿 过纳米孔的增加离子电流； 图4B是例示通过改变施加的电势可控制增长速率的曲线图； 图4C是例示通过改变溶液的离子强度可控制增长速率的曲线图； 图5是例示电导的I-V测量值的曲线图，所述测量值确认纳米孔大小已经增加； 图6是例示与DNA分子的易位相关联的电流迹线的曲线图； 图7A和图7B分别是对于llnm和32nm的孔的易位事件期间的电流阻塞的直方图； 以及 图8是例示在不同条件下扩大纳米孔的有效性的曲线图。在此情况下，膜的厚度 是 10nm。 在贯穿附图的多个视图中相对应的参考数字指示相对应的部分。 【具体实施方式】 现在将通过参照附图更全面地描述示例实施方案。 图1例示用于调整预先形成在膜中的纳米孔的大小的示例技术。高电场的施加被 用于精确地扩大纳米孔的大小，同时确保最佳低噪声性能。如在12处指示的，通过施加穿 过纳米孔的电势来产生高电场。选择该电势的值以感生出在〇. 1伏每纳米以上（典型地在 〇. 1伏每纳米和0.4伏每纳米之间）的电场。尽管上面提供了具体值，感生的电场将根据膜 材料和其它因素变化，但是超出正被调节的纳米孔的欧姆范围（典型地在〇. 1伏每纳米以 上）。 长期暴露于高电场会启动移除构成孔壁的膜材料，导致纳米孔直径的增加。通过 调整该电场的强度和持续时间可精确地控制该增长。如在13处指示地，相对较高的电势被 施加穿过纳米孔长达预定的时间段。在一个实施方案中，该时间段在100毫秒到5秒的范 围内。在另一些实施方案中，该时间段可更小（例如，几微秒）或更长（例如，几分钟）。在 该时间段结束以后，在14处，施加穿过该纳米孔的电势被减少到小于该相对较高值的一个 值。例如，该电势可被减少到这样一个值，该值感生出在0伏每纳米到0. 1伏每纳米的范围 内的电场。 当减小的电势被施加穿过纳米孔时，在15处，测量流经该纳米孔的电流，其中如 下面进一步解释的，所测量的电流与该纳米孔的大小相关。在一些实施方案中，电势被施加 作为一系列脉冲，在每个脉冲之间进行测量。在另一些实施方案中，电流测量跟随在一组脉 冲之后（例如，在每n个脉冲之后，其中n大于1)。 在一个替代的方法中，当施加的电势保持高时，测量流经纳米孔的电流。由于电场 在纳米孔系统的欧姆范围以上，因此测量的电流提供了该纳米孔大小的不太准确的估计。 因此，当纳米孔的大小接近期望的大小时，以如上所述的脉冲方式施加电势，使得在减小的 电势下测量电流。 当纳米孔的大小等于期望的大小时，移除施加到该纳米孔的电势。在一个示例实 施方案中，通过比较16测量的电流和阈值电流来确定纳米孔的大小，其中阈值电流被选择 以对应于期望的大小。当测量的电流等于或超过该阈值时，在17处，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于精确地扩大形成在膜中的纳米孔的大小的方法，包括：a)为在纳米孔中感生出电场的电势选择一个值，其中所述电场在0.1伏每纳米以上；b)在一个预定时间段内，以所选择的值将电势施加穿过布置在离子溶液中的纳米孔；c)在所述预定时间段之后，将施加穿过所述纳米孔的所述电势减少到一个值，该值小于所选择的值；d)在以已减少的值施加电势时，测量流经纳米孔的电流；以及e)部分地基于所测量的电流确定所述纳米孔的大小。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.05.07 US 61/643,651;2013.03.14 US 61/781,0811. 一种用于精确地扩大形成在膜中的纳米孔的大小的方法，包括： a) 为在纳米孔中感生出电场的电势选择一个值，其中所述电场在0. 1伏每纳米以上； b) 在一个预定时间段内，以所选择的值将电势施加穿过布置在离子溶液中的纳米孔； c) 在所述预定时间段之后，将施加穿过所述纳米孔的所述电势减少到一个值，该值小 于所选择的值； d) 在以已减少的值施加电势时，测量流经纳米孔的电流；以及 e) 部分地基于所测量的电流确定所述纳米孔的大小。2. 根据权利要求1所述的方法，还包括当所测量的电流等于或超过一个阈值时，移除 施加穿过所述纳米孔的所述电势。3. 根据权利要求1所述的方法，还包括 f) 当所测量的电流小于所述阈值时，将施加穿过所述纳米孔的所述电势增加到所选择 的值，以及 g) 重复步骤（b)-(f)直到所测量的电流等于或超过所述阈值。4. 根据权利要求1所述的方法，还包括选择所述电势的值使得所述电场为近似0. 3伏 每纳米。5. 根据权利要求1所述的方法，还包括选择所述电势的值使得所述电场在0. 10伏每纳 米到0. 4伏每纳米的范围内。6. 根据权利要求1所述的方法，还包括在使欧姆离子电流能够稳定的时间段内，以所 述已减少的值施加电势。7. 根据权利要求1所述的方法，还包括当所测量的电流小于所述阈值时，以所选择的 值重新施加电势穿过所述纳米孔，其中所述电势的极性被反向。8. 根据权利要求1所述的方法，还包括增加所述电势的幅值以增加所述纳米孔的增长 速率。9. 根据权利要求1所述的方法，还包括增加所述离子溶液的离子强度以增加所述纳米 孔的增长速率。10. -种用于精确地扩大形成在膜中的纳米孔的大...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·戈丁，E·比米什，V·塔巴德科萨，W·H·郭，
申请(专利权)人：渥太华大学，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA