用于生物聚合物操控和检测的基于场效应的纳米传感器制造技术

提供了用于操控分子的机制。分子被驱动到填充有导电流体的纳米通道中。在纳米通道内部创建第一垂直电场以使分子减速和/或使分子不动。通过第一垂直电场和水平电场使分子伸展成非折叠的直链。顺序地读取分子的单体。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于生物聚合物操控和检测的基于场效应的纳米传感器
本专利技术涉及纳米孔/纳米沟槽器件，并且更具体地涉及对纳米孔/纳米沟槽器件中的分子的控制。
技术介绍
纳米孔测序是用于确定核苷酸在脱氧核糖核酸(DNA)的链上发生的顺序的方法。纳米孔(也称作孔隙、纳米通道、孔等等)可以是内径为数个纳米级的小孔。纳米孔测序后面的理论是关于当纳米孔被浸没在传导流体中并且跨越纳米孔施加电势(电压)时发生了什么。在这些条件下，可以测量由于离子通过纳米孔的传导而引起的轻微电流，并且电流的量对纳米孔的大小和形状非常灵敏。如果DNA的单碱基或链穿过(或者DNA分子的一部分穿过)纳米孔，则这可能产生通过纳米的电流的幅度上的改变。也可以围绕纳米孔定位其它电或光传感器使得可以在DAN穿过纳米孔时区分DNA碱基。可通过使用各种方法来驱动DNA通过纳米孔，使得DNA可能最终穿过纳米孔。纳米孔的级别可以具有可以迫使DNA像通过针眼的线一样一次一个碱基作为长串通过纳米孔的效果。近年来，在应用纳米孔作为用于诸如脱氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)、蛋白质等等的生物分子的快速分析的传感器方面出现了越来越多的关注。已将侧重点放在用于DNA测序的纳米孔的应用上，因为该技术保持着将测序的成本降至$1000/人类基因组以下的希望。
技术实现思路
根据实施例，提供了一种用于操控分子的方法。方法包括将分子驱动到填充有导电流体的纳米通道内，并且在纳米通道内部创建第一垂直电场以使分子减速和/或使分子不动。此外，方法包括通过第一垂直电场和水平电场使分子伸展成非折叠直链，并且顺序地读取分子的单体。根据实施例，提供了一种用于操控分子的系统。系统包括填充有导电流体的纳米通道，其中分子被驱动到纳米通道内。第一对俘获电极被定位至纳米通道，并且该第一对俘获电极被配置成在纳米通道内部创建第一垂直电场以使分子减速和/或使分子不动。第一对俘获电极被配置成通过第一垂直电场和水平电场使分子伸展成非折叠的直链。成对的感测电极被定位至纳米通道，并且该成对的感测电极被配置成顺序地读取分子的单体。通过本专利技术的技术来实现附加的特征和优点。专利技术的其它实施例和方面在本文中被详细地描述并且被视作要求保护的专利技术的一部分。为了更好地理解具有优点和特征的专利技术，参见描述和附图。附图说明在说明书的结论处的权利要求中特别地指出并清楚地要求保护了被当作专利技术的主题。专利技术的前述和其它特征以及优点从结合附图进行的以下详细描述中变得显而易见，其中：图1A是根据实施例的金属绝缘体通道场效应晶体管(MIC-FET)器件的截面图。图1B是根据实施例的金属绝缘体通道场效应晶体管(MIC-FET)器件的三维视图。图2A是根据实施例的金属绝缘体通道场效应晶体管(MIC-FET)的垂直生物聚合物俘获机制的截面图。图2B是根据实施例的对于环绕式底部俘获电极而言在顶部和底部俘获电极之间的截面图。图2C是根据实施例的对于平坦式底部俘获电极而言在顶部和底部俘获电极之间的截面图。图3A是根据实施例的用以图示用于被俘获的生物聚合物分子的隧穿感测的金属绝缘体通道场效应晶体管(MIC-FET)器件的截面图。图3B是根据实施例的用以图示隧穿结电极在其两个电隔离部件之间具有纳米间隙的金属绝缘体通道场效应晶体管(MIC-FET)器件的截面图。图3C图示了根据实施例的用以形成隧穿结电极中的纳米间隙的两个技术。图4A至图4C图示了根据实施例的用于控制分子且用于电隧穿测序的金属绝缘体通道场效应晶体管(MIC-FET)器件的处理，其中：图4A示出了用于利用一个陷阱俘获并矫直分子的截面图；图4B示出了用于用两个陷阱俘获、继续矫直分子并且逐个碱基对分子进行测序的截面图；图4C示出了使分子移出以对下一个分子进行测序。图5A至图5E图示了根据实施例的用于金属绝缘体通道场效应晶体管(MIC-FET)器件的制作工艺，其中：图5A是在衬底中制作纳米沟槽的俯视图；图5B是图示了通过共形电介质沉积来减小沟槽大小以形成纳米通道的俯视图；图5C是图示了在纳米通道上面的金属M1、M2和M3的沉积的俯视图；图5D是图示了用顶部-栅极电介质材料进行的纳米通道的密封的俯视图；和图5E是图示了顶部栅极M4的沉积的俯视图。图6是根据实施例的用于操控和感测金属绝缘体通道场效应晶体管(MIC-FET)器件的纳米通道中的分子的方法。图7是图示了具有可以被包含在实施例中和/或与实施例组合的能力的计算机(计算机设置)的示例的框图。具体实施方式实施例提供了用于感测带电生物聚合物的系统，包括：利用静电力将带电生物聚合物驱动到纳米流体通道内、在纳米通道内垂直地创建静电场以使生物聚合物减速和/或不动、使生物聚合物伸展成非折叠直链、使生物聚合物移动至金属的纳米间隙并且顺序地读取生物聚合物的单体的签名。生物聚合物、尤其是核酸(DNA、RNA)的精确且不贵的感测对于多种科学和生物医学应用的理解而言是重要的。对于电测序生物聚合物而言高吞吐量且稳健的设备将是有益的。已经通过当分子易位通过脂双层中的1nm-2nm(纳米)的跨膜通道时监测离子电流水平将生物纳米孔用于检测多核苷酸。尽管进展快速，但生物纳米孔可能会遭受许多问题，如工作条件(温度、电压和化学环境)受限、设备寿命短、纳米孔的生产速率慢等等。诸如人造纳米孔和通道等的固态生物感测技术已经被集成到用于感测包括DNA、RNA、蛋白质等等的很多类型的分子的流体技术中。虽然在低成本高精度分子检测(例如DNA测序)中非常有希望，但是当前的途径仍然缺失一些特别的元素：(1)具有用于精确的分子定位和感测而下降至几个纳米的临界尺寸的良好受控的几何结构；(2)用以精确地控制分子位置和速度的有效的分子俘获机制；(3)用于精确的分子隧穿识别的集成传感器；(4)分子俘获与感测之间的独立控制与快速切换；(5)用以允许长的储藏时间和工作寿命的稳健的结构设计；(6)与用于大规模生产的平面VLSI(超大规模集成)技术的完整的兼容性。集成了以上元素的固态生物传感器设计将是有益的。实施例提供了用于生物分子检测的基于固态平面纳米通道/纳米沟槽结构的技术和系统。系统将生物聚合物俘获、线性化和隧穿感测集成到其中在构造几何学的设计、材料(电极和电介质)的选择以及还有与将来的片上电路的兼容性方面维持了很大的灵活性的整体纳米级别流体系统内。系统集成了具有用于生物聚合物运动控制和感测两者的电极的流体纳米通道。利用传统的离子电流和更加精确的横向隧穿电流两者的感测方法是可得到的。系统的制作可以完全基于当前的CMOS(互补金属氧化物半导体)技术并且对于大规模和高吞吐量的生产是可行的。这里，“纳米沟槽”和“纳米通道”两者均指其深度和宽度恰好在纳米级别内(例如，从几个纳米到100纳米)而其长度大得多(例如，几十纳米到微米)的一维体积。为清楚起见，“纳米沟槽”是指使其顶部朝向空气开放的结构，而“纳米通道”是指顶部密封的结构。在生物聚合物的电感测的应用中，密封的纳米通道被视为较好的平台，因为密封的纳米通道允许集成有更多的功能性元素(例如，如本文中所讨论的顶部电极)，并且还提供了生物聚合物的更加可靠且精确的控制。此外，系统提供了聚合物分子(例如，DNA、RNA和蛋白质)的线性化以及具有受控速率的单独的单体的进入到承载隧穿感测电极的纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于操控分子的方法，所述方法包括：将所述分子驱动到填充有导电流体的纳米通道中；在所述纳米通道内部创建第一垂直电场以执行以下项中的至少一项：使所述分子减速和使所述分子不动；通过所述第一垂直电场和水平电场使所述分子伸展成非折叠直链；以及顺序地读取所述分子的单体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.11.30 US 13/690,1491.一种用于操控分子的方法，所述方法包括：将所述分子驱动到填充有导电流体的纳米通道中；由第一对俘获电极在所述纳米通道内部创建第一垂直电场以执行以下项中的至少一项：使所述分子减速和使所述分子不动；其中所述第一对俘获电极被定位至所述纳米通道并且包括第一顶部电极和第一底部电极；其中顶部高介电常数电介质材料将所述纳米通道与所述第一顶部电极分开，使得所述第一顶部电极不形成所述纳米通道；以及其中底部高介电常数电介质材料将所述纳米通道与所述第一底部电极分开，使得所述第一底部电极不形成所述纳米通道；通过所述第一垂直电场和水平电场使所述分子伸展成非折叠直链；以及顺序地读取所述分子的单体。2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述分子接触纳米间隙之前所述第一垂直电场使所述分子不动，所述分子在所述纳米间隙中被感测以用于读取。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一垂直电场保持着所述分子的第一端而第二端是自由的。4.根据权利要求3所述的方法，其中在所述分子的所述第一端被保持时所述分子的所述第二端伸展。5.根据权利要求4所述的方法，其中在所述第一端被所述第一垂直电场保持时所述水平电场引起所述分子伸展直到所述分子被矫直。6.根据权利要求5所述的方法，其中当读取所述单体时所述分子由在所述分子的所述第二端处或附近的第二垂直电场保持，所述第二垂直电场由第二对俘获电极创建；其中所述第二对俘获电极被定位至所述纳米通道并且包括第二顶部电极和第二底部电极；其中所述顶部高介电常数电介质材料将所述纳米通道与所述第二顶部电极分开，使得所述第二顶部电极不形成所述纳米通道；以及其中所述底部高介电常数电介质材料将所述纳米通道与所述第二底部电极分开，使得所述第二底部电极不形成所述纳米通道。7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述分子向前移动一个节段，其包括：施加所述第一垂直电场以在第一端保持所述分子并且施加第二垂直电场以在第二端保持所述分子；在施加所述水平电场以将所述分子向前驱动一个节段时并且在所述第二端处保持着所述分子时，将所述第一端处的所述第一垂直电场释放一个脉冲；在将所述第二垂直电场释放一个脉冲时，通过施加所述水平电场并且施加所述第一垂直电场使所述分子伸展；并且读取增加了一个节段的所述分子。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一垂直电场由被定位至所述纳米通道的所述第一对俘获电极生成。9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第二垂直电场由在与所述第一对俘获电极不同的区域处被定位至所述纳米通道的所述第二对俘获电极生成。10.根据权利要求7所述的方法，其中所述水平电场由成对的电极生成。11.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一垂直电场引起钳制所述分子以抵靠所述纳米通道的壁的力。12....

【专利技术属性】
技术研发人员：A·K·罗尤鲁，王超，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US