具有对齐的纳米级电子元件的含纳米孔的基板及其制备和使用方法技术

含纳米孔的基板包括基板、所述基板上的膜、和设置在所述膜上或嵌入所述膜中的至少一个纳米级电子元件。所述膜限定至少一个纳米孔。所述纳米级电子元件与所述纳米孔中的一个对齐，使得所述纳米级电子元件的边缘和所述纳米孔的边缘之间的最短距离小于50nm。所述纳米孔可通过使用溶液蚀穿介电层，同时相对于所述溶液向所述纳米级电子元件施加电压形成。所述含纳米孔的基板可用于对诸如核酸的生物聚合物进行检测或测序。所述含纳米孔的基板可与生物聚合物检测和/或测序系统一起使用。

Nanoporous substrate having aligned nanoscale electronic components and methods of making and using the same

A substrate comprising a nanopore includes a substrate, a film on the substrate, and at least one nanoscale electronic element disposed on the film or embedded in the film. The membrane defines at least one nanopore. The nanoscale electronic element is aligned with one of the nanopores so that the shortest distance between the edge of the nanoscale electronic element and the edge of the nanopore is less than 50nm. The nanopores can be formed by applying a solution to etch through the dielectric layer and applying voltage to the nanoscale electronic component relative to the solution. The nanoporous substrate can be used for detecting or sequencing biopolymers such as nucleic acids. The nanoporous substrate can be used in conjunction with biopolymer detection and / or sequencing systems.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有对齐的纳米级电子元件的含纳米孔的基板及其制备和使用方法相关申请的交叉引用本申请要求2014年12月1日提交并指定美国申请号62/085,795的临时专利申请的优先权，其公开内容在此参考并入。关于联邦资助研究或开发的声明本专利技术根据由空军科学研究院授予的合同号FA9950-10-1-0410和由海军研究院授予的合同号FA9550-09-1-0705在政府支持下进行。政府对本专利技术具有一定的权利。专利
本公开涉及含纳米孔的基板。
技术介绍
在基于纳米孔的测序领域中，测序的一个例证涉及在DNA通过时测量流过嵌入膜中的通道蛋白的离子电流。该方法受限于其需要生物材料作为装置的部分，这与非有机材料相比往往耐久性较差。其还涉及将DNA减慢至约1ms/核苷酸，以便获得足够的信噪比。另一限制在于由于仅可使用一个孔/微流体通道，其不容易并行。在基于固态纳米孔的测序领域中，当前的方法主要依赖于测量通过固态纳米孔(例如，氮化硅、石墨烯、二氧化铪)的离子电流，所述固态纳米孔通过使用离子束或电子束蚀刻而形成，这涉及高真空体系，所述高真空体系往往不能很好地扩大到工业过程。另外，没有测序的例证。迄今为止，利用固态孔的最佳例证已经区分了不同的30个核苷酸长的单链DNA分子(例如，30个腺嘌呤，30个胞嘧啶等)。在具有场效应读数的基于固态纳米孔的测序领域中，一个例证涉及使用具有邻近的孔的50nm宽的硅纳米线。检测了大约3000个核苷酸的双链DNA，但未获得序列信息。另一例证涉及使用石墨烯纳米带来检测大约3000个核苷酸的双链DNA质粒，但未获得序列信息。这两个方法均具有与使用电子束制备纳米孔相关的相同限制。另外，电子束可损坏场效应纳米级装置(纳米线或纳米带)。纳米线方法还具有以下限制：所述线的50nm宽度为DNA中核苷酸之间的间距的大约150倍。石墨烯纳米孔的一个限制在于石墨烯纳米带在其边缘处具有悬挂键，这使得它们比纳米管更具反应性，并且使得它们的电性能高度可变。
技术实现思路
在第一实施方案中，提供含纳米孔的基板。所述含纳米孔的基板包括基板、设置在所述基板上的膜、和设置在所述膜上或设置在所述膜中的至少一个纳米级电子元件。所述膜限定穿过所述膜的至少一个纳米孔。所述纳米孔被构造成在所述膜的相对侧之间提供流体连通。所述纳米级电子元件能够导电，并且与所述膜就如下中的至少一个方面不同：形状、材料组成、导电性或化学结合。所述纳米级电子元件与所述纳米孔对齐，使得所述纳米级电子元件的边缘和所述纳米孔的边缘之间的最短距离小于50nm。所述基板可由硅、石英、熔融二氧化硅、蓝宝石、砷化镓和/或碳化硅制成。所述膜可由诸如氮化硅、氧化铝、氧化铪、氧化钽、二氧化硅和/或氮化硼的介电材料制成。所述膜还可由诸如金属二硫属化物、石墨烯、硅、锗和/或砷化镓的半导体或半金属制成。所述膜可具有0.3nm至1,000nm的厚度。所述纳米级电子元件可包括碳纳米管、石墨烯、金属、金属纳米线或半导体纳米线、具有小于20nm的厚度的金属电极或半导体电极，或两个电极之间的间隙。所述纳米级电子元件的边缘和所述纳米孔的边缘之间的最短距离可小于10nm或小于1nm。所述纳米级电子元件的边缘可与所述纳米孔的边缘交叉。所述纳米级电子元件可平行于限定围绕所述纳米孔的所述膜的表面平面的法向矢量定位。所述纳米级电子元件可与电路电接触。所述纳米孔可具有0.3nm至1,000nm的穿过所述膜的深度。所述纳米孔可具有1nm至50nm或1nm至20nm的宽度尺寸。所述纳米级电子元件可由官能团官能化。所述官能团可以为羧基基团、羟基基团、胺基团、硫醇基团、单核苷酸、核苷酸的序列、氨基酸、多肽和/或蛋白质。所述纳米级电子元件还可涂覆有电介质。在一种情况下，可存在多个纳米级电子元件。所述多个纳米级电子元件形成设置在所述膜上或设置在所述膜中的阵列。所述纳米级电子元件中的两个可彼此接触。在另一情况下，可存在多个纳米级电子元件和多个纳米孔。所述多个纳米级电子元件形成设置在所述膜上或设置在所述膜中的阵列。所述纳米孔中的每一个使所述纳米级电子元件中的一个与所述纳米孔对齐，使得所述纳米级电子元件的边缘和所述纳米孔的边缘之间的最短距离小于50nm。所述纳米级电子元件可不暴露于平均加速电压大于1kV的电子束或离子束。所述纳米级电子元件还可不暴露于电子束或离子束。所述纳米级电子元件的垂直于流过所述纳米级电子元件的电流方向的尺寸可不超过20nm或可不超过10nm。在第二实施方案中，提供一种方法。在所述方法中，在设置于基板上的膜上或在所述膜中设置能够导电的至少一个纳米级电子元件。所述膜由电介质、半导体或半金属制成。使所述膜与蚀刻剂接触。相对于与所述蚀刻剂接触的另一电极，将电压施加于所述纳米级电子元件，使得至少一个纳米孔被蚀刻穿过所述膜。可形成含纳米孔的基板。在施加电压前，所述纳米级电子元件和所述蚀刻剂之间的空间可被所述膜的一部分占据。在施加电压时，所述蚀刻剂还可接触所述纳米级电子元件。所述蚀刻剂可包括氢氟酸、磷酸、氢氧化钾和/或四甲基氢氧化铵。所述电压可以为脉冲电压、斜坡电压、恒定电压或它们的组合。可选择电压的符号和/或量级，以局部影响邻近所述纳米级电子元件的蚀刻剂的蚀刻速率。在一种情况下，在所述膜的一侧上相对于所述膜的相对侧向流体施加压力。在所述纳米孔被蚀刻穿过所述膜之后，所述流体流动通过所述纳米孔。所述流体基本上不蚀刻所述膜，并减少或停止对所述膜的蚀刻。在一种情况下，通过向检测电极施加第二电压并监测流向所述检测电极或从所述检测电极流出的电流来检测所述纳米孔的形成。所述检测电极与所述纳米级电子元件分离，并且定位于所述蚀刻剂的外部。可使用所述检测电极在所述膜的与所述蚀刻剂相对的侧面上向溶液施加电压。所述检测电极可由金属制成，并且定位在所述膜的与所述蚀刻剂相对的侧面上。所述检测电极可通过电介质或半导体与所述纳米级电子元件电绝缘。可使用反馈来停止所述纳米孔的蚀刻。所述反馈可以是光学的，并且基于下列中的至少一种：所述膜的与所述蚀刻剂相对的侧面的可见蚀刻；在所述纳米孔的位置处的可见的流体积聚或晶体形成；和/或通过所述纳米孔的形成或者荧光染料与所述纳米级电子元件、蚀刻剂和/或由于所述纳米孔的蚀刻而与所述荧光染料接触的材料的相互作用而激活的荧光。所述反馈还可以是电的，并且基于下列中的至少一种：从所述膜的一侧到所述膜的相对侧的电流的改变；通过所述纳米级电子元件的电流和/或电导率的改变；和/或在所述纳米级电子元件和与所述蚀刻剂接触的所述电极之间流动的电流的改变。当电流的量级超过阈值时，可发生停止。当电流或电流相对于时间的导数的改变速率超过阈值时，可发生停止。当随检测电极和/或与所述蚀刻剂接触的电极的电压而变化的穿过所述纳米级电子元件的电流曲线的形状改变时，可发生停止。例如，所述纳米级电子元件的选通特性和/或电容改变。还可在指定时间之后停止所述纳米孔的蚀刻。还可通过用化学反应性低于所述蚀刻剂的流体替换所述蚀刻剂来停止所述纳米孔的蚀刻。还可通过改变施加至所述纳米级电子元件的电压来停止所述纳米孔的蚀刻。可基于电流来测定所述纳米孔的尺寸。可形成多个纳米孔。所述多个纳米孔中的每一个可与不同的纳米级电子元件对齐。可监测所述纳米级电子元件中的每一个的电反馈。可通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含纳米孔的基板，其包括：基板；设置在所述基板上的膜，其中所述膜限定穿过所述膜的至少一个纳米孔，并且其中所述纳米孔被构造成在所述膜的相对侧之间提供流体连通；和至少一个纳米级电子元件，其设置在所述膜上或所述膜中，其中所述纳米级电子元件能够导电，其中所述纳米级电子元件与所述膜就如下中的至少一个方面不同：形状、材料组成、导电性或化学结合，并且其中所述纳米级电子元件与所述纳米孔对齐，使得所述纳米级电子元件的边缘和所述纳米孔的边缘之间的最短距离小于50nm。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.01 US 62/085,7951.一种含纳米孔的基板，其包括：基板；设置在所述基板上的膜，其中所述膜限定穿过所述膜的至少一个纳米孔，并且其中所述纳米孔被构造成在所述膜的相对侧之间提供流体连通；和至少一个纳米级电子元件，其设置在所述膜上或所述膜中，其中所述纳米级电子元件能够导电，其中所述纳米级电子元件与所述膜就如下中的至少一个方面不同：形状、材料组成、导电性或化学结合，并且其中所述纳米级电子元件与所述纳米孔对齐，使得所述纳米级电子元件的边缘和所述纳米孔的边缘之间的最短距离小于50nm。2.根据权利要求1所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件的边缘与所述纳米孔的边缘交叉。3.根据权利要求1-2所述的含纳米孔的基板，其中所述基板由选自由下列组成的组的材料制成：硅、石英、熔融二氧化硅、蓝宝石、砷化镓和碳化硅。4.根据权利要求1-3中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述膜由介电材料制成。5.根据权利要求4所述的含纳米孔的基板，其中所述介电材料选自由下列组成的组：氮化硅、氧化铝、氧化铪、氧化钽、二氧化硅和氮化硼。6.根据权利要求1-3中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述膜由半导体或半金属制成。7.根据权利要求6所述的含纳米孔的基板，其中所述半导体或半金属选自由下列组成的组：金属二硫属化物、石墨烯、硅、锗和砷化镓。8.根据权利要求1-7中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述膜具有0.3nm至1，000nm的厚度。9.根据权利要求1-8中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件包括碳纳米管、石墨烯、金属、金属纳米线或半导体纳米线、具有小于20nm的厚度的金属电极或半导体电极，或两个电极之间的间隙。10.根据权利要求1-9中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件的边缘和所述纳米孔的边缘之间的最短距离小于10nm。11.根据权利要求1-10中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件的边缘和所述纳米孔的边缘之间的最短距离小于1nm。12.根据权利要求1-11中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件平行于限定围绕所述纳米孔的所述膜的表面平面的法向矢量定位。13.根据权利要求1-12中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米孔具有0.3nm至1,000nm的穿过所述膜的深度。14.根据权利要求1-13中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米孔具有1nm至50nm的宽度尺寸。15.根据权利要求14所述的含纳米孔的基板，其中所述宽度尺寸为1nm至20nm。16.根据权利要求1-15中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件由官能团官能化。17.根据权利要求16所述的含纳米孔的基板，其中所述官能团选自由下列组成的组：羧基基团、羟基基团、胺基团、硫醇基团、单核苷酸、核苷酸的序列、氨基酸、多肽和蛋白质。18.根据权利要求1-17中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件涂覆有电介质。19.根据权利要求1-18中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件与电路电接触。20.根据权利要求1-19中任一项所述的含纳米孔的基板，其还包括多个纳米级电子元件，其中所述多个纳米级电子元件形成设置在所述膜上或设置在所述膜中的阵列。21.根据权利要求20所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件中的两个彼此接触。22.根据权利要求1-19中任一项所述的含纳米孔的基板，其还包括多个纳米级电子元件和多个纳米孔，其中所述多个纳米级电子元件形成设置在所述膜上或设置在所述膜中的阵列，并且其中所述纳米孔中的每一个使所述纳米级电子元件中的一个与所述纳米孔对齐，使得所述纳米级电子元件的边缘和所述纳米孔的边缘之间的最短距离小于50nm。23.根据权利要求1-22中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件未暴露于平均加速电压大于1kV的电子束或离子束。24.根据权利要求23中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件不暴露于电子束或离子束。25.根据权利要求1-24中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件的垂直于流过所述纳米级电子元件的电流方向的尺寸不超过20nm。26.根据权利要求25所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件的垂直于流过所述纳米级电子元件的电流方向的尺寸不超过10nm。27.一种方法，其包括：在设置于基板上的膜上或在所述膜中设置能够导电的至少一个纳米级电子元件，其中所述膜由电介质、半导体或半金属制成；使所述膜与蚀刻剂接触；和相对于与所述蚀刻剂接触的另一电极，将电压施加于所述纳米级电子元件，使得至少一个纳米孔被蚀刻穿过所述膜。28.根据权利要求27所述的方法，其中在施加电压前，所述纳米级电子元件和所述蚀刻剂之间的空间被所述膜的一部分占据。29.根据权利要求27所述的方法，其中在施加电压时，所述蚀刻剂接触所述纳米级电子元件。30.根据权利要求27-29中任一项所述的方法，其中所述蚀刻剂包括选自由下列组成的组的一种或多种物质：氢氟酸、磷酸、氢氧化钾和四甲基氢氧化铵。31.根据权利要求27-30中任一项所述的方法，其中选择电压的标记和/或量级，以局部影响邻近所述纳米级电子元件的蚀刻剂的蚀刻速率。32.根据权利要求27-31中任一项所述的方法，其还包括：在所述膜的一侧上相对于所述膜的相对侧向流体施加压力；和在所述纳米孔被蚀刻穿过所述膜之后，使所述流体流动通过所述纳米孔，其中所述流体基本上不蚀刻所述膜并减少或停止对所述膜的蚀刻。33.根据权利要求27-32中任...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·埃尔登，A·科特斯，A·巴纳德，P·麦可优恩，
申请(专利权)人：康奈尔大学，
类型：发明
国别省市：美国,US