包括流体通道的纳米孔感测器制造技术

本发明专利技术涉及包括流体通道的纳米孔感测器。本发明专利技术提供一种纳米孔感测器(3)，该感测器包括布置在支持结构(14)中的纳米孔(12)。流体通道(105)布置在第一流体储器(104)和纳米孔(12)之间，以通过流体通道(105)使第一流体储器(104)流体连接到纳米孔(12)。流体通道(105)具有大于通道宽度的通道长度。流体通道因此为微通道形式。第二流体储器(102)流体连接到纳米孔(12)，纳米孔(12)提供流体通道(105)和第二储器(102)之间的流体连通。连接电极(13,15)，以跨纳米孔(12)施加电位差。至少一个电转换元件(7)以连接布置在纳米孔感测器(3)中，以测定流体通道(105)局部的电位。电转换元件(7)作为场效应晶体管、单电子晶体管或对接近纳米孔(12)的电位敏感的荧光染料提供。第一流体和第二流体储器(102，105)之间的离子浓度比可以调节以便改进接近纳米孔(12)感测的电位。调节以便改进接近纳米孔(12)感测的电位。调节以便改进接近纳米孔(12)感测的电位。

【技术实现步骤摘要】
包括流体通道的纳米孔感测器
[0001]本申请是申请号为201680019980.7母案的分案申请。该母案的申请日为2016年2月4日；专利技术名称为“包括流体通道的纳米孔感测器”。
[0002]相关申请交叉引用本申请要求2015年2月5日提交的美国临时申请号62/112,630的权益，其全部内容通过引用结合到本文中。
[0003]关于联邦资助的研究的声明本专利技术根据NIH授予的合同号5DP1OD003900在政府支持下产生。政府拥有本专利技术的某些权利。


[0004]本专利技术一般涉及利用纳米孔感测器的感测系统，更具体地讲，涉及在物质移过纳米孔感测器时感测物质的技术。

技术介绍

[0005]固态纳米孔和生物纳米孔二者正逐渐成为研发低成本、高通量感测系统中重要努力的焦点，这种感测系统可用于感测宽范围物质，包括单分子，例如聚合物分子。基于纳米孔感测的一般方法利用测定通过纳米孔的离子电流，纳米孔提供于高阻两亲膜上，两亲膜在膜两侧上提供的电极之间。由于使分子(例如，聚合物分析物，如DNA)移过纳米孔，通过DNA链的不同核苷酸碱基调节通过纳米孔的离子电流。为了测定聚合物链的序列特征，可测定离子电流变化。为了检测蛋白，也例如在作为WO2013/123379公开的国际专利申请PCT/US2013/026414中报告用于检测多核苷酸以外的分析物的纳米孔装置。虽然为了DNA测序已在使用固态纳米孔的研发方法和系统中有相当多的努力，但实现商业化仍有很多挑战。另外，不同纳米孔结构也造成特殊挑战。例如，在使用纳米孔阵列中，其中可测定通过阵列中各纳米孔的离子电流，可在普通电极和在各纳米孔相应相反侧上提供的多个电极之间进行检测。在此，多个电极需要相互电隔离，这限制纳米孔装置的集成密度水平。
[0006]在一些方面，生物纳米孔相对于固态纳米孔是有利的，原因是它们提供不变且可再现的物理孔。然而，其中提供它们的两亲膜一般易碎，且会经受降解，这提供通过膜的离子泄漏通道。分析物移位通过生物纳米孔的速度可用酶控制。多核苷酸的酶辅助移位一般为约30个碱基/秒。为了提高分析物的通量率，高得多的移位速度合乎需要，但发现，感测信号测量一般可能存在问题。
[0007]为了避免由用于纳米孔感测的离子电流测定方法造成的技术挑战，已提出数种替代纳米孔感测方法。这些替代方法一般涉及利用整合有纳米孔的电子感测器记录相对局部纳米孔信号的布置。这些纳米孔感测方法包括例如跨纳米孔测量电容耦合和通过移过纳米孔的物质测量穿隧电流。虽然提供引人关注的供选感测技术，但这些电容耦合和穿隧电流测量技术仍未对用于纳米孔感测的常规离子电流检测技术改善，离子电流检测技术仍受到信号放大和信号带宽问题挑战。

技术实现思路

[0008]本专利技术提供一种纳米孔感测器，通过测定在感测器中提供的流体通道的局部电位，该感测器克服上述常规纳米孔感测器和纳米孔感测技术的限制。纳米孔感测器包括布置在支持结构中的纳米孔。流体通道布置在第一流体储器和纳米孔之间，以通过流体通道使第一流体储器以流体连接到纳米孔。流体通道具有大于通道宽度的通道长度。第二流体储器以流体连接到纳米孔，纳米孔提供流体通道和第二储器之间的流体连通。连接电极，以跨纳米孔施加电位差。利用连接在纳米孔感测器中布置至少一个电转换元件，以测定流体通道局部的电位。
[0009]这种纳米孔感测器结构使得能够通过转换元件感测局部电位，以提供高灵敏度、高带宽和与离子电流成比例的局部大信号。因此，可用纳米孔感测器以很高集成密度和分析物通量实现纳米孔感测应用，例如DNA测序。通过以下描述和附图及权利要求，本专利技术的其它特征和优点将显而易见。
附图说明
[0010]图1A为用于测定局部电位的第一实施例纳米孔感测器结构的示意电路图；图1B为图1A的纳米孔感测器结构的实施例晶体管实施方式的电路图；图1C为用于测定局部电位的第二实施例纳米孔感测器结构的示意电路图；图1D为图1C的纳米孔感测器结构的实施例晶体管实施方式的电路图；图1E为图1A和1C的感测器结构的组合的实施例晶体管实施方式的电路图；图1F为用于测定局部电位的纳米孔感测器结构的单电子晶体管实施方式的示意平面图；图1G为用于测定局部电位的纳米孔感测器结构的量子点接触实施方式的示意平面图；图1H为布置用于测定局部电位的蛋白纳米孔感测器结构的实施方式的包括荧光染料的脂质双层的示意侧视图；图2A为用于测定局部电位的纳米孔感测器结构的示意图和相应电路元件；图2B为图1B的纳米孔感测器晶体管实施方式的电路图；图3A为如限定用于感测器定量分析的测定局部电位的纳米孔感测器结构的几何特征的示意侧视图；图3B
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3C分别为对于其中顺和反储器包括相等离子浓度的流体溶液的结构和对于其中顺储器(cis reservoir)和反储器(trans reservoir)包括不相等离子浓度的流体溶液的结构，用于测定局部电位的纳米孔感测器的纳米孔中电位在此作为从纳米孔进入顺储器的距离的函数标绘的绘图；图3D
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3E分别为相当于图3A
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3B的电位的绘图的用于测定局部电位的纳米孔感测器的纳米孔中电场的绘图；图4A为对于50nm厚纳米孔薄膜和1V跨膜电压(TMV)结构在dsDNA分子移位通过纳米孔时对于电泳物质移位在纳米孔中的电位变化，作为纳米孔构造用于局部电位测定时低于10nm的不同纳米孔直径的C
顺
/C
反
离子浓度比的函数的绘图；图4B为对于图4A绘图的条件在1V TMV下10nm直径纳米孔在反储器中的电位变化
的绘图；图4C为对于构造用于局部电位测定的纳米孔感测器的噪声源和信号作为记录带宽的函数的绘图；图4D为构造用于局部电位测定的纳米孔感测器的带宽作为一定范围储器溶液浓度比的顺室溶液浓度的函数的绘图；图4E为构造用于局部电位测定的纳米孔中从纳米孔部位的信号衰减长度作为顺和反储器溶液浓度比的函数的绘图；图5为包括在第一储器(在此为反储器)和支持结构中纳米孔之间连接的流体通道的纳米孔感测器的示意图；图6为图5的纳米孔感测器的电路模型；图7为测定跨导信号与最大可达到跨导信号之比作为流体通道电阻和纳米孔电阻之间之比的函数的绘图；图8为具有几何参数定义的图5的纳米孔感测器的示意侧视图；图9为图5的感测器中流体通道电阻与纳米孔电阻之比作为选择感测器尺寸的流体通道直径与流体通道长度之比的函数的绘图；图10为测定跨导信号与最大可达到跨导信号之比作为选择感测器尺寸的流体通道直径与流体通道长度之比的函数的绘图；图11为第一流体通道结构的示意侧视图；图12为对于纳米孔在支持结构上布置的流体通道的示意侧视图；图13为阳极化氧化铝流体通道结构的示意侧视图；图14为横向流体通道结构的示意侧视图；图15A
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15B为实施例横向流体通道结构的示意俯视图；图16A
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16E为布置有用于进行局部电位测定的元件的流体通道结构的示意侧视图；图17为构造用于局部电位测定的具有在薄膜上布置的纳米线FET的纳米孔感测器的示意图；图18为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于感测分子穿过纳米孔的移位的方法，包括：将第一流体储器中的第一流体溶液中的至少一种分子引导至纳米孔的入口，所述第一流体储器被设置成与纳米孔的入口直接流体连接；将所述第一流体溶液中的所述分子移位通过所述纳米孔至纳米孔出口并且通过被设置成与所述纳米孔出口直接流体连接的流体通道，至被设置成与所述流体通道直接流体连接的第二流体贮存器中的第二流体溶液，所述流体通道具有至少一个流体区段，所述至少一个流体区段具有大于流体区段宽度的流体区段长度；以及在所述分子的移位期间测量所述流体通道的局部电位，以感测所述分子的移位。2.权利要求1所述的方法，其中对分子进行移位包括对选自选自DNA、DNA片段、RNA、RNA片段、PNA、核苷酸、核苷、寡核苷酸、蛋白、多肽、氨基酸和聚合物的至少一种分子进行移位。3.权利要求1所述的方法，其中测量所述流体通道的局部电位包括产生表示所述流体通道的局部电位的信号，并测量所产生的信号。4.权利要求1所述的方法，其中测量所述流体通道局部的电位包括利用电转换元件产生指示所述流体通道局部的电位的电压，并测量所产生的电压。5.权利要求1所述的方法，其中测量所述流体通道的局部电位包括用设置在所述流体通道内的电转换元件产生指示所述流体通道的局部电位的信号，并测量所产生的信号。6.权利要求1所述的方法，其中测量所述流体通道的局部电位包括利用与设置在所述流体通道中的电转换元件相连的电路产生指示所述流体通道的局部电位的信号。7.权利要求1所述的方法，其中测量所述流体通道局部的电位包括测量由晶体管产生的信号。8.权利要求1所述的方法，其中测量所述流体通道局部的电位包括测量设置在所述流体通道中的感测电极的电压。9.权利要求1所述的方法，其还包括在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢平，
申请(专利权)人：哈佛大学校长及研究员协会，
类型：发明
国别省市：