固态纳米孔形成制造技术

本发明专利技术涉及一种用于产生包括开孔的衬底的方法，所述方法包括：提供衬底，所述衬底包括固态膜和在所述固态膜的第一表面上的化学表面改性；以及通过所述化学表面改性和所述固态膜形成开孔。本发明专利技术还涉及包括化学表面膜和开孔的衬底、包括此类衬底的传感器和包括此类衬底的设备。底的设备。底的设备。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】固态纳米孔形成
[0001]相关申请
[0002]本申请根据35U.S.C.
§
119(e)要求于2020年7月22日提交的题为“固态纳米孔形成(SOLID STATE NANOPORE FORMATION)”的美国临时申请序列号63/055,126的提交日期的权益，所述美国临时申请的全部内容通过引用并入本文。


[0003]本专利技术涉及一种用于在衬底中产生开孔的方法，所述衬底包括固态膜和在其表面上的化学表面改性。还提供了一种包括开孔的衬底，所述衬底可以通过本专利技术的方法获得。具体地，本专利技术提供了一种衬底，所述衬底具有化学表面改性并且(i)包括直径小于5nm的开孔，或(ii)包括直径为50nm的开孔并且具有跨所述开孔安置的两亲性分子层。本专利技术进一步提供了一种包括如本文所描述的衬底的传感器，以及一种使用此类传感器表征聚合物的方法。

技术介绍

[0004]纳米大小的孔可用于需要纳米级操作的多种装置中。一个重要的应用是定位、检测和或表征聚合物，例如多核苷酸或多肽。可以通过观察分析物分子与能够传导离子的纳米大小的孔之间的单独结合或相互作用来检测或表征聚合物。例如，可以在存在聚合物的情况下测量通过孔的离子电流。在孔处或孔附近的聚合物种类的存在将改变通过孔的离子流，导致穿过孔测量的离子或电流改变。聚合物的同一性可以通过其独特的电流特征揭露，尤其是电流块的持续时间和程度以及与孔相互作用期间电流电平的变化。
[0005]纳米大小的孔可以由无机和/或有机材料产生。生物分子孔是布置成提供穿过其中的通道的生物分子；实例包含由采用包括通道的三维形状的一种或多种蛋白质形成的蛋白纳米孔。另一种类型的孔是包含具有穿过其中的开孔的固态膜的固态纳米孔。固态纳米孔在工业装置的制造中特别有用，因为其具有提供优异的耐久性、良好的孔径和形状控制的潜力，并且适用于插入到晶片型装置中。
[0006]在固态膜用于产生纳米孔的情况下，通常期望对固态膜的表面进行改性，以优化其性质，用于后续使用。例如，可能期望为固态膜提供保护性或生物相容性涂层，以使其与生物系统相容。具体地，可能期望对固态膜的疏水性、化学特异性、化学反应性或表面电荷进行改性。这可以通过对固态膜进行化学表面改性来完成。然而，已知的方法不能提供与化学表面改性相结合的全部范围的期望的开孔大小。
[0007]在固态膜中产生开孔的典型方法包含使用聚焦离子束、离子束雕刻和透射电子显微镜。这些是高能的、侵蚀性的过程，其破坏了所产生的开孔周围区域中固态膜表面上的化学表面改性。因此，先前的工作者已经得出结论，在应用任何化学表面改性之前，必须在固态膜中产生开孔。
[0008]尽管在开孔产生之后可以进行化学表面改性，但是当固态膜中存在小开孔时，这种方法是不利的。对包括小开孔，通常直径小于10nm的固态膜应用化学表面改性往往会堵
塞孔(Wanunu和Meller,《纳米快报(Nano Letters)》(2007),第7卷,第6期,第1580
‑
1585页)。因此，仍然需要一种产生固态膜的方法，所述固态膜包括化学表面改性和开孔，具体地小开孔。
[0009]期望提供一种固态膜，所述固态膜包括化学表面改性和任何大小的开孔，具体地小开孔。具体地，非常期望提供一种固态膜，所述固态膜包括化学改性和小开孔，所述小开孔具有跨开孔安置的脂质双层。这在离子通道测量的情况下特别有用。已经进行的实验表明，可以将生物分子孔(如α
‑
溶血素)插入到固态膜的开孔中，由此形成包括固态膜、开孔和生物分子孔的“混合纳米孔”。然而，由于电流通过生物分子孔体周围的开孔的泄漏，所以在固态膜上进行的离子通道测量是不可靠的(Hall等人,《自然纳米技术(Nature Nanotechnology)》(2010),第5卷,第874
‑
877页)。包含跨开孔安置的脂质双层将形成防止电荷穿过固态膜转移的密封。然而，必须对典型的固态膜的表面进行改性，以便能够支撑脂质双层。此外，跨越大直径开孔的脂质双层易受压力波动、机械振动和电干扰的影响，并且因此在形成之后不久就非常容易失效(White等人,《美国化学学会期刊(J.Am.Chem.Soc.)》(2007),第129卷,第11766
‑
11775页)。
[0010]一旦在固态膜中形成开孔，可以将促进固态膜支撑脂质双层的能力的化学表面改性应用于固态膜。然而，在开孔较大的情况下，化学表面改性可以沉积在开孔的内壁上，并且可以促使脂质双层排列在开孔的内壁上，而不是跨越开孔并形成期望的电荷密封。进一步地，当开孔很小时，随后添加化学表面改性可能会导致孔堵塞(如上文所讨论的)。
[0011]本专利技术旨在提供一种用于产生包括开孔和化学表面改性的衬底的通用方法，所述方法克服了上述困难。本专利技术还旨在提供一种现有技术所不能提供的衬底，所述衬底包括具有表面改性的固态膜和开孔，具体地小开孔。

技术实现思路

[0012]本专利技术人已经发现，在对固态膜进行化学表面改性之后可以在不破坏化学表面改性的情况下将在固态膜中形成开孔的替代性方法应用于固态膜。因此，根据本专利技术的实施例，提供了一种用于产生包括开孔的衬底的方法，所述方法包括：
[0013]‑
提供衬底，所述衬底包括固态膜和在所述固态膜的第一表面上的化学表面改性；以及
[0014]‑
通过所述化学表面改性和所述固态膜形成开孔。
[0015]用于在固态膜中产生开孔的合适的方法是介电击穿方法。因此，在本专利技术的方法的一方面，所述通过所述化学表面改性和所述固态膜形成开孔的步骤包括引起所述固态膜的介电击穿。本专利技术人已经证明这可以以可控的方式逐渐打开开孔，同时保持附近的化学表面改性。
[0016]本专利技术的方法的特别优点是，因为使用了侵蚀性较小的形成开孔的方法，所以开孔的产生可以在存在可以对固态膜的表面进行改性的前体的情况下进行。本专利技术人已经惊奇地发现，化学表面改性前体可以立即附着在开孔的内壁上，而不是堵塞开孔(即使开孔非常小，约为5nm或更小)。不希望受理论的束缚，据推测，化学表面改性前体容易附着在开孔壁上而不是简单堵塞孔的能力可能与“新鲜表面”因开孔的产生而暴露的事实有关。用开孔产生的固态膜的新鲜表面没有暴露于环境中并且没有被改性(例如，通过氧化)。因此，当直
接暴露于化学表面改性前体时，开孔的内壁可能特别容易反应。
[0017]非常期望在开孔的内壁上提供化学表面改性，即使在开孔很小的情况下，例如钝化孔，由此防止开孔随后暴露于生物分子时堵塞。
[0018]因此，一方面，本专利技术的方法包括允许化学表面改性在所述开孔的壁上，例如在所述开孔的内壁上立即形成。例如，在本专利技术的方法中，
[0019]‑
所述固态膜的第一表面上的所述化学表面改性与第一离子溶液接触；
[0020]‑
所述固态膜的第二表面或所述固态膜的所述第二表面上的化学表面改性与第二离子溶液接触；并且
[0021]‑<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于产生包括开孔的衬底的方法，所述方法包括：
‑
提供衬底，所述衬底包括固态膜和在所述固态膜的第一表面上的化学表面改性；以及
‑
通过所述化学表面改性和所述固态膜形成开孔。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述化学表面改性包括改性所述固态膜的所述第一表面的表面特性的层。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述表面特性选自疏水性、化学反应性、化学特异性和表面电荷中的一种或多种。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述表面特性是疏水性。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述化学表面改性由厚度小于10nm，优选地厚度小于5nm，更优选地厚度小于2nm的层组成。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述化学表面改性的至少部分是暴露的。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述化学表面改性包括多个分子。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述多个分子在所述固态膜的所述第一表面上布置成单层。9.根据权利要求7或权利要求8所述的方法，其中所述多个分子在所述固态膜的所述第一表面上布置成自组装层。10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中所述多个分子被布置成使得所述固态膜的所述第一表面上没有反应位点通过所述化学表面改性而暴露。11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其中所述多个分子中的每个分子与所述固态膜的所述第一表面化学结合。12.根据权利要求11所述的方法，其中所述多个分子中的每个分子与所述固态膜的所述第一表面共价结合。13.根据权利要求7至12中任一项所述的方法，其中所述分子是有机分子。14.根据权利要求7至13中任一项所述的方法，其中所述分子包括疏水性部分。15.根据权利要求7至14中任一项所述的方法，其中所述分子包括任选地经取代的烷基或烯基部分。16.根据权利要求7至15中任一项所述的方法，其中所述分子是有机硅烷分子的衍生物，优选地具有式
‑
SiCl2‑
C
18
H
37
的十八烷基三氯硅烷分子的衍生物。17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述固态膜包括在所述固态膜的第二表面上如权利要求1至16中任一项所定义的化学表面改性。18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述固态膜包括介电材料。19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述固态膜包括陶瓷、固态有机聚合物、固态无机聚合物或玻璃中的一种或多种；优选地陶瓷。20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述固态膜包括Si、Al、Hf和Zr中的一种或多种。21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述固态膜包括硅和/或铝的氮化物和/或氧化物。22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述固态膜包括式SiN
x
的化合物，其
中x为1至2。23.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述固态膜包括多个层，其中每个层包括如权利要求18至22中任一项所定义的材料。24.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述固态膜在所述开孔附近的平均厚度为1至100nm，优选地2至30nm，更优选地5至20nm。25.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述开孔的直径小于100nm。26.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述开孔的直径小于50nm。27.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述开孔的直径为0.1至10nm，优选地0.1至5nm。28.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述通过所述化学表面改性和所述固态膜形成开孔的步骤包括引起所述固态膜的介电击穿。29.根据权利要求28所述的方法，其中所述形成开孔的步骤包括：使第一电极与第一离子溶液接触，所述第一离子溶液与所述固态膜的所述第一表面上的所述化学表面改性接触；以及使第二电极与第二离子溶液接触，所述第二离子溶液与所述固态膜的第二表面或其上的化学表面改性接触；以及跨所述固态膜施加第一电压。30.根据权利要求29所述的方法，其中所述第一离子溶液和/或所述第二离子溶液包括脂质。31.根据权利要求28至30中任一项所述的方法，其中所述形成所述开孔的步骤包括跨所述固态膜施加第一电压，直到跨所述固态膜检测到稳定电流泄漏为止。32.根据权利要求29至31中任一项所述的方法，其中所述第一电压为5V或更高，优选地10V或更高。33.根据权利要求29至32中任一项所述的方法，其中所述形成所述开孔的步骤进一步包括跨所述固态膜施加第二电压，直到所述稳定电流泄漏达到阈值为止。34.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述固态膜的第一表面上的所述化学表面改性与第一离子溶液接触，并且所述固态膜的第二表面或所述固态膜的所述第二表面上的化学表面改性与第二离子溶液接触。35.根据权利要求34所述的方法，其中所述第一离子溶液和/或所述第二离子溶液包括化学表面改性前体。36.根据权利要求35所述的方法，其中所述方法进一步包括允许化学表面改性在所述开孔的内壁上立即形成。37.根据权利要求35或36所述的方法，其中所述化学表面改性前体包括有机分子。38.根据权利要求35至37中任一项所述的方法，其中所述化学表面改性前体包括疏水性部分。39.根据权利要求35至38中任一项所述的方法，其中所述化学表面改性前体包括任选地经取代的烷基或烯基部分。40.根据权利要求35至39中任一项所述的方法，其中所述化学表面改性前体是有机硅烷，优选地十八烷基三氯硅烷。41.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法包括跨所述开孔安置两亲性分子层。
42.根据权利要求41所述的方法，其中跨所述开孔安置的所述两亲性分子层包括两亲性分子双层。43.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法包括在所述固态膜的所述第一表面上的所述化学表面改性上并且跨所述开孔安置第一两亲性分子层。44.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法包括在所述固态膜的第二表面上、或在所述固态膜的所述第二表面上的化学表面改性上并且跨所述开孔安置第二两亲性分子层。45.根据权利要求41至44中任一项所述的方法，其中所述两亲性分子包括脂质分子。46.根据权利要求45所述的方法，其中所述两亲性分子包括DPhPC或TBCP。47.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法包括将生物分子孔插入到所述开孔中。48.根据权利要求47所述的方法，其中所述方法包括将不超过一个生物分子孔插入到所述开孔中。49.根据权利要求47或48所述的方法，其中所述生物分子孔包括蛋白纳米孔或DNA折纸纳米孔。50.根据权利要求49所述的方法，其中所述蛋白纳米孔包括细胞溶素A(ClyA)、Phi29门户蛋白、CsgG、α
‑
溶血素、耻垢分枝杆菌孔蛋白A(MspA)、胞溶素、气单胞菌溶素、细胞毒素K(cytk)、(FraC)或海葵溶细胞素fragaceatoxin C(actinoporin fragaceatoxin C)。51.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法是产生混合纳米孔的方法，所述方法包括：
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提供衬底，所述衬底包括固态膜和在所述固态膜的第一表面上的化学表面改性；
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通过所述化学表面改性和所述固态膜形成开孔；
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跨所述开孔安置两亲性分子层；以及
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将生物分子孔插入到所述两亲性分子层中。52.根据权利要求51所述的方法，其中所述将生物分子孔插入到所述两亲性分子层中的步骤包括跨所述两亲性分子层施加电压。53.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其包括在所述固态膜的所述第一表面上形成所述化学表面改性，所述方法包括使所述固态膜的所述第一表面与包括化学表面改性前体的第一离子溶液接触。54.根据权利要求53所述的方法，其中所述化学表面改性前体如权利要求37至40中任一项所定义。55.根据权利要求53或54所述的方法，其包括在使所述固态膜的所述第一表面与所述包括化...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢平，
申请(专利权)人：牛津纳米孔科技公开有限公司，
类型：发明
国别省市：