用于控制固態(tài)納米孔的大小的方法
【專利摘要】提供一種用于精確地?cái)U(kuò)大形成在膜中的納米孔的方法。該方法包括：施加電勢(shì)穿過該納米孔，其中該電勢(shì)具有在高值和低值之間振蕩的脈沖波形；在以低值將電勢(shì)施加到所述納米孔時(shí)，測(cè)量流經(jīng)該納米孔的電流；部分地基于所測(cè)量的電流確定納米孔的大?。灰约爱?dāng)納米孔的大小對(duì)應(yīng)于期望的大小時(shí)，移除施加到該膜的電勢(shì)。
【專利說明】用于控制固態(tài)納米孔的大小的方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉參引
[0002]本申請(qǐng)要求享有2012年5月7日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No. 61/643, 651和2013年 3月14日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No. 61/781,081的權(quán)益。每個(gè)上述申請(qǐng)的全部公開內(nèi)容都通 過引用的方式納入本文。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本公開內(nèi)容涉及使用高電場(chǎng)調(diào)整固態(tài)納米孔的大小的技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0004]生物納米孔和固態(tài)納米孔提供了在單個(gè)分子水平感測(cè)生物分子分析物的手段。個(gè) 體納米孔通常被嵌入在薄絕緣膜中，這為離子電流在兩個(gè)液體儲(chǔ)存器之間通過提供唯一的 管道。利用較大尺度庫(kù)爾特計(jì)數(shù)器的原理，納米孔實(shí)驗(yàn)與離子電流的變化相關(guān)聯(lián)以確定帶 電生物分子的長(zhǎng)度、大小、電荷和構(gòu)造，因?yàn)閹щ娚锓肿釉诖嬖谕獠侩妶?chǎng)的情況下會(huì)被電 泳驅(qū)動(dòng)通過納米孔。
[0005] 雖然生物納米孔（諸如a-溶血素）通常提供更大的靈敏度和低噪聲屬性，但是 支持的脂質(zhì)雙層是易碎的并且具有固定大小，限制了它們的應(yīng)用。另一方面，固態(tài)納米孔 通常被制造在?。?0-50nm)絕緣膜中，諸如，氮化硅膜或氧化硅膜，并且可被制成不同的大 小，容易與晶片尺度技術(shù)集成，并且是更結(jié)實(shí)的，允許更寬范圍的實(shí)驗(yàn)條件。盡管有這些優(yōu) 點(diǎn)，但是固態(tài)納米孔技術(shù)仍有限制它們用于生物分子研究的許多實(shí)際缺點(diǎn)。雖然控制納米 孔的大小是可行的，但是由于需要專業(yè)儀器和技術(shù)人員，因此通常實(shí)現(xiàn)起來(lái)既昂貴又費(fèi)力。 例如，最近已經(jīng)在掃描電子顯微鏡（SEM)中示出通過聚焦離子束鉆孔的納米孔會(huì)在特定實(shí) 驗(yàn)條件下收縮。在其它的方法中，通過透射電子顯微鏡（TEM)鉆孔的納米孔可根據(jù)束條件 以及隨后暴露于水性溶劑而擴(kuò)張或收縮。在這些情況下，限制了可實(shí)現(xiàn)的納米孔大小的范 圍，因?yàn)樵诨瘜W(xué)處理之后或當(dāng)浸入某一液體環(huán)境中時(shí)納米孔的大小會(huì)變化，所以難以控制 且甚至是不可靠的。
[0006]通過固態(tài)納米孔的離子電流還可能遭受高程度的噪聲，噪聲源是納米孔文獻(xiàn)中的 一個(gè)廣泛研究的話題。雖然已經(jīng)提出多種方法來(lái)減少電噪聲，但是可靠的、穩(wěn)定的低噪聲納 米孔的產(chǎn)率通常仍相當(dāng)?shù)?。在鉆孔和成像期間含碳?xì)埩粑锏某练e可對(duì)電氣信號(hào)質(zhì)量具有不 利影響，通常使完全濕潤(rùn)成為挑戰(zhàn)并導(dǎo)致形成可能難以移除的納米氣泡。此外，分析物分子 堵塞納米孔會(huì)降低信號(hào)質(zhì)量，致使孔不能用于另外的實(shí)驗(yàn)。這些影響大大減少了功能性納 米孔器件的產(chǎn)率并且增加了與固態(tài)納米孔研究相關(guān)的成本。因此，可靠的納米孔的可再現(xiàn) 制造和調(diào)整不僅對(duì)于學(xué)術(shù)研究環(huán)境是挑戰(zhàn)而且對(duì)于任何基于納米孔技術(shù)的商業(yè)化也仍是 挑戰(zhàn)。
[0007]本部分提供了與本公開內(nèi)容有關(guān)的背景信息，該背景信息不必然是現(xiàn)有技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本部分提供了公開內(nèi)容的總體概述，并不是完整公開了本公開內(nèi)容的全部范圍或 其所有特征。
[0009] 提供了一種用于調(diào)整形成在固態(tài)膜中的納米孔的方法。該方法包括：施加電勢(shì)穿 過納米孔，其中該電勢(shì)具有在高值和低值之間振蕩的脈沖波形；測(cè)量流經(jīng)該納米孔的電流； 部分地基于所測(cè)量的電流確定該納米孔的大小；以及當(dāng)該納米孔的大小對(duì)應(yīng)于期望的大小 時(shí)，移除施加穿過該納米孔的電勢(shì)。
[0010] 在本公開內(nèi)容的一個(gè)方面，對(duì)流經(jīng)該納米孔的電流的測(cè)量發(fā)生在以高值施加電勢(shì) 時(shí)；然而，在另一方面，對(duì)流經(jīng)該納米孔的電流的測(cè)量發(fā)生在以低值施加電勢(shì)時(shí)。
[0011] 在本公開內(nèi)容的一個(gè)方面，該方法還被限定以包括：為在納米孔中感生出電場(chǎng)的 電勢(shì)選擇一個(gè)值并在一個(gè)預(yù)定時(shí)間段內(nèi)施加該電勢(shì)，其中該電場(chǎng)為近似0. 3伏每納米。在 該預(yù)定時(shí)間段之后，將施加穿過該納米孔的電勢(shì)減少到小于所選擇的值的一個(gè)值，并且當(dāng) 以已減少的值施加電勢(shì)時(shí)，測(cè)量流經(jīng)該納米孔的電流。部分地基于所測(cè)量的電流確定該納 米孔的大小。
[0012] 在本公開內(nèi)容的一些方面，重復(fù)此過程直到所測(cè)量的電流超過閾值。當(dāng)重新施加 相對(duì)較高的電勢(shì)時(shí)，該電勢(shì)的極性可被反向以實(shí)現(xiàn)或維持孔幾何結(jié)構(gòu)的對(duì)稱。一旦所測(cè)量 的電流超出該閾值，則移除電勢(shì)。
[0013] 從本文提供的描述中將明了應(yīng)用的其它領(lǐng)域。在本
【發(fā)明內(nèi)容】
中的描述和具體實(shí)施 例僅旨在出于例示的目的并且不旨在限制本公開內(nèi)容的范圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 本文所描述的附圖僅出于例示選定的實(shí)施方案的目的而不是例示全部可能的實(shí) 施方式，并且不旨在限制本公開內(nèi)容的范圍。
[0015] 圖1是描繪用于調(diào)整納米孔的大小的示例技術(shù)的流程圖；
[0016] 圖2是描繪用于調(diào)整納米孔的示例設(shè)備的圖；
[0017] 圖3A和圖3B分別是例示應(yīng)用高電場(chǎng)之前和之后的電流跡線的曲線圖；
[0018] 圖4A是一個(gè)曲線圖，例示了施加穿過納米孔的電勢(shì)的脈沖波形和指示增長(zhǎng)的穿 過納米孔的增加離子電流；
[0019] 圖4B是例示通過改變施加的電勢(shì)可控制增長(zhǎng)速率的曲線圖；
[0020] 圖4C是例示通過改變?nèi)芤旱碾x子強(qiáng)度可控制增長(zhǎng)速率的曲線圖；
[0021] 圖5是例示電導(dǎo)的I-V測(cè)量值的曲線圖，所述測(cè)量值確認(rèn)納米孔大小已經(jīng)增加；
[0022] 圖6是例示與DNA分子的易位相關(guān)聯(lián)的電流跡線的曲線圖；
[0023] 圖7A和圖7B分別是對(duì)于llnm和32nm的孔的易位事件期間的電流阻塞的直方圖； 以及
[0024] 圖8是例示在不同條件下擴(kuò)大納米孔的有效性的曲線圖。在此情況下，膜的厚度 是 10nm。
[0025] 在貫穿附圖的多個(gè)視圖中相對(duì)應(yīng)的參考數(shù)字指示相對(duì)應(yīng)的部分。

【具體實(shí)施方式】
[0026] 現(xiàn)在將通過參照附圖更全面地描述示例實(shí)施方案。
[0027] 圖1例示用于調(diào)整預(yù)先形成在膜中的納米孔的大小的示例技術(shù)。高電場(chǎng)的施加被 用于精確地?cái)U(kuò)大納米孔的大小，同時(shí)確保最佳低噪聲性能。如在12處指示的，通過施加穿 過納米孔的電勢(shì)來(lái)產(chǎn)生高電場(chǎng)。選擇該電勢(shì)的值以感生出在〇. 1伏每納米以上（典型地在 〇. 1伏每納米和0.4伏每納米之間）的電場(chǎng)。盡管上面提供了具體值，感生的電場(chǎng)將根據(jù)膜 材料和其它因素變化，但是超出正被調(diào)節(jié)的納米孔的歐姆范圍（典型地在〇. 1伏每納米以 上）。
[0028] 長(zhǎng)期暴露于高電場(chǎng)會(huì)啟動(dòng)移除構(gòu)成孔壁的膜材料，導(dǎo)致納米孔直徑的增加。通過 調(diào)整該電場(chǎng)的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間可精確地控制該增長(zhǎng)。如在13處指示地，相對(duì)較高的電勢(shì)被 施加穿過納米孔長(zhǎng)達(dá)預(yù)定的時(shí)間段。在一個(gè)實(shí)施方案中，該時(shí)間段在100毫秒到5秒的范 圍內(nèi)。在另一些實(shí)施方案中，該時(shí)間段可更?。ɡ纾瑤孜⒚耄┗蚋L(zhǎng)（例如，幾分鐘）。在 該時(shí)間段結(jié)束以后，在14處，施加穿過該納米孔的電勢(shì)被減少到小于該相對(duì)較高值的一個(gè) 值。例如，該電勢(shì)可被減少到這樣一個(gè)值，該值感生出在0伏每納米到0. 1伏每納米的范圍 內(nèi)的電場(chǎng)。
[0029] 當(dāng)減小的電勢(shì)被施加穿過納米孔時(shí)，在15處，測(cè)量流經(jīng)該納米孔的電流，其中如 下面進(jìn)一步解釋的，所測(cè)量的電流與該納米孔的大小相關(guān)。在一些實(shí)施方案中，電勢(shì)被施加 作為一系列脈沖，在每個(gè)脈沖之間進(jìn)行測(cè)量。在另一些實(shí)施方案中，電流測(cè)量跟隨在一組脈 沖之后（例如，在每n個(gè)脈沖之后，其中n大于1)。
[0030] 在一個(gè)替代的方法中，當(dāng)施加的電勢(shì)保持高時(shí)，測(cè)量流經(jīng)納米孔的電流。由于電場(chǎng) 在納米孔系統(tǒng)的歐姆范圍以上，因此測(cè)量的電流提供了該納米孔大小的不太準(zhǔn)確的估計(jì)。 因此，當(dāng)納米孔的大小接近期望的大小時(shí)，以如上所述的脈沖方式施加電勢(shì)，使得在減小的 電勢(shì)下測(cè)量電流。
[0031] 當(dāng)納米孔的大小等于期望的大小時(shí)，移除施加到該納米孔的電勢(shì)。在一個(gè)示例實(shí) 施方案中，通過比較16測(cè)量的電流和閾值電流來(lái)確定納米孔的大小，其中閾值電流被選擇 以對(duì)應(yīng)于期望的大小。當(dāng)測(cè)量的電流等于或超過該閾值時(shí)，在17處，移除該電勢(shì)；否則，則 重復(fù)施加高的擴(kuò)大電勢(shì)隨后是較低測(cè)量電勢(shì)的過程直到滿足此條件。通過循環(huán)施加相對(duì)較 高的電壓脈沖，產(chǎn)生理想地用于單個(gè)分子研究的干凈、低噪聲的納米孔表面。隨著在實(shí)驗(yàn)過 程中由于分子吸附到納米孔表面使得納米孔堵塞而導(dǎo)致電流跡線降低時(shí)，可重復(fù)此過程以 恢復(fù)原本會(huì)被丟棄的堵塞器件。因此，通過多次使用同一器件的能力進(jìn)一步增加了功能性 納米孔的產(chǎn)率。此技術(shù)提供了許多優(yōu)點(diǎn)，如在實(shí)驗(yàn)條件下在液體中被快速執(zhí)行、僅需要標(biāo)準(zhǔn) 的實(shí)驗(yàn)室儀器、能夠用軟件自動(dòng)化、以及以超過95%的產(chǎn)率生產(chǎn)功能性的高質(zhì)量納米孔。
[0032] 盡管具有不同厚度的膜落在本公開內(nèi)容的范圍內(nèi)，但本公開內(nèi)容中研究的納米孔 是在30nm或10nm厚的氮化硅膜中鉆出的。由通常被用作用于晶體管的柵極材料的其它電 介質(zhì)材料組成的膜（例如，其它氧化物或氮化物）也落在本公開內(nèi)容的范圍內(nèi)。同樣地，膜 可由其它材料--諸如，石墨烯、氮化硼等--組成。
[0033] 盡管本文描述的方案可被應(yīng)用到使用任何方法制造的多種材料的固態(tài)納米孔，但 這些納米孔通常是通過TEM使用先前確定的方案而被鉆出的。用于本文描述的實(shí)驗(yàn)的納米 孔是通過TEM鉆出的并且典型地直徑在4nm到10nm之間。當(dāng)使用下面闡述的方案安裝并 調(diào)節(jié)30nm和10nm厚的膜時(shí)，除非另有說明，在此所描述的電壓偏置指的是30nm厚的膜所 要求的電壓偏置。對(duì)于具有不同厚度的膜，應(yīng)相應(yīng)地調(diào)節(jié)施加的電壓以在納米孔內(nèi)部生成 0. 1-0. 4伏每納米（在歐姆限制以上）的范圍內(nèi)的電場(chǎng)。
[0034] 一旦納米孔存在于絕緣膜中時(shí)，該絕緣膜可被直接安裝在液體室中而無(wú)需進(jìn)一步 處理或清潔。然而，如果有必要移除實(shí)驗(yàn)之間的微量污染物，或在一些嚴(yán)重堵塞的情況下， 使用硫酸-過氧化氫（piranha)溶液（3 :1H2S04:H202)或通過暴露于氧等離子體可清潔納 米孔芯片。此過程還可被用于移除由鉆孔、成像和使得納米孔表面親水以幫助濕潤(rùn)的操作 過程而留下的任何污染物，或移除特別持久的堵塞。然而，當(dāng)堵塞時(shí)，使用本文所描述的方 法可以在原位重新調(diào)節(jié)大多數(shù)器件，從而減少了準(zhǔn)備時(shí)間和處理刺激性化學(xué)品的需要。
[0035] 圖2描繪用于調(diào)整預(yù)先形成在膜中的納米孔的示例設(shè)備。該設(shè)備總體包括流體室 22 ; -對(duì)電極24 (例如，Ag/AgCl)，電聯(lián)接到電流放大器電路25 ;以及控制器26,與電流放 大器電路25接口連接。流體室22還由通過一個(gè)通路彼此流體聯(lián)接的兩個(gè)儲(chǔ)存器21限定， 該納米孔本身充當(dāng)用于所述兩個(gè)儲(chǔ)存器之間的離子電流的唯一管道。所述儲(chǔ)存器可填充有 水性溶液（例如，基于氯化物的鹽）、非水溶液（例如，乙醇中的LiCl)或其它類型的離子溶 液。
[0036] 電流放大器電路25運(yùn)行以在所述電極之間創(chuàng)建電勢(shì)并測(cè)量通過納米孔的電流流 動(dòng)。在一些實(shí)施方案中，控制器26可通過聯(lián)接到個(gè)人計(jì)算機(jī)27或另外類型的計(jì)算器件的 數(shù)據(jù)采集電路28被實(shí)施。因此，該設(shè)備類似于通常用于生物分子檢測(cè)的設(shè)備。本公開內(nèi)容 設(shè)想了用于調(diào)整納米孔的其它設(shè)備。
[0037] 在該示例設(shè)備中，納米孔室22被用于容納硅芯片32,該硅芯片32則容納含有納米 孔的膜30。用于將硅芯片32安裝在該設(shè)備中的示例方案如下所示。通過將納米孔室22放 置在20%的硝酸溶液中并煮沸10分鐘來(lái)清潔納米孔室22。小心地從硝酸中移除所述室22 并將它放置在沸騰的去離子水中10分鐘。移除所述室22并在新鮮的去離子水中進(jìn)一步煮 沸另外10分鐘以確保硝酸的完全移除。從熱板移除燒杯并允許它冷卻到室溫。從該燒杯移 除所述室22并用經(jīng)過濾的空氣或N2吹干。將室22存儲(chǔ)在清潔的培養(yǎng)皿中。通過在40°C 于真空下放置在超聲儀中30分鐘，獲得脫氣過濾的、緩沖的電解質(zhì)溶液。雖然多種不同pH 值的鹽溶液可被用于納米孔調(diào)節(jié)和擴(kuò)大，但在此所描述的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)是在用ffiPES緩沖的 pH8的1MKC1溶液中執(zhí)行的。通過在乙醇中超聲至少10分鐘清潔用于硅芯片32的兩個(gè) 硅膠彈性體墊片。將芯片32小心地放置在清潔的彈性體墊片上以將膜窗口和墊片開口對(duì) 齊。在芯片32的頂上放置并對(duì)齊第二墊片。將芯片32和兩個(gè)墊片放置在已清潔的納米孔 室22的一半的儲(chǔ)存器入口上。通過用螺栓將另一半固定就位來(lái)組裝所述室22。通過用移 液管將乙醇吸入到室儲(chǔ)存器中并放置在真空室中直到看到少量氣泡離開入口來(lái)使芯片32 濕潤(rùn)。通過用至少3ml經(jīng)脫氣的過濾的電解質(zhì)溶液沖洗該儲(chǔ)存器來(lái)移除乙醇。使用抽吸器 小心地移除溢流。硅膠芯片32然后被安裝在流體室22的兩個(gè)儲(chǔ)存器21之間。容易理解 的是，根據(jù)情況這些步驟中的一個(gè)或多個(gè)是可選的。而且，用于將含有納米孔的膜安裝在設(shè) 備中的其它技術(shù)也落在本公開內(nèi)容的范圍內(nèi)。
[0038] 在調(diào)整之前，納米孔可被可選地特性化。為此，將納米孔室放置在電屏蔽的實(shí)驗(yàn)設(shè) 備23中并將電極24放置在每個(gè)儲(chǔ)存器中。此設(shè)備類似于圖2中所示的設(shè)備，除了電流放 大器電路和控制器被替換為低噪聲電阻反饋放大器（例如，來(lái)自MolecularDevicesInc 的Ax〇patch200B膜片鉗位放大器）。以電壓鉗位模式使用該放大器，施加從-200mV掃到 +200mV的電勢(shì)并記錄I-V(電流-電壓）特性。擬合I-V曲線以獲得納米孔電導(dǎo)，該納米孔 電導(dǎo)可被用于計(jì)算溶液中納米孔的直徑。如果所計(jì)算的直徑遠(yuǎn)小于從TEM成像所預(yù)期的， 則該孔可能沒有完全濕潤(rùn)和/或含有雜物或污染物。施加200mV電勢(shì)穿過該納米孔并記錄 離子電流30秒。執(zhí)行該離子電流的功率譜密度（PSD)分析并積分以量化該納米孔的電氣 噪聲特性。如果該噪聲在5kHz帶寬下高于15pARMS，則該孔可能沒有完全濕潤(rùn)和/或含有 污染物并且不能被可靠地用在實(shí)驗(yàn)中。
[0039] 如果生成的I-V曲線展現(xiàn)非對(duì)稱或小于預(yù)期的電導(dǎo)，或電流跡線在低頻（〈10kHz) 下顯示出不穩(wěn)定和高噪聲水平，則有必要用高電場(chǎng)調(diào)節(jié)納米孔以移除該納米孔表面上的任 何污染物和/或濕潤(rùn)該納米孔。雖然此方法不影響由聯(lián)接到在測(cè)量中使用的電流放大器的 輸入的膜電容或任何寄生電容引起的高頻噪聲，但可大大減少低頻噪聲（也被稱作1/f噪 聲）。容易理解的是，在一些實(shí)例中該調(diào)節(jié)是不需要的。
[0040] 圖2是可被用來(lái)執(zhí)行該調(diào)節(jié)的示例設(shè)備。為此，使電極與膜片鉗位放大器斷開連 接。將所述電極之一連接到能夠生成大于3伏（對(duì)于在此使用的30nm厚的膜為>0.lV/nm 的電場(chǎng)強(qiáng)度）的計(jì)算機(jī)控制電源，并將另一個(gè)電極連接到能夠被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電流放大器電 路25。施加400mV(測(cè)量電壓）的電勢(shì)差穿過該納米孔至少5秒鐘。從數(shù)據(jù)的最后1秒計(jì) 算平均電流值以確定該納米孔的電導(dǎo)?；谠撾妼?dǎo)計(jì)算納米孔的直徑，此計(jì)算能夠使用由 控制器26實(shí)施的軟件和基于最可能的幾何結(jié)構(gòu)選擇的納米孔電導(dǎo)模型來(lái)自動(dòng)地完成。所 計(jì)算的直徑應(yīng)對(duì)應(yīng)于根據(jù)I-V曲線所測(cè)量的直徑。施加6伏（濕潤(rùn)電壓）的200ms脈沖穿 過納米孔以產(chǎn)生〇. 2V/nm的電場(chǎng)，隨后是在400mV下的5秒測(cè)量時(shí)間段。再次，使用數(shù)據(jù)的 最后1秒計(jì)算該納米孔的直徑并與根據(jù)TEM測(cè)量所期望的值比較以確保該納米孔完全濕 潤(rùn)。替代地，在此階段可完成上述的將電壓從_220mV斜坡升到+200mV并擬合I-V曲線以 提供更精確估計(jì)納米孔電導(dǎo)以及大小?？芍貜?fù)施加具有增加的電壓的高電場(chǎng)脈沖的過程直 到測(cè)量時(shí)間段期間的電流信號(hào)穩(wěn)定并示出預(yù)期的電導(dǎo)。由于這可能迅速和/或不受控地?cái)U(kuò) 大或損壞納米孔，因此在此階段不推薦超過10伏（即>〇. 3V/nm)。
[0041] 該納米孔的直徑是確定其用于特定生物分子檢測(cè)應(yīng)用的功能性的關(guān)鍵。為此，通 過施加高電場(chǎng)能夠使預(yù)先形成的納米孔擴(kuò)大到期望的大小，直到借助用于清潔并使納米孔 濕潤(rùn)的相同的設(shè)備（即，圖2)實(shí)現(xiàn)合適的直徑。使用相同的設(shè)備，施加200-500mV的偏置 穿過該孔以獲得直徑測(cè)量。雖然沒有擬合I-V曲線精確，但單個(gè)點(diǎn)測(cè)量可被用來(lái)快速粗略 估計(jì)納米孔的大小。
[0042] 施加具有脈沖波形的電勢(shì)穿過納米孔（例如，施加2秒的8伏脈沖穿過納米孔， 隨后是在400mV下的約5秒的測(cè)量時(shí)間段）。新直徑的計(jì)算將通常示出納米孔大小的非 常小的增加（即，〈O.lnm)。循環(huán)重復(fù)此過程，在擴(kuò)大電壓和測(cè)量電壓之間交替以獲得對(duì)增 加的納米孔直徑的原位測(cè)量和實(shí)時(shí)測(cè)量。如果期望更快的增長(zhǎng)速率，則施加的電壓的幅值 可遞增到高達(dá)10伏。根據(jù)納米孔的大小、電場(chǎng)的強(qiáng)度和電介質(zhì)溶液屬性，在孔隨著電導(dǎo)從 0.OSnSs4變化到lOnSs4的增長(zhǎng)速率而擴(kuò)大時(shí)，增長(zhǎng)通常將加速。因此，還可以改變電解質(zhì) 溶液的離子強(qiáng)度和pH來(lái)控制納米孔的增長(zhǎng)速率。
[0043] 當(dāng)達(dá)到期望的直徑時(shí)，停止施加高電場(chǎng)。使用由控制器26實(shí)施的計(jì)算機(jī)程序可自 動(dòng)地實(shí)施此調(diào)整技術(shù)。將膜片鉗位放大器重新連接到所述電極。如在上面提到的步驟中， 在200mV下獲取新的、低噪聲I-V和電流跡線數(shù)據(jù)以確認(rèn)納米孔的直徑并證實(shí)低噪聲電流 信號(hào)。如有必要，則重復(fù)調(diào)節(jié)并擴(kuò)大方案。
[0044] 圖3A示出用高電場(chǎng)處理之前和之后的在30nm厚的膜中的10nm納米孔的兩個(gè)典 型的離子電流跡線。一旦安裝了新鉆孔的納米孔，獲得展現(xiàn)高程度的低頻波動(dòng)的、不穩(wěn)定且 有噪聲的離子電流信號(hào)的可能性通常是高的。圖3A中示出的納米孔強(qiáng)調(diào)了此行為。其電 導(dǎo)遠(yuǎn)小于對(duì)具有其大小的納米孔所預(yù)期的，最有可能是由于不完全濕潤(rùn)。當(dāng)施加了由8V脈 沖（2秒持續(xù)時(shí)間的90個(gè)脈沖）產(chǎn)生的幅值為0. 27V/nm的高電場(chǎng)時(shí)，納米孔變得完全濕潤(rùn)。 隨后直徑被擴(kuò)大到21nm。此時(shí)，該孔展現(xiàn)具有低噪聲屬性的穩(wěn)定電導(dǎo)。對(duì)類似的納米孔中 的噪聲的定量分析被示出為圖3B中的功率譜密度圖。未濕潤(rùn)和/或堵塞的孔的低頻噪聲 幅值非常高（對(duì)于5kHz帶寬>20pARMS)，致使它們不可用在實(shí)驗(yàn)中。當(dāng)用高電場(chǎng)調(diào)節(jié)時(shí)， 低頻下（〈10kHz)的噪聲功率被減少達(dá)幅值的三個(gè)量級(jí)并準(zhǔn)備用于低噪聲實(shí)驗(yàn)。
[0045] 圖4A示出當(dāng)施加的電勢(shì)在用于擴(kuò)大的高電場(chǎng)和低電場(chǎng)的測(cè)量時(shí)間段之間脈沖跳 動(dòng)時(shí)的典型電流測(cè)量。在此示例實(shí)施方案中，電勢(shì)作為一系列矩形波被施加。在一些實(shí)施方 案中，對(duì)于給定脈沖的電勢(shì)可傾斜上升到峰值或從峰值傾斜下降（例如，線性地、指數(shù)地、 逐漸地等）。在另一些實(shí)施方案中，電勢(shì)可以在峰值處變化（例如，正弦形狀）。本公開內(nèi) 容設(shè)想了用于施加穿過的電勢(shì)的其它類型的波形。
[0046] 在每個(gè)接下來(lái)的脈沖之后，在測(cè)量電壓下結(jié)果獲得的通過納米孔的離子電流增加 一個(gè)有限量。這證明了納米孔的大小增加，因?yàn)榭梢詮钠湓诰哂袑?dǎo)電率〇的溶液中的電導(dǎo) G推導(dǎo)出直徑d，近似具有有效長(zhǎng)度1rff的圓柱形幾何結(jié)構(gòu)的納米孔。雖然存在用于將納米 孔電導(dǎo)與其幾何結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的多種其它模型，但是在高鹽濃度中，對(duì)于生物分子易位感興趣 的寬范圍的直徑，已經(jīng)為TEM鉆孔的納米孔驗(yàn)證了下面的關(guān)系。

【權(quán)利要求】
1. 一種用于精確地?cái)U(kuò)大形成在膜中的納米孔的大小的方法，包括： a) 為在納米孔中感生出電場(chǎng)的電勢(shì)選擇一個(gè)值，其中所述電場(chǎng)在0. 1伏每納米以上； b) 在一個(gè)預(yù)定時(shí)間段內(nèi)，以所選擇的值將電勢(shì)施加穿過布置在離子溶液中的納米孔； c) 在所述預(yù)定時(shí)間段之后，將施加穿過所述納米孔的所述電勢(shì)減少到一個(gè)值，該值小 于所選擇的值； d) 在以已減少的值施加電勢(shì)時(shí)，測(cè)量流經(jīng)納米孔的電流；以及 e) 部分地基于所測(cè)量的電流確定所述納米孔的大小。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括當(dāng)所測(cè)量的電流等于或超過一個(gè)閾值時(shí)，移除 施加穿過所述納米孔的所述電勢(shì)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括 f) 當(dāng)所測(cè)量的電流小于所述閾值時(shí)，將施加穿過所述納米孔的所述電勢(shì)增加到所選擇 的值，以及 g) 重復(fù)步驟（b)-(f)直到所測(cè)量的電流等于或超過所述閾值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括選擇所述電勢(shì)的值使得所述電場(chǎng)為近似0. 3伏 每納米。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括選擇所述電勢(shì)的值使得所述電場(chǎng)在0. 10伏每納 米到0. 4伏每納米的范圍內(nèi)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在使歐姆離子電流能夠穩(wěn)定的時(shí)間段內(nèi)，以所 述已減少的值施加電勢(shì)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括當(dāng)所測(cè)量的電流小于所述閾值時(shí)，以所選擇的 值重新施加電勢(shì)穿過所述納米孔，其中所述電勢(shì)的極性被反向。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括增加所述電勢(shì)的幅值以增加所述納米孔的增長(zhǎng) 速率。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括增加所述離子溶液的離子強(qiáng)度以增加所述納米 孔的增長(zhǎng)速率。
10. -種用于精確地?cái)U(kuò)大形成在膜中的納米孔的大小的方法，包括： 施加電勢(shì)穿過布置于離子溶液中的納米孔，所述電勢(shì)具有在高值和低值之間振蕩的脈 沖波形； 在所述電勢(shì)以低值被施加穿過所述納米孔時(shí)，測(cè)量流經(jīng)納米孔的電流； 部分地基于所測(cè)量的電流確定所述納米孔的大小；以及 當(dāng)所述納米孔的大小對(duì)應(yīng)于期望的大小時(shí)，移除施加到所述納米孔的所述電勢(shì)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括為所述電勢(shì)選擇所述高值，使得所述電場(chǎng)落 在0. 1伏每納米到0. 4伏每納米的范圍內(nèi)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括為所述電勢(shì)選擇所述低值，使得所述電場(chǎng)在 〇. 1伏每納米以下。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中確定所述納米孔的大小包括：比較所測(cè)量的電 流和一個(gè)閾值，并且當(dāng)所測(cè)量的電流超過所述閾值時(shí)移除穿過所述納米孔的所述電勢(shì)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括每隔一個(gè)脈沖使所述高值的極性在一個(gè)正值 和一個(gè)負(fù)值之間交替。
15. -種用于精確地?cái)U(kuò)大形成在膜中的納米孔的大小的方法，包括： 為在納米孔中感生出電場(chǎng)的電勢(shì)選擇一個(gè)值，其中所述電場(chǎng)在0. 1伏每納米以上； 以所選擇的值施加電勢(shì)穿過布置于離子溶液中的納米孔； 在所述電勢(shì)被施加穿過所述納米孔時(shí)，測(cè)量流經(jīng)納米孔的電流； 部分地基于所測(cè)量的電流估計(jì)所述納米孔的大小；以及 當(dāng)所測(cè)量的電流超過一個(gè)閾值時(shí)移除施加穿過所述納米孔的所述電勢(shì)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括 將施加穿過所述納米孔的所述電勢(shì)減少到一個(gè)值，該值小于所選擇的值； 在以已減少的值施加電勢(shì)時(shí)，測(cè)量流經(jīng)所述納米孔的電流；以及 在以已減少的值施加電勢(shì)時(shí)，部分地基于所測(cè)量的電流確定所述納米孔的大小。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括選擇所述電勢(shì)的值，使得所述電場(chǎng)為近似0. 3 伏每納米。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括選擇所述電勢(shì)的值，使得所述電場(chǎng)落在0. 10 伏每納米到0. 4伏每納米的范圍內(nèi)。
【文檔編號(hào)】B01D67/00GK104411386SQ201380036310
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2013年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月7日
【發(fā)明者】M·戈丁, E·比米什, V·塔巴德-科薩, W·H·郭 申請(qǐng)人:渥太華大學(xué)