使用高電場(chǎng)制造納米孔的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[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)制造納米孔的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0004] 納米技術(shù)依賴于我們?cè)诩{米尺度上操縱物質(zhì)和制造器件結(jié)構(gòu)的能力。目前在納米 尺度上可重復(fù)實(shí)現(xiàn)尺寸控制的固態(tài)制造方法通常是復(fù)雜的，并且涉及使用由非常合格的人 員操作的昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施。例如，在薄的絕緣固態(tài)膜中制造分子尺度的孔或納米孔的問題 需要使用由專用離子束機(jī)器（離子束雕刻）或透射電子顯微鏡（TEM鉆孔）產(chǎn)生的聚焦高能 粒子。盡管納米制造中的這些進(jìn)步已經(jīng)在學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室可達(dá)到的范圍內(nèi)使納米尺度器件的制 造具有亞納米控制，但是它們難以適合在膜中大量生產(chǎn)孔以創(chuàng)建納米孔。這代表了用于健 康科學(xué)應(yīng)用（包括快速DNA測(cè)序）的所有固態(tài)的基于納米孔的技術(shù)的商業(yè)化的主要障礙。
[0005] 此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】

[0006] 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。
[0007] 提供一種用于在浸沒于含有離子的溶液中的電介質(zhì)膜中制造納米孔的方法。該方 法包括：施加穿過該膜的電勢(shì)，其中該電勢(shì)的值被選擇以感生引起穿過原本絕緣的膜的泄 漏電流的電場(chǎng)；在該電勢(shì)被施加時(shí)，監(jiān)測(cè)穿過該膜的電流流動(dòng)；檢測(cè)穿過該膜的泄漏電流 中的突然不可逆增加；以及響應(yīng)于檢測(cè)到該泄漏電流的突然增加而移除穿過該膜的電勢(shì)以 停止納米孔的制造。
[0008] 在一個(gè)方面，通過比較所監(jiān)測(cè)的電流的值和一個(gè)閾值來檢測(cè)泄漏電流中的突然增 加，并且隨后當(dāng)所監(jiān)測(cè)的電流的值超過該閾值時(shí)停止施加該電勢(shì)。
[0009] 在另一個(gè)方面，該膜被布置在填充有流體的兩個(gè)儲(chǔ)存器之間，從而防止所述流體 在所述兩個(gè)儲(chǔ)存器之間通過。
[0010] 還提供一種用于在膜中制造納米孔的裝置。該裝置包括：兩個(gè)儲(chǔ)存器，通過一個(gè)通 路彼此流體聯(lián)接；一對(duì)電極，被電連接到電壓源使得所述兩個(gè)儲(chǔ)存器的每一個(gè)中布置有一 個(gè)電極，且所述一對(duì)電極生成穿過該膜的電勢(shì)；電流傳感器，被電聯(lián)接到所述電極之一并且 可操作以測(cè)量在所述兩個(gè)儲(chǔ)存器之間流動(dòng)的電流；以及控制器，與所述電流傳感器接口連 接，其中，所述控制器檢測(cè)所測(cè)量電流中的突然增加，并且響應(yīng)于檢測(cè)到所述測(cè)量電流中的 所述突然增加，移除穿過電極的電勢(shì)。 toon] 從本文提供的描述中將明了應(yīng)用性的其它領(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。
【附圖說明】
[0012] 圖1是描繪根據(jù)本公開內(nèi)容的用于制造單個(gè)納米孔的方法的流程圖；
[0013] 圖2A是描繪用于制造納米孔的一個(gè)示例設(shè)備的圖；
[0014] 圖2B是一個(gè)示例流體室（fluidic cell)的圖；
[0015] 圖3是可用于制造納米孔的一個(gè)示例電流放大器電路的示意圖；
[0016] 圖4A-圖4D是例示通過高電場(chǎng)在薄膜中制造納米孔的圖；
[0017] 圖5是描繪與施加的電場(chǎng)有關(guān)的室中的泄漏電流的曲線圖；
[0018] 圖6和圖7分別是描繪在具有IOnm和30nm厚度的膜中的孔創(chuàng)建事件的曲線圖；
[0019] 圖8是描繪針對(duì)在不同的膜上制造的三個(gè)獨(dú)立的納米孔的電流-電壓曲線的曲線 圖；
[0020] 圖9A、圖9B和圖9C是描繪對(duì)于具有30nm厚度的膜而言的孔創(chuàng)建時(shí)間作為跨膜電 勢(shì)的函數(shù)的曲線圖，對(duì)于具有30nm厚度的膜而言的孔創(chuàng)建時(shí)間作為pH的函數(shù)的曲線圖，以 及對(duì)于具有IOnm厚度的膜而言的孔創(chuàng)建時(shí)間作為跨膜電勢(shì)的函數(shù)的曲線圖；
[0021] 圖10是歸一化的平均電流阻滯相對(duì)于多個(gè)單分子事件的總易位時(shí)間的散點(diǎn)圖；
[0022] 圖11是例示一種用于定位形成納米孔的技術(shù)的圖；以及
[0023] 圖12是例示另一種用于定位形成納米孔的技術(shù)的圖。
[0024] 本文所描述的附圖僅出于例示所選定的實(shí)施方案而不是所有可能的實(shí)施方式的 目的，并且不旨在限制本公開內(nèi)容的范圍。貫穿附圖的多個(gè)視圖中，相應(yīng)的參考數(shù)字指示相 應(yīng)的部分。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 圖1描繪了用于在薄膜中制造具有亞納米分辨率（例如，1-100納米）的單個(gè)納米 孔的簡(jiǎn)單且低成本的方法。該方法依賴于在12處施加穿過薄膜的電壓以生成足夠高的電 場(chǎng)來感生出穿過薄膜的泄漏電流。在一些實(shí)施方案中，該膜被布置在填充有流體的兩個(gè)儲(chǔ) 存器之間，使得該膜將兩個(gè)儲(chǔ)存器分開并且防止流體在兩個(gè)儲(chǔ)存器之間的流動(dòng)。在施加電 場(chǎng)時(shí)，在14處監(jiān)測(cè)穿過該膜的電流流動(dòng)。通過泄漏電流的突然不可逆的增加指示單個(gè)納米 孔的創(chuàng)建（即，跨越該膜的流體通道）。為了檢測(cè)納米孔的創(chuàng)建，在16處可將監(jiān)測(cè)的電流與 預(yù)定閾值進(jìn)行比較。當(dāng)監(jiān)測(cè)的電流超過閾值時(shí)，在18處終止所施加的電壓。因此，盡管下 文還要描述影響該納米孔的大小的其它因素，但是可主要基于電流閾值設(shè)置該納米孔的初 始大小。當(dāng)談到納米孔的形成時(shí)，本文所描述的技術(shù)更普遍地可應(yīng)用于變化大小的孔。
[0026] 圖2A和圖2B中示出用于制造納米孔的示例設(shè)備的示意圖。該設(shè)備總體包括流體 室22 ;-對(duì)電極24,該對(duì)電極24電聯(lián)接到電流放大器電路25 ;以及控制器26,該控制器與 電流放大器電路25接口連接。流體室22由通過通路34彼此流體聯(lián)接的兩個(gè)儲(chǔ)存器33進(jìn) 一步限定，如最好地在圖2B中看到的那樣。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)并且測(cè)量?jī)蓚€(gè)儲(chǔ)存器33之間的電流流動(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或另一種類型的計(jì)算器件的數(shù)據(jù)采集電路28實(shí)施。因此，該設(shè)備類似 于通常用于納米孔感測(cè)領(lǐng)域中的生物分子檢測(cè)的設(shè)備。流體室22和/或整個(gè)系統(tǒng)可被布 置在接地的法拉第籠23中以隔離電噪聲。本公開內(nèi)容設(shè)想了用于制造納米孔的其它設(shè)備。
[0027] 在示例設(shè)備中，硅芯片31被用于容納膜30。硅芯片31被夾在兩個(gè)硅膠墊圈32之 間并且位于流體室22的兩個(gè)儲(chǔ)存器33之間。在一些實(shí)施方案中，流體室22由聚四氟乙烯 (PTFE)組成，但是設(shè)想了其它材料。通過流體室22向兩個(gè)硅膠墊圈32施加小壓力以緊密 地密封接觸。兩個(gè)儲(chǔ)存器33填充有含有離子的流體，并且兩個(gè)電極24被插入到流體室22 的相應(yīng)儲(chǔ)存器中。示例設(shè)備可包括但不限于帶有Ag/AgCl電極的基于氯化物的鹽溶液，或 者帶有銅電極的硫酸銅溶液。該流體還可以是非水溶劑，諸如乙醇中的IM LiCl。兩個(gè)儲(chǔ)存 器中的流體可以相同并且不需要擁有針對(duì)膜材料的有源蝕刻作用。還設(shè)想了其他類型的流 體和將該膜定位在兩個(gè)儲(chǔ)存器之間的其他類型的裝置，諸如，微封裝和納米流體封裝