包括空間上分離的官能感應(yīng)部件的納米流體傳感器的制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
【背景技術(shù)】
[0001]本發(fā)明涉及納米孔，更具體地，涉及表面官能化的納米孔和官能化的納米通道。
[0002]分子尺寸的固態(tài)納米孔和納米通道可以提供與例如脫氧核糖核酸(DNA)、蛋白質(zhì)及其他生物分子之類(lèi)的分析物的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)的信息。固態(tài)納米孔設(shè)備可以包括具有至少單孔(或“納米孔”)的多層基底，其分離兩種鹽溶液。納米孔設(shè)備的特定尺寸和成分針對(duì)所期望的應(yīng)用而定制。
[0003]在操作中，通過(guò)施加電壓來(lái)生成跨納米孔的電勢(shì)差，并且測(cè)量流通納米孔的離子電流。隨后，經(jīng)納米孔的分析物的通過(guò)引起在測(cè)量到的開(kāi)路電流水平中的中斷。檢測(cè)到的中斷或離子電流降低指示了經(jīng)納米孔的分析物的單分子的通過(guò)，這也可以被稱為易位(trans locat 1n)事件。
[0004]易位數(shù)據(jù)可以揭露與在單分子級(jí)上的跨納米孔的分析物有關(guān)的性質(zhì)。間接測(cè)量技術(shù)，諸如將分析物結(jié)合到納米孔或納米通道內(nèi)部的一個(gè)或多個(gè)受體部位，可以提供與許多小型化學(xué)及生物化學(xué)化合物的化學(xué)及生物性質(zhì)有關(guān)的有價(jià)值的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，一種用于在納米孔結(jié)構(gòu)中制作多個(gè)單分子受體(receptor)的方法，包括通過(guò)物理氣相沉積(PVD)技術(shù)將第一材料和第二材料沉積到納米通道的不同選定內(nèi)表面上，以及利用具有至少兩個(gè)官能基團(tuán)的化學(xué)化合物對(duì)第一材料、第二材料、或第一材料和第二材料兩者的表面進(jìn)行官能化。第一材料和第二材料可以是相同的或不同的，并且第一材料和第二材料形成具有大約I至大約100納米(nm)的直徑的貼片(patch)。
[0006]在另一實(shí)施例中，一種用于在納米孔結(jié)構(gòu)中制作多個(gè)單分子受體的方法，包括以相對(duì)于束的第一角度傾斜納米孔結(jié)構(gòu)以將該束定位到納米孔結(jié)構(gòu)中的納米通道的選定內(nèi)表面上，該束可操作為通過(guò)PVD技術(shù)來(lái)沉積材料;操作該束以將第一材料沉積到納米通道的選定內(nèi)表面上；重新傾斜納米孔以形成相對(duì)于該束的第二角度;操作該束以將第二材料沉積到納米通道的另一選定內(nèi)表面上并且形成第二貼片；以及對(duì)第一貼片、第二貼片、或第一貼片和第二貼片兩者的表面進(jìn)行官能化。第一材料和第二材料可以是相同的或不同的，并且第一材料形成具有大約3至大約10，000nm2的表面積的第一貼片。
[0007]在又一實(shí)施例中，一種包括多個(gè)單分子受體的納米孔結(jié)構(gòu)，包括:具有第一表面和相對(duì)的第二表面的基底;從第一表面延伸到相對(duì)的第二表面并且限定內(nèi)表面的納米通道；被布置到納米通道的內(nèi)表面的選定區(qū)域上的第一材料，該第一材料形成具有大約3至大約10，000nm2的表面積的第一貼片;被布置到納米通道的內(nèi)表面的不同的選定區(qū)域上的第二材料，該第二材料形成具有大約3至大約10 ,OOOnm2的表面積的第二貼片，并且第一材料和第二材料是相同的或不同的；以及具有分析物結(jié)合官能性的化學(xué)化合物，該化學(xué)化合物被布置到第一材料和第二材料中的至少一個(gè)材料上。
[0008]通過(guò)本發(fā)明的各種技術(shù)，附加的特征和優(yōu)點(diǎn)得以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的其他實(shí)施例和方面在本文中被具體描述并且被認(rèn)為是要求保護(hù)的發(fā)明的一部分。為了更好地理解本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征，參照描述以及附圖。
【附圖說(shuō)明】
[0009]在說(shuō)明書(shū)的結(jié)論處特別指出并在權(quán)利要求書(shū)中清楚地要求保護(hù)被視為本發(fā)明的主題。本發(fā)明的前述和其他特征和優(yōu)點(diǎn)根據(jù)結(jié)合附圖所作的以下詳細(xì)描述是顯而易見(jiàn)的，在附圖中:
[0010]圖1圖示了用于在納米孔結(jié)構(gòu)中制作單分子受體的方法的示例性實(shí)施例的框圖。
[0011]圖2圖示了用于在納米孔結(jié)構(gòu)中制作單分子受體的方法的示例性實(shí)施例的部分切除的側(cè)視圖。
[0012]圖3圖示了圖2的納米孔結(jié)構(gòu)以內(nèi)的單分子受體的示例性實(shí)施例的部分切除的側(cè)視圖。
[0013]圖4圖示了用于在納米孔結(jié)構(gòu)中制作單分子受體的方法的示例性實(shí)施例的框圖。
[0014]圖5A-5H圖示了納米孔結(jié)構(gòu)中的單分子受體的各種可能組合的示例性實(shí)施例的部分切除的側(cè)視圖。
[0015]圖6圖示了用于在納米孔結(jié)構(gòu)中制作多個(gè)單分子受體的方法的示例性實(shí)施例的框圖。
[0016]圖7圖示了用于在納米孔結(jié)構(gòu)中制作多個(gè)單分子受體的方法的示例性實(shí)施例的框圖。
[0017]圖8圖示了用于使用具有一個(gè)或多個(gè)單分子受體的納米孔結(jié)構(gòu)的方法的部分切除的側(cè)視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本文公開(kāi)的是一種用于在納米孔或納米通道內(nèi)制作單分子受體的方法。當(dāng)將電壓施加到分離開(kāi)兩種離子溶液的納米孔或納米通道時(shí)，分析物的單分子的易位和/或結(jié)合引入離子電流中可測(cè)量的變化。相應(yīng)地，例如為蛋白質(zhì)或小型生物化學(xué)化合物的分析物的單分子到納米孔中的受體的受控的易位和/或可逆的結(jié)合可以揭示分析物的物理和/或化學(xué)特性。
[0019]與可能發(fā)生多個(gè)非受控的結(jié)合事件的系統(tǒng)相比，在納米孔結(jié)構(gòu)中提供受控?cái)?shù)量的嵌入式單一結(jié)合部位提供了高得多的可靠性。多個(gè)且非受控的結(jié)合事件的可能性導(dǎo)致更復(fù)雜的數(shù)據(jù)及隨后的解讀。相比之下，所公開(kāi)的方法提供了一種用于分析單一結(jié)合事件、或受控且有限數(shù)量的結(jié)合事件的手段，這增大了數(shù)據(jù)分析的便易性以及可靠度。
[0020]此外，公開(kāi)的方法和納米孔結(jié)構(gòu)提供了僅僅兩個(gè)不同的易位情景，一個(gè)是發(fā)生與單分子結(jié)合部位的結(jié)合，另一個(gè)是不發(fā)生結(jié)合。再次地，這樣的情景使得數(shù)據(jù)解讀變得容易O
[0021]此外，產(chǎn)生有限及受控?cái)?shù)量的被策略布置的、與納米孔的多個(gè)結(jié)合部位的能力實(shí)現(xiàn)利用多個(gè)結(jié)合部位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及解讀，這可以被用作有價(jià)值的對(duì)照實(shí)驗(yàn)。特別是，這些對(duì)照組可以被用來(lái)利用未知數(shù)量的結(jié)合部位來(lái)解讀納米孔數(shù)據(jù)。
[0022]在納米通道以內(nèi)的具有受控?cái)?shù)量的單分子結(jié)合部位的納米孔結(jié)構(gòu)提供了簡(jiǎn)化的電流分布。因而，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)被更加可靠及容易地解讀。此外，在一個(gè)納米孔結(jié)構(gòu)或設(shè)備中的不同單分子結(jié)合部位允許在單次測(cè)量中感應(yīng)及檢測(cè)多個(gè)分析物。
[0023]如在本文中使用的，術(shù)語(yǔ)“分析物”指的是經(jīng)受分析或?qū)で蟊粰z測(cè)的化合物、分子、物質(zhì)或化學(xué)成分。本公開(kāi)并不旨在被限制為特定的分析物。代表性的分析物包括離子、糖類(lèi)、蛋白質(zhì)、核酸和核酸序列。
[0024]如本文使用的，術(shù)語(yǔ)“單分子受體”指的是目標(biāo)成分、分析物的單分子結(jié)合到或物理要作用到的結(jié)構(gòu)。本文公開(kāi)的單分子受體包括沉積到納米孔結(jié)構(gòu)或納米通道的內(nèi)表面上的經(jīng)官能化的材料。材料形成具有納米維度大小的薄膜或貼片，并且經(jīng)官能化的材料包括物理作用于或結(jié)合到分析物的官能基團(tuán)或分析物結(jié)合基團(tuán)。
[0025]如本文使用的，術(shù)語(yǔ)“納米孔”和“納米孔結(jié)構(gòu)”指的是具有固態(tài)基底和“納米通道”、或者穿過(guò)基底的納米級(jí)通道的結(jié)構(gòu)，離子流可以穿過(guò)該結(jié)構(gòu)流動(dòng)。納米孔或納米通道的內(nèi)直徑可以取決于期望的用途而有很大不同。
[0026]如在本文中使用的，術(shù)語(yǔ)“物理氣相沉積”、“PVD”等指的是用于將材料的薄膜或涂層沉積到表面上的方法。這些方法通常包括將該材料的汽化形式凝結(jié)到表面。PVD技術(shù)的非限制性示例包括脈沖激光/燒蝕、濺射、電子束沉積、脈沖電子沉積、或前述的任意組合。如本文使用的，術(shù)語(yǔ)“物理氣相沉積束”、“PVD束”或“束”指的是在PVD方法中使用的離子束或電子束。
[0027]如本文使用的，術(shù)語(yǔ)“官能基團(tuán)”包括原子、原子的組合、化學(xué)基團(tuán)、生物化學(xué)基團(tuán)、生物化學(xué)分子、或前述的任意組合。官能基團(tuán)是可以與連接基(linker)直接連接或組合的任何基團(tuán)，并且它們賦予給本文描述的化學(xué)化合物它們的化學(xué)反應(yīng)性。
[0028]現(xiàn)在看到附圖，圖1和圖2各自是用于在納米孔結(jié)構(gòu)中制作單分子受體的方法的示例性實(shí)施例的框圖和圖示。圖3圖示了具有在圖2中所示的與分析物相互作用的單分子受體的納米孔的一部分。
[0029]納米孔結(jié)構(gòu)可以由諸如片、碟、塊、板之類(lèi)的基底制造。這樣的基底可以由多種材料制成，包括但不限于硅、包括氧化硅、氮化硅、玻璃、陶瓷、鍺、聚合物(例如聚苯乙烯)、砷化鎵、或前述的任意組合?；卓梢员晃g刻，例如，芯片可以是半導(dǎo)體芯片。基底可以是多層基底。本文的目的并不在于多層基底中的任何中央材料與外部材料相同或不同?；椎暮穸纫约岸鄬踊變?nèi)單個(gè)層的厚度通常可以改變。因而，納米孔基底的特定厚度并不旨在被限制。
[0030]納米孔基底可以使用任何適當(dāng)?shù)闹谱鞴に嚩恢谱?，包括但不限于化學(xué)氣相沉積(CVD)法、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)法、光刻圖案化及蝕刻法、以及外延生長(zhǎng)工藝。隨后，納米孔內(nèi)的納米通道可以通過(guò)任何適當(dāng)工藝被制造穿過(guò)該基底，包括但不限于電子束鉆孔或離子束鉆孔。
[0031]圖1圖示了用于在納米孔結(jié)構(gòu)中制作單分子受體的方法的示例性方法100的框圖。在框110中，方法100包括通過(guò)PVD技術(shù)將材料沉積到納米孔結(jié)構(gòu)的選定內(nèi)表面上。在一個(gè)實(shí)施例中，該材料形成具有大約I至100納米(nm)的直徑的材料貼片。在另一實(shí)施例中，該材料形成具有大約90nm至I ,OOOnm的直徑的貼片。在框120中，利用具有至少兩個(gè)官能基團(tuán)的化學(xué)化合物來(lái)官能化該材料的表面。一旦該材料被官能化，經(jīng)官能化的材料隨后可以結(jié)合到感興趣的分析物。然而，方法100是示例性實(shí)施例。也可以使用方法100的其他實(shí)施例。
[0032]圖2圖示了用于在納米孔結(jié)構(gòu)230中制作單分子受體224的方法200的示例性實(shí)施例。方法200包括通過(guò)PVD技術(shù)240將材料220沉積到納米孔結(jié)構(gòu)230的選定內(nèi)表面上并且隨后利用化學(xué)化合物222將材料220的表面官能化。納米孔結(jié)構(gòu)230包括第一表面210、相對(duì)的第二表面215、以及從第一表面210延伸到相對(duì)