[發明專利]具有對齊的納米級電子元件的含納米孔的基板及其制備和使用方法

有效

• 申請號: 201580075151.6
• 申請日: 2015-12-01
• 公開（公告）號: CN107207246B
• 公開（公告）日: 2019-12-20
• 發明（設計）人: J·埃爾登;A·科特斯;A·巴納德;P·麥可優恩
• 申請（專利權）人: 康奈爾大學
• 主分類號: C12Q1/6869
• 分類號: C12Q1/6869;G01N27/414;G01N33/48;G01N33/543;G01N27/447;B82B1/00;B82B3/00
• 代理公司: 11111 北京市萬慧達律師事務所
• 代理人: 白華勝;王蕊

含納米孔的基板包括基板、所述基板上的膜、和設置在所述膜上或嵌入所述膜中的至少一個納米級電子元件。所述膜限定至少一個納米孔。所述納米級電子元件與所述納米孔中的一個對齊，使得所述納米級電子元件的邊緣和所述納米孔的邊緣之間的最短距離小于50nm。所述納米孔可通過使用溶液蝕穿介電層，同時相對于所述溶液向所述納米級電子元件施加電壓形成。所述含納米孔的基板可用于對諸如核酸的生物聚合物進行檢測或測序。所述含納米孔的基板可與生物聚合物檢測和/或測序系統一起使用。

相關申請的交叉引用

本申請要求2014年12月1日提交并指定美國申請號62/085,795的臨時專利申請的優先權，其公開內容在此參考并入。

關于聯邦資助研究或開發的聲明

本發明根據由空軍科學研究院授予的合同號FA9950-10-1-0410和由海軍研究院授予的合同號FA9550-09-1-0705在政府支持下進行。政府對本發明具有一定的權利。

發明領域

本公開涉及含納米孔的基板。

背景技術

在基于納米孔的測序領域中，測序的一個例證涉及在DNA通過時測量流過嵌入膜中的通道蛋白的離子電流。該方法受限于其需要生物材料作為裝置的部分，這與非有機材料相比往往耐久性較差。其還涉及將DNA減慢至約1ms/核苷酸，以便獲得足夠的信噪比。另一限制在于由于僅可使用一個孔/微流體通道，其不容易并行。

在基于固態納米孔的測序領域中，當前的方法主要依賴于測量通過固態納米孔(例如，氮化硅、石墨烯、二氧化鉿)的離子電流，所述固態納米孔通過使用離子束或電子束蝕刻而形成，這涉及高真空體系，所述高真空體系往往不能很好地擴大到工業過程。另外，沒有測序的例證。迄今為止，利用固態孔的最佳例證已經區分了不同的30個核苷酸長的單鏈DNA分子(例如，30個腺嘌呤，30個胞嘧啶等)。

在具有場效應讀數的基于固態納米孔的測序領域中，一個例證涉及使用具有鄰近的孔的50nm寬的硅納米線。檢測了大約3000個核苷酸的雙鏈DNA，但未獲得序列信息。另一例證涉及使用石墨烯納米帶來檢測大約3000個核苷酸的雙鏈DNA質粒，但未獲得序列信息。這兩個方法均具有與使用電子束制備納米孔相關的相同限制。另外，電子束可損壞場效應納米級裝置(納米線或納米帶)。納米線方法還具有以下限制：所述線的50nm寬度為DNA中核苷酸之間的間距的大約150倍。石墨烯納米孔的一個限制在于石墨烯納米帶在其邊緣處具有懸掛鍵，這使得它們比納米管更具反應性，并且使得它們的電性能高度可變。

發明內容

在第一實施方案中，提供含納米孔的基板。所述含納米孔的基板包括基板、設置在所述基板上的膜、和設置在所述膜上或設置在所述膜中的至少一個納米級電子元件。所述膜限定穿過所述膜的至少一個納米孔。所述納米孔被構造成在所述膜的相對側之間提供流體連通。所述納米級電子元件能夠導電，并且與所述膜就如下中的至少一個方面不同：形狀、材料組成、導電性或化學結合。所述納米級電子元件與所述納米孔對齊，使得所述納米級電子元件的邊緣和所述納米孔的邊緣之間的最短距離小于50nm。

所述基板可由硅、石英、熔融二氧化硅、藍寶石、砷化鎵和/或碳化硅制成。所述膜可由諸如氮化硅、氧化鋁、氧化鉿、氧化鉭、二氧化硅和/或氮化硼的介電材料制成。所述膜還可由諸如金屬二硫屬化物、石墨烯、硅、鍺和/或砷化鎵的半導體或半金屬制成。所述膜可具有0.3nm至1,000nm的厚度。

所述納米級電子元件可包括碳納米管、石墨烯、金屬、金屬納米線或半導體納米線、具有小于20nm的厚度的金屬電極或半導體電極，或兩個電極之間的間隙。所述納米級電子元件的邊緣和所述納米孔的邊緣之間的最短距離可小于10nm或小于1nm。所述納米級電子元件的邊緣可與所述納米孔的邊緣交叉。所述納米級電子元件可平行于限定圍繞所述納米孔的所述膜的表面平面的法向矢量定位。所述納米級電子元件可與電路電接觸。