用于控制固态纳米孔的大小的方法

用于控制固态纳米孔的大小的方法
【专利摘要】提供一种用于精确地扩大形成在膜中的纳米孔的方法。该方法包括：施加电势穿过该纳米孔，其中该电势具有在高值和低值之间振荡的脉冲波形；在以低值将电势施加到所述纳米孔时，测量流经该纳米孔的电流；部分地基于所测量的电流确定纳米孔的大小；以及当纳米孔的大小对应于期望的大小时，移除施加到该膜的电势。
【专利说明】用于控制固态纳米孔的大小的方法
[0001] 相关申请的交叉参引
[0002]本申请要求享有2012年5月7日提交的美国临时申请No. 61/643, 651和2013年 3月14日提交的美国临时申请No. 61/781,081的权益。每个上述申请的全部公开内容都通 过引用的方式纳入本文。

【技术领域】
[0003]本公开内容涉及使用高电场调整固态纳米孔的大小的技术。

【背景技术】
[0004]生物纳米孔和固态纳米孔提供了在单个分子水平感测生物分子分析物的手段。个 体纳米孔通常被嵌入在薄绝缘膜中，这为离子电流在两个液体储存器之间通过提供唯一的 管道。利用较大尺度库尔特计数器的原理，纳米孔实验与离子电流的变化相关联以确定带 电生物分子的长度、大小、电荷和构造，因为带电生物分子在存在外部电场的情况下会被电 泳驱动通过纳米孔。
[0005] 虽然生物纳米孔（诸如a-溶血素）通常提供更大的灵敏度和低噪声属性，但是 支持的脂质双层是易碎的并且具有固定大小，限制了它们的应用。另一方面，固态纳米孔 通常被制造在薄（10-50nm)绝缘膜中，诸如，氮化硅膜或氧化硅膜，并且可被制成不同的大 小，容易与晶片尺度技术集成，并且是更结实的，允许更宽范围的实验条件。尽管有这些优 点，但是固态纳米孔技术仍有限制它们用于生物分子研究的许多实际缺点。虽然控制纳米 孔的大小是可行的，但是由于需要专业仪器和技术人员，因此通常实现起来既昂贵又费力。 例如，最近已经在扫描电子显微镜（SEM)中示出通过聚焦离子束钻孔的纳米孔会在特定实 验条件下收缩。在其它的方法中，通过透射电子显微镜（TEM)钻孔的纳米孔可根据束条件 以及随后暴露于水性溶剂而扩张或收缩。在这些情况下，限制了可实现的纳米孔大小的范 围，因为在化学处理之后或当浸入某一液体环境中时纳米孔的大小会变化，所以难以控制 且甚至是不可靠的。
[0006]通过固态纳米孔的离子电流还可能遭受高程度的噪声，噪声源是纳米孔文献中的 一个广泛研究的话题。虽然已经提出多种方法来减少电噪声，但是可靠的、稳定的低噪声纳 米孔的产率通常仍相当低。在钻孔和成像期间含碳残留物的沉积可对电气信号质量具有不 利影响，通常使完全湿润成为挑战并导致形成可能难以移除的纳米气泡。此外，分析物分子 堵塞纳米孔会降低信号质量，致使孔不能用于另外的实验。这些影响大大减少了功能性纳 米孔器件的产率并且增加了与固态纳米孔研究相关的成本。因此，可靠的纳米孔的可再现 制造和调整不仅对于学术研究环境是挑战而且对于任何基于纳米孔技术的商业化也仍是 挑战。
[0007]本部分提供了与本公开内容有关的背景信息，该背景信息不必然是现有技术。


【发明内容】

[0008] 本部分提供了公开内容的总体概述，并不是完整公开了本公开内容的全部范围或 其所有特征。
[0009] 提供了一种用于调整形成在固态膜中的纳米孔的方法。该方法包括：施加电势穿 过纳米孔，其中该电势具有在高值和低值之间振荡的脉冲波形；测量流经该纳米孔的电流； 部分地基于所测量的电流确定该纳米孔的大小；以及当该纳米孔的大小对应于期望的大小 时，移除施加穿过该纳米孔的电势。
[0010] 在本公开内容的一个方面，对流经该纳米孔的电流的测量发生在以高值施加电势 时；然而，在另一方面，对流经该纳米孔的电流的测量发生在以低值施加电势时。
[0011] 在本公开内容的一个方面，该方法还被限定以包括：为在纳米孔中感生出电场的 电势选择一个值并在一个预定时间段内施加该电势，其中该电场为近似0. 3伏每纳米。在 该预定时间段之后，将施加穿过该纳米孔的电势减少到小于所选择的值的一个值，并且当 以已减少的值施加电势时，测量流经该纳米孔的电流。部分地基于所测量的电流确定该纳 米孔的大小。
[0012] 在本公开内容的一些方面，重复此过程直到所测量的电流超过阈值。当重新施加 相对较高的电势时，该电势的极性可被反向以实现或维持孔几何结构的对称。一旦所测量 的电流超出该阈值，则移除电势。
[0013] 从本文提供的描述中将明了应用的其它领域。在本
【发明内容】
中的描述和具体实施 例仅旨在出于例示的目的并且不旨在限制本公开内容的范围。

【专利附图】

【附图说明】
[0014] 本文所描述的附图仅出于例示选定的实施方案的目的而不是例示全部可能的实 施方式，并且不旨在限制本公开内容的范围。
[0015] 图1是描绘用于调整纳米孔的大小的示例技术的流程图；
[0016] 图2是描绘用于调整纳米孔的示例设备的图；
[0017] 图3A和图3B分别是例示应用高电场之前和之后的电流迹线的曲线图；
[0018] 图4A是一个曲线图，例示了施加穿过纳米孔的电势的脉冲波形和指示增长的穿 过纳米孔的增加离子电流；
[0019] 图4B是例示通过改变施加的电势可控制增长速率的曲线图；
[0020] 图4C是例示通过改变溶液的离子强度可控制增长速率的曲线图；
[0021] 图5是例示电导的I-V测量值的曲线图，所述测量值确认纳米孔大小已经增加；
[0022] 图6是例示与DNA分子的易位相关联的电流迹线的曲线图；
[0023] 图7A和图7B分别是对于llnm和32nm的孔的易位事件期间的电流阻塞的直方图； 以及
[0024] 图8是例示在不同条件下扩大纳米孔的有效性的曲线图。在此情况下，膜的厚度 是 10nm。
[0025] 在贯穿附图的多个视图中相对应的参考数字指示相对应的部分。

【具体实施方式】
[0026] 现在将通过参照附图更全面地描述示例实施方案。
[0027] 图1例示用于调整预先形成在膜中的纳米孔的大小的示例技术。高电场的施加被 用于精确地扩大纳米孔的大小，同时确保最佳低噪声性能。如在12处指示的，通过施加穿 过纳米孔的电势来产生高电场。选择该电势的值以感生出在〇. 1伏每纳米以上（典型地在 〇. 1伏每纳米和0.4伏每纳米之间）的电场。尽管上面提供了具体值，感生的电场将根据膜 材料和其它因素变化，但是超出正被调节的纳米孔的欧姆范围（典型地在〇. 1伏每纳米以 上）。
[0028] 长期暴露于高电场会启动移除构成孔壁的膜材料，导致纳米孔直径的增加。通过 调整该电场的强度和持续时间可精确地控制该增长。如在13处指示地，相对较高的电势被 施加穿过纳米孔长达预定的时间段。在一个实施方案中，该时间段在100毫秒到5秒的范 围内。在另一些实施方案中，该时间段可更小（例如，几微秒）或更长（例如，几分钟）。在 该时间段结束以后，在14处，施加穿过该纳米孔的电势被减少到小于该相对较高值的一个 值。例如，该电势可被减少到这样一个值，该值感生出在0伏每纳米到0. 1伏每纳米的范围 内的电场。
[0029] 当减小的电势被施加穿过纳米孔时，在15处，测量流经该纳米孔的电流，其中如 下面进一步解释的，所测量的电流与该纳米孔的大小相关。在一些实施方案中，电势被施加 作为一系列脉冲，在每个脉冲之间进行测量。在另一些实施方案中，电流测量跟随在一组脉 冲之后（例如，在每n个脉冲之后，其中n大于1)。
[0030] 在一个替代的方法中，当施加的电势保持高时，测量流经纳米孔的电流。由于电场 在纳米孔系统的欧姆范围以上，因此测量的电流提供了该纳米孔大小的不太准确的估计。 因此，当纳米孔的大小接近期望的大小时，以如上所述的脉冲方式施加电势，使得在减小的 电势下测量电流。
[0031] 当纳米孔的大小等于期望的大小时，移除施加到该纳米孔的电势。在一个示例实 施方案中，通过比较16测量的电流和阈值电流来确定纳米孔的大小，其中阈值电流被选择 以对应于期望的大小。当测量的电流等于或超过该阈值时，在17处，移除该电势；否则，则 重复施加高的扩大电势随后是较低测量电势的过程直到满足此条件。通过循环施加相对较 高的电压脉冲，产生理想地用于单个分子研究的干净、低噪声的纳米孔表面。随着在实验过 程中由于分子吸附到纳米孔表面使得纳米孔堵塞而导致电流迹线降低时，可重复此过程以 恢复原本会被丢弃的堵塞器件。因此，通过多次使用同一器件的能力进一步增加了功能性 纳米孔的产率。此技术提供了许多优点，如在实验条件下在液体中被快速执行、仅需要标准 的实验室仪器、能够用软件自动化、以及以超过95%的产率生产功能性的高质量纳米孔。
[0032] 尽管具有不同厚度的膜落在本公开内容的范围内，但本公开内容中研究的纳米孔 是在30nm或10nm厚的氮化硅膜中钻出的。由通常被用作用于晶体管的栅极材料的其它电 介质材料组成的膜（例如，其它氧化物或氮化物）也落在本公开内容的范围内。同样地，膜 可由其它材料--诸如，石墨烯、氮化硼等--组成。
[0033] 尽管本文描述的方案可被应用到使用任何方法制造的多种材料的固态纳米孔，但 这些纳米孔通常是通过TEM使用先前确定的方案而被钻出的。用于本文描述的实验的纳米 孔是通过TEM钻出的并且典型地直径在4nm到10nm之间。当使用下面阐述的方案安装并 调节30nm和10nm厚的膜时，除非另有说明，在此所描述的电压偏置指的是30nm厚的膜所 要求的电压偏置。对于具有不同厚度的膜，应相应地调节施加的电压以在纳米孔内部生成 0. 1-0. 4伏每纳米（在欧姆限制以上）的范围内的电场。
[0034] 一旦纳米孔存在于绝缘膜中时，该绝缘膜可被直接安装在液体室中而无需进一步 处理或清洁。然而，如果有必要移除实验之间的微量污染物，或在一些严重堵塞的情况下， 使用硫酸-过氧化氢（piranha)溶液（3 :1H2S04:H202)或通过暴露于氧等离子体可清洁纳 米孔芯片。此过程还可被用于移除由钻孔、成像和使得纳米孔表面亲水以帮助湿润的操作 过程而留下的任何污染物，或移除特别持久的堵塞。然而，当堵塞时，使用本文所描述的方 法可以在原位重新调节大多数器件，从而减少了准备时间和处理刺激性化学品的需要。
[0035] 图2描绘用于调整预先形成在膜中的纳米孔的示例设备。该设备总体包括流体室 22 ; -对电极24 (例如，Ag/AgCl)，电联接到电流放大器电路25 ;以及控制器26,与电流放 大器电路25接口连接。流体室22还由通过一个通路彼此流体联接的两个储存器21限定， 该纳米孔本身充当用于所述两个储存器之间的离子电流的唯一管道。所述储存器可填充有 水性溶液（例如，基于氯化物的盐）、非水溶液（例如，乙醇中的LiCl)或其它类型的离子溶 液。
[0036] 电流放大器电路25运行以在所述电极之间创建电势并测量通过纳米孔的电流流 动。在一些实施方案中，控制器26可通过联接到个人计算机27或另外类型的计算器件的 数据采集电路28被实施。因此，该设备类似于通常用于生物分子检测的设备。本公开内容 设想了用于调整纳米孔的其它设备。
[0037] 在该示例设备中，纳米孔室22被用于容纳硅芯片32,该硅芯片32则容纳含有纳米 孔的膜30。用于将硅芯片32安装在该设备中的示例方案如下所示。通过将纳米孔室22放 置在20%的硝酸溶液中并煮沸10分钟来清洁纳米孔室22。小心地从硝酸中移除所述室22 并将它放置在沸腾的去离子水中10分钟。移除所述室22并在新鲜的去离子水中进一步煮 沸另外10分钟以确保硝酸的完全移除。从热板移除烧杯并允许它冷却到室温。从该烧杯移 除所述室22并用经过滤的空气或N2吹干。将室22存储在清洁的培养皿中。通过在40°C 于真空下放置在超声仪中30分钟，获得脱气过滤的、缓冲的电解质溶液。虽然多种不同pH 值的盐溶液可被用于纳米孔调节和扩大，但在此所描述的大多数实验是在用ffiPES缓冲的 pH8的1MKC1溶液中执行的。通过在乙醇中超声至少10分钟清洁用于硅芯片32的两个 硅胶弹性体垫片。将芯片32小心地放置在清洁的弹性体垫片上以将膜窗口和垫片开口对 齐。在芯片32的顶上放置并对齐第二垫片。将芯片32和两个垫片放置在已清洁的纳米孔 室22的一半的储存器入口上。通过用螺栓将另一半固定就位来组装所述室22。通过用移 液管将乙醇吸入到室储存器中并放置在真空室中直到看到少量气泡离开入口来使芯片32 湿润。通过用至少3ml经脱气的过滤的电解质溶液冲洗该储存器来移除乙醇。使用抽吸器 小心地移除溢流。硅胶芯片32然后被安装在流体室22的两个储存器21之间。容易理解 的是，根据情况这些步骤中的一个或多个是可选的。而且，用于将含有纳米孔的膜安装在设 备中的其它技术也落在本公开内容的范围内。
[0038] 在调整之前，纳米孔可被可选地特性化。为此，将纳米孔室放置在电屏蔽的实验设 备23中并将电极24放置在每个储存器中。此设备类似于图2中所示的设备，除了电流放 大器电路和控制器被替换为低噪声电阻反馈放大器（例如，来自MolecularDevicesInc 的Ax〇patch200B膜片钳位放大器）。以电压钳位模式使用该放大器，施加从-200mV扫到 +200mV的电势并记录I-V(电流-电压）特性。拟合I-V曲线以获得纳米孔电导，该纳米孔 电导可被用于计算溶液中纳米孔的直径。如果所计算的直径远小于从TEM成像所预期的， 则该孔可能没有完全湿润和/或含有杂物或污染物。施加200mV电势穿过该纳米孔并记录 离子电流30秒。执行该离子电流的功率谱密度（PSD)分析并积分以量化该纳米孔的电气 噪声特性。如果该噪声在5kHz带宽下高于15pARMS，则该孔可能没有完全湿润和/或含有 污染物并且不能被可靠地用在实验中。
[0039] 如果生成的I-V曲线展现非对称或小于预期的电导，或电流迹线在低频（〈10kHz) 下显示出不稳定和高噪声水平，则有必要用高电场调节纳米孔以移除该纳米孔表面上的任 何污染物和/或湿润该纳米孔。虽然此方法不影响由联接到在测量中使用的电流放大器的 输入的膜电容或任何寄生电容引起的高频噪声，但可大大减少低频噪声（也被称作1/f噪 声）。容易理解的是，在一些实例中该调节是不需要的。
[0040] 图2是可被用来执行该调节的示例设备。为此，使电极与膜片钳位放大器断开连 接。将所述电极之一连接到能够生成大于3伏（对于在此使用的30nm厚的膜为>0.lV/nm 的电场强度）的计算机控制电源，并将另一个电极连接到能够被实时监测的电流放大器电 路25。施加400mV(测量电压）的电势差穿过该纳米孔至少5秒钟。从数据的最后1秒计 算平均电流值以确定该纳米孔的电导。基于该电导计算纳米孔的直径，此计算能够使用由 控制器26实施的软件和基于最可能的几何结构选择的纳米孔电导模型来自动地完成。所 计算的直径应对应于根据I-V曲线所测量的直径。施加6伏（湿润电压）的200ms脉冲穿 过纳米孔以产生〇. 2V/nm的电场，随后是在400mV下的5秒测量时间段。再次，使用数据的 最后1秒计算该纳米孔的直径并与根据TEM测量所期望的值比较以确保该纳米孔完全湿 润。替代地，在此阶段可完成上述的将电压从_220mV斜坡升到+200mV并拟合I-V曲线以 提供更精确估计纳米孔电导以及大小。可重复施加具有增加的电压的高电场脉冲的过程直 到测量时间段期间的电流信号稳定并示出预期的电导。由于这可能迅速和/或不受控地扩 大或损坏纳米孔，因此在此阶段不推荐超过10伏（即>〇. 3V/nm)。
[0041] 该纳米孔的直径是确定其用于特定生物分子检测应用的功能性的关键。为此，通 过施加高电场能够使预先形成的纳米孔扩大到期望的大小，直到借助用于清洁并使纳米孔 湿润的相同的设备（即，图2)实现合适的直径。使用相同的设备，施加200-500mV的偏置 穿过该孔以获得直径测量。虽然没有拟合I-V曲线精确，但单个点测量可被用来快速粗略 估计纳米孔的大小。
[0042] 施加具有脉冲波形的电势穿过纳米孔（例如，施加2秒的8伏脉冲穿过纳米孔， 随后是在400mV下的约5秒的测量时间段）。新直径的计算将通常示出纳米孔大小的非 常小的增加（即，〈O.lnm)。循环重复此过程，在扩大电压和测量电压之间交替以获得对增 加的纳米孔直径的原位测量和实时测量。如果期望更快的增长速率，则施加的电压的幅值 可递增到高达10伏。根据纳米孔的大小、电场的强度和电介质溶液属性，在孔随着电导从 0.OSnSs4变化到lOnSs4的增长速率而扩大时，增长通常将加速。因此，还可以改变电解质 溶液的离子强度和pH来控制纳米孔的增长速率。
[0043] 当达到期望的直径时，停止施加高电场。使用由控制器26实施的计算机程序可自 动地实施此调整技术。将膜片钳位放大器重新连接到所述电极。如在上面提到的步骤中， 在200mV下获取新的、低噪声I-V和电流迹线数据以确认纳米孔的直径并证实低噪声电流 信号。如有必要，则重复调节并扩大方案。
[0044] 图3A示出用高电场处理之前和之后的在30nm厚的膜中的10nm纳米孔的两个典 型的离子电流迹线。一旦安装了新钻孔的纳米孔，获得展现高程度的低频波动的、不稳定且 有噪声的离子电流信号的可能性通常是高的。图3A中示出的纳米孔强调了此行为。其电 导远小于对具有其大小的纳米孔所预期的，最有可能是由于不完全湿润。当施加了由8V脉 冲（2秒持续时间的90个脉冲）产生的幅值为0. 27V/nm的高电场时，纳米孔变得完全湿润。 随后直径被扩大到21nm。此时，该孔展现具有低噪声属性的稳定电导。对类似的纳米孔中 的噪声的定量分析被示出为图3B中的功率谱密度图。未湿润和/或堵塞的孔的低频噪声 幅值非常高（对于5kHz带宽>20pARMS)，致使它们不可用在实验中。当用高电场调节时， 低频下（〈10kHz)的噪声功率被减少达幅值的三个量级并准备用于低噪声实验。
[0045] 图4A示出当施加的电势在用于扩大的高电场和低电场的测量时间段之间脉冲跳 动时的典型电流测量。在此示例实施方案中，电势作为一系列矩形波被施加。在一些实施方 案中，对于给定脉冲的电势可倾斜上升到峰值或从峰值倾斜下降（例如，线性地、指数地、 逐渐地等）。在另一些实施方案中，电势可以在峰值处变化（例如，正弦形状）。本公开内 容设想了用于施加穿过的电势的其它类型的波形。
[0046] 在每个接下来的脉冲之后，在测量电压下结果获得的通过纳米孔的离子电流增加 一个有限量。这证明了纳米孔的大小增加，因为可以从其在具有导电率〇的溶液中的电导 G推导出直径d，近似具有有效长度1rff的圆柱形几何结构的纳米孔。虽然存在用于将纳米 孔电导与其几何结构关联的多种其它模型，但是在高盐浓度中，对于生物分子易位感兴趣 的宽范围的直径，已经为TEM钻孔的纳米孔验证了下面的关系。

【权利要求】
1. 一种用于精确地扩大形成在膜中的纳米孔的大小的方法，包括： a) 为在纳米孔中感生出电场的电势选择一个值，其中所述电场在0. 1伏每纳米以上； b) 在一个预定时间段内，以所选择的值将电势施加穿过布置在离子溶液中的纳米孔； c) 在所述预定时间段之后，将施加穿过所述纳米孔的所述电势减少到一个值，该值小 于所选择的值； d) 在以已减少的值施加电势时，测量流经纳米孔的电流；以及 e) 部分地基于所测量的电流确定所述纳米孔的大小。
2. 根据权利要求1所述的方法，还包括当所测量的电流等于或超过一个阈值时，移除 施加穿过所述纳米孔的所述电势。
3. 根据权利要求1所述的方法，还包括 f) 当所测量的电流小于所述阈值时，将施加穿过所述纳米孔的所述电势增加到所选择 的值，以及 g) 重复步骤（b)-(f)直到所测量的电流等于或超过所述阈值。
4. 根据权利要求1所述的方法，还包括选择所述电势的值使得所述电场为近似0. 3伏 每纳米。
5. 根据权利要求1所述的方法，还包括选择所述电势的值使得所述电场在0. 10伏每纳 米到0. 4伏每纳米的范围内。
6. 根据权利要求1所述的方法，还包括在使欧姆离子电流能够稳定的时间段内，以所 述已减少的值施加电势。
7. 根据权利要求1所述的方法，还包括当所测量的电流小于所述阈值时，以所选择的 值重新施加电势穿过所述纳米孔，其中所述电势的极性被反向。
8. 根据权利要求1所述的方法，还包括增加所述电势的幅值以增加所述纳米孔的增长 速率。
9. 根据权利要求1所述的方法，还包括增加所述离子溶液的离子强度以增加所述纳米 孔的增长速率。
10. -种用于精确地扩大形成在膜中的纳米孔的大小的方法，包括： 施加电势穿过布置于离子溶液中的纳米孔，所述电势具有在高值和低值之间振荡的脉 冲波形； 在所述电势以低值被施加穿过所述纳米孔时，测量流经纳米孔的电流； 部分地基于所测量的电流确定所述纳米孔的大小；以及 当所述纳米孔的大小对应于期望的大小时，移除施加到所述纳米孔的所述电势。
11. 根据权利要求10所述的方法，还包括为所述电势选择所述高值，使得所述电场落 在0. 1伏每纳米到0. 4伏每纳米的范围内。
12. 根据权利要求10所述的方法，还包括为所述电势选择所述低值，使得所述电场在 〇. 1伏每纳米以下。
13. 根据权利要求10所述的方法，其中确定所述纳米孔的大小包括：比较所测量的电 流和一个阈值，并且当所测量的电流超过所述阈值时移除穿过所述纳米孔的所述电势。
14. 根据权利要求10所述的方法，还包括每隔一个脉冲使所述高值的极性在一个正值 和一个负值之间交替。
15. -种用于精确地扩大形成在膜中的纳米孔的大小的方法，包括： 为在纳米孔中感生出电场的电势选择一个值，其中所述电场在0. 1伏每纳米以上； 以所选择的值施加电势穿过布置于离子溶液中的纳米孔； 在所述电势被施加穿过所述纳米孔时，测量流经纳米孔的电流； 部分地基于所测量的电流估计所述纳米孔的大小；以及 当所测量的电流超过一个阈值时移除施加穿过所述纳米孔的所述电势。
16. 根据权利要求15所述的方法，还包括 将施加穿过所述纳米孔的所述电势减少到一个值，该值小于所选择的值； 在以已减少的值施加电势时，测量流经所述纳米孔的电流；以及 在以已减少的值施加电势时，部分地基于所测量的电流确定所述纳米孔的大小。
17. 根据权利要求15所述的方法，还包括选择所述电势的值，使得所述电场为近似0. 3 伏每纳米。
18. 根据权利要求15所述的方法，还包括选择所述电势的值，使得所述电场落在0. 10 伏每纳米到0. 4伏每纳米的范围内。
【文档编号】B01D67/00GK104411386SQ201380036310
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2013年5月7日 优先权日:2012年5月7日
【发明者】M·戈丁, E·比米什, V·塔巴德-科萨, W·H·郭 申请人:渥太华大学