包括空间上分离的官能感应部件的纳米流体传感器的制造方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本发明涉及纳米孔，更具体地，涉及表面官能化的纳米孔和官能化的纳米通道。
[0002]分子尺寸的固态纳米孔和纳米通道可以提供与例如脱氧核糖核酸(DNA)、蛋白质及其他生物分子之类的分析物的化学性质有关的信息。固态纳米孔设备可以包括具有至少单孔(或“纳米孔”)的多层基底，其分离两种盐溶液。纳米孔设备的特定尺寸和成分针对所期望的应用而定制。
[0003]在操作中，通过施加电压来生成跨纳米孔的电势差，并且测量流通纳米孔的离子电流。随后，经纳米孔的分析物的通过引起在测量到的开路电流水平中的中断。检测到的中断或离子电流降低指示了经纳米孔的分析物的单分子的通过，这也可以被称为易位(trans locat 1n)事件。
[0004]易位数据可以揭露与在单分子级上的跨纳米孔的分析物有关的性质。间接测量技术，诸如将分析物结合到纳米孔或纳米通道内部的一个或多个受体部位，可以提供与许多小型化学及生物化学化合物的化学及生物性质有关的有价值的信息。
【发明内容】
[0005]根据一个实施例，一种用于在纳米孔结构中制作多个单分子受体(receptor)的方法，包括通过物理气相沉积(PVD)技术将第一材料和第二材料沉积到纳米通道的不同选定内表面上，以及利用具有至少两个官能基团的化学化合物对第一材料、第二材料、或第一材料和第二材料两者的表面进行官能化。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约I至大约100纳米(nm)的直径的贴片(patch)。
[0006]在另一实施例中，一种用于在纳米孔结构中制作多个单分子受体的方法，包括以相对于束的第一角度倾斜纳米孔结构以将该束定位到纳米孔结构中的纳米通道的选定内表面上，该束可操作为通过PVD技术来沉积材料;操作该束以将第一材料沉积到纳米通道的选定内表面上；重新倾斜纳米孔以形成相对于该束的第二角度;操作该束以将第二材料沉积到纳米通道的另一选定内表面上并且形成第二贴片；以及对第一贴片、第二贴片、或第一贴片和第二贴片两者的表面进行官能化。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约3至大约10，000nm2的表面积的第一贴片。
[0007]在又一实施例中，一种包括多个单分子受体的纳米孔结构，包括:具有第一表面和相对的第二表面的基底;从第一表面延伸到相对的第二表面并且限定内表面的纳米通道；被布置到纳米通道的内表面的选定区域上的第一材料，该第一材料形成具有大约3至大约10，000nm2的表面积的第一贴片;被布置到纳米通道的内表面的不同的选定区域上的第二材料，该第二材料形成具有大约3至大约10 ,OOOnm2的表面积的第二贴片，并且第一材料和第二材料是相同的或不同的；以及具有分析物结合官能性的化学化合物，该化学化合物被布置到第一材料和第二材料中的至少一个材料上。
[0008]通过本发明的各种技术，附加的特征和优点得以实现。本发明的其他实施例和方面在本文中被具体描述并且被认为是要求保护的发明的一部分。为了更好地理解本发明的优点和特征，参照描述以及附图。
【附图说明】
[0009]在说明书的结论处特别指出并在权利要求书中清楚地要求保护被视为本发明的主题。本发明的前述和其他特征和优点根据结合附图所作的以下详细描述是显而易见的，在附图中:
[0010]图1图示了用于在纳米孔结构中制作单分子受体的方法的示例性实施例的框图。
[0011]图2图示了用于在纳米孔结构中制作单分子受体的方法的示例性实施例的部分切除的侧视图。
[0012]图3图示了图2的纳米孔结构以内的单分子受体的示例性实施例的部分切除的侧视图。
[0013]图4图示了用于在纳米孔结构中制作单分子受体的方法的示例性实施例的框图。
[0014]图5A-5H图示了纳米孔结构中的单分子受体的各种可能组合的示例性实施例的部分切除的侧视图。
[0015]图6图示了用于在纳米孔结构中制作多个单分子受体的方法的示例性实施例的框图。
[0016]图7图示了用于在纳米孔结构中制作多个单分子受体的方法的示例性实施例的框图。
[0017]图8图示了用于使用具有一个或多个单分子受体的纳米孔结构的方法的部分切除的侧视图。
【具体实施方式】
[0018]本文公开的是一种用于在纳米孔或纳米通道内制作单分子受体的方法。当将电压施加到分离开两种离子溶液的纳米孔或纳米通道时，分析物的单分子的易位和/或结合引入离子电流中可测量的变化。相应地，例如为蛋白质或小型生物化学化合物的分析物的单分子到纳米孔中的受体的受控的易位和/或可逆的结合可以揭示分析物的物理和/或化学特性。
[0019]与可能发生多个非受控的结合事件的系统相比，在纳米孔结构中提供受控数量的嵌入式单一结合部位提供了高得多的可靠性。多个且非受控的结合事件的可能性导致更复杂的数据及随后的解读。相比之下，所公开的方法提供了一种用于分析单一结合事件、或受控且有限数量的结合事件的手段，这增大了数据分析的便易性以及可靠度。
[0020]此外，公开的方法和纳米孔结构提供了仅仅两个不同的易位情景，一个是发生与单分子结合部位的结合，另一个是不发生结合。再次地，这样的情景使得数据解读变得容易O
[0021]此外，产生有限及受控数量的被策略布置的、与纳米孔的多个结合部位的能力实现利用多个结合部位进行数据采集以及解读，这可以被用作有价值的对照实验。特别是，这些对照组可以被用来利用未知数量的结合部位来解读纳米孔数据。
[0022]在纳米通道以内的具有受控数量的单分子结合部位的纳米孔结构提供了简化的电流分布。因而，产生的数据被更加可靠及容易地解读。此外，在一个纳米孔结构或设备中的不同单分子结合部位允许在单次测量中感应及检测多个分析物。
[0023]如在本文中使用的，术语“分析物”指的是经受分析或寻求被检测的化合物、分子、物质或化学成分。本公开并不旨在被限制为特定的分析物。代表性的分析物包括离子、糖类、蛋白质、核酸和核酸序列。
[0024]如本文使用的，术语“单分子受体”指的是目标成分、分析物的单分子结合到或物理要作用到的结构。本文公开的单分子受体包括沉积到纳米孔结构或纳米通道的内表面上的经官能化的材料。材料形成具有纳米维度大小的薄膜或贴片，并且经官能化的材料包括物理作用于或结合到分析物的官能基团或分析物结合基团。
[0025]如本文使用的，术语“纳米孔”和“纳米孔结构”指的是具有固态基底和“纳米通道”、或者穿过基底的纳米级通道的结构，离子流可以穿过该结构流动。纳米孔或纳米通道的内直径可以取决于期望的用途而有很大不同。
[0026]如在本文中使用的，术语“物理气相沉积”、“PVD”等指的是用于将材料的薄膜或涂层沉积到表面上的方法。这些方法通常包括将该材料的汽化形式凝结到表面。PVD技术的非限制性示例包括脉冲激光/烧蚀、溅射、电子束沉积、脉冲电子沉积、或前述的任意组合。如本文使用的，术语“物理气相沉积束”、“PVD束”或“束”指的是在PVD方法中使用的离子束或电子束。
[0027]如本文使用的，术语“官能基团”包括原子、原子的组合、化学基团、生物化学基团、生物化学分子、或前述的任意组合。官能基团是可以与连接基(linker)直接连接或组合的任何基团，并且它们赋予给本文描述的化学化合物它们的化学反应性。
[0028]现在看到附图，图1和图2各自是用于在纳米孔结构中制作单分子受体的方法的示例性实施例的框图和图示。图3图示了具有在图2中所示的与分析物相互作用的单分子受体的纳米孔的一部分。
[0029]纳米孔结构可以由诸如片、碟、块、板之类的基底制造。这样的基底可以由多种材料制成，包括但不限于硅、包括氧化硅、氮化硅、玻璃、陶瓷、锗、聚合物(例如聚苯乙烯)、砷化镓、或前述的任意组合。基底可以被蚀刻，例如，芯片可以是半导体芯片。基底可以是多层基底。本文的目的并不在于多层基底中的任何中央材料与外部材料相同或不同。基底的厚度以及多层基底内单个层的厚度通常可以改变。因而，纳米孔基底的特定厚度并不旨在被限制。
[0030]纳米孔基底可以使用任何适当的制作工艺而被制作，包括但不限于化学气相沉积(CVD)法、等离子增强化学气相沉积(PECVD)法、光刻图案化及蚀刻法、以及外延生长工艺。随后，纳米孔内的纳米通道可以通过任何适当工艺被制造穿过该基底，包括但不限于电子束钻孔或离子束钻孔。
[0031]图1图示了用于在纳米孔结构中制作单分子受体的方法的示例性方法100的框图。在框110中，方法100包括通过PVD技术将材料沉积到纳米孔结构的选定内表面上。在一个实施例中，该材料形成具有大约I至100纳米(nm)的直径的材料贴片。在另一实施例中，该材料形成具有大约90nm至I ,OOOnm的直径的贴片。在框120中，利用具有至少两个官能基团的化学化合物来官能化该材料的表面。一旦该材料被官能化，经官能化的材料随后可以结合到感兴趣的分析物。然而，方法100是示例性实施例。也可以使用方法100的其他实施例。
[0032]图2图示了用于在纳米孔结构230中制作单分子受体224的方法200的示例性实施例。方法200包括通过PVD技术240将材料220沉积到纳米孔结构230的选定内表面上并且随后利用化学化合物222将材料220的表面官能化。纳米孔结构230包括第一表面210、相对的第二表面215、以及从第一表面210延伸到相对