用于處理單分子的設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于處理單分子的設(shè)備(100)和方法，特別地用于對(duì)單鏈DNA進(jìn)行感應(yīng)或測序。分別具有第一狹縫和第二狹縫(111，121)的底層(110)和導(dǎo)電性頂層(120)設(shè)置在彼此頂部，使得通過狹縫形成通孔(A)。狹縫(111，121)優(yōu)選地彼此垂直。電路(140)可以連接到頂層(120)，可以感應(yīng)通過通孔(A)的單分子。
【專利說明】用于處理單分子的設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及處理單分子的設(shè)備和方法。此外，本發(fā)明涉及制造該設(shè)備的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]US2010/0327847A1公開了一種固態(tài)分子傳感器，其具有延伸貫穿石墨烯層的通孔(aperture)。當(dāng)分子穿過所述通孔時(shí)測量所述層的電性質(zhì)的變化。這種傳感器的一個(gè)缺點(diǎn)是石墨烯層的高電導(dǎo)率，與此相比，由分子引起的電導(dǎo)率變化非常微小。
[0003]另外，在文獻(xiàn)(H.W.Ch, Postma, “Rapid sequencing of individual DNAmolecules in graphene nanogaps”,Nano Lett.10 (2010) 420-425 頁)中公開了通過使DNA分子通過兩個(gè)石墨烯層之間的縫隙可以對(duì)其測序。然而，相關(guān)設(shè)備在機(jī)械上沒有所使用的無石墨烯層那樣堅(jiān)固。而且，在所述層之間相對(duì)長的縫隙使得長分子在通過它時(shí)具有多種不同的取向和構(gòu)型，使得測量結(jié)果的解析變得困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供改進(jìn)的用于處理單分子的構(gòu)件，特別是用于核酸如DNA的測序。
[0005]通過根據(jù)權(quán)利要求1和2的設(shè)備，和根據(jù)權(quán)利要求3和4的方法實(shí)現(xiàn)了該目的。優(yōu)選的實(shí)施方案公開在從屬權(quán)利要求中。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備用于處理單分子(或原子)，特別是大分子，如蛋白質(zhì)或核酸。在本發(fā)明中，術(shù)語“核酸”可以最通常地包括分子(例如DNA，RNA)，其含有天然的和/或非天然產(chǎn)生的核苷或其修飾物，以及LNA (鎖核酸)和PNA (肽核酸)。這些分子的“處理”可以包括它們的物理和/或化學(xué)轉(zhuǎn)化或變化。在許多重要的應(yīng)用中，處理可以為感測，特別地用于檢測分子的不同部分。因而，其可以例如對(duì)ss-DNA測序。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，所述設(shè)備包括以下部件:
[0007]a)第一材料形成的第一層，其中第一層包括第一狹縫。為了比較，下面將第一層稱為“底層”(指示其在圖中的通常位置，但對(duì)于其實(shí)際上的取向沒有限制)。術(shù)語“狹縫”在本發(fā)明的上下文中可以表示連接的通常為任何形狀的開口、縫隙、孔(hole)或通孔，但其在狹義上經(jīng)常指的是伸長(例如矩形)的縫。
[0008]b)第二層，其設(shè)置在上述的底層上，并且其具有第二狹縫。為了比較，該第二層在下文中稱為“頂層”。頂層中的第二狹縫至少部分地覆蓋底層中的第一狹縫，這樣兩條狹縫共同構(gòu)成通孔，單分子可以從其中通過。而且，頂層(至少部分)應(yīng)為導(dǎo)電性的。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，所述設(shè)備包括導(dǎo)電層，其提供了通孔，單分子可以通過該通孔，并且其表面的至少一部分具有電絕緣層。所述導(dǎo)電層在下文被稱為“頂層”因?yàn)槠淇杀灰暈樯鲜鰧?shí)施方案的導(dǎo)電性頂層。事實(shí)上，根據(jù)本發(fā)明的第二方面的設(shè)備可以被認(rèn)為是根據(jù)第一方面的設(shè)備，其中底層提供了絕緣。應(yīng)該注意，在通孔附近或通孔內(nèi)典型地不存在絕緣層。[0010]本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種制造前述設(shè)備的方法，所述方法包括以下步驟，其可以按列出的順序執(zhí)行或任何其他適當(dāng)?shù)捻樞驁?zhí)行:
[0011]a)提供帶有第一狹縫的底層。所述底層可以例如首先設(shè)置為材料的均一層，然后通過例如光刻法在其內(nèi)部形成狹縫。
[0012]b)在所述底層上沉積導(dǎo)電性的頂層。
[0013]c)在頂層上形成第二狹縫，其中該第二狹縫設(shè)置在第一狹縫上方，使得兩條狹縫一起產(chǎn)生通孔。
[0014]此外，本發(fā)明涉及處理單分子的方法，所述方法包括以下步驟:
[0015]a)使分子依序通過導(dǎo)電性頂層中的第二狹縫和鄰接的底層中的第一狹縫，其中所述狹縫共同地提供了通孔。分子的通過可以是主動(dòng)誘發(fā)或者例如通過適當(dāng)?shù)碾?、磁或液體動(dòng)力輔助。但是，分子也可以是被動(dòng)地移動(dòng)通過通孔，單獨(dú)由它們的隨機(jī)(熱)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。應(yīng)該注意的是，通過的兩個(gè)方向都包括在該步驟內(nèi)，即，首先通過頂層然后通過底層，或者反之亦然。
[0016]c)當(dāng)分子通過所述通孔時(shí)，執(zhí)行或感測上述分子與頂層/和或底層之間的相互作用。
[0017]上述設(shè)備和方法是相同原理的不同實(shí)現(xiàn)，即在導(dǎo)電層中提供通孔，所述導(dǎo)電層由另外的部件(底層和/或絕緣層)(在功能上)支持或補(bǔ)充，其中通孔可以通過頂層和底層中的狹縫的適當(dāng)排列來形成。因此，對(duì)于這些實(shí)現(xiàn)中的一者的解釋和定義對(duì)于其他實(shí)現(xiàn)來說也是類似適用的。
[0018]所述設(shè)備和方法的有利之處在于導(dǎo)電層的機(jī)械和/或電性質(zhì)可以有利地通過另外的部件來調(diào)節(jié)，即底層和/或絕緣層。而且，通孔具有可調(diào)節(jié)的形狀和尺寸，單分子可以通過所述通孔。特別地，如果使用具有相當(dāng)緊湊(例如圓形或正方形)形狀的通孔，長分子例如ss-DNA僅能夠在軸向方向通過，因而為它們的處理提供了明確限定的條件。同時(shí)，可以容易地制造通孔，因?yàn)樗旧嫌蓛蓷l狹縫構(gòu)成。最后，導(dǎo)電性頂層可以被完全分成兩個(gè)獨(dú)立的部分(由第二狹縫分開)，這是有利的，這樣當(dāng)?shù)诙M縫為空時(shí)沒有背景電流流過。另外，背景電流可以被導(dǎo)電性頂層的絕緣層抑制。
[0019]在下文中，將詳細(xì)描述與上述的設(shè)備和方法相關(guān)的本發(fā)明的不同優(yōu)選實(shí)施方案。
[0020]設(shè)置底層中的第一狹縫和頂層中的第二狹縫，使一個(gè)在另一個(gè)上方，這樣它們共同產(chǎn)生所需通孔。通常，可以使一條狹縫完全地與另一條重疊(例如，如果兩條狹縫具有同樣尺寸和形狀并且完全對(duì)準(zhǔn))。得到的通孔然后在尺寸和形狀上與此(較小的)狹縫相符合。雖然這樣的實(shí)施方案包括在本發(fā)明內(nèi)，但優(yōu)選地，第一狹縫和第二狹縫不完全重疊。通孔，其總是對(duì)應(yīng)于狹縫之間重疊的區(qū)域，其因此比每條單獨(dú)的狹縫都要小。這樣的設(shè)計(jì)是有利的，因?yàn)樵谙鄬?duì)較大的通孔(狹縫)的幫助下能更容易地制造小的通孔。
[0021]第一狹縫和第二狹縫可以具有伸長的(例如，長方形)形狀，其為同軸取向，在軸向上有相對(duì)位移。因此，只有這些狹縫的重疊的較小區(qū)域會(huì)形成通孔。最優(yōu)選地，兩條狹縫彼此相對(duì)傾斜地取向，特別地為垂直。在這種情況下狹縫的精確相對(duì)位置可以大幅變化，允許大的制造公差，不會(huì)影響得到的通孔的尺寸和形狀。
[0022]第一狹縫和/或第二狹縫可以完全地被對(duì)應(yīng)的層(其為所述層的內(nèi)部開口)圍繞，它可以和層的一個(gè)邊界連接，或它可以將層切成兩個(gè)不連接的部分。后面的情況可以優(yōu)選地對(duì)頂層和第二狹縫實(shí)現(xiàn)。頂層的兩部分因而是不電連接的，在第二狹縫間產(chǎn)生零背景電流。最優(yōu)選地，結(jié)合第一狹縫，第一狹縫完全位于它所在層的內(nèi)部并且因此提供了機(jī)械穩(wěn)定的一片式底層。
[0023]頂層任選地在其表面的至少一部分上具有電絕緣層，優(yōu)選地設(shè)置在其整個(gè)表面上除了通孔和/或第二狹縫的部分上。電絕緣層阻止了不希望的電流的流動(dòng)，特別是頂層的兩個(gè)由第二狹縫分開的不連接部分之間的電流(參考前述的實(shí)施方案)。因此，僅產(chǎn)生通過感興趣區(qū)域的電流(即，典型地，第二狹縫間的電流)，而穿過周圍的樣品介質(zhì)和/或穿過設(shè)備的其他部件(例如底層)的電流被阻止或至少最小化。
[0024]導(dǎo)電性頂層可以優(yōu)選地包含石墨烯。石墨烯是優(yōu)選材料，由于它在納米尺寸上的有利的電性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)。
[0025]頂層的厚度(在第二狹縫的區(qū)域中確定)優(yōu)選地小于約2nm，最優(yōu)選地小于約lnm。如果需要測量與第二狹縫內(nèi)的分子的相互作用，小的厚度是有利的，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生了較高的空間分辨率。因此，DNA鏈上的單個(gè)堿基可以例如由通過它們的隧道電流檢測，所述堿基典型地彼此具有約0.3nm的距離。
[0026]如果頂層包含石墨烯或由石墨烯組成，所述石墨烯可以以5個(gè)單層或更少層的形式存在，優(yōu)選為2個(gè)單層，或更優(yōu)選為單個(gè)單層。因而可以獲得上述的有利的小厚度。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，在頂層上可以設(shè)置附加層，所述附加層使第二狹縫打開。附加層可以優(yōu)選地為非電導(dǎo)性的。附加層可能是有利的，因?yàn)槠湓龃髾C(jī)械強(qiáng)度，提供電絕緣層(如果其是非電導(dǎo)性的)，并且有助于分子的適當(dāng)取向。
[0028]頂層和/或底層和/或附加層可以優(yōu)選地具有約IOnm和約IOOOnm之間的厚度。該厚度顯著大于要處理的典型的伸長型分子(例如ss-DNA)的直徑。因此，這樣的分子將通過相應(yīng)的層中的狹縫在面內(nèi)取向，其進(jìn)一步有助于分子在它們通過通孔時(shí)的明確取向。
[0029]通常，頂層可以由兩個(gè)或更多個(gè)不同材料的亞層組成(幾個(gè)相同材料即石墨烯的亞層，已經(jīng)在上面描述)。這些亞層中的至少一個(gè)應(yīng)是導(dǎo)電性的，以提供整個(gè)頂層的導(dǎo)電性。通過結(jié)合不同材料，頂層的電性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)可以更好并且各自獨(dú)立地調(diào)整。
[0030]通常，對(duì)于底層的電性質(zhì)沒有限制，因此其例如可以包括導(dǎo)電體或半導(dǎo)體。最優(yōu)選地，底層(或至少其與頂層的界面)是非導(dǎo)電性的。它可以特別地包括介電材料，例如二氧化硅(SiO2)和/或氮化硅(SiNx)。這些材料是合適的載體或基底，在其上可以用已知的制造步驟形成微電子或微機(jī)械結(jié)構(gòu)。底層可以為均勻的層或由亞層構(gòu)成。如以上提到的，在底層(如果它是導(dǎo)體或半導(dǎo)體)和頂層之間應(yīng)設(shè)置電絕緣層，以阻止穿過底層的不需要的電流流過。
[0031]由第一狹縫和第二狹縫形成的通孔的尺寸和形狀可以根據(jù)預(yù)期的應(yīng)用選擇，特別地根據(jù)將要處理的分子選擇。優(yōu)選地，通孔的尺寸的范圍介于約0.1nm2和IOnm2之間，最優(yōu)選地介于約2nm2和5nm2之間。通孔的相關(guān)形狀優(yōu)選地為圓形、長方形或正方形。上述尺寸適合于例如ss-DNA的處理。
[0032]第一狹縫和/或第二狹縫的寬度優(yōu)選地介于約0.1nm和約IOOnm之間。第一和/或第二狹縫的長度范圍優(yōu)選地介于約0.1 μ m和約I μ m之間。具有上述尺寸的狹縫可以容易地通過已知程序制成，它們允許形成適當(dāng)(小)尺寸的通孔。
[0033]根據(jù)單分子的預(yù)期的處理，可能需要附加部件。這樣的部件可以特別地通過電路實(shí)現(xiàn)，所述電路適于控制頂層與通過通孔的分子之間的相互作用。這樣的電路優(yōu)選地與頂層連接。另外，通孔可以嵌入微流動(dòng)電路中，所述微流動(dòng)電路確保所關(guān)注的分子(例如DNA片段)傳送到通孔。
[0034]在優(yōu)選實(shí)施方案中，上述電路可以適于感應(yīng)導(dǎo)電性的變化，在分子或分子的不同部分通過通孔時(shí)發(fā)生(和/或頂層中的第二狹縫)導(dǎo)電性的變化。因而，例如可以通過檢測穿過第二狹縫的隧道電流的發(fā)生來實(shí)現(xiàn)對(duì)ss-DNA的測序(其應(yīng)基于堿基或是基于堿基)。
[0035]為了能夠平行處理多個(gè)單分子，優(yōu)選地，提供多個(gè)通孔。優(yōu)選地，這些通孔設(shè)置在共同的載體或基底上，其中每個(gè)通孔形成于底層中的相應(yīng)第一狹縫和頂層中的相應(yīng)第二狹縫之間。與每個(gè)通孔相應(yīng)的底層和頂層對(duì)于每個(gè)通孔來說可以是不同的，或可以全部是相同的。最優(yōu)選地，在共同的底層中設(shè)置多個(gè)第一狹縫，而在分開的頂層中實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的第二狹縫。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]本發(fā)明的這些和其他方面將參考下文中描述的實(shí)施方案進(jìn)行闡釋和說明。
[0037]在附圖中:
[0038]圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的俯視示意圖；
[0039]圖2顯示了沿圖1的線I1-1I穿過設(shè)備的截面圖；
[0040]圖3-12顯示了制造根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的連續(xù)步驟；
[0041]圖13顯示了圖1和2的設(shè)備的改變，其中在頂層上設(shè)置了附加層；
[0042]圖14顯示了可選的設(shè)備，其中導(dǎo)電層由絕緣層封裝。
[0043]附圖中相同的附圖標(biāo)記數(shù)字或區(qū)別在于100的整數(shù)倍數(shù)的數(shù)字表示相同或相似的部件。
【具體實(shí)施方式】
[0044]US2010/0327847A1描述了石墨烯層/電極在納米孔測序中的用途。在此專利中提出在石墨烯中植入納米孔，留下納米孔附近的區(qū)域。
[0045]然而，已知石墨烯具有很高的傳導(dǎo)性。已經(jīng)報(bào)道在室溫下約10，000cm2/Vs的遷移率(K.S.Novoselov, A.K.Geim, S.V.Morozov, D.Jiang, Y.Zhang, S.V.Dubonos,
1.V.Grigorieva,and A.A.Firsov,“Electric Field Effect in Atomically Thin CarbonFilms”，Science，306 (204) 666-669 頁)。因此，在 US2010/0327847A1 的裝置中的電流將不能調(diào)整或很難調(diào)整，并且所述裝置在測定通過納米孔的堿基時(shí)效率很差，因?yàn)樗械碾娏鲗⑼ㄟ^剩余的石墨烯中的納米孔。
[0046]鑒于此，使用如Postma提出的納米間隙似乎更為有效(H.W.Ch.Postma,“Rapid sequencing of individual DNA molecules in graphene nanogaps”， NanoLett.10(2010)420-425頁)。如這篇論文中所述，使用納米間隙具有額外的益處，避免了將(納米)電極對(duì)準(zhǔn)納米孔的問題。
[0047]然而，對(duì)于實(shí)際目的來說，Postma在他的理論計(jì)算中所設(shè)想的裝置具有兩個(gè)重要的缺陷:
[0048]-為了產(chǎn)生能夠被容易制造的裝置，納米間隙或“狹縫”必須具有跨越整個(gè)石墨烯電極的有限長度。它的尺寸約為0.1-1 μ m。由于待測量的單鏈DNA(SS-DNA)非常易彎曲，這使得DNA可以以多種形式，特別是折疊形式通過納米間隙。這將破壞以設(shè)想的單堿基分辨率測量的可能性。
[0049]-石墨烯層沒有機(jī)械支撐，并且雖然石墨烯是堅(jiān)固的材料，但這樣制成的裝置不會(huì)很堅(jiān)固。
[0050]-將產(chǎn)生通過充滿離子的緩沖液體的分路電流，其會(huì)淹沒(overwhelm)要測量的任何隧道電流。
[0051]為了解決這些所述的問題，本發(fā)明提出不使用納米孔和納米間隙裝置，而使用一種不同的裝置:交叉狹縫(石墨烯)裝置。
[0052]圖1和2示意性圖示了示例設(shè)備100，其根據(jù)前述的理論設(shè)計(jì)。該設(shè)備100的中心部件為兩個(gè)層，即:
[0053]-“底層”110包括伸長的、長方形的寬度為wb的第一狹縫111，其在X方向上延伸。
[0054]-“頂層”120，其設(shè)置在前述底層110上，所述頂層由兩個(gè)不連接的部分120a和120b組成，其被寬度為wt的第二狹縫121分開，其在y方向上延伸。
[0055]第一狹縫111和第二狹縫121相對(duì)于彼此垂直取向，并且在(正方形)通孔A的區(qū)域中部分地重疊，單分子M可以通過所述通孔A。
[0056]如圖中所示，設(shè)備100進(jìn)一步包括接觸器130a和130b，其分別地設(shè)置在頂層部分120a和120b上。通過這些接觸器，頂層連接電路140。該電路140適于感應(yīng)發(fā)生在頂層120與通過通孔A的單分子之間的相互作用。
[0057]所述的交叉納米狹縫設(shè)備100相比已知的使用石墨烯納米孔進(jìn)行基于橫向-電導(dǎo)測序的裝置具有以下有利之處:
[0058]-與US2010/0327847A1中公開的納米孔裝置結(jié)構(gòu)相反，(隧道)電流僅當(dāng)DNA通過納米開口時(shí)產(chǎn)生。此外，該裝置的重要益處在于相對(duì)于零背景的測量，即當(dāng)沒有DNA通過裝置時(shí)，產(chǎn)生(非常)有限的信號(hào)或不產(chǎn)生信號(hào)。
[0059]-該裝置結(jié)構(gòu)可以容易地制造并且保證了ss-DNA僅能通過的單一納米開口。不需要制造納米孔，只需要兩條nm寬度的狹縫。
[0060]-ss-DNA不能以折疊形式通過該裝置，這會(huì)妨礙單堿基的檢測。
[0061]圖3-12顯示了制造根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的連續(xù)步驟，其中每幅圖在左側(cè)顯示了剖面?zhèn)纫晥D，在右側(cè)顯示了俯視圖。
[0062]從圖3開始，提供硅(Si)基底101作為載體，在其上沉積SiO2的(絕緣)介電“底層”110 (典型厚度為約IOOnm)。另外，在該層頂上沉積抗蝕劑層151 (典型厚度為約50nm ;抗蝕劑可以例如為高分辨率、正電子束抗蝕劑，如Zeon Corp.的ZEP520)。
[0063]在圖4中，在抗蝕劑層151中通過電子束光刻(EBL)或極UV光刻形成狹縫S。
[0064]在圖5中，在底層110中通過經(jīng)過抗蝕劑層151中的狹縫的反應(yīng)離子刻蝕(RIE)制成第二狹縫111。
[0065]在圖6中，抗蝕劑層151被移除，并且在圖7中具有約Inm厚度的石墨烯頂層120通過添加浮動(dòng)石墨烯沉積在底層Iio的頂上。在絕緣層122被設(shè)置在石墨烯層120頂上的情況下，隔離體/絕緣體可以是添加的浮動(dòng)石墨烯的整體的一部分。[0066]在圖8中，抗蝕劑層152施加在石墨烯頂層120之上，所述抗蝕劑層例如為厚度約IOOnm的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)層。此外，該抗蝕劑層152通過電子束刻蝕構(gòu)造以提供四個(gè)孔H。在絕緣層122被設(shè)置在石墨烯層120頂上的情況下，為了獲得后來的(Cr)Au (131和132層)和石墨烯之間的電接觸，該絕緣體應(yīng)通過濺射刻蝕、RIE或濕法化學(xué)的方法移除。也可以使用除PMMA例如ZEP520以外的其他抗蝕劑，特別是當(dāng)他們在任何方式的提離步驟里被移除時(shí)。
[0067]根據(jù)圖9，鉻(Cr)層131 (約5nm厚度)和金(Au)層132 (約IOOnm厚度)已經(jīng)被沉積在裝置的頂部。如果金充分粘合到下面的層，則可以省略鉻層。
[0068]在圖10中，抗蝕劑層152被提離，僅在4個(gè)孔留有Au/Cr，其在那里直接位于石墨烯120頂上。
[0069]在圖11中，使用聚焦離子束(FIB)或高劑量電子束刻蝕(或其他細(xì)線刻蝕)圖案化石墨烯頂層110。雖然底層可以通過傳統(tǒng)刻蝕圖案化(得到約5nm的分辨率)，但石墨烯頂層的圖案化必須用不同的技術(shù)制成，因?yàn)樵谑╇姌O之間的間隙必須在l_2nm的范圍內(nèi)。這可以通過使用約IOOkeV電子的電子束刻蝕完成。由于圖案化，制成了石墨烯的兩個(gè)不連接的部分120a和120b，其由第二狹縫分開。此外，石墨烯的框架120c留在裝置的邊界。
[0070]圖12顯示了最后步驟，其中硅層101的硅已經(jīng)被從背面被移除，因而在分別在底層和頂層中的第一狹縫和第二狹縫之間形成的通孔被打開。而且，實(shí)現(xiàn)了 Au/Cr接觸器連接到電路(未示出)，通過所述電路可以實(shí)現(xiàn)在通孔內(nèi)感應(yīng)。
[0071]底層和頂層的納米狹縫的對(duì)準(zhǔn)是相對(duì)容易的，因?yàn)槊總€(gè)狹縫的長度可以被制成足夠長(0.1-1 μ m)，這樣即使使用傳統(tǒng)的刻蝕工具獲得覆蓋層也是容易完成的。這是所提出的方法的中心方面，即制造納米孔的問題被制造兩條狹縫所代替，所述兩條狹縫一起形成納米開口。
[0072]作為進(jìn)一步的實(shí)施方案，提出在石墨烯頂層的頂部上提供保護(hù)層，并且提供了最佳的形狀例如圓錐形。這增加了石墨烯頂部上的第二狹縫的高度，并且因此減小了角度，ss-DNA將以該角度通過交叉狹縫裝置中的納米開口。
[0073]圖13顯示了設(shè)備100’的截面圖(與圖2相似)，其為上述設(shè)備100的改變形式。在該設(shè)備100’中的(唯一)新部件是非導(dǎo)電性的“附加層”160，其設(shè)置在頂層120上，(僅僅)留下第二狹縫121的開口。因此，附加層160包括兩個(gè)分開的部分160a和160b。
[0074]附加層160將導(dǎo)電性頂層120和周圍的樣品介質(zhì)電絕緣隔離，因而阻止了當(dāng)電壓施加到頂層上時(shí)分路電流的流動(dòng)。另外，附加層160增加了第二狹縫121的厚度(在Z-方向上)，有助于在分子M通過通孔A之前適當(dāng)?shù)貙⑵淙∠颉?br> [0075]圖14顯示了根據(jù)本發(fā)明的第二方面的設(shè)備200的透視示意圖。與前面的實(shí)施方案中相同或相似的部件用增大100的附圖標(biāo)記來標(biāo)示，并且不再次描述。設(shè)備200包括以下部件:
[0076]-導(dǎo)電性“頂層”220帶有通孔A，單分子M可以通過通孔A。頂層可以特別地為石墨烯(單、雙或多)層。
[0077]-電絕緣層，其覆蓋上述的頂層220(除了通孔A內(nèi))，并且由“底層”210和“附加層”260組成。[0078]-兩個(gè)電接觸器230a和230b設(shè)置在通孔A的相對(duì)側(cè)上并且與頂層220電接觸。所述接觸器可以連接外部電路(未示出)。
[0079]應(yīng)該注意，選擇術(shù)語“頂層”、“底層”和“附加層”主要地為了顯示與本發(fā)明的前述實(shí)施方案相一致。實(shí)際上，“底層”和“附加層”可以由均一絕緣層構(gòu)成。
[0080]通孔A可以被認(rèn)為是通過底層210中的“第一狹縫”和頂層220中的“第二狹縫”(和附加層260中的第三狹縫)之間的重疊形成。在示例中，這些狹縫在形狀和尺寸上相同，通孔A是近似圓形的。但是，它還可以具有前述實(shí)施方案中的形狀，特別地為將導(dǎo)電層220分成兩個(gè)不連接的部分的形狀。
[0081]設(shè)備200具有這樣的益處，當(dāng)電壓施加到接觸器230a和230b之間時(shí)，除了通孔A之內(nèi)，電流不能流過樣品介質(zhì)。當(dāng)計(jì)劃進(jìn)行通孔A內(nèi)的測量時(shí)，這減少了不希望的背景電流的作用。
[0082]應(yīng)該注意，雙鏈DNA的寬度為2.3nm,因此ss-DNA的寬度為約1.lnm，這樣產(chǎn)生具有2X5nm2的納米開口，其足夠小，以通過一個(gè)且最多兩個(gè)ss-DNA鏈。如果是后面一種情況，它是容易解決的，因?yàn)榭梢灶A(yù)知，裝置可以以(大規(guī)模的)平行的方式操作。因而，通過忽略來自總的裝置的這些單元/像素的數(shù)據(jù)日期可以解決一些裝置被同時(shí)注入多個(gè)DNA鏈的不希望的情況(unfortunate chance)。
[0083]本發(fā)明的納米孔通孔優(yōu)選地適于測量導(dǎo)電性。測量電導(dǎo)率變化理解為其可以為直流電流-電壓檢測、交流電流-電壓檢測、或通過將(小的)交流電壓疊加在直流電壓上的方式(也稱為導(dǎo)納測量(admittance measurement))進(jìn)行的交流電流-電壓測量、或通常的響應(yīng)于任何依賴時(shí)間施加的電壓的電流測量。優(yōu)選地，在超過了在緩沖介質(zhì)中的任何離子力矩的典型比例的測量頻率下進(jìn)行交流檢測，從而不會(huì)被緩沖介質(zhì)中的離子調(diào)整所影響。
[0084]此外，應(yīng)該注意，所描述的技術(shù)當(dāng)然可以用于處理除ss-DNA之外的其他分子，例如雙鏈DNA(ds-DNA)、一般核酸或蛋白質(zhì)。在ds-DNA中，堿基對(duì)的數(shù)目可以例如被計(jì)數(shù)(進(jìn)行或不進(jìn)行精確地對(duì)它們的測序)。可選的，可以測定DNA的后生變化Gpigeneticchanges)。本發(fā)明的方法還可以被用于設(shè)計(jì)“電子鼻”用來檢測痕量元素、分子或分子片段，特別是元素、分子或分子片段，其可以引起導(dǎo)電(例如石墨烯)層的狹縫中的隧道電流。在這后面的應(yīng)用中，可以在氣態(tài)或液體介質(zhì)中檢測元素和分子。
[0085]雖然在附圖和前述的說明中詳細(xì)說明和描述了本發(fā)明，但這些說明和描述被認(rèn)為是指示性的或示例性的和非限定性的；本發(fā)明不局限于所公開的實(shí)施方案。通過研究附圖、公開內(nèi)容，和隨附的權(quán)利要求書，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解和實(shí)現(xiàn)所公開的實(shí)施方案的其他變型。在權(quán)利要求中，用語“包括(含)”不排除其他元件和步驟，并且不定冠詞“a”或“an”不排除多個(gè)的情況。在相互不同的從屬權(quán)利要求中提到一些測量，并不表示不能有利地使用這些測量的組合。權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記不能解釋為對(duì)范圍的限定。
【權(quán)利要求】
1.用于處理單分子(M)的設(shè)備(100，200)，其包括: 帶有第一狹縫(111)的底層(110，210)； 設(shè)置在底層(110，210)上的導(dǎo)電性頂層(120，220)，并且其具有設(shè)置在第一狹縫(111)上方的第二狹縫(121)，以提供單分子(M)能夠通過的通孔(A)。
2.用于處理單分子(M)的設(shè)備(100，200)，特別是根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其包括: 導(dǎo)電性頂層(120，220)，其提供單分子(M)能夠通過的通孔(A)，并且在導(dǎo)電性頂層(120,220)的表面的至少一部分上具有電絕緣層(122，160，210，260)。
3.制造根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備(100)的方法，其包括以下步驟: a)提供具有第一狹縫(111)的底層(110)； b)在所述底層(110)上沉積導(dǎo)電性頂層(120)； c)在所述第一狹縫上方的所述頂層(120)中制造第二狹縫(121)，以產(chǎn)生通孔(A)。
4.處理單分子(M)的方法，其包括以下步驟: a)使分子(M)依序通過導(dǎo)電性頂層(120，220)中 的第二狹縫(121)和鄰接的底層(110.210)中的第一狹縫(111)，其中所述狹縫提供通孔㈧； b)當(dāng)分子(M)通過所述通孔(A)時(shí)，執(zhí)行或感應(yīng)所述分子與頂層(120，220)和/或底層(110，210)之間的相互作用。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備(100)或根據(jù)權(quán)利要求3或4的方法，其特征在于第一狹縫(111)相對(duì)于第二狹縫(121)是傾斜的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備(100)或根據(jù)權(quán)利要求3或4的方法，其特征在于第二狹縫(121)將頂層(120)分成兩個(gè)不連接的部分(120a，120b)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備(100，200)，或根據(jù)權(quán)利要求3或4的方法，其特征在于頂層(120，220)包含石墨烯，所述石墨烯優(yōu)選地在少于5個(gè)單層中，最優(yōu)選地在一個(gè)單層中。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備(100，200)，或根據(jù)權(quán)利要求3或4的方法，其特征在于在頂層(120，220)上除了通孔㈧的部分上設(shè)置附加層(160，260)，特別地為非導(dǎo)電性附加層(160,260)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備(100，200)，或根據(jù)權(quán)利要求3或4的方法，其特征在于頂層(120，220)和/或底層(110，210)和/或附加層(160，260)的厚度在約IOnm和約1000nm 之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備(100，200)或根據(jù)權(quán)利要求3或4的方法，其特征在于底層(110.210)包含介電材料，特別地為二氧化硅和/或氮化硅。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備(100，200)，或根據(jù)權(quán)利要求3或4的方法，其特征在于通孔(A)的尺寸在約0.1nm2和約IOnm2之間，優(yōu)選地在約2nm2和5nm2之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備(100)或根據(jù)權(quán)利要求3或4的方法，其特征在于第一狹縫(111)和/或第二狹縫(121)的寬度(wt, wb)在約0.1nm和約IOOnm之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備(100，200)，或根據(jù)權(quán)利要求3或4的方法，其特征在于頂層(120，220)連接到電路(140)，通過電路(140)能夠控制與通過通孔(A)的分子(M)的相互作用。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的設(shè)備(100，200)或方法，其特征在于電路(140)適于感應(yīng)當(dāng)分子(M)或其不同部分通過通孔(A)時(shí)發(fā)生的電導(dǎo)率變化。
15.根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備(100，200)，或根據(jù)權(quán)利要求3或4的方法，其特征在于提供了多個(gè)通孔(A )。
【文檔編號(hào)】G01N33/487GK103890580SQ201280047984
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月28日
【發(fā)明者】P·J·范德扎格, R·庫霍恩, F·C·M·J·M·范德爾夫特 申請人:皇家飛利浦有限公司