CN101605910A - 电极系统及其在分子表征中的用途 - Google Patents

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Abstract

表征分子的方法，包括提供两个电极(16a，16b)，所述电极定义它们之间的隧道间隙；在电极之间施加电势差；使分子通过隧道间隙；和在测量期中测量电极之间的隧道电流，其中分子的至少一部分在测量期的至少一部分位于间隙中。

Description

电极系统及其在分子表征中的用途
本发明涉及分子的表征。所述系统在聚合材料如DNA的分析和测序中有特别的应用。
近年来，人们在微流体或实验室芯片(lab-on-a-chip)技术的开发和应用方面有着相当大的兴趣。这些微尺度分析设备利用微机械部件(micromachinedfeature)(比如隧道、电极、反应器和过滤器)，并且能以高精确度和高效率操作流体样品。微流体芯片设备已经在多种应用中使用，包括核酸分离、蛋白质组学、DNA扩增、DNA测序和细胞操作。基本上，基于芯片的分析系统已显示出相对于其常规(更大)类似系统具有很多优势。这些包括在样品大小、响应时间、成本、分析性能、过程控制、集成、通量和自动化方面改进的效率。
更近一些，人们在按比例缩小微流体系统以产生部件，如横截面尺度为零点几微米(a fraction of a micron)的通道方面有兴趣。这样的“纳米流体”设备为纳米流体现象的基础研究和应用研究开拓了新的机会。在基本术语中，纳米流体描述在纳米尺度尺寸的结构中和附近流动的流体，任意限定为尺寸小于100nm。很多定义性质可以将在纳米尺度流动的流体与较大环境中流动的流体区分开来。首先，流动发生在与天然标度长度(natural scalinglength)可比的结构中，例如电解质溶液中的Debye长度。第二，表面积与体积的比可以是极大的。第三，在这种尺度，扩散成为极有效的质量传递机制，并且最终，与纳米流体环境有关的超小体积使得可以将分析物分子有效限定于确定区域，因此在理论上允许产生100％的检测效率。在处理或分析化学和生物系统时，可以充分利用所有这些特性以发挥显著的优势。
当与胶体科学和膜制备中使用的能够形成以随机方式布置的纳米尺度部件(如孔)的沿用已久的技术相比时，纳米结构化可以形成并控制不同尺度、几何形状和位置的个体纳米结构。简而言之，纳米通道定义为至少一个横截面尺寸在纳米范围内的通道。一维纳米通道具有一个亚微米的横截面尺寸，而二维纳米通道的深度和平均宽度均测量为纳米级。这样的纳米尺度尺寸允许研究新现象，因为通道深度或宽度与流体中分散的原子或分子有相似的大小尺寸。因此，这些超低体积环境中的基本现象如流体输送和分子行为对于研究是极具吸引力和适时的。从应用的观点来看，与已建立的微流体技术相比，纳米流体分析系统代表了更显著的发展，因为它为分析效率、样品通量和罕见事件检测的改进提供了极大的潜力。例如，近来报道了使用二维纳米流体通道检测自由溶液中个体核酸工程改造的荧光标记和量子点-生物分子缀合物。
本发明在纳米流体设备中有具体应用，所述设备用于高通量聚合物片段尺度测定(sizing)、单分子水平的单体序列分析和罕见分子事件分析。先前已在牵涉小毛细管和流式细胞仪的设备中开发了基于单分子的片段尺度测定方法来分析DNA。此外，已经在微通道环境中显示了单分子DNA片段尺度测定。在这些情况中，通道尺寸仍然是相当大的，因此对能获得的最佳分辨率、可实现的分析通量和分子检测效率都产生了限制。例如，大的通道尺寸要求相对较大的观察窗，用于整个通道宽度均匀照明。因此，只能使用缓慢的流速，或低的样品浓度来避免多分子占据(multiple molecular occupancies)。第二，通道越大，来自缓冲溶液的噪声影响就越大。对于较小的通道尺寸，能够确定的是通过检测区的所有DNA分子都将得到快速分析，并具有高的信噪比。此外，光刻制造技术(lithographic fabrication techniques)的使用使产生大批设备以在单分子水平提供高通量测量成为可能。
因此，本发明提供表征分子的方法，其包括：提供两个电极，所述电极限定它们之间的隧道间隙(tunneling gap)；在电极之间施加电势差；使分子通过隧道间隙；和在测量期测量电极之间的隧道电流，其中在测量期的至少一部分，至少一部分分子位于间隙中。
本发明还提供表征聚合物分子的方法，其包括：提供两个电极，所述电极限定它们之间的间隙；在电极之间施加电势差；使聚合物分子通过间隙以使分子的多个部分以沿分子定位的顺序通过电极之间(in the order in whichthey are located along the molecule)；和当分子通过电极之间时测量电极间的电流。以与聚合物骨架垂直的方向测量隧道电流。
分子的部分可以是单体或分子的其他亚单元(sub-unit)。
间隙可以小于10nm，在一些情况下可以小于5nm。
分子可以是聚合物，此情况下表征可以包括测定聚合物中单体或碱基的序列。或者，分子可以是非聚合分子。
方法可以进一步包括引导聚合物，使得聚合物的多个部分顺序通过间隙，从而它们在间隙中沿分子定位。例如，分子可以通过孔，并且电极可以相对缝隙定位，以使分子在通过孔时或之后，在电极之间受到引导。
本发明进一步提供表征分子的设备，其包含一对电极，所述电极限定它们之间的隧道间隙，隧道电流可以流过该隧道间隙，和导向装置，其经布置以引导电极之间的分子。
本发明进一步提供表征聚合分子的设备，其包含一对电极，所述电极限定它们之间的间隙，隧道电流可以流过间隙，和导向装置，其经布置以引导电极之间的分子，使得分子的多个部分以沿分子定位的顺序通过电极之间。
间隙可以小于10nm，而在一些实施方案中，小于5nm。
导向装置可限定为管道(my define a duct)，当所述分子处于溶液中时可流过所述管道。导向装置可以由材料体形成，所述材料体具有穿过它形成的孔(a body of material having a pore formed through it)。
管道或孔，沿其长度在最窄点的直径可以小于10nm，而在一些实施方案中所述直径小于5nm。
本发明还进一步提供制造表征分子的设备的方法，所述方法包括：提供材料层，其具有穿过该材料层的(通透)缝隙并具有在缝隙的相对侧(oppositesides)设置的一对电极；减小缝隙的大小；和减小电极之间间隙的大小，直至其达到隧道电流能够在电极之间流动的大小。
本发明还进一步提供制造电极系统的方法，所述方法包括：提供材料层，其具有穿过该材料层的(通透)缝隙并具有邻近所述缝隙设置的电极；和在所述电极上沉积导电材料。
本发明还进一步提供电极系统，其包含具有通透缝隙的材料层，和在材料上形成的电极，其中电极在邻近缝隙的材料表面上形成，并延伸入缝隙中。
根据本发明的一些实施方案，提供化学和半导体加工方法以产生用于在单分子水平高通量DNA定量的纳米流体设备。这样的设备可以通过将DNA链通过纳米孔加料到氮化硅膜上而发挥功能。
现在将通过实施例仅参考附图来描述本发明优选的实施方案，附图中：
图1是根据本发明的实施方案用于表征分子的设备的示意图；
图2是图1设备的剖面部分(section through part)；
图3a至3e显示在制造图1设备的方法中的多个步骤；
图4是在图1设备的电极沉积过程中，隧道电流作为沉积时间的函数的图；和
图5是根据本发明另一个实施方案的系统的图。
图6是在图5系统中隧道电流作为时间函数的图；
图7a至d显示在制造根据本发明进一步实施方案的设备的方法中的多个步骤；
图8a、8b和8c显示在制造根据本发明进一步实施方案的设备的方法中的两个步骤；
图9是根据本发明进一步实施方案的设备的平面图(plan view)；和
图10是根据本发明进一步实施方案的设备的平面图。
参考图1和2，用于表征分子的系统包含非导电材料层10，如氮化硅，其具有贯穿其中形成的纳米洞或纳米孔12。氮化硅层厚度为20至200nm，并被支持在厚度为100至500μm的硅基底14上。纳米洞最窄处的直径为1至10nm，优选1至5nm并且最优选1至2nm。在氮化硅层的表面上在纳米孔12的一个末端的相对侧形成一对铂电极16a、16b。电极经过成形，使得它们各自朝着细尖端18逐渐变细，两个电极尖端18之间的间隙20的宽度为1至5nm，并且优选大约与纳米孔12的宽度相同，或略大于其宽度。
布置系统以表征分子，分子通常为聚合物，其以电泳或流体动力方式通过孔12运输。溶液中的聚合物，其可以是例如生物聚合物(寡核苷酸、DNA、RNA、多肽、蛋白质和酶)或合成聚合物(共聚物)，通常以折叠的、非线性形式存在。将每个分子22朝着孔12的上游末端运输，其中分子解折叠并以其线性未折叠状态通过孔12行进。可以通过例如，选择溶剂pH或极性、变性剂、洗涤剂或配体结合而促进解折叠。在孔的下游末端，聚合链移动通过两个导电电极16a、16b之间的纳米尺度间隙，所述电极进一步保持电势差V偏(Vbias)。这个间隙的小纳米尺寸允许电子以隧道电流从一个电极转移至另一个电极。
在溶液中，电极16a和16b各自的电势(E1和E2)相对于参照电极受到控制(双恒电势模式)，使得一个电极在恒定E1的情况下(通过改变E2)独立地调节偏压V偏＝E2-E1，或在V偏恒定的情况下(通过改变当时的E1和E2)独立地调节绝对电势E1和E2。间隙中的隧道电导(tunnelling conductance)G＝It/V偏就依赖于间隙中介质的导电性，V偏＝E2-E1，电极16a、16b之间的隧道距离d，和电极电势E1和E2。
在V偏、d、E1和E2的值给定的情况下，电导G专门地依赖于间隙中介质的导电性。间隙电导G记录为时间t的函数。在聚合链进入孔和隧道间隙之前，电导G取决于溶剂和其物质特异性的电子结构。当链进入间隙时，G将根据溶剂和聚合链的当前组合的导电性而调整。此外，由于隧道效应对距离的强依赖性，隧道电流限制于两个电极16a、16b的最外面原子；比较(cf.)，扫描隧道显微镜(STM)。这意味着沿穿过间隙的最短路线，用亚纳米分辨率测定间隙电导。因此以与分子成横向(transverse to the molecule)的方向测量隧道电流，并由此得到电导。这也是与孔12成横向的方向。因此测量的电导对电极16a、16b之间的聚合物链中的特定单体是特异性的，这使得聚合物链中产生单体特异性的区别(monomer-specific differentiation)。如果在指定时间点，某个单体单元精确地处于两个电极之间，相邻单元已经离电极16a、16b几纳米远，它离电极太远以至于对G没有显著贡献。这使系统可以以低至小于10nm的分辨率辨别聚合物链的不同部分或单体，并且在大多数情况下，在孔的轴向上(即在沿聚合物链的纵向上)分辨率小于5nm。这可以给出足够的精度，例如，用于测定DNA分子中碱基的序列。
如图1的实例中所示，对于由两种不同类型单体A和B组成的聚合物，当单体按顺序通过电极16a、16b之间时，电极之间的电导和由此得到的隧道电流将在基准水平(base level)之间变化，这在聚合物进入间隙之前就存在，当一个单体类型A在电极之间时存在第一水平，并且当其他单体类型B在电极之间时存在第二水平。因为聚合物以长度方向或纵向通过孔，单体通过孔和在电极之间的顺序与它们沿分子定位的顺序相对应。因此可以测量以横向依次通过每个单体的隧道电流。因此隧道电流作为时间的函数的作图能够确定聚合物链中单体类型的顺序。
参考图3a至3e，在制造图1设备的一个方法中，使用商业上可得到的透射电子显微镜(TEM)栅结构作为平台。这些包含厚度为20至200nm的氮化硅层50，其由100至500μm的硅平台支持，并延伸越过(extending over)缝隙52，在这种情况下，缝隙为100至500μm2，位于硅平台中。在氮化硅层上相对形成一对光刻制备的电极54a、54b，例如Au或Pt，在平台周边有肉眼可见的(macroscopic)导线接触56。两个电极之间的间隙d初始达到约50至200nm。然后用绝缘膜如氮化硅、Si3N4覆盖芯片表面，只是在电极间隙周围具有5μm×5μm的开放窗口，将电化学活性限制于后一区域中，如图3a所示。
参考图3c，使用聚焦离子束(FIB)烧蚀，然后在电极间隙中构成直径多至200nm的孔58，其直径依赖于电极间隙的大小(步骤B)。在另一个后续步骤中使用FIB烧蚀，大孔开始在其边缘熔融，直至完整孔的直径降至5nm以下，如图3d所示。这些FIB烧蚀步骤可以使用TEM替代进行。
在图3e中所示的最后一步中，使用电沉积将电极间隙d缩小至小的纳米间隔，即直至在给定的V偏在电极之间产生可检测的隧道电流。
在电沉积过程中，两个隧道电极之间的间隙减小，因为更多的材料沉积在一个电极或同时沉积在两个电极上。最终，这个间隙将变得足够小，使得在电极之间给定的电势差V偏，电子能够从一个电极隧穿到达另一个电极。为了在预设的间隙大小停止过程，可以使用依赖于电极之间的隧道电流或势差作为触发信号的不同的方案。已经开发了自终止方案，其依赖于或者通过加热导电带中的限制(restriction)直至其融化，或者通过使导电带弯曲直至其断裂，来破坏导电带，使导电带留在分开合适的间隙的电极上(leave toelectrodes separated by a suitable gap)。
在这个实施方案中，两个铂工作电极WE1和WE2，例如，在0.01MK2[PtCl4]于0.1M HClO4溶液中，保持各自的电势为E(WE1)＝-0.3V，和E(WE2)＝-0.2V，在两个电极之间给出的偏压为V偏＝-0.1V。
参考图4，当电沉积发生并且电极之间间隙缩小时，第二个电极WE2上的沉积电流保持恒定，直至间隙变得非常小和隧穿开始(tunneling sets in)，导致隧道电流急剧增加，可见其在图4中在约770s沉积时间发生。在图4中在扩展的时间轴上放大显示了隧道电流开始初起时附近的这种急剧增加。如果电沉积继续，当间隙进一步关闭时，间隙中形成聚集体，并以逐步方式调节隧道电流(由于量子尺寸效应)。一旦间隙完全关闭，接合处作用就象欧姆电阻器(Ohmic resistor)。这在图4中约t＝850s时发生。
在这个实施方案中，检测到隧道电流的急剧增加，并将其用作触发信号以停止电沉积过程，设置隧道间隙，使隧道电流能够通过电极之间。
上述过程针对一个孔，但大量平行设备中材料(如氮化硅)的单层具有大量在其中形成的孔，每个孔都具有各自的电极对，大量平行设备的制造能以类似的方式进行。
此外，虽然上文描述了一种电沉积策略，但是对于Pt和其他也能使用的材料已经开发出了很多其他策略。电沉积过程可能牵涉原始的电极材料，但是还能用于将不同的物质沉积在原始电极上，以改变电极的性质和隧穿特征。具体地，在一些应用中，可以使用表面增强的拉曼光谱学(SERS)活性金属(如Au、Ag、Pt和Cu)作为沉积在电极上的涂层材料，形成最终电极的表面。
还可以设计多个替换途径以制造纳米尺度电极间隙，包括扫描探针技术、断结法(break-junction)、电子束光刻(e-beam lithography)和电迁移。所有这些都可以用于本发明中。然而，对于上述本发明的实施方案来说，由于下面概述的原因，与电迁移组合的光刻是最适合的
扫描探针技术，即扫描隧道显微镜(STM)和电流传感原子力显微镜(CS-AFM)，在空气中和液体中，已经证明是研究单分子导电性的强大工具，待研究分子附接于一个或两个电极上(STM头、AFM悬臂(cantilever)或基质表面)。因此沿分子轴测量分子导电性。然而，隧道间隙随时间(in time)并不非常稳定，因此不可能将这样的系统与孔结构整合，如上述本发明实施方案所需要的。还应该注意的是，这些实施方案中的隧道间隙的导电性是以垂直于分子骨架的方向测定，这与先前的STM/CS-AFM研究相反。
在断结法中，将金属线沉积到芯片基底上，然后将其以适当的机构(经常基于压电晶体)弯曲。最终使线断裂，有时在线的两部分之间保留亚埃大小的(sub-Angstrom-sized)间隙。仍然处于机械控制下，然后通过改变基底弯曲程度调节间隙大小。然而，在本发明的优选实施方案中，孔/电极构造太复杂以至于不能使用这种方法。基底的弯曲在孔上引起应变，这可能导致，第一，孔本身变形，和第二，由于本发明的复合性质(composite nature)而产生机械故障。
精密的电子束光刻技术有时能产生具有小纳米间隙尺寸的电极对。这项技术也不适于本发明，因为每个电极/孔结构的成本高得多，而且就总成功率而言，使用这种制造方案的绝对精确度不够高。
电迁移是制造纳米尺度电极间隙的另一种技术。通过由在导线中流动的电流进行电阻加热(resistive heating)，使导线在预设的收缩度(constriction)断裂。尽管这种方法初看起来比电沉积简单，但是仍然非常难将纳米尺度间隙与孔结构整合。虽然电迁移能对间隙大小提供很好的控制，但是间隙大小与孔的精确对齐(alignment)不可能达到足够的精度。
参考图5，在本发明的另一个实施方案中，芯片100包含支持材料层101，其可以支持在基底层上，具有大量穿过它从一侧延伸至另一侧的孔102。在支持材料101的一侧104上，在每个孔102的相对侧提供一对电极106。孔和电极与图1至3中那些相似，并且不再详述。控制器108与每个电极连接，使它能测量和监测通过每对电极的作为时间函数的隧道电流。芯片支持在两个储罐(reservoir)110、112之间，所述储罐装有携带待分析分子(如DNA片段)的溶剂。以已知的方式，通过在每个储罐中提供电机，在两个储罐之间施加DC(直流)电压，并且电压通过电泳驱动DNA片段通过孔102。在发生这种情况的同时，控制器108测量并记录每对电极之间作为时间函数的电流。可理解的是，在这类系统中，可以在单个芯片中提供非常大量的孔，例如至少100，或至少1000，或在一些情况中至少10,000个孔，这能提供大量分子整体的平行分析(massively parallel analysis)。
以这种方式，能够单独地分析溶液中全部或至少基本上全部分子。这允许对罕见事件(rare event)进行分析或检测。例如当分子的非常小的部分具有不同的单体序列，例如当它们包括额外的单体或比其余分子少一个或几个单体时，这可被检出。或者，可以“搜索”包含不同类型分子的混合物的溶液以检查是否存在具有特定性质的一个或多个分子。
与其使用电泳，分子可以以流体力学的方式移动通过孔，即通过使溶剂移动通过孔，使得待分析分子与溶液一起输送。作为另一个选择，可以使用扩散，特别是对于较小的分子。
可理解的是，当分子或分子的一部分通过一对电极之间时，测量的隧道电流的变化将依赖于分子类型而有显著变化。参考本实施方案中的图6，如在图1的实施方案中，聚合物中有两类单体。当每种单体通过电极之间时测量到高度变化的电流，电流依赖于单体的性质具有各种性质或参数。正如所看到的，电流有一系列峰或脉冲，可以通过控制器108测定包括它们的参数，包括振幅、频率和长度(在时间域中)。在所示的实例中，当第一种单体类型通过电极之间时，产生具有第一种振幅的第一组峰a，并且当第二种单体类型通过电极之间时，产生具有第二种振幅的第二组峰b。布置控制器108以分析隧道电流，从而鉴定不同单体通过电极之间的时间，并基于这些时间内电流的性质鉴定各个单体。
在与图5相似的另一个实施方案中，布置控制器以鉴定聚合物的每个末端通过隧道间隙的时间(times)，并基于分子通过间隙所花的时间和分子行进的速度确定DNA分子或片段的长度。可以通过测量已知长度的分子通过电极之间所花的时间确定速度。
在与图5相似的另一个实施方案中，施加脉冲电源，其为电极提供电压以驱动分子通过孔。例如可以在驱动电压和0之间打开和关闭脉冲，或者可以在两个或多个不同电压之间施加脉冲。进行这样的布置以使分子同步(instep)通过孔，每步之后是一段分子基本上静止的时间。布置控制器108以控制这些脉冲的时间，并且因此也经布置以测量在驱动电压为0和分子基本上静止的每个时间段中，每对电极之间的隧道电流。通过控制驱动电压脉冲的幅度、持续时间和频率，可以控制分子每步行进的距离。这允许沿分子控制测量隧道电流的位置，并因此确定分子的性质。可理解的是，驱动电压可以不同并以多种方式受到控制，以控制分子穿过孔和电极之间前进的速度。通过控制交流电场(AC field)，可以有效停止穿过纳米孔的分子的翻译。
尽管上述实施方案都具有一对与每个孔相关的电极，但是在一些情况下，可以为每个孔提供多于两个电极。阳极和阴极的数目可以相等，或者阳极和阴极的数目不等，并且电极可以在孔末端周围间隔开，使得可以测量以不同的横向(in different transverse directions)通过孔的隧道电流。
参考图7a至7d，在本发明的另一个实施方案中，以与图3a至e相似的方式制造设备，但是具有不同形状的孔和电极。参考图7a，约50-200nm厚的氮化硅层70同样支持在约300μm具有通透缝隙的硅平台上。同样穿过氮化硅层70形成缝隙78，但是在这种情况下，缝隙较长而且窄，为20nm×200nm的狭缝78的形式。然后通过如图7b所示的二氧化硅沉积，将狭缝78在宽度上减小至约5nm，长度上减小至约185nm的较小尺寸78a。如图7c所示，在狭缝78的两端形成两个电极74a、74b。这可以在狭缝尺寸减小之前或之后进行。布置电极以使电极显著宽于狭缝78，从而不需要与狭缝成横向的精确定位。然后电极74a、74b通过电沉积生长，使得它们沿狭缝78彼此相向地生长，并且之间的间隙尺度减小。当电极74a、74b之间的间隙到达期望大小时，如图7d所示，停止电沉积。
可理解的是，对于狭缝缝隙78和宽的电极74a、74b的这种布局，电极与最终缝隙对齐的问题比图3a至3e的实施方案中更简单。
参考图8a至8c，在另一个实施方案中，在氮化硅层80上形成宽度为10nm数量级或更小的窄狭缝88，并且在层80表面83上临近狭缝88的末端形成两个电极84a、84b。在这种情况下，起始平台由300μm厚5×5mm硅基底组成。使用低压化学蒸汽沉积(LPCVD)，在825℃的温度和氨气和二氯硅烷气体(ammonia and dichlorosilane gases)条件下将氮化硅沉积在基底上，产生50-200nm的总厚度。氨气和二氯硅烷的流速比为约1∶5。这产生富含硅的氮化物膜，拉应力在50-150MPa范围内。这个应力足够低，可以形成自立膜(freestanding membrane)。然后使用光刻和KOH湿蚀刻在硅基底晶片上形成5μm×5μm的窗口。使用聚焦离子束(FIB)或扫描隧道电子显微镜(STEM)，在Si3N4膜上钻出椭圆形的孔或狭缝。通常狭缝的几何形状可以变化，宽度20-500nm，长度20-5000nm。例如，可以使用FIB，以30kV和20pA，及1-10秒的暴露时间，以顺序方式磨出20×200nm大小的椭圆形洞。因此，可以在60秒的时间范围(time frame)内穿过膜钻出完整的狭缝。
可以经由等离子体增强的化学气相沉积法(PECVD)或通过SEM/FIBTEOS法，通过各向同性的沉积SiO2将狭缝缩窄。这个步骤使狭缝大小沿短轴减小至约5nm。
使用热蒸发和光刻胶剥离(resist lifi-off)技术的组合，使间隙宽度为500nm至10,000nm的一对相反的铂电极沉积在邻近狭缝的膜的平面上表面(planar top surface)上并形成图案(pattem)。通过认真设计的对齐标记，可以进行狭缝和电极的对齐。在狭缝和电极的末端，电极的厚度为50nm的数量级，宽度为100nm的数量级。或者，可能在制造狭缝之前沉积电极，并可引入潜在的更简单的对齐机制。
将层80定位于两个储罐81、82之间，可以根据需要控制储罐的内容物。为了在电极上进行电沉积，下部的储罐82(在层80与电极84a、84b相对一侧)中提供的反应物浓度高于上部的储罐(在电极84a、84b的同侧)中，由所述反应物获得电极上的沉积物。实际上，上部的储罐中反应物的浓度保持尽可能地低。在这种情况下，可以通过仅将反应物引入下部的储罐82，而不引入上部的储罐81而实现。
在电沉积过程中，来自反应物的金属沉积在电极表面上，沉积速度部分由电极表面的反应物浓度确定。在这种情况下，从狭缝88的上侧到下侧，浓度迅速增加。这意味着在电极最接近狭缝88的部分，和狭缝88中最接近狭缝88底部的电极部分上，沉积发生得最快。这导致由于导电材料85沉积在狭缝88顶部的区域90中而使电极84a、84b生长，并且生长越过(over)狭缝88的边缘87，并向下沿着狭缝的侧边89进入狭缝88，如图8b所示。如在图8c中所见，向下生长进入狭缝88的电极84a、84b的部分85显然受到狭缝88的大小的限制，因此这些部分填充了狭缝88的完整宽度，并沿着狭缝88彼此相向地生长，并向下进入狭缝。结果是电极具有非常高的长宽比。
如图8b和8c中所示，在电沉积完成后，电极84a、84b之间间隙最窄的部分在电极84a、84b的上表面以下，并且还可以在层80的上表面83以下。这确保通过狭缝88移动的分子必须通过电极84a、84b之间间隙的最窄部分。
可理解的是在这种布局中，在电极84a、84b生长后，狭缝88和电极84a、84b的对齐非常好，因为电极生长已经被导入狭缝自身当中。这还有助于确保，当例如在与图5相似的系统中使用设备时，被表征的分子通过狭缝88时不能绕开(bypass)电极。
参考图9，在另一个实施方案中，狭缝98为十字形，由从中心点向外延伸的四个窄的狭缝98a、98b、98c、98d形成，使得每个狭缝具有离中心最远的封闭端，和与其他槽(slot)相连的开放端。参考图8a至8c，使用如上所述的方法形成电极94a、94b、94c、94d，它们邻近并延伸进入四个槽中的每个槽。这可以提供四电极系统，它能用于，例如，使用两个相对的电极在电极间隙中进行分子或聚合物的电泳或介电电泳(dielectrophoretic)俘获，其中另一组相对的电极用于俘获组分的基于隧道电流的分析。俘获方法还适用于电极间隙，所述间隙过大以至于隧道电流不能流过；于是分析将借助于其他技术，例如基于单分子荧光光谱法。可以设想电场能够在这种四极的电极布局中震荡。
参考图10，在另一个实施方案中，狭缝108由从中心点辐射的三个槽108a、108b、108c组成，在每个槽中形成一个电极104a、104b、104c，产生Y型布局。我们设想，在这种结构中，两个电极能用于对移位组分(translocating species)进行基于隧道电流的分析，而第三个电极用作局部门(local gate)，与电子晶体管相似。依赖于局部门电场，移位组分的不同电子能级可以与两个隧道电极互相作用，以提供另外的手段，用于表征移位分子或聚合物。两个电极还能用于电泳或介电电泳俘获间隙中的分子，然后其能通过两个电极之一和第三个电极之间的隧道电流进行探测。
可理解的是，在图8a-c、9和10的实施方案中，各个电极可以由相同的材料形成，或者可以由不同的材料形成。此外，在电沉积过程中通过仅对一个电极或对一些电极施加电势，可以以不同的速率或者用不同的量建立电极，从而使得到的电极根据依赖于具体应用的需要具有不同的大小或形状。

Claims (36)

1.一种表征分子的方法，其包括：
提供两个电极，所述电极限定它们之间的隧道间隙；
在所述电极之间施加电势差；
使分子通过所述隧道间隙；和
在测量期中测量电极之间的隧道电流，其中
在测量期的至少一部分中分子的至少一部分位于间隙中。
2.根据权利要求1的方法，其中所述分子是聚合物。
3.根据权利要求2的方法，其进一步包括引导所述聚合物，使得聚合物的多个部分以沿分子定位的顺序按顺序通过所述间隙。
4.根据前述权利要求中任一项的方法，其进一步包括将隧道电流记录为时间的函数。
5.一种表征聚合物分子的方法，其包括：
提供两个电极，所述电极限定它们之间的间隙；
在所述电极之间施加电势差；
使聚合物分子通过所述间隙使得分子的多个部分以沿分子定位的顺序通过电极之间；和
当分子通过电极之间时测量电极间的电流。
6.根据权利要求5的方法，其中测量的电流是基本上以横向通过所述分子的电流。
7.根据前述权利要求中任一项的方法，其中所述分子在溶液中通过所述间隙。
8.根据权利要求5至7中任一项的方法，其包括在沿所述分子的多个位置测量电流，使得可以表征分子的多个部分中的每一个。
9.根据权利要求7或权利要求8的方法，其包括提供多个导向装置，每个导向装置具有与其相关的各自的电极对，其中将分子通过导向装置，同时测量各自的电极对之间的电流。
10.根据权利要求7至9中任一项的方法，其进一步包括对溶液施加驱动电势，以驱动所述分子通过间隙，其中驱动电势是变化的，使得分子移动的速度不同。
11.根据权利要求10的方法，其中所述驱动电势是脉冲的，使得分子同步移动。
12.根据前述权利要求中任一项的方法，其进一步包括当分子通过电极之间时测量分子的一部分位于电极之间的时间，由此测量该分子的长度。
13.一种用于表征分子的设备，其包含一对电极，所述电极限定它们之间的隧道间隙，隧道电流可以流过该隧道间隙，和导向装置，其经布置以引导电极之间的分子。
14.根据权利要求13的设备，其中所述导向装置限定了管道，当所述分子处于溶液中时可通过所述管道。
15.根据权利要求13或权利要求14的设备，其中所述导向装置由材料体形成，所述材料体具有穿过它形成的孔。
16.根据权利要求15的设备，其中所述电极被支持在材料的表面上。
17.根据权利要求16的设备，其中所述电极在孔的相对侧(opposite sides)上。
18.根据权利要求16或权利要求17的设备，其中所述电极均在孔的相同一端(same end)。
19.根据权利要求15至18中任一项的设备，其中所述材料体具有穿过它形成的多个孔，每个孔具有与其相关的各自的电极对。
20.根据权利要求12至18中任一项的设备，其进一步包含经布置以测量电极之间或各电极对之间的电流的控制装置。
21.根据权利要求20的设备，其中布置控制装置，以记录与电极之间或各电极对之间的电流有关的电流数据，并分析该电流数据由此来表征分子。
22.根据权利要求13至21中任一项的设备，其中至少一个电极的至少部分表面由SERS活性材料形成。
23.一种制造电极系统的方法，所述方法包括：
提供材料层，其具有穿过该材料层的缝隙并具有邻近所述缝隙设置的电极；和
在所述电极上沉积导电材料。
24.根据权利要求23的方法，其中缝隙的长度为一个方向，而宽度为垂直方向，并且长度长于宽度。
25.根据权利要求24的方法，其中所述电极位于缝隙的末端。
26.根据权利要求25的方法，其中在缝隙的另一末端提供另一个电极。
27.根据权利要求25或26的方法，其中在沉积导电材料之前，电极比缝隙宽。
28.根据权利要求23至27中任一项的方法，其中将材料层定位于两个储罐之间，其中一个储罐中提供的反应物浓度高于另一个储罐，所述反应物经布置以提供沉积于电极上的导电材料的至少一种组分。
29.根据权利要求28的方法，其中在缝隙一侧提供电极，在缝隙另一侧储罐中以更高的浓度提供反应物。
30.根据权利要求23至29中任一项的方法，其中所述导电材料沉积在电极上，使电极在缝隙中生长。
31.根据权利要求23至30中任一项的方法，其中所述电极经布置以沿进入缝隙的方向进一步生长，而不是以相反方向。
32.根据权利要求23至31中任一项的方法，其中所述导电材料是SERS活性材料。
33.一种电极系统，其包含：具有通透缝隙的材料层，和形成于材料上的电极，其中所述电极在邻近所述缝隙的材料表面上形成，并延伸进入缝隙。
34.根据权利要求33的电极系统，其中所述表面基本为平面，且所述缝隙具有侧表面和在平面表面和侧表面之间的边缘，而且电极延伸越过缝隙的边缘并延伸到缝隙的侧表面上。
35.根据权利要求33或权利要求34的电极，其中所述缝隙的长度长于宽度，并且有两个末端，在缝隙的一端提供电极，并在相对一端提供另一个电极。
36.根据权利要求32或权利要求33的电极系统，其中所述缝隙包含多个相连的槽，每个槽都具有开放端和封闭端，在每个槽的封闭端提供各自的电极。
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