CN104407032A - 亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔及传感器以及传感器的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔，以及基于上述超薄固态纳米孔的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔传感器，以及其制备方法和应用。本发明所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔同时具有极好的纵向和横向分辨率，在分子传感领域具有重要的应用价值，可用于以下领域，如：基于以上所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的单分子探测领域，如应用该类纳米孔的DNA测序技术，蛋白质测序技术和microRNA检测技术等；基于以上所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的离子检测领域，如仿生离子通道和重金属离子检测技术等；基于以上所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的盐水分离，海水淡化和气体分离领域等。
Description
技术领域
本发明涉及基于纳米材料及其在生物技术中的应用技术领域；具体的说，涉及固态纳米孔的分子传感领域，特别是可用于DNA测序技术领域的超薄固态纳米孔。
背景技术
纳米孔是指一种二维材料上的直径在纳米尺度的单个孔。含有纳米孔的器件通常会置于溶液环境中，将溶液隔开成两个部分，而纳米孔是连接两边溶液的唯一通道。当外置电压加在溶液两端时，溶液中的离子，带电分子和颗粒就会在电场力的驱动下做电泳运动并穿过纳米孔。一个典型的装置示意图可参考附图1(蓝色背景代表电解质溶液，通常为KCl溶液)。这些带电分子等穿孔时，会引起相关信号，如离子电流信号发生变化，而被检测到。目前，纳米孔在探测DNA，蛋白质，microRNA及痕量金属离子等分子传感领域中表现出优异的性能，在诸如DNA测序，蛋白质测序，癌症细胞探测及环境中痕量重金属的探测等方面有者广阔的应用前景。
纳米孔分为固态纳米孔和生物纳米孔两类。生物纳米孔的孔径和厚度单一，难以调控，而且稳定性不够好，是制约它们应用的瓶颈。固态纳米孔则以其稳定性以及与硅基半导体工业的较好兼容性而受到广泛关注。但是，一直以来人们都难以制备有能与生物纳米孔可比拟的孔径和厚度的固态纳米孔。这大大降低了固态纳米孔的分辨率，制约了其在生物探测和分子传感等方面的应用。
纳米孔的空间分辨率可分为纵向分辨率和横向分辨率两方面。纵向分辨率取决于纳米孔的厚度。2010年以来，石墨烯，氮化硼和二硫化钼等超薄纳米孔的相继问世，将纳米孔的厚度压低到了单原子厚度(亚纳米)的范畴，从 而将固态纳米孔的纵向分辨率提升到了极限。但是在实际应用中，横向分辨率一直制约着纳米孔器件的应用。如在DNA测序技术中，一个很重要的难题便是DNA四种碱基的分辨，而分辨这四种碱基就需要有亚纳米的横向分辨率。因此，提高固态纳米孔器件的横向分辨率对于纳米孔的应用具有重要的意义，也是当今固态纳米孔的重要挑战。
针对上述问题，有必要提供一种既有超高纵向分辨率又有超高横向分辨率的固态纳米孔传感器。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超薄薄膜的孔径小于2纳米的固态纳米孔，即亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔。本发明所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔同时具有极好的纵向和横向分辨率，在分子传感领域具有重要的应用价值。
本发明的另一目的是提供一种基于上述亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔传感器。
本发明还提供上述亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的制备方法，以及上述亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔传感器的制备方法。
本发明所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔，包括超薄薄膜，以及设置于超薄薄膜上的纳米通孔，所述纳米孔的孔径不大于2纳米；所述的超薄薄膜的厚度为单原子层厚度。
所述超薄薄膜为各种本领域可用的超薄薄膜，如氮化硼、石墨烯薄膜、二硫化钼，二硫化钨等各种超薄薄膜，优选氮化硼或石墨烯薄膜。
所述的超薄薄膜的大小以方便制备和后续工艺为准。
作为优选的，因根据待测分子的大小确定孔径。如单链DNA的大小约1.2纳米，在DNA测序应用，宜选用1.2-1.5纳米的孔径。
所述的超薄薄膜可采用本领域常用的方法来制备，特别的，采用以下方法制备：采用在化学气相沉积的方法在铜衬底上生长单原子层厚度的超薄薄膜，然后采用三氯化铁试剂溶解铜衬底得到悬空超薄薄膜。
所述的纳米孔采用以下方法制备：采用聚焦电子束(光斑直径小于2纳米，能量在80到200keV范围内)打在超薄薄膜上制备出孔径不大于2纳米的纳米孔。
另外，所述亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔还包括基材，所述基材用于承载超薄薄膜，所述基材上设置有与所述纳米孔连通的通孔，所述的通孔的孔径大于纳米孔。
优选的，所述通孔的直径不大于1微米。
作为优选的，通孔4的直径为0.02-0.2微米；更优选0.2微米、0.1微米或0.02微米。
所述基材可选用常用的材料，优选常用的各种半导体材料，优选硅或者含硅化合物；更优选氮化硅，或氮化硅/氧化硅/硅的复合层状结构。
所述基材的厚度可以方便承载超薄薄膜和工序处理应用为准，一般250-500微米。
所述的基材的大小以方便制备和后续工艺为准。
所述基材以及基材上的通孔可采用本领域常用的方法来制备。特别的，本发明提出采用湿法刻蚀方法来制备基材薄膜窗口并有聚焦离子束在基材薄膜窗口上制备出1微米以下的通孔。
以上所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的制备方法，包括以下步骤：
1)制备超薄薄膜：采用物理气相沉积或化学气相沉积的方法在衬底上生长单原子层厚度的超薄薄膜，然后采用去除衬底得到悬空超薄薄膜；
2)制备基材薄膜，并在基材薄膜上打通孔：利用湿法刻蚀方法在基材上制备出基材薄膜窗口，并有聚焦离子束(1pA-100pA束流,能量为10-30keV)在基材薄膜窗口上制备出1微米以下的通孔：
3)将超薄薄膜转移到氮化硅薄膜上，并覆盖住所述通孔，然后在此超薄薄膜的悬空区域上，采用聚焦电子束(光斑直径小于2纳米，能量在80到200keV范围内)打在超薄薄膜上，制备出孔径在2纳米以下的纳米孔。
作为上述亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的制备方法的一种优选方案，步骤1)如下进行：采用在化学气相沉积的方法在铜衬底上生长单原子层厚度的超薄薄膜，然后采用三氯化铁试剂溶解铜衬底得到悬空超薄薄膜；
作为上述亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔传感器的制备方法的一种优选方案，步骤2)如下进行：湿法刻蚀方法来制备氮化硅薄膜窗口并有聚焦离子束在氮化硅薄膜窗口上制备出1微米以下的通孔。
作为上述亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔传感器的制备方法的一种优选方案，步骤3)纳米孔如下制备：采用透射电子显微镜的聚焦电子束打在超薄薄膜上制备出孔径不大于2纳米的纳米孔。
本发明还提供采用上述亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的传感器。
所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔传感器包括设置纳米通孔的超薄薄膜，设置有通孔的基材以及电极组；所述纳米孔的孔径不大于2纳米；所述的超薄薄膜的厚度为单原子层厚度；所述通孔与纳米孔连通，通孔的孔径大于纳米孔；所述电极组置于电解质溶液内，所述纳米孔的两侧。
当对电极施加电压时，溶液中的离子，带电分子和颗粒会在电场力的驱动下穿过纳米孔，在穿孔的过程中会引起相关信号，如离子电流信号发生变化，实现分子检测的目的。
上述电极可选用各种电极，只要能够施加电压的电极都可以。
优选的，所述电极为银或含银化合物，当然也不排除电极采用其它常用的金属材料制成。
以上所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)制备超薄薄膜：采用物理气相沉积或化学气相沉积的方法在衬底上生长单原子层厚度的超薄薄膜，然后采用去除衬底得到悬空超薄薄膜；
2)制备基材薄膜，并在基材薄膜上打通孔：利用湿法刻蚀方法在基材上制备出基材薄膜窗口，并有聚焦离子束(1pA-100pA束流,能量为10-30keV)在基材薄膜窗口上制备出1微米以下的通孔：
3)将超薄薄膜转移到氮化硅薄膜上，并覆盖住所述通孔，然后在此超薄薄膜的悬空区域上，采用聚焦电子束(光斑直径小于2纳米，能量在80到200keV范围内)打在超薄薄膜上，制备出孔径在2纳米以下的纳米孔；
4)设置电极：所述亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔器件将电解质溶液分隔成两个腔室，然后在这两个腔室内分别置入离子电极。
作为上述亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔传感器的制备方法的一种优选方案，步骤1)如下进行：采用在化学气相沉积的方法在铜衬底上生长单原子层厚度的超薄薄膜，然后采用三氯化铁试剂溶解铜衬底得到悬空超薄薄膜；
作为上述亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔传感器的制备方法的一种优选方案，步骤2)如下进行：湿法刻蚀方法来制备氮化硅薄膜窗口并有聚焦离子束在氮化硅薄膜窗口上制备出1微米以下的通孔。
作为上述亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔传感器的制备方法的一种优选方案，步骤3)纳米孔如下制备：采用透射电子显微镜的聚焦电子束打在超薄薄膜上制备出孔径不大于2纳米的纳米孔。
作为上述亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔传感器的制备方法的一种优选方案，步骤4)如下进行：将所述纳米孔器件置于含有KCl溶液的流体腔内，并将流体腔及溶液分成两个腔室，然后在两个腔室内分别置于AgCl/Ag电极。
本发明还提供上述亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的应用。
如以上所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的应用领域，其包括：
应用A:基于以上所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的单分子探测领域。如应用该类纳米孔的DNA测序技术，蛋白质测序技术和microRNA检测技术等。
应用B:基于以上所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的离子检测领域。如仿生离子通道和重金属离子检测技术等。
应用C:基于以上所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的盐水分离，海水淡化和气体分离领域等。
本发明还提供上述亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔传感器的应用。
如以上所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔传感器的应用领域，其包括：
应用A:基于以上所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的单分子探测领域。如应用该类纳米孔的DNA测序技术，蛋白质测序技术和microRNA检测技术等。
应用B:基于以上所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的离子检测领域。如仿生离子通道和重金属离子检测技术等。
应用C:基于以上所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的盐水分离，海水淡化和气体分离领域等。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种超薄且超小的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔及亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔传感器，其通过在超薄薄膜上设置了孔径在2纳米以下的纳米孔，提高了纳米孔传感器的横向分辨率，进而使得固态纳米孔传感器能够同时兼有超高的纵向和横向分辨率；提供了该超薄且超小纳米孔的潜在应用领域。
附图说明
图1是本发明具体实施方式提供的用透射电子显微镜拍摄的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的照片；
图2是本发明具体实施方式提供的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔传感器的结构示意图；
图3是本发明具体实施方式提供的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔传感器制备过程示意图。
其中：
1：基材；2：超薄薄膜；3：纳米孔；4：通孔；5：电极。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。如 无特别指明，本实施例采用的设备和试剂均为本领域常用的设备和试剂。
实施例1亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的制备
如图1所示，本实施方式提供了一种亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔，包括基材1，以及设置在基材上的超薄薄膜2，该超薄薄膜2上设置有纳米孔3，基材1上设置有与纳米孔3连通的通孔4。
按图3所示的步骤制备亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔，以氮化硼纳米孔为例：
1)制备超薄氮化硼薄膜：在化学气相沉积腔室内，1050度高温下，注入的硼烷氨气体在铜衬底表面分解并自组装形成一层氮化硼薄膜。然后在氮化硼薄膜表面涂一层约300nm厚的PMMA光刻胶。将铜片浸泡在饱和三氯化铁溶液内约12小时，则BN/PMMA悬浮于液体表面。
2)制备氮化硅薄膜窗口，并在窗口上打通孔：取SiN/Si/SiN复合硅片，用光刻图形转移法在一侧开出大小约700微米(取决于硅片的厚度，500微米厚硅片适用此值)的大开口。然后用质量浓度为22％的氢氧化钾溶液浸泡硅片，并加热到80度，刻蚀约9小时，则硅片刻蚀到另一侧的氮化硅薄膜。形成氮化硅窗口(大小约50微米)。然后利用聚焦离子束(100pA束流,能量为30keV)在此窗口上制备出1微米以下的通孔。3)将BN/PMMA薄膜转移到氮化硅窗口上，并覆盖住所述通孔，然后将器件浸泡在丙酮溶液中约12小时，然后用异丙醇和去离子水冲洗三次，则PMMA光刻胶被移除，剩下被氮化硅窗口支撑的完整BN薄膜。然后在BN薄膜的悬空区域上，采用透射电镜的聚焦电子束(光斑直径小于2纳米，能量在200keV)制备出孔径在2纳米以下的纳米孔。
制备出的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔见图1。
石墨烯，二硫化钼和二硫化钨等亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔可用与上述类似方法制备得到，只是在最终利用聚焦电子束打孔方面会略有差别。
实施例2亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔传感器的制备
如图2所示，一种如说明书所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔传感器，包括基材1，以及设置在基材上的超薄薄膜2，该超薄薄膜2上设置有纳米孔3，基材1上设置有与纳米孔3连通的通孔4。
如图3所示，一种如以上所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔传感器的制备方法，其包括步骤：
步骤A：制备超薄薄膜；
步骤B：制备氮化硅薄膜，并在氮化硅薄膜上打通孔；
步骤C：将超薄薄膜转移到氮化硅薄膜上，并覆盖住所述通孔，然后在超薄薄膜开设与通孔连通的纳米孔。
在步骤A中，采用在化学气相沉积的方法在铜衬底上生长二维超薄薄膜，然后采用三氯化铁试剂溶解铜衬底得到悬空超薄薄膜。
在步骤B中，采用湿法刻蚀方法来制备氮化硅薄膜并有聚焦离子束在氮化硅薄膜上制备出1微米以下的通孔。
在步骤C中，采用透射电子显微镜的聚焦电子束打在超薄薄膜上制备出亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔。
需要说明的是，在步骤B中提到的氮化硅薄膜为支持超薄薄膜的基材。
实施例3基于亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔或亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔传感器的应用实例
一种如以上所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔传感器的应用领域包括：
应用A:基于以上所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的单分子探测领域。如应用该类纳米孔的DNA测序技术，蛋白质测序技术和microRNA检测技术等。
以利用所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔传感器进行DNA测序为例，对该类应用进行简单说明：如图2所示，将待测单链DNA样品载入该传感器，则该待测样在电场力的驱动下会穿越纳米孔。对于DNA测序应用，纳米孔孔径宜选用1.2-1.5nm范围。由于组成DNA的四个碱基(腺嘌呤A，鸟嘌呤G，胞嘧啶C和胸腺嘧啶T)的等效横截面积不同，四类碱基通过纳米孔时，传感器探测到的电流大小也会有相应差别。当整个DNA分子链穿 越过纳米孔后，传感器探测到一条台阶状的电流曲线。不同台阶对应该链上的不同碱基。依据台阶顺序可以解读出该DNA链上的碱基序列，实现DNA测序。
应用B:基于以上所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的离子检测领域。如仿生离子通道和重金属离子检测技术等。
以环境中痕量汞离子的检测为例对此类应用加以说明。汞离子能与胸腺嘧啶对形成配位键。通过设计DNA单链作为探针，能够使每个DNA探针上结合一定量的汞离子。结合汞离子后，DNA相当于形成双链，直径略大于两纳米，在穿越纳米孔时，将受到纳米孔的阻碍，需解开DNA和汞的结合才能继续穿孔。因而，结合汞离子的DNA探针要比没有结合汞离子的DNA探针的穿孔时间要长约2个量级。通过定量诸如DNA探针的浓度，以及传感器测试到的两类探针的数量比，就可以定量出待测样中痕量汞的含量。
应用C:基于以上所述的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的盐水分离，海水淡化和气体分离领域等。
以海水淡化为例说明亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的应用。对于该类应用，纳米孔的孔径宜选用1nm或略小的孔径。理论计算表明当纳米孔的孔径在1nm或以下时，流体输运的量子现象将会主导水分子和离子的输运。在外加作用力(如压强差)的情况下，离子被阻挡而水分子被增强输运。用有大量亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的薄膜阻隔盐溶液，在盐溶液一侧加压强差，该侧水分子通过纳米孔，而盐离子留在盐溶液一侧，从而实现海水淡化。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护。
Claims (16)
1.一种基于超薄薄膜的固态纳米孔，其特征在于，所述基于超薄薄膜的固态纳米孔为亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔，包括超薄薄膜，以及设置于超薄薄膜上的纳米通孔，所述纳米孔的孔径不大于2纳米；所述的超薄薄膜的厚度为单原子层厚度。
2.如权利要求1所述的基于超薄薄膜的固态纳米孔，其特征在于，所述超薄薄膜为氮化硼、石墨烯薄膜、二硫化钼或二硫化钨超薄薄膜,优选氮化硼或石墨烯薄膜。
3.如权利要求1所述的基于超薄薄膜的固态纳米孔，其特征在于，所述纳米孔的孔径为1.2-1.5纳米。
4.如权利要求1或2所述的基于超薄薄膜的固态纳米孔，其特征在于，所述的超薄薄膜采用以下方法制备：在衬底上制备出单原子层厚度的超薄薄膜，然后去除衬底，得到悬空超薄薄膜。
5.如权利要求4所述的基于超薄薄膜的固态纳米孔，其特征在于，所述的超薄薄膜如下制备：采用化学气相沉积或物理气相沉积的方法在铜衬底上生长单原子层厚度的超薄薄膜，然后采用三氯化铁试剂溶解铜衬底得到悬空超薄薄膜。
6.如权利要求1或3所述的基于超薄薄膜的固态纳米孔，其特征在于，所述的纳米孔采用以下方法制备：采用光斑直径小于2纳米，能量在80-200keV的聚焦电子束打在超薄薄膜上，制备出孔径不大于2纳米的纳米孔。
7.如权利要求1-6任一所述的基于超薄薄膜的固态纳米孔，其特征在于，所述亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔还包括基材，所述基材用于承载超薄薄膜，所述基材上设置有与所述纳米孔连通的通孔，所述的通孔的孔径大于纳米孔。
8.如权利要求7所述的基于超薄薄膜的固态纳米孔，其特征在于，所述通孔的直径不大于1微米；优选的，通孔4的直径为0.02-0.2微米；更优选0.2微米、0.1微米或0.02微米。
9.如权利要求7或8所述的基于超薄薄膜的固态纳米孔，其特征在于，所述基材为半导体材料，优选硅或者含硅化合物；更优选氮化硅，或氮化硅/氧化硅/硅的复合层状结构。
10.如权利要求7或8所述的基于超薄薄膜的固态纳米孔，其特征在于，所述基材以及基材上的通孔采用下述方法制备：湿法刻蚀方法制备薄膜窗口，并有1pA-100pA束流,能量为10-30keV的聚焦离子束在薄膜窗口上制备出通孔。
11.采用如权利要求1-10任一所述的基于超薄薄膜的固态纳米孔亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔的传感器，其特征在于，包括设置纳米通孔的超薄薄膜，设置有通孔的基材以及电极组；所述纳米孔的孔径不大于2纳米；所述的超薄薄膜的厚度为单原子层厚度；所述通孔与纳米孔连通，通孔的孔径大于纳米孔；所述电极组置于所述纳米孔的两侧。
12.如权利要求11所述的传感器，其特征在于，所述电极组为银或含银化合物电极。
13.如权利要求1-10任一所述的超薄固态纳米孔的制备方法，包括以下步骤：
1)制备超薄薄膜：采用物理气相沉积或化学气相沉积的方法在衬底上生长单原子层厚度的超薄薄膜，然后采用去除衬底得到悬空超薄薄膜；
2)制备基材薄膜，并在基材薄膜上打通孔：利用湿法刻蚀方法在基材上制备出基材薄膜窗口，并有聚焦离子束(1pA-100pA束流,能量为10-30keV)在基材薄膜窗口上制备出1微米以下的通孔：
3)将超薄薄膜转移到氮化硅薄膜上，并覆盖住所述通孔，然后在此超薄薄膜的悬空区域上，采用聚焦电子束(光斑直径小于2纳米，能量在80到200keV范围内)打在超薄薄膜上，制备出孔径在2纳米以下的纳米孔。
14.如权利要求11或12所述的超薄固态纳米孔的传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)制备超薄薄膜：采用物理气相沉积或化学气相沉积的方法在衬底上生长单原子层厚度的超薄薄膜，然后采用去除衬底得到悬空超薄薄膜；
2)制备基材薄膜，并在基材薄膜上打通孔：利用湿法刻蚀方法在基材上制备出基材薄膜窗口，并有聚焦离子束(1pA-100pA束流,能量为10-30keV)在基材薄膜窗口上制备出1微米以下的通孔；
3)将超薄薄膜转移到氮化硅薄膜上，并覆盖住所述通孔，然后在此超薄薄膜的悬空区域上，采用聚焦电子束(光斑直径小于2纳米，能量在80到200keV范围内)打在超薄薄膜上，制备出孔径在2纳米以下的纳米孔；
4)设置电极：将步骤3)制得的亚2纳米孔径的超薄固态纳米孔器件置于电解质溶液中，将电解质溶液分隔成两个腔室，然后纳米孔两侧分别置入电极组的两个电极。
15.如权利要求1-10任一所述的超薄固态纳米孔的应用，其特征在于，用于以下领域：
应用A:单分子探测领域，优选DNA测序技术，蛋白质测序技术和microRNA检测技术；
应用B:离子检测领域，优选仿生离子通道和重金属离子检测技术；
应用C:盐水分离，优选海水淡化和气体分离领域。
16.如权利要求11或12所述的超薄固态纳米孔的传感器的应用，其特征在于，用于以下领域：
应用A:单分子探测领域，优选DNA测序技术，蛋白质测序技术和microRNA检测技术；
应用B:离子检测领域，优选仿生离子通道和重金属离子检测技术；
应用C:盐水分离，优选海水淡化和气体分离领域。
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Cited By (8)
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|---|---|---|---|---|
| CN104880453A (zh) * | 2015-05-06 | 2015-09-02 | 华东理工大学 | 基于暗场成像的固态纳米通道的光电同步传感方法 |
| CN107132257A (zh) * | 2017-03-29 | 2017-09-05 | 上海新克信息技术咨询有限公司 | 石墨烯传感器及其制备方法 |
| CN109224881A (zh) * | 2018-11-22 | 2019-01-18 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 亚纳米多孔石墨烯渗透膜及其制备方法和应用 |
| CN109680052A (zh) * | 2019-01-14 | 2019-04-26 | 京东方科技集团股份有限公司 | 纳米孔薄膜、基因测序装置及纳米孔薄膜的制备方法 |
| CN111778244A (zh) * | 2020-05-29 | 2020-10-16 | 南京邮电大学 | 一种结合金纳米球的DNA探针及其在基于固态纳米孔检测Hg2+中的应用 |
| CN112198194A (zh) * | 2020-10-15 | 2021-01-08 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 一种双面氦离子束刻蚀制备近零厚度纳米孔的方法及其产品和应用 |
| CN115275002A (zh) * | 2022-07-18 | 2022-11-01 | 北京大学 | 一种液-液界面型忆阻器及抑制型神经突触器件 |
| CN116698541A (zh) * | 2023-06-12 | 2023-09-05 | 中南大学 | 一种面向亚纳米孔微流控生物芯片的待测序蛋白质预处理方法 |
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Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104880453A (zh) * | 2015-05-06 | 2015-09-02 | 华东理工大学 | 基于暗场成像的固态纳米通道的光电同步传感方法 |
| CN107132257A (zh) * | 2017-03-29 | 2017-09-05 | 上海新克信息技术咨询有限公司 | 石墨烯传感器及其制备方法 |
| CN109224881A (zh) * | 2018-11-22 | 2019-01-18 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 亚纳米多孔石墨烯渗透膜及其制备方法和应用 |
| CN109224881B (zh) * | 2018-11-22 | 2021-04-23 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 亚纳米多孔石墨烯渗透膜及其制备方法和应用 |
| CN109680052A (zh) * | 2019-01-14 | 2019-04-26 | 京东方科技集团股份有限公司 | 纳米孔薄膜、基因测序装置及纳米孔薄膜的制备方法 |
| CN109680052B (zh) * | 2019-01-14 | 2022-07-22 | 京东方科技集团股份有限公司 | 纳米孔薄膜、基因测序装置及纳米孔薄膜的制备方法 |
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| CN115275002A (zh) * | 2022-07-18 | 2022-11-01 | 北京大学 | 一种液-液界面型忆阻器及抑制型神经突触器件 |
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