CN108474785A

CN108474785A - 使用氮化钛作为反电极

Info

Publication number: CN108474785A
Application number: CN201780007509.0A
Authority: CN
Inventors: M.瓦尔格伦; R.A.袁; J.B.韦吉托维奇; J.福斯特; J.科马迪纳
Original assignee: F Hoffmann La Roche AG
Current assignee: F Hoffmann La Roche AG
Priority date: 2016-01-21
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2018-08-31
Anticipated expiration: 2037-01-20
Also published as: US10371664B2; JP2019505212A; WO2017125566A1; US20170212079A1; EP3405787B1; CN108474785B; EP3405787A1; JP6970674B2

Abstract

纳米孔单元包括被配置成处于第一电位的氮化钛（TiN）反电极。纳米孔单元还包括被配置成处于第二电位的工作电极和绝缘壁。绝缘壁和工作电极形成凹坑的至少一部分，该凹坑被配置为包含处于一电压的电解质，该电压是氮化钛反电极的第一电位与工作电极的第二电位之间的电位差的至少一部分。

Description

使用氮化钛作为反电极

背景技术

近年来半导体工业中微小型化方面的进步使得生物技术人员能够开始将传统上庞大的感测工具包装成越来越小的形状因子，包装到所谓的生物芯片上。将期望开发用于生物芯片的技术，该技术使它们更加稳健、高效且成本有效。

发明内容

本发明提供一种纳米孔单元，包括：氮化钛（TiN）反电极，被配置为处于第一电位；工作电极，被配置为处于第二电位；以及绝缘壁，其中所述绝缘壁和所述工作电极形成凹坑的至少一部分，所述凹坑被配置为包含处于一电压的电解质，所述电压是所述氮化钛反电极的第一电位与工作电极的第二电位之间的电位差的至少一部分。所述反电极可包括已被利用氮化钛溅射的基础材料。

纳米孔单元可以是基于纳米孔的定序系统的一部分，并且基于纳米孔的定序系统包括流体腔部件和定序芯片。在这种情况下，流体腔部件形成卷绕流体腔的至少一部分。而且，氮化钛反电极被包括在流体腔部件上。而且，氮化钛可以被溅射在流体腔部件的通道表面内。而且，氮化钛可以被溅射在耦合到定序芯片的流体腔部件的整个表面上。而且，流体腔部件和定序芯片通过加热中间金属层而耦合在一起。而且，定序芯片包括多个不同的纳米孔传感器，并且每个纳米孔传感器包括用于接收流体的表面。此外，流体腔部件和定序芯片一起可形成流体腔的至少一部分，所述流体腔具有将流体递送到流体腔中的入口和将流体递送出流体腔的出口。

对于根据本发明的纳米孔单元，氮化钛可以被用在用于在反电极和电位源或耗散器之间形成连接的材料中。公用电极可以在多个不同纳米孔单元之间共享。工作电极可以至少部分地由氮化钛（TiN）制成。

工作电极还可以包括海绵状且多孔的TiN工作电极，所述TiN工作电极通过沉积技术在一定条件下被沉积，所述条件被调节为在导电层上方沉积稀疏间隔的TiN柱状结构或TiN晶体柱。在这种情况下，工作电极的比表面积是具有基本相同尺寸的扁平TiN工作电极的比表面积的十倍至一千倍。而且，工作电极的电化学电容可以是具有基本相同尺寸的扁平TiN工作电极的电化学电容的十倍至一千倍。而且，沉积技术可以包括从钛靶的直流（DC）反应溅射，并且被调节为在导电层上方沉积稀疏间隔的TiN柱状结构或TiN晶体柱的条件可以包括使用低温、低基板偏置电压和高压强用于溅射。

此外，绝缘壁的一部分可以覆盖工作电极的一部分，并且所述凹坑可以在工作电极的未被覆盖部分上方具有开口，并且工作电极的基础表面积可以大于工作电极的未被覆盖部分上方的开口的基础表面积。在一个实施例中，基于与工作电极相关联的电容和与隔膜相关联的电容的比率来选择工作电极的基础表面积和工作电极的未被覆盖部分上方的开口的基础表面积，所述隔膜横跨开口。

在一个特定实施例中，绝缘壁的一部分可以覆盖工作电极的一部分，并且凹坑可以在工作电极的未被覆盖部分上方具有开口，并且电解质可以穿过稀疏间隔的TiN柱状结构或TiN晶体柱之间的空间扩散，并在工作电极的未被覆盖部分竖直向下扩散，然后水平地扩散到工作电极的被覆盖部分。

附图说明

在以下详细描述和附图中公开了本发明的各种实施例。

图1图示了基于纳米孔的定序芯片中的单元100的实施例。

图2图示了利用Nano-SBS技术执行核苷酸定序的单元200的实施例。

图3图示了将要利用预加载标签执行核苷酸定序的单元的实施例。

图4图示了用于利用预加载标签进行核酸定序的过程400的实施例。

图5图示了基于纳米孔的定序芯片的单元中的电路500的实施例。

图6图示了基于纳米孔的定序芯片的单元中的电路600的实施例，其中跨纳米孔施加的电压可以被配置为在纳米孔处于特定可检测状态的时间段内变化。

图7A图示基于纳米孔的定序芯片的单元中的电路700的另外实施例，其中跨纳米孔施加的电压可被配置为在纳米孔处于特定可检测状态的时间段内变化。

图7B图示了基于纳米孔的定序芯片的单元中的电路701的另外实施例，其中跨纳米孔施加的电压可以被配置为在纳米孔处于特定可检测状态的时间段内变化。

图7C图示了在导电电极和相邻液体电解质之间的任何界面处形成的双层。在所示的示例中，电极表面带负电，导致电解质中带正电的物质积聚。在另一个示例中，所示的所有电荷的极性可以与所示的示例相反。

图7D图示了在导电电极和相邻液体电解质之间的界面处，可以与如图7C中那样形成双层同时形成的赝电容效应。

图8图示了用于分析纳米孔内的分子的过程800的实施例，其中纳米孔被插入隔膜中。

图9图示了当执行过程800并重复三次时，跨纳米孔施加的电压与时间的曲线图的实施例。

图10图示了当纳米孔处于不同状态时跨纳米孔施加的电压与时间的曲线图的实施例。

图11图示了基于纳米孔的定序芯片的非法拉第电化学单元1100的实施例，该非法拉第电化学单元1100包括具有增加的电化学电容的TiN工作电极。

图12图示了基于纳米孔的定序芯片中的多个凹坑的多个圆形开口1202的俯视图。

图13图示了用于构建基于纳米孔的定序芯片的非法拉第电化学单元的过程的实施例，所述非法拉第电化学单元包括具有增加的电化学电容的TiN工作电极。

图14图示了沉积在金属层1404上方的海绵状且多孔的TiN层1402的横截面视图。

图15图示了具有TiN柱状结构的海绵状且多孔的TiN层1502的另一横截面视图，所述TiN柱状结构从孔的表面生长。

图16和图17图示了基于纳米孔的定序芯片，其在流动腔中具有一个或多个“死”区。

图18是图示具有蛇形流动通道的基于纳米孔的定序系统的实施例的图。

图19图示了可以接合在一起的基于纳米孔的定序芯片1904和流动通道部件1902的实施例的示例性视图。

图20图示了可以接合在一起的基于纳米孔的定序芯片2004和流动通道部件2002的一个实施例的两个示例性视图。

图21图示了可以接合在一起的基于纳米孔的定序芯片2104和流动通道部件2102的一个实施例的示例性视图。

具体实施方式

具有大约一纳米内径的孔尺寸的纳米孔隔膜设备在快速核苷酸定序方面显示了希望。当跨沉浸于导电流体中的纳米孔施加电压电位时，可以观察到归因于跨纳米孔的离子传导的小离子电流。该电流的大小对孔尺寸敏感。

基于纳米孔的定序芯片可以用于DNA定序。基于纳米孔的定序芯片包括被配置为阵列的大量传感器单元。例如，具有一百万个单元的阵列可以包括1000行×1000列个单元。

图1图示了基于纳米孔的定序芯片中的单元100的实施例。隔膜102形成于单元的表面上方。在一些实施例中，隔膜102是脂质双分子层。包含蛋白质纳米孔跨膜分子复合物（PNTMC）和感兴趣的分析物的主体电解质（bulk electrolyte）114被直接放置到单元的表面上。单个PNTMC 104通过电穿孔而被插入到隔膜102中。阵列中的个体隔膜既不化学地也不电气地彼此连接。因此，阵列中的每个单元是独立的定序机器，产生与PNTMC相关联的单个聚合物分子特有的数据。PNTMC 104对分析物起作用并且通过另外的不可渗透的双分子层来调制离子电流。

继续参考图1，模拟测量电路112连接到被电解质薄膜108所覆盖的电极110。电解质薄膜108通过离子不可渗透隔膜102与主体电解质114隔离。PNTMC 104穿过隔膜102并且提供用于离子电流从主体液体（bulk liquid）流动到工作电极110的唯一路径。单元还包括反电极（CE）116。单元还包括参考电极117，参考电极117充当电化学电位传感器。

在一些实施例中，纳米孔阵列使用单分子的基于纳米孔的合成定序（Nano-SBS）技术实现了并行定序。图2图示了利用Nano-SBS技术来执行核苷酸定序的单元200的实施例。在Nano-SBS技术中，将要被定序的模板202和先导物被引入到单元200。针对该模板-先导物复合物，四个被不同地加标签的核苷酸208被添加到主体水相。随着被正确加标签的核苷酸与聚合酶204复合，标签的尾部被定位在纳米孔206的桶状体中。保持在纳米孔206的桶状体中的标签生成独特离子阻挡信号210，从而由于标签的不同化学结构而以电子方式标识所添加的碱基。

图3图示了即将利用预加载的标签来执行核苷酸定序的单元的实施例。在隔膜302中形成纳米孔301。酶303（例如，聚合酶，诸如DNA聚合酶）与纳米孔相关联。在一些情况中，聚合酶303共价键合地附连到纳米孔301。聚合酶303与要被定序的核酸分子304相关联。在一些实施例中，核酸分子304是圆形的。在一些情况中，核酸分子304是线性的。在一些实施例中，核酸先导物305与核酸分子304的一部分杂交。聚合酶303使用单链核酸分子304作为模板来催化核苷酸306结合到先导物305上。核苷酸306包括标签物质（“标签”）307。

图4图示了用于利用预加载的标签进行核酸定序的过程400的实施例。在阶段A处，加标签的核苷酸(四个不同类型:A、T、G或C之一)不与聚合酶相关联。在阶段B处，加标签的核苷酸与聚合酶相关联。在阶段C处，聚合酶紧密接近纳米孔。标签被电场拉到纳米孔中，所述电场由跨隔膜和/或纳米孔施加的电压所生成。

相关联的加标签的核苷酸中的一些不是与核酸分子配对的碱基。这些非配对的核苷酸通常在一时间尺度内被聚合酶拒绝，该时间尺度比正确配对的核苷酸保持与聚合酶相关联的时间尺度短。由于非配对的核苷酸仅与聚合酶短暂地相关联，如图4中示出的过程400通常不前进超过阶段B。

在聚合酶对接到纳米孔之前，纳米孔的电导是大约300皮西门子（300 pS）。在阶段C处，纳米孔的电导为大约60 pS、80 pS、100 pS或120 pS，它们对应于加标签的核苷酸的四个类型之一。聚合酶经受异构化和转磷酸反应以将核苷酸结合到生长的核酸分子中并且释放标签分子。特别地，当标签保持在纳米孔中时，由于标签的不同化学结构而生成独特电导信号（例如，参见图2中的信号210），从而以电子方式标识所添加的碱基。重复所述循环（即，阶段A到E或者阶段A到F）允许对核酸分子定序。在阶段D处，所释放的标签穿过纳米孔。

在一些情况中，未结合到生长的核酸分子中的加标签的核苷酸也将穿过纳米孔，如图4的阶段F中所看到的。在一些实例中，未被结合的核苷酸可以被纳米孔检测到，但该方法提供了一种手段用于至少部分地基于在纳米孔中检测到核苷酸的时间来区分被结合的核苷酸与未被结合的核苷酸。键合到未被结合的核苷酸的标签快速地穿过纳米孔并且在短时间段（例如，小于10ms）内被检测到，而被键合到被结合的核苷酸的标签加载到纳米孔中并且在长时间段（例如，至少10ms）内被检测到。

图5图示了基于纳米孔的定序芯片的单元中的电路500的实施例。如上面所提及的，当标签保持在纳米孔502中时，由于标签的不同化学结构而生成独特电导信号（例如，参见图2中的信号210），从而以电子方式标识所添加的碱基。图5中的电路在测量电流流动时维持跨纳米孔502的恒定电压。特别地，该电路包括运算放大器504和通过设备506，运算放大器504和通过设备506维持跨纳米孔502的恒定电压等于V_a或V_b。流过纳米孔502的电流在电容器n_cap 508处被积分，并且由模数（ADC）转换器510测量。

然而，电路500具有许多缺点。缺点之一是电路500仅测量单向电流流动。另一缺点是电路500中的运算放大器504可能引入许多性能问题。例如，运算放大器504的偏移电压和温度漂移可能使得跨纳米孔502施加的实际电压在不同单元之间不同。跨纳米孔502施加的实际电压可能漂移高于或低于期望值数十毫伏，从而引起显著的测量不准确性。另外，运算放大器噪声可能引起附加的检测误差。另一缺点是电路的用于在进行电流流动测量时维持跨纳米孔的恒定电压的部分是面积密集的（area-intensive）。例如，运算放大器504在单元中比其它部件占据显著更多的空间。随着基于纳米孔的定序芯片被缩放成包括越来越多的单元，由运算放大器占据的面积可能增加到难达到的尺寸。不幸的是，在具有大型阵列的基于纳米孔的定序芯片中缩小运算放大器的尺寸可能引起其它性能问题。例如，其可能更进一步加剧单元中的偏移和噪声问题。

图6图示了基于纳米孔的定序芯片的单元中的电路600的实施例，其中跨纳米孔施加的电压可以被配置成在纳米孔处于特定可检测状态中的时间段内变化。纳米孔的可能状态之一是当附连标签的聚磷酸盐不存在于纳米孔的桶状体时的开放通道状态。纳米孔的其它四个可能状态与当四个不同类型的附连标签的聚磷酸盐（A、T、G或C）被保持在纳米孔的桶状体中时的状态对应。纳米孔的又一可能状态是在隔膜破裂时。图7A和7B图示了基于纳米孔的定序芯片的单元中的电路（700和701）的附加实施例，其中跨纳米孔施加的电压可以被配置成在纳米孔处于特定可检测状态中的时间段内变化。在上面的电路中，不再需要运算放大器。

图6示出了被插入到隔膜612中的纳米孔602，并且纳米孔602和隔膜612位于单元工作电极614与反电极616之间，使得跨纳米孔602施加电压。纳米孔602也与主体液体/电解质618接触。注意，与图1中的纳米孔和隔膜相比，纳米孔602和隔膜612被颠倒地牵引。在下文中，单元意图至少包括隔膜、纳米孔、工作单元电极和相关联的电路。在一些实施例中，反电极在多个单元之间被共享，并且因此也被称为公用电极。公用电极可以被配置成向与测量单元中的纳米孔接触的主体液体施加公用电位。公用电位和公用电极对所有测量单元而言是公用的（例如在它们之间共享）。在每个测量单元内存在工作单元电极；与公用电极相比，工作单元电极614可配置成施加不同电位，该不同电位独立于其它测量单元中的工作单元电极。

在图7A和7B中，代替示出插入在隔膜中的纳米孔和围绕纳米孔的液体，示出了表示纳米孔和隔膜的电气属性的电气模型702和表示工作电极的电气属性的电气模型714。在图7A和7B中注意，相应电路不需要在芯片上制造的额外电容器（例如，图5中的n_cap 508），从而促进基于纳米孔的定序芯片的尺寸减小。

电气模型702包括对与隔膜相关联的电容（C_membrane）进行建模的电容器706和对与处于不同状态（例如，开放通道状态或与具有处于纳米孔内部的不同类型的标签或分子所对应的状态）中的纳米孔相关联的电阻进行建模的电阻器704。电气模型714包括电容器716，电容器716对于与工作电极相关联的电容进行建模。与工作电极相关联的电容还被称为电化学电容（C_{electrochemical}）。与工作电极相关联的电化学电容C_{electrochemical}包括双层电容并且还可以包括赝电容。

图7C图示了在导电电极和相邻液体电解质之间的任何界面处形成的双层。如果施加电压，则电子电荷（正或负）积聚在导电电极和相邻液体电解质之间的界面处的电极中。通过偶极子的重新定向和界面附近的电解质中相反电荷的离子的积聚来平衡电极中的电荷。在由于电解质中带电物质和溶剂分子的有限尺寸而被分开一小段距离的电极和电解质之间的界面的任一侧的电荷积聚在常规电容器中充当电介质。术语“双层”指代在电极和电解质之间的界面附近的电子和离子电荷分布的总体。

图7D图示了在导电电极和相邻液体电解质之间的界面处可以与如图7C中那样形成双层同时形成的赝电容效应。赝电容器通过电极和电解质之间的电子电荷转移来以法拉第方式存储电能。这通过电吸附、还原-氧化反应或插层反应过程来实现。

图8图示了用于分析纳米孔内部的分子的过程800的实施例，其中纳米孔被插入在隔膜中。过程800可以使用图6、7A或7B中示出的电路来执行。图9图示了当过程800被执行且重复三次时跨纳米孔施加的电压与时间的曲线图的实施例。跨纳米孔的电压随时间过去而改变。电压衰减的速率（即，跨纳米孔的电压与时间曲线图的斜坡的陡峭度）取决于单元电阻（例如，图7A中的电阻器704的电阻）。更特别地，因为与处于不同状态（例如，与具有不同类型的分子处于纳米孔内部所对应的状态）中的纳米孔相关联的电阻由于分子的不同化学结构而不同，所以电压衰减的不同的对应速率可以被观察到并且因此可以用来标识纳米孔中的分子。

图10图示了当纳米孔处于不同状态时跨纳米孔施加的电压与时间的曲线图。曲线1001示出了在开放通道状态期间电压衰减的速率。在一些实施例中，与处于开放通道状态的纳米孔相关联的电阻在100M欧姆到20 G欧姆的范围中。曲线1004、1006、1008和1010示出了与在四个不同类型的附连标签的聚磷酸盐（A、T、G或C）保持在纳米孔的桶状体中时的四个捕捉状态对应的电压衰减的不同速率。在一些实施例中，与处于捕捉状态的纳米孔相关联的电阻在200 M欧姆到40 G欧姆的范围内。注意，每个曲线图的斜坡可与彼此区分开。

允许跨纳米孔施加的电压在纳米孔处于特定可检测状态中的时间段内衰减具有许多优点。优点之一是单元电路中在芯片上另外制造的运算放大器、通过设备和电容器（例如，图5中的n_cap 508）的消除显著减小了基于纳米孔的定序芯片中单个单元的占用面积，从而促进基于纳米孔的定序芯片的缩放以包括越来越多单元（例如，在基于纳米孔的定序芯片中包括数百万个单元）。与纳米孔并联的电容包括两个部分：与隔膜相关联的电容和与集成芯片（IC）相关联的电容。由于隔膜的薄性质，仅与隔膜相关联的电容可以足以产生所需要的RC时间常数而不需要附加的芯片上电容，从而允许单元尺寸和芯片尺寸的显著减小。

另一优点是单元的电路没有遭受偏移不准确性，因为在没有任何中间电路的情况下将V_pre直接施加到工作电极。另一优点是由于在测量间隔期间没有开关被断开或闭合，电荷注入的量被最小化。

此外，上面描述的技术使用正电压或负电压同样运行良好。双向测量已示出有助于表征分子复合物。例如，它们可以用于校正由AC非法拉第操作引起的基线漂移。

通过最大化与工作电极相关联的电化学电容（参见图7A和7B的C_{electrochemical}716），可以实现基于纳米孔的定序芯片的提高的单元性能。通过最大化C_{electrochemical}，由图6、7A或7B中所示的电路测量的信息信号变得更稳定，并且在信息信号上卷积的寄生信号被最小化。C_{electrochemical}被最大化使得与C_{electrochemical}相关联的阻抗比与C_membrane（参见图7A和7B的C_membrane706）相关联的阻抗更接近AC（交流）短路。

在本申请中，公开了一种用于核酸定序的非法拉第电化学单元，该非法拉第电化学单元包括具有增加的电化学电容的氮化钛（TiN）工作电极。如下面将更详细描述的，TiN工作电极以一种方式被生长和沉积，使得具有稀疏间隔的TiN柱状结构的粗糙、海绵状且多孔的电极被形成。

图11图示了基于纳米孔的定序芯片的非法拉第电化学单元1100的实施例，非法拉第电化学单元1100包括具有增加的电化学电容的TiN工作电极。单元1100包括导电或金属层1101。金属层1101将单元1100连接到基于纳米孔的定序芯片的剩余部分。在一些实施例中，金属层1101是金属6层（M6）。单元1100还包括处于金属层1101上方的工作电极1102和电介质层1103。在一些实施例中，工作电极1102的形状为圆形或八边形，并且电介质层1103形成围绕工作电极1102的壁。单元1100还包括电介质层1104，电介质层1104处于工作电极1102和电介质层1103上方。电介质层1104形成围绕凹坑1105的绝缘壁。在一些实施例中，电介质层1103和电介质层1104一起形成单块电介质。电介质层1103是与工作电极1102相邻的水平设置的部分，并且电介质层1104是在工作电极的一部分上方并覆盖该部分的部分。在一些实施例中，电介质层1103和电介质层1104是分开的电介质块，并且它们可以分开生长。凹坑1105在工作电极的未被覆盖部分上方具有开口。在一些实施例中，工作电极的未被覆盖部分上方的开口的形状为圆形或八边形。图12图示了基于纳米孔的定序芯片中的多个凹坑的多个圆形开口1202的俯视图。

在凹坑1105内，盐溶液/电解质1106的膜沉积在工作电极1102上方。盐溶液1106可包括以下各项之一：氯化锂（LiCl）、氯化钠（NaCl）、氯化钾（KCl）、谷氨酸锂、谷氨酸钠、谷氨酸钾、乙酸锂、乙酸钠、乙酸钾、氯化钙（CaCl₂）、氯化锶（SrCl₂）、氯化锰（MnCl₂）和氯化镁（MgCl₂）。在一些实施例中，盐溶液1106的膜具有约3微米（μm）的厚度。盐溶液1106的膜的厚度可以在0-5微米的范围内。

用于形成电介质层1103和1104的电介质材料包括玻璃、氧化物、一氮化硅（SiN）等。电介质层1104的顶表面可以被硅烷化。硅烷化在电介质层1104的顶表面上方形成疏水层1120。在一些实施例中，疏水层1120具有约1.5纳米（nm）的厚度。替代地，可以使用疏水电介质材料（例如氧化铪）来形成电介质层1104。

如图11中所示，隔膜形成在电介质层1104的顶部上并横跨凹坑1105。例如，隔膜包括形成在疏水层1120顶部上的脂质单分子层1118，并且当隔膜到达凹坑1105的开口时，脂质单分子层转变为横跨凹坑的开口的脂质双分子层1114。疏水层1120促进在电介质层1104上方形成脂质单分子层1118和从脂质单分子层到脂质双分子层的转变。将包含蛋白质纳米孔跨膜分子复合物（PNTMC）和感兴趣分析物的主体电解质1108直接放置在凹坑上方。通过电穿孔将单个PNTMC /纳米孔1116插入到脂质双分子层1114中。纳米孔1116穿过脂质双分子层1114并且提供从主体电解质1108到工作电极1102的离子流动的唯一路径。主体电解质1108可以进一步包括以下各项之一：氯化锂（LiCl）、氯化钠（NaCl）、氯化钾（KCl）、谷氨酸锂、谷氨酸钠、谷氨酸钾、乙酸锂、乙酸钠、乙酸钾、氯化钙（CaCl₂）、氯化锶（SrCl₂）、氯化锰（MnCl₂）和氯化镁（MgCl₂）。

工作电极1102是具有增加的电化学电容的氮化钛（TiN）工作电极。可以通过最大化该电极的比表面积来增加与工作电极1102相关联的电化学电容。工作电极1102的比表面积是每单位质量的电极的总表面积（例如，m²/kg）或每单位体积的电极的总表面积（例如，m²/m³或m^-1）或每单位基础面积的电极的总表面积（例如，m²/m²）。随着表面积的增加，工作电极的电化学电容增加，并且在电容器被充电之前，可以利用施加的相同电位来移位更大量的离子。通过使TiN电极“海绵状”或多孔，可以增加工作电极1102的表面积。TiN海绵吸收电解质并产生与电解质接触的大的有效表面积。

单元1100包括反电极（CE）1110。单元1100还包括参考电极1112，参考电极1112充当电化学电位传感器。在一些实施例中，反电极1110在多个单元之间共享，因此也称为公用电极。公用电极可以被配置为向与测量单元中的纳米孔接触的主体液体施加公用电位。公用电位和公用电极对于所有测量单元是公用的。在一些实施例中，反电极1110至少部分地由氮化钛（TiN）制成。例如，将TiN溅射到基础材料（例如，玻璃、不锈钢、金属等）上以形成反电极1110。使用TiN形成反电极具有许多优点。由于TiN的有益的电化学属性、其在现有标准半导体制造过程中的一般可用性和与现有标准半导体制造过程的相容性、其与生物和化学试剂的相容性以及其相对较低的成本，可以利用TiN。

可以调整与隔膜相关联的电容（参见图7A和7B的C_membrane706）和与工作电极相关联的电容（参见图7A和7B的C_{electrochemical}716）的比率以实现最佳的整体系统性能。可以通过减小C_membrane同时最大化C_{electrochemical}来实现系统性能的提高。调整C_membrane以产生所需的RC时间常数，而不需要额外的片上电容，从而允许显著减小单元尺寸和芯片尺寸。

在单元1100中，凹坑1105的开口的基础表面积（与脂质双分子层1114的基础表面积相同）和工作电极1102的基础表面积分别由电介质层1104和电介质层1103的尺寸确定。工作电极1102的基础表面积大于或等于凹坑1105的开口的基础表面积。因此，可以独立地优化两个基础表面积，以提供C_membrane和C_{electrochemical}之间的期望比率。如图11中所示，工作电极1102的一部分被电介质1104覆盖，并且因此被覆盖部分不与盐溶液/电解质1106直接接触。通过使用海绵状且多孔的TiN工作电极，电解质可以扩散穿过柱状TiN结构之间的空间并且在工作电极的未被覆盖部分竖直向下，然后水平地到达电介质层1104下面的工作电极1102的被覆盖部分。结果，与电解质接触的TiN的有效表面积被最大化并且C_{electrochemical}被最大化。

在步骤A，将电介质层1304（例如，SiO₂）设置在导电层1302（例如，M6）的顶部。导电层包括将信号从单元递送到芯片其余部分的电路。例如，电路将信号从单元递送到积分电容器。在一些实施例中，电介质层1304具有约400nm的厚度。

在步骤B，蚀刻电介质层1304以产生孔1306。孔1306提供用于生长海绵状且多孔的TiN电极的空间。

在步骤C，沉积海绵状且多孔的TiN层1308以填充在步骤B产生的孔1306。以一种方式生长和沉积海绵状且多孔的TiN层1308，以产生粗糙、稀疏间隔的TiN柱状结构或TiN晶体柱，所述TiN柱状结构或TiN晶体柱提供可与电解质接触的高比表面积。可以使用不同的沉积技术沉积海绵状且多孔的TiN层1308的层，所述不同的沉积技术包括原子层沉积、化学气相沉积、物理气相沉积（PVD）溅射沉积等。例如，可以使用TiCl₄与含氮前体（例如，NH₃或N₂）结合通过化学气相沉积来沉积层1308。也可以使用TiCl₄与含钛和氮的前体（例如，四-(二甲基氨基)钛（TDMAT）或四-(二乙基氨基)钛TDEAT）结合通过化学气相沉积来沉积层1308。还可以通过PVD溅射沉积来沉积层1308。例如，钛可以在N₂环境中反应性地被溅射或被直接从TiN靶溅射。可以以一种方式调节每种沉积方法的条件以便沉积稀疏间隔的TiN柱状结构或TiN晶体柱。例如，当通过从钛（Ti）靶的DC（直流）反应磁控溅射来沉积层1308时，可以调节沉积系统以使用低温、低基板偏置电压（硅基板和Ti靶之间的DC电压）和高压强（例如25mT），使得TiN可以更慢和更温和地沉积以形成TiN晶体柱。在一些实施例中，沉积的层1308的深度是孔1306深度的约1.5倍。沉积的层1308的深度在500埃至3微米厚之间。沉积的层1308的直径或宽度在20nm至100微米之间。

图14图示了沉积在金属层1404上方的海绵状且多孔的TiN层1402的横截面视图。如图14中所示，海绵状且多孔的TiN层1402包括草状柱状结构。图15图示了具有TiN柱状结构的海绵状且多孔的TiN层1502的另一横截面视图，该TiN柱状结构从孔的表面生长。

继续参考图13，在步骤D，去除过量的TiN层。例如，可以使用化学机械研磨（CMP）技术去除过量的TiN层。沉积在孔1306中的剩余TiN形成海绵状且多孔的TiN工作电极1310。在形成工作电极1310之后，在电介质1304和工作电极1310的顶部沉积一层电介质1312（例如，SiO₂）。在一些实施例中，电介质1312的深度在100nm至5微米之间。

在步骤E，蚀刻电介质1312的层以产生凹坑1314，凹坑1314仅暴露工作电极的上基础表面积的一部分。例如，可以通过反应离子蚀刻（RIE）来蚀刻凹坑。因为凹坑的开口的基础表面积（例如，πx(d1/2)²）独立于工作电极的基础表面积（例如，πx(d2/2)²），所以单元中的C_membrane和C_{electrochemical}可以被微调以获得期望的C_membrane和C_{electrochemical}比率。在一些实施例中，凹坑1314的直径（d2）在20nm到100微米之间。

构建具有海绵状TiN工作电极的基于纳米孔的定序芯片的非法拉第电化学单元1100具有许多优点。取决于TiN电极的厚度（例如，500埃至3微米厚），海绵状TiN工作电极的比表面积及其电化学电容（例如，每平方微米基础面积5皮法至500皮法）与具有基本相同尺寸（例如，基本相同的厚度和基础表面积）的扁平TiN工作电极的比表面积和电化学电容相比具有10-1000倍的提高。由于海绵状TiN工作电极允许电解质容易地扩散穿过，因此海绵状TiN工作电极的直径/宽度可以延伸超过凹坑的直径/宽度，使得可以独立优化凹坑和工作电极的基础表面积，以便提供C_membrane和C_{electrochemical}之间的期望比率用于提高系统性能。与其他电极材料（诸如铂）相比，使用TiN的其他优点包括其低成本和易于图案化和蚀刻。

图16和17图示了穿过基于纳米孔的定序芯片的示例性流体流动。在一些实施例中，具有显著不同属性（例如，可压缩性、疏水性和粘度）的多种流体流过基于纳米孔的定序芯片的表面上的传感器阵列。为了提高效率，阵列中的每个传感器应以一致方式暴露于流体或气体。例如，每种不同类型的流体应该流过基于纳米孔的定序芯片，使得流体或气体可以被递送到芯片，均匀地涂覆并接触每个单元的表面，然后被递送出芯片。如上所述，基于纳米孔的定序芯片包括被配置为阵列的大量传感器单元。随着基于纳米孔的定序芯片被缩放以包括越来越多的单元，在芯片的单元之间实现不同类型的流体或气体的均匀流动变得更具挑战性。

在图16中，入口（例如，管）1604将流体递送到基于纳米孔的定序芯片1602，并且出口1606将流体或气体递送出芯片。由于入口和基于纳米孔的定序芯片之间宽度上的差别，当流体或气体进入芯片1602时，流体或气体流过覆盖靠近芯片外周界的单元但不覆盖芯片中心部分中的单元的路径。

在图17中，入口1710将流体递送到基于纳米孔的定序芯片1708，并且出口1712将流体或气体递送出芯片。当流体或气体进入芯片1708时，流体或气体流过覆盖靠近芯片中心部分的单元但不覆盖靠近芯片外周界的单元的路径。

如图16和图17中所示，基于纳米孔的定序芯片在流动腔中具有一个或多个“死”区。在图16中所示的实施例中，死区靠近芯片中心分布。在图17中所示的实施例中，死区靠近芯片的外周界分布。死区下面芯片阵列中的传感器暴露于少量流体或流体的缓慢流动，而死区外部的传感器暴露于过量流体或流体的快速流动。

图18是图示具有蛇形流动通道的基于纳米孔的定序系统的实施例的图。在一些实施例中，基于纳米孔的定序系统包括改进的流动腔，所述流动腔具有蛇形流体流动通道，所述蛇形流体流动通道引导流体沿着通道的长度横过芯片的不同传感器。图18图示了基于纳米孔的定序系统1800的俯视图，基于纳米孔的定序系统1800具有包围硅芯片的改进的流动腔，该流动腔允许液体和气体穿过并接触芯片表面上的传感器。流动腔包括蛇形或卷绕流动通道1808，流动通道1808引导流体从芯片的一端到相对端直接流过单列（或单行）传感器组1806，然后引导流体重复回环，并直接流过其他相邻列的传感器组，直到所有传感器组已经被横穿至少一次。如图18中所示，系统1800包括入口1802和出口1804，并且蛇形或卷绕流动通道1808引导流体从入口1802到出口1804流过所有16个传感器组1806。

参考图18，流体通过入口1802被引导到系统1800中。入口1802可以是管或针。例如，管或针可具有一毫米的直径。代替将流体或气体直接馈送到具有单个连续空间的宽流动腔中，入口1802将流体或气体馈送到蛇形流动通道1808中，该蛇形流动通道1808引导流体或气体直接流过串联连接在一起的传感器组1806组成的列而穿过蛇形流动通道1808。蛇形通道1808可以通过如下方式而形成：将顶板和垫圈与将腔划分成蛇形通道以形成流动通道部件的分隔件1810堆叠在一起，以及然后将流动通道部件安装在芯片顶部。一旦流体或气体流动通过蛇形通道1808，流体或气体就被引导直到穿过出口1804并离开系统1800。

系统1800允许流体更均匀地流动在芯片表面上的所有传感器的顶部。通道宽度被配置为足够窄，使得毛细管作用有效果。更具体地，表面张力（由流体内的内聚力引起）和流体与包围表面之间的粘合力用于将流体保持在一起，从而防止流体或气泡破裂并产生死区。例如，通道可以具有1毫米或更小的宽度。窄通道实现受控的流体流动并使来自先前流体或气体流的残余物的量最小化。

在一些实施例中，可以使用室温接合将流动通道部件接合在芯片的顶部。室温接合通过加热中间金属层来结合两种材料。这两种材料可以是类似材料或不类似材料。中间金属层被激光轰击，以产生局部加热区。热区将两种材料熔合在一起。

图19图示了可以接合在一起的基于纳米孔的定序芯片1904和流动通道部件1902的实施例的示例性视图。基于纳米孔的定序芯片1904和流动通道部件1902可以包括在图18的系统1800中。在一些实施例中，流动通道部件1902通过将顶板和垫圈与分隔件堆叠在一起而形成，所述分隔件将腔划分成蛇形通道。反电极1906位于顶板的底侧。反电极的蛇形形状与垫圈的蛇形通道相匹配，使得反电极直接定位在传感器组上方，而不会被垫圈的分隔件阻挡。分隔件设置在传感器组之间，使得分隔件不阻挡流体或气体在传感器组上方的流动。在一些实施例中，流动通道部件1902是使用玻璃材料形成的单个单元。反电极1906（例如，所示蛇形通道内的顶表面）通过利用氮化钛（TiN）溅射或涂覆基础材料（例如，不锈钢、除氮化钛之外的金属等）而形成。使用TiN形成反电极可具有许多优点。在一些实施例中，因为它某些有益的电化学性质、它在现有标准半导体制造过程中的一般可用性和与现有标准半导体制造过程的相容性、其与生物和化学试剂的相容性以及其相对较低的成本，TiN是优选的材料。

沉积在流动通道部件中的其他材料可能潜在地与试剂反应，这通常是有问题的，因为它可能施加新的限制，包括生物相容性限制。因此，优选的是限制用于形成流动通道部件的材料的数量。因此，也将TiN用于上述熔合过程以将流动通道部件附连到管芯/芯片可能是有益的。

图20图示了可以接合在一起的基于纳米孔的定序芯片2004和流动通道部件2002的一个实施例的两个示例性视图。定序芯片2004和流动通道部件2002可以包括在图18的系统1800中。反电极2006位于流动通道部件2002的通道中的顶表面上。反电极2006（例如，至少示出的蛇形通道内部的顶表面）通过溅射氮化钛（TiN）形成。用于将基于纳米孔的定序芯片2004和流动通道部件2002熔合在一起的TiN金属被沉积在定序芯片2004的表面2008（例如，示出为被遮蔽的表面）上。这可以在允许宽范围的激光功率水平以在不破坏半导体芯片下方中的电路的情况下实现熔合方面具有某些优点。

图21图示了可以接合在一起的基于纳米孔的定序芯片2104和流动通道部件2102的一个实施例的示例性视图。定序芯片2104和流动通道部件2102可以包括在图18的系统1800中。TiN被溅射到流动通道部件2102（例如，由玻璃、金属、橡胶等制成）的底侧2106，包括通道，壁和接合表面的底部，从而在一次操作中产生处于被蚀刻的通道中的反电极和用于在通道之间的区域中进行熔合的金属沉积物。结果，简化了制造过程并降低了成本。

在一些实施例中，利用材料上的TiN来形成从反电极到外部电位、电压和/或电流源和/或耗散器的（一个或多个）直接连接。例如，对于图19中的流动通道部件1902，如果包括在流动通道部件1902中的顶板或基板由与反电极1906导电接触的导电材料（例如，金属）制成，则至少部分地由TiN（例如，涂覆在不同金属材料上方的TiN）制成的电连接器用于在流动通道部件1902的顶板/基板与连接到外部电位、电压和/或电流源和/或耗散器的部件（例如，电路板接触件）之间形成连接。如果流动通道部件1902的顶板/基板由非导电材料（例如，玻璃）制成，则穿过顶板/基板或围绕顶板/基板（例如，使用穿过顶板的通孔并且该通孔是流体密封的，从而不允许从流动通道部件1902的流动通道路径泄漏）建立到反电极1906的导电路径（例如，至少部分地使用TiN制成）。使用至少部分地由TiN制成的电连接器，该导电路径可被连接到一部件（例如，电路板接触件），该部件连接到外部电位、电压和/或电流源和/或耗散器。

类似地，对于图20的流动通道部件2002，如果包括在流动通道部件2002中的顶板或基板由与反电极2006导电接触的导电材料（例如，金属）制成，则至少部分地由TiN（例如，涂覆在不同金属材料上方的TiN）制成的电连接器用于在流动通道部件2002的顶板/基板与连接到外部电位、电压和/或电流源和/或耗散器的部件（例如，电路板接触件）之间形成连接。如果流动通道部件2002的顶板/基板由非导电材料（例如，玻璃）制成，则穿过顶板/基板或围绕顶板/基板（例如，使用穿过基板的通孔并且该通孔是流体密封的，从而不允许从流动通道部件2002的流动通道路径泄漏）建立到反电极2006的导电路径（例如，至少部分地使用TiN制成）。使用至少部分地由TiN制成的电连接器，该导电路径可被连接到一部件（例如，电路板接触件），该部件连接到外部电位、电压和/或电流源和/或耗散器。

在一些实施例中，使用TiN材料（i）作为反电极（例如，图19中的反电极1906或图20中的反电极2006）和/或（ii）作为促进与定序芯片接合的层，并且还用于形成从反电极到外部电位、电压和/或电流源和/或耗散器的直接连接。

Claims

1.一种纳米孔单元，包括：

氮化钛（TiN）反电极，被配置为处于第一电位；

工作电极，被配置为处于第二电位；和

绝缘壁，其中所述绝缘壁和所述工作电极形成凹坑的至少一部分，所述凹坑被配置为包含处于一电压的电解质，所述电压是所述氮化钛反电极的第一电位与所述工作电极的第二电位之间的电位差的至少一部分。

2.根据权利要求1所述的纳米孔单元，其中所述反电极包括已被利用氮化钛溅射的基础材料。

3.根据权利要求1所述的纳米孔单元，其中所述纳米孔单元是基于纳米孔的定序系统的一部分，并且所述基于纳米孔的定序系统包括流体腔部件和定序芯片。

4.根据权利要求3所述的纳米孔单元，其中所述流体腔部件形成卷绕流体腔的至少一部分。

5.根据权利要求3所述的纳米孔单元，其中所述氮化钛反电极被包括在所述流体腔部件上。

6.根据权利要求3所述的纳米孔单元，其中在所述流体腔部件的通道表面内溅射氮化钛。

7.根据权利要求3所述的纳米孔单元，其中在耦合到所述定序芯片的所述流体腔部件的整个表面上溅射氮化钛。

8.根据权利要求3所述的纳米孔单元，其中所述流体腔部件和所述定序芯片通过加热中间金属层而被耦合在一起。

9.根据权利要求3所述的纳米孔单元，其中所述定序芯片包括多个不同的纳米孔传感器，并且每个纳米孔传感器包括用于接收流体的表面。

10.根据权利要求3所述的纳米孔单元，其中所述流体腔部件和所述定序芯片一起形成流体腔的至少一部分，所述流体腔具有将流体递送到流体腔中的入口和将流体递送出流体腔的出口。

11.根据权利要求1所述的纳米孔单元，其中氮化钛被用在用于在所述反电极与电位源或耗散器之间形成连接的材料中。

12.根据权利要求1所述的纳米孔单元，其中公用电极在多个不同的纳米孔单元之间共享。

13.根据权利要求1所述的纳米孔单元，其中所述工作电极至少部分地由氮化钛（TiN）制成。

14.根据权利要求1所述的纳米孔单元，其中所述工作电极包括海绵状且多孔的TiN工作电极，所述海绵状且多孔的TiN工作电极通过沉积技术在一定条件下被沉积，所述条件被调节以在导电层上方沉积稀疏间隔的TiN柱状结构或TiN晶体柱。

15.根据权利要求14所述的纳米孔单元，其中所述海绵状且多孔的TiN工作电极的比表面积是具有基本相同尺寸的扁平TiN工作电极的比表面积的十倍至一千倍。

16.根据权利要求14所述的纳米孔单元，其中所述海绵状且多孔的TiN工作电极的电化学电容是具有基本相同尺寸的扁平TiN工作电极的电化学电容的十倍至一千倍。

17.根据权利要求14所述的纳米孔单元，其中所述绝缘壁的一部分覆盖所述工作电极的一部分，并且其中所述凹坑在所述工作电极的未被覆盖部分上方具有开口，并且其中所述工作电极的基础表面积大于在工作电极的未被覆盖部分上方的开口的基础表面积。

18.根据权利要求14所述的纳米孔单元，其中所述绝缘壁的一部分覆盖所述工作电极的一部分，并且其中所述凹坑在所述工作电极的未被覆盖部分上方具有开口，并且其中所述电解质可以扩散穿过稀疏间隔的TiN柱状结构或TiN晶体柱之间的空间，并且在工作电极的未被覆盖部分竖直向下扩散，然后水平扩散到工作电极的被覆盖部分。