CN110520517A - 包括二维层材料的固态测序装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种测序装置。测序装置包括：导电电极对的阵列，每对电极包括被纳米间隙分隔的源电极和漏电极布置，电极阵列沉积并图案化在介电衬底上；设置在每对电极上的至少一个过渡金属二硫属化物(TMD)层，其中TMD层连接每对中的每个源电极和漏电极，并桥接每对电极的每个纳米间隙；和介电掩模层，该介电掩模层设置在TMD层上且包括限定暴露的TMD区域的至少一个开口，其中该至少一个开口的尺寸被设置为以便允许单个生物分子装配在其中并附接到暴露的TMD区域上。在本公开的实施方式中，TMD层是有缺陷的TMD层。

Description

包括二维层材料的固态测序装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年1月19日提交的美国临时专利申请序列号62/448,078的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及生物分子传感装置的纳米制造。更具体地，本公开涉及用于分析DNA和相关生物分子的装置的制造，其中该装置含有二维层材料。
背景技术
近年来在精准医疗或纳米技术的各个领域中，包括DNA和基因组的生物分子的分析受到越来越多的关注。1946年Maclyn McCarty和Oswald T.Avery的开创性工作(参见“Studies On The Chemical Nature Of The Substance Inducing Transformation OfPneumococcal Types II.Effect Of Deoxyribonuclease On The Biological ActivityOf The Transforming Substance”，The Journal of Experimental Medicine83(2)、89-96(1946))，展示了DNA是确定生物特征的材料。然后，James D.Watson和Francis HC Crick在1953年首次描述了DNA的分子结构(参见已发表的文章“Molecular structure ofnucleic acids.”，Nature 171,737-738(1953))，由此他们获得了1962年诺贝尔医学奖。这项工作清楚地表明，DNA分子的化学字母(碱基)的序列编码基本的生物信息。自从这项发现以来，已经共同努力开发了实际实验式地测量该序列的手段。Sanger等人在1978年引入了系统地测序DNA的第一种方法，他由此获得了1980年诺贝尔化学奖。参见文章，Sanger，Frederick等，“The nucleotide sequence of bacteriophage”J.Mol.Bio.125、225-246(1978)。
用于基因组分析的测序技术在20世纪80年代后期演变为利用自动商业仪器平台，在2001年其最终实现了第一个人类基因组的测序。这是十年来大规模公共和私人努力的结果，花费了数十亿美元，并依赖于数千种专用DNA测序仪器的输出。这项努力的成功推动了许多“大规模平行”测序平台的开发，其目标是显著降低测序人类基因组所需的成本和时间。这样的大规模平行测序平台通常依赖于在高度微型化的微流控形式中同时处理数百万至数十亿的测序反应。其中第一个由Jonathan M.Rothberg的小组于2005年发明并商业化为454平台，其实现了成本和仪器时间减少了上千倍。参见Marcel Margulies等人的文章，“Genome Sequencing in Open Microfabricated High Density Picoliter Reactors”，Nature 437、376-380(2005)。然而，454平台仍然需要大约一百万美元，并花费超过一个月来测序基因组。
454平台之后是各种其他相关技术和商业平台。参见M.L.Metzker的文章，“Sequencing Technologies-the Next Generation”，Nature Rev.Gen.11(1)、31-46(2010)，和C.W.Fuller等人的文章，“The Challenges of Sequencing by Synthesis”，Nature Biotech.27(11)、1013-1023(2009)。这项进展在2014年实现了长期寻求的“$1000基因组”，其中在服务实验室测序人类基因组的成本降低到大约$1,000，并且可以在几天内进行。然而，用于该测序的高度复杂的仪器花费近一百万美元，并且数据以数十亿个长度为大约100个碱基的短读长的形式存在。该数十亿的短读长通常进一步含有错误，因此该数据需要相对于标准参考基因组解读，其中每个碱基被多次测序以评估新的个体基因组。
因此，仍然需要进一步改进测序的质量和准确性，以及降低成本和时间。尤其如此以使基因组测序实践性地广泛用于精准医疗(参见Fuller等人的上述文章)，其中期望对具有临床质量等级的数百万个体的基因组进行测序。
虽然许多DNA测序技术利用具有荧光报道分子的光学手段，但是这样的方法可能是繁琐的，检测速度慢，并且难以大规模生产以进一步降低成本。无标记DNA或基因组测序方法提供了不必使用荧光型标记过程和相关光学系统的优点，特别是当与可以被快速且廉价地实现的电子信号检测相结合时。
虽然目前的分子电子装置可以电子测量分子用于各种应用，但是它们缺乏以实践性的方式快速感测规模高达数百万的许多分析物所需的可重复性以及可扩展性和可制造性。这样的高度可扩展的方法对于通常需要分析数百万至数十亿的独立DNA分子的DNA测序应用尤为重要。此外，由于所需的高精度水平，现有分子电子装置的制造通常是昂贵的。
发明内容
在本文描述的各种实施方式中，公开了特别加工的含有2D层的酶聚合酶传感器装置结构和用于电子DNA、RNA或基因组测序系统的大量装置的制造方法。这样的无标记的、基于单个分子的测序分析系统优选利用具有故意缺陷结构的微结构控制的过渡金属二硫属化物(TMD)层，以便利用改变的带隙和增强的单个生物分子(比如酶聚合酶分子)的附接。电子系统还可以用于分析其他类型的生物分子，比如蛋白质，这取决于分子传感器如何被官能化以与生物分子传感靶标相互作用。本文发明的基于TMD的测序系统可以组装成大规模平行配置，其用于快速分析包括核苷酸的靶标，特别是用于DNA分子或构成整个人类基因组的这样的分子的集合的测序的应用。
在一方面，公开了一种测序装置。测序装置包括：导电电极对的电极阵列，每对电极包括被纳米间隙分隔的源电极和漏电极，所述电极阵列沉积并图案化在介电衬底上；设置在每对电极上的单层或几层厚的过渡金属二硫属化物(TMD)层，其连接每对中的每个源电极和漏电极，并桥接每对中的每个纳米间隙；介电掩模层，该介电掩模层设置在TMD层上且包括限定暴露的TMD区域的尺寸限定的开口，每个开口的尺寸被设置为以便仅允许单个酶生物分子装配在其中并附接到由每个开口限定的暴露的TMD区域上；附接到每个暴露的TMD区域的酶分子，使得在每个开口内仅发现一个酶分子；和包围电极阵列的微流控系统，其中选自由核苷酸单体、蛋白质和DNA片段组成的组的生物分子一次一个地在酶分子上的附接或分离，可以被监测为可独特识别的电信号脉冲，以确定生物分子附接或分离的特定性质。在实施方式中，TMD选自MoS2、WS2、TiS2、ZrS2、HfS2、VS2、NbS2、TaS2、TcS2、ReS2、CoS2、RhS2、IrS2、NiS2、PdS2、PtS2及它们的修饰或组合，包括具有MX(2-x)或MX(2+x)的硫含量的修饰的化学计量，其中x在0-1.0的范围内，优选在0-0.5的范围内，甚至更优选0-0.3的范围内。在实施方式中，故意改变硫化学计量以便提供空位缺陷、间隙缺陷和聚集缺陷，以便增加表面能并增强生物分子与桥传感器的粘附，增加带隙以获得更强的电信号脉冲。在实施方式中，TMD选自MoSe2、WSe2，或TiSe2、ZrSe2、HfSe2、VSe2、NbSe2、TaSe2、TcSe2、ReSe2、CoSe2、RhSe2、IrSe2、NiSe2、PdSe2、PtSe2及它们的修饰或组合，包括具有MX(2-x)或MX(2+x)的硒含量的修饰的化学计量，其中x的期望值在0-1.0的范围内，优选在0-0.5的范围内，甚至更优选0-0.3的范围内。在实施方式中，故意改变硒化学计量以便提供空位缺陷、间隙缺陷和聚集缺陷，以便增加TMD层的表面能并增强生物分子与桥传感器的粘附以获得更强的传感器信号。在实施方式中，TMD选自MoTe2、WTe2，或TiTe2、ZrTe2、HfTe2、VTe2、NbTe2、TaTe2、TcTe2、ReTe2、CoTe2、RhTe2、IrTe2、NiTe2、PdTe2、PtTe2及它们的修饰或组合，包括具有MX(2-x)或MX(2+x)的碲含量的修饰的化学计量，其中x的期望值在0-1.0的范围内，优选在0-0.5的范围内，甚至更优选0-0.3的范围内。在实施方式中，故意改变碲化学计量以便提供空位缺陷、间隙缺陷和聚集缺陷，以便增加TMD层的表面能并增强生物分子与桥传感器的粘附以获得更强的传感器信号。在实施方式中，TMD包括混合TMD，该混合TMD选自其中MX2化合物具有混合金属和/或混合硫属化物的TMD化合物，其选自由Mo(SxSeyTez)2、W(SxSeyTez)2、Ti(SxSeyTez)2、Zr(SxSeyTez)2、Hf(SxSeyTez)2、V(SxSeyTez)2、Nb(SxSeyTez)2、Ta(SxSeyTez)2、Tc(SxSeyTez)2、Re(SxSeyTez)2、Co(SxSeyTez)2、Rh(SxSeyTez)2、Ir(SxSeyTez)2、Ni(SxSeyTez)2、Pd(SxSeyTez)2和Pt(SxSeyTez)2组成的组，其中(x+y+z)之和为1-3，0.5-1.5或0.7-1.3。在进一步的实施方式中，两种或更多种金属组合用于含硫、含Se或含Te的TMD层。在实施方式中，TMD层包括MoxWyCoz)S2或(HfxWyCoz)Te2。在实施方式中，TMD包括M(1-w)NyX(2-z)Yz结构，其中过渡金属M以w的浓度部分地被非过渡元素N取代，并且N元素选自Al、Si、Ga、Ge、In、Sn、Sb、Bi、Al、Na、K、Ca、Mg、Sr、Ba中的一种或多种，其中w值在0-0.3的范围内，并且硫属化物元素X部分地被非硫属化物元素Y取代，其中Y元素选自Li、B、C、N、O、P、F、Cl、I中的一种或多种，其中z值在0-0.3的范围内。在实施方式中，金属导电电极对选自Au、Pt、Ag、Pd、Rh或它们的合金。在实施方式中，纳米间隙为约2nm至约20nm。在实施方式中，尺寸限定的开口优选每个平均当量直径小于30nm，更优选当量直径小于约20nm，甚至更优选当量直径小于约10nm，其通过光刻限定在意图用于仅附接单个分子的特定区域之外的聚合物或陶瓷的介电材料层的覆盖范围。在实施方式中，尺寸限定的开口每个当量直径为约30nm，或每个当量直径为约20nm，或每个当量直径为约10nm，并且其中TMD层包括具有绝缘体或具有非常高电阻率特性的故意损坏结构，其充当能够实现单个分子附接的掩模材料；对于意图用于仅附接单个分子的特定区域之外的区域，电阻率为至少100欧姆-厘米，优选至少10,000欧姆-厘米，甚至更优选至少1兆欧姆-厘米；并且其中通过电子轰击、激光辐射轰击、离子轰击或离子注入掺杂进行故意损坏。
在进一步的实施方式中，TMD层是有缺陷的，其中缺陷选自线性纳米带平行阵列、图案化形状纳米带阵列、应变晶格缺陷、空位、间隙缺陷、位错缺陷、外来原子注入缺陷或纳米多孔缺陷。在实施方式中，尺寸限定的TMD层含有应变晶格缺陷、空位、间隙缺陷、位错缺陷或外来原子注入缺陷，其缺陷密度为至少约105/cm2。在实施方式中，TMD层中的缺陷是纳米多孔缺陷，其具有至少2nm的当量直径，其缺陷密度为至少约103/cm2。在实施方式中，TMD层是有缺陷的，与没有缺陷的TMD相比，带隙额外打开至少0.2eV，优选至少0.5eV。在实施方式中，TMD层表面显示亲水特性，其中亲水区域具有至多50度，优选至多30度，甚至更优选至多15度的水滴接触角；具有提高的生物分子附接频率，与在微流控室处理流体供应以提供生物分子、核苷酸和相关的生物或化学组分，以及洗涤或流体置换操作期间的全部疏水TMD表面相比，粘附性提高至少30％，优选至少50％，甚至更优选至少100％增加的粘附事件；并且亲水特性与包括应变晶格、空位、间隙、位错、纳米孔、纳米针孔、外来原子掺杂的缺陷相关，其缺陷密度为至少约103/cm2，且优选至少约105/cm2。在实施方式中，TMD层表面由亲水区域和疏水区域的混合结构组成，并且亲水区域具有至多50度，优选至多30度，甚至更优选至多15度的水滴接触角；亲水区域的面积分数为暴露的TMD表面的至少10％，优选至少30％，甚至更优选至少50％的面积分数以吸引单个生物分子；亲水区域呈圆形、椭圆形、矩形，或不规则岛，或条纹结构的形式；TMD表面具有缺陷，比如空位、间隙、位错或聚集缺陷、纳米孔、具有外来原子的化学掺杂区域或条纹孔，其中这样的缺陷的密度为至少103/cm2，优选至少105/cm2，并且这样的复合亲水-疏水配置能够提高生物分子附接频率，与在微流控室处理流体供应以提供生物分子、核苷酸和相关的生物或化学组分，以及洗涤或流体置换操作期间的全部疏水TMD表面相比，粘附性提高至少30％，优选至少50％，甚至更优选至少100％增加的粘附事件；和/或亲水岛或疏水岛的尺寸理想地为1-30nm，优选1-10nm，更优选1-5nm。在进一步的实施方式中，TMD层具有可调的亲水性，其中：TMD层悬置在两个电极之间或固定在两个电极的顶部上而没有悬置的结构配置；TMD桥表面被限定尺寸用于附接单个生物分子；疏水至亲水表面状态的按需切换通过以下实现：位于传感器桥结构下方和上方的至少一对垂直电极的装置配置，以便施加至少10V/nm，优选至少30V/nm的电场，来改变半导体性质并使带隙加宽至少5％，优选至少10％，并且使TMD更加亲水，其中水滴接触角减小至少5度，优选至少20度，以更容易适应微流控室环境并提高单个酶分子(比如DNA或RNA聚合酶)的粘附概率(增加至少30％)；施加的电场是直流电场或交流电场；亲水性提高能够被逆转以恢复到疏水状态，以能够释放先前使用的生物分子并避免不必要的生物分子附接；和/或可选地具有至少1,000，优选多达10,000或甚至更优选至少100万个装置，其中一个或多个选定的电极配对装置同时地或在一系列操作中可调成亲水或疏水的。在实施方式中，待附接到TMD上的生物分子是聚合酶。在实施方式中，待附接到TMD上的生物分子选自DNA、RNA、蛋白质、核酶、适体或多糖的各种其他生物聚合物。在实施方式中，二维成形的TMD层局部地转换成三维成形的TMD，以便为稳健且可靠的TMD定位提供机械支撑，在TMD中的具有移位或应变晶格的弯曲或扭结位置处具有额外缺陷，以产生较高能态的位置用于增强的酶生物分子的粘附，其中形状改变的TMD具有以下结构特性：引入新的缺陷模式和形状不连续以获得较高能态局部区域；由选自聚合物材料或陶瓷材料的介电材料构成的形状改变插入结构；该形状改变插入结构具有超出金属导体电极顶表面水平的均匀或非均匀突出结构，以便使TMD层非平面几何形状选择为弯折、弯曲、圆顶形、不规则形状、带扣或局部穿刺形状的配置，并引入位错；已经具有缺陷结构的形状改变的TMD层包括应变晶格、空位、间隙、位错、纳米孔、化学掺杂区域的晶格缺陷，其缺陷密度为至少103/cm2；改变的形状选自半球形、矩形、椭圆形、波浪形或其他周期性或不规则的几何形状；和/或形状改变插入物永久地留在TMD层下面，以充当有益的机械支撑，以防止在测序装置系统的微流控处理期间TMD层的机械分离或损坏以及施加到在纳米间隙区域上悬置或几乎不结合的TMD层的相关偶然力，或者被蚀刻掉以留下机械顺应的突出TMD层。
在进一步的实施方式中，TMD层与介电衬底接触而没有纳米间隙，并且金属电极对作为电引线从TMD岛的两端延伸。在进一步的实施方式中，聚合酶与TMD表面的连接经由选自以下列表的官能团或官能团对：链霉亲和素-生物素对、抗原-抗体相互作用、使用巯基碳酸[HS-(CH2)n-COOH、n＝1-15]的双功能配体、肽官能团、硫醇-炔烃对、COOH-NH2官能团对、硫醇-马来酰亚胺叠氮化物对、使用巯基硅烷化合物的硅烷化键和NHS(N-羟基琥珀酰亚胺)酯-胺对。在实施方式中，与酶聚合酶分子连接的dNTP核苷酸是经修饰的核苷酸类型，以增强并入信号，或产生具有不同碱基(A、C、G、T)并入事件之间增强差异的信号，以更准确地确定模板序列，其中这样的dNTP修饰包括以下修饰：碱基，比如7-脱氮形式、8-溴形式；α-磷酸基和β-磷酸基，比如这些磷酸基的硫醇化形式或溴化形式；γ-磷酸基修饰物，包括磷酸基的添加，比如四磷酸基、五磷酸基或六磷酸基形式；或者添加到末端磷酸基的基团。
在进一步的实施方式中，电极布置包括三极管配置，其中栅电极平行于每个所述源电极和漏电极放置或垂直于电极阵列中的每个源电极和漏电极之间的每个纳米间隙放置。在进一步的实施方式中，将电极、TMD层、掩模电介质和酶分子排列成阵列配置，以便允许使用组织成具有至少1,000个，优选至少100万个装置的系统的装置进行大规模平行电子测序分析。在实施方式中，通过在阵列的一侧使用公共引线，使含有TMD的聚合酶分子传感器中的电极阵列的序列询问能够用于DNA或基因组测序。在实施方式中，使用堆叠的微流控室或用于堆叠层装置的公共微流控室，将电极、TMD层、掩模电介质和酶分子布置成分子电子基因组测序平台的三维阵列，以便允许使用组织成具有至少1,000个，优选至少100万个装置的系统的装置进行大规模平行电子测序分析。
在另一方面，提供了制造基于TMD的DNA或基因组测序装置的方法。该方法涉及提供金属导电电极对的阵列，其中在介电衬底上沉积并图案化源极和漏极布置；通过使用液体容器提升放置方法，通过使用真空转移方法，或通过使用印模转移方法将单层或几层TMD沉积到电极阵列上；纳米图案化放置在TMD表面上的介电掩模层，其具有尺寸限定的开口，以便仅允许单个酶生物分子附接到暴露的TMD表面上用于测序分析；将测序装置放置于微流控系统中并提供含有变性核苷酸分子或修饰的核苷酸和化学试剂的流体；以及对个体核苷酸单体或修饰的核苷酸组分一次一个地附接到酶聚合酶分子上的事件进行电子测量和计算机分析，以获得电脉冲信号来确定所附接的核苷酸的特定性质。在实施方式中，TMD层通过以下形成缺陷：纳米图案化成线性纳米带平行阵列或图案化形状纳米带阵列，或者引入应变晶格、空位、间隙、位错、化学掺杂或离子注入掺杂区域的扰乱的晶格缺陷，或者提供纳米多孔缺陷或纳米针孔缺陷。在实施方式中，TMD层中的缺陷通过选自离子注入束、等离子体反应离子蚀刻(RIE)气氛、加宽的光学、电子、离子或中子束的束辐射引入，以便引入至少约105/cm2的缺陷密度。在实施方式中，经辐射的结构在约100℃至约600℃下进行辐射后退火。在实施方式中，通过使用氧化化学品、强酸、强碱溶液的化学蚀刻引入TMD晶格缺陷或纳米孔，以便引入至少约105/cm2的缺陷密度。在实施方式中，通过使用选自嵌段共聚物或阳极氧化铝的含有纳米孔的模板引入具有纳米多孔缺陷的TMD，以便引入至少105/cm2的缺陷密度。在实施方式中，通过使用包括纳米针孔的完全沉积的薄膜作为掩模(通过该掩模蚀刻TMD层)引入具有纳米多孔缺陷的TMD，以便引入至少约105/cm2的纳米针孔缺陷密度。在实施方式中，通过使用纳米压印图案化引入具有纳米多孔缺陷的TMD，以便引入至少105/cm2的缺陷密度。在实施方式中，通过使用喷涂沉积在TMD上的金属纳米颗粒引入具有纳米多孔缺陷的TMD，允许扩散反应和差别化学蚀刻。在实施方式中，使用选自由电子束辐射、离子束辐射、光学或激光束辐射、粒子束辐射和外来种类原子的离子注入组成的组的处理方法，故意损坏意图用于附接单个生物分子的特定区域之外的TMD层材料，其中TMD材料的晶体结构受到影响并且表现得像绝缘体或具有至少100欧姆-厘米，优选至少10,000欧姆-厘米，甚至更优选至少1兆欧姆-厘米电阻率的非常高电阻率的材料。在实施方式中，使TMD层材料表现出通过使用以下一种或多种处理技术获得的亲水状态：通过使用含氧等离子体或含有氮、氯、氟或混合元素的其他类型的等离子体的等离子体处理，或者通过使用在MoS2结构(或一般TMD结构)中具有比如应变晶格、空位、间隙、位错纳米孔或聚集缺陷的缺陷的不完善结晶，例如通过在从预沉积的金属层硫化合成TMD层期间在较低的温度下硫化退火(或硒或碲扩散退火工艺)，其中工艺温度选择为比用于获得高质量结晶(其中超过90％的材料具有结晶良好的TMD层材料)的温度低至少50℃，优选低至少200℃，或者通过使用在MoS2结构(或一般TMD结构)中具有比如应变晶格、空位、间隙、位错纳米孔或聚集缺陷的缺陷的不完全结晶工艺，例如，通过在从预沉积的金属层硫化合成TMD层期间在较短时间内硫化退火(或硒或碲扩散退火工艺)，其中工艺时间选择为比用于获得高质量结晶(其中超过90％的材料具有结晶良好的TMD层材料)所需的退火时间短至少3倍，优选10倍，或者通过使用物理沉积、化学沉积、电化学沉积或离子注入来沉积厚度小于10nm的薄亲水表面层，比如过渡金属，如Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn或这些元素的陶瓷岛，比如TiO2、NiO、Fe2O3。在进一步的实施方式中，使TMD层材料表现出通过使用以下一种或多种处理技术获得的组合亲水和亲水混合相状态：通过使用含氧等离子体或含有氮、氯、氟或混合元素的其他类型的等离子体的等离子体处理，或者通过使用在MoS2结构(或一般TMD结构)中具有比如空位、间隙、位错纳米孔或聚集缺陷的缺陷的不完善结晶(其中至少10％，优选至少30％面积分数的TMD表面材料具有不完善晶格构造)，例如，通过在从预沉积的金属层硫化合成TMD层期间在较低温度下和较短时间内硫化退火(或硒或碲扩散退火工艺)，其中工艺温度选择为比用于获得高质量结晶(其中超过90％的材料具有结晶良好的TMD层材料)的温度低至少50℃，优选低至少200℃，或者通过使用在MoS2结构(或一般TMD结构)中具有比如空位、间隙、位错纳米孔或聚集缺陷的缺陷的不完全结晶工艺(其中至少10％，优选至少30％面积分数的TMD表面材料具有不完善晶格构造)，例如，通过在从预沉积的金属层硫化合成TMD层期间在较短时间内硫化退火(或硒或碲扩散退火工艺)，其中工艺时间选择为比用于获得高质量结晶(其中超过90％的材料具有结晶良好的TMD层材料)所需的退火时间短至少3倍，优选10倍，或者通过使用物理沉积、化学沉积、电化学沉积或离子注入部分沉积亲水岛，比如过渡金属(如Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn)的金属岛，或这些元素的陶瓷岛，比如TiO2、NiO、Fe2O3，其中面积分数为5％-50％，优选至少10％，更优选至少30％。
在进一步的实施方式中，通过使用以下处理方法产生可调亲水性的TMD层材料：向垂直布置的两个电极(TMD层上方一个下方一个)施加直流或交流电场，其中施加的电场为至少10V/nm，优选至少30V/nm以改变半导体性质，其中带隙加宽至少5％，优选至少10％，并且随着水滴的接触角减小至少5度，优选至少20度，TMD变得更亲水，以更容易地适应流控室环境和提高单个酶分子(比如DNA或RNA聚合酶)的粘附。在某些实施方式中，当装置不使用时，将装置抽空并用惰性气体回填，以便最小化不需要的分子的偶然粘附或吸附。本文公开的装置可用于全基因组序列或诊断疾病，包括但不限于癌症。
在另一方面，公开了一种测序装置。该测序装置包括导电电极对的阵列，每对电极包括被纳米间隙分隔的源电极和漏电极布置，电极阵列在介电衬底上沉积并图案化；设置在每对电极上的至少一个过渡金属二硫属化物(TMD)层，其中TMD层连接每对中的每个源电极和漏电极，并桥接每对电极的每个纳米间隙；和介电掩模层，该介电掩模层设置在TMD层上且包括限定暴露的TMD区域的至少一个开口，其中该至少一个开口的尺寸被设置为以便允许单个生物分子装配在其中并附接到暴露的TMD区域上。在实施方式中，至少一个生物分子附接到暴露的TMD区域。在实施方式中，至少一个生物分子包括聚合酶。在实施方式中，测序装置进一步包括与测序装置流体组合的微流控系统，以提供至少一个生物分子。在实施方式中，TMD层包括MoS2、WS2、TiS2、ZrS2、HfS2、VS2、NbS2、TaS2、TcS2、ReS2、CoS2、RhS2、IrS2、NiS2、PdS2、PtS2或它们的任何修饰或组合，包括具有MX(2-x)或MX(2+x)的硫含量的修饰的化学计量，其中x在0-1.0的范围内。在实施方式中，故意改变硫化学计量以便提供空位缺陷、间隙缺陷和聚集缺陷，以便增加表面能并增强生物分子与暴露的TMD区域的粘附。在实施方式中，TMD层包括MoSe2、WSe2、TiSe2、ZrSe2、HfSe2、VSe2、NbSe2、TaSe2、TcSe2、ReSe2、CoSe2、RhSe2、IrSe2、NiSe2、PdSe2、PtSe2或它们的任何修饰或组合，包括具有MX(2-x)或MX(2+x)的硒含量的修饰的化学计量，其中x在0-1.0的范围内。在实施方式中，故意改变硒化学计量以便提供空位缺陷、间隙缺陷和聚集缺陷，以便增加TMD层的表面能并增强生物分子与暴露的TMD区域的粘附。在实施方式中，TMD层包括MoTe2、WTe2、TiTe2、ZrTe2、HfTe2、VTe2、NbTe2、TaTe2、TcTe2、ReTe2、CoTe2、RhTe2、IrTe2、NiTe2、PdTe2、PtTe2或它们的任何修饰或组合，包括具有MX(2-x)或MX(2+x)的碲含量的修饰的化学计量，其中x在0-1.0的范围内。在实施方式中，故意改变碲化学计量以便提供空位缺陷、间隙缺陷和聚集缺陷，以便增加TMD层的表面能并增强生物分子与暴露的TMD区域的粘附。在实施方式中，TMD层包括MoxWyCoz)S2或(HfxWyCoz)Te2。在实施方式中，导电电极对包括Au、Pt、Ag、Pd、Rh或它们的合金中的至少一种。在实施方式中，纳米间隙的长度为约2nm至约20nm。在实施方式中，TMD层包括有缺陷的TMD层。在实施方式中，有缺陷的TMD层包括线性纳米带平行阵列、图案化形状纳米带阵列、应变晶格缺陷、空位、间隙缺陷、位错缺陷、外来原子注入缺陷或纳米多孔缺陷。在实施方式中，有缺陷的TMD层包括应变晶格缺陷、空位、间隙缺陷、位错缺陷或外来原子注入缺陷，其缺陷密度为至少约105/cm2。在实施方式中，有缺陷的TMD层包括具有至少2nm的当量直径的纳米多孔缺陷，其缺陷密度为至少103/cm2。在实施方式中，有缺陷的TMD层具有打开至至少0.2eV的值的带隙。
在另一方面，公开了一种制造测序装置的方法。该方法涉及在介电衬底上沉积和图案化导电电极对的阵列，每个电极对限定被纳米间隙分隔的源极和漏极布置；在每个电极对上沉积至少一个TMD层；以及在TMD层上纳米图案化介电掩模层。在实施方式中，该方法进一步涉及处理至少一个TMD层以获得有缺陷的TMD层。
附图说明
通过下面结合附图给出的详细描述，本公开的实施方式的特征和优点将变得更加明显。提供附图和相关描述是要说明本公开的实施方式，而不是要限制所要求保护的范围。
图1A-图1C示出了示例性的将要使用各种技术人工引入到过渡金属二硫属化物(TMD)片(比如MoS2或WS2)的缺陷，以提供增加的带隙或提供许多活性位点边缘位置以用于桥结构或生物分子(比如酶分子)的强粘附。TMD层可以是单层类型或几层类型。图1A示出了线性或锯齿形MoS2或WS2带阵列；图1B示出了除线性带区域之外的故意损坏的周围区域；并且图1C示出了周期性或随机缺陷；
图2A和图2B示出了示例性的使用电子束光刻(图2A)或纳米压印光刻(图2B)的TMD(比如MoS2或WS2)的纳米图案化工艺。在这些实施方式中，TMD层本身被物理地再成形为纳米图案，比如带或岛。可替换方法是通过使用电子束、离子束、离子注入、光束和其他辐射故意破坏晶体结构或晶格结构，来故意损坏如前面的图所示的所需材料区域之外的TMD区域；
图3A-图3D示出了制造示例性的包括尺寸限定的MoS2岛(一般TMD岛)的DNA或RNA传感器的分子桥的实施方式，其包括沉积和图案化导电电极对(源极和漏极)(图3A)，放置悬置的MoS2层(图3B)，添加保护性介电涂层(图3C)，优选允许单个分子酶(聚合酶)附接到MoS2上，并使每个核苷酸附接(如A、T、C、G、U等的核苷酸单体)的聚合酶反应能够改变分子桥的电学性质用于测序分析(图3D)；
图4示出了TMD桥(如MoS2或WS2桥)分子传感器的阵列的俯视图，其中TMD定位为悬置层或衬底粘附层。酶聚合酶分子仅显示在下两个电极对上。可以用组织成具有多达10,000个甚至至少100万个装置的系统的许多装置进行大规模平行电子测序分析；
图5A-图5D示出了用于示例性的包括尺寸限定的MoS2岛(一般TMD岛)的DNA或RNA传感器的分子桥的制造步骤的实施方式，其包括：沉积和图案化导电电极对(源极和漏极)(图5A)，放置悬置的MoS2层(图5B)，通过辐射或掺杂故意改变除了中心掩模区域之外的TMD以使其绝缘或具有高电阻性(图5C)，优选允许单个分子酶(聚合酶)附接到MoS2上，并使每个核苷酸附接(如A、T、C、G、U等的核苷酸单体)的聚合酶反应能够改变分子桥的电学性质用于测序分析(图5D)；
图6A-图6C示出了TMD(比如MoS2或WS2)桥放置为悬置TMD桥(图6A)和衬底粘附的TMD桥(图6B)的两种配置的示例性实施方式。在图6C中还显示了具有附接的聚合酶的TMD桥结构的俯视图。俯视图显示TMD上的单个分子酶(聚合酶)使每个核苷酸附接(如A、T、C、G、U等的核苷酸单体)的聚合酶反应能够改变分子桥的电学性质用于测序分析；
图7A和图7B示出了酶分子经由官能团与TMD桥接，基于悬置的TMD桥(图7A)和衬底粘附的TMD桥(图7B)得到两种固态分子传感器的示例性实施方式。优选利用有缺陷的或多孔的TMD层，其被掩模至尺寸限定的区域(例如，2-20nm)以使用图案化的介电涂层(例如，PMMA、PDMS或其他阻碍粘附的聚合物层或SiO2层)迫使单个分子附接。
图8A和图8B示出了TMD桥(如MoS2或WS2)的门控结构测序装置的实施方式，其中栅电极平行于源电极和漏电极(图8A)，或垂直于两个电极(源电极和漏电极)之间的纳米间隙(图8B)放置。栅电极的尖端也可以放置在纳米间隙的上方或下方；
图9示出了TMD桥分子传感器(如MoS2或WS2)的阵列的俯视图，其中TMD定位为悬置层或衬底粘附层。酶聚合酶分子仅显示在阵列的最低电极对上。可以用组织成具有多达10,000个甚至至少100万个装置的系统的许多装置进行大规模平行电子测序分析；
图10A-图10B示出了实现亲水的TMS桥表面结构的两种配置的示例性实施方式。图10A中详述的实施方式包括亲水TMS表面，对全部TMD表面或优选TMD层的暴露部分提供：(i)等离子体处理(例如，用含氧等离子体)将TMD层的疏水表面转化为亲水表面，通过MoS2型结构的不完善结晶(占TMD表面材料的至少10％，优选至少30％面积分数)，例如通过在较低温度下硫化/退火。图10B中详述的实施方式包括复合亲水-疏水配置，以便能够更容易地附接生物分子并且还允许其他局部共价或疏水-疏水键合。亲水岛或疏水岛的尺寸理想地为1-30nm，优选1-10nm，更优选1-5nm，面积分数为85-15比率(或15-85比率)，优选70-30比率(或30-70比率)。亲水部分可以通过使用掩模等离子体处理或有缺陷的TMD层(例如，不完全结晶)来制备；
图11示出了亲水性可控的TMD桥分子传感器(如MoS2或WS2)的横截面图，其中TMD定位为悬置层(或可替换地为衬底粘附层)，并且垂直电极施加电场以改变半导体性质(加宽带隙)，并且使TMD更加亲水以更容易适应流控室环境，并提高单个酶分子(比如DNA或RNA聚合酶)的粘附。这些DNA或基因组测序传感器的阵列可以制成大规模平行测序仪系统；
图12示出了用于基因组或DNA测序检测的使用具有纳米间隙TMD层的分子桥固态传感器的实施方式。当核苷酸或其他生物分子在分裂-TMD隧道结配置处附接或分离时，测量电流脉冲形状和强度或其他信号方面的变化；
图13A-图13F示出了示例性的使用二嵌段共聚物掩模的纳米图案化TMD桥的制造步骤。在图13A中，在金属箔上CVD生长、剥离或硫化活化的TMD层(如MoS2或WS2)，形成起始材料。在图13B中，在蚀刻掉金属之后，将TMD层转移到装置表面上，例如，使SiO2(或SiO2涂布的Si衬底)上的Au、Pd或Pt电极对具有纳米间隙，以将TMD层放置为悬置的桥。在图13C中，TMD被蒸发的SiO2薄层和旋涂嵌段共聚物PS-b-P4VP的薄膜覆盖。在图13D中，将PS-b-P4VP嵌段共聚物膜退火并显影成纳米级两相结构，留下多孔PS基质作为模板用于随后的图案化。在图13E中，使用基于氟化物的反应离子蚀刻(RIE)来渗透并图案化SiO2氧化物层，部分地降解PS膜，并且从薄的SiO2中形成硬掩模孔图案。在图13F中，在暴露的孔区域中的TMD层被O2等离子体蚀刻掉，然后去除SiO2。最后，获得SiO2上的纳米多孔TMD，然后通过介电掩模将其图案化为尺寸限定的岛TMD用于单个分子(例如酶)附接；
图13G-图13L示出了用于DNA测序的分子桥传感器的TMD层(如MoS2或WS2)的基于AAO膜的纳米图案化的实施方式。图13G描绘了剥离的CVD或硫化生长的MoS2；图13H描绘了MoS2在衬底上的放置；图13I描绘了制造的AAO纳米孔膜；图13J描绘了放置于MoS2表面上的AAO；图13K描绘了通过AAO孔RIE蚀刻MoS2，并且图13L描绘了在去除AAO掩模之后获得的衬底上纳米图案化的MoS2；
图13M是示例性的使用AAO膜图案化MoS2层以产生直径为80nm的孔阵列的图像。将图13G的漂浮AAO膜收集到MoS2层涂布的SiO2衬底的顶表面上，并以AAO作为掩模使用BCl3/Ar等离子体蚀刻在100W、4.5毫托下进行纳米图案化4分钟；
图14A-图14E示出了掩模层例如通过溅射或蒸发沉积在MoS2上的示例性演变。如图14A和14B所示，在沉积的早期阶段，掩模材料可以具有更有缺陷的结构。如在图14B中的经由不完全沉积的纳米针孔可以用作掩模，通过该掩模可以蚀刻MoS2以创建纳米针孔缺陷。如图14C和14D所示，随着膜在较长时间的沉积中变厚，针孔或缺陷逐渐变得不那么频繁。如图14E所示，在图14B中的不完全沉积的掩模材料用于在MoS2中形成纳米针孔缺陷。然后通过化学或等离子体蚀刻去除掩模材料；
图15A-图15D示出了示例性的用于分子桥DNA或RNA传感器的穿孔和有缺陷TMD(如MoS2或WS2)，以及制造传感器的方法。图15A描绘了介电衬底起始材料上的TMD层；图15B描绘了用1-20nm尺寸的金属纳米岛涂布TMD表面；图15C描绘了通过加热诱导扩散反应在TMD层中形成改变组成缺陷，或纳米孔(通过差别化学蚀刻或RIE蚀刻)；并且图15D描绘了添加电引线和尺寸限定的介电层(聚合物或陶瓷)以制备固态电子传感器用于单个酶分子附接和相关分析物附接和测序分析；
图16A-图16D示出了用于增强的分子桥DNA或RNA传感器的通过光束辐射的有缺陷的TMD(如MoS2或WS2)。图16A描绘了放置TMD层；图16B描绘了用离子注入束、等离子体反应离子蚀刻(RIE)气氛、加宽的光学、电子、离子或中子束辐射TMD；图16C描绘了诱导有缺陷的TMD(其中可选地添加辐射后退火)；并且图16D描绘了添加电引线和尺寸限定的介电掩模层(聚合物或陶瓷)以制备固态电子传感器用于单个酶分子和相关分析物附接和测序分析。TMD层(如MoS2或WS2)中的期望缺陷密度为至少105/cm2，优选至少为107/cm2；
图17A-图17D示出了化学诱导的有缺陷的TMD(如MoS2或WS2)(扰乱的晶格区域或纳米孔)。图17A描绘了TMD层；图17B描绘了TMD表面的化学蚀刻；图17C描绘了有缺陷的TMD(其中可选地添加蚀刻后退火)；并且图17D描绘了添加电引线和尺寸限定的介电层(聚合物或陶瓷)以制备固态分子电子传感器用于单个酶分子和相关分析物附接和测序分析；
图18A-图18D示出了由纳米间隙内或附近的形状改变介电插入物引起的形状改变的TMD层。这样的形状改变插入物用来提供额外缺陷用于增强的生物分子粘附，其可以作为机械支撑永久地留在TMD层下面，或者溶解掉；
图19示出了固态分子传感器装置的大规模平行阵列的实施方式，其包括许多含有TMD的酶聚合酶结构(例如，具有MoS2或WS2层)，用于DNA或基因组测序。提供了具有电线的相关布线的装置的面积分布；
图20示出了微流控室的实施方式，在磷酸盐缓冲盐水(PBS)或其他液体溶液中的酶或其他生物分子被供应到微流控室中。个体单个酶分子以高概率选择性地附接到大规模平行传感器阵列上的每个尺寸限定的暴露的TMD岛区域(例如，MoS2或WS2层)上。未粘附到TMD岛上的未使用的生物分子从流控室中洗掉。然后将待检测的分析物(比如核苷酸或蛋白质)供应到室中以附接到酶聚合酶上以诱导电信号脉冲用于测序分析；
图21示出了通过在阵列的一侧使用公共引线，对来自含有TMD的酶聚合酶分子传感器(例如，具有MoS2或WS2层)的电极的示例性序列询问，用于DNA或基因组测序；
图22A-图22B示出了示例性的分子电子基因组测序平台的三维阵列，其包括基于TMD的酶聚合酶结构，例如，具有MoS2或WS2层。除了具有用于核苷酸附接的酶聚合酶结构的暴露的TMD区域之外，涂覆电绝缘的顶部涂层(未示出)，比如聚合物或氧化物层(例如，Al2O3、SiO2等)。图22A描绘了将二维分子电子基因组测序装置阵列分别包装到单独的微流控系统中，其中每个微流控层堆叠成三维系统，图22B描绘了二维分子电子基因组测序装置阵列被堆叠成三维配置但被容纳在单个微流控系统中。对于大规模平行基因组测序分析，分子传感器的总数可以为至少1,000，并且可以多达100万或更多；和
图23示出了包括TMD(比如MoS2或WS2)和酶聚合酶传感器阵列的DNA或基因组测序系统、微流控结构、信号检测电子电路和相关装置、数据分析、存储或传输装置，以及用于控制、治愈或预防疾病的测序装置的应用的框图流程图。
应理解，附图是出于说明本文公开的实施方式的概念的目的而未按比例绘制。
具体实施方式
在一方面，公开了一种新的改进的测序设备、结构和方法，其使用提供可靠的DNA和基因组分析性能并且易于扩展制造的二维层结构半导体。
二维(2D)层材料，比如过渡金属二硫属化物(TMD)材料和装置凭借它们独特的电子、物理和化学性质而受到关注。一个示例为钼二硫属化物MoS2，其可以作为传感器装置并入。MoS2型2D材料可以是单层材料或若干层材料。2D层材料(比如MoS2)可以通过各种已知技术生产，例如，通过机械剥离分离非常薄的MoS2层、物理或化学气相沉积、分子束外延(MBE)型构造或硫化过渡金属层，比如Mo或W。
定义
如本文所用，“带隙”意为其中不存在电子的固体中的能量范围。
如本文所用，“纳米针孔缺陷”意为直径通常小于约10nm的通孔缺陷，其在薄膜的不完全沉积期间形成。纳米针孔缺陷可以存在于单原子层或多原子层中，并且可以配置为具有圆形、椭圆形或不规则形状的垂直孔或倾斜孔，
如本文所用，“核苷酸”意为如A、T、C、G的天然dNTP(即dATP、dTTP、dCTP和dGTP)，或者总体指如上所述的各种类型的修饰的dNTP。
如本文所用，“聚合酶”意为合成核酸的长链或聚合物的酶。例如，DNA聚合酶和RNA聚合酶可以分别使用碱基配对相互作用复制DNA或RNA模板链，其用于组装DNA和RNA分子。
如本文所用，“化学计量”意为化合物中元素的相对量。
如本文所用，“范德华力”意为分子或原子团之间的残余吸引力，其是共价或静电相互作用的结果。
用于传感器桥的TMD层和组合TMD材料
在一些实施方式中，TMD层作为传感器桥结构的一部分并入以连接酶型生物分子以吸引各种类型的核苷酸用于电子检测信号。
二维过渡金属二硫属化物(TMD)单层一般是MX2型原子级薄半导体，其中M是过渡金属原子(尤其包括Mo、W，或Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Tc、Re、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt)，并且X是硫属原子(比如S、Se或Te)。一层M原子夹在两层X原子之间。过渡金属和硫属化物元素都可以用其他元素部分地替换(或掺杂)。因此，并入到分子传感器桥构造中的二维TMD层可以具有各种修饰或改变的组成范围，其包括以下内容：
(i)MoS2、WS2，或TiS2、ZrS2、HfS2、VS2、NbS2、TaS2、TcS2、ReS2、CoS2、RhS2、IrS2、NiS2、PdS2、PtS2及它们的修饰或组合，包括具有MX(2-x)或MX(2+x)的硫含量的修饰的化学计量，其中x的期望值在0-1.0的范围内，优选在0-0.5的范围内，甚至更优选0-0.3的范围内。对于一些实施方式，故意改变硫化学计量以便提供空位缺陷、间隙缺陷和聚集缺陷，以便增加表面能并增强生物分子与桥传感器的粘附。这样的缺陷还可以增加带隙以获得更强的传感器信号；
(ii)MoSe2、WSe2，或TiSe2、ZrSe2、HfSe2、VSe2、NbSe2、TaSe2、TcSe2、ReSe2、CoSe2、RhSe2、IrSe2、NiSe2、PdSe2、PtSe2及它们的修饰或组合，包括具有MX(2-x)或MX(2+x)的硒含量的修饰的化学计量，其中x的期望值在0-1.0的范围内，优选在0-0.5的范围内，甚至更优选0-0.3的范围内。对于一些实施方式，故意改变硒化学计量以便提供空位缺陷、间隙缺陷和聚集缺陷，以便增加表面能并增强生物分子与桥传感器的粘附。这样的缺陷还可以增加带隙以获得更强的传感器信号；
(iii)MoTe2、WTe2，或TiTe2、ZrTe2、HfTe2、VTe2、NbTe2、TaTe2、TcTe2、ReTe2、CoTe2、RhTe2、IrTe2、NiTe2、PdTe2、PtTe2及它们的修饰或组合，包括具有MX(2-x)或MX(2+x)的碲含量的修饰的化学计量，其中x的期望值在0-1.0的范围内，优选在0-0.5的范围内，甚至更优选0-0.3的范围内。对于一些实施方式，故意改变碲化学计量以便提供空位缺陷、间隙缺陷和聚集缺陷，以便增加表面能并增强生物分子与桥传感器的粘附。这样的缺陷还可以增加带隙以获得更强的传感器信号；
(iv)混合TMD化合物，其中MX2化合物具有混合金属和/或混合硫属化物。例如Mo(SxSeyTez)2、W(SxSeyTez)2，或Ti(SxSeyTez)2、Zr(SxSeyTez)2、Hf(SxSeyTez)2、V(SxSeyTez)2、Nb(SxSeyTez)2、Ta(SxSeyTez)2、Tc(SxSeyTez)2、Re(SxSeyTez)2、Co(SxSeyTez)2、Rh(SxSeyTez)2、Ir(SxSeyTez)2、Ni(SxSeyTez)2、Pd(SxSeyTez)2、Pt(SxSeyTez)2其中(x+y+z)之和为1-3，优选0.5-1.5，甚至更优选0.7-1.3。可替换地，可以将两种或更多种金属组合用于含硫、含Se或含Te的TMD层，例如(MoxWyCoz)S2、(HfxWyCoz)Te2等；或者
(v)M(1-w)NyX(2-z)Yz结构，其中过渡金属M以w的浓度部分地被非过渡元素N取代，并且N元素选自Al、Si、Ga、Ge、In、Sn、Sb、Bi、Al、Na、K、Ca、Mg、Sr、Ba中的一种或多种，其中w值在0-0.3范围内，并且硫属化物元素X部分地被非硫属化物元素Y取代，其中Y元素选自Li、B、C、N、O、P、F、Cl、I中的一种或多种，其中z值在0-0.3的范围内。
由于上述(i)至(v)的TMD层中的故意诱导缺陷增强了生物分子粘附和传感器信号，因此通过使用这样的故意有缺陷的TMD层，提高了生物分子(比如酶聚合酶)与传感器桥的粘附，其中可靠且稳健的生物分子的概率和频率增加至少20％，优选至少50％，甚至更优选至少100％。
MoS2单层的典型厚度为这些以它们最简单的单层结构形式的TMD材料(例如MoS2、WS2、MoSe2、WSe2、MoTe2)，具有直接带隙，因此可以用作电子装置中的晶体管或传感器。单层TMD或几层TMD可以在结构上被修饰，以利用作为固态DNA或基因组传感器，而无需用光学能力标记。已经在纳米电子学、光电子学和能量收集中发现了作为超薄直接带隙半导体的过渡金属二硫属化物(比如单层MoS2)的一些有用的应用。然而，尝试或证明传感器应用具有特别是用于DNA或基因组测序目的的适当特性的并不多。
本文公开了无标记DNA或RNA测序装置结构，其利用具有酶聚合酶的基于TMD的框架，用于当个体核苷酸附接到核酸模板上时检测电子信号。在一些实施方式中，采用经处理的、有缺陷或纳米多孔的过渡金属二硫属化物(TMD)层材料的二维半导体，以便利用TMD层的改变的带隙和增强的单个生物分子的附接。在一些实施方式中，本文发明的基于有缺陷的TMD的测序系统可以组装成大规模平行配置，用于快速分析包括核苷酸的靶标，特别是用于DNA分子或构成整个基因组的这样的分子的集合的测序的应用。
装置
在一些实施方式中，提供了测序装置，其包括：(a)导电电极对的电极阵列，每对电极包括被纳米间隙分隔的源电极和漏电极，所述电极阵列沉积并图案化在介电衬底上；(b)在每对电极上设置的单层或几层厚的过渡金属二硫属化物(TMD)层，其连接每对中的每个源电极和漏电极，并桥接每对中的每个纳米间隙；(c)介电掩模层，其设置在TMD层上且包括限定暴露的TMD区域的尺寸限定的开口，每个开口的尺寸被设置为以便仅允许单个酶生物分子装配在其中并附接到由每个开口限定的暴露的TMD区域上；(d)附接到每个暴露的TMD区域的酶分子，使得在每个开口内仅发现一个酶分子；和(d)包围电极阵列的微流控系统，其中选自由核苷酸单体、蛋白质和DNA片段组成的组的生物分子一次一个地在酶分子上的附接或分离，可以被监测为可独特识别的电信号脉冲，以确定生物分子附接或分离的特定性质。
在一些实施方式中，介电衬底包括SiO2。在一些实施方式中，介电衬底包括Al2O3。
在一些实施方式中，TMD选自MoS2、WS2、TiS2、ZrS2、HfS2、VS2、NbS2、TaS2、TcS2、ReS2、CoS2、RhS2、IrS2、NiS2、PdS2、PtS2及它们的修饰或组合。在一些实施方式中，TMD是MoS2。在一些实施方式中，TMD是WS2。
在一些实施方式中，TMD选自MoS2、WS2、TiS2、ZrS2、HfS2、VS2、NbS2、TaS2、TcS2、ReS2、CoS2、RhS2、IrS2、NiS2、PdS2、PtS2及它们的修饰或组合，包括具有MX(2-x)或MX(2+x)的硫含量的修饰的化学计量，其中x的期望值在0-1.0的范围内，优选在0-0.5的范围内，甚至更优选0-0.3的范围内。在一些实施方式中，TMD选自MoS2、WS2、TiS2、ZrS2、HfS2、VS2、NbS2、TaS2、TcS2、ReS2、CoS2、RhS2、IrS2、NiS2、PdS2、PtS2及它们的修饰或组合，并且硫的化学计量没有修饰。
在一些实施方式中，TMD层包括缺陷。在一些实施方式中，缺陷是空位缺陷。在一些实施方式中，缺陷是间隙缺陷。在一些实施方式中，缺陷是纳米针孔。在一些实施方式中，缺陷是聚集缺陷，以便增加表面能并增强生物分子与桥传感器的粘附，增加带隙以获得更强的电信号脉冲。
在一些实施方式中，故意改变硫化学计量以便提供空位缺陷、间隙缺陷、纳米针孔缺陷和聚集缺陷，以便增加表面能并增强生物分子与桥传感器的粘附，增加带隙以获得更强的电信号脉冲。
在一些实施方式中，TMD选自MoSe2、WSe2，或TiSe2、ZrSe2、HfSe2、VSe2、NbSe2、TaSe2、TcSe2、ReSe2、CoSe2、RhSe2、IrSe2、NiSe2、PdSe2、PtSe2及它们的修饰或组合，包括具有MX(2-x)或MX(2+x)的硒含量的修饰的化学计量，其中x的期望值在0-1.0的范围内，优选在0-0.5的范围内，甚至更优选0-0.3的范围内。在一些实施方式中，TMD选自MoSe2、WSe2，或TiSe2、ZrSe2、HfSe2、VSe2、NbSe2、TaSe2、TcSe2、ReSe2、CoSe2、RhSe2、IrSe2、NiSe2、PdSe2、PtSe2及它们的修饰或组合并且硒的化学计量没有修饰。
在一些实施方式中，将缺陷人工引入TMD中。在一些实施方式中，引入缺陷以增加带隙。在一些实施方式中，引入缺陷以提供活性位点边缘位置，用于桥结构或生物分子(比如酶分子)的强粘附。
在一些实施方式中，TMD选自MoTe2、WTe2，或TiTe2、ZrTe2、HfTe2、VTe2、NbTe2、TaTe2、TcTe2、ReTe2、CoTe2、RhTe2、IrTe2、NiTe2、PdTe2、PtTe2及它们的修饰或组合。
在一些实施方式中，TMD选自MoTe2、WTe2，或TiTe2、ZrTe2、HfTe2、VTe2、NbTe2、TaTe2、TcTe2、ReTe2、CoTe2、RhTe2、IrTe2、NiTe2、PdTe2、PtTe2及它们的修饰或组合，包括具有MX(2-x)或MX(2+x)的碲含量的修饰的化学计量，其中x的期望值在0-1.0的范围内，优选在0-0.5的范围内，甚至更优选0-0.3的范围内。在一些实施方式中，TMD选自MoTe2、WTe2，或TiTe2、ZrTe2、HfTe2、VTe2、NbTe2、TaTe2、TcTe2、ReTe2、CoTe2、RhTe2、IrTe2、NiTe2、PdTe2、PtTe2及它们的修饰或组合，并且碲的化学计量没有修饰。
在一些实施方式中，故意改变碲化学计量以便提供空位缺陷、间隙缺陷和聚集缺陷，以便增加TMD层的表面能并增强生物分子与桥传感器的粘附以获得更强的传感器信号。
在一些实施方式中，TMD包括混合TMD，该混合TMD选自其中MX2化合物具有混合金属和/或混合硫属化物的TMD化合物，其选自由Mo(SxSeyTez)2、W(SxSeyTez)2、Ti(SxSeyTez)2、Zr(SxSeyTez)2、Hf(SxSeyTez)2、V(SxSeyTez)2、Nb(SxSeyTez)2、Ta(SxSeyTez)2、Tc(SxSeyTez)2、Re(SxSeyTez)2、Co(SxSeyTez)2、Rh(SxSeyTez)2、Ir(SxSeyTez)2、Ni(SxSeyTez)2、Pd(SxSeyTez)2和Pt(SxSeyTez)2组成的组，其中(x+y+z)之和为1-3，0.5-1.5或0.7-1.3。
在一些实施方式中，将两种或更多种金属组合用于含硫、含Se或含Te的TMD层。
在一些实施方式中，TMD层包括MoxWyCoz)S2或(HfxWyCoz)Te2。
在一些实施方式中，TMD包括M(1-w)NyX(2-z)Yz结构，其中过渡金属M以w的浓度部分地被非过渡元素N取代，并且N元素选自Al、Si、Ga、Ge、In、Sn、Sb、Bi、Al、Na、K、Ca、Mg、Sr、Ba中的一种或多种，其中w值在0-0.3的范围内，并且硫属化物元素X部分地被非硫属化物元素Y取代，其中Y元素选自Li、B、C、N、O、P、F、Cl、I中的一种或多种，其中z值在0-0.3的范围内。在一些实施方式中，w值大于0.3，例如，大于0.4，大于0.5，大于0.6，大于0.7，大于0.8，大于0.9或大于1.0。在一些实施方式中，z值大于0.3，例如，大于0.4，大于0.5，大于0.6，大于0.7，大于0.8，大于0.9或大于1.0。
在一些实施方式中，金属导电电极对选自Au、Pt、Ag、Pd、Rh或它们的合金。
在一些实施方式中，纳米间隙为2-20nm。在一些实施方式中，纳米间隙小于2nm，例如小于1.5nm，小于1.0nm，或小于0.5nm。在一些实施方式中，纳米间隙大于20nm，例如，大于25nm，大于30nm，大于35nm，大于40nm，大于45nm或大于50nm。
在一些实施方式中，尺寸限定的开口优选每个平均当量直径小于30nm，更优选当量直径小于20nm，甚至更优选当量直径小于约10nm，其通过光刻限定在意图用于仅附接单个分子的特定区域之外的聚合物或陶瓷的介电材料层的覆盖范围。在一些实施方式中，尺寸限定的开口大于30nm，例如，大于35nm，大于40nm，大于45nm，或大于50nm。
在一些实施方式中，尺寸限定的开口每个当量直径为30nm，或每个当量直径为20nm，或每个当量直径为10nm，并且其中：(i)TMD层包括具有绝缘体或非常高电阻率特性的故意损坏结构，其充当能够实现单个分子附接的掩模材料；(i)对于意图用于仅附接单个分子的特定区域之外的区域，电阻率为至少100欧姆-厘米，优选至少10,000欧姆-厘米，甚至更优选至少1兆欧姆-厘米；并且(ii)其中通过电子轰击、激光辐射轰击、离子轰击或离子注入掺杂进行故意损坏。
在一些实施方式中，尺寸限定的开口每个的当量直径小于10nm，并且其中：(i)TMD层包括具有绝缘体或非常高电阻率特性的故意损坏结构，其充当能够实现单个分子附接的掩模材料；(i)对于意图用于仅附接单个分子的特定区域之外的区域，电阻率为至少100欧姆-厘米，优选至少10,000欧姆-厘米，甚至更优选至少1兆欧姆-厘米；并且(ii)其中通过电子轰击、激光辐射轰击、离子轰击或离子注入掺杂进行故意损坏。
在一些实施方式中，尺寸限定的开口每个的当量直径大于30nm，并且其中：(i)TMD层包括具有绝缘体或非常高电阻率特性的故意损坏结构，其充当能够实现单个分子附接的掩模材料；(i)对于意图用于仅附接单个分子的特定区域之外的区域，电阻率为至少100欧姆-厘米，优选至少10,000欧姆-厘米，甚至更优选至少1兆欧姆-厘米；并且(ii)其中通过电子轰击、激光辐射轰击、离子轰击或离子注入掺杂进行故意损坏。
在一些实施方式中，本文公开的任何装置的意图用于仅附接单个分子的特定区域之外的区域的电阻率为大于1兆欧姆-厘米电阻率，例如，大于1.5兆欧姆-厘米电阻率，大于2.0兆欧姆-厘米电阻率，大于2.5兆欧姆-厘米电阻率，大于3.0兆欧姆-厘米电阻率，大于3.5兆欧姆-厘米电阻率，大于4.0兆欧姆-厘米电阻率，大于4.5兆欧姆-厘米电阻率，或大于5.0兆欧姆-厘米电阻率。
在一些实施方式中，TMD层是有缺陷的，其中缺陷选自线性纳米带平行阵列、图案化形状纳米带阵列、应变晶格缺陷、空位、间隙缺陷、位错缺陷、外来原子注入缺陷、纳米针孔缺陷或纳米多孔缺陷。
在一些实施方式中，尺寸限定的TMD层含有应变晶格缺陷、空位、间隙缺陷、位错缺陷或外来原子注入缺陷，其缺陷密度为至少105/cm2。在一些实施方式中，缺陷密度大于105/cm2，例如，大于106/cm2，大于107/cm2，大于108/cm2，大于109/cm2，或大于1010/cm2。
在一些实施方式中，TMD层中的缺陷是具有至少2nm的等效直径的纳米多孔缺陷或纳米针孔缺陷，其缺陷密度为至少103/cm2。在一些实施方式中，缺陷密度大于103/cm2，例如，大于104/cm2，大于105/cm2，大于106/cm2，大于107/cm2，或大于108/cm2。
在一些实施方式中，TMD层是有缺陷的，其中与没有缺陷的TMD相比，带隙额外打开至少0.2eV，优选至少0.5eV。在一些实施方式中，TMD层是有缺陷的，其中带隙额外打开大于0.5eV，例如，大于0.6eV，大于0.7eV，大于0.8eV，大于0.9eV，大于1.0eV，大于1.1eV，大于1.2eV，大于1.3eV，大于1.4eV，大于1.5eV，大于1.6eV，大于1.7eV，大于1.8eV，大于1.9eV，或大于2.0eV。
在一些实施方式中，TMD层表面显示出亲水特性；(i)其中亲水区域具有至多50度，优选至多30度，甚至更优选至多15度的水滴接触角；(ii)具有提高的生物分子附接频率，与在微流控室处理流体供应以提供生物分子、核苷酸和相关的生物或化学组分，以及洗涤或流体置换操作期间的全部疏水TMD表面相比，粘附性提高至少30％，优选至少50％，甚至更优选至少100％增加的粘附事件；并且(iii)亲水特性与包括应变晶格、空位、间隙、位错、纳米孔、外来原子掺杂的缺陷相关，其缺陷密度为至少103/cm2，优选至少约105/cm2。在一些实施方式中，亲水区域的水滴接触角小于15度，例如，小于14度，小于13度，小于12度，小于11度，小于10度，小于9度，小于8度，小于7度，小于6度，或小于5度。
在一些实施方式中，提高的生物分子附接频率的粘附性提高大于75％，例如，大于80％，大于85％，大于90％，大于95％，大于96％，大于97％。，大于98％，大于99％，大于99.9％，大于99.99％，大于99.999％，或大于99.9999％。在一些实施方式中，缺陷密度大于大于105/cm2，例如，大于106/cm2，大于107/cm2，大于108/cm2，大于109/cm2，或大于1010/cm2。
在实施方式中，TMD层表面由亲水区域和疏水区域的混合结构组成，并且(i)亲水区域具有至多50度，优选至多30度，甚至更优选至多15度的水滴接触角；(ii)亲水区域的面积分数为暴露的TMD表面的至少10％，优选至少30％，甚至更优选至少50％的面积分数以吸引单个生物分子；(iii)亲水区域呈圆形、椭圆形、矩形，或不规则岛，或条纹结构的形式；(iv)TMD表面具有缺陷，比如空位、间隙、位错或聚集缺陷、纳米孔、具有外来原子的化学掺杂区域或条纹孔，其中这样的缺陷的密度为至少103/cm2，优选至少105/cm2；(v)这样的复合亲水-疏水配置能够提高生物分子附接频率，与在微流控室处理流体供应以提供生物分子、核苷酸和相关的生物或化学组分，以及洗涤或流体置换操作期间的全部疏水TMD表面相比，粘附性提高至少30％，优选至少50％，甚至更优选至少100％增加的粘附事件；并且(vi)亲水岛或疏水岛的尺寸理想地为1-30nm，优选1-10nm，更优选1-5nm。
在一些实施方式中，水滴接触角小于15度，例如，小于14度，小于13度，小于12度，小于11度，小于10度，小于9度，小于8度，小于7度，小于6度，或小于5度。在一些实施方式中，亲水区域的面积分数为暴露的TMD表面的面积分数的大于50％，例如，大于55％，大于60％，大于65％，大于70％，大于75％，大于80％，大于85％，大于90％或大于95％。在一些实施方式中，缺陷密度大于105/cm2，例如，大于106/cm2，大于107/cm2，大于108/cm2，大于109/cm2，或大于1010/cm2。
在一些实施方式中，TMD层具有可调的亲水性，其中：(i)TMD层悬置在两个电极之间或固定在两个电极的顶部上而没有悬置的结构配置；(ii)TMD桥表面被限定尺寸用于附接单个生物分子；(iii)疏水至亲水表面状态的按需切换通过以下实现：位于传感器桥结构下方和上方的至少一对垂直电极的装置配置，以便施加至少10V/nm，优选至少30V/nm的电场，来改变半导体性质并使带隙加宽至少5％，优选至少10％，并且使TMD更加亲水，其中水滴接触角减小至少5度，优选至少20度，以更容易适应微流控室环境并提高单个酶分子(比如DNA或RNA聚合酶)的粘附概率(增加至少30％)；(iv)施加的电场是直流电场或交流电场；(v)亲水性提高能够被逆转以恢复到疏水状态，以能够释放先前使用的生物分子并避免不必要的生物分子附接；并且(vi)可选地具有至少1,000，优选多达10,000或甚至更优选至少100万个装置，其中一个或多个选定的电极配对装置同时地或在一系列操作中可调成亲水或疏水的。
在一些实施方式中，电场大于30V/nm，例如，大于35V/nm，大于40V/nm，大于45V/nm，或大于50V/nm。在一些实施方式中，带隙加宽大于10％，例如，大于15％，大于20％，大于25％，大于30％，大于35％，大于40％，大于45％，或大于50％。
在一些实施方式中，待附接到TMD上的生物分子是酶聚合酶分子。在一些实施方式中，聚合酶分子是RNA聚合酶。在一些实施方式中，聚合酶分子是DNA聚合酶。
在一些实施方式中，待附接到TMD上的生物分子选自DNA、RNA、蛋白质、核酶、适体或多糖的各种其他生物聚合物。
在一些实施方式中，二维成形的TMD层局部地转换成三维成形的TMD，以便为稳健且可靠的TMD定位提供机械支撑，在TMD中的具有移位或应变晶格的弯曲或扭结位置处具有额外缺陷，以产生较高能态的位置用于增强的酶生物分子的粘附，其中形状改变的TMD具有以下结构特性：(i)引入新的缺陷模式和形状不连续以获得较高能态局部区域；(ii)由选自聚合物材料或陶瓷材料的介电材料构成的形状改变插入结构；(iii)该形状改变插入结构具有超出金属导体电极顶表面水平的均匀或非均匀突出结构，以便使TMD层非平面几何形状选择为弯折、弯曲、圆顶形、不规则形状、带扣或局部穿刺形状的配置，并引入位错；(iv)已经具有缺陷结构的形状改变的TMD层包括应变晶格、空位、间隙、位错、纳米孔、化学掺杂区域的晶格缺陷，其缺陷密度为至少103/cm2；(v)改变的形状选自半球形、矩形、椭圆形、波浪形或其他周期性或不规则的几何形状；和/或形状改变插入物永久地留在TMD层下面，以充当有益的机械支撑，以防止在测序装置系统的微流控处理期间TMD层的机械分离或损坏以及施加到在纳米间隙区域上悬置或几乎不结合的TMD层的相关偶然力，或者被蚀刻掉以留下机械顺应的突出TMD层。
在一些实施方式中，TMD层与介电衬底接触而没有纳米间隙，其中金属电极对从TMD岛的两端延伸为电引线。
在一些实施方式中，酶聚合酶分子与TMD表面的连接经由选自以下列表的官能团或官能团对：链霉亲和素-生物素对、抗原-抗体相互作用、使用巯基碳酸[HS-(CH2)n-COOH,n＝1–15]的双功能配体、肽官能团、硫醇-炔烃对、COOH-NH2官能团对、硫醇-马来酰亚胺叠氮化物对、使用巯基硅烷化合物的硅烷化键和NHS(N-羟基琥珀酰亚胺)酯-胺对。
在一些实施方式中，与酶聚合酶分子连接的dNTP核苷酸是经修饰的核苷酸类型，以增强并入信号，或产生具有不同碱基(A、C、G、T)并入事件之间增强差异的信号，以更准确地确定模板序列，其中这样的dNTP修饰包括以下修饰：(i)碱基，比如7-脱氮形式、8-溴形式；(ii)α-磷酸基和β-磷酸基，比如这些磷酸基的硫醇化形式或溴化形式；(iii)γ-磷酸基修饰物，包括磷酸基的添加，比如四磷酸基、五磷酸基或六磷酸基形式；或者(iv)添加到末端磷酸基的基团。
在一些实施方式中，电极布置包括三极管配置，其中栅电极平行于每个所述源电极和漏电极或垂直于电极阵列中的每个源电极和漏电极之间的每个纳米间隙放置。
在一些实施方式中，将电极、TMD层、掩模电介质和酶分子排列成阵列配置，以便允许使用组织成具有至少1,000个，优选至少100万个装置的系统的装置进行大规模平行电子测序分析。在一些实施方式中，系统具有大于100万个装置，例如，大于200万个装置，大于300万个装置，大于400万个装置，大于500万个装置，大于600万个装置，大于700万个装置，大于800万个装置，大于900万个装置，或大于1000万个装置。
在一些实施方式中，通过在阵列的一侧使用公共引线，使含有TMD的酶聚合酶分子传感器中的电极阵列的序列询问能够用于DNA或基因组测序。
在一些实施方式中，使用堆叠的微流控室或用于堆叠层装置的公共微流控室，将电极、TMD层、掩模电介质和酶分子布置成分子电子基因组测序平台的三维阵列，以便允许使用组织成具有至少1,000个，优选至少100万个装置的系统的装置进行大规模平行电子测序分析。
方法
在一些实施方式中，提供了制造基于TMD的DNA或基因组测序装置的方法，所述方法包括：(a)提供金属导电电极对的阵列，其中在介电衬底上沉积并图案化源极和漏极布置；(b)通过使用液体容器提升放置方法，通过使用真空转移方法，或通过使用印模转移方法将单层或几层TMD沉积到电极阵列上；(c)纳米图案化放置在TMD表面上的介电掩模层，其具有尺寸限定的开口，以便仅允许单个酶生物分子附接到暴露的TMD表面上用于测序分析；(d)将测序装置放置于微流控系统中并提供含有变性核苷酸分子或修饰的核苷酸和化学试剂的流体；以及(e)对个体核苷酸单体或修饰的核苷酸组分一次一个地附接到酶聚合酶分子上的事件进行电子测量和计算机分析，以获得电脉冲信号来确定所附接的核苷酸的特定性质。
在一些实施方式中，TMD层通过以下形成缺陷：纳米图案化成线性纳米带平行阵列或图案化形状纳米带阵列，或者引入应变晶格、空位、间隙、位错、化学掺杂或离子注入掺杂区域的扰乱的晶格缺陷，或者提供纳米多孔缺陷。
在一些实施方式中，TMD层中的缺陷通过选自离子注入束、等离子体反应离子蚀刻(RIE)气氛、加宽的光学、电子、离子或中子束的束辐射引入，以便引入至少105/cm2的缺陷密度。
在一些实施方式中，经辐射的结构在100℃-600℃下进行辐射后退火。在一些实施方式中，经辐射的结构在低于100℃的温度下进行辐射后退火。在一些实施方式中，经辐射的结构在大于600℃下进行辐射后退火。
在一些实施方式中，通过使用氧化化学品、强酸、强碱溶液的化学蚀刻引入TMD晶格缺陷或纳米孔或纳米针孔，以便引入至少约105/cm2的缺陷密度。在一些实施方式中，缺陷密度大于105/cm2，例如，大于106/cm2，大于107/cm2，大于108/cm2，大于109/cm2，或大于1010/cm2。
在一些实施方式中，通过使用嵌段共聚物模板的孔生成引入具有纳米多孔缺陷的TMD，以便引入至少105/cm2的缺陷密度。在一些实施方式中，缺陷密度大于105/cm2，例如，大于106/cm2，大于107/cm2，大于108/cm2，大于109/cm2，或大于1010/cm2。
在一些实施方式中，通过使用阳极氧化铝模板的孔生成引入具有纳米多孔缺陷的TMD，以便引入至少105/cm2的缺陷密度。在一些实施方式中，缺陷密度大于105/cm2，例如，大于106/cm2，大于107/cm2，大于108/cm2，大于109/cm2，或大于1010/cm2。
在一些实施方式中，通过使用纳米压印图案化引入具有纳米多孔缺陷的TMD，以便引入至少105/cm2的缺陷密度。在一些实施方式中，缺陷密度大于105/cm2，例如，大于106/cm2，大于107/cm2，大于108/cm2，大于109/cm2，或大于1010/cm2。
在一些实施方式中，通过使用喷涂沉积在TMD上的金属纳米颗粒引入具有纳米多孔缺陷的TMD，允许扩散反应和差别化学蚀刻。
在一些实施方式中，通过使用不完全的薄膜掩模沉积来引入具有纳米针孔缺陷的TMD，以便制备具有纳米级针孔的掩模，可以使用化学、等离子体或离子束蚀刻方法通过该纳米级针孔蚀刻下面的TMD层以创建纳米针孔缺陷。然后通过化学或等离子体蚀刻去除掩模材料以暴露具有至少105/cm2的纳米针孔缺陷的TMD层。在一些实施方式中，缺陷密度大于105/cm2，例如，大于106/cm2，大于107/cm2，大于108/cm2，大于109/cm2，或大于1010/cm2。
在一些实施方式中，使用选自由(i)电子束辐射、(ii)离子束辐射、(iii)光学或激光束辐射、(iv)粒子束辐射和(v)外来种类原子的离子注入组成的组的处理方法，故意损坏意图用于附接单个生物分子的特定区域之外的TMD层材料，其中TMD材料的晶体结构受到影响并且表现得像绝缘体或具有至少100欧姆-厘米，优选至少10,000欧姆-厘米，甚至更优选至少1兆欧姆-厘米电阻率的非常高电阻率的材料。
在一些实施方式中，使TMD层材料表现出通过使用以下一种或多种处理技术获得的亲水状态：(i)通过使用含氧等离子体或含有氮、氯、氟或混合元素的其他类型的等离子体的等离子体处理，或者(ii)通过使用在MoS2结构(或一般TMD结构)中具有比如应变晶格、空位、间隙、位错纳米孔或聚集缺陷的缺陷的不完善结晶，例如通过在从预沉积的金属层硫化合成TMD层期间在较低的温度下硫化退火(或硒或碲扩散退火工艺)，其中工艺温度选择为比用于获得高质量结晶(其中超过90％的材料具有结晶良好的TMD层材料)的温度低至少50℃，优选低至少200℃，或者(iii)通过使用在MoS2结构(或一般TMD结构)中具有比如应变晶格、空位、间隙、位错纳米孔或聚集缺陷的缺陷的不完全结晶工艺，例如，通过在从预沉积的金属层硫化合成TMD层期间在较短时间内硫化退火(或硒或碲扩散退火工艺)，其中工艺时间选择为比用于获得高质量结晶(其中超过90％的材料具有结晶良好的TMD层材料)所需的退火时间短至少3倍，优选10倍，或者(iv)通过使用物理沉积、化学沉积、电化学沉积或离子注入来沉积厚度小于10nm的薄亲水表面层，比如过渡金属，比如Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn或这些元素的陶瓷岛，比如TiO2、NiO、Fe2O3。
在一些实施方式中，使TMD层材料表现出通过使用以下一种或多种处理技术获得的组合亲水和亲水混合相状态：(i)通过使用含氧等离子体或含有氮、氯、氟或混合元素的其他类型的等离子体的等离子体处理，或者(ii)通过使用在MoS2结构(或一般TMD结构)中具有比如空位、间隙、位错纳米孔或聚集缺陷的缺陷的不完善结晶(其中至少10％，优选至少30％面积分数的TMD表面材料具有不完善晶格构造)，例如，通过在从预沉积的金属层硫化合成TMD层期间在较低温度下和较短时间内硫化退火(或硒或碲扩散退火工艺)，其中工艺温度选择为比用于获得高质量结晶(其中超过90％的材料具有结晶良好的TMD层材料)的温度低至少50℃，优选低至少200℃，或者(iii)通过使用在MoS2结构(或一般TMD结构)中具有比如空位、间隙、位错纳米孔或聚集缺陷的缺陷的不完全结晶工艺(其中至少10％，优选至少30％面积分数的TMD表面材料具有不完善晶格构造)，例如，通过在从预沉积的金属层硫化合成TMD层期间在较短时间内硫化退火(或硒或碲扩散退火工艺)，其中工艺时间选择为比用于获得高质量结晶(其中超过90％的材料具有结晶良好的TMD层材料)所需的退火时间短至少3倍，优选10倍，或者(iv)通过使用物理沉积、化学沉积、电化学沉积或离子注入部分沉积亲水岛，比如过渡金属(比如Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn)的金属岛，或这些元素的陶瓷岛，比如TiO2、NiO、Fe2O3，其中面积分数为5％-50％，优选至少10％，更优选至少30％。在一些实施方式中，面积分数大于50％。在一些实施方式中，面积分数小于10％。
在一些实施方式中，通过使用以下处理方法产生可调亲水性的TMD层材料：(i)向垂直布置的两个电极(TMD层上方一个下方一个)施加直流或交流电场，(ii)其中施加的电场为至少10V/nm，优选至少30V/nm以改变半导体性质，(iii)其中带隙加宽至少5％，优选至少10％，并且(iv)随着水滴的接触角减小至少5度，优选至少20度，TMD变得更亲水，以更容易地适应流控室环境和提高单个酶分子(比如DNA或RNA聚合酶)的粘附。
在一些实施方式中，提供了本文描述的任何装置的维护测序装置的方法，其中当装置不使用时，将其抽空并用惰性气体回填，以便最小化不需要的分子的偶然粘附或吸附。
在一些实施方式中，使用本文描述的任何DNA或RNA测序装置和系统可以进行全基因组测序。在一些实施方式中，使用本文描述的任何DNA或RNA测序装置和系统可以进行部分基因组测序。
在一些实施方式中，使用本文公开的任何DNA或RNA测序装置和系统可以诊断疾病。在一些实施方式中，使用本文描述的任何DNA或RNA测序装置和系统可以诊断疾病比如癌症。
在一些实施方式中，本文描述的任何基因组序列系统可以是台式单元、便携式单元或可穿戴单元。
用于增强生物分子附接和提高传感器信号的人工引入的缺陷和配置
参考附图，图1A-图1C示意性地示出了可以使用各种技术人工引入TMD片(比如MoS2或WS2)的缺陷的示例，以提供增加的带隙，和/或提供许多活性位点边缘位置以用于桥结构或生物分子(比如酶分子)的强粘附。TMD层可以是单层类型或几层类型。TMD可以是如图1A中示出的线性或锯齿形MoS2或WS2的窄带10，或者如图1B中示出的可以具有除了线性带区域之外的故意地损坏的周围区域12，或者如图1C中示出的可以含有多个周期性或随机缺陷14。
参考图1A，通过纳米图案化去除材料可以获得具有带之间的纳米间隙的线性或锯齿形MoS2或WS2带阵列(单层或几层)。窄带的边缘为生物分子(比如酶分子(例如DNA或RNA聚合酶))提供了有利的粘附位点。边缘缺陷的存在也可以增加带隙，用于更通用的半导体特性。在一些实施方式中，带宽度尺寸在1-500nm的范围内。在一些实施方式中，带宽度尺寸在3-30nm的范围内。在一些实施方式中，带之间的间隙间隔在2-20nm的范围内。
参考图1B，可以通过电子束辐射、离子束辐射或离子注入或其他光学或粒子辐射引入在线性或锯齿形MoS2或WS2带阵列区域之外的故意损坏的、绝缘的或高电阻率的周围区域。在一些实施方式中，图1B中的嵌入带的期望宽度在1-500nm的范围内。在一些实施方式中，嵌入的带的期望宽度范围在3-30nm的范围内。在一些实施方式中，带之间的间隙间隔在2-20nm的范围内。
参考图1C，一般地示出了各种其他类型的故意诱导的缺陷(除了图1A-图1B的带型或区域型缺陷之外)。它们可以是周期性或随机晶格缺陷(空位型或间隙型，1-20nm尺寸量级)、人工引入的大于晶格的缺陷(周期性或随机的岛，例如，2-200nm尺寸)，其具有圆形、方形、矩形或不规则形状的缺陷[例如，通过光刻图案化引入(例如，电子束光刻、纳米压印光刻、模板掩模诱导的去除，比如使用预先图案化的二嵌段共聚物膜、阳极氧化铝膜，然后是等离子体(或RIE)蚀刻去除MoS2或WS2型TMD材料]。这些缺陷也可以通过经由电子束辐射、离子束辐射、离子注入或其他光学或粒子辐射故意损坏一些选定区域而作为潜在缺陷引入。
过渡金属二硫属化物层的纳米图案化过程
图2A和图2B中显示的是使用电子束光刻(图2A)和纳米压印光刻(图2B)的TMD材料(比如MoS2或WS2)的纳米图案化过程的示例。在这些实施方式中，TMD层本身被物理地再成形为纳米图案，比如带或岛。
图2A示出了使用负性抗蚀剂或正性抗蚀剂对MoS2 300层电子束图案化的过程。MoS2 300层(或一般地TNS层)通过旋涂或薄膜沉积涂布有抗蚀剂材料302(例如，公知的正性光致抗蚀剂层，比如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，或负性光致抗蚀剂层，比如HSQ(氢倍半硅氧烷)或SU-8)。然后将光致抗蚀剂暴露于UV光辐射(或者对于一般的光刻，离子束、中子束或X射线束辐射)，并且通过抗蚀剂层的UV-反应的与UV未反应的局部区域的差别显影和化学或其他去除过程形成图案。通过使用负性抗蚀剂而不是正性抗蚀剂获得抗蚀剂层中一般较高的分辨率的纳米图案。抗蚀剂层短时间暴露于UV、离子束，中子束或X射线束辐射(例如，短于几秒)，随后在较冷温度下发展(例如，在-10℃或低于-10℃)一般产生较高的分辨率，例如，10nm以下，并且理想的是5nm以下的分辨率。可以利用直射单光束或多光束干涉图案来曝光抗蚀剂层。纳米图案化可以在周期性、非周期性或不定期的配置中进行。
如图2A所示，一旦获得抗蚀剂图案，通过化学蚀刻或反应离子蚀刻(RIE)通过抗蚀剂层掩模中的纳米孔蚀刻下面的MoS2层，以选择性地去除MoS2材料，以便产生纳米图案化的MoS2。然后将剩余的抗蚀剂化学蚀刻掉以提供清洁的纳米图案化的MoS2。图2B示出了使用模具首先压印抗蚀剂层的MoS2层的纳米压印图案化的过程。可替换方法是通过使用电子束、离子束、离子注入、光束和其他辐射故意破坏晶体结构或晶格结构，来故意损坏如上面讨论的所需材料区域之外的TMD区域。在纳米压印处理中，例如通过UV、离子束、中子束或X射线束辐射首先制备预制的纳米尺寸模具400(或纳米印模)。然后优选地通过将抗蚀剂层预热至其中聚合物抗蚀剂变得柔软以便于机械压印的接近玻璃化转变温度，利用纳米印模以机械地压印到抗蚀剂层402中。然后使压印图案化的抗蚀剂经受反应离子蚀刻(RIE)，直到底部衬底(在这种情况下为MoS2层)暴露于化学或RIE蚀刻以图案化和蚀刻MoS2层。然后化学蚀刻掉残留的抗蚀剂层。
使用尺寸限定的暴露TMD层的分子桥传感器构造，用于仅单个生物分子附接到传 感器桥上
参考附图，图3A-图3D表示创建示例性的包括尺寸限定的MoS2岛(一般TMD岛)的DNA或RNA传感器的分子桥的制造步骤。图3A示出了导电电极对34(源电极和漏电极对)的沉积和图案化。如图所示，在介电衬底37(比如SiO2或Al2O3)上沉积并图案化导电电极对35(Au、Pt、Ag、Pd、Rh或它们的合金，用于信号检测)，每对由被“纳米间隙(例如，2-20nm)”隔开的源电极和漏电极组成。然后，如图3B所示，MoS2层36(或一般TMD过渡金属二硫属化物层)悬置在纳米间隙上以物理连接每对电极内的源电极和漏电极。该TMD层可以具有规则或窄带配置，或者可以故意地使其有缺陷。如果需要，可以通过纳米压印或电子束光刻对TMD层进行纳米图案化。图3C示出了在MoS2层上添加保护性介电涂层38的步骤。介电涂层是保护性和尺寸限定的，并且可以是比如PMMA的聚合物，或者如SiO2的陶瓷层。介电层38将MoS2层的尺寸限定为测量为约2-20nm的暴露区域，使得单个生物分子可以装配在限定范围内并且与暴露的MoS2层结合(例如，聚合酶附接)。最后，图3D示出了优选地仅允许单个酶分子31(例如DNA或RNA聚合酶)附接到MoS2 36的每个暴露的尺寸限定的区域上并且在其上结合，以使在聚合酶反应33中每个核苷酸35附接(核苷酸单体如A、T、C、G、U等)改变分子桥的电学性质以用于测序分析。如图3D中所示，MoS2岛上的分子桥固态传感器用于经由检测核苷酸35或其他生物分子与单个酶分子31附接或分离时电流脉冲或其他信号的变化来对基因组或DNA测序。
更具体地，在介电衬底(如SiO2、Al2O3或表面上涂布有相对较厚的SiO2、Al2O3绝缘层的Si衬底)的表面上沉积并图案化导电电极对(例如，由比如Au、Pt，Ag、Pd、Rh或它们的合金的高导电和耐腐蚀性金属制成)，(图3A)。在充当源极和漏极的两个金属引线之间提供例如2-20nm的纳米间隙。如图3B所示，在电极间隙上添加悬置的TMD，如MoS2层(常规的MoS2或优选地故意使其有缺陷的MoS2结构)。一个示例的技术是使TMD层漂浮在水或醇的表面上，并且将衬底(具有预先图案化的金属电极对)从水或醇的下面提升以收集TMD层，然后是干燥程序。
如图3C所示，然后用保护性介电涂层(例如，如PMMA的聚合物层或如SiO2的陶瓷层)涂布TMD片并将其图案化，以将TMD的暴露面积限定为纳米量级的岛几何形状(例如，3-30nm平均尺寸)。尺寸限定优选仅允许单个分子酶31(例如聚合酶)附接到TMD层上(图3D)，防止多分子附接和信号混淆，并使每个酶分子(如DNA或RNA聚合酶)与附接到聚合酶上的核苷酸35(核苷酸单体如A、T、C、G、U等)反应以可检测地改变分子桥的电学特性以用于测序分析。尺寸限定的暴露的TMD层的期望尺寸为优选平均当量直径小于30nm，更优选当量直径小于20nm，甚至更优选当量直径小于10nm，其通过光刻限定在意图用于仅附接单个分子的特定区域之外的聚合物或陶瓷的介电材料层的覆盖范围。尺寸限定区域可以具有圆形、椭圆形、方形或矩形或不规则形状，其中等效直径在本文中定义为对应的等面积尺寸的圆的计算直径。
如本文描述且具体说明的，聚合酶是合成核酸的长链或聚合物的酶。例如，DNA聚合酶和RNA聚合酶可以分别使用碱基配对相互作用复制用于组装DNA和RNA分子的DNA或RNA模板链。当特定类型的核苷酸或其他生物分子附接到酶聚合酶生物分子时，产生独特的脉冲电流信号，其提供关于哪种类型的核苷酸被附接或分离的信息。部分测序操作包括核苷酸附接以形成与酶聚合酶相关的双链DNA。
除了各种酶分子之外，待附接在TMD上的生物分子还包括各种其他聚合物、DNA、RNA、蛋白质、核酶、适体或多糖。除了基因组测序之外，这些有缺陷的TMD结构的其他单个分子官能化可以提供用于其他应用的传感器。例如，可以附接除了聚合酶之外的酶，创建针对该酶的活性的传感器。这个可以用于检测酶底物的存在，并且还可以用于表征酶的精确动力学，应用于酶进化、选择和优化。如果单个分子结合探针附接到有缺陷的TMD，比如单链DNA或RNA寡核苷酸杂交探针，或针对抗原的抗体，或参与蛋白质相互作用结合的蛋白质，则这个可以用于感知结合事件，因此充当针对结合靶标存在的传感器。
用于增强的桥分子的测序应用的修饰的dNTP
对于DNA或基因组测序应用，桥分子可以与聚合酶缀合(该聚合酶与引物单链模板DNA结合(具体如图3D中的元件33所示))，并提供以含有核苷酸、用于并入的dNTP(三磷酸脱氧核苷酸)的缓冲液。当并入dNTP以合成模板DNA的互补链时，监测通过桥分子的电流。在优选的实施方式中，使用天然dNTP如A、T、C、G(dATP、dTTP、dCTP和dGTP)。
在另一个实施方式中，这些中的任何一个或全部可以被相应的修饰的dNTP替换，该修饰的dNTP具有各种分子修饰，其可以增强并入信号，或产生具有不同碱基(A、C、G、T)并入事件之间的增强差异的信号，以用于更准确地确定模板序列。这样的dNTP修饰可以包括：碱基的修饰，比如7-脱氮形式、8-溴形式，或者α-磷酸基和β-磷酸基的修饰，比如这些磷酸基的硫醇化形式或溴化形式，或者γ-磷酸基修饰，包括添加磷酸基，比如四磷酸基、五磷酸基或六磷酸基形式。
另外，修饰可以包括添加到末端磷酸基的基团，并且已知聚合酶对添加到末端磷酸基的许多不同基团具有高度耐受性，因此为这些目的提供了一大类修饰的dNTP。使用这样的修饰的dNTP来增强信号不需要对模板DNA进行任何标记，也不需要任何其他标记的使用；而是，修饰的分子形式修饰复合物的导电性，从而直接增强所得到的电子检测信号。遍及本公开内容，每当使用表达“核苷酸”时，它指的是天然dNTP，如A、T、C、G(即dATP、dTTP、dCTP和dGTP)，或者总体指如上所述的各种类型的修饰的dNTP。
尺寸限定的TMD传感器桥的阵列结构
图4中显示的是TMD桥(如MoS2或WS2桥)分子传感器的阵列的俯视图，其中TMD定位为悬置层或衬底粘附层。图4示出了包括MoS2或WS2层桥49的分子桥传感器的各个单元。暴露的岛区域被图案化的限定的介电涂层掩模48(例如，PMMA、PDMS、其他阻碍粘附的聚合物层或SiO2等)围绕，以防止/最小化生物分子附接。分子桥传感器包括导电电极和引线44。酶聚合酶40分子仅显示在下两个电极对上。尺寸限定的(圆形、椭圆形、矩形、方形或其他形状)且局部暴露的TMD(如MoS2或WS2)46显示在上两个电极对上。可以用组织成具有多达10,000个或甚至至少100万个装置的系统的许多装置来进行大规模平行电子测序分析。尺寸限定的(圆形、椭圆形、矩形、方形、不规则形状或其他形状)且局部选择性暴露的TMD(如MoS2或WS2)(优选有缺陷的或多孔的)。可以通过将漂浮的TMD层片提升到覆盖许多对电极的装置表面上来放置大的TMD片，然后掩模图案化。暴露的岛区域被图案限定的介电涂层掩模(例如，PMMA、PDMS、其他阻碍粘附的聚合物层或SiO2等)围绕，以防止/最小化生物分子附接。
图5A-图5D示出了可用于创建示例性的包括尺寸限定的MoS2岛(一般TMD岛)的DNA或RNA传感器的分子桥的制造步骤的各种实施方式。首先，如图5A所示，在衬底上沉积并图案化导电电极对54(源极和漏极)，其中每个源电极和漏电极被纳米间隙间隔开。导电电极对可以包括Au、Pt、Ag、Pd、Rh或它们的合金，用于信号检测，并且纳米间隙可以在约2-20nm的范围内。如图5B所示，具有规则结构的或有缺陷的MoS2的悬置的MoS2层56A(或一般过渡金属二硫属化物层)被放置于电极对上，跨越纳米间隙悬置。然后，如图5C所示，TND层56A(如MoS2或WS2)的外部区域被故意损坏以将该层转换为损坏层56B。这可以通过以下实现：例如，用离子注入掺杂或通过用电子或其他辐射轰击，将该层的选择区域转换为绝缘体或非常高的电阻率区域，以便充当有效掩模以实现单个生物分子(例如，聚合酶)附接。
图5D中的示意图描述了单个分子酶51(聚合酶)附接到MoS2岛56A上的MoS2分子桥固态传感器上，用于在双链核酸53的测序期间，经由核苷酸55(核苷酸单体如A、T、C、G、U等)或其他生物分子的附接或分离时检测电流脉冲或其他信号的变化进行基因组或DNA测序。
悬置配置与衬底粘附的TMD桥结构用于测序
在图6A-图6C中呈现的是TMD(如MoS2或WS2)桥放置的两种配置的示例性实施方式。图6A中的示意图示出了悬置的TMD桥66A，而图6B中的示意图显示了衬底粘附的TMD桥66B。包括纳米间隙67的导电电极对64位于介电衬底62上(图6A)。将单个酶分子61(例如，DNA或RNA聚合酶)附接到悬置的TMD桥66A上(图6A)。在附接到双链DNA链63时检测核苷酸单体65(A、T、C、G、U等)(图6A)。导电电极对位于介电衬底上(图6B)。将单个酶分子61(例如，DNA或RNA聚合酶)附接到衬底粘附的TMD桥66B上(图6B)。在附接到双链DNA链上时检测核苷酸单体65(A、T、C、G、U等)(图6B)。通过电子束或优选纳米压印光刻和等离子体蚀刻来图案化MoS2层(优选有缺陷的或多孔的)片，然后通过电介质(例如，PMMA或粘附阻碍聚合物层)掩模以防止生物分子附接。具有附接的聚合酶的TMD桥结构的俯视图显示在图6C中。俯视图显示，TMD上的单个分子酶(聚合酶)使每个核苷酸附接(核苷酸单体如A、T、C、G、U等)的聚合酶反应能够改变分子桥的电学性质用于测序分析。图案化MoS2片67(优选有缺陷的或多孔的)。用于单个分子附接(例如，2-20nm宽度)的局部暴露的MoS2区域69(圆形、方形或其他形状)(优选作为有缺陷的或多孔的片)的尺寸限定，可以例如通过纳米压印光刻与相关的离子等离子体蚀刻来实现。该方法优选于电子束光刻，以便最小化TMD层的电子束损伤。
使用官能化用于生物分子结合
有缺陷的TMD还允许与生物分子容易而牢固地结合，因为TMD边缘和缺陷为原子键合和化学键合提供了许多活性位点。虽然生物分子(比如酶聚合酶分子)的直接粘附对于较简单的结构化和较小的界面电阻更为理想，但是本文的实施方式不排除使用官能性桥接以确保生物分子更牢固地附接到TMD上。除了酶聚合酶生物分子直接结合到TMD表面上之外，这样的结合可以可替换地使用官能化配体实现。
酶分子与TMD的连接可以经由官能团或配体。图7A和图7B示出了基于酶附接到悬置的TMD桥(图7A)和酶附接到衬底粘附的TMD桥(图7B)的固态分子传感器的两个示例性实施方式。传感器可以用于经由当附接或分离核苷酸或其他生物分子时电流或其他信号的改变的基因组或DNA或RNA测序检测。图7A示出了分子桥固态传感器70，其用于经由当附接或分离个体核苷酸单体或其他生物分子时电流或其他信号的改变的基因组或DNA或RNA测序检测。图7B示出了分子桥传感器72的实施方式，其中TMD层经由范德华力固定到介电衬底上，并且介电涂层设置在其上方。在一些实施方式中，使用有缺陷的或纳米多孔的TMD层(比如MoS2或WS2)，该TMD层比如通过使用图案化的介电涂层(例如，PMMA、PDMS或其他阻碍粘附的聚合物层或SiO2层)被掩模为限定尺寸的区域(例如，每个2-20nm)，以强制每个限定尺寸的区域仅单个分子附接。酶分子74(例如，DNA或RNA聚合酶与悬置的TMD桥(比如MoS2或WS2)76连接(图7A)。可替换地，酶分子74(例如，DNA或RNA聚合酶)与衬底粘附的TMD桥78连接(图7B)。可选地用于将酶分子与TMD连接的官能化配对基团71包括：例如，链霉亲和素-生物素对、抗原-抗体相互作用、使用巯基碳酸[HS-(CH2)n-COOH、n＝1-15]的双功能配体、肽官能团、抗体-抗原对、硫醇-炔烃对、COOH-NH2官能团对、硫醇-马来酰亚胺叠氮化物对、使用巯基硅烷化合物的硅烷化键和NHS(N-羟基琥珀酰亚胺)酯-胺对。当核苷酸单体73(A、T、C、G、U等)被添加到DNA链时检测它们。导电电极和引线75(Au、Pt、Ag、Pd、Rh或它们的合金等)用于信号检测。传感器包括介电衬底79(SiO2、Al2O3等)和纳米间隙77。
图8A和图8B示出了可用于测序检测的含有TMD的分子桥传感器的实施方式，其进一步包括作为栅电极工作的第三电极。TMD桥测序装置的门控结构可以包括平行于源电极和漏电极80(图8A)或垂直于两个(源电极和漏电极)电极之间的纳米间隙间隔81(图8B)定位的栅电极的设置。在图8A中，栅电极82以平行几何形状面向装置结，用于三极管型传感器操作。在图8B中，栅电极83以垂直方式面向装置结，用于三极管型传感器操作。TMD或MoS2或WS2(有缺陷的或多孔的TMD)片被电介质围绕物84掩模，以防止生物分子附接。电介质掩模除了选定的限定区域之外的TMD。导电电极(源极和漏极)含有纳米间隙(例如，2-50nm)。栅电极的尖端也可以放置在纳米间隙的上方或下方。在所示的任一实施方式中，TMD桥可以包括MoS2或WS2。
故意损坏的周围TMD区域
图9示出了TMD桥分子传感器(如MoS2或WS2)的阵列的俯视图，其中TMD层定位为悬置层或衬底粘附层。酶聚合酶分子90仅显示在最下面的包括MoS2层桥的分子桥传感器99上。图9包括含有MoS2层桥的分子桥传感器99的单元。每个分子传感器包括导电电极和引线91。如图9所示，可以通过用离子注入掺杂或通过用电子或其他辐射轰击来处理故意损坏的周围TMD区域98(比如MoS2或WS2)，以转换成绝缘体或非常高电阻率区域，以便用作有效掩模。未损坏的MoS2(优选有缺陷的或多孔的)的圆形或矩形或其他形状的区域96具有被具有绝缘特性或非常高的电阻率的损坏的MoS2围绕的暴露的岛区域92。本文公开的实施方式的范围不排除可选地添加介电掩模材料(例如，PMMA、PDMS、其他阻碍粘附的聚合物层，或SiO2和其他氧化物或氮化物介电层)。多个导电电极和引线91(例如，Au、Pt、Ag、Pd、Rh或它们的合金等)的阵列可用于信号检测。可以用组织成具有多达1,000个或甚至至少100万个装置的系统的许多装置进行大规模平行电子测序分析。可以利用故意损坏的周围TMD区域98(比如用MoS2或WS2构建)，其例如用比如通过用离子注入掺杂或通过用电子束、离子束或其他光学辐射或粒子辐射轰击的处理)，转换为绝缘体或非常高的电阻率区域，以便用作有效的掩模。对于意图用于仅附接单个分子的特定区域之外的区域，使高电阻率区域具有至少100欧姆-厘米电阻率的电阻率值，优选至少0.1兆欧姆-厘米电阻率。可以构建未损坏的MoS2(优选有缺陷的或多孔的)的圆形或矩形几何中心区域，其中暴露的岛区域被具有绝缘体或非常高电阻率特性的损坏的MoS2围绕。虽然在围绕核心未损坏或损坏较少的TMD区域的这样故意严重损坏的TMD掩模中可能不需要介电聚合物或绝缘二氧化硅掩模，从而提供降低的电信号干扰概率和降低的生物分子附接的可能性，但是不排除可选地添加介电掩模材料(例如PMMA、PDMS、其他阻碍粘附的聚合物层或SiO2和其他氧化物或氮化物介电层)，因为这些额外的介电掩模将有助于防止生物分子附接。
亲水-疏水复合结构桥表面
表面润湿性是在水环境中(比如在用于无标记基因组测序系统的微流控装置中)处理生物分子和相关组分(包括DNA、RNA、核苷酸、酶、聚合酶等)的重要方面。高质量且干净的TMD层一般是疏水的。在一些实施方式中，TMD层的表面至少部分地转化为亲水或超亲水表面。亲水表面在此任意地定义为水滴接触角为至多50度，优选至多30度，甚至更优选至多15度的表面。
如图10A-图10B所示，可以例如，通过使用利用含氧等离子体(或含有氮、氯、氟或混合元素的其他类型的等离子体)的等离子体处理，或者使用MoS2型结构(例如通过在低温下硫化/退火)(或一般TMD结构)的不完善结晶(至少10％，优选至少30％面积分数的TMD表面材料具有不完善晶格构造，具有比如空位、间隙、位错或聚集缺陷的缺陷)，使包括电极对206的TMD分子桥结构具有完全亲水表面200(图10A)或部分亲水表面202(图10B)以增强生物分子附接。TMD片204(例如，优选有缺陷的或多孔的，如MoS2或WS2)片，被电介质(例如，PMMA或粘附阻碍聚合物层)掩模，以防止生物分子附接。
不完善结晶的示例是在较低温度下和较短时间内故意进行较不完全的硫化退火(或硒或碲扩散退火工艺)。将硫、硒或碲扩散合金化到过渡金属(比如Mo、W、Zr、Hf、Co、Ni)的沉积金属层中之后的退火温度选择为比温度低至少50℃，优选至少200℃，使得可以获得与较高温度退火以获得高质量结晶(其中超过90％的材料具有结晶良好的TMD层材料)的情况相比具有缺陷的较不完全结晶的结构。
可替换地，可以应用在MoS2结构(或一般TMD结构)中具有比如空位、间隙、位错纳米孔或聚集缺陷的缺陷的不完全结晶工艺(其中至少10％，优选至少30％面积分数的TMD表面材料具有不完善晶格构造)，例如，通过在从预沉积的金属层硫化合成TMD层期间在较短时间内硫化退火(或硒或碲扩散退火工艺)，其中工艺时间选择为比用于获得高质量结晶(其中超过90％的材料具有结晶良好的TMD层材料)所需的退火时间短至少3倍，优选10倍。
在图10A和图10B中呈现了实现亲水性的TMS桥表面结构的两种配置的示例性实施方式。图10A的结构表示完全亲水的桥表面200。亲水区域被图案化或合成为较不完善的晶体(例如，～3-20um宽)。另一个实施方式是引入如图10B中描述的复合(即亲水和疏水)混合表面配置，图10B示出了亲水岛和疏水区域的复合配置混合基体区域202。这样的复合亲水-疏水配置使生物分子能够更容易附接，并且还允许利用其他局部共价或疏水-疏水结合。亲水岛或疏水岛的尺寸理想地为1-30nm，优选1-10nm，更优选1-5nm，其中面积分数为85-15比率(或15-85比率)，优选70-30比率(或30-70比率)，甚至更优选50-50比率。亲水部分可以通过以下制备：使用掩模等离子体处理(例如，暴露于氧等离子体)，或采用有缺陷的TMD层(例如，不完全结晶)，或使用物理沉积、化学沉积、电化学沉积或离子注入(其中面积分数为5-100％，优选10-50％)的亲水岛(比如过渡金属(如Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn)的金属纳米岛或这些元素的陶瓷纳米岛(比如TiO2、NiO、Fe2O3)(其中面积分数为5-50％，优选至少10％，更优选至少30％))的部分沉积。
这样的复合亲水-疏水配置能够提高生物分子附接频率，与在微流控室处理流体供应以提供生物分子、核苷酸和相关的生物或化学组分，以及洗涤或流体置换操作期间的全部疏水TMD表面相比，粘附性提高至少30％，优选至少50％，甚至更优选至少100％增加的粘附事件。亲水岛或疏水岛的尺寸理想地为1-30nm，优选1-10nm，更优选1-5nm。在图10A和图10B的任一实施方式中，TMD(例如，优选有缺陷的或多孔的，如MoS2或WS2)片被电介质204(例如，PMMA或粘附阻碍聚合物层)掩模，以防止生物分子附接。导电电极和引线206(Au、Pt、Ag、Pd、Rh或它们的合金等)用于信号检测。尺寸限定的局部暴露的TMD区域(圆形、方形或其他形状)允许单个分子附接(例如，2-20nm)。
使用可调电场来改变亲水/疏水和带隙性质
图11中显示的是基于TMD层(如MoS2或WS2)的亲水性可控的TMD桥分子传感器的横截面图，其中TMD定位为悬置层(或衬底粘附层)。悬置的TMD桥通过范德华力附接并固定到衬底上和使用介电掩模涂层的尺寸限定的桥。分子桥固态传感器经由当一系列核苷酸或其他生物分子与酶聚合酶附接或分离时电流或其他信号特性的变化来进行基因组或DNA测序检测。
在一些实施方式中，垂直电极定位于如图11中的传感器桥结构的下方和上方，来施加电场以改变半导体性质(以加宽带隙)并使TMD更加亲水，以更容易适应流控室环境并提高单个酶分子(比如DNA或RNA聚合酶)的粘附。要施加的垂直电场的期望强度为至少10V/nm，优选至少30V/nm，以便将TMD层从疏水转变为亲水以增强生物分子附接，然后去除电场以恢复到疏水表面以避免不必要的生物分子的附接。
图11示出了分子桥固态传感器114的另外的实施方式，其可以用于经由当核苷酸或其他生物分子与聚合酶附接或分离时电流或其他信号的变化进行基因组或DNA测序检测。如图11中所示，通过范德华力附接/固定的悬置的TMD桥110和介电掩模涂层。将单个酶生物分子112附接到尺寸限定的TMD桥110上。施加垂直电场111(>10V/nm，优选>30V/nm)以将TMD层从疏水转变为亲水以用于生物分子112附接。然后去除电场，使得表面转变回疏水表面，以避免不必要的生物分子的附接，或根据需要更容易地去除先前附接的生物分子。在生物分子(例如DNA或RNA聚合酶)附接后，当单体附接到DNA链后电信号发生变化时检测到核苷酸单体113(A、T、C、G、U等)的添加。
这样的可调电场还起到另一个重要作用，即，根据需要经由亲水/疏水改变更容易地去除先前附接的生物分子，使得新的新鲜生物分子(比如单个酶聚合酶分子，如DNA或RNA聚合酶)现在可以附接到尺寸限定的TMD桥位置上，以便无限期地继续基因组测序，而无需更换桥或传感器组件。直流电场或交流电场的应用可以用于增强生物分子的附接或分离。
这些DNA或基因组测序传感器的阵列可以制成大规模平行测序仪系统，具有多达10,000个甚至至少100万个装置。
用于隧道结配置的分裂的具有纳米间隙的TMD和可良好粘附的衬底图12中显示的是用于基因组或DNA测序检测的使用具有纳米间隙的TMD的分子桥固态传感器120。如图12所示，使用了分裂的具有纳米间隙的TMD岛区域(如MoS2或WS2)121和可良好粘附的衬底，用于隧道结。TMD岛被分成两个区域，在两个TMD区域之间具有2-20nm的纳米间隙122。当核苷酸123或其他生物分子与隧道结配置中的MoS2型TMD纳米间隙122中的酶生物分子125(例如，DNA或RNA聚合酶)附接时，在分裂-TMD隧道结处产生独特的脉冲电流信号，其提供有关所附接的核苷酸是什么类型的信息。导电电极对和引线124(Au、Pt、Ag、Pd、Rh或它们的合金等)用于信号检测。图12的图显示了用于基因组或DNA测序检测的使用具有纳米间隙的TMD的分子桥固态传感器的侧视图。当核苷酸或其他生物分子在分裂-TMD隧道结配置处附接或分离时，测量电流脉冲形状和强度或其他信号方面的变化。
基于嵌段共聚物膜的TMD结构的改变以获得故意缺陷
可以使用纳米模板处理TMD层以诱导非常高密度的纳米孔类型缺陷，这可以增加带隙以及增强生物分子(例如，DNA或RNA聚合酶的酶分子)在TMD表面上的粘附以获得稳健和可靠的测序。图13A-图13F中显示的是使用二嵌段共聚物掩模来产生纳米图案化TMD桥的示例性制造程序。可以通过各种已知方法生长TMD层130，比如CVD合成、剥离或硫化活化薄的沉积金属层表面。图13A的图显示在金属箔上得到的TMD层(如MoS2或WS2)，形成起始材料。TMD(如MoS2或WS2)层的合成可以通过剥离、CVD或硫化金属膜而发生。在蚀刻掉金属之后(图13B)，在水或溶剂132中的漂浮的TMD层131通过提升转移到装置表面上，例如，在SiO2(或涂有SiO2的Si衬底)上的具有纳米间隙的Au、Pd或Pt电极对133，来将TMD层定位为悬置桥。
如图13C所示，然后MoS2层131和衬底层133上方的装置顶部上的TMD表面被一薄层蒸发SiO2 134和提升沉积或转移沉积的旋涂嵌段共聚物(例如，PS-b-P4VP共聚物135)的薄膜覆盖。将PS-b-P4VP型嵌段共聚物膜退火，并使用RIE去除其中一个相。这导致纳米级两相结构，留下多孔PS基质136作为模板用于随后的图案化(如图13D所示)，在其上进行基于氟化物的反应离子蚀刻(RIE)以去除MoS2层。如图13E所示，SiO2氧化物层被穿透并图案化，部分地降解PS膜，并从薄SiO2 137中形成硬掩模孔图案。暴露的孔区域中的TMD层被穿透二氧化硅掩模层中的孔阵列的O2等离子体蚀刻掉，之后通过蚀刻去除SiO2掩模。如图13F所示，最后，获得在SiO2衬底上的纳米多孔TMD138，然后其通过介电掩模被图案化成尺寸限定的岛TMD，以仅允许单个分子附接(例如，酶聚合酶生物分子)用于核苷酸附接分析。
将TMD层放置在衬底上的可替换方法是利用转移方法(而不是使用溶液中的漂浮TMD膜的提升方法)，例如，使用温和的真空装置或印模来拾取TMD片，然后将其释放在衬底表面上的期望位置上，在拾取装置和TMD层之间的界面处可选地使用释放剂材料。
各种类型的二嵌段共聚物或三嵌段共聚物可以分解成不同类型和尺寸的两相结构，并且嵌段共聚物掩模的图案化方法可以在TMD上理想地产生～2-50nm尺寸缺陷，优选2-10nm尺寸缺陷，以获得带隙开口和增强的生物分子粘附。通过嵌段共聚物模板方法在TMD上人工引入的纳米孔的期望密度为至少105/cm2，优选至少107/cm2，甚至更优选至少1010/cm2。
基于AAO膜的TMD结构改变以获得故意缺陷
除了二嵌段共聚物之外的其他模板也可以用于纳米多孔TMD合成，例如，AAO(阳极氧化铝)膜。图13G-图13L显示的是针对可用于DNA测序的分子桥传感器的基于AAO膜的TMD的纳米图案化。通过CVD、剥离合成的或者通过将S、Se、Te扩散合成到薄金属表面上而制成的TMD层140(图13G)，通过提升过程被放置在衬底141上(图13H中所示)。在放置AAO膜之前将TMD层放置在衬底上的可替换方法是利用转移方法(而不是使用溶液中的漂浮TMD膜的提升方法)，例如，使用温和的真空装置或印模来拾取TMD片，然后将其释放在衬底表面上的期望位置上，在拾取装置和TMD层之间的界面处可选地使用释放剂材料。
将制造的AAO纳米孔膜142(图13I)放置在TMD(MoS2)涂布的衬底表面143上(图13J)，之后是通过AAO阵列孔144对TMD进行RIE蚀刻(图13K)，以及去除AAO模板以获得纳米多孔TMD层以显露纳米图案化的MoS2层145(图13L)。通过AAO模板方法在TMD上人工引入的纳米孔的期望密度为至少105/cm2，优选至少107/cm2，甚至更优选至少1010/cm2。图13M是示例性的使用AAO膜图案化MoS2层以产生直径为80nm的孔阵列的图像。将图13G的漂浮AAO膜收集到MoS2层涂布的SiO2衬底的顶表面上，并以AAO作为掩模使用BCl3/Ar等离子体蚀刻在100W、4.5毫托下进行纳米图案化4分钟。
图13G显示了通过在金属箔上剥离、CVD或硫化的TMD合成(如MoS2或WS2)。在蚀刻掉金属之后，MoS2层漂浮在水或溶剂146中(图13H)。漂浮的MoS2 147层通过将其提升转移到SiO2(或SiO2涂布的Si衬底)上的装置表面上，以将TMD层定位为悬置的桥(图13H)。合成AAO纳米孔膜142(例如，通过Al箔的阳极氧化)并且溶解掉Al基质(图13I)。将AAO膜漂浮在溶剂或水148中，并且将MoS2涂布的衬底143提升以拾取AAO膜149(图13J)。添加一层干燥的AAO涂层并进行RIE以穿透AAO掩模孔144(图13K)。去除AAO以产生纳米图案化的TMD(如MoS2或WS2)，145(图13L)。以AAO用作掩模使用BCl3/Ar等离子体蚀刻在100W、4.5毫托下进行纳米图案化4分钟。
通过纳米孔生成(比如经由例如图13A-图13M中所描述的过程)获得的有缺陷的TMD层可以另外地并且可选地在蚀刻后退火(例如，在100°-600℃下退火10分钟至24小时)以用于带隙变化和更容易的生物分子附接。
产生纳米多孔TMD的又一个实施方式是利用纳米压印图案化(参见，例如：图2A-图2B)，以便引入至少105/cm2的缺陷密度。可以通过电子束光刻产生比如具有10nm量级的纳米岛、纳米孔或纳米线的主纳米压印模具(例如印模)。然后可以使用已知的图案转移技术产生许多子印模，以允许许多装置的纳米图案化。
掩模层沉积在石墨烯上的演变
在沉积的早期阶段，掩模材料可能具有更多如图14A或14B的缺陷结构。如图14C和14D所示，随着较长时间的沉积(例如，通过溅射或蒸发)而膜变厚，针孔或缺陷逐渐变得不那么频繁。图14A显示了石墨烯162在支撑体164(测序结构基底或用于石墨烯悬置的分裂衬底)上。原子160被溅射在石墨烯162的表面上。进行等离子体蚀刻166以创建具有纳米缺陷的石墨烯168(图14E)。
通过与金属纳米颗粒的扩散反应而有缺陷的或纳米多孔的TMD层
理想地，有缺陷的TMD或纳米多孔TMD也可以通过TMD材料与金属纳米颗粒的热诱导反应来制备。图15A-图15D中显示的是示例性的用于DNA、RNA或基因组测序的分子桥传感器的有缺陷的或穿孔的TMD(如MoS2或WS2)。如图15A所示。例如，通过早期阶段的例如Cu、Zn、In、Sn、Al的岛型薄膜沉积(通过溅射或蒸发)，将TMD层150的表面涂布金属纳米颗粒(具有1-20nm尺寸的NP)，随后可选地退火以将金属球化成纳米颗粒151(纳米岛)(如图15B所示)，其在进一步退火时将通过扩散反应形成组成上改变的岛阵列152，以在TMD层中形成改变组成缺陷或纳米孔(通过差别化学蚀刻或RIE蚀刻)(如图15C所示)。改变的TMD纳米区域通过与1-20nm尺寸的纳米颗粒反应而变得有缺陷(例如，具有金属纳米岛的局部TMD扩散组成变化)。如果需要，这些纳米岛也可以被差别化学蚀刻或RIE蚀刻掉，以用于在TMD层中创建纳米孔，这可以允许更容易的生物分子附接和额外的带隙开口。然后添加电引线153和尺寸限定的介电层154(聚合物或陶瓷)(如图15D所示)，以制备用于单个酶分子附接和相关分析物附接和测序分析的固态电子传感器。电引线153(Au、Pt、Pd、合金)在核苷酸单体155(A、T、C、G、U等)附接到DNA链上时检测核苷酸单体(如图15D所示)。将单个酶分子156(例如，DNA或RNA聚合酶)附接到尺寸限定的TMD桥上(如图15D所示)。
图15A-图15D还示出了包括穿孔的和/或有缺陷的TMD(如MoS2或WS2)的分子桥DNA或RNA传感器的制造方法。图15A示出了沉积在介电衬底157上的TMD层150，其可通过上述任何方法获得。
图15B示出了用1-20nm尺寸的金属纳米岛151涂布TMD表面。如所提及的，该步骤可以包括早期岛状薄膜沉积，可选地随后退火以将金属球化成纳米岛。图15C展示了通过加热诱导扩散反应以在TMD层中形成改变组成缺陷或纳米孔(比如通过差别化学蚀刻或RIE蚀刻)。图15D显示了添加电引线153和尺寸限定的介电层154(例如聚合物或陶瓷)。然后设置每个尺寸限定的区域以接受单个酶分子附接到暴露的TMD。由此得到的最终传感器是用于分析物附接和测序分析的固态电子传感器。
在TMD上人工引入的纳米孔的期望密度为至少105/cm2，优选至少107/cm2，甚至更优选至少1010/cm2。在这样的纳米多孔TMD上，可以添加电引线和尺寸限定的介电层(聚合物或陶瓷)以制备用于单个酶分子和相关分析物附接和测序分析的固态电子传感器。TMD上的单个分子酶(聚合酶)使得每个核苷酸附接(核苷酸单体如A、T、C、G、U或修饰的核苷酸)的聚合酶反应能够独特地改变分子桥的电学性质用于DNA、RNA或基因组测序分析。
不使用相分解、多孔掩模、纳米颗粒和其他方法，也可以通过束辐射来获得有缺陷的TMD用于增强的分子桥DNA或RNA传感器。如图16A-图16D所示，设置在电极系统上的TMD层可以通过离子注入束、等离子体反应离子蚀刻(RIE)气氛、加宽的光学、电子、粒子或中子束辐射。通过辐射(可选地添加辐射后退火)获得的有缺陷的TMD层可以与电引线和尺寸限定的介电掩模层(聚合物或陶瓷)组合以制备用于单个酶分子和相关分析物附接和测序分析的固态电子传感器。通过辐射产生的TMD中的缺陷的期望密度为至少105/cm2，优选至少107/cm2，甚至更优选至少1010/cm2。当TMD上的单个分子酶(聚合酶)使得每个核苷酸附接(核苷酸单体如A、T、C、G、U或修饰的核苷酸)的聚合酶反应独特地改变分子桥传感器的电学性质时，能够实现DNA、RNA或基因组测序分析。
如在图16A-图16D中例示的，通过光束辐射获得的这样的有缺陷的TMD层可以另外进行蚀刻后退火(例如，在100-600℃下退火10分钟至24小时，用于应力消除处理或原子重排)，以用于带隙变化和更容易的生物分子附接。
图16A-图16D中所示的方法开始于在介电衬底161(SiO2、Al2O3等)上放置TMD层160(如图16A所示)。图16B示出了用离子注入束(例如，具有N、C、F、O、H、Ar、Ni、Ti、Mn、Fe、Cu、Al和其他种类)、等离子体反应离子蚀刻(RIE)气氛、加宽的光学、激光束、电子、离子或散焦的中子束162宽束辐射TMD。用离子注入的宽束辐射可以包括N、C、F、O、H、Ar、Ni、Ti、Mn、Fe、Cu或Al中的任何一种，或者其他种类，并且宽束可以包括等离子体RIE散焦中子束、激光束和/或电子束。在图16C中，通过辐射产生有缺陷的TMD 163。可以可选地使用辐射后退火来诱导点缺陷、间隙或聚集的纳米颗粒或纳米孔缺陷，以用于带隙变化和更容易的生物分子附接。在图16D中，电引线164(Au、Pt、Pd、合金)与用于单个分子附接的尺寸限定的介电掩模层165(聚合物或陶瓷)一起添加，创建用于检测和分析分析物附接和测序的固态电子传感器。核酸单体166(A、T、C、G、U等)在附接到DNA链时被电引线检测。单个酶分子167(例如，DNA或RNA聚合酶)附接到尺寸限定的MoS2桥上。TMD层(如MoS2和WS2)中的缺陷的密度为至少105/cm2，优选至少107/cm2。
通过使用各种化学反应也可以创建纳米级或晶格级缺陷。图17A-图17D示出了用于制造化学诱导的有缺陷的TMD层(如MoS2或WS2)(具有扰乱的晶格区域或纳米孔)的方法的实施方式。如图17A-图17D所示，TMD层170(如图17A所示)在电化学蚀刻浴172中在TMD表面上化学蚀刻(如图17B所示)，这创建了有缺陷的TMD 171(可选地添加蚀刻后退火)(如图17C所示)。电引线173和尺寸限定的介电层174(聚合物或陶瓷)用于制备用于单个酶分子和相关分析物附接和测序分析的固态分子电子传感器(图17D)。TMD层170在测序固态传感器衬底175(介电衬底(SiO2、Al2O3等))上(图17A)并且浸没在化学蚀刻或电化学蚀刻浴172中(图17B)。化学蚀刻中的步骤可以包括氧化反应蚀刻，其中(i)酸性溶液包括浓H2SO4、HNO3、KClO3或它们的混合物，优选是热的，(ii)碱性溶液如热KOH或NaOH，或(iii)使用Au-Ag合金的脱合金的和纳米多孔的层作为掩模来蚀刻TMD表面。化学蚀刻创建有缺陷的TMD层171(图17C)。可以对化学改性的TMD可选地进行辐射后退火(例如，100-600℃，退火10分钟至24小时)，以优化缺陷结构，以用于增强的带隙变化和更容易的生物分子附接。然后添加电引线173和尺寸限定的介电层174(聚合物或陶瓷)(图17D)以制备用于单个酶分子和相关分析物附接(例如，核苷酸单体(A、T、C、G、U或修饰的核苷酸)和测序分析的固态电子传感器。
化学蚀刻可以例如以氧化反应蚀刻进行，其中i)酸性溶液包括浓H2SO4、HNO3、KClO3或它们的混合物，优选使用热溶液，或ii)碱性溶液如热KOH或NaOH，或(iii)通过使用例如Au-Ag合金膜的脱合金的和纳米多孔的层(2-20nm厚度，溅射或蒸发沉积)作为掩模来蚀刻TMD。
通过化学蚀刻(比如例如通过图17A-图17D所示的方法)获得的有缺陷的TMD，可以可选地和另外地进行蚀刻后退火(例如，在100-600℃下退火10分钟至24小时)，以用于应力消除退火、带隙变化和更容易的生物分子附接。
用于通过2D配置的TMD的形状改变测序的三维形状TMD层
虽然在上文中所采用的TMD层通常主要被描述为平面层，但是本文的实施方式还包含非平面的三维(3D)形状的TMD层作为另一个可能的实施方式。图18A-图18D中显示了将2D层改变为3D配置以便引入新的缺陷模式和形状不连续以获得较高能态局部区域的示例。图18A-图18D示出了由纳米间隙中或附近的介电插入物引起的形状改变的TMD层。这样的插入物用来提供额外缺陷以用于增强的生物分子粘附。插入物可以永久地留在TMD层下面作为机械支撑，或者可以溶解掉。在图18A中，根据需要通过纳米压印(优选)或电子束光刻纳米图案化具有规则或窄带配置的悬置的MoS2或WS2层1808(或一般TMD过渡金属二硫属化物层)(或通过处理故意使其有缺陷的TMD层)。导电电极对1804选自图案化的稳定金属(比如Au、Pt、Ag、Pd、Rh或它们的合金)的膜，用于信号检测，其中每对之间的纳米间隙通常在例如2-20nm的范围内(图18A)。
通过在纳米间隙1810中插入形状改变介电插入物1807来产生形状改变的TMD层1806B，以提供额外缺陷用于增强的生物分子粘附。如1806B、1086C和1086D中描绘的，形状改变插入物导致形状改变的TMD层。可以通过物理或化学或溶液沉积以及经由光刻或间隙填充和固化的背蚀刻、沉积和图案化来添加形状改变插入物。这样的形状改变插入物可以包括选自以下的介电材料：聚合物材料，比如PMMA((聚)甲基丙烯酸甲酯)、HSQ(氢倍半硅氧烷)，或陶瓷材料如SiO2、Al2O3、MgO和其他介电材料。成形的插入物可以留在TMD层下面用于机械加强，比如图18B，或者如果需要，可选地将其去除，如图18C或图18D中所示。可以例如，通过物理或化学或溶液沉积以及可选的经由光刻或间隙填充和固化的背蚀刻、沉积和图案化，在两个电极之间的纳米间隙处制备和沉积期望的形状改变插入结构。如果需要，形状改变插入结构也可以沉积或放置在不仅纳米间隙中，还有电极的顶表面上，例如，TMD层可以沉积在尺寸限定的2-20nm的直径的Au、Pt、Ag、Pd、Rh或它们的合金的金属岛的顶部上，该金属岛有时用于将单个聚合酶分子附接到电极对上。
形状改变的TMD层(比如MoS2、WS2)可以可选地具有纳米多孔结构、辐射结构、具有空位、孔或间隙的聚集体、化学蚀刻缺陷、离子注入缺陷等的晶格缺陷结构。形状改变插入物可以原样保留或通过溶剂、酸或反应离子蚀刻(RIE)去除。改变的形状可以是半球形、矩形、椭圆形、波浪形或其他周期性或不规则的几何形状。插入物还可以具有一些尖锐或锯齿状的尖端，以便故意地造成TMD的局部穿刺或撕裂。这些故意改变的形状在TMD中的具有移位或应变晶格的弯曲或扭结位置处提供额外缺陷，其局部地改变带隙，并产生较高能态位置用于增强的酶生物分子的粘附。使用形状改变插入结构1807的结果是形状改变的TMD层，比如1806b、1806c或1806d，可选地具有纳米多孔结构、辐射结构、具有晶格空位、孔或间隙的聚集体、化学蚀刻缺陷、离子注入缺陷等等的缺陷结构。形状改变插入物1807可以如所提及的被留下，或者通过溶剂、酸或RIE去除。改变的形状可以是半球形、矩形、椭圆形、波浪形或任何其他周期性或不规则的几何形状。此外，改变的形状可以是使得TMD被穿刺或撕裂的任何形状。这些改变的形状在TMD中的包括移位或应变晶格的弯曲或扭结位置处提供额外的缺陷，其局部地改变带隙并产生较高能态位置用于增强的酶生物分子的粘附。可以例如通过物理或化学或溶液沉积以及可选地经由光刻或间隙填充和固化的背蚀刻、沉积和图案化来在两个电极之间的纳米间隙处制备和沉积期望的形状改变插入结构。如果需要，形状改变插入结构也可以沉积或放置在不仅纳米间隙中，还有电极的顶表面上，例如，TMD层可以沉积在尺寸限定的2-20nm的直径的Au、Pt、Ag、Pd、Rh或它们的合金的金属岛的顶部上，该金属岛有时用于将单个聚合酶分子附接到电极对上。
形状改变的TMD层(比如MoS2、WS2)可以可选地具有纳米多孔结构、辐射结构、具有空位、孔或间隙的聚集体、化学蚀刻缺陷、离子注入缺陷等的晶格缺陷结构。形状改变插入物可以原样保留或通过溶剂、酸或反应离子蚀刻(RIE)去除。改变的形状可以是半球形、矩形、椭圆形、波浪形或其他周期性或不规则的几何形状。插入物还可以具有一些尖锐或锯齿状的尖端，以便故意地造成TMD的局部穿刺或撕裂。这些故意改变的形状在TMD中的具有移位或应变晶格的弯曲或扭结位置处提供额外缺陷，其局部地改变带隙，并产生较高能态位置用于增强的酶生物分子的粘附。
如图18B所示，插入物可以永久地留在TMD层下面，以充当有益的机械支撑(例如以防止在测序装置系统的微流控处理期间TMD层的机械分离或损坏以及施加到在纳米间隙区域上悬置或几乎不结合的TMD层的相关偶然力)。因此，在纳米间隙中的这样的故意添加的突出插入结构起到以下双重作用：(i)机械加强，用于在微流控操作或洗涤期间增强附接的TMD层的耐久性/可靠性(以及在纳米间隙附近的TMD上连接的聚合酶生物分子和单/双链DNA的相关耐久性)，和(ii)增强聚合酶型酶生物分子(或一般任何期望的生物分子)附接到纳米间隙上用于测序操作。
包括尺寸限定的TMD和单个生物分子酶聚合酶的组合结构的用于核酸测序装置的固态分子传感器(比如图1A-图18D中所示的任何实施方式)可以制成如图19所示的至少数千个装置组件的阵列。许多平行装置的可用性使测序分析进行得更快，更准确。而且，这样的平行处理方案将使整个系统成本更少。图19示出了固态分子传感器装置190的大规模平行阵列的实施方式，其包括许多含有TMD的酶聚合酶结构(例如，MoS2或WS2层)用于DNA或基因组测序以及核苷酸附接的无标记检测。含有TMD的酶聚合酶分子传感器191允许核苷酸附接的无标记检测。如图所示，可以提供具有相关的电线布线的装置的面积分布。例如，可以使用Au引线192(表面绝缘的或被涂布以防止蛋白质粘附)。许多平行装置的可用性使测序分析进行得更快，更准确。而且，这样的平行处理方案将使整个系统成本更少。
图20示意性地示出了微流控室的操作，其中酶或其他生物分子附接到大规模平行配置中布置的每个含有TMD的分子传感器装置上。
图20示出了用于接种和附接生物分子的微流控反应室200。简而言之，该反应室允许漂浮的生物分子201附接到暴露的TMD岛上，其中未使用的生物分子通过室出口202被洗掉。在该操作中，将含有酶或其他生物分子的磷酸盐缓冲盐水(PBS)型水溶液203(或其他溶液)供应至微流控反应室200。个体单个酶分子以高概率选择性地附接到大规模平行传感器阵列上的每个尺寸限定的暴露的TMD岛区域205上。由于TMD的尺寸限定的岛配置，单个分子附接到每个TMD岛上的概率很高，该TMD的尺寸限定的岛配置由于人工和故意添加的、非常大量的缺陷和更活跃的结合位点(比如纳米带或纳米多孔层TMD中的边缘位点)被进一步增强。在一些实施方式中，单个分子粘附到可用的TMD岛桥位置的成功率为至少30％，优选至少60％，甚至更优选至少80％。
未粘附到TMD岛的未使用的生物分子从流控室洗掉。然后将待检测的分析物(比如核苷酸、DNA片段或蛋白质)供应到室中以附接到酶聚合酶上以诱导电信号脉冲用于生物分子鉴定或DNA测序分析。
用于许多平行装置的电连接可能是复杂的并且占用装置表面不动产空间。如图21所示，降低复杂性和分析时间的一种方式是利用通过在阵列的一侧使用公共引线，如图21所示，通过短接所有引线的一侧并且用左侧电引线例如每毫秒一次一个地轮流，对来自含有TMD的酶聚合酶分子传感器的电极的序列询问。该方法具有一次处理所有数千个平行信号的需要较小电子测量复杂性的优点。
图21示出了用于无标记检测或核苷酸分离的含有TMD的酶聚合酶分子传感器的实施方式。通过在阵列的一侧使用公共引线211，从含有TMD的酶聚合酶分子传感器210(例如，具有MoS2或WS2层)施加电极的顺序询问用于DNA或基因组测序。Au引线212表面是绝缘的或被涂布以防止蛋白质粘附。所有右侧电极连接为公共引线，而左侧电极按顺序一次一个询问。
如果传感器装置结构(比如在图19或图21中例示的)以如图22A-图22B的三维方式堆叠，其中每个堆叠具有附带的微流控室(图22A)或使用一个或多个公共微流控室(图22B)，可以获得甚至更大的数据。图22A-图22B示出了包括基于TMD的酶聚合酶结构(例如，具有MoS2或WS2层)的分子电子基因组测序平台的三维阵列。在除了具有用于核苷酸附接的酶聚合酶结构的暴露TMD区域之外施加电绝缘的顶部涂层(未示出)，比如聚合物或氧化物层(例如，氧化铝、氧化硅等)。在一些实施方式中，存在10至1,000层，其中每层在具有PBS溶液和核苷酸控制布置和电子传感阵列的个体化微流控室中具有例如100至～10,000个装置。图22A示出了含有10-1,000个层的一个公共微流控室220的示例性实施方式，其中每层具有例如100至～10,000个装置。每个装置层具有大量分子传感器211。在这样的3D配置中，可以同时操作至少1000到100万个装置用于极快的DNA或基因组测序。例如，在除了具有用于核苷酸附接的酶聚合酶的暴露的TMD区域之外的表面上施加电绝缘的顶部涂层(图22A-图22B中未示出)，比如聚合物或氧化物涂层(例如，Al2O3、SiO2等)。如图22A所示，将每个2D分子电子基因组测序装置阵列分别包装到单独的微流控系统212中，其中每个微流控层堆叠成3D配置。在图22B中，2D分子电子基因组测序装置阵列堆叠成3D配置，但是容纳在单个微流控系统213中。对于大规模平行基因组测序分析，分子传感器的总数可以为至少1,000，并且可以多达100万或更多。
当测序装置不使用或正在被递送或储存时，重要的是确保用清洁气体彻底清洗和干燥室，使得最小化粘附或吸附纳米颗粒和/或微粒形式的不需要的气体分子、污垢或灰尘。当不使用时，测序装置理想地使用真空泵抽空并用惰性气体回填，以便最小化不需要的气体分子或污垢颗粒的存在。
整个基因组或DNA测序系统在图23中被描述为方框流程图。并入适当的数据分析和存储软件、计算机系统(以及如果需要，Wi-Fi功能)，并且将微流控系统与使用TMD和单个生物分子酶聚合酶，以及耦合试剂连同待测序的核苷酸的组合结构的大规模平行电子检测装置阵列连接。除了台式单元之外，还可以构建和利用具有经由互联网、Wi-Fi、手机或其他方法传输或控制信息的便携式或可穿戴单元。高通量DNA或基因组测序装置系统可用于从个人的基因组序列分析中控制、管理和治疗疾病，以及预测和预防疾病。
图1A至图23的装置结构的纳米制造、组装和包装的分级过程，与标准电子装置组装(比如c-MOS装置制造和组装)理想地兼容。因此优选平行或区域处理步骤，而不是单独的处理步骤。
在一些实施方式中，包括修饰的或有缺陷的TMD结构(比如MoS2或WS2)的DNA或RNA分子传感装置可用于部分或全基因组测序，或用于诊断比如癌症的疾病。在一些实施方式中，基因组测序系统可以作为台式单元、便携式单元或可穿戴单元操作。
在一些实施方式中，包括修饰的或有缺陷的TMD结构(比如MoS2或WS2)的DNA或RNA分子传感装置可用于部分或全基因组测序，或用于诊断比如癌症的疾病。基因组测序系统可以作为台式单元、便携式单元或可穿戴单元操作。
实施例
实施例1：使用电子束光刻对MoS2层进行电子束(Electron Beam)(电子束(E-Beam))图案化的方法
将MoS2 300悬置在衬底304上(图2A)。MoS2的一部分经受电子束302。使抗蚀剂显影用于纳米图案化(图2A)。使用化学蚀刻或反应离子蚀刻来图案化MoS2(图2A)。去除抗蚀剂以图案化MoS2(图2A)。
实施例2：MoS2层的纳米压印图案化的方法
将MoS2 406悬置在衬底上并且将抗蚀剂材料施加到MoS2上(图2B)。施加模具400以纳米压印在MoS2层上的抗蚀剂材料404(图2B)。然后释放模具并对抗蚀剂材料施加反应离子蚀刻以形成纳米图案(图2B)。然后使用化学蚀刻或反应离子蚀刻来图案化MoS2(图2B)。然后去除抗蚀剂材料以露出图案化的MoS2(图2B)。
实施例3：使用保护性、尺寸限定的介电涂层的包括尺寸限定的MoS2岛的DNA或RNA传感器的分子桥的合成方法
将MoS2(或TMD过渡金属二硫属化物)层36悬置在具有例如2-20nm的纳米间隙的导电电极对35(Au、Pt、Ag、Pd、Rh或它们的合金等，用于信号检测)上(图3B)。悬置的MoS2具有规则或窄带配置，或者故意使其有缺陷(图3B)。如果必要，使用电子束或纳米压印图案化MoS2层(图3B)。添加保护性的尺寸限定的介电涂层38(例如，如PMMA的聚合物层或如SiO2的陶瓷层)(图3C)。MoS2现在被尺寸限定(例如，2-20nm)，用于优选单个生物分子(例如，聚合酶)附接(图3C)。分子桥固态传感器或MoS2岛可以经由在附接或分离核苷酸或其他生物分子时检测电流脉冲或其他信号的变化而用于基因组或DNA测序(图3D)。
实施例4：使用故意损坏的TND区域(如MoS2或WS2)的包括尺寸限定的MoS2岛的DNA或RNA传感器的分子桥的合成方法
将MoS2(或TMD过渡金属二硫属化物)层56A悬置在具有例如2-20nm的纳米间隙的导电电极对55(Au、Pt、Ag、Pd、Rh或它们的合金等，用于信号检测)上(图5B)。悬置的MoS2层56A(或一般过渡金属二硫属化物层)具有规则结构或有缺陷的MoS2(图5B)。施加故意损坏的TND区域(如MoS2或WS2)56B(图5C)。可以通过掺杂离子注入或通过用电子或其他辐射轰击来处理TND区域，这将其转换为绝缘体或非常高电阻率区域以起到有效掩模的作用以实现单个生物分子(例如，聚合酶)附接(图5D)。分子桥固态传感器或MoS2岛可以用于经由在附接或分离核苷酸或其他生物分子时检测电流脉冲或其他信号的变化而用于基因组或DNA测序(图5D)。
实施例5：使用悬置的TMD桥的DNA或RNA传感器的分子桥的合成方法
悬置的TMD桥66A通过范德华力和介电涂层附接或固定(图6A)。将单个酶分子61(例如，DNA或RNA聚合酶)附接到尺寸限定的TMD桥66A上(图6A)。核苷酸单体65在附接到DNA链63时由于附接导致的电流变化而被检测(图6A)。
实施例6：使用衬底粘附的MoS2桥的DNA或RNA传感器的分子桥的合成方法
将MoS2层66B衬底粘附到介电涂层(图6B)。具有TMD层的分子桥传感器经由范德华力和介电涂层固定到介电衬底上(图6B)。将单个酶分子61(例如，DNA或RNA聚合酶)附接到尺寸限定的TMD桥上(图6B)。核苷酸单体65在附接到DNA链时由于附接导致的电流变化而被检测(图6B)。
实施例7：通过经由官能化基团将酶连接到悬置的TMD桥的DNA或RNA传感器的分子桥的合成方法
酶分子74(例如，DNA或RNA聚合酶)经由官能化基团71与悬置的TMD桥76连接(图7A)。核苷酸单体73在附接到DNA链72时通过电流变化而被检测(图7A)。
实施例8：通过经由官能化基团将酶连接到衬底粘附的TMD桥的DNA或RNA传感器的分子桥的合成方法
酶分子74(例如，DNA或RNA聚合酶)经由官能化基团71与衬底粘附的TMD桥78连接(图7B)。核苷酸单体73在附接到DNA链72时通过电流变化而被检测(图7A)(图7B)。
实施例9：制备实现亲水的TMS桥表面结构的方法
将亲水区域图案化或合成为不太完善的晶体200(例如，～3-20um宽)(图10A)。可替换地，可以制备混合亲水和疏水区域的复合配置202(图10B)。TMD 204(例如，优选有缺陷的或纳米多孔的(如MoS2或WS2)片被电介质(例如，PMMA或粘附阻碍聚合物层)掩模，以防止生物分子附接(图10A和图10B)。导电电极和引线206(Au、Pt、Ag、Pd、Rh或它们的合金)用于信号检测(图10A和图10B)。
实施例10：使用二嵌段共聚物掩模制备纳米图案化的TMD桥的方法在金属箔139上合成TMD(如MoS2或WS2)层130(例如，通过金属膜的剥离、CVD或硫化)(图13A)。在蚀刻掉金属之后，将TMD层转移到装置表面(例如，在SiO2 133(或SiO2涂布的Si衬底)上的具有纳米间隙的Au、Pd或Pt电极对)上，以将TMD层放置为悬置的桥(图13B)。TMD被蒸发的SiO2 134薄层和旋涂的嵌段共聚物PS-b-P4VP 135的薄膜覆盖(图13C)。将PS-b-P4VP嵌段共聚物135膜退火并显影成纳米级两相结构，留下多孔PS基质136作为模板用于随后的图案化(图13D)。使用基于氟化物的反应离子蚀刻(RIE)渗透和图案化SiO2氧化物层，部分地降解PS膜，并且从薄SiO2中形成硬掩模孔图案137(图13E)。暴露的孔区域中的TMD层被O2等离子体蚀刻掉，然后去除SiO2(图13F)。获得SiO2上的纳米多孔TMD138(图13F)，然后其通过介电掩模被图案化成尺寸限定的岛TMD，用于单个分子(例如，酶)附接。
实施例11：使用阳极氧化铝(AAO)膜制备纳米图案化的TMD桥的方法
在金属箔上合成TMD(如MoS2或WS2)层140(例如，通过金属膜的剥离、CVD或硫化)(图13G)。将MoS2层放置在衬底141上(图13H)。制造AAO纳米孔膜142(图13I)。将AAO放置在MoS2衬底143上(图13J)。通过AAO孔144进行MoS2的RIE蚀刻(图13K)。在去除AAO掩模之后在衬底上创建纳米图案化的MoS2 145(图13L)。
实施例12：使用不完全沉积的薄膜掩模制备纳米多孔的TMD桥的方法
通过金属膜的剥离、化学气相沉积(CVD)或硫化来合成薄TMD材料(如MoS2或WS2)层并放置在衬底支撑体上(测序结构基底，或用于MoS2悬置的分裂衬底)。通过化学气相沉积(CVD)或者通过经由提升将漂浮在含水或含醇溶液中的预制MoS2层转移到衬底上并干燥来沉积MoS2层。然后以不完全的方式在MoS2的顶表面上沉积薄膜掩模层，其中掩模层厚度小于5nm，使得一些纳米区域仍不完全填充并且存在纳米针孔。通过溅射沉积薄膜(其他沉积方法包括蒸发、脉冲激光沉积或化学沉积)。用于薄膜掩模的材料选自陶瓷层(比如SiO2)或可溅射沉积的聚合物(比如聚四氟乙烯(PTFE)型聚合物)。也可以使用金属薄膜掩模。
进行相对短时间的薄膜层沉积，以便产生含有针孔的不完全的薄膜(小于5nm厚)，其中针孔尺寸的平均直径范围为0.5-5nm，并且密度为105/cm2或更高。还可以施加可选的后溅射以将针孔巩固成更均匀的尺寸。为了增加溅射沉积中的针孔型缺陷，薄膜掩模沉积优选在较低温度(优选接近室温或低于室温)下进行。
然后通过使用等离子体蚀刻(例如，氧、CF4、SF6或Ar等离子体)或离子束蚀刻方法，通过掩模缺陷蚀刻掉薄膜掩模下面的MoS2层。用酸(例如选自H2SO4、HNO3、HCl或它们的混合物)的化学蚀刻也可用于MoS2蚀刻。
一旦在MoS2中制备了纳米针孔缺陷，就通过选择性化学蚀刻或等离子体蚀刻去除掩模材料。通过具有40％NH4F水溶液与49％HF的体积比为6:1的BOE(缓冲氧化物蚀刻)溶液蚀刻容易地去除SiO2型掩模。还可以通过等离子体蚀刻或离子束蚀刻来蚀刻掉掩模层。如果溅射沉积NaCl或其他盐类材料并采用作掩模层，则可以通过水或溶剂将其溶解掉。可以通过溶剂或通过等离子体蚀刻去除聚合物掩模的膜。
如果通过使用这样的薄膜掩模方法创建的具有纳米针孔缺陷的MoS2(或一般有缺陷的TMD材料)通过微图案化或纳米图案化直接制备在已经安装在支撑体(测序结构基底，或用于MoS2悬置的分裂衬底)上的MoS2上以具有用来实现单个分子聚合酶附接的尺寸限定的桥，则它们可以用于基因组测序。这之后进行核苷酸附接分析。
可替换地，通过在一般衬底或可溶解的衬底上使用这样的薄膜掩模方法创建的有缺陷的MoS2(或有缺陷的TMD材料)可以通过蚀刻掉而从衬底释放，将MoS2漂浮在含水或含醇的溶液中，被基因组测序基底结构拾取并微图案化成期望的几何形状。
将介电掩模层放置在有缺陷的MoS2(或有缺陷的TMD材料)上。通过使用薄膜掩模达到具有尺寸限定的开口的表面来创建有缺陷的MoS2。这允许仅单个酶生物分子附接到其中插入DNA或基因组测序结构的微流控系统中暴露的MoS2表面上。对核苷酸单体、蛋白质、DNA片段或其他生物分子组分一次一个地在酶聚合酶分子上附接或分离进行电子测量和计算机分析，然后对其监测以测量电信号脉冲并确定附接的核苷酸或生物分子的特定性质。
上述实施方式和实施例仅用于示例性目的，而不用于限制本文描述的任何实施方式的范围。根据本文公开的任何实施方式的精神的任何等同修改或变化也将包括在本文公开的任何实施方式的范围内。

Claims (20)

1.一种测序装置，包括：
导电电极对的阵列，每对电极包括被纳米间隙分隔的源电极和漏电极布置，电极阵列被沉积并图案化在介电衬底上；
设置在每对电极上的至少一个过渡金属二硫属化物TMD层，其中所述TMD层连接每对中的每个源电极和漏电极，并桥接每对电极的每个纳米间隙；和
介电掩模层，所述介电掩模层设置在所述TMD层上且包括限定暴露的TMD区域的至少一个开口，其中所述至少一个开口的尺寸被设置为以便允许单个生物分子装配在其中并附接到所述暴露的TMD区域上。
2.根据权利要求1所述的测序装置，进一步包括附接到所述暴露的TMD区域的至少一个生物分子。
3.根据权利要求2所述的测序装置，其中所述至少一个生物分子包括聚合酶。
4.根据权利要求2所述的测序装置，进一步包括微流控系统，所述微流控系统与所述测序装置流体组合以提供所述至少一个生物分子。
5.根据权利要求1所述的测序装置，其中所述至少一个TMD层包括MoS2、WS2、TiS2、ZrS2、HfS2、VS2、NbS2、TaS2、TcS2、ReS2、CoS2、RhS2、IrS2、NiS2、PdS2、PtS2或任何它们的修饰或组合，包括具有MX(2-x)或MX(2+x)的硫含量的修饰的化学计量，其中x在0-1.0的范围内。
6.根据权利要求5所述的测序装置，其中故意改变硫化学计量以便提供空位缺陷、间隙缺陷和聚集缺陷，从而增加表面能并增强所述生物分子与所述暴露的TMD区域的粘附。
7.根据权利要求1所述的测序装置，其中所述至少一个TMD层包括MoSe2、WSe2、TiSe2、ZrSe2、HfSe2、VSe2、NbSe2、TaSe2、TcSe2、ReSe2、CoSe2、RhSe2、IrSe2、NiSe2、PdSe2、PtSe2或任何它们的修饰或组合，包括具有MX(2-x)或MX(2+x)的硒含量的修饰的化学计量，其中x在0-1.0的范围内。
8.根据权利要求7所述的测序装置，其中故意改变硒化学计量以便提供空位缺陷、间隙缺陷和聚集缺陷，从而增加所述TMD层的表面能并增强所述生物分子与所述暴露的TMD区域的粘附。
9.根据权利要求1所述的测序装置，其中所述至少一个TMD层包括MoTe2、WTe2、TiTe2、ZrTe2、HfTe2、VTe2、NbTe2、TaTe2、TcTe2、ReTe2、CoTe2、RhTe2、IrTe2、NiTe2、PdTe2、PtTe2或任何它们的修饰或组合，包括具有MX(2-x)或MX(2+x)的碲含量的修饰的化学计量，其中x在0-1.0的范围内。
10.根据权利要求9所述的测序装置，其中故意改变碲化学计量以便提供空位缺陷、间隙缺陷和聚集缺陷，从而增加TMD层的表面能并增强所述生物分子与所述暴露的TMD区域的粘附。
11.根据权利要求1所述的测序装置，其中所述TMD层包括MoxWyCoz)S2或(HfxWyCoz)Te2。
12.根据权利要求1所述的测序装置，其中所述导电电极对的阵列包括Au、Pt、Ag、Pd、Rh或它们的合金中的至少一种。
13.根据权利要求1所述的测序装置，其中所述纳米间隙的长度为约2nm至约20nm。
14.根据权利要求1所述的测序装置，其中所述TMD层包括有缺陷的TMD层。
15.根据权利要求14所述的测序装置，其中所述有缺陷的TMD层包括线性纳米带平行阵列、图案化形状纳米带阵列、应变晶格缺陷、空位、间隙缺陷、位错缺陷、外来原子注入缺陷或纳米多孔缺陷。
16.根据权利要求14所述的测序装置，其中所述有缺陷的TMD层包括应变晶格缺陷、空位、间隙缺陷、位错缺陷或外来原子注入缺陷，其缺陷密度为至少约105/cm2。
17.根据权利要求14所述的测序装置，其中所述有缺陷的TMD层包括具有至少2nm的等效直径的纳米多孔缺陷，其缺陷密度为至少103/cm2。
18.根据权利要求14所述的测序装置，其中所述有缺陷的TMD层具有打开至至少0.2eV的值的带隙。
19.一种制造测序装置的方法，包括：
在介电衬底上沉积并图案化导电电极对的阵列，每个电极对限定被纳米间隙分隔的源电极和漏电极布置；
在每个电极对上沉积至少一个TMD层；和
在所述至少一个TMD层上纳米图案化介电掩模层。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括处理所述至少一个TMD层以获得有缺陷的TMD层。
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