CN110741093A - 控制通过纳米孔的分子的移位 - Google Patents

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Abstract

为了减少DNA在多个固态纳米孔的移位速度的非所需变异，使用一超薄的纳米多孔氮化硅(NPN)膜来证实一纳米级预限制的移位分子，所述超薄的纳米多孔氮化硅(NPN)膜通过一纳米级腔体与一单一的感测纳米孔分开。综合多个实验结果证实此纳米过滤件的存在导致在一DNA的尺寸范围内的所述感测孔中的通行时间的一整体最小的变异系数，所述感测孔取决于所述腔体高度。这种精进的纳米孔装置使独立于其直径及稳定性的所述通行时间的分布的标准差最小化。这些结果也代表了首次的实验性验证，即分子内及分子间的通行时间的变异取决于移位前的此类分子的构象熵，同时提供用于控制运送通过多个纳米孔的一实施策略。

Description

控制通过纳米孔的分子的移位
相关申请的交叉引用
本申请主张于2017年4月28日提出的美国临时申请的62/491,572号的权益。上述申请的整体揭露内容通过引用并入本文中。
技术领域
本公开关于一种纳米孔装置及一种用于制作所述纳米孔装置的方法。
背景技术
当一单一的生物聚合物，例如DNA，移位至一纳米孔时，分子运送的动力学是很复杂的。在通行期间的速度被认为取决于在所述小孔外侧的所述分子的部分及构象，以及受到的热波动及与所述小孔的多个孔壁及膜的材料的瞬间的交互作用。由于分子内及分子间的速度波动，最终效果为所述分子的移动受到一广泛分布的通行速度的影响。与传统的胶体电泳的多种技术相比，在通行时间中的这样的扩散混淆了将时间简单地转化为分子的位置、使绘制图谱的应用复杂化，以及极大地限制了所述纳米孔通过尺寸区分多个带电分子的能力。
虽然多年来的透彻研究目前取得以基于生物性纳米孔的多种定序装置为形式的成果，但部分归因于通过使用多种酶以使棘齿(rachet)DNA通过所述小孔来实现高水平的移动控制，因此，在通过多个固态纳米孔所提供的潜力功效的方面具有多个重大的挑战。
大部分关于移位速度控制的实验工作集中在通过各种方法来放慢DNA，包括通过激光调节表面的电性密度以控制电渗透流；通过电解质的明智的选择，含水溶液及离子液体两种；通过黏度的调整；通过所述小孔与一胶体的连接；或通过使用不同的膜材料。虽然这些方法能够使DNA的移位放慢至不同的程度，但它们是在代价为更广的通行时间分布下进行。
只有一些研究考虑到导致所述广泛分布的通行速度的多个因素。盐类水溶液的选择已经显示对于通行时间分布的广度具有显着的影响。模拟工作已经证实多个聚合物受到由延伸的电场梯度进行的平衡的干扰，且相较于多个平衡的预测，扩大了所述通行时间的分布。在移位之前被延伸的多个分子由于提高的拖曳力而具有较长的通行时间，并加速朝向所述移位的尾端。
不幸地，虽然负责通行时间的高变异性的主要机制被认为是DNA分子在移位通过所述纳米孔之前可利用的一很大构象熵，但由于具有充分地限制在一纳米孔附近的几何形状的多个制造装置的复杂性，因此，实验的验证依然很困难。
此部分提供的关于本公开的背景技术不一定为现有技术。
发明内容
此部分提供本公开的总体概述，而不是其全部的范围或其所有特征的全面公开。
一种于控制一目标分子移位通过一纳米孔的系统被呈现出。所述系统包括：一感测结构；两个腔室，配置用以容纳一流体，且所述两个腔室通过一流体通道彼此流通地相联接，使得所述感测结构被放置在所述流体通道中，从而防止所述流体除了通过形成在所述感测结构中的所述多个纳米孔以外来在所述两个腔室之间通行；及两个电极，电联接至一电压源，其中所述多个电极被配置用以横跨所述感测结构来施加一电位，使得所述两个腔室的每一个中放置了一电极。
一感测膜被沉积在一基质上，且所述感测膜包括形成在所述感测膜中的一单一的纳米孔。所述感测膜可能由一介电材料或一个二维材料构成。一个或多个间隔物被放置在所述感测膜的一暴露出的顶部表面上。一过滤膜被放置在所述一个或多个间隔物的上方，并被放置在所述感测膜的所述顶部表面上，其中所述感测膜、所述一个或多个间隔物及所述过滤膜形成一感测结构。所述过滤膜包括多个形成在所述过滤膜中的纳米孔。
在一些实施例中，所述过滤膜通过相近于在所述目标分子的轮廓长度的一距离来与所述感测膜分离。例如，所述一个或多个间隔物被配置用以使所述过滤膜通过一距离与所述感测膜分开，且所述一个或多个间隔物的尺寸使得所述距离小于所述目标分子的轮廓长度。
在一些实施例中，形成在所述过滤膜中的所述多个纳米孔中的一纳米孔的平均尺寸小于所述目标分子的回转半径的两倍。
在一些实施例中，所述过滤膜被配置成表现出相较于所述感测膜所表现出的电阻低的电阻。
在一些实施例中，所述过滤膜及所述感测膜限定了在所过滤膜与所述感测膜之间的一空间，使得当所述目标分子在一游离溶液中呈一卷绕形式时，在所过滤膜与所述感测膜之间的所述空间的体积小于所述目标分子的体积的一千倍。
在一些实施例中，形成在所述过滤膜中的所述多个纳米孔具有在任两个所述纳米孔之间的一平均最近邻近距离，使得两倍的在所述过滤膜与所述感测膜之间的所述距离加上在任两个所述纳米孔之间的所述平均最近邻近距离的总和大于所述目标分子的所述轮廓长度。
在一些实施例中，形成在所述过滤膜中的所述多个纳米孔具有在任两个所述纳米孔之间的一平均最近邻近距离，使得当所述目标分子在一游离溶液中时，在任两个所述纳米孔之间的所述平均最近邻近距离小于所述目标分子的回转半径。
在一些实施例中，所述过滤膜被配置用以表现出电阻，且所述感测膜被配置用以表现出一电阻，使得由所述过滤膜表现出的所述电阻除以由所述感测膜表现出的所述电阻的商数小于0.01。
在一方面，所述感测结构可被使用于控制一目标分子移位通过一单一的感测膜，所述感测膜具有形成在所述感测膜中的一单一的纳米孔中。所述方法包括：将一感测结构定位于一流体通道中；通过横跨所述感测结构来施加一电位以驱使一目标聚合物通过在所述感测结构中的所述纳米孔；及量测所述目标聚合物通过在所述感测膜中的所述纳米孔的通行时间，其中使所述过滤膜与所述感测膜分开的一距离小于所述目标分子的轮廓长度。
在另一方面，所述方法包括：将所述感测结构定位于一流体通道中；通过横跨所述感测结构来施加一电位以驱使一目标聚合物通过在所述感测结构中的所述纳米孔；及量测所述目标聚合物通过在所述感测膜中的所述纳米孔的通行时间，其中形成在所述过滤膜中的所述多个纳米孔具有在任两个所述纳米孔之间的一平均最近邻近距离，使得当所述目标分子在一游离溶液中时，在任两个所述纳米孔之间的所述平均最近邻近距离小于所述目标分子的回转半径。
在又一方面，所述方法包括：驱使一目标聚合物通过在所述感测结构中的所述感测纳米孔，并进入形成在所述过滤膜与所述感测膜之间的一腔体中，其中通过横跨所述感测结构来施加一电位以驱使所述目标聚合物；将所述目标聚合物捕集于所述腔体中，其中将所述过滤膜与所述感测膜分开的距离大于所述目标聚合物的捕获半径；及通过反转横跨所述感测结构所施加的所述电位来喷射出来自于所述感测结构中的所述腔室中的所述目标聚合物。
多个进一步的应用领域将从本文所提供的描述中变得显而易见。在此概述中的描述及多个具体的示例仅旨在多个说明性的目的，且并非旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文所描述的多个附图仅用于多个所挑选的实施例的多个说明性目的以及并非为所有可能的实施方式，且所述多个附图并非旨在限制本公开的范围。
图1为使用在用以使一分子移位通过一纳米孔的一系统中的一改良过的感测结构的一侧视图；
图2为描绘了具有多个孔洞的一间隔件的一俯视图，所述多个孔洞被布置在所述感测结构上；
图3A至3C为描绘了将一过滤膜转移至所述感测膜上的多个侧视图，一间隙以所述间隔件的方式被维持在所述过滤膜及所述感测膜之间；
图4为用于一纳米孔装置的一示例设置的一图式；
图5A及5B为用于所述纳米孔装置的一支撑结构的分解图；
图6为所述支撑结构的一截面侧视图及其中的所述感测结构的放大视图；
图7A至7C说明了穿过所述感测结构的聚合物的不同长度，以及图7D至7F为显示出对于个别的所述聚合物的通行时间分布的对应图式；
图8为显示出相对于所述纳米装置的多个尺寸而非常长的所述聚合物将通过穿过所述感测孔并同时跨过在所述过滤膜中的两个或多个细孔来堵塞住所述装置的一图式；
图9A及9B为分别显示出对于所提出的所述纳米孔装置及一控制组装置的通行时间的平均值的图式；
图10A及10B为分别显示出对于所提出的所述纳米孔装置及一控制组装置的通行时间的标准差的图式；
图11A及11B为分别显示出对于所提出的所述纳米孔装置及一控制组装置的通行时间的变异系数的图式；
图12A至12C为显示出对于所提出的所述纳米孔装置及一控制组装置(12C)的在一小孔(12A及12B)中的500-碱基对(bp)的DNA梯状片段的多个图式；
图13为显示出对于相对于一控制组装置的各种纳米装置的折迭分数的一图式；及
图14A及14B为显示出用于所提出的作为熵陷阱(entropic trap)的纳米装置的操作的原理验证数据的多个图式。
相对应的多个附图标记指示出贯穿所述多个附图的一些视图的相对应的多个部件。
具体实施方式
多个示例性实施例现在将参考多个附图来被更全面性的描述。
图1描绘了使用在用以使一分子移位通过一纳米孔的一系统中的一改良过的感测结构10。所述感测结构10通常包含一过滤膜12，所述过滤膜12被放置在一感测膜14的一暴露出的顶部表面上。一个或多个间隔件13优选地被放置在所述感测膜14的所述顶部表面上，从而将所述过滤膜12与所述感测膜14分开。使所述感测膜与所述过滤膜分开的一距离优选地相近于所述目标分子(例如一单聚体或一多聚体)的轮廓长度。所述一个或多个间隔件13有助于在所述过滤膜12与所述感测膜14之间形成一腔体。此腔体具有一体积，所述体积在所述目标分子在一游离溶液中呈一卷绕形式时小于所述目标分子的体积的一千倍。对于结构上的支撑而言，所述多个膜被沉积在一基板15上。
在一示例性实施例中，所述感测膜14优选地由一介电材料构成，例如氮化硅。氮化硅薄膜(例如5至10纳米)可通过使用低压化学气相沉积法(LPCVD)来被沉积在所述基板(例如硅晶片)上。所述感测膜14也可由其他介电或非介电材料构成，其包括一多层金属/介电结构或一个二维材料，例如，石墨烯或过渡金属硫族化合物。
多个间隔件13被形成在所述感测膜14的所述暴露出的顶部表面上。在所述示例性实施例中，通过使用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)或其他沉积技术来将一个二氧化硅层(例如50至1000纳米)放置在所述氧化硅上以形成一间隔件13。接着，一光阻剂在所述二氧化硅层上被图案化，且选择性地被刻蚀掉(例如，通过使用干式反应离子刻蚀(RIE)或湿式氟化氢(HF))，以形成在所述感测膜14上的所述间隔件13中的一个或多个孔洞(意即一格子状)，所述间隔件13作用为维持在所述感测膜14与所述过滤膜12之间的分隔。在所述示例性实施例中，所述间隔件13为一薄膜，所述薄膜具有形成在其中的一孔洞阵列，最佳为如图2所见。在另一实施例中，所述多个间隔件可能包含一柱体阵列，所述柱体阵列被形成在所述感测膜的所述顶部表面上。本公开考虑了对于所述多个间隔件的其他排列或它们的制造。
一凹槽17也形成在所述基板的相反侧以暴露出所述感测膜。同样地，一光阻剂在所述基板上被图案化，接着被刻蚀以形成在所述基板15中的所述凹槽17。在所述示例性实施例中，所述凹槽17与排列在所述晶片的相反侧的所述间隔件13的一中心对齐。容易理解的是，所述凹槽17的形成可在所述间隔件13的形成之前或之后，但优选地是在所述过滤膜12被转移至所述感测膜14上之前。
所述过滤膜12也由一介电材料构成，例如氮化硅。在所述示例性实施例中，所述过滤膜12为一薄膜(例如，接近于1至100纳米)，所述薄膜可被支撑在一基板15上。所述过滤膜12包括多个纳米孔19，所述多个纳米孔19具有尺寸范围从1至100纳米的可调孔洞(在本文中也称为纳米过滤孔)。优选地，所述多个纳米过滤孔的平均尺寸小于所述目标分子的回转半径的两倍。在一实施例中，一示例性过滤膜12可商业性地从纽约的西亨利耶塔镇的辛波尔(SiMPore)公司取得。这种过滤膜的制造进一步地在PCT专利申请第PCT/US2014/051316号中描述，其整体通过引用并入本文中。在其他实施例中，所述过滤膜12通过使用气相依续渗透合成法或其他原子层沉积方法来被制造。本公开也考虑了用于所述过滤膜的其他制造方法。
通过将所述过滤膜12带至与所述感测膜14紧密地接触，所述过滤膜12可被沉积在所述间隔件13上方及所述感测膜14上。在一示例中，范德华力(Van Deer Waal’s force)可被用于将所述过滤膜12转移至所述感测膜14上。参考图3A至图3B，所述多个膜被带至邻近贴近于彼此(例如几微米)，如图3A所见。在一些例子中，所述多个膜可被带至与彼此相接触。每个组件可被清洁(例如，通过电晕处理)以使所述表面具亲水性。
在图3B中，一冷水蒸气流31被引导至所述过滤膜12，其淹没了在所述两个膜之间的所述腔室。在所述多个膜之间的所述水被允许进行蒸发。由于其这样进行，表面张力造成所述两个膜被拉在一起，使得一旦在所述多个膜之间产生接触，它们就会黏在一起。最后，支撑所述过滤膜12的所述基板机械性地被移除。所述过滤膜12从所述基板15被撕开，并保留在所述间隔件13的顶部上，如图3C所见。为了完成所述感测结构，所述过滤膜12可被附着在所述感测膜14上，例如，通过沿着所述过滤膜的多个边缘涂上聚二甲基硅氧烷，从而在适当的位置将其密封。所述新形成的感侧结构10也可通过在80℃进行烘烤来进行固化。
可选择地，所述过滤膜12可通过被引导至所述过滤膜12的一压缩气体流(例如，氮气或被压缩的空气)来被转移，所述压缩空气流造成其偏斜朝向所述间隔件13并产生接触，使得一旦在所述多个膜之间产生接触，所述两个膜就会黏在一起(例如，由于范德华力)。为了促进所述两种材料的结合，它们的表面可在相接触之前被空气或氧气等离子活化。此外，在被一夹具压缩时，所述感测结构10可在一高温下被进行热黏合，以使所述过滤膜12热结合至所述间隔件13，取代了涂上聚二甲基硅氧烷或一些其他黏合剂的需求，从而避免必须将所述基板从所述过滤膜撕开。虽然已经参考了多个特定的转移方法，但是本公开考虑了将所述过滤膜沉积在所述感测膜上的其他方式。
在一些实施例中，所述感测膜14包括一感测孔18，所述感测孔18是在所述感测结构10的制造期间形成。例如，在氮化硅已经被沉积在所述基板之后，所述感测孔通过电子束或离子束钻孔来形成。在一些实施例中，在所述感测膜14中的所述感测孔18可通过使用如将进一步于下面所描述的一纳米装置的段落中的一受控制的击穿过程来形成。其他用于形成所述感测孔的多个技术也被设想了。同样地，容易理解的是，其他制造方法可被使用以形成所述感测结构10。
图4至图6说明了一纳米孔装置40的一示例设置。所述纳米装置40主要包含一支撑结构41，所述支撑结构41限定了在其中的各种流体通道。在此示例中，所述支撑结构41包括至少两个腔室42，所述两个腔室42通过一流体通道43彼此流通地相联接。所述两个腔室42及所述流体通道43容纳了含有多个离子的一流体。在一示例中，所述流体为溶解在水中的氯化钾。在另一示例中，所述流体为一非水溶液溶剂，例如在乙醇中的氯化锂。取决于有兴趣的分析物，容易理解的是所述流体的组成物可能具多样化。
所述感测结构10被放置在所述流体通道43中，从而防止所述流体除了通过形成在所述感测结构10中的所述多个纳米孔以外来在所述两个腔室之间通行。在此示例中，所述支撑结构41通过两个互相配对的独立的器件来形成。所述感测结构10合适地装配至形成在所述两个独立器件的一个或两个中的一凹槽中。所述感测结构10可被夹在两个硅垫圈44之间。本公开设想了用于通过所述支撑结构41来容纳所述感测结构10以及用于所述支撑结构41本身的其他构型。
两个电极46被插入至所述纳米装置的个别的所述腔室中43。所述多个电极被电联接至一电压源49，且被配置用以横跨所述感测结构10来施加一电位，所述感测结构10被放置在所述纳米装置40中。所述电压源49受到一控制器48的控制。在一实施例中，所述控制器通过被电联接至一个人计算机或其他类型的计算装置的一数据取得回路来被执行。在一些实施例中，所述数据取得回路也可被配置用以量测在所述支撑结构的所述两个腔室之间的流动的电流。在其他实施例中，所述支撑结构41及/或所述整体的系统可被放置在一接地的法拉第笼中，以便隔离电噪声。因此，所述设置类似于在所述纳米孔感测领域中通常用于生物分子侦测的设置。
如上所示，所述感测孔可通过使用一受控制的击穿过程来在所述感测膜中形成。在此例子中，在所述感测结构10被放置在所述纳米孔装置40的所述支撑结构41中时，一电位横跨所述感测膜来被施加，使得诱导出一电场的所述电位横跨所述感测膜具有大于每纳米0.1伏特的一数值。通过包含有所述感测膜的所述材料的一受控制的击穿，一单一的纳米孔被形成在所述感测膜中。在横跨所述感测膜来施加所述电位时，横跨所述感测膜的泄漏电流受到监控。横跨所述感测膜的所述泄漏电流的突然增加决定了所述纳米孔的形成。因应于所侦测到的所述泄漏电流的突然增加，横跨所述膜的所述电位被移除。关于所述受控制的击穿过程的进一步的细节可在美国专利公开第2015/0108008号中找到，其整体通过引用并入本文中。
设想了用于上述的纳米装置的不同应用。例如，一分析物的一混合物，例如DNA或其他带电的分子，可从一腔室流动通过所述感测结构10至所述纳米装置40的另一腔室。虽然在一些应用中(意即熵笼(entropic cage))，所述分析物可能进入所述感测膜14的一侧，但对于大部分的应用，所述分析物将进入所过滤膜12的一侧。在运转中，一小电压(意即，高达1伏特)驱使所述分析物通过电泳穿过所述系统。
在一示例性实施例中，所述纳米装置的多个尺寸及其感测结构可针对其应用来进行定制。用于所述纳米装置的多个尺寸被限定为：
h：在所述感测膜与所述纳米过滤件之间的垂直距离
x：在所述纳米过滤件中的任两个所述小孔之间的平均最近邻近距离
L：被研究的所述聚合物的轮廓长度
Y：在所述间隔件材料中的所述多个孔洞的直径
短聚合物被视为任何具有L<h的聚合物。多个短聚合物在被所述感应孔捕捉之前必须完全进入所述间隙，且如此进行将使所述多个短聚合物部分地松解。虽然所述纳米装置持续运送这些聚合物，但其对于通过所述感测孔的移位动力学的影响很小。
中等聚合物被视为任何满足h<L<3(x/2+h)的聚合物。中等聚合物代表所述纳米装置对于多个定型应用最有用的长度范围。在此，多个聚合物在穿过两个纳米过滤孔时，通常不会堵塞所述感测孔，但所述移位动力学强烈地受到所述过滤膜的影响。
长聚合物被视为任何满足L>3(x/2+h)的聚合物。多个长聚合物迟早会通过在穿过两个纳米过滤孔的同时使两末端进入所述感测孔来堵塞住所述感测孔，从而在施加一恒定电场时使所述感测孔逐渐被卡住。应注意的是，因为实际上仅有一些纳米过滤孔为可活动的，且所述实际的最近邻近孔距离x可能对于一特定的装置有不同的平均值，因此上述给定的所述多个聚合物的长度范围仅仅是在大部分情况下实行的多个估计值。一些装置在中等聚合物与长聚合物之间的转换可能会具有些微的不同，但平均而言，这样将能良好并适当地进行。虽然可设想将Y减少，以便更好地使多个电场线聚焦在所述空腔中，从而实现以一更大的电场梯度来拉伸多个聚合物，但Y的限制仅在于其必须足够小以能够防止所述柔性纳米过滤层接触到所述感测膜。
总体而言，当多个聚合物具有如上所定义的中等长度时，所述多个纳米装置最佳地使所述多个聚合物伸长而不阻塞。
在本公开的一方面中，多个通行时间分布的特征受到适当地配置用于一特定应用的所述纳米装置40所控制。多个短聚合物在本文被定义为太短而无法穿过两个纳米过滤孔19并同时被所述感测孔捕捉的一聚合物。参考图7A及图7D，所述多个短的聚合物显示出近似于对数常态的通行时间分布。随着所述聚合物的长度增加，出现如图7B及7E所见的一较长的通行时间的尾巴。在图7C及图7F中，多个较长的聚合物穿过两个纳米过滤孔19，并同时被所述感测孔18捕捉住。这些较长的聚合物不仅可穿过两个纳米过滤孔，也可具有沿着所述纳米过滤膜平放的其长度的一部分，以增加发生摩擦及黏附的可能性，因而大大地增加了在分布中的较长的通过时间尾部的尺寸。在穿过在所述纳米过滤r件中的两个或多个小孔的同时而足够长以具有在所述感测孔中的两个末端的多个聚合物呈现出多个可预测的堵塞模式，在所述多个可预测的堵塞模式中，在穿过两个纳米过滤孔时，所述聚合物的所述两个末端可被所述感测孔捕捉，从而将感测器阻塞。此设定了所述聚合物的所述长度的一上限，其对于一特定的间隔件几何形状能够可靠地以所述纳米装置40进行研究。
一种用于改善一目标分子移位通过所述纳米装置40的一感测膜的方法被阐述。作为一起始点，所述感测结构被定位在所述纳米装置的所述流体通道中，如上所描述。通过横跨所述感测结构来施加一电位以驱使一目标聚合物通过所述纳米孔。接着，量测所述目标聚合物通过在所述感测膜中的所述纳米孔的通行时间。值得注意的是，所述一个或多个间隔件被配置用以将所述过滤膜与所述感测膜分开，且所述一个或多个间隔件的尺寸使得所述距离小于所述目标分子的轮廓长度。在一些例子中，形成在所述过滤膜中的所述多个纳米孔也被配置用以确保所述聚合物不会造成堵塞。例如，对于所述过滤膜的多个尺寸可被设计如下h+x/2>L/3这是一宽泛的界限，并取得一些程度的松解。较严格的界线为2h+x>L。意即，在所述过滤膜中的所述多个纳米孔具有在任两个所述小孔之间的一平均最近邻近距离，使得两倍的在所述过滤膜与所述感测膜之间的所述距离加上在任两个所述纳米孔之间所述平均最近邻近距离的总和大于所述目标分子的轮廓长度。
对于在可有用地以所述纳米装置40进行研究的范围中的多个聚合物而言，所述过滤膜12抑制了所述通行时间的标准差，进而允许如在图9至图11中所见的所述通行时间分布的最大解析度。此作用的根源在于在DNA穿过所述过滤膜时的DNA的拉长及伸长。在这样进行时，为了穿过所述过滤件，DNA必须解卷绕并伸长，因为所述多个纳米过滤孔对于DNA来说太小，以至于无法以一卷绕的构型通过。一旦一末端位在所述两个膜之间的空间中，就会存在一电场梯度，其表示所述聚合物的引导端(最接近于所述感测孔)将相较于所述聚合物的其余部分经历一较强烈的拉力。这种拉长的机制也在不具有所述过滤膜的情况下发生。然而，结合上来自于与所述过滤膜相接触的摩擦力，所述聚合物将拉长的更多，以减少所述聚合物在捕获前可能呈现出的构象的数量。因为所述聚合物为了穿过所述过滤件必须进行直线化并将其本身拉长，故所述过滤膜限制了所述聚合物在其通过时可采用的构象数量，从而导致每次皆具有高度一致的移位动力学。
虽然所述电场梯度依然存在于控制组装置中，但由于按照所述感测孔的所述直径的二次方而成比例的物理性范围，故与在所述过滤膜不存在时相比，所述延长并不完全，特别是对于多个小孔而言。因此，所述过滤膜消除了与所述感测孔的尺寸及其尺寸的稳定性的依赖性，从而使所有的小孔，甚至是很小的小孔，成为所述有兴趣的分析物所通行的非常具有一致性的感测器。本质上，所述过滤膜为一机制，当多个聚合物接近所述感测孔时，通过所述机制使所述多个聚合物最大程度地拉长。
在所述示例性实施例中，将在所述过滤膜中的所述多个小孔随机地分布。由于将所述过滤孔随机分布的事实，限定了上面所讨论的多个规范的聚合物的所述长度可取决于靠近所述感测孔的所述多个纳米过滤孔的局部分布而有些微的变化。尽管如此，有可能预测所述多个规范平均落下的地方。在其他实施例中，在所述过滤膜中的所述多个小孔的样式及位置可被控制，如此也可以预测所述多个规范落下的地方。
在其他例子中，堵塞可被用于延长所述聚合物在所述感测孔中花费的时间。对于此应用，所述纳米装置的多个尺寸应该被调整，以使所述有兴趣的聚合物在很长的范围中。一堵塞的聚合物可被可控制地移除，例如，通过在堵塞时，将一交流电场迭加在一直流电场上。在所述小孔中的所述聚合物的被延长的寿命将允许更准确的沿着所述聚合物长度的多个特征的图谱绘制，及/或用于多个侦测目的的较低频宽的电子设备的使用。
纳米孔尺寸光谱仪为对于所述纳米装置40的另一个应用。因为所述通行时间的所述标准差在使用一纳米过滤件时为最小(参见图9及图10)，故这样可被利用以改善用于区分多个DNA片段的混合群组的DNA尺寸的解析度。此处的关键改良为，虽然以前的多个常规的纳米孔仅可通过区分DNA的长度以实现约1000-碱基对(bp)的解析度，或者假如所述孔洞精准地为正确的尺寸，它们就可以实现约400-bp的解析度(具体地，将100-bp与500-bp区分开)，但所提出的纳米装置40可通过使用任何尺寸的感测孔来在短聚合物至中等聚合物的长度范围中实现500-bp的解析度，即使所述感测孔在一氯化锂盐类中不稳定。通过使用不同的阳离子种类以屏蔽DNA的电性，例如钾离子，例如在一氯化纳溶液中，来预期会有最佳的表现(例如，约100bp)。在不具有所述过滤膜的情况下，所述分布关键是取决于所述感测孔的尺寸，其使得所述装置不可靠且容易发生故障，然而，在适当的位置具有所述过滤膜的情况下，则不存在此依赖性，且尺寸光谱仪变得更可靠。
在本公开的另一方面中，所提出的感测结构也可被配置用以抑制多个分子的折迭移位。在此方面中，所述感测结构再次如上所述的被定位在所述纳米装置的所流体通道中。通过横跨所述感测结构来施加一电位以驱使一目标聚合物通过在所述感测结构中的所述纳米孔，并量测所述目标聚合物通过在所述感测膜中的所述纳米孔的通行时间。在此例子中，在任两个所述纳米孔之间的所述平均最近邻近距离被配置成以一特定的方式来抑制折迭的进行。具体地，所述多个纳米孔形成在所述过滤膜中，并具有在任两个所述纳米孔之间的一平均最近邻近距离，使得当所述目标分子在一游离溶液中时，在任两个所述纳米孔之间的所述平均最近邻近距离小于所述目标分子的回转半径。
实验数据验证了这种用于抑制折迭的方法。将类型1事件定义为DNA的单列(single-file)通行，将类型2事件定义为所述DNA在中间被折迭且完全折迭的进行移位的事件，以及将类型21事件定义为部分折迭的事件，其中所述事件从折迭状态开始。折迭分数被定义为
Figure BDA0002249621420000151
花费在所述折迭状态t2的时间对上总通行时间与所述折迭时间的总和ttotal+t2的比率。这可被使用作为用于沿着DNA骨架的部分折迭位置的代理数。类型1事件具有f＝0，类型2事件具有f＝0.5，以及部分折迭的类型21事件落于两者之间。每个类型的多个示例可参见图13的插页。
请继续参考图13，应当注意的是，被研究的八个所述纳米装置中的两个几乎完全抑制了折迭移位，即便所述感测孔足够大以允许进行折迭通行。然而，剩余的六个所述纳米装置显示出相似于所述控制组装置(意即，不具有一过滤膜)的表现结果。由于以一特定的装置来研究对于所有的DNA长度的折迭抑制的发生与否，因此其必须为负责折迭抑制的所述过滤膜的一静态特性，然而，极可能是因为在所述过滤件中的所述多个小孔的尺寸及位置是随机分布的，故所述静态特性不一定存在于每个纳米装置中。
因为DNA为一刚性聚合物，故其需要一强大的力以折迭进入一纳米孔中。由于所述过滤膜的低阻抗，因此绝大部分的电压横跨所述感测孔降下，且仅有一非常小的电压降下，从而使一很小的力存在于所述过滤膜。因为所述电场从所述感测孔开始衰减，如同以距离所述感测孔的径向距离的平方数的方式，故仅有在远离所述感测孔的大约为所述间隙高度的一侧边距离内的所述多个纳米过滤孔实际上具有足够横跨它们降下的电压，以便允许DNA的通行。对于所考虑的孔隙率而言，这意味着少于八个所述纳米过滤孔正在主动地使DNA通过。假如所有接近于所述感测孔的所述纳米过滤孔皆非常小(意即，被定义为小于双股DNA的持久长度(persistence length)，或约30纳米)，则接着所述力将不足以允许DNA以一折迭的构型通过所述过滤件。因为所述DNA花费在所述多个膜之间的时间不足以完全地松开，故在所述过滤件处的未折迭的通行将倾向为在所述感测孔处的未折迭的通行。在此例子中，通过具有很小的纳米过滤孔来使所述过滤膜最佳化。
可选择地，假如最靠近所述感测孔的所述两个纳米过滤孔刚好非常接近于彼此，使得通过所述纳米过滤件的任何DNA分子几乎总是从任何一末端同时被所述两个小孔捕捉住，接着，所述DNA分子将必须进行直线化，并在其真正可以移位之前，选择一纳米过滤孔通过(意即，如在图7C中所描述的情况)。因为所述聚合物将在移位至所述感测孔之前通过与多个拉力竞争来被直线化，故此过程将倾向于将所述DNA直线化，并促进未折迭的捕捉。在此例子中，通过具有一非常高的孔隙率来使所述过滤膜最佳化，使得在所述多个小孔之间的平均距离小于所述膜间的间隙高度，而能够进行折迭抑制，即使所述多个纳米过滤孔不一定小于所述聚合物的所述持久长度。
在此情况下，为了使折迭被抑制，需要x<<L(例如，x<L/5)，如此，所述聚合物非常可能穿过两个纳米过滤孔，且需要h>L/2，如此所述聚合物不会太长以至于使两个末端能够同时进入所述感测孔中。再次地，Y仅被限制为其必须足够小以能够防止所述柔性的过滤膜接触到所述感测膜。为了抑制1000bp的双股DNA(340纳米)进行折迭，例如，将需要x<68纳米及h>170纳米。Y＝1000纳米在此也适用于所使用的所述纳米过滤件的多个特征(50纳米厚)。其他尺寸可被限制成如上面所述。
控制一目标聚合物的移位的另一个方法为进入及离开在所述感测结构的所述过滤膜与所述感测膜之间的一腔体。通过横跨所述感测结构来施加一电位以驱使一目标聚合物进入所述腔体。例如，假如所述纳米装置40反向运行，如此DNA从所述感测孔的侧边被捕捉住，并被拉入所述膜间的空间中，则其作用为一熵陷阱(entropic trap)。因为在所述纳米过滤件与所述感测膜之间的所述间隙内部的所述DNA上的力很小，所以与假设在适当的位置没有所述纳米过滤件的情况相比，DNA将倾向于有较长的时间被捕集在那里。因此，所述目标聚合物被捕集在所述腔体中。为了使这种捕集时间最大化，最重要的是利用一很大的膜间间隙h，其至少与所述感测孔的所述捕获半径一样大(通常近似于100至1000纳米)。这样确保横跨所述纳米过滤件的电压的降下不足以克服扩散，且应该造成非常长的捕集时间。所述捕获半径很难评估，但通常近似于100至1000纳米，因此可以说对于双股DNA的要求是h>1000纳米及d<30纳米。随后，通过反转横跨所述感测结构所施加的所述电位来将所述目标聚合物从所述腔体中喷射出。与此装置的差异为其可以操作任何长度的合适于装配至所述间隙中的聚合物。
用以使所述捕集时间最大化的多个额外可调整的参数是利用多个非常小的纳米过滤孔(例如，<30纳米)，所述多个非常小的纳米过滤孔将存在有针对移位的一较大的熵障蔽。所述孔隙率的增加也将减少在所述纳米过滤间的所述电场，从而使逃脱更加困难。一般而言，在所述纳米过滤孔的尺寸与孔隙率之间具有一相互作用，且这些参数必须一起调整以使所述捕集时间最大化。对于多个捕集应用来说，最重要的所述参数为所述纳米过滤膜的活性区域的电阻对上所述感测孔的活性区域的电阻的比率；对于多个熵陷阱的应用，此数值应该非常小。例如，由所述过滤膜表现出的所述电阻对上由所述感测膜表现出的所述电阻的所述比率小于0.01。
图14显示出用于作为多个熵陷阱的这些装置的操作的原理验证数据，其显示出多个被捕集的分子的加载及随后的回收。多个纳米笼可找到作为纳米层级反应器的应用，其中DNA经由所述感测孔被加载至所述陷阱中，其在此与一些小分子进行交互作用，所述一些小分子存在于所述系统的所述纳米过滤件的一侧上，并且足够小以自由地扩散通过所述过滤件且进入所述膜间的空间中。接着，所述电压被反转以再捕捉及研究多个反应产物。
另一个可能的应用为一浓缩器，其中，在反转及降低所述电压的强度以及于低电压下进行再捕捉以进行更详细研究之前，一低丰度的样品在高电压下被捕捉至所述膜间间隙中，以便在所述间隙内部产生一局部的高浓度。
所述过滤膜通常作为一过滤器。这些纳米过滤器具有对于多个球形分子的一严格的尺寸排他性，同时允许多个线性聚合物通过，即便它们的游离溶液尺寸大于所述多个纳米过滤孔。这可被使用作为一过滤器以清理含有大量不同种类的生物分子的一真实世界中的样品(例如血液)，否则所述多个生物分子会堵塞住所述感测孔。为了排除所有的背景分子，并同时仅允许有兴趣的目标物通行，可调整所述多个纳米过滤孔的尺寸。在此所需要的是所述多个纳米过滤孔足够小以排除需要被过滤掉的最小的粒子(d<f)，其中f为需要被过滤掉的最小的粒子的直径，并且在研究当下的所述多个目标聚合物为短长度至中等长度。因此，所述多个纳米过滤器的多个尺寸将取决于在所述样品中的多个所期望的分子的应用及尺寸而有变化。
因为在所述纳米过滤器与所述感测孔之间的所述间隙中的所述流体必须是静止且不流动的，故甚至当侧向流动存在于所述纳米过滤膜上方时，所述纳米过滤器可被使用以创造与所述感测孔相接触的一流体的无剪切(shear-free)区域。因为在所述感测孔位置不发生剪切流，并同时也允许在所述纳米过滤器上方使用流体，以便促进将新的分析物带至所述小孔的附近，故这样能够有通过所述感测孔的一聚合物的高捕获率。
所述多个实施例的前面的描述已经被提供用于多个说明及描述的目的。其并非旨在为详尽无遗的或用以限制本公开。一特定的实施例的多个个别的元件或特征通常不限于所述特定实施例，而是在适用的情况下是可互换的，并且可被使用于一被挑选的实施例中，即便未被具体地示出或描述。同样的也可以许多方式进行变化。这样的变异不被认为是脱离本公开，且所有的这样的修改旨在被包括在本公开的范围内。
本文所使用的术语仅出于描述多个特定的示例性实施例的目的，且并非旨在进行限制。在本文所使用，除非上下文另外清楚地指出，否则多个单数形式“一个”(“a”,“an”)及“所述”(“the”)可旨在也包括多个复数形式。多个术语“包含”(“comprises”,“comprising”)、“包括”(“includes”,“including”)及“具有”(“have”)皆为包含性的，并因此具体指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件及/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件及/或其群组的存在或添加。除非具体地确认为一执行的顺序，否则本文所描述的方法步骤、过程及操作并非被解释为必须以所讨论或说明的特定顺序来执行。
当一元件或层体被称为在另一元件或层体“上”或“接合至”、“连接至”、“放置于”或“联接至”另一元件或层体时，其可以直接在所述其他元件或层体上或接合至、连接至、放置于或联接至所述其他元件或层体，或者可存在介于中间的多个元件或多个层体。相反地，当一元件被称为“直接在”另一元件或层体“上”或“直接接合至”、“直接连接至”或“直接联接至”另一元件或层体时，可能不存在介于中间的多个元件或多个层体。用于描述多个元件之间的关系的其他用词应该以类似的方式诠释(例如，“在…之间”对上“直接在…之间”、“邻近于”对上“直接邻近于”等)。如本文所使用，术语“及/或”包括一个或多个相关列出项目的任何及所有的组合。
虽然多个术语第一、第二、第三等可被本文使用以描述各种元件、组件、区域、层体及/或部分，但这些元件、组件、区域、层体及/或部分不应受到这些术语的限制。这些术语仅可用于将一个元件、组件、区域、层体或部分与另一区域、层体或部分区分开。除非上下文清楚地指出，否则在本文中使用时，多个术语，例如“第一”、“第二”及其他数字术语，并非暗示一顺序或次序。因此，在不脱离所述多个示例性实施例的教学的情况下，下面所描述的一第一元件、组件、区域、层体或部分可被称为一第二元件、组件、区域、层体或部分。
为了便于描述，多个空间上的相对术语，例如，“内部”、“外部”、“之下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等相似术语，可被使用于本文中以描述如在多个附图中所说明的一元件或特征与另一(多个)元件或特征的关系。多个空间上的相对术语除了在所述多个附图中描绘的方位之外，可旨在涵盖使用中或操作中的装置的不同方位。例如，假如在所述多个附图中的所述装置被翻转，则被描述为在其他元件或特征的“下方”或“之下”的多个元件将接着被定向为在其他元件或特征的“上方”。因此，所述示例术语“下方”可涵盖上方及下方两种方位。所述装置可以其他方式被定向(转动90度或在其他方位)，并且相应地诠释本文所使用的空间上的相对描述语。

Claims (21)

1.一种用于控制一目标分子移位通过一纳米孔的系统，其特征在于：所述系统包含︰
一感测膜，沉积在一基板上，其中所述感测膜包括形成在所述感测膜中的一单一的纳米孔；
一个或多个间隔物，放置在所述感测膜的一暴露出的顶部表面上；
一过滤膜，放置在所述一个或多个间隔物的上方，并放置在所述感测膜的所述顶部表面上，其中所述感测膜、所述一个或多个间隔物及所述过滤膜形成一感测结构，且所述过滤膜包括多个形成在所述过滤膜中的纳米孔；
两个腔室，配置用以容纳一流体，且所述两个腔室通过一流体通道彼此流通地相联接，其中所述感测结构被放置在所述流体通道中，从而防止所述流体除了通过形成在所述感测结构中的所述多个纳米孔以外来在所述两个腔室之间通行；及
两个电极，电联接至一电压源，且所述两个电极被配置用以横跨所述感测结构来施加一电位，使得所述两个腔室的每一个中放置了一电极。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述过滤膜通过相近于在所述目标分子的轮廓长度的一距离来与所述感测膜分离。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：形成在所述过滤膜中的所述多个纳米孔中的一纳米孔的平均尺寸小于所述目标分子的回转半径的两倍。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述过滤膜被配置成表现出相较于所述感测膜所表现出的电阻低的电阻。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述过滤膜及所述感测膜限定在所过滤膜与所述感测膜之间的一空间，使得当所述目标分子在一游离溶液中呈一卷绕形式时，在所过滤膜与所述感测膜之间的所述空间的体积小于所述目标分子的体积的一千倍。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述感测膜由一介电材料构成。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述感测膜由一个二维材料构成。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述一个或多个间隔物被配置用以使所述过滤膜通过一距离与所述感测膜分开，且所述一个或多个间隔物的尺寸使得所述距离小于所述目标分子的轮廓长度。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于：形成在所述过滤膜中的所述多个纳米孔具有在任两个所述纳米孔之间的一平均最近邻近距离，使得两倍的在所述过滤膜与所述感测膜之间的所述距离加上在任两个所述纳米孔之间的所述平均最近邻近距离的总和大于所述目标分子的所述轮廓长度。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于：形成在所述过滤膜中的所述多个纳米孔具有在任两个所述纳米孔之间的一平均最近邻近距离，使得当所述目标分子在一游离溶液中时，在任两个所述纳米孔之间的所述平均最近邻近距离小于所述目标分子的回转半径。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述过滤膜被配置用以表现出电阻，且所述感测膜被配置用以表现出一电阻，使得由所述过滤膜表现出的所述电阻除以由所述感测膜表现出的所述电阻的商数小于0.01。
12.一种用于控制一目标分子移位通过一纳米孔的感测结构，其特征在于：所述感测结构包含：
一感测膜，具有形成在所述感测膜中的一单一的纳米孔；
一个或多个间隔物，放置在所述感测膜的一表面上；及
一过滤膜，放置在所述一个或多个间隔物的上方，并放置在所述感测膜的所述表面上，其中所述过滤膜包括形成在所述过滤膜中的多个纳米孔，且所述一个或多个间隔物的尺寸使得所述过滤膜通过相近于在所述目标分子的轮廓长度的一距离来与所述感测膜分离。
13.如权利要求12所述的感测结构，其特征在于：所述过滤膜被配置成表现出相较于所述感测膜所表现出的电阻低的电阻。
14.如权利要求12所述的感测结构，其特征在于：所述过滤膜及所述感测膜限定了在所过滤膜与所述感测膜之间的一空间，使得当所述目标分子在一游离溶液中呈一卷绕形式时，在所过滤膜与所述感测膜之间的所述空间的体积小于所述目标分子的体积的一千倍。
15.如权利要求12所述的感测结构，其特征在于：形成在所述过滤膜中的所述多个纳米孔具有在任两个所述纳米孔之间的一平均最近邻近距离，使得两倍的在所述过滤膜与所述感测膜之间的所述距离加上在任两个所述纳米孔之间的所述平均最近邻近距离的总和大于所述目标分子的所述轮廓长度。
16.如权利要求12所述的感测结构，其特征在于：形成在所述过滤膜中的所述多个纳米孔具有在任两个所述纳米孔之间的一平均最近邻近距离，使得当所述目标分子在一游离溶液中时，在任两个所述纳米孔之间的所述平均最近邻近距离小于所述目标分子的回转半径。
17.如权利要求12所述的感测结构，其特征在于：所述过滤膜被配置用以表现出电阻，且所述感测膜被配置用以表现出一电阻，使得由所述过滤膜表现出的所述电阻除以由所述感测膜表现出的所述电阻的商数小于0.01。
18.一种用于控制一目标聚合物移位通过一感测膜的方法，所述感测膜具有形成在所述感测膜中的一单一的纳米孔，其特征在于：所述方法包含：
将一感测结构定位于一流体通道中，所述感测结构具有放置于一感测膜上的一过滤膜，其中所述过滤膜包括形成在所述过滤膜中的多个纳米孔，且所述过滤膜通过一个或多个间隔物与所述感测膜分开；
通过横跨所述感测结构来施加一电位以驱使一目标聚合物通过在所述感测结构中的所述纳米孔；及
量测所述目标聚合物通过在所述感测膜中的所述纳米孔的通行时间，其中使所述过滤膜与所述感测膜分开的一距离小于所述目标分子的轮廓长度。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于：在所述过滤膜中的多个纳米孔的形成具有在任两个所述纳米孔之间的一平均最近邻近距离，使得两倍的在所述过滤膜与所述感测膜之间的所述距离加上在任两个所述纳米孔之间的所述平均最近邻近距离的总和大于所述目标分子的所述轮廓长度。
20.一种用于控制一目标聚合物移位通过一感测膜的方法，所述感测膜具有形成在所述感测膜中的一单一的纳米孔，其特征在于：所述方法包含：
将一感测结构定位于一流体通道中，所述感测结构具有放置于一感测膜上的一过滤膜，其中所述过滤膜包括形成在所述过滤膜中的多个纳米孔，且所述过滤膜通过一个或多个间隔物与所述感测膜分开；
通过横跨所述感测结构来施加一电位以驱使一目标聚合物通过在所述感测结构中的所述纳米孔；及
量测所述目标聚合物通过在所述感测膜中的所述纳米孔的通行时间，其中形成在所述过滤膜中的所述多个纳米孔具有在任两个所述纳米孔之间的一平均最近邻近距离，使得当所述目标分子在一游离溶液中时，在任两个所述纳米孔之间的所述平均最近邻近距离小于所述目标分子的回转半径。
21.一种用于控制一目标聚合物移位至一纳米装置的一感测结构中的方法，其中所述感测结构包括一过滤膜及一感测膜，所述过滤膜具有多个纳米孔，所述感测膜具有形成在所述感测膜中的一单一的感测纳米孔，其特征在于：所述方法包含：
驱使一目标聚合物通过在所述感测结构中的所述感测纳米孔，并进入形成在所述过滤膜与所述感测膜之间的一腔体中，其中通过横跨所述感测结构来施加一电位以驱使所述目标聚合物；
将所述目标聚合物捕集于所述腔体中，其中将所述过滤膜与所述感测膜分开的距离大于所述目标聚合物的捕获半径；及
通过反转横跨所述感测结构所施加的所述电位来喷射出来自于所述感测结构中的所述腔室中的所述目标聚合物。
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