CN115989410A - 纳米孔感测装置 - Google Patents

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Abstract

一种纳米孔感测装置包括设有在第一腔室与第二腔室之间延伸的多个流体通道的平面结构。所述平面结构支撑跨越相应通道的膜中的纳米孔，且传感器电极布置成感测所述纳米孔与所述第二腔室之间的相应通道中的流体电势。所述通道包括在所述传感器电极与所述第二腔室之间的平面流体电阻器部分，所述平面流体电阻器部分在所述平面结构的平面方向上延伸且被配置成形成流体电阻器。

Description

纳米孔感测装置
本发明涉及一种纳米孔感测装置。
已开发纳米孔感测装置以用于感测广泛范围的物质，包含单分子，如聚合物分子。已知纳米孔感测装置为由牛津纳米孔科技有限公司(Oxford Nanopore TechnologiesLtd)制造及销售的MinIONTM。其中基于纳米孔的感测采用穿过位于高电阻性两亲膜中的生物纳米孔的离子电流的测量值。MinIONTM具有纳米孔传感器阵列。当使得分子(如聚合物分析物，例如DNA)使纳米孔移位时，对离子电流中的波动的测量可以用于确定DNA链的序列。还从WO2013/123379中已知用于检测除多核苷酸之外的分析物(如蛋白质)的纳米孔装置。
许多纳米孔感测装置，例如MinIONTM使用生物纳米孔，但替代方案是使用固态纳米孔。使用固态纳米孔的纳米孔感测装置的实例公开于WO2016/127007中，所述文献以全文引用的方式并入本文中。固态纳米孔传感器的性能受到感测组件、制造技术以及可能会由于纳米孔的形成或传感器的组装的变化而发生的其公差的限制。这些因素和其它因素损害了控制此类纳米孔传感器的带宽、灵敏度和能力。
本发明涉及克服与实施具有多个纳米孔传感器的纳米孔传感器装置相关联的问题。
根据本发明的一方面，提供了一种纳米孔感测装置，其包括：第一腔室和第二腔室；平面结构，其设有在第一腔室与第二腔室之间延伸的多个流体通道，所述平面结构被配置成支撑跨越相应通道的膜中的纳米孔；传感器电极，其布置成感测纳米孔与第二腔室之间的相应通道中的流体电势，其中通道包括在传感器电极与第二腔室之间的平面流体电阻器部分，所述平面流体电阻器部分在平面结构的平面方向上延伸且被配置成形成流体电阻器。
通过提供平面流体电阻器部分，分压器跨越传感器电极而形成，所述传感器电极包含在一个支腿中的纳米孔的电阻，且包含在另一个支腿中的平面流体电阻器部分的电阻。因此，由传感器电极在通道中感测到的流体电势允许感测流动穿过通道的电流，且因此感测纳米孔。这允许纳米孔感测。
此外，与由延伸穿过平面结构的厚度的出入孔形成的流体电阻器部分相比，在平面结构的平面方向上延伸的平面流体电阻器部分的形成提高了制造的简易性。这是因为纳米孔的典型电阻意味着流体电阻器部分需要设有相对较高的电阻来执行具有纳米孔的分压器。因此，由延伸穿过平面结构的厚度的出入孔形成的流体电阻器部分需要相对较长且具有难以制造的相对较高纵横比。相比而言，在平面结构的平面方向上延伸的平面流体电阻器部分原则上更容易形成。然而，其配置和形成仍然是技术问题，且本发明的以下一些方面涉及提高制造的简易性。
流体电阻器部分的形状可为线性的。流体电阻器部分可具有连续线性形状，而不具有弯曲或转弯。流体电阻器部分的形状可为线性的且在垂直于平面结构的方向上延伸。流体电阻器部分的流体电阻可小于纳米孔的电阻。流体电阻器部分的流体电阻可在小于纳米孔的电阻的50％与其约1％之间。流体电阻器部分的流体电阻可为纳米孔的电阻的约10％。一方面，平面结构包括：纳米孔支撑层，其配置成支撑跨越通道延伸的膜中的纳米孔；以及另一层，其中形成平面流体电阻器部分。
通过在与支撑膜中的纳米孔的纳米孔支撑层不同的层中形成平面流体电阻器部分，纳米孔支撑层可被设计且制造有合适的特性以用于纳米孔支撑，同时允许平面平面流体电阻器部分形成于具有不同材料特性的另一层中。
在一些类型的实施例中，纳米孔支撑层设有通向第一腔室的凹穴，所述凹穴形成通道的部分且被配置成支撑跨越凹穴延伸的所述膜中的所述纳米孔。
另一层可为介电层。这通过准许使用适合于处理介电材料的各种技术，例如沉积和去除工艺来促进平面流体电阻器部分的制造。
第一腔室和第二腔室可在平面结构的相对侧上，使得通道延伸穿过平面结构。在那种情况下，衬底可设有延伸穿过其中且形成通道的部分的出入孔。
在可与单独纳米孔支撑层组合但不依赖于其的另一方面中，第一腔室和第二腔室在平面结构的相对侧上，使得通道延伸穿过平面结构。在那种情况下，平面结构可包括：衬底；以及另一层，其由衬底支撑，其中平面流体电阻器部分形成于另一层中，且衬底设有延伸穿过其中以形成通道的部分的出入孔。
这通过允许在衬底上处理另一层来促进平面流体电阻器部分的制造。举例来说，另一层可为介电层，如上文所提及，其通过准许使用适合于处理介电材料的各种技术，例如沉积和去除工艺来促进平面流体电阻器部分的制造。
在一些实施例中，另一层在第一腔室与衬底之间。有利地，这将其中形成平面流体电阻器部分的另一层定位成更靠近通道内的纳米孔。
有利地，每一出入孔可通过共同流体连接到多个平面流体电阻器部分而由多个通道共享。这准许增大跨越平面结构的区域的通道和纳米孔的面积密度。
衬底可为半导体晶片。这准许使用传统半导体处理技术在另一层中形成平面流体电阻器部分。
另外，平面结构可进一步包括由半导体晶片支撑的电路层，所述电路层包括连接到传感器电极的电路组件。这允许半导体晶片提供支撑电路层和另一层两者的衬底，其中平面流体电阻器部分形成在所述另一层中。
在此情况下，有利地，电路层形成于半导体晶片上且介电层形成于电路层上。此顺序简化制造以提供电路层和其中形成平面流体电阻器部分的另一层。
在其它实施例中，平面结构进一步包括半导体晶片，所述半导体晶片具有由其支撑的电路层，所述电路层包括连接到传感器电极的电路组件，半导体晶片和电路层设有延伸穿过其中且形成通道的部分的出入孔，且衬底在半导体晶片与第二腔室之间接合到半导体晶片。
在其它实施例中，平面结构包括：衬底；电路层，其由半导体晶片支撑，所述电路层包括连接到传感器电极的电路组件；以及纳米孔支撑层，其配置成支撑跨越通道延伸的膜中的纳米孔，平面流体电阻器部分形成于纳米孔支撑层中。这通过准许适合于处理纳米孔支撑层的各种技术来促进平面流体电阻器部分的制造。
在此情况下，纳米孔支撑层可设有通向第一腔室的凹穴，所述凹穴形成通道的部分且被配置成支撑跨越凹穴延伸的所述膜中的所述纳米孔。
第一腔室和第二腔室可在平面结构的相对侧上，在此情况下，通道延伸穿过平面结构。衬底可设有延伸穿过其中的出入孔，所述出入孔形成通道的部分。
出入孔可通过共同流体连接到多个平面流体电阻器部分而由多个通道共享。当出入孔在两个或更多个通道之间共享时，出入孔的电阻配置成抑制通道之间的串扰。通道内的普通出入孔的电阻可忽略不计。
衬底可为半导体晶片。
在任何实施例中，有利地，平面流体电阻器部分可沿着迂曲路径延伸。这有助于封装具有足够长度的平面流体电阻器部分以在平面结构上的离散区域内提供所要电阻，由此有助于增大纳米孔传感器的面积密度。
在任何实施例中，有利地，平面流体电阻器部分可包括多个区段，所述区段各自在平面结构的平面方向上延伸，但在平面结构内的不同深度处。这有助于封装具有足够长度的平面流体部分以在平面结构上的离散区域内提供所要电阻，由此有助于增大纳米孔传感器的面积密度。在不同深度处的区段可重叠。
为了允许更好地理解，现将参考附图借助于非限制性实例描述本发明的实施例，在附图中：
图1为纳米孔感测装置的横截面图；
图2为纳米孔感测装置的平面结构的横截面图；
图3为平面结构的平面图；
图4为纳米孔感测装置的电路的图；
图5为可形成于平面结构的介电层中的平面流体电阻器部分的平面图；
图6a至6j为在平面结构的制造期间处理的层的一系列横截面图；
图7为具有第一经修改构造的平面结构的横截面图；
图8a和8b为具有第二和第三经修改构造的平面结构的横截面图；
图9为形成于平面结构的介电层中的平面流体电阻器部分的替代性配置的平面图；
图10a至10m为在平面结构的制造期间处理的层的一系列横截面图，其中平面流体电阻器部分具有图9的替代性配置；
图11a至11d为在具有第四经修改构造的平面结构的基底层的制造期间处理的层的一系列横截面图，其中平面流体电阻器部分形成于接合到半导体晶片的衬底上；以及
图12a至12f为在具有第五经修改构造的平面结构的制造期间处理的层的一系列横截面图，其中平面流体电阻器部分形成于纳米孔支撑层中。
图1展示如下布置的纳米孔感测装置1。
纳米孔感测装置1包括第一腔室3和第二腔室4，其中平面结构10在第一腔室3与第二腔室4之间。在使用时，第一腔室3和第二腔室4填充有流体，例如离子溶液或离子液体。第一腔室3和第二腔室4在图1中示意性地示出，但可以任何合适的结构布置。
第一腔室3和第二腔室4可关闭，或可布置为准许溶液流动穿过其的流动池的部分。
平面结构10设有在第一腔室3与第二腔室4之间延伸的多个流体通道20。因此，流体通道20在使用时填充有流体，且以流体方式连接第一腔室3和第二腔室4。每一流体通道20连接到第一腔室3和第二腔室4，因此纳米孔22处于流体连通的平行路径中。多个流体通道20可布置成跨越平面结构10的二维阵列。
在图1中，平面结构10的构造未在图1中示出，并且因此示意性地示出了流体通道20。下文详细描述平面结构10和流体通道20的配置。
在此实例中，由于第一腔室3和第二腔室4在平面结构10的相对侧上时，因此通道20延伸穿过平面结构10。然而，作为替代方案，第一腔室3和第二腔室4可布置在平面结构10的同一侧上的不同位置中。
在此实例中，驱动电极5、6设置在第一腔室3和第二腔室4中。在使用时，可跨越驱动电极5、6且因此跨越每一流体通道20施加电势差，以使分析物在第一腔室3与第二腔室4之间流动。驱动电极5、驱动电极6可配置成跨越所有流体通道20施加大体上相同的电势差。另外或替代地，纳米孔感测装置1可配置成使用其它技术使分析物流动穿过流体通道20。
第一腔室3可充当顺式腔室，且保持待由纳米孔感测装置1分析的分析物。第二腔室4可充当反式腔室，且从第一腔室3接收分析物。
如下文更详细地描述，平面结构10支撑跨越相应通道20延伸的膜22中的纳米孔23。适合的膜22和纳米孔23的实例描述于下文中。
流体通道20各自设有传感器电极24，所述传感器电极布置成感测纳米孔23与第二腔室4之间的相应通道20中的流体电势。当分析物穿过纳米孔22时，由传感器电极24检测由离子电流的变化引起的电势的波动。因此，通道20和形成于其中的传感器电极24充当纳米孔传感器装置1中的相应传感器。
图2示出平面结构10的构造，为了清楚起见展示多个流体通道20中的单个流体通道，如下所述。
平面结构10包括固定在一起的纳米孔支撑层30和基底层100。
纳米孔支撑层30配置成支撑跨越通道20延伸的膜22中的纳米孔23。特别地，纳米孔支撑层30设有通向第一腔室3的凹穴31。凹穴31形成通道20的部分。凹穴31配置成支撑跨越通道20延伸，具体地说是跨越凹穴31的开口延伸的膜22，且进而支撑纳米孔22。纳米孔支撑层30包含包括限定凹穴31的壁33的壁层32。
纳米孔支撑层30可由任何合适的材料制成，例如：陶瓷，例如二氧化硅或氮化硅；光刻胶，例如SU-8或TMMF/TMMR；塑料，例如丙烯酸(PMMA)；或环氧树脂。
图3示出一实例，其中多个凹穴31布置在规则平面阵列中的平面中，所述规则平面阵列在平面图中具有重复结构(从图2中的上方观察)。为简单起见，图3仅显示了九个凹穴4，但纳米孔支撑层30一般可具有任何数量的凹穴31，通常大于九个，例如约1000个或更多，实际上约为100,000个，并且可能达到5,000,000个或更多。凹穴31和对应通道20中的每一个布置在相应占据面积35内。
基底层100在纳米孔支撑层30与第二腔室4之间且包含以下层。基底层100包含半导体晶片101，在此实例中所述半导体晶片形成衬底并且支撑电路层110和介电层120。电路层110包括连接到传感器电极24的电路组件。关于每一通道20的电路组件都布置在与通道20相同的占据面积35内。
半导体晶片101通常由硅制成，但原则上可为适合作为用于电路层110的支撑件的任何半导体材料，例如二氧化硅、石英、玻璃、无定形氧化铝或蓝宝石。
介电层120提供形成通道20的部分的平面流体电阻器部分150，因此在此实例中形成另一层。以此方式，流体通道20在传感器电极24与第二腔室4之间提供流体电阻器。更明确地说，穿过基底层100的流体通道20包含以流体方式串联连接的以下部分：
·如上文所描述的凹穴31或到其的通路；
·介电出入孔121，其从凹穴31延伸穿过介电层；
·平面流体电阻器部分150形成在介电层中且流体连接到介电出入孔121；
·电路层出入孔111，其延伸穿过电路层110且流体连接到平面流体电阻器部分150；以及
·晶片出入孔102，其延伸穿过半导体晶片101且流体连接到电路层出入孔111。
传感器电极24形成于介电出入孔121中。
平面流体电阻器部分150配置成形成流体电阻器。以此方式，流体通道20配置成在传感器电极24与第二腔室4之间提供流体电阻器，如现将参考图4所描述，所述图为纳米孔感测装置1的电路的图。
因此，通道20利用纳米孔23形成分压器50，使得传感器电极24定位于分压器50的两个支腿51与52之间。分压器50的第一支腿51形成于第一驱动电极5与传感器电极24之间，且分压器50的第二支腿52形成于传感器电极24与第二驱动电极6之间。
纳米孔23的电阻以及第一驱动电极5和传感器电极24之间的任何额外溶液电阻存在于分压器50的第一支腿51中。与纳米孔23相比，凹穴31和介电出入孔121可设计成具有最小流体电阻。
平面流体电阻器部分150的流体电阻存在于分压器50的第二支腿52中。电路层出入孔111和晶片出入孔102可设计成具有与平面流体电阻器部分150的流体电阻相比可忽略不计的流体电阻，但这不是必需的，并且所述电路层出入孔和晶片出入孔可设计成具有额外流体电阻。
与通道20相比，第一腔室51和第二腔室52还具有可忽略不计的流体电阻，这是因为通道20的横截面积相对较窄。
传感器电路55配置成感测在通道20中的传感器电极24处的流体的电势。由于分压器50，通过传感器电极24在通道20中感测的流体电势准许感测流动穿过通道20且因此穿过纳米孔23的电流。当物质，例如DNA链上的分子穿过纳米孔23易位时，传感器电极24可检测到电压的波动。这提供纳米孔感测。
传感器电极24位于纳米孔23与平面流体电阻器部分150之间。尽管图2中的配置为一实例，但传感器电极24可位于通道20中的其它地方，例如在凹穴31中。
在一些实施例中，传感器电极126可充当晶体管装置的端子(例如，基极或栅极)，以用于测量传感器电极24的位置处的流体的电势。
传感器电路55的组件中的一些或全部形成于电路层110中。此类组件可包含例如以下各者中的任何一个或多个：传感器电极24充当其端子(例如，基极或栅极)的晶体管装置、放大器、栅极电路等。在传感器电路55的仅一些组件形成于电路层110中时，传感器电路55的其余部分可形成于连接到电路层150的单独集成电路芯片中。
平面流体电阻器部分150和整个通道20的设计中的考量如下。
通道，且明确地说平面流体电阻器部分150可配置成使得当通道22由流体填充时，分压器50的第一支腿51与第二支腿52的电阻大体上匹配，并且与第一腔室3和第二腔室4中的流体的电阻相比相对较高，使得第一腔室3和第二腔室4的电阻不会明显地影响测量。
可通过将分压器50的第一支腿51和第二支腿52的流体电阻选择为相等来优化信噪比。然而，这不是必需的，并且可改变平面流体电阻器部分150的流体电阻以考虑其它因素，同时仍然获得可接受的信噪比。可接受的信噪比可通过使分压器50的第二支腿52的流体电阻显著小于分压器的第一支腿的电阻，例如通过使分压器50的第二支腿52的流体电阻为分压器50的第一支腿51的电阻的10％或更小，例如其2％来实现。在一些实施例中，分压器50的第二支腿52的流体电阻的下限可通过所要信噪比设置。
在选择分压器50的第二支腿52，且具体来说是平面流体电阻器部分150的流体电阻时可考虑的其它因素如下。
随着第二支腿52的流体电阻增加，离子的扩散减小，从而引起靠近孔的离子的消耗增加，并且由此导致信号在获得信号的典型事件的时间标度内衰减。为了增加由这种效应引起的读取长度的限制，可减小平面流体电阻器部分150的流体电阻。在许多实施例中，此因素可对平面流体电阻器部分150的流体电阻设置上限。随着平面流体电阻器部分150的流体电阻增加，纳米孔23两端的电压变化增大，这可能使信号处理复杂化。为了限制这种效应，可减小平面流体电阻器部分150的流体电阻。减小平面流体电阻器部分150的流体电阻可增加带宽或为通道20或膜22中的额外电容提供余地。
考虑到这些因素，分压器的第二支腿的流体电阻可小于纳米孔23的电阻，通常为纳米孔23的电阻的至多50％，或至多25％。在一些实施例中，分压器50的第二支腿52的最优流体电阻可为纳米孔23的电阻的约10％。
当减小分压器50的第二支腿52的流体电阻与分压器50的第一支腿51的电阻的比率时，信噪比并不以所述电阻比率线性地调整。举例来说，在一些实施例中，当分压器50的第二支腿52的流体电阻为纳米孔23的电阻的约10％时，则信噪比为其最优值的约30％。
图5示出如下布置的平面流体电阻器部分150的实例。
平面流体电阻器部分150在平面结构10的平面方向上沿着介电出入孔121与电路层出入孔111之间的迂曲路径延伸。通过为平面流体电阻器部分150提供此类平面配置，可在介电层120中制造所述平面流体电阻器部分。通过为平面流体电阻器部分150提供迂曲路径，平面流体电阻器部分150可具有足够长度，同时被封装在平面结构10上的离散区域内，所述离散区域在此实例中为占据面积35内的近似正方形区域。
在此实例中，流体电阻器部分150的迂曲路径是直线的且包括前后延伸的多个笔直支腿。更一般来说，平面流体电阻器部分150可具有任何合适的迂曲路径，所述迂曲路径为在其两端之间不是直线的任何路径，其范围包含比图5中展示的路径更简单或复杂得多的路径。举例来说，对于迂曲路径的简单变化可包括以类似方式前后延伸但为弯曲配置而非直线配置的多个支腿。在其它实例中，迂曲路径可具有一些其它弯曲形状，包含螺旋形状。
平面流体电阻器部分150的几何形状，特别是其路径长度和横截面积被设计成与待填充的流体一起提供所需流体电阻。也就是说，平面流体电阻器部分150的流体电阻可通过改变其长度、横截面积和其中流体的离子浓度来改变。举例来说，为了增加流体电阻，平面流体电阻器部分150可配置成具有增加的长度与横截面积的比率和/或更低的离子浓度。通道可具有比第一腔室3和/或第二腔室4更低的离子浓度，因为在第一腔室3和第二腔室4中维持相对较高离子浓度会提高信噪比。
在实施例中，平面流体电阻器部分150可具有至少1μm、至少10μm、至少100μm或至少1000μm的长度。
在实施例中，平面流体电阻器部分150可具有特征尺寸(例如面积的平方根)为最多100μm、最多10μm、最多1μm或最多10nm的横截面。
一般来说，可一起选择任何长度和横截面。
一般来说，通道20可具有在传感器电极24处提供可测量信号的任何几何形状。可测量信号将取决于测量电路、带宽、噪声等，但可通常为至少1μV、至少10μV、至少100μV或至少1mV。
用于形成平面结构10的一些方法如下。
在这些方法中的一些中，平面流体电阻器部分150形成于介电层120中。这准许使用适合于处理介电材料的各种技术，例如沉积和去除工艺，从而促进平面流体电阻器部分150的制造。
并且，在这些方法中的一些中，电路层110形成于半导体晶片101上，且介电层120形成于电路层110上，且因此形成于第一腔室3与半导体晶片101之间。这再次简化了制造，因为电路层110可使用传统的半导体处理技术形成，且接着平面流体电阻器部分150形成在顶部的介电层120中。这有助于使用类似技术构造整个基底层100，通常作为半导体制造设施中常见工艺的部分。这还避免了对如平面流体电阻器部分150形成于与半导体晶片101分离的衬底上将需要的单独接合工艺的需要，其中电路层110形成于所述半导体晶片上。
图6a至6j展示在制造方法期间处理的层的一系列视图，所述制造方法如下执行。基底层100由半导体晶片101，例如单个互补金属氧化物半导体(CMOS)硅晶片制成。图6a展示在制造基底层的结构之前的半导体晶片101，其具有深沟槽隔离(DTI)和用于传感器电极24的电路层110中的连接。
在图6b中，金属传感器电极24已被沉积。在此实例中，传感器电极24为大致100nm厚的铂电极，其通过溅镀、蒸镀或电镀而沉积，因为Pt不是典型CMOS铸造厂中的标准金属。已执行表面和开口电极的钝化。钝化可为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)低压氮化物或氮氧化物。500nm-1μm的厚度足以进行钝化，因为在工艺的后期会沉积更多的钝化层。电路层出入孔111穿过电路层110，确切地说是穿过DTI区域而形成，但一般电路层出入孔111可形成于电路层110的其它区域中。通常，穿过DTI的电路层出入孔111的直径大致为6μm且深度为20μm。
图6c展示牺牲聚合物涂层已经由光刻工艺沉积。牺牲聚合物可为聚酰亚胺或任何其它相容的聚合物。牺牲聚合物涂层以平面流体电阻器15部分150的道的形状形成并且还填充电路层出入孔111。牺牲聚合物的厚度限定平面流体电阻器部分150的厚度，所述平面流体电阻器部分的厚度在此实例中大致为300nm。构成平面流体电阻器部分150的迂曲路径的道平面中的宽度将由微机电系统(MEMS)铸造厂选择。在此实例中，宽度为约1μm。对于较大的结构，例如在道平面中的宽度较大的情况下，可能需要沿着迂曲路径支撑柱。这些可通过在牺牲聚合物层中产生额外孔洞来形成(图6中未展示)。
在图6d中，沉积形成介电层120的下部部分的薄钝化层。薄钝化层可为与先前在工艺中所使用的相同的PECVD低压氮化物或氮氧化物。薄钝化层需要具有最小厚度以在制造工艺的后期期间保持结构完整性，但还需要足够薄以准许制造和稍后填充通孔。对于道平面中的1μm宽度的上述实例，薄钝化层的厚度为1-2μm是适当的。
在图6e所示的步骤中，穿过薄钝化层形成开放通孔154以提供对牺牲聚合物的接近(如图5所示)。通孔154暴露牺牲聚合物的侧面以用于蚀刻、溶解或等离子灰化工艺以去除牺牲聚合物。对于例如在平面流体电阻器部分150的迂曲路径中使用的高纵横比道，需要暴露沿着迂曲路径的多个位置以减小蚀刻纵横比。这可通过平面流体电阻器部分150的迂曲路径的设计来促进。图6f展示对牺牲聚合物进行等离子灰化或蚀刻之后的状态。
在图6g中，沉积厚钝化层以填充用于提供对牺牲聚合物的接近的通孔154。厚钝化层(也被称作填充层)应比早期的薄钝化层厚得多，但可由相同的PECVD低压氮化物或氮氧化物材料形成。在此实例中，使用大致5μm的厚度。这允许厚钝化层保持平面流体电阻器部分150的结构完整性。此后，在图6h中，厚钝化层在传感器电极24上方开口以形成介电出入孔121。
在图6i中，从半导体晶片101下方磨削以使其变薄。在此实例中，半导体晶片101被磨薄到大致200-400μm。另外或替代地，半导体晶片101可以在工艺的开始或中间被磨削。这减小了用于形成晶片出入孔102的深反应离子蚀刻(DRIE)工艺的纵横比。在薄化工艺期间，保护半导体晶片的前侧，所述前侧现在保持在早期步骤中沉积的结构。晶片出入孔102由DRIE形成，其停止在保持电路层出入孔111的DTI处。由于晶片出入孔102不是平面流体电阻器部分150的部分，因此其直径可大于迂曲路径的宽度，例如大致20μm，且不具有厚介电质。对于40-50μm间距的芯片来说，这是一个相对简单的工艺。
在此步骤之后，形成完整基底层100。在此之后，支撑半导体晶片101的后(下)侧，且从前/上侧去除保护/支撑件。然后通过进一步层压和光刻在基底层100的前/上侧形成纳米孔支撑层30，以产生完整的平面结构10，如图6j所示。接着可执行最终切割以按需要划分半导体晶片101。
本发明具有可使用单一常规半导体晶片(例如，体CMOS)制造基底层100的优势。此包含制造具有直接沉积在半导体晶片顶部上的牺牲聚合物道的平面流体电阻器部分150。方法进一步使用DTI将电路层110与晶片出入孔102分离，且晶片出入孔102并不提供显著的流体电阻，使得平面流体电阻器部分150可为分压器的第二支腿52中的流体电阻的主要决定因素。
图2中所示且上文所描述的纳米孔感测装置1仅为实例，并且各种替代方案都是可能的。现将描述此类替代方案的一些非限制性实例。
如在图6a至6j中所示的实例中，平面流体电阻器部分150形成于介电层120中与电路层110的接合部处，如图6c所示。替代地，平面流体电阻器部分150可形成于介电层120中的任何其它深度处。作为此替代方案的第一实例，平面流体电阻器部分150可形成于介电层120中的一位置处，所述位置与电路层110的接合部分离且与介电层120的外表面分离，所述介电层与纳米孔支撑层30形成接合部。图2示意性地示出此实例。作为此替代方案的第二实例，平面流体电阻器部分150可在介电层120中形成于介电层120的外表面处，所述介电层与纳米孔支撑层30形成接合部。
在图2和图6a至6j中展示的实例中，电路层110形成于半导体晶片101上，且介电层120形成于电路层110上，这提供上文所描述的优点。然而，作为替代方案，介电层120可安置于电路层110与半导体晶片101之间。此替代方案可使用与上文关于图6a至6j所描述的技术类似的技术来制造，不同之处在于介电层120在电路层110之前形成于半导体晶片101上。
只需对上述方法进行极少的修改，绝缘体上硅(SOI)CMOS晶片就可用于此制造方法。举例来说，图7展示使用SOI半导体晶片101制造的基底层100，所述基底层包含可帮助减小半导体晶片中的寄生电阻的绝缘层160(通常是内埋氧化物)。SOI晶片的唯一要求是绝缘层160应该足够厚以提供可靠的DRIE蚀刻终止层。合适的实例为1μm内埋氧化物(BOX)层。此类材料在半导体制造中很常见，且因此可使用已用于现有技术装置的现有设备将这些改进直接应用于现有SOI CMOS晶片，以使得可容易地实施新设计。
现将描述关于由通道20形成且与纳米孔传感器装置30相关联的相应传感器的面积密度的考虑。
在一些实施例中，传感器的面积密度可相对较低，例如100/mm2(对应于边长为100μm的正方形占据面积35)。在此情况下，电路层出入孔111和晶片出入孔102可被设计成提供与平面流体电阻器部分150的流体电阻相比可忽略不计的流体电阻。
然而，密度范围是可能的。举例来说，在一个实施例中，传感器的面积密度可为400/mm2(对应于边长为50μm的正方形占据面积35)，在此情况下，平面流体电阻器部分150的长度可为250μm，且平面流体电阻器部分150的横截面积可为0.3μm2(例如，0.3μm乘以1μm)。在另一实施例中，传感器的面积密度可为2500/mm2(对应于边长为20μm的正方形占据面积35)，在此情况下，平面流体电阻器部分150的长度可为75μm，且平面流体电阻器部分150的横截面积可为0.09μm2(例如，0.3μm乘以0.3μm)。
当传感器的面积密度增大且占据面积35的面积减小时，由于空间约束，可能难以实现或提供具有足够电阻的平面流体电阻器部分150的流体电阻，但这取决于例如纳米孔23的电阻等其它因素，在此情况下，电路层出入孔111和晶片出入孔102的流体电阻在分压器50的第二支腿52中变得显著。
对于本文所论述的实例的尺寸，一旦传感器的面积密度达到625/mm2(对应于边长为40μm的正方形占据面积35)，上述流体电阻增大的情况就可能开始发生。
通常，当传感器的面积密度接近10,000/mm2或更大(对应于边长为10μm或更小的正方形占据面积35)时，除了平面流体电阻器部分150的流体电阻之外，电路层出入孔111和晶片出入孔102中的至少一个还可提供流体电阻。可调整层出入孔111和/或晶片出入孔102的大小以提供所需的流体电阻--如果出入孔在两个或更多个传感器之间共享，则电阻被配置为可忽略不计。
期望增大半导体晶片上的流体通道20的面积密度。一般来说，对于流体通道的封装可达到的密集程度，存在三个主要限制因素：
·与电路层110中的每一流体通道20相关联的电路组件的配置，所述电路组件必须封装在占据面积35内。
·平面流体电阻器部分150的配置，所述平面流体电阻器部分也必须封装在占据面积35内。通过减小平面流体电阻器部分150沿着其迂曲路径的横截面，从而减小其所需长度，可缓解此问题。也可以使用多层平面流体电阻器部分150，如下文将进一步讨论。
·在不影响半导体晶片的机械完整性的情况下，晶片出入孔102的封装可达到的密集程度。
一旦电路组件的占据面积减小，对流体通道20的面积密度的限制因素就将从电路组件转移到晶片出入孔102的封装。对于本文中所论述的实例的尺寸，一旦电路层110中的电路组件的间距显著减小到40μm以下，所述转移就将开始发生。减小晶片出入孔102的直径，同时在具有足够厚晶片(例如300μm)的情况下仍保持可靠制造方法也是很困难的。然而，电路组件和流体通道20的布局可重新设计以将多个流体通道20捆绑到一个共享出入孔。晶片出入孔102和电路层出入孔111中的任一个或两个可共享。此设计不仅允许流体通道20的面积密度的进一步增大(例如，在本文的实例中超出40μm间距)，而且提供降低晶片出入孔102纵横比要求的机会。当使用DRIE制造晶片出入孔102时，减小纵横比是有利的。
图8a和8b展示基底层100的两个实例，其中每一出入孔通过共同流体连接到多个平面流体电阻器部分150而由多个通道共享。图8a展示单个晶片出入孔102在两个流体通道20之间共享的实例。图8b展示两个相邻流体通道20共享晶片出入孔102和电路层出入孔111两者的实例。尽管图8a和8b展示两个流体通道20共享电路层出入孔111和/或晶片出入孔102，但在其它实施例中，多于两个流体通道20可共享出入孔，例如三个或四个流体通道。此设计还可并入到使用SOI CMOS晶片的图7的实例中。当实施共同晶片出入孔102和/或共同电路层出入孔111时，其电阻与通道20的总电阻相比可忽略不计，以抑制共享通道20的共同部分的纳米孔23之间的串扰。通道的共同部分优选地具有可忽略不计的电阻。
共同晶片出入孔102的横截面可具有大于传感器占据面积的最大尺寸(例如，面积的平方根)的尺寸(例如，面积的平方根)。
在这些实例中，介电层120在第一腔室3与衬底之间。作为替代方案，介电层120可在半导体晶片101与第二腔室4之间。举例来说，介电层120可在半导体晶片101的与电路层110相对的一侧上。替代地，电路层110还可形成于半导体晶片101的与第一腔室3相对的一侧上，其中介电层120形成于所述侧上。尽管这是可能的，但这不是优选的，因为其包含进入分压器的出入孔的电容，因此降低了带宽。
流体通道20的面积密度可通过使用多层平面流体电阻器部分150而进一步增大。图9展示此类多层平面流体电阻器部分150的俯视图。在此实例中，平面流体电阻器部分150包括区段151、152，所述区段各自在平面结构10的平面方向上延伸但在平面结构10内的不同深度处。介电出入孔121在传感器电极24的顶部连接到平面流体电阻器部分150的第一区段152。在此实例中，第一区段152在第二区段151的顶部(即，在第二区段与第一腔室3之间)。然而，这不是必需的，并且第一区段152可替代地在第二区段151下方(即，在第二区段151与半导体晶片101之间)。第二区段151连接到电路层出入孔111且从而连接到晶片出入孔102。第一区段152和第二区段151与通孔153连接在一起。通孔154设置在通道20的邻近部分并且用于等离子灰化工艺，所述等离子灰化工艺用于在制造期间蚀刻掉牺牲聚合物。这些通孔154是任选的，其用于减小灰化工艺必须在流体道内部达到的纵横比。在去除牺牲聚合物之后，这些通孔154被厚钝化层填充。
图10a至10m展示在制造方法期间处理以形成多层平面流体电阻器部分150的层的一系列视图，所述方法如下执行。图10a至10d展示与图6a至6d中所执行的相同的步骤。在这些步骤之后，牺牲聚合物已以平面流体电阻器部分150的第二区段151的形状沉积，且薄钝化层沉积在顶部。
在图10e中，通孔153连同介电出入孔121的另一部分一起形成于薄钝化层中。在图10f中，另一牺牲聚合物以平面流体电阻器部分150的第一区段152和介电出入孔121的形式沉积。
在图10h中，沉积另一薄钝化层，并且在图10i中，通孔穿过所述另一薄钝化层且穿过两个钝化层而形成，以暴露平面流体电阻器部分150的第一区段152和第二区段151两者以及介电出入孔121中的牺牲聚合物。通孔暴露牺牲聚合物的侧面以用于蚀刻或等离子灰化工艺以去除牺牲聚合物。图10j展示对牺牲聚合物进行蚀刻或等离子灰化之后的状态。
图10k至10m中所示的步骤与图6h至6j中所示的步骤相同，即沉积厚钝化层、打开传感器电极24上方的厚钝化层并且形成晶片出入孔102。
在以上实例中，支撑其中形成平面流体电阻器部分150的介电层120的衬底为半导体晶片101，且平面结构10通过将层直接沉积到半导体晶片101上而形成。然而，在一些实施例中，支撑其中形成平面流体电阻器部分150的介电层的衬底可为与其上形成电路层110的半导体晶片101不同的组件。在此情况下，可单独制造支撑平面流体电阻器部分150和半导体晶片101的衬底，且接着将其接合在一起。
在图11a至11e中展示制造这种类型的平面结构10的基底层100的方法的实例，且如下执行。在此实例中，其上形成平面流体电阻器部分150的衬底为微机电系统(MEMS)晶片170。MEMS晶片170具有能够经受用于形成平面流体电阻器部分150的高温热氧化工艺的优点，且允许使用常规MEMS工艺。MEMS晶片170可由任何合适的材料制成，例如石英、氧化硅、玻璃、氧化铝或蓝宝石。原则上，MEMS晶片170可由衬底代替，所述衬底由适合于支撑下文所描述的介电层172的任何其它材料制成，例如为半导体晶片。
如图11a中所示，提供MEMS晶片170，且通过DRIE形成延伸穿过所述MEMS晶片的MEMS晶片出入孔171。
图11b展示通过热氧化在MEMS晶片170的表面上形成介电层172。通常，介电层172可具有2μm或更大的厚度。因此，在此实例中，介电层172为MEMS晶片170的材料的氧化物。
图11c展示通过使用光刻工艺进行蚀刻而在介电层172中形成平面流体电阻器部分150。平面流体电阻器部分150可具有如上所述的形式。
在图11d中，通过将图11c中所示的MEMS晶片170接合到支撑电路层110的半导体晶片101来形成基底层100。半导体晶片101具有与上文所描述的相同的构造，不同之处在于未提供介电层120且半导体晶片101在图11d中与先前图式相比是倒置的。如上文所描述，电路层110包括连接到传感器电极24的电路组件。半导体晶片101和电路层110设有延伸穿过其中且形成通道20的部分的出入孔102、111。在此实例中，半导体晶片101为包含绝缘层170的SOI CMOS晶片，类似于图7中所展示的SOI CMOS晶片，并且处理层在接合之后去除。
类似地，可使用如上文所描述的相同工艺来制造半导体晶片101和电路层101。
图11c中所示的MEMS晶片170通过将介电层172的外表面接合到电路层110的外表面而接合到半导体晶片101，所述介电层中形成有平面流体电阻器部分150。结果，在此实例中形成衬底的MEMS晶片170在半导体晶片101与第二腔室4之间接合到半导体晶片101。
如在上述实例中，例如通过单独形成纳米孔支撑层30且将其接合到基底层100，或直接在基底层100上形成纳米孔支撑层30，纳米孔支撑层30固定到图11d中所示的基底层100。
此接合的两个晶片路线用于制造，其中单独晶片用于形成平面流体电阻器部分150和电路组件具有以下优点：当单独执行时，可更容易地优化用于形成每一结构的处理工艺。举例来说，在层上未形成平面流体电阻器部分150的情况下，半导体晶片101可在形成晶片出入孔102之前更容易地变薄。这在某些情况下可能是有利的。然而，双晶片工艺增加了相当大的复杂性，因为必须进行两个完全独立的制造工艺，并且执行额外的接合步骤。用于处理SOI CMOS的工艺还对电路设计和铸造厂选择产生限制。与在单个(尽管更长)的工艺中形成所有平面结构10相比，这可能会增加制造成本。因此，在许多情况下，单晶片方法可能更受青睐。
尽管上文已论述用于制造平面结构的各种方法，但平面结构不限于这些方法，且可通过任何其它合适的方法形成。
在以上实例中，平面流体电阻器部分150形成于介电层中，例如由图2中的半导体晶片101支撑的介电层120，或由图11a至11d中的MEMS晶片170支撑的介电层172。作为替代方案，平面流体电阻器部分150可形成于纳米孔支撑层30中。这提供了可使用与用于制造纳米孔支撑层30的结构相同的工艺来制造平面流体电阻器部分150的优点。在以下方法中，平面流体电阻器部分150沿循可与图5中所展示的迂曲路径相同的迂曲路径，尽管其形成于纳米孔支撑层30中。
在图12a至12f中展示制造这种类型的平面结构10的方法的实例，且如下执行。
一般来说，图12a和12b与上文关于图6a和6b描述的步骤相同。
在这些步骤之后，存在半导体晶片101(其形成平面结构10的衬底)和电路层110，其中沉积传感器电极24。已沉积钝化层，并且通过钝化层和电路层110开放电路层出入孔111。图12c展示在形成平面流体电阻器部分150之前形成晶片出入孔102。这与图6的方法形成对比，其中晶片出入孔102仅在平面流体电阻器部分150形成之后的倒数第二步骤中形成。替代地，晶片出入孔102可在纳米孔支撑层30已形成之后形成。
图12d展示以平面流体电阻器部分150的形状沉积在介电层110的顶部上的牺牲聚合物层180。这类似于图6c中展示的步骤。牺牲聚合物层180可包括光刻胶，所述光刻胶可通过旋涂和/或层压来沉积，且随后图案化为平面流体电阻器部分150的形状。例如，光刻胶的图案化可包括使用掩模曝光和后续显影。
如图12e所示，随后将光刻胶层181沉积在基底层100上，从而覆盖牺牲聚合物层180。光刻胶层181用于形成纳米孔支撑结构30。光刻胶层181被曝光并显影以形成包括限定凹穴31的壁33的壁层32。
如图12f所示，光刻胶层181随后显影，并且牺牲聚合物层180也被去除以形成平面流体电阻器部分150。
在这些步骤之后，并且类似于上文所描述的实施例，平面结构包括：衬底，其在此实例中包括半导体晶片101；由半导体晶片101支撑的电路层110，所述电路层包括连接到传感器电极的电路组件；以及纳米孔支撑层30，其30配置成支撑跨越通道20延伸的膜22中的纳米孔23。然而，与上述实施例大不相同，平面流体电阻器部分150形成在纳米孔支撑层30中。
如图12f所示，纳米孔支撑层30设有凹穴31。当平面结构10集成到纳米孔感测装置1中时，凹穴31通向第一腔室3。凹穴31形成通道20的部分并且配置成支撑跨越凹穴31延伸的膜22中的纳米孔23。
在纳米孔感测装置1中，第一腔室3和第二腔室4在平面结构10的相对侧上。通道20延伸穿过平面结构10，并且衬底(在此情况下为半导体晶片101)设有延伸穿过其中且形成通道20的部分的出入孔102。
如图8所示，在一些实施例中，每一出入孔102通过共同流体连接到多个平面流体电阻器部分150而由多个通道20共享。就图12的平面结构而言，其中平面流体电阻器部分150形成在纳米孔支撑层30中，多个通道20可在纳米孔支撑层30内彼此连接，或替代性地可通过仅共享基底层100中的晶片出入孔102和/或电路层出入孔111而连接。
表1列出可应用于上文所描述的配置中的任一个的纳米孔感测装置1中的传感器的面积密度的一些非限制性实例。表1还列出在占据面积35为正方形的情况下占据面积35的对应大小和面积，但占据面积35可具有任何其它形状。
表1：
<![CDATA[面积密度(数量/mm<sup>2</sup>)]]> 占据面积35的大小(μm) <![CDATA[占据面积35的面积(μm<sup>2</sup>)]]>
100 100 10000
400 50 2500
625 40 1600
2500 20 400
10000 10 100
40000 5 25
62500 4 16
250000 2 4
1000000 1 1
表2列出可在上述配置中应用于纳米孔感测装置1的传感器的不同面积密度的纳米孔23与通道20的不同部分之间的流体电阻的分布的一些非限制性实例。
在表2中：
·标记为“23”的列指示由纳米孔23提供的流体电阻的百分比(％)；
·标记为“30”的列指示由形成于纳米孔支撑层30中的平面流体电阻器部分150提供的流体电阻的百分比，例如图12中所示；
·标记为“120-以上”的列指示由形成于安置在电路层110上方的介电层120中的平面流体电阻器部分150提供的流体电阻的百分比，例如图2中所示；
·标记为“120-以下”的列指示根据上述替代方案，由形成于安置在电路层110与半导体晶片101之间的介电层120中的平面流体电阻器部分150提供的流体电阻的百分比；
·标记为“111”的列指示由介电出入孔111提供的流体电阻的百分比；
·标记为“102”的列指示在每一通道20具有相应晶片出入孔102的情况下由晶片出入孔102(和/或电路层出入孔111)提供的流体电阻的百分比，例如图2中所示；并且
·标记为“102-普遍(common)”的列指示在多个通道20共享晶片出入孔102(和/或电路层出入孔111)的情况下由晶片出入孔102(和/或电路层出入孔111)提供的流体电阻的百分比，例如图8a和8b中所示。特别注意：当实施共同晶片出入孔102和/或共同电路层出入孔111时，其电阻与总电阻相比可忽略不计，以抑制共享通道20的共同部分的纳米孔23之间的串扰。通道20的共同部分优选地具有可忽略不计的电阻。
表2：
<![CDATA[面积密度(数量/mm<sup>2</sup>)]]> 23 30 120-以上 120-以下 111 102 102-普遍
100 50％ 50％
100 50％ 50％
100 50％ 50％
100 50％ 50％
100 50％ 50％
100 90％ 10％
100 90％ 10％
100 90％ 10％
100 90％ 10％
10000 50％ 25％ 25％ 0％
10000 50％ 25％ 25％ 0％
10000 50％ 25％ 25％
10000 50％ 25％ 25％
10000 90％ 5％ 5％ 0％
10000 90％ 5％ 5％ 0％
10000 90％ 5％ 5％
10000 90％ 5％ 5％
25000 50％ 20％ 20％ 10％ 0％
25000 90％ 4％ 3％ 3％ 0％
25000 90％ 4％ 4％ 2％ 0％
25000 80％ 20％ 5％ 5％ 0％
25000 70％ 30％ 10％ 10％ 0％
一些一般要点如下。
标记为“23”的列中的百分比“％”与所有其它列中的总电阻的比率可为1:1，所述百分比指示由纳米孔23提供的流体电阻的百分比。此比率可在从1:1到高达约99:1的范围内。比率的上限可为例如3:2、7:3、4:1或19:1。例示性比率为9:1。换句话说，当比率为1:1且可能>50％时，纳米孔电阻可为约50％，这是因为纳米孔的电阻在通道中的总电阻中占主导地位。纳米孔电阻可>60％、>70％...>90％...等。
本发明人已发现，尽管约1:1的纳米孔电阻提供最优信噪比，但其会导致纳米孔两端的电压降增大，从而导致离子消耗在穿过纳米孔的例如DNA的物质的易位和测量期间增加。这导致流体和纳米孔电阻的变化，最终导致电压信号的减少。因此，大于总电阻的50％的纳米孔电阻是优选的。约90％的纳米孔电阻将引起约20mV的电压降，其被视为可接受的电压降上限，同时允许在感测电极上产生足够电压信号。
当阵列的密度面积密度增加超过一定数量的传感器/mm2，例如密度高于10000/mm2且密度为25000/mm2及以上，流体通道的电阻沿其长度分布在平面流体电阻部分与出入孔部分之间。应注意，在高密度下，晶片出入孔可被两个或更多个传感器共用，且当这种情况发生时，共同出入孔的电阻优选地可忽略不计，以抑制共享同一晶片出入孔的纳米孔传感器之间的可检测串扰。
图1和2中展示的纳米孔感测装置1填充有流体，且膜22展示为跨越相应通道20和嵌入在膜22中的纳米孔23延伸，但可在没有膜22和纳米孔23的情况下提供一些类型的纳米孔感测装置1。在此情况下，纳米孔感测装置1的终端用户实行步骤以形成膜22且使纳米孔23嵌入其中。
WO 2020/183172公开了各种纳米孔感测装置，且WO 2020/183172中公开的结构和方法也可应用于本公开。WO 2020/183172以全文引用的方式并入本文中。
膜22和纳米孔23的实例如下。
在一种类型的纳米孔感测装置1中，纳米孔23为生物纳米孔并且膜22能够使生物纳米孔23嵌入其中。在另一类型的纳米孔感测装置1中，膜22为固态层，且纳米孔23形成于其中作为孔口或作为生物纳米孔。
膜22可为两亲层，所述两亲层为由具有亲水性和亲脂性性质两者的两亲分子(如磷脂)形成的层。两亲分子可以是合成的或天然存在的。非天然存在的两亲物和形成单层的两亲物在所属领域中是已知的，并且包含例如嵌段共聚物(Gonzalez-Perez等人,《朗缪尔(Langmuir)》,2009,25,10447-10450)。膜22可为三嵌段或二嵌段共聚物膜。
由嵌段共聚物形成的膜22与生物脂质膜相比具有若干优点。因为三嵌段共聚物是合成的，所以可小心地控制准确的构造，以提供形成膜并与孔和其它蛋白质相互作用所需的正确链长度和性质。
膜22可为以全文引用的方式并入本文中的WO2014/064443或WO2014/064444中公开的膜之一。这些文件还公开了合适的聚合物。
两亲分子可经化学修饰的或经官能化以促进多核苷酸的偶联。
两亲性层可以是单层或双层。
膜22可为脂质双层。合适的脂质双层公开于WO2008/102121、WO2009/077734和WO2006/100484中，所述文献以全文引用的方式并入本文中。用于形成脂质双层的方法在本领域中是已知的。脂质双层通常通过Montal和Mueller的方法(《美国科学院院报》,1972；69:3561-3566)形成。
膜22可为固态层。合适的固态层可由有机材料和无机材料两者形成，所述材料包含但不限于：微电子材料、如Si3N4、Al2O3和SiO等绝缘材料、如聚酰胺等有机聚合物和无机聚合物、如
Figure BDA0004037842790000201
等塑料或如二组分加成固化的硅橡胶等弹性体以及玻璃。固态层可以由石墨烯形成。合适的石墨烯层在WO2009/035647中公开，所述文献以全文引用的方式并入本文中。Yusko等人，《自然·纳米技术(Nature Nanotechnology)》，2011年；6：253-260和第2013/0048499号美国专利申请(其以全文引用的方式并入本文中)描述了在不使用微粒的情况下将蛋白质递送到固态层中的跨膜孔。
纳米孔23可以是任何跨膜孔。纳米孔23可以是生物的或人造的。合适的纳米孔23包含但不限于蛋白孔、多核苷酸孔和固态孔。纳米孔23可以是DNA折纸孔(origami pore)(Langecker等人，《科学(Science)》，2012；338：932-936)。
跨膜蛋白孔可包括离子可流动穿过的桶或道。跨膜蛋白孔的桶或道通常包括促进与核苷酸、多核苷酸或核酸的相互作用的氨基酸。
根据本发明使用的跨膜蛋白孔可源自
Figure BDA0004037842790000202
-筒形孔或α-螺旋束孔。跨膜孔可源自或基于例如Msp、α-溶血素(α-HL)、胞溶素、CsgG、ClyA、Sp1以及溶血蛋白溶血毒素(fragaceatoxin)C(FraC)。跨膜蛋白孔可源自CsgG。源自CsgG的合适孔在WO 2016/034591中公开。跨膜孔可以源自胞溶素。WO 2013/153359中公开了源自胞溶素的合适的孔。
分析物(包含例如蛋白质、肽、小分子、多肽、多核苷酸)可存在于分析物中。分析物可以是任何合适的样本。分析物可以是生物样本。可以在体外对从任何生物体或微生物中获得或提取的分析物执行本文所述方法的任何实施例。所述生物或微生物通常是古细菌、原核生物或真核生物，并且通常属于五个王国之一：植物界、动物界、真菌、原核生物界和原生生物界。在一些实施例中，可以在体外对从任何病毒中获得或提取的分析物执行本文所述各个方面的方法。
分析物可以是流体样本。分析物可以包括体液。体液可从人或动物获得。人或动物可能患有、疑似患有疾病或有患病风险。分析物可以是尿液、淋巴液、唾液、粘液、精液或羊水，但是可以是全血、血浆或血清。通常，分析物是人类来源的，但是可替代地，其可以来自另一种哺乳动物，例如来自商业养殖的动物，如马、牛、绵羊或猪，或者可替代地可以为宠物，例如猫或狗。可替代地，分析物可以是植物来源的。
分析物可以是非生物样本。非生物样本可以是流体样本。可以将如氯化钾等离子盐添加到样本中以影响离子流过纳米孔。
多核苷酸可以是单链的或双链的。多核苷酸的至少一部分可以是双链的。
多核苷酸可以是核酸，如脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)。多核苷酸可以包括与一条DNA链杂交的一条RNA链。多核苷酸可以是本领域已知的任何合成核酸。多核苷酸可以是天然存在的或人工的。
所述方法可以涉及测量多核苷酸的两个、三个、四个或五个或更多个特性。一个或多个特性可以选自：(i)多核苷酸的长度，(ii)多核苷酸的同一性，(iii)多核苷酸的序列，(iv)多核苷酸的二级结构，以及(v)多核苷酸是否被修饰。
对于(iii)，可以如先前所描述的来确定多核苷酸的序列。合适的测序方法，具体地说是使用电测量的那些测序方法在Stoddart D等人，《美国国家科学院院刊(Proc NatlAcad Sci)》，12；106(19)：7702-7；Lieberman KR等人，《美国化学会志(J Am Chem Soc.)》152010；132(50)：17961-72；以及国际申请WO 2000/28312中描述。
二级结构可以多种方式测量。例如，如果所述方法涉及电测量，则可以使用停留时间的变化或流过孔的离子电流的变化来测量二级结构。这允许区分单链多核苷酸和双链多核苷酸的区域。
可以测量任何修饰的存在或不存在。所述方法可以包括用一个或多个蛋白质或用一个或多个标记、标签或间隔子来确定多核苷酸是通过甲基化、通过氧化、通过损坏来修饰还是不是。特定修饰将引起与孔的特定相互作用，这可以使用下文所描述的方法测量。
在本文描述的各个方面的一些实施例中，所述方法可以涉及进一步表征靶多核苷酸。在靶多核苷酸与孔接触时，随着多核苷酸相对于孔移动进行一种或多种测量，所述一种或多种测量指示靶多核苷酸的一个或多个特性。
所述方法可以涉及确定多核苷酸是经修饰的还是不是。可以测量任何修饰的存在或不存在。所述方法可以包括用一个或多个蛋白质或用一个或多个标记、标签或间隔子来确定多核苷酸是通过甲基化、通过氧化、通过损坏来修饰还是不是。
还提供了一种用于表征如靶多核苷酸等目标分析物的设备。所述设备包括如本文所公开的多个孔和多个膜。所述多个孔可以存在于多个膜中。孔和膜的数量可以相等。每个膜中可以存在单个孔。
用于表征目标分析物的设备在多个膜中可以包括如本文所公开的孔阵列。
设备可进一步包括用于执行方法的指令。所述设备可以是用于分析物分析的任何常规设备，如阵列或芯片。上文参考方法所讨论的任何实施例同样适用于本发明的设备。
设备可以安设成执行如本文所公开的方法。
设备可包括：纳米孔传感器装置1，其能够支撑多个孔和膜且可操作以使用所述孔和膜来执行分析物表征；以及至少一个端口，其用于递送用于执行所述表征的材料。
替代性地，设备可包括：纳米孔传感器装置1，其能够支撑多个孔和膜且可操作以使用所述孔和膜来执行分析物表征；以及至少一个储存器，其用于保存用于执行所述表征的材料。
所述设备可以包括：传感器装置，所述传感器装置能够支撑所述膜和多个孔和膜并且可操作以使用所述孔和膜来执行分析物表征；至少一个储存器，所述至少一个储存器用于保持用于执行所述表征的材料；流体系统，所述流体系统被配置成将材料从所述至少一个储存器可控地供应到所述传感器装置；以及一个或多个容器，所述一个或多个容器用于收纳相应样本，所述流体系统被配置成将分析物从一个或多个容器选择性地供应到所述传感器装置。
设备可以是在WO 2009/077734、WO 2010/122293、WO 2011/067559或WO 00/28312中描述的经修改以包含本文所公开的纳米孔感测装置1的那些设备中的任何一个。
对分析物相对于纳米孔的移动(例如，易位速度、分析物的排斥等)的控制可通过WO2016/059427中所公开的系统和方法来管理。纳米孔传感器对分析物的排斥可以包括分析物从纳米孔喷射。
根据本文中的教导，以上描述和附图中的特征是可互换和兼容的。上文仅以举例的方式描述了本发明，并且可以在本发明的精神和范围内进行修改，本发明的精神和范围扩展到所描述的特征的等同形式和本文所描述的一个或多个特征的组合。本发明还在于本文所描述或暗示的任何个别特征。

Claims (31)

1.一种纳米孔感测装置，其包括：
第一腔室和第二腔室；
平面结构，其设有在所述第一腔室与所述第二腔室之间延伸的多个流体通道，所述平面结构被配置成支撑跨越相应通道的膜中的纳米孔；以及
传感器电极，其布置成感测所述纳米孔与所述第二腔室之间的相应通道中的流体电势，
其中所述通道包括在所述传感器电极与所述第二腔室之间的平面流体电阻器部分，所述平面流体电阻器部分在所述平面结构的平面方向上延伸且被配置成形成流体电阻器。
2.根据权利要求1所述的纳米孔感测装置，其中所述平面结构包括：
纳米孔支撑层，其配置成支撑跨越所述通道延伸的所述膜中的所述纳米孔；以及
另一层，所述平面流体电阻器部分形成于所述另一层中。
3.根据权利要求2所述的纳米孔感测装置，其中所述纳米孔支撑层设有通向所述第一腔室的凹穴，所述凹穴形成所述通道的部分且被配置成支撑跨越所述凹穴延伸的所述膜中的所述纳米孔。
4.根据权利要求2或3所述的纳米孔感测装置，其中所述另一层为介电层。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的纳米孔感测装置，其中所述平面结构进一步包括衬底，所述另一层由所述衬底支撑。
6.根据权利要求5所述的纳米孔感测装置，其中所述第一腔室和所述第二腔室在所述平面结构的相对侧上，所述通道延伸穿过所述平面结构，且所述衬底设有延伸穿过其中且形成所述通道的部分的出入孔。
7.根据权利要求1所述的纳米孔感测装置，其中
所述第一腔室和所述第二腔室在所述平面结构的相对侧上，所述通道延伸穿过所述平面结构，且
所述平面结构包括：
衬底；以及
另一层，所述另一层由所述衬底支撑，
其中所述平面流体电阻器部分形成于所述另一层中，且所述衬底设有延伸穿过其中的出入孔，所述出入孔形成所述通道的部分。
8.根据权利要求7所述的纳米孔感测装置，其中所述平面结构进一步包括纳米孔支撑层，所述纳米孔支撑层配置成支撑跨越所述通道延伸的所述膜中的所述纳米孔。
9.根据权利要求8所述的纳米孔感测装置，其中所述纳米孔支撑层设有通向所述第一腔室的凹穴，所述凹穴形成所述通道的部分且被配置成支撑跨越所述凹穴延伸的所述膜中的所述纳米孔。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的纳米孔感测装置，其中所述另一层为介电层。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的纳米孔感测装置，其中所述另一层在所述第一腔室与所述衬底之间。
12.根据权利要求6至11中任一项所述的纳米孔感测装置，其中每一出入孔通过共同流体连接到多个平面流体电阻器部分而由多个通道共享。
13.根据权利要求5至12中任一项所述的纳米孔感测装置，其中所述衬底为半导体晶片。
14.根据权利要求13所述的纳米孔感测装置，其中所述平面结构进一步包括由所述半导体晶片支撑的电路层，所述电路层包括连接到所述传感器电极的电路组件。
15.根据权利要求14所述的纳米孔感测装置，其中所述电路层形成于所述半导体晶片上且所述介电层形成于所述电路层上。
16.根据权利要求6至12中任一项所述的纳米孔感测装置，其中
所述平面结构进一步包括半导体晶片，所述半导体晶片具有由其支撑的电路层，所述电路层包括连接到所述传感器电极的电路组件，所述半导体晶片和所述电路层设有延伸穿过其中且形成所述通道的部分的出入孔，并且
所述衬底在所述半导体晶片与所述第二腔室之间接合到所述半导体晶片。
17.根据权利要求1所述的纳米孔感测装置，其中所述平面结构包括：
衬底；
由所述衬底支撑的电路层，所述电路层包括连接到所述传感器电极的电路组件；以及
纳米孔支撑层，其配置成支撑跨越所述通道延伸的所述膜中的所述纳米孔，所述平面流体电阻器部分形成于所述纳米孔支撑层中。
18.根据权利要求17所述的纳米孔感测装置，其中所述纳米孔支撑层设有通向所述第一腔室的凹穴，所述凹穴形成所述通道的部分且被配置成支撑跨越所述凹穴延伸的所述膜中的所述纳米孔。
19.根据权利要求17或18所述的纳米孔感测装置，其中所述第一腔室和所述第二腔室在所述平面结构的相对侧上，所述通道延伸穿过所述平面结构，且所述衬底设有延伸穿过其中且形成所述通道的部分的出入孔。
20.根据权利要求19所述的纳米孔感测装置，其中每一出入孔通过共同流体连接到多个平面流体电阻器部分而由多个通道共享。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的纳米孔感测装置，其中所述衬底为半导体晶片。
22.根据前述权利要求中任一项所述的纳米孔感测装置，其中所述平面流体电阻器部分沿着迂曲路径延伸。
23.根据前述权利要求中任一项所述的纳米孔感测装置，其中所述纳米孔为生物纳米孔，且所述膜能够使所述生物纳米孔嵌入其中。
24.根据权利要求23所述的纳米孔感测装置，其中所述平面结构进一步包括跨越所述相应通道延伸的所述膜且任选地还包括嵌入所述膜中的所述生物纳米孔。
25.根据权利要求1至22中任一项所述的纳米孔感测装置，其中所述膜为固态膜，所述平面结构进一步包括所述固态膜，且所述纳米孔形成于所述固态膜中。
26.根据前述权利要求中任一项所述的纳米孔感测装置，其中所述平面流体电阻器部分包括多个区段，所述区段各自在所述平面结构的所述平面方向上延伸但在所述平面结构内的不同深度处。
27.根据前述权利要求中任一项所述的纳米孔感测装置，其中所述通道包括通向所述第一腔室的凹穴，所述平面结构被配置成支撑跨越所述凹穴延伸的膜中的所述纳米孔。
28.根据前述权利要求中任一项所述的纳米孔感测装置，其中所述第一腔室和所述第二腔室在所述平面结构的相对侧上，且所述通道延伸穿过所述平面结构。
29.根据前述权利要求中任一项所述的纳米孔感测装置，其进一步包括所述第一腔室和所述第二腔室中的驱动电极。
30.根据前述权利要求中任一项所述的纳米孔感测装置，其中所述纳米孔的电阻大于所述通道的总电阻的50％。
31.根据权利要求30所述的纳米孔感测装置，其中所述纳米孔的所述电阻为所述通道的所述总电阻的90％。
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