DE112007001084B4 - Nanoporenmembran und Verfahren zu deren Herstellung und deren Oberflächenmodifikation - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer konischen Nanoporenmembran mit den Schritten: – Versiegeln einer konischen Spitze eines internen Signaltransduktionselements in einem Substrat; – Polieren des Substrats unter Verwendung eines Poliermittels, um die Spitze des internen Signaltransduktionselements freizulegen; – Überwachen des Ausmaßes des Polierens mit einem Tester; und – Beenden des Polierens, wenn der Tester angibt, dass eine Scheibe mit einem gewünschten Radius freigelegt ist und dadurch eine Nanoscheibenelektrode hergestellt ist; – Entfernen des internen Signaltransduktionselements aus dem Substrat nachdem die Nanoscheibenelektrode hergestellt ist, wodurch eine Nanoporenmembran hergestellt ist mit: – einer Membran, die eine Dicke hat, wobei die Membran eine erste äußere Seite und eine zweite innere Seite ausbildet, wobei die erste äußere Seite der zweiten inneren Seite gegenüberliegt; und – einer Nanopore, die sich durch die Membran erstreckt und dadurch einen Kanal bildet, der sich von der ersten äußeren Seite zur zweiten inneren Seite der Membran erstreckt, wobei die Nanopore eine erste Öffnung auf der ersten äußeren Seite der Membran und eine zweite Öffnung auf der zweiten inneren Seite der Membran und eine Tiefe hat.

Description

• TECHNISCHES GEBIET
• Die Erfindung betrifft das Gebiet der Nanotechnologie. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Nanoporenmembranen.
• HINTERGRUND
• Der modulare Transport in individuellen Poren (beispielsweise Proteinionenkanälen ((a) Kasianowicz, J. J.; Brandin, E.; Branton, D.; Deamer, D. W. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1996, 93, 13770; (b) Bayley, H; Cremer, P. S. Nature 2001, 413, 226; (c) Gu, L.-Q.; Braha, O.; Conlan, S.; Cheley, S. und Bayley, H. Nature 1999, 398, 686) und synthetischen Kanälen ((a) Ito, T.; Sun, L.; Crooks, R. M. Acc. Chem. Res. 2004, 37, 937; (c) Hinds, B. J.; Chopra, N.; Rantell, T.; Andrews, R.; Gavalas, V.; Bachas, L. G. Science 2004, 303, 62. (d) Majumber, M.; Chopra, N.; Hings, B. J. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 9062; (e) Li, J.; Gershow, M.; Stein, D.; Brandin, D.; Golovchenko, J. A. Nat. Mater. 2003, 2, 611; (f) Li, J.; Stein, D.; McMullan, C.; Branton, D.; Aziz, M. J.; Golovchenko, J. A. Nature 2001, 412, 166.)) und in Materialien, die Poren in Nanometerdimensionen (beispielsweise Zeolithkatalysatoren und Haut) sind überall in der Chemie und Biologie von Interesse. Es ist allgemein anerkannt, dass die Transportselektivität basierend auf einer chemischen oder physikalischen Eigenschaft des Permeanten oftmals in Poren beobachtet wird, wenn die Größe der Poren ausreichend klein ist, dass Interaktionen zwischen der Porenfläche und der Dynamik des örtlichen Transports des Permeanteneinflusses („Permeant” bezieht sich auf ein Molekül oder Ion, das durch die Pore wandert). Die Rate des Alkalimetallionentransports durch Gramicidinkanäle beispielsweise ist stark von dem Radius des Metallions abhängig, eine Folge des Kanalradius (~2 Å) ist vergleichbar mit dem dehydrierten Ionenradius ((a) Andersen, O. S.; Feldberg, S. W. J Phys. Chem. 1996, 100, 4622;, (b) Andersen, O. S. Biophys. J. 1983, 41, 147; (c) Andersen, O. S. Biophys. J. 1983, 41, 135). Interaktionen im längeren Bereich über einige wenige bis -zig von Nanometern (beispielsweise elektrostatische Kräfte) zwischen der Porenfläche und dem Permeanten kann weiter zu einer Transportselektivität bei Poren größerer Erstreckung führen. ((a) Daiguji, H.; Yang, P.; Majumdar, A. Nano Lett. 2004, 4, 137; (b) Karnik, R.; Fan, R.; Yue, M.; Li, D.; Yang, P.'; Majumdar, A. Nano Lett., 2005, 5, 943).
• Entwicklungen in den letzten Dekaden bei dem Verständnis der Porentransportmechanismen und der Ursprünge der Transportselektivität haben zu dem kürzlichen Interesse an der Entwicklung von chemischen und biologischen Sensoren basierend auf einem selektiven Transport durch Kanäle und Poren in Nanometergröße geführt. Proteinionenkanäle, wie etwa α-Hämolysin, das zum Interagieren mit einem Zielanalyt technisch hergestellt oder chemisch modifiziert ist, sind dazu in der Lage, einzelne Moleküle durch Messen der Modulation des Ionenstroms durch das Protein bei Analytbindung zu detektieren (Meller, A. J. Phys. Condens. Matter 2003, 15, R581). Die Fähigkeit zum Beobachten der Partikeltransportdynamik innerhalb einzelner Nanoporen, nicht also als gesammelte durchschnittliche Ergebnisse, hat eine Grundlagenforschung an Poren angespornt, die biologische als auch synthetische Affinitätspaare verwendet (Umezawa, Y.; Aoki, H. Anal. Chem. 2004, 76, 320 A).
• Zusätzlich zu biologischen Poren haben sich erhebliche Fortschritte bei der analytischen Detektion unter Verwendung von synthetischen Poren ergeben, die in starkem Maße durch die schnellen Entwicklungen der Methoden und der Materialien für eine Synthese im Nanomaßstab möglich wurden ((a) Jirage, K. B.; Hulteen, J. C.; Martin, C. R. Science 1997, 278, 655; (b) Harrell, C. C.; Lee, S. B.; Martin, C. R. Anal. Chem. 2003, 75, 6861 (c) Harrell, C. C.; Kohli, P. Siwy, Z.; Martin, C. R. J. Am. Chem. Soc. 2004, 124, 15646. (d) Fologea, D.; Gershow, M.; Ledden, B.; McNabb, D. S.; Golovchenko, J. A.; Li, Jiali Nano Lett. 2005, 5, 1905; (e) Fologea, D.; Gershow, M.; Uplinger, J; Thomas, B.; McNabb, D. S.; Li, Jiali Nano Lett. 2005, 5, 1734, (f) Chen, P.;, Gu, J.; Brandin, E., Kin, Y.-R., Wang, Q.; Branton, D. Nano Lett., 2004, 4, 2293; (g) Storm, A. J.; Chen, J. H.; Ling, x. S.; Zandbergen, H. W.; Dedder, C. Nat. Mater. 2003, 2, 537; (h) Liu, N.; Dunphy, D. R.; Atanassov, P.; Bunge, S. D.; Chen, Z.; Lo' pez, G. P.; Boyle, T. J.; Bringer, C. J. Nano Lett. 2004, 4, 551; (i) Fan, R. Karnik, R.; Yue, M. Li, D.; Majumdar, A; Yang, P. Nano Lett. 2005, 5, 1633). Beispielsweise wurden Polycarbonatmembranen verwendet, die Kanäle in Nanogrößen haben, für die Synthese von Goldnanoröhrchen, die nachfolgend für Biosensoranwendungen einschließlich der Detektion von DNA-Molekülen verwendet werden können (Heins, E. A.; Siwy, Z. S.; Baker, L. A.; Martin, C. R. Nano Lett., 2005 5, 1824.) pH-schaltbare Ionentransportselektivität wurde erreicht durch die Anbringung von Cystein an der Fläche der Au-Nanoröhrchen (Lee, S. B.; Martin, C. R. Anal. Chem. 2001, 73, 768). Festkörper-Nanoporen, die in Si₃N₄ Membranen hergestellt wurden ((a) Fologea, D.; Gershow, M.; Ledden, B.; McNabb, D. S.; Golovchenko, J. A.; Li, Jiali Nano Lett. 2005, 5, 1905; (b) Fologea, D.; Gershow, M.; Uplinger, J; Thomas, B.; McNabb, D. S.; Li, Jiali Nano Lett. 2005, 5, 1734; (c) Chen, P.; Gu, J.; Brandin, E., Kin, Y.-R., Wang, Q.; Branton, D. Nano Lett., 2004, 4, 2293; (d) Storm, A. J.; Chen, J. H.; Ling, x. S.; Zandbergen, H. W.; Dedder, C. Nat. Mter. 2003, 2, 537; (e) Liu, N.; Dunphy, D. R.; Atanassov, P.; Bunge, S. D.; Chen, Z.; Lopez, G. P.; Boyle, T. J.; Bringer, C. J. Nano Lett. 2004, 4, 551), wurden für eine Einzelmolekülanalyse und zur DNA-Detektion verwendet und Siliziumnanoröhrchen wurden mit mikrofluidischen Systemen zur DNA-Messung integriert (Fan, R. Karnik, R.; Yue, M. Li, D., Majumdar, A; Yang, P. Nano Lett. 2005, 5, 1633.) Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) wurden als ein Nanopartikel Coulter-Zähler verwendet (Ito, T.; Sun, L.; Crooks, R. M. Anal. Chem. 2003, 75, 2399). Angepasste und chemisch modifizierte CNTs, die in Polymerfilme inkorporiert sind zum Erzeugen von Mehrkanal-Membranstrukturen sind auch in der Lage, eine analytische Bindung zu zeigen (Majumber, M.; Chopra, N.; Hings, B. J. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 9062).
• Die Verwendung von biologischen Nanoporen zum Erkennen von einzelnen Molekülen wurde über zwei Dekaden angewendet (siehe beispielsweise Deamer, D. W., Branton, D., Acc. Chem. Res. 2002, 35, 817–825). Beispielsweise hat die biologische Proteinnanopore (α-Hämolysin (αHL) von Staphylococcus aureus sich als ideal für eine Einzelmoleküldetektion erwiesen, mit einem inneren Einschnürungsdurchmesser von 1,6 nm (Song, S., Hobaugh, M. R., Shustak, C, Cheley, S., Bayley, H., Govaux, J. E., Science, 1996, 274, 1859–1865).
• Die Verwendung von Elektroden im Nanometermaßstab hat auch ein erhebliches Interesse als Werkzeug in der Grundlagenforschung seit den späten 1980ern gezeigt. Beispielsweise wurden Nanoelektroden in Studien für schnelle Elektronenübertragungsreaktionen (Watkins, J. J.; Chen, J.; White, H. S.; Abrufia, H. D.; Maisonhaute, E.; und Amatore, C. Anal. Chem. 2003, 75, 3962; Penner, R. M.; Heben, M. J.; Longin, T. L.; Lewis, N. S. Science 1990, 250, 1118), für Zwischenflächenstrukturen (Conyers, J. L. Jr.; White, H. S. Anal. Chem. 2000, 72, 4441; Chen, S.; Kucernak, A. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 9396), für Einzelelelektronen- und Einzelmolekülelektrochemie (Fan, F-R. F.; Bard, A. J.; Science 1995, 267, 871; Fan, F-R, F.; Kwak, J.; Bard, A. J. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 9669), als Nachahmungen von Brennstoffzellenkatalysatoren (Chen, S.; Kucernak, A. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 13984), und als analytische Sonden bei bioelektrochemischen Messungen (Wightman, R. M. Science 2006, 311, 1570) verwendet.
• Verfahren zum Herstellen von Elektroden in Nanometer-Größe können in verschiedenen Berichten gefunden werden (Zoski, C. G. Electroanalysis 2002, 14, 1041; Watkins, J. J.; Zhang, B.; White, H. S. I. Chem. Edu. 2005, 82, 111; Arrigan, D. W. M. Analyst 2004, 129, 1157). Meistens ist das Ende einer elektrochemisch geätzten Kohlenstofffaser oder eines Metalldrahts in einem Isolationsmaterial versiegelt (beispielsweise Glas, Wachs und Polymere), wobei die Spitze der Faser oder des Drahts frei bleibt (Penner, R. M.; Heben, M. J.; Lewis, N. S. Anal. Chem. 1989, 61, 1630; Huang, W-H.; Pang, D-W.; Tong, H.; Wang, Z-L.; Cheng, J-K. Anal. Chem. 2001, 73, 1048; Hrapovic, S.; Luong, J. H. T. Anal. Chem. 2003, 75, 3308; Slevin, C. J.; Gray, N. J.; Macpherson, J. V.; Webb, M. A.; Unwin, P. R. Electrochem. Comm. 1999, 1, 282; Woo, D-H.; Kang, H.; Park, S-M. Anal. Chem. 2003, 75, 6732). Elektroden, die auf diese Weise hergestellt worden sind, haben im Allgemeinen eine hemispherische oder konische Form ummantelt von einer dünnen Schicht eines Isolationsmaterials. Die Natur des Isolators kann die Verwendung der Elektrode einschränken. Beispielsweise sind Elektroden, die mit organischen Schichten isoliert sind, einfach herzustellen, ihre Verwendung ist jedoch im Allgemeinen auf wässrige Lösungen beschränkt, da sie dazu neigen, ausschließlich große Kapazitätsströme bei transienten Messungen aufgrund der Kapazität der dünnen Isolationsschicht zu erzeugen (Watkins, J. J.; Chen, J.; White, H. S.; Abrufia, H. D.; Maisonhaute, E.; Amatore, C. Anal. Chem. 2003, 75, 3962).
• Scheibenelektroden in Nanometergröße wurden hergestellt durch Ziehen von Pt-Drähten, die in Glaskapillaren eingebettet sind, mit Mikropipettenziehern und nachfolgendes Freilegen eines scheibenförmigen Bereichs eines Metalls unter Verwendung von mechanischen Politurmitteln oder chemischen Ätzmitteln (Ballesteros Katemann, B.; Schuhmann, W. Electroanalysis 2002, 14, 22). Die sich ergebenden glasummantelten Elektroden sind dauerhaft und haben günstige elektrische Eigenschaften. Durch Verwenden dieses Vorgangs ist es jedoch schwierig, Elektroden mit gleichbleibenden Größen herzustellen. Weiter ist die Verwendung von kostenintensiven Pipettenziehern erforderlich. Obwohl Shao et al. das Beobachten des Widerstands während des Polierens von glasversiegelten Pt Nano-Elektroden erwähnen (Shao, Y.; Mirkin, M. V.; Fish, G.; Kokotov, S.; Palanker, D.; Lewis, A. Anal. Chem. 1997, 69, 1627), sind keine Einzelheiten des Verfahrens oder der Instrumente veröffentlicht.
• Schließlich wird zum Stand der Technik noch auf die als US 2005/0009004 A1 veröffentlichte Patentanmeldung und die wissenschaftlichen Veröffentlichungen Bo Zhang, Yanhui Zhang, and Henry S. White: The Nanopore Elektrode,. In: Analytical Chemistry, Vol. 76. 2004, S. 6229–6238. – ISSN 0003-2700 und H. Chang, F. Kosari, G. Andreadakis, M. A. Alam, G. Vasmatzis, und R. Bashir: DNA-Mediated Fluctuations in Ionic Current through Silicon Oxide Nanopore Channels. In: Nano Letters, 4, 2004, S. 1551–1556 hingewiesen.
• OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
• NANOPORENMEMBRAN
• Bereitgestellt wird eine Membran mit einer Dicke, wobei die Membran eine erste und eine zweite Seite hat, wobei die erste Seite der zweiten Seite gegenüberliegt und eine Nanopore hat, die sich durch die Membran über die Dicke der Membran erstreckt. Eine Nanoporenmembran ist beispielhaft in 1(C) dargestellt.
• In verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung kann die Membran aus Glas SiO₂, Si₃N₄, Quarz, Tonerde, Nitride, Metallen, Polymeren oder anderen geeigneten Materialien hergestellt sein. Die Membran kann aus einer reinen Substanz oder einem Verbundwerkstoff sein oder, wenn notwendig, eine Beschichtung aufweisen, die die Oberfläche des Materials modifiziert. In einer besonderen Ausgestaltung ist das Substrat eine Kalknatron- oder eine Bleiglaskapillare. Die Dicke der Membrane ist typischerweise die geringste Dimension der Membran. Die Membran ist üblicherweise im Bereich von 10 μm bis einige hundert μm Dicke.
• Die Membran kann eingerichtet sein, mehr als eine Nanopore oder eine Anordnung von Nanoporen aufzuweisen. Jede individuelle Nanopore kann in einer individuellen Kammer aufgenommen sein, und solche individuellen Kammern können in einem Anordnungsformat auf geeigneten Stützstrukturen angeordnet sein. In verschiedenen Ausgestaltungen hat die Nanopore eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung. Die erste Öffnung öffnet zur ersten Seite die Membran und die zweite Öffnung öffnet zur zweiten Seite die Membran. Die zwei Öffnungen können von verschiedener Größe und Form sein. Bevorzugt ist die erste Öffnung kleiner als die zweite Öffnung. Insbesondere ist die Nanopore von der Form eines Kegelstumpfes, wobei die erste Öffnung kleiner als die zweite Öffnung ist. Der Radius der ersten Öffnung der Nanopore ist bevorzugt im Bereich von ungefähr 2 nm bis ungefähr 500 nm oder größer. Der Radius der zweiten Öffnung kann ungefähr 1 μm bis 25 μm sein. Da sich die Nanopore durch die Membran erstreckt und die erste Seite und die zweite Seite der Membran miteinander verbindet, ist die Dicke der Membran typischerweise die Länge oder Tiefe der Nanopore, wenn die Dicke der Membran über die Membran gleich ist. Die Länge der Nanopore ist bevorzugt 20-mal der Radius der ersten Öffnung der Nanopore. Die Länge der Nanopore kann im Bereich von ungefähr 20 μm bis ungefähr 75 μm sein. Die Position der Nanopore kann an jeder vorbestimmten Position der Membran angeordnet sein.
• Eine Eigenschaft chronisch geformter Nanoporenelektroden und chronisch geformter Nanoporenmembranen, die einen großen Vorteil bei analytischen Sensormessungen bieten, ist, dass der größte Stofftransport und Ionenwiderstand der Pore an der Porenöffnung lokalisiert ist. Dieses Merkmal ist die Folge der Kombination von (i), dem konvergierenden radialen Fluss der Moleküle und Ionen von der Masse der Lösung zur scheidenförmigen Öffnung und (ii) divergierenden radialen Fluss der Moleküle von der Öffnung zur Elektrode. Der Fluss der Moleküle und Ionen von der Masse der Lösung zur Pore erzielt daher einen maximalen Wert an der Öffnung, der Größenordnungen größer als der Fluss am Boden der Pore sein kann. Diese geometriebasierte Lokalisierung des Porenwiderstands an der Öffnung verstärkt Anwendungen der chronisch geformten Nanoporen durch Bereitstellen einer kleinvolumigen und Hochwiderstandstransduktionsregion an der kleinen Öffnung, während die verbleibende weitere Region der Pore einen geringen Widerstandszugriff auf die Transduktionsregion bereitstellt.
• Ein zusätzlicher Vorteil der chronischen Porenform, die hier beschrieben ist, ist, dass Ionen und Moleküle durch die chronischen Poren sich asymptotisch einem konstanten Wert annähren, wenn die Tiefe der chronisch geformten Pore ~50x größer als der Radius der Porenöffnung a ist. Der Widerstand der chronischen Pore nähert sich also asymptotisch einen konstanten Wert, wenn die Tiefe der chronisch geformten Pore ~50x größer als der Radius der Porenöffnung a ist.
• Weiter werden Verfahren zum Herstellen einer modifizierten oder nicht-modifizierten Nanoporenmembran bereitgestellt, wie ein Verfahren, das das Herstellen einer modifizierten oder nicht-modifizierten Nanoporenelektrode mit einem ISTE, wie hier offenbart, und Entfernen des ISTE, das eine Nanopore in der Membran zurücklässt, beinhaltet.
• BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• 1(A) stellt eine Nanoscheibenelektrode dar; 1(B) stellt eine Glasnanoporenelektrode dar; und 1(C) stellt eine Glasnanoporenmembran dar.
• 2(A) stellt eine Nanoporenelektrode dar; 2(B) stellt eine chemisch modifizierte Nanoporenelektrode dar; und 2(C) stellt die Geometrie einer Nanoporenelektrode dar.
• 3 ist ein Schema einer konisch geformten Nanopore in einer dünnen Glasmembran.
• 4 stellt Verfahren zum Herstellen einer Glasnanoporenmembran dar: (a) Herstellung einer Pt Spitze, (b) Einsetzen einer Pt ISTE in eine Glaskapillare, (c) Versiegeln des Pt ISTE, (d) Polieren der Glaskapillare zum Erzeugen einer Nanoscheibenelektrode, (e) Ätzen des Pt ISTE zum Erzeugen einer Nanoporenelektrode und (f) Entfernen des ISTE zum Erzeugen einer Nanoporenmembran.
• 5(a) ist ein Schema eines Pi ISTE, das in einer Glasmembran versiegelt ist. 5(b) zeigt einen elektrischen Schaltkreis, der die Größe einer Nanopore in einer Glasmembran zu steuern vermag. 5(c) ist ein Foto einer elektrischen Schaltkreisvorrichtung, die an einem Pt ISTE, das in einer Glasmembran versiegelt ist, befestigt ist, und einen Polierstoff.
• 6A–6D stellen die chemische Modifizierung der äußeren und inneren Oberfläche einer Nanoporenelektrode dar.
• 7. Elektronenmikroskopbilder von (A) Pt (SEM) und (B) Au (TEM) Drähte nach Ätzen in 6 M NaCN/0,1 M NaOH.
• 8. (A) Schema einer Zelle und (B) Pulswellenform zum Herstellen ultrascharfer Pt Spitzen.
• 9. Hochauflösendes TEM Bild einer Pt Spitze nach den Schärfen in 0,1 M H₂SO₄,
• 10. (A) Widerstand einer glasversiegelten Pt Scheibenelektrode während des Polierens berechnet durch Finite Elemente Simulationen. Einsätze stellen die Potenzialverteilung vor und nach Bloßlegen der Pt Scheibe dar. (B) SEM einer resultierenden Scheibenelektrode, die hergestellt wurde unter Verwendung der Finite Elemente Simulationen und hochsensitiver, elektrischer Schaltkreis zum Steuern des Radius der Pt-Scheibe.
• 11. (A) Schaltkreisdiagramm des hochsensitiven, elektrischen Verbindungstesters zum Erfassen des ersten Bloßlegens von Pt. (B) Schaltkreisdiagramm des hochsensitiven, elektrischen Schaltkreises zum Steuern des Radius der Pt-Scheibe. R_G ist ein variabler Widerstand, der die Auswahl des Scheibenradius ermöglicht.
• 12. Ein Diagramm, das die voltammetrischen Antworten der Pt-Nanoscheibenelektroden in CH₃CN mit 5 mM Fc und 0,2 M TBAPF6 (A) vor und nach (B) anfänglicher Pt Spitzenfreilegung (~0,4 nm Radius) und (C) nach weiterer Spitzenfreilegung, um eine Scheibenelektrode zu erzeugen.
• 13. Ein Diagramm, das die voltammetrische Reaktion einer Pt Scheibenelektrode darstellt, gemessen in CH₃CN/0,2 M TBAPF₆ in der Anwesenheit und Abwesenheit von 5,0 mM Fc. (A) 11 nm Radius, versiegelt in Kalknatronglas und (B) 15 nm Siegel in Bleiglas (sweep Rate = 20 mV s^–1).
• 14. Grafik, die die voltammetrischen Antworten von Au-Nanoscheibenelektroden darstellen, gemessen in CH₃CN/0,2 M TBAPF₆ in der Anwesenheit und Abwesenheit von 5,0 mM Fc. (A) 21 nm Radius versiegelt in Kalknatronglas und (B) 49 nm versiegelt in Pb-dotiertem Glas (sweep Rate = 20 m V s^–1).
• 15. Grafische Darstellung von experimentell gemessenen Radien von Pt-Nanoscheiben gegen den vorgewählten Wert. Nanoscheiben wurden unter Verwendung des MOSFET-Schaltkreises aus 11(B) und der in 10 gezeigten Finite Elemente Simulationen hergestellt. Der Einsatz zeigt ein Rasterelektronenmikroskopbild einer Pt-Nanoscheibenelektrode.
• 16. Grafik, die die voltammetrische Antwort einer 86 nm Radius Pt-Nanoscheibenelektrode und der korrespondierenden Nanoporenelektrode in CH₃CN aufweisend 5,0 mM Fe und 0,2 M TBAPF₆, darstellt.
• 17. (A) Voltammetrische Antwort einer 23-nm-Radius Pt-Scheibenelektrode in CH₃CN enthalten 5,0 mM Ferrocen und 0,2 M TBAPF₆ (B) AFM Bild der Öffnung nach dem Pt teilweise von der Elektrode teilweise entfernt wurde (A). Ein 23-nm Maßstab ist über der Nanopore gezeigt.
• 18 optische Bilder während der Herstellung der Glasnanoporenmembran. (A) Pt in Glas versiegelt; (B) Pt versiegelt in Glasmembran nach Polieren des Glases; (C) Glasnanoporenmembran nach Entfernen von Pt; und (D) Schema einer Glasnanoporenmembran.
• 19(A) i-V Kurven für eine 32-nm-Radiusglasnanoporenmembran als Funktion der KCl Konzentration (das über die Membran gemessene Potenzial; Abtastrate 100 mV s^–1). (B) Voltammetrische Antwort der korrespondierenden Pt Nanoscheibe in einer 10,0 mM Ru(NH₃)₆Cl₃ Lösung, enthaltend 1 M KCl (Abtastrate 20 mV s^–1). Die Porenöffnungsgröße, wie aus der Steigung der i-V Kurve aus (A) für 1 M KCl erhalten ist 31 nm), welches mit einem Fehler gleich dem aus der Faradayschen Antwort erhaltenen Wert in (B) ist (a = 32 nm).
• ART UND WEISE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
• Es ist insbesondere nützlich, eine strukturell einfache und zuverlässige Nanoporenplattform zum Untersuchen molekularen Transports durch Öffnungen in Nanomaßstabsdimensionen zu entwickeln. Bereitgestellt werden eine oberflächenmodifizierte Nanoporenelektrode mit einem eingebauten ISTE, die Herstellung und dessen Verwendung. Im Gegensatz zu analytischen Messungen, die auf Poren in freistehenden Membranen basieren, ist die Glasnanoporenelektrode für Öffnungen durch eine einzige Öffnung offen. Vorteile in diesem Aufbau schließen ein: Einfachheit und Wiederholbarkeit der Herstellung; ein eingebautes Signaltransduktionselement (z. B. eine Pt Elektrode) zum Aufzeichnen des Transports durch die Pore (entweder molekularer Transport oder Ionenleitwert); und mechanische Robustheit der festen Elektrode. Das Gerät ist tragbar, verhältnismäßig günstig herzustellen und kann einfach auf eine Anordnung von Nanoporenelektrodensensoren für gleichzeitige Erfassung von mehreren Analyten erweitert werden. Das Vorrichtungskonzept kann auch in Silizium und andere mikroelektronische lithographisch hergestellte Vorrichtungen aufgenommen werden. Diese Analysatoren können als Sensoren für die pharmazeutische Industrie, den Heimatschutz und militärische Anwendungen nützlich sein.
• In der folgenden Beschreibung wird Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen, die zur Veranschaulichung mehrere Ausgestaltungen der Erfindung zeigen.
• 2(A) stellt eine Glasnanoporenelektrode und 2(B) stellt eine oberflächenmodifizierte Glasnanoporenelektrode dar. In 2(A) und (B) weist die Nanoporenelektrode 100 ein Glassubstrat 110, Pt Draht 120 und die Nanopore 130 auf. Das Glassubstrat 110 hat eine erste Oberfläche 112 und eine zweite Oberfläche 124. Die erste Oberfläche 112 wird auch die äußere Oberfläche der Nanopore 130 genannt. Die erste Oberfläche 112 ist mit einer ersten Größe 116 modifiziert. Die erste Größe 116, die an der ersten Oberfläche 112 befestigt wurde, verändert die Oberflächeneigenschaft der ersten Oberfläche 112. Die Auswahl der ersten Größe 116 hängt von der gewünschten Oberflächeneigenschaft ab. Pt Draht 120 hat eine erste Oberfläche 122 und eine zweite Oberfläche 124. Die erste Oberfläche 122 ist im Substrat 110 eingebettet. Pt Draht 120 kann sich durch das Substrat 110 am Ende, das die zweite Oberfläche 124 aufweist, erstrecken. Optional erstreckt sich Pt Draht 120 nicht durch die zweite Oberfläche 114 des Substrats 110 solange die zweite Oberfläche 124 durch die zweite Oberfläche 124 freigelegt ist. Die Nanopore 130 weist die innere Oberfläche 132, eine kreisförmige Öffnung 134 und eine kreisförmige Basis 122 auf. Die Öffnung 134 öffnet sich durch die erste Oberfläche 112 des Substrats 110. Es ist zu beachten, dass die Basis 122 der Nanopore 130 die erste Oberfläche des Pt Drahts 120 ist. Die Basis 122 wird auch Scheibe, in diesem Fall Pt Scheibe genannt. Die innere Oberfläche 132 ist mit einer zweiten Größe 136 modifiziert. Die zweite Größe 136, die an der inneren Oberfläche 132 befestigt ist, ändert die Oberflächeneigenschaft der inneren Oberfläche 132. Die Auswahl der zweiten Größe 136 hängt von den gewünschten Oberflächeneigenschaften ab. Die Nanopore 130 ist von der Form eines Kegelstumpfes, wobei der Radius der Öffnung 134 kleiner als der Radius der Basis 124 ist. Der Radius der Öffnung 134 ist üblicherweise im Bereich von 2 nm bis 30 μm. Die Tiefe, die in 2 als d bezeichnet ist, ist üblicherweise im Bereich von 10 nm bis 100 μm.
• Die Geometrie der Nanoporenelektrode mit Kegelstumpfform, die in 2(A) und (B) gezeigt ist, ist weiter in 2(C) dargestellt. Die Nanopore 130 kann durch jede drei der folgenden vier Parameter charakterisiert werden: die Tiefe der Pore, d, dem Radius der Pt Scheibe (z. B., Basis 122 in 2(A)) am Boden der Pore, a_p, dem Öffnungsradius a, und dem halbkonischen Winkel Θ. Der Winkel Θ wird bestimmt durch den konischen Winkel des geätzten Pt Drahts, bevor dieser in Glas versiegelt wird, welches einfach durch Lichtmikroskopie bis auf 1° gemessen werden kann, wie in Zhang et al., Anal. Chem. 2004, 76, 6229–6238. Der Radius der Öffnung a, ist gleich dem Radius der freigelegten Pt Scheibe (z. B., Pt Scheibe in 1) vor dem Ätzen von Pt.
• 3 zeigt einen Querschnitt einer Nanopore der Form eines Kegelstumpfs in einer dünnen Glasmembran. In 3 weist die Nanoporenvorrichtung 100 eine Glaskapillare 110 und eine Nanopore 120 auf. Die Glasmembran 130 ist ein integraler Bestandteil der Glaskapillare 110. Die Glasmembran 130 hat eine erste Seite 140 und eine zweite Seite 150. Die Nanopore 120 erstreckt sich durch die Glasmembran 130, und formt dadurch einen Kanal, der die erste Seite und die zweite Seite der Glasmembran 130 miteinander verbindet. Die Nanopore 120 hat eine erste Öffnung 160, die der ersten Seite der Glasmembran 130 zugewendet ist und eine zweite Öffnung 170, die der zweiten Seite der Glasmembran 130 zugewendet ist. Die erste Öffnung 160 ist kleiner als die zweite Öffnung 170. Üblicherweise ist die erste Öffnung 160 im Bereich von 2 nm bis 500 nm; und die zweite Öffnung ist im Bereich von 5 μm bis 25 μm. Die Dicke der Glasmembran 130, ebenso die Länge der Nanopore 120 in diesem Fall, ist ~20–75 μm.
• Allgemeine Verfahren zum Herstellen einer Glasnanoporenmembran sind schematisch in 4 abgebildet. Herstellungen von Nanoscheibenelektroden, Nanoporenelektroden und Nanoporenmembranen sind weiter unter Verwendung von Beispielen hier dargestellt. Die Herstellung einer Nanoporenmembran erfolgt üblicherweise in vier großen Schritten: Herstellen eines ISTE mit einer konisch geformten Spitze, Versiegeln der Spitze des ISTE in einem Glassubstrat, Polieren des Substrats bis die Spitze freigelegt ist, um eine Nanoscheibenelektrode zu erzeugen, Ätzen der Spitze des ISTE, um eine Nanoporenelektrode herzustellen, und Entfernen des ISTE, um eine Nanoporenmembran zu erzeugen. 4(a) weist die Elektrode 280 einen Pt Draht 210 auf, der an einem W Stab 260 mittels Ag Farbe befestigt ist. Der Pt Draht 210 ist elektrochemisch geätzt, um eine scharfe Spitze zu erzeugen. In 4(b), ist die Elektrode 280 mit geschärfter Pt Spitze 210 innerhalb einer Glaskapillare 220 eingesetzt. In 4(c) ist die Glaskapillare 220 versiegelt, um eine Bodenwandung 230 zu erzeugen, in der die Pt Spitze 210 eingebettet ist. In 4(d) wird die versiegelte Bodenwandung 230 der Kapillare 220 poliert bis eine Pt Scheibe 240 freigelegt ist. In 4(e) wird die freigelegte Pt Scheibe 240 elektrochemisch geätzt, um eine Nanopore zu erzeugen. In 4(f) wird der Pt Draht durch sanftes Ziehen des W Stabs (der mit Pt verbunden ist) oder durch elektrochemisches oder chemisches Ätzen des Pt Drahts entfernt.
• Die Größe der Öffnung der Nanopore (z. B., Öffnung 134, wie in 2(A) oder die erste Öffnung 160 in 3 gezeigt), kann durch Steuern der Größe der freigelegten Scheibe des ISTE gesteuert werden. Zum Unterstützen des Polierens kann ein elektrischer Verbindungsschaltkreis verwendet werden, um das Freilegen des Metalls während des Polierens zu signalisieren. Der Schaltkreis kann derart eingereichtet sein, dass ein Benutzer genau in dem Moment alarmiert werden kann, in dem die Scheibe des ISTE das erste Mal während des Polierens freigelegt wird. Eine Möglichkeit dieses zu erreichen, ist, die elektrische Verbindung zwischen dem im Substrat versiegelten ISTE und dem Poliermittel, wie etwa einem elektrolytgetränkten Polierstoff, zu analysieren, z. B., durch Analysieren des elektrischen Widerstands als Funktion der Dicke des Substrats über der Spitze des ISTE während des Polierens. Der kombinierte Widerstand des ISTE, des Substrats und des Polierstoffs wird hier als der Widerstand des Polierschaltkreises bezeichnet. Der gesamte Widerstand zwischen dem ISTE, das im Substrat eingebettet ist und der Substratoberfläche in Kontakt mit dem Polierstoff kann unter Verwendung von Finite Elemente Simulation berechnet werden, welche die Schätzung der Größe der freigelegten Scheibe während des Polierens ermöglichen. Das Verfahren zur Verwendung von Finite Elemente Simulationen zum Unterstützen des Steuerns der Scheibengröße wird weiter im beiliegenden Beispiel demonstriert.
• 5 stellt einen elektrischen Rückkopplungsschaltkreis dar, der verwendet werden kann, um die Größe einer Nanopore zu steuern. Wie in 5(c) gezeigt, weist die Elektrode 410 eine Pt Spitze mit einem verlängerten W Stab dar, wobei die Pt spitze in der Glaskapillare 420 versiegelt ist. Die Glaskapillare 420 wird anfangs unter Verwendung von 400, 800, 1200 Schmirgelpapier geschliffen, bis ~0,5 μm Glas oberhalb der Pt Spitze verbleiben. Glaskapillare 420 wird dann mit filzartigem Polierpapier, das mit einer wässrigen Masse Polierpulver, das ein Elektrolyt, z. B., 0,1 M KCl enthält, getränkt ist, poliert. Eine elektrische Verbindungsmessung unter Verwendung des Geräts 440, das auf einem MOSFET „an/aus” Umschaltschaltkreis basieren kann, wird vorgenommen um zu bestimmen, wann der DC Widerstand zwischen dem W Stab, der sich von der Oberseite der Kapillare erstreckt und dem getränkten Polierstoff unterhalb 1–2 GΩ abgesunken ist, welches das Freilegen der Pt Spitze signalisiert. Das Polieren wird an diesem Punkt sofort eingestellt, der 1–2 GΩ Widerstand wurde empirisch bestimmt, um freigelegte Pt Scheiben (z. B. Pt Scheibe 240 in 4) elektrochemisch bestimmten Radien im Bereich von 2 bis 30 nm zu ergeben. Der Signalwiderstand und Schaltkreis können modifiziert werden, um freigelegte Pt Scheiben verschiedener Radien zu ergeben und daher Steuerung der Größe der Öffnungen bereitzustellen.
• Ein Beispiel chemischer Modifizierung der äußeren und inneren Oberfläche einer Nanoporenelektrode ist in 6 abgebildet. In 6(a) ist Pt Draht 512 mit einer konischen Spitze im Glassubstrat 510 versiegelt. Die Oberfläche 514 wird poliert, um die äußere Oberfläche 516 zu erzeugen und Pt Scheibe 518, wie in 6(b) gezeigt, freizulegen. Die äußere Oberfläche 516 ist durch kovalente Befestigung eines Alkansilans geschützt, das terminale „inerte” Eigenschaften aufweist. Der Zweck eines inerten Terminus dieses Monolayers ist, Binden oder spezifische Wechselwirkung von Molekülen und Analyten mit der äußeren Oberfläche zu verhindern. Die freigelegte Pt Scheibe 518 wird dann elektrochemisch geätzt, um die Pore 520 zu ergeben, welches in der Pt Scheibe 522 an der Porenbasis resultiert. Die Pt Scheibe 522 dient als ein elektrischer Signalüberträger für elektrochemische oder Leitfähigkeitsmessungen. Die innere Oberfläche 524 der Glaspore wird dann modifiziert, um Bindungsstellen oder chemische Funktionalitäten einzuführen, die auf externe Stimuli reagieren. Beispielsweise kann ein Silan mit einem -NH2 Terminus an der inneren Oberfläche 524 befestigt sein, weil die Aminogruppe ein geeigneter Startpunkt zum Koppeln an analytspezifische Liganden ist.
• Einige Ausgestaltungen der Erfindung sind in Zhang, Anal Chem., 2004, Zhang, Anal Chem., 2006; Zhang, JPC, 2006, Wang, JACS 2006, White, Langmuir, 2006 offenbart.
• Die Erfindung wird weiter mit der Hilfe der folgenden veranschaulichenden Beispiele beschrieben.
• BEISPIELE
• Herstellung von Glasnanoscheibenelektroden, Glasnanoporenelektroden und Glasnanoporenmembran.
• Elektrochemisches Ätzen von Au und Pt Spitzen. Ein 2 cm langer Pt oder Au Draht wird mit einem W Stab unter Verwendung von Ag leitfähigem Epoxid (DuPont)) verbunden. Die Pt/W oder Au/W Gruppe wird in einem Ofen bei 120°C für ungefähr 15 Minuten zum Trocknen des Ag Epoxid erhitzt. Das Ende des Au oder Pt Drahts wird auf einen scharfen Punkt in 6 M NaCN/0,1 M NaOH Lösung geätzt, den Standardverfahren die anderswo genannt sind folgend ((a) Melmed, A. J. J. Vac. Sci. Technol. B 1991, 9, 601. (b) Melmed, A. J.; Carroll, J. J. J. Vac. Sci. Technol. A 1984, 2, 1388). Kurzgefasst wird eine 100–300 Hz AC Spannung (~4 V Amplitude) zwischen dem Pt oder Au Draht und einer Großbereichs Pt Elektrode unter Verwendung eines Agilent 33220A Funktions-/freiwählbaren Generators angelegt. Blasen bilden sich an der Metall/Lösungs-Schnittstelle während des elektrochemischen Ätzens; die angelegte Spannung wird sofort bei Beendigung der Blasenbildung entfernt und der geschärfte Draht wird mit H₂O gewaschen. Pt Spitzen werden weiter geschärft, wie im Folgenden beschrieben, unter Verwendung eines maßangefertigten Wellenformgenerators.
• 7 zeigt Elektronenmikroskopbilder von Pt und Au Spitzen nach Ätzen in 6 M NaCN/0,1 M NaOH. Obwohl ähnliche Bedingungen verwendet werden (z. B. ~180 Hz, 3,6 V für Pt, 4, 5 V für Au) ergibt das Ätzen von Au Drähten Spitzen mit signifikant kleineren Radien der Krümmung (< 10 nm) als Pt (~30 nm).
• Systematische Studien zeigten mehrere wichtige Zusammenhänge auf. Zunächst resultieren Metalldrähte mit größeren Durchmessern in größeren Durchmessern der Konuswinkel an der Spitze. Beispielsweise ergibt Ätzen eines 25 μm Durchmessers Pt Drahts Spitzen mit Halbkonuswinkeln von 8,5 ± 1°, während Ätzen eines 100 μm Durchmesser Pt Drahts Spitzen mit Halbkonuswinkeln von 14 ± 1° ergibt. Die Möglichkeit den Konuswinkel der Spitze zu steuern ist von praktischer Anwendung, da der Transportwiderstand der Glasnanoporen auf diesen Parameter sensitiv ist. Zweitens ist die Oberflächenrauheit der geätzten Metallspitzen, insbesondere für Pt, sehr abhängig von der Frequenz der angelegten AC Spannung. Höhere Frequenzen geben signifikant glattere Oberflächen. Jedoch ist die Frequenz der Ätzspannung bevorzugt weniger als 1000 Hz um scharfe Spitzen zu erzeugen. Empirisch ergibt ein Frequenzbereich von 110–300 Hz Spitzen, die zum Herstellen von Nanoscheiben befriedigend sind.
• Elektrochemisches Schärfen von Pt Spitzen Nanoscheibenelektrodenradien zwischen 30 und 100 nm können hergestellt werden unter Verwendung von Pt Spitzen, die wie oben beschrieben, geschärft wurden. Um noch kleinere Pt Elektroden herzustellen, wurde das von Libioulle et al. (Libioulle, L.; Houbion, Y.; Gilles, J.-M. Rev. Sci. Instrum. 1995, 66, 97) beschriebene Verfahren zum Schärfen von Pt Spitzen zur Verwendung in STM mit wenigen Änderungen angewendet. 8A zeigt eine U-förmige elektrochemische Zelle, die für diesen Zweck verwendet wurde. Diese Zelle hat ein großes Reservoir auf der linken Seite, das verwendet wird um die Luft-Lösungs- (0,1 M H₂SO₄) Schnittstelle in der horizontalen Glasröhre zur rechten einzustellen. Das Ende einer geätzten Pt Spitze wird senkrecht auf den Meniskus der 0,1 M H₂SO₄ in der horizontalen Glasröhre eingesetzt. Eine gepulste Spannungswellenform wird dann angewendet, um die Spitze weiter elektrochemisch zu schärfen. Eine 4 kHz, 15 V, 16 μs Pulswellenform für 1 s mit einem selbstgebauten Wellenformgenerator, gefolgt von einem DC Potenzial von –1,1 V für 10 s, wurde angelegt, um jegliches PtO_x zu entfernen. Das Spannungsprogramm als Funktion der Zeit ist in 8(B) wiedergegeben. Die Wiederholung des Programms wurde dreimal in Folge ausgeführt, um ausreichend scharfe Spitzen für die Elektrodenherstellung zu erhalten.
• 9 zeigt ein TEM Bild einer typischen Pt Spitze, die mit dem oben dargestellten Verfahren geschärft worden sind. Der Radius der Krümmung der Spitze ist ungefähr 2 nm und die Oberfläche erscheint frei von Oxidablagerungen. TEM Charakterisierungen zeigt, dass die Mehrheit der großen Pt Spitzen, die unter Verwendung des in der 8(B) gezeigten Programms verarbeitet wurden, Radien von < 10 nm haben.
• Versiegeln von Pt und Au Spitzen in Glas Die geschärften Enden der Pt oder Au Drähte wurden in Glaskapillaren eingesetzt, wobei ~3 mm zwischen der Spitze und dem Ende des Glasrohrs belassen wurden. Der Draht wird dann im Glasrohr durch langsames Weichmachen der Kapillare in einer H₂-O₂ Flamme versiegelt. Ein Lichtmikroskop wird verwendet, um die Qualität des Siegels während dieses Vorgangs in Abständen zu überprüfen (z. B., um sicherzustellen, dass keine Blasen nahe der Metallspitze eingeschlossen wurden). Nach Erhalten eines annehmbaren Siegels wird die Oberseite des W Stabs an der Glaskapillare mit Epoxid (Dexter) gesichert. Grobes Polieren, um einen großen Teil des Glases zu entfernen (z. B., durch Belassen von ~100 μm zwischen der Metallspitze und der äußeren Kante der Kapillare) wird erreicht durch Verwenden feinen Sandpapiers oder Schmirgelleinen.
• Endgültiges Polieren, um die Pt oder Au Scheibe freizulegen, wird durchgeführt unter Verwendung eines getränkten Buehler MICROCLOTH^TM Polierkissens, das an einer grünen Glasplatte befestigt ist, mit Hilfe eines elektrischen Verbindungstesters wie im Folgenden beschrieben.
• Zwei grundlegende Bedingungen müssen eingehalten werden, um das Metall in einer Glaskapillare zu versiegeln, ohne die ultrascharfen Pt und Au Spitzen zu zerstören. Erstens muss der thermische Ausdehnungskoeffizient des Glases gleich oder größer als der des Metalls sein, um Spaltenbildung beim Abkühlen zu verhindern. Zweitens muss die Versiegelungstemperatur viel geringer als der Schmelzpunkt des Metalls sein, um Änderungen der Spitzenform zu verhindern. Daher sollte Verflüssigungstemperatur des Glases signifikant geringer als der Schmelzpunkt des Metalls sein.
• Tabelle 1 führt die Schmelzpunkte und linearen Ausdehnungskoeffizienten der Metalle und des Glases auf, die in dieser Studie verwendet wurden. Der Schmelzpunkt von Pt (~1770°C) ist ~1000°C höher als der Verflüssigungspunkt von Kalknatron- oder Pb-dotiertem Glas und die Ausdehnungskoeffizienten von Pt und bei den Glastypen sind vergleichbar. Diese Bedingungen zeigen an, dass Pt zum Versiegeln in jeder Art von Kapillare gut geeignet ist. Obwohl Au einen signifikant höheren thermischen Ausdehnungskoeffizient als Kalknatron- oder Bleiglas und einen Schmelzpunkt (~1060°C), der nur 300–400°C höher als die Glasverflüssigungspunkte ist, hat, haben wir erfolgreich Au in Pb-dotierten Glaskapillaren versiegelt (beurteilt nach der voltammetrischen Antwort). Tabelle 1. Schmelz/Verflüssigungspunkte und Ausdehnungskoeffizienten von Pt, Au und Glas.

  Material	Schmelz/Verflüssigungs-Punkt °C	Linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient (25°C) (× 106) K–1	Elektrische Leitfähigkeit (Ω m)–1
  Platin Gold Kalknatronglas Pb dotiertes Glas	1769 1064 ~700 ~600	9 14 9,3 9,5	9,3 × 106 4,4 × 107 ~10–10 ~10–14

• Polieren der Glaselektrode Um das Polieren per Hand zu unterstützen wurde ein (MOSFET)-basierter elektrischer Verbindungsschaltkreis mit hoher Eingangsimpedanz verwendet, um das Freiliegen des Metalls während des Polierens zu signalisieren. Die elektrische Verbindung zwischen dem Pt oder Au Draht, der in Glas versiegelt ist, und dem filzartigen Polierstoff, der mit einer KCl Lösung befeuchtet und an den externen Schaltkreis mit einer Metallklemme angeschlossen ist, wird gemessen. Die erfolgreiche Umsetzung dieser Strategie hängt vom Einrichten des Schaltkreises derart ab, dass der Benutzer präzise in dem Moment alarmiert wird, in dem das Metall das erste Mal während des Polierens freigelegt wird. Eine Möglichkeit dieses zu erreichen, ist eine Analyse des elektrischen Widerstands als Funktion der Dicke des Glases oberhalb der Spitze während des Polierens zu verwenden. Der kombinierte Widerstand von Pt Draht, dem Glas und dem Elektrolyt-benetzten Polierstoffs wird hier als der Widerstand des Polierschaltkreises bezeichnet.
• Der gesamte Widerstand zwischen dem Pt Draht, der im Glas eingebettet ist und der flachen Glasoberfläche in Kontakt mit dem Polierstoff wird unter Verwendung von Finite Elemente Simulationen berechnet.
• Die elektrische Leitfähigkeit von Glas wird auf 10^–10 (Ohm·m)^–1 gesetzt, üblicherweise von Natronkalkglass (Tabelle 1) und ungefähr 17 Größenordnungen geringer als Pt. Vor Pt Freilegung ist die Glasschicht zwischen dem Metall und dem Polierstoff bei Weitem der dominante Widerstand (der Widerstand der Lösung kann vernachlässigt werden). Bei Freilegung der Spitze wird der Ausbreitungswiderstand an der Nanoscheiben/Elektrolytschnittstelle gesteuert und berechnet unter Verwendung der Gleichung: (Bard, A. J.; Faulkner, L. R. Electrochemical Methods: Fundamentals und Applications; 2nd Edition, 2001) R = (4 κa)^–1 (1) wobei κ die Leitfähigkeit von 0,02 M KCl Lösung (κ ~ 0,14 (Ohm m)^–1) am Polierstoff und a der Radius der Metallscheibe ist. Andere KCl Konzentrationen und verschiedene Elektrolyte können zum Polieren verwendet werden unter Verwenden des elektrischen Rückkopplungsschaltkreises. Da der Spannungsabfall im Elektrolyt über eine sehr kurze Distanz (~10a) auftritt, ist es nicht notwendig, die Elektrolytschichtgeometrie am Polierstoff präzise abzubilden.
• 10 zeigt eine graphische Darstellung des Logarithmus des Polierschaltkreiswiderstands (Log R (Ω)) als eine Funktion der Poliertiefe L (nm). Der Wert von L = 0 entspricht der Glasoberfläche, die mit dem Ende der Metallspitze ausgerichtet ist. Daher entsprechen negative Werte von L der Dicke der Glasschicht bevor die Spitze freigelegt wird, während positive Werte der Dicke des Glases entsprechen, das der Spitzenfreilegung folgend entfernt wird. Eine geometrische Analyse kann verwendet werden, um L Werte in den freigelegten Scheibenradius zu konvertieren (a; ausgewählte a Werte sind in 10 gezeigt). Daher ermöglicht die Messung des Polierschaltkreiswiderstands prinzipiell die Abschätzung der Größe der Metallscheibe während des Polierens.
• Um eine Echtzeitrückkopplung zu erhalten wird ein MOSFET Schaltkreis als ein DC Verbindungstester verwendet, um den Moment während des Polierens zu bestimmen, in dem die Metallspitze offengelegt wird. Aus der Simulation in 10A können wir die Verbindung als ein Abfall in R von ~10¹⁸ Ω (nicht messbar) auf ~10⁹ Ω definieren. Ein erkennbares Fortschreiten ist R = 8,9 GΩ für a = 0,1 nm, 4,5 GΩ wenn a = 0,2 nm und 1,8 GΩ bei a = 0,5 nm. In dem hier im Folgenden beschriebenen Schaltkreis wird elektrische Verbindung signalisiert, wenn R = –2 GΩ ist entsprechend einer Metallnanoscheibe mit a ~0,5 nm (Freiliegen von ~10 Metallatomen des Radius 0,15 nm in einer kreisförmigen Scheibe würden diesen Kriterien entsprechen). 10B zeigt ein SEM einer Pt Scheibe, die an der Glasoberfläche, die mit diesem Verfahren hergestellt wurde, freigelegt ist.
• Ein Schaltkreisdiagramm dieses Verbindungstesters ist in 11(A) gezeigt. Ein Widerstand von weniger als ~2G Ohm wird durch ein Audiosignal und/oder eine leuchtende LED angezeigt. Obwohl ein stärker empfindlicher Tester entwickelt werden könnte, sind derartige hochsensitive Vorrichtungen empfänglich für Falschmessungen aufgrund sehr kleiner Leckströme durch Oberflächenkontaminierung der Testleitungen und durch Leitung oder Tunnelung über die nanometerdünnen Glasschichten gerade vor Freilegen der Spitze.
• Der Signalisierungsmechanismus besteht aus einem Festkörperpieper und einer LED, die beide zwischen dem +9 V Batterieanschluss und der Ableitungsleitung eines VL0300L MOSFET Transistors angeschlossen sind. Die Quellleitung dieses Transistors ist derart angeschlossen, dass der Transistor als ein Schalter im Schaltkreis agiert; wenn ein kompletter Schaltkreis durch einen Widerstand von weniger als ~2 GΩ zwischen den Testleitungen erzeugt wird, wird der Pieper ertönen und die LED wird angeschaltet sein. Dieses wird erreicht durch Anbringen einer Testleitung direkt an den +9 V Batterieanschluss und der anderen an das Transistorgatter über einen 500 MΩ Widerstand, der in Serie mit dem negativen Batterieanschluss verdrahtet ist. Gibt es eine ausreichende Verbindung durch die Testleitungen, wird ein 1,5 V Abfall über den 500 MΩ Widerstand den Transistor aktivieren. Der Verstärkungsmodus FET ist normalerweise aus und daher sind der Pieper und die LED normalerweise aus. Jedoch aktiviert ~1,5 V am Gatter des FET den Transistor und schaltet den Pieper und die LED daher aus.
• Im Betrieb ist eine Testleitung mit dem W Stab verbunden, der den Pt oder Au Draht, der in der Glaskapillare eingebettet ist, kontaktiert und die andere Leitung badet in der Lösung auf den Polierstoff. Wenn genug Glas poliert wurde um gerade die Pt/Au Spitze freizulegen, wird ausreichend Strom durch die Sonde fließen, welches einen Spannungsabfall über den 500 MΩ Gatterwiderstand verursacht, der wiederum den Transistor aktiviert.
• Bei erstem Freilegen des Metalls erfolgt ein periodisches Audio- oder LED-Signal, das möglicherweise auf kapazitiven Strömen beruht. Einige weitere zusätzliche Sekunden des Polierens resultieren in einem kontinuierlichen Signal, das möglicherweise mit der Oxidation oder Reduktion von H₂O oder anderen Redox-aktiven Bestandteilen der Elektrolyte (Cl^–, O₂), die den Polierstoff befeuchten, assoziiert ist.
• Der Polierkreislauf aus 11(A) kann modifiziert werden durch Ersetzen des 500 MW Widerstands mit einem variablen Widerstand R_G, wie in 11(B) gezeigt. Dieses resultiert in einem elektrischen, optischen oder Audiosignal für den Polierer, dass eine Scheibenelektrode der Größe, bestimmt durch die Berechnungen aus 10(A) und dem Wert von R_G, hergestellt worden ist. Polieren wird unmittelbar bei Anzeige der gewünschten Scheibengröße entweder durch das LED- oder Audiosignal eingestellt.
• Der Radius der freigelegten Metallscheibe kann mit mehreren Mitteln bestimmt werden, einschließlich: stationärer Voltammetrie, Rasterkraftmikroskopie, Leitungsmessungen (der Pore nach Entfernen des Metalls) und Elektronmikroskopie. Nanoscheibenradien werden gemessen durch stationäre Voltammetrie, welche die bei weitestem wenig aufwendige Methode ist. Repräsentative Proben werden auch durch ein zusätzliches Verfahren zum Etablieren von Zusammenhängen mit voltammetrischen Messungen charakterisiert, um gegenseitig Gültigkeit sicherzustellen. In der Voltammetrie wird der Radius der Nanoscheibe unter Verwendung des Gleichgewichtszustandes limitierenden Stroms, i_d, für die Oxidation einer löslichen Redoxspezies durch die Gleichung (Saito, Y. Rev. Polarog. (Japan) 1968, 15, 177) bestimmt. i_d = 4nFDCa (2) wobei n die Elektronenstöchiometrie, F die Faradaysche Konstante und D und C* der Diffusionskoeffizient und die Gesamtkonzentration der Redoxmoleküle ist. Werte von a werden bestimmt durch Messen von i_d für die Oxidation von 5,0 mM Ferrocen (Fc, D = 1 × 10⁵ cm² s^–1) in Acetonitril (unter Unterstützung von Elektrolyt 0,2 M TBAPF₆).
• 12 zeigt die voltammetrische Antwort einer Pt Scheibenelektrode in 5,0 mM Fc/0,2 M TBAPF₆ Lösung vor der Freilegung der Spitze (A), unmittelbar nachdem der Verbindungstester Freilegen mit periodischem Piepen signalisiert (B) und nach Beschallen der Nanoscheibe in Ethanol für ~20 s (C). Vor Freilegen der Metallspitze gibt es einen kleinen Ladungsstrom (~0,5 pA, 12(A)), der wenigstens teilweise der Streukapazität des Instruments entspricht. Diese Hintergrundkapazität wird beobachtet, gleich ob die Metallnanoscheibe freigelegt ist oder nicht und erscheint auch, wenn die Kapillare und der Metalldraht vollständig aus der Lösung entfernt sind. Die voltammetrische Kurve in 12(B) zeigt einen Stromanstieg, der nahezu exponentiell ist beginnend nahe E^0' (das thermodynamische Redoxpotenzial). Dieser Strom erreicht nicht ein diffusions-limitiertes Plateau und kann aus jeder Kombination von entweder (1) Leitung oder Tunnelung über eine sehr dünne Glasschicht (< 1 nm) die oberhalb der Pt Spitze verbleibt, oder (2) kinetisch kontrollierte Oxidation von Fc an einer Sub-Nanometer-Radius-Nanoscheibe entstehen. 12(C) zeigt, dass eine voltammetrische Antwort, die ein gut definiertes diffusions-limitiertes Stromplateau zeigt, nach kurzer Beschallung der Elektrode (5 s) erhalten wird. Es wird angenommen, dass Beschallung jegliches verbleibendes Glas an der Elektrodenoberfläche entfernt, gleichwohl in unkontrollierter Art. Die voltammetrische Antwort nach Beschallung entspricht einem Radius von ~4 nm.
• Fortsetzen des Polierens kurz über die periodisches-Piepen-Stufe (bis ein kontinuierlicher Audioalarm erhalten wird) resultiert in Elektroden, die gut definierte Voltammetrie geben. i-V Kurven in ausschließlich Elektrolyt und 5,0 mM Fc Lösungen für zwei verschiedene Pt Elektroden ist in 13 dargeboten. Diese Elektroden wurden hergestellt unter Verwendung von Natronkalkglas (a = 11 nm, 13(A)) und Pb-dotiertem Glas (a = 15 nm, 13(B)). Ähnliche voltammetrische Antworten wurden erhalten für glasbedeckte Nanoscheiben, die hergestellt wurden unter Verwendung geschärfter Au Drähte, 14(A) und 14(B). Bei Verwendung der Schaltkreise in 11 fanden wir, dass Pt und Au Nanoscheiben mit Radien im Bereich zwischen 2 und 25 μm routinemäßig hergestellt werden konnten, wobei die Mehrheit dieser nahezu ideales voltammetrisches Verhalten entwickelte (ähnlich den hier vorgestellten Beispielen).
• Nähere Untersuchungen von 13 lassen einen Unterschied in der voltammetrischen Antwort zwischen den zwei Pt Elektroden erkennen, die unter Verwendung von Kalknatron- und Pb-dotierten Glaskapillaren hergestellt wurden. Die i-V Antwort der Pt Elektrode, die mit Kalknatronglas bedeckt ist, weist einen signifikant größeren linearen Hintergrundabfall (75 pA/V) als denjenigen des Pb-dotierten Glases (unmessbar klein). Dieser Abfall ist nicht aufgrund eines schlechten Glas/Metallsiegels, sondern reflektiert den Gleichgewichtsfluss von Na⁺ innerhalb der Masse von Kalknatronglas. Diese Annahme wird durch Experimente unterstützt, in denen ein Pt Draht vollständig in Kalknatronglas versiegelt ist (kein Polieren). Die Abfälle der i-V Kurven dieser Elektroden zu jederzeit des Polierens aber nicht vor Freilegung, sind nicht unterscheidbar. Der Leitungsvorgang aufgrund des Transports von Na⁺ innerhalb des Glases erscheint der voltammetrischen Antwort der Fc Oxidation überlagert. Beispielsweise zeigt die in 13(A) dargestellte i-V Kurve für das versiegelte Pt eine größere Hysterese als die entsprechende i-V Kurve in 13(B) für eine in Pb-dotierten glasversiegelte Elektrode. Dieser Effekt ist einfach erfassbar aufgrund der hohen Stromsensitivität, die beim Aufzeichnen der Daten verwendet wurde. Die wiederholbare Abwesenheit von Ohm'schem Hintergrund, wenn Pt-dotierte Kapillare verwendet werden, stimmt überein mit der viel geringeren Ionenleitfähigkeit von Pt-dotiertem Glas im Verhältnis zu Kalknatronglas (siehe Tabelle 1).
• Wie vorher diskutiert wurde Elektronmikroskopie verwendet, um die Radien unserer Pt Nanoscheibenelektroden zu messen (wie auch Nanoporenelektroden, die aus Nanoscheiben hergestellt wurden, siehe im Folgenden). Im Allgemeinen fanden wir gute Übereinstimmung zwischen SEM-bestimmten Radien und voltammetrischen Ergebnissen. AFM Bilderfassung und Leitungsmessungen von Nanoporenelektrodenöffnungen, die von Nanoscheibenelektroden hergestellt wurden, ergeben Radien in hervorragender Übereinstimmung mit Werten aus den voltammetrischen Messungen.
• 15 zeigt eine graphische Darstellung der gemessenen Pt Scheibenradien gegen die vorgewählten Werte durch Einstellen des Widerstands R_G im Schaltkreis aus 11(B). Die Daten zeigen, dass die Größe der Scheibe durch Verwenden des Schaltkreises aus 11(B) in Zusammenhang mit den in 10(A) gezeigten Rechnungen gesteuert werden kann.
• Glasnanoporenelektroden Die Glasnanoporenelektrode (siehe 1(B)) wird hergestellt durch Ätzen der Pt oder Au Nanoscheibenelektrode in einer 20% CaCl₂ Lösung, unter Verwenden einer ~5 V Amplituden AC Spannung bei einer Frequenz 60 Hz. Das Entfernen von Pt während des Ätzens erzeugt eine konisch geformte Pore, deren Tiefe durch Variieren der Ätzzeit gesteuert wird. Der wesentliche Unterschied im Verhalten einer Pt Nanoporenelektrode im Hinblick auf eine Nanoscheibenelektrode ist ein beachtlicher Abfall in dem diffusions-limitierten Strom. Diese Verringerung ist eine Konsequenz des größeren Stofftransferwiderstands der Pore und steigt daher mit der Porengröße. 16 zeigt die voltammetrischen Antworten einer 86 nm Radius Pt Scheibenelektrode und der entsprechenden Glasnanoporenelektrode in 5,0 mM Fc. Diese besondere Nanopore resultiert aus dem Ätzen von Pt bis zu einer Tiefe von ~250 nm, wie bestimmt aus der Abhängigkeit des Grenzstroms am Verhältnis zwischen Porentiefe und dem Radius der Öffnung (d/a) (Bo Zhang, Yanhui Zhang, and Henry S. White, The Steady-State Voltammetric Response of the Nanopore Electrode, Anal. Chem. 78, 477–483 (2006)).
• Der ~65% Abfall im limitierenden Strom unter Bildung der Pore, 16, stimmt überein mit publizierten numerischen Simulationen (Anal. Chem. 78, 477–483 (2006)). 17 zeigt (A) die voltammetrische Antwort einer Pt Nanoscheibenelektrode, die verwendet wurde, um eine Nanoporenelektrode herzustellen, und (B) ein AFM Bild der Öffnung einer Nanoporenelektrode, die aus dem Ätzen dieser Nanoscheibenelektrode resultiert, unter Verwenden des oben dargestellten Verfahrens. Der Pt Nanoscheibenradius wird mit 23 nm bestimmt aus der Messung des diffusions-limitierenden Stroms (15(A)). Ein 23 nm Maßstab ist auf dem AFM Bild gezeigt, das zeigt, dass die voltammetrische Messung in hervorragender Übereinstimmung mit dem AFM Bild ist. Diese Beobachtung stimmt überein mit den SEM Studien größerer Poren, bei denen die Größe der Nanopore und die korrespondierende Nanoscheibenelektrode ähnlich sind. Diese Ergebnisse zeigen an, dass die voltammetrische Antwort genaue Werte von Metallscheibenradien ergeben und dass das elektrochemische Ätzen von Pt in CaCl₂ einen signifikanten Betrag Glas von den Wandungen der resultierenden Nanopore nicht entfernt.
• Glasnanoporenmembranen Die versiegelten Metalldrähte können vollständig vom Glas durch einen kombinierten Ätz- und mechanischen Vorgang entfernt werden, um eine Glasmembran zu erzeugen, die eine individuelle Nanopore konischer Form enthält. Versiegeln kurzer Abschnitte (25–50 μm) des geschärften Endes eines Pt Drahts wird unter Verwenden eines spezialisierten Verfahrens erreicht. Zunächst wird die Spitze an der Mitte der Glaskapillare positioniert, um Berühren der Glaswandungen zu vermeiden, während das Glas in der H₂ Lampe erwärmt wird. Anfänglich ist Pt > 0,5 cm vom Ende der Glaskapillare positioniert, während das Ende der Kapillare erhitzt wird. Wenn die Kapillare sich verflüssigt und kollabiert, wird die innere Oberfläche sehr flach. Zu diesem Zeitpunkt wird die Kapillare aus der Flamme entfernt und die Pt Spitze wird so nah wie möglich am versiegelten Ende der Kapillare positioniert, wobei darauf geachtet wird, physikalisches Berühren der Glasoberfläche zu vermeiden durch Überwachen des Vorgangs mit einem Lichtmikroskop. Die Kapillare wird dann zurück in den unteren, kühleren Anteil der Flamme zurückgeführt, um das Verflüssigen des Glases unter konstanter visueller Kontrolle der inneren flachen Oberfläche fortzusetzen. Während sich das Glas in der Flamme zu verflüssigen fortsetzt, berührt es letztendlich die scharfe Pt Spitze. Dieser Kontakt wird mit dem Auge (mit beträchtlicher Erfahrung) in Echtzeit durch plötzliches Auftreten eines Flecks am Kontaktpunkt beobachtet. Die Kapillare wird dann unmittelbar mit der an ihrem Ende versiegelten Pt Spitze aus der Flamme entfernt und ein Abkühlen ermöglicht.
• Die Kapillare wird wie oben beschrieben poliert unter Verwendung der elektrischen Schaltkreise, 10, um eine Pt Nanoscheibe zu erzeugen, deren Größe als dieser intermediäre Punkt charakterisiert werden kann. Das Pt wird dann elektrochemisch in CaCl₂ geätzt, um so viel wie möglich Pt Drahts vom Glas zu entfernen. Das verbleibende Pt kann einfach vom Glas an diesem Punkt durch vorsichtiges Verdrehen des W Drahts, das am Pt innerhalb der Kapillare befestigt ist, entfernt werden. 18 zeigt Lichtbilder von Querschnitten: (A) Pt Spitze versiegeltes Glas; (B) die polierte Pt Nanoscheibenelektrode; (C) die Glasnanoporenmembran nach dem die Spitze entfernt wurde; und (D) eine schematische Zeichnung der Glasnanoporenmembran, die die Dimensionen zeigt.
• Der Radius der schmalen Öffnung einer Glasnanoporenmembran kann aus dem Widerstand der Pore berechnet werden, der in einer Lösung von bekannter Ionenleitfähigkeit gemessen wurde. Der Porenwiderstand wird erhalten aus der Steigung der Ohmschen i-V Kurven, die durch Variieren des Potenzials zwischen zwei Ag/AgCl Elektroden aufgezeichnet wurde, die an gegenüberliegenden Seiten der Membran positioniert sind. Die Beziehung zwischen dem Membranwiderstand R_p, und dem kleinen Öffnungsradius a, ist gegeben durch: (Ryan J. White, Bo Zhang, Susan Daniel, John Tang, Eric N. Ervin, Paul S. Cremer, and Henry S. White, „Ionic Conductivity of the Aqueous Layer Separating a Lipid Bilayer Membrane and a Glass Support,” Langmuir, 22, 10777–10783 (2006)) R_p = 1 / κα( 1 / 4 + 1 / πtanθ) (3) wobei Rp der Widerstand ist, κ de Leitfähigkeit der Lösung und θ der halbkonische Winkel ist. Der letzte ist gleich dem halbkonischen Winkel des Pt-Drahts bevor dieser versiegelt ist, welches durch Lichtmikroskopie gemessen wird.
• 19(B) zeigt die voltammetrische Antwort einer Pt Nanoscheibenelektrode in einer 10 mM Ru(NH₃)₆Cl₃ Lösung enthaltend 0,2 M KCl. Der Radius der Pt Scheibe wird berechnet aus dem diffusions-limitierten Gleichgewichtsstrom, der 32 nm ist. 19A zeigt die voltammetrische Antwort der korrespondierenden Glasnanoporenmembran in KCl Lösungen verschiedener Konzentration. Die i-V Antwort in 1 M KCl ist ohmsch, mit einer Steigung, die einem kleinen Öffnungsradius von ~31 nm entspricht in guter Übereinstimmung mit dem aus der elektrochemischen Antwort berechneten Wert. Die i-V Antwort in KCl geringer Konzentrationen zeigt Stromgleichrichtungseffekte, ähnlich denjenigen von Wei et al. für Stromfluss durch kegelförmige Glasnanopipetten berichteten (Wie, C.; Bard, A. J.; Feldberg, S. W. Anal. Chem. 1997, 69, 4627.) Stromgleichrichtung in konischen Nanoporen wurde neulich zusammengefasst von Siwy (Siwy, Z. S. Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 735).
• Während die Erfindung in bestimmten Ausgestaltungen beschrieben wurde, kann die vorliegende Erfindung weiter innerhalb des Wesens und des Umfangs dieser Offenbarung modifiziert werden.

Claims (29)

1. Verfahren zum Herstellen einer konischen Nanoporenmembran mit den Schritten: – Versiegeln einer konischen Spitze eines internen Signaltransduktionselements in einem Substrat; – Polieren des Substrats unter Verwendung eines Poliermittels, um die Spitze des internen Signaltransduktionselements freizulegen; – Überwachen des Ausmaßes des Polierens mit einem Tester; und – Beenden des Polierens, wenn der Tester angibt, dass eine Scheibe mit einem gewünschten Radius freigelegt ist und dadurch eine Nanoscheibenelektrode hergestellt ist; – Entfernen des internen Signaltransduktionselements aus dem Substrat nachdem die Nanoscheibenelektrode hergestellt ist, wodurch eine Nanoporenmembran hergestellt ist mit: – einer Membran, die eine Dicke hat, wobei die Membran eine erste äußere Seite und eine zweite innere Seite ausbildet, wobei die erste äußere Seite der zweiten inneren Seite gegenüberliegt; und – einer Nanopore, die sich durch die Membran erstreckt und dadurch einen Kanal bildet, der sich von der ersten äußeren Seite zur zweiten inneren Seite der Membran erstreckt, wobei die Nanopore eine erste Öffnung auf der ersten äußeren Seite der Membran und eine zweite Öffnung auf der zweiten inneren Seite der Membran und eine Tiefe hat.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das weitere Verfahren das Ätzen der freiliegenden Scheibe des internen Signaltransduktionselements bevor das interne Signaltransduktionselement vom Substrat entfernt wird aufweist, um das Entfernen des internen Signaltransduktionselements zu unterstützen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das interne Signaltransduktionselement ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Platin, Wolfram und Gold.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat Glas oder Quarz ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine Glas- oder Quarzkapillare ist, die, um einen Boden zu bilden, versiegelt ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das interne Signaltransduktionselement in dem Boden der Kapillare versiegelt ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren weiter aufweist: Erwärmen des Substrats, um das Substrat zu erweichen, um die konische Spitze des internen Signaltransduktionselements im Substrat zu versiegeln.
8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Überwachungsschritt aufweist: – intermittierendes Messen des elektrischen Widerstands zwischen dem sich erstreckenden Teil des internen Signaltransduktionselements und einer Poliereinheit; und – Analysieren des elektrischen Widerstands als Funktion der Dicke des Substrats oder über der Spitze des internen Signaltransduktionselements oder als Funktion der Größe der freiliegenden Scheibe des internen Signaltransduktionselements.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der elektrische Widerstand durch finite Elemente-Analyse zum Abschätzen der Größe der freiliegenden Scheibe des internen Signaltransduktionselements analysiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Tester ein auf einem Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) mit hoher Eingangsimpedanz basierender Stromkreis-Tester ist.
11. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Überwachungsschritt weiter aufweist: intermittierendes Überprüfen der Nanoscheibenelektrode während des Polierens, um die Dicke des Substrats um einen versiegelten konischen Bereich der Spitze festzustellen.
12. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte: Modifizieren der äußeren Seite des Substrats mit einer ersten Einheit nachdem die Scheibe mit einem gewünschten Radius freigelegt ist und Modifizieren des Kanals, der sich von der ersten äußeren Seite zur zweiten inneren Seite der Membran erstreckt, mit einer zweiten Einheit, nachdem die Nanopore hergestellt ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die erste Einheit ein reaktives Silan mit einem inerten Terminus ist, und die zweite Einheit ein Silan mit einer ersten funktionellen Gruppe, die mit dem Substrat reagieren kann, und einer zweiten funktionellen Gruppe, die mit einem Sensorelement reagieren kann, das einen Zielanalyt selektiv binden kann, ist.
14. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt: Modifizieren der äußeren Seite der Membran mit einer ersten Einheit und des Kanals, der sich von der ersten äußeren Seite zur zweiten inneren Seite der Membran erstreckt, mit einer zweiten Einheit, nachdem die Nanoporenmembran hergestellt ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die erste Einheit und die zweite Einheit identisch sind.
16. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die erste Einheit Cl(Me)₂Si(CH₂)₃CN, und die zweite Einheit EtO(Me)₂Si(CH₂)₃NH₂ ist, wobei „Me” Methylrest bedeutet.
17. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Öffnung der Nanopore einen Radius im Bereich von ungefähr 2 nm bis 500 nm oder größer aufweist.
18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung der Nanopore einen Radius größer als 500 nm hat.
19. Verfahren nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch, nachdem die Nanoporenmembran erzeugt ist, Modifizieren der ersten Seite der Membran mit einer ersten Entität und Modifizieren des Kanals, der die erste Seite mit der zweiten Seite der Membran verbindet, mit einer zweiten Entität.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Entität mit der zweiten Entität identisch ist.
21. Nanoporenmembran mit: – einer Membran mit einer Dicke, wobei die Membran eine erste äußere Seite und eine zweite innere Seite ausbildet, wobei die erste äußere Seite der zweite inneren Seite gegenüberliegt, wobei die Membran aus einem Material hergestellt ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glas, Silikat, Keramik, Quarz, Silizium, Siliziumnitrid und deren Kombinationen; und – einer Nanopore, die sich durch die Membran erstreckt und dadurch einen Kanal bildet, der sich von der ersten äußeren Seite zur zweiten inneren Seite der Membran erstreckt, wobei die Nanopore eine erste Öffnung an der ersten äußeren Seite der Membran und eine zweite Öffnung an der zweiten inneren Seite der Membran und eine Tiefe hat, wobei die Membran dargestellt ist durch die Bodenwandung einer Kapillare, die versiegelt ist, um die Bodenwandung zu erzeugen.
22. Nanoporenmembran nach Anspruch 21, wobei die Kapillare aus Glas oder aus Silikat hergestellt ist.
23. Nanoporenmembran nach Anspruch 21, wobei die Nanopore kegelstumpfförmig ist und wobei der Radius der ersten Öffnung der Nanopore kleiner als der Radius der zweiten Öffnung der Nanopore ist.
24. Nanoporenmembran nach Anspruch 21, wobei der Radius der ersten Öffnung der Nanopore im Bereich von ungefähr 2 nm bis 500 nm oder größer liegt.
25. Nanoporenmembran nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius der ersten Öffnung der Nanopore größer als 500 nm ist.
26. Nanoporenmembran nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seite der Membran mit einer ersten Entität modifiziert ist und der Kanal, der die erste Seite mit der zweiten Seite der Membran verbindet, mit einer zweiten Entität modifiziert ist.
27. Nanoporenmembran nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Entität ein reaktives Silan mit einem inerten Ende ist, und die zweite Entität ein Silan ist, das eine erste funktionelle Gruppe, die mit der Membran reagieren kann, und eine zweite funktionelle Gruppe, die mit einem Sensorelement reagieren kann, das selektiv an ein Zielanalyt binden kann, aufweist.
28. Nanoporenmembran nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Entität Cl(Me)₂Si(CH₂)₃CN und die zweite Entität EtO(Me)₂Si(CH₂)₃NH₂ ist, wobei „Me” Methylrest bedeutet.
29. Nanoporenmembran nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Entität mit der zweiten Entität identisch ist.

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