[发明专利]具有对齐的纳米级电子元件的含纳米孔的基板及其制备和使用方法

说明书

含纳米孔的基板包括基板、所述基板上的膜、和设置在所述膜上或嵌入所述膜中的至少一个纳米级电子元件。所述膜限定至少一个纳米孔。所述纳米级电子元件与所述纳米孔中的一个对齐，使得所述纳米级电子元件的边缘和所述纳米孔的边缘之间的最短距离小于50nm。所述纳米孔可通过使用溶液蚀穿介电层，同时相对于所述溶液向所述纳米级电子元件施加电压形成。所述含纳米孔的基板可用于对诸如核酸的生物聚合物进行检测或测序。所述含纳米孔的基板可与生物聚合物检测和/或测序系统一起使用。

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年12月1日提交并指定美国申请号62/085,795的临时专利申请的优先权，其公开内容在此参考并入。

关于联邦资助研究或开发的声明

本发明根据由空军科学研究院授予的合同号FA9950-10-1-0410和由海军研究院授予的合同号FA9550-09-1-0705在政府支持下进行。政府对本发明具有一定的权利。

发明领域

本公开涉及含纳米孔的基板。

背景技术

在基于纳米孔的测序领域中，测序的一个例证涉及在DNA通过时测量流过嵌入膜中的通道蛋白的离子电流。该方法受限于其需要生物材料作为装置的部分，这与非有机材料相比往往耐久性较差。其还涉及将DNA减慢至约1ms/核苷酸，以便获得足够的信噪比。另一限制在于由于仅可使用一个孔/微流体通道，其不容易并行。

在基于固态纳米孔的测序领域中，当前的方法主要依赖于测量通过固态纳米孔(例如，氮化硅、石墨烯、二氧化铪)的离子电流，所述固态纳米孔通过使用离子束或电子束蚀刻而形成，这涉及高真空体系，所述高真空体系往往不能很好地扩大到工业过程。另外，没有测序的例证。迄今为止，利用固态孔的最佳例证已经区分了不同的30个核苷酸长的单链DNA分子(例如，30个腺嘌呤，30个胞嘧啶等)。

在具有场效应读数的基于固态纳米孔的测序领域中，一个例证涉及使用具有邻近的孔的50nm宽的硅纳米线。检测了大约3000个核苷酸的双链DNA，但未获得序列信息。另一例证涉及使用石墨烯纳米带来检测大约3000个核苷酸的双链DNA质粒，但未获得序列信息。这两个方法均具有与使用电子束制备纳米孔相关的相同限制。另外，电子束可损坏场效应纳米级装置(纳米线或纳米带)。纳米线方法还具有以下限制：所述线的50nm宽度为DNA中核苷酸之间的间距的大约150倍。石墨烯纳米孔的一个限制在于石墨烯纳米带在其边缘处具有悬挂键，这使得它们比纳米管更具反应性，并且使得它们的电性能高度可变。

发明内容

在第一实施方案中，提供含纳米孔的基板。所述含纳米孔的基板包括基板、设置在所述基板上的膜、和设置在所述膜上或设置在所述膜中的至少一个纳米级电子元件。所述膜限定穿过所述膜的至少一个纳米孔。所述纳米孔被构造成在所述膜的相对侧之间提供流体连通。所述纳米级电子元件能够导电，并且与所述膜就如下中的至少一个方面不同：形状、材料组成、导电性或化学结合。所述纳米级电子元件与所述纳米孔对齐，使得所述纳米级电子元件的边缘和所述纳米孔的边缘之间的最短距离小于50nm。

所述基板可由硅、石英、熔融二氧化硅、蓝宝石、砷化镓和/或碳化硅制成。所述膜可由诸如氮化硅、氧化铝、氧化铪、氧化钽、二氧化硅和/或氮化硼的介电材料制成。所述膜还可由诸如金属二硫属化物、石墨烯、硅、锗和/或砷化镓的半导体或半金属制成。所述膜可具有0.3nm至1,000nm的厚度。

所述纳米级电子元件可包括碳纳米管、石墨烯、金属、金属纳米线或半导体纳米线、具有小于20nm的厚度的金属电极或半导体电极，或两个电极之间的间隙。所述纳米级电子元件的边缘和所述纳米孔的边缘之间的最短距离可小于10nm或小于1nm。所述纳米级电子元件的边缘可与所述纳米孔的边缘交叉。所述纳米级电子元件可平行于限定围绕所述纳米孔的所述膜的表面平面的法向矢量定位。所述纳米级电子元件可与电路电接触。