[发明专利]纳米孔设备及其制造方法

说明书

一种用于表征生物聚合物分子的3D纳米孔设备包括具有第一选择轴的第一选择层。所述设备还包括毗邻第一选择层布置并具有与第一选择轴正交的第二选择轴的第二选择层。所述设备进一步包括毗邻第二选择层布置的第三电极层，以使第一选择层、第二选择层和第三电极层沿Z轴形成层堆叠体并界定多个纳米孔柱。

技术领域

本公开整体上涉及用于表征生物聚合物分子的系统、设备和方法，和制造这样的系统和设备的方法。

背景技术

核酸(例如DNA、RNA等)测序是在分子水平鉴别遗传变异的最有力的方法之一。遗传疾病的许多特征(signatures)可通过经由全基因组单核苷酸多态性(“SNPs”)分析、基因融合、基因组插入和缺失等收集的信息诊断。这些技术和其它分子生物学技术在某些时刻需要核酸测序。在单分子水平将核酸测序的现行技术包括纳米孔测序技术，其与先前的测序技术相比具有优点，因为纳米孔测序技术具有无标签和无扩增技术的特征，其也具有改进的读取长度和改进的系统吞吐量。因此，纳米孔测序技术已并入高质量基因测序用途中。

用于纳米孔基DNA测序的早期实验系统检测了穿过α-溶血素(αHL)蛋白质纳米孔的ssDNA的电行为。从那时起，纳米孔基核酸测序技术已经改进。例如，固态纳米孔基核酸测序如下所述用固态(例如半导体、金属门(metallic gates))纳米孔替代生物/蛋白质基纳米孔。

纳米孔是可通过离子电流和/或隧穿电流的变化检测穿过孔的电子流的小孔(例如具有大约1nm至大约1000nm的直径)。由于核酸的各核苷酸(例如腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤、DNA中的胸腺嘧啶、RNA中的尿嘧啶)在其物理穿过纳米孔时以特异性方式影响跨过纳米孔的电流密度，测量在易位过程中流过纳米孔的电流变化产生可用于直接测序穿过纳米孔的核酸分子的数据。因此，纳米孔技术基于电传感，其能够检测比其它常规测序方法的要求小得多的浓度和体积的核酸分子。纳米孔基核酸测序的优点包括长读取长度、即插即用能力和可扩展性。但是，现行生物纳米孔基核酸测序技术会需要固定的纳米孔开口(例如具有大约2nm的直径)、具有不良灵敏度(即不可接受的假阴性量)、高成本以致适于生产的制造过程是一个挑战，和强温度和浓度(例如pH)依赖性。

随着半导体制造技术的进步，部分由于优异的机械、化学和热特性以及与半导体技术的相容性以允许与其它传感电路和纳米器件集成，固态纳米孔已变成生物纳米孔的便宜和优异的替代品。但是，现行纳米孔DNA测序技术(例如涉及生物和/或固态纳米孔)仍然遭受各种限制，包括低灵敏度和高制造成本。图1示意性描绘现有技术状况的固态基二维(“2D”)纳米孔测序设备100。尽管设备100被称为“二维”，但设备100沿Z轴具有一定厚度。

纳米孔DNA测序技术的许多限制源自纳米孔设备和技术的固有性质，其必须克服单核苷酸的快速易位速度和小尺寸(例如大约0.34nm的高度和大约1nm的直径)。常规电子仪器(例如纳米电极)无法使用常规纳米孔基DNA测序技术解析这样的快速移动和小的核苷酸。高制造成本也阻碍纳米孔基DNA测序的更广泛应用。

为克服这些缺点已经作出许多努力，包括使用许多不同类型的生物、固态和混合式(生物和固态)纳米孔和纳米孔传感器。但是，这些努力无一在大批量生产中成功。

需要解决现有配置的缺点的纳米孔基测序系统和设备。特别地，需要具有可接受的灵敏度和制造成本的纳米孔基测序系统和设备。

发明概述

本文中描述的实施方案涉及纳米孔基测序系统及其制造方法。特别地，实施方案涉及3D纳米孔基测序系统及其制造方法。

在一个实施方案中，一种用于表征生物聚合物分子的3D纳米孔设备包括具有第一选择轴的第一选择层。所述设备还包括毗邻第一选择层布置并具有与第一选择轴正交的第二选择轴的第二选择层。所述设备进一步包括毗邻第二选择层布置的第三电极层，以使第一选择层、第二选择层和第三电极层沿Z轴形成层堆叠体并界定多个纳米孔柱(nanoporepillar)。