專(zhuān)利名稱(chēng)：用碳納米管控制的分子鑒定的制作方法
用碳納米管控制的分子鑒定本申請(qǐng)要求2005年4月6日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第60/668，632 號(hào)的權(quán)益，其全文通過(guò)引用結(jié)合到本文中。本申請(qǐng)還要求2005年6月9
曰提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第60/688,799號(hào)的權(quán)益，其全文通過(guò)引用結(jié)合到 本文中。本申請(qǐng)進(jìn)一步要求2005年10月18日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第 60/727,603號(hào)的權(quán)益，其全文通過(guò)引用結(jié)合到本文中。 關(guān)于聯(lián)邦資助的研究的聲明本發(fā)明是在政府支持下用國(guó)家衛(wèi)生研究院(National Institute of Health)的"納米孔中的電子測(cè)序"RO1HG003703基金完成的。政府對(duì)此 發(fā)明具有一定的權(quán)力。
背景技術(shù)：
本發(fā)明總體上涉及分子的檢測(cè)及鑒定，特別是涉及聚合物，包括 生物高分子，如多核苷酸的鑒定和測(cè)序的分子分析技術(shù)。
對(duì)分子，包括生物分子，例如多核苦酸，像生物高分子核酸分子 DNA、 RNA和肽核酸(PNA)及蛋白質(zhì)和其它生物分子的檢測(cè)、鑒定、鑒 別和測(cè)序是一重要的、不斷擴(kuò)展的研究領(lǐng)域。現(xiàn)在非常急需一種可快 速、可靠、廉價(jià)的測(cè)定聚合物分子雜化狀態(tài)、構(gòu)型、單體堆積(monomer stacking)、排列順序的方法。聚合物合成及制造的進(jìn)展、生物學(xué)發(fā)展及 藥物的發(fā)展，尤其是基因治療、新藥開(kāi)發(fā)、對(duì)患者調(diào)整適合的治療方法 等領(lǐng)域的發(fā)展，很大程度上的依賴(lài)于這種方法。在一種分子分析的方法中，已證明分子如核酸和蛋白質(zhì)可被運(yùn)送 穿過(guò)天然或合成的納米級(jí)孔，或納米孔；并且能夠在運(yùn)送通過(guò)納米孔時(shí) 識(shí)別出分子的特性，包括其性質(zhì)鑒定、雜化狀態(tài)、與其它分子的相互作 用、其序列即組成聚合物的單體的線形順序。分子轉(zhuǎn)運(yùn)通過(guò)納米孔可通 過(guò)如電泳或其它運(yùn)輸機(jī)制實(shí)現(xiàn)。如果納米孔尺寸的情況能夠使伸展的核酸分子在移位過(guò)程中占據(jù)
了其相當(dāng)大部分的橫截面積，則聚合物分子可以在轉(zhuǎn)運(yùn)通過(guò)納米孔的過(guò) 程中至少通過(guò)兩種機(jī)制進(jìn)行鑒定。其中第一種，移位分子瞬時(shí)減小或阻 斷了由接觸納米孔兩端的分隔的含離子溶液間施加電壓產(chǎn)生的離子電 流。其中笫二種，移位分子瞬時(shí)改變了電子流，包括通過(guò)對(duì)兩個(gè)位于納 米孔周邊上同側(cè)位置上或位于非常短的納米孔的對(duì)側(cè)位置上的間隔納米 級(jí)缺口的近距離探針施加偏壓產(chǎn)生的隧穿電子流。假設(shè)在其穿過(guò)納米孔 期間，聚合物中的每個(gè)核苷酸對(duì)離子電流或電子流產(chǎn)生特征性獨(dú)特的調(diào) 制作用，離子流或電流調(diào)制產(chǎn)生的順序能夠反應(yīng)移位聚合物分子的特 征。理論上來(lái)講，這些分子分析技術(shù)，和已經(jīng)被提出的其它技術(shù)一 樣，應(yīng)該能夠用單個(gè)單體分析技術(shù)進(jìn)行分子鑒定。各單體特征的明確分 辨對(duì)于可靠的實(shí)際應(yīng)用起關(guān)鍵作用，例如生物分子測(cè)序的應(yīng)用。但是 實(shí)際操作中，通常因?yàn)榉肿訖z測(cè)及分析的幾個(gè)方面而很難到達(dá)這種性能首先，對(duì)于任何分子取向，分子鑒定的速度，如核苷酸測(cè)序的速 度，可能影響有用的分子鑒定信號(hào)的產(chǎn)生。對(duì)從一個(gè)單體分子到下一個(gè) 間的鑒定信號(hào)或其它指標(biāo)的變化的分辨能力可對(duì)核苷酸鑒定的速度非常 敏感。例如，核苷酸運(yùn)輸通過(guò)納米孔的速度可能會(huì)影響由該核苷酸引起 的離子電流阻礙的程度或電子流調(diào)制的程度，或超過(guò)用以檢測(cè)非常小的 微微安或毫微安電流(典型的是納米孔中離子電流或隧穿電子流)的測(cè) 量?jī)x器的帶寬。第二，當(dāng)對(duì)指定的核苷酸進(jìn)行鑒定時(shí)，其物理定向可能影響對(duì)該 核苷酸特征的檢測(cè)。當(dāng)要判斷2個(gè)間隔納米級(jí)缺口的近距離探針之間的 電子流調(diào)制時(shí)，這種困難尤其嚴(yán)重。眾所周知，這種兩個(gè)間隔相近的探 針間的電子流調(diào)制，包括隧穿電子流的調(diào)制，對(duì)兩個(gè)探針間原子級(jí)的變 化或兩個(gè)探針間分子精確定向尤其敏感。因而，舉例而言，DNA鏈中每個(gè)可選擇的核苷酸定向都可產(chǎn)生不同的檢測(cè)及鑒定信號(hào)或其他指標(biāo)，而這些信號(hào)對(duì)于多個(gè)核苷酸或多個(gè)分子的特征而言可能是模糊的。例如當(dāng)核苦酸穿過(guò)具有區(qū)域特異性限副粗糙度(specific limiting asperity)的納米 孔時(shí)，其取向可能會(huì)改變?cè)摵丝嗨嵩诖植趨^(qū)域引起的電流調(diào)制。不同的 核苷酸和不同分子屬性可能得到相似的，或不能區(qū)別的電子流調(diào)制，這 取決于分子轉(zhuǎn)運(yùn)通過(guò)納米孔時(shí)的取向。這些例子說(shuō)明，通常，速度控制 和納米級(jí)空間定向的困難限制了獲得精確，高分辨的分子鑒定的能力， 如生物高聚物測(cè)序的能力。
發(fā)明概述本發(fā)明通過(guò)提供使分子單體定向移位通過(guò)納米孔的鑒定裝置和鑒 定方法，從而克服了先前分子鑒定技術(shù)的速度控制和定向控制的困難。 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，分子鑒定裝置提供了兩個(gè)貯液池，第一個(gè)盛 有包含待鑒定分子的溶液，第二個(gè)盛有包含已鑒定分子的溶液。本發(fā)明 還提供一個(gè)固體支撐結(jié)構(gòu)，它包括一個(gè)孔，該孔具有一個(gè)提供與第一貯 液池流體連接的分子入口和 一 個(gè)提供與第二貯液池流體連接的分子出 口 。分子鑒定裝置提供笫一和第二電子運(yùn)輸探針。至少有一個(gè)探針包 含有富勒烯結(jié)構(gòu)，例如 一個(gè)碳納米管，也可兩個(gè)探針都為碳納米管。 每個(gè)探針安置在支撐結(jié)構(gòu)上，并且其表面鄰接孔周邊。電壓源連接在探 針之間以施加穿納米孔偏壓。電流監(jiān)控器連接在兩個(gè)探針間，以監(jiān)控與 分子移位穿孔相對(duì)應(yīng)的探針間電子運(yùn)輸?shù)淖兓?。此分子鑒定裝置和鑒定技術(shù)能夠快速、可靠、可重復(fù)并筒單的鑒 定廣泛的、各式各樣的分子及分子構(gòu)型。本發(fā)明的其它特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)將在 隨后的描述、附圖和權(quán)利要求中變得顯而易見(jiàn)。
附圖描述

圖1A式本發(fā)明提供的連接有末端定向的碳納米管探針的分子鑒定裝置的第一實(shí)例實(shí)施方案的橫截面示意圖。圖1B是碳納米管的側(cè)面示意圖，顯示納米管的末端和側(cè)面。圖1C是圖1A中裝置的橫截面示意圖，其中定向一個(gè)ssDNA分子 作為被鑒定的分子。圖2A是本發(fā)明提供的連接有一個(gè)末端定向的碳納米管探針和一個(gè) 側(cè)面定向的納米管探針的分子鑒定裝置的另一個(gè)實(shí)例實(shí)施方案的橫截面 示意圖。圖2B是圖2A中實(shí)施方案的平面示意圖。圖2C是圖2A中實(shí)施方案的橫截面示意圖，其中定向一個(gè)ssDNA 分子作為被鑒定的分子。圖3A是本發(fā)明提供的連接有一個(gè)末端定向的碳納米管探針和一個(gè) 側(cè)面定向的移位控制碳納米管的分子鑒定裝置的進(jìn)一步實(shí)例實(shí)施方案的 橫截面示意圖。圖3B是圖3A中實(shí)施方案的平面示意圖。圖3C是圖3A中實(shí)施方案的橫截面示意圖，其中控制移位速度及 定向一個(gè)ssDNA分子作為被鑒定的分子。圖4A是本發(fā)明提供的連接有一個(gè)末端定向的碳納米管探針， 一個(gè) 側(cè)面定向的納米管探針及一個(gè)側(cè)面定向的移位控制碳納米管的分子鑒定 裝置的進(jìn)一步實(shí)例實(shí)施方案的橫截面示意圖。圖4B是本發(fā)明提供的連接有一個(gè)末端定向的碳納米管探針和一個(gè) 側(cè)面定向的延伸穿過(guò)納米孔長(zhǎng)度方向的納米管探針的分子鑒定裝置的進(jìn) 一步實(shí)例實(shí)施方案的橫截面示意圖。圖5A是本發(fā)明提供的連接有一個(gè)末端定向的碳納米管探針，并專(zhuān) 為穿過(guò)納米孔的DNA-納米管復(fù)合物的移位和鑒定而設(shè)計(jì)的分子鑒定裝 置的進(jìn) 一 步實(shí)例實(shí)施方案的橫截面示意圖；圖5B是本發(fā)明提供的連接有一個(gè)末端定向的碳納米管探針，并專(zhuān) 為穿過(guò)納米孔的頂端安裝有致動(dòng)裝置的DNA-納米管復(fù)合物的移位而設(shè) 計(jì)的裝置的進(jìn)一步實(shí)例實(shí)施方案的橫截面示意圖；圖5C是本發(fā)明提供的配置有一個(gè)用來(lái)掃描DNA納米管復(fù)合物的 頂端安裝有致動(dòng)裝置的碳納米管探針的分子鑒定裝置的進(jìn)一 步實(shí)例實(shí)施 方案的橫截面示意圖；圖6是本發(fā)明提供的在硅支撐結(jié)構(gòu)上的氮化硅膜中配置有納米孔
的分子鑒定裝置的橫截面示意圖；圖7是本發(fā)明提供的預(yù)先組裝好的，包括液體貝i液池及通道的分 子鑒定裝置的示意圖；圖8A到8F是顯示在一個(gè)實(shí)施例中生產(chǎn)一個(gè)分子鑒定裝置的制作 步驟的橫截面示意圖；圖9A到9L是顯示在進(jìn)一步的實(shí)施例中生產(chǎn)一個(gè)分子鑒定裝置的 制作步驟的橫截面示意圖；圖IOA到IOL是顯示在進(jìn)一步的的實(shí)施例中生產(chǎn)一個(gè)分子鑒定裝
置的制作步驟的橫截面示意圖；及圖IIA到IIM是顯示在進(jìn)一步實(shí)施例中生產(chǎn)一個(gè)分子鑒定裝置的
制作步驟的橫截面示意圖。
發(fā)明詳述參見(jiàn)圖1A，圖示了本發(fā)明提供的第一實(shí)施例的實(shí)施方案一~"分子 鑒定裝置10。為了討論的清晰，圖1所示的裝置特征未按比例顯示。如 圖1所示，本裝置支撐結(jié)構(gòu)14提供了一納米級(jí)孔或納米孔12。支撐結(jié) 構(gòu)的第一側(cè)面上為第一液體隔室16或盛有包含待鑒定分子的溶液的貯 液池。支撐結(jié)構(gòu)的對(duì)面為第二液體隔室18或已鑒定分子通過(guò)移位穿納 米孔作用運(yùn)輸至的貯液池?？椎娜肟诙说姆肿尤肟谔峁┑谝毁A液池16 與孔之間的液體交流，而孔的出口端的分子出口提供孔與第二貯液池18 間的液體交;危。本發(fā)明的分析裝置使得分子鑒定包括廣泛的分析范圍，包括如 測(cè)序、雜交檢測(cè)、分子相互作用檢測(cè)分析、構(gòu)型檢測(cè)及其它分子鑒定。 可被鑒定的分子包括，大體上所有的分子都可以，包括聚合物和生物分 子如蛋白質(zhì)，核酸如多核苷酸DNA和RNA,糖聚合物及其它生物 分子。在一項(xiàng)應(yīng)用中，如圖所示，待鑒定的分子為單鏈DNA分子 (ssDNA)20,其核苷堿基22的序列待鑒定，例如，通過(guò)沿每條ssDNA 主鏈測(cè)定堿基序列的特性。為了討論的清晰，本測(cè)序的實(shí)例將應(yīng)用于隨 后的描述中，但這并不是本發(fā)明的分子鑒定裝置的唯一應(yīng)用。另外，下面描述的測(cè)序操作并不只局限于DNA的實(shí)例，多核苷酸RNA也可進(jìn)行 同樣的鑒定。因此下面的討論并非意欲局限于一具體實(shí)施，而是從一系 列分子鑒定的實(shí)施方案中提供了 一個(gè)實(shí)例的詳細(xì)資料。在才喿作圖1A中的分子鑒定裝置時(shí)，在圖中標(biāo)有"-"和"+"的兩個(gè)液 體隔室16、 18間施加偏壓，使笫一隔室16中的分子，如ssDNA分子， 在電泳驅(qū)動(dòng)下每次一個(gè)的進(jìn)入并通過(guò)納米孔12到達(dá)笫二隔室18,因?yàn)?DNA主鏈在溶液中呈負(fù)電性?？捎孟鄳?yīng)的用以控制各溶液電壓的電壓源 21、 23通過(guò)如分別浸在兩個(gè)隔室16、 18的溶液中的氯化銀電極17、 19 來(lái)施加此偏壓。如下面詳述，采用pH值升高的或含有選擇的變性劑的 電解液，以在第一隔室16中使DNA鏈在運(yùn)輸穿過(guò)納米孔前保持無(wú)特定 結(jié)構(gòu)的單鏈形態(tài)。在支撐結(jié)構(gòu)14中納米孔12的位置上，提供了電接觸探針 (electrically-contacted probes) 24、 26,可通過(guò)局部電子運(yùn)輸測(cè)量對(duì)移位 DNA分子中的核普直接進(jìn)行電子鑒定。探針24、 26為兩個(gè)納米級(jí)的電 極，鄰接納米孔12，位于納米孔周邊上的點(diǎn)上，如，納米孔周邊相對(duì)的 點(diǎn)上。探針24、 26連接在外部電路28上，附有可為兩個(gè)探針間橫穿納 米孔12提供偏壓的電壓源30。假設(shè)含有分子的電解液從探針之間穿過(guò) 納米孔，比較優(yōu)選的是，提供的支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)為電子絕緣結(jié)構(gòu)并且提供的 電子絕緣層15或支撐結(jié)構(gòu)區(qū)域應(yīng)使除探針頂端或探針鄰接納米孔12周 邊的非常小的局部區(qū)域外的部分電子絕緣，如圖1A所示。這種電子絕
緣條件使得能夠在兩個(gè)探針間施加選4奪的偏壓。假定納米孔為納米級(jí)間隙，在探針24、 26間施加偏壓引起電子運(yùn) 輸穿過(guò)兩個(gè)探針間的納米孔，形成探針電路(probe circuit) 28。當(dāng)一個(gè)分 子如ssDNA核苷堿基32位于探針24、 26間的納米孔12時(shí)，此堿基的 原子結(jié)構(gòu)影響穿過(guò)電子運(yùn)輸穿過(guò)納米孔。電路28配有安培計(jì)34或其它 電流測(cè)量裝置以測(cè)量與核苷酸相關(guān)的電流。采用這種方式，可以對(duì)移位 通過(guò)納米級(jí)孔的分子進(jìn)行鑒定。在該實(shí)施例中，沿ssDNA分子的每個(gè) 核苷酸都可被清楚地鑒定，如鑒別。對(duì)于納米級(jí)孔如納米孔12而言，在很多實(shí)際應(yīng)用中，電子運(yùn)輸穿 過(guò)絕緣的DNA分子或其它分子和納米孔中局部電解液的主要機(jī)制可被 理解為量子力學(xué)的電子隧穿。詞匯"隧穿(timneling)"在這里是指各種類(lèi)型 的電子運(yùn)輸穿過(guò)納米孔，例如從電子狀態(tài)"跳躍(hopping)"至電子狀態(tài) 及其它這樣的運(yùn)輸，其可被納米孔中存在的分子所調(diào)制。已知這樣的電 子運(yùn)輸對(duì)局部的原子結(jié)構(gòu)非常敏感，因此非常適合確切的鑒定分子特 征，如鑒定核酸堿基。但是或除電子隧穿納米孔之外，其它電子運(yùn)輸 機(jī)制也可發(fā)生，并且能夠用于進(jìn)行分子筌定，如DNA測(cè)序操作。例 如，與誘導(dǎo)電荷效應(yīng)(induced charge effects)相關(guān)的機(jī)制，非彈性電子運(yùn) 輸，或沿一段DNA分子主鏈的運(yùn)輸可被應(yīng)用并被認(rèn)為能提供足夠高的
靈敏度以在核苷酸堿基運(yùn)輸穿過(guò)納米孔時(shí)識(shí)別不同核苷酸原子結(jié)構(gòu)。當(dāng)ssDNA分子20移位穿過(guò)納米孔12時(shí)，無(wú)論發(fā)生哪種電子運(yùn)專(zhuān)命 機(jī)制，所導(dǎo)致的外部電路28感知的電流都受單個(gè)核苷堿基22調(diào)制。納 米孔的幾何構(gòu)型使核苷酸嚴(yán)格有序的按單列順序穿過(guò)探針24、 26間的 納米級(jí)孔，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)核苷酸的鑒定。通過(guò)測(cè)量探針間電子流可鑒 別核苷酸，這與根據(jù)掃描隧道顯微鏡探頭與表面間的電子流可鑒別表面 原子非常類(lèi)似。因而，在探針間施加偏壓使動(dòng)態(tài)感知移位分子的橫向電 導(dǎo)率成為可能。根據(jù)本發(fā)明此橫向電導(dǎo)率可通過(guò)上述的電子遂穿或其它電子運(yùn)輸機(jī)制而感知。本發(fā)明并不局限于某一個(gè)特定的電子運(yùn)輸機(jī)制。在下面的 討論中，將考慮電子隧穿的電子轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，但本發(fā)明并不局限于此。隧 道顯微鏡的電流通常為毫微安培。該相對(duì)較大的電子流由連接探針的外 部電路28產(chǎn)生，并伴隨著相對(duì)大的信噪比?，F(xiàn)在討論探針24、 26的細(xì)節(jié)，至少一個(gè)探針為富勒烯結(jié)構(gòu)，如一 個(gè)碳納米管。術(shù)語(yǔ)"富勒烯結(jié)構(gòu)"在這里是指任何由有序六邊形和有序五 邊形碳原子群組成的籠狀中空分子結(jié)構(gòu)。其中 一個(gè)探針也可為金屬導(dǎo) 體，但是對(duì)多數(shù)應(yīng)用而言，兩個(gè)探針24、 26都可優(yōu)選富勒烯結(jié)構(gòu)，如 碳納米管。碳納米管為主要由六邊形碳原子群形成的空心管。單壁碳納
米管(SWNT)為一維的管道，由具有晶體六邊型富勒烯原子結(jié)構(gòu)的單層 巻起的石墨(single rolled-up sheet of graphite)組成。碳納米管可以合成， 直徑為7 A，長(zhǎng)度從亞微米到毫米。碳納米管的特征是極高的機(jī)械及化 學(xué)堅(jiān)固性，可被選擇展示石墨極好的電子轉(zhuǎn)運(yùn)特征或半導(dǎo)體的帶隙 (band-gapped)電子結(jié)構(gòu)。這樣，碳納米管的晶體結(jié)構(gòu)提供了 一個(gè)明確 的、預(yù)先確定的、規(guī)則并堅(jiān)固的形態(tài)結(jié)構(gòu)，能耐受納米孔的含水環(huán)境及 局部高電場(chǎng)條件。對(duì)多數(shù)應(yīng)用實(shí)例而言，并不預(yù)期金屬導(dǎo)體也相同如 此。另外，因?yàn)樘技{米管的電特征對(duì)原子級(jí)的微擾非常敏感，優(yōu)選納 米管作為納米級(jí)探針以電子區(qū)分移位穿過(guò)納米孔的四個(gè)不同DNA核苷 堿基間的差異。具體而言，DNA或RNA核普與納米管偶合的范德華相 互作用，及DNA或RNA核苷的電性能可通過(guò)影響納米管中自由電荷載 體的濃度，電荷載體能級(jí)的定位及相應(yīng)的導(dǎo)電率顯著的影響納米管的電 學(xué)特性。這樣，DNA;咸基一納米管偶合雜交物的納米管部分的電學(xué)特性 在已分析DNA堿基和待測(cè)序分子間可測(cè)量的對(duì)比的測(cè)定中，在分子一 納米管雜交物附近局部環(huán)境的測(cè)定中，在通過(guò)對(duì)納米管探針及ssDNA 電解液施加電壓而建立的電環(huán)境測(cè)量中起重要作用。在圖1A所示的納米管探針構(gòu)造的實(shí)施例中，納米孔在單個(gè)納米 管的切口端之間或兩個(gè)納米管末端之間提供一穩(wěn)定的電子轉(zhuǎn)運(yùn)間隙，使
置，可直接對(duì)單個(gè)核苷堿基結(jié)構(gòu)進(jìn)行納米級(jí)分析，并且其電特性使得多 核香酸很多方面的檢測(cè)和鑒定成為可能，包括測(cè)序。有關(guān)合成納米管及 制造納米孔探針設(shè)備的技術(shù)實(shí)例將在下面詳細(xì)描述。納米管探針可以為金屬或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，但對(duì)多數(shù)實(shí)際應(yīng)用而言，
測(cè)量的電子轉(zhuǎn)運(yùn)流。也可優(yōu)選單壁納米管探針結(jié)構(gòu)。本發(fā)明仔細(xì)考慮了 一系列可作為納米孔探針的富勒烯結(jié)構(gòu)。例如埋植于導(dǎo)電介質(zhì)中的巴基 球(bucky ball)富勒烯球可用作納米孔探針。半導(dǎo)體的納米線結(jié)構(gòu)也可用作納米孔探針。下面的討論中采用了納米管的實(shí)例，但這并非意欲限制于此。依照本發(fā)明發(fā)現(xiàn)納米管探針24、 26可用以在堿基移位穿過(guò)納米孔時(shí)使核普堿基物理定向，同時(shí)產(chǎn)生指示移位堿基的直接電子信號(hào)，可用 以鑒定移位堿基。依照本發(fā)明通過(guò)利用DNA鏈的親和力使與碳納米管 表面緊密偶合實(shí)現(xiàn)分子的物理定向。當(dāng)富勒烯結(jié)構(gòu)如碳納米管存在時(shí)， DNA分子的每個(gè)核苷堿基趨向與富勒烯結(jié)構(gòu)形成7i堆積相互作用，參見(jiàn) 例如Zheng等，淑，^toen"&(天然原料)2, 338-342, 2003年5月。 DNA分子中糖一磷酸主鏈的鍵扭轉(zhuǎn)被認(rèn)為非常靈活，這種靈活性可適應(yīng) 核苷堿基與納米管的偶合。在偶合過(guò)程中，在堿基平面平鋪緊靠納米管 表面的情況下，DNA分子的平面堿基可通過(guò)非共價(jià)吸附過(guò)程單獨(dú)與納米 管平面連接或偶合。結(jié)果，在該構(gòu)造中，DNA核苷堿基被納米管表面自 然排成一^",方向與納米管表面的方向相應(yīng)。 DNA—納米管的偶合現(xiàn)象應(yīng)理解為由自由能因素，電荷狀態(tài)， DNA堿基和碳納米管的互補(bǔ)的疏水/親水性和DNA主鏈分別驅(qū)使的，也 部分受核苷堿基與納米管表面結(jié)構(gòu)間的范德華相互作用驅(qū)使。不需要施 加特別的條件可完成核苷堿基偶合到納米管表面。實(shí)際上，已有跡象表 明DNA或RNA會(huì)優(yōu)選與納米管表面偶合而不是自身聚集成團(tuán)。
依照本發(fā)明，在圖1A所示的實(shí)例裝置中，在沿納米孔長(zhǎng)度方向 的位點(diǎn)提供了一個(gè)鄰近的納米管探針，這樣當(dāng)堿基移位穿過(guò)納米孔時(shí)DNA堿基趨向于沿著納米管的表面排列。圖1B是納米管24的示意 圖，確定了各種可用來(lái)與堿基偶合的表面及本文應(yīng)用的描述表面的術(shù) 語(yǔ)。納米管24包括堿基可偶合的側(cè)面27和堿基可偶合的末端29及 31。該末端可以是石墨的表面的連續(xù)延伸，如末端29，或?yàn)榍懈蠲妫?末端31。圖1C是圖1A中分子鑒定裝置的示意圖，顯示了當(dāng)堿基32移位 穿過(guò)納米孔時(shí)納米管探針24自然使核苷堿基排成一行。當(dāng)ssDNA20移 位穿過(guò)納米孔12時(shí)，核苦堿基32與納米管探針24的一端偶合。如上面所解釋?zhuān)矫婧塑諌A基32有平鋪緊靠納米管的傾向。此裝置可使堿基 在納米孔中精確定向，以測(cè)定特異性代表堿基轉(zhuǎn)運(yùn)的電子流。圖1C描
述的堿基與納米管末端的偶合僅為示意圖，并不代表與納米管24相關(guān)
的堿基定向的特定細(xì)節(jié)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)圖1C所示的移位及偶合，控制穿過(guò)納米孔的電泳力 使核苷堿基32能沿納米管末端滑動(dòng)，而一段時(shí)間后有足夠大的電泳力 使堿基從納米管末端去偶合。這種電泳力的控制是通過(guò)控制電壓源21、 23來(lái)控制兩個(gè)貯液池16、 18間相對(duì)電壓而實(shí)現(xiàn)的，分別見(jiàn)圖1A及圖 1C。據(jù)估算ssDNA與納米管的結(jié)合能約為-1.0 eV/nm,參見(jiàn)例如 Zheng等，"DNA畫(huà)assisted dispersion and separation of carbon nanotubes," ("DNA輔助的碳納米管的分散及分離")Nature Materials,2, 338-342, 2003。從未加偏壓納米管上去除核苷所需的相應(yīng)壓力約為3pN到6pN之 間，這相當(dāng)于施加在穿過(guò)具有100mV-200mV偏壓納米孔的ssDNA上的 電;永力，參見(jiàn)1"歹'H口 Sauer-Budge等，"Unzipping kinetics of double-stranded DNA in a nanopore,"("納米空中雙鏈DNA的解聚動(dòng)力學(xué)")Phys. Rev. Lett 90, 2381011 — 2381014, 2003。因此在納米孔間施加200mV的偏壓，且 納米管探針上無(wú)偏壓，可引起核苷如圖1C所示滑過(guò)納米管末端。因此 發(fā)生在分子與碳納米管間的偶合應(yīng)理解為非共價(jià)的，非持久的，并具有 當(dāng)分子與納米管表面偶合時(shí)，可使其沿著表面滑動(dòng)的特征。如圖1C所示，與石威基32偶合的納米管24相對(duì)于第二納米管26 為正偏置的。如果納米管24的電壓導(dǎo)致納米管相對(duì)于納米孔中電解液 為正偏壓，那么帶負(fù)電的核苷酸會(huì)被阻止滑過(guò)納米管直到納米管26上 的正偏壓減小或兩個(gè)貯液池間穿納米孔偏壓升高到足夠讓核苷酸滑過(guò)納 米管。因此本發(fā)明使控制核苷酸的移位速度和核苷酸移位穿過(guò)納米孔時(shí) 的定向成為可能。在圖1A和1C中的實(shí)例的裝置中，顯示納米管探針24、 26用鄰 接納米孔周邊的納米管末端定位。已了解納米管末端與納米管側(cè)面一樣具有六邊形碳表面結(jié)構(gòu)，或者其它更為復(fù)雜詳細(xì)的幾何特征，因此也可 施加與納米管側(cè)面所示范的相同的核苦酸定向影響。如果在一特定的實(shí) 際應(yīng)用或裝置中，發(fā)現(xiàn)納米管的末端并不提供充分的定向影響，則可通 過(guò)下面描述的方式使納米管末端功能化或進(jìn)行其它處理，以提供一個(gè)具 有必需的核苦酸定向特征的終端面。此實(shí)施例表明納米管探針能夠進(jìn)行直接分子鑒定及分子定向控
制，并且如下面所描述，還能控制分子移位的速度。因此，根據(jù)本發(fā)明 的發(fā)現(xiàn)，納米管探針不止是常規(guī)金屬探針的簡(jiǎn)單替換物，而是能夠用來(lái) 進(jìn)行分子鑒定的精確控制。圖2A是本發(fā)明提供的另外一個(gè)實(shí)施方案，納米管的側(cè)面而不是末 端被作為一個(gè)納米管探針的分子定向表面。如圖2A所示，第一納米管 探針24以上面所述方式提供，其一端安置于沿納米孔12長(zhǎng)度方向的一 個(gè)位點(diǎn)上。另一個(gè)納米管探針50與探針24成直角，以使探針50的側(cè)面 鄰接納米孔12的周邊。圖2A是裝置剖面?zhèn)人橐?jiàn)圖，為了清楚起見(jiàn)只顯示支撐結(jié)構(gòu)14中的 納米孔及納米管探針，但應(yīng)理解其還包括如圖1A中的貯液池，延伸支 撐結(jié)構(gòu)及電連接。另外，如圖2A所示，支撐結(jié)構(gòu)及電絕緣區(qū)域15是用
來(lái)絕緣兩個(gè)納米管的，納米管連接在納米孔周邊上的區(qū)域除外。
此裝置的電連接如圖2B所示，它是裝置從上向下的平面示意圖。 所示支撐結(jié)構(gòu)14中的納米孔12具有一對(duì)成直角布置的納米管探針24、 50，探針呈T形排列。為清晰起見(jiàn)，圖2B中并未顯示電絕緣支撐結(jié)構(gòu) 及位于納未管探針上的包被材料，使納米管探針的位置可以直觀的看 到。在圖2B的布置中，按前面描述的方式參考圖1A-1B的實(shí)施方案提 供了第一外部電路28,用以在納米管探針24、 50間施加選擇的偏壓。 當(dāng)DNA分子的核普;咸基以前述方式浮皮運(yùn)送穿過(guò)納米孔時(shí)，此電偏壓施同樣參見(jiàn)圖2C,顯示當(dāng)ssDNA20移位穿過(guò)納米孔時(shí)，核苷堿基 32與納米管探針50的側(cè)面偶合的狀況。此裝置可使石成基在納米孔中精確定向，以測(cè)定特異性代表堿基轉(zhuǎn)運(yùn)的電子流。堿基能夠沿納米管50 的側(cè)面滑動(dòng)同時(shí)堿基的特征被鑒定。在圖2C中也注意到，由于電壓源30具有如圖2B所示的極性，側(cè)面定向的納米管探針50相對(duì)于末端定向 的納米管探針24為正偏電壓。如果此正偏壓相對(duì)于電解液也是正的， 結(jié)果當(dāng)核苷堿基32被吸引穿過(guò)納米孔12時(shí)，帶負(fù)電的DNA主鏈會(huì)被 側(cè)面定向的探針50所吸引。核苷石咸基32與探針50的側(cè)面互相作用并偶 合，并保持偶合直到偏壓反向。由此，當(dāng)堿基轉(zhuǎn)運(yùn)穿過(guò)納米孔時(shí)，可進(jìn)一步控制側(cè)面定向納米管 探針50使控制核苷堿基移位速度成為可能。再次參看圖2B,為單獨(dú)控 制縱向納米管探針50的電壓，將側(cè)面定向納米管探針50的末端58、 60 連接到具有電壓源54的第二外部電路52上。第二外部電路52可以包含 電流表或其它電流控制及測(cè)量設(shè)備56。如上面所解釋?zhuān)珼NA鏈與納米管表面的偶合至少部分受DNA鏈 和納米管表面上電荷相對(duì)數(shù)目的控制。因?yàn)镈NA主鏈在溶液中通常帶 負(fù)電，相對(duì)于溶液帶正電的納米管表面趨向于將DNA主鏈吸引到納米 管表面。相反地，帶負(fù)電的納米管表面趨向于排斥DNA主鏈離開(kāi)納米 管表面。根據(jù)本發(fā)明，利用這些條件來(lái)控制核苷堿基與側(cè)面定向納米管 探針間偶合的持續(xù)時(shí)間。再次參看圖2C,當(dāng)側(cè)面定向納米管探針50相對(duì)于電解液為正偏 電壓時(shí)，DNA主鏈傾向于被側(cè)面定向納米管探針50所吸引，并且核苦 堿基32與側(cè)面定向納米管探針50偶合。在偶合過(guò)程中，納米管探針間 發(fā)生電子轉(zhuǎn)運(yùn)，跨越納米孔，穿過(guò)DNA堿基，這可被測(cè)量用以鑒定堿 基?！┩瓿蛇@種堿基鑒定測(cè)量，控制第二外部電路52以調(diào)節(jié)電壓源 54及側(cè)面定向納米管探針50的相應(yīng)電偏壓?，F(xiàn)在選4爭(zhēng)偏壓以4吏側(cè)面定 向納米管探針50相對(duì)于電解液為負(fù)偏壓，由此DNA主鏈傾向于排斥側(cè) 面定向納米管探針50。隨著由此引起的排斥力的啟動(dòng)，核苦堿基32從 側(cè)面定向納米管探針50上去偶合，結(jié)果見(jiàn)圖2A的裝置，然后核苷石咸基32在電泳力的作用下進(jìn)一步被轉(zhuǎn)運(yùn)穿過(guò)納米孔。下一個(gè)連續(xù)的待鑒定核苷堿基相應(yīng)的被轉(zhuǎn)運(yùn)到納米管探針的位置上進(jìn)行下 一輪堿基鑒定循環(huán)。在當(dāng)核苷酸移位穿過(guò)納米孔時(shí)，圖2A-2C的實(shí)施方案可對(duì)DNA 鏈移位速度及對(duì)鏈上核苷酸的物理定向進(jìn)行控制，使堿基鑒定循環(huán)的實(shí) 施成為可能。圖2A-2C的實(shí)施范例尤其有利，因?yàn)閭?cè)面定向納米管探針 50提供了納米管末端58、 60,距離納米孔較遠(yuǎn)，可在其上面連接外部 電路52。但對(duì)一特定的操作而言，如果必須或需要，為使DNA核苷酸 與末端定向納米管探針24而不與側(cè)面定向納米管探針50發(fā)生偶合和去 偶合，末端定向納米管探針24可由第二外部電路52一,代單獨(dú)控制。如上面所解釋?zhuān)梢岳斫鉃镈NA核苷酸具有與納米管末端及側(cè)面 偶合的傾向。無(wú)論是采用納米管末端或側(cè)面與DNA偶合，本發(fā)明并不 要求所有的核苦堿基的納米管表面定向一致。相反，優(yōu)選相同類(lèi)型的核 普堿基的定向基本相似，即所有T堿基應(yīng)的定向相似，所有G堿基應(yīng)的 定向相似等等。上述條件成立前提下，可以確定特定堿基類(lèi)型的每個(gè)實(shí) 例都會(huì)得到所期望的定向或有限類(lèi)別的定向(a limited class of orientations),因此將會(huì)有助于對(duì)比四種DNA石成基，并有利于精確測(cè) 序。此外，本發(fā)明并不要求核苷堿基與納米管表面的偶合有特定的方 向。應(yīng)理解在很多情況下如上面所解釋?zhuān)塑諌A基的平面傾向于平鋪靠 近納米管的表面。但本發(fā)明并不要求全部如此。核苷堿基可以與納未管 表面成一定的角度，可以顯著的脫離(stick off)表面，或者以任何恰當(dāng)?shù)?能夠電子測(cè)定其特征的方式定向。如上所解釋?zhuān)瑑?yōu)選特定的堿基類(lèi)型的 每個(gè)實(shí)例都被相似的定向以提高堿基對(duì)比的精確度，但是并不要求特定 的方向。在本發(fā)明提供的另一個(gè)實(shí)施方案中，可通過(guò)電子轉(zhuǎn)運(yùn)納米管探針 裝置獨(dú)立的實(shí)施分子移位的控制。圖3A為這種裝置實(shí)例的非按比例顯 示的橫截面示意圖。如上圖的2A和2C,應(yīng)理解其如圖1A—樣包含貯 液池及相關(guān)電壓源，并對(duì)兩個(gè)納米管探針除與納米孔鄰接的末端外的其它部分進(jìn)行了電子絕緣處理。在圖3A中顯示支撐結(jié)構(gòu)14中有兩個(gè)納米管探針24、 26以圖1A 的方式橫穿納米管12。本實(shí)例中納米管探針在納米孔周邊上以末端定向 方式排列。在支撐結(jié)構(gòu)表面63上，DNA鏈20進(jìn)入納米孔12，納米孔 12的周邊上提供一側(cè)面安置的納米管探針65。在圖2A-2C中，按照側(cè) 面定向納米管探針50的方式控制表面安置的納米管65的電偏壓，以控 制DNA鏈轉(zhuǎn)運(yùn)穿過(guò)納米孔12的移位速度以在納米管探針24、 26的位 置進(jìn)行堿基鑒定。圖3B是圖3A裝置從上向下的平面示意圖，包括裝置的外部電路 連接。在此視圖中，納米管探針24、 26用虛線交叉陰影顯示，它位于 支撐結(jié)構(gòu)14表面下，沿納米孔12長(zhǎng)度方向上的一個(gè)位點(diǎn)上。表面安置 的納米管65用實(shí)線交叉陰影顯示，位于支撐結(jié)構(gòu)14表面上，納米管探 針24、 26上方的位置。和圖1A—樣，第一外部電路28為納米管探針 24、 26而提供。按照前面解釋的方式，電路28中的電壓源30能夠在納 米管探針24、 26間施加可選擇的偏壓，以促使電子轉(zhuǎn)運(yùn)橫穿納米孔， 并能夠測(cè)量用來(lái)鑒定核苷石成基的電流。如圖2B，第二外部電路52用來(lái)給表面安置的納米管65提供電偏 壓。表面安置的納米管65的末端66， 68連接在接有電壓源54的第二外 部電路52上，電壓源54用來(lái)控制表面安置的納米管65的電壓，在第二 外部電路52中也可包括電流表或其它電流控制及測(cè)量設(shè)備56。同樣參看圖3C,當(dāng)表面安置的納米管65相對(duì)于電解液為正偏電 壓時(shí)，DNA主鏈傾向于被表面安置的納米管65所吸引并且核苷堿基32 與表面安置的納米管65偶合。這種活動(dòng)控制DNA鏈穿過(guò)納米孔向前易 位的速度。堿基32與表面安置的納米管65的偶合也通過(guò)在納米管表面 上定向堿基而空間定向堿基。同時(shí)，第一外部電路28在納米管探針 24、 26之間施加電偏壓。導(dǎo)致的發(fā)生于納米管探針24、 26間的電子轉(zhuǎn) 運(yùn)跨越納米孔，穿過(guò)位于納米管探針24、 26的DNA堿基，同時(shí)被測(cè)量 用以鑒定在納米管探針24、 26位置的堿基?！┩瓿蓧A基鑒定測(cè)量，控制第二外部電路52以調(diào)節(jié)電壓源54 及相應(yīng)的表面安置納米管65的偏壓?，F(xiàn)在選擇電偏壓使表面安置的納 米管65相對(duì)于電解液為負(fù)偏壓，由此DNA主鏈傾向于排斥表面安置的 納米管65。隨著由此引起的排斥力的啟動(dòng)，核苷堿基32從表面安置的 納米管探針65上去偶合，結(jié)果見(jiàn)圖3A的裝置，然后核苷堿基32在電 泳力的作用下進(jìn)一步被轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入納米孔。下一個(gè)連續(xù)的待鑒定核苷堿基 相應(yīng)的被轉(zhuǎn)運(yùn)到納米管探針的位置上進(jìn)行下一輪堿基鑒定循環(huán)。當(dāng)核苷 堿基進(jìn)入納米孔并接近納米管探針時(shí)可能仍然保持其在表面安置納米管 65處產(chǎn)生的定向，這取決于納米孔的長(zhǎng)度。當(dāng)堿基沿納米孔長(zhǎng)度方向到 達(dá)的探針處時(shí)，堿基與其中 一個(gè)納米管探針的偶合可加強(qiáng)定向控制。在一備擇實(shí)施方案中，表面安置的納米管65可在納米孔12的周 邊上末端定向而不是側(cè)面定向。這種表面安置的納米管的末端定向以前 述的末端定向的納米管探針24、 26的方式在納米孔邊緣安置了一個(gè)末 端。然而，這種實(shí)施方案可能并不優(yōu)選，因?yàn)檫@種實(shí)施方案沒(méi)有在離開(kāi) 與納米管形成接觸的納米孔周邊的位置提供兩個(gè)納米管末端。但是如果 一個(gè)特定的應(yīng)用實(shí)例提供與表面安置的納米管的正面定向的表面末端的 接觸，那么這可以用在可用之處。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，可用圖2B及3B所示的第二外部 電路52的方式控制圖1和圖3的實(shí)例實(shí)施中所示的第一外部電路28, 以對(duì)末端定向的納米管隧道探針24、 26(圖1和3)施加瞬時(shí)偏壓。這種 對(duì)納米管探針施加的瞬時(shí)偏壓只用一個(gè)電路就能夠完成圖2B所示的實(shí) 施實(shí)例中由笫二外部電路52所實(shí)施的移位控制。才艮據(jù)本發(fā)明知道，如 前所解釋?zhuān)瑑蓚€(gè)納米管探針的電荷導(dǎo)致帶負(fù)電的DNA主鏈被相對(duì)于電 解液多數(shù)為正偏壓的納米孔探針?biāo)?。?dāng)納米管探針間施加偏壓時(shí)， DNA主鏈被帶正電的納米管探針吸引，核香堿基在此位置與帶正電的納 米管探針偶合。這種偶合動(dòng)作減慢或中斷了 DNA鏈穿過(guò)納米孔的過(guò) 程。當(dāng)偏壓相對(duì)于電解液反轉(zhuǎn)，DNA主鏈被堿基偶合的納米管所排斥， 然后DNA鏈能夠繼續(xù)穿過(guò)納米孔。對(duì)DNA鏈移位的控制就是這樣實(shí)現(xiàn)的。按照?qǐng)D1的實(shí)施方案，采用這種瞬時(shí)納米管探針?lè)桨甘箖蓚€(gè)納米 管探針24、 26能夠進(jìn)行空間分子定向控制及分子移位速度控制。在圖3 的實(shí)施方案中，這種納米管探針的瞬時(shí)偏壓控制使通過(guò)由表面安置納米 管66和納米管探針24、 26施加的兩種移位速度控制都成為可能。這兩 種移位控制可同時(shí)操作引起DNA鏈穿過(guò)納米孔時(shí)的棘齒狀移位。
按照本發(fā)明，可根據(jù)需要的挑選圖1-3實(shí)例配置中的各種的特征 和控制技術(shù)，用于在各種各樣的可替換布置中對(duì)給定分子進(jìn)行鑒定。如 圖4A的橫截面剖面圖所示，納米管隧穿探針可以末端定向探針24和側(cè) 面定向納米管探針50形式提供。表面安置的納米管65被進(jìn)一步提供用 以加強(qiáng)額外的的分子移位速度控制。所有的納米管除鄰接納米孔的末端 和側(cè)面，其他部分都絕緣。如圖4B所示，納米管探針還可進(jìn)一步以末 端定向探針24和沿納米孔內(nèi)長(zhǎng)度方向水平延伸穿透支撐結(jié)構(gòu)厚度的側(cè) 面定向納米管探針67的形式提供。在這種布置中，核苷堿基能夠沿著 側(cè)面定向納米管67以良好的控制定向滑動(dòng)穿過(guò)納米孔。為達(dá)到這種條 件，側(cè)面定向探針暴露在納米孔中的區(qū)域并不被絕緣，如下實(shí)施例中所 解釋。因?yàn)槟軌虮淮_認(rèn)，末端定向探針24也可以側(cè)面定向探針形式提 供，如同圖4A所示的側(cè)面定向探4十50。這些設(shè)備布置中的每一個(gè)都可被一個(gè)或多個(gè)精選的外部偏壓電路 所控制，用以加強(qiáng)時(shí)間依賴(lài)的定向和移位速度控制。例如，第一偏壓電 路如圖1A中的外部電路28可應(yīng)用于納米管探針24、 50之間，第二偏 壓電路如圖2B中的外部電路可用于獨(dú)立的控制縱向納米管探針50的偏 壓。另一個(gè)控制電路如圖3B中的外部電路52可進(jìn)一步被用于控制表面 定向納米管65的偏壓。前面討論的裝置配置實(shí)例的操作是通過(guò)測(cè)量電子在納米管探針之
間穿過(guò)納米孔內(nèi)的一個(gè)分子而實(shí)現(xiàn)的。但本發(fā)明并非將裝置配置局限于 此操作模式。已有公認(rèn)，分子接近納米管可改變納米管沿著納米管長(zhǎng)度
的電導(dǎo)率，這種改變是通過(guò)如前所述的通過(guò)誘導(dǎo)改變負(fù)責(zé)沿納米管長(zhǎng)度
方向進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移的納米管電子載體濃度，和/或通過(guò)調(diào)節(jié)這種電子載體 的電遷移率而實(shí)現(xiàn)的。因此，所有可提供分子與碳納米管側(cè)面相互作用
的裝置配置也可以在被稱(chēng)為"FET模式"的模式下進(jìn)行操作，這種配置的 實(shí)例如圖2A-C(納米管探針50 )，圖3A-3C(納米管探針65 )及圖4A(納 米管50和65)所示。在FET操作模式中，電偏壓施加在具有分子接觸及定向表面的納 米管的相對(duì)末端之間，如圖2-4中的納米管50和65?？刹捎脠D2B與 3B中連接在納米管50和65上的電路52施加此偏壓。這些納米管的電 導(dǎo)率對(duì)納米孔中分子的接近和特性非常靈敏。這樣在電路52中，當(dāng)分 子移位穿過(guò)納米孔時(shí)，用一種基于側(cè)面定向納米管的鑒定裝置測(cè)量穿過(guò) 納米管50和65的電流，提供了一種可選的分子特征電子鑒定技術(shù)。本
發(fā)明并不局限于本發(fā)明中的分子鑒定裝置的一種特定的操作方式。
另外，在圖l-4的所有實(shí)施中，如前所解釋?zhuān)梢詴r(shí)間依賴(lài)模式
調(diào)節(jié)兩個(gè)貯液池中每一溶液的電偏壓以控制相對(duì)于分子-納米管偶合力， 驅(qū)動(dòng)分子穿過(guò)納米孔的電泳力。例如，可隨時(shí)間推移，有選擇的對(duì)分別 位于第一貯液池16和第二貯液池is中的電極H、 19(圖1A)施加偏壓， 如與施加的納米管探針偏壓控制和移位速度偏壓控制同步。這種液體偏 壓進(jìn)一步提供了對(duì)納米管探針相對(duì)于電解液的偏壓的控制水平，這提高 了分子移位控制的精確度。這種精確度對(duì)要達(dá)到與測(cè)量電子設(shè)備靈敏度 和帶寬相應(yīng)的移位速度是令人向往的。例如以104堿基/秒的速度移位， 連續(xù)堿基的不同的電子轉(zhuǎn)運(yùn)信號(hào)是可以被分辨的。這樣，在選擇的納米 管和外部電路配置上施加電偏壓控制，能夠以適合不同核苷堿基間的直 接電子鑒別方式來(lái)實(shí)現(xiàn)DNA移位率的控制和DNA核苷堿基的物理定 向。
作為這些性能的結(jié)果，盡管納米孔為單分子檢測(cè)器，但本發(fā) 明的分子分析裝置是一高通量測(cè)序裝置。用本發(fā)明的分子分析裝置，幾
的操作方法是一個(gè)分子接一個(gè)分子的直接將移位分子的特有特征轉(zhuǎn)化為 電信號(hào)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)導(dǎo)和識(shí)別。另外，長(zhǎng)鏈DNA也能以實(shí)時(shí)方式測(cè)
定。而有關(guān)于樣品制備或特定應(yīng)用的實(shí)踐考慮可能會(huì)限制當(dāng)鏈移位穿過(guò) 納米孔時(shí)可測(cè)量的DNA鏈長(zhǎng)度，但是理論上對(duì)于待分析鏈的長(zhǎng)度式?jīng)] 有限制的?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)入本發(fā)明分子分析裝置的另一個(gè)實(shí)施方案，參看圖5A。 在本發(fā)明的另一分子分析技術(shù)中，DNA測(cè)序是通過(guò)偶合到自由納米管 的DNA鏈復(fù)合物移位穿過(guò)納米管鉸鏈的納米孔實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明提供的 實(shí)施此方法的裝置如圖5A所示，第一貯液池16中的溶液中含有與納米 管102偶合的ssDNA分子100,其中至少一個(gè)DNA鏈100與單個(gè)的納 米管102偶合?？筛鶕?jù)美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布說(shuō)明書(shū)第2005/0009039號(hào)， Jagota等,"Dispersion of Carbon Nanotubes by Nucleic Acids,"('通過(guò)4t酸的 碳納米管的分散作用)傳授的通過(guò)例如凝膠電泳制作形成這樣的DNA-纟內(nèi) 米管復(fù)合物溶液，以提供需要的分子-納米管復(fù)合物，美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布 說(shuō)明書(shū)第2005/0009039號(hào)其全文通過(guò)引用方式結(jié)合到本文中。
第一貯液池以前述方式與支撐結(jié)構(gòu)14提供的納米孔12連通。在 沿納米孔長(zhǎng)度方向上的一個(gè)位點(diǎn)上設(shè)置了納米管探針24、 26。納米管探 針可以為如圖5A所示樣式的末端定向探針，或可以為如圖2A所示樣式 的側(cè)面定向探針。在圖中標(biāo)有"-"和"+"的兩個(gè)液體隔室16、 18間施加偏壓，使第一 貝i液池16中的DNA-納米管復(fù)合物受電泳驅(qū)動(dòng)一次一個(gè)進(jìn)入并穿過(guò)納米 孔12進(jìn)入到第二Ji&液池18?？捎孟鄳?yīng)的用于控制各溶液電壓的電壓源 21、 23，通過(guò)如分別浸在兩個(gè)隔室16、 18中的氯化銀電極17、 19來(lái)施 加此偏壓。通過(guò)具有可控電壓源30的外部電路28在探針24、 26間施加橫穿 納米孔的偏壓。當(dāng)DNA-納米管復(fù)合物104移位進(jìn)入納米孔并在納米管 探針24、 26之間移位時(shí)，納米管探針24、 26間的電子轉(zhuǎn)運(yùn)受到DNA-納米管復(fù)合物104的影響。外部電路配有電流表34或其它電流測(cè)量裝 置用以監(jiān)控發(fā)生的電流以鑒定DNA-納米管復(fù)合物的堿基。假設(shè)DNA-納米管復(fù)合物中DNA分子的每個(gè)核苷堿基都與納米管的縱向側(cè)壁偶合，那么當(dāng)DNA-納米管復(fù)合物移位穿過(guò)納米孔12時(shí)，可根據(jù)探針間的 電子轉(zhuǎn)運(yùn)變化，分別的，清楚的鑒定偶合DNA鏈的每個(gè)核苷堿基。應(yīng) 當(dāng)認(rèn)識(shí)到，DNA分子與碳納米管的偶合可導(dǎo)致分子相對(duì)于未偶合的 DNA鏈穿過(guò)納米孔轉(zhuǎn)運(yùn)的速度減慢，這歸因于納米管的存在導(dǎo)致納米孔 附近液體粘性阻力的增加。但是DNA與納米管的偶合降低了由于布朗 運(yùn)動(dòng)引起的DNA鏈運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)，這歸因于納米管較大的質(zhì)量和較強(qiáng)的 硬度。除了對(duì)DNA-納米管復(fù)合物移位的電子分析，可按前述方式監(jiān)控 從第一貝i液池16穿過(guò)納米孔流入第二貝i液池l8的溶液中離子流變化， 以確定移位的DNA-納米管復(fù)合物的位置。假設(shè)納米孔的尺寸與DNA-納米管復(fù)合物的尺寸相當(dāng)，復(fù)合物在移位時(shí)占據(jù)了納米孔橫截面的大部 分區(qū)域，復(fù)合物瞬時(shí)減小或阻滯了由于如前述方式在第一和第二貯液池 間施加電壓而產(chǎn)生的離子流。結(jié)果，對(duì)第一和第二貯液池間離子流的測(cè) 量可被用于指示是否有DNA-納米管復(fù)合物存在于納米孔中。 一旦確認(rèn) DNA-納米管復(fù)合物存在納米孔中，這種指示可與外部電路的控制保持 同步，以啟動(dòng)電子轉(zhuǎn)運(yùn)流測(cè)量。DNA碳納米管雜合復(fù)合物的減緩及定向作用可被用來(lái)利于采用離 子電流或電子電流分子鑒定裝置進(jìn)行分子鑒定。本發(fā)明仔細(xì)考慮了在前 述的納米管探針配置中用電子電流或離子電流測(cè)定技術(shù)進(jìn)行DNA-納米 管復(fù)合物的鑒定。對(duì)第 一與第二貯液池間離子電流的測(cè)定可被用于表明 與納米管絡(luò)合的DNA分子的一系列特征。例如多核苷酸鏈中形成"發(fā) 夾"環(huán)的單體互補(bǔ)堿基序列在納米管上有截然不同的定向，因此產(chǎn)生與 非互補(bǔ)片斷不同的離子電流調(diào)制。這樣，可以用適合的方式鑒定DNA-納米管復(fù)合物特征，例如監(jiān)控離子電流，不包括電子電流調(diào)制的測(cè)定。
在圖5A的實(shí)例實(shí)施方案中，每個(gè)自由納米管102提供了與納米管 偶合的DNA鏈100的核苷酸的物理定向。當(dāng)DNA-納米管復(fù)合物104移 位穿過(guò)納米孔12,可用前面所述的方式通過(guò)納米管探針24、 26進(jìn)行額 外的定向控制。例如，可控制納未管探針24、 26間的偏壓吸引帶負(fù)電的DNA主鏈和與納米管偶合納未管至帶正電的納米管探針24。這使 DN A-納米管復(fù)合物在納米孔中納米管探針間的空間定向控制成為可能。如果在特定的實(shí)際應(yīng)用中需要，圖1-4的實(shí)例中各種納米管配置 可以用來(lái)控制當(dāng)復(fù)合物移位穿過(guò)納米孔時(shí)定向和DNA-納米管復(fù)合物移 位的速度。另外，如前所解釋?zhuān)赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)貯液池的偏壓來(lái)控制兩 個(gè)貝i液池間的電泳力并進(jìn)一步控制DNA-納米管復(fù)合物的移位速度。轉(zhuǎn)入圖5B,本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，DNA-納米管復(fù)合物穿 過(guò)納米孔的移位能夠通過(guò)外部致動(dòng)元件進(jìn)行嚴(yán)格的控制。本發(fā)明提供的 此布置中，提供一個(gè)了安裝在懸臂112的尖端108或其它能被控制裝置 112驅(qū)動(dòng)的活動(dòng)元件上待分析的DNA-納米管復(fù)合物104。在一個(gè)實(shí)例的 實(shí)施方案中，安裝尖端108位于原子力顯微鏡(AFM)懸臂IIO的末端。 任何適合的可驅(qū)動(dòng)的，活動(dòng)的尖端結(jié)構(gòu)都可用作安裝尖端，掃描隧道顯 微鏡的探頭，微機(jī)電(MEMs)結(jié)構(gòu)如可驅(qū)動(dòng)的微機(jī)械懸臂橫梁和橋及其 它系統(tǒng)儀器或客制機(jī)械裝置能夠用來(lái)作為DNA-納米管復(fù)合物的安裝尖 端。無(wú)論采用何種尖端配置，安置在尖端的DNA-納米管復(fù)合物移位 穿過(guò)支撐結(jié)構(gòu)14中的納米孔12,在兩個(gè)納未管探針24、 26之間移動(dòng)。 通過(guò)精確控制尖端108和懸臂110，安置在尖端的DNA-納米管復(fù)合物 可緩慢前進(jìn)，例如以約1核苷堿基/秒的速度移位，穿納米孔l2。在納 米管探針24、 26的位置，橫跨納米孔穿過(guò)DNA-納米管復(fù)合物的電子轉(zhuǎn) 移受到DNA-納米管復(fù)合物存在影響。按前面所述的方式，可以采用外 部電路測(cè)定電子轉(zhuǎn)移以識(shí)別DNA-納米管復(fù)合物中DNA分子的核苷堿 基。對(duì)于那些外部電路測(cè)量帶寬可能受限的實(shí)際應(yīng)用，此裝置有利于以 適應(yīng)電路帶寬的方式精確控制移位速度。需理解的是，為討論清晰起見(jiàn)沒(méi)有在圖5B中顯示的圖5A中的外 部偏壓及測(cè)量電路應(yīng)28包含在5B的裝置中，以實(shí)現(xiàn)納米管探針偏壓和 電子轉(zhuǎn)運(yùn)測(cè)定。另外，對(duì)于很多實(shí)際應(yīng)用，在此裝置中優(yōu)選包含圖5A
中的貯液池16、 18，以提供DNA-納米管分子可順利移位穿過(guò)納米孔的 介質(zhì)，并實(shí)現(xiàn)其它偏壓控制。在另一個(gè)控制技術(shù)中，也可才是供一額外電壓源114為DNA-納米管 復(fù)合物104穿過(guò)納米孔施加電偏壓。如同給常規(guī)的晶體管的柵或基極施 加偏壓 一 樣，DNA-納米管復(fù)合物的偏壓影響納米管探針間的電子轉(zhuǎn) 運(yùn)。施加在DNA-納米管復(fù)合物上的電壓改變了 DNA與納米管偶合的空 間上的接近，并相應(yīng)的調(diào)整了用以在納米管探針間電子轉(zhuǎn)運(yùn)的DNA-納 米管復(fù)合物的能級(jí)?？煽刂聘淖兪┘釉贒NA-納米管復(fù)合物上的電壓以
按前面描述的方式，DNA-納米管復(fù)合物移位的溶液的靜電勢(shì)也可被調(diào) 節(jié)，以進(jìn)一步調(diào)節(jié)電子轉(zhuǎn)移。如果在DNA-納米管復(fù)合物上施加電壓，復(fù)合物的納米管本身也 可以按納米管探針24、 26的方式被用作電子轉(zhuǎn)移的探針。此方案中， 可取消納米管探針24、 26中的一個(gè)，這樣用于核苷酸分析的電子轉(zhuǎn)移 發(fā)生在一個(gè)納米管探針如探針24與DNA-納米管復(fù)合物104的納米管之 間。此例中，用于電流測(cè)量的外部電路，如圖5A的電路28,連接在一 個(gè)納米管探針24與懸臂致動(dòng)裝置112間。本發(fā)明提供一個(gè)實(shí)驗(yàn)的配置，通過(guò)圖5A-5B中的裝置分析DNA-
納米管復(fù)合物來(lái)確定其本質(zhì)和特征。此實(shí)驗(yàn)配置的一個(gè)實(shí)例實(shí)施方案如 圖5C所示。如圖5C所示，提供了一個(gè)DNA-納米管復(fù)合物104懸浮在 兩個(gè)電連接的電極120， 122之間。電極120, 122可以為任何適當(dāng)?shù)膶?dǎo) 體，如金屬電極或納米管。電極120， 122連接在具有電壓源124的 電路中以為懸浮的DNA-納米管復(fù)合物104施加偏壓。提供一個(gè)電連接的探測(cè)納米管116,安裝在懸臂110的尖端108 上，如由原子力顯微鏡112提供。提供電壓源114以給安裝在尖端的探 測(cè)納米管116施加電偏壓。用此配置，首先用傳統(tǒng)原子力顯微鏡模式操 作原子力顯微鏡使安裝在尖端的探測(cè)納米管1M對(duì)懸浮的DNA-納米管 復(fù)合物104進(jìn)行定位。然后用掃描隧道顯^:鏡(STM)模式操作原子力顯
微鏡以記錄當(dāng)探測(cè)納米管116沿復(fù)合物104掃描時(shí)DNA-納米管復(fù)合物 的電子圖像。得到的圖像從幾何學(xué)上顯示了沿偶合DNA鏈主鏈上的每 個(gè)堿基。如有需要，對(duì)懸浮DNA-納米管復(fù)合物的掃描可以在復(fù)合物干態(tài)
下進(jìn)行。此例中，比較適宜的是，復(fù)合物應(yīng)從含有揮發(fā)性鹽，如乙酸 銨，和含有一定量乙醇足以減小表面張力并在干燥過(guò)程中不破壞復(fù)合物 結(jié)構(gòu)的溶液中干燥獲得。對(duì)于很多實(shí)際應(yīng)用，可以優(yōu)選模擬在圖5A-5B 的測(cè)序設(shè)置中應(yīng)用的水溶液的液體環(huán)境中進(jìn)行掃描。無(wú)論何種掃描環(huán)境，當(dāng)掃描進(jìn)行時(shí)，當(dāng)沿DNA鏈到達(dá)每個(gè)核苷堿 基時(shí)，可調(diào)節(jié)探測(cè)納米管16的隧道偏壓以研究該堿基的電子轉(zhuǎn)運(yùn)特 性。依照本發(fā)明，此信息然然后被用于優(yōu)化施加在圖5A-5B設(shè)置中的納 米管探針上的偏壓以提高四種不同DNA堿基間的對(duì)比度。前面所述的實(shí)例分子鑒定裝置通常設(shè)置在固體狀態(tài)的支撐結(jié)構(gòu) 中，如微電子材料形成的結(jié)構(gòu)，例如采用美國(guó)專(zhuān)利第6,62入067號(hào) Branton等，"Molecular and Atomic Scale Evaluation of Biopolymers,"(生物 高分子的分子和原子級(jí)評(píng)價(jià))所授的材料及設(shè)置，其全文通過(guò)引用結(jié)合 到本文中。轉(zhuǎn)到分子鑒定制備特征的特定方面，提供納米孔的固態(tài)支撐結(jié)構(gòu) 通常由微電子材料制成，例如以硅為基礎(chǔ)的材料，像單晶硅，氮化硅或 聚硅。在一個(gè)尤其合適的設(shè)置中，提供納米孔的的支撐結(jié)構(gòu)由支撐結(jié)構(gòu) 上的一層膜形成，例如硅支撐框架上的氮化硅膜。此設(shè)置如圖6所示。 這里在硅支撐框架162上提供一層懸浮的用常規(guī)方法制成的氮化硅膜 160。氮化硅是特別適合的材料，因?yàn)槠渫ǔ５慕^緣特性和對(duì)廣泛范圍
膜的材料通常優(yōu)選化學(xué)上惰性的和/或耐腐蝕的材料。典型的材料包括二 氧化硅、氧化鋁、塑料、聚合物、彈性體、玻璃或其它適合的材料。按前面描述的方式，在膜160上提供碳納米管24、 26，在膜中間 有一個(gè)納米孔。除了納米管鄰接納米孔周邊的表面，本裝置所有與含有
分子的電解液接觸的表面都絕緣。電絕緣的氮化硅膜固有的提供絕緣的
納米孔壁。納米管24、 26和硅支撐框架162優(yōu)選涂敷了一層絕緣材料 15，例如氧化鋁，二氧化鉿或其它可選擇的絕緣材料。下面的討論提供了在膜和支撐結(jié)構(gòu)中大小可被稱(chēng)為納米孔的空的 形成細(xì)節(jié)。通常納米孔根據(jù)其與感興趣分子的相互作用而確定其大小， 即，納米孔的直徑與感興趣分子的原子寬度相近。對(duì)于例如一個(gè)單鏈多 核苷酸移位穿過(guò)納米孔的實(shí)際應(yīng)用，納米孔的直徑優(yōu)選在lnm至20nm 的范圍內(nèi)。除了一次只允許單個(gè)聚合物分子以舒展的構(gòu)象，如沒(méi)有二級(jí) 結(jié)構(gòu)，橫穿過(guò)納米孔外，對(duì)納米孔的幾何形狀沒(méi)有特別的限制。通常優(yōu) 選但并不要求圓形納米孔幾何形狀，非圓形的納米孔外形也可以采用。另外，對(duì)納米孔的長(zhǎng)度也沒(méi)有特殊的要求。納米孔的長(zhǎng)度，例如 約為O.lnm至800nm,能夠被采用并通過(guò)加工如氮化硅膜進(jìn)行生產(chǎn)。如 前面所解釋?zhuān)瑸榱诉m應(yīng)電子轉(zhuǎn)運(yùn)穿過(guò)納米孔，納米孔壁為電絕緣。如果 膜自身為絕緣材料，則除了下面所討論的問(wèn)題外，不需要對(duì)納米孔壁進(jìn) 行額外的加工。如果膜導(dǎo)電，納米孔壁可以按下面描述的方式用一種選 擇的絕緣層涂敷。圖7是安置(housmg)裝置130的實(shí)例示意圖，用來(lái)包裝如圖6的 ,顯微制造的分子鑒定裝置系統(tǒng)并用來(lái)將此連接至必要的電路。如圖7所 示，包裝裝置的實(shí)例包括在例如硅酮橡膠(PDMS)的芯片支撐座(chip holder)137中的貯液池132、 134，連同液體通道136、 138—起，可控制 貝±液池以使含有分子電解質(zhì)液體被轉(zhuǎn)運(yùn)穿過(guò)納米孔。提供了 一個(gè)顯微制 造的結(jié)構(gòu)如硅框架140用來(lái)支撐例如其中有納米孔142的膜。提供了納 米管探針測(cè)試接觸墊150、 152用來(lái)建立外部偏壓與測(cè)定電路154和納 米管探針間的電連接。最后，提供閉合的連接]56使得應(yīng)用外部電路 158纟會(huì)兩個(gè)^液池施加電偏壓而沒(méi)有液體泄露出貯液池成為可能。關(guān)于這種設(shè)置，優(yōu)選液體與支撐結(jié)構(gòu)的順(cw)即頂側(cè)的接觸區(qū)域 應(yīng)該越小越好，如小于1,000 pm2,以最小化系統(tǒng)的電容。用來(lái)將液體 轉(zhuǎn)運(yùn)至納米孔的順側(cè)的通道136優(yōu)選設(shè)置用來(lái)在小于300 pm的納米孔以內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)。為了最小化填滿貯液池而沒(méi)有氣泡所需的樣品量，通道直
徑優(yōu)選小于200 fim并與優(yōu)選直徑小于200 |Lim的管道相連?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)入制造本發(fā)明的分子鑒定裝置的更具體的過(guò)程，可以用任 何適合的方法在支撐結(jié)構(gòu)中形成納米孔。支撐結(jié)構(gòu)為膜的時(shí)候，用常規(guī) 方法形成膜，如美國(guó)專(zhuān)利U.S. No.6,627,067號(hào)所傳授的方法，在此以 引文的方式結(jié)合到本文中。然后在膜上形成最初的孔，其后對(duì)膜的處理 產(chǎn)生一個(gè)最終的較小的納米孔直徑。根據(jù)本發(fā)明的一項(xiàng)技術(shù)，在膜中形 成最初的孔是通過(guò)例如離子束削磨、電子束蝕刻、等離子蝕刻、濕法 蝕刻或其它可選擇的技術(shù)形成穿過(guò)膜厚度的孔。然后通過(guò)可選擇的方法 減小最初孔的直徑。在一項(xiàng)實(shí)例技術(shù)中，孔的直徑通過(guò)美國(guó)專(zhuān)利公布說(shuō) 明書(shū)NO. US2005/0006224， Golovchenko等，"Pulsed Ion Beam Control of Solid State Features"(固態(tài)特征的脈沖離子束控制)所授的離子束刻蝕的方 法縮小到納米孔，其全文以引用的方式結(jié)合到本文中。在形成納米孔的過(guò)程中，沿納米孔長(zhǎng)度方向的納米孔表面可以被 處理以最小化或抑制DNA移位穿過(guò)納米孔時(shí)ssDNA在納米孔表面上的 吸附。已知各種生物分子，如ssDNA,會(huì)趨向于通過(guò)帶陰離子的主鏈粘 合在親水和陽(yáng)離子表面，或會(huì)通過(guò)核苷酸趨向于粘合在疏水表面。由此
在制造與納米管接合的納米孔的配置以提供支撐結(jié)構(gòu)納米孔在內(nèi)形成的 過(guò)程中，可優(yōu)選提供對(duì)感興趣分子如ssDNA呈惰性的材料，或用對(duì)相
感興趣分子呈惰性的材料層涂敷納米孔和支撐結(jié)構(gòu)。這樣最好在納米孔 上提供一層絕緣表面，當(dāng)與含有分子的電解液接觸時(shí)它具有中性的表面 電荷。如果含有分子的電解液pH值為7或大致為7,氧化鋁為理想的涂 敷材料。如果含有分子的電解液pH值大于等于9， 二氧化鉿反而為優(yōu) 選的，因?yàn)樗砷L(zhǎng)期耐受高pH值環(huán)境而不會(huì)降解。06]當(dāng)納米孔需用選擇的材料層涂敷時(shí)，優(yōu)選原子層沉積(ALD)方法 作為沉積技術(shù)。ALD在與納米孔制造的聯(lián)合使用中非常有利，因?yàn)樗?夠改變電荷及表面的材料特征，同時(shí)產(chǎn)生對(duì)多種不同材料的高度正形的 步驟覆蓋(highly conformal step coverage),具有精確的單-埃厚度控
制，甚至是對(duì)高長(zhǎng)寬比的結(jié)構(gòu)。另外，如下面詳細(xì)描述，ALD方法可被
用來(lái)控制孔的尺寸，以使遠(yuǎn)離其分子感測(cè)區(qū)的納米管電極絕緣。當(dāng)選擇氧化鋁作為涂敷層材料時(shí)，可以通過(guò)能夠進(jìn)行單分子層沉 積控制的方式如原子層沉積(ALD)方法進(jìn)行沉積，如美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布 說(shuō)明書(shū)No.US2005/0241933, Branton等，Material Deposition Techniques for Control of Solid State Aperture Surface Properties,"(用來(lái)控制固態(tài)孔表
面特征的材料沉積技術(shù))中所傳^受，其全文通過(guò)引用方式結(jié)合到本文中。在一用ALD方法在納米孔上生成一層膜的實(shí)例方法中，處理第 一步中，準(zhǔn)備用于膜沉積的結(jié)構(gòu)的表面，與選擇的一種或多種分子前體 反應(yīng)。對(duì)于很多實(shí)際應(yīng)用，ALD處理采用金屬前體，如ALD的金屬前 體可以為MLX,其中M為鋁、鉿、鎂、鴒、鉭、鍶或其它金屬，L= CH3、 Cl、 F、 0^9或其它產(chǎn)生揮發(fā)性分子的原子或分子配體。例如在納 米孔上沉積八1203層，在ALD沉積前，結(jié)構(gòu)首先暴露于如UV/臭氧中以 產(chǎn)生對(duì)金屬前體高活性的羥化表面，以形成鋁層?！┰诮Y(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生了羥基，前體，如用于沉積鋁的金屬前體三 曱基鋁[A1(CH3)3] (TMA),可用來(lái)與在表面產(chǎn)生的羥基反應(yīng)，即用含有 Al(CHg)3分子的氣體前體與表面的-OH位點(diǎn)反應(yīng)。此反應(yīng)產(chǎn)生揮發(fā)性的 CH4氣體分子并在初始的-OH位點(diǎn)形成Al(OH)2,(CH3)或Al(OH)(CH3)2。 對(duì)于這樣的氧化鋁形成方法，適合的反應(yīng)溫度區(qū)大約在200 。C到300 。C 之間。 A1(CH3)3與羥基的反應(yīng)可自動(dòng)中止，因?yàn)樵诜磻?yīng)過(guò)程中，初始表 面配體-OH被消耗，并且表面布滿了 L配基，不能與金屬前體繼續(xù)反 應(yīng)。這種自限性的反應(yīng)過(guò)程可導(dǎo)致少于或多于一層材料在結(jié)構(gòu)及孔上沉 積。在ALD過(guò)程的下一步中，任何殘留的未反應(yīng)的八1(0 3)3前體和產(chǎn) 生的CH4氣體用如干燥的氮?dú)饣蚱渌m合的載體氣體沖出反應(yīng)室。處理 的下 一 步中，使水蒸氣進(jìn)入反應(yīng)室引起沉積層的表面與選擇的前體反 應(yīng)。在目前的氧化鋁沉積實(shí)例中，提供的水蒸氣與暴露的CHs基團(tuán)反 應(yīng)。水蒸氣與存在的CH3基團(tuán)應(yīng)生成CH4氣體并在每個(gè)-CH3位點(diǎn)添加-
OH基，生成新的羥基化表面。當(dāng)所有的-CH3位點(diǎn)都與水蒸氣反應(yīng)后， 此羥基化過(guò)程自體中止。在此處理方法中，相鄰的-Al(OH)2位點(diǎn)交聯(lián)產(chǎn) 生水分子和連接的Al-O-Al網(wǎng)絡(luò)。在下一步處理方法中，按照前面所述的方法用例如氮?dú)鉀_洗的 步驟排出任何殘留的水蒸氣和釋放出的014基團(tuán)。這樣就完成了一個(gè) ALD反應(yīng)循環(huán)，在結(jié)構(gòu)和孔的表面及側(cè)壁上產(chǎn)生了一層氧化鋁。然后沉 積層可以與下一輪的水蒸氣反應(yīng)，隨后使反A1(CH。3進(jìn)入反應(yīng)室反應(yīng)。 一個(gè)ALD反應(yīng)循環(huán)中的每一處理步驟的持續(xù)時(shí)間都選擇充足的反應(yīng)時(shí) 間，而不提供過(guò)量的前體或排氣。例如在氧化鋁沉積操作實(shí)例中， 一個(gè) ALD循環(huán)可如下應(yīng)用，使ls金屬前體蒸氣流進(jìn)入反應(yīng)室，其后用5s氮 氣沖洗，然后ls水蒸氣流和隨后的另外5s的氮?dú)鉀_洗。此循環(huán)結(jié)束后 形成的一層氧化鋁可以為例如單分子層厚度的三分之一。在這種ALD氧化鋁層的加工條件下，據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定每個(gè)反應(yīng)循環(huán) 的八1203沉積率為0.99 ± 0.12 A,與循環(huán)的總次數(shù)無(wú)關(guān)。沉積率經(jīng)過(guò)20-500個(gè)循環(huán)的3全證。這樣，從一個(gè)直徑2nm的納米孔開(kāi)始，納米孔直徑 經(jīng)過(guò)5個(gè)氧化鋁沉積處理循環(huán)，可以縮小到lnm,誤差僅為土1.2A。在本發(fā)明提供的一項(xiàng)備擇技術(shù)中，可在納米孔表面及支撐結(jié)構(gòu)上 沉積聚四氟乙烯(Teflon)樣層，如美國(guó)專(zhuān)利第5，888,591號(hào)，Gleason等, "Chemical Vapor Deposition of Fluorocarbon Polymer Thin Films,"(氟爛聚 合物薄膜的化學(xué)蒸氣沉積)中所授，這里通過(guò)引用結(jié)合到本文中。要連接固態(tài)納米孔與納米管探針，優(yōu)選在選擇的支撐結(jié)構(gòu)將納米 管和納米孔整合為一體。在一項(xiàng)制造技術(shù)中，碳納米管直接在感興趣的 支撐結(jié)構(gòu)中合成，如美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布說(shuō)明書(shū)第2005/0007002號(hào)， Golovchenko等，"Carbon Nanotube Device Fabrication,"(碳納米管設(shè)備制 造)所教授的，其全文通過(guò)引用方式結(jié)合到本文中。在本技術(shù)中，能夠精確控制催化劑特性，及相應(yīng)精確控制納米管 的生長(zhǎng)，使得水平定向的與支撐表面平行單壁納米管可被選擇性合成以 形成納米管探針。這個(gè)過(guò)程中，催化劑層是固體催化劑材料采用濺射、分子束外延、溶膠凝膠成型、電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)或其它選擇的方法在 支撐結(jié)構(gòu)上蒸氣沉積形成的。無(wú)論選擇哪種蒸氣沉積方法，優(yōu)選能夠控 制達(dá)到很低覆蓋度的蒸氣沉積膜，這樣選擇的催化劑材料在膜和支撐基 底上的沉淀不超過(guò)幾個(gè)單分子層。在一個(gè)蒸氣沉積方法的實(shí)例中，F(xiàn)e熱蒸發(fā)法使用了鐵箔點(diǎn)焊的鎢 舟，可在真空條件下，如壓力在10-5或10-6毫米汞柱下進(jìn)行，產(chǎn)生選擇 厚度的Fe催化劑層。無(wú)論采用何種催化劑材料和蒸氣沉積法，優(yōu)選產(chǎn) 生的催化劑層厚度小于2nm,或考慮其它方法。優(yōu)選催化劑層的特征是 層的覆蓋度為8 x 1015原子/cm2或者更小?？梢岳斫猱?dāng)催化劑層厚度增 加時(shí)，由催化劑層水平合成的納米管的直徑也會(huì)相應(yīng)的增大，而且在催 化劑層厚度的閾值之上，形成多壁而非單壁的水平納米管。如2nm厚或 更薄的催化劑層被認(rèn)為適合可靠并可預(yù)測(cè)的形成單壁納米管。在一個(gè)制作操作程序的實(shí)例中，首先用常規(guī)方式在選擇的支撐結(jié) 構(gòu)上形成接觸墊，例如用鈀層來(lái)形成與納米管探針的歐姆接觸。在納米 孔位置附近形成接觸墊。在單層或多層金屬接觸墊頂部形成納米管催化 劑層。然后應(yīng)用常規(guī)的剝離技術(shù)，移去成型的(patterned)光致抗蝕劑 層，產(chǎn)生成型的催化劑/電極區(qū)域。這種技術(shù)尤其有利，因?yàn)樗軌蛞徊?形成納米管探針接觸墊和催化劑層。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，催化劑區(qū)域的范圍 與納米管探針接觸墊的范圍重合是可以接受的，因此優(yōu)選本方法。如果對(duì)于特定的實(shí)際應(yīng)用，優(yōu)選催化劑區(qū)域不完全包括接觸墊， 然后可以進(jìn)行一個(gè)附加的石印和蝕刻程序來(lái)除去在接觸墊部分的催化劑 材料。在一個(gè)實(shí)例操作中，用例如成型的光致抗蝕劑層遮蓋催化劑層， 暴露區(qū)域的催化劑層將會(huì)被去除。采用干燥的蝕刻方法，如等離子蝕 刻，粒子束蝕刻或其它技術(shù)來(lái)去除不需要的催化劑層區(qū)域。已有公認(rèn)在 金屬電極材料打底基礎(chǔ)上蝕刻催化劑材料時(shí)，很多催化劑層蝕刻方法可 能并不具有顯著的選擇性。因此，可以優(yōu)選用定時(shí)方法或其它方法來(lái)控 制催化劑蝕刻處理以保證金屬接觸墊材料完整保存。在一個(gè)備擇方法中，催化劑層可按與制做納米管探針接觸墊層分開(kāi)的步驟順序成型并被蝕刻。例如，可通過(guò)如前描述的常規(guī)剝離技術(shù)使 接觸墊層成型，然后用第二單獨(dú)的剝離程序來(lái)沉積和成型催化劑層。此 方案中，在生成的接觸墊上形成光致抗蝕劑層并成型以暴露接觸墊預(yù)期用于提供納米管催化劑層的區(qū)域。然后氈毯狀沉積(blanket-deposited)催 化劑層，優(yōu)選通過(guò)前面所述的選4^的蒸氣沉積處理方法。然后實(shí)施剝離 光致抗蝕劑層來(lái)去除催化劑層的部分，結(jié)果在接觸墊上成型催化劑區(qū)。并不要求用剝離的方法來(lái)使催化劑層成型，相反催化劑層可以在 接觸墊上氈毯狀沉積然后被蝕刻，如對(duì)覆蓋在催化劑層頂部的光致抗蝕 劑層石印成型，并將其成型以限定獨(dú)特的催化劑島。然后按照常規(guī)方式 通過(guò)光致抗蝕劑層模型暴露的催化劑區(qū)域進(jìn)行蝕刻。此方法，像催化劑 剝離方法，有利于精確形成并不需要延伸跨越整個(gè)電極接觸墊的催化劑 島，因此更精準(zhǔn)的限定了納米管合成的位置。無(wú)論采用什么加工程序來(lái)生成接觸墊和催化劑區(qū)域，按照本發(fā)明 優(yōu)選將接觸墊和催化劑區(qū)域延伸跨越一個(gè)孔的預(yù)定位置，這樣產(chǎn)生的孔 穿過(guò)接觸墊和催化劑層，使得接觸墊和催化劑區(qū)域可根據(jù)孔的邊緣自動(dòng) 調(diào)整。結(jié)果產(chǎn)生兩個(gè)被孔分開(kāi)的接觸墊。催化劑層區(qū)域也可以鄰接孔的 邊緣但并不延伸穿過(guò)接觸墊的擴(kuò)展部分。這種情況可以通過(guò)前面所述的 各種催化劑層蝕刻方法產(chǎn)生。無(wú)論需要什么樣的催化劑圖形優(yōu)選通過(guò)能 夠精確定義位置和催化劑區(qū)域范圍的蝕刻方法制造。這種石印催化劑限 定與催化劑薄層的蒸氣沉積法相結(jié)合使納米管精確合成成為可能。這種對(duì)催化劑區(qū)域的石印限定并不要求對(duì)催化劑層進(jìn)行蝕刻。例 如以前面描述的方式對(duì)催化劑層進(jìn)行氈毯狀沉積，然后沉積形成一覆蓋 層并被成型。覆蓋層圖形暴露出催化劑層上預(yù)期用于合成納米管的區(qū) 域，剩下的被覆蓋的催化劑層可抑制納米管的合成。采用本設(shè)置，催化 劑層本身并不被蝕刻，而是通過(guò)蝕刻催化劑層暴露的精確位置以完成納 米管合成?！┰诮佑|墊上選定的位置形成了催化劑層區(qū)域，穿過(guò)將在其上 提供納米管的膜或其它支撐結(jié)構(gòu)形成一個(gè)孔。在一個(gè)實(shí)例的方法中，按 照前面描述的方式直接進(jìn)行催化劑、接觸墊和膜材料的聚焦離子束刻 蝕，使得各層與孔自動(dòng)排列成一行。生成的結(jié)構(gòu)提供了含有接觸墊和催 化劑區(qū)域排列成一行的孔?；蛘撸瑢?duì)每一需要蝕刻的層可以按照順序進(jìn) 行蝕刻成圖，通過(guò)提供特定的蝕刻配方盡可能一次蝕刻一層或多層。另外，大多數(shù)孔都能在特定的基質(zhì)、膜或其它支撐結(jié)構(gòu)中，用陣列(arrays) 或其它適合特定實(shí)際應(yīng)用的配置形成?！┥梢粋€(gè)或多個(gè)選定的孔，就能在基質(zhì)或膜上進(jìn)行納米管合 成。進(jìn)行納米管合成特別產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)每孔交聯(lián)的納米孔，以與孔的 邊緣或接觸墊連接。在一個(gè)合成方法的實(shí)例中，納米管生成在適合的系 統(tǒng)中進(jìn)行，如熔爐系統(tǒng)。將所需在其上生成納米管的基質(zhì)裝載入熔爐系 統(tǒng)中，系統(tǒng)溫度升高到預(yù)期的生成溫度，例如約在600°C-1500°C之 間，優(yōu)選約為900°C。在溫度速變時(shí)，可以優(yōu)選提供惰性氣體流，如 氬，來(lái)抑制接觸墊材料、催化劑材料、膜和/或基質(zhì)材料及其它本設(shè)置包 含的材料的氧化。當(dāng)達(dá)到預(yù)期的合成溫度時(shí)，將氣流轉(zhuǎn)換為碳?xì)浠衔餁怏w，如甲 烷氣流。甲烷氣流優(yōu)選保持在約在100sccm到400scmm之間，優(yōu)選流量 約為200sccm。依據(jù)本發(fā)明發(fā)現(xiàn)用此相對(duì)較低的氣流，基本抑制了無(wú)定 形碳在合成的納米管上面和周?chē)盎|(zhì)區(qū)域的形成。作為依據(jù)本發(fā)明的 結(jié)果，為了抑制無(wú)定形碳的形成除了曱烷外不需要包含氬或其它氣流。 依據(jù)本發(fā)明需要理解的是，當(dāng)納米管合成時(shí)氣流方向?qū){米管的定向的 影響可忽略不計(jì)，因此并未對(duì)基質(zhì)相對(duì)于氣流的特定方向做出要求。根據(jù)特定的實(shí)際應(yīng)用需要，催化劑材料在曱烷氣流中的暴露可持 續(xù)進(jìn)行任何時(shí)間，以生產(chǎn)直徑和數(shù)量選定的納米管。對(duì)于很多實(shí)際應(yīng) 用，可以優(yōu)選進(jìn)行10分鐘或更短時(shí)間的曱烷氣流暴露以重復(fù)合成單壁 納米管。如果這不是必要條件，根據(jù)預(yù)期的納米管壁厚度可持續(xù)通氣任 何選定時(shí)間。但是發(fā)現(xiàn)，縮短納米管的合成時(shí)間更為適合，這歸因于減 少了納米管和周?chē)Y(jié)構(gòu)上的無(wú)定形碳的產(chǎn)生。用這種方法，可按照下面描述的方式在支撐結(jié)構(gòu)表面在或?qū)⒁纬杉{米孔的孔的位置附近選擇性合成納米管。已有公認(rèn)，優(yōu)選合成的納 米管的電特征以保證選擇的納米管具有發(fā)揮探針作用所必須的電特性。 在預(yù)期有納米管的納米孔附近位置上合成的具有預(yù)期直徑和電特性的納 米管，可被用如原子力顯微鏡懸臂的尖端手動(dòng)推入位置。 —個(gè)實(shí)際應(yīng)用中，要將納米管安裝在致動(dòng)結(jié)構(gòu)的尖端，如AFM 懸臂桿的尖端，以使安裝在尖端的DNA-納米孔復(fù)合物移位穿過(guò)納米孔。 本發(fā)明提供一種制造安裝在尖端上的選定長(zhǎng)度的納米管的技術(shù)，如公開(kāi)號(hào) 為WO2007/044035的USSNll/008,402,Golovchenko等/'Patterning by Energetically-Stimulated Local Removal of Solid-Condensed-Gas Layers and Solid State Chemical Reactions Produced With Such Layers (通過(guò)能量驅(qū)動(dòng)局部去除固態(tài)冷凝氣體層得到的圖案和與該層發(fā)生的固態(tài)化學(xué)反應(yīng))"所授， 其全文通過(guò)引用結(jié)合到本文中。此技術(shù)也能可用來(lái)生成所需長(zhǎng)度的納米管 作為納米管探針或者用于DNA-納米管雜化復(fù)合物中。在這種處理順序的第一步中，納米管支架上提供一個(gè)納米管，該 納米支架可以在結(jié)構(gòu)支撐臺(tái)上提供以實(shí)現(xiàn)熱及電的連接，便于控制結(jié)構(gòu) 的電和熱狀態(tài)。優(yōu)選納米管支架能夠與結(jié)構(gòu)支撐臺(tái)相配合，這樣能夠?qū)?現(xiàn)熱和電與納米管連接。納米管支架可以如下形式提供，例如AFM的 尖端或其它適合的機(jī)械上穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，如懸臂結(jié)構(gòu)，納米管可以在其上 安裝并被致動(dòng)以控制移位穿過(guò)納米孔，如果這是有待于從事的應(yīng)用?！┘{米管被安置于納米管支架上，納米管和支架都置于在處理 室中的結(jié)構(gòu)支撐臺(tái)上。然后通過(guò)將納米管暴露于在納米管溫度低于約
130 K，局部壓力小于約10"T的氷蒸氣中，在納米管上形成一層固體水 凝結(jié)層。在這些條件下，能夠控制具有1 pm厚度的固體水凝結(jié)覆蓋層 沉積在納米管上。發(fā)現(xiàn)固體冰凝結(jié)覆蓋層在三維結(jié)構(gòu)，如納米管的形成 具有相當(dāng)方向性，因此最好考慮蒸汽噴射器在處理室上的位置與納米管 支架位置間的距離。覆蓋層的形成可通過(guò)如當(dāng)蒸汽冷凝過(guò)程進(jìn)行時(shí)的 納米管電鏡成像，進(jìn)行原位監(jiān)控。—旦在納米管上形成覆蓋層，用能量束指向覆蓋層上與沿納米管 將要被切割縮短的位點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的的位置?？梢圆捎秒婄R或其它成像系統(tǒng) 和技術(shù)進(jìn)行納米管成像以測(cè)定其初始長(zhǎng)度并確定為縮短管的長(zhǎng)度要被切 開(kāi)的位點(diǎn)。然后使能量束，如3 KeV, 50 pA的電子束，或離子束，指 向那個(gè)納米管預(yù)期切割的位置以局部去除固體凝結(jié)覆蓋層。 —旦完成局部去除固體凝結(jié)覆蓋層，因此暴露出下面納米管的 一個(gè)位置，然后納米管本身被切斷。用能量束指向納米管上通過(guò)局部去 除固體凝結(jié)覆蓋層而暴露出的部分，然后將納米管切割至預(yù)期長(zhǎng)度。用 來(lái)切割納米管的能量束可與用來(lái)局部去除固體凝結(jié)覆蓋層的能量束一樣 或完全不同。無(wú)論采用何種納米管切割束，固體凝結(jié)覆蓋層起到保護(hù)納 米管的作用并防止它彎曲或當(dāng)切割束指向暴露的納米管部分并聚焦在暴 露的部分時(shí)離開(kāi)能量束。當(dāng)納米管在暴露部分被切割時(shí)，固體凝結(jié)覆蓋 層進(jìn)一步起到保護(hù)和保持納米管穩(wěn)定的作用。因此，不需要高度聚焦的 切割束，局部去除固體凝結(jié)覆蓋層的線寬可被用于設(shè)置納米管切割方法 的分辨率。這種方案的一個(gè)實(shí)例中，電子束可被用于在納米管上局部去除固 體水凝結(jié)覆蓋層的一個(gè)區(qū)域，如前面描述的3 KeV， 50 pA的束可被用 于局部去除在溫度為128K,壓力為10-4 T時(shí)在納米管上形成的冰覆蓋 層。然后可采用離子束在納米管上水覆蓋層被局部去除的位置切割納米
管。例如能量為30KeV,電流為10pA的Ga+離子束可用于切割納米 管。這里，較低聚焦的離子束被用于切割具有固體水凝結(jié)覆蓋層保護(hù)的 納米管。—旦納米管被切割，固體凝結(jié)覆蓋層可以被移除。對(duì)于很多實(shí)際 應(yīng)用，可以優(yōu)選通過(guò)使其從固體相轉(zhuǎn)化回蒸汽相以去除覆蓋層。這種汽 化可最小化殘?jiān)诩{米管上的形成和可能對(duì)納米管造成的損傷。在一個(gè) 實(shí)例的方法中冰凝結(jié)覆蓋層是通過(guò)升高納米管的溫度達(dá)到足以在感興趣 的壓力下升華的溫度而實(shí)現(xiàn)升華。例如在約10"T的壓力下，溫度至 少約為180K下可使冰凝結(jié)層升華。發(fā)現(xiàn)這可以導(dǎo)致水凝結(jié)層變成汽相 完全被去除，基本上無(wú)殘?jiān)驅(qū)σ讖澢蛞资軗p的納米管無(wú)害。如前面 所解釋可以用任何合適的方式去除凝結(jié)覆蓋層，包括濕態(tài)化學(xué)法和等離
子或其它蒸汽方法。伴隨去除這一步驟，制造了選定長(zhǎng)度的納米管?？筛鶕?jù)需要采用所描述的各種制造方法來(lái)生產(chǎn)選擇的分子裝置設(shè) 置。下面的實(shí)施例演示了生產(chǎn) 一 系列裝置設(shè)置的制造技術(shù)。
實(shí)施例I參見(jiàn)圖8A-8B,依據(jù)本發(fā)明在第一個(gè)生產(chǎn)電子分子分析裝置的實(shí) 施例的制造程序中，用常規(guī)方式提供了支撐結(jié)構(gòu)200，如約為200納 米厚的氮化硅膜，如同美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布說(shuō)明書(shū)US2005/0006224, Golovchenko等，"Pulsed Ion Beam Control of Solid State Features (固態(tài)特 征的脈沖離子束控制)"所授。如從上向下的平面視圖的圖8A所示，提 供了膜，膜上具有通過(guò)電子束蝕刻、離子束磨削、濕法蝕刻、等離子蝕 刻、離子束雕刻等方法或其它適合的方法生成的初始孔205。
在一個(gè)例子中，初始的孔通常為圓形，直徑約在如50nm到 100nm之間。如圖8A的平面視圖和圖8B的側(cè)視圖所示，支撐結(jié)構(gòu)200 具有位于結(jié)構(gòu)上表面的一個(gè)上槽或溝208和位于結(jié)構(gòu)的下表面的一個(gè)下 槽210。上下槽208, 210互相成直角，孔205形成于兩個(gè)槽的交叉點(diǎn)。 如下面所解釋?zhuān)@種方位使納米管探針定位的自動(dòng)排列成為可能。上下槽可以通過(guò)使用聚焦離子束方法或通過(guò)用標(biāo)準(zhǔn)模式掩蔽和
蝕刻法生產(chǎn)。對(duì)于很多實(shí)際應(yīng)用，可以形成寬度小于100nm并且深度約 為支撐結(jié)構(gòu)膜厚度二分之一的槽。用特定方法生產(chǎn)的槽的準(zhǔn)確深度可以 通過(guò)測(cè)試一系列深度逐步增加的槽進(jìn)行確定，例如對(duì)于200nm厚的 膜，深度為50nm、 70nm、 90 nm、 110nm等的槽，用來(lái)校準(zhǔn)一批特定 的氮化硅膜的程序。生成預(yù)期直徑的初始納米管的槽的深度，例如大約 在50nm到100nm之間，通常能夠以開(kāi)回路模式使用以進(jìn)行隨后的制 造。完成這種支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)置后，在上槽208中提供納米管212,穿 過(guò)孔205。納米管212可以通過(guò)在孔處原位合成納米管或者在孔處安置 一個(gè)自由納米管使納米管212被安置在槽中孔的位置?？梢园凑涨懊婷?述的方式來(lái)進(jìn)行納米管的原位合成，例如，在上槽內(nèi)用催化劑沉積并成 型，然后合成CVD納米管?；蛘撸诜撬芤褐刑峁┑念A(yù)先合成的納 米管可被分配到支撐結(jié)構(gòu)的表面上，然后選定的納米管被機(jī)械轉(zhuǎn)運(yùn)到槽 中。
預(yù)先指定的位置。在一項(xiàng)這種運(yùn)動(dòng)和定位的技術(shù)中，采用AFM的尖端 使納米管滾動(dòng)穿過(guò)表面，向下進(jìn)入槽到達(dá)孔的位置。為了清楚起見(jiàn)，圖 8不是按比例顯示。納米管的直徑比槽的深度和寬度明顯小很多倍。另 外，表面吸引作用，如范德華力，使納米管傾向于留在表面上的位置。 結(jié)果表明，納米管可被AFM尖端很好的控制并滾動(dòng)穿過(guò)表面掉下槽壁 進(jìn)入孔位置的所期望位點(diǎn)。如前所述，選擇的納米管可通過(guò)合成前形成的接觸墊電接觸， 或者隨后通過(guò)形成，例如按次序用常規(guī)方法，如像Javey, A.,等Nature 424: 654 (2003) and Javey, A.等Nano Letters 4:447 (2004)中 一樣與更大的 與芯片外(off-chip)電路連接的金接觸墊連接的鈀接觸墊電接觸。在這種 方法中，鈀通過(guò)遮蔽氣化到納米管上接近孔周邊的所需位置上。參見(jiàn)圖8C-8D,在下一處理步驟中，選擇的涂層沉積在納米管-
支撐結(jié)構(gòu)組件上。尤其適合的沉積技術(shù)是前面描述的原子層沉積法
(ALD)。 ALD法尤其適合是因?yàn)椴?枓的沉積嚴(yán)格依賴(lài)于氣相分子與羥基
或?qū)⒁练e涂料的材料表面上可"t秦觸的其它功能性基團(tuán)之間的化學(xué)作 用。缺少這種功能性基團(tuán)，則氣相分子不會(huì)發(fā)生沉積。合成的碳納米管 通常沒(méi)有提供必需的使氣相原料沉積的羥基或其它功能性基團(tuán)的功能性
表面。這樣，如果絕緣材料，如氧化鋁或二氧化鉿通過(guò)ALD沉積在一 個(gè)包含硅、氮化硅和納米管的裝置i殳置上，氧化鋁或二氧化鉿將會(huì)在所 有這些結(jié)構(gòu)的表面上通過(guò)化學(xué)反應(yīng)均勻的生成，包括新形成的氧化鋁或 二氧化鉿表面，但是不會(huì)從表面上沒(méi)有功能性基團(tuán)如羥基的納米管表面 上生長(zhǎng)。這種情況可用來(lái)實(shí)現(xiàn)這種材料在支撐結(jié)構(gòu)上的定點(diǎn)沉積，但是 不能直接在沒(méi)有支撐的納米管上，或上方(on, from, or over)進(jìn)行，例 如不能在懸浮在孔上方的納米管的上面或上方區(qū)域進(jìn)行。即使在納未 管上沒(méi)有材料沉積發(fā)生，也可以采用下面的制造順序。在一個(gè)這樣方案中，用前面所述的方式進(jìn)行選定數(shù)量的ALD循 環(huán)，在支撐結(jié)構(gòu)200所有的表面上包括孔壁及槽210沉積材料。選定材 料的沉積延伸并可覆蓋支撐有或接近于任何氮化硅或新生成的ALD材 料的納米管區(qū)域，但是這種沉積不會(huì)自行從納未管表面生成。當(dāng)材料沉 積繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，沉積材料在孔上的堆積減小了孔的范圍。相應(yīng)地，沉積 處理繼續(xù)進(jìn)行直到達(dá)到選定的最終納米孔直徑，例如約在2nm到 10nm的直徑。由于ALD方法非常精確的特性，對(duì)于特定的支撐結(jié)構(gòu)及 納米管布置和尺寸，每個(gè)ALD循環(huán)生成的材料的厚度可被精確的鑒 定，并可精確調(diào)控獲得選定的最終納米孔直徑，并使納米管上表面被覆 蓋。例如初始的孔為50nm， 220個(gè)ALD循環(huán)，每循環(huán)增加一層1埃 的厚度，最終產(chǎn)生直徑為6納米的孔?！┩ㄟ^(guò)ALD方法獲得最終納米孔的直徑，在納米孔周邊上進(jìn) 行納米管探針的設(shè)置。參見(jiàn)圖8E-8F,此設(shè)置是通過(guò)切開(kāi)暴露安置的橫 穿最終納米孔的納米管產(chǎn)生兩個(gè)鄰接在納米孔周邊上的納米管末端 216、 218而獲得的。在一個(gè)切割納米管技術(shù)的實(shí)例中，能量束220,例
如高能電子束或優(yōu)選的粒子束直接從支撐結(jié)構(gòu)的底部或頂部穿過(guò)納米 孔。能量束從納米孔移除暴露的未受保護(hù)的納米管，同時(shí)氧化鋁或其它
ALD覆蓋層保護(hù)ALD覆蓋的納米管和支撐結(jié)構(gòu)的區(qū)域不受能量束的破 壞。這樣納米孔作為蝕刻的遮蔽物，暴露出有待從穿過(guò)納米孔被移除的 棵露的納米管，同時(shí)剩下的結(jié)構(gòu)被在最終的納米孔直徑內(nèi)缺失的ALD 覆蓋層所保護(hù)。 一旦棵露的納米管被從納米孔移除，如圖1A所示的功 能性分子鑒定裝置就制成了 ，其具有鄰接在納米孔周邊上的納米管探針 末端。
實(shí)施例II參見(jiàn)圖9A-9C，在另一個(gè)制造電子分子分析裝置的制造程序 中，按照實(shí)施例I的方式提供具有孔205的支撐結(jié)構(gòu)200如氮化硅膜。 如實(shí)施例I,分別在支撐結(jié)構(gòu)表面的頂部和底部提供相互成直角的槽 208、 210，孔位于槽的交叉點(diǎn)。這種設(shè)置到位后，按照實(shí)施例I的方式在下槽225(210)中設(shè)置納 米管225。圖9A顯示了結(jié)構(gòu)的上平面，顯示納米管穿過(guò)孔，同時(shí)9C描
述了結(jié)構(gòu)的底部平面圖，顯示在下槽中的納米管穿過(guò)孔。如圖9B的末端視圖所示，在下一加工步驟中，在制作程序末 期，使能量束226,如離子束從膜的上面以一個(gè)選定的角度穿過(guò)孔，在 一個(gè)位點(diǎn)上切割納米管，使其鄰接最終的納米孔周邊，例如以64度 的角度，尤其是為了顯示的特定的幾何外形。對(duì)于特定的幾何外形，需 要確定相應(yīng)的角度。此有角度的能量束沖擊并移除在能量束的路徑上的 孔中納米管部分。制成的結(jié)構(gòu)如圖9D-F所示。納米管225在孔中的部 分228由于其不在離子束的路徑上而保留下來(lái)并伸入到納米孔中。參見(jiàn)圖9G-I, 在下一個(gè)加工步驟中，在上槽208中提供笫二納 米管230，使其偏離中心延伸穿過(guò)孔。第二納米管230可以在槽的位置 原位合成，或如果需要可用機(jī)械安置在槽中偏離中心穿過(guò)孔，如前實(shí)施 例I。在任一個(gè)例子中，如果需要，第二納米管230不是安置在孔的中心而是如圖9G-I所示槽的位置，從而使它的側(cè)面會(huì)正好鄰接在最終納米 孔周邊上。第二納米管安置好后，然后如圖9J-L所示，選定的材料沉積在 支撐結(jié)構(gòu)上，例如按前面所述的方式通過(guò)ALD法。如實(shí)施例I,材料沉 積在所有的表面上，除了無(wú)支撐的納米管外都形成一層232,產(chǎn)生如圖 9J所示的結(jié)構(gòu)。如圖9K所示，當(dāng)材料沉積時(shí)，孔的直徑因?yàn)槌练e材料而減小。 沉積材料的形成也逐漸覆蓋第一納米管225的伸出部分228和第二納米 管230的上表面。材料沉積繼續(xù)進(jìn)行直到達(dá)到選定的納米孔直徑，伸出 的納米管部分228和第二納米管230的邊緣定位于最終納未孔周邊上。 為了實(shí)現(xiàn)這種情況，調(diào)整選擇的沉積方法如ALD使其特別適用于指定 的支撐和納米管排列，，以保證在沉積過(guò)程中的某一點(diǎn)獲得所需的納米 孔直徑，在這一點(diǎn)上突出的納米管部分228和第二納米管230除了剛好 在納米孔周邊上的區(qū)域，其余都被材料覆蓋如圖9L所示。沉積完成后， 一個(gè)全功能的具有圖2A-2C布置的分子鑒定裝置就 制成了。參見(jiàn)圖91，與突出的納未管部分228相對(duì)的第一納米管225的 部分234沒(méi)有電連接，沒(méi)有形成圖2B所示的電路28、 52的部分。突出 的納米管部分228和第二納米管230形成兩個(gè)納米管探針， 一個(gè)末端定 向， 一個(gè)側(cè)面定向，分別連在兩個(gè)電路中以控制和分析移位穿過(guò)納米孔 的DNA。
實(shí)施例III實(shí)施例II的制作程序可被擴(kuò)展用來(lái)制作前面描述的圖3A-C和圖 4A的分子分析裝置。參見(jiàn)圖IOA-C，在此擴(kuò)展的方法中，在具有在底 部槽210與上部槽208交叉點(diǎn)上的孔205的支撐膜200的底部槽210中 提供納米管225，如圖9A-C。像實(shí)施例II和圖9B—樣，采用能量束來(lái) 移除納米管225的一部分，導(dǎo)致在孔中突出的納米管228，如圖10A-C。如果需要，然后在支撐結(jié)構(gòu)上槽208中孔的邊界上安置第二納米管230，如圖9G-I和IOD-F。參見(jiàn)圖IOG-I，第三納米管234安置在支撐結(jié)構(gòu)200的上表面 上，與在上槽208中的和孔周邊位置上的第二納米管230成直角。第三 納米管234可在原位合成或人工安置在選定的位置，都如前所述。在最后的加工步驟中，參見(jiàn)圖IOJ-L，選擇的材料通過(guò)ALD等方 法以上述方式沉積在支撐結(jié)構(gòu)上。沉積材料在支撐結(jié)構(gòu)和上槽的上表面 成一層236，但不在第二納米管230上發(fā)生，如圖9J所示。第三納米管 234在孔的區(qū)域保持未覆蓋，歸因于未功能化的納米管表面和在孔內(nèi)第
三納米管周?chē)鄙倌げ牧稀Ｒ虼?，第三納米管在孔周邊上保持暴露。沉積材料層232也覆蓋支撐結(jié)構(gòu)的底面，如圖10L所示。如圖 IOK所示，當(dāng)材料沉積進(jìn)行時(shí)，孔的直徑因?yàn)槌练e材料而減小。沉積材 料的形成也逐漸覆蓋第一納米管225的伸出部分228和第二納米管230 的上表面。材料沉積繼續(xù)進(jìn)行直到達(dá)到選定的納米孔直徑，伸出的納米 管部分228和第二納米管230的邊緣定位在最終納米孔周邊上。為了實(shí) 現(xiàn)這種情況，調(diào)整選擇的沉積方法如ALD使其特別適用于指定的支撐 和納米管布置，以保證在沉積過(guò)程中的某一點(diǎn)獲得所需的納米孔直徑， 在這一點(diǎn)上突出的納米管部分228和第二納米管230除了剛好在納米孔 周邊上的區(qū)域，其余都被材料覆蓋，如圖10L所示。沉積完成后，提供具有側(cè)面定向移位控制納米管234， 一個(gè)末端 定向的納米管探針228及一個(gè)側(cè)面定向的納米管探針230的納米孔。此 實(shí)例的制造程序產(chǎn)生一個(gè)與側(cè)面定向納米管探針230成直角的移位控制 納米管234。在圖4A顯示的裝置的排列中，移位控制納米管65與側(cè)面 定向納米管探針50平行。依據(jù)本發(fā)明兩種排列都可采用，此實(shí)施例說(shuō) 明可以通過(guò)選擇的制造程序獲得一 系列設(shè)置。如果需要采用兩個(gè)末端定向的納米管探針和一個(gè)移位控制納米 管，如圖3A-3C的布置，則可組合實(shí)施例I和III的制造程序。在圖8C-8F的沉積和移除納米管步驟前，可以在支撐結(jié)構(gòu)的上表面提供圖10G-I 的第三納米管234;然后可以進(jìn)行沉積和蝕刻步驟以產(chǎn)生圖3A－3C的結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例IV依據(jù)本發(fā)明在另 一個(gè)用來(lái)制造分子分析裝置的制造程序中，提供 一個(gè)末端定向的納米管探針和一個(gè)沿納米孔長(zhǎng)度方向安置的側(cè)面定向的 納米管探針，如圖4B中的布置。參見(jiàn)圖IIA-B，在制造程序的第一 步，提供相對(duì)較厚的支撐結(jié)構(gòu)，如厚的氮化硅膜。例如，可以采用厚 度約為如800nm的氮化物膜。用前面所述的方式在膜內(nèi)提供一系列的 孔。圖IIA是其中提供兩個(gè)孔242、 244的較厚的膜240從上向下的平 面示意圖。圖l]B是圖IIA的膜結(jié)構(gòu)的側(cè)端視圖。在下一步加工步驟中，如圖IIC-D所示，采用能量束246,如離 子束，或標(biāo)準(zhǔn)石印方法移除膜上例如約三分之一的膜材料，使得與原來(lái) 膜的表面成直角的新的膜表面橫穿原來(lái)膜的孔徑。然后在膜的底部重復(fù) 這個(gè)程序來(lái)移除例如約三分之一的膜的材料，再次生成一個(gè)與原來(lái)膜的 表面成直角的新的膜表面，其橫穿原來(lái)膜的孔徑。結(jié)果，原來(lái)膜的一部 分現(xiàn)在就只有原來(lái)厚度的三分之一 而原來(lái)膜的其它部分還保持原來(lái)的厚 度。因?yàn)閺捻敳亢偷撞康谋砻娉サ哪さ牟糠值倪吘壯由齑┻^(guò)原來(lái)的孔 徑，縱向的槽248、 250沿著新產(chǎn)生的與原來(lái)膜表面成直角的膜的長(zhǎng)度 方向暴露。這些槽延伸作為孔穿過(guò)剩余膜的厚度，剩余膜的表面與原來(lái) 膜的表面平行。在下一處理步驟中，參見(jiàn)圖11E-F, 按照前面描述的方式在膜結(jié) 構(gòu)上原位合成納米管。催化劑材料在槽的附近和內(nèi)部鄰近孔的幾個(gè)位置 沉積并成型，其沉積和成型的地點(diǎn)在一個(gè)新生成的成直角的膜的表面和 其表面與原來(lái)的膜表面平行的剩余膜上。然后在膜結(jié)構(gòu)上合成納米管。 圖11E-F描述了若干在膜支持結(jié)構(gòu)上合成的納米管，如252、 254、 256、 258。假設(shè)在膜結(jié)構(gòu)上提供若千納米管，認(rèn)為至少有一個(gè)合成的納 米管預(yù)期沿著槽生成并穿過(guò)孔貫穿其表面與原來(lái)膜表面平行的剩余膜的 厚度膜，如圖UE中膜上孔242中的納米管256。確認(rèn)穿過(guò)孔242的納米管256被合成后，在如圖IIG-H所示下一 步加工步驟中，人工安置與孔242相對(duì)的選擇的第二納米管260,使得 第二納米管260的末端262恰好伸入孔242?；蛘?，可安置第二納米管 使得納米管長(zhǎng)的一側(cè)偏離中心穿過(guò)孔，如前實(shí)施例I。在這種情況下， 笫二納米管沒(méi)有安置在孔的中心而是在膜的表面上的一個(gè)位置，這樣它 的側(cè)面會(huì)剛好鄰接在最終納米孔周邊上，如實(shí)施例II中側(cè)面接觸的納米 管所示。參看圖Ill-J，在下一加工步驟中， 一層材料265被沉積，如通 過(guò)ALD,以覆蓋所有暴露的膜結(jié)構(gòu)并減小孔到最終所預(yù)期的直徑大小， 如約在2納米到1 Onm之間的納米孔。因?yàn)楹茈y人工安置納米管260的末端使它的末端精確的鄰接最終 納米孔周邊，所以可能優(yōu)選一開(kāi)始就安置第二納米管260使得其末端恰 好伸入并穿過(guò)孔242的直徑。因?yàn)橥怀龅募{米管末端262仍保持未受 ALD新沉積材料保護(hù)的狀態(tài)，所以當(dāng)最終納米孔的直徑通過(guò)ALD產(chǎn)生
任何其它能量束移除。如在實(shí)施例I中，能量束從納米孔移除暴露的未 受保護(hù)的納米管材料，而氧化鋁或其它ALD覆蓋層保護(hù)ALD覆蓋的納 米管和支持結(jié)構(gòu)區(qū)域不受能量束破壞。同樣參看圖11M,顯示膜結(jié)構(gòu)左側(cè)端視圖，可在圖11I-11L所示 的材料沉積前，優(yōu)選在納米孔242中垂直的納米管256的末端提供金屬 接觸墊。這種金屬接觸區(qū)域保護(hù)垂直的納米管256的末端不被沉積材料 覆蓋同時(shí)也使金屬連接到位。完成原料沉積后，就制成了如圖4B所示 的分子鑒定裝置，具有第一垂直定向沿長(zhǎng)度方向穿過(guò)納米孔的納米管探 針和第二末端導(dǎo)向的納米管探針。這些制作的實(shí)施例演示了很廣泛的加工方法，可用來(lái)生產(chǎn)許多備 擇分子鑒定裝置設(shè)置。本發(fā)明并不要求一個(gè)特定的制作過(guò)程，但是任何 適合制作所預(yù)期的分子鑒定裝置設(shè)置的生產(chǎn)過(guò)程都可以采用。通過(guò)討論，顯示本發(fā)明的基于納米孔的分子鑒定儀器可用在一定范圍的分子鑒定的實(shí)際應(yīng)用中。本分子鑒定裝置可滿足$1，000/哺乳動(dòng)物基因組的分析要求，因?yàn)閮x器可基于它們的獨(dú)特物理和電學(xué)特征，直接將DNA堿基序列轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；也因?yàn)閮x器使單分子分析技術(shù)成為可 能，這可獲得大約7.7倍的測(cè)序覆蓋率，或者在Q20 bases里大約6.5倍 的覆蓋率，在從〈1(^的靶基因組中取樣DNA。這約對(duì)應(yīng)于2納克人類(lèi)基 因組原料，可直接獲得而不需要用標(biāo)準(zhǔn)取樣方法擴(kuò)增。如果在堿基測(cè)序 中，當(dāng)堿基以104石成基/秒的速度通過(guò)納米孔時(shí)，每個(gè)DNA核苷堿基都 被確認(rèn)，那么具有一組100個(gè)納米孔的儀器可在大約20個(gè)小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生 一個(gè)哺乳動(dòng)物基因組的高品質(zhì)的測(cè)序草圖。于是，納米孔設(shè)置賦予的高通量和空間限制與納米管探針設(shè)置賦 予的直接的電子分析、分子定向控制和分子移位速度控制相結(jié)合，提供 了高帶寬的分子鑒定方法，獲得了快速、可靠、廉價(jià)的生物和醫(yī)藥領(lǐng)域 實(shí)際應(yīng)用都廣泛需要的分子分析和鑒定。應(yīng)當(dāng)認(rèn)為本領(lǐng)域技術(shù)人員能對(duì) 前面所述的實(shí)施方案進(jìn)行各種各樣的修改和添加，但沒(méi)有偏離本發(fā)明對(duì) 現(xiàn)有技術(shù)所作貢獻(xiàn)的精神和范圍。因此，可以理解這里尋求獲得的保護(hù) 應(yīng)該認(rèn)為延伸到主題權(quán)利要求書(shū)和所有在本發(fā)明范圍內(nèi)的同等物。
權(quán)利要求
1.一種分子鑒定裝置，包含第一貯液池，盛有包含待鑒定分子的溶液；第二貯液池，盛有包含已鑒定分子的溶液；固體支撐結(jié)構(gòu)，包括有孔，所述孔具有提供與第一貯液池液體連接的分子入口和提供與第二貯液池液體連接的分子出口；第一和第二電子轉(zhuǎn)運(yùn)探針，至少一個(gè)探針含有富勒烯結(jié)構(gòu)，每個(gè)探針都安置在支撐結(jié)構(gòu)上并且具有鄰接孔周邊的表面；連接在探針間，跨越孔施加偏壓的電壓源；和連接在探針間的電流監(jiān)控器，用以監(jiān)控與分子移位穿過(guò)孔相對(duì)應(yīng)的探針間電子轉(zhuǎn)運(yùn)的變化。
2. 權(quán)利要求1的分子鑒定裝置，其中待鑒定的分子包含生物分子。
3. 權(quán)利要求1的分子鑒定裝置，其中的分子包含聚合物分子。
4. 權(quán)利要求1的分子鑒定裝置，其中的分子包含生物聚合物分子。
5. 權(quán)利要求4的分子鑒定裝置，其中的分子選自蛋白質(zhì)、多核酸、 DNA和RNA。
6. 權(quán)利要求1的分子鑒定裝置，其中待鑒定的分子包含與碳納米管 偶合的分子。
7. 權(quán)利要求6的分子鑒定裝置，其中與碳納米管偶合的分子包含至 少一條與碳納米管偶合的DNA鏈。
8. 權(quán)利要求6的分子鑒定裝置，其中與碳納米管偶合的分子包含至 少一條與碳納米管偶合的RNA鏈。
9. 權(quán)利要求6的分子鑒定裝置，其中與分子偶合的碳納米管連接在 懸臂致動(dòng)尖端用于使納米管移位穿過(guò)孔。
10. 權(quán)利要求1的分子鑒定裝置，其中第一和第二電子轉(zhuǎn)運(yùn)探針中 的每個(gè)都含有富勒烯結(jié)構(gòu)。
11. 權(quán)利要求10的分子鑒定裝置，其中的富勒烯結(jié)構(gòu)包含碳納米
12. 權(quán)利要求11的分子鑒定裝置，其中的碳納米管包含半導(dǎo)體納米管。
13. 權(quán)利要求11的分子鑒定裝置，其中的碳納米管包含金屬納米管。
14. 權(quán)利要求11的分子鑒定裝置，其中的碳納米管包含單壁納米管。
15. 權(quán)利要求11的分子鑒定裝置，其中至少一個(gè)碳納米管電子轉(zhuǎn)運(yùn) 探針用鄰接孔周邊的納米管末端定向。
16. 權(quán)利要求15的分子鑒定裝置，其中每個(gè)碳納米管電子轉(zhuǎn)運(yùn)探針 都用鄰接孔周邊的納米管末端定向。
17. 權(quán)利要求11的分子鑒定裝置，其中至少一個(gè)碳納米管電子轉(zhuǎn)運(yùn) 探針用鄰接孔周邊的納米管側(cè)面定向。
18. 權(quán)利要求17的分子鑒定裝置，其中一個(gè)碳納米管電子轉(zhuǎn)運(yùn)探針 用鄰接孔周邊的納米管末端定向，另 一個(gè)碳納米管電子轉(zhuǎn)運(yùn)探針用鄰接 孔周邊的納米管側(cè)面定向。
19. 權(quán)利要求11的分子鑒定裝置，其中一個(gè)碳納米管電子轉(zhuǎn)運(yùn)探針第二納米管末端在分子出口處定向。
20. 權(quán)利要求11的分子鑒定裝置，其中至少一個(gè)碳納米管電子轉(zhuǎn)運(yùn) 探針用鄰接孔周邊的納米管表面定向，當(dāng)分子移位穿過(guò)孔時(shí)可與該納米 管表面偶合。
21. 權(quán)利要求20的分子鑒定裝置，其中分子包含移位穿過(guò)孔時(shí)可與納米管表面偶合的核苷》咸基。
22. 權(quán)利要求11的分子鑒定裝置，進(jìn)一步包含安置在支撐結(jié)構(gòu)上的 控制分子移位速度的納米管，并且在分子入口處具有可被分子偶合的鄰 接孔周邊的表面。
23. 權(quán)利要求1的分子鑒定裝置，其中孔包含延伸穿過(guò)支撐結(jié)構(gòu)厚 度的，直徑小到一次只允許單個(gè)分子移位穿過(guò)的^L孔。
24. 權(quán)利要求23的分子鑒定裝置，其中微孔包含直徑小于約100nm 的納米孔。
25. 權(quán)利要求24的分子鑒定裝置，其中納米孔直徑小于約50nm。
26. 權(quán)利要求25的分子鑒定裝置，其中納米孔直徑小于約20nm。
27. 權(quán)利要求26的分子鑒定裝置，其中納米孔直徑小于約10nm。
28. 權(quán)利要求1的分子鑒定裝置，其中孔用電子絕緣材料層包被。
29. 權(quán)利要求1的分子鑒定裝置，其中電子轉(zhuǎn)運(yùn)探針用電子絕緣材 料層包被，但其鄰接孔周邊的地方除外。
30. 權(quán)利要求1的分子鑒定裝置，其中支撐結(jié)構(gòu)包含其中提供有孔 的電子絕緣膜。
31. 權(quán)利要求30的分子鑒定裝置，其中膜包含氮化硅膜。
32. 權(quán)利要求1的分子鑒定裝置，其中連接在探針間的電流監(jiān)控器 被配置成能夠用來(lái)監(jiān)測(cè)探針間與分子穿過(guò)孔的移位相對(duì)應(yīng)的電子隧穿的 調(diào)制。
33. —種分子鑒定裝置，包含第一Ui液池，盛有的溶液中含有至少一種與待鑒定的分子-納米管 復(fù)合物中碳納米管偶合的分子；第二貝i液池，盛有的溶液中含有已鑒定的分子-納米管復(fù)合物；固體支撐結(jié)構(gòu)，包括有孔，所述孔具有提供與第一貯液池液體連接 的分子入口和提供與第二貯液池液體連接的分子出口 ；連接在孔上用來(lái)檢測(cè)分子-納米管復(fù)合物移位穿過(guò)孔的電路。
34. 權(quán)利要求33的分子鑒定裝置，其中連接在孔上的電路^L配置成能夠用來(lái)檢測(cè)分子-納米管復(fù)合物移位穿過(guò)孔時(shí)穿過(guò)孔的離子流的阻滯。
35. 權(quán)利要求33的分子鑒定裝置，其中孔包含直徑小到一次只允許單個(gè)分子-納米管復(fù)合物移位穿過(guò)的孩史孔。
36. 權(quán)利要求33的分子鑒定裝置，其中與碳納米管偶合的分子包含 選自蛋白質(zhì)、多核酸、DNA和RNA的聚合生物分子。
37. 權(quán)利要求33的分子鑒定裝置，其中連接在孔上的電路包含第一 和第二電子轉(zhuǎn)運(yùn)探針，每個(gè)探針安置在鄰接孔周邊的支撐結(jié)構(gòu)上；并進(jìn)一步包含連接在探針間，用以施加跨孔偏壓的電壓源；和 連接在探針間的電流監(jiān)測(cè)器，用來(lái)監(jiān)測(cè)與分子-納米管復(fù)合物穿過(guò) 孔的移位相對(duì)應(yīng)的探針間電子轉(zhuǎn)運(yùn)的變化。
38. 權(quán)利要求37的分子鑒定裝置，其中至少其中一個(gè)電子轉(zhuǎn)運(yùn)探針包含富勒烯結(jié)構(gòu)。
39. 權(quán)利要求38的分子鑒定裝置，其中每個(gè)電子轉(zhuǎn)運(yùn)探針都含有碳 納米管。
40. —種用來(lái)鑒定分子的方法，包括使分子移位穿過(guò)支撐結(jié)構(gòu)中的孔，從盛有包含待鑒定分子的溶液的 第一貯液池進(jìn)入盛有包含已鑒定分子的溶液的第二貯液池； 使分子與碳納米管表面偶合；并且監(jiān)控各自鄰接孔周邊的兩個(gè)電子轉(zhuǎn)運(yùn)探針間跨孔的電子轉(zhuǎn)運(yùn)變化， 所述電子轉(zhuǎn)運(yùn)變化與分子穿過(guò)孔的移位相對(duì)應(yīng)。
41. 權(quán)利要求40的方法，其中當(dāng)分子移位穿過(guò)孔時(shí)分子與碳納米管 表面偶合。
42. 權(quán)利要求40的方法，其中與分子偶合的碳納米管表面鄰接孔周邊。
43. 權(quán)利要求40的方法，其中與分子偶合的碳納米管表面在與第一 貝i液池液體連接的孔的分子入口處鄰接孔周邊。
44. 權(quán)利要求40的方法，其中與分子偶合的碳納米管的表面為納米管末端。
45. 權(quán)利要求40的方法，其中與分子偶合的碳納米管的表面為納米 管側(cè)面。
46. 權(quán)利要求40的方法，還包含瞬時(shí)控制相對(duì)于溶液的納米管的偏 壓以控制分子穿過(guò)孔的移位速度。
47. 權(quán)利要求40的方法，其中每個(gè)電子轉(zhuǎn)運(yùn)探針都包含碳納米管。
48. 權(quán)利要求40的方法，其中分子包含DNA核苦堿基，并且DNA 堿基與碳納米管表面的偶合使威基相對(duì)于納米管表面被空間定位。
49. 權(quán)利要求40的方法，其中分子包含RNA核苦堿基，并且RNA 堿基與碳納米管表面的偶合使堿基相對(duì)于納米管表面被空間定位。
50. 權(quán)利要求40的方法，其中分子與碳納米管表面的偶合包括首 先，分子在孔的分子入口處與鄰接孔周邊的第 一碳納米管的表面偶合； 然后，分子與配置成電子轉(zhuǎn)運(yùn)探針的第二碳納米管表面偶合。
51. —種用來(lái)鑒定分子的方法，包含使分子與碳納米管在溶液中偶合形成分子-納米管復(fù)合物； 使偶合的分子-納米管復(fù)合物移位穿過(guò)支撐結(jié)構(gòu)中的孔，從盛有包含待鑒定的分子-納米管復(fù)合物的溶液的第一貯液池進(jìn)入盛有包含已鑒定的分子-納米管復(fù)合物的溶液的第二貯液池；并且 檢測(cè)分子-納米管復(fù)合物穿過(guò)孔的移位。
52. 權(quán)利要求51的方法，其中檢測(cè)分子-納米管復(fù)合物的移位包括 當(dāng)分子-納米管復(fù)合物移位穿過(guò)孔時(shí)對(duì)穿過(guò)孔的離子流阻滯的檢測(cè)。
53. 權(quán)利要求51的方法，其中檢測(cè)分子-納米管復(fù)合物的移位包括 當(dāng)施加跨孔偏壓時(shí)，監(jiān)控安置在支撐結(jié)構(gòu)上的并且各自鄰接孔周邊的兩 個(gè)電子轉(zhuǎn)運(yùn)探針間的電子轉(zhuǎn)運(yùn)變化。
54. 權(quán)利要求51的方法，其中與碳納米管偶合的分子包含選自蛋白 質(zhì)、多核酸、DNA和RNA的聚合生物分子。
55. —種用來(lái)鑒定分子的方法，包含使分子移位穿過(guò)支撐結(jié)構(gòu)中的孔，從盛有包含待鑒定的分子的溶液 的第 一貯液池進(jìn)入盛有包含已鑒定的分子的溶液的第二貯液池； 使分子與碳納米管表面偶合；并且 監(jiān)控與分子移位穿過(guò)孔時(shí)相對(duì)應(yīng)的納米管的電導(dǎo)變化。
全文摘要
提供了盛有包含待鑒定的分子的溶液的第一貯液池和盛有包含已進(jìn)行鑒定分子的溶液的第二貯液池。提供了包括有孔的固體支撐結(jié)構(gòu)，所述孔具有提供與第一貯液池液體連接的分子入口和提供與第二貯液池液體連接的分子出口。第一和第二電子轉(zhuǎn)運(yùn)探針每個(gè)都安置在支撐結(jié)構(gòu)上并且具有鄰接孔周邊的表面。至少一個(gè)探針包含有富勒烯結(jié)構(gòu)，如碳納米管。電壓源連接在兩個(gè)探針間，以提供跨孔偏壓。電流監(jiān)控器連接在兩個(gè)探針間，用以監(jiān)控與分子移位穿過(guò)孔相對(duì)應(yīng)的在探針間的電子轉(zhuǎn)運(yùn)的變化。
文檔編號(hào)G01N15/12GK101203740SQ200680020157
公開(kāi)日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2006年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月6日
發(fā)明者D·布蘭頓, J·戈洛夫琴科 申請(qǐng)人:哈佛大學(xué)校長(zhǎng)及研究員協(xié)會(huì)