專利名稱：集成電荷傳感器的納米流體通道及基于該納米流體通道的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電荷傳感器的納米流體通道(“納米通道”)，所述電荷傳感器可為 納米管、納米線、晶體管或電容。本發(fā)明還涉及用電荷傳感器檢測納米流體通道內(nèi)的生物或 化學(xué)物類的方法。本發(fā)明還涉及利用電荷傳感器檢測納米流體通道局部溶液電勢的方法。 本發(fā)明還涉及測量帶電分子，特別是帶電生物或化學(xué)物類的構(gòu)象、長度、速度或熒光強度的 方法。2.
背景技術(shù)：
2. 1以納米流體通道作為目標(biāo)分子的探測器近年來，已經(jīng)對利用納米技術(shù)制造的，充滿流體的通道(“納米流體通道”或“納 米通道”)和孔結(jié)構(gòu)作為操作和探測單個生物分子的工具進行了研究。尤其是納米通道 和納米裂縫已被用于伸長和觀察熒光標(biāo)記的DNA分子。片段長度分析、限制性位點圖譜 (Riehn，R.，et al.，Restriction mapping in nanofluidic devices. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2005. 102(29) p. 10012-10016)及使用結(jié)合的探針得到目標(biāo)模體(motif)的物理圖譜(Phillips，K. Μ.， et al. ， Application of single molecule technology to rapidly map long DNA and study the conformation of stretched DNA. Nucleic Acids Research,2005. 33(18) p. 5829-5837)都被證明是單分子伸長的結(jié)果。很多研究致力于理解空間局限誘導(dǎo)的伸長的 物理過程。DNA在如此環(huán)境中延伸是因為關(guān)鍵的分子內(nèi)距離尺度，如回轉(zhuǎn)半徑(通常為100 納米級別)和持續(xù)長度(通常為60納米)，與納米通道直徑或納米裂縫深度(IO-IOOnm) 相當(dāng)(Tegenfeldt, J. 0. , et al. , The dynamics of genomic-length DNA molecules in 100—nm channels. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2004. 101(30) :p. 10979-10983)。生物分子的大小和利用納米技術(shù)制 造的操控裝置的長度尺寸相似使得單分子控制成為可能。此外，隨通道尺寸減小，DNA分子 與通道邊界的液體動力學(xué)偶合變得更加顯著。液體動力學(xué)摩擦有助于在分子被探測時保持 穩(wěn)定。這與電探測通過納米孔的DNA分子的技術(shù)相比是一個改進(Healy，K.，B. Schiedt, and A.P. Morrison, Solid-state nanopore technologies for nanopore-based DNA analysis. Nanomedicine，2007. 2(6) :p. 875-897)，在電探測中，熱攪動是限制長度測量分辨率的一個主要因素。2. 2納米管和納米線作為帶電分子傳感器除了對利用納米通道進行單分子操作的改進外，在相關(guān)領(lǐng)域也做了很多工作，比 如使用納米管和納米線探測單分子。半導(dǎo)體納米線可以在溶液中感應(yīng)到附近的帶電分子。人們認為這既可能是通過場 效應(yīng)門控也可能是因為電荷注入而發(fā)生，這兩者都導(dǎo)致納米線電導(dǎo)率的變化。因此，如果帶 電分子足夠接近納米線，通過觀察納米線電導(dǎo)率的變化，它的存在會被觀察到。如果目標(biāo)分 子遠離納米線，溶液中離子可以完全屏蔽掉其電荷，使納米線探測不到。納米管和納米線已被證明可以用于探測生物分子，既使是在單個蛋白質(zhì)結(jié)合和解 離得水平上 (Patolsky, F. ， G. Zheng, and C. Μ. Lieber, Nanowire sensors for medicine and the life sciences. Nanomedicine，2006. 1 (1) :p. 51-65 ；Patolsky, F.，G. F. Zheng， and C.M. Lieber, Nanowire-based biosensors.Analytical Chemistry,2006. 78(13) p. 4260-4269)。納米線和納米管的尺寸通常與目標(biāo)分子相同或者更小的事實決定了納米管 和納米線的靈敏度。因此，單個帶電及結(jié)合的生物分子會導(dǎo)致納米線整個橫截面的載流子 濃度的變化。此外，對于單壁碳納米管(SWCNTs)和DNA，納米管的直徑可以幾乎和DNA堿基 之間距離一樣小(分別為0. 7nm和0. 34nm)，并且比雙鏈分子的寬度還要小Qnm)。溶液中的離子能夠屏蔽電荷的長度稱為離子屏蔽距離。利用納米線進行檢測的主 要挑戰(zhàn)之一，就是控制分子位于等于、或小于納米線的離子屏蔽距離處。在過去，這是通過 表面官能化或其它方法使目標(biāo)分子化學(xué)依附在納米線表面來實現(xiàn)的。如果分子能夠依附在 表面，目標(biāo)分子通常就位于屏蔽距離之內(nèi)，從而可通過電場效應(yīng)導(dǎo)致納米線電導(dǎo)率的改變。 該方法的劣勢包括但不限于以下事實，針對每一目標(biāo)分子，可能需要用一個特定的化合物 來官能化納米線，或者某些納米線的官能化非常困難。2. 3單個DNA分子的探測用熒光觀測在納米通道中伸長的單個DNA分子是現(xiàn)有技術(shù)。使用熒光探測來測 量單個DNA片段的長度是可能的。目前已有的“芯片實驗室”裝置(如，來自US Genomic Corporation)被用于測量DNA片段長度。這些裝置通過一個不同于熒光檢測的方法來實現(xiàn) DNA片段長度的測量。這些設(shè)備中沒有使用納米線，也沒有使用納米級通道，僅使用了微米 級通道。光學(xué)長度測量有幾個物理限制。首先，使用光學(xué)檢測必需采用大型光學(xué)儀器(顯 微鏡、燈或激光器、CCD探測器等)。在標(biāo)準狀態(tài)下，該設(shè)備往往會占據(jù)整個光學(xué)平臺上的空 間，而且很多是不能小型化的，即便是其最先進和最昂貴的型號。這嚴重限制了希望制造便 攜、低成本的“芯片實驗室”的產(chǎn)品設(shè)計者。第二，光學(xué)系統(tǒng)提供的空間分辨率是有限的。由 于光的波屬性和熒光顯微鏡所采用的典型波長，即使采用最好的光學(xué)系統(tǒng)，所能獲得的空 間分辨率依然被限制在200nm左右。DNA分子中有很多值得研究的特征小于200nm。比如， 相鄰堿基對之間的間距為0. 3nm。DNA鏈上的多個雜交探針的位置(數(shù)量由U. S. Genomics 當(dāng)前生產(chǎn)的設(shè)備測定)之間可能只距離幾個納米。因此，業(yè)界需要一種便攜的、低成本的、精確的“芯片實驗室”探測器，其具有能夠 探測單個目標(biāo)分子長度的空間分辨率。還需要一種包括電荷傳感器的探測器，其能夠探測 距離所述電荷傳感器約等于或小于離子屏蔽距離的目標(biāo)分子。業(yè)界還需要一種目標(biāo)分子不化學(xué)依附于其上的傳感器。還需要一種微芯片或者微裝置，用于目標(biāo)分子的無標(biāo)記電子分 析，比如miRNA在單個細胞中的表達，其所有的操作步驟都集成到該芯片上。在第2部分或本申請其他部分中對任何參考文獻的引用或提及，不應(yīng)被視為承認 所引用文獻已成為本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)。
3.

發(fā)明內(nèi)容
提供了一種包括納米流體通道和電荷傳感器的電探測器，其中所述電荷傳感器選自由以下構(gòu)成的組納米線、納米管、晶體管以及電容器，以及所述電荷傳感器的一部分被集成在所述納米流體通道中，從而使所述電荷傳感器 接觸到納米流體通道中的液體。在一個實施方式中，所述電荷傳感器的部分是位于所述納米流體通道之內(nèi)或其表 面上。在另一實施方式中，所述整個電荷傳感器位于所述通道之內(nèi)或其表面上。在另一實施方式中，所述電探測器包括電荷傳感器電極，該電極位于所述通道之 內(nèi)或其表面上。在另一實施方式中，所述的電探測器包括多個納米流體通道。在另一實施方式中，所述納米流體通道的個數(shù)是2-10、10-50、50-100、100-500、 500-1000、或 1000-5000 個。在另一實施方式中，每個所述的電荷傳感器的一部分被集成在所述納米流體通道 中。在另一實施方式中，所述電荷傳感器的個數(shù)是2-10、10-50、50_100、或100-500個。在另一實施方式中，所述納米流體通道的深度與德拜屏蔽距離相近。在另一實施方式中，所述納米流體通道的深度小于德拜屏蔽距離。在另一實施方式中，所述納米流體通道的深度是德拜屏蔽距離的2-10倍。在另一實施方式中，所述納米流體通道的深度是0. Inm到1mm。在另一實施方式中，所述德拜屏蔽距離是0. Inm到lOOOnm。在另一實施方式中，所述德拜屏蔽距離是10nm。在另一實施方式中，所述納米流體通道的寬度是0. Inm到lnm、Inm到5nm、5nm到 10nm、IOnm 至Ij 50nm、50nm 至Ij 100nm、IOOnm 至Ij 500nm、500nm 至Ij 1 μ m、1 μ m 至Ij 5 μ m、或 5 μ m 至Ij 10 μ m。在另一實施方式中，所述納米管是一種ρ型或η型納米管。在另一實施方式中，所述納米線或納米管包含一種半導(dǎo)體材料。在另一實施方式中，所述納米線或納米管包含碳或硅。在另一實施方式中，所述晶體管是場效應(yīng)晶體管(FET)。在另一實施方式中，所述場效應(yīng)晶體管是一層薄膜，該薄膜位于所述納米流體通 道的表面上。在另一實施方式中，所述電探測器包括流體連接到所述納米流體通道的微流體或 宏觀流體結(jié)構(gòu)。
在另一實施方式中，所述微流體或宏觀流體結(jié)構(gòu)是儲液池或通道。在另一實施方式中，所述微流體或宏觀流體結(jié)構(gòu)選自由以下構(gòu)成的組細胞分選 區(qū)域、過濾區(qū)域、分離區(qū)域、核酸放大區(qū)域、反應(yīng)區(qū)域和儲存區(qū)域。在另一實施方式中，一個目標(biāo)分子(例如，在所述納米流體通道中的溶液中或液 體中)與所述電荷傳感器接觸。在另一實施方式中，所述目標(biāo)分子不與電荷傳感器接觸。在另一實施方式中，所述目標(biāo)分子被抑制或限制在靠近電荷傳感器的感應(yīng)范圍。在另一實施方式中，所述目標(biāo)分子是無標(biāo)記或未標(biāo)記的。在另一實施方式中，所述電荷傳感器是可尋址的半導(dǎo)體電荷傳感器，其起到電解 液柵型場效應(yīng)晶體管的作用。在另一實施方式中，所述電荷傳感器是非官能化的。在另一實施方式中，所述電荷傳感器是官能化的。在另一實施方式中，所述電荷傳感器是以選自由以下構(gòu)成的組的分子官能化的 抗體(或其中一部分)和寡核苷酸。在一個具體的實施方式中，所述電荷傳感器以與miRNA結(jié)合的寡核苷酸探針官能 化。在另一實施方式中，所述的電探測器包括一個基片。在另一實施方式中，所述基片是一種半導(dǎo)電的或絕緣的基片。在另一實施方式中，所述基片包含鍺或是鍺基基片。在另一實施方式中，所述基片包含硅(或硅的衍生物)或是硅基基片。在另一實施方式中，所述硅基基片選自由以下構(gòu)成的組硅、硅石(二氧化硅)以 及玻璃(例如，硼硅玻璃)。在另一實施方式中，所述的二氧化硅基片是熔融的。在另一實施方式中，所述基片是電絕緣的或至少包括一電絕緣表層。在另一實施方式中，所述基片是透明的。在另一實施方式中，所述透明基片的厚度適用于對納米流體通道中的目標(biāo)分子利 用期望的顯微鏡物鏡進行光學(xué)觀測。在另一實施方式中，所述電探測器的透明基片的厚度約170nm。在另一實施方式中，除了電探測之外，還對所述納米流體通道中的目標(biāo)分子進行 光學(xué)觀察。在另一實施方式中，通過施加一個恒定源漏偏置電壓，并通過觀察流過電荷傳感 器的電流，觀察電荷傳感器電導(dǎo)率的變化，該恒定源漏偏置電壓由恒定源漏偏置電壓發(fā)生 器(例如，一個電壓源和一個電表)產(chǎn)生。在另一實施方式中，所述電探測器包括恒定源漏偏置電壓發(fā)生器。在另一實施方式中，所述偏置電壓選自由以下構(gòu)成的組交流偏置電壓、周期信號 及非周期信號。在另一實施方式中，所述電探測器包括源極和漏極電極對，其通過電觸點與所述 電荷傳感器連接。在另一實施方式中，所述電探測器包括一絕緣體來隔絕連接至所述電荷傳感器的源極和漏極電極對的電觸點。在另一實施方式中，所述電觸點是鉬。在另一實施方式中，所述絕緣體是氮化硅。在另一實施方式中，所述納米流體通道的尺寸把目標(biāo)分子或粒子限制在電荷傳感 器感應(yīng)范圍內(nèi)。在另一實施方式中，所述電荷傳感器位于所述通道內(nèi)并與被限制的目標(biāo)分子或微 粒足夠接近，以避免明顯的電荷屏蔽。在另一實施方式中，所述電荷傳感器感應(yīng)范圍是所述電荷傳感器直徑加上兩倍離 子屏蔽距離。在另一實施方式中，所述目標(biāo)分子或微粒是帶電的分子或微粒。在另一實施方式中，所述帶電分子或微粒是非締合的或自由的。在另一實施方式中，所述帶電分子或微粒附于另一實體。在另一實施方式中，所述帶電分子或微粒是標(biāo)記的或未標(biāo)記的(無標(biāo)記的)。在另一實施方式中，所述目標(biāo)分子或微粒是生物物類，例如病毒、核酸(例如， DNA、RNA、miRNA)、蛋白質(zhì)、細胞、細胞碎片或細胞器、纖維微粒、金屬微粒、或量子點。在另一實施方式中，所述目標(biāo)分子或粒子被探測、控制和操控。還提供了一種探測目標(biāo)生物或化學(xué)物類，或者與該物類相關(guān)聯(lián)的標(biāo)簽的方法，包 括提供所述電探測器；使所述目標(biāo)物類或者包括所述目標(biāo)物類的實體流過所述電探測器的納米流體通 道；以及使所述電荷感應(yīng)器和所述目標(biāo)物類或其標(biāo)簽接觸，從而產(chǎn)生可探測到的指示所述 目標(biāo)生物或化學(xué)物類的存在的信號。在另一實施方式中，所述物類在溶液中或所述實體是溶液。在另一實施方式中，以電動力驅(qū)動所述物類是通過所述納米流體通道。在另一實施方式中，所述可探測到的信號是電荷傳感器電導(dǎo)率的變化。在另一實施方式中，所述方法包括監(jiān)視所述電荷傳感器的電導(dǎo)率。在另一實施方式中，所述方法包括可視化在所述電荷傳感器附近的所述物類。在一個具體實施方式
中，目標(biāo)分子(或與目標(biāo)分子相關(guān)的標(biāo)簽)與一種疾病或紊 亂(例如，癌癥)相關(guān)，而所述方法可用于診斷這種疾病或紊亂。在另一實施方式中，所述方法用于快速測量核酸(例如，DNA)片段的長度和/或 篩選核酸片段。還提供了一種檢測溶液局部電勢的方法，包括提供所述電探測器；使所述溶液流過所述電探測器的納米流體通道；以及使所述電荷傳感器與所述溶液接觸，從而產(chǎn)生可探測到的溶液局部電勢信號。在一個實施方式中，所述可測定的信號是電荷傳感器電導(dǎo)率的變化。在另一實施方式中，所述方法包括監(jiān)視所述電荷傳感器電導(dǎo)率。還提供了一種測量單個目標(biāo)帶電分子或微粒的構(gòu)象、長度、速度或光學(xué)可探測到的特征、標(biāo)記或標(biāo)簽濃度的方法，包括提供以光學(xué)可探測到的標(biāo)記(或特征、標(biāo)簽或修飾)標(biāo)記的帶電目標(biāo)分子或微粒，一納米裂縫，一納米流體通道，以及通過激光先后聚焦在納米通道上形成的兩個空間上分隔的焦點容積；以電泳驅(qū)動所述帶電分子或微粒通過所述納米裂縫進入所述納米流體通道；輸送所述被拉伸的帶電分子或微粒通過所述兩個空間上分隔的焦點容積，從而產(chǎn) 生時間上相互錯開的第一光學(xué)可探測到的信號和第二光學(xué)可探測到的信號；測量所述第一和第二光學(xué)可探測到的信號中的光子爆發(fā)(或光子計數(shù)信號)；測量所述第一和第二光學(xué)可探測到的信號中的光子爆發(fā)(或光子計數(shù)信號)；利用對所述第一和第二光學(xué)可探測到信號中的光子爆發(fā)(或光子計數(shù)信號)的測 量進行速度或互相關(guān)測量；以及根據(jù)所述速度或互相關(guān)測量計算所述目標(biāo)分子或微粒的構(gòu)象、長度、速度或標(biāo)記 強度。在一個實施方式中，帶電分子或微粒被限制于納米通道中，并被動態(tài)地拉伸至超 過其平衡長度。在另一實施方式中，所述方法包括提供電探測器，其包括納米裂縫和納米流體通道。在另一實施方式中，光學(xué)可探測到的標(biāo)記是熒光標(biāo)記。在另一實施方式中，所述方法包括提供連接到第一光電二極管的第一光纖和連接到第二光電二極管的第二光纖；將所述第一光學(xué)可探測到的信號中的圖像投射到所述第一光纖；將所述第二光學(xué)可探測到的信號中的圖像投射到所述第二光纖；用所述第一光電二極管探測所述第一光學(xué)可探測到的信號中的圖象；用所述第二光電二極管探測所述第二光學(xué)可探測到的信號中的圖象；確定沿納米液流通道軸線的單位通道長度和時間發(fā)射的光子數(shù)；確定每一光纖位置處的最終圖像；及通過測定到達每個光電二極管的光子數(shù)測量每一光學(xué)可探測到的信號。在另一實施方式中，所述方法包括分析所述兩個被測量的光學(xué)可探測到的信號的 互相關(guān)函數(shù)。在另一實施方式中，所述方法包括進行單分子爆發(fā)分析。在另一實施方式中，所述帶電目標(biāo)分子或微粒的構(gòu)象、長度、速度或標(biāo)記強度的計 算包括進行對數(shù)分布的高斯擬合。在另一實施方式中，所述電探測器是“芯片實驗室”裝置，用于隔離，限制和操控目 標(biāo)分子。
4.
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進行描述，其中，相似的標(biāo)號代表相似的元素。需要明確的是，在一些例子中，發(fā)明的不同特征可能被夸張、放大以助理解。

圖1。電探測器的一個實施方式包括集成了電荷傳感器的納米流體通道。電荷傳 感器，如納米線、納米管、晶體管以及電容器，可被集成到納米流體通道中。圖1(左側(cè))是 一個俯視圖，所示灰色方塊為源漏電極對。水平線表示通道側(cè)壁。深黑線為電荷傳感器，在 此實施方式中是碳納米管。圖中彎彎曲曲的線代表一個在納米通道中沿著通道軸線運動的 DNA分子，并很快將位于所述納米管上方。圖1(右上圖)是所述裝置的側(cè)視圖。在這個特 定的實施例中，納米線電荷傳感器位于通道的“地板”上。然而，該裝置可以被倒過來，從而 所述電荷傳感器就位于所述通道的“天花板”了。溶液中漂浮的帶電離子用正負號顯示。圖 1 (右下圖)展示了，出于感應(yīng)的目的，一個需要考慮的參數(shù)是納米通道的總深度與離子屏 蔽距離之間的關(guān)系，離子屏蔽距離即溶液中的帶電分子被溶液中其他離子屏蔽的距離。圖2。把電荷傳感器，比如納米線，集成至納米流體通道的工藝的概述。圖3。為示例性框圖，展示了電探測器的俯視圖和6. 1部分所批露的實驗步驟。圖4。電探測器的側(cè)視圖，其中，納米通道中有一個示例性的伸長的DNA分子。兩 個單壁碳納米管(所示圓形橫切面)垂直于納米流體通道的軸和圖的平面。一個正在穿過 納米通道DNA分子從圖像左側(cè)往右側(cè)移動。帶負電荷的DNA分子(納米通道中部的彎曲的 實線)被一片帶正電荷的離子包圍。詳見6.1部分。圖5A-B。A) —集成了納米管電荷傳感器的納米流體通道的橫截面圖。B) —集成 在電探測器里的P型納米管的能帶圖。詳見6.1部分。圖6A-B。展示碳納米管的電解液柵掃描的設(shè)置和由此對能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響的框 圖。上面(黑色)能帶圖表示非門控的P型納米管。下面(灰色)能帶圖描述了當(dāng)柵電壓 相對源和漏電極更偏向正極時有一個朝耗盡的偏移(箭頭所示)。A)無保護的納米管源漏 電極電觸點。B)納米管源漏電極電觸點通過一些絕緣層與溶液電絕緣。詳見6.1部分。圖7。同時進行光學(xué)和電學(xué)探測的實驗設(shè)置。詳見6. 1部分。圖8A-B。A)在兩個源漏電壓下，源漏電極電流隨電解質(zhì)柵掃描的變化。B)在三個 不同的柵電勢下電流隨源漏電壓的變化。詳見6.1部分。圖9。主圖在多個源漏偏置電壓下，一個集成在電探測器納米流體通道中的納米 管的電流隨電解液柵電壓變化。插圖在IOOmV源漏偏置電壓下，電流和柵極電壓之間關(guān)系 的半對數(shù)線圖。詳見6.1部分。圖10。掩埋電極和暴露電極產(chǎn)生的漏電流的圖。圖示了兩個獨立的裝置的柵和漏 極之間的漏電流。如圖所示，一組數(shù)據(jù)來自一個部分制備完成的電探測器，如圖6A所示，其 中源漏電極是暴露的并與電解液接觸。另一組數(shù)據(jù)來自一個制造完成的電探測器，其中源 漏電極被掩蓋在氮化硅的下面，并與電解質(zhì)溶液分開，如圖5所示。詳見6. 1部分。圖11A-D。一個制造完成的電探測器(即接觸電極被氮化物蓋住)采用四組不同 的源漏電極對時的電流和柵電勢之間關(guān)系的線圖示。詳見6. 1部分。圖12。左圖DNA分子在電探測器的納米流體通道區(qū)域內(nèi)或附近的示例性框圖。 在這個圖中，兩個分子同時在通道內(nèi)。通過施加一個小電壓( IV)，可以緩慢地驅(qū)動這些 分子向上或向下運動。右圖是兩個DNA分子在一個帶有碳納米管電荷傳感器的電探測器 的納米流體通道中的時間追蹤圖。第一個分子在時間t = 0秒時進入通道，第二個分子在 t = 25秒時進入。當(dāng)t = ^秒時，電場方向倒置，致使兩個分子改變他們移動的方向。詳見6. 1部分。圖13。電探測器特定實施方式的框圖。為了方便觀察，每個圖像中所有的特征構(gòu) 造不是完全按照互相之間的比例來畫的。一些尺寸用箭頭和標(biāo)記來指出。左上圖一個完 整的流體網(wǎng)絡(luò)視圖。大圓圈代表六個宏觀的儲液池用于流體和DNA上樣。粗黑線代表流體 通道用于從儲液池向裝置內(nèi)輸送DNA。右上圖3個微通道分支與更大的上樣通道連接的區(qū) 域特寫圖。這相當(dāng)于A中的大長方形。左下圖微通道分支中部的特寫圖。這相應(yīng)于A中 的小長方形。如圖所示，每個微通道分支中存在兩個探測區(qū)域。右下圖探測區(qū)域的特寫 圖。兩個鉬電極(一個源極和一個漏極)分開有1 μ m的空隙。詳見6. 2部分。圖14。6. 2部分描述的制備過程的幾個被選步驟。每一個橫截面視圖都標(biāo)記了它 相對應(yīng)的步驟號和名稱。詳見6. 2部分。圖15。說明選擇性在除去犧牲層中的重要性的示意圖。左列)通道深度僅僅由 犧牲層厚度決定。右列)通道深度由犧牲層厚度加上蝕刻掉的覆蓋材料的厚度確定。詳見 6. 2部分。圖16?；赼-Si/氮化物的通道被用TMAH蝕刻部分除去a_Si之后的圖像。穿露 孔是深色的長方形。淺灰區(qū)域是a-Si犧牲層尚未被蝕刻掉的地方。詳見6. 2部分。圖17?；贑r/氮化物的通道被用Cr_14鉻蝕刻劑部分除去Cr之后的圖像。A-C) 微通道區(qū)域蝕刻之前、25分鐘之后以及3小時之后的圖像。D-F)納米通道區(qū)域蝕刻之前、 25分鐘之后以及3小時之后的特寫圖。詳見6. 2部分。圖18。通道頂壁結(jié)構(gòu)的變形。A)應(yīng)力對變形的影響。B)在均勻的負載下，氮化物 厚度和通道跨度寬度對于變形的影響。詳見6. 2部分。圖19A-C。說明薄膜應(yīng)力、厚度和通道寬度對通道完整性的影響。A) —條40微米 寬的沒有支撐柱的通道。左手邊的顯微照片是一個光學(xué)圖像，其中，強度的變化由腔的高度 的變化造成。右手邊的圖像是同一通道的SEM顯微圖像。左圖上的黑線代表輪廓測定法掃 描的位置。B)在壁和支撐柱之間具有不同空間的通道的單個圖像。C)所展示的三條通道 說明了氮化物厚度對坍塌可能性的影響。詳見6. 2部分。圖20A-D。和Autost印掩模對準器一起使用的各種微(μ ) DFAS標(biāo)記圖案。Α)“實 心長方形”的CAD圖的截圖。微DFAS標(biāo)記為正型。B) “分段線”的CAD圖的截圖，微DFAS 標(biāo)記為正型。C) “實心長方形”的CAD圖的截圖，微DFAS標(biāo)記為負型。D)微DFAS標(biāo)記蝕 刻到熔融二氧化硅晶片中的明視場圖像。詳見6. 2部分。圖21A-D。Α) μ DFAS標(biāo)記圖案1蝕刻到熔融二氧化硅中的暗視場圖像。B) μ DFAS 標(biāo)記圖案1在SPR9550. 9光阻劑下的暗視場圖像。C) μ DFAS標(biāo)記圖案2蝕刻到熔融二氧化 硅中的暗視場圖像。D) μ DFAS標(biāo)記圖案2在SPR9950. 9光阻劑下的暗視場圖像。詳見6. 2 部分。圖22Α-Ι。針對兩種不同厚度的LOR的光阻劑和掀離光阻(LOR)的剖面圖。左列 圖展示厚度為IOOnm的LOR在各階段的剖面圖。Α)以IOOnm厚的LOR和900nm厚的光阻劑 制備獲得熔融二氧化硅晶圓。B)曝光之后，晶圓放入300MIF顯影劑。最初，光阻劑被曝光 的圖案溶解了。C)在顯影過程中，LOR被各向同性地蝕刻，其速度比曝光的光阻劑慢，但是 比未曝光的光阻劑快。D)用電子束蒸鍍沉積一薄層金屬。E)以500nm厚的LOR和900nm 厚的光阻劑制備獲得熔融二氧化硅晶圓。F-I)光阻劑被顯影并且LOR被等向性蝕刻。詳見6. 2部分。圖23。一個包括納米線的電探測器的示意圖。詳見6. 4部分。圖對。(左圖)是一個100毫米直徑的熔融二氧化硅晶圓的照片，其包含27個裝 置，每一裝置由16個用于單分子分析的流體通道的并行陣列構(gòu)成。(中圖)具有納米通道 陣列電探測器的示意圖。(右圖)納米通道陣列(c)的自上而下掃描的電子顯微照片，以及 單一納米通道(d)的放大的圖像。詳見6. 4部分。圖25。電探測器上的微流體網(wǎng)絡(luò)的一個實施方式的示意圖。詳見6. 4部分。圖26。用于細胞操縱、裂解、逆轉(zhuǎn)錄和cDNA毛細管電泳的PDMS微流體通道示意 圖。詳見6. 4部分。圖27A-B。實驗示意圖。(A)熒光標(biāo)記DNA分子被電泳驅(qū)動通過一個納米裂縫進入 一個納米流體通道(DNAl)從而被動態(tài)拉長。以兩束先后聚焦的激光探測該納米通道。被 驅(qū)動通過形成的焦點容積的DNA分子產(chǎn)生兩個在時間上錯開的相似熒光信號(DNA》。這些 信號可以用來確定單分子樣本的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，比如速度、長度、折疊信息和熒光強度，并且在 此處所展示的工作中用來說明DNA在納米流體通道中移動的一些物理學(xué)特性。(B)在50V 的裝置偏壓下，由所述兩個焦點容積產(chǎn)生的兩個光子計數(shù)信號P以及窗口時間(bin time) 為100 μ s的對時間的擬合。該擬合產(chǎn)生DNA表觀長度Ia = 9. 10士0. 05 μ m、速度vs = 1315士3μπιΛ以及折疊長度和表觀長度之比1夕Ia = 22. 3士.4%。詳見6. 5部分。圖觀々』。光學(xué)設(shè)置以及裝置。(A)兩束激光被導(dǎo)向顯微鏡物鏡的后面，并聚焦在 沿單個納米通道長度的不同位置。這兩組熒光信號被收集、分開并聚焦在與雪崩光電二極 管(APDs)耦合的光纖上。(B)鉻蝕刻掩模的光學(xué)顯微照片展示了納米通道裝置的結(jié)構(gòu)。白 色箭頭標(biāo)記陣列中8個納米通道之一的入口。掩模由用光學(xué)光刻技術(shù)為納米裂縫制作的粗 糙層和用電子束光刻技術(shù)為納米通道制作的精細層所構(gòu)成。電子束層被設(shè)計成降低寫時間 和接近曝光效應(yīng)(proximity exposure effects)。(C)展示納米裂縫和納米通道之間的界 面的顯微照片。蝕刻深度為lOOnm，納米通道寬90nm。(D)展示納米通道入口的電子顯微照 片。裝置底部10-20nm的粗糙度是由蝕刻工藝造成的。詳見6. 5部分。圖29A-B。單分子分析。(A)具有最多三個折疊的七個理論分子構(gòu)象被用與描述納 米通道中電動力伸展的DNA分子。從這些構(gòu)象開發(fā)出六個被命名為的分析模型，用 于擬合測量到的熒光爆發(fā)，其中ε模型涵蓋兩種形狀。(B)展示了來自第一焦點容積(信 號1)的熒光爆發(fā)及其擬合。以折疊模型和其下所畫的構(gòu)象解釋熒光爆發(fā)(擬合顯示為紅 色)。爆發(fā)8展示了分子中部的一個罕見的折疊、節(jié)或者重疊片段，其被β模型擬合。最常 觀察到的爆發(fā)形狀是形狀2、4以及5，其它都很罕見。詳見6. 5部分。圖30A-F。λ噬菌體DNA。在一個一分鐘的試驗中，416個來自λ噬菌體DNA樣 本的分子被分析。在裝置偏置電壓U = 50V，平均的分子速度是h =1.33±0.07mm"。(A)表 觀長度Ia的分布。(B)真實長度Ik的分布。(C)示意性的定義具有單環(huán)的分子的表觀長 度Ia、真實長度1κ、自由長度If以及折疊(成環(huán))長度1l。(D)單位分子光子計數(shù)(cnts) 與表觀長度Ia的關(guān)系。(E)單位分子光子計數(shù)(cnts)與真實長度Ik的關(guān)系。通過原點的 線性擬合的斜率為4，430±20CntS/ym。(F)每個分子的光子計數(shù)的分布。(D)和(E)之 間的比較說明折疊解釋了在不同表觀長度上具有相同光子計數(shù)的分子的分布。通過高斯 擬合光子計數(shù)(F)和真實長度分布(C)得到完整的λ噬菌體DNA分子的平均光子計數(shù)為48，000士2，000以及平均真實長度為10. 7士0. 3 μ m。在平均光子計數(shù)和平均真實長度的兩 個標(biāo)準偏差之間的所有分子被認為是完整的λ噬菌體DNA分子(水平和垂直箭頭所示的 區(qū)域)。這占被分析分子的52%，其余分子則是λ噬菌體DNA分子的片段或多聯(lián)體。(Ε插 圖)完整分子自由長度與真實長度的比值1F/1K分布。79%的完整分子的1f/1k>0.5。詳 見6. 5部分。圖31A-B。速度和折疊。(A)展示了 752個λ噬菌體DNA分子的相對于表觀長度 /真實長度比值1Α/1Κ的速度vs的分布。展示了在裝置偏置電壓U = 50V下，后續(xù)三輪一分 鐘的實驗(包括圖30A-F中的實驗)中的完整的λ噬菌體DNA分子。具有增加的折疊和 較小1a/1k&DNA分子具有稍高的速度vs。(B)以上所展示的分子的歸一化的速度分布vs 與折疊數(shù)量之間的關(guān)系。折疊數(shù)量是由所選的用于分析每一分子的分析模型所確定的(見 圖^B)，并且其是通道中的平行鏈數(shù)量的度量。在分子構(gòu)象中有三個折疊的DNA分子具有 較高的速度vs。詳見6. 5部分。圖32A-B。速度、長度和裝置偏壓。展示了 λ噬菌體樣本的DNA分子的速度和長 度與裝置偏壓的關(guān)系。對于每一偏壓進行五輪連續(xù)的實驗，并且分析了互相關(guān)函數(shù)以及單 分子光子爆發(fā)。(A)展示了平均單分子速度K和平均互相關(guān)速度K與裝置偏壓U之間的關(guān) 系。K(U)的線性擬合產(chǎn)生斜率ms = 60.9 士 1.4ym/(Vs)，而I(CZ)的線性擬合產(chǎn)生斜率mc =61.0 士 0.7ym/(Vs)。線圖互相重疊。⑶展示了真實長度Ik的分布與裝置偏壓的關(guān)系。 該長度分布的最大值顯示為黑色，并且對應(yīng)大多數(shù)完整的λ噬菌體DNA分子，隨著裝置偏 壓U的提高，在真實長度Ik中該最大值隨之提高。這一行為不像互相關(guān)曲線產(chǎn)生的平均長 度I (黑點)那么明顯，可能是由于分析忽略了折疊和分裂。不同裝置偏壓U下的分子數(shù) 為1V下為^3，2V下為381，5V下為226，IOV下為144，20V下為270，50V下為417，75V下 為1217，以及100V下為868。詳見6. 5部分。圖33A-F。長度、速度以及尺寸。對包含λ噬菌體DNA及其HindIII酶切的混合 物的樣本的分析。在兩分鐘內(nèi)探測到15，144個分子，平均速度為& =S^iOJmmZh (A)真 實長度Ik的分布。峰值被擬合至9個經(jīng)修改的高斯函數(shù)(紅色)。(B)真實長度Ik與堿基 對數(shù)量的關(guān)系。(C)單位分子光子計數(shù)cnts與堿基對數(shù)量的關(guān)系。(D)單位分子光子計數(shù) cnts對真實長度、的分布。(E)每分子光子計數(shù)的分布。(F)色彩編碼的分子數(shù)量對分子 速度vs和真實長度Ik的強度直方圖(此處展示為灰階圖)。詳見6. 5部分。圖34。計算獲得的方程式7中的分子探測效率(MDE)函數(shù)p(x)(灰)和方程式 S-2中的其經(jīng)修改的S型函數(shù)W(X)(黑)之間的比較。兩條曲線都是在以下假設(shè)下計算獲 得的光纖直徑為50 μ m，物鏡放大倍數(shù)為40倍，愛里斑高斯半徑為σ =140nm，歸一化振 幅為Ptl= lcnts/s。雖然W(x)并不產(chǎn)生p(X)的曲線部分，但與其在兩側(cè)的斜率和平臺期 是一致的。詳見6. 5部分。
5.
具體實施例方式提供了一種電探測器，其包括納米流體通道和集成在該納米流體通道中的電荷傳 感器。其中，電荷傳感器可以是納米線、納米管、晶體管或電容器。還提供了用電荷傳感器 探測在納米流體通道中的帶電物類，比如生物或化學(xué)物類，的方法。還提供了光學(xué)探測位于 納米流體通道內(nèi)的帶電、帶標(biāo)記或帶標(biāo)簽的物類的方法。還提供了制作電探測器的方法。在一個實施方式中，制作方法包括納米制造工藝和微米制造工藝的結(jié)合。在另一實施方式 中，電探測器是一個“芯片實驗室”裝置，可以用來隔離、限制或操控物類，比如目標(biāo)分子或 微粒。下文披露的將納米級電荷感應(yīng)器集成到納米流體通道(“納米通道”)中是在裝置 性能方面的重要進步。它也能使我們生產(chǎn)出更加緊湊、便攜和便宜的產(chǎn)品。發(fā)明詳述被分成如下的多個部分，只是為了清楚披露，而非為了限制。5. 1電探測器提供了一種包括納米流體通道和電荷傳感器的電探測器，其中所述電荷傳感器選自由以下構(gòu)成的組納米線，納米管，晶體管和電容器，以及所述電荷傳感器的一部分被集成在所述納米流體通道中，從而使所述電荷傳感器 接觸到所述納米流體通道中的液體。在一個實施方式中，所述電荷傳感器的部分位于所述納米流體通道的內(nèi)部或表面上。在另一實施方式中，所述整個電荷傳感器位于所述通道的內(nèi)部或表面上。在另一實施方式中，所述電探測器包括電荷傳感器電極，所述電極位于所述通道 的內(nèi)部或表面上。在另一實施方式中，所述電探測器包括多個納米流體通道。在另一實施方式中，所述納米流體通道的個數(shù)是2-10、10-50、50-100、100-500、 500-1000、或 1000-5000 個。
在另-
-實施方式中，所述多個電荷傳感器的每一個的部分都被集成在納米流體通道中。在另一實施方式中，所述電荷傳感器的個數(shù)是2-10、10-50、50_100、或100-500個。在另一實施方式中，所述納米流體通道的深度與德拜屏蔽距離相近。在另一實施方式中，所述納米流體通道的深度小于德拜屏蔽距離。在另一實施方式中，所述納米流體通道的深度是德拜屏蔽距離的2-10倍。另一實施方式中，所述納米流體通道的深度是0. Inm到1mm。在另一實施方式中，所述德拜屏蔽距離是0. Inm到lOOOnm。在另一實施方式中，所述德拜屏蔽距離是lOnm。在另一實施方式中，所述納米流體通道的寬度是0. lnm-lnm、lnm-5nm、5nm-10nm、 10nm_50nm、50nm_100nm、100nm_500nm、500nm_l μ m、1 μ m_5 μπι 或 5μπι-10μπιο具有納米流體通道和納米級電荷傳感器的電探測器可用于隔離、限制或操縱目標(biāo) 物類，例如分子或微粒，從而使這些物類能夠被探測、測量、表征或評估。在一個實施方式中，電荷傳感器(例如，納米管或納米線)包括半導(dǎo)體材料。 所述電荷傳感器可以包括碳、硅、硅和碳或任何業(yè)界已知的其他類型的場效應(yīng)晶體管。在另一實施方式中，晶體管是場效應(yīng)晶體管(FET)。在另一實施方式中，場效應(yīng)晶體管是一層薄膜，該薄膜位于納米流體通道的表面上。
在一個具體實施方式
中，納米管是ρ型或η型納米管。圖1展示了集成了電荷傳感器的納米流體通道的一個實施例。圖1 (左圖)是一 個俯視圖，所示灰色方塊為源漏電極對。水平線為通道側(cè)壁。深黑線為碳納米管，但是任何 能以此種方式連接源極和漏極的納米管或納米線(例如，碳、硅、碳和硅)都適用。彎曲的 線代表一個在通道軸線方向上沿著納米流體通道運動的DNA分子，并很快將位于納米管上 方。任何帶電分子(例如，核酸(例如，DNA, RNA, miRNA)、蛋白質(zhì)、病毒微粒、細胞、細胞成 分、細胞碎片)都能夠被這個電探測器感應(yīng)。圖1(右上圖)是集成了納米線的納米流體通道的側(cè)視圖。在這一特定的實施方 式中，納米線位于通道底部。在其它實施方式中，它可以位于通道頂部或者懸浮在通道中間 (在ζ平面內(nèi))。溶液中漂浮的帶電離子用正負號表示。圖1(右下圖)展示了出于感應(yīng)的目的，有一個參數(shù)需要考慮，那就是納米通道的 總深度與離子屏蔽距離的關(guān)系，離子屏蔽距離即溶液中的帶電分子被溶液中其他離子屏蔽 的距離。在一個具體的實施方式中，納米通道總深度和離子屏蔽距離之間的關(guān)系為大約相 等或為同一數(shù)量級。在一個實施例中，納米流體通道充滿了液體，從而使目標(biāo)分子能流過通 道。如果通道的深度被設(shè)計成大約等于或小于離子屏蔽距離，所有流經(jīng)通道的目標(biāo)分子將 能夠足夠接近納米線傳感器以影響其導(dǎo)電性，從而被探測到。在某些情況下不推薦采用這種方式，比如從含有多種化學(xué)物類的溶液中分離一種 化學(xué)物類，所有的帶電分子都接近納米管并可引發(fā)探測反應(yīng)，不論其具有什么樣的化學(xué)結(jié) 構(gòu)。然而，在某些情況下則推薦采用這種方式。一個比較有利的情形是探測單個DNA分子。 在一個實施方式中，如6. 1部分所述，單個DNA分子被檢測到。在一些實施方式中，包括納米流體通道和集成在納米流體通道內(nèi)的電荷傳感器的 電探測器可被作為“芯片實驗室”裝置使用。在一個實施方式中，電探測器有一個包含在納米級流體通道(納米流體通道)內(nèi) 部，或集成于其上的電荷傳感器，如圖1所示。電探測器使用方式為，用溶液填充納米通道， 當(dāng)調(diào)整溶液電勢或者當(dāng)目標(biāo)分子流過電荷傳感器的附近，監(jiān)測流過電荷傳感器(如納米線 或納米管)的電流。任何目標(biāo)分子物類都可以用電探測器探測。在一個實施方式中，溶液中包含待探 測的目標(biāo)生物或化學(xué)物類。在另一實施方式中，電探測器包括流體連接到納米流體通道的微流體或宏觀流體 結(jié)構(gòu)。在另一實施方式中，微流體或宏觀流體結(jié)構(gòu)是儲液池或通道。在另一實施方式中，微流體或宏觀流體結(jié)構(gòu)選自由以下組成的組細胞分選區(qū)域、 過濾區(qū)域、分離區(qū)域、核酸放大區(qū)域、反應(yīng)區(qū)域和儲存區(qū)域。在另--實施方式中，目標(biāo)分子與電荷傳感器接觸。
在另--實施方式中，目標(biāo)分子不與電荷傳感器接觸。
在另--實施方式中，目標(biāo)分子或粒子位于電荷傳感器附近。
在另--實施方式中，目標(biāo)分子或粒子是無標(biāo)記或未標(biāo)記的。
在另--實施方式中，電荷傳感器是可尋址的半導(dǎo)體電荷傳感器，其起到電解質(zhì)柵型場效應(yīng)晶體1f的作用。
在另一實施方式中，電荷傳感器是非官能化的。在另一實施方式中，電荷傳感器是官能化的。在另一實施方式中，電荷傳感器是以選自由以下構(gòu)成的組的分子官能化的抗體 (或其中一部分)以及寡核苷酸。在另一實施方式中，電探測器包括一個基片。在另一實施方式中，基片是半導(dǎo)體或絕緣體基片。在另一實施方式中，基片是鍺基片或含有鍺。在另一實施方式中，基片是硅基片，硅基基片，含有硅(或硅的衍生物)。在另一實施方式中，硅基基片選自由硅、硅石(二氧化硅)和玻璃(例如，硼硅玻 璃)構(gòu)成的組。在另一實施方式中，二氧化硅基片是熔融的。 在另一實施方式中，基片是電絕緣的或至少包括一層電絕緣表層。在另一實施方式中，基片是透明的。在另一實施方式中，透明基片的厚度適于對納米流體通道中的目標(biāo)分子或粒子利 用顯微鏡物鏡進行光學(xué)觀測。在另一實施方式中，電探測器的透明基片的厚度約170nm。在另一實施方式中，除了電探測之外，還對納米流體通道中的目標(biāo)分子進行光學(xué) 觀察。在另一實施方式中，電探測器包括恒定源漏偏置電壓發(fā)生器(比如，電壓源和電 表)，其中，利用恒定源漏偏置電壓發(fā)生器產(chǎn)生恒定源偏置電壓，并監(jiān)測流過電荷傳感器的 電流，以觀察電荷傳感器電導(dǎo)率的變化。在另一實施方式中，偏置電壓選自由以下構(gòu)成的組交流偏置電壓、周期信號及非 周期信號。在另一實施方式中，電探測器包括通過電接點與電荷傳感器電連接的源極和漏極 電極對。在另一實施方式中，電探測器包括絕緣體來隔絕連接至電荷傳感器的源極和漏極 電極對的電觸點。在另一實施方式中，電觸點是鉬。在另一實施方式中，絕緣體是氮化硅。在另一實施方式中，納米流體通道的尺寸把目標(biāo)分子或微粒限制在電荷傳感器的 感應(yīng)范圍內(nèi)。在另一實施方式中，電荷傳感器位于通道內(nèi)并與被限制的目標(biāo)分子或微粒足夠接 近以避免明顯的電荷屏蔽。在另一實施方式中，感應(yīng)范圍是電荷傳感器直徑加上兩倍離子屏蔽距離。在另一實施方式中，目標(biāo)分子或微粒是帶電的分子或微粒。在另一實施方式中，目標(biāo)分子或微粒是非締合的或自由的。在另一實施方式中，目標(biāo)分子或微粒附于另一實體。在另一實施方式中，目標(biāo)分子或微粒是標(biāo)記的或未標(biāo)記的(無標(biāo)記的)。在另一實施方式中，目標(biāo)分子或微粒是生物物類，比如病毒、核酸(例如，DNA,RNA，miRNA)、蛋白質(zhì)、細胞、細胞碎片或細胞器、纖維微粒、金屬微粒、或量子點。在另一實施方式中，目標(biāo)分子或粒子可被檢測、控制和操作。5. 2制作電探測器的方法提供了用于制造電探測器的方法，其包括使用業(yè)界已知的標(biāo)準光刻工藝、微電子 機械加工技術(shù)以及碳納米管生長技術(shù)。電探測器可使用納米/微米制造工藝制造。這些工藝包括但不限于光刻、反應(yīng)離 子蝕刻、濕法化學(xué)蝕刻、化學(xué)氣相薄膜沉積、蒸發(fā)薄膜沉積以及化學(xué)氣相生長納米線。在一個實施方式中，電探測器是利用業(yè)界已知的微米制造工藝的組合制造的。下 文提供了該過程的概述以及三個具體實施例在。第6. 2-6. 4部分進一步給出了生產(chǎn)電探測 器的方法的其他實施例。初始基片可以是能夠經(jīng)受所有處理步驟的空白熔融二氧化硅晶片、空白硅晶片或 業(yè)界已知的其他扁平的、適用的基片。例如，電絕緣基片或具有非導(dǎo)電表面的基片都可以使 用。在基片上構(gòu)建以下層以創(chuàng)建納米通道-納米線裝置對準標(biāo)記層金屬觸點層納米線催化層犧牲材料層一個(或多個)絕緣層各種穿露孔(或通道)層在此，“層”被定義為指進行了以下一個或多個動作基于光刻的圖案化，濕法或干 法蝕刻，金屬蒸鍍，和/或化學(xué)氣相沉積。在一個實施例中(“版本1制造工藝”)，制作過程如下利用光刻技術(shù)在晶片上界定定位標(biāo)記，并使用濕法或干法蝕刻技術(shù)將標(biāo)記轉(zhuǎn)到晶 片上。利用光刻技術(shù)在晶片上界定金屬源漏電極圖案，并沉積金屬。利用光刻技術(shù)界定催化劑顆粒板圖案，并沉積催化劑顆粒。采用化學(xué)氣相成長法在芯片上長納米線利用光刻技術(shù)界定納米通道犧牲材料的圖案，并沉積犧牲材料。沉積絕緣薄膜材料(其將成為通道的頂壁)。利用光刻技術(shù)在晶片上界定蝕刻孔，并使用濕法或干法蝕刻技術(shù)將蝕刻孔標(biāo)記轉(zhuǎn) 到絕緣薄膜上。利用濕法或干法蝕刻技術(shù)移除犧牲材料。使用絕緣薄膜沉積工藝封閉蝕刻孔。在另一個實施例中(“版本2制作工藝”)，其制作過程如下利用光刻技術(shù)在晶片上界定定位標(biāo)記，并使用濕法或干法蝕刻技術(shù)將標(biāo)記轉(zhuǎn)到晶 片上。利用光刻技術(shù)在晶片上界定金屬源漏電極的圖案，并沉積金屬。利用光刻技術(shù)界定催化劑顆粒板，并沉積催化劑顆粒。通過化學(xué)氣相成長法在芯片上長納米線。
在芯片上沉積一層起保護作用的超薄絕緣層。這可以降低在制備過程中納米線產(chǎn) 生短路的可能性。利用光刻技術(shù)界定納米通道犧牲材料的圖案，并沉積犧牲材料。沉積絕緣材料薄膜(其將成為通道的頂壁)。利用光刻技術(shù)在晶片上界定蝕刻孔，并使用濕法或干法蝕刻技術(shù)將蝕刻孔標(biāo)記轉(zhuǎn) 到絕緣薄膜上。利用濕法或干法蝕刻技術(shù)移除犧牲材料。利用濕法或干法蝕刻技術(shù)蝕刻超薄膜起保護作用的絕緣層，從而使納米線暴露在 通道中。使用絕緣薄膜沉積工藝封閉蝕刻孔。在另一個實施例中(“版本3制作工藝”)，其制作過程如下利用光刻技術(shù)在晶片上界定定位標(biāo)記，并使用濕法或干法蝕刻技術(shù)將標(biāo)記轉(zhuǎn)到晶 片上。利用光刻技術(shù)為納米通道犧牲材料界定圖案，并沉積犧牲材料。在芯片上沉積一層起保護作用的超薄絕緣層。這可以降低在隨后的高溫步驟中 (比如納米線生長)犧牲材料與工藝氣體反應(yīng)的可能性。利用光刻技術(shù)在晶片上界定金屬源漏電極的圖案，并且沉積金屬。利用光刻技術(shù)界定催化劑顆粒板的圖案，并沉積催化劑顆粒。利用化學(xué)氣相成長法在芯片上長納米線。沉積絕緣薄膜材料(其將成為通道的頂壁)。利用光刻技術(shù)在晶片上界定蝕刻孔，并使用濕法或干法蝕刻技術(shù)將蝕刻孔標(biāo)記轉(zhuǎn) 到絕緣薄膜上。利用濕法或干法蝕刻技術(shù)去除犧牲材料。利用濕法或干法蝕刻技術(shù)蝕刻超薄膜起保護作用的絕緣層，從而使納米線暴露在 通道中。使用絕緣薄膜沉積工藝封閉蝕刻孔。圖2概述了制作電探測器的方法，其中電荷傳感器，如納米線，可以集成到納米流 體通道中。圖2展示了為實現(xiàn)納米線集成的犧牲層的加工工藝。圖2左側(cè)展示了納米線可 以被集成到納米流體通道的工藝。圖2右側(cè)展示了雙重犧牲層的加工過程，在制造過程中 納米線得到了氮化硅薄膜的保護。雙層犧牲層只在某些情況下才需要，其可以由普通技術(shù) 人員視情況而定。在某些實施方式中，電探測器可以展示出比光學(xué)衍射極限要好2到3個數(shù)量級的 空間分辨率。鑒于對于業(yè)界已知的光學(xué)探測方法，“光學(xué)探針”是指溶液中被照亮的區(qū)域，在 納米通道一納米線的例子中，分辨率是由電探針的直徑?jīng)Q定的。該直徑被定義為納米線直 徑加兩倍離子屏蔽距離。利用通過一般生長獲得的納米管和納米線以及合理高離子強度的 溶液，以在此披露的方法和業(yè)界已知的方法可以獲得大約Inm的電探針。由于微電子技術(shù)已經(jīng)高度發(fā)展，而且由于本探測方法是純電學(xué)的，所有需要的用 于控制電探測器，轉(zhuǎn)導(dǎo)和放大信號，甚至分析信號的元器件都可以被小型化，這與先有光傳 遞，再有電傳導(dǎo)(比如在標(biāo)準熒光顯微鏡的情況下)的情況截然相反。除了可以使便攜芯片實驗室真正成為可能，利用微制造方法本身的規(guī)模經(jīng)濟可以大幅降低電探測器的制造成 本。5. 3使用電探測器的方法電探測器可以用來探測目標(biāo)分子或物類，如帶電分子和生物或化學(xué)物類。在一個 實施方式中，提供了一種檢測目標(biāo)生物或化學(xué)物類或與其相關(guān)的標(biāo)簽的方法，其包括提供電探測器；使包含目標(biāo)物類或與目標(biāo)物類相關(guān)的標(biāo)簽的實體流過電探測器的納米流體通道 (例如，溶液中的目標(biāo)分子)；使目標(biāo)物類或標(biāo)簽與電荷傳感器接觸，從而產(chǎn)生可探測的指示目標(biāo)生物或化學(xué)物 類存在的信號。根據(jù)本方法，電探測器可被用作生物分析和化學(xué)分析領(lǐng)域內(nèi)的分析工具。它也可 作為納米流體科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的研究工具。電探測器可用于分析幾乎任何帶電分子或物類，例 如，生物或化學(xué)物類，包括但不限于病毒、核酸(如DNA，RNA，miRNA)、蛋白質(zhì)、細胞、細胞碎 片、細胞細胞器、纖維微粒、金屬微粒或量子點。還提供了一種探測局部溶液電勢的方法，其包括提供電探測器；使溶液流過納米流體通道；以及使電荷感應(yīng)器與溶液接觸，從而產(chǎn)生可探測到的局部溶液電勢的信號。根據(jù)這種方法，電探測器可用于精確測量納米流體通道內(nèi)的局部溶液的電勢。電 探測器可用于探測單個分子(如DNA)。此用途具有獲得DNA片段長度信息的應(yīng)用。這樣的 信息是被尋求的，其可以通過在進行各種商業(yè)上相關(guān)的生物測試時使用電探測器而獲得。電探測器還可以在廣泛的生物和化學(xué)測試進行應(yīng)用(例如，臨床診斷、藥物開發(fā)、 病原體檢測、基礎(chǔ)生命科學(xué)研究)。如以上所披露，電檢測器可用于測量核酸(或核酸片段) 的長度。實際上許多涉及探測溶液中帶電大分子的測試也可以受益于利用電探測器在受限 環(huán)境中的直接電感應(yīng)。電探測器也可作為納米流體裝置中的一般傳感元件，測定微米通道 或納米通道的局部溶液電勢，例如，在為研究通道中離子分布和流體運動。提供了一種測量目標(biāo)分子或粒子的構(gòu)象、長度、速度、光學(xué)可探測到的特征、標(biāo)記 或標(biāo)簽強度的方法，其包括提供具有光學(xué)可探測的特征、標(biāo)記或標(biāo)簽的目標(biāo)分子或粒子(比如，帶電分子或微 粒)，一納米裂縫，一納米流體通道，以及由先后聚焦在納米通道上的激光形成的兩個空間上分隔的焦點容積；通過電泳驅(qū)動帶電分子或微粒通過納米裂縫進入納米流體通道，從而將帶電的分 子或微粒限制在納米通道中，并使帶電分子或微粒動態(tài)伸長超過其平衡長度；輸送帶電分子或微粒通過兩個空間上分隔的焦點容積，從而產(chǎn)生時間上相互錯開 的第一光學(xué)可探測信號和第二光學(xué)可探測信號；測量第一和第二光學(xué)可探測信號的光子爆發(fā)(或光子計數(shù)信號)；
測量第一和第二光學(xué)可探測信號的光子爆發(fā)(或光子計數(shù)信號)；利用對第一和第二光學(xué)可探測的信號中的光子爆發(fā)(或光子計數(shù)信號)的測量進 行速度或互關(guān)聯(lián)測量；根據(jù)速度或互相關(guān)測量計算帶電分子或微粒的構(gòu)象、長度、速度或標(biāo)記強度。在某些實施方式中，帶電目標(biāo)分子或粒子是核酸，如DNA或RNA，或其片段或衍生 物。在一個具體實施方式
中，核酸(或其片段)是熒光標(biāo)記的。在一個具體實施方式
中，目標(biāo)分子(或與目標(biāo)分子相關(guān)的標(biāo)簽)與一種疾病或紊 亂(如癌癥)相關(guān)，并且該方法被用于診斷該疾病或紊亂。在其它實施方式中，核酸可與核酸探針雜交，或公價連接到探針或標(biāo)簽上，或利用 本領(lǐng)域的公知技術(shù)進行局部修飾(如甲基化)。這樣的修飾可能會改變核酸電荷，因而可以 被電探測器檢出，從而無需結(jié)合的探針或標(biāo)簽。6. 5部分(例5)公開了本方法的幾種優(yōu)選的實施方式。在另一實施例中，該方法包括提供電探測器，其中電探測器包括(和提供)納米裂 縫和納米流體通道。根據(jù)這一實施例，如果需要的話，無論是光學(xué)檢測和電(電荷)檢測都 可以在電探測器內(nèi)實現(xiàn)。在另一實施例中，光學(xué)探測標(biāo)記是熒光標(biāo)記。在另一實施例中，該方法包括提供連接到第一光電二極管的第一光纖和連接到第二光電二極管上的第二光 纖；將第一光學(xué)可探測信號中的圖像投射到第一光纖；將第二光學(xué)可探測信號中的圖像投射到第二光纖；用第一光電二極管探測第一光學(xué)可探測信號中的圖象；用第二光電二極管探測第二光學(xué)可探測信號中的圖象；確定沿納米液流體通道軸線的，單位通道長度和時間的，發(fā)射的光子數(shù)；確定每一光纖位置處的最終圖像；及通過測定到達每個光電二極管的光子數(shù)測量每一光學(xué)可探測到的信號。在另一實施例中，該方法包括分析兩個測得的光學(xué)可探測信號的互相關(guān)函數(shù)。在 另一實施例中，該方法包括進行單分子爆發(fā)分析。在另一個實施例中，計算帶電目標(biāo)分子或 微粒的構(gòu)象、長度、速度或標(biāo)記強度包括進行對數(shù)分布的高斯擬合。例子6. 5給出了這些分 析和計算的示例性方法。5. 4探測DNA和其他核酸的方法DNA分子是一種彈性很好的線性聚合物，可以利用業(yè)界已知的多種方法進行拉伸， 包括在納米流體通道中由空間局限導(dǎo)致的伸長。而且，沿DNA分子骨架結(jié)構(gòu)的電荷是大致 均衡的，因此，如果利用電荷靈敏探測器探測一個限制在納米通道中的拉長的DNA鏈，探測 器的輸出結(jié)果是一個高度大致恒定的脈沖序列，其持續(xù)時間由DNA鏈的長度和速度決定。如果通過DNA分子的速度是已知的或可以測量的，那么可以根據(jù)脈沖列持續(xù)的時 間就來確定其長度。當(dāng)以這種模式使用，包括納米流體通道和電荷傳感器的電探測器可以 為多種不同的生物分析(例如，酶切后分析、miRNA的分析、癌癥檢查)提供DNA片段長度 的快速測量。
在一個具體實施例中，電探測器被用于無標(biāo)記電子分析單細胞中miRNA的表達。在另一個實施例中，所有業(yè)界已知的核酸處理步驟(例如，放大、過濾或可選的標(biāo) 記或標(biāo)簽)與電探測器一起集成在芯片上。業(yè)界已知的觀察、測量和表征核酸，如DNA或RNA的其他方法可以與電探測器一起 使用，從而迅速并準確地確認或擴充電探測器測量限制在電探測器的納米流體通道中的單 一核酸分子的構(gòu)象、長度、速度以及熒光強度的能力。這些附加的數(shù)據(jù)還可以用于，例如，支 持通過電長度測量和探針位置測量而得出的結(jié)論。雖然這些信息可以與電探測結(jié)合，但是 不會產(chǎn)生與電探測器相同的空間分辨率。例如，如果基片或電探測器的納米流體通道的底壁或頂壁是透明的，熒光檢測可 與電探測同時使用。光學(xué)探測所提供的長度測量是快速確認利用電探測的長度測量的有效 的和便捷的方法。雖然光學(xué)測量不太可能達到電測量的高分辨率，但附加數(shù)據(jù)會可以與電 測量數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，并會提高從電測量數(shù)據(jù)中得出結(jié)論的可靠性。用光學(xué)探測也許不是在每 種情況下都理想的。例如，如果便攜性是重要的，笨重的光學(xué)系統(tǒng)就不合適了。在一個具體實施例中，如6. 5部分所述，以電泳把帶電分子驅(qū)動通過納米裂縫進 入納米通道，以限制并被動態(tài)延伸超出其平衡長度，從而可進行反復(fù)的激光誘導(dǎo)熒光光譜 探測。單分子分析算法可以用來模擬熒光爆發(fā)，并確定每個伸展的分子的折疊構(gòu)象。6.例子6. 1例1 集成了碳納米管電荷傳感器的納米流體通道6. 1. 1 簡介本例子說明包括納米流體通道和集成在納米流體通道中的碳納米管傳感器的電 探測器可被用于電探測高度局限的環(huán)境中的帶電分子，并可同時進行熒光觀測。隨后的例 子(6. 2-6. 4部分)描述了制造電探測器的方法，其中，電探測器包括納米流體通道和集成 在納米流體通道中的電荷傳感器，其中，電荷傳感器是納米線或納米管?？蓡为殞ぶ返?、半導(dǎo)體的、單壁碳納米管整合在充滿溶液的深度為15-100納米、 寬度為500納米的通道中。在適當(dāng)?shù)木彌_條件下，這種尺寸的通道的深度與離子屏蔽距離 相近。因此，通過納米通道的帶電DNA分子會門控半導(dǎo)體納米管，在恒定源漏偏壓下引起電 流的變化。采用如此尺寸的充滿液體的通道的電探測器還有一個作用，就是它可以使基因 組長度的DNA分子在空間局限誘導(dǎo)下被部分拉長。本例子描述了一種電探測器，其中，一單壁碳納米管(SWCNT)被集成在一納米級 流體(納米流體)通道中。圖3展示了電探測器的幾何構(gòu)造和實驗步驟。與源漏電極接觸 的SWCNT傳感器被如此集成在納米流體通道內(nèi)，從而使納米管只有中間部分位于通道中， 即在通道內(nèi)部，并與目標(biāo)電解質(zhì)溶液接觸。該納米流體通道還能用于拉長并限制DNA分子，從而使DNA分子通過通道時，被強 制從距離納米管傳感器很近的地方通過。該納米管可以場效應(yīng)晶體管(FET)模式來探測由 DNA通過引起的對溶液電勢的干擾。納米管電導(dǎo)率的變化可以通過施加恒定漏偏電壓并監(jiān) 控通過納米管的電流來觀察。圖3是從上往下觀察電探測器的示意圖，它還展示了本實施例披露的方法。該電 探測器包括集成在納米流體通道中的單壁碳納米管，從而當(dāng)DNA分子通過通道時，通過納 米管的電流可被監(jiān)控。在制造過程中，采用了化學(xué)氣相沉積法在金屬催化板上長納米管。
如圖3所示，納米管的生長具有長度和方向上的分布，在一些情況下，納米管如此著陸從而把源漏電極連接起來。微流體和納米流體通道的組合使用可以引導(dǎo)單個DNA分子向連接的納米管運動。在一個實施例中，分子可被緩慢地驅(qū)動通過納米流體通道。當(dāng)它的位置與電連接的半導(dǎo)體納米管重疊時，納米管的電導(dǎo)率會由于門控場效應(yīng)而改變。與其他納米管或納米線生物感應(yīng)實驗不同的是，該方法采用納米管探測器來感應(yīng)未結(jié)合的生物分子，這與現(xiàn)有技術(shù)報道的化學(xué)官能化的納米管的門控不同(Katz， Ε. and I. Willner, Biomolecule-functionalized carbon nanotubes -Applications in nanobioelectronics. Chemphyschem,2004. 5(8) :p·1085-1104)。文獻還記載了集成在微米級PDMS通道中的碳納米管可用于探測由電極界面氧 4^3^1^11^31 ] ! , ^^^ (Larrimore, L. ， et al. ， Probing electrostatic potentials in solution with carbon nanotube transistors. Nano Letters, 2006.6(7) :p. 13四-1333)，或由壓力驅(qū)動的通過通道的電解質(zhì)流產(chǎn)生的流動電勢引起的局部電勢的變化(Bourlon, B. , et al. , A nanoscale probe for fluidic and ionic transport. Nature Nanotechnology, 2007. 2 (2) :p. 104-107)。在本實施例中描述的實施方案中，只有溶液電勢的改變是門控納米管的原因。6. 1. 2 理論生理溶液中的雙鏈DNA是一種帶很多電荷的大分子，其表面電勢大約在-100毫伏數(shù)量級上(Wagner, K. , et al. , Analytical Debye-Huckel model for electrostatic potentials around dissolved DNA. Biophysical Journal,1997. 73(1) :p. 21—30)。在一離子溶液中，流動電荷載流子的重排能夠屏蔽特征長度外的DNA的大表面電勢，該特征長度被稱為德拜屏蔽距離。可能是基于這個原因，以往用納米管或納米線探測DNA分子的方法都只關(guān)注DNA分子結(jié)合至探測器表面的情況。在本實施例中，設(shè)計并制造了一電探測器，其中，被驅(qū)動通過納米流體通道的DNA 分子被迫從足夠靠近納米線探測器的地方通過，從而探測器所在處的溶液電勢被干擾(圖 4)。圖4展示了一個電探測器的側(cè)視圖，其中，通道中有一個拉長的DNA分子。兩個單壁碳納米管(如圓形橫切面所示)垂直于納米流體通道的軸和圖像平面。它們與兩個未顯示的源漏電極對接觸。圖中，一個DNA分子正自左向右穿過通道。帶負電荷的DNA分子(紅色的)被一片帶正電荷的離子包圍著。在距離DNA骨架為y的地方，溶液電勢受到的干擾量為其總值的
權(quán)利要求
1.一種電探測器，包括一個納米流體通道和一個電荷傳感器，其中 所述電荷傳感器選自由以下構(gòu)成的組納米線、納米管、晶體管以及電容，以及所述電荷傳感器的一部分被集成在所述納米流體通道中，從而使所述電荷傳感器接觸 到所述納米流體通道中的液體。
2.如權(quán)利要求1所述的電探測器，所述電荷傳感器的部分是位于所述納米流體通道的 內(nèi)部或表面上。
3.如權(quán)利要求1所述的電探測器，所述整個電荷傳感器位于所述通道的內(nèi)部或表面上。
4.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其包括位于所述通道內(nèi)部或表面上的電荷傳感器電極。
5.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其包括多個納米流體通道。
6.如權(quán)利要求1所述的電探測器，所述多個納米流體通道的個數(shù)是2-10，10-50， 50-100，100-500，500-1000，或 1000-5000 個。
7.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其包括多個電荷傳感器，其中，每個電荷傳感器的一 部分被集成在所述納米流體通道中。
8.如權(quán)利要求7所述的電探測器，所述多個電荷傳感器的個數(shù)是2-10，10-50，50-100, 或 100-500 個。
9.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，所述納米流體通道的深度與德拜屏蔽長度相近。
10.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，所述納米流體通道的深度小于德拜屏蔽長度。
11.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，所述納米流體通道的深度是德拜屏蔽長度的 2-10 倍。
12.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，所述納米流體通道的深度是0.1納米到1毫米。
13.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，所述德拜屏蔽長度是0.1納米到1000納米。
14.如權(quán)利要求13所述的電探測器，其中，所述德拜屏蔽長度是10納米。
15.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，所述納米流體通道的寬度是0.1納米到1納 米，1納米到5納米，5納米到10納米，10納米到50納米，50納米到100納米，100納米到 500納米，500納米到1微米，1微米到5微米，或5微米到10微米。
16.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，所述納米管是一種ρ型或η型納米管。
17.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，所述納米線或納米管包含一種半導(dǎo)體材料。
18.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，所述納米線或納米管包含碳或硅。
19.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，所述晶體管是場效應(yīng)晶體管(FET)。
20.如權(quán)利要求19所述的電探測器，其中，所述場效應(yīng)晶體管是納米流體通道表面上 的一層薄膜。
21.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其包括一微流體或宏觀流體結(jié)構(gòu)，其流體連接到所 述納米流體通道。
22.如權(quán)利要求21所述的電探測器，其中，所述微流體或宏觀流體結(jié)構(gòu)是儲液池或通道。
23.如權(quán)利要求21所述的電探測器，其中，所述微流體或宏觀流體結(jié)構(gòu)是選自由以下 構(gòu)成的組細胞分選區(qū)域、過濾區(qū)域、分離區(qū)域、核酸放大區(qū)域、反應(yīng)區(qū)域和儲存區(qū)域。
24.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，目標(biāo)分子或微粒與電荷傳感器接觸。
25.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，目標(biāo)分子或微粒不與電荷傳感器接觸。
26.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，目標(biāo)分子或微粒被抑制或限制在靠近電荷傳 感器的感應(yīng)范圍。
27.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，目標(biāo)分子或微粒是無標(biāo)記或未標(biāo)記的。
28.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，所述電荷傳感器是可尋址的半導(dǎo)體電荷傳感 器，其起到電解質(zhì)柵型場效應(yīng)晶體管的作用。
29.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，所述電荷傳感器是非官能化的。
30.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，所述電荷傳感器是官能化的。
31.如權(quán)利要求30所述的電探測器，其中，電荷傳感器是以一個分子官能化的，該分子 選自由以下構(gòu)成的組抗體(或其中一部分)和寡核苷酸。
32.如權(quán)利要求31所述的電探測器，其中，所述寡核苷酸是一種與微RNA結(jié)合的探針寡 核苷酸。
33.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其包括一個基片。
34.如權(quán)利要求33所述的電探測器，其中，所述基片是一種半導(dǎo)體或絕緣基片。
35.如權(quán)利要求33所述的電探測器，其中，所述基片包含鍺。
36.如權(quán)利要求33所述的電探測器，其中，所述基片是硅基基片。
37.如權(quán)利要求36所述的電探測器，其中，所述硅基基片選自由以下構(gòu)成的組硅、硅 石(二氧化硅)和玻璃。
38.如權(quán)利要求37所述的電探測器，其中，所述二氧化硅基片是熔融的。
39.如權(quán)利要求33所述的電探測器，其中，所述基片是電絕緣的或至少包括一電絕緣 表面。
40.如權(quán)利要求33所述的電探測器，其中，所述基片是透明的。
41.如權(quán)利要求40所述的電探測器，其中，所述透明基片的厚度適用于對納米流體通 道中的目標(biāo)分子或微粒利用顯微鏡進行光學(xué)觀測。
42.如權(quán)利要求41所述的電探測器，其中，所述透明基片的厚度約170納米。
43.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，恒定源漏偏置電壓發(fā)生器產(chǎn)生恒定源漏偏置 電壓，并且以監(jiān)測流過所述電荷傳感器的電流。
44.如權(quán)利要求43所述的電探測器，其中，所述偏置電壓選自由以下構(gòu)成的組交流偏 置電壓、周期信號以及非周期信號。
45.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，源極和漏極電極對通過電觸點與電荷傳感器 電連接。
46.如權(quán)利要求45所述的電探測器，其包括一個絕緣體來隔絕連接至所述電荷傳感器 的源極和漏極電極對的電觸點。
47.如權(quán)利要求46所述的電探測器，其中，所述電觸點是由鉬或銀/氯化銀制成的。
48.如權(quán)利要求46所述的電探測器，其中，所述絕緣體是氮化硅。
49.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，所述納米流體通道的尺寸把目標(biāo)分子或粒子 限制在電荷傳感器感應(yīng)范圍內(nèi)。
50.如權(quán)利要求49所述的電探測器，其中，所述電荷傳感器位于所述通道內(nèi)并與被限 制的目標(biāo)分子或微粒足夠接近以避免明顯的電荷屏蔽。
51.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，所述電荷傳感器感應(yīng)范圍是所述電荷傳感器 直徑加上兩倍離子屏蔽距離。
52.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，目標(biāo)分子或微粒是帶電的分子或微粒。
53.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，目標(biāo)分子或微粒是非締合的或自由的。
54.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，目標(biāo)分子或微粒附于另一實體。
55.如權(quán)利要求52所述的電探測器，其中，分子或微粒是標(biāo)記的或未標(biāo)記的(無標(biāo)記 的)。
56.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，目標(biāo)分子或微粒為病毒、核酸、蛋白質(zhì)、細胞、 細胞碎片或細胞器、纖維微粒、金屬微粒、或量子點。
57.如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，目標(biāo)分子或粒子被探測到、控制或操控。
58.一種探測目標(biāo)生物或者化學(xué)物類或者與所述物類相關(guān)聯(lián)的標(biāo)簽的方法，包括提 供權(quán)利要求1所述的電探測器；使目標(biāo)物類或者帶有目標(biāo)物類的實體流過所述電探測器的納米流體通道；以及 使電荷感應(yīng)器和目標(biāo)物類或所述標(biāo)簽接觸，從而產(chǎn)生可探測到的指示所述目標(biāo)生物或 化學(xué)物類的存在的信號。
59.如權(quán)利要求58所述的方法，其中，所述物類存在于溶液中或者所述實體是溶液。
60.如權(quán)利要求58所述的方法，其中，所述目標(biāo)物類是通過電動力驅(qū)動流過納米液體 通道。
61.如權(quán)利要求58所述的方法，其中，所述可探測到的信號是電荷傳感器電導(dǎo)率的變化。
62.如權(quán)利要求61所述的方法，包括對所述電荷傳感器電導(dǎo)率進行監(jiān)測。
63.如權(quán)利要求58所述的方法，包括可視化所述電荷傳感器附近的物類。
64.一種探測局部溶液電勢的方法，包括 提供如權(quán)利要求1所述的電探測器；使所述溶液流過所述電探測器的納米流體通道；以及 使所述電荷傳感器與所述溶液接觸，從而產(chǎn)生可探測到的局部溶液電勢信號。
65.如權(quán)利要求64所述的方法，其中，所述可探測到的信號是電荷傳感器電導(dǎo)率的變化。
66.如權(quán)利要求65所述的方法，包括對所述電荷傳感器電導(dǎo)率進行監(jiān)測。
67.一種測量目標(biāo)帶電分子或粒子的構(gòu)象、長度、速度或標(biāo)記強度的方法，包括 提供以光學(xué)可探測的標(biāo)記(或特征、標(biāo)簽或修飾)標(biāo)記的帶電目標(biāo)分子或微粒，一個納米裂縫，一個納米流體通道，以及通過激光先后聚焦在納米通道形成的兩個空間上分隔的焦點容積；以電泳驅(qū)動所述標(biāo)記的帶電分子或微粒通過所述納米裂縫進入所述納米流體通道； 輸送所述標(biāo)記的帶電分子或微粒通過所述兩個空間上分隔的焦點容積，從而產(chǎn)生時間 上相互錯開的第一光學(xué)可探測到的信號和第二光學(xué)可探測到的信號；探測所述第一和第二光學(xué)可探測到的信號中的光子爆發(fā)(或光子計數(shù)信號)； 測量所述第一和第二光學(xué)可探測到的信號中的光子爆發(fā)(或光子計數(shù)信號)； 利用對所述第一和第二光學(xué)可探測到的信號中的光子爆發(fā)(或光子計數(shù)信號)的測量 進行速度或互相關(guān)測量；根據(jù)所述速度或互相關(guān)測量計算目標(biāo)帶電分子或微粒的構(gòu)象、長度、速度或標(biāo)記強度。
68.如權(quán)利要求67所述的方法，包括提供如權(quán)利要求1所述的電探測器，其中，所述電 探測器包括納米裂縫和納米流體通道。
69.如權(quán)利要求67所述的方法，其中，所述光學(xué)可探測到的標(biāo)記是熒光標(biāo)記。
70.如權(quán)利要求67所述的方法，其包括提供連接到第一光電二極管的第一光纖和連接到第二光電二極管的第二光纖； 將第一光學(xué)可探測到的信號中的圖像投射到所述第一光纖； 將第二光學(xué)可探測到的信號中的圖像投射到所述第二光纖； 用所述第一光電二極管探測所述第一光學(xué)可探測到的信號中的圖象； 用所述第二光電二極管探測所述第二光學(xué)可探測到的信號中的圖象； 確定沿納米流體通道軸線的單位通道長度和時間發(fā)射的光子數(shù)； 確定每一光纖位置處的最終圖像；及通過測定到達每個光電二極管的光子數(shù)測量每一光學(xué)可探測到的信號。
71.如權(quán)利要求67所述的方法，包括分析所述兩個被測量的光學(xué)可探測到的信號的互 相關(guān)函數(shù)。
72.如權(quán)利要求67所述的方法，包括進行單分子爆發(fā)分析。
73.如權(quán)利要求67所述的方法，其中，計算所述帶電目標(biāo)分子或粒子的形態(tài)、長度、速 度或標(biāo)簽強度包括進行對數(shù)分布的高斯擬合。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電探測器，其包括集成有電荷傳感器的納米流體通道。所述電荷傳感器可為納米管、納米線、晶體管或電容，并且可以是碳、硅、碳/硅或其他半導(dǎo)體材料。納米通道的深度與德拜屏蔽距離接近。本發(fā)明還提供了以電探測器探測帶電分子或生物或化學(xué)物類的方法。溶液中的帶電分子或物類被驅(qū)動通過電探測器的納米通道，并與電荷傳感器接觸，從而產(chǎn)生可探測到的信號。本發(fā)明還提供了檢測局部溶液電勢的方法。流經(jīng)電探測器納米通道的溶液與電荷傳感器接觸，從而產(chǎn)生可探測到的局部溶液電勢信號。
文檔編號G01N27/414GK102150037SQ200980135361
公開日2011年8月10日 申請日期2009年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月11日
發(fā)明者H·C·克萊格海德, J·T·曼尼安 申請人:康奈爾大學(xué)