固态纳米孔形成的制作方法

本发明涉及一种用于在衬底中产生开孔的方法，所述衬底包括固态膜和在其表面上的化学表面改性。还提供了一种包括开孔的衬底，所述衬底可以通过本发明的方法获得。具体地，本发明提供了一种衬底，所述衬底具有化学表面改性并且(i)包括直径小于5nm的开孔，或(ii)包括直径为50nm的开孔并且具有跨所述开孔安置的两亲性分子层。本发明进一步提供了一种包括如本文所描述的衬底的传感器，以及一种使用此类传感器表征聚合物的方法。

背景技术：

1、纳米大小的孔可用于需要纳米级操作的多种装置中。一个重要的应用是定位、检测和或表征聚合物，例如多核苷酸或多肽。可以通过观察分析物分子与能够传导离子的纳米大小的孔之间的单独结合或相互作用来检测或表征聚合物。例如，可以在存在聚合物的情况下测量通过孔的离子电流。在孔处或孔附近的聚合物种类的存在将改变通过孔的离子流，导致穿过孔测量的离子或电流改变。聚合物的同一性可以通过其独特的电流特征揭露，尤其是电流块的持续时间和程度以及与孔相互作用期间电流电平的变化。

2、纳米大小的孔可以由无机和/或有机材料产生。生物分子孔是布置成提供穿过其中的通道的生物分子；实例包含由采用包括通道的三维形状的一种或多种蛋白质形成的蛋白纳米孔。另一种类型的孔是包含具有穿过其中的开孔的固态膜的固态纳米孔。固态纳米孔在工业装置的制造中特别有用，因为其具有提供优异的耐久性、良好的孔径和形状控制的潜力，并且适用于插入到晶片型装置中。

3、在固态膜用于产生纳米孔的情况下，通常期望对固态膜的表面进行改性，以优化其性质，用于后续使用。例如，可能期望为固态膜提供保护性或生物相容性涂层，以使其与生物系统相容。具体地，可能期望对固态膜的疏水性、化学特异性、化学反应性或表面电荷进行改性。这可以通过对固态膜进行化学表面改性来完成。然而，已知的方法不能提供与化学表面改性相结合的全部范围的期望的开孔大小。

4、在固态膜中产生开孔的典型方法包含使用聚焦离子束、离子束雕刻和透射电子显微镜。这些是高能的、侵蚀性的过程，其破坏了所产生的开孔周围区域中固态膜表面上的化学表面改性。因此，先前的工作者已经得出结论，在应用任何化学表面改性之前，必须在固态膜中产生开孔。

5、尽管在开孔产生之后可以进行化学表面改性，但是当固态膜中存在小开孔时，这种方法是不利的。对包括小开孔，通常直径小于10nm的固态膜应用化学表面改性往往会堵塞孔(wanunu和meller,《纳米快报(nano letters)》(2007),第7卷,第6期,第1580-1585页)。因此，仍然需要一种产生固态膜的方法，所述固态膜包括化学表面改性和开孔，具体地小开孔。

6、期望提供一种固态膜，所述固态膜包括化学表面改性和任何大小的开孔，具体地小开孔。具体地，非常期望提供一种固态膜，所述固态膜包括化学改性和小开孔，所述小开孔具有跨开孔安置的脂质双层。这在离子通道测量的情况下特别有用。已经进行的实验表明，可以将生物分子孔(如α-溶血素)插入到固态膜的开孔中，由此形成包括固态膜、开孔和生物分子孔的“混合纳米孔”。然而，由于电流通过生物分子孔体周围的开孔的泄漏，所以在固态膜上进行的离子通道测量是不可靠的(hall等人,《自然纳米技术(naturenanotechnology)》(2010),第5卷,第874-877页)。包含跨开孔安置的脂质双层将形成防止电荷穿过固态膜转移的密封。然而，必须对典型的固态膜的表面进行改性，以便能够支撑脂质双层。此外，跨越大直径开孔的脂质双层易受压力波动、机械振动和电干扰的影响，并且因此在形成之后不久就非常容易失效(white等人,《美国化学学会期刊(j.am.chem.soc.)》(2007),第129卷,第11766-11775页)。

7、一旦在固态膜中形成开孔，可以将促进固态膜支撑脂质双层的能力的化学表面改性应用于固态膜。然而，在开孔较大的情况下，化学表面改性可以沉积在开孔的内壁上，并且可以促使脂质双层排列在开孔的内壁上，而不是跨越开孔并形成期望的电荷密封。进一步地，当开孔很小时，随后添加化学表面改性可能会导致孔堵塞(如上文所讨论的)。

8、本发明旨在提供一种用于产生包括开孔和化学表面改性的衬底的通用方法，所述方法克服了上述困难。本发明还旨在提供一种现有技术所不能提供的衬底，所述衬底包括具有表面改性的固态膜和开孔，具体地小开孔。

技术实现思路

1、本发明人已经发现，在对固态膜进行化学表面改性之后可以在不破坏化学表面改性的情况下将在固态膜中形成开孔的替代性方法应用于固态膜。因此，根据本发明的实施例，提供了一种用于产生包括开孔的衬底的方法，所述方法包括：

2、-提供衬底，所述衬底包括固态膜和在所述固态膜的第一表面上的化学表面改性；以及

3、-通过所述化学表面改性和所述固态膜形成开孔。

4、用于在固态膜中产生开孔的合适的方法是介电击穿方法。因此，在本发明的方法的一方面，所述通过所述化学表面改性和所述固态膜形成开孔的步骤包括引起所述固态膜的介电击穿。本发明人已经证明这可以以可控的方式逐渐打开开孔，同时保持附近的化学表面改性。

5、本发明的方法的特别优点是，因为使用了侵蚀性较小的形成开孔的方法，所以开孔的产生可以在存在可以对固态膜的表面进行改性的前体的情况下进行。本发明人已经惊奇地发现，化学表面改性前体可以立即附着在开孔的内壁上，而不是堵塞开孔(即使开孔非常小，约为5nm或更小)。不希望受理论的束缚，据推测，化学表面改性前体容易附着在开孔壁上而不是简单堵塞孔的能力可能与“新鲜表面”因开孔的产生而暴露的事实有关。用开孔产生的固态膜的新鲜表面没有暴露于环境中并且没有被改性(例如，通过氧化)。因此，当直接暴露于化学表面改性前体时，开孔的内壁可能特别容易反应。

6、非常期望在开孔的内壁上提供化学表面改性，即使在开孔很小的情况下，例如钝化孔，由此防止开孔随后暴露于生物分子时堵塞。

7、因此，一方面，本发明的方法包括允许化学表面改性在所述开孔的壁上，例如在所述开孔的内壁上立即形成。例如，在本发明的方法中，

8、-所述固态膜的第一表面上的所述化学表面改性与第一离子溶液接触；

9、-所述固态膜的第二表面或所述固态膜的所述第二表面上的化学表面改性与第二离子溶液接触；并且

10、-所述第一离子溶液和/或所述第二离子溶液包括化学表面改性前体；并且

11、-所述方法包括允许化学表面改性在所述开孔的内壁上立即形成。

12、另一方面，所述方法可以包括产生混合纳米孔。混合纳米孔包括固态膜、开孔和生物分子孔。通常，生物分子孔至少部分地位于开孔内。因为本发明的方法可以产生非常小的开孔，所以所述开孔可以足够小，使得所述开孔只能容纳一个生物分子孔。空间效应可以防止第二或另外的生物分子孔全部或部分插入到开孔中，因为开孔实际上可能被第一纳米孔空间阻塞。提供包括不超过一个生物分子孔的混合纳米孔的能力在检测和或表征聚合物中最有用。这是因为当聚合物与跨膜孔相互作用时，在固态膜上进行的任何测量必须仅源自聚合物与单个生物分子孔的相互作用。

13、因此，一方面，本发明的方法包括将不超过一个生物分子孔插入到所述开孔中。

14、本发明的方法可以产生包括固态膜和开孔的衬底，所述开孔可用作固态纳米孔，所述固态纳米孔可以用于需要纳米级操作的多种装置中。因此，在另一个实施例中，本发明提供了一种衬底，所述衬底包括通过本文所描述的方法获得或可获得的开孔。

15、本发明人已经产生包括开孔和其上具有化学表面改性的固态膜的衬底。化学表面改性可以对固态膜进行改性，从而允许衬底支撑跨越开孔的两亲性分子层。两亲性分子层，例如脂质双层是有用的，因为其可以防止液体从固态膜的一侧自由流动到另一侧，并且在一些方面可以支撑生物分子孔。具体地，开孔可以很小，以便提高两亲性分子层的稳定性，并且在存在生物分子孔的情况下，降低两亲性分子层中存在多个生物分子孔的可能性。因此，在一实施例中，本发明提供了一种包括开孔的衬底，其中

16、-所述衬底包括固态膜和在所述固态膜的第一表面上的化学表面改性；

17、-所述开孔的直径为至多50nm；并且

18、跨所述开孔安置两亲性分子层。

19、本发明人最近能够使用如本文所例示的方法在不堵塞开孔的情况下提供具有化学表面改性和极小开孔的固态膜。如上文所讨论的，具有化学表面改性和小开孔的衬底在需要纳米级操作的装置中具有很大的潜在用途。因此，在另外的方面，本发明提供了一种包括开孔的衬底，其中

20、-所述衬底包括固态膜和在所述固态膜的第一表面上的化学表面改性；并且

21、-所述开孔的直径小于5nm。

22、本发明的衬底特别适用于定位、检测和/或表征聚合物，例如多核苷酸或多肽。这可以通过将本文所描述的衬底并入传感器中来实现。所述传感器或包括所述传感器的感测系统可以被配置成当聚合物相对于所述开孔移动时执行一个或多个测量，所述测量指示所述聚合物的一个或多个特性。例如，传感器可以被配置成检测穿过衬底的电流。

23、因此，本发明提供了一种包括如本文所描述的衬底的传感器。进一步地，本发明提供了一种使用所述传感器表征目标聚合物的方法，所述方法包括：

24、-使所述传感器与所述目标聚合物接触，使得所述目标聚合物相对于例如进入或穿过所述衬底中的所述开孔或所述开孔之一移动；以及

25、-当所述目标聚合物相对于所述开孔移动时进行一次或多次测量，并且由此表征所述目标聚合物；任选地其中所述方法包括当所述目标聚合物相对于所述开孔移动时测量通过所述开孔的电流。

26、本发明进一步提供了一种包括如本文所描述的衬底的设备。在特定实例中，本发明提供了一种包括如本文所描述的传感器的设备。

27、下文更详细地描述了本发明的上述实施例。