用于生物分子檢測的納米毛細管裝置、流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和其制造方法
【專利摘要】一種裝置包括至少一個納米級毛細管和用于施加電壓的器件，所述器件適于在施加所述電壓時在至少所述毛細管中形成電場，使得當(dāng)施加所述電壓時，放置于形成的電場內(nèi)的帶電分子或粒子能被電控制。一種流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括至少一個納米級毛細管。本發(fā)明還描述了使用和制造流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方法。
【專利說明】用于生物分子檢測的納米毛細管裝置、流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和其 制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開涉及一種裝置、一種流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和一種制造所述結(jié)構(gòu)的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在本領(lǐng)域中已知在微米和高納米范圍操縱帶電和不帶電物體的位置和運動的若 干方法。這些方法常常具有分離單個較小大小物體使得其隨后能被研究的目的。
[0003] 舉例而言，光鑷（opticaltweezer)可以用于這個目的。光鑷能通過經(jīng)由高度聚 焦的激光束施加極其小的力來操縱電介質(zhì)粒子。通常利用這種鑷子來研究蛋白質(zhì)和酶。
[0004] 所用的另一技術(shù)是雙向電泳，由此，當(dāng)不帶電的電介質(zhì)粒子經(jīng)受不均勻電場時，在 不帶電的電介質(zhì)粒子上施加力。由于力強度在很大程度上取決于介質(zhì)和粒子的電性質(zhì)、粒 子的形狀和大小、以及電場的頻率，包括納米粒子的粒子能以很大的選擇性被操縱。
[0005] 上文所描述的方法不能按比例縮小到低納米范圍，即，它們不能用于分子大小的 物體。這種不足是由于相應(yīng)方法的固有性質(zhì)造成。特別地，可控制地移動并且在更廣泛意 義上操縱物體所需的力與物體體積成比例。因此，為了能采用上述技術(shù)中的任何技術(shù)以便 用受控制的方式將具有5納米直徑的分子諸如胰島素分子移動特定距離將會需要比移動1 微米物體諸如典型細菌大200萬倍的力。
[0006] 因此，尋找研究個別分子的方式的科學(xué)家需要轉(zhuǎn)向其它操縱技術(shù)來用于分離標(biāo)準(zhǔn) 大小的單個分子?？紤]到這點，有些方法可用，由此單個分子可以被固定到專用表面上或者 固定到凝膠的孔隙中。然而，這些方法執(zhí)行起來都不令人滿意。更具體而言，由于表面本身 的化學(xué)性質(zhì)等使得表面固定是不可預(yù)測的，而利用凝膠進行的固定在分子捕獲方面并不足 夠可靠。
[0007] 因此，本發(fā)明的目的在于排除與當(dāng)前技術(shù)相關(guān)聯(lián)的缺陷中的至少某些缺陷。
[0008] 此外，一旦已分離了個別分子，常常需要能以受控制的方式進一步操縱它，例如以 使之與相同類型的其它分子聚集在一起。
[0009] 而且，為了效率起見，分離所希望的分子的過程優(yōu)選地并行地執(zhí)行并且導(dǎo)致大量 的個別地/單獨地分離的分子。不僅對于分離過程，而且對于上文所提到的示例性聚集過 程而言，獲得高度的并行化是重要的。
[0010] 本發(fā)明的另一目的在于滿足這些要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 通過包括根據(jù)獨立權(quán)利要求的裝置、流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和制造所述流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方 法的發(fā)明構(gòu)思、和通過根據(jù)從屬權(quán)利要求的實施例而實現(xiàn)了上文所提到的目的。在本上下 文中，術(shù)語流體應(yīng)被理解為可以由流體流的相互作用而操作。通過提供上述構(gòu)思，獲得了用 于控制在低納米范圍的單個帶電分子或粒子，諸如離子的位置和運動的可靠、高度可縮放 的方案。
[0012] 本發(fā)明的第一方面提供一種裝置，其包括至少一個納米級毛細管和用于施加電壓 的器件，諸如電極，其中所述器件適于當(dāng)施加所述電壓時至少在所述毛細管中形成電場。當(dāng) 施加所述電壓時，可以電控制所形成的電場內(nèi)放置的帶電分子或粒子。此處，術(shù)語電控制帶 電分子或粒子廣義地被解釋為帶電實體、分子、粒子、納米粒子、納米絲或納米結(jié)構(gòu)，其位置 和運動通過電力來調(diào)節(jié)。為了方便起見，貫穿本申請，術(shù)語電壓用于說明施加電場，獨立于 電容或電阻負荷而施加。這些術(shù)語應(yīng)理解為可控制地形成帶電實體所在的溶液或介質(zhì)中的 電位差。
[0013] 本發(fā)明的第二方面提供一種流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其包括至少一個納米級毛細管，其中 所述毛細管定位于流體通道網(wǎng)絡(luò)上并且所述網(wǎng)絡(luò)定位于基板上。
[0014] 本發(fā)明的第三方面提供一種制造流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方法，流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括在流體 通道網(wǎng)絡(luò)上的至少一個納米級毛細管，其中所述方法包括以下步驟：提供基板；隨后在所 述基板上生長至少一個堅直的、基本上一維的納米結(jié)構(gòu)；以及，此后圖案化流體通道網(wǎng)絡(luò)。 該方法還包括以下步驟：淀積至少一個材料層，由此形成由材料層和基板界定的封閉一體 式單元；以及，隨后移除所述封閉一體式單元的內(nèi)部的至少部分以便形成所述毛細管和所 述流體通道網(wǎng)絡(luò)。
[0015] 通過使用所述器件施加合適電壓，形成電梯梯度。這種電位梯度導(dǎo)向至納米級毛 細管并且其也延伸到毛細管內(nèi)。這樣獲得的電位梯度能引導(dǎo)單個帶電分子，諸如帶負電的 DNA分子經(jīng)過到毛細管內(nèi)，因此造成分子的捕集。一旦處于毛細管中，DNA分子可以被固持 于其中。更具體而言，在毛細管最上部段中的電壓值略微小于在毛細管底部處的電壓值。以 此方式，在毛細管中的電位梯度從毛細管的最上部段導(dǎo)向至其底部。然后電壓差有效地將 DNA分子固持在毛細管內(nèi)，S卩，電壓差防止它從毛細管離開。相同的一般原理甚至可以用于 使固持的分子在毛細管內(nèi)移位。在相同的情形下，分子可以從毛細管釋放，例如，通過使電 位梯度的方向反向。由此獲得了對單個帶電分子的位置和運動的前所未有的控制度。取決 于帶電分子的具體位置，能使其進出毛細管。以相同方式，其也能被阻擋不能進出毛細管。
[0016] 為了甚至更好地控制諸如DNA分子這樣的帶電粒子的位置和運動，可以將納米級 毛細管集成到流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)，流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不限制地實施為一體式單元，即，其被整體地 制成。當(dāng)作為流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的部分時，納米級毛細管被定位于流體通道網(wǎng)絡(luò)上，流體通道網(wǎng) 絡(luò)被定位于基板上?？梢砸远喾N方式實現(xiàn)在納米級毛細管與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間的相互作用，例 如通過允許在毛細管與下面的通道網(wǎng)絡(luò)之間的流體連通使得捕獲的分子可以經(jīng)由通道網(wǎng) 絡(luò)以高度受控制的方式遠離網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而被運輸。
[0017] 此外，由于整個流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)定位于基板上并且在所有基本方面獨立于基板性 質(zhì)，則可能將整個結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到另一基板，其性質(zhì)可以針對具體應(yīng)用進行定制。
[0018] 而且，所考慮的通常在標(biāo)準(zhǔn)硅基板上生長的發(fā)明構(gòu)思可以與常規(guī)硅基半導(dǎo)體技術(shù) 兼容，因此易于以低成本可縮放到較大直徑晶片。
[0019] 當(dāng)結(jié)合附圖來閱讀下文的詳細描述時，實施例的另外的優(yōu)點和特征將變得顯然。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一實施例的納米級毛細管的透視圖。
[0021] 圖2a是根據(jù)本發(fā)明的一實施例的納米級毛細管和用于施加電壓的器件的示意截 面圖并且圖2b為由所述器件當(dāng)根據(jù)圖2a布置時所形成的電位梯度的示意截面圖。
[0022] 圖2c至圖2f為示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于施加電壓的器件和納米級毛細 管的不同捕獲配置的示意截面圖。
[0023] 圖3a至圖3c示出了根據(jù)本發(fā)明的一實施例制造所述納米級毛細管的方法。
[0024] 圖4高度示意性地示出了本發(fā)明的流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的示例性部分。
[0025] 圖5示意性地示出了基于本發(fā)明的納米毛細管的納米注射器的一實施例。
[0026] 在圖6a至圖6d中示意性地示出了用以實施圖5的納米注射器的不同方式。
[0027] 圖6e和圖6f示意性地示出了具有（圖6f)用于檢測和操縱分子的集成電極和不 具有（圖6e)集成電極的單個納米注射器/納米陷阱。
[0028] 圖6g為示出了采用納米注射器/納米陷阱/納米毛細管構(gòu)思的組織圖。
[0029] 圖6h至圖6j為病毒和細菌檢測/診斷平臺的實施例的示意圖，示出了 ：（6h)經(jīng)由 流體網(wǎng)絡(luò)特定地用于某些樣本的捕獲/加載引物，（6i)在毛細管內(nèi)捕獲/混合樣品DNA; 以及（6j)在樣品中樣本的納米PCR和檢測(嵌入染料)。
[0030] 圖6k為個體鑒定方法的示意圖：待分析的捕獲目標(biāo)DNA，添加對于不同短串聯(lián)重 復(fù)（STR)序列而言特異/特定的引物，以及進行納米PCR(無需凝膠電泳)。
[0031] 圖61和圖6m為單細胞藥物篩選方法的實施例的示意圖：（61)透明基板被加載例 如癌細胞，在與注射器芯片（底部）的注射器布局匹配的微孔中捕獲癌細胞；（6m)將帶有細 胞的基板壓到注射器芯片上，造成納米注射器緩緩地穿透細胞膜?？梢酝ㄟ^經(jīng)由微流體通 道（A至E)向細胞內(nèi)注射不同藥物/化學(xué)物來執(zhí)行篩選。通過透明基板或者從分析使用納 米注射器從細胞的提取物來觀察細胞對藥物的反應(yīng)。
[0032] 圖6n示出了人體外授精（IVF)方法的實施例：使用納米移液管/注射器將雄性 DNA以受控制量(僅來自單個精子的DNA)直接注射到個別卵細胞內(nèi)，得到比當(dāng)前技術(shù)諸如 ICSI(卵胞漿內(nèi)精子注射）更高的卵授精率和更好的IVF結(jié)果。
[0033] 圖6〇至圖6q示意性地示出了DNA測序樣品制備方法的實施例，（6〇)使用環(huán)繞式 電極來引導(dǎo)單鏈DNA分子進入毛細管內(nèi)；（6p)在成功捕獲后，頂部電極被配置成阻擋另外 的DNA進入，并且經(jīng)由流體網(wǎng)絡(luò)從毛細管下方注射引物分子；以及，（6q)通過加熱所述芯 片，引物可以與俘獲的DNA雜交以形成準(zhǔn)備用于測序的DNA鏈。
[0034] 圖6r為根據(jù)一實施例的納米毛細管溶解和生物測定裝置（NLBD)的示意圖。NLBD 包括500, 000個毛細管的陣列和其它更小陣列。
[0035] 圖6s為圖6r的NLBD的1000個毛細管陣列的特寫圖。
[0036] 圖6t為示出安裝于電路板上的NLBD的照片。
[0037] 圖6u為示出單個毛細管的顯微照片。
[0038] 圖6v為NLBD的側(cè)視示意截面圖。
[0039] 圖6w為示出NLBD的實施例的示意圖，其包括多個納米毛細管陣列的多路復(fù)用 (multiplexing)。
[0040] 圖6x為示出通過納米級毛細管的壓力驅(qū)動的流動的實施例的示意圖。
[0041] 圖7A至圖7D為經(jīng)由電極上的感應(yīng)電荷而感測通過環(huán)繞式電極移動的帶電粒子的 方法實施例的示意圖。
[0042] 圖8為示出連接到至少一個加熱元件的納米毛細管裝置的實施例的示意圖。
[0043] 圖9a至圖9h為示出根據(jù)本發(fā)明的實施例控制納米毛細管裝置中的帶電分子的示 意圖。

【具體實施方式】
[0044] 現(xiàn)在將參考附圖在下文中更全面地描述本發(fā)明，在附圖中示出了優(yōu)選實施例。但 本發(fā)明可以用許多不同形式實施且不應(yīng)被認為限于本文所述的實施例；而是提供這些實施 例使得本公開內(nèi)容將是全面且完整的，且將向本領(lǐng)域技術(shù)人員全面?zhèn)鬟_本發(fā)明的范圍。相 同的附圖標(biāo)記在全文中指代相似元件。
[0045] 圖1為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的納米級毛細管2,即陷阱或注射器的透視圖。所述 毛細管由納米大小管6的外壁4界定。所述管具有敞開的上端和閉合下端(未圖示)。納米 管的內(nèi)徑通常為20微米，S卩，毛細管適合于容納大部分分子種類，但可以設(shè)想到其它大小。 其壁由絕緣體材料，通常氧化物制成，并且具有約20納米的厚度，但也可以使用其它厚度。 取決于具體應(yīng)用，管可以具有數(shù)百納米直至數(shù)微米的長度。在此特定實施例中，用于施加電 壓的器件8被實施為三個環(huán)形結(jié)構(gòu)，其在周向布置于管的外壁上。這些環(huán)形結(jié)構(gòu)8為金屬 電極，即傳導(dǎo)電流的元件。這些電極可以用于在管的毛細管內(nèi)感應(yīng)電場。通常，納米級毛細 管和其相關(guān)聯(lián)的電極為用于對帶電分子諸如DNA分子的位置和運動進行電控制的裝置(在 圖1中未不出）的一部分。
[0046] 在下文中將描述包括根據(jù)上述納米級毛細管的裝置12的用途。在此上下文中， 圖2a為示出根據(jù)本發(fā)明的一實施例的納米級毛細管2和用于施加電壓的器件8的示意截 面圖?？梢钥闯?，所述裝置定位于基板10上，舉例而言，常規(guī)Si基板?？蛇x的輔助層可以 被淀積到基板上。在圖2a中，包括納米級毛細管的裝置被定位于所述可選的輔助層14上。 此處，輔助層構(gòu)成第一電極并且因此為裝置的部分，但同樣可設(shè)想到無輔助層并且具有鄰 近于毛細管底部而定位的專用電極的解決方案。第二電極16靠近于毛細管的敞開端/開 放端而定位。第一電極和第二電極是激活的/有效的，即，它們用于施加電壓，因而在管的 毛細管內(nèi)感應(yīng)電場。所施加的第一電壓和第二電壓彼此略微不同，因此在毛細管中所感應(yīng) 的電場（未圖不）具有一定方向，相對于毛細管較遠(在外部）定位的第三電極18接地。因 此，其電壓為零，并且其能充當(dāng)關(guān)于所感應(yīng)電場的參考點。在又一非限制性實施例(未圖示） 中，該裝置僅設(shè)有兩個電極8、18, 一個電極接地18而另一個電極8感應(yīng)了電場。
[0047] 在圖2b和圖2c中示出了在溶液中自由擴散的DNA分子20的情況下帶電分子的 實際捕獲，其中，用于施加電壓的器件，即電極8、18根據(jù)圖2a而被布置。因此，由三個電 極8、18形成的電位梯度22可以被看成如利用圖2b中的場線(虛線）所示。在此實施例 中，該裝置的兩個電極8a、8b由納米級毛細管2的（多個）非導(dǎo)電側(cè)壁23分離開。（多個） 非導(dǎo)電側(cè)壁23和環(huán)繞式電極8a、8b沿著毛細管2的縱向軸線形成非導(dǎo)電/導(dǎo)電異質(zhì)結(jié) (hetero-junction)。這種電位梯度朝向毛細管2定向并且其也延伸到毛細管內(nèi)。因而獲 得的電位梯度能夠?qū)⑺鰯U散的DNA分子引導(dǎo)到毛細管內(nèi)。因此，如在本領(lǐng)域中已知那樣， DNA分子帶負電，將要向毛細管底部處施加正電壓（V)并且在毛細管的最上部段處施加略 微更小的正電壓（V-dV)以便成功地捕獲DNA分子。
[0048] 如圖2c所示，可以通過設(shè)置外電極18和納米毛細管2的上環(huán)繞式電極8a和下環(huán) 繞式電極8b的電位來配置阻擋電位。通過將外電極18的電位設(shè)置為大于0(\>0)并且將 上環(huán)繞式電極8a設(shè)置在更低電壓（諸如Vg=0)，形成電位梯度，其將阻擋其它帶電分子進入 納米毛細管2的頂部。在圖2c至圖2f中，電壓向左正值更大并且向右負值更大。下電極 8b的電位也可以被設(shè)置為比上環(huán)繞電極8a的電位更大的電位（例如，VX>0)。利用這種電 位的配置，在納米毛細管2中的帶電分子20將被阻擋不能離開納米毛細管2。即，當(dāng)上環(huán)繞 式電極8a的Vg被設(shè)置為比外電極18和下環(huán)繞式電極8b的電位(例如，Vy>0,其中y是i或 x)更低電位（例如，Vg=0)時，納米毛細管20外側(cè)的帶電分子20被阻擋不能進入納米毛細 管并且在納米毛細管內(nèi)側(cè)的帶電分子20被阻擋不能離開納米毛細管20。
[0049] 在圖2d所示的實施例中，在外電極18和環(huán)繞式電極8a、8b上的電位被配置成用 于捕獲或加載毛細管2。例如，當(dāng)V'O,Vg大于Vi(例如，Vg=0)并且Vx大于Vg (例如，Vx>0) 時，帶正電荷的分子20將被吸引到納米毛細管2內(nèi)。
[0050] 在圖2e和圖2f所示的實施例中，在外電極18和環(huán)繞式電極8a、8b上的電位被配 置成用于使毛細管內(nèi)的一個或多個分子朝向電極移位或或者將一個或多個分子20捕獲或 加載和定位于毛細管2中環(huán)繞式電極8a附近。例如，如果Vg=0,并且Vx和\都是負的，帶 正電的分子20將被吸引到納米毛細管2內(nèi)。能通過改變在上環(huán)繞式電極8a與下環(huán)繞式電 極8b之間的電位差來調(diào)整在納米毛細管中的分子20的位置。
[0051] 在一實施例中，施加電壓的電極8被配置成在毛細管2與外部位置之間形成電位， 使得電位場線始于毛細管2內(nèi)側(cè)并且終止于毛細管2外側(cè)。在一實施例中，該裝置還包括 電極，電極施加內(nèi)部電位，內(nèi)部電位被定位成使得電位場線始于并且終止于毛細管內(nèi)側(cè)。
[0052] 從上文可以理解，所生成的捕獲力具有在水平面和堅直平面中的電泳分量。在此 情況下，電泳將被理解為粒子在空間均一電場的影響下相對于流體的運動。而且，所捕獲的 粒子在物理上由界定所述毛細管的管壁而約束到毛細管。
[0053] -旦處于毛細管中，DNA分子可以被固持于其中。更具體而言，只要電位梯度的方 向不變，所捕獲的分子不能從毛細管逸散出來。通過改變毛細管的縱向方向上的電壓，所固 持的分子可以在毛細管內(nèi)移位。此外，捕獲的分子可以從毛細管釋放，例如，通過使電位梯 度的方向反向。
[0054] 雖然僅已關(guān)于帶負電分子對裝置的工作展開描述，將了解對于帶正電分子也可實 現(xiàn)了所描述的功能。顯然，這將會需要所施加電壓的極性變化。
[0055] 最后，利用上文所描述的裝置獲得對單個帶電分子的位置和運動的前所未有的控 制程度。實際上，直徑小至1納米的帶電分子和粒子可以利用所述裝置成功地受控制。
[0056] 在相同情形下，可以由施加的電壓水平或者施加的電壓頻率確定捕獲、固持、釋放 和移位中的任一個。特別地，通過合適地調(diào)整所施加的電壓，即，通過使之與所捕獲的分子 的共振頻率匹配，可以使捕獲的分子以較大振幅振蕩，并且可能甚至從毛細管出來。該裝置 的選擇性可以用許多方式得到改進。因此，可以調(diào)諧捕獲，即，施加的電壓也可以被調(diào)整，使 得僅捕獲預(yù)定量的電荷。此外，在俘獲分子時，施加的電壓可以被設(shè)置成使得防止了俘獲額 外分子。以此方式，可以在任何情形下僅捕獲單個分子。由此極大地改進了裝置的多功能 性。
[0057] 根據(jù)具體應(yīng)用和/或化學(xué)性，通過添加非導(dǎo)電鈍化層，在電壓感應(yīng)電極與毛細管 內(nèi)部之間的界面可以被從歐姆行為調(diào)諧成電容行為?？梢允褂美缭訉拥矸e來淀積鈍化 層，其中可以在原子水平上調(diào)諧精確厚度。
[0058] 此外，本發(fā)明的創(chuàng)新性構(gòu)思可與流行的CMOS技術(shù)兼容。因此，基板可以被定制以 便獲得某種特定功能性，例如，控制電子器件，并且能例如控制電壓感應(yīng)柵電極。
[0059] 圖3a至圖3c依序示出了制造根據(jù)本發(fā)明的一實施例的所述納米級毛細管的示例 性、因此非限制性的方法。為了簡單起見，圖示方法已經(jīng)以限制性方式被分成三個主要階 段。它們?yōu)榧{米絲生長，設(shè)置電極和形成納米級毛細管本身。
[0060] 在圖3a所示的第一階段，首先，設(shè)置基板31。舉例而言，所述基板可以由硅、在氧 化物上的硅（SOI)、藍寶石或合適的111-V族化合物半導(dǎo)體制成。顯然，對于工業(yè)應(yīng)用而言， 基板可以被適合于制造例如集成電路的晶片所替換。在圖3a至圖3c的示例性方法中，輔助 層在所述基板上生長32。所述輔助層充當(dāng)緩沖物，S卩，其調(diào)適在基板的結(jié)晶結(jié)構(gòu)與隨后生長 的結(jié)構(gòu)之間的差異。這個層通常在111-V族化合物半導(dǎo)體諸如InAs中做出。其厚度在100 納米至一微米的范圍。隨后，在輔助層上生長33-種堅直的、基本上一維的納米結(jié)構(gòu)，諸如 納米絲或納米管。在此示例中，所述納米結(jié)構(gòu)是在高產(chǎn)率VLS工藝(蒸氣-液體-固體）中 催化生長的納米絲，其中金粒子用作催化劑并且也允許精確地定位未來的納米絲。這樣生 長的納米絲的直徑基本上與催化粒子的直徑具有相同量值。因此，生長的納米絲的厚度可 以被精確地控制。對于由生長持續(xù)時間所決定的其長度而言同樣如此。對于所考慮的應(yīng)用， 制造所述納米級毛細管，納米絲的所需厚度通常大約在10納米與50納米之間，而生長的納 米絲的長度在0.5與2微米之間。此處，生長的納米絲由與輔助層（InAs)相同的材料制成， 但同樣可設(shè)想到適合于納米絲生長的任何其它半導(dǎo)體材料。一旦已生長了所需尺寸的納米 絲，在整個輔助層上淀積34材料層，通常使用原子層淀積（ALD)，使得輔助層和納米絲完全 變得被密封。這種材料通常是電介質(zhì)，即，可以被所施加的電場極化的電絕緣體。通常，使 用氧化鋁（A1203)，但可以使用具有電介質(zhì)性質(zhì)的甚至其它材料，諸如二氧化硅（Si02)和二 氧化鉿（Hf02)。淀積層的厚度在2納米與200納米之間變化。
[0061] 在圖3b所示的第二階段，其中設(shè)置電極，另一層首先施加35到淀積的電介質(zhì)層頂 部上。所述層的一個目的在于提供結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由此納米絲變得至少部分地嵌入于所施加 的層中。所述施加的層在此實施例中由光致抗蝕劑材料諸如S1813制成，其通常被旋涂到 電介質(zhì)層上。隨后從納米絲的非嵌入部分移除36先前淀積的電介質(zhì)。隨后淀積37另一材 料層，至少在緊鄰納米絲的區(qū)域中。由此形成實施為柵電極的電極，其在周向包圍納米絲。 舉例而言，所述柵電極由諸如鎢的金屬、多晶硅或硅化物制成。在此實施例中，先前描述的 輔助層構(gòu)成第一電極，但同樣可設(shè)想到專用電極類似于柵電極生長并且定位于離所述柵電 極一定距離處，優(yōu)選地鄰近于納米絲的基部，即，未來毛細管的底部。
[0062] 在圖3c所示的第三階段，其中形成納米級毛細管，淀積38電介質(zhì)諸如A1203的另 一層。其目的之一是為了確保先前形成的柵電極的充分電分隔。隨后，淀積39 了光致抗蝕 劑材料的另一層。在下一步驟中，通過移除迄今形成的結(jié)構(gòu)的最上部段，例如通過使用濺 射，使納米絲在徑向暴露40。在隨后的步驟中，移除41納米絲，例如蝕刻掉(干式或濕式） 納米絲材料，因此形成管狀納米結(jié)構(gòu)，其基本上界定納米級毛細管。輔助層充當(dāng)電極，在所 形成的柵電極旁側(cè)。
[0063] 將了解該方法并不限于制造具有單個柵電極的納米級毛細管。相反，上文描述的 制造納米級毛細管的過程易于修改成包括多個柵極的構(gòu)造。一個電極可以被配置成經(jīng)由在 所述電極上的感應(yīng)電荷而感測穿過環(huán)繞式電極移動的帶電粒子或者可以被配置為電位探 針從而使得由于納米毛細管中或納米毛細管緊鄰處的化學(xué)反應(yīng)所致的帶電粒子的濃度變 化可以由感測電極或電子探針(例如，圖6A所示的探針62)感測到。
[0064] 所述過程的又一易于做出的修改是形成下面的流體通道網(wǎng)絡(luò)，其定位于基板或輔 助層上。以此方式，形成流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其包括由納米管界定的納米級毛細管和流體通道網(wǎng) 絡(luò)，其中所述網(wǎng)絡(luò)在基本上水平方向延伸并且如先前所討論的所述毛細管在基本上堅直方 向延伸。在圖4中示出了本發(fā)明的流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一部分的高度地示意性的示例?？梢钥?出，在定位于基板10上的輔助層14中已形成了兩個彼此垂直的通道42、44(以箭頭示出）。 就此而言，這些通道也可被成形為使得它們一直向下堅直延伸到基板，即，在此方向上輔助 層被完全移除。作為替代，在堅直方向上延伸的輔助層的一部分被保留并且可以具有特定 功能性，例如用以充當(dāng)用于施加電壓的器件。通道相交的位置同時也是已生長被移除的納 米絲的位置，即納米級毛細管的位置。在此實施例中，外結(jié)構(gòu)46具有縮窄形狀，而其內(nèi)部 (在圖4中看不到）根據(jù)先前的實施例基本上為管。因此，通過在毛細管與相應(yīng)通道之間建 立/形成流體連通，通過相應(yīng)通道流動的流體可以進出納米級毛細管。以此方式，以結(jié)合圖 2a和圖2b在上文所描述的方式捕獲于毛細管中的帶電粒子和/或分子可以被運走。這進 一步增加了所要求保護的裝置的多功能性。替代地，合適的粒子和/或分子可以由通過通 道結(jié)構(gòu)流動的所述流體引入到毛細管內(nèi)。如果這些表面下的通道被連接到儲集器，這種應(yīng) 用是特別有益的。
[0065] 通過可選地在輔助層中圖案化流體通道網(wǎng)絡(luò)，隨后如上文所描述淀積至少一個材 料層來實現(xiàn)流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所述材料主要由電介質(zhì)材料諸如A1203組成，使得形成了封閉一 體式單元，即，整體制成的單元。在下一步驟，所述封閉一體式單元的內(nèi)部的至少部分，即納 米絲以及輔助層的至少部分如先前所解釋那樣經(jīng)由在徑向暴露的納米絲而被移除，例如蝕 刻掉，以便形成所述納米級毛細管和所述流體通道網(wǎng)絡(luò)。
[0066] 上文所提到的流體通道網(wǎng)絡(luò)的圖案化包括(但不限于）在輔助層中形成通道模板 使得已經(jīng)生長納米絲的位置與通道模板的至少一個部段相交。更具體而言，通過在輔助層 上的至少一部分上設(shè)置抗蝕劑，之后在抗蝕劑中形成潛像，例如通過電子束光刻，并且隨后 使所述抗蝕劑顯影使得抗蝕劑的適當(dāng)區(qū)域被移除來形成通道模板。在最終步驟中，對應(yīng)于 這些移除區(qū)的輔助層的部分在移除納米絲的同一蝕刻過程中被蝕刻掉。以此方式，在毛細 管與下面的通道網(wǎng)絡(luò)之間建立/形成流體連通，由此則流體流進出納米級毛細管。此外，為 了額外控制，基板和/或輔助層可以設(shè)有電和/或流體通路。術(shù)語通路此處被理解為基本 上堅直連接。而且，電路可以嵌入于基板和/或輔助層中。因此，捕獲的帶電分子，諸如DNA 分子，可以經(jīng)由通道網(wǎng)絡(luò)和流體通路以高度地受控制的方式從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)運走。這種運輸通 常受到嵌入式電路控制。通過提供包括用于捕獲帶電分子的納米級毛細管和下面的流體通 道網(wǎng)絡(luò)的流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，獲得用于控制帶電分子或粒子的位置和運動的另一手段。輔助層 也可以用于放置其它部件諸如LED或HEMT結(jié)構(gòu)和/或不同類型的傳感器。
[0067] 在另一實施例中，通過提供基板，在所述基板上生長至少一個堅直的、基本上一維 的納米結(jié)構(gòu)和圖案化一種流體通道網(wǎng)絡(luò)，之后淀積至少一個材料層，從而形成由材料層和 基板界定的封閉一體式單元，并且最后移除所述封閉一體式單元的內(nèi)部的至少部分以便形 成所述毛細管和所述流體通道網(wǎng)絡(luò)，來制造出包括在流體通道網(wǎng)絡(luò)上的至少一個納米級毛 細管的流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
[0068] 如果具體應(yīng)用需要，則流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以是定制的。就此而言，如果當(dāng)生長流體網(wǎng) 絡(luò)結(jié)構(gòu)時使用輔助層，定制的結(jié)構(gòu)可以與下面的基板分離開。因此，因而分離的結(jié)構(gòu)可易于 從原始基板轉(zhuǎn)移到另一基板，其性質(zhì)可以被定制，即，例如使之柔軟、硬、柔韌、不透明或透 明中的任一種或組合，以便使之最佳地用于所考慮的應(yīng)用。
[0069] 上文所描述的流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以用微小的修改并且在不偏離本發(fā)明的精神的情 況下變成具有很多應(yīng)用領(lǐng)域的集成系統(tǒng)。更具體而言，這種集成系統(tǒng)的封閉結(jié)構(gòu)應(yīng)被成形 為使得其可以充當(dāng)納米大小的注射器。這種在Si基板上生長的納米注射器50在圖5中示 意性地示出。通過在基板或輔助層上合適地布置多個這樣的具有柵電極或不具有柵電極的 納米注射器，并且利用下面的通道網(wǎng)絡(luò)使它們互連，形成一種集成系統(tǒng)。因為基于納米絲的 納米毛細管是生物相容的，這種系統(tǒng)可以具有廣泛用途，例如用以表征細胞生物學(xué)，用于從 細胞提取DNA和用于藥物注射到單細胞內(nèi)。更具體而言，通過將所述系統(tǒng)的通道連接到儲 集器和通過利用納米毛細管非侵入地穿透細胞，變得可能將分子注射到細胞本身內(nèi)。舉例 而言，在儲集器中所儲存的溶液中自由地擴散的分子能通過電泳或壓力驅(qū)動的流動而被驅(qū) 動到通道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)并且隨后到納米毛細管內(nèi)。所述系統(tǒng)也可以應(yīng)用于微流體和基因測序中， 這種系統(tǒng)提供用于處置液體、氣體、二者的混合物以及液體或氣體懸浮液和氣溶膠的方便 平臺。
[0070] 對于高容量應(yīng)用而言，集成系統(tǒng)固有地能具有顯著處理量。更具體而言，通過在預(yù) 定位置處形成整個納米毛細管陣列以及形成網(wǎng)格狀通道網(wǎng)絡(luò)并且對于每個納米毛細管而 言允許通道網(wǎng)絡(luò)的兩個部段在此預(yù)定位置處相交，因此有效地連接所有納米毛細管，實現(xiàn) 了大規(guī)模的并行化。以此方式，可以同時分析和/或管理大量樣本。這種并行化可以如上 文關(guān)于圖2所討論那樣，通過提供具有各種類型選擇性(例如關(guān)于電荷量和/或粒子或分子 大小方面的選擇性）的所述系統(tǒng)來進行補充，從而進一步改進其性能。
[0071] 集成系統(tǒng)可以包括與下列零件中至少一個相連接的至少一個毛細管陣列的組合： 腔室、儲集器、流體通道、流體網(wǎng)絡(luò)、加熱器、溫度傳感器、控制芯片或ccd芯片。也可行的是 使系統(tǒng)模塊化，其中上述零件中的一個或多個可以分離或者由不同零件替換。以此方式，毛 細管陣列可以被配置成具有用于不同功能的不同零件。
[0072] 帶電測試分子或粒子可以是(但不限于）DNA、RNA、蛋白質(zhì)、細菌、真菌、官能分子、 緩沖物、酶、化學(xué)物、標(biāo)記、引物。其中的某些可以通過流體靜力壓力/流動而分布。
[0073] 運輸功能包括加載、保持、釋放、注射、進入、離開、阻擋、選擇和分離/隔離。某些 功能諸如"轉(zhuǎn)移"和"注射"可以通過流體靜力壓力以及電力地來進行。
[0074] 可以在毛細管或在腔室中、或流體通道中執(zhí)行功能反應(yīng)，官能化 (functionalization)或操縱和分析，包括(但不限于）PCR、qPCR、標(biāo)記、雜交、烙體分析、轉(zhuǎn) 錄和逆轉(zhuǎn)錄。
[0075] 如上文所示，定位納米絲和因此定位納米毛細管而且也在此系統(tǒng)中通道網(wǎng)絡(luò)的延 伸可以確定地受到控制。這特別適用于需要高準(zhǔn)確度的應(yīng)用。舉例而言，這些要求在其中 整個集成系統(tǒng)將要位于晶片上的情形下，所謂的芯片上系統(tǒng)的方案中是相關(guān)的。這種系統(tǒng) 然后將會通常包括甚至控制電子器件。
[0076] 此外，圖6a所示的另一可設(shè)想到的應(yīng)用是使用形成的納米注射器并且做出電子 探針62。這通過在納米毛細管的頂部上淀積金屬層64來實現(xiàn)?？蛇x地，并且如在圖6b中 示意性地示出，納米毛細管的內(nèi)部然后可以被填充導(dǎo)電材料66,即金屬或退化地摻雜的半 導(dǎo)體。基于這種納米毛細管的注射器也可以裝配有任何數(shù)量的柵極。電子探針62可以用 于感測被注射到細胞內(nèi)或從細胞提取的帶電物質(zhì)。電子探針62可以是圍繞毛細管的環(huán)繞 式電極。
[0077] 在圖6c中示意性地示出了定位于輔助層上的納米注射器，所述層用于放置諸如 LED或HEMT結(jié)構(gòu)67的部件和/或不同類型的傳感器。
[0078] 對于在光學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，可以選擇在透明材料中的基板68。此外，注射器的內(nèi)部 可以被填充透明材料。在圖6d中示意性地示出了這種配置，包括多個柵電極。
[0079] 在圖6e至圖6x中示出了額外實施例，這些結(jié)構(gòu)的顯著特征中的某些特征包括： ?納米注射器和納米毛細管陷阱可以呈很大陣列經(jīng)由從下到上、從上到下過程的組合 而產(chǎn)生(超過十億/cm2)，其將允許大規(guī)模并行(或大規(guī)模依序）處理； ?個別納米注射器和納米毛細管陷阱可以被合成，具有小至l〇nm的可選的內(nèi)徑腔但具 有長達數(shù)微米的長度； ?多個環(huán)繞柵極或環(huán)形電極可以與每個納米注射器50/納米陷阱集成以經(jīng)由離子泵55 (參看圖6e和圖6f)提供分子、蛋白質(zhì)、病毒和DNA鏈的控制流動。在圖6e和圖6f所示的 實施例中，納米毛細管2無縫地連接到至少一個納米級腔室或孔52。替代地，納米毛細管2 和/或納米級腔室2無縫地連接到納米-通道網(wǎng)絡(luò)。如本文所用的術(shù)語"無縫"表示附連 邊界或粘合劑層（即，接縫）并不存在于納米毛細管2與腔室或網(wǎng)絡(luò)之間。納米毛細管2和 納米級腔室52的無縫連接可以當(dāng)移除納米絲以形成納米毛細管（圖3c，步驟41)時通過移 除在納米毛細管2下方的輔助層(在圖3a中形成，步驟32)的至少一部分來制成。以此方 式，在同一步驟中制成納米毛細管2和納米級腔室52,防止形成接縫，如果該結(jié)構(gòu)已通過將 帶有納米級腔室52的單獨基板結(jié)合到從生長基板移除的納米毛細管裝置而形成則將會造 成接縫。 ?若需要，可以在注射器/陷阱之間和之中制成納米流體通道和網(wǎng)絡(luò)，以遞送或移除不 同的可能藥物組合、細胞或其它物質(zhì)； ?個別納米裝置控制是可能的； ?使用常見的金屬-有機化學(xué)氣相淀積（MOCVD)反應(yīng)器腔室在低成本和普遍易得的大 直徑硅基板上實現(xiàn)合成，允許開發(fā)出能力很強的"芯片上實驗室"。
[0080] 如下而制造如圖6e和圖6f所示的裝置的納米級腔室52。在圖3a所示的納米絲 周圍淀積非導(dǎo)電材料(參看圖3a，步驟34)，步驟33,形成納米毛細管壁和可選地腔室52的 頂壁。納米絲和至少一部分緩沖層然后在圖3c所示的步驟41中蝕刻。腔室52形成于緩 沖層已被蝕刻掉的位置。以此方式，毛細管2和納米級腔室52的壁和/或流體網(wǎng)絡(luò)在單個 淀積和蝕刻過程中形成。即，這個過程并不需要單獨地制造兩個或更多個零件并且然后將 它們結(jié)合在一起。然而，在替代實施例中，（多個）納米級腔室52可以在與納米毛細管的生 長基板分離開的單獨基板中制造。在此方法中，納米毛細管與生長基板分離開并且然后結(jié) 合到包含納米級腔室52的單獨基板上。
[0081] 毛細管的高縱橫比/深寬比（aspectratio)和nm級直徑特別適合于操縱和檢測 分子鏈諸如DNA和蛋白質(zhì)。本
【發(fā)明者】已成功地證明/展示在毛細管內(nèi)俘獲DNA鏈和通過測 量電荷來檢測DNA鏈的能力。通過使用高密度毛細管陣列(每cm2百萬至十億)，且每個毛細 管可以被定址，這可以被配置為具有并行和依序能力的分子生物處理器。
[0082] 圖6g為示出了納米注射器/納米陷阱/納米毛細管構(gòu)思的應(yīng)用的組織圖600。實 施例包括DNA捕獲610和單細胞操縱620。DNA捕獲610的實施例包括對于來自病毒或細 菌的DNA的現(xiàn)場分析612以便利并且加速傳染病的診斷、排除了電泳的瞬時DNA序型分析/ 分型（profiling) 614、DNA過濾和針對DNA測序的準(zhǔn)備616和個體化/個性化用藥618,僅 提及幾個例子。納米注射器可以用于可控制地注射分子到活細胞內(nèi)和從活細胞提取分子， 而不會出現(xiàn)細胞破裂和損壞。單細胞操縱620的實施例包括藥物篩選622、體外授精（IVF) 624、細胞重編程616和個體化用藥628。
[0083] 生物處理器芯片可以被配置成使得不丟失樣本，例如，在生物樣品內(nèi)，若需要，可 以檢測并且處理所有DNA分子。這為樣品樣本很有限的情況下做出突破做好了準(zhǔn)備，包括 難以到達的組織活檢細胞，諸如腦癌。也能在其中希望"捕捉所有"生物物質(zhì)并且處理它的 應(yīng)用中得到突破。這里的應(yīng)用客包括法醫(yī)犯罪現(xiàn)場調(diào)查、生物恐怖主義檢測和爆炸物檢測。 其它重要的短期應(yīng)用包括過濾和分選蛋白質(zhì)。
[0084] 生物芯片可以與同一芯片上更先進的微流體網(wǎng)絡(luò)相集成以用于在護理點處所遞 送的個體化藥物和醫(yī)藥應(yīng)用中。
[0085] 下列為示例性應(yīng)用： 〇從病毒或細菌捕獲DNA和現(xiàn)場(護理點）芯片上實驗室分析以輔助并且加速傳染病的 診斷，例如HIV和其它病毒性疾?。?〇現(xiàn)場(護理點）的廉價、快速周轉(zhuǎn)親子鑒定(芯片上實驗室）； 〇用于警察和其它執(zhí)法機關(guān)和監(jiān)禁機構(gòu)的法醫(yī)現(xiàn)場DNA鑒定(芯片上實驗室)。就像在 20世紀(jì)30年代檢測和警察實驗室所使用指紋那樣，每個人具有獨特的DNA指紋。不同于 僅在指尖上存在并且可以通過外科手術(shù)更改的常規(guī)指紋，DNA指紋對于一個人的每個細胞、 組織和器官相同。其不能通過任何已知的處理而被更改。因此，DNA指紋識別快速變成用 于在人類個體之中進行識別并且區(qū)分的主要方法，"DNAFingerprintinginHumanHealth andSociety，'，見http://www.accessexcellence.org/RC/AB/BA/DNA_Fingerprinting_ Basics,php,也參看DNAForensics,www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/elsi/forensics.shtml〇 o制備用于DNA測序的樣品 〇將樣本注射到細胞內(nèi)以用于進行大量并行或依序單細胞研究用于藥物開發(fā)和/或藥 物篩選 〇改進的輔助人體外授精過程(將來自單個精子的DNA插入于單個卵子內(nèi)） 〇個體化用藥診斷以擴增針對難以到達的細胞諸如腦細胞等的組織結(jié)果。 〇其它診斷和特定位點治療 〇完全DNA測序，比目前可能的情況顯著更快并且更廉價得多。
[0086] 在圖6h和圖6q中示出了這些應(yīng)用。例如，如在圖6h和圖6i中所示，根據(jù)一實施 例，可以向納米級毛細管2提供病毒或細菌DNA630。接下來用于檢測具體病毒或細菌樣本 的引物632被添加到納米毛細管2。在納米毛細管2中可執(zhí)行反應(yīng)聚合酶鏈反應(yīng)(在圖6h 中示出）以擴增DNA630以輔助檢測。可選地，染料分子，諸如熒光分子可以附著到引物上 以進一步輔助檢測DNA630。在圖6j所示的實施例中，在基板上提供納米毛細管2的陣列 640。在此實施例中，可以向每個納米毛細管提供不同引物632。以此方式，可以同時針對 若干不同的病毒或細菌而分析樣品。圖6k示出了人個體鑒定方法的實施例。目標(biāo)DNA20 首先被捕獲在納米毛細管2中。然后添加對于不同短串聯(lián)重復(fù)（STR)序列特異的引物634 并且進行納米PCR。在這種方法中，無需凝膠電泳。
[0087] 圖61和圖6m示出了單細胞藥物篩選方法的實施例。在圖61的方法中，透明基板 650被加載例如癌細胞65,癌細胞652在微孔654中被捕獲，微孔654與注射器芯片652的 注射器布局匹配。如在圖6m所示，帶有細胞652的基板650被壓到注射器芯片656上造成 納米注射器50緩緩地穿透相應(yīng)細胞652的細胞膜?？梢越?jīng)由微流體通道（A至E)向細胞 內(nèi)注射不同藥物/化學(xué)物來執(zhí)行篩選。可以通過透明基板或者從使用納米注射器50對于 來自細胞的提取物進行的分析來觀察細胞對于藥物的反應(yīng)。在圖61和圖6m中示出的裝置 為流體系統(tǒng)，流體系統(tǒng)包括納米毛細管的陣列和至少一個相鄰結(jié)構(gòu)，至少一個相鄰結(jié)構(gòu)包 括下列中的任一個：腔室、樣品板、生物細胞保持器、通道網(wǎng)絡(luò)、溫度傳感器、加熱元件、冷卻 兀件或光學(xué)檢測器。
[0088] 圖6n示出了人體外授精（IVF)的方法的實施例。在這種方法中，使用納米移液管 /注射器50來將雄性DNA660以受控制的量(例如，僅來自單個精子的DNA)直接注射到個 別卵細胞662內(nèi)。結(jié)果是比諸如卵胞漿內(nèi)精子注射（ICSI)664這樣的當(dāng)前技術(shù)更高的卵授 精率和更好的IVF結(jié)果。
[0089] 圖6〇-6q示意性地示出DNA測序方法的一實施例。如在圖6〇中所示，待分析的 DNA20被提供到納米毛細管2。然后使用環(huán)繞式電極8a、8b來引導(dǎo)單鏈DNA分子20到毛細 管2內(nèi)。在此實施例中，DNA是帶電的。在環(huán)繞式電極8a、8b之間設(shè)置電位，電位吸引帶電 DNA分子20。在成功捕獲后，配置頂部電極8,例如，使在頂部電極8與上電極8b之間的電 位反向，以阻擋另外的DNA進入，并且經(jīng)由流體網(wǎng)絡(luò)從圖6p中的納米毛細管2下方注射引 物分子634。如果DNA分子在毛細管2內(nèi)側(cè)，當(dāng)電位反向時，其受到阻擋不能離開納米毛細 管2。通過加熱芯片，引物634能與所俘獲的DNA20雜交以形成準(zhǔn)備在圖6q中測序的DNA 鏈。然后可以通過調(diào)整頂部電極和下電極的電壓以產(chǎn)生電梯度來使DNA分子20離開納米 毛細管2,電梯度使帶電DNA分子離開納米毛細管2。
[0090] 在圖6i至圖6w中示出了額外實施例。這些實施例涉及NLBD、將生物測定的多路 復(fù)用能力與q-PCR的敏感性和量化能力相組合的分子分析器裝置。NLBD是手持的一件式 單元，其能通過USB連接或藍牙無線連接而被連接到計算裝置。NLBD的實施例包括溶解細 胞、執(zhí)行PCR和生物測定的能力。在芯片內(nèi)電子地執(zhí)行q-PCR并且納米毛細管-傳感器的 敏感性使得能在5分鐘內(nèi)或更短時間獲得結(jié)果（陽性/陰性)。細胞可以在位于手持裝置中 或者位于與納米毛細管陣列相同芯片上的反應(yīng)腔室680 (圖6v)中被溶解。在一實施例中， 可以在納米毛細管中執(zhí)行溶解(例如，除了待溶解的生物材料之外，向納米毛細管添加溶解 劑)，諸如對于小生物實體，諸如病毒。核心技術(shù)是基于從犧牲性納米絲所合成的納米毛細 管-傳感器陣列，犧牲性納米絲能在多達每cm2有20億個裝置的大規(guī)模陣列中電子地吸引、 捕獲并且感測分子物質(zhì)。該單元可以具有不同配置，取決于使用者對于多分析物DNA檢測 的需要/希望。
[0091] NLBD的應(yīng)用包括，但不限于： ?多分析物DNA檢測，護理點； ?在微型生物芯片上快速、高敏感性多分析物擴增的DNA檢測 ?生物芯片特征 1. 用于DNA分析物的樣品腔室 2. 用于PCR化學(xué)的流體腔室/網(wǎng)絡(luò) 3. DNA納米毛細管陷阱和電氣檢測系統(tǒng) ?具有電讀出的qPCR能力 ?利用分離的納米毛細管陣列的大量多路復(fù)用能力 ?在受限的微型生物芯片上將測定的多路復(fù)用強度與PCR的敏感性和量化能力相組合 ?所有生物物質(zhì)被約束在一單元中，并且自動進行分析且經(jīng)由USB連接或藍牙無線連 接而對分析加以控制 ?在5分鐘內(nèi)或更短時間得出結(jié)果（陽性/陰性)。
[0092] 在圖6r至圖6w中示出的實施例的優(yōu)點包括： -手持、便攜式單元 _自動化并且計算機化 -快速分析（5分鐘） -對生物物質(zhì)的約束 _無污染 -無擴增DNA的損失 -特異性100% -無假陽性/無誤報 -高敏感性99% -無假陰性/無漏報 -最小化學(xué)物使用（皮升） _低成本(無昂貴的光學(xué)器件)。
[0093] 圖6r為根據(jù)一實施例的納米毛細管溶解和生物測定裝置670 (NLBD)的示意圖。 在一實施例中，NLBD670可以包括數(shù)千(例如，50, 000至500萬，諸如100, 000至1百萬， 例如500, 000)毛細管的陣列并且可選地包括其它更小陣列672。NLBD可以根據(jù)需要包括 具有更多或更少納米毛細管的陣列。圖6s示出了圖6r的NLBD的1000個毛細管陣列672 的特寫視圖。圖6t為示出了安裝到電路板674上的NLBD670的照片。
[0094] 圖6u為示出單個納米毛細管2的顯微照片。在此實施例中，納米毛細管2具有大 約40nm的直徑。然而，納米毛細管可以被制成具有更大或更小直徑，諸如在1至40nm，5至 25nm，50 至 250nm，和 50_500nm之間。
[0095] 圖6v為NLBD670的側(cè)視示意截面圖。NLBD670包括下基板676,下基板676包 括微孔677,在微孔677中可以測定生物樣品。如上文所討論那樣，細胞可以在鄰近于納米 毛細管2的腔室680中溶解。在此實施例中，微米級孔的底部可以被形成于與納米毛細管 裝置的生長基板分離的單獨基板676中。毛細管和納米級腔室可以從生長基板移除并且然 后結(jié)合到單獨基板676,單獨基板676包含更大(微觀）腔室/微孔677,在與制造出納米級 毛細管和納米級腔室/孔的過程分離的過程中限定更大(微觀）腔室/微孔677。
[0096] 圖6w是示出包括多個納米毛細管陣列640的多路復(fù)用的NLBD670的實施例的示 意圖。在一實施例中，可以獨立地控制個別陣列640。以此方式，一個或更多個陣列可以被 配置成用以根據(jù)需要針對相同或不同的生物物質(zhì)進行分析。即，NLBD670可以被分成單獨 部分(納米毛細管陣列640)以用于執(zhí)行并行化功能。
[0097] 圖6x為示出使用壓力驅(qū)動流動通過納米級毛細管的實施例的示意圖。在此實施 例中，不帶電的分子20可以通過納米毛細管2串流。在此實施例中，不需要跨越整個環(huán)繞式 電極8a、8b上而形成電位梯度以造成分子通過納米毛細管2流動?？蛇x地，如果分子20是 帶電的，環(huán)繞式電極8a、8b的電位可以被配置成輔助帶電分子20通過納米毛細管2串流。
[0098] 對于壓力驅(qū)動的實施例，通過納米毛細管的通過時間/渡越時間（transittime) t是納米毛細管2的長度L、通過納米毛細管2的流體的粘度ii、跨越整個納米毛細管2上 的壓降A(chǔ)F和納米毛細管2的半徑r的函數(shù)，如在下面的方程式1中所示： 方程式1

【權(quán)利要求】
1. 一種裝置，其包括至少一個納米級毛細管和用于施加電壓的器件，所述器件適于當(dāng) 施加所述電壓時至少在所述毛細管中形成電場，使得當(dāng)施加所述電壓時，置于所形成的電 場內(nèi)的帶電分子或粒子能受電控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述帶電分子或粒子定位于溶液中并且 所述帶電分子或粒子的所述電控制包括其在所述毛細管內(nèi)捕獲、固持、釋放和移位中的至 少一種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，捕獲、固持、釋放和移位中的任一個由所 施加電壓的水平?jīng)Q定。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2至3中任一項所述的裝置，其特征在于，捕獲、固持、釋放和移位中的 任一個由所施加電壓的頻率決定。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所述用于施加電壓的器件包 括至少兩個電極。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項所述的裝置，其特征在于，所述捕獲可以調(diào)諧為僅捕獲 預(yù)定量的電荷。
7. -種流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其包括至少一個納米級毛細管，所述毛細管定位于流體通道網(wǎng) 絡(luò)上，所述網(wǎng)絡(luò)定位于基板上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)在基本上水平方向上 延伸并且所述毛細管在基本上堅直方向上延伸。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述基板包括電和/或流體 通路和/或電路。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項所述的流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述流體網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)為一體式單元。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述單元主要由一種材料制 成。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的流體網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述材料為電介質(zhì)，諸如A1A。
13. 根據(jù)權(quán)利要求7至12中任一項所述的流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述流體網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)可以從所述基板轉(zhuǎn)移。
14. 一種制造流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方法，所述流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括在流體通道網(wǎng)絡(luò)上的至少 一個納米級毛細管，所述方法包括以下步驟： 提供基板， 在所述基板上生長至少一個堅直的、基本上一維的納米結(jié)構(gòu)， 圖案化流體通道網(wǎng)絡(luò)， 淀積至少一個材料層，由此形成由材料層和基板所界定的封閉一體式單元， 移除所述封閉一體式單元的內(nèi)部的至少部分以便形成所述毛細管和所述流體通道網(wǎng) 絡(luò)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述淀積層主要由一種材料構(gòu)成。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的方法，其特征在于，其還包括以下步驟：提供用于施 加電壓的器件使得電場至少形成于所述毛細管中。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14至16中任一項所述的方法，其特征在于，其還包括以下步驟：將 電和/或流體通路和/或電路并入于所述基板中。
18. -種納米注射器，其包括中空納米絲。
19. 一種生物材料陷阱，其包括中空納米絲。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18至19中任一項所述的裝置，其特征在于，所述中空納米絲包含鄰 近于所述納米絲的柵電極。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18至20中任一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置用于細胞操縱 或DNA捕獲、制備和/或測序。
22. 根據(jù)權(quán)利要求18或20中任一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置用于細胞操縱 以用于藥物篩選、系統(tǒng)生物學(xué)、細胞重編程、個體化用藥或組織工程學(xué)。
23. -種用于進行下列中至少一項的流體方法：使用電場來在納米毛細管中保持、俘 獲分子或?qū)⒎肿訌募{米毛細管釋放出來。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，其還包括：執(zhí)行溶解和/或聚合酶鏈?zhǔn)?反應(yīng)（PCR)。
25. -種用于進行下列中至少一項的流體裝置：使用電場來在納米毛細管中保持、俘 獲分子或?qū)⒎肿訌募{米毛細管釋放出來。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于，其還包括：鄰近于所述納米毛細管的加 熱器。
27. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于，其還包括：在所述納米毛細管外側(cè)的對 電極和鄰近于所述納米毛細管的至少一個電極。
28. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，納米級毛細管包括非導(dǎo)電側(cè)壁，用于施 加電場的器件包括至少一個導(dǎo)電環(huán)繞式電極，其中所述非導(dǎo)電側(cè)壁和所述環(huán)繞式電極沿著 所述毛細管軸線形成非導(dǎo)電/導(dǎo)電異質(zhì)結(jié)。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其特征在于，至少一個導(dǎo)電電極位于所述納米級毛 細管外部。
30. 根據(jù)權(quán)利要求28或29所述的裝置，其特征在于，所述至少一個納米級毛細管無縫 地連接到至少一個納米級腔室。
31. 根據(jù)權(quán)利要求28至30中任一項所述的裝置，其特征在于，所述至少一個納米級毛 細管和/或至少一個納米級腔室無縫地連接到納米通道網(wǎng)絡(luò)。
32. 根據(jù)權(quán)利要求28至31中任一項所述的裝置，其特征在于，向所述至少一個導(dǎo)電環(huán) 繞式電極施加電位差造成電操縱至少一個帶電粒子以進出所述毛細管或者受阻擋不能進 出所述毛細管。
33. 根據(jù)權(quán)利要求28至32中任一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括第二導(dǎo) 電環(huán)繞式電極，其配置成用以經(jīng)由所述第二導(dǎo)電環(huán)繞式電極上的感應(yīng)電荷而感測通過所述 第二導(dǎo)電環(huán)繞式電極移動的帶電粒子。
34. 根據(jù)權(quán)利要求28至33中任一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括第二導(dǎo) 電環(huán)繞式電極，其配置為電位探針以感測由于所述納米毛細管中或者所述納米毛細管緊鄰 處的化學(xué)反應(yīng)所造成的帶電粒子的濃度變化。
35. 根據(jù)權(quán)利要求28至34中任一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置連接到微米級 腔室和/或通道網(wǎng)絡(luò)。
36. 根據(jù)權(quán)利要求28至35中任一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置附連到基板，其 中所述基板包括選自絕緣體、金屬或半導(dǎo)體的無機或有機材料，并且其中所述基板是不透 明的、透明的和/或柔性的。
37. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，所述裝置連接到至少一個熱檢測器。
38. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，所述裝置連接到至少一個加熱元件。
39. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，所述裝置連接到至少一個冷卻元件。
40. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，由壓力造成所述裝置內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)移。
41. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，用于施加電壓的器件配置成用以在所述 毛細管與外部位置之間形成電位，使得電場線始于所述毛細管內(nèi)側(cè)并且終止于所述毛細管 外側(cè)。
42. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的裝置，其特征在于，其還包括：用于施加內(nèi)部電位的器件， 其定位成使得所述電場線始于和終止于所述毛細管內(nèi)側(cè)。
43. 根據(jù)權(quán)利要求41或42中任一項所述的裝置，其特征在于，用于施加電壓的器件或 用于施加內(nèi)部電位的器件中的至少一個是電極。
44. 根據(jù)權(quán)利要求43所述的裝置，其特征在于，用于施加電壓的器件或用于施加內(nèi)部 電位的器件中的至少一個是環(huán)繞式電極。
45. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的裝置，其特征在于，所述至少一個納米級毛細管具有非導(dǎo) 電側(cè)壁并且至少一個導(dǎo)電環(huán)繞式電極沿著毛細管軸線形成非導(dǎo)電/導(dǎo)電異質(zhì)結(jié)。
46. 根據(jù)權(quán)利要求41至44中任一項所述的裝置，其特征在于，帶電分子或粒子受電控 制以進出所述毛細管、從所述毛細管捕獲、固持于所述毛細管中、從所述毛細管釋放、受阻 擋不能進入所述毛細管或在所述毛細管內(nèi)移動。
47. 根據(jù)權(quán)利要求41至46中任一項所述的裝置，其特征在于，所述至少一個毛細管在 兩端敞開。
48. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的裝置，其特征在于，所述裝置配置成通過壓力驅(qū)動的流動 來轉(zhuǎn)移流體。
49. 根據(jù)權(quán)利要求41至48所述的裝置，其特征在于，其還包括：額外的用于施加電位 的器件，其配置成使得所述場線可以終止于所述毛細管外部在所述毛細管的相對端處。
50. 根據(jù)權(quán)利要求41至49中任一項所述的裝置，其特征在于，所述毛細管形成注射器， 注射器用于將分子注射到生物物質(zhì)內(nèi)和從生物物質(zhì)提取分子。
51. 根據(jù)權(quán)利要求41至50中任一項所述的裝置，其特征在于，其還包括：電傳感器，其 配置成用以檢測釋放的電荷或者經(jīng)過所述毛細管中電極的電荷。
52. 根據(jù)權(quán)利要求51所述的裝置，其特征在于，所述傳感器包括環(huán)繞所述毛細管的環(huán) 繞式電極。
53. -種陣列結(jié)構(gòu)，其包括根據(jù)權(quán)利要求28至52中任一項所述的裝置。
54. -種流體系統(tǒng)，其包括根據(jù)權(quán)利要求53所述的陣列結(jié)構(gòu)，并且還包括具有下列中 任一個的至少一個相鄰結(jié)構(gòu)：腔室、樣品板、生物細胞保持器、通道網(wǎng)絡(luò)、溫度傳感器、加熱 元件、冷卻元件或光學(xué)檢測器。
55. 根據(jù)權(quán)利要求54所述的流體系統(tǒng)，其特征在于，所述陣列結(jié)構(gòu)或所述至少一個相 鄰結(jié)構(gòu)分成用于并行化功能的單獨部分。
56. 根據(jù)權(quán)利要求54或55中任一項所述的流體系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個相鄰 結(jié)構(gòu)和所述陣列結(jié)構(gòu)可以彼此分離。
57. 根據(jù)權(quán)利要求54至56中任一項所述的流體系統(tǒng)，其特征在于，所述陣列結(jié)構(gòu)的裝 置無縫地連接到所述至少一個相鄰結(jié)構(gòu)之一，所述相鄰結(jié)構(gòu)為腔室或通道網(wǎng)絡(luò)之一。
58. 根據(jù)權(quán)利要求54至57中任一項所述的流體系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)連接到基 板，其中所述基板包括選自絕緣體、金屬，或半導(dǎo)體的無機或有機材料，并且其中所述基板 是不透明的、透明的和/或柔性的。
59. 根據(jù)權(quán)利要求54至58中任一項所述的流體系統(tǒng)，其特征在于，所述陣列結(jié)構(gòu)位于 膜中。
60. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括第二導(dǎo)電環(huán)繞式電極， 所述第二導(dǎo)電環(huán)繞式電極與所述至少一個導(dǎo)電環(huán)繞式電極間隔開。
61. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的生物材料陷阱，其特征在于，所述生物材料陷阱包括DNA陷 阱。
62. -種流體方法，其使用根據(jù)權(quán)利要求1至6或者28至61中任一項所述的裝置來用 于在納米毛細管中保持、俘獲分子或從納米毛細管釋放分子。
【文檔編號】B01L3/00GK104379261SQ201380031445
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月16日
【發(fā)明者】J.奧爾松, M.比約爾克 申請人:昆南諾股份有限公司