[发明专利]具有复合纳米孔的纳米传感器芯片

说明书

用于检测和/或量化液体样品中的靶分子的纳米传感器芯片包括半导体或其他衬底和一个或多个电极结构。衬底具有一个或多个复合纳米孔，称为“复合孔”。每个复合孔是在衬底中形成的孔并且包括多个纳米孔。每个纳米孔都用固定的探针分子功能化，用于检测靶分子。对于每个复合孔，相应的电极结构布置在衬底上。电极结构具有相对于复合孔的形状和位置，以跨复合孔中的所有纳米孔施加电场并且为通过复合孔中的所有纳米孔的聚集电流提供导电路径。聚集电流响应于液体样品中的靶分子与作为电场函数的探针分子结合而变化。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年4月12日提交的美国专利申请第16/383,491号的权益，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

已经开发了纳米移液管来检测液体样品中的生物分子。当前的纳米移液管传感器具有单个漏斗形结构，探针分子位于该结构的内壁上。纳米移液管传感器浸入液体样品中，并在传感器上施加电场。当以特定电压施加电场时，靶分子会与探针分子结合。这种结合会导致跨纳米移液管传感器的可检测电流变化。

当前由石英玻璃毛细管制成的纳米移液管传感器具有显着的缺点。它们难以大规模制作和制造。它们也很脆弱，很容易损坏。此外，单个纳米移液管变化很大，必须单独校准以获得准确的结果。纳米移液管吸头在重复使用后也会出现化学和电降解，这会严重影响性能并限制重复使用。

发明内容

本文公开了一种用于检测和/或定量液体样品中的靶分子的纳米传感器芯片。纳米传感器芯片包括半导体衬底，在半导体衬底中形成有一个或多个复合纳米孔。每个复合纳米孔是孔，其包括多个纳米孔，每个纳米孔都用固定的探针分子功能化。探针分子用于检测液体样品中的靶分子。复合纳米孔在本文中被称为“复合孔”。

每个复合孔在半导体衬底上具有相应的电极结构。电极结构具有相对于复合孔的形状和位置，使得电极结构能够跨复合孔中的所有纳米孔施加电场。电极结构还提供用于检测通过复合孔中所有纳米孔的聚集电流的导电路径。检测到的聚集电流响应于液体样品中的靶分子与探针分子的结合而发生变化，该结合是所施加电场的函数。

例如，如果液体样品包括一些靶分子(例如，生物流体样品中的特定病毒蛋白)，则当跨复合孔施加特定的电场(或电压)时，靶分子会与纳米孔中的探针分子结合。当施加特定电场时，选择使复合孔功能化的探针分子以结合特定靶分子。靶分子与探针分子的结合改变了纳米孔开口的电特性，这会导致通过复合孔的聚集电流发生变化。给定的探针分子-靶分子配对在特定电场强度或电场强度范围的存在下结合。如果液体样品不包括靶分子并且施加电场，则不会有聚集电流变化。此外，如果施加不同于特定电场强度或范围的电场，则靶分子不会与探针分子结合，并且没有聚集电流变化。

复合孔结构提供比现有纳米移液管传感器更高水平的可靠性。例如，如果复合孔中的一个纳米孔被阻塞或堵塞，则基于靶分子与另一未阻塞纳米孔中的探针分子的结合来检测聚集电流变化。此外，如果给定复合孔中的纳米孔没有被探针分子均匀地功能化，例如，一些纳米孔具有较高浓度的探针分子而其他纳米孔具有较低浓度的探针分子，则当检测液体样品中靶分子的存在时，跨所有纳米孔的聚集电流的变化平均浓度的变化。由于这种更高的可靠性，复合孔传感器比以前的纳米移液管传感器更准确和可靠。

纳米传感器芯片可以具有优于纳米移液管技术的其他优点。特别是，纳米传感器芯片可以高效且廉价地大规模制造。整个芯片晶片可以同时用探针分子功能化，其中先前的纳米移液管被单独功能化。由于提高了一致性，单个芯片可用于校准整个芯片晶片，而不是单独校准纳米移液管。

其他方面包括与上述任何一个相关的组件、设备、系统、改进、方法、过程、应用和其他技术。

附图说明

附图(图)1是具有多个复合孔的纳米传感器芯片的俯视图。

图2是单个复合孔的透视图。

图3A是单个复合孔的顶视图。