納米流體場(chǎng)效應(yīng)裝置包括具有第一面和第二面的通道、與所述第一面鄰近的第一組電極、與所述第二面鄰近的第二組電極、用于對(duì)所述電極施加電位的控制單元以及所述通道內(nèi)的包含帶電分子的流體。所述第一組電極被設(shè)置為使得：電位的施加產(chǎn)生空間上變化的電場(chǎng)，該電場(chǎng)將帶電分子限制在所述通道的預(yù)定區(qū)域內(nèi)。所述第二組電極被設(shè)置為使得：相對(duì)于對(duì)所述第一組電極施加的所述電位的電位的施加產(chǎn)生這樣的電場(chǎng)，該電場(chǎng)將所述帶電分子限制到遠(yuǎn)離所述通道的所述第二面的區(qū)域。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國(guó)外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)一般而言涉及納米電子學(xué)，更具體地涉及納米流體場(chǎng)效應(yīng)裝置(nano-fluidic field effective device)以及用于帶電分子的受控傳輸?shù)姆椒ā?br>技術(shù)介紹
期望開發(fā)不太昂貴的人類基因組測(cè)序(sequencing)。例如，人類基因組的測(cè)序可以通過輔助個(gè)性化醫(yī)學(xué)的開發(fā)而有益于人類衛(wèi)生保健。利用當(dāng)前的納米電子裝置的制造技術(shù)，有可能設(shè)計(jì)合成納米級(jí)裝置以對(duì)DNA進(jìn)行操控、檢測(cè)甚至測(cè)序，其可允許不太昂貴的人類基因組測(cè)序。圖I示出了根據(jù)本領(lǐng)域已知技術(shù)的未覆蓋的納米流體裝置的俯視圖。電極101和102提供偏置電場(chǎng)以將帶電分子從順式腔(cis chamber) 103驅(qū)動(dòng)到反式腔(trans chamber) 104。帶電分子被驅(qū)動(dòng)通過納米孔105。將傳感器構(gòu)建到納米孔105中以在DNA被驅(qū)動(dòng)通過納米孔105時(shí)感測(cè)DNA堿基(base)。由于納米孔的結(jié)構(gòu)和必要尺寸，很難制造根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的納米流體裝置。而且，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的納米流體裝置不能充分限制或適應(yīng)(conform)納米孔內(nèi)的DNA，導(dǎo)致DNA堿基的有損感測(cè)。因此，需要改進(jìn)的納米流體裝置和方法來控制DNA的傳輸，以允許更好地感測(cè)DNA喊基。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
因此，本專利技術(shù)的實(shí)施例提供一種納米流體場(chǎng)效應(yīng)裝置。該裝置包括具有第一面和第二面的通道、與所述通道的所述第一面鄰近的第一組電極以及用于將電位施加到電極的控制單元。所述第一組電極中的所述電極被設(shè)置為使得對(duì)所述第一組電極的所述電位的施加產(chǎn)生空間上變化的電場(chǎng)，該電場(chǎng)將帶電分子限制在所述通道的預(yù)定區(qū)域內(nèi)。本專利技術(shù)的另一個(gè)實(shí)施例提供一種在納米流體場(chǎng)效應(yīng)裝置中控制帶電分子的方法。沿所述納米流體場(chǎng)效應(yīng)裝置中的通道的流軸(flow axis)方向施加第一電場(chǎng)，以驅(qū)動(dòng)帶電分子從其中通過。施加第二電場(chǎng)以將所述帶電分子限制到所述通道內(nèi)的預(yù)定區(qū)域。本專利技術(shù)的另一個(gè)實(shí)施例提供一種納米流體場(chǎng)效應(yīng)裝置。該裝置包括具有第一面和第二面的通道、與所述通道的所述第一面鄰近的第一組電極、與所述通道的所述第二面鄰近的第二組電極以及用于將電位施加到電極的控制單元。所述第一組電極中的電極被設(shè)置為使得對(duì)所述第一組電極的所述電位的施加產(chǎn)生空間上變化的電場(chǎng)，該電場(chǎng)將帶電分子限制在所述通道的預(yù)定區(qū)域內(nèi)。所述第二組電極中的所述電極被設(shè)置為使得相對(duì)于對(duì)所述第一組電極施加的所述電位而對(duì)所述第二組電極的所述電位的施加產(chǎn)生這樣的電場(chǎng)，該電場(chǎng)將所述帶電分子限制到遠(yuǎn)離所述通道的所述第二面的區(qū)域。附圖說明圖I示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的未覆蓋的納米流體裝置的等距(isometric)視圖；圖2示出了根據(jù)本專利技術(shù)實(shí)施例的納米流體場(chǎng)效應(yīng)裝置的示意圖；圖3示出了根據(jù)本專利技術(shù)實(shí)施例的納米流體場(chǎng)效應(yīng)裝置的通道結(jié)構(gòu)的等距放大視圖；圖4示出了根據(jù)本專利技術(shù)實(shí)施例的其中限制有單個(gè)帶電分子的納米流體場(chǎng)效應(yīng)裝置的通道的等距放大視圖；圖5示出了根據(jù)本專利技術(shù)實(shí)施例的產(chǎn)生更好的聚焦電場(chǎng)的金屬電極的設(shè)計(jì)；圖6示出了根據(jù)本專利技術(shù)實(shí)施例的用于對(duì)DNA進(jìn)行測(cè)序的感測(cè)區(qū)域的設(shè)計(jì)；以及圖7示出了根據(jù)本專利技術(shù)實(shí)施例的用于控制納米流體場(chǎng)效應(yīng)裝置中的帶電分子的方法的流程圖。·具體實(shí)施例方式在本專利技術(shù)中，帶電分子被驅(qū)動(dòng)通過納米或微米流體通道，且電場(chǎng)被用于限制帶電分子，控制其構(gòu)型(conformation)并使其沿著通道傳輸。帶電分子可以是長(zhǎng)鏈聚合物，諸如多股脫氧核糖核酸(DNA)。通過將DNA限制、適應(yīng)并傳輸通過通道，可將感測(cè)裝置構(gòu)建為允許相對(duì)不太昂貴且快速的DNA測(cè)序。圖2示出了根據(jù)本專利技術(shù)實(shí)施例的納米流體場(chǎng)效應(yīng)裝置200的示意圖。納米流體場(chǎng)效應(yīng)裝置200包括控制單元201和通道結(jié)構(gòu)202，底電極203和頂電極204被設(shè)置在通道結(jié)構(gòu)內(nèi)。控制單元201控制對(duì)底電極203和頂電極204施加的電位，以便可產(chǎn)生電場(chǎng)以將帶電分子驅(qū)動(dòng)通過通道結(jié)構(gòu)將帶電分子限制在通道結(jié)構(gòu)內(nèi)的預(yù)定區(qū)域內(nèi)。圖3示出了根據(jù)本專利技術(shù)實(shí)施例的納米流體場(chǎng)效應(yīng)裝置200的通道結(jié)構(gòu)202的等距放大視圖。順式腔電極101和反式腔電極102施加電位，使得產(chǎn)生的電場(chǎng)將帶電分子301從順式腔103 (在圖I中示出)加載到通道結(jié)構(gòu)202的通道302中。在帶電分子301被驅(qū)動(dòng)通過通道302之后，由電極101和102施加的電場(chǎng)將帶電分子301拖出通道302并拖入到反式腔104 (圖2中示出)。第一組電極301-315被設(shè)置在基板303的表面上并鄰近通道302的第一面304。第一組電極310-315中的電極被設(shè)置具有梳狀圖形。通過利用諸如310和311的叉指狀齒將電位施加到梳狀電極對(duì)，可在y方向(也被稱為水平方向)產(chǎn)生空間上變化的聚焦場(chǎng)Ef，用于將帶電分子301限制在通道302的預(yù)定區(qū)域或子槽(subslot)內(nèi)。如圖所示，通過包括具有叉指狀齒310-315的梳狀電極上的多個(gè)齒，可產(chǎn)生多個(gè)子槽，使得同等數(shù)量的帶電分子301可被驅(qū)動(dòng)通過單個(gè)通道302。在圖2中示出在第一組電極301-315上的電壓設(shè)定的例子。第一組電極310-315中的相鄰電極(例如311和312)還可提供偏置電場(chǎng)Ed以沿X方向(也被稱為流軸方向)驅(qū)動(dòng)帶電分子301。因此，被施加有電位的第一組電極310-315可產(chǎn)生這樣的電場(chǎng)，該電場(chǎng)約束(constrain)并驅(qū)動(dòng)帶電分子301。當(dāng)具有叉指狀齒的梳狀電極對(duì)(例如310和311)之間的電壓差是0. 2V時(shí)，用于DNA 的電俘獲能(electric trapping energy) U 是 0. 2 | e | V (I’/I。) 800kBT，其中 e 是一個(gè)電子電荷，kB是玻耳茲曼常數(shù)，T是溫度，I0是相鄰的磷酸基(phosphate group)之間的間隔，且I’是梳狀電極中每個(gè)“齒”的長(zhǎng)度( 50nm)。該計(jì)算假設(shè)DNA沒有在俘獲電位阱中蜿蜓，這可在由梳狀電極的窄“齒”產(chǎn)生的俘獲電位阱中得到滿足。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，通道302的深度為約50nm，寬度為Ium且長(zhǎng)度是10um。通道302和子槽的尺寸可適應(yīng)于在裝置中使用的帶電分子301的尺寸。通道302至少具有第一面304和第二面305，也被分別稱為底面和頂面。通道的底面可以是基板303的表面，或如圖所示，單獨(dú)的部件306可形成通道302。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，通道302的底面304被涂覆有合適的聚合物以減小帶電分子301上的摩擦。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，第一組電極310-3 15與通道302的底面304之間的距離較小，例如為約3nm以允許在通道302的底面304上的強(qiáng)聚焦Ef和偏置電場(chǎng)Ed。第二組電極320-322被設(shè)置在膜307上并鄰近通道302的第二面305。第二組電極320-322中的每個(gè)電極與第一組電極310-315中的梳狀電極對(duì)相對(duì)。例如，電極320與電極310和311相對(duì)。相對(duì)于第一組電極310-315上的電壓，第二組電極320-322上的電壓被施加為產(chǎn)生垂直電場(chǎng)Ep以將帶電分子301限制或移動(dòng)到通道302的遠(yuǎn)離第二面305 (也被稱為通道302的底面)的區(qū)域。垂直電場(chǎng)Ep不僅限制帶電分子301的垂直運(yùn)動(dòng)，而且，在單股DNA (ssDNA)的情況下，也使每個(gè)ssDNA堿基的偶極子動(dòng)量沿z方向(也被稱為垂直方向)對(duì)準(zhǔn)。由此，在三維電場(chǎng)中產(chǎn)生的ssDNA構(gòu)型是線性的，且ssDNA骨干(backbone)接觸通道302的本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
【技術(shù)特征摘要】
【國(guó)外來華專利技術(shù)】...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：B·欒，G·J·馬蒂娜，D·紐恩斯，S·波隆斯基，G·A·斯托洛維基，H·彭，S·羅斯納格爾，S·哈雷爾，A·阿夫扎利阿爾達(dá)卡尼，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司，
類型：
國(guó)別省市：
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