CN109313157A

CN109313157A - 纳米孔传感器、包括传感器的结构和装置、以及形成和使用它的方法

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Publication number: CN109313157A
Application number: CN201780037937.8A
Authority: CN
Inventors: 巴拉什·塔库拉帕里
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-04-19
Filing date: 2017-04-19
Publication date: 2019-02-05
Anticipated expiration: 2037-04-19
Also published as: WO2017184790A1; CN109313157B; US20190145950A1; EP3446113A1; US11977069B2; US20250116650A1; EP3446113A4

Abstract

本公开提供了一种改进的装置，其可用于感测和表征多种材料。该装置可用于多种应用，包括基因组测序，蛋白质测序，生物分子测序和离子、分子、化学品、生物分子、金属原子、聚合物、纳米颗粒等的检测。

Description

纳米孔传感器、包括传感器的结构和装置、以及形成和使用它的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年4月19日提交的名称为“制造和使用用于感测和生物聚合物测序的场效应纳米孔晶体管的方法”的美国临时专利申请序列号62/324352的权益，其公开内容以与本文不冲突的程度通过引用结合到本文中。

发明领域

本公开一般涉及用于表征化学和生物化合物的结构和装置。更具体地，本公开涉及适用于检测和/或表征各种材料的传感器和装置，以及形成和使用传感器和装置的方法。

背景技术

可采用不同传感器来检测和/或表征材料，例如生物学、化学和/或放射性材料。例如，已经开发了纳米孔或纳米沟道传感器来检测和表征(例如，测序)生物材料，例如DNA。

DNA序列是DNA链的一端到另一端的碱基的线性序列。读取这种线性信息链的最简单和最直接的方法是在链的一个点对其进行连续探测/读取，从头到尾一次一个碱基。生物或固态纳米孔通过将DNA穿过孔并在DNA通过纳米孔时一次一个地读取(检测)碱基来实现这一目的。通常，纳米孔测序既不需要DNA扩增，也不需要在当前NGS测序仪中使用的其他耗时且昂贵的步骤。

目前正在商业化的大多数纳米孔测序技术基于离子电流阻塞测序和蛋白质纳米孔平台。正在开发的其他纳米孔测序方法包括：具有固态纳米孔、石墨烯纳米孔的离子电流阻塞方法，基于隧道电流的测序，基于光学染料的纳米孔测序等。

几乎所有当前的纳米孔测序方法都受到某些基本技术限制。这些包括：

(1)低测序精确度：纳米孔测序的主要优点是DNA序列信息在纳米孔径处的定位，即，当DNA穿过纳米孔时纳米孔处可获得的完整序列信息。然而，由于可用的纳米孔碱基传感技术的低灵敏度，目前的纳米孔测序方法不能有效地感知和区分通过的DNA碱基。结果，当前的纳米孔测序方法产生针对高背景噪声测量的低振幅碱基信号(或低信噪比读数)，从而引入5％或更多的显著测序错误。

(2)低测序速度：纳米孔测序的第二个主要优点是DNA以每秒百万碱基的速度自然地通过纳米孔(易位)。如果我们能够以如此高的每秒兆碱基速度感知和读出DNA碱基，则可以使用仅仅数千个纳米孔的阵列在15分钟内轻松测序全基因组(2x3千兆碱基)。然而，目前的纳米孔测序方法未能以如此高的速度检测碱基，因此使用方法(例如使用聚合酶棘轮作用)将DNA减慢至每秒十至数百个碱基。这事实上增加了系统复杂性，测序时间并且引入了用于全基因组测序的百万纳米孔阵列的需要。

(3)制造复杂：在十万至百万纳米孔的规模上整合固态孔、脂质双层样膜、蛋白质纳米孔、聚合酶(用于棘轮作用和减慢DNA)是技术和制造挑战。鉴于这些纳米孔测序平台的新颖性，实现超高保真装置制造是不可行的，这反过来限制了测序精度。

(4)生物污染和振动破坏：基于蛋白质纳米孔的测序仪通常需要冷链并且由于生物污染的可能性而具有保质期问题，并且在运输和处理期间还易于受到振动破坏。

这些可能是目前进入市场的基于离子电流阻塞的测序仪报告高错误率(>5％)的原因。类似地，基于石墨烯纳米孔和隧穿电流的纳米孔测序方法灵敏度低，具有1/f&f²噪声，需要高保真亚2nm制造，而这在当前并不存在。

因此，需要一种用于快速测序和/或表征的低成本、高质量的解决方案。这种低成本的技术可以带来真正的个性化诊断和个性化治疗，以及更好地了解疾病及其原因。因此，需要其中装置、仪器、试剂、时间成本和其他资源的累积总成本相对较低的装置和方法，即能够在一段时间内监测突变的桌面测序仪，其使较贫穷的国家能进行基因组测序。

发明内容

本公开提供了可用于感测和表征各种材料的改进的装置和传感器。该装置和传感器可用于多种应用，包括基因组测序，蛋白质测序，生物分子测序和离子、分子、化学品、生物分子、金属原子、聚合物、纳米颗粒等的检测。例如，该装置可用于检测未修饰的蛋白质，DNA和其他生物分子或已经用化学标签或金属原子标签、纳米颗粒标签、杂交标记物等修饰的蛋白质、DNA、生物分子。这种检测和表征又可以用于诊断疾病。

根据本公开的各种实施方式，形成装置的方法包括提供包含半导体层的基材，蚀刻基材的部分以形成基材蚀刻区域，使用半导体层的第一部分形成源区，使用半导体层的第二部分形成漏区，使用半导体层的第三部分形成沟道，以及在半导体层内形成一个或多个纳米孔。根据这些实施方式的示例性方面，提供基材的步骤包括提供包含半导体材料的基材，例如硅，绝缘体上的硅，蓝宝石上的硅，碳化硅上的硅，金刚石上的硅，氮化镓(GaN)，绝缘体上的GaN，砷化镓(GaAs)，绝缘体上的GaAs，锗或绝缘体上的锗，或绝缘体材料上的其他半导体，例如绝缘体材料上的多层半导体(例如，硅或其他上述的那些)。根据这些实施方式的其他方面，该方法还包括在其他半导体层中形成一个或多个蚀刻区。根据其他方面，该方法包括形成覆盖半导体层内的蚀刻区并与之对准的自对准结构。示例性方法还包括形成掺杂区的步骤-例如，用于形成装置的源区和漏区。根据其他示例性方面，在自对准结构周围形成间隔物。并且，根据本公开的其他示例，在围绕自对准结构的半导体层内形成沟槽。示例性方法还可以包括形成栅极氧化物(可以包括垂直和/或水平部分)。示例性方法可以进一步包括形成栅极层，该栅极层可以进一步图案化。示例性方法还可以包括封装器件的一部分(例如，栅区)的步骤。该方法还可以包括形成栅极触件，源极触件和漏极触件。示例性方法还包括形成(例如，自对准)纳米孔的步骤。根据这些实施方式的又一些示例性方面，方法包括形成纳米或微沟道。并且，根据其他方面，可以在一个或多个纳米孔周围形成多个装置。根据这些实施方式的又一些方面，使用湿蚀刻剂形成一个或多个纳米孔，其中纳米孔形成由以下中的一个或多个控制：(1)电流反馈监测(2)电容测量监测(3)化学停止蚀刻，其中蚀刻剂-化学品在形成纳米孔后与另一种化学品混合并失去蚀刻活性，所述另一种化学品例如缓冲剂或酸性溶液；和(4)形成纳米孔后蚀刻剂-化学品与另一种化学品混合时的材料-聚集体如盐或聚合物的形成，其中材料-聚集体物理地阻止进一步的纳米孔形成。根据其他方面，在形成一个或多个纳米孔期间，基于以下测量中的一个或多个，在形成一个或多个纳米孔之前停止蚀刻：电流测量，电容测量，电阻测量，电导测量，或通过监测残留膜中光、离子束、紫外光、红外光、电子束的透射和/或吸收和/或反射。

根据本公开的其他实施方式，装置包括基材，在基材的部分内形成的蚀刻区，靠近蚀刻区的绝缘层，覆盖绝缘层形成的半导体层，使用半导体层的第一部分形成的源区，使用半导体层的第二部分形成的漏区，使用半导体层的第三部分形成的沟道，其中沟道跨越源区和漏区之间，和在半导体层内形成的一个或多个纳米孔。根据其他方面，基材选自硅、绝缘体上的硅，蓝宝石上的硅，碳化硅上的硅，金刚石上的硅，GaN，绝缘体上的GaN，砷化镓(GaAs)，绝缘体上的GaAs，锗或绝缘体上的锗或绝缘体材料上的其他半导体，例如绝缘体材料上的多层半导体(例如，硅或上述其他)。根据这些实施方式的各个方面，沟道围绕一个或多个纳米孔。根据其他方面，在基材的相同表面上形成源极触件，漏极触件和栅极触件中的两个或更多个(例如，全部三个)。根据其他方面，该装置包括与沟道相邻的栅极氧化物层。栅极氧化物层可包括垂直和/或水平部分和/或C形或V形部分。所述装置还可包括涂覆于沟道并覆盖沟道的一个或多个敏感层和/或薄膜，所述一个或多个敏感层和/或薄膜包含选自下述的一种或多种材料：化学品或生物化学品或蛋白质纳米孔，有机材料，无机材料，介电材料，金属，半导体，石墨烯和二硫化钼(MoS₂)或类似的其他2D材料。示例性装置可进一步包括密封剂以封装装置。密封剂可包括一个或多个开口，以允许材料与装置接触。根据其他方面，该装置包括在装置的一个或多个表面上形成的一个或多个纳米或微流体沟道。并且，根据这些实施实施方式的其他示例，通过将装置堆叠在其他装置上来形成多个装置，例如，使用3D装置技术(例如通过将一个制造的装置层转移到另一个装置层上)来实现。根据本公开的其他示例性实施方式，方法包括形成与栅极层接触的半导体沟道，没有栅极氧化物，形成类似MESFET的装置，使用栅极层能够控制半导体沟道并使用这些装置进行生物聚合物表征或测序。

根据本公开的其他示例性实施方式，传感器装置包括基材，在基材内形成的纳米孔，围绕纳米孔的多个装置，其中多个装置中的每一个响应于检测到穿过纳米孔的一个或一个或多个离子、原子、分子或颗粒产生信号(例如，机械信号、电子信号和/或光学信号)。多个设备可以在2到100个之间，在2到12个之间，在2到8个装置之间，或者在4到8个装置之间。多个装置中的每一个可以是场效应传感器，等离子体传感器，干涉传感器，波导传感器，基于激光的传感器，悬臂传感器，声学传感器，QCM传感器，超声波传感器，机械传感器，热传感器，荧光传感器，光学染料基传感器，量热传感器，光计量传感器，量子点传感器，量子阱传感器，石墨烯传感器，MoS₂传感器，2D材料传感器，纳米管传感器，纳米线传感器，酶传感器，电化学传感器，电位计量传感器，和电导计量传感器或电容传感器或电子自旋传感器。在一个实施方式中，多个传感器中的一个或多个是等离子体传感器。因此，围绕纳米孔形成金或银或其他等离子体材料的离散岛或图案的阵列，并且使用熟悉本领域的技术人员已知的方法将其用于生物聚合物表征和/或测序，例如但不限于描述于：用于疾病检测的等离子体传感器-综述(Plasmonic Sensors for Disease Detection-A Review)，Barizuddin S,Bok S,和Gangopadhyay S,J Nanomed Nanotechnol 2016,7:3http://dx.doi.org/10.4172/2157-7439.1000373。

在一个实施方式中，多个装置中的一个或多个可以是场效应传感器并且包括靠近纳米孔的沟道区，源区和漏区，其中源区在包括纳米孔的层的第一表面附近形成，并且漏区在包含纳米孔的层的第二表面附近形成。多个装置中的一个或多个可包括垂直和/或C形(凹形或凸形)和/或V形和/或水平栅极结构。在基材的相同表面上形成两个或更多个(例如，全部三个)源极触件，漏极触件和栅极触件。双链DNA和/或RNA形成具有已知上升、扭曲和螺距的螺旋结构。单链DNA和/或RNA也在特定溶液条件下形成螺旋结构。此外，已知DNA和/或RNA形成具有已知参数的三链和四链。当DNA通过由多个传感器装置包围的纳米孔时，随着DNA旋转并穿过纳米孔，可以使用连续的传感器装置检测DNA和/或RNA的上升和扭曲。围绕纳米孔的多个装置中的给定装置在约每次DNA行进等于螺距的距离时与DNA和/或RNA的一侧/一部分/一边缘/一碱基相互作用。碱基之间的传感器相互作用距离的增加提高了碱基检测和测序的分辨率，从而实现更高的精度。

多个装置可用于检测或测序分子、生物聚合物、DNA、RNA、多肽、蛋白质和脂质中的一种或多种，或检测单链DNA或双链DNA或多链DNA或蛋白质或多肽或修饰的蛋白质的旋转，或测序单链DNA/RNA或双链DNA/RNA或测序多链DNA或测序蛋白质或多肽或修饰的蛋白质，或检测分子或化学物质或生物聚合物或DNA或蛋白质或RNA或双链DNA上的电势或电荷或功函数或偶极矩，用于测序或生物标记物检测或诊断目的，或通过在双链DNA旋转并通过一个或多个纳米孔时感测连续DNA碱基或DNA碱基修饰物来表征或测序双链DNA，其中在双链DNA的任何给定侧/角度上的碱基与碱基的距离约为3.5nm，在一侧/角度上碱基与碱基分离的增加提供了用于表征或测序的碱基的区分检测。

根据其他实施方式，方法包括提供如本文所述的一种或多种装置(包括传感器装置)，使生物或化学物质通过一个或多个纳米孔中的一个，并且使用一种或多种装置检测当物质通过一个或多个纳米孔中的一个时的信号。根据这些实施方式的各个方面，所述物质选自以下一种或多种：生物物质，化学物质，有机或无机物质，颗粒或离子。根据其他方面，表征包括测序。测序可以是，例如，测序DNA、RNA、蛋白质、多肽、聚糖、脂质和其他生物聚合物中的一种或多种。根据其他方面，表征包括下述的一种或多种：检测表观遗传标记物或表观遗传因子，例如但不限于DNA甲基化、乙酰化、组蛋白修饰，检测蛋白质突变和/或蛋白质的翻译后修饰，检测离子或小的化学或生物分子的转运，将完全折叠的3D蛋白质或蛋白质片段从n端到c端延伸为连续氨基酸串，然后对其进行测序，将完整蛋白质片段化为部分或多肽，然后测序几个或所有片段化的部分或多肽，将完整蛋白质片段化为部分或多肽，修饰完整蛋白质或片段，然后检测蛋白质或片段化部分上的修饰物。

根据本公开的其他示例性实施方式，诊断疾病的方法包括使用本文描述的任何方法、装置或传感器。根据这些实施方式的各个方面，该疾病包括癌症。根据这些实施方式的各个方面，该疾病包括自体免疫疾病。根据这些实施方式的各个方面，该疾病包括感染性疾病。根据这些实施方式的各个方面，该疾病包括心血管疾病。根据这些实施方式的各个方面，疾病包括阿尔茨海默氏病或其他神经变性疾病。当疾病包括阿尔茨海默病或其他神经变性疾病时，该方法可以包括表征PTM或突变或测序Tau蛋白、淀粉样蛋白、α-突触核蛋白的一种或多种，但不限于此。

根据其他实施方式，设备包括一个或多个泵，用于将蚀刻剂泵送到基材的表面，偶联到泵以向表面提供蚀刻剂的多个管，以及用以从表面去除蚀刻剂的至少一个管，其中多个管将蚀刻剂提供到表面的一部分。设备可包括定位系统，用于将多个管和/或自动系统和/或机器系统，以及至少一个管从一个阵列区移动到另一个阵列区。阵列区可包括1至10,000个纳米孔。所述多个管可以围绕所述至少一个管。

附图说明

将结合附图描述本发明的示例性实施方式。

图1示出了根据本公开的示例性实施方式的装置的(a)截面图和(b)俯视图。

图2示出了(a)根据本公开的示例性实施方式的装置的简图(b)运转中的装置的图示。

图3示出了(a)根据本公开的示例性实施方式的装置的另一简图(b)运转中的装置的图示。

图4-23,25-26示出了根据本公开的示例性实施方式的形成装置的步骤。

图24显示了按照本发明的另一示例性实施方式的传感器装置。

图27显示了按照本发明的另一示例性实施方式的装置。

图28示出了根据本公开的其他示例性实施方式的传感器装置，其包括围绕一个或多个纳米孔的多个传感器。

图29示出了根据本公开的示例性实施方式的装置的运转。

图30示出了根据本公开的各种实施方式的蛋白质的修饰。

图31示出了根据本公开的各种实施方式的PTM修饰。

图32示出了根据本公开的各种实施方式的硝基酪氨酸的标记。

图33-34,36示出了根据本公开的各种示例性实施方式的装置用于蛋白质/多肽和/或蛋白质/多肽的修饰的表征或测序。

图35示出了与组蛋白上的DNA和乙酰基连接的甲基，其可以使用根据本发明的装置和方法表征。

图37示出了双链DNA，组蛋白，核小体，染色质，染色体和其上的表观遗传、翻译后修饰，其可以使用根据本公开的装置和方法表征。

图38和39示出了可以根据本公开的各种实施方式表征的Tau。

图40示出了根据本公开的示例性实施方式的用于形成纳米孔的设备。

图41示出了根据本公开的示例性实施方式的蚀刻部分的示例性配置。

图42示出了根据本公开的示例性实施方式的用于将材料选择性地沉积于纳米孔或装置的其他部分的基于电解质的技术。

图43示出了根据本公开的示例性实施方式的另一装置的(a)俯视图和(b)截面图。

图44显示了按照本发明的另一示例性实施方式的另一传感器装置。

图45示出了根据本公开的其他示例性实施方式的(a)两个装置的和(b)单个装置的传感器装置。

图46显示了按照本发明的另一示例性实施方式的另一装置(例如MESFET)。

图47示出了根据本公开另外的示例性实施方式的纳米孔形成过程装置期间的盐形成。

应理解，这些图不必按比例绘制。例如，附图中某些要素的尺寸可以相对其它要素放大，有助于更好地理解本发明的这些说明性实施方式。

发明实施方式详述

下面提供的本公开内容的示例性实施方式的描述只是示例性的，且只用于举例说明；下面的描述无意于限制本文公开的发明的范围。此外，具有所述特征的多个实施方式的限制并不旨在排除具有其它特征的其它实施方式或结合所述特征的不同组合的其它实施方式。

如下面更详细地阐述的，本公开的各种实施方式提供了能够快速测序或表征和/或检测各种材料的装置和传感器。根据本公开的一些方面，当材料以高速通过纳米孔时，超灵敏和超快传感器和装置可以快速表征材料，而不是减慢待表征的DNA或其他材料的速度(例如，在DNA等的情况中，认为可以以兆碱基读数长度每秒表征约百万个碱基。示例性的新型纳米孔传感器，称为场效应纳米孔晶体管(FENT)，将纳米孔测序的优点与例如半导体场效应晶体管传感器技术的高检测灵敏度和千兆赫切换速度相结合。由于FENT可以基于CMOS芯片制造，因此可以集成具有ASIC、信号处理器、存储器和其他组件的系统级芯片集成(SOC)，以实现相对便宜的超紧凑的全基因组测序平台。或者或此外，可以围绕由材料通过的一个或多个纳米孔形成多个装置。在这些情况下，可以收集旋转，上升，扭曲，螺距和其他信息，并且可以表征多链DNA以及其他材料。

根据本公开的各种实施方式，本文描述的装置和传感器可用于将纳米孔测序方法与场效应晶体管感测集成。可以在中心处围绕一个或多个纳米孔制造纳米级全耗尽场效应晶体管(FET)传感器。这可以被视为包裹在纳米孔周围的超灵敏三维(3D)纳米线晶体管传感器。通过向掩埋的晶体管栅极施加电压，可以在晶体管中建立电子反转沟道电流。在另一个实施方式中，可以在晶体管中建立反转沟道而不施加任何栅极电压。一旦建立，该反转沟道电流对在纳米孔径处发生的生物分子静电相互作用极其敏感。在纳米孔径处发生的生物分子静电相互作用(微小电荷或电势变化)散射或扰乱电子反转沟道以调制测量的晶体管电流，从而实现超灵敏的生物分子检测。

在本文所述的示例性装置和传感器中，纳米孔径处的静电相互作用可被放大两倍，从而导致超高灵敏度信号检测。首先，在完全耗尽的FET传感器中，通过完全耗尽的装置结构，传感器表面处的电荷或电势或功函数的小变化被放大达到一个数量级。其次，在FENT纳米孔晶体管中，电场聚焦发生在尖锐的纳米孔边缘处，并且纳米孔径孔处的任何静电相互作用/变化被“边缘场放大”达到一个数量级。这种复合双重放大赋予FENT纳米孔晶体管装置超高灵敏度。此外，晶体管装置中的噪声随着工作频率的增加而急剧下降。由于FENT将以接近或高于100MHz的速度运行，因此噪声幅度将为纳安培或亚纳安培或数十皮安或更小。FENT超高检测灵敏度与低噪声相结合，可实现高信噪比碱基读出，实现对DNA，RNA，脂质，聚糖和多肽等生物聚合物的高精度测序和表征。

如下面更详细地阐述，装置可用于表征各种物质。在DNA的情况下，DNA在电泳下依赖于纳米孔基材和特定条件，以高达或超过每秒百万碱基的速度自然地通过纳米孔。然而，在基于“离子电流阻塞”的测序方法中，水溶液中离子传输的基本物理限制了灵敏度和测序速度。在“离子电流阻塞”测序中，DNA碱基(或链)差异地阻塞约2nm纳米孔径，并且使用纳米孔两侧的电极测量滑过被阻塞的纳米孔的离子。基本思想是，由于不同的碱基在空间上以不同程度阻塞纳米孔径空间，因此滑过纳米孔径的离子构成了阻塞碱基(或链)特有的离子电流特征，从而实现碱基读出。因此，离子是从纳米孔径到离子传感电极的碱基特异性信息的载体。然而，水溶液中的离子遵循布朗动力学，这是由于连续碰撞导致非常低的迁移率，数量级约为0.001cm²/(V s)。离子传输的速度或速率直接取决于离子迁移率。由于这些超低离子迁移率，离子电流阻塞方法限于每秒10到100个碱基的测序速度。因此，研究人员必须开发诸如聚合酶棘轮等技术来减缓通过纳米孔的DNA易位，以便能够使用离子电流阻塞方法进行测序。

在FENT纳米孔晶体管装置中，“电子”(或空穴)可以是DNA碱基信息的载体。纳米孔径处的碱基特异性静电相互作用散射或扰乱晶体管装置中的反转电子电流，并且分析测量的晶体管电流以区分和检测DNA碱基用于测序。电子是穿过硅晶格而没有明显散射的波粒，并且具有1000cm²/(V s)的载体迁移率。这些高电子迁移率是计算机和移动电话中的硅芯片处理器以千兆赫兹速度(千兆赫兹是每秒10⁹个周期)起作用的根本原因。因此，FENT纳米孔晶体管中的电子具有比离子电流阻塞方法中的离子高10⁶或百万倍的迁移率。这意味着，与离子电流阻塞方法相比，FENT纳米孔晶体管装置应能够以高达百万倍的速度对DNA进行测序。因此，FENT纳米孔晶体管装置可以在100兆赫兹至千兆赫兹的速度下运转，以每秒10⁵至百万个碱基的速度对DNA进行测序。由于这些原因，FENT纳米孔晶体管测序仪将在15分钟内实现全基因组的超快速测序，成本非常低(已知其他技术无法实现)-有效地改变了医疗保健。

DNA碱基(A，G，C和T)是从一个碱基到另一个碱基的分子结构微小变化的有机分子，其赋予每个碱基独特的性质。碱基之间的这些分子差异表现为独特的碱基特异性静电表面电位(碱基分子表面上的电压)，其可以相反地考虑碱基特异性静电表面电荷(部分)或相应的碱基特异性偶极矩。已知碱基的表面电位彼此相差高达50微伏(μν)或更高。因此，区别检测碱基特异性静电表面电位差将能够直接测序未修饰的单链DNA。然而，这将需要在纳米孔径周围纳入能够检测碱基特异性静电变化的超灵敏传感器-这是通过超灵敏FENT纳米孔晶体管装置结构很好地实现的。

由于待测序的单链DNA穿过FENT纳米孔径，碱基在纳米孔径处连续出现并且依次与超尖锐纳米孔边缘(原子级薄纳米孔边缘)相互作用。FENT纳米孔晶体管传感器将检测通过纳米孔的连续碱基的表面电位差或表面电荷或偶极矩，以区分碱基并测序DNA链。在FENT结构中，碱基特异性静电表面电位首先在纳米孔边缘处被边缘场放大，并且导致放大的碱基电位“门选”在完全耗尽的强耦合FENT装置中建立的反转电流-导致测量的晶体管装置电流的双倍放大调制。A，G，C和T碱基特异性表面电位“门选”晶体管电导率，产生相应的四种不同电流水平，其经先进的数字信号处理算法处理，实现DNA的高精度测序。

蛋白质纳米孔或固态纳米孔的离子电流阻塞测序是最流行的纳米孔测序方法之一(因为它模仿非常熟悉的细胞膜蛋白纳米孔和膜片钳测量)。然而，离子电流方法缺乏对原子配置或电荷/电位中的微小碱基特异性变化进行检测和区分的灵敏度。为了解决这个基本问题，已经开发了特殊的化学和酶促方法来用标签修饰DNA碱基，其中每个碱基用独特的原子级标签修饰。标记标签的区别特征可以是标签尺寸或化学特性或电子特性或空间配置；换句话说，任何放大碱基之间区别的特征(分子标签，荧光标签，金属离子标签等)。使用市售试剂盒，可以使用聚合酶容易地标记千碱基长度的DNA单链。超灵敏的FENT纳米孔晶体管传感器可以在几秒或更短的时间内以超高精度读出标签标记的碱基。该FENT标签测序方法可立即用于基因组生物标志物检测，诊断应用等。

尽管本公开的部分描述了FENT装置和DNA测序，但除非另有说明，否则本公开或权利要求不限于这些实例。例如，如下面更详细地阐述的，传感器装置可以包括围绕一个或多个纳米孔的一种或多种其他形式的装置(除了场效应晶体管之外)。

示例性装置结构

图1示出了根据本公开的各种示例性实施方式的装置100的(a)截面图和(b)俯视图。装置100包括基材102，在基材102的部分内形成的蚀刻区118，靠近蚀刻区118的绝缘层104，覆盖绝缘层104形成的半导体层106，使用半导体层106的第一部分形成的源区108，使用半导体层106的第二部分形成的漏区110，使用半导体层106的第三部分形成的沟道112，其中沟道112跨越源区108和漏区110之间，以及一个或多个纳米孔116。如图所示，沟道112围绕一个或多个纳米孔116。装置100还可包括密封剂132。装置100还可以包括其他绝缘层，半导电层和导电层，例如下面更详细描述的那些。

设备100可以以反转模式，完全耗尽模式，部分耗尽模式，耗尽模式或累积模式运转。如图1(a)所示，通过控制施加到栅极触件124的电压偏置，或通过偏置溶液，或两者，可以在靠近纳米孔116的层106的一部分内形成反转沟道112。也有如下可能，所述反转沟道在层106中形成，且不向装置100施加额外偏置，取决于如下因素：层106中的掺杂度、层106的厚度、其它此类变量，例如，固定的氧化物电荷密度和其边界处的界面捕获状态密度。层106的厚度可以是，例如，约1nm～50μm(例如约200nm，1μm)，取决于材料(例如，半导体材料)及其掺杂密度。

如本文中所用，如非另外指明，覆盖不限于指一层必需以直接邻接另一层的方式覆盖另一层。可以在基材或层与覆盖基材或层的另一层之间插入各种层。此外，如本文所述，第一表面和第二表面并非在某一结构或装置或层的同一侧(例如，顶部或底部)，并且在说明的示例中是处于基材/装置的相反侧——顶部和底部。

基材102可由不同材料形成。例如，基材102可以包括掩埋的绝缘材料，半导体材料和/或掩埋的金属层。举例来说，基材102包括一个或多个半导体层和一个或多个掩埋的绝缘体(例如，氧化物层)。基材102绝缘体上半导体基材的示例包括一个或多个半导体层和一个或多个绝缘层。以下更详细地讨论示例性基材。基材102材料的其他示例包括但不限于，半导体和金属，包括硅、锗、石墨烯、金刚石、锡，或化合物半导体如金刚砂、硅锗、金刚石、石墨，二元材料例如锑化铝(AlSb)、砷化铝(AlAs)、氮化铝(AlN)、磷化铝(AlP)、氮化硼(BN)、磷化硼(BP)、砷化硼(BAs)、锑化镓(GaSb)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、磷化镓(GaP)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)、氮化铟(InN)、磷化铟(InP)、硒化镉(CdSe)、硫化镉(CdS)、碲化镉(CdTe)、氧化锌(ZnO)、硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)、碲化锌(ZnTe)、氯化亚铜(CuCl)、硒化铅(PbSe)、硫化铅(PbS)、碲化铅(PbTe)、硫化锡(SnS)、碲化锡(SnTe)、碲化铋(Bi2Te3)、磷化镉(Cd3P2)、砷化镉(Cd3As2)、锑化镉(Cd3Sb2)、磷化锌(Zn3P2)、砷化锌(Zn3As2)、锑化锌(Zn3Sb2)，其它二元金属例如碘化铅(II)(PbI2)、二硫化钼(MoS2)、硒化镓(GaSe)、硫化锡(SnS)、硫化铋(Bi2S3)、硅化铂(PtSi)、碘化铋(III)(BiI3)、碘化汞(II)(HgI2)、溴化铊(I)(TlBr)，半导体氧化物例如氧化锌、二氧化钛(TiO2)、氧化亚铜(I)(Cu2O)、氧化铜(II)(CuO)、二氧化铀(UO2)、三氧化铀(UO3)，材料或三元材料例如铝砷化镓(AlGaAs、AlxGa1-xAs)、铟镓砷(InGaAs、InxGa1-xAs)、铝砷化铟(AlInAs)、铝锑化铟(AlInSb)、镓氮化砷(GaAsN)、砷化镓磷(GaAsP)、铝氮化镓(AlGaN)、铝磷化镓(AlGaP)、铟氮化镓(InGaN)、铟锑化砷(InAsSb)、铟锑化镓(InGaSb)、镉碲化锌(CdZnTe、CZT)、碲镉汞(HgCdTe)、碲锌汞(HgZnTe)、汞硒化锌(HgZnSe)、铅锡碲(PbSnTe)、碲化铊锡(Tl2SnTe5)、碲化铊锗(Tl2GeTe5)，以及四元物如磷化铝铟镓(AlGaInP、InAlGaP、InGaAlP、AlInGaP)、磷化铝砷镓(AlGaAsP)、磷化砷镓铟(InGaAsP)、磷化铝砷铟(AlInAsP)、氮化铝砷镓(AlGaAsN)、氮化铟砷镓(InGaAsN)、氮化铟砷铝(InAlAsN)、硒化铜铟镓(CIGS)，或五元材料例如锑化铟氮镓砷(GaInNAsSb)，Mg,Al,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ga,Y,Zr,Nb,Mo,Ru,Rh,Pd,Ag,La,Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Pt,Au,TaTi,Ru,HfN,TiN等。基材102可以包括无机或有机半导体材料，如下面结合层106更详细地描述的。在柔性装置中，该层包括柔性基材，例如像并五苯这样的有机材料。

绝缘层104可由任何合适的绝缘材料形成。根据本公开的各种示例性实施方式的示例性方面，绝缘层104是掩埋的绝缘层，其可以形成绝缘体上半导体基材的部分。换句话说，绝缘层可以是掩埋的绝缘或氧化物层。绝缘层104可以由任何合适的有机或无机绝缘材料制成。示例包括，但不限于，二氧化硅、氮化硅、氧化铪、氧化铝、氧化镁、氧化锆、硅酸锆、氧化钙、氧化钽、氧化镧、氧化钛、氧化钇、氮化钛等。作为一个示例，绝缘层104是绝缘体上硅基材中的掩埋氧化物层。该层的厚度可以为例如约1nm至100微米或约200nm。

在所示示例中，使用半导体层106形成源区108，漏区110和沟道112。半导体层106可以形成基材102的部分-例如，当基材102包括绝缘体上半导体基材时。举例而言，半导体层106包括结晶硅膜。层106可以包括例如结晶或无定形无机半导体材料，例如常规MOS技术中使用的那些。示例性的半导体材料包括但不限于，元素半导体，如硅、锗、石墨烯、金刚石、锡，或化合物半导体如金刚砂、硅锗、金刚石、石墨，二元材料例如锑化铝(AlSb)、砷化铝(AlAs)、氮化铝(AlN)、磷化铝(AlP)、氮化硼(BN)、磷化硼(BP)、砷化硼(BAs)、锑化镓(GaSb)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、磷化镓(GaP)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)、氮化铟(InN)、磷化铟(InP)、硒化镉(CdSe)、硫化镉(CdS)、碲化镉(CdTe)、氧化锌(ZnO)、硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)、碲化锌(ZnTe)、氯化亚铜(CuCl)、硒化铅(PbSe)、硫化铅(PbS)、碲化铅(PbTe)、硫化锡(SnS)、碲化锡(SnTe)、碲化铋(Bi2Te3)、磷化镉(Cd3P2)、砷化镉(Cd3As2)、锑化镉(Cd3Sb2)、磷化锌(Zn3P2)、砷化锌(Zn3As2)、锑化锌(Zn3Sb2)，其它二元金属例如碘化铅(II)(PbI2)、二硫化钼(MoS2)、硒化镓(GaSe)、硫化锡(SnS)、硫化铋(Bi2S3)、硅化铂(PtSi)、碘化铋(III)(BiI3)、碘化汞(II)(HgI2)、溴化铊(I)(TlBr)，半导体氧化物例如氧化锌、二氧化钛(TiO2)、氧化亚铜(I)(Cu2O)、氧化铜(II)(CuO)、二氧化铀(UO2)、三氧化铀(UO3)，材料或三元材料例如铝砷化镓(AlGaAs、AlxGa1-xAs)、铟镓砷(InGaAs、InxGa1-xAs)、铝砷化铟(AlInAs)、铝锑化铟(AlInSb)、镓氮化砷(GaAsN)、砷化镓磷(GaAsP)、铝氮化镓(AlGaN)、铝磷化镓(AlGaP)、铟氮化镓(InGaN)、铟锑化砷(InAsSb)、铟锑化镓(InGaSb)、镉碲化锌(CdZnTe、CZT)、碲镉汞(HgCdTe)、碲锌汞(HgZnTe)、汞硒化锌(HgZnSe)、铅锡碲(PbSnTe)、碲化铊锡(Tl2SnTe5)、碲化铊锗(Tl2GeTe5)，以及四元物如磷化铝铟镓(AlGaInP、InAlGaP、InGaAlP、AlInGaP)、磷化铝砷镓(AlGaAsP)、磷化砷镓铟(InGaAsP)、磷化铝砷铟(AlInAsP)、氮化铝砷镓(AlGaAsN)、氮化铟砷镓(InGaAsN)、氮化铟砷铝(InAlAsN)、硒化铜铟镓(CIGS)，或五元材料例如锑化铟氮镓砷(GaInNAsSb)等。

半导体层106也可由有机半导体材料制成。这类材料的示例包括，但不限于，聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、红荧烯、酞菁、聚(3-己基噻吩)、聚(3-烷基噻吩)、α–ω-六噻吩、并五苯、α–ω-二-己基-六噻吩、α–ω-二己基-六噻吩、聚(3-己基噻吩)、双(二噻吩并噻吩)、α–ω-二己基-四噻吩、二己基-蒽二噻吩、n-癸五氟庚基甲基萘-1,4,5,8-四羧酸二酰亚胺(n-decapentafluoroheptylmethylnaphthalene-1,4,5,8-tetracarboxylic diimide)、α–ω-二己基-五噻吩、N,N’-辛基-3,4,9,10-苝四羧酸、CuPc、亚甲基富勒烯(methanofullerene)、[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)、C60、3’0.4’-二丁基-5–5双(二氰基亚甲基)-5,5’-二氢-2,2’:5’0.2”三噻吩(DCMT)、PTCDI-C5、P3HT、聚(3.3”-二烷基-三噻吩)、C60-稠合的N-甲基吡咯烷-间-C12苯基(C60MC12)、噻吩并[2,3-b]噻吩、PVT、QM3T、DFH-nT、DFHCO-4TCO、BBB、FTTTTF、PPy、DPI-CN、NTCDI、F8T2-聚[9.9’二辛基芴-共-二噻吩]、MDMO-PPV-聚[2-甲氧基-5-(3,7-二甲基辛氧基)]-1,4-亚苯基亚乙烯基、P3HT-区域规则的聚[3-己基噻吩]；PTAA、聚三芳基胺、PVT-聚-[2,5-亚噻吩基亚乙烯(thienylenevinylene)]、DH-5T-α,ω-二己基五噻吩、DH-6T-α,ω-二己基六噻吩、酞菁、α-6T-α-六噻吩、NDI、萘二酰亚胺、F16CuPc-全氟铜酞菁、苝、PTCDA-3,4,9,10-苝-四羧酸二酐及其衍生物、PDI-N,N’-二甲基3,4,9,10-苝四羧酸二酰亚胺等。

半导体层106可包括拓扑绝缘体材料，例如锑化铋，纯锑，硒化铋，碲化铋，碲化锑，或熟悉本发明领域的人员已知的替代拓扑绝缘体材料。或者，可以在层106上形成拓扑材料薄膜。

半导体层106可包括本身或p型或n型掺杂材料；相应地，装置100可以分别是n沟道装置或p沟道装置。一个示例性的层106包括1E14掺杂的p型硅层(厚度为约10nm～约1000nm)。

如下面更详细讨论的，可以通过掺杂半导体层106的区来形成源区108和漏区110。包括栅极氧化物128和栅极金属130的栅区可以在半导体层106的相邻部分附近形成，如下面更详细描述。如下面进一步描述，栅极氧化物128和/或栅极金属130可以包括垂直和/或水平和/或C形和/或V形部分，如图1所示。源极，漏极和/或栅极都可以具有在基材102的同一表面上形成的触件120,122和124。或者，触件120,122和124中的至少两个形成于基材102的同一表面/侧面。

图2和3以根据本公开的示例性实施方式的简化形式示出了装置200和300的截面图。装置200可以与装置100相同或相似，但是以简化形式示出。装置300类似于装置100和200，除了装置300包括C形或V形沟道和栅区。

现在参考图2(a)和(b)所示，装置200包括在半导体层204内形成的纳米孔202，在半导体层204的一侧上形成的源区206，在半导体层204的另一侧上形成的漏区207，在源区和漏区之间形成的沟道208，在沟道区208附近形成的栅极氧化物210，在栅极氧化物210附近形成的栅极金属212。装置200还包括源极触件214，漏极触件216和栅极触件218。在所示的示例中，栅极氧化物210和栅极金属212包括垂直部分。装置200的各层和区可以与上述装置100的层和区相同或相似。

图2(b)示出了运转期间的装置200，其中材料(例如DNA链)被表征(例如测序)。在运转期间，装置200可以通过碱基特异性表面电势的反转/累积电流的静电散射而作为完全耗尽的FENT装置进行运转。

图3(a)和(b)示出了根据本公开的其他示例的装置300。装置300包括在半导体层304内形成的纳米孔302，在半导体层304的一侧上形成的源区306，在半导体层304的另一侧上形成的漏区307，在源区和漏区之间形成的沟道308，在沟道区308附近形成的栅极氧化物310，和在栅极氧化物310附近形成的栅极金属212。装置300还包括源极触件314，漏极触件316和栅极触件318。装置300的各层和区可以与上述装置100的层和区相同或相似。如上所述，除了包括栅极氧化物310和栅极金属312的栅极结构的形状之外，装置300类似于装置200。尽管示出为V形，但是根据本公开的各种实施方式的装置可以包括C形(凸形或凹形)的栅极结构。下面描述形成成形栅极结构的技术。

图3(b)示出了运转期间的装置300，其中材料(例如DNA链)被表征(例如测序)。在运转期间，装置300可以通过碱基特异性表面电势的反转/累积电流的静电散射而作为完全耗尽的FENT装置进行运转。

虽然未示出，但是装置100-300可以包括覆盖沟道(例如，沟道112)的一个或多个附加层。附加层可以包括用于另外使装置100-300功能化的材料。附加层可以是，例如，厚度为2埃～100nm的薄膜。附加层可包括例如单层或多层有机分子或生物分子；可以另外用于使装置功能化的半导体材料，金属，半金属，绝缘体，介电材料，超材料(meta-material)等的薄膜。

附加层可包括多层，其中第一层是上述一种或多种材料的薄膜，第二层由生物纳米或微孔分子制成，例如蛋白质纳米孔，α溶血素，β桶，或DNA碱基纳米孔或其他基于生物或有机分子的纳米孔或微孔。附加层可包括覆盖纳米孔或化学纳米孔材料的至少一个脂质双层。举例来说，附加层可以包括涂覆于所述沟道并覆盖所述沟道的一个或多个敏感层，所述一个或多个敏感层包含选自下述的一种或多种材料：化学品或生物化学品或蛋白质纳米孔，有机材料，无机材料，介电材料，金属，半导体，石墨烯和二硫化钼(MoS₂)。或者或此外，本文所述装置可包含涂覆于所述沟道并覆盖所述沟道的一个或多个薄膜，所述一个或多个薄膜包含选自下述的一种或多种材料：化学品或生物化学品或蛋白质纳米孔，有机材料，无机材料，介电材料，金属，半导体，石墨烯和MoS₂。

附加层可以采用任何薄膜制造技术来沉积，例如，电解沉积、电化学沉积、溅射法、化学气相沉积、物理气相沉积、取向附生、原子层沉积(ALD)、分子束外延、e束热敏沉积、其它类型的热敏沉积，或用于薄膜的任何其它沉积技术或单一分子单层或多层的化学沉积方法。

图46示出了根据本公开的示例性实施方式的另一装置4600。装置4600类似于装置100，除了装置4600是金属-半导体FET(MESFET)。或者，装置4600可以是JFET装置。装置4600包括源区4602，漏区4604，沟道4606和栅结构4608，其中沟道4606围绕一个或多个纳米孔4610。

示例性制造方法：

现在参考图4-28，示出了形成例如装置100的装置的方法。附图中的材料和尺寸仅用于示例性目的，并不意味着限制本专利的范围。

图4示出了适合用作基材102的起始材料的示例性基材400。基材400是绝缘体上半导体基材，其包括顶部半导体层402(适用于半导体层106)，第一掩埋绝缘层404，内部掩埋半导体层406，第二掩埋绝缘层408和块状材料410。半导体层402的厚度可以在约10nm至约50μm，约50nm至约5μm，或约50nm至约1μm的范围内。第一掩埋绝缘层404的厚度可以在约1nm至约20μm，约10nm至约1μm，或约50nm至约500nm的范围内。内掩埋半导体层406的厚度可以在约1nm至约200μm，约50nm至约50μm，或约5μm至约25μm的范围内。第二掩埋绝缘层408的厚度可以在约1nm至约20μm，约10nm至约1μm，或约50nm至约500nm的范围内。

图5示出了结构500，包括在块状材料410内形成的蚀刻区502。蚀刻区502可以通过例如使用例如湿法化学蚀刻(例如氢氧化四甲铵(TMAH)或KOH)沿基材的晶面进行蚀刻来形成。所述蚀刻可以是自限制的。

接下来，如图6所示的结构600，可以通过在第二掩埋绝缘层408中形成开口来形成。举例来说，可以通过旋涂PMMA或其他合适的材料形成开口602，并使用例如电子束光刻(EBL)对材料进行图案化。一旦被图案化，就可以使用例如反应离子蚀刻(RIE)来蚀刻第二掩埋绝缘层408。然后可以将开口602用作蚀刻掩模。

图7示出了结构700，其包括在内部掩埋半导体层406内形成的通孔702。可以通过使用开口602作为蚀刻掩模并使用例如湿法蚀刻或深反应离子蚀刻(DRIE)过程来形成通孔702，以形成穿过内部掩埋半导体层406的通孔702。

接下来，可以使用例如低压化学气相沉积来沉积诸如氮化硅的绝缘或介电材料802以形成结构800，并且可以使用EBL(未示出)来图案化802的一部分和第一掩埋绝缘层404并且使用例如反应离子蚀刻或湿法蚀刻对其进行蚀刻，如图8所示。

图9示出了替代示例结构900，其中多个通孔902在第二掩埋绝缘层408和内部掩埋半导体层406内形成。使用结构900的装置的制造可以根据图4-8和10-28的描述进行。

接下来，如图10所示的蚀刻掩模层(例如，氧化物)1002，可以使用例如负性光致抗蚀剂层或红外敏感层1004来图案化以形成结构1100，其中可以使用光刻(例如但不限于UV，红外光或使用离子束或电子束)来图案化1004，使用702作为掩模从底侧入射以在顶侧上图案化层1004，其包括与通孔702对准的结构1102，如图11所示。

图12示出了通过形成掺杂区1202(例如，源极)和1204(例如，漏极)而形成的结构1200。在图12中，(a)示出了结构1200的截面图，(b)示出了结构1200的俯视图。出于说明目的，图中省略了结构1200的一些层和随后的结构。例如，为清楚起见，在一些附图中可能未示出层406和408。

接下来，通过在结构1200的顶部叠加地沉积层(例如，氮化物)1302而可在结构1102周围形成间隔物，形成结构1300。在图13中，(a)示出了结构1300的截面图，(b)示出了结构1300的俯视图。

图14示出了结构1400，其包括通过使用反应离子蚀刻对1302进行而在结构1102周围形成的间隔物1402。利用光刻使用1402作为掩模来图案化围绕间隔物1402的蚀刻壕，以蚀刻层402的一部分以形成壕区1404。在图14中，(a)示出了结构1400的截面图，(b)示出了结构1400的俯视图。

图15示出了结构1500，其包括在壕区1404内生长或沉积的栅极介电材料1502。栅极介电材料可包括例如氧化硅或氮化硅或氧化铪，并且可通过干法或湿法氧化生长或使用LPCVD，PECND或ALD沉积过程沉积。在图15中，(a)示出了结构1500的截面图，(b)示出了结构1500的俯视图。

图16示出了结构1600的(a)截面图和(b)俯视图，其包括栅极结构1602，包括栅极氧化物材料1502和栅极金属1604。栅极金属1604可以包括例如TiSi/NiSi/CoSi，Al，Pd，并且可以使用任何合适的沉积和任选的蚀刻过程来沉积。

接下来，可以形成用于栅极结构1602的封装层1702，如图17所示，其中示出包括封装层1702的结构1700的(a)截面图，和(b)俯视图。可以使用例如干氧化过程形成封装层1702。

在图18中，其中示出了结构1800的(a)截面图，和(b)俯视图，可以使用例如磷酸蚀刻或反应离子蚀刻来去除层1302的剩余部分以形成结构1800。

可以使用抗蚀剂填充1902和光刻图案化(未示出)来图案化结构1800，并且可以形成源极金属触件1904，如图19所示，其中示出结构1900的(a)截面图，和(b)俯视图。源极金属触件可以使用任何合适的过程形成，例如使用电子束、热、ALD沉积而沉积的金属的剥离。

接下来，可以沉积隔离层2002(例如，LPCVD氮化硅)以形成结构2000，如图20所示，其中示出了结构2000的(a)截面图，和(b)俯视图。

接下来，可以形成分别对源极、漏极和栅极的触件2102、2104和2106，如图21所示，其中示出了结构2100的(a)截面图和(b)俯视图。

图22和23示出了根据本公开的示例性实施方式的纳米孔形成，其中示出了结构2200和2300的(a)截面图和(b)俯视图。

结构2200包括蚀刻区2202，其可以使用湿法蚀刻过程形成，例如时间控制的氢氧化四甲铵(TMAH)蚀刻。结构2300可以类似地通过去除结构1102并使用电反馈和/或化学停止蚀刻和/或物理块形成蚀刻从相对侧蚀刻半导体层的一部分以形成结构2200来形成。图22和23示出了包括截头圆锥形或截头角锥形蚀刻部分(底部)和圆锥形或角锥形蚀刻部分(顶部)的结构。

图41示出了其他结构，其中(a)示出了包括圆锥形或角锥形蚀刻部分4104的结构4102，(b)示出了包括圆锥形或角锥形蚀刻部分4109和截头圆锥形或截头角锥形蚀刻部分4109的结构4106，(c)示出了包括各向同性蚀刻部分4112的结构4110，以及(d)示出了包括截头圆锥形或截头角锥形蚀刻部分4116和截头圆锥形或截头角锥形或圆柱形蚀刻部分4117的结构4114。

由于各种原因，在纳米孔形成期间控制纳米孔尺寸可能是重要的。根据这些实施方式的各个方面，可以通过在蚀刻过程中执行下述一个或多个来控制纳米孔尺寸：1)电流反馈监测(2)电容测量监测(3)化学停止蚀刻，其中纳米孔形成时蚀刻剂-化学品混合物与另一化学品(例如缓冲液或酸性溶液)混合并失去蚀刻活性；和(4)在纳米孔形成后蚀刻-化学品与另一化学品混合时形成材料-聚集体(例如盐或聚合物)，其中材料-聚集体物理地阻止进一步的纳米孔形成。根据本公开的一些示例，基于下述测量中的一个或多个，在形成一个或多个纳米孔之前停止蚀刻：电流测量，电容测量，和电容测量，电阻测量，电导测量，或通过监测残留膜中光、离子束、紫外光、红外光、电子束的透射和/或吸收和/或反射。

以下是根据本发明形成纳米孔的一些示例性方法。

化学-停止纳米孔蚀刻以控制纳米孔直径(100nm至1nm)和/或用于在孔形成之前停止蚀刻

已经证明通过使用KOH和具有电反馈的缓冲溶液的化学蚀刻在硅中制造纳米孔以产生受控直径的纳米孔。该过程基于化学停止蚀刻。这种技术通常产生角锥形孔或圆锥形孔。基本概念是一旦出现纳米孔穿透性蚀刻，即通过在硅膜另一端采用酸性缓冲溶液(或弱酸性溶液)来在纳米孔位置处停止对硅纳米孔的碱蚀刻。当碱蚀刻剂(例如，氢氧化四甲铵(TMAH)或KOH)蚀刻通过薄硅膜，形成亚10nm的纳米孔时，来自碱性蚀刻剂的OH^-基团立即遇到来自另一侧酸性缓冲溶液的H⁺基团，形成水分子和盐。在纳米孔界面处OH^-基团的消耗导致对纳米孔的任何进一步蚀刻立即停止。图47示出了使用该技术形成的纳米孔，其示出了物理蚀刻块形成(其是盐形成)阻塞纳米孔以防止或减轻纳米孔的进一步蚀刻。采用反馈电感应回路检测因碱-酸中和所致的穿过纳米孔的传导，以使对纳米孔的任何进一步蚀刻停止。这种两步和/或三步蚀刻停止过程：化学蚀刻-停止与电反馈蚀刻停止相结合，和/或与物理盐/聚合物/聚集体块形成相结合，预期产生纳米孔制造的更高控制。该化学终止蚀刻法能用于快速、准确地制造多种不同种类基质材料的受控纳米孔。纳米孔处的中和反应是放热过程。因此使用弱酸性缓冲溶液(约pH 2至6)，其中酸性缓冲液pH值、其缓冲容量和TMAH浓度可以是过程变量。

基于电容和电阻测量残余硅厚度

除了电阻/电导测量之外，还可以使用CV测量来监测硅膜在蚀刻时的残余厚度。随着被蚀刻时硅厚度的减小，纳米孔位置处的硅电容预期变化(增加)，其可以被测量并关联，以在纳米孔形成时或在纳米孔形成之前停止蚀刻。

纳米孔制造的另一种方法

可以用金属或半导体导电层薄膜涂覆基材的背面，并且随时间监测蚀刻侧的溶液和该背面导电膜之间的电导(或电容)。当在基材上形成纳米孔时，蚀刻流体与背面金属或导电膜接触，这导致电导或电容或阻抗的大的变化。通过以高频电压偏置检测电导(或电容或阻抗)，并在电导变化时停止蚀刻反应，可形成非常精确的纳米孔(例如，具有确定的特征，例如开口尺寸)。或者，该方法可用于刚好在纳米孔形成之前停止蚀刻，其中纳米孔开口可在装置制造之后或结束时完成。

纳米孔制造的替代方法

或者，可以使用诸如电子束研磨、FIB(聚焦的离子束)，离子束雕刻或其他合适技术的方法和仪器来制造纳米孔。

此外，纳米孔(或微米孔)一旦形成，还可使其变窄或收缩(即，其在开口处的直径减小)，这通过生长其它层(例如热敏二氧化硅)来实现。或者，可采用电子束技术或基于离子束/激光或其它基于局部热敏升温的方法来使纳米孔缩小/变窄。或者，通过使用ALD，LPCVD，PECVD，电子束沉积方法来沉积薄膜，可以缩小纳米孔直径。

制备纳米孔(固态和生物纳米孔)的方法，使用各向同性反应离子蚀刻或湿法蚀刻以形成C形或V形栅极的蚀刻不足或底切或扇贝蚀刻的方法，列于以下公开中，其中如果它们的内容与本公开内容不冲突，则它们的全部内容通过引用包括在本文中。

Takulapalli,B.R.使用单层浮栅、完全耗尽的SOI MOSFET作为指数传感器进行分子感测(Molecular Sensing Using Monolayer Floating Gate,Fully Depleted SOIMOSFET Acting as an Exponential Transducer).Acs Nano 4,999-1011(2010).

53.Takulapalli,B.R.等，通过混合SOI-MOSFET电子检测胺与金属卟啉的连接(Electrical detection of amine ligation to a metalloporphyrin via a hybridSOI-MOSFET.)

Journal of the American Chemical Society 130,2226-2233(2008).

用于核酸分析的纳米孔传感器(Nanopore sensors for nucleic acidanalysis),Bala Murali Venkatesan&Rashid Bashir Nature Nanotechnology,6,615-624(2011),doi:10.1038/nnano.2011.129.

基于单纳米孔传感器的疾病检测与管理(Disease Detection and Managementvia Single Nanopore-Based Sensors)

Reiner,Joseph E.；Balijepalli,Arvind；Robertson,Joseph W.F.；等

CHEMICAL REVIEWS第112卷12期6431-6451页DOI:10.1021/cr300381m DEC 2012.

使用固态纳米孔的单分子感测：新材料，方法和应用(Single molecule sensingwith solid-state nanopores:novel materials,methods,and applications)

Miles,BN(Miles,Benjamin N.)[1J；Ivanov,AP(Ivanov,Aleksandar P.)[1J等

CHEMICAL SOCIETY REVIEWS第42卷1期15-28页DOI:10.1039/c2cs35286a 2013.

电子束诱导的SiO₂纳米结构的变形(Electron-beam-induced deformations ofSiO₂nanostructures)

Storm,AJ(Storm,AJ)；Chen,JH(Chen,JH)；Ling,XS(Ling,XS)；Zandbergen,HW(Zandbergen,HW)；Dekker,C(Dekker,C)

JOURNAL OF APPLIED PHYSICS第98卷，期:DOI:10.1063/1.1947391JUL1 2005.

用于亚10nm特征的超选择性低温蚀刻(Super-selective cryogenic etchingfor sub-10nm features),Zuwei Liu等,Nanotechnology,第24卷1号

用于形成纳米孔的其他技术描述于2013年4月9日提交的名称为“场效应晶体管、包含晶体管的装置，以及形成和使用它的方法”的PCT申请PCT/US13/35852，其内容通过引用纳入本文，只要这些内容不与本公开冲突。

本文所述的方法还可包括形成覆盖纳米孔的至少一个脂质双层，和/或向所述结构添加生物学和/或化学物质或本文所述的其它层以形成生物学和/或化学纳米孔。图42示出了用于将材料沉积到纳米孔表面上的技术。在所示的示例中，结构4200或其一部分可以放置在溶液中，可以在结构的一部分上施加偏置，并且材料可以选择性地沉积在结构的一部分上。沉积的一个示例方法是电解检测。在这种情况下，溶液中的材料可以选择性地沉积在结构4200的一部分上。

参照图43，示出了另一装置4300，其包括在基材的两个表面上形成的触件和隔离层。装置4300包括一个或多个纳米孔4302，源区4304，漏区4306，沟道4308，栅区4310和隔离层4312。装置4300还包括在装置的相对侧上的漏极金属触件以及源极触件4314。

参照图24，其中(a)示出了截面图，并且(b)示出了俯视图，示出了包括纳米孔和围绕纳米孔的多个装置的传感器装置2400。传感器装置可包括围绕纳米孔的任何合适数量的装置，例如1、2、3、4、2至100，2至12，2至8个装置，或4至8个装置。在所示示例中，围绕纳米孔2410形成四个装置2402、2404、2406和2408。四个装置2402-2408中的每一个可以独立于其他装置运转，并且每个装置可以响应于检测到行进通过纳米孔的一个或一个或多个离子、原子、分子或颗粒而产生信号。

举例来说，当分子或材料通过纳米孔2410时，四个装置2402-2408中的每一个可独立地感测DNA易位或分子的其他特征。每个装置可以用例如具有不同频率(范围在1Hz到10GHz之间)的AC信号运转。可以进一步优化每个频率以检测特定分子或区分和检测独特的DNA碱基。通过对来自多个传感器的信号的计算分析，可以高精度地进行用于测序的碱基鉴别。传感器装置3400的其他示例性用途在下面更详细地描述。

在所示示例中，每个装置是场效应晶体管，包括源区2412，漏区2414，沟道2416和栅结构2418，例如本文所述的源区，漏区，沟道和栅结构。多个装置中的每一个包括靠近纳米孔的沟道区。此外，在所示的示例中，在靠近包括纳米孔的层的第一表面形成源区，并且在靠近包括纳米孔的层的第二表面形成漏区。多个装置2402-2408中的每一个可包括如本文所述的垂直或C形(凹形或凸形)或V形栅极结构。此外，在基材的相同表面上形成源极触件，漏极触件和栅极触件中的两个或更多(例如，全部三个)，如图24所示。尽管示出为FET装置，但是多个装置2402-2408中的每一个可以包括下述的一个或多个：场效应传感器，等离子体传感器，干涉传感器，波导传感器，悬臂传感器，声学传感器，QCM传感器，超声波传感器，机械传感器，热传感器，荧光传感器，基于光学染料的传感器，量热传感器，光度传感器，量子点传感器，量子阱传感器，石墨烯传感器，MoS2传感器，2D材料传感器，纳米管传感器，纳米线传感器，酶传感器，电化学传感器，电位计量传感器，以及电导计量传感器或电容传感器或电子自旋传感器。

图44示出了另一传感器装置4400，其包括围绕一个或多个纳米孔4410的多个装置4402-4408。类似的传感器装置2400，多个装置4402-4408中的每一个可包括源极，漏极，沟道，栅极，触件和如本文所述的其他层。在这种情况下，与传感器装置2400一样，各个装置可以独立地运转并且以不同的模式(例如，反转，耗尽，累积等)以冗余或组合的方式快速准确地表征DNA，蛋白质或其他生物聚合物。

图45(a)示出了传感器装置4500，两个离散装置4502、4504围绕一个或多个纳米孔4506形成，并且图45(b)示出了传感器装置4510，包括围绕一个或多个纳米孔4514形成的一个装置4512。

现在转向图25和26，其中示出了结构2500和2600的(a)截面图，和(b)俯视图，传感器装置的制造可以类似于上面结合结构100描述的制造步骤，除了在上述栅极材料沉积(例如，LPCVD多晶硅/金属沉积)步骤之后，将栅极材料(例如，多晶硅)层图案化并蚀刻成多部分以形成结构2600，如图26所示。图案化可以通过例如涂覆EBL抗蚀剂并对准中央氧化物正方形和图案来完成，以分成4个装置，如图26中的1、2、3和4所示。形成传感器装置2400的过程的其余步骤与上述类似。

使用该设备的方法

本文所述的装置(包括传感器装置)可用于检测和表征多种材料，包括有机分子、离子物质、纳米颗粒、分子物质、选自下组的材料：DNA分子、蛋白质分子、肽分子、多肽分子、RNA分子、合成的寡核苷酸分子以及合成的肽或多肽分子，或这些材料的组合，以及用选自下组的至少一种标签修饰的任何这些材料：金属物质、金属有机物质、化学修饰剂、生物分子标签、互补杂交链分子、肽、多肽、寡核苷酸、锌指、纳米颗粒、量子点、有机染料、珠、纳米线和纳米管。

在以下公开中提供了用于表征材料的有用技术，这些公开在其内容与本公开内容不冲突的范围内通过引用其全文而包括在本文中。

使用硅纳米线生物传感器检测生物分子的频域(Frequency Domain Detectionof Biomolecules using Silicon Nanowire Biosensors)

Gengfeng Zheng,*Xuan P.A.Gao,*t和Charles M.Lieber§||

Nano Lett.2010年8月11日；10(8):3179-3183.

doi:10.1021/nl 1020975

在高频纳米电子生物传感器中检测超过德拜筛选长度(Detection beyond theDebye Screening Length in a High-Frequency Nanoelectronic Biosensor)

Girish S.Kulkarni和Zhaohui Zhong*

Nano Lett.,2012,12(2),pp 719-723

DOI:10.1021/nl203666a

金属簇分子多层在金上的电化学控制逐层沉积(Electrochemically ControlledLayer-by-Layer Deposition of Metal-Cluster Molecular Multilayers on Gold)

Masaaki Abe等

Angewandte Chemie International Edition

第42卷第25期,2003年6月

金属-电解质界面的分子自组装(Molecular Self-Assembly at Metal-Electrolyte Interfaces)

Int J Mol Sci.2013年3月；14(3):4498-4524.

Thanh Hai Phanl,*和Klaus Wandeltl,2,*

用于在涂覆有有机单层的物体和金属表面上电化学沉积单层的方法(Method forelectrochemical deposition of monolayers on metallic surfaces and objectscoated with an organic monolayer)美国公开号20100133107A1

图27示出装置2700，包括基材2702，在基材2702的一部分内形成的蚀刻区2718，靠近蚀刻区2718的绝缘层2704，覆盖绝缘层2704形成的半导体层2706，使用半导体层2706的第一部分形成的源区2708，使用半导体层2706的第二部分形成的漏区2710，使用半导体层2706的第三部分形成的沟道2712，其中沟道2712跨越源区2708和漏区2710之间，以及一个或多个纳米孔2716。如图所示，沟道2712围绕一个或多个纳米孔2716。装置2700还可包括密封剂2732。装置2700可以另外包括其他绝缘、半导电和导电层，例如本文所述的那些，并且可以与装置100相同或相似。在所示示例中，使用栅极2718对装置2700进行偏置以在沟道2712中形成反转电流。

图28示出了包括装置2802-2808的传感器装置2800，其围绕纳米孔(或多个纳米孔)2810。传感器装置2800包括源区2812，漏区2814，沟道2816和栅极结构2818。传感器设备2800可以与传感器装置2400相同或相似。在所示示例中，栅极结构2818可以被偏置，使得装置(例如装置2802)以反转或累积模式运转。如上所述，每个装置2802-2808可以独立运转，并且每个装置可以以相同或不同的模式运转。

图29示出了装置2900，其可以形成包括位于一个或多个纳米孔上方的多个装置的传感器装置的一部分。在所示示例中，装置2900包括源区2902，漏区2904和沟道2906，以及栅区2908，包括栅极氧化物2910和栅极金属2912。利用多个装置，可以表征多链DNA分子以及其他分子，例如蛋白质翻译后标记物(PTM)和/或蛋白质突变，或其他分子。

检测用于疾病诊断的蛋白质PTM和/或蛋白质突变

检测从患者或测试个体获得的测试蛋白上的蛋白质翻译后标记物(PTM)和/或蛋白质突变将使疾病诊断和预后和药物发现成为可能。为了检测PTM或蛋白质突变，我们可以使用从n到c末端延伸的完整蛋白质和/或将完整蛋白质片段化成更小的部分，然后测试片段化的肽或多肽和/或测试蛋白质/肽/多肽可以用特定标签或修饰进行修改以辅助检测和诊断，如图30所示。

检测蛋白质PTM和突变将使疾病的早期高准确诊断成为可能，因为蛋白质PTM表征意味着疾病表型的表征，因此在诊断和预后中具有非常低的假阳性和假阴性。它还将能够进行耐药性测试，因为特定蛋白质突变和/或蛋白质PTM与引起对特定药物分子的抗性的特定疾病亚型相关。可以使用纳米孔传感器直接检测这些蛋白质突变和/或蛋白质PTM，例如图28和29中所示的传感器。

示例蛋白质/多肽/肽的PTM包括通过酰化，乙酰化，脱乙酰化，甲酰化，烷基化，甲基化，酰胺化，糖基化，氧化，糖化，磷酸化，生物素化，泛素化，SUMO化，Nedd化，硫酸化，聚乙二醇化，瓜氨酸化，去磷酸化，脱酰胺化，消除，或硝化，脂化，生物素化产生的氨基酸标记物。说明性实例示于图31。

用于检测的PTM的化学修饰：例如，可以通过标记然后用本发明的晶体管纳米孔检测来实现硝基-PTM检测。在还原成氨基酪氨酸后用生物素标记硝基酪氨酸并随后在用乙酸的活化酯初始封闭所有游离胺基团之后用活化的生物素酯酰化，可用本文所述的传感器装置表征。图32示出了该过程。对氨基酸的参考：化学、功能性和选择的非酶促翻译后修饰(Chemistry,functionality and selected non-enzymatic post-translationalmodifications)，Rainer Bischoffa，，Hartmut Schluterb，Journal of Proteomics第75卷第8期，2012年4月18日，2275-2296页，其内容以不与本公开冲突的程度在此引入作为参考。

在检测蛋白质PTM或蛋白质突变或蛋白质测序之前，可以使用酶促过程在特定位置切割蛋白质，并且可以使用本公开的纳米孔-晶体管传感器装置对所得蛋白质片段-肽或多肽进行测序。术语纳米孔传感器包括任何和所有纳米孔感测或测序技术，包括但不限于本公开中描述的装置和传感器。

使用酶的蛋白质片段化在以下文章中描述，其内容以不与本公开冲突的程度通过引用并入本文。https://www.thermofisher.com/us/en/home/life-science/protein-biology/protein-biology-leaming-center/protein-biology-resource-library/pierce-protein-methods/overview-post-t ranslational-modification.html

图33示出了使用装置2900表征(检测)PTM修饰，装置2900可以形成传感器装置2800的一部分。如图所示，该技术可用于疾病的诊断以及药物发现。图34说明使用装置2900的蛋白质测序。图36说明使用如本文所述的装置和传感器表征多肽的PTM修饰。

表观遗传修饰的检测和测序：DNA/RNA的修饰和组蛋白的修饰

通过引用将以下参考文献以不与本公开冲突的程度并入本文。

S B.Rothbart,B.D.Strahl,对组蛋白和DNA修饰的语言的解释(Interpretingthe language of histone and DNA modifications),Biochim.Biophys.Acta(2014),http://dx.doi.Org/10.1016/j.bbagrm.2014.03.001

DNA修饰的表观遗传调控功能：5-甲基胞嘧啶及其他(Epigenetic regulatoryfunctions of DNA modifications:5-methylcytosine and beyond),Achim Breiling和Frank Lyko,Epigenetics&Chromatin,20158:24,DOI:10.1 186/s l3072-015-0016-6

癌症病因和进展中的表观遗传调节剂，修饰物和媒介(Epigenetic modulators,modifiers and mediators in cancer aetiology and progression),AndrewP.Feinberg,Michael A.Koldobskiy&AnitaNature Reviews Genetics,17,284-299,(2016),doi:10.1038/nrg.2016.13

DNA甲基化和其他DNA表观遗传修饰检测:

下表来自参考文献：S.B.Rothbart,B.D.Strahl,组蛋白和DNA修饰的语言的解释(Interpreting the language of histone and DNA modifications),Biochim.Biophys.Acta(2014),http://dx.doi.Org/10.1016/j.bbagrm.2014.03.001

读取和解释DNA修饰。

表1DNA甲基化是细胞用于控制基因表达的表观遗传机制。存在许多控制真核生物中基因表达的机制，但DNA甲基化是一种常用的表观遗传信号工具，可以将基因固定在“关闭”位置。参见http://www.news-medical.net/life-sciences/What-is-DNA-Methylation.aspx:其内容以不与本公开内容冲突的程度通过引用并入本文。图35说明了与DNA连接的甲基，其可以使用装置2900表征。

组蛋白修饰：组蛋白和其他DNA包装蛋白的表观遗传修饰的检测和测序

组蛋白修饰是调节基因表达的翻译后修饰，其中组蛋白H3是修饰最多的组蛋白。参见http://www.abcam.com/epigenetics/histone-modifications-a-guide，其内容以不与本公开冲突的程度通过引用纳入本文。传感器装置2800和装置2900可用于表征这些修饰。图37示出了使用本发明的传感器装置的标记物如何能够实现疾病诊断和辅助治疗。

通过检测蛋白质PTMS和/或蛋白质突变(Tau，淀粉样蛋白，BASE，α突触核蛋白)诊断阿尔茨海默病和其他神经退行性疾病

参考以下文章，其内容以不与本公开冲突的程度通过引用并入本文。

阿尔茨海默病的基于血液的蛋白生物标记物的进展(Advances in blood-basedprotein biomarkers for Alzheimer's disease),Clark和Kodadek Alzheimer'sResearch&Therapy 2013,5:18

阿尔茨海默病病理学的基于血液的蛋白质组学生物标记物(Blood-BasedProteomic Biomarkers of Alzheimer's Disease Pathology),Frontiers inNeurology,2015年11月|第6卷|文章236

Tau缠结，阿尔茨海默病(AD)的标志：神经元中微管相关蛋白Tau的超磷酸化导致Tau聚集，形成螺旋神经原纤维缠结(NFT)，并且新皮质中NFT纤维的密度与痴呆直接相关，形成阿尔茨海默病(AD)病理学的标志。预期正常脑每个Tau蛋白平均具有三个磷酸化残基，而预计这会在阿尔茨海默病中增加三倍。据报道，Tau蛋白具有约80个丝氨酸/苏氨酸和5个酪氨酸磷酸化位点，并且tau磷酸化的失调(更具体地，其超磷酸化)导致聚合和NFT形成。AD脑中总Tau蛋白的量，包括与微管结合的常规Tau蛋白，可溶性超磷酸化Tau和不溶性超磷酸化NFT缠结的Tau，比健康脑中的tau蛋白水平高4至8倍。在患病的脑中几乎所有这些增加的Tau都以超磷酸化的形式发生，进一步暗示AD中的Tau超磷酸化。

神经元毒性和突触功能障碍：虽然AD脑中NFT的密度是现存神经元损伤的良好指标，但NFT纤维本身可能不是痴呆的主要原因。Tau和其他MAP蛋白的主要功能被理解为微管的结合和稳定，促进神经元中微管蛋白的组装。虽然AD脑中的大部分Tau是超磷酸化的，但据报道其中约40％以胞质可溶性超磷酸化Tau形式存在，其余为不溶性NFT缠结的Tau形式。据报道，AD脑中的超磷酸化Tau蛋白(和淀粉状蛋白β)蛋白以有毒顺式异构体形式(顺式-Tau和顺式淀粉样蛋白β)出现，其与天然功能性转录不同，对磷酸酶的去磷酸化具有免疫力。通过Pin1脯氨酰异构酶活性抑制顺式异构体，该异构酶活性将顺式转化为健康的反式形式，并且Pin1功能障碍与AD病理学有关。在初步的果蝇模型研究中，已经观察到这种可溶性胞质超磷酸化Tau主要有助于体内神经元毒性。因此认为Tau的超磷酸化除了将其他微管稳定型MAP蛋白螯合成NFT细丝外，还防止Tau与微管的相互作用和结合。这抑制微管蛋白装配并破坏微管稳定性，导致轴突运输、突触功能和神经细胞内部通讯的完全失效，最终导致细胞凋亡。

淀粉样蛋白β磷酸化导致在细胞外空间形成斑块，这是AD的另一个标志。据报道，可溶性淀粉样蛋白β二聚体直接诱导Tau超磷酸化，并且与淀粉样蛋白β和Fyn的tau相互作用导致神经变性。然而，已经观察到，淀粉样蛋白β聚集本身可能不是丧失认知功能的充分条件，而丧失突触功能必需Tau超磷酸化。最近的报道表明致病性感染和有毒污染作为可能的损害引发先天免疫反应机制，导致tau超磷酸化和神经变性。由于这些原因，Tau超磷酸化被认为是治疗发现和疾病诊断的合理目标，并且是一个研究兴趣日益增长的领域。这通过抑制磷酸化引发的淀粉样蛋白β聚集和促进淀粉样蛋白斑清除作为AD中其他活性治疗靶区的研究得以补充。

AD中Tau的动态超磷酸化：长期以来已知Tau超磷酸化在阿尔茨海默氏症中神经退行性缠结的形成中的作用。然而，尽管进行了数十年的密集研究，但尚未在开发有效治疗方法或开发AD和其他神经退行性疾病的高精度早期诊断方面取得任何成功的结果。虽然造成这种情况的主要原因是血脑屏障药物开发的瓶颈，但另一个关键原因是Tau超磷酸化机制的复杂性，它们在AD发病机制中的作用和相关性。Tau链上几乎四分之一的氨基酸残基可被多种激酶(脯氨酸和非脯氨酸激酶)磷酸化，所述激酶包括PKA，PKB，PKC，PKN，AGC，MSK1，SGK1，p70S6K，ROCK，pi 10，CaMK II，AMPK，CAMK，MARK，CK1，CK1，TTBK，CDK5，ERK1/2，JNK，CMGC，GSK-3，DYRK1A，SAPK，RSK，BRSK，CDC2，CK2等。

已经发现并非Tau上的所有超磷酸化位点对神经元毒性同样重要，中心区磷酸化残基(例如，T212，T231，S235，S202，S262)涉及防止Tau与微管的相互作用，从而导致获得病理功能。

如本文所述的装置和传感器可用于检测Tau蛋白、淀粉样蛋白、淀粉样β蛋白，α突触核蛋白和其他蛋白质上的PTM和突变，用于诊断阿尔茨海默病和其他神经变性疾病。

示例：如图38和39所示，Tau是一种链样蛋白质。在阿尔茨海默氏症中，它在许多部位被磷酸化(以及其他涉及的PTM)。使用诸如装置2800的传感器装置，可以检测Tau磷酸化的位置，这是阿尔茨海默氏症诊断的非常特异且敏感的生物标记物检测方法。

其他测序方法包括以下内容。

对未修饰ssDNA的测序：

如本文所述的装置可以在不同运转模式，即电位耦合模式和电荷耦合模式，中作为传感器运转。在文献中已经报道了在毫伏数量级的纳米孔电容器电极上的碱基电荷诱导电位，其在幅度和空间分布方面在碱基之间变化，响应于纳米孔电容器中的外部施加的电场而计算。数十微伏特至毫伏特数量级上的电势变化应可通过如本文所述以电势耦合模式(装置具有非常少的缺陷态)运转来检测。DNA核苷酸以每碱基的微秒高速移位通过直径为几纳米的纳米孔收缩，在100K至1MHz频率和几百微伏的振幅下看到AC信号。此类电势变化将在纳米孔边缘处放大，并通过与反转通道耦合的所述装置进一步放大。与反转或积聚通道耦合的装置在完全消耗的膜中可以是指数的。在10MHz或更高频率运转的FET装置具有内部放大系数(由纳米孔-曲率场和装置耦合引起的组合放大)预期能够检测以每秒兆碱基速度通过的未修饰的DNA核苷酸。

通过纳米孔装置的移位过程中的上述电势变化与电荷变化相关联，更特定地与个体碱基之间的偶极变化相关联。这种电荷、偶极变化可以由根据本公开的装置在电荷耦合模式下读取。我们已经证明使用平面装置电荷，胺连接的气相检测中偶极耦合灵敏度高达几万亿分之几。采用本公开内容所述的装置，待放大的一个预期电荷耦合具有碱基读出的更高灵敏度。但是电荷耦合模式中的读出速度受到界面陷阱状态耦合速度(以毫秒为时间尺度)的限制。因此，装置电荷耦合比装置电位耦合慢几个数量级。

本方法可用于修饰的DNA核苷酸和未修饰的DNA。

通过杂交的测序：

根据本公开的各种实施方式，方法使用与7聚体探针链杂交的ssDNA。作为一个实例，7聚体探针链将由所有组合共有的3聚体通用碱基和4聚体组合碱基序列的组合组成。使用这种方法，与未修饰的DNA链相比，可以以高得多的灵敏度检测到以每秒兆碱基的速度通过纳米孔的具有离散探针杂交区的长DNA链的易位。然后，这将需要总共44(256)个单独的探针杂交易位实验用于全基因组的测序。

对化学修饰的ssDNA的测序：

使用根据本发明的装置研究优化的电位和电荷转导的另一种方法是以碱基选择性方式对DNA链进行化学修饰。化学修饰可以使用带电物质或大块部分，例如碱选择性DNA、有机分子、肽、蛋白质分子或金属或金属有机部分。对单链DNA的这种碱基特异性修饰使得能够通过使用本公开的装置经由易位进行测序。碱基的化学修饰的示例是：RecA包被的双链DNA通过固态纳米孔的易位；胸腺嘧啶的胸腺嘧啶-锇氧化的化学修饰；检测甲基化胞嘧啶作为胞嘧啶测序的一种方法；或者可以对胞嘧啶进行化学标记，并通过磺化然后脱氨作用进行测序；鸟嘌呤-亚甲蓝的化学修饰致敏鸟嘌呤的光氧化可用于选择性地测序DNA链中存在的鸟嘌呤。

采用RCDA的高保真DNA测序：

可设计、制造并运转本公开内容示例性实施方式所述的装置作为n沟道装置或作为p沟道装置，该装置在例如氧化物-硅沟道界面处形成孔洞反转层。由于这些装置的制造可以基于CMOS VLSI技术，因此可以并排制造n沟道和p沟道装置，它们之间具有几百μm的间隔。

同时具有n沟道和p沟道装置纳米孔的目的在于，其分别对点纳米孔位置处的电势变化和电荷变化的响应可以是相反方向。施加至n沟道装置传感器的敏感表面的电势的小幅增加导致反转电流的增加(阈值电压减小)。类似的电位增加会导致p沟道FDEC FET传感器的减少。因高速通过纳米孔的分子传输事件而随时间变化的电势，或相当地，小幅(μV～nV)振动A.C信号产生穿过源区和漏区测量的放大振动信号，伴随来自FDEC装置n沟道和p沟道的相反的响应(即，180相移)。

此外，预计当半导体沟道偏置进入积聚时，会出现沿类似线放大的感测。可通过简单地偏置Id-Vg曲线任一端处的栅极来以FDEC反转耦合模式或以放大积聚耦合模式运转n沟道FET纳米孔。或者，反转或积聚可在半导体膜顶表面与溶液的界面处形成，而该情况中的电导可通过改变溶液偏置来调节。

可将各装置与补充的p沟道和积聚偏置的装置(伴随数种其它可能的变化)平行制造。使用这些不同的FET纳米孔装置转导机制中的每一种，可以使用集成的微流体同时对每个DNA区段进行测序。这将为获得超高保真DNA测序提供稳固冗余。这种阵列被称为冗余组合检测阵列(RCDA)。

现在参考图40，示出了根据本公开的各种实施方式的用于形成纳米孔的设备4000。设备4000包括一个或多个泵，用于将蚀刻剂泵送到基材的表面，偶联到泵以向表面提供蚀刻剂的多个管4002-4012，以及用以从表面去除蚀刻剂的至少一个管4014，其中多个管将蚀刻剂提供到表面的一部分。如图所示，该多个管围绕该至少一个管。装置4000还可包括定位系统(未示出)，以将该多个管和该至少一个管从一个阵列区移动到另一个阵列区。每个阵列区可包括1至10,000个纳米孔。

所描述或举例的每个制剂或组分的组合可以用于实施本发明，除非另有说明。化合物的具体名称是示例性的，因为已知本领域普通技术人员可以不同地命名相同的化合物。应理解，除了特定举例的那些以外，所述方法、装置元件、起始材料和合成方法可按本发明实践应用而无需采取过度的实验。所有本领域已知任何此类方法、装置元件、起始材料和合成方法的功能等同物，并且旨在包括在本发明中。无论何时在说明书中给出范围，例如，温度范围，时间范围或组成范围，所有中间范围和子范围，以及给定范围中包括的所有单个值都旨在包括在本公开中。当本文使用了马库什基团或其它基团，则该公开包括该基团的全部基团和可能的组合和亚组合。

通过引用多个示例性实施方式和实施例，在上文描述了本发明。应该理解的是，本文示出和描述的特定实施方式是对本发明及其最佳模式的说明，而不是以任何方式限制本发明的范围。应认识到，可对示例性实施方式做出变化和修改而不偏离本发明的范围。这些和其它变化和修改都意在包括在本发明的范围之内。

Claims

1.一种形成装置的方法，所示方法包括如下步骤：

提供包含半导体层的基材；

蚀刻所述基材的部分以形成基材蚀刻区；

使用半导体层的第一部分形成源区；

使用半导体层的第二部分形成漏区；

使用半导体层的第三部分形成沟道；和

在半导体层内形成一个或多个纳米孔。

2.如权利要求1所述的方法，其中提供基材的步骤包括提供绝缘体上半导体基材。

3.如权利要求1所述的方法，其中提供基材的步骤包括提供包含多个绝缘体上半导体层的基材。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个纳米孔包含约1nm至约100nm，约1nm至约20nm，或约50nm至约1000nm的开口。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个纳米孔是使用湿蚀刻剂形成的，并且其中纳米孔的形成由以下中的一个或多个控制：(1)电流反馈监测(2)电容测量监测(3)化学停止蚀刻，其中蚀刻-化学品在形成纳米孔后与另一种化学品混合并失去蚀刻活性，所述另一种化学品例如缓冲剂或酸性溶液；和(4)形成纳米孔后蚀刻-化学品与另一种化学品混合时的材料-聚集体如盐或聚合物的形成，其中材料-聚集体物理地阻止进一步的纳米孔形成。

6.如权利要求1所述的方法，其中在形成所述一个或多个纳米孔期间，基于以下测量中的一个或多个在形成所述一个或多个纳米孔之前停止蚀刻：电流测量，电容测量和电导测量。

7.如权利要求1所述的方法，还包括在所述半导体层内形成蚀刻区域的步骤。

8.如权利要求7所述的方法，还包括步骤：在顶表面和/或底表面上形成覆盖半导体层内的蚀刻区域并与之对准的自对准结构。

9.如权利要求8所述的方法，还包括步骤：蚀刻所述半导体层的顶部部分，其中所述蚀刻可以是各向异性蚀刻或各向同性蚀刻，产生底切蚀刻/蚀刻不足。

10.如权利要求1-9中任一项所述的方法，还包括形成栅极氧化物层的步骤。

11.如权利要求1-10中任一项所述的方法，还包括形成栅极金属层的步骤。

12.如权利要求9所述的方法，其中，栅金属层被图案化并分成两个或更多个离散的未连接图案，以形成独立控制的装置。

13.如权利要求1-12中任一项所述的方法，还包括形成栅极触件，形成源极触件和形成漏极触件的步骤。

14.如权利要求13所述的方法，其中源极触件、漏极触件和栅极触件中的两个或更多个形成于所述基材的相同表面。

15.如权利要求14所述的方法，其中源极触件、漏极触件和栅极触件形成于所述基材的相同表面。

16.如权利要求1-14中任一项所述的方法，其中在形成源区，漏区和沟道区之后形成所述一个或多个纳米孔。

17.如权利要求1-15中任一项所述的方法，其中在所述一个或多个纳米孔周围形成多个独立控制的晶体管。

18.一种装置，所述装置包含：

基材；

在所述基材的部分内形成的蚀刻区；

靠近蚀刻区的绝缘层；

覆盖绝缘层形成的半导体层；

使用半导体层的第一部分形成的源区；

使用半导体层的第二部分形成的漏区；

使用半导体层的第三部分形成的沟道，其中沟道跨越源区和漏区之间；和

在半导体层内形成的一个或多个纳米孔。

19.如权利要求18所述的装置，其中所述沟道围绕所述一个或多个纳米孔。

20.如权利要求18所述的装置，其中源极触件、漏极触件和栅极触件中的两个或更多个形成于所述基材的相同表面。

21.如权利要求20所述的装置，其中源极触件、漏极触件和栅极触件形成于所述基材的相同表面。

22.如权利要求18-21中任一项所述的装置，还包含与所述沟道相邻的栅极氧化物层。

23.如权利要求22所述的装置，其中所述栅极氧化物包括垂直部分或C形(凹形或凸形)或V形栅极结构。

24.如权利要求22所述的装置，其中所述栅极氧化物包括水平部分。

25.如权利要求18-24中任一项所述的装置，还包含涂覆于所述沟道并覆盖所述沟道的一个或多个敏感层，所述一个或多个敏感层包含选自下述的一种或多种材料：化学品或生物化学品或蛋白质纳米孔，有机材料，无机材料，介电材料，金属，半导体，石墨烯和二硫化钼(MoS₂)。

26.如权利要求18-24中任一项所述的装置，还包含涂覆于所述沟道并覆盖所述沟道的一个或多个薄膜，所述一个或多个薄膜包含选自下述的一种或多种材料：化学品或生物化学品或蛋白质纳米孔，有机材料，无机材料，介电材料，金属，半导体，石墨烯和二硫化钼(MoS₂)。

27.如权利要求18-26中任一项所述的装置，还包含用于封装所述装置的密封剂，所述密封剂包含一个或多个开口，以允许材料与装置接触。

28.如权利要求18-27中任一项所述的装置，其中一个或多个纳米或微流体沟道形成于所述装置的一个或多个表面。

29.如权利要求18-28中任一项所述的装置，其中通过将所述装置堆叠在另一装置上来形成多个装置。

30.一种传感器装置，包含：

基材；

在基材内形成的纳米孔；和

围绕纳米孔的多个装置，其中多个装置中的每一个响应于检测到行进通过所述纳米孔的一个或一个或多个离子、原子、分子或颗粒而产生信号。

31.如权利要求30所述的传感器装置，其中所述多个装置包含2至100、2至12，2至8个装置，或4至8个装置。

32.如权利要求30所述的传感器装置，其中所述多个装置中的每一个包含靠近所述纳米孔的沟道区。

33.如权利要求30所述的传感器装置，其中所述多个装置中的每一个还包含源区和漏区，其中所述沟道靠近所述纳米孔，并且其中所述源区形成于包含所述纳米孔的层的第一表面附近，和所述漏区形成在包含所述纳米孔的层的第二表面附近。

34.如权利要求30-33中任一项所述的传感器装置，其中所述多个装置中的每一个还包括垂直或C形(凹形或凸形)或V形栅极结构。

35.如权利要求30-34中任一项所述的装置，其中源极触件、漏极触件和栅极触件中的两个或更多个形成于所述基材的相同表面。

36.如权利要求35所述的装置，其中源极触件、漏极触件和栅极触件形成于所述基材的相同表面。

37.如权利要求30-36中任一项所述的装置，其中所述多个装置中的每一个响应于检测到行进通过所述纳米孔的一个或多个原子或分子或颗粒而产生电信号、光学信号和/或机械信号。

38.如权利要求30-37中任一项所述的装置，其中所述多个装置中的每一个包含下述中的一个或多个：场效应传感器，等离子体传感器，干涉传感器，波导传感器，悬臂传感器，声学传感器，QCM传感器，超声波传感器，机械传感器，热传感器，荧光传感器，光学染料基传感器，量热传感器，光计量传感器，量子点传感器，量子阱传感器，石墨烯传感器，MoS₂传感器，2D材料传感器，纳米管传感器，纳米线传感器，酶传感器，电化学传感器，电位计量传感器，和电导计量传感器或电容传感器或电子自旋传感器。

39.如权利要求30-38中任一项所述的装置，其中所述多个装置用于检测或测序分子、生物聚合物、DNA、RNA、多肽、蛋白质和脂质中的一种或多种。

40.如权利要求30-39中任一项所述的装置，其中所述多个装置用于检测双链DNA或多链DNA或蛋白质或多肽或修饰蛋白或单链DNA的旋转。

41.如权利要求30-40中任一项所述的装置，其中所述多个装置用于测序单链DNA/RNA或双链DNA/RNA或测序多链DNA或测序蛋白质或多肽或修饰蛋白。

42.如权利要求30-41中任一项所述的装置，其中所述多个装置用于对分子或化学物质或生物聚合物或DNA或蛋白质或RNA或双链DNA检测电势或电荷或功函数或偶极矩，用于测序或生物标记物检测或诊断目的。

43.如权利要求30-42中任一项所述的装置，其中所述多个装置用于通过在双链DNA旋转并通过一个或多个纳米孔时感测连续DNA碱基或DNA碱基的修饰物来表征或测序双链DNA，其中双链DNA的任何给定侧/角度的碱基距离为约3.5nm，在一侧/角度上增加的碱基与碱基的分离提供碱基区别检测用于表征或测序。

44.一种表征物质的方法，所示方法包括下述步骤：

提供一个或多个如权利要求18-42中任一项所述的装置；

使生物或化学物质通过一个或多个纳米孔中的一个；

和，使用一个或多个装置，在物质通过一个或多个纳米孔中的一个时检测信号。

45.如权利要求44所述的方法，其中所述物质选自以下的一种或多种：生物、化学、有机或无机物质，颗粒或离子。

46.如权利要求44所述的方法，其中所述表征包括测序。

47.如权利要求44所述的方法，其中所述表征包括测序DNA、RNA、蛋白质、多肽、聚糖、脂质和其他生物聚合物中的一种或多种。

48.权利要求44所述的方法，其中所述表征包括检测表观遗传标记物或表观遗传因子，例如但不限于DNA甲基化、乙酰化、组蛋白修饰。

49.如权利要求44所述的方法，其中所述表征包括检测蛋白质突变和/或蛋白质的翻译后修饰。

50.如权利要求44所述的方法，其中所述表征包括检测离子或小化学或生物分子的传输。

51.如权利要求44所述的方法，其中所述表征包括将完全折叠的3D蛋白质或蛋白质片段延伸成从n到c末端的连续氨基酸串，然后所述连续氨基酸串经测序。

52.如权利要求44所述的方法，其中所述表征包括将完整蛋白质片段化成部分或多肽，然后测序数个或所有片段化部分或多肽。

53.如权利要求44所述的方法，其中所述表征包括将完整蛋白质片段化成部分或多肽，修饰完整蛋白质或片段，然后检测蛋白质或片段化部分上的修饰物。

54.一种使用权利要求44-53中任一项所述的方法诊断疾病的方法。

55.如权利要求54所述的方法，其中所述疾病包括阿尔茨海默病或其他神经变性疾病。

56.权利要求54所述的方法，其中所述疾病包括阿尔茨海默病或其他神经变性疾病，通过表征PTM或突变或测序一种或多种，但不限于，Tau蛋白、淀粉样蛋白、α-突触核蛋白。

57.一种形成纳米孔的设备，所述设备包含：

一个或多个泵，用于将蚀刻剂泵送到基材表面；

偶联到泵以向所述表面提供蚀刻剂的多个管；和

从所述表面除去蚀刻剂的至少一个管，

其中所述多个管将蚀刻剂提供给表面的部分。

58.如权利要求57所述的设备，还包括定位系统，以将所述多个管和所述至少一个管从一个阵列区域移动到另一个阵列区域。

59.如权利要求59所述的设备，其中，所述阵列区域包括1至10,000个纳米孔。

60.如权利要求57所述的设备，其中，所述多个管围绕所述至少一个管。