用于使用纳米制造的设备来测量分析物的设计和方法

摘要

提供用于使用量子隧穿效应来对线性生物分子（例如DNA、RNA、多肽、蛋白质等等）进行测序的设备、以及制造和使用这样的设备的方法。纳米制造的设备可以包括通过在两个电极之间沉积薄膜并且随后使用蚀刻工艺移除该膜而形成的小的间隙。结果得到的间隙的宽度可以与线性生物分子的大小相对应以使得当在间隙中存在生物分子（例如核酸碱基或氨基酸）的一部分时，可以测量隧穿电流、电压或阻抗中的变化并且识别生物分子的该部分。可以通过例如牺牲膜的原子层沉积（ALD）在原子尺度上精确控制间隙尺寸。可使用现有的集成电路制造装备和设施来制造该设备，并且多个设备可以被形成在单个芯片上。

说明书

技术领域

本公开内容总体上涉及测量分析物，并且更具体地涉及通过使用量子隧穿效应的纳米制造的设备来对线性生物分子（例如DNA、RNA、蛋白质等等）进行测序。

背景技术

在遗传学中，术语测序可指代用于确定诸如DNA、RNA、氨基酸等等之类的线性生物分子的主要结构或序列的方法。例如，DNA测序是确定给定DNA片段中的核酸碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶）的顺序的过程。DNA测序是一种揭示处于分子水平的遗传变异（诸如单核苷酸多态性、拷贝数变异、基因融合、插入/缺失等等）的有力方法。因此，了解疾病机制、基因诊断和个体化医疗是非常必要的。

DNA测序过程通常包括从样本提取目标核酸并将其片段化。片段化的核酸用于产生通常包括一个或多个连接物的靶核酸模板。该模板可能受到诸如聚合酶链反应(PCR)、桥式扩增之类的扩增方法以便以核酸“纳米球（也被称为DNA纳米球（DNB））”的形式提供聚簇或滚环复制。然后例如通过凭借合成或凭借连接（ligation）技术进行测序来对单链核酸执行测序应用。然而，这样的扩增过程通常与高成本相关联，因为复制测序要求高精度、短读长度和每次运行的长周转时间（TTR）。

为了解决扩增方法的缺点，已经努力开发了用于在单分子水平对DNA进行测序的多种技术。例如，纳米孔测序利用在核酸碱基穿过存在于受到所施加的电压影响并被浸入导电流体中的蛋白质或固态材料中的微小通道时离子电流中的变化。可以在Wang等人,The Evolution of Nanopore Sequencing, Frontiers>, 2015, 5, 449中找到纳米孔测序的进一步讨论，为了所有目的通过引用将其合并于此。尽管这样的单分子测序方法克服了早代扩增方法的缺点中的一些，然而它们仍然保留某些缺点（诸如低分辨率）, 这进而需要复制测序。

最近，已经证明了用于使用电极之间的量子隧穿电流进行DNA测序的设备。当在电极之间的空间存在DNA片段时，可以检测到量子隧穿电流中的变化。该变化的量值可以被映射到当进行测量时存在的特定核酸碱基。使用量子隧穿效应对DNA测序的设备的一个示例是机械可控断裂结(MCBJ)设备。在图1A-1B中示出一个这样的设备。

如图1A中所示，MCBJ设备100包括硅衬底102，在其上形成金电极108、108'。衬底102被定位于在接触点104'处接触衬底102的底面的探针104上，并且两个施力构件106在衬底102的顶面的接触点106'处施加向下的力。在施加力之前，电极108、108'作为单个金电极结构存在。该力在电极结构上产生应变，并且逐渐增加该力直到电极结构断裂以形成由在图1A的顶部中心处的特写视图中示出的被间隙110分开的电极108、108'为止。当间隙11中存在DNA片段时，然后可以增加在接触点106'处施加的力或者使该力放松以将间隙110的大小调整到检测量子隧道电流中的变化所需的大小。

图1B示出包括硅衬底102和金电极结构的平行阵列的MCBJ设备100的透射电子显微镜（TEM）图像。图1B中示出的电极结构还没有断裂。当在图1A中描绘的接触点106'处施加力时，图1B的电极结构将断裂以形成由间隙110分开的电极108、108'。

图1A-1B中示出MCBJ设备100可以被用来通过测量当在间隙110中存在核酸碱基时跨电极108、108'的量子隧穿电流中的变化来在单分子水平对DNA测序。然而，设备100与许多缺点相关联。例如，电极108、108'的横向尺寸必须被精确控制以便产生当在间隙110中存在核酸碱基时观察量子隧穿电流中的变化所需的间隙110的宽度。当在断裂之后硅衬底102被弯曲时，电极108、108’之间的间距可以被调整并且因此间隙的宽度被固定在适当的值。然而，阵列中的其他电极可能都不具有带有所要求的精确间距的间隙。因此，仅单个MCBJ传感器可以以任何特定调整的间隙宽度在芯片上运行。此外，MCBJ设备100需要将金用于电极108、108’。归因于其在硅中的高扩散性和其形成电荷陷阱的倾向，通常在半导体铸造厂中禁止金。因此，除了非标准的光刻（lithography）和图案化技术之外，制造MCBJ设备100还需要专门的生产设施。

因此，将期望提供用于在单分子水平对DNA和其它线性生物分子进行测序的改进的设备和方法。

发明内容

本发明的实施例提供用于使用量子隧穿效应在单分子水平对线性生物分子进行测序的改进设备、制造设备的方法和使用设备的方法。在一些实施例中，提供一种纳米制造的设备，其包括：衬底；设置在衬底的顶面的第一部分上的第一电极；设置在衬底的顶面的第二部分上的电介质层；和设置在电介质层上且悬挂在第一电极上方的第二电极。可以通过第一电极的顶面和第二电极的底面来限定间隙。可以以纳米级定制该间隙的宽度的尺寸（例如0.8到5.0nm）并且该宽度可以对应于线性生物分子（例如DNA、RNA或蛋白质分子）的大小，以使得当跨电极施加电压（即当电极具有不同的电势时）并且在间隙中存在线性分子（例如核酸碱基或氨基酸）的一部分时量子隧穿电流在电极之间传输。

其他实施例针对制造用于在单分子水平并且使用量子隧穿效应对线性生物分子进行测序的纳米制造的设备的方法。该方法可以结合诸如原子层沉积（ALD）之类的沉积技术来形成适合于检测当在间隙中存在核酸碱基时量子隧穿电流（或电压）中的变化的高度精确的间隙宽度。ALD可以包括两个气相前体化学制品在衬底上的顺序施加。该前体以按顺序自我限制的方式与衬底表面反应。可以通过反复地将前体暴露于衬底表面来沉积薄膜。由于薄膜一次生长一个原子或分子，所以膜的厚度可以被精确地控制。ALD膜可以沉积在被图案化以形成两个电极的两个导电层之间，通过ALD膜的厚度来精确地控制电极之间的间距。在从导电层之间的区域移除ALD膜时，可以在电极之间产生具有精确尺寸的间隙。本发明的实施例还可以利用其它沉积技术（诸如化学汽相淀积（CVD）、物理汽相淀积（PVD）、离子束溅射（IBS）、反应溅射等等）来形成当被移除时提供期望宽度的间隙的牺牲膜。

其他实施例针对用于在单分子水平并且使用量子隧穿效应对线性生物分子进行测序的纳米制造的设备的方法。如上所述，该纳米制造的设备可以包括在两个电极之间精确形成的间隙。尽管在电极之间可以不存在直接电气连接，但是当施加电压时少量的电流可以从一个电极隧穿到另一个电极。用阻抗来表征诸如DNA、RNA、蛋白质等等的线性生物分子。当这样的线性分子通过间隙时，生物分子的存在可以影响量子隧穿电流的量。用不同的阻抗值来表征个体核酸碱基（例如腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶）和氨基酸。因此，量子隧穿电流中的变化可以取决于当进行测量时间隙中存在的特定核酸碱基或氨基酸。当生物分子穿过具有精确限定的间距的电极之间的间隙时，测得的隧穿电流或电压中的顺序变化可以反映生物分子的顺序。

一些实施例提供用于使用量子隧穿来对线性生物分子进行测序的设备，该设备包括：具有顶面的衬底；设置在衬底的顶面的第一部分上的第一电极；设置在衬底的顶面的第二部分上的第一电介质层；设置在第一电介质层上且悬挂在第一电极上方的第二电极；以及由第一电极的顶面和第二电极的底面限定的间隙，其中该间隙的宽度对应于线性生物分子的大小以使得当跨第一电极和第二电极施加电压并且在间隙中存在线性生物分子的一部分时量子隧穿电流在第一电极和第二电极之间传输。

在一些实施例中，该衬底包括设置在半导体衬底上的第二电介质层。在其他实施例中，该间隙的宽度是约0.8至5.0nm。在一些实施例中，该间隙进一步由第一电介质层的顶面和第二电极的侧面来限定。在其他实施例中，该第一电介质层的顶面和第一电极的顶面基本上是共面的。在一些实施例中，该第一电极和第二电极彼此正交定向。在其他实施例中，该设备进一步包括电气耦合至第一电极和第二电极的电路，其中该电路被配置成：跨第一电极和第二电极施加电压；以及测量：在第一电极和第二电极之间传输的量子隧穿电流；跨第一电极和第二电极的电压；或第一电极和第二电极之间的阻抗。在一些实施例中，该第一电极和第二电极各自都包括从由以下各项组成的组中选择的材料：金属、半导体、碳、导电陶瓷和导电聚合物。在其他实施例中，该第一电介质层包括从由以下各项组成的组中选择的材料：氧化物、电介质陶瓷、聚合物、碳酸盐、玻璃、矿物和空气。

其他实施例提供一种制造用于使用量子隧穿来对线性生物分子进行测序的设备的方法，该方法包括：提供具有顶面的衬底；将第一电极沉积到衬底的顶面的第一部分上；将第一电介质层沉积到衬底的顶面的第二部分上；将牺牲层沉积到第一电极的顶面上；将第二电极沉积到牺牲层上和第一电介质层的顶面上；以及移除牺牲层由此形成由第一电极的顶面和第二电极的底面限定的间隙，其中该间隙的宽度对应于线性生物分子的大小以使得当跨第一电极和第二电极施加电压并且在间隙中存在线性生物分子的一部分时量子隧穿电流在第一电极和第二电极之间传输。

在一些实施例中，该衬底包括设置在半导体衬底上的第二电介质层。在其他实施例中，该间隙的宽度是约0.8至5.0nm。在一些实施例中，进一步将牺牲层沉积在第一电介质层的顶面上，其中该间隙进一步由第一电介质层的顶面和第二电极的侧面来限定。在其他实施例中，该第一电介质层的顶面和第一电极的顶面基本上是共面的。在一些实施例中，该第一电极和第二电极彼此正交定向。在其他实施例中，使用原子层沉积工艺来沉积牺牲层。在一些实施例中，使用蚀刻工艺来移除该牺牲层，其中该蚀刻工艺包括将牺牲层暴露于蚀刻剂。在其他实施例中，该牺牲层包括从由以下各项组成的组中选择的材料：金属、氧化物、氮化物和含碳材料。在一些实施例中，该蚀刻剂包括从由以下各项组成的组中选择的物质：氢氟酸、磷酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠、SC-1溶液、有机溶剂和O2等离子体。在其他实施例中，该方法进一步包括将电路电气耦合至第一电极和第二电极，其中该电路被配置成：跨第一电极和第二电极施加电压；以及测量：在第一电极和第二电极之间传输的量子隧穿电流；跨第一电极和第二电极的电压；或第一电极和第二电极之间的阻抗。在一些实施例中，该第一电极和第二电极各自都包括从由以下各项组成的组中选择的材料：金属、半导体、碳、导电陶瓷和导电聚合物。在其他实施例中，该第一电介质层包括从由以下各项组成的组中选择的材料：氧化物、电介质陶瓷、聚合物、碳酸盐、玻璃、矿物和空气。

其他实施例提供一种使用用于使用量子隧穿来对线性生物分子进行测序的设备的方法，该方法包括：提供包括以下各项的设备：具有顶面的衬底；设置在衬底的顶面的第一部分上的第一电极、设置在衬底的顶面的第二部分上的第一电介质层、设置在第一电介质层上且悬挂在第一电极上方的第二电极、由第一电极的顶面和第二电极的底面限定的间隙、以及电气耦合至第一电极和第二电极的电路；使用该电路跨第一电极和第二电极施加电压；将线性生物分子的一部分引入到间隙中；使用该电路测量：在第一电极和第二电极之间传输的量子隧穿电流；跨第一电极和第二电极的电压；或第一电极和第二电极之间的阻抗；以及基于测得的量子隧穿电流、测得的电压或测得的阻抗来识别引入到间隙中的线性生物分子的一部分。

在一些实施例中，该线性生物分子是从由以下各项组成的组中选择的：DNA、RNA、多肽和蛋白质。在其他实施例中，该线性生物分子的一部分包括核酸碱基或氨基酸。在一些实施例中，该衬底包括设置在半导体衬底上的第二电介质层。在其他实施例中，该间隙的宽度是约0.8到5.0nm。在一些实施例中，该间隙进一步由第一电介质层的顶面和第二电极的侧面来限定，其中该第一电介质层的顶面和第一电极的顶面基本上是共面的，并且其中该第一电极和第二电极彼此正交定向。在其他实施例中，该第一电极和第二电极各自都包括从由以下各项组成的组中选择的材料：金属、半导体、碳、导电陶瓷和导电聚合物。在一些实施例中，该第一电介质层包括从由以下各项组成的组中选择的材料：氧化物、电介质陶瓷、聚合物、碳酸盐、玻璃、矿物和空气。

可以参考下面的详细描述和附图来得到本发明的实施例的性质和优点的更好理解。

附图说明

图1A示出用于通过测量在金电极之间形成的跨断裂结的量子隧穿电流来对DNA测序的现有MCBJ设备的示意图。

图1B示出在形成断裂结之前包括金电极结构的图1A中描绘的MCBJ的TEM图像。

图2A示出根据本发明的实施例的用于使用量子隧穿来对线性生物分子进行测序的纳米制造的设备的示意性横截面侧视图。

图2B示出根据本发明的实施例的用于使用量子隧穿来对线性生物分子进行测序的纳米制造的设备的示意性顶视图。

图3A-3H图示根据本发明的实施例的制造用于使用量子隧穿来对线性生物分子进行测序的设备的方法。

图4示出图示根据本发明的实施例的使用用于使用量子隧穿来对线性生物分子进行测序的设备的方法的流程图。

图5示出根据本发明的实施例的可用于使用量子隧穿来对线性生物分子进行测序的示例性计算机系统的框图。

具体实施方式

定义

下面的定义可能有助于提供用于理解本发明的实施例的背景。

“线性生物分子”指的是一种类型的以聚合物的形式存在于活的有机体中的分子，该聚合物含有共价键合以形成更大链状结构的单体单元。示例性线性生物分子包括但不限于：聚核苷酸（例如DNA和RNA）、多肽和蛋白质。在一些实施例中，线性生物分子还可以包括含有一个或多个线性部分的分支或环状生物分子。

“线性生物分子的一部分”指的是线性生物分子的单体。线性生物分子的示例性部分包括但不限于核酸碱基和氨基酸。

“核酸碱基”指的是充当诸如DNA和RNA之类的聚核苷酸的单体的含氮有机分子。示例性核酸碱基包括但不限于胞嘧啶、鸟嘌呤、腺嘌呤、胸腺嘧啶和尿嘧啶。

“氨基酸”指的是包括胺和羧酸基、以及侧链并且充当多肽和蛋白质的单体的有机化合物。

“量子隧穿”指的是粒子隧穿通过经典(即牛顿)力学推导出不能被粒子克服的能量势垒的量子力学现象。在电子隧穿通过两个电极之间的能量势垒的情况下，这样的隧穿被称为“量子隧穿电流”。

“电极”指的是包括导电材料并且与电路的非金属部分（诸如空气或真空）接触的电路元件。适当的导电材料包括但不限于金属、半导体、碳、导电陶瓷和导电聚合物。

“电介质层”指的是包括作为不良电导体的绝缘体材料的层。示例性电介质材料包括但不限于氧化物、电介质陶瓷、聚合物、碳酸盐、玻璃、矿物和空气。

“原子层沉积”指的是处于气相的一个或多个前体以自我限制的方式与衬底的表面反应以使得一旦表面上的所有反应位置被消耗反应就终止的薄膜沉积技术。在一些实施例中，原子层沉积可以包括以顺序的方式将衬底暴露于两个气相前体。在一些其他实施例中，原子层沉积可以包括使用例如等离子体或原子团增强工艺以单个前体的方式沉积薄膜。

“牺牲层”指的是通过诸如蚀刻之类的工艺按顺序移除的所形成的材料层。示例性牺牲层材料包括但不限于金属、氧化物、氮化物和含碳材料。

“蚀刻”指的是使用腐蚀性物质(即蚀刻剂)来溶解固体材料的工艺。示例性蚀刻剂包括但不限于氢氟酸、磷酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠、SC-1溶液、有机溶剂和通过等离子体进行蚀刻。等离子体蚀刻可以包括合适的气体混合物的辉光放电(等离子体)流。等离子体源（被称为蚀刻种类）可以是在真空系统中凭借射频或微波激励产生的带电(离子)或中性(原子和原子团)。“选择性蚀刻”指的是选择并使用溶解第一固体材料但是不会溶解第二固体材料（其可能邻近第一固体材料）的特定蚀刻剂的工艺。

“电路”指的是在电子设备中执行一个或多个功能的电子电路或电子电路的系统。电子电路可以包括用导电线或迹线连接的诸如电阻器、晶体管、电容器、电感器和二极管之类的电子部件，电流可以流动通过该导电线或迹线。电路可以包括一个或多个集成电路，并且在一些实施例中，可以包括由一个或多个集成电路执行的软件。

详细描述

实施例可以提供用于使用量子隧穿效应在单分子水平对线性生物分子进行测序的改进设备、制造设备的方法和使用设备的方法。在一个实施例中，提供一种纳米制造的设备，其包括在两个电极之间设置具有非常小的宽度（例如0.8至5.0nm）的精确形成的间隙。该间隙的宽度可以对应于诸如DNA、RNA、多肽、蛋白质等等之类的线性生物分子的大小。当在间隙中存在线性生物分子（例如核酸碱基或氨基酸）的一部分且跨电极施加电压时，可以测量量子隧穿电流（或电压）中的变化。该变化的量值可以被映射到当测量时存在的特定生物分子部分。当线性生物分子（或分子片段）穿过该间隙时，可以通过在基于生物分子的穿越速度选择的时间间隔处进行顺序测量来执行测序。

可以通过使用诸如ALD之类的沉积工艺在两个电极之间沉积薄膜来形成精确定制尺寸的间隙。然后可以凭借选择性蚀刻来移除牺牲膜，其中所产生的空隙形成间隙。因为诸如ALD之类的工艺可以沉积具有单个原子或分子的厚度的期望材料层，所以膜厚度可以被准确控制，由此导致量子隧穿间隙被设计成以非常高的精度水平具有期望的宽度。此外，通过使用沉积工艺来形成本发明的纳米制造的设备，可以将许多检测器放置在单个集成电路芯片上。归因于例如DNA或RNA分子中的大量核酸碱基，可以迅速地执行测序，因为许多片段可以被同时测序。

进一步地，可以使用通常可用的半导体加工设备并使用常常在半导体铸造厂中使用的材料来执行用于制造纳米制造的设备的本发明的方法。一些半导体铸造厂禁止使用金和可以充当电荷复合中心的某些其他过渡金属。这样的金属在硅中表现出高扩散性，并且因此晶圆表面上的污染可以导致在热加工期间在p-n结的耗尽区中形成电荷陷阱。尽管本发明的实施例可以利用金作为电极材料（即如在现有的MCBJ设备中做的那样），但是还可以使用除金以及形成电荷陷阱的过渡金属之外的材料。在一些实施例中，本发明的方法还可以使用现有的半导体制造技术（例如沉积、光刻、蚀刻等等）来形成纳米制造的设备。通过使用与现有半导体制造兼容的工艺设备、技术和材料，与现有的单分子测序设备相比，可以以更具有时效性且更成本高效的方式来制造本发明的纳米制造的设备。

I. 纳米制造的设备。

图2A-2B示出根据本发明的实施例的用于使用量子隧穿来对线性生物分子进行测序的纳米制造的设备200的示意图。图2A示出设备200的横截面侧视图，并且图2B示出设备200的顶视图。应该指出，图2A-2B中示出的设备200的示意图仅仅是一个可能的配置，并且本领域技术人员将会认识到本发明的实施例包括其他配置。

如图2A中所示的那样，设备200可以包括：具有顶面的衬底202、设置在衬底202的顶面的第一部分上的第一电极204、设置在衬底202的顶面的第二部分上的电介质层206、和设置在电介质层206上且悬挂在第一电极204上方的第二电极208。如图2A中所示，设备200可以包括由第一电极204的顶面和第二电极208的底面限定的间隙210。间隙210的宽度（即第一电极204的顶面和第二电极208的底面之间的距离）可以对应于线性生物分子的大小，以使得当跨第一电极204和第二电极208施加电压并且在间隙210中存在线性生物分子的一部分时量子隧穿电流在第一电极204和第二电极208之间传输。

如在下面进一步详细描述的，可以使用诸如ALD之类的沉积工艺来精确地定制间隙120的宽度的尺寸以便在第一电极204和第二电极208之间形成牺牲层。随后该牺牲层可以被移除（例如经由选择性蚀刻）以形成间隙210。间隙210的宽度的尺寸可以被定制成对应于要使用设备200测序的线性生物分子的类型的大小。在一些实施例中，间隙210的宽度可以是约0.8至5.0nm。当设备200被用来对诸如DNA或RNA之类的小的线性生物分子测序时，在一些实施例中间隙210的宽度可以是约0.8至1.2nm。对于诸如多肽或蛋白质之类的更大的生物分子，在一些实施例中间隙210的宽度可以是约1.2至5.0nm。

在一些实施例中间隙210的宽度可以是可调整的。例如，第一电介质层206可以包括压电元件（或者被压电元件替换），该压电元件包括响应于所施加的电磁场而体积膨胀的材料。如图2A中所示的，在该非限制性示例中，压电元件在垂直方向上的膨胀可以促使第二电极208在垂直方向上移动，由此增加间隙210的宽度。

在一些实施例中，如图2A中所示的，间隙210可以进一步由第一电介质层206的顶面和第二电极208的侧面来限定。在这样的实施例中，第一电介质层206的顶面和第一电极204的顶面可以是基本共面的。在一些其他实施例中，第一电极204可以凹陷以使得其顶面处在由第一电介质层206的顶面形成的平面下方的平面中。在这样的实施例中，间隙210可以进一步由第一电介质层206的侧面来限定。

第一电极204和第二电极208中的每一个都可以包括任何适当的导电材料，包括但不限于金属、半导体、碳、导电陶瓷和导电聚合物。示例性金属可以包括Cu、W、Ti、Au、Ag、Al、Zn、Ni、Fe、Pt、Ta等等。示例性半导体可以包括Si、Ge、SiGe、GaAs、InP等等。示例性碳的同素异形体和形态可以包括金刚石、石墨、石墨烯、纳米管、纳米纤维、气相生长碳纤维（VGCF）等等。在一些实施例中，含碳化合物可以被用作用于第一电极204和第二电极208的材料。示例性导电陶瓷可以包括TiN、TaN、氧化铟锡（ITO）、掺镧钛酸锶（SLT）、掺钇钛酸锶（SYT）等等。示例性导电聚合物可以包括聚（吡咯）（poly(pyrrole)s）（PPY）、聚苯胺（PANI）、聚（噻吩）（（poly(thiophene)s）（PT）、聚（乙撑二氧噻吩）（poly(3,4-ethylenedioxythiophene)）（PEDOT）、聚（苯硫醚）（poly(p-phenyl sulfide）（PPS） 、聚（乙炔）（PAC）、 聚（苯撑乙烯）（poly(p-phenylene vinylene)）（PPV）等等。

在一些实施例中，第一电极204和第二电极208可以包括相同的导电材料。在其他实施例中，第一电极204和第二电极208可以包括不同的导电材料。

第一电介质层206可以包括任何适当的电绝缘材料，包括但不限于氧化物、电介质陶瓷、聚合物、碳酸盐、玻璃、矿物和空气。示例性氧化物可以包括SiO₂、Si₂O₃、Al₂O₃、ZrO₂、Fe₂O₃、MgO、ZnO、Ta₂O₅、HfO₂、钛酸盐等等。示例性电介质陶瓷可以包括Si₃N₄、SiC、SiAlON、AlN等等。示例性聚合物可以包括聚合物涂料、光敏聚合物（例如光刻胶）、烃类橡胶（例如EPM、EPDM等等）、腈类、聚乙烯类、聚氨酯、硅酮等等。示例性碳酸盐可以包括CaCO₃、MgCO₃等等。示例性玻璃可以包括硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃等等。示例性矿物可以包括云母、滑石、堇青石等等。

如图2A中所示，在一些实施例中，衬底202可以包括设置在半导体衬底214上的第二电介质层212。第二电介质层212可以包括上面关于第一电介质层206所述的任何适当的电绝缘材料。在一些实施例中，第一电介质层206和第二电介质层212可以包括相同的电绝缘材料。在其他实施例中，第一电介质层206和第二电介质层212可以包括不同的电绝缘材料。在图2A中，第一电介质层206和第二电介质层212被描绘为两个分开的层。在一些实施例中，组合的第一电介质层206和第二电介质层212可以是电绝缘材料的单个层。

半导体衬底214可以包括任何适当的半导体材料，包括但不限于Si、Ge、SiGe、GaAs、InP等等。在一些实施例中，半导体衬底214可以是集成电路芯片，其包括可以被电气耦合至第一电极204和第二电极208的电路216。例如，在一些实施例中，可以使用通过第二电介质层212的第一通孔来将电路216电气耦合至第一电极204，并且可以使用通过第二电介质层212和第一电介质层206的第二通孔来将电路216电气耦合至第二电极208。电路216可以被配置成跨第一电极204和第二电极208施加电压，并且测量在第一电极204和第二电极208之间传输的量子隧穿电流（或跨第一电极204和第二电极208的电压）。

如本文中所述的，当在间隙210中存在线性生物分子的一部分并且跨第一电极204和第二电极208施加电压时，量子隧穿电流可以在第一电极204和第二电极208之间传输。测得的量子隧穿电流（或结果得到的电压）可以被映射到间隙210中存在的生物分子的特定部分，并且可以通过当生物分子穿过间隙210时重复测量来完成测序。电路216可以被配置成执行这样的映射操作，或者备选地可以将电流或电压测量结果传送至被配置成执行映射操作中的一些或所有的外部计算设备。

在图2A中，电路216被描绘为包含在设备200的半导体衬底214内。在其他实施例中，电路216的所有或一部分可以存在于衬底202外部。例如，电路216的一个或多个晶体管、电容器、电阻器、二极管和/或电感器可以驻留在衬底202外部或全部驻留在设备200外部。例如，在一些实施例中，电路216的所有或一部分可以处于外部集成电路芯片的形式或者在设备200外部的任何其他适当配置中。

图2B示出包括第一电极204、第一电介质层206和第二电极208的设备200的示意性顶视图。如图2B中所描绘的，第一电极204和第二电极208可以是彼此正交定向的。然而，这不意图进行限制。在其他实施例中，第一电极204和第二电极208可以是彼此平行定向的或者以0和180 °之间的任何适当角度定向，只要间隙210存在于第一电极204和第二电极208之间。

设备200可以是单个集成电路芯片上的许多设备中的一个。例如，半导体衬底214的顶面可以足够大以支持每个都包括第一电介质层206、第二电介质层212、第一电极204、第二电极208和间隙210的许多设备的阵列。在一些实施例中，每个设备都可以通过电介质层分开以防止邻近设备中的电极彼此电气或物理接触。在一些实施例中，阵列中的每个设备都可以包括其自己的用于施加电压且测量在具体设备（即设备200）内生成的量子隧穿电流或电压的电路（例如电路216）。在一些其他实施例中，用于多个设备的电路可以被集成以使得当在阵列中的设备的一些或所有的间隙中存在线性生物分子时电路216施加电压并测量量子隧穿电流或电压。

通过在单个集成电路芯片上提供多个设备，可以同时对许多生物分子片段测序，因为当该片段穿过阵列中每个设备的间隙时可以进行量子隧穿电流和电压测量。因此，可以以改进的速度和效率在单个分子水平对线性生物分子测序。

II.制造纳米制造的设备的方法

本发明的实施例还提供制造用于在单分子水平并且使用量子隧穿效应对线性生物分子进行测序的纳米制造的设备的方法。在这样的方法中，可以使用可与现有的半导体制造工艺兼容的通常可用的半导体加工设备和材料。此外，现有的半导体制造技术（例如光刻、蚀刻、沉积等等）可以被用来形成纳米制造的设备。因此，与现有的单分子测序设备相比，可以以更具有时效性且更成本高效的方式来制造本发明的纳米制造的设备。

A.半导体生产工艺

本发明的实施例提供至少部分使用现有的半导体制造技术（诸如光刻、电子射束（e-beam）光刻、蚀刻、沉积等等）来制造纳米制造的设备的方法。

在半导体工业中光刻被用来对诸如半导体（例如硅）晶圆之类的固体材料进行图案化。该技术使用光将几何图案从光掩模转移至设置在材料表面上的被称为“光刻胶”的光敏化学制品。光掩模可以是包括允许光以特定几何图案照射通过的透明区域的不透明板。后续化学处理可以被用来将暴露图案雕刻在光刻胶下面的材料中，并且这样的处理还可以被用来允许将新材料沉积在几何图案中。可以执行若干次光刻循环以制造具有期望微结构的材料，其中每次迭代都包括顺序执行的若干个步骤。

在一个示例性光刻工艺中，最初使用湿化学处理（例如双氧水、三氯乙烯、丙酮、甲醇等等）来清洁起始材料以移除表面污染物。然后加热该材料以蒸发表面上的任何水分，并且施加诸如双(三甲基硅基)胺之类的化学制品以促进光刻胶到材料表面的粘附。使用旋转涂覆工艺，然后将液体光刻胶溶液施加于材料以形成具有例如约3微米或更少的均匀厚度的涂层。示例性光刻胶可以包括但不限于聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）、聚（甲基戊二酰亚胺）（PMGI）、酚醛树脂、SU-8等等。然后将涂覆材料预烘干以蒸发任何过量的光刻胶溶液。

使光刻胶涂覆材料受到在光刻胶层中引起化学变化的强烈UV或X射线光图案的影响，这允许使用诸如羟化四甲铵（TMAH）之类的显影剂溶液来移除光刻胶材料。如果使用“正”光刻胶，则暴露于UV（或X射线）光的区域可以溶解在显影剂溶液中。备选地，在“负光刻胶”的情况下，光刻胶的非暴露区域可以溶解在显影剂溶液中。在曝光后烘干（PEB）之后，施加显影剂溶液，之后是“硬烘干”以使留在材料表面上的光刻胶图案固化。

然后可以使用蚀刻工艺来移除未涂覆光刻胶的材料区域，由此在材料中形成期望的几何图案。这可以使用液体蚀刻剂（例如氢氟酸、磷酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠、SC-1溶液、有机溶剂等等）或等离子体蚀刻剂（例如氧气、氩气等等）来完成。然后可以使用诸如1-甲基吡咯烷酮（NMP，1-Methyl-2-pyrrolidon）或等离子体（例如含氧）之类的液体抗蚀剂剥离液来移除光刻胶。

还可以在半导体工业中使用诸如电子射束光刻之类的其他技术以使固体材料图案化。电子射束光刻是一种与上述光刻非常类似的工艺，除了电子射束光刻是使用电子射束（而不是光）来通过选择性地修改设置在材料表面上的电子敏感抗蚀剂层的溶解性来转移几何图案。电子射束光刻可以被用来在非常小的尺度（例如10nm或更小）来转移几何图案。

可以在本发明的一些实施例中可以使用上述光刻和电子射束光刻技术以便在用于对线性生物分子进行测序的纳米制造的设备的制造期间移除材料区域。在一些实施例中，在半导体工业中使用的沉积技术可以被用来当形成本文中所述的纳米制造的设备时添加材料区域。例如，沉积技术可以被用来将材料沉积在通过在光刻之前的蚀刻工艺期间移除的材料区域形成的腔或空隙中。这样的沉积技术可以包括但不限于原子层沉积（ALD）、化学汽相淀积（CVD）、物理汽相淀积（PVD）、离子束溅射（IBS）、反应溅射。

ALD包括通过促使一个或多个前体以自我限制的方式与衬底的表面反应的薄膜的沉积，在每次迭代时结果得到的膜都会生长出一个原子(或分子)层。CVD指的是一种将衬底暴露于在衬底表面上反应或分解的一个或多个挥发性前体的工艺，由此形成材料的沉积层。可以使用气体流将任何挥发性副产物从CVD反应容器中输送出来。在PVD中，通过从其汽相冷凝目标膜材料来将薄膜沉积在衬底上。IBS包括通过使材料与通过磁场约束在真空室中的电子碰撞来生成源材料的离子。电场使离子朝向衬底加速，其中在离子击中衬底并且形成期望材料层之前该离子被来自外部灯丝的电子中和。反应溅射类似于IBS，其中差别是反应气体（例如氧气、氮气、CO₂、C₂H₂或CH₄）被引入到真空室中，气体与源材料进行反应以便在包括例如氧化物、氮化物、金属DLC、碳化物或碳氮化物的衬底上形成层。

B.制造纳米制造的设备的方法

图3A-3H图示根据本发明的实施例的制造用于使用量子隧穿来对线性生物分子进行测序的纳米制造的设备的方法。该方法可以利用在现有半导体制造工艺中使用的光刻、蚀刻和沉积技术来形成包括通过间隙分开的两个电极的分层设备。该间隙可以具有对应于要被测序的线性生物分子（例如DNA、RNA、多肽、蛋白质等等）的大小的宽度，以使得当在间隙中存在一部分（例如核酸碱基或氨基酸）时量子隧穿电流在电极之间传输。应该指出，在图3A-3H中描绘的方法和结果得到的设备仅仅是一个示例，并且本领域技术人员将会认识到本发明的实施例包括对导致结果得到的设备的结构修改的所述方法的修改。

如图3A中所示的那样，该方法可以通过提供具有顶面的衬底302来开始，如图3B中所示可以在该顶面上沉积第一电介质层306。可以使用本文中所述的任何适当沉积技术来沉积第一电介质层306。

第一电介质层306可以包括任何适当的电绝缘材料，包括但不限于氧化物、电介质陶瓷、聚合物、碳酸盐、玻璃、矿物和空气。示例性氧化物可以包括SiO₂、Si₂O₃、Al₂O₃、ZrO₂、Fe₂O₃、MgO、ZnO、Ta₂O₅、HfO₂、钛酸盐等等。示例性电介质陶瓷可以包括Si₃N₄、SiC、SiAlON、AlN等等。示例性聚合物可以包括烃类橡胶（例如EPM、EPDM等等）、腈类、聚乙烯类、聚氨酯、硅酮等等。示例性碳酸盐可以包括CaCO₃、MgCO₃等等。示例性玻璃可以包括钠钙玻璃等等。示例性矿物可以包括云母、滑石、堇青石等等。

在一些实施例中，如图3A-3B中所示，衬底302可以包括设置在半导体衬底314上的第二电介质层312。第二电介质层312可以包括上面关于第一电介质层306所述的任何适当的电绝缘材料。在一些实施例中，第一电介质层306和第二电介质层312可以包括相同的电绝缘材料。在其他实施例中，第一电介质层306和第二电介质层312可以包括不同的电绝缘材料。

在图3A-3B中，第一电介质层306和第二电介质层312被描绘为两个分开的层。在这样的实施例中，可以通过使用本文中所述的任何适当的沉积技术来将第二电介质层312沉积到半导体衬底314上来形成衬底302，其中衬底302的顶面是第二电介质层312的顶面。在一些其他实施例中，组合的第一电介质层306和第二电介质层312可以是电绝缘材料的单个层。例如，可以将具有图3A-3B中示出的第一电介质层306和第二电介质层312的组合厚度的单个电介质层沉积到半导体衬底314的顶面上。

半导体衬底314可以包括任何适当的半导体材料，包括但不限于Si、Ge、SiGe、GaAs、InP等等。在一些实施例中，半导体衬底314可以是包括电路316的集成电路芯片，可以在根据本发明的各个实施例的纳米制造的设备的制造之前、之后或期间在半导体衬底314内形成该电路316。

在图3C中，可以通过移除第一电介质层306的区域来形成腔306'。在一些实施例中，可以使用将光刻胶层施加于图3B中示出的第一电介质层306的顶面的光刻工艺来形成腔306'。然后可以使光刻胶涂覆的表面以期望几何图案暴露于UV光，以使得当光刻胶的区域被放置成与显影剂溶液接触时溶解该区域。然后可以将蚀刻剂用来选择性地蚀刻掉第一电介质层306的区域以便在保存第一电介质层306的受光刻胶保护的邻近区域的同时形成腔306'。

如在图3D中所示的，第一电极304可以被沉积在衬底302的顶面上和形成于第一电介质层306的腔306'内。可以使用本文中所述的任何适当的沉积技术来沉积第一电极304。如图3D中所示，结果得到的结构可以包括被设置在衬底302的顶面的第一部分上的第一电极304和被设置在衬底302的顶面的第二部分上的第一电介质层306。

第一电极304可以包括任何适当的导电材料，包括但不限于金属、半导体、碳、导电陶瓷和导电聚合物。示例性金属可以包括Cu、W、Ti、Au、Ag、Al、Zn、Ni、Fe、Pt、Ta等等。示例性半导体可以包括Si、Ge、SiGe、GaAs、InP等等。示例性碳的同素异形体和形态可以包括金刚石、石墨、石墨烯、纳米管、纳米纤维、气相生长碳纤维（VGCF）等等。在一些实施例中，含碳化合物可以被用作用于第一电极204和第二电极208的材料。示例性导电陶瓷可以包括TiN、氧化铟锡（ITO）、掺镧钛酸锶（SLT）、掺钇钛酸锶（SYT）等等。示例性导电聚合物可以包括聚（吡咯）（PPY）、聚苯胺（PANI）、聚（噻吩）（PT）、聚（乙撑二氧噻吩）（PEDOT）、聚（苯硫醚）（PPS） 、聚（乙炔）（PAC）、 聚（对苯撑乙烯）（PPV）等等。

在一些实施例中，在腔306'内形成第一电极304之后，可以使用液体抗蚀剂剥离液或等离子体剥离液移除留在第一电介质层306的顶面上的光刻胶。在一些其他实施例中，可以在腔306'内形成第一电极304之前剥离掉剩余的光刻胶。此外，在一些实施例中，可以使用例如化学机械抛光(CMP)工艺来使第一电极304的顶面平面化。在图3D中示出的配置中，还可以凭借CMP或其他工艺来使第一电介质层306的顶面平面化以使得第一电介质层306和第一电极304的顶面基本上是共面的。在一些其他实施例中，第一电极304可以被沉积到第一电介质层306上和腔306'内。然后可以使用CMP工艺来移除第一电极304沉积到第一电介质层306上的部分并且促使第一电介质层306和第一电极304的顶面基本上共面。这样的工艺可能类似于“添加剂图案化”或“镶嵌工艺（Damascene）”技术，这里使用CMP与蚀刻相反地对材料进行图案化。

如图3E中所示，然后可以将牺牲层318沉积在第一电极304的顶面上。可以使用本文中所述的任何适当沉积技术来沉积牺牲层318。例如，在一些实施例中，可以使用ALD来沉积牺牲层以形成具有约0.8至5.0nm的厚度的薄膜。如在下面进一步详细描述的，牺牲层318可以包括通过关于设备中使用的其他材料的不同蚀刻速率表征的任何适当材料。例如，牺牲层318可以包括本文中所述的任何适当金属、氧化物、氮化物或含碳材料。在一些实施例中，可以使用例如化学机械抛光（CMP）工艺来使牺牲层318的顶面平面化。

如图3F中所示，可以通过移除牺牲层318的区域来形成腔318'。在一些实施例中，可以使用光刻工艺来形成腔318'，在该光刻工艺中将光刻胶层施加于牺牲层318的顶面。在以期望几何图案暴露于UV光时，当光刻胶的区域与显影剂溶液接触时溶解该区域。然后可以将蚀刻剂用来选择性地蚀刻掉牺牲层318的区域以便形成腔318'。可以在蚀刻工艺期间保存涂覆有光刻胶的牺牲层318的区域，随后使用液体抗蚀剂剥离液或等离子体剥离液移光刻胶区域。

然后可以将第二电极308沉积在牺牲层318上和第一电介质层306的顶面上，如图3G中所示。可以使用本文中所述的任何适当沉积技术来沉积第二电极308。如同第一电极304，第二电极308可以包括任何适当的导电材料，包括但不限于金属、半导体、碳、导电陶瓷和导电聚合物。示例性金属可以包括Cu、W、Ti、Au、Ag、Al、Zn、Ni、Fe、Pt、Ta等等。示例性半导体可以包括Si、Ge、SiGe、GaAs、InP等等。示例性碳的同素异形体和形态可以包括金刚石、石墨、石墨烯、纳米管、纳米纤维、气相生长碳纤维（VGCF）等等。在一些实施例中，含碳化合物可以被用作用于第一电极204和第二电极208的材料。示例性导电陶瓷可以包括TiN、氧化铟锡（ITO）、掺镧钛酸锶（SLT）、掺钇钛酸锶（SYT）等等。示例性导电聚合物可以包括聚（吡咯）（PPY）、聚苯胺（PANI）、聚（噻吩）（PT）、聚（乙撑二氧噻吩）（PEDOT）、聚（苯硫醚）（PPS） 、聚（乙炔）（PAC）、 聚（对苯撑乙烯）（PPV）等等。

在一些实施例中，第一电极304和第二电极308可以包括相同的导电材料。在其他实施例中，第一电极204和第二电极208可以包括不同的导电材料。

第一电极304和第二电极308可以具有关于彼此的任何适当定向。在一些实施例中，第一电极304和第二电极308可以是彼此正交定向的。在其他实施例中，第一电极304和第二电极308可以是彼此平行定向的或者以0和180 °之间的任何适当角度定向，只要间隙310存在于第一电极304和第二电极308之间。

如图3H中所示，可以移除牺牲层318以形成由第一电极304的顶面和第二电极308的底面限定的间隙310。在一些实施例中，可以凭借蚀刻工艺来移除牺牲层318，在该蚀刻工艺中牺牲层被暴露于蚀刻剂。牺牲层318可以由具有与设备（诸如第一电极304、第二电极308、第一电介质层306和衬底302（在一些实施例中包括第二电介质层312和半导体衬底314））中的其他材料不同的蚀刻速率的任何适当材料组成。通过选择适当的蚀刻剂，可以利用不受蚀刻剂影响的设备中的其它材料来溶解牺牲层318。用于移除牺牲层的适当蚀刻剂可以包括但不限于氢氟酸、磷酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠、SC-1溶液、有机溶剂和O₂等离子体。

在图3G中，第二电极308具有阶式结构，这归因于第二电极308是沉积到第一电介质层306和设置在第一电介质层306的顶面上的牺牲层318二者上的均匀厚度的层。如图3H中所看到的，如果需要的话可以凭借例如化学机械剖光（CMP）工艺来使该阶式结构平面化。

牺牲层318的厚度以及因此间隙310的对应宽度可以对应于线性生物分子的大小，以使得当跨第一电极304和第二电极308施加电压且在间隙310中存在线性生物分子的一部分时量子隧穿电流在第一电极304和第二电极308之间传输。在一些实施例中，间隙310的宽度可以是约0.8至5.0nm。当设备被用来对诸如DNA或RNA之类的小的线性生物分子测序时，在一些实施例中间隙310的宽度可以是约0.8至1.2nm。对于诸如多肽或蛋白质之类的更大的生物分子，在一些实施例中间隙310的宽度可以是约1.2至5.0nm。

在一些实施例中，如图3H中所示，间隙310可以进一步由第一电介质层306的顶面和第二电极308的侧面来限定。在这样的实施例中，第一电介质层306的顶面和第一电极304的顶面可以是基本共面的。在一些其他实施例中，第一电极304可以凹陷以使得其顶面处在由第一电介质层306的顶面形成的平面下方的平面中。在这样的实施例中，间隙310可以进一步由第一电介质层306的侧面来限定，并且可以作为图3D中示出的第一电极304被沉积成具有小于图3C中示出的腔306'的高度的厚度的结果而形成。在该配置中，图3E中示出的牺牲层318的所有或部分可以填充保存在第一电极304上方的腔306'的区域。

如上所述，如果半导体衬底314被包括在衬底302中，则半导体衬底314可以包括电路316。在一些实施例中，电路316可以被电气耦合至第一电极304和第二电极308。例如，可以使用通过第二电介质层312的第一通孔来将电路316电气耦合至第一电极304，并且可以使用通过第二电介质层312和第一电介质层306的第二通孔来将电路316电气耦合至第二电极308。电路316可以被配置成跨第一电极304和第二电极308施加电压，并且测量在第一电极304和第二电极308之间传输的量子隧穿电流（或跨第一电极304和第二电极308的电压）。

如本文中所述的，当在间隙310中存在线性生物分子的一部分并且跨第一电极304和第二电极308施加电压时，量子隧穿电流可以在第一电极304和第二电极308之间传输。测得的量子隧穿电流（或结果得到的电压）可以被映射到间隙310中存在的生物分子的特定部分。可以通过当生物分子穿过间隙310时重复测量来完成测序。电路316可以被配置成执行这样的映射操作，或者备选地可以将电流或电压测量结果传送至被配置成执行映射操作中的一些或所有的外部计算设备。

在图3A-3H中，电路316被描绘为包含在半导体衬底314内。在其他实施例中，电路316的所有或一部分可以存在于衬底302外部。例如，电路316的一个或多个晶体管、电容器、电阻器、二极管和/或电感器可以驻留在衬底302外部或全部驻留在该设备外部。例如，在一些实施例中，电路316的所有或一部分可以是以外部集成电路芯片的形式或者以设备外部的任何其他适当配置。

通过图3A-3H中描绘的方法形成的设备可以是单个集成电路芯片上的许多设备中的一个。例如，半导体衬底314的顶面可以足够大以支持每个都包括第一电介质层306、第二电介质层312、第一电极304、第二电极308和间隙310的许多设备的阵列。因此，根据本发明的实施例的方法可以被缩放以使得许多设备同时或按顺序形成在单个芯片上。在一些实施例中，每个设备都可以通过电介质层分开而形成以防止邻近设备中的电极彼此电气或物理接触。在一些实施例中，阵列中的每个设备都可以包括其自己的用于施加电压且测量在具体设备内生成的量子隧穿电流或电压的电路（例如电路316）。在一些其他实施例中，用于多个设备的电路可以被集成以使得当在阵列中的设备的一些或所有的间隙中存在线性生物分子时电路316施加电压并测量量子隧穿电流或电压。

C.材料选择。

如上所述，可以通过沉积设置在两个电极之间的牺牲层并且然后利用在形成间隙之后留下的空隙凭借蚀刻工艺移除牺牲层来形成用于对线性生物分子测序的尺寸精确定制的间隙。用于电介质层、电极和牺牲层以及所选蚀刻剂的材料可以被选取成使得当包括牺牲层的设备（例如在图3G中）被暴露于蚀刻剂时，基本上仅溶解牺牲层来利用被保存的其他材料形成间隙。材料和蚀刻剂的许多不同组合可以被用来实现根据本发明的各个实施例的期望间隙。下面在表1中提供材料和蚀刻剂的一些示例性组合。

表1

电极材料电介质材料牺牲层材料蚀刻剂Al (或其他金属)SiO₂碳O₂>TiNAl₂O₃SiO₂氢氟酸或其他含氟的蚀刻剂TiNAl₂O₃Si₃N₄氢氟酸或其他含氟的蚀刻剂AlSiO₂或Si₃N₄BNO₂等离子体AlSi₂O₃或Si₃N₄TaNSC1 溶液(NH₄OH:H₂O₂:H₂O)TaSiO₂Si₃N₄磷酸

表1中示出的材料和蚀刻剂的组合的列表是不详尽的并且因此不意图进行限制。根据本发明的各个实施例可以使用具有不同蚀刻速率的材料和蚀刻剂的许多其他可能组合以使得可以在不溶解设备的其他材料的情况下蚀刻掉牺牲材料。可以在Williams,等人,Etch Rates for Micromachining Processing – Part II,Journal>Microelectromechanical>, 2003, 12(6), 761-778中找到各种材料和蚀刻剂的蚀刻速率，为了所有目的通过引用将其合并于此。

III.使用纳米制造的设备的方法

本发明的实施例还提供使用用于在单分子水平并且使用量子隧穿效应对线性生物分子进行测序的纳米制造的设备的方法。如上所述，本发明的纳米制造的设备可以包括在两个电极之间设置的具有小宽度（例如0.8至5.0nm）且使用诸如ALD之类的沉积工艺来形成的间隙。该间隙的宽度可以对应于诸如DNA、RNA、多肽、蛋白质等等之类的线性生物分子的大小。当在间隙中存在线性生物分子（例如核酸碱基或氨基酸）的一部分且跨电极施加电压时，可以测量量子隧穿电流中的变化。

在一些实施例中，当施加电压时存在基线量子隧穿电流以使得测得的量子隧穿电流中的变化可以是在进行测量时基线电流与由存在于间隙中的线性生物分子的一部分引起的电流中的增加（或减小）之间的差。在一些其他实施例中，可能没有量子隧穿电流在电极之间传输，除非在间隙中存在线性生物分子的一部分。在这样的实施例中，量子隧穿电流中的变化可以是测得的电流的总量值。

根据本发明的各个实施例还可以测量跨电极的电压中的变化以便对线性生物分子测序。例如，可以利用跨电极保持恒定电流的电流源。当在间隙中存在线性生物分子的一部分时，该生物分子部分的阻抗可以促使跨电极的电压发生变化。

测得的量子隧穿电流或电压中的变化可以被映射到在进行测量时在间隙中存在的特定生物分子部分。可以通过当线性生物分子穿过间隙时重复测量并映射测量结果来完成测序。在一些实施例中，可以以基于生物分子穿过间隙的速度而选择的时间间隔来重复测量。

图4示出图示根据本发明的实施例的使用用于使用量子隧穿来对线性生物分子进行测序的设备的方法400的流程图。在方法400中使用的设备可以是图2A-2B中图示的设备200。相应地，上面关于设备200描述的所有细节也可以应用于方法400中使用的设备。

在步骤402中，可以提供设备。该设备可以包括具有顶面的衬底、设置在衬底的顶面的第一部分上的第一电极、设置在衬底的顶面的第二部分上的第一电介质层、和设置在第一电介质层上且悬挂在第一电极上方的第二电极。间隙可以由第一电极的顶面和第二电极的底面来限定。

所提供的设备可以进一步包括电气耦合至第一电极和第二电极的电路。在一些实施例中，该设备的衬底可以包括设置在半导体衬底上的第二电介质层。在这样的实施例中，该电路的所有或一部分可以被包括在半导体衬底中。例如，可以使用通过第二电介质层的第一通孔来将该电路电气耦合至第一电极，并且可以使用通过第二电介质层和第一电介质层的第二通孔将该电路电气耦合至第二电极。

在步骤404中，可以使用该电路跨第一电极和第二电极施加电压。在一些实施例中，所施加的电压可以是恒定电压。在一些其他实施例中，可以通过跨第一和第二电极提供恒定电流的电流源来施加变化的电压。

在步骤406中，可以将线性生物分子的一部分引入到间隙中。在一些实施例中，该线性生物分子可以是DNA、RNA、多肽或蛋白质。在这样的实施例中，存在于该间隙内的线性生物分子的一部分可以是核酸碱基或蛋白质。

许多公知的分子生物学协议（诸如用于核酸捕获，隔离DNA、RNA或蛋白质、制备单链DNA模板等等的协议）可以被适配成在测序方法中使用并且可以被用来制备根据本发明的各个实施例的用于测序的生物分子。存在用于单链DNA模板的隔离和产生的方法和商业可得的套件（其将是本领域技术人员所熟悉的，诸如可从(马萨诸塞州沃尔瑟姆市)赛默飞世尔科技有限公司得到的DNA和RNA隔离套件）的许多示例。然而，这些仅仅是许多这样的方法的特定示例并且不意图进行限制。

在一些实施例中，可以凭借直接在电极之间含有间隙的设备的区域的顶部上或在安装于设备上的流体单元中制造的一个或多个通道来将生物分子引入间隙中。可以使用诸如机械加工、成型、冲压、纳米制造等等之类的各种各样的技术来形成该通道。可以通过例如将含有模板的液体的微滴放置在通道中来将要被测序的模板加载在该设备上。单独扩散可以允许模板横向穿过电极。在一些实施例中，因为生物分子可以是带电的，所以可以通过经由跨位于通道每一端处的电极放置电势以沿着通道向下施加电偏压来指引它们流过间隙。生物分子然后可以以电泳的方式沿着通道向下移动并且通过将电极分开的间隙。备选地，如果生物分子足够大，则分子的极化性可以被用来将介电泳用作机制使分子移动通过间隙。在Ivanov等人, ACS Nano 9 (2015) 3587-3595中进一步详细描述了介电泳技术，为了所有目的通过引用将其合并于此。

在步骤408中，电路可以被用来测量在第一电极和第二电极之间传输的量子隧穿电流、跨第一电极和第二电极的电压、或第一电极和第二电极之间的阻抗。例如，当在间隙中存在线性生物分子的一部分时，其阻抗或电导可以促使跨第一和第二电极的电流（或电压）变化。在一些实施例中，该变化可以是相对于当在电极之间不存在生物分子时跨电极的电流或电压的基线水平。在其他实施例中，该变化可以相对于零电流或电压，仅当存在线性生物分子时该电流或电压达到非零值。

在步骤410中，可以基于测得的量子隧穿电流、电压或阻抗来识别引入间隙中的线性生物分子的一部分。在一些实施例中，可以将包括对于各个线性生物分子部分的电流值、电压值和/或阻抗值的映射数据存储在数据表或其他数据结构中。在一些实施例中，该映射数据可以被存储在该设备中。在一些其他实施例中，该映射数据可以被存储在从该设备接收电流、电压或阻抗测量结果的外部计算设备中。在任一种情况下，都可以将映射数据与电流或电压测量结果相比较以确定在进行测量时哪个线性生物分子部分存在于间隙中。

可以以基于线性生物分子穿过间隙的速度的时间间隔来重复测量。通过将一系列测量结果映射至线性生物分子部分，可以由此对生物分子进行测序。

IV.计算机系统

可以通过并入纳米制造的设备中或在纳米制造的设备外部的计算机系统来完成本文中所述的用于通过将测得的电流、电压或阻抗中的变化映射至具体线性生物分子部分来对线性生物分子进行测序的工艺中的一个或多个。

图5示出根据本发明的实施例的可用于使用量子隧穿来对线性生物分子测序的示例性计算机系统500的框图。如图5中看到的，计算机系统500可以利用许多子系统。在一些实施例中，计算机系统500可以包括单个计算机装置，在这里该子系统可以是计算机装置的部件。在其他实施例中，计算机系统500可以包括多个计算机装置，每一个都是一个具有内部部件的子系统。计算机系统500可以包括一个或多个桌上型计算机、膝上型计算机、平板电脑、移动电话或其他类型的计算设备。

经由系统总线512来互连图5中示出的子系统。示出诸如打印机508、键盘518、（一个或多个）存储设备520、监视器524（其被耦合至显示适配器514）以及其他的附加子系统。可以通过本领域中已知的任意数量的装置（诸如输入/输出（I/O）端口516（例如USB、FireWire^®））将外设和输入/输出（I/O）设备（其耦合至I/O控制器502）连接至计算机系统500。例如，I/O端口516或外部接口522（例如以太网、Wi-Fi等等）可以被用来将计算机系统500连接至广域网（诸如互联网）、鼠标输入设备、或扫描仪。经由系统总线512的互连允许中央处理器506与每个子系统通信并且控制来自系统存储器504或（一个或多个）存储设备520（例如固定盘（诸如硬盘驱动器）或光盘）的指令的执行，以及各子系统之间信息的交换。系统存储器504和/或（一个或多个）存储设备520可以体现为计算机可读介质。另一子系统是数据收集设备510，诸如相机、麦克风、加速度计等等。本文中提到的数据中的任意都可以从一个部件输出到另一部件并且可以被输出给用户。

计算机系统500可以包括例如通过外部接口522或通过内部接口连接在一起的多个相同的部件或子系统。在一些实施例中，计算机系统、子系统或装置可以通过网络通信。在这样的实例中，一个计算机可以被视为客户端以及另一计算机可以被视为服务器，在这里每一个都可以是同一计算机系统的一部分。客户端和服务器中的每个都可以包括多个系统、子系统或部件。

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