Твердотельные нанопоры

Фон

Твердотельные нанопоры привлекают все большее внимание благодаря регулируемому размеру, высокой надежности, простоте модификации и так далее [1,2,3]. Он применялся для секвенирования ДНК [4], очистки воды [5], обнаружения белков [6], разделения наночастиц [7], преобразования энергии [8] и т.д., особенно в области секвенирования ДНК, обнаружения белков, и преобразование энергии. Таким образом, очень важно создавать твердотельные нанопоры с помощью недорогих и высокоэффективных методов.

Технология изготовления твердотельных нанопор была впервые описана Цзяли Ли и ее сотрудником в 2001 году [9] и стала горячей точкой исследований. Согласно производственному механизму, технологию изготовления твердотельных нанопор можно разделить на две большие категории. Первый - это технология травления «сверху вниз», например сфокусированный ионный пучок и высокоэнергетический электронный пучок. Второй тип - это технология усадки «снизу вверх», основанная на первом типе, например осаждение с помощью электронного луча и осаждение атомных слоев. Теперь нитрид кремния [10] и оксид кремния [6] были использованы для получения твердотельных нанопор, которые обладали превосходными характеристиками, такими как регулируемый диаметр и длина канала. Кроме того, графен [11] и сульфид молибдена [12] также могут быть использованы для изготовления твердотельных нанопор.

Диаметр твердотельной нанопоры можно точно регулировать от субнанометра до нескольких сотен нанометров в зависимости от потребности [13]. Обычно твердотельные нанопоры создаются на изоляционных материалах [14] и очень стабильны в экстремальных растворах, таких как концентрированная серная кислота [15] и высоких температурах [16]. Однако их стабильность также во многом зависит от метода приготовления. В этой статье мы рассмотрим метод приготовления твердотельных нанопор. Во-первых, мы обсудили развитие технологии изготовления твердотельных нанопор. Затем мы подробно демонстрируем различные технологии изготовления твердотельных нанопор. Наконец, мы подвели итоги применения технологии изготовления твердотельных нанопор в некоторых областях.

Процесс разработки

С тех пор, как Цзяли Ли из Гарвардского университета впервые сообщил о производстве нанопор нитрида кремния ионами аргона в 2001 году [9], технология изготовления твердотельных нанопор постепенно превратилась в две отрасли:производство высокоэнергетических пучков [17,18,19] и традиционное производство. изготовление (рис. 1). Исследователи пытаются повысить эффективность производства твердотельных нанопор с помощью пучка высокой энергии, чтобы компенсировать отсутствие высокой стоимости. Gierak et al. [20] улучшил Ga ⁺ система прямой записи сфокусированного ионного пучка (FIB) и создавала нанопору на пленке SiC толщиной 20 нм и диаметром около 2,5 нм. В 2016 году появилась система травления ионами гелия с высокой эффективностью, имеющая меньшую активную область пятна луча и образца. До сих пор он обработал Si ₃ N ₄ нанопоры диаметром всего 1,3 нм [21].

Дорожная карта развития технологии производства твердотельных нанопор

Исследователи всегда преследовали цель добиться эффективного и контролируемого изготовления твердотельных нанопор с использованием традиционных методов производства. Из-за потребности в твердотельных нанопорах появляется множество технологий изготовления твердотельных нанопор, таких как нарезка углеродных нанотрубок [22], травление маски (наносфера [23] и пористая пленка из анодного оксида алюминия [24]), наноимпринт [25] , и так далее. Хотя эти методы позволяют избежать использования просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ), FIB и другого дорогостоящего технологического оборудования, все же существует множество недостатков. Плохая управляемость методом резки углеродных нанотрубок, что не подходит для серийного производства. Диаметр наносферы при травлении маски ограничивает размер и плотность треугольной твердотельной нанопоры. Пористые пленки анодного оксида алюминия имеют низкую прочность и требуют помощи процесса переноса, что снижает эффективность производства. Для наноимпринта требуются высокоточные шаблоны, что само по себе является проблемой микро / нанопроизводства.

После того, как Ling et al. изготовили пластиковую нанопору с помощью технологии управления с обратной связью по току, эту технологию использовали для травления кремния [26], и было реализовано контролируемое изготовление кремниевой нанопоры [27]. Основываясь на работе Ling, Pedone et al. [28] использовали электронно-лучевую литографию для изготовления окон, травленных кремнием, что позволило уменьшить различия в отверстиях, вызванные фотолитографическими ошибками. Позже исследователи объединили технологию управления с обратной связью по току с технологией электрического пробоя и создали твердотельные нанопоры размером менее 2 нм [29]. Однако метод управления с обратной связью по току не может идентифицировать повышенный сигнал тока, вызванный увеличением количества пор или увеличением диаметра одной поры. Таким образом, он не подходит для изготовления твердотельных нанопор.

Недавно Лю и др. [30] изготовили трубку с полевым эффектом на основе наножидкости на основе стеклянных пор с использованием методов травления микрометрических ячеек, осаждения стекла, отжига и осаждения атомных слоев. Surwade et al. В работе [31] с помощью травления графена в кислородной плазме была получена пленка с нанопорами графена диаметром 0,5–1 нм. Хотя материал этой нанопористой технологии производства ограничен графеном, а процесс переноса графена несовместим с микроэлектромеханической системой (MEMS) и процессом комплементарных оксидов металлов (CMOS), его механизм образования пор нарушил минимальный предел поверхностной энергии, который доказывает появление производства твердотельных нанопор с высокой эффективностью и низкой стоимостью.

Технологии изготовления

Метод травления ионных треков

Сначала твердотельные нанопоры были изготовлены методом ионного травления. При травлении ионных треков пленка травилась травителем, облученная тяжелыми ионами. Скорость травления области трека больше, чем у области без трека ( v _трек > v _{навалом} ), которые в результате образуют поры. С помощью этого метода были успешно получены твердотельные нанопоры в относительно недорогих материалах, таких как поликарбонат, полиимид и нитрид кремния. Zhang et al. [32] изготовили нанопоры нитрида кремния этим методом с использованием высокоэнергетического Br ⁺ . (81 МэВ). Диаметр этой нанопоры был относительно большим, и минимальный диаметр полученной нанопоры составил 40 нм после процесса усадки. В настоящее время Harrell et al. [18] изготовили твердотельную нанопору диаметром 2 нм путем травления ионных треков после уменьшения диаметра путем осаждения тонких пленок из нанозолота. Однако твердотельные нанопоры, полученные методом травления по ионным каналам, имеют небольшую пористость и неравномерное распределение пор по размерам. Между тем, этот метод требует дорогостоящего акселерометра тяжелых ионов и сильно ограничивает производство и применение твердотельных нанопор.

Метод травления маски

Метод травления маски можно разделить на три вспомогательных метода производства в зависимости от типа маски, которая представляет собой пористый анодный оксид алюминия (AAO), наносферу и наноотпечаток соответственно. Исследователи обнаружили, что AAO не только обладают равномерным распределением пор по размеру и регулируемой длиной пор, но также имеют периодическую сотовую структуру пор без пересечения и соединения между порами сбоку. Он может решить проблему низкой пористости и неравномерного распределения по размерам в методе травления ионных треков. Как показано на рис. 2a, Liang et al. [25] перенесли рисунок нанопор на подложку с помощью реактивного ионного травления с использованием AAO в качестве маски и реализовали контролируемое изготовление твердотельной нанопоры. К сожалению, механическая прочность пленки AAO низкая, и она склонна к растрескиванию. Кроме того, его производственный процесс также связан с множеством проблем, таких как трудоемкость, низкая производительность, загрязнение окружающей среды и расточительство сырья. Все эти дефекты ограничивают использование методов травления маски AAO.

Получение твердотельных нанопор методами травления маски. ( а ) Твердотельная нанопора GaAs [25], ( b ) кремниевые нанопоры [33] и ( c ) нанопоры алюминия различной формы [34]

Вдохновленный травлением маски AAO для создания твердотельных нанопор, Alyson et al. [24] используют наносферу в качестве маски с последующим реактивным ионным травлением (RIE) для создания твердотельной нанопоры с высокой пористостью и треугольным поперечным сечением. Chen et al. [33], основанный на первом, и скорректировал диаметр наносфер верхнего слоя в двухслойных наносферах из полистирола, чтобы точно контролировать распределение зазоров и размер наносферы. Наконец, с помощью глубокого реактивного ионного травления они получили кремниевую нанопору глубиной до 2 мкм, поперечное сечение которой было аналогично наносфере. Технология травления наносферы также может быть объединена с осаждением металла или процессом снятия изоляции для получения маски из металлических нанопор. Затем, в сочетании с травлением и удалением металлической маски, была получена кремниевая нанопора [34] (рис. 2б). Технология травления наносферы обладает широкой адаптируемостью, которая не только может быть использована для создания твердотельных нанопор с многослойной структурой, но также может быть использована для создания высокопористого полиэфирсульфонового фильтра. Однако из-за ограничения диаметра наносфер диаметр нанопор слишком велик, и его трудно сделать менее 10 нм.

Изготовить твердотельные нанопоры с помощью масок AAO или вспомогательных методов производства наносфер очень сложно, поскольку они задействованы в процессах изготовления, переноса и удаления масок. В то же время маску нельзя использовать повторно, и это приводит к отходам. Итак, исследователи обратили внимание на технологию многоразового использования наноимпринтов. Принцип наноимпринта состоит в том, чтобы прижать подготовленный шаблон к тонкой полимерной пленке (например, полиметилметакрилату), и рисунок, аналогичный шаблону, получается, когда пленка затвердевает [35]. Технология наноимпринта позволяет не только повторно использовать шаблоны, но и создавать сложные наноструктуры с минимальной шириной линии до 5 нм [23]. Пористый алюминий - наиболее распространенный продукт с нанопористой структурой, изготовленный по технологии наноимпринтов [36] (рис. 2в). В настоящее время Chou et al. [37] создали самые маленькие нанопоры с помощью технологии наноимпринтов. Они использовали хром в качестве маски и применили травление электронным пучком и RIE, получив диаметр 10 нм и высоту 60 нм SiO ₂ . наностолбик. Впоследствии диаметр наностолбика дополнительно уменьшается за счет травления HF, и нанопора диаметром менее 6 нм получается за счет использования наностолбика в качестве шаблона для отпечатка. Однако стабильность этого метода оставляет желать лучшего, и процесс изготовления шаблона и штамповки все еще нуждается в улучшении. Высокоточные шаблоны требуются в технологии наноимпринтов и требуют наноразмерных методов производства, таких как электронно-лучевая литография, что само по себе является проблемой в микро / нанопроизводстве. Кроме того, срок службы шаблона и точность оттиска также являются проблемами технологии наноимпринтов.

Метод травления химическим раствором

В дополнение к использованию методов травления маски ученые также пытаются изготовить твердотельные нанопоры, используя травление химическим раствором. Среди химического травления в растворе обычно используются методы электрохимического травления при производстве пористого кремния. Метод электрохимического травления - это дешевый метод изготовления кремниевых твердотельных нанопор, который позволяет точно контролировать рисунок и расположение пористого кремния, создавая маску. Кроме того, пористость и размер нанопор пористого кремния также можно контролировать, регулируя концентрацию травильной жидкости, ток травления, время травления и другие параметры процесса. Ороско и др. [38] достигли выдающихся результатов с помощью этого метода и создали двойные слои пористого кремния с минимальным диаметром нанопор 6 нм (рис. 3а). Кроме того, Wang et al. [39] использовали фокусный ионный пучок (доза 10 ¹¹ ~ 10 ¹⁵ ионов / см ² ) для облучения определенного положения кремния, затем был использован метод электрохимического травления для получения кремниевой нанопоры с контролируемым положением и количеством, в то время как количество и размер нанопор ограничены небольшим полем обзора ионного луча. Однако шероховатость поверхности стенки пористого кремния, изготовленной методом электрохимического травления, была слишком высокой даже для существующей бифуркационной структуры, что серьезно ограничивает применение метода электрохимического травления, используемого для изготовления твердотельных нанопор кремния.

Получение твердотельной нанопоры методом химического травления в растворе. ( а ) Двустенные кремниевые нанопоры [38], ( b ) кремниевые нанопоры [27] и ( c ) хорошо контролируемые кремниевые нанопоры [28]

С развитием технологии MEMS исследователи обнаружили, что метод травления химическим раствором может быть использован для изготовления кремниевых нанопор с контролируемыми положениями и числами [27, 28, 40]. Park et al. [27] впервые применили твердотельные нанопоры, полученные методом химического травления в растворе, для секвенирования ДНК. Во-первых, они использовали фотолитографию и RIE для травления пленок нитрида кремния с обеих сторон кремниевой пластины и получения кремниевых окон с разными площадями. Затем кремниевую пластину помещают в раствор КОН для травления, и в малых и больших окнах получают перевернутую пирамиду и трапециевидную структуру соответственно. В-третьих, кремниевая пластина устанавливается на систему травления с обратной связью, а раствор соли KCl и травильный раствор KOH изолированы кремниевой пластиной (рис. 3b). Когда раствор КОН пробивает кремниевую пластину, образуя нанопору, раствор с обеих сторон кремниевой пластины проходит через нанопору и проводит через платиновые электроды, получая электрический сигнал обратной связи. Наконец, они удаляют кремниевую пластину, получая кремниевые нанопоры. Из-за ограничений изготовления масок для литографии и ошибок фотолитографии маленькое кремниевое окно с рисунком не может быть абсолютным квадратом, поэтому протравленные твердотельные нанопоры представляют собой приблизительно прямоугольники и требуют последующей обработки, такой как отжиг, для улучшения морфологии пор. Pedone et al. [28] разработали небольшое окно с использованием электронно-лучевой литографии на основе первого, что позволило избежать ошибок изготовления масок и литографии. В то же время, когда в интеллектуальную систему управления была добавлена ​​обратная связь по электрическому сигналу, была получена примерно идеальная нанопора (рис. 3c). Аналогичным образом Liu et al. [41] использовали комбинацию методов сухого и влажного травления для создания кремниевых нанопор с минимальным диаметром 30 нм. Нетрудно найти, кроме групп Рэнта, другие группы просто могут изготавливать кремниевые нанопоры большего диаметра. В то же время трудно охарактеризовать диаметр нанопоры, что объясняет ограниченное поле ПЭМ.

Метод травления и усадки высокоэнергетических частиц

Столкнувшись с неудачей в поисках создания твердотельных нанопор с использованием простых методов, некоторые исследователи вернулись к использованию энергичных частиц для изготовления нанопор на небольших участках с контролируемой структурой [20, 42]. Kim et al. [42] впервые применили травление сфокусированным ионным пучком и получили глухие поры 6 × 6 диаметром 2 мкм в качестве области электронно-лучевой литографии. Затем они использовали травление пучком высокоэнергетических электронов в ПЭМ с получением нанопоры SiN, и средний диаметр полученной нанопоры SiN составил 5,14 нм со стандартным отклонением 0,46 нм. Из-за ограничений оборудования ПЭМ, только один чип может быть помещен в каждый вакуум, что серьезно ограничивает скорость изготовления чипа с нанопорами. Устройство FIB имеет большую полость, и на нем можно разместить более одного чипа, даже целую пластину (кремний). По сравнению с ПЭМ, он значительно повысил эффективность производства нанопор. Однако диаметр нанопоры, полученной травлением сфокусированным ионным пучком, слишком велик. В настоящее время только группа Gierak создала нанопоры диаметром менее 5 нм с использованием FIB [20]. Они улучшили Ga ⁺ система прямой записи и изготовленные нанопоры диаметром около 2,5 нм на пленке карбида кремния толщиной 20 нм.

Теперь, кроме групп Гирака, другим группам трудно использовать Ga ⁺ система фокусированного ионного пучка с источником для изготовления нанопор диаметром менее 10 нм. Исследователи пытаются использовать ФИП для создания нанопор большего диаметра, затем была использована обработка поверхности для уменьшения диаметра нанопор [43,44,45,46]. До сих пор методы уменьшения диаметра нанопор были разделены на две категории. Первый тип - это средства осаждения, в которых материал осаждается на поверхность нанопоры для уменьшения диаметра нанопоры. Второй тип - облучение электронным пучком, которое заставляет материал края нанопор перемещаться и уменьшать диаметр нанопор.

Усадка материала нанопор, нанесенного на поверхность

Chen et al. [43] впервые реализовали точное уменьшение диаметра нанопор путем нанесения материалов на поверхность нанопор. Они нанесли 24 слоя оксида алюминия на Ga ⁺ -травленую поверхность нанопор с помощью осаждения атомных слоев (ALD), и диаметр нанопор был уменьшен до 2 нм (рис. 4a). В процессе секвенирования ДНК было обнаружено, что нанопоры, подготовленные этим методом, могут эффективно уменьшить шум и улучшить отношение сигнал / шум. Суть метода осаждения атомных слоев - это субнанометровый однослойный процесс осаждения, который обладает стабильным процессом, который полезен для точного изготовления нанопор. Торре и др. [44] использовали аналогичный подход для уменьшения диаметра нанопор, в котором они сначала использовали травление сфокусированным ионным пучком для получения нанопор со средним диаметром 27,3 нм, затем диаметр нанопор был уменьшен до 8,3 нм путем осаждения оксида титана с использованием ALD.>

Методы травления и модификации высокоэнергетических частиц для изготовления твердотельных нанопор. ( а ) Усадка ALD, ( b ) самокалибровка края нанопоры и ( c ) нанопоры травления ионами гелия

Rant et al. нашел другой способ. Они впервые использовали электронно-лучевую литографию и RIE для получения нанопор нитрида кремния. Затем нанопора была уменьшена до размера менее 10 нм путем осаждения тонкой пленки Ti / Au на поверхность нанопоры с использованием метода физического испарения [45]. Помимо оксида алюминия, оксида титана и металла, аморфный углерод также может быть осажден для усадки с помощью электронного луча в системе FIB [46].

Усадка при миграции материала края нанопор

Миграция краевого материала нанопор основана на принципе минимума поверхностной энергии нанопор, который был предложен группой Деккера [47]. То есть, когда диаметр нанопоры меньше, чем толщина нанопоры, нанопора будет сжиматься при облучении пучком электронов высокой энергии. На основании исследования Dekker, Storm et al. [48] ​​in situ наблюдали, что минимальный диаметр нанопоры оксида кремния уменьшился до 2 нм после облучения электронным пучком (рис. 4b). Этот экспериментальный результат дополнительно подтвердил принцип минимума поверхностной энергии нанопор. Кроме того, энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDX) и спектроскопия потерь энергии электронов (EELS) также подтверждают, что уменьшение диаметра нанопор было результатом миграции материала края нанопор, а не загрязнения поверхности нанопор [9]. . Принцип минимума поверхностной энергии нанопор подтвержден на различных морфологиях нанопор оксида кремния, таких как эллиптическая нанопора оксида кремния и композитная нанопора нитрид кремния / диоксид кремния [49].

Метод усадки решает проблему, заключающуюся в том, что размер нанопоры при изготовлении ФИП недостаточно мал, но процесс изготовления нанопоры является сложным. Исследователи также использовали более простые методы изготовления ионных пучков для изготовления твердотельных нанопор. В последнее время появление технологии изготовления нанопор с травлением ионами гелия, которая имеет меньшую активную площадь пятна луча и образца, преодолевает трудности обычного ФИП, в котором диаметр нанопоры превышает 10 нм. Emmrich et al. [21] продемонстрировали, что эта система может создавать нанопоры нитрида кремния диаметром всего 1,3 нм и толщиной 30 нм (рис. 4c). Хотя он значительно повысил эффективность обработки по сравнению с ПЭМ и системами сфокусированного ионного пучка с использованием обычного Ga ⁺ источников ионов, эта система дорогая, что ограничивает ее применение.

Метод электрохимически замкнутых нанопор

Ying et al. и Lin et al. [50, 51] инициируют концепцию электрохимически ограниченной нанопоры, которая демонстрирует превосходную способность гениально ограничивать электрохимию, распределение энергии, оптическое усиление и массоперенос внутри асимметричной нанопоры. Электрод с ограниченными нанопорами (CNE) может использоваться для проведения исследований электрохимических процессов в одной ячейке с высоким разрешением и разрешением по времени с помощью электродов из наночастиц, ограниченных наночастицами, в обычных химических лабораториях. С помощью оптики его также можно применять для одновременного многомерного сбора фотоэлектрических сигналов отдельных тел на наноуровне, что дает новые идеи для электрохимических измерений отдельных живых клеток, отдельных частиц и отдельных молекул [52]. / P>

Приложение

Секвенирование ДНК

После идеи нанопор секвенирование ДНК было выдвинуто группой биологов Касьяновича в 1996 году [53]; Технология нанопор получила быстрое развитие. Секвенирование ДНК с использованием нанопор - это физический метод, который заменил метод ДНК-полимеразы Сэнгера. Этот метод использует электрическое поле, чтобы управлять движением ДНК в нанопоре, и он напрямую использует временную характеристику ионного тока нанопоры, чтобы различать размер одного основания, чтобы достичь цели секвенирования ДНК. Метод секвенирования ДНК с помощью нанопор позволяет избежать модификации, амплификации и других процессов ДНК, что позволяет сэкономить дорогостоящую полимеразу, поэтому этот метод обладал высокой конкурентоспособностью. Вдохновленные Касьяновичем, физики начали исследовать возможности этого метода с 2000 года, так родилась область секвенирования ДНК с помощью нанопор.

Метод секвенирования ДНК нанопор можно разделить на секвенирование бионанопор и секвенирование нанопор в твердом состоянии в соответствии с нанопористым материалом [54]. Среди них секвенирование бионанопор имеет недостатки, связанные с паузой и реверсом молекул ДНК, что делает сигнал текущего времени, обнаруживаемый этим методом, неверно интерпретируется [55]. В результате секвенирование ДНК с твердотельными нанопорами и его изготовление стали горячими темами ученых в разных странах [56].

Благодаря глубокому исследованию методов секвенирования ДНК с нанопорами, ученые считают, что сенсоры с нанопорами могут реализовать параллельное обнаружение ДНК и достичь цели высокопроизводительного секвенирования ДНК [57]. Одним из наиболее многообещающих является технология флуоресцентного параллельного обнаружения последовательностей ДНК, основанная на внутреннем отражении от твердых нанопор [58] (рис. 5). С помощью камеры электронного умножителя с зарядовой связью (CCD) ДНК может быть захвачена с помощью сигнала каждой нанопоры, а несколько оптических сигналов и сигналов ионного тока могут быть сопоставлены один к одному для реализации высокопроизводительного секвенирования ДНК. . Впоследствии эта технология была дополнительно подтверждена секвенированием био-нанопор, которое теоретически позволило идентифицировать 10 ⁶ база / мм ² в секунду [59]. Однако у методов секвенирования ДНК с твердотельными нанопорами есть и некоторые недостатки, такие как высокая скорость транслокации и низкое пространственное разрешение [60].

Флуоресценция полного внутреннего отражения (FTIR), параллельное обнаружение последовательности ДНК [58]. а Принципиальная схема. б Карта сигналов оптических сигналов и сигналов ионного тока, обнаруженных в эксперименте

Обнаружение белка

В 2007 году Fologea et al. [61] успешно детектировали бычий сывороточный альбумин (БСА) с помощью твердотельных нанопор толщиной 10 нм. Кроме того, они также исследовали изменение конформации β-лактоглобулина под действием твердотельных нанопор денатуранта мочевины различной концентрации. Они обнаружили, что большинство белков проходят через нанопоры с линейной или спиральной конформацией и что электрическое поле в нанопоре может раскручивать проходящий белок [62]. Итак, они начали обнаружение белков и исследование физико-химических свойств и структуры белков. Cressiot et al. [63] изготовили твердотельную нанопору диаметром 20 нм с использованием FIB и систематически изучили и сравнили характеристики токовых сигналов, когда мальтозосвязывающий белок дикого типа (MaIE) и развернутый MaIE проходили через нанопору. В этом эксперименте они также обнаружили, что существует барьер свободной энергии, когда белок проходит через нанопору. После этого Cressiot изготовил нанопору диаметром 3 нм с помощью ПЭМ и снова обнаружил белок MaIE. Напротив, белок растягивался электрическим полем, когда электрическое поле было большим.

В 2013 году Плеса и др. [64] успешно протестировали апротинин (6,5 кДа), овальбумин (6,5 кДа), бета-амилазу (45 кДа), ферритин (200 кДа) и тиреоглобулин (660 кДа); пять белков с использованием нанопоры нитрида кремния диаметром 40 нм. Они обнаружили, что измеренный токовый сигнал был искажен, потому что скорость прохождения белка через нанопоры была слишком высокой, а ширина полосы обнаружения была относительно небольшой. Кроме того, частота события была противоположна константе диффузии белка. Есть два способа разрешить это противоречие. Один из способов - снизить скорость прохождения белка через нанопоры, а другой - увеличить полосу обнаружения. Di et al. [65] успешно снизили скорость прохождения белка убиквитина через нанопоры, используя маломощный видимый свет, и различили угол поворота во время прохождения белка через нанопоры. Недавно они успешно детектировали убиквитиновый белок и различали тип связи между убиквитиновым белком и белком, используя твердотельные нанопоры диаметром 3 нм. Эта работа открывает новые возможности для биомедицинских исследований белка убиквитина [66]. В 2014 году Ларкин и др. [67] успешно обнаружили протеиназу K и РНК-фермент A с использованием усилителя тока с широким диапазоном частот и ультратонкого HfO ₂ . нанопоры и измерили электромобильность, константу диффузии и объем этого белка.

Nanopore обладает чрезвычайно высоким разрешением обнаружения внутренней структуры молекулы и стал мощным сенсором взаимодействия отдельных молекул. Он широко используется для обнаружения в реальном времени взаимодействий ДНК-белок, взаимодействий белок-белок и небольших химических молекул. В результате был разработан ряд методов, основанных на технологии обнаружения нанопор, таких как обнаружение и диагностика заболеваний и обнаружение ионов тяжелых металлов и вирусов.

Преобразование энергии

Развитие передовых микронных / нанотехнологий обеспечивает основу для миниатюризации и миниатюризации традиционных устройств преобразования энергии [40, 41]. Постоянно появляются устройства преобразования энергии с микрометровой степенью преобразования, такие как микрореакторы [42], микрогазовые турбины [43, 44], микротепловые двигатели [45, 46], микротопливные элементы [47] и микроконденсаторы [48]. По сравнению с традиционными крупномасштабными устройствами преобразования энергии эти миниатюрные устройства преобразования энергии могут обеспечивать более высокую плотность энергии. Эти микроустройства не могут быть применены в крупномасштабном энергетическом оборудовании из-за высокой стоимости микро / нанотехнологии. Однако характеристика микроминиатюризации делает их пригодными для создания компонентов источников электроэнергии с малым масштабом и низким энергопотреблением для управления электронным оборудованием, таким как наномашины, микро-электромеханические системы и биомедицинские имплантируемые устройства.

Energy conversion method based on nanopore channel takes full advantage of the unique physical-chemical properties of nanoscale. It converts the clean energy existing in environment, such as mechanical energy, chemical energy, light energy, and electric energy. At the same time, it does not emit carbon dioxide, produce vibrations and working noise harmful to the human body, and is very friendly to environment during conversion process. Daiguji et al. [68] converted the mechanical energy to electric energy by solid nanopore channel. Wen et al. [69] converted solar energy to electric energy based on smart-gating nanopore channels. Guo et al. [70] converted salinity gradient energy to electric energy with single-ion-selective nanopore. Table 1 shows several micro-scale energy conversion devices [71].

Energy conversion based on solid-state nanopores was inspired by the research on the function of ion channels of cell membrane [71]. Due to the excellent performance of solid-state nanopores, such as chemical durability, thermostability, superior mechanical property, tunable size and shape and so on [72], it has got increasing attention in the area of energy conversion. For example, Wen et al [73] reported that the nanofluidic energy conversion systems based on solid-state nanopores exhibited high power density, long operating life and good safety performance, compared with other commercially available cation exchange membranes. Besides, along with the development of fundamental studies and practical applications, solid-state nanopores with smart ion transport behaviors, such as ionic selectivity, ionic gating and ionic rectification, has been used as extraordinary platforms for energy conversion [74].

Conclusions

This report reviews briefly the development process, fabrication technologies, and application of solid-state nanopore. Since Jiali Li firstly reported the fabrication of solid-state nanopore, researchers has always been pursued efficient and controllable manufacturing methods to fabricate solid-state nanopore. A comprehensive analysis of the latest research results on the fabrication of solid-state nanopore shows that the current research are all based on nanometer-scale processing tools, which cannot be mass produced at low cost and high efficiency. Therefore, it is of great significance to study the new method of fabricating solid-state nanopore. Along with the development of the manufacturing methods of solid-state nanopore, it has been applied in various areas, especially in DNA sequencing, protein detection, and energy conversion. In brief, the fabrication and application of solid-state nanopore are a promising area, and it is significant to our economics and living quality. Along with the development of advanced micro/nanomanufacturing technology and new theory, solid-state nanopore will be fabricated with lower cost and higher efficiency, and the application will be wider.

Сокращения

AAO:

Anodic aluminum oxide

ALD:

Осаждение атомного слоя

CCD:

Устройство с зарядовой связью

CMOS:

Complementary metal oxide semiconductor

EDX:

Energy dispersive X-ray spectroscopy

EELS:

Electron energy loss spectroscopy

FIB:

Focused ion beam

MaIE:

Maltose binding-protein

MEMS:

Micro-electro-mechanical system

RIE:

Реактивное ионное травление

ТЕМ:

Просвечивающий электронный микроскоп