纳米孔感测装置、组件和操作方法与流程

技术特征：
1.一种用于进行纳米孔感测的装置，所述装置包括：被布置成将分析物储存器与出口室分开的结构，所述结构包括纳米孔结构阵列，每个纳米孔结构包括用于穿过所述结构实现所述分析物储存器与所述出口室之间的流体连接的通路；驱动电极，所述驱动电极分别连接在所述分析物储存器和所述出口室中，以跨所述通路强加电位差；电换能元件，每个元件连接到相应纳米孔结构的所述通路，以测量所述纳米孔结构中的所述电换能元件处的流体电位；以及控制端子，每个控制端子连接到相应纳米孔结构，以施加控制信号来改变跨所述纳米孔结构的所述电位差。2.根据权利要求1所述的装置，其中与每个纳米孔结构相关联的所述电换能元件和所述控制端子直接连接。3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述端子被配置成响应于每个相应纳米孔结构处的所述电换能元件处的所述流体电位的测量结果而施加控制信号以改变跨所述纳米孔结构的所述电位差。4.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述控制信号的所述施加被配置成改变所述控制端子中的至少一个控制端子与所述驱动电极中的至少一个驱动电极之间的电位差。5.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述控制信号能够连接到多个所述纳米孔结构，以同时改变所连接控制端子与所述驱动电极中的至少一个驱动电极之间的电位差。6.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述电换能元件能够与测量电路隔离。7.根据权利要求6所述的装置，其中所述电换能元件能够在所述控制信号的所述施加之前隔离。8.根据任一前述权利要求所述的装置，其中纳米孔结构包括纳米孔。9.根据权利要求8所述的装置，其中施加所述控制信号的目的是改变跨所述纳米孔的所述电位差，以便：当所述装置检测到分析物被阻塞时，疏通纳米孔的所述通路；拒绝正测量的分析物；和/或改变分析物穿过所述纳米孔分析物移位的方向和/或速度。10.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述阵列具有电子电路，每个电子电路与相应纳米孔结构相关联并且连接到所述电换能元件，每个电子电路被配置成修改和/或处理从所述电换能元件接收到的信号。11.根据权利要求10所述的装置，其中每个电子电路与一组纳米孔结构相关联。12.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述阵列具有控制电路，每个控制电路与相应纳米孔结构相关联并且连接到所述控制端子和/或所述电换能元件，所述控制电路被配置成响应于信号而改变所述相应纳米孔结构处由所述驱动电极强加的电位。13.根据权利要求12所述的装置，其中每个控制电路与一组纳米孔结构相关联。14.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述结构具有：纳米孔层，所述纳米孔层结合有纳米孔和/或结合有用于支撑纳米孔的孔；以及基础层，所述基础层结合有通道，
其中所述纳米孔层和所述基础层夹置在一起，使得所述纳米孔和/或所述孔对齐以限定所述通路。15.根据权利要求13所述的装置，其中所述电换能元件、所述控制电路或所述控制端子中的至少一个安置在所述结构的外表面上或之间。16.一种用于感测分析物的具有纳米孔结构的装置，所述纳米孔结构被配置在结构中，所述结构被布置成使分析物储存器与出口室分开，每个纳米孔结构提供用于穿过所述结构实现所述分析物储存器与所述出口室之间的流体连接的通路，其中每个纳米孔结构包括：电换能元件；以及电子电路，所述电子电路被配置成检测并且任选地放大来自所述电换能元件的信号，其中所述结构中的每个结构被配置成进行以下中的一个或多个：存储所述信号的至少一部分；传输所述至少一部分；处理所述至少一部分；以及将所述至少一部分传送到可连接处理器。17.根据权利要求16所述的装置，其中所述结构被配置成将用于收纳分析物的所述分析物储存器与用于收集所述分析物的所述出口室分开。18.根据权利要求16所述的装置，其中所述结构中的所述纳米孔结构中的每个纳米孔结构进一步包括补偿电路。19.根据权利要求18所述的装置，其中所述补偿电路具有所述补偿电路的反馈回路中的可变增益放大器和/或可变电容器。20.根据权利要求16到19中任一项所述的装置，其中所述纳米孔结构中的每个纳米孔结构具有控制端子，每个控制端子与相应纳米孔相关联，以施加控制信号来改变跨所述纳米孔的电位差。21.根据权利要求20所述的装置，其中所述控制端子可切换地连接到电源，以改变强加在所述纳米孔上的可配置电压电平。22.根据权利要求16到21中任一项所述的装置，其中所述结构中的每个纳米孔结构被配置在像素中。23.根据权利要求22所述的装置，其中所述像素形成棋盘格形的纳米孔结构阵列。24.一种具有被配置在薄片中的纳米孔结构阵列的装置，所述薄片包括：纳米孔层，所述纳米孔层具有纳米孔阵列和/或用于支撑纳米孔的孔阵列；以及基础层，所述基础层具有通道阵列，所述基础层夹置到所述纳米孔层以形成所述薄片，其中所述纳米孔和/或所述孔与所述通道对齐，其中所述纳米孔结构中的每个纳米孔结构包括通路，每个通路至少部分地由以下限定：所述通路的一侧的所述纳米孔层的所述纳米孔之一和/或所述孔之一；所述通路的另一侧的所述基础层的通道；以及电换能元件。25.根据权利要求24所述的装置，其中每个通路中的所述电换能元件安置在所述纳米孔层与所述通道的至少一部分之间，并且配置有用于在所述通路中提供流体时测量所述流体在所述电换能元件的定位处的电位的连接。26.根据权利要求24或25所述的装置，其进一步包括：至少部分地由所述薄片分开的分
析物储存器和出口室，其中所述薄片具有安置在所述分析物储存器与所述出口室之间的所述通路的阵列，以将所述分析物储存器连接到所述出口室。27.根据权利要求24到26中任一项所述的装置，其进一步包括驱动电极，所述驱动电极连接在所述分析物储存器和所述出口室中，以跨所述分析物储存器与所述出口室之间的所述通路阵列强加电位差。28.根据权利要求24到27中任一项所述的装置，其中所述薄片基本上是平面的，并且具有所述纳米孔层上的用于面向分析物储存器并且限定顺式平面的顺式表面和所述基础层的用于面向出口室并且限定反式平面的反式表面，并且所述阵列的所述电换能元件在所述顺式平面与所述反式平面之间至少部分地嵌入在所述薄片内。29.根据权利要求24到28中任一项所述的装置，其中所述阵列的所述电换能元件夹置在所述纳米孔层与所述基础层之间。30.根据权利要求24到29中任一项所述的装置，其中所述阵列的每个纳米孔结构具有在所述通路的第一端处形成的孔，并且在所述孔的第一端处配置有纳米孔，并且其中所述电换能元件配置在所述孔的与所述纳米孔相对的一侧上。31.根据权利要求30所述的装置，其中所述孔被配置成用于支撑流体膜，如聚合物膜或脂双层。32.根据权利要求24到31中任一项所述的装置，其中所述纳米孔层由与所述基础层的材料不同的材料制成。33.根据权利要求24到32中任一项所述的装置，其中所述电换能元件是传感器电极，所述传感器电极能够直接连接到晶体管装置的基极或栅极，以在所述通路中提供流体时测量所述流体在所述电换能元件的定位处的电位变化。34.根据权利要求24到33中任一项所述的装置，其中每个电换能元件连接到边缘连接器或任选地通过通孔引线接合到薄片外测量电路。35.根据权利要求33所述的装置，其中所述晶体管装置是场效应晶体管。36.根据权利要求24到35中任一项所述的装置，其进一步包括具有所述电换能元件的阵列的感测层，其中所述感测层夹置在所述纳米孔层与所述基础层之间。37.根据权利要求36所述的装置，其中所述电换能元件形成于所述感测层上，所述电换能元件具有以下：(i)用于连接到所述通路中的流体的暴露部分；和(ii)嵌入在所述薄片内的嵌入部分；和/或(iii)用于连接到与所述薄片分开的测量电路的连接部分。38.根据权利要求24到37中任一项所述的装置，其中所述电换能元件至少部分地覆盖所述通路的壁。39.根据权利要求24到38中任一项所述的装置，其中所述电换能元件在横截面上覆盖所述通道的壁的一部分。40.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述电换能元件围绕所述通路形成环。41.根据权利要求24到40中任一项所述的装置，其进一步包括分析物储存器，其中所述电换能元件至少部分地围绕所述通路形成所述基础层或所述感测层的表面并且具有被布置成面向所述分析物储存器的暴露部分。42.根据权利要求24到41中任一项所述的装置，其进一步包括出口室，其中所述电换能元件至少部分地围绕所述通路形成所述感测层的表面并且具有被布置成面向所述出口室
的暴露部分。43.根据权利要求42所述的装置，其中所述暴露部分形成空腔的壁的一部分，所述空腔在所述孔与所述通道之间形成于所述感测层中。44.根据权利要求24到43中任一项所述的装置，其中所述电换能元件具有形成所述通路的一部分的孔口和暴露部分，其中在横截面上，所述电换能元件的所述暴露部分的大小与所述孔口的大小的比率为1:1。45.根据权利要求44所述的装置，其中所述比率为约5:1。46.根据权利要求24到45中任一项所述的装置，其中所述电换能元件具有形成所述通路的一部分的孔口和暴露部分，其中在平面图中，所述电换能元件的所述暴露部分的大小与所述孔口的大小的比率为1:1。47.根据权利要求46所述的装置，其中所述电换能元件具有形成所述通路的一部分的孔口和暴露部分，其中所述比率为约5:1。48.根据权利要求44到47中任一项所述的装置，其中所述孔口是圆形的。49.根据权利要求36到48中任一项所述的装置，其中所述感测层结合有电子电路，所述电子电路连接到所述电换能元件，以修改和/或处理从所述电换能元件接收到的信号。50.根据权利要求49所述的装置，其中所述电子电路被配置成在分析物穿过相应通路中的纳米孔时检测所述纳米孔的电阻变化，所述电阻变化是通过所述传感器的所述电换能元件处的流体电位变化来检测的。51.根据权利要求49或50所述的装置，其中所述电子电路确定在聚合物穿过所述纳米孔时所述电换能元件处的电位变化并且将所述电位变化转换成电压信号并放大所述电压信号。52.根据权利要求49到51中任一项所述的装置，其中所述电子电路对所述信号进行滤波。53.根据权利要求49到52中任一项所述的装置，其中所述电子电路对从所述电换能元件获得的信号进行采样和/或数字化。54.根据权利要求49到53中任一项所述的装置，其中每个纳米孔结构具有多个电换能元件。55.根据权利要求49到54中任一项所述的装置，其中所述阵列中的每个纳米孔结构具有对应于相应纳米孔的多个电换能元件，所述电换能元件被配置成可寻址阵列。56.根据权利要求49到55中任一项所述的装置，其中每个电换能元件具有专用电子电路，并且每个电换能元件和电子电路定位于占用空间中，并且其中所述占用空间在所述阵列中呈棋盘格形。57.根据权利要求49到56中任一项所述的装置，其中多个电换能元件布置在具有多个纳米孔结构的模块中，其中所述模块具有共同的专用电子电路，并且所述电换能元件中的每个电换能元件和电子电路定位于占用空间中，并且其中所述占用空间在所述阵列中呈棋盘格形。58.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述多个纳米孔结构被布置成二维矩阵。59.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述多个纳米孔结构被布置成棋盘格形图案。
60.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述电换能元件连接到晶体管的基极或栅极以进行感测。61.根据权利要求24到60中任一项所述的装置，其中所述纳米孔结构中的每个纳米孔结构具有控制端子，以施加控制信号来改变跨相应纳米孔结构的电位差。62.根据权利要求61所述的装置，其中所述控制端子能够可切换地连接到所述电换能元件。63.根据权利要求62所述的装置，其中所述控制端子能够可切换地连接到电源，以改变强加在所述纳米孔上的可配置电压电平。64.根据权利要求61到63中任一项所述的装置，其中所述电换能元件和用于测量所述流体的电位的所述连接能够与所述控制信号可切换地隔离。65.根据权利要求61到64中任一项所述的装置，其中所述电换能元件和控制电极在物理上分开。66.根据权利要求65所述的装置，其中所述电换能元件的至少一部分和所述控制电极的至少一部分在同一平面中延伸。67.根据权利要求65或66所述的装置，其中所述电换能元件的至少一部分和所述控制电极的至少一部分至少部分地形成孔的基部。68.根据权利要求65所述的装置，其中所述电换能元件的至少一部分和所述控制电极的至少一部分彼此垂直延伸。69.根据权利要求65到68所述的装置，其中所述控制电极的至少一部分至少部分地配置在所述通道中。70.根据权利要求65到69所述的装置，其中所述电换能元件暴露于所述通路的表面区域小于所述控制电极暴露于所述通路的表面区域。71.根据权利要求24到70所述的装置，其进一步包括导电保护装置，所述导电保护装置在所述纳米孔层或所述基础层中的至少一个中被配置成在所述电换能元件和连接到所述电换能元件的信号导体中的至少一个与所述纳米孔层或所述基础层中的寄生导电元件之间延伸，以阻止寄生电容影响从所述连接获得的测量结果。72.根据权利要求36到71中任一项所述的装置，其中导电保护装置另外地或可替代地在所述感测层中被配置成在所述电换能元件和连接到所述电换能元件的信号导体中的至少一个与所述感测层中的寄生导电元件之间延伸，以阻止寄生电容影响从所述连接获得的测量结果。73.根据权利要求71或72所述的装置，其中所述导电保护装置至少部分地包含保护导体和绝缘层，所述绝缘层被配置成将所述保护导体与被保护的导体或被保护远离的导体绝缘。74.根据权利要求71到73中任一项所述的装置，其中所述导电保护装置被配置成至少部分地在所述基础层与所述通道之间延伸。75.一种操作用于进行纳米孔感测的装置的方法，所述方法包括：跨安置在将分析物储存器与出口室分开的结构中的纳米孔传感器阵列强加电位差，每个纳米孔传感器具有用于在所述分析物储存器与所述出口室之间提供流体连接的通路；提供用于由所述纳米孔传感器进行分析的分析物，每个纳米孔传感器具有电换能元
件，所述电换能元件用于在分析物被诱导穿过所述纳米孔传感器的纳米孔时测量所述纳米孔传感器的所述电换能元件处的电位变化；以及向所述阵列的纳米孔传感器的电换能元件的控制端子施加控制信号，以改变跨所述纳米孔传感器的所述电位差。76.根据权利要求75所述的方法，其进一步包括将所述控制端子可切换地连接到所述电换能元件并且向所述电换能元件施加所述控制信号。77.根据权利要求75或76所述的方法，其进一步包括分析所述纳米孔传感器的所述电换能元件处的流体电位变化的特性并且响应于那些特性中的至少一个特性而向所述纳米孔传感器施加所述控制信号。78.根据权利要求75到77中任一项所述的方法，其中向纳米孔传感器的电换能元件施加控制信号会改变由驱动电极施加在所述纳米孔传感器处的电位。79.根据权利要求75到78中任一项所述的方法，其进一步包括在施加所述控制信号之前将所述电换能元件与连接到纳米孔传感器的测量电路系统隔离。80.根据权利要求75到79中任一项所述的方法，其进一步包括响应于纳米孔传感器测量到所述纳米孔传感器的所述电换能元件处的流体电位变化而向所述纳米孔传感器施加所述控制信号，其中所述控制信号被配置成：当检测到阻塞时，疏通纳米孔；拒绝正由所述纳米孔传感器测量的分析物；和/或改变分析物穿过所述纳米孔移位的速率和/或方向。81.一种形成用于感测分析物的具有纳米孔结构的装置的方法，所述方法包括：在结构中形成纳米孔结构并且将所述结构布置成将所述装置的分析物储存器与出口室分开，使得每个纳米孔结构提供用于穿过所述结构实现所述分析物储存器与所述出口室之间的流体连接的通路；以及在每个纳米孔结构中制造以下：电换能元件；以及电子电路，所述电子电路被配置成测量来自所述电换能元件的信号，其中所述纳米孔结构中的每个纳米孔结构被配置成进行以下中的至少一个：存储所测量信号的至少一部分或由所述至少一部分得出的信息；传输所述至少一部分或所述信息；处理所述至少一部分或所述信息；以及将所述至少一部分或所述信息传送到可连接处理器。82.根据权利要求81所述的方法，所述方法进一步包含配置用于收纳分析物的分析物储存器和用于收集所述分析物的出口室，以及将纳米孔层配置成将所述分析物储存器与所述出口室分开。83.根据权利要求82所述的方法，所述方法进一步包含配置驱动电极，所述驱动电极分别连接在所述分析物储存器和所述出口室中，以跨所述纳米孔结构的所述通路强加电位差。84.根据权利要求83所述的方法，其中所强加电位差跨所述多个纳米孔结构是共同的。85.根据权利要求85所述的方法，其进一步包括为所述电子电路配置可切换连接，所述可切换连接用于向所述电换能元件的相应控制端子施加信号，以改变由所述驱动电极跨每
个相应纳米孔结构强加的电位。86.根据权利要求81到84中任一项所述的方法，其进一步包括在每个纳米孔传感器的所述通路中形成控制电极，所述控制电极能够可选择地连接到用于改变由所述驱动电极跨每个相应纳米孔结构强加的电位的信号。87.一种形成具有被配置在薄片中的纳米孔结构阵列的装置的方法，所述方法包含将所述薄片布置成将所述装置的分析物储存器与出口室分开，使得每个纳米孔结构提供用于穿过所述结构实现所述分析物储存器与所述出口室之间的流体连接的通路，所述方法包括：形成具有纳米孔阵列和/或用于支撑纳米孔的孔阵列的纳米孔层；形成电换能元件阵列；形成具有通道阵列的基础层，所述基础层夹置到所述纳米孔层以形成所述薄片，使得所述纳米孔和/或所述孔与所述电换能元件和所述通道对齐；以及提供穿过所述纳米孔结构中的每个纳米孔结构的通路，使得每个通路至少部分地由以下限定：所述通路的一侧的所述纳米孔层的所述纳米孔之一和/或所述孔之一；所述通路的另一侧的所述基础层的通道；以及电换能元件。88.根据权利要求87所述的方法，其中使所述纳米孔层、所述基础层和所述电换能元件阵列对齐包含将所述电换能元件阵列夹置在所述纳米孔层与所述基础层之间。89.根据权利要求87或88所述的方法，其进一步包括邻近所述电换能元件中的每个电换能元件的至少一部分形成空腔。90.根据权利要求87到89中任一项所述的方法，其进一步包括：在感测层上形成所述电换能元件阵列；以及将所述感测层夹置在所述纳米孔层与所述基础层之间。91.根据权利要求87到89中任一项所述的方法，其进一步包括：在感测层上形成所述电换能元件阵列；在所述感测层中制造电子电路阵列，所述电路连接到相应电换能元件，以修改和/或处理从所述电换能元件接收到的信号；以及将所述感测层夹置在所述纳米孔层与所述基础层之间。92.根据权利要求87到91中任一项所述的方法，其进一步包括将所述电换能元件布置成具有以下：(i)用于连接到所述通路中的流体的暴露部分；和(ii)嵌入在所述结构内的嵌入部分；和/或(iii)用于连接到与所述结构分开的测量电路的连接部分。93.根据权利要求87到92中任一项所述的方法，其进一步包括在所述纳米孔层、所述基础层或所述感测层中的至少一个中形成导电保护装置，所述导电保护装置被配置成在所述电换能元件和连接到所述电换能元件的信号导体中的至少一个与所述纳米孔层、所述基础层或所述感测层中的至少一个中的寄生导电元件之间延伸，以阻止寄生电容影响从所述连接获得的测量结果。94.根据权利要求93所述的方法，其进一步包括为每个纳米孔结构提供缓冲器，所述缓冲器将所述纳米孔结构的所述电换能元件的输出连接到导电保护装置。
95.根据权利要求81到94中任一项所述的方法，其进一步包括在所述阵列的所述纳米孔结构中的每个纳米孔结构中提供两亲性膜并将生物纳米孔插入在所述膜中。96.根据权利要求81到95中任一项所述的方法，其中所述纳米孔层能够可移除地附接到所述结构，并且所述方法进一步包括移除所述纳米孔层并将所述纳米孔层替换为另一个纳米孔层。

技术总结
一种纳米孔感测装置具有被布置成将分析物储存器(106)与出口室(108)分开的结构(100)。所述结构(100)包含纳米孔结构阵列(104)，每个纳米孔结构(104)包括用于穿过所述结构实现所述分析物储存器(106)与所述出口室(108)之间的流体连接的通路(114)。布置有控制端子(156)以施加控制信号来改变跨所述纳米孔结构(104)的电位差。配置了电子电路(152)以检测来自每个纳米孔结构(104)处的电换能元件(126)的信号。(126)的信号。(126)的信号。


技术研发人员：谢平 J
受保护的技术使用者：牛津纳米孔科技公司
技术研发日：2020.03.11
技术公布日：2021/10/28