ВЫСОКОСЕЛЕКТИВНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ПОКРЫТЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ И НАНОЗАЗОРОМ ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ РЕДОКС-МОЛЕКУЛ Российский патент 2018 года по МПК G01N27/30 

Область техники

Варианты настоящего изобретения относятся к области устройств и способов обнаружения биомолекул, таких как аналиты, и, в частности, к области высокоселективных преобразователей, имеющих покрытые электроды и нанозазор, предназначенных для обнаружения редокс-молекул.

Уровень техники

Определение последовательности нуклеотидов в ДНК находится в периоде грандиозного технологического сдвига, отмеченного драматическим увеличением производительности, резким снижением стоимости секвенирования в расчете на одну последовательность и сопутствующими потребностями в существенных инвестициях в крупные производственные мощности, необходимые для реализации такой технологии. Исследования, которые в большинстве случаев казались недостижимой роскошью всего лишь несколько лет назад (секвенирование индивидуального генома, метагеномные исследования и секвенирование бесчисленного множества интересующих организмов), становятся доступными во все более высокой степени и в возрастающем темпе.

Генетическая информация в живых организмах содержится в форме очень длинных молекул нуклеиновых кислот, таких как дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Естественно возникающие молекулы ДНК и РНК обычно состоят из связанных фосфатным остовом химических элементарных звеньев, называемых нуклеотидами, которые, в свою очередь, состоят из сахара (дезоксирибозы или рибозы, соответственно) и одного из четырех оснований: аденина (А), цитозина (С), гуанина (G) и тимина (Т) или урацила (U). Например, геном человека содержит приблизительно три миллиарда нуклеотидов последовательности ДНК и приблизительно 20000 генов. Информация о последовательности ДНК может быть использована для определения множества характеристик индивидуума, а также наличия или предрасположенности ко многим известным заболеваниям, таким как рак, муковисцидоз и серповидноклеточная анемия. Определение всех трех миллиардов нуклеотидных последовательностей генома человека обеспечило фундамент для идентификации генетической основы таких заболеваний. Для определения последовательности генома человека потребовались годы. Секвенирование геномов или участков генома индивидуумов предоставляет возможность персонализировать лечение. Потребность в информации о последовательностях нуклеиновых кислот также имеется в исследовательской работе, сферах защиты окружающей среды, продовольственной безопасности, в биозащите и клинических приложениях, таких как, например, обнаружение патогенов, то есть обнаружение присутствия или отсутствия болезнетворных микроорганизмов или их генетических вариантов.

Таким образом, поскольку секвенирование ДНК является важной технологией для применения в биологической науке, например, для анализа генетической информации организма, инструменты, позволяющие выполнить определение последовательностей более быстро и/или надежно, являются особо ценными. Такие приложения, как, например, программы изучения популяционного разнообразия форм жизни, выявление заболеваний, персонифицированная медицина, прогнозирование эффективности медикаментов и генотипирование с использованием однонуклеотидных полиморфизмов, стимулируют потребность в простых и надежных способах секвенирования коротких фрагментов нуклеиновых кислот (таких как фрагменты, содержащие, например, 1-20 оснований), выполняемых со специфическими праймерами. Способы секвенирования, обеспечивающие улучшенную точность и/или надежность, сниженную стоимость, уменьшение количества вводимых проб и/или высокую производительность, являются ценными аналитическими и биомедицинскими инструментами.

Помимо этого, платформы для молекулярных обнаружений, которые имеют сниженную стоимость, являются миниатюризированными и пригодными к крупносерийному производству, делают доступной диагностику заболеваний для многих людей в таких местах и ситуациях, где такие обнаружения в прошлом были невозможными. Наличие доступных приборов молекулярной диагностики уменьшает стоимость и улучшает качество доступного для общества здравоохранения. Помимо этого, портативные приборы молекулярного обнаружения применимы в областях обеспечения безопасности, обнаружения аварий и ликвидации их последствий и дают возможность немедленно реагировать на предполагаемую угрозу или непредвиденную биологическую или химическую опасность.

Тем не менее, в области секвенирования ДНК и детектирования при секвенировании ДНК все еще требуется много усовершенствований.

Краткое описание чертежей

Фигура 1 иллюстрирует (а) диаграмму энергетических зон на границе электрод-редокс-молекула в равновесном состоянии без напряжения смещения; (b) при подаче напряжения смещения; (с) конфигурацию потенциала на электроде, покрытом оксидом, без напряжения смещения; (d) когда eV<Е_С-Е_F=Е₀; и (е) когда eV>E_C-E_F=E₀ в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения.

Фигура 2 представляет сравнение уровней энергетических зон потенциальных защитных диэлектрических пленок и их положение относительно работы выхода электрона из платины, которая определяет энергетический барьер.

Фигура 3 - микрофотография устройства с нанозазором, полученная растровым электронным микроскопом, демонстрирующая слои покрытия ТiO₂ толщиной 3 нм на платиновых электродах в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения.

Фигура 4 иллюстрирует поперечные сечения, представляющие различные операции в способе изготовления устройства-преобразователя с нанозазором и с защитными покрытиями в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения.

Фигура 5 показывает несколько графиков, полученных методом вольтамперометрии, для Pt-Pt устройства с нанозазором с покрытиями TiO₂ 3 нм при использовании модельного соединения (10 мкмоль ферроцен) с редокс-потенциалом около 0,240 В, в соответствии с вариантом настоящего изобретения.

Фигура 6 иллюстрирует примеры органических молекул, подходящих для покрытия электродов в соответствии с вариантом настоящего изобретения.

Фигура 7 - график, демонстрирующий отслеживание в УФ-диапазоне и видимой части спектра редокс-активной молекулы аминофенола на электроде с покрытием по сравнению с открытым электродом в соответствии с вариантом настоящего изобретения.

Фигура 8 иллюстрирует производные алендроната, подходящие для органических покрытий в соответствии с вариантом настоящего изобретения.

Фигура 9 - схема устройства-преобразователя с нанозазором и защитными покрытиями в соответствии с вариантом настоящего изобретения.

Фигура 10 иллюстрирует поверхность металлического электрода с органическим покрытием вместе с подходящими молекулярными покрытиями в соответствии с вариантом настоящего изобретения.

Фигура 11 включает ряд графиков, снятых методом CV (циклической вольтамперометрии), для устройств с нанозазором и покрытиями в соответствии с вариантами настоящего изобретения.

Фигура 12 - график, демонстрирующий эффекты покрытия DTT4 на Pt нанозазоре в соответствии с вариантом настоящего изобретения.

Фигура 13 иллюстрирует вычислительное устройство в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.

Фигура 14 - блок-схема модельной компьютерной системы в соответствии с вариантом настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

Описываются высокоселективные преобразователи с нанозазором и с покрытыми электродами, предназначенные для детектирования редокс-молекул. В последующем описании представлены многочисленные конкретные подробности, такие как методы детектирования, с тем чтобы обеспечить глубокое понимание вариантов настоящего изобретения. При этом специалисту в данной области будет очевидно, что варианты осуществления настоящего изобретения могут быть реализованы и без этих конкретных деталей. В других случаях хорошо известные признаки, такие как компоновочные схемы интегральных схем, подробно не описываются, чтобы не приводить к неоправданному усложнению восприятия настоящего изобретения. Кроме того, следует понимать, что различные показанные на фигурах варианты являются иллюстративными и не обязательно отображаются в масштабе.

Один или несколько вариантов имеют своей целью секвенирование ДНК с применением технологии электрического детектирования. Варианты могут относиться к методам предоставления компактной платформы секвенирования ДНК, подходящей для выполнения высокочувствительного детектирования сигнала высокопараллельным способом.

Кроме того, один или несколько вариантов обеспечивают экономически эффективную и точную систему секвенирования, делающую возможным широкое применение геномной информации в целях оздоровления людей. Для обеспечения контекста: при расшифровке последовательности геномной ДНК индивидуума с более чем тремя миллиардами пар основания может применяться стандартная методика секвенирования ДНК. Однако общая стоимость секвенирования ДНК остается чрезмерно высокой по меньшей мере частично из-за сложности технических средств и дорогостоящих расходных материалов. Для программ массовых биомедицинских исследований платформа секвенирования ДНК должна быть компактной, чувствительной, точной и показывать настолько высокую производительность, чтобы сделать общую стоимость таких исследований доступной.

Способность обнаруживать биомолекулы при ультранизких концентрациях имеет потенциал для радикальных изменений сразу в нескольких областях, включая выявление/терапию заболеваний и экологический скрининг/контроль. Производство электронных биохимических сенсоров с высокой чувствительностью и потенциалом для полностью параллельного масштабирования в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения делает возможным реализацию высокодоступных, настраиваемых и миниатюризированных систем для таких применений, включая платформы секвенирования ДНК.

Один или несколько описанных вариантов изобретения направлены на разработку и изготовление высокочувствительного сенсора, способного обнаруживать продукты реакции, из биохимических реакций, включающие единичные молекулы, используя детектирование на основе окислительно-восстановительной реакции. Такие варианты могут быть реализованы с целью значительного улучшения отношения сигнал/шум в схеме преобразования, применяемой в платформах секвенирования ДНК для преобразования сигнала, что включает обнаружение редокс-активной молекулы, используя окислительно-восстановительные реакции в преобразователях с нанозазором. Как таковая, улучшенная чувствительность при детектировании ДНК может быть достигнута посредством продвижения к обнаружению одиночных молекул.

Для обеспечения дальнейшего контекста следует учитывать возможность наличия множества проблем, связанных с существующими преобразователями на основе окислительно-восстановительной реакции, в которых используется платина в качестве материала электрода. Во-первых, получаемое каталитическое влияние металла на ухудшение окислительно-восстановительной метки может понизить уровень сигнала. Во-вторых, высокий фоновый ток может маскировать реальный детектируемый сигнал (то есть имеется высокий уровень шума). В-третьих, адсорбция детектируемых частиц на электродах может привести к снижению общего уровня сигнала (то есть приводит к низкому сигналу). В-четвертых, рабочий потенциал может быть ограничен в зависимости от свойств электродов, взаимодействующих со средой (например, ограниченное число редокс-частиц, которые могут использоваться в качестве метки, минимизируют окно оптимизации и в конечном счете снижают оптимальный уровень сигнала). Как правило, для измерений редокса, в качестве электродов используются благородные металлы (например, Pt, Au, Ag) благодаря их химической стойкости. Однако их химические каталитические свойства также могут неблагоприятным образом влиять на чувствительность и точность измерений, поскольку органические аналиты и молекулы воды, которые находятся в прямом контакте с атомами металлов, могут более легко подвергаться молекулярным превращениям или электролизу. Такой каталитический эффект может приводить к высокому фоновому току и деградации аналита. Один или несколько описанных здесь вариантов предлагают решения для ослабления описанного выше каталитического эффекта.

Предшествующие подходы для решения вышеуказанных вопросов частично снизили эти проблемы посредством применения алмаза, который обладает лучшими электрохимическими свойствами. Однако алмаз обычно осаждается при высоких температурах, которые не совместимы с КМОП-структурой. В первом объекте, в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения, материал электрода преобразователя (например, платина или любой другой электрохимически активный материал, такой как алмаз, золото, ITO (оксид индия-олова), оксид иридия и т.д.) покрывается очень тонкой (например, толщиной между 0 и 7 мм) диэлектрической пленкой (например, Ta₂O₅, TiO₂, SiO₂, Y₂O₃, Al₂O₃, HfO₂, ZrO₂, ZrSiO₄, BaTiO₃, BaZrO₃, и т.д.), препятствующей или ослабляющей каталитическую реакцию материала преобразователя с компонентами раствора. Кроме того, такое покрытие может наноситься для снижения адсорбции, без значительного влияния на перенос электронов на окислительных и восстановительных электродах. В одном варианте покрытие из диэлектрической пленки имеет низкий энергетический барьер (см. фигуры 1 и 2), обеспечивающий туннелирование или перескок электронов по или через энергетический барьер, с тем чтобы поддерживать скорость переноса электронов, подобную той, которая наблюдается в случае электродов без покрытия. В другом варианте тонкие проводящие материалы, которые являются некаталитически активными и неэлектрохимически/электрохимически активными, могут также применяться в качестве защитных пленок на электрохимически активных пленках или на комбинации электрохимически активных пленок.

В одном варианте обеспечивается способ стабильного изготовления сенсора на основе редокса совместимым с КМОП-структурами, который позволяет получить высокую степень интеграции на одной платформе. Таким сенсором на основе окислительно-восстановительной реакции может быть сенсор, описанный в патентной публикации США 2011/0155586, зарегистрированной 31 декабря 2009 г и озаглавленной "Nanogap chemical and biochemical sensors" (Химические и биохимические сенсоры с нанозазором), которая включена в настоящее описание посредством ссылки. Описанные здесь варианты могут включать подобные или такие же устройства, но могут иметь дополнительный признак осаждения очень тонкой (например, толщиной между приблизительно 0 и приблизительно 7 нм) диэлектрической пленки на материал нижнего и верхнего электрода. Такие устройства могут применяться для максимизации отношения сигнал/шум при обнаружении любой молекулы, которая может участвовать в обратимых (или квазиобратимых, так как в зависимости от схемы детектирования также возможно обнаружение быстропротекающих реакций) окислительно-восстановительных реакций. В одном варианте такая же самая или подобная схема покрытия может также применяться на преобразователях, которые имеют один рабочий электрод, вследствие чего реакция реализуется химическим путем, а не электрическим, как в случае схемы преобразователя с нанозазором.

Для обеспечения дальнейшего контекста, в случае секвенирования ДНК система биохимического анализа (реакции) была разработана таким образом, чтобы между двумя разделенными нанозазором электродами (например, с зазором в 50 нм или менее) активировались специфические по отношению к нуклеотидному основанию окислительно-восстановительные метки. Для фиксации напряжения смещения жидкости может использоваться третий электрод сравнения. Присутствие активных окислительно-восстановительных меток детектируется путем отслеживания тока любого из двух электродов. В случае двух близко расположенных электродов со смещением, близким к восстановительному и окислительному потенциалам окислительно-восстановительной метки, возможно усиление сигнала, поскольку одна и та же молекула многократно переносит электроны от электрода окисления к электроду восстановления через зазор между этими электродами. Размещение электродов ближе друг другу приводит к более высокому сигналу, поскольку это уменьшает время диффузии окислительно-восстановительной метки от одного электрода к другому. Регистрируемая величина тока пропорциональна количеству неадсорбированных молекул в зазоре. В соответствии с одним вариантом настоящего изобретения, покрытие электродного материала тонкой диэлектрической пленкой при такой архитектуре преобразователя на основе окислительно-восстановительных реакций с нанозазором обеспечивает более высокое отношение сигнал/шум. Такой вариант может обеспечить возможность реализации схемы считывания, позволяющей благодаря окислительно-восстановительной метке выделять окислительно-восстановительный ток с минимальным фоновым вкладом тока от буфера. Кроме того, такая структура материала может обеспечить инертную поверхность, минимизирующую адсорбцию молекул, вследствие чего большее количество молекул сможет продолжить челночный перенос электронов, приводя к более высокому сигналу. Таким образом, описанные здесь варианты могут основываться на понимании эффектов туннелирования и перескока, обуславливающих перенос электронов на границе раздела диэлектрик - редокс-молекула, и очерчивают, таким образом, способы изготовления имеющих нанозазоры устройств с такими покрытиями. В описанных здесь схемных решениях может использоваться минимальное количество производственных операций, что снижает стоимость производства и улучшает выход.

Для сравнения: электроды сенсорных устройств с нанозазором существующего уровня техники изготавливаются таким образом, чтобы они имели голые электрохимически активные электроды (например, из проводящих материалов, таких как платина, алмаз, золото, ITO, оксид иридия и т.д.). С такими электродами проблемы, обозначенные выше, одним или несколькими следующими путями: (1) работа устройства при потенциалах электродов, при которых фон является минимальным, (2) применение модифицирования поверхностей электродов для минимизации адсорбции на поверхности, (3) применение оптимизированных условий по электролиту или буферу для минимизации адсорбции на поверхностях, (4) использование повышенных концентраций аналита для получения более высокого сигнала от устройств, (5) в качестве варианта, если аналит имеет тенденцию к полимеризации на поверхности, использование сниженных концентраций аналита, с тем чтобы снизить скорость загрязнения электродов, или (6) выбор окислительно-восстановительных соединений, которые находятся в пределах эксплуатационного диапазона устройств, ограниченного окном сканирования потенциала применяемых электродных материалов. Однако такие технологические приемы оказались очень сложными, длительными и не обязательно приводящими к воспроизводимым результатам, что снижет их надежность и повторяемость.

Таким образом, согласно упомянутому выше, в первом аспекте варианты изобретения направлены на покрытие и, вследствие этого, защиту материала электрода преобразователя (например, платины или любого другого электрохимически активного вещества, такого как алмаз, золото, ITO, оксид иридия и т.д.) с помощью очень тонкой (например, в диапазоне толщин приблизительно от 0 до 7 нм) диэлектрической пленки (например, из Та₂O₅, TiO₂, SiO₂, Y₂O₃, Al₂O₃, HfO₂, ZrO₂, ZrSiO₄, BaTiO₃, BaZrO₃, Si₃N₄ и т.д.) с целью ослабления или полного предотвращения каталитической реакции материала преобразователя с компонентами раствора и снижения эффекта адсорбированных частиц без значительного влияния на перенос электронов при восстановлении и окислении электродов. Как упоминалось выше, покрытие из диэлектрической пленки обладает низким энергетическим барьером, обеспечивающим туннелирование или перескок электронов по или через энергетический барьер, с тем чтобы поддерживать такую же скорость переноса электронов, которая наблюдается в случае голых электродов. Также в качестве защитной пленки могут использоваться тонкие проводящие материалы (например, Ru), которые являются каталитически и электрохимически неактивными. Благодаря такому подходу, в одном варианте устраняется необходимость в вышеприведенных решениях существующего уровня техники со снижением тем самым сложности, увеличением выхода и достижением надежных и воспроизводимых результатов. Кроме того, описанные здесь варианты изобретения предусматривают возможность работы в более широком диапазоне потенциала электродов, увеличивая выбор вариантов для окислительно-восстановительных меток. Увеличение количества вариантов редокс-меток делает возможной оптимизацию молекул-меток для достижения максимального сигнала. Кроме того, разработанный способ является масштабируемым, что допускает использование масштабируемости полупроводникового производства с целью уменьшения размеров сенсора. Наконец, такая же самая или подобная схема покрытия может также применяться и на преобразователях, которые имеют один электрод (не считая электрода сравнения), вследствие чего происходит химическая реакция вместо электрической, как в случае схемы преобразователя с нанозазором.

Таким образом, описанные здесь варианты могут обеспечить масштабируемый и интегрируемый процесс производства редокс-сенсоров. Кроме того, развитие обусловливающей описанные выше решения теории обеспечило возможность настройки параметров, способных обеспечить наилучшую чувствительность. Делая, в частности, возможным выбор оптимальных электродных покрытий. В одном или нескольких описанных ниже вариантах настоящего изобретения расчет в дополнение к комбинации устройств существующего уровня техники, объединенных с новыми материалами и производственными операциями, делает возможными применение и использование преимуществ материалов для покрытия электродов.

Фигура 1 иллюстрирует (а) диаграмму энергетических зон на границе раздела электрод - редокс-молекула в равновесном состоянии; (b) при подаче напряжения смещения; (с) конфигурацию потенциала на покрытом оксидом электроде без приложения напряжения смещения; (d) когда eV<E_C-E_F=E₀; и (е) когда eV>Е_С-Е_F=Е₀ в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения.

Обратимся к части (а) фигуры 1, где схематично показано, как в условиях равновесия (то есть при отсутствии напряжения смещения) обеспечиваются эффективные электронные плотности состояний восстановленных и окисленных ионных частиц в контакте с электродной поверхностью. Эффективные электронные плотности состояний наиболее корректно рассматриваются как относительная вероятность добавления при окислительно-восстановительном процессе электрона заданной энергии к окисленным частицам или удаления электрона заданной энергии из восстановленных частиц. Вблизи уровня Ферми часто рассматривается экспоненциальная аппроксимация. Когда прикладывается напряжение смещения V (часть (b) фигуры 1), это приводит к итоговому электронному току от восстановленных частиц к электроду (или от окисленных частиц к электроду). В одном варианте электроды покрыты тонким диэлектриком, через который электрон туннелирует или перескакивает поверх эффективного энергетического барьера (часть (с) фигуры 1).

В случае, когда eV<E_C-E_F=E₀ (часть (d) фигуры 1), ток, связанный со скоростью переноса электронов посредством туннелирования, представляется уравнением (1):

В случае, когда eV>Ес-Ер (часть (е) фигуры 1), ток обеспечивается двумя вкладами: электронами с энергией, которая меньше и больше Е_V-Е₀. Ток, генерируемый электронами с энергией менее Е_V-Е₀, является таким же, как и определяемый уравнением (1), тогда как ток, обеспечиваемый электронами с энергией более Е_V-Е₀, задается уравнением (2):

В идеальном случае работа должна осуществляться при eV>Ec-Ep с тем, чтобы максимизировать скорость переноса электронов при уменьшении прикладываемого напряжения смещения V. При этом для выполнения этого в одном варианте применяются диэлектрики с низкими энергетическими барьерами. Также необходимо осаждение более тонкой пленки с тем, чтобы уменьшить расстояние туннелирования, и поэтому необходим компромисс между толщиной пленки и сниженной электродно-каталитической активностью, и загрязнением.

Фигура 2 представляет диаграмму 200 сравнения уровней энергетических зон потенциальных защитных диэлектрических пленок и их положение относительно работы выхода платины, которая определяет энергетический барьер. На фигуре 2 демонстрируются различные диэлектрические пленки в сравнении с платиновым электродом. Следует понимать, что список из 11 диэлектрических пленок на диаграмме 200 не является ограничительным и может быть расширен до любого другого диэлектрика. То же самое относится и к электродному материалу, который может быть любым электрохимически активным веществом. Кроме того, также в качестве защитной пленки могут использоваться тонкие проводящие материалы, которые являются каталитически и электрохимически неактивными. Наконец, следует понимать, что функционирование при более высоких температурах может рассредоточивать электронную плотность состояний и увеличивает энергию электронов, что, свою очередь, увеличивает вероятности туннелирования и перескоков электронов, тем самым увеличивая скорость переноса электронов.

В соответствии с одним вариантом настоящего изобретения, описывается новый способ производства, предусматривающий введение защитной диэлектрической пленки (или проводящей пленки, которая является каталитически и электрохимически неактивной), такой как описанные выше, который состоит из нанесения тонкой (например, толщиной между приблизительно 0 и 7 нм) пленки с помощью метода нанесения атомных слоев (или любого другого метода покрытия, такого как распыление, испарение и т.д.). Конечный полученный преобразователь может применяться для секвенирования ДНК. Также полученный преобразователь может применяться для анализа с ферментными метками. В более общем смысле, одно или несколько описанных здесь вариантов обеспечивают уникальную комбинацию применения защитных покрытий на электродах и архитектуры нанозазоров для обнаружения молекул на основе окислительно-восстановительных реакций.

Фигура 3 является полученной с помощью растрового электронного микроскопа микрофотографией 300 поперечного сечения устройства с нанозазором, демонстрирующей слои покрытия TiO₂ толщиной 3 нм на платиновых электродах, в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения. На фигуре 3 показан жертвенный слой, который может быть подвергнут выборочному травлению, такой как хром, вольфрам и т.д., и который травится так, чтобы обеспечить зазор 302 между электродами приблизительно в 50 нм.

Фигура 4 иллюстрирует поперечные сечения, представляющие различные операции при способе изготовления имеющего защитные покрытия преобразователя с нанозазором в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения.

С обращением к части (а) фигуры 4 показан нижний электрод 402, образованный на или над подложкой 400. В одном варианте нижний электрод 402 изготовлен посредством осаждения материала, литографии, осаждения жесткой маски и обработкой схемы травлением. В одном варианте нижний электрод 402 образован так, чтобы иметь минимальную шероховатость и минимальную толщину поверхности, с тем чтобы минимизировать вероятность в последующем короткого замыкания верхнего и нижнего электродов.

Шероховатость может привести к образованию в расходуемом конформном покрытии отверстий, а ребра с большим соотношением сторон могут вызвать образование утоньшений/пустот в жертвенном слое. В одном варианте нижний электрод 402 состоит, но не ограничивается таким материалом, как платина, золото, алмаз, ITO или оксид иридия, и осаждается с помощью такого как, но данным перечислением не ограничиваемого метода, как испарение, распыление, ALD (atomic layer deposition - осаждение атомных слоев), CVD (chemical vapor deposition - химическое осаждение из паровой фазы) или напыление с проволочного испарителя. В случае алмаза возможна необходимость в осаждении толстой пленки и образовании на ребрах электродов структур с большим соотношением сторон. Такие структуры с большим отношением длины к ширине могут привести к уменьшению толщины жертвенной пленки на ребрах электродов, увеличивая вероятность короткого замыкания между верхним и нижним электродами. Для смягчения этих проблем в одном варианте устройства с нанозазором могут быть планаризованы посредством осаждения диэлектрического слоя (например, нитрида кремния или диоксида кремния) и использования химическо-механической полировки (chemical mechanical polishing, CMP) диэлектрика с достижением плоской поверхности для последующего улучшенного нанесения следующих далее конформных слоев. В некоторых вариантах для улучшения связывания между электродом и подложкой может использоваться адгезионный слой, например, из хрома, тантала или различные другие адгезионные слои.

На фигуре 4 часть (b) показана защитная пленка 406, которая далее образуется на структуре, представленной на части (а) фигуры 4. В одном варианте защитная пленка 406 образуется осаждением и созданием рисунка из слоя материала защитной пленки 406. В одном варианте вслед за осаждением защитного пленочного материала может быть реализована комбинация нижнего электрода и защитной пленки с помощью методик травления или обратной фотолитографии. В случае, когда защитная пленка является диэлектриком, может быть структурирован созданием на нем рисунка нижний электрод, и далее диэлектрическая защитная пленка может быть осаждена без дополнительного структурирования.

На фигуре 4 часть (с) показано образование на представленной на части (b) Фигуры 4 структуре жертвенного слоя 408. В одном варианте жертвенный слой 408 образован методом формирования рисунка и осаждения. В одном варианте жертвенный слой 408 составлен из такого, но данным перечнем не ограничиваемого материала, как Cr, W или Ti, и имеет толщину приблизительно в 100 нм или менее. В одном варианте жертвенный слой 408 образован методом осаждения, таким как, но не ограничиваясь, распылением, испарением или ALD, и он структурируется путем формирования на нем рисунка методами обратной фотолитографии или травления (влажного или сухого). В одном конкретном варианте технология ALD позволяет получить высококонформные покрытия с высокой степенью контролирования толщины, позволяя создавать очень узкие (например, менее 100 ангстрем) нанозазоры, которые могут дополнительно улучшить чувствительность устройства и минимизировать уменьшение толщины/образование отверстий на электродных структурах с потенциально высокими соотношениями сторон с тем, чтобы получить устройства с более высокой надежностью (выходом производства).

На фигуре 4 часть (d) показаны верхний электрод 410 и соответствующий защитный слой 412, образованный на структуре части (с) фигуры 4. В одном варианте защитный слой 412 осаждается первым - способом, аналогичным образованию защитного слоя 406. Затем осаждается материал верхнего электрода 410 и на комбинации верхнего электрода и защитного слоя может быть создан рисунок методами обратной фотолитографии или травления (сухого/влажного). В случае защитной пленки, являющейся диэлектриком, нет необходимости в создании рисунка на защитной пленке 412, хотя на фигуре 4 она показана с рисунком.

На фигуре 4 часть (е) показано формирование пассивирующего слоя 414 на представленной на части (d) фигуры 4 структуре. 4. В одном варианте после осаждения и структурирования верхнего электрода посредством создания на нем рисунка (например, рисунок выполняется таким образом, чтобы оставить отверстие, обеспечивающее доступ к жертвенной пленке и зазору) осаждается пассивирующий диэлектрик 414 для минимизации во время измерений фонового тока. В одном примере осуществления пассивирующий слой 414 является пленкой нитрида/оксида/нитрида (2300А/3000А/2300А), полученной плазмохимическим осаждением из паровой фазы (PECVD). В качестве пассивирующего слоя могут применяться другие диэлектрические слои, такие как SiC(O/N), или полимерные пленки, такие как полиимид, при условии оптимизации данного способа с точки зрения гарантирования надежности/устойчивости пассивирующего слоя и обеспечения минимального тока утечки в буферной жидкости. На фигуре 4 часть (f) показан жертвенный слой 408, далее подвергаемый травлению с использованием селективного жидкого травителя, подходящего для получения геометрии нанозазора.

Следует понимать, что также возможно следование и другим схемам производственного процесса, таким как осаждение пакета, составляющего все слои сразу (включающего, например, нижний электрод / защитное покрытие / жертвенный слой / защитный слой / верхний электрод), и структурирование созданием рисунка посредством обратной фотолитографии или травления (например, сухого/влажного), сопровождаемого последующим выделением контакта верхнего электрода и пассивацией. Хотя представленные здесь устройства были, в соответствии с одним вариантом, изготовлены с использованием плоских кремниевые подложек, данный способ может быть воспроизведен и на планарных КМОП-чипах для монолитной интеграции преобразователей с электронной аппаратурой.

На фигуре 5 показано множество 500 полученных методом циклической вольтамперометрии графиков для Pt-Pt устройства с нанозазором с покрытием 3 нм TiO₂ при использовании в качестве модельного соединения с редокс-потенциалом около 0,240 В (10 мкмоль ферроцен), в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения. На фигуре 5 показаны графики циклической вольтамперометрии, полученные с применением устройств с нанозазором, изготовленных из Pt электродов и защищенных с помощью пленок TiO₂, осажденных методом ALD, такие устройства имеют превосходные электрохимические свойства, обеспечиваемые ослаблением эффекта загрязнения.

Во втором объекте, в соответствии с другим вариантом настоящего изобретения, описываются имеющие модифицированную органическими соединениями поверхность, то есть электродные преобразователи с покрытием и нанозазором, подходящие для биохимического и химического опознавания на основе окислительно-восстановительной реакции. Одно или несколько вариантов касаются способов модификации поверхностей электродов и химических подходов, дополнительных (то есть заменяющих или применяемых в комбинации) для вышеописанных преобразователей с нанозазором, имеющих покрытые защитной пленкой электроды и предназначенные для обнаружения редокс-молекул.

Для обеспечения контекста, чувствительность и специфичность обнаружения биомолекул и химических соединений в ультранизких концентрациях имеет потенциал для революционных преобразований сразу в нескольких областях, включая клиническую диагностику, контроль эпидемических заболеваний, мониторинг состояния окружающей среды и безопасность пищевых продуктов.

Производство электронных сенсоров биомолекул и химических соединений с масштабируемостью и высокой скоростью делает возможной реализацию очень доступных, настраиваемых и миниатюризированных систем для таких применений, включая современные платформы секвенирования ДНК.

Один или несколько вариантов направлены на покрытие электродного материала преобразователя (например, платины или другого электрохимически активного вещества, такого как алмаз, золото, ITO, оксид иридия и т.д.) четко определенным или самоорганизованным монослоем или множеством очень тонких слоев гидрофильных и биологически совместимых органических соединений (например, полиэтиленгликолей, анилинов, фосфонатов, тиолов, пептидов и т.п.) для ослабления или полного подавления каталитической реакции материала преобразователя с раствором и/или добавками к раствору и снижения адсорбции редокс-меток без значительного уменьшения переноса электронов на окислительном и восстановительном электродах. В одном таком варианте органическое или биомолекулярное покрытие обладает низким энергетическим барьером с тем, чтобы сделать возможным туннелирование или перескок электронов по или через энергетический барьер для поддержания скорости переноса электронов, подобной (например, 90-100%) той, которая наблюдается в случае голых электродов. В одном конкретном варианте покрытие является каталитически и электрохимически неактивным (или со сниженной каталитической и электрохимической активностью) и также может применяться в качестве защитной пленки для снижения загрязнений или денатурации в течение анализа.

Для определения контекста: микроструктура, чистота и химическая композиция поверхности электрода частично определяют, каким образом будет протекать реакция переноса электронов. Описанные здесь варианты включают способ защиты поверхности электрода от загрязнений посредством нанесения покрытия. Мерой гидрофильности поверхности является краевой угол смачивания поверхности капелькой воды. Оба эксперимента, проведенных на чистой платине и золоте, продемонстрировали гидрофильность. Однако при воздействии лабораторной среды всего лишь в течение минут обе поверхности становятся значительно более гидрофобными. Это изменение связано с адсорбцией или неспецифической связью различных химических частиц с металлическими поверхностями, указывая на загрязнение поверхности.

Один или несколько вариантов направлены на методики стабильного изготовления сенсора на основе окислительно-восстановительной реакции совместимым с КМОП-структурой, делающие возможной глубокую интеграцию на единой платформе. Получаемые устройства могут быть в одном варианте подобными существующим устройствам с нанозазором с добавлением признака наличия покрытия из четко определенного или самоорганизованного монослоя либо из множества очень тонких слоев, гидрофильных и биологически совместимых органических соединений, на материале нижнего и верхнего электродов. Такое покрытие может применяться для максимизации отношения сигнал/шум и уменьшения загрязнений, образующихся при детектировании любых молекул, которые могут участвовать в обратимых (или квазиобратимых, в зависимости от схемы детектирования также возможно обнаружение быстропротекающих реакций) окислительно-восстановительных реакциях. Такая же или подобная схема покрытия может также применяться и на преобразователях, которые имеют один электрод (не считая электрода сравнения в случае его использования), вследствие чего образование цикла происходит химическим образом вместо электрического, как в случае схемы преобразователя с нанозазором.

В соответствии с одним вариантом настоящего изобретения, для случая секвенирования ДНК разработана система биохимического анализа (реакция), такая чтобы редокс-метки, которые могут быть специфическими для основания, образовывались вблизи или между двумя электродами, разделенными нанозазором (например, 100 нм или менее). Для установления напряжения смещения жидкости может использоваться третий электрод сравнения. Присутствие редокс-меток обнаруживается путем отслеживания тока любого из двух или обоих электродов. Контроль обоих электродов позволяет обнаружить антикоррелированные токи, связанные с двумя электродами, когда в нанозазоре присутствуют очень небольшое количество редокс-меток. При наличии двух близко расположенных электродов со смещением, близким к восстановительному и окислительному потенциалам редокс-метки, возможно усиление сигнала, поскольку одна и та же молекула многократно переносит электроны от электрода окисления к электроду восстановления через зазор между этими электродами. Размещение электродов ближе друг к другу может привести к более высокому сигналу, так как более тесное соседство уменьшает время диффузии редокс-метки от одного электрода к другому. Регистрируемая величина тока пропорциональна количеству неадсорбированных молекул в зазоре.

В одном варианте покрытие электродного материала четко определенным или самоорганизованным монослоем либо множеством очень тонких слоев гидрофильных и биологически совместимых органических соединений при такой архитектуре редокс-реакции с нанозазором делает возможным достижение более высокого отношения сигнал/шум и препятствует появлению загрязнений. В одном конкретном варианте такой результат может обеспечить возможность реализации схемы считывания, позволяющей благодаря редокс-метке различать редокс-ток с минимальным фоновым вкладом тока от буфера. Результат также может быть при наличии инертной поверхности, минимизирующей адсорбцию молекул, так что одна и та же молекула может осуществлять челночный перенос большего количества электронов, приводя к более высокому сигналу. В такой схеме используется минимальное количество производственных этапов, уменьшая стоимость производства и улучшая выход.

Одно или несколько вариантов включают покрытие и тем самым защиту материала электрода преобразователя (например, платины или другого электрохимически активного материала, такого как алмаз, золото, ITO, оксид иридия и т.д.) четко определенным или самоорганизованным монослоем либо множеством очень тонких слоев гидрофильного органического полимеров или биополимеров. В одном варианте покрытие является подходящим для предупреждения (или по меньшей мере существенного торможения) каталитической реакции материала преобразователя с добавками раствора и снижения влияния адсорбированных частиц без влияния на перенос электронов на окислительном и восстановительном электродах. Покрывающие слои также могут быть регулируемыми за счет определенной плотности заряда, чтобы увеличить скорость переноса электронов по сравнению с голыми электродами. В одном варианте покрытия являются каталитически и электрохимически неактивными (или со сниженной каталитической и электрохимической активностью) и также могут применяться в качестве защитных пленок для уменьшения загрязнений или ослабления денатурации. Посредством изменения структуры покрытия и свойств заряда возможно усиление переноса электронов с целью улучшения чувствительности. При выполнении этого отпадает необходимость в предшествующих решениях со снижением сложности, увеличением выхода и достижением надежных и воспроизводимых результатов. Кроме того, описанные здесь варианты могут обеспечить возможность работы с более широким разнообразием электродных потенциалов, увеличивая выбор вариантов для редокс-меток, что допускает оптимизацию молекул-меток для максимизации сигнала. Кроме того, разработанный способ может масштабироваться, что допускает использование масштабируемости полупроводникового производства для уменьшения размеров сенсора.

Фигура 6 показывает примеры органических молекул, подходящих для электродного покрытия в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения. На фигуре 6 часть (а) показана возможность использования в качестве молекулы защитного покрытия тетра-DTT-фосфатов. На фигуре 6 часть (b) показана возможность использования в качестве молекулы защитного покрытия тетра-DTT-ферроцена. Эти примеры могут быть включены в поверхность электрода подходящим для введения органического защитного покрытия производственным способом, например, таким, как описанные здесь процессы. Различные применения включают использование полученного преобразователя для секвенирования ДНК или для анализа с использованием ферментных меток.

В одном варианте достигается уникальная комбинация объединения на электродах органических защитных материалов с архитектурой нанозазора для детектирования молекул на основе окислительно-восстановительной реакции. Технологическая схема производственного процесса может рассматриваться как имеющая пять главных аспектов (и их варианты), которые очерчены ниже.

В первом аспекте, в одном варианте получение нижнего электрода включает образование нижнего электрода (например, в виде осажденного материала) с минимальной шероховатостью поверхности и с минимальной толщиной с тем, чтобы минимизировать вероятность короткого замыкания верхнего и нижнего электродов. Шероховатость может привести к образованию в соответствующем жертвенном конформном покрытии отверстий, а ребра с высоким соотношением сторон могут вызвать образование утоньшений или пустот в жертвенном слое. В одном таком варианте нижний электрод (например, платина, золото, алмаз, ITO, оксид иридия и т.д.) осаждается с применением подходящей методики (например, испарением, распылением, ALD, CVD, напылением с проволочного испарителя и т.д.). В случае, когда требуется осаждение толстых пленок (например, алмаза), на ребрах электродов создаются структуры с высокими соотношениями сторон. Такие структуры с высоким соотношением длины и ширины могут вызвать утоньшение жертвенной пленки на ребрах электродов, увеличивая вероятность короткого замыкания между верхним и нижним электродами. Для смягчения этой проблемы в одном варианте устройства с нанозазором планаризуются посредством осаждения диэлектрического слоя (например, нитрида кремния или диоксида кремния) и использования химическо-механической полировки (СМР) диэлектрика с достижением плоской поверхности для улучшенного нанесения последующих конформных слоев.

Во втором аспекте, касающемся образования жертвенной пленки, в одном варианте осаждается (распылением, испарением, ALD и т.д.) и структурируется созданием рисунка методами обратной фотолитографии или травления (влажного или сухого) жертвенный слой (например, Crг, W, Ti и т.д.), который имеет толщину приблизительно 500 ангстрем или менее. Техника ALD делает возможным получение высококонформных покрытий с высокой степенью контролирования толщины, позволяя создавать очень тонкие (например, приблизительно менее 100 ангстрем) нанозазоры, которые могут дополнительно улучшить чувствительность устройства и минимизировать уменьшение толщины / образование отверстий на структурах электрода с потенциально высокими соотношениями сторон с тем, чтобы предоставить устройства с более высокой надежностью.

В третьем аспекте, касающемся образования верхнего электрода, в одном варианте осаждается материал верхнего электрода, и комбинация верхнего электрода и защитного слоя структурируется с созданием рисунка методами обратной фотолитографии или травления (сухого/влажного).

В четвертом аспекте, касающемся пассивации устройств с нанозазором, в одном варианте вслед за осаждением и структурированием верхнего электрода с созданием рисунка (рисунок, например, выполняется таким образом, чтобы оставить отверстие, обеспечивающее доступ к жертвенному слою и зазору) осаждается пассивирующий диэлектрик для минимизации во время измерений фонового тока. В одном примере осуществления в качестве пассивирующего слоя используется полученный плазмохимическим осаждением из паровой фазы (PECVD) слой нитрида/оксида/нитрида (2300А/3000А/2300А). В качестве пассивирующего слоя могут применяться другие диэлектрические слои, такие как SiC(O/N), или полимерные пленки, такие как полиимид, при условии оптимизации данного способа, чтобы гарантировать надежность/устойчивость пассивирующего слоя и минимальный ток утечки в буферной жидкости. Жертвенный слой затем для создания конфигурации нанозазора может быть вытравлен в подходящем селективном растворе для влажного травления.

В пятом аспекте, касающемся защитного покрытия, в одном варианте также могут быть реализованы другие способы, такие как осаждение пакета, составляющего все слои сразу (включающего, например, нижний электрод/защитное покрытие/жертвенный слой/ защитный слой/верхний электрод), и структурирование с созданием рисунка посредством обратной фотолитографии или травления (например, сухого/влажного), сопровождаемого последующим выделением контакта верхнего электрода и пассивацией.

В одном варианте нанесение покрытия из органического материала выполняется методом физической абсорбции, химической связи и/или электроосаждением. Хотя представленные здесь устройства могут быть спроектированы для изготовления с использованием плоских кремниевых подложек, данный способ может быть реализован и на планаризованных КМОП-подложках для монолитной интеграции преобразователей с электронной аппаратурой.

Фигура 7 представляет график 700, демонстрирующий отслеживание в УФ-диапазоне и видимой части спектра редокс-активной молекулы аминофенола на электроде с покрытием по сравнению с открытым электродом в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения. Из графика 700 видно смещение красного от 238 нм к 260 нм и от 300 нм к 370 нм, которое указывает на каталитическое окисление аминофенола. Органическое покрытие минимизировало каталитическую активность Pt электродной поверхности. Среди покрытий (например, анилина, азааденина, полиаденозина (polyА), меркаптоундеканола (Thiol-C11OH) и полиэтиленгликоля (PEG)) в одном предпочтительном варианте анилин обеспечивал самую эффективную защиту.

Фигура 8 иллюстрирует производные алендроната, подходящие для органических покрытий в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения. На фигуре 8 показаны модельные структуры для производных 802 с положительным зарядом, нейтральных производных 804, отрицательно заряженных производных 806 и связующих производных 808.

Фигура 9 представляет схемное решение имеющего защитные покрытия преобразовательного устройства 900 с нанозазором в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения. На фигуре 9 показаны твердые электроды в форме имеющих органическое покрытие электродов 902 и 904 с нанозазором. Как показано, в одном варианте органическое покрытие наносится вслед за изготовлением электрода.

Фигура 10 иллюстрирует несущую органическое покрытие поверхность металлического электрода вместе с подходящими молекулярными покрытиями в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения. На Фигуре 10 представлен электрод 1002 из благородного металла, на котором имеется поверхностное покрытие на основе тиолового соединения 1004. Список модельных молекул 1006 обеспечивает дополнительные примеры подходящих для покрытия поверхностей молекул.

Фигура 11 включает ряд графиков 1100, снятых методом CV (циклическая вольтамперометрия) для имеющих покрытие устройств с нанозазором в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения. На фигуре 11 иллюстрируется покрытие из алендроната и производных на нанозазорах TiO₂ на Pt, где каждый график 1100 представляет собой наложенные данные 10 мкмоль рАР от четырех устройств. Помимо этого, фигура 12 представляет график 1200, демонстрирующий эффект покрытия DTT4 на Pt нанозазоре в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения.

Для всех описанных выше объектов, в одном варианте полученные устройства могут использоваться для создания на кремниевой платформе сверхплотной матрицы химически модифицированных сенсоров, предназначенной для секвенирования полного генома. В одном таком варианте каждый сенсор применяется для обнаружения химического сигнала (например, в форме редокс-активной молекулы) от реакций тестирования/достройки цепи в определенных местоположениях, идентифицирующих пару оснований. Эти устройства могут быть исключительно важны для опознания сигнальных молекул, образующихся в каждом таком местоположении. Однако вышеописанным способы их применения не ограничиваются. Например, в других вариантах электроды с описанными выше покрытиями обеспечивают высокоэффективную технологию для высокоинтегрированной матрицы преобразователей благодаря чувствительному и надежному обнаружению специфических для определенных оснований редокс-меток. Улучшение отношения сигнал/шум преобразователей делает возможным обнаружение с более высокой достоверностью, а также ослабляет требования к сопутствующим биохимическим компонентам. В целом, описанные здесь варианты могут быть подходящими для разнообразных вариантов, включающих применения, опирающиеся на высокочувствительные электронно-биосенсорные матрицы.

Применения могут охватывать от имеющих редокс-активные частицы в качестве аналитов в растворе или использующих редокс-активные молекулы в качестве маркеров для обнаружения некоторых первичных частиц, как это делается в данном случае. Некоторые примеры применений, в которых важную роль могут играть редокс-активные частицы, представлены высокопроизводительным секвенированием ДНК, обнаружением биомолекул для целей санитарно-эпидемиологического контроля, диагностикой по месту лечения.

Для предоставления другого общего контекста: в целом, одно или несколько вариантов направлены на осуществление редокс-детектирования, такого как секвенирование ДНК на основе обнаружения электрического сигнала. Для обнаружения таких сигналов могут использоваться интегральные электронные схемы. Комбинация химической схемы с интегральными КМОП-схемами (ИС) и связанными с секвенированием применениями обеспечивает преимущества, не реализовавшиеся ранее стандартными технологиями обнаружения. Кроме того, КМОП ИС-чипы могут применяться для масштабной генерации информации о последовательности генома человека, которая может стать рычагом для продвижения передовых производственных технологий.

В данном контексте понятие «сенсор» или «преобразователь» относятся к веществу или устройству, которое обнаруживает или воспринимает электрический сигнал, создаваемый движением электронов, включая, но не ограничиваясь, электрическое сопротивление, ток, напряжение и емкость. Таким образом, преобразователь или сенсор может обнаруживать сигналы в форме тока, или детектировать напряжение, или обнаруживать заряд, импеданс, магнитное поле или их комбинацию. Матрица преобразователей имеет один или несколько преобразователей, вплоть до миллиардов преобразователей.

«Матрица» является специально созданной совокупностью веществ, таких как молекулы, отверстий, микрокатушек, детекторов и/или сенсоров (или преобразователей), присоединенных или изготовленных на подложке или твердой поверхности, такой как стекло, пластмасса, кремниевый кристалл, кристалл интегральной схемы или другом материале, образующем матрицу. Матрицы (такие как матрицы сенсоров/преобразователей) могут применяться для определения положения сигнала и измерения уровней большого количества, например десятков, тысяч, миллионов или миллиардов, взаимодействий или комбинаций одновременно. Матрица также может содержать небольшое количество веществ, например несколько или дюжину. Вещества в матрице могут быть идентичными или отличающимися друг от друга. Матрица может принимать множество различных форм, например библиотеки растворимых молекул, библиотеки соединений, привязанных к полимерным гранулам, кристаллам диоксида кремния или другим твердым подложкам. В зависимости от размера контактных площадок (элементов) на матрице такая матрица может быть как макроматрицей, так и микроматрицей. Макроматрица обычно содержит контактные площадки (элементы) размером около 300 микрон или всего 1 микрон, или даже 0,1 микрона. Сенсорная матрица в общем случае содержала бы контактные площадки с размерами менее 300 микрон. Чувствительные элементы (например, сенсорные элементы матрицы или сенсорные контактные площадки) матрицы сенсора/преобразователя с помощью электронных средств могут быть сделаны индивидуально адресуемыми.

Термин «аналит» относится к интересующей молекуле, которая должна быть обнаружена и/или проанализирована, например к нуклеотиду, олигонуклеотиду, полинуклеотиду, пептиду или белку. Аналит, мишень или молекула-мишень может быть малой молекулой, биомолекулой или наноматериалом, таким как, но не обязательно этим ограничивается, малая молекула, которая является биологически активной, нуклеиновые кислоты и их последовательности, пептиды и полипептиды, а также наноструктурные материалы, химически модифицированные биомолекулы или малые молекулы, способные к образованию связи с молекулярными зондами, такими как химически модифицированные углеродные нанотрубки, пучки углеродных нанотрубок, нанопроволоки, нанокластеры или наночастицы. Молекула-мишень может быть флуоресцентно маркированным антигеном, антителом, ДНК или РНК. «Биоаналит» относится к аналиту, который является биомолекулой. Более конкретно, аналиты для секвенирования ДНК могут быть образцами, содержащими молекулы нуклеиновой кислоты, такой как геномная или синтетическая, или биохимически амплифицированная ДНК или кДНК. Термин «молекула аналит» может применяться равнозначно с термином «молекула-мишень».

Термин «метка» применяется как относящийся к маркеру или индикатору, различимому наблюдателем, но не обязательно различимому системой, применяемой для идентификации аналита или мишени. Метка также может проявить свой эффект, когда подвергается заранее запланированному способу обнаружения. Метки часто используются при биологических анализах в присоединенном или объединенном виде с трудно обнаруживаемым в ином случае веществом. В то же самое время метки обычно не изменяют и не влияют на способ анализа. Метка, используемая в биологических анализах, включает, но не ограничиваются этим, радиоактивный материал, магнитный материал, квантовую точку, фермент, маркер на основе липосом, хромофор, флуорофор, краситель, наночастицу, квантовую точку или потенциальную яму, композитный органически-неорганический нанокластер, коллоидную металлическую частицу или их комбинацию. В одном варианте метка или маркер предпочтительно является металлоорганическим комплексом, который при облучении светом может генерировать электронный ток.

Фигура 13 иллюстрирует вычислительное устройство 1300 в соответствии с одним вариантом изобретения. Вычислительное устройство 1300 содержит в себе печатную плату 1302. Печатная плата 1302 может включать множество компонентов, включая, но не ограничиваясь этим, процессор 1304 и по меньшей мере одну микросхему связи 1306. Процессор 1304 физически и электрически присоединен к печатной плате 1302. В некоторых вариантах по меньшей мере одна микросхема связи 1306 также физически и электрически присоединена к печатной плате 1302. В следующих вариантах микросхема связи 1306 является частью процессора 1304.

В зависимости от назначения вычислительное устройство 1300 может включать другие компоненты, которые могут быть или не быть физически и электрически присоединены к печатной плате 1302. Эти другие компоненты включают, но не ограничиваются этим, энергозависимое запоминающее устройство (например, DRAM), энергонезависимое запоминающее устройство (например, ROM), флеш-память, графический процессор, процессор цифровой обработки сигналов, криптопроцессор, микропроцессорный набор, антенну, дисплей, сенсорный экран, контроллер сенсорного экрана, батарею, аудиокодек, видеокодек, усилитель мощности, устройство системы глобального позиционирования (GPS), компас, акселерометр, гироскоп, динамик, камеру и запоминающее устройство (такое как жесткий диск, компакт-диск (CD), цифровой универсальный диск (DVD) и т.п.).

Микросхема связи 1306 обеспечивает беспроводную связь для передачи данных от и к вычислительному устройству 1300. Термин «беспроводной» и его производные могут использоваться для описания цепей, устройств, систем, способов, методов, каналов связи и т.д., которые могут передавать данные с помощью модулированного электромагнитного излучения через не являющуюся твердой среду. Данный термин не подразумевает, что взаимодействующие устройства не содержат никаких проводов, хотя в некоторых вариантах они могли бы их не содержать. Микросхема связи 1306 может реализовывать любой из множества стандартов или протоколов беспроводной связи, включая, но не ограничиваясь Wi-Fi (семейство IEEE 802.11), WiMAX (семейство IEEE 802.16), IEEE 802.20, стандарт "Долгосрочное развитие" (LTE), Ev-DO, HSPA+, HSDPA+, HSUPA+, EDGE, GSM, GPRS, CDMA, TDMA, DECT, Bluetooth, их производные, а также любые другие беспроводные протоколы, которые определяются как 3G, 4G, 5G и выше. Например, первая микросхема связи 1306 может быть специально предназначенной для обеспечения беспроводной связи малой дальности, такой как Wi-Fi и Bluetooth, а вторая микросхема связи 1306 может быть узкоспециализированной для беспроводной связи большой дальности, такой как GP, EDGE, GPRS, CDMA, WiMAX, LTE, Ev-DO и другие.

Процессор 1304 вычислительного устройства 1300 включает кристалл интегральной схемы, размещенный в процессоре 1304. В некоторых вариантах изобретения кристалл интегральной схемы процессора включает в себя или соединен с матрицей интегрального преобразователя в соответствии с вариантами изобретения. Термин «процессор» может относиться к устройству или узлу устройства, который обрабатывает электронные данные от записывающих устройств и/или памяти, чтобы преобразовать эти электронные данные в другие электронные данные, которые могут быть помещены на хранение в записывающие устройства и/или память.

Микросхема связи 1306 также включает кристалл интегральной схемы, размещенный внутри микросхемы связи 1306. В соответствии с другим вариантом изобретения кристалл интегральной схемы микросхемы связи включает в себя или объединен с матрицей интегрального преобразователя в соответствии с вариантами данного изобретения.

В дальнейших вариантах еще один компонент, размещенный внутри вычислительного устройства 1300, может содержать кристалл интегральной схемы, которая включает или объединяется с матрицей интегрального преобразователя в соответствии с вариантами данного изобретения.

В различных вариантах вычислительное устройство 1300 может быть лэптопом, нетбуком, ноутбуком, ультрабуком, смартфоном, планшетом, карманным персональным компьютером (PDA), ультрамобильным ПК, мобильным телефоном, настольным компьютером, сервером, принтером, сканирующим устройством, монитором, телеприставкой, мультимедийным развлекательным центром, цифровой камерой, портативным аудиоплейером или цифровым видеомагнитофоном. В следующих вариантах вычислительное устройство 1300 может быть любым другим электронным прибором, который способен обрабатывать данные.

Варианты настоящего изобретения могут быть представлены в качестве компьютерного программного продукта или программного обеспечения, которые могут включать машиночитаемый носитель с записанными на нем инструкциями, которые могут быть использованы для программирования компьютерной системы (или других электронных устройств) с тем, чтобы реализовать способ согласно настоящему изобретению. Машиночитаемый носитель включает любой механизм для сохранения или передачи информации в форме, пригодной для считывания машиной (например, компьютером). Например, машиночитаемый (например, пригодный для считывания компьютером) носитель включает машино- (например, компьютером) читаемый носитель данных (например, постоянное запоминающее устройство ("ROM"), память с произвольным доступом ("RAM"), магнитные дисковые носители данных, оптические носители данных, устройства флэш-памяти и т.д.), машино- (например, компьютером) читаемую среду передачи данных (электрическую, оптическую, акустическую или другую форму распространения сигналов (например, инфракрасных сигналов, цифровых сигналов и т.п.)) и т.д.

Фигура 14 иллюстрирует схематическое представление машины в модельной форме компьютерной системы 1400, в которой может исполняться ряд инструкций для того, чтобы заставить машину реализовать любую или несколько из обсуждаемых здесь методик. В альтернативных вариантах машина может быть соединена (например, по сети) с другими машинами в локальной сети (LAN), интранете, экстранете или интернете. Такая машина может функционировать в качестве сервера или клиентской машины в сетевой среде или как одноранговая машина в сетевой среде с равноправными узлами. Такая машина может быть персональным компьютером (PC), планшетным компьютером, телеприставкой (STB), карманным персональным компьютером (PDA), мобильным телефоном, сетевым устройством, сервером, сетевым маршрутизатором, коммутатором или мостом или любой машиной, способной к исполнению набора инструкций (последовательных или иных), которые определяют действия, необходимые для выполнения машиной. Кроме того, при том, что иллюстрируется только единственная машина, термин «машина» должен также восприниматься как включающий любую совокупность машин (например, компьютеров), которые индивидуально или совместно выполняют набор (или множество наборов) инструкций, предназначенных для реализации любой или нескольких обсуждаемых здесь методик.

Модельная компьютерная система 1400 включает процессор 1402, основную память 1404 (например, постоянное запоминающее устройство (ROM), флэш-память, динамическую память произвольного доступа (DRAM), такую как синхронная DRAM (SDRAM) или DRAM фирмы Rambus (RDRAM) и т.д.), статическую память 1406 (например, флеш-память, статическую память с произвольней выборкой (SRAM) и т.д.) и память 1418 второго уровня (например, устройство накопления данных), которые взаимодействуют друг с другом через шину 1430.

Процессор 1402 представляет один или несколько универсальных устройств обработки, таких как микропроцессор, центральный процессор или подобные. Более конкретно, процессор 1402 может быть микропроцессором с полным набором команд (CISC), микропроцессором с сокращенным набором команд (RISC), микропроцессором для работы с системой команд сверхбольшой разрядности (VLIW), процессором, исполняющим другие наборы команд, или процессорами, исполняющими комбинации наборов команд. Процессор 1402 также может быть одним или несколькими устройствами обработки информации специального назначения, таким как специализированная интегральная микросхема (ASIC), программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA), процессор цифровой обработки сигналов (DSP), сетевой процессор или другие подобные. Процессор 1402 конфигурируется таким образом, чтобы исполнять алгоритм 1426 обработки, предназначенный для выполнения обсуждаемых здесь операций.

Компьютерная система 1400 может, кроме того, включить сетевой интерфейс 1408. Компьютерная система 1400 может также включать устройство 1410 визуального отображения (например, жидкокристаллический дисплей (LCD) или электронно-лучевую трубку (CRT)), алфавитно-цифровое устройство 1412 ввода (например, клавиатуру), устройство 1414 управления курсором (например, мышь) и устройство 1416 генерирования сигналов (например, динамик).

Вторичная память 1418 может включать доступный для машины носитель данных (или, более конкретно, считываемый компьютером носитель данных) 1431, на котором содержится один или несколько наборов инструкций (например, программное обеспечение 1422), воплощающих любую или несколько описываемых здесь методик или функций. Программное обеспечение 1422 также может постоянно храниться, полностью или по меньшей мере частично, в основной памяти 1404 и/или в процессоре 1402 в ходе его исполнения компьютерной системой 1400, при этом основная память 1404 и процессор 1402 также составляют машиночитаемые носители данных. Программное обеспечение 1422 может, кроме того, быть передано или получено по сети 1420 через сетевой интерфейс 1408.

В то время как доступный для машины носитель данных 1431 представляется в примере осуществления как являющийся единственной средой, термин «машиночитаемый носитель данных» должен восприниматься в качестве включающего единственную среду или множественную среду (например, централизованную или распределенную базу данных, и/или ассоциированные серверы и буферную память), которые запоминают один или несколько наборов инструкций. Термин «машиночитаемый носитель данных» также должен восприниматься как включающий любую среду, которая является способной к запоминанию или кодированию набора инструкций, предназначенных для исполнения машиной, и заставляющий машину реализовывать любую или несколько методик настоящего изобретения. Соответственно, термин «машиночитаемый носитель данных» должен восприниматься как включающий, но не являющийся ограничиваемым твердотельной памятью и оптическими и магнитными носителями.

Таким образом, варианты настоящего изобретения включают предназначаемые для обнаружения редокс-молекул высокоселективные, имеющие покрытие электродные преобразователи с нанозазором.

В одном варианте система обнаружения аналита включает один или несколько электродов преобразователя, имеющих поверхность для обнаружения аналита. Такая поверхность включает покрытие для препятствования прямому контакту аналита с поверхностью одного или нескольких электродов преобразователя.

В одном варианте такое покрытие составлено диэлектрической пленкой.

В одном варианте диэлектрическая пленка состоит из таких материалов, но не ограничивается ими, как Тa₂O₅, TiO₂, SiO₂, Y₂O₃, Al₂O₃, HfO₂, ZrO₂, ZrSiO₄, ВаTiO₃, BaZrO₃ или Si₃N₄.

В одном варианте диэлектрическая пленка имеет толщину приблизительно в диапазоне 0-7 нанометров.

В одном варианте диэлектрическая пленка обладает низким энергетическим барьером, допускающим туннелирование или перескок электронов по или через энергетический барьер с тем, чтобы поддерживать такую же скорость электронного переноса, которая наблюдается в случае голых электродов.

В одном варианте покрытие составлено тонким проводящим материалом, который является каталитически и электрохимически неактивным.

В одном варианте такой тонкий проводящий материал представлен рутением (Ru).

В одном варианте покрытие составлено органической пленкой.

В одном варианте органическая пленка состоит из четко определенного или самоорганизационного монослоя, или из множества слоев очень тонких гидрофильных и биологически совместимых органических соединений, таких как, но не ограничиваясь ими, полиэтиленгликоли, анилины, фосфонаты, тиолы или пептиды.

В одном варианте органическая пленка составлена из тетра-DTT-фосфата или тетра-DTT-ферроценфосфата.

В одном варианте такая органическая пленка обладает низким энергетическим барьером, допускающим туннелирование или перескок электронов по или через энергетический барьер с тем, чтобы поддерживать такую же скорость электронного переноса, которая наблюдается в случае голых электродов.

В одном варианте один или несколько электродов преобразователя составлены из такого, но не ограничиваемого только перечисленным материала, как платина, алмаз, золото, оксид олова-индия (ITO) или оксид иридия.

В одном варианте покрытие ослабляет или препятствует протеканию каталитической реакции одного или нескольких электродов преобразователя с примесями раствора и снижает эффект адсорбированных соединений, не влияя на перенос электронов при окислении и восстановлении электродов.

В одном варианте один или несколько электродов преобразователя включены в двухэлектродный, имеющий нанозазор химический и биохимический сенсор, основывающийся на обнаружении редокс-активной молекулы с помощью окислительно-восстановительного циклирования.

В одном варианте система обнаружения аналита включает только один электрод преобразователя, являясь включенной в химическое циклирование, основывающееся на одноэлектродной схеме.

В одном варианте способ изготовления двухэлектродного химического и биохимического сенсора с нанозазором включает формирование нижнего электрода над подложкой. Данный способ также включает формирование первого покрытия на нижнем электроде. Способ также включает формирование на первом покрытии жертвенного слоя. Данный способ также включает формирование второго покрытия на жертвенной пленке. Способ также включает формирование верхнего электрода на втором покрытии. Вслед за формированием второго покрытия и верхнего электрода способ также включает удаление жертвенного слоя без удаления первого и второго покрытий.

В одном варианте формирование первого и второго покрытий включает формирование диэлектрической пленки.

В одном варианте формирование диэлектрической пленки включает формирование таких, но не ограничиваемых только ими материалов, как Тa₂O₅, TiO₂, SiO₂, Y₂O₃, Al₂O₃, HfO₂, ZrO₂, ZrSiO₄, ВаTiO₃, BaZrO₃ или Si₃N₄.

В одном варианте формирование первого и второго покрытий включает формирование тонкого проводящего материала, который является каталитически и электрохимически неактивным.

В одном варианте формирование тонкого проводящего материала включает в себя формирование слоя рутения (Ru).

В одном варианте способ изготовления системы обнаружения аналита включает формирование одного или нескольких голых электродов преобразователя, имеющих поверхность, предназначенную для обнаружения аналита. Способ также включает формирование на такой поверхности органической пленки с тем, чтобы препятствовать прямому контакту аналита с поверхностью одного или нескольких электродов преобразователя.

В одном варианте формирование органической пленки включает формирование четко определенного или самоорганизованного монослоя, или множества очень тонких слоев гидрофильных и биологически совместимых органических соединений, таких как, но не ограничиваясь только ими, полиэтиленгликоли, анилины, фосфонаты, тиолы или пептиды.

В одном варианте формирование органической пленки включает формирование пленки из тетра-DTT-фосфата или тетра-DTT-ферроценфосфата.

Описываются высокоселективные преобразователи с покрытыми электродами и нанозазором, предназначенные для детектирования редокс-молекул. Согласно изобретению предложена система обнаружения аналита, содержащая один или несколько электродов преобразователя, имеющих поверхность для обнаружения аналита, при этом указанная поверхность содержит покрытие, предназначенное для препятствования прямому контакту аналита с указанной поверхностью одного или нескольких электродов преобразователя, причем указанное покрытие содержит органическую пленку, содержащую тетра-DTT-фосфат или тетра-DTT-ферроценфосфат. Также предложены способ изготовления двухэлектродного с нанозазором химического и биохимического преобразователя и способ изготовления системы обнаружения аналита. Изобретение обеспечивает повышение селективности определения биомолекул. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Система обнаружения аналита, содержащая один или несколько электродов преобразователя, имеющих поверхность для обнаружения аналита, при этом указанная поверхность содержит покрытие, предназначенное для препятствования прямому контакту аналита с указанной поверхностью одного или нескольких электродов преобразователя, причем указанное покрытие содержит органическую пленку, содержащую тетра-DTT-фосфат или тетра-DTT-ферроценфосфат.

2. Система обнаружения аналита по п. 1, в которой органическая пленка имеет низкий энергетическим барьер, допускающий туннелирование или перескок электронов через энергетический барьер, с тем чтобы поддерживать схожую скорость переноса электронов по отношению к скорости переноса электронов для непокрытого электрода.

3. Система обнаружения аналита по п. 1, в которой один или несколько электродов преобразователя содержат материал, выбранный из группы, состоящей из платины, алмаза, золота, оксида олова-индия (ITO) и оксида иридия.

4. Система обнаружения аналита по п. 1, в которой покрытие ослабляет или предотвращает каталитическую реакцию одного или нескольких электродов преобразователя с примесями, содержащимися в растворе, и снижает влияние адсорбированных частиц, не влияя существенным образом на перенос электронов на электродах окисления и восстановления.

5. Система обнаружения аналита по п. 1, в которой указанные один или несколько электродов преобразователя включены в двухэлектродный с нанозазором химический и биохимический сенсор на основе обнаружения редокс-активной молекулы, используя окислительно-восстановительную реакцию.

6. Система обнаружения аналита по п. 1, которая содержит только один электрод преобразователя, включенный в единственный электрод, на основе химической реакции.

7. Способ изготовления двухэлектродного с нанозазором химического и биохимического преобразователя, включающий:

формирование нижнего электрода над подложкой;

формирование первого покрытия на нижнем электроде;

формирование жертвенного слоя на первом покрытии;

формирование второго покрытия на жертвенном слое;

формирование верхнего электрода на втором покрытии; и

после формирования второго покрытия и верхнего электрода удаление жертвенного слоя без удаления первого и второго покрытий.

8. Способ по п. 7, в котором формирование первого и второго покрытий включает в себя формирование диэлектрической пленки.

9. Способ по п. 8, в котором формирование диэлектрической пленки включает в себя формирование материала, выбранного из группы, состоящей из Ta₂O₅, TiO₂, SiO₂, Y₂O₃, Al₂O₃, HfO₂, ZrO₂, ZrSiO₄, BaTiO₃, BaZrO₃ и Si₃N₄.

10. Способ по п. 7, в котором формирование первого и второго покрытий включает в себя формирование тонкого проводящего материала, который является каталитически и электрохимически неактивным в пределах диапазона напряжений, применяемых для обнаружения молекулы-мишени.

11. Способ по п. 10, в котором формирование тонкого проводящего материала включает в себя формирование слоя рутения (Ru).

12. Способ изготовления системы обнаружения аналита, включающий:

формирование одного или нескольких голых электродов преобразователя, имеющих поверхность, предназначенную для обнаружения аналита; и

формирование на поверхности одного или нескольких голых электродов преобразователя органической пленки для препятствования прямому контакту аналита с поверхностью указанных одного или нескольких электродов преобразователя, причем указанное покрытие содержит органическую пленку, содержащую тетра-DTT-фосфат или тетра-DTT-ферроценфосфат.