Solid-State Nanopore

Fabricatietechnologieën

Ion Track Ets-methode

Solid-state nanopore werd eerst gefabriceerd met ionenspooretsen. Ionenspooretsen gebruikte etsmiddel om de film te etsen, die werd bestraald met zware ionen. De etssnelheid van het spoorgebied is groter dan die van het niet-spoorgebied (v _track> v _bulk ), wat resulteert in de vorm van porie. Deze methode heeft met succes nanoporiën in vaste toestand gefabriceerd in relatief goedkope materialen zoals polycarbonaat, polyimide en siliciumnitride. Zhang et al. [32] heeft met deze methode siliciumnitride nanoporiën gefabriceerd met hoogenergetische Br ⁺ (81 MeV). De diameter van deze nanoporie was relatief groot en de minimale nanoporiediameter die werd verkregen was 40 nm na het krimpproces. Op dit moment hebben Harrell et al. [18] hebben de nanoporie in vaste toestand met een diameter van 2 nm gefabriceerd door etsen met ionensporen, nadat de diameter was verkleind door de afzetting van dunne nanogold-films. De vaste stof nanoporie bereid door de ion-channel etsmethode heeft echter een kleine porositeit en een ongelijke verdeling van de poriegrootte. Ondertussen vereist deze methode een dure accelerometer voor zware ionen en beperkt het de fabricage en toepassing van de nanoporie in vaste toestand ernstig.

Maskeretsmethode

De maskeretsmethode kan worden onderverdeeld in drie aanvullende fabricagemethoden, afhankelijk van het type masker, dat respectievelijk poreus anodisch aluminiumoxide (AAO), nanosfeer en nano-imprint was. Onderzoekers ontdekten dat de AAO niet alleen een uniforme poriegrootteverdeling en instelbare porielengte heeft, maar ook een periodieke honingraatstructuur heeft zonder kruis en verbinding tussen de porie in de zijkant. Het kan het probleem van lage porositeit en ongelijke grootteverdeling in de ionenspoor-etsmethode overwinnen. Zoals getoond in Fig. 2a, Liang et al. [25] hebben het nanoporiepatroon op het substraat overgebracht door middel van reactieve ionenetsing met AAO als een masker en hebben gecontroleerde fabricage van de nanoporie in vaste toestand gerealiseerd. Helaas is de mechanische sterkte van AAO-film slecht en is deze vatbaar voor scheuren. Bovendien kent het productieproces ook veel problemen, zoals tijdrovend, lage productie, vervuilende omgeving en verspilling van grondstoffen. Deze defecten beperken allemaal het gebruik van AAO-maskeretsmethoden.

Bereiding van nanoporiën in vaste toestand door middel van maskeretsmethoden. (een ) GaAs-nanoporie in vaste toestand [25], (b ) silicium nanoporie [33], en (c ) aluminium nanoporie met verschillende vormen [34]

Geïnspireerd door AAO-maskeretsen om nanoporiën in vaste toestand te fabriceren, Alyson et al. [24] gebruik de nanosfeer als masker, gevolgd door een reactieve ionenetsing (RIE) om een ​​vaste stof nanoporie met hoge porositeit te creëren met een driehoekige dwarsdoorsnede. Chen et al. [33] gebaseerd op de eerste en de diameter van de nanobolletjes van de bovenlaag aangepast in dubbellaagse polystyreen nanobolletjes om de spleetverdeling en grootte van nanobolletjes precies te regelen. Ten slotte verkregen ze door middel van diep reactief ionenetsen een siliciumnanoporie met een diepte tot 2 μm waarvan de doorsnede vergelijkbaar was met die van de nanosfeer. Nanosfeer-etstechnologie kan ook worden gecombineerd met metaalafzetting of stripproces om een ​​metalen nanoporiënmasker te produceren. Vervolgens werd, in combinatie met het etsen en verwijderen van het metalen maskerproces, een siliciumnanoporie verkregen [34] (figuur 2b). Nanosfeer-etstechnologie heeft een breed aanpassingsvermogen, dat niet alleen kan worden gebruikt om nanoporiën in vaste toestand met een meerlaagse structuur te creëren, maar ook kan worden gebruikt om polyethersulfonfilters met hoge porositeit te creëren. Vanwege de diameterbeperking van de nanobolletjes is de diameter van nanoporiën echter te groot en is het moeilijk om minder dan 10 nm te bereiken.

Het is zeer complex om nanoporiën in vaste toestand te fabriceren met behulp van AAO-maskers of hulpproductiemethoden voor nanobolletjes, omdat het betrokken is bij de fabricage-, overdracht- en verwijderingsprocessen van maskers. Tegelijkertijd kan het masker niet worden hergebruikt en levert het afval op. Dus hebben onderzoekers hun aandacht gericht op herbruikbare nano-imprinttechnologie. Het principe van nano-imprint is om een ​​voorbereide sjabloon op een dunne polymeerfilm (zoals polymethylmethacrylaat) te drukken en het patroon, dat vergelijkbaar is met de sjabloon, wordt verkregen wanneer de film gestold is [35]. Nanoimprint-technologie kan niet alleen de sjablonen hergebruiken, maar kan ook complexe nanostructuren produceren met een minimale lijnbreedte tot 5 nm [23]. Poreus aluminium is het meest voorkomende product met nanoporeuze structuur vervaardigd door nano-imprinttechnologie [36] (Fig. 2c). Momenteel hebben Chou et al. [37] hebben de kleinste nanoporiën gecreëerd door middel van nano-imprinttechnologie. Ze gebruikten chroom als masker en gebruikten elektronenstraal-etsen en RIE om een ​​diameter van 10 nm en een hoogte van 60 nm SiO₂ te verkrijgen. nanopijler. Vervolgens wordt de diameter van de nanopijler verder verkleind door HF-etsen en wordt nanoporie met een diameter van minder dan 6 nm verkregen door de nanopijler als afdruksjabloon te gebruiken. De stabiliteit van deze methode is echter slecht en het fabricage- en stempelproces van de sjabloon moet nog worden verbeterd. De uiterst nauwkeurige sjablonen zijn vereist in nano-imprinttechnologie en hebben fabricagemethoden op nanoschaal nodig, zoals elektronenstraallithografie, om te produceren, wat op zichzelf een uitdaging is in micro / nanofabricage. Bovendien zijn de levensduur van de sjabloon en de afdrukprecisie ook de uitdagingen van nano-imprinttechnologie.

Chemische oplossing etsmethode

Naast het gebruik van maskeretsmethoden, proberen wetenschappers ook nanoporiën in vaste toestand te fabriceren met behulp van etsen met chemische oplossingen. Onder het chemisch etsen in oplossing worden elektrochemische etsmethoden algemeen gebruikt bij de vervaardiging van poreus silicium. Elektrochemische etsmethode is een goedkope methode voor het vervaardigen van silicium solid-state nanoporiën en kan het patroon en de locatie van poreus silicium nauwkeurig regelen door het masker te ontwerpen. Bovendien kunnen de porositeit en nanoporiëngrootte van poreus silicium ook worden geregeld door de etsvloeistofconcentratie, etsstroom, etstijd en andere procesparameters aan te passen. Orosco et al. [38] hebben met deze methode uitstekende resultaten behaald en hebben dubbele lagen poreus silicium geproduceerd met een minimale nanoporiediameter van 6 nm (figuur 3a). Bovendien, Wang et al. [39] gebruikte een focale ionenstraal (dosis van 10 ¹¹ ~10 ¹⁵ ionen/cm ² ) om de specifieke positie van silicium te bestralen, werd vervolgens een elektrochemische etsmethode gebruikt om de siliciumnanoporie met gecontroleerde positie en hoeveelheid te verkrijgen, terwijl het aantal en de grootte van nanoporiën allemaal worden beperkt door het kleine gezichtsveld van de ionenbundel. De oppervlakteruwheid van de poreuze siliciumwand vervaardigd door de elektrochemische etsmethode was echter te hoog, zelfs de bestaande bifurcatiestructuur, wat de toepassing van de elektrochemische etsmethode die wordt gebruikt om silicium vaste-stof nanoporiën te vervaardigen ernstig beperkt.

Bereiding van nanoporiën in vaste toestand door etsen in chemische oplossingen. (een ) Dubbelwandige silicium nanoporie [38], (b ) silicium nanoporie [27], en (c ) zeer controleerbare silicium nanoporie [28]

Met de ontwikkeling van MEMS-technologie hebben onderzoekers ontdekt dat de chemische oplossing-etstechniek kan worden gebruikt om silicium nanoporiën te fabriceren met gecontroleerde posities en nummers [27, 28, 40]. Park et al. [27] gebruikte eerst de vaste stof nanoporie vervaardigd door chemische oplossing etstechnologie voor DNA-sequencing. Ten eerste gebruikten ze fotolithografie en RIE om siliciumnitridefilms aan beide zijden van de siliciumwafel te etsen en siliciumvensters met verschillende gebieden te verkrijgen. Vervolgens wordt de siliciumwafel in KOH-oplossing geplaatst om te etsen en werden een omgekeerde piramide en trapeziumvormige structuur verkregen in respectievelijk kleine en grote vensters. Ten derde wordt de siliciumwafel op het feedback-etssysteem gemonteerd en worden de KCl-zoutoplossing en de KOH-etsoplossing geïsoleerd door een siliciumwafel (figuur 3b). Wanneer de KOH-oplossing de siliciumwafel doorboort en de nanoporie verkrijgt, gaat de oplossing aan beide zijden van de siliciumwafel door de nanoporie en geleidt de Pt-elektroden om een ​​elektrisch terugkoppelsignaal te verkrijgen. Ten slotte verwijderen ze de siliciumwafel om silicium nanoporiën te verkrijgen. Vanwege de beperkingen van de fabricage van lithografiemaskers en fotolithografische fouten, kan het kleine siliciumvenster met patroon geen absoluut vierkant zijn, dus de geëtste nanoporiën in vaste toestand zijn bij benadering rechthoeken en vereisen daaropvolgende verwerking zoals uitgloeien om de morfologie van de poriën te verbeteren. Pedon et al. [28] ontwikkelde een klein venster met behulp van elektronenstraallithografie op basis van de eerste, waardoor de maskerproductie en lithografiefouten werden vermeden. Tegelijkertijd, toen de elektrische signaalfeedback werd toegevoegd aan het intelligente besturingssysteem, werd de ongeveer perfecte nanoporie verkregen (figuur 3c). Op vergelijkbare wijze hebben Liu et al. [41] gebruikte een combinatie van droge en natte etsmethoden om silicium nanoporiën te fabriceren met een minimale diameter van 30 nm. Niet moeilijk te vinden, naast Rant-groepen, kunnen andere groepen gewoon silicium nanoporiën met een grotere diameter fabriceren. Tegelijkertijd is het moeilijk om de diameter van de nanoporie te karakteriseren, wat het beperkte veld van TEM toeschrijft.

Ets- en krimpmethode met hoge energiedeeltjes

Na tegenslagen te hebben ondervonden in de zoektocht naar het fabriceren van nanoporiën in vaste toestand met behulp van eenvoudige methoden, keerden sommige onderzoekers terug naar het gebruik van energetische deeltjes om nanoporiën te fabriceren in kleine gebieden met een controleerbare structuur [20, 42]. Kim et al. [42] gebruikte eerst etsen met gefocusseerde ionenbundels en verkreeg 6 × 6 blinde porie met een diameter van 2 μm als een elektronenstraallithografiegebied. Vervolgens gebruikten ze hoogenergetische elektronenstraaletsen in TEM om de SiN-nanoporie te verkrijgen, en de gemiddelde diameter van de resulterende SiN-nanoporie was 5,14 nm met een standaarddeviatie van 0,46 nm. Vanwege de beperkingen van de TEM-apparatuur kan slechts één chip in elk vacuüm worden geplaatst, wat de fabricagesnelheid van de nanopore-chip ernstig beperkt. FIB-apparaat heeft een grotere holte en kan meer dan één chip zelfs een hele wafel (silicium) plaatsen. In vergelijking met TEM heeft het de productie-efficiëntie van nanoporiën aanzienlijk verhoogd. De diameter van nanoporiën vervaardigd door etsen met gefocusseerde ionenbundels is echter te groot. Op dit moment heeft alleen de Gierak-groep nanoporiën gefabriceerd met een diameter van minder dan 5 nm met behulp van FIB [20]. Ze hebben de Ga ⁺ . verbeterd direct schrijfsysteem en gefabriceerde nanoporiën met een diameter van ongeveer 2,5 nm op siliciumcarbidefilm met een dikte van 20 nm.

Nu is het, afgezien van Gierak-groepen, moeilijk voor andere groepen om de Ga ⁺ te gebruiken brongericht ionenbundelsysteem om nanoporiën te fabriceren met een diameter van minder dan 10 nm. De onderzoekers proberen FIB te gebruiken om nanoporiën met een grotere diameter te maken, waarna oppervlaktebehandeling werd gebruikt om de diameter van de nanopore te verkleinen [43,44,45,46]. Tot nu toe zijn methoden voor het verkleinen van de diameter van nanoporiën onderverdeeld in twee categorieën. Het eerste type is het depositiemiddel, waarbij materiaal in het oppervlak van de nanoporiën wordt afgezet om de diameter van de nanoporie te verkleinen. Het tweede type is de bestraling met elektronenstralen, waardoor het materiaal van de rand van de nanoporiën migreert en de diameter van de nanoporiën verkleint.

Inkrimping materiaal voor oppervlakteafzetting op nanoporiën

Chen et al. [43] realiseerde ten eerste een nauwkeurige verkleining van de diameter van de nanoporiën door materialen op het oppervlak van de nanoporiën af te zetten. Ze zetten 24 lagen aluminiumoxide neer op de Ga ⁺ -geëtst nanoporie-oppervlak met behulp van atomaire laagafzetting (ALD), en de diameter van de nanoporiën werd teruggebracht tot 2 nm (figuur 4a). Tijdens het DNA-sequencingproces werd ontdekt dat de nanoporie die met deze methode is bereid, de ruis effectief kan verminderen en de signaal-ruisverhouding kan verbeteren. De essentie van de atomaire laagafzettingsmethode is het sub-nanometer enkellaags depositieproces, en het bezit een stabiel proces dat gunstig is voor de precieze vervaardiging van nanoporiën. Torre et al. [44] gebruikten een vergelijkbare benadering om de diameter van de nanoporiën te verkleinen, waarbij ze eerst gefocusseerde ionenbundeletsen gebruikten om nanoporiën te verkrijgen met een gemiddelde diameter van 27,3 nm, waarna de nanoporiëndiameter werd verkleind tot 8,3 nm door afzetting van titaniumoxide met behulp van ALD.

Methoden voor het etsen en modificeren van hoogenergetische deeltjes voor de fabricage van nanoporiën in vaste toestand. (een ) ALD-krimp, (b ) zelfkalibratie van de rand van nanoporiën, en (c ) heliumion-ets nanoporie

Rant et al. een andere manier gevonden. Ze gebruikten eerst elektronenstraallithografie en RIE om nanoporiën van siliciumnitride te verkrijgen. Vervolgens werd de nanoporie teruggebracht tot minder dan 10 nm door een dunne Ti/Au-film op het nanoporie-oppervlak af te zetten met behulp van een fysieke verdampingsmethode [45]. Naast aluminiumoxide, titaniumoxide en metaal kan amorfe koolstof ook worden afgezet voor krimp met behulp van een elektronenstraal in het FIB-systeem [46].

Inkrimping materiaalmigratie aan nanopore-rand

De migratie van randmateriaal met nanoporiën is gebaseerd op het principe van het nanopore-oppervlakte-energieminimum, dat werd voorgesteld door de Dekker-groep [47]. Dat wil zeggen, wanneer de diameter van de nanoporiën kleiner is dan de dikte van de nanoporiën, zal de nanoporie worden verkleind door bestraling met een hoogenergetische elektronenstraal. Op basis van het onderzoek van Dekker, Storm et al. [48] ​​in situ waargenomen dat de minimale diameter van de siliciumoxide-nanoporie was gekrompen tot 2 nm na bestraling door de elektronenstraal (figuur 4b). Dit experimentele resultaat bevestigde verder het principe van minimale oppervlakte-energie van nanoporiën. Bovendien bevestigen de energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDX) en elektronenenergieverliesspectroscopie (EELS) ook dat de afname van de diameter van de nanoporiën het gevolg was van de migratie van het randmateriaal van de nanoporiën, in plaats van veroorzaakt door verontreiniging van het oppervlak van de nanoporiën [9] . Het principe van de minimale oppervlakte-energie van de nanoporiën wordt geverifieerd in verschillende morfologieën van nanoporiën van siliciumoxide, zoals elliptische nanoporiën van siliciumoxide en nanoporiën van siliciumnitride/silica-composiet [49].

De krimpmethode lost het probleem op dat de grootte van de nanoporie in de FIB-fabricage niet klein genoeg is, maar het fabricageproces van de nanopore is gecompliceerd. Onderzoekers hebben ook eenvoudiger methoden voor de fabricage van ionenbundels nagestreefd om nanoporiën in vaste toestand te fabriceren. Onlangs overwint de opkomst van nanoporiënfabricagetechnologie met heliumion-etsen, dat een kleiner actief gebied van bundelvlek en monster bezit, de moeilijkheid van conventionele FIB, waarbij de diameter van nanoporiën groter is dan 10 nm. De Emrich et al. [21] hebben aangetoond dat dit systeem siliciumnitride-nanoporiën kan produceren met een diameter van slechts 1,3 nm en een dikte van 30 nm (figuur 4c). Hoewel het de verwerkingsefficiëntie aanzienlijk heeft verhoogd in vergelijking met TEM- en gefocusseerde ionenstraalsystemen die conventionele Ga ⁺ gebruiken ionenbronnen, dit systeem is duur, wat de toepassing ervan beperkt.

Elektrochemisch beperkte nanopore-methode

Ying et al. en Lin et al. [50, 51] initiëren het concept van elektrochemisch opgesloten nanoporiën die het uitstekende vermogen vertonen om op ingenieuze wijze de elektrochemie, energiedistributie, optische verbetering en het massatransport binnen de asymmetrische nanoporie te beperken. Besloten nanopore-elektrode (CNE) kan worden gebruikt om in de tijd opgeloste studies met hoge resolutie van elektrochemische processen in een enkele cel uit te voeren door nanodeeltjes-begrensde nanodeeltjeselektroden in normale chemische laboratoria te gebruiken. Met behulp van optica kan het ook worden toegepast op multidimensionale gelijktijdige acquisitie van single-body foto-elektrische signalen op nanoschaal, wat nieuwe ideeën oplevert voor de elektrochemische meting van afzonderlijke levende cellen, afzonderlijke deeltjes en afzonderlijke moleculen [52].

Toepassing

DNA-sequentiebepaling

Na het idee van nanopore werd DNA-sequencing in 1996 voorgesteld door de bioloog Kasianowicz-groep [53]; de nanopore-technologie is snel ontwikkeld. DNA-sequencing met behulp van nanopore is een fysieke methode en het verving de DNA-polymerasemethode van Sanger. Deze methode maakt gebruik van het elektrische veld om de beweging van DNA in de nanopore aan te drijven, en het maakt direct gebruik van de tijdkarakteristiek van nanopore-ionenstroom om de grootte van een enkele base te onderscheiden om het doel van DNA-sequencing te bereiken. Nanopore DNA-sequencingmethode vermijdt DNA-modificatie, amplificatie en andere processen, die de kosten van dure polymerase besparen, dus deze methode had een hoog concurrentievermogen. Geïnspireerd door Kasianowicz begonnen natuurkundigen sinds 2000 de mogelijkheid van deze methode te onderzoeken, dus het gebied van nanopore-DNA-sequencing was geboren.

Nanopore-DNA-sequencingmethode kan worden onderverdeeld in bio-nanopore-sequencing en solid-state nanopore-sequencing volgens het nanoporeuze materiaal [54]. Onder hen heeft bio-nanopore-sequencing de nadelen van het pauzeren en omkeren van DNA-moleculen, waardoor het huidige-tijdsignaal dat door deze methode wordt gedetecteerd, verkeerd wordt geïnterpreteerd [55]. Als gevolg hiervan zijn solid-state nanopore-DNA-sequencing en de fabricage ervan de hot topics geworden van wetenschappers in verschillende landen [56].

Met het diepgaande onderzoek van DNA-sequencingmethoden met nanoporiën, denken wetenschappers dat sensoren met nanoporiën de parallelle detectie van DNA kunnen realiseren en het doel van DNA-sequencing met hoge doorvoer kunnen bereiken [57]. Een van de meest veelbelovende is de fluorescentie parallelle detectie van DNA-sequentietechnologie, die was gebaseerd op interne reflectie van nanoporiën in vaste toestand [58] (Fig. 5). Met behulp van een camera met elektronenvermenigvuldigende ladingsgekoppelde apparaten (CCD), kan het van het DNA worden vastgelegd via een signaal van elke nanoporie, en kunnen meerdere optische signalen en ionenstroomsignalen één op één worden gecorrespondeerd om DNA-sequencing met hoge doorvoer te realiseren . Vervolgens werd deze technologie verder bevestigd door bio-nanopore-sequencing, wat theoretisch de identificatie van 10 ⁶ mogelijk maakte. basis/mm ² per seconde [59]. Er zijn echter ook enkele nadelen aan de solid-state nanopore-DNA-sequencingmethoden, zoals de hoge translocatiesnelheid en de lage ruimtelijke resolutie [60].

Totale interne reflectie fluorescentie (FTIR) parallelle detectie van DNA-sequentie [58]. een Schematisch diagram. b Signaalkaart van optische en ionenstroomsignalen gedetecteerd in het experiment

Eiwitdetectie

In 2007 hebben Fologea et al. [61] heeft met succes runderserumalbumine (BSA) gedetecteerd met behulp van nanoporiën in vaste toestand met een dikte van 10 nm. Bovendien bestudeerden ze ook de conformatieverandering van β-lactoglobuline onder invloed van verschillende concentraties ureumdenatureringsmiddel door nanoporiën in vaste toestand. Ze ontdekten dat de meeste eiwitten met lineaire of spiraalvormige conformatie door de nanopore gaan en dat het elektrische veld in de nanopore het passerende eiwit zou kunnen afwikkelen [62]. Dus begonnen ze met de detectie van eiwitten en het onderzoek naar de fysisch-chemische eigenschappen en structuur van eiwitten. Cressiot et al. [63] vervaardigde nanoporiën in vaste toestand met een diameter van 20 nm met behulp van FIB en bestudeerde en vergeleek systematisch de kenmerken van stroomsignalen wanneer wildtype maltosebindend eiwit (MaIE) en ongevouwen MaIE door de nanopore gingen. In dit experiment ontdekten ze ook dat er een vrije-energiebarrière was wanneer het eiwit door de nanoporie ging. Daarna fabriceerde Cressiot de nanoporie met een diameter van 3 nm met behulp van TEM en vond het MaIE-eiwit weer. Daarentegen werd het eiwit uitgerekt door het elektrische veld wanneer het elektrische veld groot was.

In 2013 Plesa et al. [64] heeft met succes aprotinine (6.5 kDa), ovalbumine (6.5 kDa), beta-amylase (45 kDa), ferritine (200 kDa) en thyroglobuline (660 kDa) getest; vijf eiwitten met siliciumnitride nanoporie met een diameter van 40 nm. Ze ontdekten dat het gemeten stroomsignaal vervorming was omdat de snelheid van eiwit door de nanoporie te hoog was en de detectiebandbreedte relatief klein was. Bovendien was de frequentie van de gebeurtenis tegengesteld aan de diffusieconstante van eiwit. Er zijn twee manieren om deze tegenstelling op te lossen. Een manier is om de snelheid van eiwitten door nanoporiën te verlagen en de andere manier is om de detectiebandbreedte te vergroten. Di et al. [65] verminderde met succes de snelheid van ubiquitine-eiwit door nanopore met behulp van zichtbaar licht met laag vermogen en onderscheidde de rotatiehoek tijdens het eiwit door de nanopore. Onlangs hebben ze met succes het ubiquitine-eiwit gedetecteerd en het verbindingstype tussen ubiquitine-eiwit en eiwit onderscheiden met behulp van nanoporiën in vaste toestand met een diameter van 3 nm. Dit werk opent een nieuwe weg voor biomedisch onderzoek naar ubiquitine-eiwit [66]. In 2014 hebben Larkin et al. [67] met succes proteïnase K en RNA-enzym A gedetecteerd met behulp van een stroomversterker met hoge bandbreedte en ultradunne HfO₂ nanopore en maten de elektromobiliteit, diffusieconstante en het volume van dit eiwit.

Nanopore heeft een extreem hoge detectieresolutie voor de interne structuur van het molecuul en het is een krachtige sensor geworden voor de interactie van een enkel molecuul. Het is op grote schaal gebruikt bij de real-time detectie van DNA-eiwit-interacties, eiwit-eiwit-interacties en chemische kleine moleculen. Als gevolg hiervan is een reeks technieken ontwikkeld op basis van nanopore-sensing-technologie, zoals detectie en diagnose van ziekten en detectie van zware metaalionen en virussen.

Energieconversie

De ontwikkeling van geavanceerde micron/nanomanufacturing-technologie vormt de basis voor de miniaturisatie en miniaturisatie van traditionele apparaten voor energieconversie [40, 41]. De mate van energieconversie van vele micrometers verschijnt continu, zoals microreactoren [42], microgasturbines [43, 44], microthermische motoren [45, 46], microbrandstofcellen [47] en micro-supercondensatoren [48]. In vergelijking met de traditionele grootschalige energieconversie-apparaten, kunnen deze miniatuur energieconversie-apparaten een hogere energiedichtheid bieden. Deze micro-apparaten kunnen niet worden toegepast op grootschalige energie-apparatuur, vanwege de hoge kosten van micro/nanoprocessing. Het kenmerk van microminiaturisatie maakt ze echter geschikt voor de constructie van elektrische broncomponenten met kleinschalig en laag stroomverbruik om elektronische apparatuur aan te drijven, zoals nanomachines, micro-elektromechanische systemen en biomedische implantaatapparaten.

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].

Conclusies

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.

Afkortingen

AAO:

Anodic aluminum oxide

ALD:

Atomic layer deposition

CCD:

Charge-coupled device

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:

Reactive ion etching

TEM:

Transmissie-elektronenmicroscoop