將納米管嵌入納米孔內(nèi)以用于dna移動(dòng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】提供一種用于將納米管嵌入納米孔中的技術(shù)。膜將容器分隔為第一容器部和第二容器部，以及所述納米孔穿過(guò)所述膜形成以連接所述第一和第二容器部。離子流體填充所述納米孔、所述第一容器部和所述第二容器部。第一電極被浸入所述第一容器部，以及第二電極被浸入所述第二容器部。將所述納米管驅(qū)入所述納米孔使得所述納米孔的內(nèi)表面通過(guò)有機(jī)涂層形成與所述納米管的外表面的共價(jià)接合，以便所述納米管的內(nèi)表面將是具有超平滑表面的新納米孔，以用于在生物分子穿過(guò)所述納米管移動(dòng)時(shí)研究生物分子。
【專(zhuān)利說(shuō)明】將納米管嵌入納米孔內(nèi)以用于DNA移動(dòng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及納米器件，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及將納米管嵌入納米孔內(nèi)。
【背景技術(shù)】
[0002]最近，不斷有人開(kāi)始關(guān)注將納米孔作為傳感器應(yīng)用以快速分析諸如脫氧核糖(DNA)、核糖核酸(RNA)、蛋白質(zhì)等之類(lèi)的生物分子(例如,聚合體(polymer))。重點(diǎn)關(guān)注應(yīng)用納米孔進(jìn)行DNA測(cè)序，因此該技術(shù)有可能將測(cè)序成本降到$1000/人類(lèi)基因以下。
[0003]納米孔測(cè)序是一種用于確定DNA鏈上核苷酸出現(xiàn)順序的技術(shù)。納米孔只是一個(gè)內(nèi)徑為幾納米量級(jí)的小孔。納米孔測(cè)序的支持理論涉及:當(dāng)納米孔被浸入導(dǎo)電流體并跨該納米孔施加電位(電壓)時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況:在這些條件下，可測(cè)量由跨納米孔的離子傳導(dǎo)所導(dǎo)致的細(xì)微電流，并且電流量對(duì)納米孔的尺寸和形狀非常敏感。如果單個(gè)DNA堿基或鏈(或DNA分子的一部分)穿過(guò)納米孔，便可導(dǎo)致穿過(guò)納米孔的電流量值的變化。其它電或光傳感器也可被置于納米孔周?chē)?，以便能夠在DNA穿過(guò)納米孔時(shí)區(qū)分DNA堿基。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于將納米管嵌入納米孔中的裝置。所述裝置包括:將容器分隔為第一容器部和第二容器部的膜，以及所述納米孔穿過(guò)所述膜形成以連接所述第一和第二容器部。離子流體填充所述納米孔、所述第一容器部和所述第二容器部。第一電極被浸入所述第一容器部，以及第二電極被浸入所述第二容器部。電壓偏置被施加到所述第一和第二電極以將所述納米管驅(qū)入所述納米孔，以便使所述納米孔的內(nèi)表面通過(guò)有機(jī)涂層形成與所述納米管的外表面的共價(jià)接合。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種將納米管嵌入納米孔中的方法。所述方法包括配置容器，所述容器包括將所述容器分隔為第一容器部和第二容器部的膜，其中所述納米孔穿過(guò)所述膜形成以連接所述第一和第二容器部。所述方法包括使用離子流體填充所述納米孔、所述第一容器部和所述第二容器部，其中第一電極被浸入所述第一容器部，以及第二電極被浸入所述第二容器部。另外，所述方法包括通過(guò)被施加到所述第一和第二電極的電壓偏置將所述納米管驅(qū)入所述納米孔，以便使得所述納米孔的內(nèi)表面通過(guò)有機(jī)涂層形成與所述納米管的外表面的共價(jià)接合。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種用于將納米管嵌入納米孔中的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括一種裝置，該裝置包括將容器分隔為第一容器部和第二容器部的膜，其中所述納米孔穿過(guò)所述膜形成以連接所述第一和第二容器部。離子流體填充所述納米孔、所述第一容器部和所述第二容器部。第一電極被浸入所述第一容器部，以及第二電極被浸入所述第二容器部。另外，所述系統(tǒng)包括電壓源，其被配置為將所述納米管驅(qū)入所述納米孔，從而使得所述納米孔的內(nèi)表面通過(guò)有機(jī)涂層形成與所述納米管的外表面的共價(jià)接合。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種用于將納米管嵌入納米孔中的裝置。所述裝置包括將容器分隔為第一容器部和第二容器部的膜，以及所述納米孔穿過(guò)所述膜形成以連接所述第一和第二容器部。離子流體填充所述納米孔、所述第一容器部和所述第二容器部。第一電極被浸入所述第一容器部，以及第二電極被浸入所述第二容器部。通過(guò)所述膜兩側(cè)的流體壓力差將所述納米管驅(qū)入所述納米孔，以便使得所述納米孔的內(nèi)表面通過(guò)有機(jī)涂層形成與所述納米管的外表面的共價(jià)接合。
[0008]其它特征通過(guò)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)其它實(shí)施例的其它系統(tǒng)、方法、裝置和/或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品在此處詳細(xì)描述并且被視為所聲明的發(fā)明的一部分。為了更好地理解示例性實(shí)施例和特征，請(qǐng)參閱描述和附圖。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]現(xiàn)在將參考附圖，僅借助實(shí)例描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中:
[0010]圖1示出根據(jù)示例性實(shí)施例具有嵌入有碳納米管的納米孔的納米器件的橫截面示意圖。
[0011]圖2A示出根據(jù)示例性實(shí)施例將碳納米管嵌入納米器件的納米孔內(nèi)的方法。
[0012]圖2B示出根據(jù)示例性實(shí)施例附著/接合到納米孔內(nèi)的碳納米管。
[0013]圖2C示出根據(jù)示例性實(shí)施例在處理之后附著到納米孔內(nèi)的碳納米管。
[0014]圖3A示出根據(jù)示例性實(shí)施例將碳納米管嵌入納米器件的納米孔內(nèi)的另一方法。
[0015]圖3B示出根據(jù)示例性實(shí)施例附著/接合到納米孔內(nèi)的碳納米管。
[0016]圖3C示出根據(jù)示例性實(shí)施例在處理之后附著到納米孔內(nèi)的碳納米管。
[0017]圖4A示出根據(jù)示例性實(shí)施例將碳納米管嵌入納米器件的納米孔內(nèi)的又一方法。
[0018]圖4B示出根據(jù)示例性實(shí)施例附著/接合到納米孔內(nèi)的碳納米管。
[0019]圖4C示出根據(jù)示例性實(shí)施例在處理之后附著到納米孔內(nèi)的碳納米管。
[0020]圖5是根據(jù)示例性實(shí)施例用于將納米管嵌入納米孔內(nèi)的方法。
【具體實(shí)施方式】
[0021]DNA測(cè)序中的一個(gè)問(wèn)題是控制穿過(guò)納米孔的DNA的移動(dòng)(translocation)。納米孔的表面粗糙度和納米孔表面上的懸空鍵可能帶來(lái)DNA測(cè)序的問(wèn)題。在使用電子束鉆開(kāi)固態(tài)納米孔之后，孔表面可能呈現(xiàn)出納米級(jí)波紋(例如，皺褶、皺紋、溝槽等)。與自仿射粗表面的縮放(scaling)特性類(lèi)似，納米孔越小，孔的內(nèi)表面越粗糙。此外，使用相同過(guò)程所鉆的納米孔可以具有不同的表面粗糙度，從而導(dǎo)致每個(gè)孔是獨(dú)特的。這樣，使用具有粗糙表面和/或懸空鍵的納米孔執(zhí)行的試驗(yàn)可能(或很可能)顯示出不一致的結(jié)果，因?yàn)镈NA與納米孔內(nèi)表面之間可能具有無(wú)法預(yù)測(cè)的交互。例如，模擬顯示:如果相同尺寸的納米孔的表面粗糙度不同，則DNA上的有效電驅(qū)動(dòng)力也不同。
[0022]示例性實(shí)施例被配置為將碳納米管附著到納米孔的內(nèi)表面處并且影響(leverage)碳納米管內(nèi)表面的平滑度。
[0023]此方法可以消除納米孔內(nèi)表面的物理表面粗糙度以及懸空鍵，這些粗糙度和懸空鍵是DNA與納米孔內(nèi)表面之間無(wú)法預(yù)期的交互的來(lái)源。此外，碳納米管的化學(xué)惰性將具有潛在的優(yōu)勢(shì)，例如保護(hù)在納米孔內(nèi)表面上采用的金屬電極。
[0024]現(xiàn)在參考附圖，圖1示出根據(jù)示例性實(shí)施例具有嵌入有碳納米管的納米孔的納米器件100的橫截面示意圖。納米器件100示出DNA移動(dòng)設(shè)置。膜150由一種或者多種絕緣膜101制成，該絕緣膜101具有穿過(guò)其形成的納米孔103。碳納米管102納入納米孔103的內(nèi)表面。膜150的絕緣膜101將容器104分隔為兩個(gè)容器部:容器部105和容器部106。然后使用離子緩沖劑/流體107 (例如，導(dǎo)電流體)填充容器104 (包括容器部105和106)和納米孔103。
[0025]諸如DNA分子之類(lèi)的聚合體108通過(guò)電壓源109的電壓偏置被裝入納米孔103，該電壓偏置通過(guò)兩個(gè)電化學(xué)電極110和111跨納米孔103施加。電極110和111分別浸入容器104中容器部105和容器部106的離子緩沖劑107。
[0026]具有多種當(dāng)前技術(shù)來(lái)檢測(cè)DNA堿基并控制DNA的運(yùn)動(dòng)，以及常規(guī)(最新技術(shù))納米孔中的粗糙度和懸掛鍵具有潛在的問(wèn)題。但是，納米管102的平滑內(nèi)表面將提供不具有懸空鍵的(非常)平滑表面用于表征(即，DNA的納米孔測(cè)序)和聚合體108的運(yùn)動(dòng)。
[0027]存在使用多種不同材料的多種技術(shù)來(lái)制造圖1所示的納米器件100。根據(jù)示例性實(shí)施例，圖2A、2B和2C示出一種將納米管嵌入諸如芯片之類(lèi)的納米器件200的納米孔內(nèi)的方法。圖2A、2B和2C示出納米器件200的橫截面示意圖。在圖2A中，膜250包括位于膜部202與203之間的襯底201 (例如，硅)。膜部202和203可以由相對(duì)于襯底201具有高蝕刻選擇性的材料(例如，Si3N4 (氮化硅))制成。膜部202還可以針對(duì)任何所需的應(yīng)用包含其它材料層，例如金屬層等。窗口 255使用例如反應(yīng)離子蝕刻向膜部203內(nèi)打開(kāi)，襯底201將被蝕刻穿通到膜部202:蝕刻穿通膜部203的窗口 255以及蝕刻襯底201將形成膜部202的自支撐膜部260。在使用硅襯底作為襯底201的情況下，蝕刻劑可以是80°C的KOH(氫氧化鉀)或TMAH (四甲基氫氧化銨)。納米孔207穿過(guò)膜部202的自支撐膜部260制成/形成。膜250 (包括自支撐膜部260)將容器208分隔為容器部209和容器部210。容器208(包括容器部209和容器部210)和穿過(guò)膜部202形成的納米孔207然后被使用離子緩沖劑/流體211填充。納米孔207是例如在膜部202的自支撐膜部260中形成的小孔徑。
[0028]如圖2A所示，碳納米管204的外表面可以涂敷有機(jī)涂層205。有機(jī)涂層205被配置為與納米孔207的內(nèi)表面共價(jià)地接合。有機(jī)涂層205和/或碳納米管204被充電(通過(guò)調(diào)整離子緩沖劑211的pH)，以便通過(guò)電壓源109將電壓偏置施加到電極110和111，將碳納米管204移入/驅(qū)入納米孔207，然后碳納米管204共價(jià)接合到納米孔207的內(nèi)表面，如圖2B所示。備選地和/或額外地，在一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，流體壓力調(diào)整器件280可以通過(guò)端口 282與容器部210通信連接，以及流體壓力調(diào)整器件285可以通過(guò)另一端口 284與容器部209通信連接。為了將碳納米管204 (可以帶電或不帶電)驅(qū)入納米孔207，流體壓力調(diào)整器件280被配置為對(duì)容器部210施加正流體壓力和/或流體壓力調(diào)整器件285被配置為對(duì)容器部209施加負(fù)流體壓力。通過(guò)流體壓力調(diào)整器件280和285導(dǎo)致的膜250兩側(cè)的流體壓力差，將碳納米管204驅(qū)入納米孔207。另外，碳納米孔204可單獨(dú)通過(guò)流體壓力調(diào)整器件280的正流體壓力或可單獨(dú)通過(guò)流體壓力調(diào)整器件285的負(fù)流體壓力將碳納米管204驅(qū)入納米孔207。流體壓力調(diào)整器件280和285可以是分別通過(guò)端口 282和284連接到容器部210和209以施加所需壓力的泵或注射器。
[0029]容器104和208中的離子緩沖劑107和211可以是溶入具有根據(jù)應(yīng)用的任何pH的任何溶劑(水或有機(jī)溶劑)的鹽。離子緩沖劑107和211的一個(gè)實(shí)例包括用于DNA移動(dòng)的pH范圍為6-9的KCl (氯化鉀)水溶液。相應(yīng)地，電極110和111可以是與鹽和溶劑匹配的用于電化學(xué)反應(yīng)的任何電極。例如，Ag/AgCl電極可以是KCl水溶液的良好匹配。[0030]如下面進(jìn)一步的描述，有機(jī)涂層205是具有使有機(jī)涂層205 (被施加到碳納米管204)共價(jià)接合到納米孔207的內(nèi)表面材料的化學(xué)性質(zhì)的材料。作為共價(jià)接合的結(jié)果，碳納米管204牢固地附著在納米孔207。
[0031]一旦碳納米管204附著在納米孔207的內(nèi)表面上，膜250(包括附著的納米管204)的兩側(cè)(例如，頂部和底部)便可使用O2(氧氣)等離子體進(jìn)行處理/蝕刻以修整(例如，去除)延伸到納米孔207之外的碳納米管204的部分，如圖2C所示。在圖2C中，碳納米管204的高度(例如，頂部和底部)在O2等離子體處理之后與膜部202的高度對(duì)準(zhǔn)。聚合體108 (在圖1中示出)可被驅(qū)入附著在納米孔207的碳納米管204以便通過(guò)納米孔測(cè)序器(未示出)進(jìn)行測(cè)序，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，測(cè)序在納米孔207 (由碳納米管204形成)中進(jìn)行。
[0032]氧等離子體蝕刻是一種用于制備集成電路的等離子體處理形式。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，它涉及發(fā)射(采取脈沖的形式)到樣品(例如，膜250)處的適當(dāng)氣體混合物的高速輝光放電流(等離子體)。盡管描述了等離子體蝕刻，但是可以構(gòu)想能夠使用本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解的其它類(lèi)型的蝕刻。
[0033]圖3A、3B和3C示出根據(jù)示例性實(shí)施例將碳納米管嵌入納米孔內(nèi)的另一方法。圖3A、3B和3C示出納米器件300的橫截面示意圖。
[0034]在圖3A、3B和3C中，納米孔207的內(nèi)表面涂敷有機(jī)涂層215，該涂層可與碳納米管204接合。圖3A、3B和3C的描述與圖2A、2B和2C的描述相同，除了碳納米管204最初未涂敷之外，因?yàn)橥繉颖皇┘拥郊{米孔207的內(nèi)表面，而非在碳納米管204 (本身)上。在一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，圖3A、3B和3C中的有機(jī)涂層215的材料可以與圖2A、2B和2C中的有機(jī)涂層相同，在另一實(shí)現(xiàn)中，可以為不同的材料。
[0035]在圖3A中，膜250包括位于膜部202與203之間的襯底201，打開(kāi)/蝕刻窗口 255到膜部203中，穿過(guò)襯底201到達(dá)膜部202以形成膜部202的自支撐膜部260，如上所述。納米孔207穿過(guò)自支撐膜部260制成/形成。膜250 (包括自支撐膜部260)將容器208分隔為容器部209和容器部210。容器208 (包括容器部209和容器部210)和穿過(guò)膜部202形成的納米孔207然后使用離子緩沖劑/流體211填充，如上所述。
[0036]與圖2A不同，在圖3A中，碳納米管204的外表面不涂敷有機(jī)涂層205。相反，納米孔207的內(nèi)表面涂敷有機(jī)涂層215。有機(jī)涂層215被配置為共價(jià)接合到未涂敷的碳納米管204的外表面。如果碳納米管204帶電(通過(guò)調(diào)整填充容器208的離子緩沖劑211的pH)，通過(guò)電壓源109將電壓偏置施加到電極110和111以將碳納米管204移入納米孔207。另夕卜，可通過(guò)流體壓力調(diào)整器件280和285的正壓力和負(fù)壓力施加的膜250兩側(cè)的流體壓力差，將碳納米管204驅(qū)入納米孔207。一旦碳納米管204被驅(qū)入納米孔207，碳納米管204便可通過(guò)有機(jī)涂層215與納米孔207的內(nèi)表面共價(jià)接合，如圖3B所示。有機(jī)涂層215是具有使有機(jī)涂層215 (被施加到納米孔207)與未涂敷的碳納米管204的外表面材料共價(jià)接合的化學(xué)性質(zhì)的材料。作為此共價(jià)接合的結(jié)果，碳納米管204牢固地附著在納米孔207上。
[0037]一旦碳納米管204附著在納米孔207的內(nèi)表面上，膜250(包括附著的納米管204)的兩側(cè)便可使用O2等離子體進(jìn)行處理以修整(例如，去除)延伸到納米孔207之外的碳納米管204的部分，如圖3C所示。在圖3C中，碳納米管204的高度在O2等離子體處理之后與膜部202的高度對(duì)準(zhǔn)。聚合體108 (在圖1中示出)可被驅(qū)入附著在納米孔207的碳納米管204以進(jìn)行本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解的測(cè)序。
[0038]圖4A、4B和4C示出根據(jù)示例性實(shí)施例將碳納米管嵌入納米孔內(nèi)的又一方法。圖4A、4B和4C示出納米器件400的橫截面示意圖，該示意圖示出圖2A、2B、2C、3A、3B和3C中討論的方法的組合。
[0039]在圖4A、4B和4C中，納米孔207的內(nèi)表面涂敷有機(jī)涂層206，而碳納米管204的外表面涂敷有機(jī)涂層206。有機(jī)涂層205在化學(xué)上被配置為與有機(jī)涂層206共價(jià)接合。此夕卜，有機(jī)涂層205在化學(xué)上被配置為與碳納米管204接合，并且有機(jī)涂層206在化學(xué)上被配置為與納米孔207的內(nèi)表面接合。在一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，有機(jī)涂層205與有機(jī)涂層206不同。在另一實(shí)現(xiàn)中，有機(jī)涂層205可以是與有機(jī)涂層206相同的材料。
[0040]當(dāng)有機(jī)涂層205和/或碳納米管204不帶電(通過(guò)調(diào)整離子緩沖劑的pH)時(shí)，通過(guò)電壓源109將電壓偏置施加到電極110和111以將碳納米管204移入納米孔207。同樣，可通過(guò)流體壓力調(diào)整器件280和285的正壓力和負(fù)壓力施加的膜250兩側(cè)的流體壓力差，將碳納米管204驅(qū)入納米孔207。一旦涂敷了有機(jī)涂層205的碳納米管204被驅(qū)入涂敷了有機(jī)涂層206的納米孔207，碳納米管204便可通過(guò)有機(jī)涂層205、206與納米孔207的內(nèi)表面共價(jià)接合，如圖4B所示。有機(jī)涂層205是具有使有機(jī)涂層205 (被施加到碳納米管204)與碳納米管204的外表面材料以及有機(jī)涂層206共價(jià)接合的化學(xué)性質(zhì)的材料。類(lèi)似地，有機(jī)涂層206是具有使有機(jī)涂層206 (被施加到納米孔207)與碳納米管204的外表面材料以及有機(jī)涂層205共價(jià)接合的化學(xué)性質(zhì)的材料。作為共價(jià)接合的結(jié)果，碳納米管204牢固地附著在納米孔207上。
[0041]如上所述，一旦碳納米管204附著在納米孔207的內(nèi)表面上，膜250 (包括附著的納米管204)的兩側(cè)便可使用O2等離子體進(jìn)行處理以修整(例如，去除)延伸到納米孔207之外的碳納米管204的部分，如圖4C所示。在圖4C中，碳納米管204的高度在O2等離子體處理之后與膜部202的高度對(duì)準(zhǔn)。在一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，基于O2等離子體處理的所需精確度，碳納米管204的高度可以稍微小于、大于或約等于膜部202 (形成納米孔207)的高度。聚合體108 (在圖1中示出)可被驅(qū)入附著在納米孔207的碳納米管204以進(jìn)行本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解的測(cè)序。
[0042]盡管上述示例性實(shí)施例可能涉及碳納米管，但是將理解，本公開(kāi)不限于具有碳納米管的納米孔。而是，示例性實(shí)施例可以適用于使用此處描述的技術(shù)將其它類(lèi)型的碳納米管附著到納米孔的內(nèi)表面上。此外，示例性實(shí)施例不限于將納米管嵌入納米孔中，以及納米管還可以嵌入本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解的其它結(jié)構(gòu)，例如過(guò)孔、納米通道等。
[0043]圖5示出根據(jù)示例性實(shí)施例用于將納米管嵌入納米孔的方法500?？梢詤⒖紙D1、2A、2B、2C、3A、3B、3C、4A、4B 和 4C。
[0044]在方框505，容器(例如，容器104、208)被配置為包括將容器分隔為第一容器部(例如，容器部105、210)和第二容器部(例如，容器部106,209)的膜(例如，膜150、250)，其中納米孔(例如，納米孔103、207)穿過(guò)膜形成以連接第一和第二容器部。
[0045]在方框510，使用離子流體填充納米孔、第一容器部和第二容器部。在方框515，將第一電極(例如，電極110)浸入第一容器部，以及在方框520，將第二電極(例如，電極111)浸入第二容器部。
[0046]在方框525，響應(yīng)于被施加到(例如，通過(guò)電壓源109)第一和第二電極(例如，電極110和111)的電壓偏置，將納米管驅(qū)入納米孔以使納米孔(例如，納米孔103、207)的內(nèi)表面通過(guò)有機(jī)涂層(例如，有機(jī)涂層205、206、215 )形成與納米管(例如，納米管102、204 )的外表面的共價(jià)接合。另外，碳納米管204可通過(guò)流體壓力調(diào)整器件280和285的正壓力和負(fù)壓力所施加的膜250兩側(cè)的流體壓力差被驅(qū)入納米孔207。
[0047]納米孔207的內(nèi)表面可以涂敷有機(jī)涂層(例如，圖3A中的有機(jī)涂層215或圖4A中的有機(jī)涂層206)以形成與納米管204的外表面的共價(jià)接合。另外，納米管204的外表面可以涂敷有機(jī)涂層205以形成與納米孔207的內(nèi)表面的共價(jià)接合。
[0048]在一種情況下，納米孔207的內(nèi)表面和納米管204的外表面涂敷有機(jī)涂層(例如，有機(jī)涂層205和206在圖4A、4B和4C可以為相同的材料)，以便，納米孔207的內(nèi)表面上的有機(jī)涂層和納米管204的外表面上的有機(jī)涂層響應(yīng)于將納米管204驅(qū)入納米孔207的電壓源109而導(dǎo)致共價(jià)接合。
[0049]在另一情況下，納米孔207的內(nèi)表面涂敷有機(jī)涂層，而納米管的外表面涂敷另一有機(jī)涂層(例如，在圖4A、4B和4C中有機(jī)涂層205和206為不同的材料)，以便，納米孔內(nèi)表面上的有機(jī)涂層和納米管外表面上的另一有機(jī)涂層響應(yīng)于將納米管驅(qū)入納米孔的電壓源109而導(dǎo)致共價(jià)接合。
[0050]通過(guò)有機(jī)涂層的共價(jià)接合導(dǎo)致納米管102、204物理附著到在膜150、250中形成的納米孔103、207，膜150、250的兩側(cè)(例如，頂部和底部)被進(jìn)行處理，從而使得納米管的高度對(duì)應(yīng)于膜250的層(例如，膜部202)的高度，如圖2C、3C和4C所示。
[0051]出于說(shuō)明的目的，下面介紹了有機(jī)涂層205、206和215的各個(gè)實(shí)例。將理解，下面介紹的有機(jī)涂層205、206和215的化學(xué)分子并非旨在作為限制。
[0052]有機(jī)涂層205可以通過(guò)芳基重氮鹽(aryldiazonium)與碳納米管204的反應(yīng)來(lái)制備。在該反應(yīng)中，電子從碳納米管204轉(zhuǎn)移到重氮鹽，從而還原了重氮鹽，并且導(dǎo)致驅(qū)逐一個(gè)氮分子并在芳基化合物與碳納米管204之間形成碳-碳接合。這是一種廣泛使用的反應(yīng)，用于通過(guò)各種芳基化合物官能化碳納米管，主要是因?yàn)樵摲磻?yīng)簡(jiǎn)單，并且可借助對(duì)應(yīng)的芳香胺獲取各種芳基重氮鹽。芳基重氮鹽與碳納米管204的反應(yīng)在水溶液或諸如二氯乙烷、三氯甲烷、甲苯、二甲基甲酰胺等之類(lèi)的有機(jī)溶劑中發(fā)生。芳基重氮鹽與碳納米管204的反應(yīng)非常迅速(例如，在數(shù)分鐘之間完成)并且在室溫下發(fā)生。優(yōu)選但非必要的重氮鹽是那些具有附加官能度(functionality)的重氮鹽,該附加官能度可與納米孔207內(nèi)的金屬氧化物或氮化物形成強(qiáng)接合。該附加官能度(用于與納米孔207內(nèi)的金屬氧化物或氮化物形成強(qiáng)接合)可從輕基酸(_00211)、異輕廂(117(11'013111；[。)酸(-(]0順010或膦酸(。1108。11011；[。acid)(-PO3H2)中選擇。
[0053]在圖3A、3B和3C中，有機(jī)涂層215是雙官能化合物/分子，其中一種官能度是重氮鹽，另一種官能度可以從異羥肟酸或膦酸中選擇。當(dāng)具有金屬氧化物或金屬氮化物內(nèi)壁的納米孔207浸入該雙官能化合物/分子的溶液中時(shí)，納米孔207的內(nèi)表面涂敷通過(guò)異羥肟酸或膦酸官能度的該雙官能化合物/分子的自組裝單層膜并且暴露重氮官能團(tuán)；重氮官能團(tuán)可以與未涂敷的碳納米管204 (如圖3B和3C所示)發(fā)生反應(yīng)以形成共價(jià)接合，從而將碳納米管204固定在納米孔207內(nèi)。
[0054]在圖4A、4B和4C中，碳納米管204和納米孔207均涂敷有機(jī)單層膜(S卩，分別為有機(jī)涂層205和206 )。在碳納米管204的情況下，有機(jī)涂層205通過(guò)碳納米管204與具有醇或胺基的雙官能重氮鹽的反應(yīng)獲取，納米孔207內(nèi)的有機(jī)涂層206是雙官能分子，該分子具有在納米孔207的內(nèi)壁形成接合的官能團(tuán)(例如，異羥肟酸或膦酸)以及通過(guò)與碳納米管204的暴露官能進(jìn)行縮合形成共價(jià)接合的第二暴露官能(例如，羧酸)。例如，納米管207可通過(guò)將納米孔207浸入稀釋的(1-5毫摩爾)4-輕甲基苯甲膦酸(4-carboxybenzylphosphonicacid)水溶液或酒精溶液來(lái)涂敷羥甲基苯甲膦酸。在使用同一溶劑清洗之后，納米孔207的內(nèi)部(納米孔的壁或一部分必須由金屬氧化物或氮化物制成)涂敷有4-羥甲基苯甲膦酸的自組裝單層，該附圖使得膦酸與金屬氧化物或氮化物形成共價(jià)接合并暴露羧酸官能。在第二步驟，將具有醇或胺官能的官能化碳納米管204拉入納米管207內(nèi)并且在脫水劑(必須位于鹽溶液中)的作用下，羧酸和醇(或胺)的兩種官能度進(jìn)行脫水以形成羧酸酯(或羧胺(carboxamide)),從而固定碳納米管204。脫水劑(也是水溶的并且可在此環(huán)境中使用)的實(shí)例包括N- (3-二甲氨基丙基)-N’_乙基碳二亞胺氫氯化物。在圖4B和4C中，在有機(jī)涂層205和206相互發(fā)生反應(yīng)形成酯或酰胺之后，結(jié)合的涂層被指定為270。
[0055]對(duì)于當(dāng)納米孔207未被涂敷并且碳納米管204被涂敷(帶有上述有機(jī)涂層205)時(shí)反應(yīng)(對(duì)應(yīng)于圖2A、2B和2C)，通過(guò)雙官能芳基重氮鹽的反應(yīng)獲取有機(jī)涂層205。例如，使用四氟硼酸亞硝處理4-氨基芐基膦酸以形成對(duì)應(yīng)的重氮鹽。該重氮鹽溶液被添加到包含少量(0.1-1%)表面活性劑(例如，十二烷基硫酸鈉或膽酸鈉)的碳納米管水分散體中。在室溫上攪拌三十分鐘，使用苯甲基膦酸官能化碳納米管204。將上面獲取的包含0.1%陰離子型表面活性劑的官能化碳納米管204的水溶液拉入納米孔207 (如圖2A、2B、2C)，其中膦酸官能度與納米孔207內(nèi)的金屬氧化物(或氮化物)的表面發(fā)生反應(yīng)以形成共價(jià)接合。
[0056]對(duì)于當(dāng)納米孔207被涂敷(帶有有機(jī)涂層215)并且碳納米管204為被涂敷時(shí)的反應(yīng)(對(duì)應(yīng)于圖3A、3B和3C)，通過(guò)將納米孔207浸入稀釋的(1-5毫摩爾)胺在醇中的溶液，使用雙官能芳基胺(例如，4-氨基苯基異羥肟酸)涂敷(有機(jī)涂層215)納米孔207的內(nèi)部。在一段時(shí)間(例如，1-24小時(shí)，優(yōu)選地為1-2小時(shí))之后，去除襯底(形成納米孔207)并使用醇進(jìn)行清洗。此步驟借助異羥肟酸官能度與納米孔207的金屬氧化物(或氮化物)形成共價(jià)接合以及暴露芳基胺官能度，導(dǎo)致在納米孔207的內(nèi)壁上4-氨基苯基異羥肟酸的自組裝。接下來(lái)，使用亞硝鎗(nitoosonium)離子稀釋溶液(例如，四氟硼酸亞硝溶液或亞硝酸鈉在稀鹽酸溶液中的稀釋溶液)處理涂敷的納米孔207，從而使胺基轉(zhuǎn)換為重氮鹽。在最后一步，將鹽溶液中未涂敷的碳納米管204拉入涂敷的納米孔207，它將與自組裝單層的重氮官能度發(fā)生反應(yīng)并形成碳-碳鍵以將碳納米管204固定在納米孔207內(nèi)。
[0057]此處使用的術(shù)語(yǔ)只是為了描述特定的實(shí)施例并且并非旨在作為本發(fā)明的限制。如此處所使用的，單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“該”旨在同樣包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文明確地另有所指。還將理解，當(dāng)在此說(shuō)明書(shū)中使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)“包括”和/或“包含”指定了聲明的特征、整數(shù)、步驟、操作、元素和/或組件的存在，但是并不排除一個(gè)或多個(gè)其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元素、組件和/或其組的存在或增加。
[0058]以下的權(quán)利要求中的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)、材料、作用以及所有功裝置或步驟加能性元件的等價(jià)物，旨在包括任何用于與所要求保護(hù)的其它單元相組合地執(zhí)行該功能的結(jié)構(gòu)、材料或作用。所給出的對(duì)本發(fā)明的描述其目的在于示意和描述，并非是窮盡性的，也并非是要把本發(fā)明限定到所表述的形式。對(duì)于所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不偏離本發(fā)明范圍的情況下，顯然可以做出許多修改和變型。對(duì)實(shí)施例的選擇和說(shuō)明，是為了最好地解釋本發(fā)明的原理和實(shí)際應(yīng)用，使所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員能夠明了，本發(fā)明可以有適合所要的特定用途的具有各種改變的各種實(shí)施方式。
[0059]此處描述的流程圖只是一個(gè)實(shí)例。在不偏離本發(fā)明范圍的情況下，可以對(duì)此處描述的圖或步驟(或操作)做出許多變形。例如，可以以不同的順序執(zhí)行所述步驟，可以添加、刪除或修改所述步驟。所有這些變形均被視為所聲明的發(fā)明的一部分。
[0060]盡管描述了本發(fā)明的示例性實(shí)施例，但是將理解，所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員可以在現(xiàn)在或?qū)?lái)做出各種落在下述權(quán)利要求范圍內(nèi)的改進(jìn)和完善。這些權(quán)利要求應(yīng)該被構(gòu)想保持對(duì)之前描述的發(fā)明的適宜保護(hù)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于將納米管嵌入納米孔中的裝置，所述裝置包括:將容器分隔為第一容器部和第二容器部的膜，所述納米孔穿過(guò)所述膜形成以連接所述第一和第二容器部； 填充所述納米孔、所述第一容器部和所述第二容器部的離子流體； 浸入所述第一容器部中的第一電極；以及 浸入所述第二容器部中的第二電極； 其中通過(guò)被施加到所述第一和第二電極的電壓偏置將所述納米管驅(qū)入到所述納米孔中，以便使得所述納米孔的內(nèi)表面通過(guò)有機(jī)涂層形成與所述納米管的外表面的共價(jià)接合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述納米孔的所述內(nèi)表面涂敷有所述有機(jī)涂層以形成與所述納米管的所述外表面的所述共價(jià)接合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述納米管的所述外表面涂敷有所述有機(jī)涂層以形成與所述納米孔的所述內(nèi)表面的所述共價(jià)接合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述納米孔的所述內(nèi)表面涂敷有所述有機(jī)涂層并且所述納米管的所述外表面涂敷有所述有機(jī)涂層，由此響應(yīng)于將所述納米管驅(qū)入所述納米孔而導(dǎo)致所述共價(jià)接合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，其中所述納米孔的所述內(nèi)表面和所述納米管的所述外表面涂敷有不同的有機(jī)涂層；以及 所述納米孔的所述內(nèi)表面上的所述有機(jī)涂層和所述納米管的所述外表面上的所述不同的有機(jī)涂層響應(yīng)于將所述納米管驅(qū)入所述納米孔而導(dǎo)致所述共價(jià)接合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中通過(guò)所述有機(jī)涂層的所述共價(jià)接合導(dǎo)致所述納米管附著到所述膜中的所述納米孔`。
7.根據(jù)上述任一權(quán)利要求的裝置，其中處理所述膜的兩側(cè)，以使所述納米管的高度對(duì)應(yīng)于所述膜的層的高度。
8.一種將納米管嵌入納米孔中的方法，所述方法包括: 配置容器，所述容器包括將所述容器分隔為第一容器部和第二容器部的膜，所述納米孔穿過(guò)所述膜形成以連接所述第一和第二容器部；以及 使用離子流體填充所述納米孔、所述第一容器部和所述第二容器部； 提供浸入所述第一容器部的第一電極； 提供浸入所述第二容器部的第二電極；以及 通過(guò)被施加到所述第一和第二電極的電壓偏置將所述納米管驅(qū)入所述納米孔，以便使得所述納米孔的內(nèi)表面通過(guò)有機(jī)涂層形成與所述納米管的外表面的共價(jià)接合。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，進(jìn)一步包括使用所述有機(jī)涂層涂敷所述納米孔的所述內(nèi)表面以形成與所述納米管的所述外表面的所述共價(jià)接合。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，進(jìn)一步包括使用所述有機(jī)涂層涂敷所述納米管的所述外表面以形成與所述納米孔的所述內(nèi)表面的所述共價(jià)接合。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，進(jìn)一步包括使用所述有機(jī)涂層涂敷所述納米孔的所述內(nèi)表面；以及 使用所述有機(jī)涂層涂敷所述納米管的所述外表面； 其中所述納米孔的所述內(nèi)表面上的所述有機(jī)涂層和所述納米管的所述外表面上的所述有機(jī)涂層響應(yīng)于將所述納米管驅(qū)入所述納米孔而導(dǎo)致所述共價(jià)接合。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，進(jìn)一步包括使用不同的有機(jī)涂層涂敷所述納米孔的所述內(nèi)表面和所述納米管的所述外表面； 其中所述納米孔的所述內(nèi)表面上的所述有機(jī)涂層和所述納米管的所述外表面上的所述不同的有機(jī)涂層在所述納米管被驅(qū)入所述納米孔時(shí)形成所述共價(jià)接合。
13.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中通過(guò)所述有機(jī)涂層的所述共價(jià)接合使所述納米管附著在所述膜中的所述納米孔。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，進(jìn)一步包括處理所述膜的兩側(cè)，以使所述納米管的高度對(duì)應(yīng)于所述膜的層的高度。
15.根據(jù)上述任一權(quán)利要求的方法，其中將所述納米管驅(qū)入所述納米孔由所述膜任一側(cè)的流體壓力差輔助。
16.一種用于將納米管嵌入納米孔中的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的裝置；以及 電壓源，其被配置為將電壓偏置施加到所述第一和第二電極以將所述納米管驅(qū)入所述納米孔中，以便所述納米管的外表面將與所述納米孔的內(nèi)表面接觸，從而通過(guò)有機(jī)涂層形成共價(jià)接合。
17.一種用于將納米管嵌入納米孔中的方法，所述方法包括: 配置容器，所述容器包 括將所述容器分隔為第一容器部和第二容器部的膜，所述納米孔穿過(guò)所述膜形成以連接所述第一和第二容器部；以及 使用離子流體填充所述納米孔、所述第一容器部和所述第二容器部； 提供浸入所述第一容器部的第一電極； 提供浸入所述第二容器部的第二電極；以及 通過(guò)所述膜兩側(cè)上的流體壓力差將所述納米管驅(qū)入所述納米孔，以便使得所述納米孔的內(nèi)表面通過(guò)有機(jī)涂層形成與所述納米管的外表面的共價(jià)接合。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所述膜的一側(cè)具有正流體壓力，所述膜的另一側(cè)具有負(fù)流體壓力。
【文檔編號(hào)】B82Y40/00GK103796947SQ201280043948
【公開(kāi)日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月9日
【發(fā)明者】彭紅波, 欒斌全, A·阿夫扎利-阿爾達(dá)卡尼 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司