>[0044]如上解釋，一旦確認(rèn)納米孔成核，就可用任何適合方法增大納米孔徑。以上述方式施加電壓脈沖可能特別高效和有效，但也可利用其它方法。例如，可將化學(xué)物類引入液體環(huán)境，以化學(xué)增大經(jīng)成核納米孔。在這樣的一個(gè)實(shí)例中，將硫酸溶液中的高錳酸鉀引入液體環(huán)境，在其中布置石墨烯膜和納米孔，以與石墨烯納米孔壁反應(yīng)，并增大石墨烯中的納米孔。在其它實(shí)例中可控制液體環(huán)境的溫度，以調(diào)節(jié)納米孔徑。例如，可加熱液體，以增大納米孔。另外，可利用調(diào)節(jié)納米孔徑例如以增大納米孔的一系列電方法。
[0045]在納米孔調(diào)節(jié)之外，在納米孔成核和/或納米孔徑調(diào)節(jié)后，可為了任何特殊需要進(jìn)一步處理膜。例如，通過化學(xué)或物理沉積，例如原子層沉積，可用材料涂覆膜和/或納米孔。這些涂料可包括微電子材料，例如電絕緣材料，并且可包括用于所選應(yīng)用的分子，例如，脂類分子。這些實(shí)例證明，一旦納米孔在膜中通過一個(gè)或多個(gè)超短電壓脈沖成核，就可用寬范圍方法調(diào)節(jié)納米孔徑，并在納米孔部位定制局部材料和結(jié)構(gòu)。
[0046]利用這些產(chǎn)生方法和表面濕潤技術(shù)，納米孔在溶液中精確形成，并在納米孔成核和調(diào)節(jié)步驟結(jié)束時(shí)在溶液中保持濕潤，因此，可立即用于溶液測定，而不需要從溶液環(huán)境去除。膜表面可保持在原有條件，而沒有由于溶液外的環(huán)境暴露可能發(fā)生的污染。因此，使高精確納米孔應(yīng)用成為可能，例如，通過納米孔DNA轉(zhuǎn)運(yùn)。
[0047]實(shí)施例1
在石墨稀膜中納米孔成核和增大
如圖2A-2B中所示，用氮化硅、氧化硅和硅基片的支承框架結(jié)構(gòu)組合石墨烯膜。支承結(jié)構(gòu)布置在用室溫3M KC1溶液構(gòu)成的如圖3的流動(dòng)池中。以上述方式進(jìn)行納米孔成核和調(diào)節(jié)過程。圖5為各施加電壓的電壓幅度和在各電壓脈沖之間測定的電流的繪圖。在成核電壓序列和調(diào)節(jié)電壓序列二者中的各電壓脈沖為250X 10 9秒持續(xù)時(shí)間。
[0048]跨膜施加160mV低偏壓用于電導(dǎo)測定，并用Axopatch 200B低噪聲電流放大器測定電導(dǎo)。對Arduino Uno R3板編程，以允許人工控制納米孔產(chǎn)生過程。響應(yīng)在ArduinoUno上人工按下的按鈕，使膜從Axopatch電流放大器斷開，并通過機(jī)械繼電器(PanasonicTN2-5V)連接到HP 8110A脈沖發(fā)生器。在1秒延遲后，Arduino板觸發(fā)脈沖發(fā)生器，脈沖發(fā)生器以人工指定電壓幅度施加250ns脈沖，并使膜重新連接到低噪聲電流放大器，以監(jiān)測納米孔徑。重復(fù)這些步驟數(shù)次，如圖中所示。
[0049]如圖5中繪圖所示，在施加以IV幅度開始并增加到7V幅度的7個(gè)成核電壓脈沖后，有納米孔成核，如測定的電流跳躍所證明。然后，再次以IV起始電壓開始，啟動(dòng)調(diào)節(jié)電壓脈沖序列。在施加從IV增加到5V幅度的5個(gè)調(diào)節(jié)電壓脈沖后，納米孔開始增大，如測定的電流跳躍所證明。在測定的電流跳躍后，使調(diào)節(jié)電壓脈沖幅度保持恒定在5V，并繼續(xù)調(diào)節(jié)電壓脈沖序列。如圖中所示，隨著調(diào)節(jié)電壓脈沖序列繼續(xù)，測定的電導(dǎo)繼續(xù)增加，表明納米孔徑增加。圖6為計(jì)算納米孔徑作為電壓脈沖數(shù)(包括成核電壓脈沖和調(diào)節(jié)電壓脈沖)的函數(shù)的繪圖。
[0050]在對原子級薄材料中的納米孔進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，納米孔成像可能困難，因?yàn)閳D像對比度可能差，特別對單層石墨烯。透射電子顯微鏡(TEM)是必要的，在低能量(80kV)下像差校正顯微鏡很有幫助。在石墨烯膜中使納米孔成功成像的一種方法中，首先小心地從流動(dòng)池去除在支承結(jié)構(gòu)上所布置的石墨烯膜，并快速浸入去離子水。不應(yīng)使膜和支承結(jié)構(gòu)在空氣中干燥。在使納米孔成像時(shí)，膜和支承結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)用臨界點(diǎn)干燥器干燥。污染物可在干燥過程和暴露于環(huán)境空氣期間覆蓋納米孔，使成像失敗。另外，用具有高于約200kV能量的束成像可在原子級薄材料(例如，單層石墨烯)中引起缺陷。因此，優(yōu)選很快得到圖像。清潔的石墨烯經(jīng)?？雌饋眍愃朴谡婵眨虼?，解釋圖像也困難。
[0051]圖5的電導(dǎo)測定數(shù)據(jù)表明，利用不大于250X 10 9秒的成核和調(diào)節(jié)電壓脈沖持續(xù)時(shí)間，在石墨烯膜中納米孔成核，且納米孔徑可控和逐次脈沖精確增大到所需孔徑，在此試驗(yàn)實(shí)施例中為3nm。納米孔成核明顯由各成核電壓脈沖后的測定電導(dǎo)值指示，納米孔徑增加顯然與各調(diào)節(jié)電壓脈沖后的測定電導(dǎo)值相關(guān)。證明該納米孔產(chǎn)生方法可靠地產(chǎn)生納米孔，同時(shí)保持膜材料的機(jī)械完整性。
[0052]實(shí)施例1I
通過石墨稀膜中產(chǎn)生的納米孔轉(zhuǎn)運(yùn)DNA
使具有3.5nm孔徑的實(shí)施例1的納米孔處于圖3的流動(dòng)池內(nèi)3M KC1溶液中。使_10kbpdsDNA以4ng/ μ L濃度溶于3M KC1電解質(zhì)溶液中。將45 μ L包含DNA的溶液注入流體池的注入口，進(jìn)入半池到結(jié)構(gòu)的頂側(cè)上，那是具有在氮化硅/氧化硅支承結(jié)構(gòu)頂上完全暴露的石墨烯層的一側(cè)，與下側(cè)相反，下部硅基片表面其暴露在下側(cè)上。使用膜片鉗放大器(Axopatch 200B)，對結(jié)構(gòu)的石墨稀層側(cè)上的電極施加_160mV偏壓。該偏壓電泳驅(qū)動(dòng)溶液中的DNA分子，將其從結(jié)構(gòu)的石墨烯層側(cè)通過納米孔轉(zhuǎn)運(yùn)到結(jié)構(gòu)的硅基片側(cè)。在電壓施加期間，用膜片鉗放大器監(jiān)測通過納米孔的離子電流。按測定離子電流中的瞬時(shí)電流阻斷檢測DNA轉(zhuǎn)運(yùn)。
[0053]如圖7的繪圖中所示，各測定電流阻斷由在約200X 10 6秒時(shí)間的測定電流降組成，例如，約3.5nA電流降。由于穿過納米孔的DNA分子存在，這些條件直接對應(yīng)離子電流阻斷。該DNA轉(zhuǎn)運(yùn)通過納米孔經(jīng)數(shù)分鐘進(jìn)行。這證明，通過本文方法中超短電壓脈沖產(chǎn)生的納米孔足夠穩(wěn)健和結(jié)構(gòu)分明，允許DNA在延長操作時(shí)間轉(zhuǎn)運(yùn)通過納米孔。
[0054]以上實(shí)施例和說明表明，用本文提供的納米孔產(chǎn)生方法實(shí)現(xiàn)精確性和高水平尺寸控制，從而在其實(shí)施中提供可重復(fù)性和極好的簡單性。雖然方法說明提供在單納米孔產(chǎn)生中的情況，但由于可擴(kuò)展性，該方法容易布置。如上解釋，膜材料可提供有表面部位陣列，它們各自具有條件或缺陷，促進(jìn)在該部位的納米孔成核，由此可同時(shí)產(chǎn)生納米孔陣列?；蛘撸衫秒姌O陣列，或者在電脈沖施加到電極時(shí)能夠跨膜材料表面掃描的電極，以在材料中產(chǎn)生多個(gè)納米孔，例如，作為預(yù)定納米孔陣列。這些納米孔陣列可能對例如納濾應(yīng)用特別有利。
[0055]該納米孔產(chǎn)生方法可利用任何適合的原子級薄材料或材料層，它們一起小于約10個(gè)原子層厚，或小于約50納米厚，小于約10納米厚，或甚至小于約5納米厚。該納米孔產(chǎn)生方法可在納米孔形成液體環(huán)境中在任何所選物類存在下進(jìn)行，包括化學(xué)反應(yīng)性物類和要在納米孔形成后檢驗(yàn)的物類，例如聚合物分子。另外，在納米孔形成期間，可在液體環(huán)境中包括選擇的一種或多種化學(xué)物類，例如，以在納米孔形成期間改變納米孔的邊緣，或者增大納米孔，和使膜材料改性或與其反應(yīng)。因此，納米孔產(chǎn)生方法適合廣泛適應(yīng)對納米孔和用于所選應(yīng)用的環(huán)境進(jìn)行定制。
[0056]應(yīng)認(rèn)識到，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可在不脫離本發(fā)明對本領(lǐng)域貢獻(xiàn)的精神和范圍的情況下，對上述實(shí)施方案進(jìn)行各種修改和補(bǔ)充。因此，應(yīng)了解，本文尋求提供的保護(hù)應(yīng)認(rèn)為擴(kuò)展到主題權(quán)利要求及其完全在本發(fā)明范圍內(nèi)的所有等價(jià)物。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種在膜中形成納米孔的方法，所述方法包括: 使膜的兩個(gè)相反表面暴露于導(dǎo)電液體環(huán)境； 通過液體環(huán)境，在兩個(gè)膜表面之間施加具有第一成核脈沖幅度的納米孔成核電壓脈沖，該納米孔成核電壓脈沖具有脈沖持續(xù)時(shí)間； 在施加納米孔成核電壓脈沖后，測定膜的電導(dǎo)，并將該測定電導(dǎo)與第一預(yù)定電導(dǎo)比較； 通過液體環(huán)境，在兩個(gè)膜表面之間施加至少一個(gè)額外的納米孔成核電壓脈沖，各額外的納米孔成核電壓脈沖在測定的電導(dǎo)不大于第一預(yù)定電導(dǎo)的情況下施加；并且 通過液體環(huán)境，在兩個(gè)膜表面之間施加具有調(diào)節(jié)脈沖電壓幅度的至少一個(gè)納米孔徑調(diào)節(jié)電壓脈沖，各納米孔徑調(diào)節(jié)電壓脈沖在測定的電導(dǎo)大于第一預(yù)定電導(dǎo)而不大于第二預(yù)定電導(dǎo)的情況下施加，各納米孔徑調(diào)節(jié)電壓脈沖具有脈沖持續(xù)時(shí)間。2.權(quán)利要求1的方法，其中施加至少一個(gè)納米孔徑調(diào)節(jié)電壓脈沖包括: 通過液體環(huán)境，在兩個(gè)膜表面之間施加具有第一調(diào)節(jié)脈沖電壓幅度的第一納米孔徑調(diào)節(jié)電壓脈沖，該納米孔徑調(diào)節(jié)電壓脈沖具有脈沖持續(xù)時(shí)間； 在施加第一