專利名稱：流體分離結(jié)構(gòu)以及制造流體分離結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流體分離結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明另外涉及制造流體分離結(jié)構(gòu)的方法。
此外，本發(fā)明還涉及使用流體分離結(jié)構(gòu)來分離流體樣本 (fluidic sample)成分的方法。
背景技術(shù)：
分離流體樣本成分(諸如生物分子，如麗A)對于醫(yī)學(xué)應(yīng)用、生 物化學(xué)、食品化學(xué)等變得越來越重要。
當(dāng)應(yīng)用于很小量的生物樣本時，傳統(tǒng)的分離手段如凝膠電泳或 毛細管電泳法會變得有問題。
Ken-ichi Inatomi等人(2003年)的"Electrophoresis of醒 in micro-pillars fabricated in polydimethylsiloxane ，， (Microelectronic Engineering,第70巻，第1期，13至18頁) 公開了包含用于分離DNA的微柱的器件的制造。該器件由聚二甲基硅 氧烷(PDMS)制成，使用成形后的硅晶片作為模具通過復(fù)制成型方法 制造。該器件具有微溝道，其中以lym的間隔在六方晶格中排列 15yra的微柱。微柱中的DNA電泳表明，DNA遷移的平均速度取決于 其長度。
然而，由于Ken-ichi Inatomi等人(2003年)所采用的制造工 藝的特別特性，無法保證所制造的器件具有足夠的質(zhì)量和再現(xiàn)性。此 夕卜，如下述段落將要清楚說明的，很難以工業(yè)規(guī)模制造該器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供可以合適的質(zhì)量制造得到的流體分離結(jié)構(gòu)。為了實現(xiàn)上述目的，提供了根據(jù)獨立權(quán)利要求的流體分離結(jié)構(gòu)、 制造流體分離結(jié)構(gòu)的方法、以及使用流體分離結(jié)構(gòu)來分離流體樣本的 成分的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例，提供了包括基片和多個生長 在基片上的納米線的流體分離結(jié)構(gòu)，該流體分離結(jié)構(gòu)可適用于通過例 如電泳或介電電泳來分離流體樣本的不同成分，所述流體樣本包括在 至少一種物理參數(shù)(如長度)上具有區(qū)別的不同成分的混合。
根據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施例，提供了制造流體分離結(jié)構(gòu) 的方法，該方法包括在基片上生長多個納米線。
根據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施例，可以使用具有上述特征的 流體分離結(jié)構(gòu)來分離流體樣本的不同成分/部分。
術(shù)語"基片"可表示任何適用的材料，如半導(dǎo)體、玻璃、塑料 等。根據(jù)一個示例性實施例，術(shù)語"基片"可以用于一般性地定義所 關(guān)注的層或部分之下和/或之上的層元件。此外，基片可以是任何在 其上形成了層的基底，例如像硅晶片或硅芯片的半導(dǎo)體晶片?；?生長了納米線的部分可以是(基本上)二維平面?；砻婵梢允怯?于隨后的納米線生長流程的模板。由于可以通過適當(dāng)?shù)牟牧嫌行У赜| 發(fā)或空間控制納米線的生長(例如，鐵或鎳斑點可以催化碳納米管的 生長)，于是可以精確地限定對生長位置的精確空間控制。
術(shù)語"納米線"可表示具有數(shù)量級為幾納米至幾千納米的尺寸 (也可涵蓋更大或更小的尺寸)的桿狀結(jié)構(gòu)。緊密相鄰的納米線陣列 可以作為用于樣本(宏)分子的機械屏障陣列，并因此可以用作流體 分離結(jié)構(gòu)，因為該陣列對流體樣本中不同大小的微粒具有不同的屏障 效應(yīng)。本發(fā)明的實施例可以使用多種不同類型的納米線，包括半導(dǎo)體
納米線(例如由硅、鍺、InP、 GaN等構(gòu)成)、金屬納米線(如鎳、 鉑、金)和(本征或摻雜的)納米管特別是碳納米管。這樣的納米線
可以是長方形納米線。
術(shù)語"長方形納米線"表示該納米線的長度顯著大于與長度延 伸方向垂直的尺寸。換句話說，通常納米線會表現(xiàn)出大于1的邊長比 (長寬比)，特別會大于2、大于5或者高達1000或更高。例如，管狀納米線可以具有50腦至70nm的長度，而具有10nm的直徑。
術(shù)語"流體樣本"可特別地表示任意物相的子集。所述流體可 包括液體、氣體、等離子體以及某種程度上包括固體，及其混合物。 流體樣本的示例如包含流體的DNA、血液、皮下組織中的間隙流體、 肌肉或腦組織、尿或其它體液。例如，流體樣本可以是生物物質(zhì)。該 物質(zhì)可以包括蛋白質(zhì)、多肽、核酸、DNA鏈等。
術(shù)語"流體分離結(jié)構(gòu)"可特別地表示任意能夠分離流體樣本的 不同成分的結(jié)構(gòu)，特別是分離具有不同尺寸例如不同長度的不同成分 的結(jié)構(gòu)。于是，流體分離結(jié)構(gòu)還可以能夠以限定的方式在機械力(如 壓力或重力)、電力、磁力等力的作用下移動樣本中的微粒通過納米 線陣列。在操作該流體分離器件時，還可以利用不同成分的參數(shù)(例 如電荷等電參數(shù))來提升流體分離性能。例如，微柱或納米線網(wǎng)中的
微柱間的距離可以限定在電力作用下傳輸通過該網(wǎng)的微粒的遷移速 度。因此，可以根據(jù)流體樣本中具有不同尺寸和/或電特性的部分在 納米線網(wǎng)中的不同遷移性數(shù)值來對其進行分離。
根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例，可以直接在基片上生長形成 納米線陣列，以用作彼此間具有限定距離的限定障礙的排列，于是可
以基于通過障礙的能力(該能力取決于要分離的微粒的尺寸)來分離 不同的流體部分。特別的，通過直接在基片上生長納米線(無需實施 模制或光刻過程)，即通過以無溝道(trenchless)方式直接在基片 上通過沉積形成納米線結(jié)構(gòu)，特別是通過在基片的特定部分沉積特定 的催化劑斑點，能夠制造空間分布精確可控的穩(wěn)固的納米線。因此， 可以形成高度可靠、空間分布精確并且機械穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，并可以此作 為流體分離應(yīng)用的基礎(chǔ)。
這樣，根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例，提供了成形表面來進 行分離試驗，特別是執(zhí)行DNA分離。
傳統(tǒng)的麗A分離技術(shù)無法滿足對用于快速遺傳鑒別的精確、通 用、便攜設(shè)備的不斷增長的需求。這種限制是由于傳統(tǒng)方法(基于凝 膠電泳或毛細管電泳)被定制成分離小尺度范圍內(nèi)的DNA的事實。另 外，這些方法受到分離介質(zhì)的基本網(wǎng)格尺寸的限制而只限于較短的麗A片段。
根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例，提供了制造成形定制納米表
面的較簡單的方法，能夠顯著提高涉及DNA分離或者更一般地所關(guān)注 的生物分子的分離的性能。
本發(fā)明的示例性實施例可具有可以使用傳統(tǒng)CMOS制造技術(shù)的優(yōu)
點。提供了可以簡單方式實現(xiàn)的制造方案。該方案可允許對納米成形 表面的特性進行精確控制。該方案還可提供將成形表面集成到任意針 對醫(yī)療點應(yīng)用的便攜設(shè)備中的可能性。在一個流程中可以制造很寬范 圍的不同成形表面。本發(fā)明的實施例還可以提供實現(xiàn)并行DNA分離方 法的機會。此外，本發(fā)明的實施例可以結(jié)合任何現(xiàn)有檢測技術(shù)(例如 熒光技術(shù))來執(zhí)行例如DNA測序。
本發(fā)明的示例性實施例利用了如下事實，即DNA分子的遷移和 電泳特性主要取決于DNA鏈的長度。有鑒于此，根據(jù)本發(fā)明的示例性 實施例，提供了制造用于通過電泳進行DNA分離的半導(dǎo)體器件的方 法，其中該器件可以包括半導(dǎo)體主體。在該半導(dǎo)體主體的表面上，可 根據(jù)第一臺式結(jié)構(gòu)形成至少一個第一柱形半導(dǎo)體區(qū)域。可根據(jù)第二臺 式結(jié)構(gòu)形成至少一個第二柱形半導(dǎo)體區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例，可以用任何期望的材料執(zhí)行 對柱形半導(dǎo)體區(qū)域(微柱)的最終涂敷，所述材料呈現(xiàn)疏水或親水屬 性，可以通過定制該材料來提升器件性能。另外，可以對表面進行成 形處理，其中所述成形特別地可允許定義疏水和親水區(qū)域，從而定義 分子沿著流體分離結(jié)構(gòu)表面的移動路徑。于是可以提供用于分子醫(yī)藥 應(yīng)用的高性能醫(yī)學(xué)設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例，提供了制造用于分離DNA的 成形器件的方法?？稍诨仙L納米線，可在納米線上沉積氧化硅 結(jié)構(gòu)，然后可從納米線的尖端移除氧化硅以暴露納米線的上端部分。 氧化硅結(jié)構(gòu)的剩余部分可以用作敏感的納米線的機械增強，而尖端的 暴露部分可以改進納米線陣列的空間分辨率。
提供諸如納米管的納米線能夠相比于上一代的模制或光刻技術(shù) 提升分離網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)固性，因為生長的納米線具有特別強的內(nèi)在化學(xué)鍵
9合特性。與使用復(fù)制成型方法制造微柱的方案相比，根據(jù)本發(fā)明實施 例的納米線生長技術(shù)能夠避免所得結(jié)構(gòu)質(zhì)量的迅速降級，并且能夠確 保規(guī)則地成形。更特別地，可以直接在硅晶片上制造微柱以及可能的 微流體溝道，而無需首先制造模具。由于未產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)的降級的事實， 可以精確地控制其尺寸。與傳統(tǒng)的成型制造技術(shù)(其中由于使用單一 材料如PDMS而無法對微柱和微流體溝道進行涂敷)不同，本發(fā)明的 實施例提供了允許使用任何期望的材料執(zhí)行對微柱進行最終涂敷的 制造方法，所述材料可具有疏水或親水屬性，可以構(gòu)造該材料來提升 器件性能。因此本發(fā)明的示例性實施例能夠容易地對納米特征進行涂 敷(利用疏水或親水層)。于是不必在形成納米特征后執(zhí)行涂敷，這 樣會涉及關(guān)于所能達到的最小尺寸的限制。同時，可以直接地對納米 線進行容易的涂敷。根據(jù)示例性實施例，使用單一基片就足夠，并且 不需要從一個基片傳遞到另一個基片，從而可以合適的操作量逐步構(gòu) 建該器件。
由于使用了可以直接生長在基片上的納米線，可以制造非常小
的幾何結(jié)構(gòu)。另外，可以在標準CMOS過程中容易地集成制造流程， 從而允許同時制造片上電子器件。
本發(fā)明的實施例可以克服傳統(tǒng)系統(tǒng)執(zhí)行生物分子分離的限制， 另外還潛在地能夠容易地制造可用于醫(yī)療點的完全通用便攜設(shè)備。
根據(jù)一個示例性實施例，可以制造基于生長在基片上(中)的 硅納米線的器件。通過這種手段，可以獲得小很多的特征尺寸，因為 不必取決于光刻而是取決于由處理參數(shù)自動定義的納米線本身的尺 寸。這能夠顯著提升有關(guān)(可能極小的)生物分子分離的性能，從而 可提高器件的性能和通用性。
接下來對流體分離結(jié)構(gòu)的其它示例性實施例進行說明。然而， 這些實施例也可應(yīng)用于制造流體分離結(jié)構(gòu)的方法及其使用方法。
流體分離結(jié)構(gòu)可以包括覆蓋結(jié)構(gòu)，該覆蓋結(jié)構(gòu)部分覆蓋多個納 米線以暴露多個納米線的尖端。為了制造這種流體分離結(jié)構(gòu)，可以首 先在基片上沉積納米線，然后在納米線上沉積覆蓋結(jié)構(gòu)(例如由例如 氧化硅或氮化硅等電絕緣材料構(gòu)成)，然后蝕刻覆蓋結(jié)構(gòu)的一部分以暴露納米線的尖端。此后，納米線形成某種毯層(carpet)，用作要 檢測的DNA分子或其它生物分子的機械障礙。在例如電力的作用下， 這些分子在沿著納米線陣列移動時必須穿過障礙。這種納米線可部分 嵌入其中的覆蓋結(jié)構(gòu)可以提升納米線的機械穩(wěn)固性，以允許甚至在苛 刻條件下使用。
多個納米線可以垂直于基片延伸生長。例如，能夠通過例如在 催化劑模板上生長來制造垂直于基片主表面延伸的豎直排列的納米 線。碳納米管的適當(dāng)催化劑可以是例如鐵或鎳。
覆蓋結(jié)構(gòu)可以部分地覆蓋多個納米線的橫向側(cè)壁。這樣，覆蓋 結(jié)構(gòu)可以對敏感的納米線提供橫向支撐，從而提高整個流體分離結(jié)構(gòu) 的機械穩(wěn)固性。
覆蓋結(jié)構(gòu)可以部分覆蓋多個納米線之間的基片表面。這樣，納 米線不僅可通過橫向側(cè)壁嵌入在莖部，還可被覆蓋或嵌入在底部結(jié)構(gòu) 中，類似于穩(wěn)固在地中的樹。這可允許獲得固定連接至基片的網(wǎng)絡(luò)納 米線系統(tǒng)。
覆蓋結(jié)構(gòu)可以包括電絕緣材料，特別可以包括氧化硅Si02 (或 氮化硅S"N4等)，更特別地可以包括TE0S氧化硅材料和高密度等 離子體(HDP)氧化硅材料。包含TE0S和HDP氧化物的覆蓋結(jié)構(gòu)的這 種二成分構(gòu)造可以特別地形成材料彼此兼容的非常穩(wěn)定的構(gòu)造。
基片可以包括半導(dǎo)體材料，特別地可以包括由IV族半導(dǎo)體(如 硅、鍺)和III族一V族半導(dǎo)體(如砷化鎵)所構(gòu)成的組中之一。硅 可以是適當(dāng)?shù)倪x擇，特別是硅晶片或硅芯片，因為這可允許將制造處 理集成在CMOS技術(shù)中。這樣，流體分離結(jié)構(gòu)可以構(gòu)造成單片集成電 路。
流體分離結(jié)構(gòu)可以包括樣本儲存器，用于接收流體樣本并使流 體樣本與多個微粒相互作用。所述樣本儲存器可以是接收器或容器，
其形成為使得要分析的流體樣本可以同微柱結(jié)構(gòu)發(fā)生功能性接觸，從 而獲得成分分離特性。
流體分離結(jié)構(gòu)可以包括電場發(fā)生單元，其用于產(chǎn)生電場以使流 體樣本的帶電或極化微粒沿著多個納米線移動。這種電場發(fā)生單元可以包括一個或多個與基片分別提供的或集成在基片中的電極。這種電 極可根據(jù)供電單元來操作，所述供電單元用于將特定的電壓提供給電 極，以產(chǎn)生電場來定義流體樣本的微粒通過納米線網(wǎng)絡(luò)的運動路徑。 這樣，在電泳或介電電泳的作用下，微?？裳刂A(yù)定方向移動，以使 與微柱發(fā)生功能性接觸。依照流體樣本不同部分的尺寸，它們將能夠 基本不受干擾地穿過微柱結(jié)構(gòu)或者受到微柱的機械阻延。因此，根據(jù) 尺寸及電荷等其它參數(shù)，流體可被分成不同的部分。這對于分離具有 多個成分(如不同的麗A)的生化溶液的不同成分特別有利。因此， 由于不同的部分可以彼此分離并且可以彼此獨立地進行后續(xù)處理，該 結(jié)構(gòu)不僅可用于流體分離，還可以用于提純(例如將蛋白質(zhì)與細胞液 的其它成分隔離)。
流體分離結(jié)構(gòu)還可包括檢測單元，特別是熒光檢測單元，用于 檢測流體樣本的與流體樣本的至少一部分微粒分離的至少另一部分 微粒。由于具有不同尺寸的微粒部分具有不同的移動性，流體樣本將 會分離成多個部分，這些部分隨后可通過檢測區(qū)域。在這個檢測區(qū)域， 可提供電磁輻射發(fā)生器(如光源)以提供激勵光來激勵微粒部分或附 在其上的標簽(如熒光標簽)。根據(jù)特定微粒的出現(xiàn)(因此，特定標 簽的出現(xiàn))，當(dāng)不同的部分被檢測單元聚焦時，光吸收、反射和/或 熒光屬性會發(fā)生變化。通過這種手段可以有效地執(zhí)行對各個部分的檢
可以排列多個納米線來形成納米線的二維陣列。例如可將納米 線排列在行、列中以形成矩陣構(gòu)造。
特別地，二維納米線陣列可以包括多個部分。相鄰納米線之間 的距離在所述多個部分的不同部分中具有差別。換句話說，不同部分 中的網(wǎng)格寬度可以不同，因此可以在具有低密度微柱的部分旁邊提供 具有高密度微柱的部分。通過這種手段可以進一步改進分離功能。
可以在基片的平面表面上生長多個納米線，特別是可以在提供 于基片上的催化劑斑點上生長。因此，可以首先在流體分離結(jié)構(gòu)上定 義催化劑斑點或位置的排列。然后，例如通過CVD (化學(xué)氣相沉積) 可以在這些斑點上特定地形成碳納米管。因此，可以很高的精度提供微柱結(jié)構(gòu)的空間定義。然而，還可以在基片中定義凹陷(可以提供也 可以不提供催化劑材料)并在凹陷中開始生長過程。
多個納米線的高度可以小于或等于50um，特別是可以處在5" m 至50iim的范圍內(nèi)。利用這樣的微柱長度，能夠即便在樣本量很小的 情況下也對流體樣本進行有效的成分分離，使得器件適用于很多應(yīng) 用。
納米線的直徑可以小于或等于100nm，特別可以小于20nm，更 特別地可以小于10nm。
多個納米線的相鄰兩個之間的距離可以小于或等于2um，特別 可以處在100nm到2um的范圍內(nèi)。該范圍非常適合于DNA、蛋白質(zhì) 等的流體分離，因為這些生物分子的尺寸正好適合于納米線之間的距 離，從而可以進行有效的流體分離。
該流體分離結(jié)構(gòu)可以包括由測量裝置、流體分離裝置、DNA分離 裝置、電泳裝置、生物傳感器、片上實驗室(lab-on-chip)、醫(yī)學(xué) 設(shè)備、便攜設(shè)備、流體提純系統(tǒng)和生命科學(xué)裝置構(gòu)成的組中的至少一 個。這樣，流體分離結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于任何需要分離不同分子結(jié)構(gòu)的領(lǐng) 域。
于是，根據(jù)一個示例性實施例，為通過電泳分離流體樣本中DNA 成分的流體分離結(jié)構(gòu)提供由納米線陣列形成的有效分離介質(zhì)。
對于任一方法步驟，可以使用半導(dǎo)體技術(shù)中已知的任何傳統(tǒng)流 程。形成層或元件可以包括例如CVD (化學(xué)氣相沉積)、PECVD (等 離子增強化學(xué)氣相沉積)、ALD (原子層沉積)等沉積技術(shù)或濺射。 移除層或元件可包括例如濕蝕刻、氣相蝕刻等的蝕刻技術(shù)以及例如光 刻、UV光刻、離子束光刻等的成形技術(shù)。
本發(fā)明的實施例并不限于特定材料，因此可以使用很多不同的 材料。對于導(dǎo)電性流體分離結(jié)構(gòu)，可以使用金屬化流體分離結(jié)構(gòu)、硅 化物流體分離結(jié)構(gòu)或多晶硅流體分離結(jié)構(gòu)。對于半導(dǎo)體區(qū)域或元件， 可以使用結(jié)晶硅。對于絕緣部分，可以使用氧化硅或氮化硅。
可以在純結(jié)晶硅晶片或在SOI (絕緣體上硅)晶片上形成流體分 離結(jié)構(gòu)。可以使用諸如CMOS、 BIPOLAR和BICM0S等處理技術(shù)。 本發(fā)明的上述及其它方面將通過下述實施例示例變得明顯，并 參照這些實施例示例進行說明。


下面將參照實施例示例更詳細地描述本發(fā)明，但是，本發(fā)明不 限于這些實施例示例。
圖1例示了根據(jù)本發(fā)明一個示例性實施例的流體分離裝置。
圖2至圖4例示了可用于分離DNA的具有不同間距的硅納米微 柱的成形表面示例。
圖5至圖7例示了根據(jù)本發(fā)明一個示例性實施例的制造流體分 離裝置的過程。
圖8至圖10例示了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的流體分離器件。
具體實施例方式
圖中的例示為示意性。在不同的圖中，相似或相同的元件具有 相同的參考標號。
下面參照圖1說明根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的流體分離裝置
100。
流體分離裝置100包括硅基片101 (如硅晶片)。在基片101 的表面上，更具體地在催化劑斑點103上按行和列，S卩，按二維構(gòu)造 垂直生長多個納米線102，所述催化劑斑點103已預(yù)先通過沉積技術(shù) 形成在基片101的表面上。
由圖1可見，樣本儲存器104由基片101的主表面以及限定結(jié) 構(gòu)邊界的橫向側(cè)壁105限定。
圖1示意性地例示了吸管110，吸管110具有毛細管111和填充 在毛細管111中的流體樣本112。通過手動致動橡膠致動器113，可 以將流體樣本112注入儲存器104中以進行后續(xù)的流體樣本112的成 分分離。作為吸管110的替代，也可以使用流體提供系統(tǒng)來將流體樣
14本112傳送至樣本儲存器104中，所述流體提供系統(tǒng)包括例如可形成在基片101中的流體溝道。
流體分離裝置100還包括控制單元106如CPU (中央處理單元)或微處理器。CPU 106可以例如用作供電單元，將電壓提供給第一電極107和第二電極108，這兩個電極在本實施例中集成在硅基片101的表面部分中。根據(jù)其它實施例，與基片101分開提供電極107、 108(例如可置于側(cè)壁105的內(nèi)表面部分)。通過對電極107、 108施加適當(dāng)?shù)碾妷夯螂妱?，可以在流體儲存器104中產(chǎn)生電場130，以將帶電或極化的微粒沿著納米線陣列102移動(例如從左到右)。
此外，提供也可由控制單元106控制的光源115(如發(fā)光二極管或激光)和光檢測器109。光源115可以將光束(可由光圈109空間限定)發(fā)射到基片101的表面上，在照射處流體樣本112的部分通過電極107和108之間的主路徑并由此得到分離。在基片101的這個表面部分，在由光源115發(fā)射的光束和流體樣本112的微粒(可選地附到流體樣本112的微粒的熒光標簽)之間會發(fā)生反應(yīng)。于是，特定部分的微粒(或其標簽)會重發(fā)射特定波長的熒光，并可被諸如光電二極管或CCD陣列的檢測器109檢測到。因此，微粒中的特定部分的存在與否和/或濃度可通過檢測單元109所接收光的強度測量得到。這種檢測信號可以傳送至CPU 106以進行進一步估算或輸出給用戶。
從圖l可以看出，納米線的直徑"d"的數(shù)量級可以為數(shù)十納米，而納米線102的長度L可以遠大于d，例如可以為15um。因此，納米線102可以是長寬比遠大于1的長方形納米線。
此外，從圖l可以看出，提供了雙向連接至CPU 106的輸入/輸出單元120。通過輸入/輸出單元120，用戶可以輸入指令或者接收檢測實驗的結(jié)果。這樣，輸入/輸出單元120可以包括諸如LCD顯示器的顯示器，并可以包括諸如按鈕、鍵盤、手柄、甚至聲音識別系統(tǒng)的麥克風(fēng)等輸入單元。
圖2至圖4示出了分別例示成形定制DNA分離表面的圖像200、300和400。所述表面在硅基片上制造。
更特別地，圖2至圖4示出了可適用于DNA分離的具有不同間距的硅納米微柱的定制成形表面的示例。圖2示出了距離約為2um的硅微柱間的寬間距示例。
圖3例示了間距比圖2所示更寬的示例。
圖4示出了窄間距成形表面的示例，其距離的數(shù)量級為100nm。下面，參照圖5至圖7，說明根據(jù)本發(fā)明一個示例性實施例的制
造流體分離結(jié)構(gòu)的方法。
如圖5所示，在硅基片101的表面上生長納米線102來形成層
序列500。換句話說，在圖5中，可以使用傳統(tǒng)方法生長并干蝕刻納
米線102。
從示出了層序列600的圖6可以看到，均勻地在層序列500上沉積了 TE0S層(原硅酸四乙酯)601。此TE0S層601是氧化硅層。換句話說，使用CVD (化學(xué)氣相沉積)并以TEOS (原硅酸四乙酯)為源材料沉積氧化硅薄層601。在所述示例中，層601為10nm厚，該厚度基本上在各個位置相同。層601的作用是形成薄微柱102的錨件
(anchor)和護罩，以在后續(xù)又是氧化硅(Si02)的絕緣層602的沉積處理中提供針對濺射的保護。
然而，現(xiàn)在使用高密度等離子沉積進行沉積。在此處理中同時進行沉積和濺射，主要是進行沉積。這種特定的沉積處理具有自平坦屬性，因為絕緣層602的厚度在微柱102的頂部小于在其邊界區(qū)域處的厚度。在該示例中，微柱102頂部的厚度可以約為100nm。在沉積處理中還通常使用在沿著微柱102的絕緣層602中得到的錐體
(tapering) 603，其對應(yīng)于例如45°側(cè)壁角度。在圖6中，TEOS薄層601沉積在納米線102上，接著沉積高密度等離子體(HDP)氧化物602。
接下來，見圖7所示的層序列700，通過蝕刻過程移除微柱102頂部的絕緣層601和另一絕緣層602的一部分，其中蝕刻過程選擇性地指向硅并且在此示例中包括基于(可能被緩沖的)氟化氫進行蝕刻。可以在某一時基上運用已知的蝕刻速率進行蝕刻。
通過這種手段來暴露納米線102的尖端701。在圖7中，納米線102的尖端701在回刻(etch-back)步驟之后暴露，所述回刻步驟從納米線102的頂部移除氧化硅材料。
圖8A示出了根據(jù)本發(fā)明一個示例性實施例的流體分離結(jié)構(gòu)800的頂視圖。特別是圖8A示出了其中兩個電極107、 108可由電流源801供電以產(chǎn)生電場的流體分離結(jié)構(gòu)800。在這電場的作用下，在包含不同長度的DNA鏈803的緩沖溶液802中提供的DNA分子803可以在電力作用下穿過納米微柱102的矩陣狀陣列。然而，在圖8的操作模式中沒有對電極107、 108施加電場，于是DNA分子803不在電場作用下移動。
圖8B示出了設(shè)備800的另一操作狀態(tài)，其中已經(jīng)在電極107、108之間施加了電場來使帶電微粒803運動。第一帶電微粒803a較小，于是他們能容易地穿過微柱102之間的間隙。第二帶電微粒803b較大，因此在穿過微柱102時較慢。第三帶電微粒803c最大，因此移動得最慢。
在圖8A中，由電流源801產(chǎn)生的電場不存在，而在圖8B中電場存在。因此在圖8B中，設(shè)備800的成形表面使得不同長度的DNA鏈803a至803c被分類。這樣，圖8A和圖8B示出了在電泳DNA分離中使用成形表面的示例。在圖8A中，電場不存在，緩沖溶液802中裝載了不同的DNA鏈803。在圖8B中，電場存在，DNA片斷803a至803c依據(jù)與幾何參數(shù)有關(guān)的移動能力而分離開來。
DNA的移動能力主要取決于DNA鏈的長度。根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例，DNA的遷移速度受到微柱尺寸和間隙的影響。由于本發(fā)明的實施例允許對所述幾何參數(shù)進行適當(dāng)調(diào)整，還可以相對于傳統(tǒng)分離技術(shù)擴展DNA長度的分離范圍。
圖IO示出了根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的流體分離設(shè)備1000。設(shè)備1000適用于大量并行分離。
在圖10的實施例中，納米線1001至1004的二維陣列包括第一部分1005至第四部分1008。相鄰納米線1001至1004之間的距離在多個部分1005至1008的不同部分是不同的(至少與樣本在電極107、108之間的運動方向垂直的方向上的距離是不同的)。另外，納米線1001至1004的直徑在多個部分1005至1008的不同部分是不同的。因此，第一部分1005包括納米線1001，納米線1001具有很大的直徑并且彼此間差距較大。在第二部分1006，納米線1002具有較小的直徑和彼此間較小的距離。在第三部分1007，納米線1003具有更小的直徑。在第四部分1008，納米線1004具有更小的直徑。
因此在設(shè)備1000中，分離設(shè)備1000的表面可以包括幾個部分1005至1008，其中任何幾何參數(shù)都可以根據(jù)用戶需要而改變。
最后，應(yīng)注意上述實施例是對本發(fā)明的例示而非限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能夠在不偏離由權(quán)利要求所限定的本發(fā)明范圍的前提下設(shè)計多種替代實施例。在權(quán)利要求中，置于括號中的任何參考標號不應(yīng)被理解為對權(quán)利要求的限制。詞"包括"、"包含"等并不排除整體列入任一權(quán)利要求或說明書中的元件或步驟之外的元件或步驟的存在。對元件的單數(shù)引用并不排除多個該元件的存在，反之亦然。在涉及數(shù)個部件的產(chǎn)品權(quán)利要求中，這些部件中的幾個可以由同一軟件或硬件實現(xiàn)。在互不相同的從屬權(quán)利要求中引述特定手段并不表示不可以使用這些手段的組合來獲取優(yōu)點。
18
權(quán)利要求
1.一種流體分離結(jié)構(gòu)(100)，包括基片(101)；多個在基片(101)上生長而成的納米線(102)。
2. 如權(quán)利要求1所述的流體分離結(jié)構(gòu)(100)，其中所述多個 納米線(102)基本相對于基片(101)的表面平面垂直延伸生長。
3. 如權(quán)利要求1所述的流體分離結(jié)構(gòu)(700)，包括覆蓋了多 個納米線(102)的覆蓋結(jié)構(gòu)(601， 602)。
4. 如權(quán)利要求1所述的流體分離結(jié)構(gòu)(700)，包括部分覆蓋 了多個納米線(102)并使得所述多個納米線(102)的尖端(701) 暴露的覆蓋結(jié)構(gòu)(601， 602)。
5. 如權(quán)利要求4所述的流體分離結(jié)構(gòu)(700)，其中覆蓋結(jié)構(gòu) (601， 602)被安排為部分覆蓋所述多個納米線(102)的橫向側(cè)壁。
6. 如權(quán)利要求4所述的流體分離結(jié)構(gòu)(700)，其中覆蓋結(jié)構(gòu) (601， 602)被安排為部分覆蓋基片(101)在所述多個納米線(102)之間的表面。
7. 如權(quán)利要求4所述的流體分離結(jié)構(gòu)(700)，其中覆蓋結(jié)構(gòu) (601， 602)包括電絕緣材料，特別地包括氧化硅，更特別地包括原硅酸四乙酯氧化硅材料和高密度等離子體氧化硅材料。
8. 如權(quán)利要求1所述的流體分離結(jié)構(gòu)(100)，其中基片(101) 包括半導(dǎo)體材料，特別地包括由IV族半導(dǎo)體、III族-V族半導(dǎo)體所 構(gòu)成的組中的一個。
9. 如權(quán)利要求1所述的流體分離結(jié)構(gòu)(100)，包括樣本儲存 器(104)，用于容納流體樣本(112)并使流體樣本(112)與多個 納米線(102)相互作用。
10. 如權(quán)利要求1所述的流體分離結(jié)構(gòu)(100)，包括電場發(fā)生 單元(106至108),用于產(chǎn)生電場以對流體樣本(112)的帶電或極 化微粒施加電力，使得帶電或極化微粒沿著基片(101)上的多個納 米線(102)移動。
11. 如權(quán)利要求1所述的流體分離結(jié)構(gòu)(100)，包括檢測單元 (115， 109)，特別地包括熒光檢測單元，用于檢測流體樣本(112)的與流體樣本(112)的至少一部分微粒分離開來的至少另一部分微 粒。
12. 如權(quán)利要求1所述的流體分離結(jié)構(gòu)(100)，其中所述多個 納米線(102)被排列在基片(101)的表面平面上形成二維納米線(102) 陣列。
13. 如權(quán)利要求12所述的流體分離結(jié)構(gòu)(1000)， 其中納米線(1001至1004)的二維陣列包括基片(101)表面平面上的多個部分(1005至1008)，其中在多個部分(1005至1008)的不同部分中相鄰納米線(1001 至1004)之間的距離是不同的。
14. 如權(quán)利要求12所述的流體分離結(jié)構(gòu)(1000)， 其中納米線(1001至1004)的二維陣列包括基片(101)表面平面上的多個部分(1005至1008)，其中在多個部分(1005至1008)的不同部分中納米線(1001 至1004)的直徑是不同的。
15. 如權(quán)利要求1所述的流體分離結(jié)構(gòu)(100)，其中在基片(101) 的平坦表面上生長多個納米線(102)，特別地在提供于基片(101) 上的催化劑斑點(103)上生長多個納米線(102)。
16. 如權(quán)利要求1所述的流體分離結(jié)構(gòu)(100)，其中多個納米 線(102)的相鄰納米線之間的距離(D)小于或等于2iim，特別地 處在100nm至lj 2um之間的范圍內(nèi)。
17. 如權(quán)利要求1所述的流體分離結(jié)構(gòu)(100)，適用于由測量 裝置、生化樣本分離裝置、DNA分離裝置、電泳裝置、生物傳感器、 片上實驗室、醫(yī)學(xué)設(shè)備、便攜設(shè)備、流體提純系統(tǒng)和生命科學(xué)裝置構(gòu) 成的組中的至少一個。
18. 如權(quán)利要求1所述的流體分離結(jié)構(gòu)(100)，其中多個納米 線(102)包括由半導(dǎo)體納米線、碳納米管、硅納米線和III族-V族 納米線構(gòu)成的組中的至少--種。
19. 制造流體分離結(jié)構(gòu)(100)的方法，該方法包括 在基片(101)上生長多個納米線(102)。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，包括 形成覆蓋多個納米線(102)的覆蓋結(jié)構(gòu)(601， 602); 通過移除部分覆蓋結(jié)構(gòu)(601， 602)來暴露多個納米線(102)的尖端。
21. 使用如權(quán)利要求1所述的流體分離結(jié)構(gòu)(100)來分離流體 樣本(112)的成分的方法。
22. 如權(quán)利要求21所述的方法，包括使用流體分離結(jié)構(gòu)(100)通過電泳分離流體樣本(112)的成分。
23. 如權(quán)利要求21所述的方法，包括使用流體分離結(jié)構(gòu)(100)來分離流體樣本(112)的DNA成分。
24. 如權(quán)利要求21所述的方法，包括使用流體分離結(jié)構(gòu)(100)來分離流體樣本(112)的蛋白質(zhì)成分。
全文摘要
一種電泳流體分離結(jié)構(gòu)(100)，包括基片(101)和生長在基片(101)上的多個垂直納米線(102)。
文檔編號G01N27/447GK101657717SQ200880012133
公開日2010年2月24日 申請日期2008年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月17日
發(fā)明者巴勃羅·加西亞·特略, 維賈亞拉格哈萬·馬達卡塞拉 申請人:Nxp股份有限公司