ES2630064T3

ES2630064T3 - Fabricación de nanoporos utilizando campos eléctricos potentes

Info

Publication number: ES2630064T3
Application number: ES13787530.8T
Authority: ES
Inventors: Wing Hei KWOK; Vincent TABARD-COSSA; Kyle Alexander Zarkel BRIGGS
Original assignee: University of Ottawa
Current assignee: University of Ottawa
Priority date: 2012-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2017-08-17
Anticipated expiration: 2033-05-07
Also published as: ES2629952T3; US9777389B2; KR20150037748A; WO2013167955A1; EP2847367A4; BR112014027829B1; AU2013257756B2; BR112014027873B1; SG11201407249XA; BR112014027873A2; CN104662209A; JP2018187626A; EP2846901B1; KR20150040799A; CN104662209B; MX357200B; MX2014013410A; AU2013257756A1; MX2014013412A; SG11201407252UA

Abstract

Un procedimiento para fabricar un único nanoporo en una membrana, que comprende: - seleccionar un potencial eléctrico que induce un campo eléctrico en la membrana, teniendo el campo eléctrico un valor superior a 0,1 voltios por nanómetro; - aplicar el potencial eléctrico a través de una membrana que comprende un material dieléctrico, estando sumergida la membrana en una solución que contiene iones; - monitorizar la corriente de fuga a través de la membrana mientras que se aplica el potencial eléctrico a través de la membrana; - detectar un aumento abrupto en la corriente de fuga a través de la membrana mientras se aplica el potencial eléctrico a través de la membrana; y - eliminar el potencial eléctrico a través de la membrana en respuesta a la detección del aumento abrupto en la corriente de fuga para detener la fabricación del poro.

Description

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DESCRIPCION

Fabricacion de nanoporos utilizando campos electricos potentes

La presente divulgacion versa acerca de una tecnica para fabricar un nanoporo utilizando campos electricos potentes.

Antecedentes

La nanotecnologfa se vale de nuestra capacidad para manipular la materia y fabricar una estructura de dispositivo a escala nanometrica. Los presentes procedimientos de fabricacion en estado solido que consiguen de forma reproducible un control dimensional a escala nanometrica a menudo son complejos e implican el uso de una infraestructura costosa, operada por personal muy cualificado. Por ejemplo, el problema de fabricar un agujero de escala molecular, o nanoporo, en una membrana aislante delgada de estado solido requiere el uso de partfculas concentradas de alta energfa, bien producidas mediante una maquina dedicada de haz ionico (escultura con haz de iones) o un microscopio electronico de transmision (perforacion mediante TEM). Aunque estos avances en la nanofabricacion han puesto la fabricacion de dispositivos de nanoescala con un control subnanometrico al alcance de laboratorios academicos, estan deficientemente adaptados para producir en serie agujeros en una membrana para crear nanoporos. Esto representa una importante barrera para la comercializacion de cualquier tecnologfa basada en nanoporos de estado solido para aplicaciones de ciencias de la salud, incluyendo una secuenciacion de ADN.

En el documento US 2010/0122907 A1 se proporcionan un procedimiento y un sistema de medicion de la conductancia de un nanoporo. El sistema tiene reservorios de fluido conductor separados por una barrera resistiva, que esta perforada por un unico poro de escala nanometrica acorde en tamano con una molecula de analito en al menos uno de los reservorios. El sistema esta configurado para que se haga pasar una corriente ionica a traves de los reservorios mediante un potencial aplicado y el poro puede ser tratado para que la superficie del poro pueda formar asociaciones con las moleculas de analito de interes para aumentar los tiempos de permanencia de la molecula de analito sobre o en el poro. El sistema tambien comprende un medio para medir la corriente ionica, corriente que puede ser bien directa o bien alterna en el tiempo, inducida por un potencial aplicado entre los electrodos en el campo conductor, en cada lado de la barrera. El sistema tambien comprende un medio para registrar la secuencia temporal de la corriente ionica como una serie temporal, que incluye periodos de tiempo cuando el poro se encuentra libre de obstrucciones y tambien periodos cuando las moleculas de analito provocan impulsos de menor conductancia. El procedimiento comprende procedimientos para delinear segmentos de la serie temporal de conductancia en regiones estadfsticamente coherentes con el nivel de conductancia del poro libre de obstrucciones, e impulsos de conductancia reducida, y tambien segmentos estadfsticamente estacionarios dentro de los impulsos individuales de conductancia reducida. El procedimiento tambien puede proporcionar etapas para interpretar el analisis estadfstico para producir parametros tales como tamano, masa y/o concentracion de al menos un tipo de analito en solucion.

Esta seccion proporciona informacion antecedente relacionada con la presente divulgacion, que no es necesariamente la tecnica anterior.

Sumario

La presente seccion proporciona un sumario general de la divulgacion, y no es una divulgacion exhaustiva de su alcance total ni de todas sus caracterfsticas.

Se proporciona un procedimiento para fabricar un nanoporo en una membrana dielectrica sumergida en una solucion que contiene iones. El procedimiento incluye: aplicar un potencial electrico a traves de la membrana, seleccionandose el valor del potencial electrico para inducir un campo electrico que provoca una corriente de fuga a traves de la membrana por lo demas aislante; monitorizar el flujo de corriente a traves de la membrana mientras se aplica el potencial electrico; detectar un aumento irreversible repentino en la corriente de fuga a traves de la membrana; y eliminar el potencial electrico a traves de la membrana en respuesta a la deteccion del aumento repentino en la corriente de fuga para detener la fabricacion del nanoporo.

En un aspecto, se detecta un aumento abrupto en la corriente de fuga comparando un valor de la corriente monitorizada con un umbral y luego interrumpir la aplicacion del potencial electrico cuando el valor de la corriente monitorizada supera el umbral.

En otro aspecto, la membrana esta dispuesta entre dos reservorios llenos de un fluido y, de ese modo, evita que el fluido pase entre los dos reservorios.

Tambien se proporciona un aparato para fabricar un nanoporo en una membrana. El aparato incluye: dos reservorios acoplados entre si de forma fluida por medio de un paso; un par de electrodos conectados electricamente con una fuente de tension, de forma que se disponga un electrodo en cada uno de los dos reservorios y el par de electrodos genere un potencial electrico a traves de la membrana; un sensor de corriente acoplado electricamente con uno de

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los electrodos y operable para medir la corriente que fluye entre los dos reservorios; y un controlador interconectado con el sensor de corriente, en el que el controlador detecta un aumento abrupto en la corriente medida y, en respuesta a la deteccion del aumento abrupto en la corriente medida, elimina la tension a traves de los electrodos.

Seran evidentes areas adicionales de aplicabilidad a partir de la descripcion proporcionada en la presente memoria. La descripcion y los ejemplos especfficos en el presente sumario unicamente estan pensados con fines ilustrativos y no se pretende que limiten el alcance de la presente divulgacion.

En otro aspecto, se proporciona un procedimiento para fabricar un unico nanoporo, que comprende: disponer una membrana que comprende un material dielectrico entre dos reservorios llenos de un lfquido, de forma que la membrana separa los dos reservorios y evita que el fluido pase entre los dos reservorios; aplicar un potencial electrico a traves de la membrana, seleccionandose el valor del potencial electrico para inducir un campo electrico que provoca una corriente de fuga a traves de la membrana; monitorizar la corriente inducida de fuga entre los dos reservorios mientras se aplica el potencial electrico; determinar una tasa de cambio de la corriente monitorizada; comparar la tasa de cambio de la corriente monitorizada con un umbral; e interrumpir la aplicacion del potencial electrico cuando la tasa de cambio de la corriente monitorizada supera el umbral, deteniendo, de ese modo, la fabricacion. El procedimiento puede comprender seleccionar un potencial electrico que induzca un campo electrico que tiene un valor superior a 0,1 voltios por nanometro. El procedimiento puede comprender seleccionar un potencial electrico que induce un campo electrico que tiene un valor en un intervalo de 0,1 a 1,0 voltios por nanometro. Se puede definir un fluido como iones disueltos en un disolvente acuoso. Se puede definir un fluido como iones disueltos en un disolvente organico. Puede no ser preciso que un fluido tenga una accion de ataque qufmico especffica hacia la membrana. El procedimiento puede comprender, ademas, controlar la ubicacion del poro formado en la membrana localizando la fuerza del campo electrico o la resistencia dielectrica proxima a una ubicacion deseada para el poro. El procedimiento puede comprender controlar la ubicacion del poro formado en la membrana reduciendo el grosor de la membrana en el area de una ubicacion deseada para el poro. El procedimiento puede comprender controlar la rectificacion del poro formado en la membrana en funcion de la acidez y de la conductividad del fluido.

Dibujos

La Figura 1 es un diagrama de flujo que muestra un procedimiento para fabricar un unico nanoporo segun la presente divulgacion;

la Figura 2A es un diagrama que muestra una configuracion ejemplar para fabricar un nanoporo; la Figura 2B es un diagrama de una pila flufdica ejemplar;

la Figura 3 es un esquema de un circuito ejemplar amplificador de corriente que puede utilizarse para fabricar un nanoporo;

las Figuras 4A-4D son diagramas que ilustran la fabricacion de un nanoporo en una membrana delgada mediante campos electricos potentes;

la Figura 5 es un grafico que muestra la corriente de fuga en la pila en relacion con el campo electrico aplicado;

las Figuras 6 y 7 son graficos que muestran un evento de creacion de poro en una membrana que tiene un grosor de 10 nm y de 30 nm, respectivamente;

la Figura 8 es un grafico que muestra curvas de corriente en funcion de la tension para tres nanoporos independientes fabricados en distintas membranas;

las Figuras 9A, 9B y 9C son graficos que muestran el tiempo hasta la creacion del poro como una funcion del potencial transmembrana para membranas que tienen un grosor de 30 nm, el tiempo hasta la creacion del poro como una funcion del pH para membranas que tienen un grosor de 30 nm, y el tiempo hasta la creacion del poro como una funcion del potencial transmembrana para membranas que tienen un grosor de 10 nm;

la Figura 10 es un diagrama de puntos del bloqueo medio de corriente normalizado en funcion del tiempo de translocacion total de multiples eventos de una unica molecula;

la Figura 11 es un diagrama que ilustra una tecnica para localizar la formacion de un nanoporo; y

la Figura 12 es un diagrama que ilustra otra tecnica para localizar la formacion de un nanoporo.

Los dibujos descritos en la presente memoria tienen unicamente fines ilustrativos de realizaciones seleccionadas y no de todas las implementaciones posibles, y no se pretende que limiten el alcance de la presente divulgacion. Los

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numeros correspondientes de referencia indican partes correspondientes en la totalidad de las diferentes vistas de los dibujos.

Descripcion detallada

La Figura 1 muestra un procedimiento sencillo y de bajo coste para fabricar un unico nanoporo con una resolucion subnanometrica (por ejemplo, 1-100 nanometros) en una membrana delgada. El procedimiento depende de aplicar una tension a traves de la membrana delgada en 12 para generar un campo electrico suficientemente potente para inducir una corriente de fuga a traves de la membrana. En algunas realizaciones, la membrana esta dispuesta entre dos reservorios llenos de un fluido, de forma que la membrana separe los dos reservorios y evite el flujo de lfquido entre los dos reservorios. Se monitoriza en 14 el flujo de corriente a traves de la membrana mientras se aplica el campo electrico. La creacion de un unico nanoporo (es decir, un canal flufdico que atraviesa la membrana) se indica mediante un aumento irreversible abrupto en la corriente de fuga. Para detectar la creacion del nanoporo, se puede comparar en 16 la corriente monitorizada con un umbral predeterminado. Cuando la corriente monitorizada supera el umbral, se elimina en 18 la tension aplicada. Por lo tanto, se puede configurar el tamano inicial del nanoporo principalmente en funcion del valor del umbral de la corriente, aunque a continuacion se describen adicionalmente otros factores que influyen en el tamano del nanoporo. Aunque se hace referencia a la formacion de un nanoporo, las tecnicas descritas en la presente memoria son aplicables mas en general a agujeros de diversos tamanos.

En las Figuras 2A y 2B se muestra el esquema de una configuracion ejemplar para fabricar un nanoporo. La configuracion comprende, en general, una pila flufdica 22; un par de electrodos 24 acoplados electricamente con un circuito amplificador 25 de corriente; y un controlador 26 interconectado con el circuito amplificador 25 de corriente. La pila flufdica 22 esta definida, ademas, por dos reservorios 33 acoplados entre si flufdicamente por medio de un paso 34, segun se puede ver de forma optima en la Figura 2B. El circuito amplificador 25 de corriente opera para crear un potencial entre los electrodos y medir el flujo de corriente entre los dos reservorios 33. En algunas realizaciones, se puede implementar el controlador 26 mediante un circuito 28 de adquisicion de datos acoplado con un ordenador personal 27 u otro tipo de dispositivo informatico. Por lo tanto, la configuracion es similar a la utilizada habitualmente para una deteccion biomolecular en el campo de deteccion de nanoporos. La pila flufdica 22 y/o todo el sistema pueden estar dispuestos en una jaula 23 de Faraday puesta a tierra para aislar el ruido electrico. La presente divulgacion contempla otras configuraciones para fabricar un nanoporo.

En la configuracion ejemplar, se utiliza un chip 31 de silicio para alojar una membrana 30. El chip 31 de silicio esta intercalado entre dos juntas 32 de silicona y luego colocado entre los dos reservorios 33 de la pila flufdica 22. En algunas realizaciones, la pila flufdica 22 comprende politetrafluoroetileno (PTFE) aunque se contemplan otros materiales. Se aplica una presion reducida a las dos juntas 32 por medio de la pila flufdica 22 para cerrar el contacto de forma estanca. Los dos reservorios 33 estan llenos de un fluido que contiene iones, y se insertan los dos electrodos 24 en los reservorios respectivos de la pila flufdica 22. Las configuraciones ejemplares pueden incluir, sin limitacion soluciones salinas a base de cloruro con electrodos de Ag/AgCl o soluciones de sulfato de cobre con electrodos de cobre. El fluido tambien podrfa ser un disolvente no acuoso, tal como 1 M de LiCl en etanol. El fluido puede ser el mismo en ambos reservorios y no necesita poseer una accion activa de ataque qufmico contra el material de la membrana. Tambien se conciben otros tipos de fluidos y de medios de colocacion de la membrana entre los dos reservorios, tales como una encapsulacion micro y nanoflufdica.

En algunas realizaciones, se puede colocar uno de los electrodos en contacto directo con la superficie de la membrana. En otras realizaciones, uno de los electrodos puede ser un nanoelectrodo que esta colocado para localizar el campo electrico en la membrana y localizar, de ese modo, la formacion del poro en la membrana. Tambien se comprender que se pueden utilizar mas de dos electrodos. Por ejemplo, se puede colocar un electrodo en cada reservorio con un tercer electrodo colocado en contacto directo con la superficie de la membrana. Tambien se contemplan en la presente divulgacion otras disposiciones de electrodos.

En algunas implementaciones, la membrana 30 comprende un material dielectrico tal como nitruro de silicio (SiNx). Preferentemente, las membranas son delgadas con un grosor de 10 nm o 30 nm, aunque la presente divulgacion contempla membranas que tienen distintos grosores. Las membranas comprendidas de otros materiales dielectricos, tales como otros oxidos y nitruros, que son utilizados habitualmente como materiales de puerta para transistores, tambien se encuentran dentro del alcance de la presente divulgacion. Asimismo, las membranas atomicamente delgadas tambien pueden estar comprendidas de otros materiales tales como grafeno, nitruro de boro y similares. Tambien se contempla que las membranas puedan estar comprendidas de multiples capas de materiales, incluyendo materiales dielectricos y/o materiales conductores.

En una realizacion ejemplar, el circuito amplificador 25 de corriente depende de un circuito amplificador de operacion sencilla para leer y controlar la tension y la corriente, segun se muestra en la Figura 3. Los amplificadores de operacion estan alimentados por una fuente de tension de ±20 voltios. En operacion, el circuito recibe una tension de mando (Vmando) entre ±10 voltios procedente de una tarjeta de adquisicion de datos controlada por un ordenador, que es amplificada a ±20 voltios, y establece el potencial a traves de la membrana. Tambien se puede medir el potencial aplicado (Vsalida) por medio del circuito amplificador 25 de corriente. El flujo de corriente entre los dos electrodos es medido en uno o ambos electrodos con una sensibilidad de pA. Mas especfficamente, la corriente es medida con

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una topologfa de amplificador de transimpedancia. La senal medida de corriente (Isaiida) es digitalizada por el circuito de adquisicion de datos y es suministrada continuamente al controlador. De esta forma, se monitoriza la corriente en tiempo real por medio del controlador, por ejemplo a una frecuencia de 10 Hz, aunque se puede utilizar una tasa de muestreo mas rapida para un tiempo de respuesta mas rapido, una vez que la corriente alcanza el umbral. Otras disposiciones de circuito para aplicar un potencial y medir una corriente se encuentran dentro del alcance de la presente divulgacion.

En la realizacion ejemplar, se configura el umbral de corriente para que coincida con el aumento repentino en la corriente para configurar el tamano mfnimo del nanoporo en el orden de 1 nm. En otras realizaciones, sin embargo, se puede configurar mayor el tamano del nanoporo, continuando la aplicacion de un potencial a traves de la membrana. Es decir, el tamano del nanoporo continua aumentando segun continua aumentando la corriente monitorizada. En vez de configurar el umbral de corriente para que coincida con el aumento repentino en la corriente de fuga, se puede configurar el valor del umbral de corriente a distintos valores para conseguir un nanoporo de distintos tamanos. Beamish y otros, describen adicionalmente una tecnica ejemplar para una adaptacion fina del tamano de un nanoporo en “Precise Control of the Size and Noise of Solid-state Nanopores using High Electric Field” Nanotechnology 23 405301 (2012), que se incorpora en su totalidad en la presente memoria por referencia. Tambien se contemplan en la presente divulgacion otras tecnicas y disposiciones para adaptar nanoporos.

En algunas realizaciones, se elimina el potencial electrico de la membrana antes del aumento abrupto en la corriente de fuga (es decir, antes de la formacion del poro). Por ejemplo, se elimina el potencial electrico despues de que la corriente monitorizada supera un umbral predefinido o despues de una cantidad especificada de tiempo pero antes del aumento abrupto en la corriente de fuga. De esta forma, el poro puede ser perforado o formado parcialmente en la membrana. Entonces, se puede utilizar el mismo procedimiento, o uno distinto, en un momento subsiguiente para completar la formacion del poro.

Las Figuras 4A-4D ilustran adicionalmente la tecnica para fabricar un nanoporo en una membrana 41. Para fines ilustrativos, la membrana 41 comprende nitruro de silicio que tiene, por ejemplo, un grosor, t, de 10 nm o 30 nm. Mas especfficamente, se puede depositar SiNx con bajo esfuerzo (<250 MPa) sobre un sustrato 42 de silicio con un grosor de 200 pm mediante una deposicion qufmica de vapor de baja presion (LPCVD). Se abre una ventana de 50 pm x 50 pm en el lado trasero de un sustrato mediante un ataque qufmico anisotropico con KOH. Se deduce la ausencia de danos estructurales preexistentes (por ejemplo, picaduras, nanogrietas, etc.) por el hecho de que no se mide corriente (es decir, <10 pA) a traves de una membrana con campos electricos bajos (por ejemplo, <0,1 V/nm) antes de la fabricacion del nanoporo.

Se puede fabricar un unico nanoporo aplicando un potencial constante, AV, a traves de una membrana 41. Se selecciona el valor del potencial electrico (por ejemplo, 4 voltios) para inducir un campo electrico que provoca una corriente de fuga a traves de la membrana. En este ejemplo, el potencial electrico produce un campo electrico, E, del orden de 0,5 V/nm, en la membrana, definiendose el campo electrico como E=AV/t, y aproximandose a la resistencia de ruptura dielectrica del material. Para otras situaciones, se concibe que el campo electrico sera mayor de 0,1 V/nm y probablemente en el intervalo de 0,2 - 1 V/nm. A estas fuerzas elevadas de campo electrico, se observa una corriente sostenible de fuga, Ifuga, a traves de la membrana, que, por lo demas, permanece aislante como campos electricos bajos. La Ifuga aumenta rapidamente con la fuerza del campo electrico, pero normalmente se encuentra en el intervalo de decenas de nanoamperios para las condiciones operativas, segun se muestra en la Figura 5. Se comprendera que la magnitud del potencial electrico necesaria para la creacion de poros puede variar dependiendo del material de la membrana, del grosor de la membrana, al igual que otros factores.

Con referencia a la Figura 4B, el mecanismo dominante de conduccion en la membrana dielectrica es atribuido a una forma de tunelizacion asistida por trampas de electrones suministrados por los iones en la solucion, dado que la membrana es demasiado gruesa para una tunelizacion mecanica cuantica directa significativa y la migracion de impurezas no puede producir corrientes duraderas. Tambien es improbable la migracion directa de iones de electrolitos, dado que, para una fuerza dada de campo electrico, se observan mayores corrientes de fuga para membranas mas gruesas. Se pueden producir cargas libres (electrones o agujeros) mediante reacciones redox en la superficie o mediante ionizacion de campo de iones incorporados. El numero de trampas cargadas disponibles (defectos estructurales) establece la magnitud de la corriente observada de fuga. La acumulacion de trampas cargadas producida por la ruptura de enlaces inducida por el campo electrico o por portadores de cargas energicas de tunelizacion da lugar a una via conductora muy localizada y un evento diferenciado de ruptura dielectrica, segun se muestra en la Figura 4C.

En la Figura 4D, se forma un nanoporo mediante la eliminacion de material de la membrana en el punto de fuga. La creacion de un unico nanoporo (es decir, un canal flufdico que atraviesa la membrana) esta indicada por un aumento irreversible repentino en la corriente de fuga, que se atribuye al inicio de la corriente ionica. Se utiliza un mecanismo de control de la informacion de retorno para eliminar rapidamente el potencial aplicado cuando la corriente supera un umbral predeterminado, Icorte. En una realizacion ejemplar, el umbral puede ser un valor fijo (por ejemplo, 110 nA). En algunas realizaciones, el umbral puede variar, por ejemplo dependiendo de la magnitud de la corriente de fuga. Por ejemplo, se puede configurar el umbral a un multiplicador (por ejemplo, 1,5) de la corriente de fuga antes de que se forme un poro. En otras realizaciones, el umbral puede estar definido como una tasa a la que cambia la corriente

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monitorizada (por ejemplo, ~10 nA/s para SiNx). Se comprende rapidamente que el valor del umbral puede variar dependiendo del material de la membrana, del grosor de la membrana, al igual que de otros factores.

Las Figuras 6 y 7 muestran tal evento de creacion de poro en una membrana de SiNx que tiene un grosor de 10 nm y de 30 nm, respectivamente. Estos resultados indican que el valor de Icorte ayuda a limitar el tamano inicial del nanoporo. Por lo tanto, un umbral estrecho produce nanoporos del orden de 2 nm en diametro o menores. Despues del evento de fabricacion del nanoporo, se puede aumentar el tamano del nanoporo con una precision subnanometrica aplicando impulsos cuadrados de campo electrico moderado de CA en el intervalo de ±0,2-0,3 V/nm. Esto permite que se adapte con precision el tamano del nanoporo para una aplicacion particular de deteccion.

Para deducir el tamano del nanoporo tras la fabricacion, se puede medir su conductancia ionica, G, y puede relacionarse con un diametro eficaz, d, suponiendo una geometria cilindrica y dando cuenta de una resistencia de

en la que a es la conductividad volumetrica de la solucion. Este

procedimiento, practico para nanoporos fabricados en lfquidos, proporciona una estimacion razonable del tamano del poro, que sale muy favorecido de una comparacion con dimensiones reales obtenidas a partir de imagenes de microscopio electronico de transmision (TEM), en particular para poros >5 nm.

Las curvas I-V se realizan en una ventana de ±1 V, en la que se puede ignorar sin problemas una corriente de fuga. La Figura 8 muestra una respuesta electrica ohmica. La mayorfa de los nanoporos exhiben curvas I-V lineales y ruido bajo 1/f tras una fabricacion en concentraciones muy salinas (por ejemplo, 1M de KCl). Los restantes nanoporos que muestran signos de mayor ruido o autocierre pueden ser acondicionados, aplicando impulsos moderados de campo electrico, para aumentarlos ligeramente hasta que se consiga un comportamiento ohmico en concentraciones salinas elevadas y con pH neutros. Las caracterfsticas I-V mostradas en la Figura 8 implican un perfil de poro de potencial electrico interno relativamente simetrico, que soporta la geometria simetrica con una distribucion uniforme de la carga superficial adoptada por el modelo de conductancia del poro, tambien confirmado por las imagenes de TEM.

Tambien se puede extender el procedimiento descrito anteriormente para fabricar nanoporos rectificando con un grado variable de rectificacion (es decir, se comportan como diodos que dejan pasar corriente en una polaridad, pero no en la otra). Por ejemplo, se puede rectificar un pequeno nanoporo (<3 nm) en soluciones muy acidas (por ejemplo, 1 M de KCl con un pH de 2). Si el poro es ruidoso, tambien se deberfa realizar en una solucion acida una aplicacion de impulsos cuadrados de campo electrico moderado de CA (por ejemplo, impulsos de baja frecuencia en el intervalo de 0,2 - 0,3 V/nm para nitruro de silicio con bajo esfuerzo) para acondicionar el poro. Esto mantiene las propiedades de rectificacion incluso cuando se aumenta el poro. Se puede aumentar el grado hasta el que se rectifica un poro reduciendo la conductividad de la solucion mientras se mantiene el pH acido, dado que la menor conductividad reduce el apantallado y hace mas importantes los efectos superficiales. Tambien se contemplan otras tecnicas para conseguir la rectificacion.

En cambio, aumentar la conductividad o pasar hacia un pH neutro reduce los efectos de la rectificacion. Ademas, el poro conducira mejor en la polarizacion opuesta a aquella en la que fue creado, mientras que la solucion en el poro comparta el mismo pH que aquella con la que fue creado. Se ha demostrado que invertir la solucion de acida a basica o viceversa invierte la direccion de rectificacion. Dadas estas observaciones, se pueden controlar la geometria del poro y las caracterfsticas de carga superficial regulando el pH de las soluciones y la polaridad de la tension a traves de la membrana.

Para caracterizar adicionalmente los nanoporos, se examino el ruido en la corriente ionica llevando a cabo mediciones de densidad espectral de energfa. De forma notable, el procedimiento de fabricacion puede producir sistematicamente nanoporos con niveles de ruido bajo-1/f, comparables con nanoporos completamente humectados perforados mediante tEm. Esto puede atribuirse al hecho de que los nanoporos se crean directamente en lfquido en vez de en un vacfo y, por lo tanto, nunca estan expuestos al aire. Hasta ahora, se han fabricado cientos de nanoporos individuales (por ejemplo, que varfan en tamano desde 1 hasta 10 nm) con caracterfsticas electricas comparables que son estables durante dfas. Se puede mantener la estabilidad de los poros almacenando los poros en una concentracion elevada de sal (por ejemplo, >3M de LiCl en agua o en 1 M de LiCl en etanol).

Es fascinante que el procedimiento descrito anteriormente desencadene la fabricacion de un unico nanoporo, en particular en una solucion acuosa de KCl, que no se conoce que ataque qufmicamente SiNx con un pH neutro, y dado que se conoce que una oxidacion anodica de semiconductores o metales produce conjuntos de nanoporos. Para esclarecer los mecanismos que dan lugar a la formacion de un poro en una membrana dielectrica, se investiga adicionalmente el procedimiento de fabricacion como una funcion de la tension aplicada, del grosor de la membrana, de la composicion electrolftica, de la concentracion y del pH.

Las Figuras 9A y 9B muestran el tiempo hasta la creacion del poro como una funcion del potencial transmembrana para membranas con un grosor de 30 nm, en 1 M de KCl tamponado a diversos pH. Interesantemente, el tiempo de fabricacion de un unico nanoporo aumenta de escala de forma exponencial con la tension aplicada, y puede ser de

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solo algunos segundos de duracion. Por ejemplo, al aumentar la tension desde 11 voltios hasta 17 voltios a traves de una membrana de SiNx con un grosor de 30 nm, se puede reducir el tiempo de fabricacion 100 veces. Al aumentar la tension desde 4 voltios hasta 10 voltios en una membrana con un grosor de 10 nm, se puede reducir el tiempo de fabricacion hasta 1000 veces. Por lo tanto, el aumento del potencial electrico aplicado reduce el tiempo de fabricacion. Pasa lo mismo con el campo electrico aplicado.

La composicion electrolftica tambien tiene un efecto drastico sobre el tiempo de fabricacion. En 1 M de KCl en agua, se redujo 10 veces el tiempo de fabricacion de una membrana de SiNx con un grosor de 30 nm cuando se va de un pH de 7 hasta un pH de 13,5 y se redujo 1000 veces yendo de un pH 7 a un pH 2 para una tension aplicada dada. En una membrana de SiNx con un grosor de 10 nm, el efecto del pH es menos pronunciado, con un cambio, como mucho, de 10 veces. Condiciones asimetricas de pH entre los dos lados de la membrana tambien afectan muchfsimo al tiempo de fabricacion dependiendo de la polaridad de la tension (es decir, se obtienen tiempos muy rapidos de fabricacion para: catodo/lado negativo con un pH elevado y anodo/lado positivo con un pH bajo; y se obtienen tiempos muy lentos de fabricacion para catodo/lado negativo con un pH bajo y anodo/lado positivo con un pH elevado).

La Figura 9C muestra el tiempo hasta la creacion de poro como una funcion del potencial transmembrana para membranas de SiNx con un grosor de 10 nm, tamponadas con un pH de 10 en diversas soluciones acuosas a base de 1M de Cl. De nuevo, el tiempo de fabricacion esta relacionado exponencialmente con el potencial transmembrana, pero el potencial requerido para formar un nanoporo se reduce ahora en ~1/3 en comparacion con las membranas con un grosor de 30 nm, con independencia de los distintos cationicos (K+, Na+, Li+) sometidos a ensayo. Los niveles de concentracion de la composicion electrolftica tambien tuvieron un efecto sobre el tiempo de fabricacion. Por ejemplo, en una membrana de SiNx con un grosor de 30 nm, se aumento significativamente (es decir, >100 veces) el tiempo de fabricacion a bajas concentraciones (~10 mM de KCl en agua) en comparacion con concentraciones elevadas de sal (1 M y 3M de KCl en agua).

No obstante, estas observaciones indican que el campo electrico aplicado, E=AV/t, a traves de la membrana es la fuerza motriz principal para iniciar la fabricacion de un unico nanoporo. Los campos en el intervalo de 0,4-1 V/nm estan cerca de la resistencia de ruptura dielectrica de pelfculas con bajo esfuerzo de SiNx, y son clave para intensificar la corriente de fuga que se piensa que provoca en ultima instancia la ruptura en las capas aislantes delgadas. La dependencia exponencial del tiempo hasta la creacion del poro del potencial implica la misma dependencia del campo, lo que es reminiscente del tiempo hasta la ruptura dielectrica en la dielectrica de puertas. En consecuencia, los mecanismos de ruptura dielectrica siguen: (i) una acumulacion de trampas de carga (es decir, defectos estructurales) por una rotura de enlaces inducida por el campo electrico o generada por la inyeccion de carga desde el anodo o el catodo, (ii) aumentar hasta una densidad crftica la formacion de una via conductora muy localizada, y (iii) provocar danos ffsicos debidos a una disipacion sustancial de energfa y al calentamiento resultante. El procedimiento mediante el que se fabrica un unico nanoporo en una solucion es similar, aunque se controlan los danos a nanoescala al limitar la corriente localizada de fuga, en el inicio del primer evento diferenciado de ruptura. En ultimo termino, se crea un unico nanoporo dado que, para un potencial transmembrana fijo, la via de formacion de un nanoporo experimenta una mayor fuerza del campo electrico durante el crecimiento, lo que refuerza localmente la tasa de generacion de defectos. Sigue sin estar claro el procedimiento mediante el cual se elimina material de la membrana, pero se podrfan disolver qufmicamente enlaces rotos por medio del electrolito, o despues de una conversion a oxidos o hidruros. Se puede explicar la dependencia del pH sobre el tiempo de fabricacion por el hecho de que se amplifica la ruptura con un pH reducido al producir la ionizacion por colision una avalancha electronica, debido a la mayor probabilidad de inyecciones de agujeros, o a la incorporacion de H+, del anodo, lo que aumenta la tasa de formacion de defectos estructurales.

Se llevan a cabo experimentos de translocacion de ADN para demostrar que estos nanoporos pueden ser aprovechados para el beneficio de la deteccion de una unica molecula. Se preve que el paso efectuado electroforeticamente de una molecula de ADN a traves de una membrana bloquee transitoriamente el flujo de iones de forma que refleje la longitud, el tamano, la carga y la forma de la molecula. En la Figura 10 se muestran los resultados utilizando un poro con un diametro de 5 nm en una membrana de SiNx con un grosor de 10 nm. El diagrama de puntos muestra la duracion del evento y el bloqueo medio de corriente de mas de 2.400 eventos de translocacion de una unica molecula de 5kb ADNbc. La cafda de tension es indicativa del diametro (~2,2 nm) de la molecula mientras que la duracion representa el tiempo tomado por una molecula para translocarse completamente a traves del poro. La forma caracterfstica de los eventos es indistinguible de datos obtenidos en nanoporos perforados mediante TEM. Los bloqueos cuantificados de corriente observados soportan decididamente la presencia de un unico nanoporo que atraviesa la membrana. Utilizando ADNbc (con un diametro de ~2,2 nm) como regla de tamano molecular, el valor de los eventos de bloqueo de un unico nivel AG=7,4 ± 0,4 nS, proporciona un diametro eficaz del poro coherente con el tamano extrafdo del modelo de conductancia del poro.

La fabricacion del nanoporo mediante una ruptura dielectrica controlada en una solucion representa un paso adelante importante con respecto a los actuales procedimientos de fabricacion, y podrfa proporcionar una via hacia la comercializacion de tecnologfa de nanoporo permitiendo la fabricacion en serie de bajo coste de dispositivos. Aunque se sospecha que el procedimiento de creacion de nanoporos es una propiedad intrfnseca de la membrana dielectrica, de modo que el nanoporo puede formarse en cualquier lugar sobre la superficie de la membrana, la

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comprension actual sugiere decididamente que se puede controlar la posicion del poro controlando localmente la fuerza del campo electrico o la resistencia dielectrica del material. Por ejemplo, esto podrfa conseguirse rebajando localmente la membrana, segun se indica en 110 de la Figura 11. El campo electrico a traves de la membrana puede estimarse como E = V/L, en la que V es la tension aplicada y L es el grosor de la membrana. Por lo tanto, la tension umbral para la ruptura dielectrica es tres veces menor para la region rebajada —garantizando que sea mas probable que se cree el nanoporo en esta region, dado que el tiempo de fabricacion esta relacionado exponencialmente con la fuerza del campo—.

En otro ejemplo, el campo electrico puede estar limitado a areas especfficas en la membrana, por ejemplo utilizando una encapsulacion de canales nano o microflufdicos. Con referencia a la Figura 12, los canales nano o microflufdicos 120 estan definidos en el lado superior de la membrana 41. Cada canal es direccionable independientemente tanto flufdicamente como electricamente. Se utilizarfan cuatro electrodos en el lado superior; mientras que solo se necesita un unico electrodo en el lado inferior. Se puede fabricar un nanoporo en cada canal independientemente y cuando sea necesario debido a que el campo electrico esta limitado a las regiones en el interior del canal. Este enfoque tambien permitirfa la integracion sencilla de nanoporos direccionables independientemente en un formato matricial en un unico chip. Se concibe que se pueden emplear otras tecnicas para concentrar el campo electrico en areas particulares, tales como la colocacion de electrodos directamente en contacto con la superficie de la membrana.

Se ha proporcionado la anterior descripcion de las realizaciones con fines ilustrativos y descriptivos. No se concibe que sea exhaustivo ni que limite la divulgacion. Los elementos o caracterfsticas individuales de una realizacion particular no estan limitados, en general, a esa realizacion particular, pero, cuando sea aplicable, son intercambiables y pueden ser utilizados en una realizacion seleccionada, aunque no se muestre ni describa especfficamente. Tambien se puede variar la misma de muchas formas. No se deben considerar tales variaciones como un alejamiento de la divulgacion, y se concibe que todas las modificaciones de ese tipo esten incluidas en el alcance de la divulgacion.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento para fabricar un unico nanoporo en una membrana, que comprende:

- seleccionar un potencial electrico que induce un campo electrico en la membrana, teniendo el campo electrico un valor superior a 0,1 voltios por nanometro;

- aplicar el potencial electrico a traves de una membrana que comprende un material dielectrico, estando sumergida la membrana en una solucion que contiene iones;

- monitorizar la corriente de fuga a traves de la membrana mientras que se aplica el potencial electrico a traves de la membrana;

- detectar un aumento abrupto en la corriente de fuga a traves de la membrana mientras se aplica el potencial electrico a traves de la membrana; y

- eliminar el potencial electrico a traves de la membrana en respuesta a la deteccion del aumento abrupto en la corriente de fuga para detener la fabricacion del poro.
2. El procedimiento de la reivindicacion 1, que comprende, ademas, seleccionar un potencial electrico que se aproxime a la resistencia dielectrica del material de la membrana.
3. El procedimiento de la reivindicacion 1, en el que la deteccion de un aumento abrupto en la corriente de fuga comprende, ademas, determinar una tasa de cambio de la corriente monitorizada y comparar la tasa de cambio con un umbral.
4. El procedimiento de la reivindicacion 3, que comprende, ademas, eliminar el potencial electrico cuando la tasa de cambio de la corriente monitorizada supera el umbral, deteniendo, de ese modo, la fabricacion.
5. El procedimiento de la reivindicacion 1, en el que la deteccion de un aumento abrupto en la corriente de fuga comprende, ademas, comparar un valor de la corriente monitorizada con un umbral y eliminar el potencial electrico cuando el valor de la corriente monitorizada supera un umbral, deteniendo, de ese modo, la fabricacion.
6. El procedimiento de la reivindicacion 1 que comprende, ademas:

- disponer la membrana entre dos reservorios llenos de un fluido que contiene iones, de forma que la membrana separa los dos reservorios y evita que el fluido pase entre los dos reservorios;

- colocar un electrodo en cada uno de los dos reservorios; y

- generar el potencial electrico utilizando los electrodos.
7. El procedimiento de la reivindicacion 6, que comprende, ademas, colocar uno de los dos electrodos en contacto directo con la membrana.
8. El procedimiento de la reivindicacion 1, que comprende, ademas, aumentar el potencial electrico aplicado para reducir el tiempo de fabricacion.
9. El procedimiento de la reivindicacion 1, que comprende, ademas, aumentar el campo electrico en la membrana para reducir el tiempo de fabricacion.
10. El procedimiento de la reivindicacion 6, que comprende, ademas, aumentar la concentracion de iones en el fluido para reducir el tiempo de fabricacion.
11. El procedimiento de la reivindicacion 6, que comprende, ademas, aumentar la acidez del fluido para reducir el tiempo de fabricacion.
12. El procedimiento de la reivindicacion 6, que comprende, ademas, aumentar la alcalinidad del fluido para reducir el tiempo de fabricacion.
13. El procedimiento de la reivindicacion 6, que comprende, ademas, cambiar la acidez del fluido en un reservorio con respecto al fluido en el otro reservorio para cambiar el tiempo de fabricacion.
14. El procedimiento de la reivindicacion 6, que comprende, ademas, regular la acidez del fluido en cada lado de la membrana para controlar la geometrfa y la caracterfstica de carga superficial del poro.
15. El procedimiento de la reivindicacion 6, que comprende, ademas, regular la polaridad del potencial electrico en la membrana para controlar la geometrfa y la caracterfstica de carga superficial del poro.
16. Un aparato para fabricar un unico nanoporo en una membrana, que comprende:

- dos reservorios acoplados de forma fluida entre sf por medio de un paso, estando configurado el paso para recibir una membrana que evita que el Ifquido pase entre los dos reservorios, comprendiendo la membrana un material dielectrico;

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- al menos dos electrodos conectados electricamente con una fuente de tension y operables para generar un potencial electrico a traves de la membrana, estando dispuesto en cada uno de los dos reservorios un electrodo de los al menos dos electrodos; y

10 - un sensor de la corriente acoplado electricamente con uno de los electrodos y operable para medir la corriente

que fluye entre los dos reservorios;

caracterizado porque hay interconectado un controlador con el sensor de la corriente, detectando el controlador un aumento abrupto en la corriente medida y, en respuesta a la deteccion del aumento abrupto en la corriente medida, elimina el potencial electrico a traves de la membrana.

15 17. El aparato de la reivindicacion 16, en el que uno de los reservorios esta separado de forma fluida en dos o mas

microcanales, teniendo cada microcanal un electrodo dispuesto en el mismo.