CN104335044A - 用于分子分离、纯化和检测的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明描述的装置和方法，用于在载体材料中形成一个或多个纳米膜，包括在纳米井或纳米管内的电活性纳米膜，或它们的组合。纳米孔/纳米通道可以通过在相应的纳米井中的电活性纳米膜来形成。所述电活性纳米膜是能够可控地改变尺寸、组成、和/或响应于电刺激的各种属性。各种实施例还包括使用含纳米膜的器件来用于分子分离、纯化、检测等的装置/系统和方法。
Description
技术领域
此发明实施例涉及以可调方式调节(多个)纳米井和/或纳米管中的(多个)纳米膜和/或(多个)纳米通道的形态(dimensionality)的装置和方法。所述装置和方法可以用于多种分子分析物的分离和检测的应用，例如用于纯化和/或定量例如蛋白质、离子和核酸的分析物。所述装置和方法还可以实现例如核酸测序的其它应用。
背景技术
分子的分离、纯化和检测的技术在过去数十年已经相当地发展。然而，这些设备通常仍需要使用昂贵的、易碎的、操作复杂的、和/或体积庞大的仪器，使得它们不能容易地被部署适用在室外、医生的办公室，或患者的床边。纳米技术和硅制造行业普遍的进步特别有助于克服这些挑战。例如，许多基于芯片的系统现在正在市场上销售，其可以实现类似蛋白质、核酸、离子和小分子的分子被处理、识别和量化。
一项持续的缺点是这些基于芯片的分子操作系统通常由于过于专业，因而只能用于单一的目的：它们可以量化DNA，但它们不能被用于纯化DNA；它们可以识别蛋白质，但它们的使用不能被扩展用以识别核酸。总之，一个可以用于分离、识别和/或定量分子的强大和通用的纳米技术系统目前还是不存在的。
附图说明
图1是根据本文说明的不同实施例的包括一个纳米井阵列的一个示例性设备的一部分的示意图。
图2A-2C显示了根据本文说明的不同实施例，使用一种或多种材料沉积的纳米膜和在一个示例性纳米井的侧壁上调节的示意图。
图3A-3D是显示了根据本文说明的不同实施例，使用图1和/或图2A至2C的设备的诱导分析物运动的方法的示意图。
图4A-4B显示了DNA测序的示例性的实施例。
图5A-5B显示了监测DNA杂交的示例性实施例。
图6A-6B显示了监测抗原和抗体结合的示例性实施例。
详细说明
本文的披露描述了用于分子操纵系统的一种装置和一些方法，其足够灵活因此可以被用来分离和纯化多样化的结构和化学性质的分子，例如蛋白质、核酸、离子和小分子。同一基础技术可以与例如光学和电学传感器相结合，用来识别和量化具有同上述的广度的分子。所述基础技术的进一步专业化也可以开启全新的应用，例如包括一个用于测序DNA和RNA分子的具有可高度扩展性和强大的系统。实现如此广泛功能的关键性创新是基于一种新的装置和方法，通过所述装置和方法可以制造纳米结构，特别是纳米膜，使得它们可提供可调的尺寸。这些可调的纳米膜还可以很容易地进一步被设计成可选择其体积和表面属性，和/或功能化，以实现对很大范围内的分子类型的操纵和量化。
如申请说明和权利要求中所用，除非上下文明确另外规定，单数形式的“一”、“所述”或不带具体数量的指称包括复数指代。在实施例中，除非上下文明确另外规定，术语例如“一阵列”或“所述纳米井”可以分别包括复数个阵列或复数个纳米井。
在实施例中，术语“向上”和“向下”含义只是为它们代表了一给定材料的一总体方向流动，而且在同样的环境中使用时，通常代表了相对的流动方向性。
在实施例中，术语“大部分”，如一个纳米膜的“大部分”或纳米膜的“大部分”属性，不一定意味任何绝对的比例，即关于给定属性的总体的多少是“大部分”以及和“大部分”不同的所剩余部分。一个非限制性的例子是，一纳米膜材料的薄膜可以层叠在另一膜材料的“大部分”上，使得所述薄膜占该纳米膜的总体积的5-10％。当它接收电活性诱导施加电刺激时，该薄膜可被诱导以占据同一纳米膜的总体积的40-50％。因此，“大部分”与非“大部分”必须是根据所提供的实施例的上下文。
“固体载体”、“载体”和“载体材料”，在此统指具有刚性或半刚性表面的材料或一组材料。在一些方面中，所述固体载体的至少一个表面基本上是平的，尽管在一些方面中，可能希望可使用的固体载体提供例如凸起区域、针、蚀刻沟槽、和/或类似物。多种材料可用于固体载体，其包括但不限于硅/硅衍生物、聚合物、陶瓷、玻璃、金属、和/或其它可能的材料。制造给定的固体载体可以使用多种材料。
固体载体可以被操作，使得其支撑一给定结构或复数个结构的(多个)模式可以在固体载体生产和使用过程中被改变。在实施例中，固体载体可以被进行例如化学或等离子体蚀刻的操作，来更改其支撑这些结构的三维方式。固体载体也可以被衍生化，以改变提供结构支撑的材料的组分。在一些实施例中，固体载体的衍生化可以通过已知可以修改其表面属性的一个或多个分子，使之更具疏水性、亲水性、离子不透过性、化学反应性、和/或电绝缘性。也可以使用相同或不同的分子，进行多次循环固体载体的衍生化。固体载体也可以被一种或多种材料涂覆。这种表面涂层也可以得到在实施例中所希望的固体载体，以使之更具疏水性、亲水性、离子不透过性、化学反应性、和/或电绝缘性。这些涂料可在一给定固体载体的制造和使用过程中反复的加入或去除。
一个“室”是在一个固体载体表面的一个空间。这个空间可以通过在一个固体载体的表面有效形成的某种类型的包封或单元来定义。一个室可以形成而具有基本上任何形态，并且还可以包括一个或多个入口和出口，例如以允许液体和/或气体可以通过固体载体的表面。多于一个以上的室可以被放置在固体载体的表面。室的制造可以使其很容易地被放置或去除，材料可以在它们之间被转移或者不能转移，等等。在一给定应用的过程中，这些室结构也可以被不限次数的修饰。室可以用与一给定应用相符合的任何材料来形成，其包括但不限于，例如硅/硅衍生物、聚合物、塑料、橡胶、陶瓷、玻璃、金属、和/或其它可能的材料。室的材料也可以在一给定固体载体的制造和使用过程中改变，其例如，但不限于，使用相同或不同的用于修饰固体载体的衍生化反应和涂层。
一个“阵列”是有意创建的在一个固相载体上和/或固相载体中的两个或更多个结构元件的集合。阵列的制造可以有多种方式，例如利用半导体制造工业中的各种不同的方法。因此，阵列可以具有各种不同的形式，例如包含两个或更多个电极、纳米井、纳米管、和/或沟槽等。一阵列既可以是一个宏阵列或一个微阵列，这取决于在固体载体上的结构元件的尺寸。一个宏阵列通常包含尺寸大约是300微米或更大的结构元件。微阵列通常包含尺寸小于300微米的结构元件。然而，应该指出的是，宏阵列和微阵列具有基本上相似的性质，现有技术中其区别在于例如它们的大小尺度、它们是如何制造的、和/或材料是如何沉积其上的。因此，术语“阵列”在本文中对于所述发明来说同时描述宏阵列和微阵列，并且可以理解的是，该术语并不旨在实际上表示任何大小规格或限制。一个阵列的总表面积可以显著超过在其表面上的结构元件的规模；例如微阵列可以占据固体载体上的多个平方厘米，和宏阵列可以占据固体载体上的不到一平方厘米。
“功能化的阵列”是指被分子进一步修饰的阵列。这些分子的制备可以经由合成、生物合成、和/或纯化，然后附着在一个阵列上使其功能化。功能化也可以“原位”进行，即所述分子在一阵列表面被原地合成、纯化等，例如但不限于，至少在最初是通过本文所述的电化学反应的一者或多者。在一个给定的阵列上用于功能化阵列的分子可以是相同的或彼此不同的。此外，功能化阵列可以采取各种形式，在实施例中，功能化阵列可以含有聚合物、可溶性分子库、和/或与聚合物相连的分子库。用于功能化的分子库可以包括，但不限于，蛋白质、酶、抗体、抗体片段、噬菌体核酸(DNAs，RNAs)、适体、肽、离子、小分子、药物、和/或它们的组合。示例性的酶可以包括激酶、磷酸酶、核酸酶(裂解DNA和RNA)、合成酶(例如，DNA聚合酶)、氧化酶(例如，葡萄糖氧化酶)、过氧化物酶、还原酶、和/或它们的组合。适合功能化的化学反应包括使用交联剂、异双功能交联剂、和/或光活化交联剂。也可使用其它化学反应，例如通过一个或多个相应的电极的电化学偶合反应。
一个“井”或“纳米井”是制造在一个固体载体中以形成一个凹陷的三维结构元件。一个井或纳米井的总尺寸可以根据制造方法和所用的固体载体的性质而有极大地不同。“井”描述了这个结构元件其最小尺寸(dimension)(如直径、深度)超过大约300微米。“纳米井”描述了这个结构元件其最小尺寸小于大约300微米。然而，应该指出的是，井和纳米井具有基本上相似的属性，现有技术中其区别在于例如它们的大小尺度、它们是如何制造的、和/或材料是如何沉积其上的。因此，术语“纳米井”对于本文所述发明来说在此处用来描述井和纳米井两者，并且应当理解的是，该术语并不旨在实际上表示任何形态规格或限制。类似地，两个或更多个实际的纳米井和/或井的阵列在本文指代概述为一个纳米井阵列，即使应该理解的是，井和纳米井两者都可以在同一固体载体中制造。虽然在本文附图中所示的纳米井具有一个基本上为圆形的横截面，这个形态实际上是用于说明为目的。一个本领域的普通技术人员将认识到，具有任何其它的规则的或者不规则的形态的纳米井也被构思，以适应本文说明的不同的实施例。实际上，纳米井可以具有基本上任何形态或对称性(不对称性)，并且仅受限制于，例如，用于制造一给定固体载体的制造方法的能力，或者其被用于的应用。因此，纳米井横截面的形态可以具有，包括但不限于，圆形、正方形、矩形、多边形、或任何其它合适的横截面形态，并且其横截面也可以为基本上不能辨别的形状。纳米井可以有垂直的侧壁。或者，纳米井可具有非垂直的侧壁，例如，具有一个或多个突出端、凹部、缘、台阶、杯、凸起、角度等，而且这些特征可以在沿着纳米井的侧壁上任何位置而不同。一个给定的固体载体可以被制造为具有一个纳米井，或具有纳米井的一个或多个阵列，并且这些多个纳米井可具有相同的或不同的形态和对称性(不对称性)。
如本文中所定义的，纳米井的横截面涉及此结构给定示例的平分穿过其侧壁的二维代表性视图。纳米井的侧截面涉及此结构给定示例的与其侧壁平行的二维代表性视图。然而，对于具有可变的/不规则的侧壁轮廓的纳米井，(多个)横截面和(多个)侧截面可以显著重叠。
不同的纳米井阵列配置可以被使用。在实施例中，纳米井阵列可以配置为周期性地或非周期性地。阵列中的纳米井可以对齐，为正方形、六角形、或任何其它图案，或可以缺少任何对齐或图案。纳米井阵列还可以在其表面的一部分上具有一种或多种图案，而其表面的其它部分的纳米井不具有任何特定的图案。
“管”和“纳米管”是一固体载体中形成的凹陷，它们缺少底，或者至少它们缺乏直接连接到侧壁的像纳米井的底面。因此，一个管或纳米管完全刺穿一个给定的固体载体。管和纳米管的总尺寸可以根据制造方法和所用的固体载体的性质而有极大地不同。一个“管”描述了这个结构元件，其最小尺寸超过大约300微米。一个“纳米管”描述了这个结构元件，其最小尺寸小于大约300微米。然而，应该指出的是，管和纳米管具有基本上相似的性质，现有技术中其区别在于例如它们的大小尺度、它们是如何制造的、和/或材料是如何沉积其上的。因此，术语“纳米管”对于本文发明来说用来描述管和纳米管两者，并且应当理解的是，该术语并不旨在实际上表示任何形态规格或限制。类似地，两个或更多个实际的纳米管和/或管的阵列在此文指代概述为一个纳米管阵列，即使应该理解的是，管和纳米管两者都可以在同一固体载体中制造。
如本文中使用的，纳米管的横截面涉及此结构给定示例的平分穿过其侧壁的二维代表性视图。纳米管的侧截面涉及此结构给定示例的与其侧壁平行的二维代表性视图。然而，对于具有可变的/不规则的侧壁轮廓的纳米井，横截面和侧截面可以显著重叠。
纳米管可以形成基本上任何形态，并且，如纳米井，它们的“深度”仅受限于形成其的固体载体的厚度。虽然在本文附图中所示的纳米管有一个圆形的横截面，这个形态实际上是用于说明为目的。一个本领域的普通技术人员将认识到，具有任何其它规则或者不规则的形态的纳米管也被构思，类似于纳米井，以包括本文说明的不同的实施例。当固体载体中形成一个以上的纳米管时，所得到的结构称为纳米管阵列。形成的纳米管的数量，它们相对于彼此的排列，和每个纳米管相较于其它纳米管可以是相同，或每个纳米管相较于其它纳米管是不同的，在实施例中都是可能的。一个或多个纳米管可以形成连接，连接可以为在一个室内、两个不同的室之间、任何数目的不同的室之间、和/或相互连接或断开的室的任何组合。
在给定固体载体中，纳米管可制造为成为另外两纳米管之间的连接。在给定固体载体中，在两个或更多个纳米管之间形成的这种“连接纳米管”的形态可以是不同的，如纳米管本身。这样，由于连接纳米管可和纳米管具有基本上相同的属性，连接纳米管也都在本文中也称为“纳米管”。
众所周知，在制造业，两个表面可以以精确的接合方向结合在一起，然后适当地固定在一起，使用例如夹子、胶水、焊接、和其类似方式。以此方式，三维结构元件可以由两个或更多个固体载体的结合以表面被连到一起而形成。因此，这些方法可用于例如制造由两个或更多个固体载体的结合而产生的纳米管和/或纳米井，以及其阵列。
“纳米通道”在本文中定义为在固体载体中由给定纳米管的侧壁和侧壁电极所包围的开放空间或空缺，以及在固体载体中由给定纳米井的侧壁和底壁，和侧壁电极和底部电极所结合的空缺。这样，给定的纳米通道的形态可以是随本文描述的可能的纳米管和/或纳米井结构的形态的极大范围而多样化。类似地，在给定的固体载体中的两个或更多个的纳米通道可以有相同的和/或显著不同的形态，就像所述固体载体中包围所述纳米通道的(多个)纳米管和/或(多个)纳米井可以具有相同的和/或显著不同的形态。纳米通道也可以由两个或更多个固体载体的组合而产生，就像纳米管和/或纳米井可以以同样的方式形成一样。
如本文中所定义，纳米通道的横截面涉及此结构给定示例的大体平分穿过其外周边的二维代表性视图，其外周边由纳米井或纳米管的侧壁、侧壁电极、底壁、和纳米膜的形态的给定组合构成。纳米通道的侧截面涉及此结构给定示例的大体平行于其外周边的二维代表性视图。然而，对于具有多变的/不规则的外周边轮廓的纳米通道，(多个)横截面和(多个)侧截面的视图可以显著的重叠。
如本文所用，“电极”是电活性表面，其可以用任何合适的导电材料来制造。当固体载体上放置多于一个电极时，如在阵列中，这些电极可以为相同的或者不同的导电材料。所述导电电极材料可以是，但不限于例如金属、导电聚合物、碳系导电结构，导电性复合材料、和/或它们的组合。示例性金属可以包括银、金、铂、铜、钛、铝、钨、和/或它们的组合。示例性的导电聚合物可以是聚乙炔、聚苯乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚苯硫醚、和/或它们的组合。示例性的碳系导电结构可包括碳薄膜、板、管、棒、巴基球、石墨、和/或它们的组合。示例性的导电性复合材料包括导电性的金属基体、环氧树脂、粘接剂、硅树脂、复合材料、弹性体、碳化塑料、和/或它们的组合。
可选地，电极可以由在电导之外可以进一步提供附加功能的一种或多种材料制造。在实施例中，金属可用于形成电极，所述电极在适当的分子的存在下能进行化学反应，使其被氧化或还原。这样的氧化或还原反应能导致电极具有正电荷或负电荷，其结果可以通过本领域多种已知的方法来监测。银金属在氯离子存在下发生的银/氯化银反应是在本领域中公知的一个例子，其显示了如何为纳米管和纳米井电极提供功能化。
电极可以经受一种或多种衍生化反应，被赋予除导电性之外的其它功能。在实施例中，金属如银和铂可与氧反应以形成氧化物。这样的金属氧化物可以进一步与例如本文所述的沉积的纳米膜材料进行反应，使得两种材料变成共价键合在一起。因此，通过选择哪些电极可以或不可以衍生化，这可以作为用于选择哪些电极成为或不成为一个沉积部位的一个方法。
电极也可以被涂覆一种或多种材料，以提供除了导电性之外的功能。在实施例中，电极可以被涂覆材料，以提供化学反应性、电钝化性、亲水性或疏水性的表面、电中性的表面、带正电或带负电的表面、等等。这种电极涂层还可以使得一个所期望的电极或一组电极被用作用于电化学合成的反应场所，和/或用于抑制相应(多个)电极参与一些实施例中的任何可能的化学反应和/或被一些实施例中的任何可能的化学反应所影响。
虽然应当指出的是，各种各样的其它附加功能化，衍生化的方法，以及涂覆方法对于本文所述的导电电极材料在现有技术中是公知的，并且这些也可以用来赋予超出所描述的实施例的功能之外的同样宽范围的功能。这样的功能化物、衍生物、和涂层可在制造和使用本发明提供的装置的过程中被反复沉积和去除。
每个纳米井和/或纳米管可以包括沿其侧壁上配置的一个或多个电极，其在本文中被称为(多个)“侧壁电极”。此外，纳米井可以具有在纳米井的底面配置的一个或多个电极，其在本文中被称为(多个)“底部电极”。在一些实施例中，一个或多个“偏压电极”也可包括在内。一个偏压电极是位于固体载体中一个或多个纳米井和/或纳米管的侧壁或者底壁之外的电极。因此，一个偏压电极或一些偏压电极可以被放置在固体载体的(多个)表面(即，一个给定的固体载体的不是纳米管或纳米井的区域)，和/或放置在所述一个或多个室中，所述室上附着或安装有所述固体载体。应注意的是，考虑到纳米管和纳米井可能的形态的范围，一个给定的电极是否是一个侧壁电极、底部电极或偏压电极可能是不明确的。另外，制造跨越纳米管或纳米井的多个表面(例如，跨越底部、侧壁和通向一个纳米井的表面外)的电极也可以是有用的。然而，这些类型的电极可以和明显定义的侧壁电极、底部电极和偏压电极具有相同的总体尺寸和电子属性。因此，这些类型的电极在此文被统称为侧壁电极，即使它们的特定位置可以不明确地限定于一个给定的侧壁的限制。
侧壁电极可以配置为任何形态，只要它们保持至少部分地被放置在一个给定的纳米井或纳米管的侧壁上。例如，侧壁电极可以制造成使得它们部分地或者完全地包围/环绕纳米管或纳米井的侧壁。侧壁电极也可以制作为具有基本上任何形态，例如为矩形、圆形、条带状、不对称等，并且每个侧壁电极可被独立电子操作。侧壁电极的形成也可以通过把一个电连接的电极断开为两个或更多个沿着所述侧壁的分段，其中所述断开的分段可具有由电阻材料所分隔的相同的或不同的形态。这种电阻材料可以是，但不限于，二氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺、光致抗蚀剂材料、以及它们的组合。侧壁电极彼此可以分开任何距离，只要它们在给定的侧壁范围内保持相关联。这些被分隔的电极可以连接到相同的或独立的电子元件上(在实施例中，电容器、电压源、电流源、电阻器、放大器、模-数转换器、传感器等)。侧壁电极也可以以任何配置被放置，使得它们形成由(多个)电绝缘材料分离开的电极叠层。这些叠层的电极，也可以连接到相同的或独立的电子元件上。在纳米管或纳米井阵列中采用的侧壁电极的种类可以相同或不同，其仅受限于用于形成它们的制造模式、对它们所预期的应用、与用来操作它们的电气控制装置的类型。
纳米井的底部电极的形态具有和侧壁电极类似的灵活性，只要它们在纳米井的底部范围保持至少部分地相关联。底部电极可以是任何形态，例如为正方形、圆形、环形、不对称形等。在多于一个底部电极被放置在纳米井中的情况下，所述电极也可以被放置成相互之间没有特定的图案，和/或所述电极也可以被图案化，如一个网格，如同心的元件等。当一个或多个底部电极被使用时，这些电极之间可以用一些电绝缘材料彼此分隔，所述电绝缘材料例如但不限于，二氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺、光致抗蚀剂材料、以及它们的组合。底部电极彼此可以分开任何距离，只要它们在给定的井或者纳米井的底部范围内保持相关联。底部电极也可以连接到相同的或独立的电子元件上。
偏压电极的形态和彼此相对的放置具有和此文所述其它电极类型类似的灵活性。
在固体载体上的一个或多个纳米管和/或纳米井内的所述侧壁电极、底部电极和偏压电极，不需要被制造成为与所述固体载体的表面齐平。在实施例中，这些电极可以被制造成使得它们被放在所述固体载体或室的内部凹陷内，和/或在局部表面上的延伸。类似地，这些电极本身可以形成所述固体载体或室的内部凹陷，和/或局部表面上的延伸。这些电极也可以被制造成使得它们一般在一个地方遵循固体载体局部表面的平面，但在另外一个(多个)地方则在所述固体载体或室的内部凹陷内，和/或在局部固体载体上的延伸。类似地，电极材料本身可以被塑造以进一步定义一个局部表面的拓扑结构，例如被制造成具有一个(多个)凹陷和/或延伸，其可能反映或不会反映局部固体支撑表面的轮廓。
在纳米管的情况下，一个或多个次级电极和/或偏压电极可以被用来作为(多个)伪底部电极。伪底部电极可以是在(多个)纳米井内的(多个)侧壁电极和/或底部电极，其朝向背离纳米管“上部”室。它们也可以是(多个)偏压电极，所述偏压电极位于包含纳米井的一固体载体一侧或两侧表面上，和/或在附着到固体载体一侧或两侧表面上的(多个)室内。伪偏压电极在其形态和相对于彼此的位置上具有和本文描述的其它电极类型所相同的灵活性。
在操作期间，所述侧壁电极和/或所述底部电极和/或所述偏压电极的每一个都可以独立地操作、串联和/或并联，以适应一给定的要求。这些操作模式还可以根据需要随时间而改变。本领域已知的为所有电子操作提供的额外电路也可被包含在固体载体中并且被连接到电极上。在实施例中，所述电极可以被连接到现有技术中的电子元件上，所述电子元件包括但不限于，由本领域中已知的任何适当的方式提供电连接的组件；控制和传递电压、电流和/或电阻；通过本领域已知的任何合适模式提供的振幅、频率和/或波形从不变到任何希望的变化；通过本领域已知的任何合适模式提供的信号检测、放大、降噪、平滑、模拟-数字转换、和/或任何其他信号处理；通过本领域已知的任何合适模式提供的模拟或数字格式的数据通信；通过本领域已知的任何合适模式提供的模拟或数字格式的数据存储；和/或上述的任何组合。
在两个固体表面被组合在一起以形成碳纳米管和/或纳米井的例子里，在行业内众所周知的，如果希望，则电路可以在两个固体载体的所得节点之间连接。例如，在半导体工业中，一种制造这种电连接的模式是采用被称为制造“倒装芯片”或“可控塌陷芯片连接”的一种技术。以这种方式，三维电子元件可以由表面被组合在一起而形成。因此，这种方法可用于例如形成一个或多个电极，所述电极的连接横跨由一个以上的固体载体的组合形成的管、纳米管、井、和纳米井。象所述电极这样的电子元件可以具有与在单个固体载体中的纳米井和/或纳米管的所述底部电极、侧壁电极和偏压电极全部相同的独立或非独立的功能。应当注意的是，在硅工业中通常形成倒装芯片的所述具体模式并不限制本文所描述的装置被制造的方式。组装两个或更多个固体载体也可以通过使用胶水、热熔等对于一给定应用合适的方式，以形成一种有可接受的稳定性和功能性的复合物。也可能希望的是，组装两个或更多个固体载体表面的原因不是为形成新的电连接。例如，表面可以被组装在一起只是为了形成其它的拓扑结构，其不进一步的修改已经现有的电极结构。在任何情况下，无论是如本文所定义把一个或多个固体载体组装以形成新的结构，无论为任何原因和/或通过任何方法，所形成的所得装置在本文中被称为是一个“倒装芯片”。
如本文所用，术语“膜”或“纳米膜”是指沉积在一个或多个电极上的一种电活性材料或材料层。如本文所用，膜或纳米膜沉积在其上的电极是一个“主电极”。主电极可以是一个或多个侧壁电极、底部电极、或偏压电极，或者这些电极的任意组合。这些主电极可以是以电子方式相互连接和/或可独立操作。一个“膜”通常是指一个电活性材料的层，其沉积在通常与管和井相关联的较大尺寸的电极结构上，而“纳米膜”是沉积在例如那些通常与纳米管和纳米井相关联的尺寸较小的电极结构上。然而，可以理解的是，膜和纳米膜属性基本上是相同的，除了由于它们的较大或较小厚度的不同和覆盖距离不同等。因此，术语“纳米膜”在本文中被用来同时描述膜和纳米膜，并且应当理解的是，该术语并不旨在实际上表示任何形态的规格或限制。类似地，在包含两个或更多个实际纳米膜和/或膜的纳米管和/或纳米井阵列的情况下，这样的系统在本文中被概括统称为包含纳米膜的阵列，尽管应该理解的是，这些结构的规模都可以在同一固体载体中被制造。
可以希望的是，在环绕纳米管和/或纳米井的内部的侧壁主电极上沉积“电活性纳米膜”。这些环绕的侧壁主电极可以直接在纳米管和/或纳米井中的侧壁上制造，或者它们可以由包含这些结构的部分的两个或更多个固体载体以本文所述的“倒装芯片”方法而组装形成。在任何情况下，在这样的环绕电极上所得到的沉积纳米膜可以形成沉积材料环，其也环绕纳米管和/或纳米井的内部。如本文中所定义，该装置和方法导致形成一个“环绕纳米膜”。本文提供的环绕纳米膜的视图被描绘为一个环形(即，基本上外观为圆形或环形)。然而，环绕膜实际上可沉积为任何形状。例如，当沉积在圆柱形表面上时，稀薄地沉积的一环绕纳米膜一般将符合此圆柱形。然而更厚地沉积的一环绕纳米膜可以为任意形状，其可能基本上会是或不是圆形的。应注意的是，一个或多个环绕纳米膜可以沉积在一给定的纳米管或纳米井的内部，如同一个以上的环绕电极可被置于与这些固体载体结构上。
如本文所用，除非另外指明，术语“纳米膜”通常在此披露中是指“电活性纳米膜”，尽管一个或多个非电活性纳米膜也可以和电活性纳米膜组合被使用。在实施例中，电活性纳米膜可以在本文披露的相应电极上的具电活性和/或非电活性的纳米膜上形成。在实施例中，非电活性纳米膜可以在本文披露的相应电极上的具电活性和/或非电活性的纳米膜上形成。
在任何情况下，给定的环绕纳米膜的存在有贡献于本文披露的纳米通道的形态，并且这种贡献可以变化，所述变化取决于给定的纳米膜的响应于所施加的电刺激的电活性。
环绕纳米膜的内部横截面的视图在本文中被描述为定义了一个基本上是圆形的一个空间。然而，由一个环绕纳米膜包围的纳米通道的内部横截面可以是基本上任何形状。因此，无论其内部横截面的形状，在本文中，由一个环绕纳米膜包围的纳米通道被定义为一个“纳米孔”。一个纳米孔沿其横截面和侧截面可以是任何尺寸的，只要它仍然是由一环绕纳米膜所包围。此外，虽然可以希望的是，纳米孔被制造成使得它基本上居中放置在纳米井或纳米管中，然而这不是必需的(在实施例中，一个或多个纳米孔都可以被放置在一个环绕纳米膜中任何地方)。应注意的是，一个或多个纳米孔可以形成在具有相对薄的侧截面的一个环绕纳米膜内。在这样的情况下，这样的纳米孔侧截面是相对小的(在实施例中，但不限于，几十到几百纳米的侧向截面)。类似地，一个或多个纳米孔可以形成在实施例中具有很长的侧截面的环绕纳米膜中，但不限于，在其侧截面跨越超过一毫米的一个环绕纳米膜中形成一个或多个纳米孔。一个给定的纳米孔的侧截面和横截面也可以在形成其的纳米通道的长度方向变化，只要其保持被纳米膜完全环绕。
术语“电活性”是指表现出电活性或响应于电刺激的材料的属性。本文所述的沉积的纳米膜材料或材料层可以是电活性的(即，具有“电活性”)，因为响应所施加的电刺激而进行形态的变化，所述电刺激为施加在其所沉积的一个或多个主电极上的例如电流、电压或电波形。然而，在系统中的沉积的纳米膜材料或材料层可以是非电活性纳米膜。应注意的是，纳米膜电活性也可以通过在非主电极的一个或多个电极上，在本文中所述“次级电极”上，施加电刺激而产生，这样的次级电极可以是一个或多个侧壁电极、底部电极、和/或偏压电极。此外，电刺激可以通过主电极和/或次级电极的组合来提供。
如本文所使用，“形态变化”描述了纳米膜的三维构象在一个或多个主电极或次级电极施加电刺激引起的任何改变。形态变化可以包括，但不限于，纳米膜的长度、厚度、宽度、弯曲、扭曲、循环等的增加和/或减小。这样的形态的变化可能会或不会伴随有纳米膜的密度的变化。这样的形态变化也可能会或不会伴随有纳米膜的分子组成、和/或化学键结构的变化。纳米膜的形态变化可能包含或不包含非共价结合的或共价结合的材料从它的表面上或在其内部结构中的添加或去除。因此，例如，形态变化的发生可以通过已存在的纳米膜的表面的或在其内部的只是一个分子的聚合或解聚。因此，在实施例中，如本文所描述的纳米膜的形态变化的规模，可以通过单个化学键的形成或断裂进行，和/或通过组分变化进行，该组分变化可以小至为与给定的纳米膜非共价和/或共价结合的单个分子的添加或除去。
如本文所用的，使用纳米膜的“电活性”，包含通过使用仪器和方法来控制电刺激施加于一所关注的一个电极上，以促使纳米膜的尺寸变化，所述电刺激为例如但不限于一个给定的电波形的电压或电流。本领域普遍已知有各种各样的提供电压、电流和电波形控制的装置和方法可以用于这种用途。这些设备和方法包括但不限于用于提供生成：直流电流，交变电流，调制为正弦波、方波、锯齿波等波形的电流或电压，循环伏安驱动电流或电压，恒定电压、恒定电流或恒定功率供给的电波形，任何振幅和/或频率类型的变化电压和/或电流，和/或在持续时间和/或脉冲数变化的电流、电压，以及它们的组合。虽然应可以理解的是，各种各样的装置和方法，而实现对施加电压、电流和/或电波形于电极控制的仪器和方法是本领域公知的，这些可供选择的广度在本文被概述指代为对于电极施加“电刺激”。
因此，在一个或多个纳米膜被沉积在纳米井的侧壁和/或底部、和/或纳米管的侧壁上的情况下，电活性纳米膜的或纳米膜的对于纳米通道的形态的贡献，可以因其受限于所施加电刺激而改变。
纳米膜可以通过各种各样的制造方法来沉积。非电化学方法包括，但不限于，喷涂法、气相沉积法、溅射法、旋涂法、沉淀法、通过例如热和/或光固的方式的原位聚合、多层沉积法使得井的一层被作为牺牲材料蚀刻掉以创造覆盖井的材料膜，等等。
这样的沉积膜可以位于和给定主电极很接近的但非共价的距离，或者它可以直接通过例如共价化学键连接于给定主电极。在后一种情况下，通常需要所述电极的组成材料能够发生化学结合，或者它已被衍生化和/或涂覆有一使得化学键形成可发生的材料。
可以沉积在主电极上的电活性纳米膜材料的例子包括，但不限于，在实施例中的电介质的电活性聚合物(例如，某些类型的有机硅和丙烯酸类弹性体)，在实施例中的铁电电活性聚合物(例如，聚偏二氟乙烯聚合物)，在实施例中的离子电活性聚合物(例如，某些导电聚合物、离子聚合物金属复合材料、以及响应凝胶)，和/或它们的组合。
当其被沉积的(多个)主电极上被施加电刺激时，一些沉积的电活性纳米膜材料可以被诱导而在沉积时改变其形态。当固体载体的(多个)次级电极上和/或(多个)室上的被施加电刺激时，一些电活性纳米膜的材料也可以被诱导而在形成过程中改变形态。
纳米膜也可以是电活性的，即这些膜在主电极上可以用一种可以电可调节的形态来沉积，其通过施加电刺激，诱导单体通过直接和/或间接的电化学反应形成化学键而成为聚合物。因此，这种电活性纳米膜是通过电化学方法沉积。某些单体通过电化学反应以形成如纳米膜这样的导电聚合物，这在本领域是众所周知的(参见Malinauskas et al.,Nanotechnology,2005)。因此，当足够的电刺激被施加到所希望的(多个)主电极上时，在溶液中与电极相接触的某些电活性单体分子，可被诱导以进行化学键的形成，造成一个纳米膜的沉积。所得到的纳米膜可以位于和一个或多个主电极很接近但非共价的距离，或者它可以直接共价连接于一个或多个主电极。如本文所述，一个电化学沉积纳米膜至少在最初是导电的，使得所施加在沉积的(多个)主电极上的电刺激可以通过纳米膜本身传播。因此，在主电极上施加的电刺激可以通过导电的纳米膜传播，使得其它单体至少在最初沿纳米膜表面在别处被加入到纳米膜，和/或聚合物被从纳米膜表面去除。出于这个原因，基于(多个)主电极上是否被施加电刺激，电化学反应下形成所述纳米膜的形态是可电调节的。
在例如电化学诱导沉积的稍后阶段所选择的一种或多种单体，可以选择其属性，使得所得到的聚合物材料具有减少的导电性或者至完全失去导电性。因此，可以选择这种类型的单体来有效地终止在一个给定的主电极上的电化学沉积反应。这样的过程可用于减少或消除一个或多个电活性纳米膜的形态的维持性，同时保持其它的电活性纳米膜的电维持性。
一些电化学沉积的纳米膜也可以选择包含一些材料，所述材料可以被诱导在所希望的沉积反应中改变其形态，所述沉积反应响应于(多个)次电极上所施加的电刺激。在这种情况下，一些因为过低而不能促进聚合物形成的电刺激，可以给予一个或多个次级电极通电(即，所述次级电极身不成为其上形成聚合物纳米膜的主电极)，但具有足够的电刺激以促进(多个)主电极上的纳米膜的形态/形成。同样地，上述次级电极也可以被衍生或涂覆，使得它们本身不进行电化学沉积过程，尽管其被施加的电刺激可诱导纳米膜的形成。
应注意的是，沉积无论是通过电化学或无电化学方式，某些沉积的电活性膜也可被解聚，或由非电化学和/或电化学手段去除其所沉积的材料。例如，沉积纳米膜可以使用如US 7638034专利中所述的高能中性原子束光刻/外延。
非电化学和/或电化学沉积的纳米膜可以选择性的包含具有刚性的材料，当一个或多个可调节形态的电极不再施加其电刺激驱动力于聚合物时，使得所述纳米膜保持一个所希望的形态。此外，纳米膜也可以包含具有刚性的材料，使得其形态调节被保持或者甚至在其制造后可所施加的电刺激驱动力影响而被进一步调节。
电可调纳米膜，无论是通过电化学或无电化学的其它手段来沉积，可以以几乎任何形态沉积。其形态的实施例仅受限于，如可用的制造方法、制造后该纳米膜的稳定性、可扩展性、得到一个给定应用的所需属性，等等。
在一个给定的淀积方法导致(多个)主电极上生成一个分子单层或类似的薄纳米膜的情况下，沉积的纳米膜的形态通常符合(多个)主电极自身的形态。然而，可以希望的是，采用沉积法来形成一个给定的纳米膜，其显著的突入纳米井或纳米管的内部。更深入地沉积的纳米膜可以具有各种形式，其包括但不限于，形成例如棒、环、楔、扇、层、管、圆筒、圆锥、交织线、片等等的结构。
生成连接两个或更多个电极的纳米膜可以通过电化学和其它沉积方法。在沉积材料是导电的情况下，所得到的连接两个或更多个电极的纳米膜基本上起到这些电极之间的电连接的功能。
在电化学聚合方法被用来驱动纳米膜沉积的情况下，侧壁主电极可以用作聚合物沉积的初始点，然后一个或多个次级电极可以适当通电以吸引正在生长的聚合物走向其表面。随纳米膜从所述主电极向一个或多个辅助电极延伸，这样的反应可停止在任何形态。所述淀积也可以继续进行，直至该膜接触而形成所述(多个)主电极和(多个)次级电极之间的导电桥。用于功能性的引导电活性聚合物生长的(多个)次级电极，这种情况下一旦纳米膜沉积在其上则成为(多个)主电极。
一种间接的，或耦合的电化学反应也可以被用来制造主电极上的纳米膜。在实施例中，间接电化学反应可包括1,4-苯醌的反应(见反应式I)，其由产生合成膜形成条件的各种耦合电化学反应的范围的一个例子的方式提供。在这种情况下，可以使用电化学，以1,4-苯醌反应产生电离的氢质子(即，产生含有H+，从而形成一种酸性溶液)。在该溶液中所得到的质子也可以驱动后续的纳米膜形成化学反应，在所述例子中，当单体、离子、和/或掺杂剂已被选择的情况下，局部酸性溶液可引起纳米膜形成。可以理解的是，其它的间接电化学反应同样可以用来引起纳米膜的形成，这些电化学反应可以通过主电极和/或次级电极被驱动，其可以涉及在所述任一个或两个电极上使用涂层和/或衍生，以保持纳米膜形成的局部化，等等。
反应式1
纳米膜可以具有特殊的机械属性或耐久属性。在实施例中，它们可以被制造成机械抗拉，或在例如被从水溶液移动到干燥的环境中时、被从水溶液移动到不同的离子强度或pH的环境中时、被从水溶液移动到有机溶剂中时，在经受航运和/或长时间贮存等时，容易出现一形态变化。
电化学沉积的纳米膜可以包括一种或多种聚合物、金属材料、和/或其它合适的材料，其可以从前体材料通过在电极上的电化学反应来形成。这些不同的聚合物和/或材料可以被制成不同的层，和/或它们可以被混合，使得它们的独特性质由纳米膜的一个区域到另一个被进一步融合。在一个实施例中，纳米膜可以是由单体前体材料通过在合适的电极上的直接/间接电化学反应来聚合形成。在其它实施例中，纳米膜可以包含具有金属材料的纳米膜，所述金属材料从前体材料通过电化学在一个或多个主电极上积聚，例如但不限于，金属离子和/或掺杂剂。
为了通过电化学沉积形成纳米膜，在实施例中，含有例如单体和/或离子型材料、和/或掺杂剂的一种或多种前体材料的反应溶液，可以被引入作为在与一个或多个主电极接触的溶液。主要包含有机溶剂和/或水性溶剂的溶液，可以用于递送单体、离子型材料和/或掺杂剂。通过在所述一个或多个主电极施加电刺激，一个或多个纳米膜可用其上的电化学反应而可调的制造。施加在一个或多个次级电极上的电刺激也可用于辅助(多个)主电极上的(多个)纳米膜的沉积。
如本文所述，(多个)纳米膜可以可调的形成，例如通过调整在电化学沉积法中的各种生产参数，所述参数包括但不限于，用于发生在(多个)电极上的电化学反应的电刺激、电化学反应的循环数目、每个循环的反应时间、电极的选择、前体材料的选择、以及制造过程中的其它可能的参数。其结果是，对于对应(多个)电极上的电化学沉积的(多个)材料，可调形成的(多个)纳米膜可以具有可调制量、可调尺寸、和/或可调属性和功能(例如，取决于所选择的单体和/或金属离子)。
在实施方式中，可以根据它们通过化学反应中的电化学反应属性，和/或它们形成所得到的纳米膜上所加的属性和功能，选择各种前体材料单体和/或衍生的单体、和/或离子型材料和/或掺杂剂。电活性膜前体材料的非限制性实例，可包括但不限于以下内容：
等。
根据使用的Rn取代基的选择，如本文提供的上述所列实施例材料所提供，所得电化学沉积的纳米膜可以因此具有一些属性，例如疏水性、亲水性、带电荷、化学反应性、金属结合性、含金属的，和/或它们的组合。因此，可以进行直接或间接的电化学诱导聚合反应和具有Rn基团的各种前体材料以及它们的组合可以被使用，其中Rn可表示(1)氢；(2)作为核心结构被制备到单体结构的一个或多个取代基；(3)一个或多个取代基，其中至少有一个是含有一组包括具有足够的碳链长度的饱和的或不饱和的烃类、或者它们的组合的疏水性基团；(4)一个或多个取代基团，其中至少有一个是含有一组包括羟基、羧酸基、磺酸基、硫醇、聚乙二醇、胺、或它们的组合的亲水性基团；(5)一个或多个取代基，其中至少有一个是包括含有羟基、羧酸基或它们的盐、磺酸基或它们的盐、硫醇、聚乙二醇、胺、或它们的组合的带电的基团；(6)一个或多个取代基，其中至少有一个是包括基团包括羟基、羧酸基、酯、活化酯、醛、酮、卤素、磺酸酯、硫醇、叠氮化物、以及烯烃、炔烃、磷烯、胺、或它们的组合的具化学反应性的基团；(7)一个或多个取代基，其中至少有一个是包括一组包含硫醇、乙二胺四乙酸(EDTA)、一乙二醇四乙酸(EGTA)、甘氨酸-甘氨酸-组氨酸肽、或它们的组合的可金属结合的基团；和/或选自(1)-(7)的任何可能的组合。下列实施例仅作为示例被提供，并没有对可通过电化学驱动的沉积反应来实现本文所形成的装置所能得到内容做出任何限制。
在实施例中，电活性膜前体材料可以在直接和/或间接的电化学反应作用下来产生疏水性纳米膜，所述电活性膜前体材料的非限制性例子可以包括(多个)聚合物前体，其可以包括一个或多个取代基，所述取代基例如具有足够的碳链长度的饱和烃和/或不饱和烃，以提供给定的所希望的疏水性。这样的取代基可以是相同的或不同的，并且它们不需要都提供疏水属性，或不需要都提供同样的疏水属性。
在实施例中，电活性膜前体材料可以在直接和/或间接的电化学反应作用下来产生亲水性纳米膜，所述电活性膜前体材料的非限制性例子可以包括(多个)聚合物前体，其可以包括一个或多个取代基，如羟基、羧酸基、磺酸基、硫醇、聚乙二醇、和/或胺，以用来提供给定的所希望的亲水性。这样的取代基可以是相同的或不同的，并且它们不需要都提供亲水特性，或需要都提供同样的疏水性。
在实施例中，电活性膜前体材料可以在直接和/或间接的电化学反应作用下来产生带电荷的纳米膜，所述电活性膜前体材料的非限制性例子可以包括(多个)聚合物前体，其可以包括一个或多个取代基，如羟基、羧酸基(和/或它们的盐)、磺酸基(和/或它们的盐)、硫醇和/或胺，以用来提供一给定的所希望的电荷，所述电荷可以由于其当被放置在一个缓冲液或一个给定pH值的缓冲液中的电离或缺乏电离而产生。在实施例中，在某些类型的纳米膜中的含胺的取代基，可被制成在一相同的或其它的缓冲液中具有正净电荷，而在某些类型的纳米膜中的含羧酸的取代基，可被制成在一相同的或其它的缓冲液中具有负净电荷。这样的取代基可以是相同的或不同的，并且它们不需要都提供带电性，或不需要都提供相同的电荷属性。
在实施例中，电活性膜前体材料可以在直接和/或间接的电化学反应作用下来产生具化学反应性的纳米膜，所述电活性膜前体材料的非限制性例子可以包括(多个)聚合物前体，其可以包括一个或多个的具反应性的功能化物的取代基，例如羟基、羧酸基、酯和活化酯、醛、酮、卤素、磺酸酯、硫醇、叠氮化物、烯烃、炔烃、磷烯和/或胺，以用来提供一给定的所期望的化学反应性。这样的取代基可以是相同的或不同的，并且它们不需要都提供化学反应性，或不需要都提供相同的化学反应性。在实施例中，所得到的化学反应性纳米膜可以进一步用作可以使次级分子附着其上的一个接口。
在实施例中，电活性膜前体材料可以在直接和/或间接的电化学反应作用下来产生具金属离子结合性的纳米膜，所述电活性膜前体材料的非限制性例子可以包括(多个)聚合物前体，其可以包括一个或多个取代基，如硫醇，其可以用来提供一给定的所希望的与金离子(Au+)结合的能力。这样的取代基可以是相同的或不同的，并且它们不需要都提供金属离子结合活性，或不需要都提供相同的金属离子结合活性。
在实施例中，电活性膜前体材料可以在直接和/或间接的电化学反应作用下来产生具金属离子结合性的纳米膜，所述电活性膜前体材料的非限制性例子可以包括金属离子。所述金属例子可以被包含在一溶液中，然后被沉积到一个带适当电荷的主电极上，使得在该电极上形成一增厚的金属层。这样的过程在本领域中有时被称为是电镀的一种形式。在实施例中，通过在主电极上施加适当的电刺激，电化学沉积的金属能够形成纳米膜。所公开的金属沉积的驱动使用本文所述的电化学聚合和/或纳米膜电活性反应所需的基本上相同的装置和方法。可能的差异可以是，但不限于，是否某些有机化合物被包括在一个用于合成膜的聚合反应的给定的试剂配方中，或另外的，一给定的金属离子的试剂配方被用于电化学沉积。在实施例中，金属化的纳米膜可被沉积，包括但不限于，金属沉积，如银、金、铂、钛、铜、铁、钨、铝等。
在实施例中，掺杂剂也可以被包括在电化学或非电化学纳米膜沉积中。掺杂剂可以被加入到一含有前体物质的反应混合物中。掺杂剂可以直接参与或可以不直接参与电化学反应，并且可以只以其被沉积的方式被“截留”于所得纳米膜内。掺杂剂可以包括，但不限于，分子，提高或限制纳米膜的导电率的分子(在实施例中，离子如H+、K+、SO4 -、Cl-、NO3 -、Cl-、I-、ClO4 -、PF6-、磺酸、质子酸、苯甲酸、丙二酸、金属离子，如cobaltabisdicarbollide的化学配位元素的金属离子)；提供原本不存在于主体纳米膜中的化学反应性位点的分子(在实施例中，硫醇、羧酸基、羟基)；可以交联或以其它方式提高纳米膜的机械强度或耐用性的分子，和/或增加或减小纳米膜对所选的离子、疏水性/亲水性分子、蛋白质等(在实施例中，羟基醚、酚醛树脂)的渗透性的分子；和/或增加或减少可以通过显微镜有效检查纳米膜的能力的分子(在实施例中，例如，但不限于例如金属和金属离子的掺杂造影剂，所述造影剂有助于使用扫描电子显微镜和透射电子显微镜的检查方法；掺杂可以使用紫外光、可见光、红外光、荧光染料、和/或量子点，以有助于光学显微镜检查放法)。
需要注意的是，用非基于电化学的方法沉积的电活性纳米膜，还可以包括一些材料，其可以提供如所述的如疏水性、亲水性、带电荷性、化学反应性、和/或它们的组合的属性。在实施例中，这些方法包括，但不限于，喷涂法、气相沉积法、溅射法、旋涂法、沉淀法、原位聚合法，其通过电化学或非电化学方式，所述非电化学方式例如热固化和/或光固化、多层沉积使得所述井的层作为牺牲材料被蚀刻掉以形成井上的材料薄膜，等等。
上述的前体材料、离子性物质、和/或掺杂剂的任何组合，可以用来实现所得的纳米膜的所述给定的所需机械、化学和/或电性能，无论所述纳米膜沉积是通过电化学或非电化学装置。此外，也可以采用这些组合，使得在给定的纳米膜的内部和/或表面上，所述属性通常是均匀的。也可以形成纳米膜，使得所述属性在纳米膜的内部和/或表面上是不均匀的。作为另一非限制性实施例，可沉积纳米膜，使得最接近其所形成的主电极的一部分的沉积材料具有属性(例如，为疏水性的，不带电荷的，和/或非化学反应性的)，最远离主电极的一部分的沉积材料具有不同的属性(如，为亲水性的，带电荷的，和/或化学反应性的)。在实施例中，纳米膜属性的非均匀分布，可以形成为，但不限于，层、斑块、渐变等。此外，这些属性可以随时间推移而改变其分布和/或性质，通过例如但不限于：施加电刺激以通过电化学驱动而添加、去除和/或改变所述纳米膜的材料；通过涂层、衍生化、和/或从沉积的聚合物中提取材料而添加或去除纳米膜中的材料；在一个或多个主电极和/或次级电极上施加电刺激，使得纳米膜结构的形态改变，并且使具有给定属性的斑块或材料层被覆盖上或被露出。
所述纳米膜，无论是通过电化学或非电化学方式沉积，可沉积为具有例如提供导电性的电性能；能够驱动电化学反应从而使分子通过化学反应而附着；能够驱动间接的化学反应，等。具体而言，可导电的纳米膜可允许电子通过，其方式在功能上类似于电子流过金属丝的方式。此属性可使得纳米膜被用作电传感器表面，用于感测纳米膜，或用于感测在纳米膜的表面上的点或突起，用于感测纳米膜的表面的生长板，等等。纳米膜可以是能够驱动电化学反应的，从而使分子通过化学反应而附着，所述化学反应包括产生功能化物的材料的氧化反应和/或还原反应。
纳米膜可以形成以驱动间接的化学反应，例如1,4-苯醌的反应，提供所述纳米膜可以通过沿着纳米膜表面的特定位置生产酸性或碱性溶液的方式。这些酸性或碱性溶液可以进一步用于催化后续的化学反应，所述化学反应包括但不限于分子的附着，所述分子可以为例如蛋白质、酶、抗体、凝集素、肽、氨基酸、修饰的氨基酸、脂质、核酸(单链和双链的DNA，RNA，适体)、核酸组分(核苷，核苷酸，其甲基化物/修饰物)、电离的盐、小分子、药物等，以及它们的组合。这些酸性和碱性溶液也可以进一步用于催化后续的化学反应，所述化学反应包括但不限于对这些纳米膜表面的这些点附着交联剂，其进一步可以被用于附着其它的分子。
纳米膜可以被合成而具有相对疏水性，使得像脂质的物质可与它们相关联，和/或它们可以支持形成跨越纳米膜纳米通道的脂质层(单层或双层)。例如，蛋白质可以插入疏水性纳米膜，以形成膜连蛋白。
纳米膜可以被合成为可螯合、协调、和/或结合金属离子，使得纳米膜金属化。在此之后，可以经由形成于其上的一个或多个主电极，和/或通过一个或多个次级电极来施加一个电流，使得电刺激可以加在纳米膜上。这些电刺激可用于驱动其它化学反应。此外，可以选择纳米膜材料，使得它的结构不被施加的电刺激所干扰。在实施例中，纳米膜的形成可使用一些材料，其需要高的阈值电刺激来诱发形态的变化，使得“低”电刺激可以被施加在其上而不会造成任何形态变化。
所披露的装置包括形成在纳米井/纳米管的所期望的电极上的一个或多个纳米膜。所述一个或多个纳米膜的每一个可以具有相同的或不同的所期望的属性和功能。所述一个或多个纳米膜可以通过同时的和/或顺序的电化学或非电化学沉积来生成。所述一个或多个纳米膜可以是均匀地或不均匀地混合在其形成过程中的纳米膜的单一的层和/或不均匀的层、区域、梯度等中。例如，两层纳米膜结构可包括第一纳米膜，其为电化学或非电化学形成于电极上，和形成在所述第一纳米膜上的第二电活性纳米膜。需要注意的是，纳米膜的材料和层的数量是没有限制的，任何数量的材料/层均可以在电极上形成，以提供所期望的属性、功能，和电活性纳米膜形成的可调的纳米通道或纳米孔。
在一个实施例中，形成多个纳米膜的方法可以包括以下步骤，例如，使用任何合适的沉积过程中选出的第一前体材料，在示例的电极上形成第一纳米膜，引入不同的前体材料，或在第二电活性纳米膜的沉积过程中用第二前体材料替换所述第一前体材料(其形成第一纳米膜)。所述第二电活性纳米膜可以具有所期望的属性和功能，其可以和所述第一纳米膜相同或不同。形成在相应的电极上的所述第一纳米膜、所述第二电活性纳米膜、和/或任何额外的纳米膜的每一个，都可以是相同的或不同的，例如，其每一个可以是具疏水性的、亲水性的、化学反应性的、金属结合性的、电荷结合(负或正离子)性的、含金属的等。
在一个示例中，示例性的装置可包括第一纳米膜，其为致密的、非导电性的、和/或无化学反应性的。与所述第一纳米膜进行比较，形成在所述第一纳米膜上的所述第二电活性纳米膜，可以是例如具多孔性的、传导性的、和/或化学反应性的。在另一个例子中，形成纳米通道/纳米孔的电活性纳米膜的表面上可以功能化。
在实施例中，纳米膜的沉积使得靠近纳米孔位置的材料具有化学属性，其和纳米膜的其余主体部分显著不同。其实现可以通过使用非电化学和/或非电化学手段。实现其的非限制性方法的示例包括采用非电化学方法，例如使用一种材料来喷雾或溅射纳米膜的“主体”，然后加一薄层其它材料，以在接近纳米孔的开口地方形成唇缘或边缘。电化学方式也可以用来使用一种材料来聚合纳米膜的“主体”，然后切换到一个不同的材料，以电化学方式沉积纳米膜薄涂层，来创建一个纳米孔，所述纳米孔的侧壁包含一个和纳米膜其余主体部分具有显著不同性质的材料。电化学、非电化学和/或纳米膜电活性诱导方法的组合，也是创建其侧壁具有和膜主体不同功能属性的纳米孔的可能例子。不论用何种方法创建它们，这些类型的纳米膜纳米孔可用于一系列的实施例。例如，作为一个非限制性的实施例，该方法可用于提供纳米孔，其侧壁形态可通过施加电刺激来调节，而其主体膜的形态是不可调的。这种方法可以提供对一个给定纳米孔侧壁形态的电刺激诱导的精细控制。在实施例中，这种方法也可以用来定位功能化物，例如接近一给定纳米孔的一特殊类型的化学反应性。这方面的一个非限制性的例子是创建一个纳米膜，使得功能化物(例如，抗体、蛋白质、酶、核酸等)的化学附着点仅位于一个给定纳米孔的附近。
如本文所述，电子电路可被用于诱导一给定的沉积纳米膜的形态变化。电子电路也可用于在一给定的主电极上进行电化学沉积电活性材料。在实施例中，对于可调的制造具有所期望的属性和/或功能的纳米膜的监控，可以通过电路实现，所述电路使用电连接到一个或多个主电极和/或次级电极上。电极的电路可以被配置为用于监测纳米膜的生成和/或监测分析物分子(在实施例中，离子性物质)在纳米膜中所得的纳米通道中的流动。监测过程可通过在一个或多个主电极和/或次级电极进行测量，包括通过穿过纳米膜本身的感测来进行。这样的测量可包括，但不限于，如电流、电阻、电压、电容、和/或它们的组合的测量。测量也可以通过监测在电极上和/或在纳米膜本身的离子物质的积累和/或分子群，包括监测与纳米膜和/或装置中的一个或多个主电极和/或次级电极相结合和/或相反应的分子。在实施例中，通过对一个或多个主电极和/或次级电极施加电压或电流，给定纳米膜提供的电阻率可以被测量。这些测量也可以用于监测和/或控制一给定的纳米膜在其制造中和/或制造后任何时间的电化学沉积过程和形态。
图1是根据本发明的不同实施例的纳米井阵列的一个示例性设备的一部分的示意图。图1中的该纳米井阵列可包括多个纳米井105，或当纳米井的底部不包含在内时的纳米管。该纳米井105可以位于固体载体材料108中，例如，半导体固体载体材料或用于集成电路(IC)设备的任何合适的半导体材料，其中，通常可以使用标准的半导体制造技术。载体材料108可以是适合于集成纳米井、纳米管、纳米膜和/或生物样品。半导体材料108可具有刚性或半刚性的一个或一些表面109。一个示例性的纳米井105包括一个(多个)侧壁电极130、132、134、136，其可以进一步包括例如底部电极112。
图2A-2C是根据本文多个实施例显示了在一示例纳米井的侧壁上沉积纳米膜的示意图。如图2A所示，设备200A可以包括一示例性纳米井，其包括沉积了纳米膜240的侧壁电极。沉积纳米膜可以使用此处所述的各种材料沉积技术。沉积可以为电化学诱导或非电化学诱导。不管使用何种沉积技术，该纳米膜240可以是一种电活性纳米膜。如图2B所示，纳米膜240可以进一步沉积为在相关联的电极上具有所要求的厚度。如图2C所示，第二纳米膜层260可以是，例如，响应于合适的电刺激而电化学沉积在所述第一纳米膜240上，所述电刺激例如为施加到相关联的电极或以其他方式施加到所述第一纳米膜240上的电压或电流。在实施例中，所述第二纳米膜层可以是，例如，由相对于纳米膜的第一层而言具有不同特性的材料制成。它也可以是，例如，形成一个给定的纳米井的侧壁的薄涂层的一个层。
所披露的装置/设备和方法可用于广泛的应用中。以下仅是此类应用的实例，且这些没有以任何方式限制本文提供的设备和/或方法的其它应用程序的范围。
如本文所用，“分析物”是包含一个或多个分子，其包含但不限于例如蛋白质、酶、抗体、凝集素、肽、氨基酸、修饰的氨基酸、脂质、核酸(单链和双链DNA、RNA、适体)、核酸组分(核苷、核苷酸、其甲基化物/修饰物)、电离的盐、小分子、药物、和/或它们的组合。较大的分析物也是可能的，其包括量子点、珠子、颗粒、小泡、脂质体、细胞内的粒子(例如，核、核内体、线粒体、内质网、溶酶体、高尔基体、核糖体、蛋白质复合物、蛋白质/核酸复合物)、细胞、病毒、细菌、霉菌、真菌和/或它们的组合，但对所得组合的形态不做限制。分析物的配方可以为较大范围。在实施例中，它们可以在有机溶液和/或水溶液中、在气体中、在粒子中/上等等、在混合物中、和/或它们的组合。
在一组实施例中，本文所述的装置和方法可以用于，但不限于应用程序，其包括那些对一种或多种分析物的制备、分离、分隔、过滤、排除、包容、组合、反应、结合、解除结合、分离、等等，可以单独进行和/或组合进行的过程，所述在本文中相对于分析物相关的过程被统称为分析物与纳米膜的“相互作用”。因此，分析物在本文中通常使用术语描述其为被导致与一个纳米膜相互作用。然而，应当理解的是，根据相同的术语，分析物其实也可以在任何给定时间被导致与任意数量的纳米膜进行相互作用。类似地，应当理解的是，如本文所述分析物可被导致在纳米通道内“移动”，无论所述纳米通道是否含有纳米膜，并且该相同的术语还描述了所述分析物可以被导致在给定时间里在任何数量的纳米通道内“移动”。
分析物和其它分子可以被导致以许多方法在纳米通道里“移动”。在实施例中，分析物的分子运动可以是被动的布朗运动驱动的扩散。通常可以通过提高或降低含有分析物的溶液或气体的温度，来增强或减慢这种被动扩散。温度控制可以通过对于用于给定应用的固体载体、室、泵系统、环境控制系统等等其上或周围的元件的加热和/或冷却。
在实施例中也可以施加电刺激，该电刺激例例如但不限于通过一个给定纳米膜的电压或电流，使得分析物和其它分子被施与电泳力，该电泳力能够使其移动走向、离开、和/或者通过给定的纳米通道。这样的条件下分析物和其它分子进行电泳，分析物和其它分子需要带有至少或正或负符号的一个瞬时电荷或净电荷，使得它们被相反极性的(多个)电极吸引，并被相同极性的(多个)电极排斥。这样的分析物运动可以通过例如使位于纳米通道中给定纳米膜“上面”的一个或多个电极电偏振，使得它或它们与该纳米膜下面的一个或多个电极具有相反极性(即，为正或负符号，以用作阴极或阳极)。可以在每个纳米通道的(多个)纳米膜上按需要施加相同或不同的电压，使他们出现在一个给定的纳米管和/或纳米膜中。这种电刺激的波形态、振幅、频率、持续时间等以及它们的组合可以是不变的和/或可变的。这些变化可以是反复的，或也可以随时间变化。该分析物运动诱导的电刺激可以用于使(多个)示例性分析物电泳，以给定速率移进或移出一个给定的纳米通道，其可以通过例如但不限于，施加更高的偏压以使给定的分析物类型以比较低偏压所得到的速率更快的速率移进或移出(多个)纳米通道。分析物运动驱使的电刺激的符号也可瞬时交替，以扭转已经进入或堵塞纳米通道的一个电离分子的路径。同样，这样的电刺激可以在一段时间内被逆转，以驱动例如电离分子移出纳米孔，使得之前被电泳移入所述纳米井的此离子在之后一时间段内形成的浓度梯度可以减少。同样，这样的电刺激以在一段时间内被逆转，以驱动一个给定的纳米管相连的一个或多个室内的电离分子，使得它们移动到一个给定的纳米管的另一端部的一个或多个室内。应该注意的是，电刺激驱动的分析物运动也可用于移动一个给定的纳米通道内的分析物。在实施例中，施加的电刺激可用于移动分子，使其从纳米井的底部移动至一个或多个侧壁电极上，从侧壁的一个部分移动至另一个部分，从一个纳米管移动至另一个纳米管，从一个纳米管移动至一个或多个纳米井，等等。本领域技术中对于毛细管电泳、毛细管区带电泳和凝胶电泳的设备和方法可被用于实现这些实施例中的分析物电泳移动。这些电泳力也可以用于从一个或多个室内“推动”或“拉动”分析物和其它分子，并使其进入一个或多个纳米通道。例如，在实施例中，可以在一个或多个偏压电极上施加电刺激，使得这些刺激和纳米井中的一个或多个侧壁电极或底部电极“配对”，或在纳米管的情况下，使其和纳米管的另一端的一个或多个侧壁电极或偏压电极“配对”。这样的配对包括施加电刺激，以使配对的成员符号相反(即包括该配对中的一“方”的电极具有正符号/极性，而包括配对的另一方的其它电极具有负符号/极性)。这样的配对可以被用来吸引或排斥电离的具有正或负电荷的分析物，以流向相反符号/极性的配对的电极一侧。用于描述吸引或排斥带电分析物和其它分子走向或远离纳米通道的能力的本实施例，无论其是否含有纳米膜，在本文中被称为利用施加电刺激以建立一个“离子漏斗电流/电压”。在实施例中，当有一离子漏斗电流/电压被用于吸引分析物和其它分子远离一室并通过一给定纳米膜时候，离子漏斗电流/电压配对的电极中的一个被置于纳米膜“上面”，而离子漏斗电流/电压配对的电极中另一其它电极被置于该纳米膜的“下面”。
本领域中很多技术也可用于产生机械压力，用来在给定纳米膜的表面上移动分析物或移动分析物穿过给定纳米膜。在实施例中，移动分析物的机械压力可以通过使用泵、真空、加压的液体、加压气体、离心等以及它们的组合来提供。本领域中关于液相色谱法，包括低压、高性能/高效液相色谱法，和其类似的装置和方法，通常适用于移动液体中的分析物。在其它实施例中，本领域中关于气相色谱法和其类似的装置和方法，通常适用于移动气体中的分析物。
分析物在(多个)表面上移动的另外一方式是使用给定纳米膜的形态电可调的能力。在实施例中，一个给定的纳米膜可经受施加电刺激的振荡，使其“搅拌”一个给定的溶液或气体，或以其它方式在一个给定的溶液或气体中移动。类似地，纳米膜的基团可经受施加电刺激的振荡，使得它们大致“扫动”分析物，或以其他方式移动分析物，使分析物以脉动、蠕动、和/或波浪状的方式横跨或穿过一个给定的纳米膜或纳米通道。
应当理解的是，分析物可以被诱导以移动通过一个纳米通道的这些模式，都可以根据需要进行显著调节。因此，在实施例中，分析物相对于给定纳米膜的运动，可以被诱导成为实质上为单向的、双向/可逆的、随机的、等等，以及它们的组合，并且这些动作也可以根据一给定应用的需要来改变他们的力、频率和持续时间。进一步的，在实施例中，可以使用本文所描述的分析物运动诱导装置和方法中的一者、或两者或更多者的组合，来移动分析物。
在实施例中，可以用一种或多种方式来诱导分析物的运动以使其进入和/或穿过一给定纳米通道，包含所述给定纳米通道的一个或多个电可调纳米膜的多种多样的组合，可以提供有用的应用。这些应用包括但不限于下列实例。
在实施例中，纳米通道内的一个或多个纳米膜可被布置而形成一个屏障，使得仅有足够小的分析物才可以穿过它们形成的纳米通道。包含一个给定电荷的纳米膜(在实施例中，包含具有正电荷或负电荷的分子)的障碍，也可以被构造，而使得它们仅让具有类似电荷的分析物可以相对不受阻碍地通过，而和此纳米膜具有相反电荷的分析物会被延迟和/或不可运动。类似地，纳米膜可以被构造而具有一定程度的疏水性或亲水性，使得它们可以阻碍或不阻碍具有一合适疏水性或亲水性的分子的流动，或使其呈现不动。
纳米膜可以在一个给定的纳米通道内来构造，然后在纳米通道内和附近的主电极上和/或次级电极上施加适当的电刺激，使得从纳米通道的一部分到另一部分形成pH值梯度/电荷梯度。在这样的梯度内移动的分析物，尤其是当其受电泳力时，可以在其中的电荷被有效中和的纳米通道的一部分处而不可运动(例如，当一个给定的分析物移动到纳米通道内的与其等电点相同的一个位置)。在本领域中的对于等电聚焦的装置和方法可以用于构建这些类型的实施例。
一个给定的纳米膜也可以被功能化，以结合通过的分析物。在实施例中，它们可以被一些分子功能化，所述分子如抗体、抗体片段、适体、凝集素、噬菌体等，使得在适当的条件通过的分析物可以被延迟，或呈现不动。
给定的纳米膜还可以用化学反应性分子进行修饰，使得它们在适当的分析物通过的时候与其作用。在实施例中，修饰纳米膜可以用酶、反应性化学物质等，使它们在适当条件下对通过的分析物实施化学反应。
给定的纳米膜可被构造成使它在给定的时间执行一个以上的所期望的功能或功能的组合。在实施例中，纳米膜可以被构造成使其结合一给定电荷的分析物，同时其还阻碍给定尺寸的分析物的通过。在实施例中，功能的许多其它组合也是可能的。
在此描述的装置和也方法可以用于改变一给定纳米膜的可调属性。在实施例中，一个给定的纳米膜可以实时地、逐步地和/或分布在一个连续或梯度的方式可控地改变其形态，使得尺寸逐渐变大或变小的分子被允许通过给定的纳米通道。类似地，给定纳米膜的带电性、疏水性、亲水性等，也是可以改变的，以影响分析物与给定纳米膜随着时间的推移相互作用的方式。
通过电可调的方式改变一个给定纳米膜的属性，使得已经结合的分析物被解除结合，也成为可能。这样的方法也可以是渐变的，其可以通过电刺激引起的逐步的、分布在一个连续或梯度内的变化，使得它们能够让分析物以特定分组和/或从其他分组中分离开的形式解除结合。在实施例中，这样的方法可包括电化学反应的诱导，使得分析物随着纳米膜解聚而解除结合。一个纳米膜也可以被电诱导而改变其形状，使得分析物被释放。
在此描述的装置和方法也可以使分析物通过电泳力解除结合。在实施例中，通过在装置里纳米膜沉积其上的主电极(即，通过一个给定的纳米膜电导性提供的电泳力)、和/或一个或多个次级电极上施加电刺激，分析物可以被施与足够的力，使得它们从纳米膜上解除结合。
可以由从一个给定的纳米膜上通过合适的流体(或气体，或它们的组合)来使分析物解除结合。通常从带电纳米膜和/或蛋白质、适体修饰的纳米膜上解除带电分析物，可以通过施加含有离子化分子的溶液(在实施例中，含有溶解的盐的水溶液)。类似地，通常从具疏水性和/或亲水性的纳米膜上解除分析物，可以通过施加使含有疏水性/亲水性分子稳定化/溶解化的试剂的溶液(在实施例中，乙醇、二甲基亚砜、洗涤剂、盐)。在实施例中，这样的方法可以为渐变的，使用被逐步加入的、分布在连续或梯度内的方式的试剂等，使得它们能够让分析物以特定分组和/或从其他分组中分离开的形式解除结合。在实施例中，本领域中的所述装置和方法，特别是离子交换色谱法、包括低压、高性能/高效液相色谱法、过滤等，可用于使其中带电分析物解除结合的这些类型的应用。在实施例中，本领域中的所述装置和方法，特别是反相色谱法、包括低压、高性能/高效液相色谱法、过滤等，可用于使其中疏水性的和/或亲水性的分析物解除结合的这些类型的应用。
改变一个纳米膜(或通过纳米膜的溶液或气体或它们的组合)的温度，也可以用来使一些分析物解除结合。在实施例中，这样的方法可以被渐变化，通过直接加热和/或电刺激引起逐步的、分布在一个连续或梯度内的变化，使得它们能够让分析物以特定分组和/或从其他分组中分离开的形式解除结合。
改变施加到一个给定纳米膜的机械压力，也可以用来使一些分析物从给定纳米膜解除结合。其实现可以通过改变产生机械压力的泵、真空吸尘器等的设置，而增加或减小被施加于给定的纳米膜的机械压力。
可以使用各种各样的装置和方法来监测被施加在本文所述的纳米膜上的、通过纳米膜的、结合于纳米膜的和/或解除结合的分析物。
分析物与给定纳米膜的相互作用，包括本文所述的所有的暂时的相互作用和/或相结合的相互作用，都可以通过本文所述的实施例中的设备和方法直接监控。在一种类型的实施例中，用于一个或多个主电极和/或次级电极的电路，可以被配置为用于监控一给定纳米膜中因与分析物相互作用而导致的电化学能力和/或可调属性的改变(例如，在实施例中，监控一个施加的电刺激来改变一个给定纳米膜聚合、解聚、组合物的变化、形态等的变化，其说明了纳米膜与分析物的相互作用即将发生、正在发生或已存在)。与分析物的相互作用的测量，也可以通过对于固体载体中的一个或多个电极的测量，其包括通过纳米膜本身的和/或通过位于其它地方(例如，在一个室内)的一个或多个电极进行感测。在实施例中，在一个给定的纳米膜上分析物相互作用的监控模式可以包括，但不限于，测量通过纳米膜的和/或在该装置中的一个或多个的任何侧壁电极、底部电极、偏压电极、主电极和/或次级电极，和/或上述的任意组合的例如电流、电阻、电压、和/或电容。在实施例中，分析物的监控也可以通过在该装置和/或在给定的纳米膜本身的一个或多个电极上的带电分析物、离子和/或任何其它构像分子的积累。在实施例中，监控也可以通过在该装置的一个或多个电极上的和/或在给定的纳米膜的分析物和/或任何其它构像分子的反应。通过对装置中的一个或多个电极施加电刺激，一个给定的纳米膜与被分析物相互作用的电阻率可在相关的实施例中进行测定。通过装置中的电子设备要求的调制来确定的分析物流动，以提供通过纳米膜的纳米孔的“离子漏斗电流/电压”，是在实施例中进行监测分析物与纳米膜的相互作用的另一方法。
在实施例中，由银制造或者覆盖的一个或多个电极位于被施加离子漏斗电流/电压而穿过的一个纳米膜的“下面”。离子漏斗电流/电压然后被配置来驱动带负电荷的氯(氯离子)离子走向“下面”的银电极。当氯离子与银表面接触时，众所周知的银/氯化银反应可使得在该电极上电子密度发展。这种电子密度的发展可以使用但是不限于本领域中公知的众多的测量电流和/或电压的设备来监测。离子漏斗电流/电压也可以驱动带负电荷的分析物走向“下面”而穿过纳米膜，和带正电荷的分析物走向“上面”而穿过纳米膜。带负电荷和/或正电荷的分析物的流动会影响在一段时间内被驱动走向银电极的氯离子的移动速度，和/或计数，尤其是当其在纳米通道或纳米孔的密闭空间里可能会挤在一起。在实施例中，这些影响会导致一些信号的调制，例如，被用于识别在依次流过蛋白质纳米孔(Clark et al.,Nat.Nanotechnol 2009)的特定类型的DNA核苷酸。因此，这种氯化物/银/氯化银测量系统可以实现实施例中用于测量分析物通过纳米膜的流动的一个特定模式。
有很多其它的仪器和方法，其可以和本文所述的设备和方法相组合使用，也可以用于监测分析物与给定的纳米膜的相互作用。例如，在分析物被加入本文所述的包含纳米膜的设备之前和之后，分析物的样品制剂可以被采样，用于确定哪些分析物作为所述纳米膜和分析物之间的相互作用的结果可能被去除、被增加、或其浓度和/或组分保持不变。在实施例中，这样的取样可以通过从所述一个或多个室中提取材料进行，提取材料可以在分析物制剂被移动通过纳米管中的一个或多个纳米膜沉积的纳米通道“之前”和“之后”，和/或提取材料可以通过从一个或多个纳米膜沉积的纳米通道的“上面”和“下面”。在实施例中，提取样品也可以从一个给定的纳米通道内，包括对纳米通道中的给定纳米膜进行采样。在实施例中，样品可以取自一给定设备中的包含的(多个)电极、(多个)固体载体、室、和/或侧壁的材料。在实施例中，样品也可以取自一给定设备中的任何的气体和/或流体填充的空间(即，从装置的(多个)室、纳米孔和/或纳米通道的空间提取样品)。对于这些空间的采样，可以通过制造来提供接入的一个或多个端口来进行，和/或通过一个给定的室壁、固体载体、侧壁、和/或纳米孔底部通过力的作用取得接入。在任何情况下，可以通过本领域中许多被充分描述的最合适的仪器和方法中的任何一者，来进行分析物的组分和/或定量分析。例如，在实施例中，这样的分析物监测仪器可以包括，但不限于：分光法(核磁共振、拉曼光谱、表面增强拉曼、荧光、紫外发光、可见光、X射线、X射线光电子、红外、太赫兹、原子力)，火焰电离，表面等离子体共振，表面声波，基于抗体的ELISA，基于肽，基于外源凝集素类，基于酶、肽/蛋白质测序，核酸/低聚体测序，基于脂质的检测、基于小分子类的检测、基于光学波导的检测、基于MEMS的检测、脉冲电流检测，浊度测定法，圆二色光谱，X-射线衍射，放射化学检测，质谱法，和/或它们的组合。
本文提供的纳米膜的电活性特性，也可以实现对于纳米通道的横截面积直接可调和实时控制的实施例，所述纳米通道是由一个纳米管或纳米井中的给定纳米膜所占据。这种纳米膜的一个实施例是，它们可被用作形态实时可调的结构，来创建大小为导向的障碍和/或分子筛，所述障碍和/或分子筛作用于可以在(多个)纳米膜表面的附近、上面和/或穿过表面移动的分析物。作为本实施例的一个非限制性例子，一个或多个纳米膜可以被沉积于一个纳米管上，使得它们最初仅允许相对较小的分析物(例如，小的离子、核酸、氨基酸、溶剂化的小分子药物、等等)不受阻碍地移动通过纳米通道。通过对(多个)纳米膜施加适当的电刺激，可诱导产生实时的尺寸变化，使得现在较大的分析物(例如，肽、寡聚核苷酸、等等)也可以不受阻碍地移动通过纳米通道。通过对(多个)纳米膜施加另外的其它合适的电刺激，现在甚至更大的分析物(蛋白质、核酸适体等)也可以移动通过纳米通道。因此，本文所述的设备可被用于创建根据分析物大小而分离分析物的一个装置，并且此功能可以实时地进行调制。
形态的变化也可以包括根据本文中所描述的装置和方法的一个给定纳米膜的分子组成的改变。例如，在实施例中，通过施加电刺激于一个或多个的主电极或次级电极上，使得一个给定的纳米膜进行聚合和/或解聚(多个)反应，可以实时的实现电化学反应。在实施例中，根据这样的电刺激控制的给定的纳米膜，可被诱导以添加或去除分子、改变其电荷，暴露/隐藏其一部分，等等，使得其表面和/或内部结构可以是实时变化的。在实施例中，在电刺激诱导控制下的这种反应，可以引起所得到的纳米膜变得更加的具疏水性、亲水性、带电荷、金属结合性、和/或它们的组合。也可以利用直接和/或间接的电化学反应，使得功能化物质和纳米膜连接或分离，所述功能化物质包括，例如蛋白质、酶、抗体、凝集素、肽、氨基酸、修饰的氨基酸、脂质、核酸(单链和双链DNA、RNA、适体)、核酸组分(核苷、核苷酸、其甲基化物/修饰物)、离子化盐、小分子、药物、和/或它们的组合。作为本实施例中的一个非限制性的例子，一个或多个纳米膜可以被沉积在纳米管中，使得它们最初结合具有从低到高的负电荷密度的分子。在一个非限制性的例子里，其实现可以通过沉积最初具有高密度的正电荷的纳米膜(多个)材料在其表面上和/或分析物可以进入的内部部分。具有低到高的负电荷的分析物(例如，但不限于，从小到大的寡聚核苷酸)，可以随着它们移动通过纳米通道而结合到该(多个)纳米膜上，而带正电荷的分析物保持未结合并且相对畅通无阻地移动通过纳米通道。通过在(多个)纳米膜上施加适当的电刺激，可以诱导其产生形态变化，使得所述(多个)纳米膜失去了其正电荷密度的显著部分(例如但不限于，纳米膜的带正电荷的部分解聚，发生电化学反应而不需要膜解聚而消除了其正电荷，和/或通过形态变化而覆盖住纳米膜上具正电荷的一部分)。这种变化可导致具有相对较少的负电荷的分析物(例如，但不限于小的(更小的)寡聚核苷酸)和(多个)纳米膜解除结合，使得它们现在可以不受阻碍地移动通过纳米通道。通过对(多个)纳米膜施加另外的其它合适的电刺激，现在具有更高的负电荷的分析物(例如，但不限于大的(更大的)寡聚核苷酸)与纳米膜解除结合，并且可以移动通过纳米通道。在另一个实施例中，可以通过使用负电荷密度可以调制的材料作纳米膜，可以沉积纳米膜，使得总体相同的方法可以用于基于分析物的正电荷而分离分析物。因此，本文描述的装置可用于创造一种装置，该装置根据分析物的正电荷或负电荷而分开分析物、分离分析物、提取分析物、等等，并且这种能力可以实时进行调制。
在其它实施例中，类似的方法可以创建一个设备，使分析物通过其疏水性、亲水性、功能化结合性、金属结合性、化学反应性和属性，而被分开/分离/纯化/提取/等等，也可被实时的调制。
在其它实施例中，可以采取类似的方法，从而使分析物通过其疏水性、亲水性、功能化结合性、金属结合性、化学反应性，其类似属性中的两者或多者，被分开/分离/纯化/提取/等等。作为所述的一个非限制性的例子，纳米膜可以被沉积，使得如寡聚核苷酸、抗体、适体、凝集素等分子可以使纳米膜功能化，从而使一个适当类型的分析物与该纳米膜结合。同一纳米膜可以以一个方式沉积，使得它们至少在一开始只允许较小的分析物移动通过与分析物相关联的该(多个)纳米通道。在使用时，这种装置中的纳米膜可以被实时调制，使得它们可以增进或减少它们与给定分析物相结合的属性，甚至是当被调制而根据分析物的大小而允许或限制分析物的通过的时候。其它非限制性实施例包括，形成的纳米膜与分析物相互作用，根据如化学反应性和大小、电荷和大小、功能化物和电荷、功能化物和疏水性/亲水性、化学反应性和电荷、及其类似者。
在另一组实施例中，一个或多个纳米膜可以在纳米通道被构建，使得它/它们支持一种或多种脂质双层的形成、稳定化和/不稳定化。这些实施例也可用于根据分子大小而排除分子掺入到脂质双层中。
如本文所述，“脂质双层”通常是包括脂质(例如，磷脂、脂肪酸、甘油酯等)。当这些分子适当地结合起来的时候，它们可以自发地自组装成一个大致的两层结构。在这种结构中，在层的两面的脂质分子被排列，使得脂质分子具有疏水性的“尾端”朝向双层的内部，它们具有亲水性的“头部基团”朝向双层的外表面。亲脂性分子也可以被包括在脂质双层(例如，胆固醇、两亲蛋白质、疏水性分子、等等，可以被“溶解”于给定的双层内；各种可电荷结合的分子等可以通过在双层表面的脂质头部基团而相互协调或者结合于其上)的内部或和与脂质双层的(多个)表面相关联。
脂质双层被用于本领域中的各种各样的装置和方法，例如那些利用脂质双层能力来提供亲水性分子的两个水相分区之间的阻隔，以提供两个分区之间的一个电绝缘性阻隔，等等。脂质双层还被用于提供一种人造结构，某些膜蛋白可以被插入该人造结构中并测试其功能。这样的膜蛋白的重要类别包括孔蛋白、离子通道/复合物、和蛋白质纳米孔。需要注意的是，这些蛋白质纳米孔与本文所定义的“纳米孔”是不同的。蛋白质纳米孔是一种或多种蛋白质组成的，而本文所定义的“纳米孔”是通过纳米膜包围侧壁产生的。为了测试它们的功能性，这些膜蛋白通常首先被插入到脂质双层。之后，他们常常通过在脂质双层的一侧添加一个分子的处理，以确定该分子是否增强或抑制该膜蛋白功能的一个基本特征(例如，以确定该分子是否是该膜蛋白的一个激动剂或一个拮抗剂)。例如，膜蛋白功能的确定，是通过它如何影响一个脂质双层和/或由一个给定的膜蛋白形成的跨越双层的蛋白质纳米孔的电渗透性和/或分析物渗透性。例如，脂质双层中嵌入的α溶血素蛋白质纳米孔曾经被用作测定单链DNA分子的长度(Ayub et al.,J.Phys.:Condens.Matter 22(2010)454128)。类似的系统也已被用于监测DNA寡聚物流动通过在脂双层中嵌入的蛋白质纳米孔(Clark et al.,Nat.Nanotechnol 2009)。然而，这些膜蛋白的研究的实用性和强度受到脂质双层的通常的不稳定性的挑战。尤其是，脂质双层很容易受机械冲击、热运动、和/或甚至痕量的清洁剂或有机溶剂的存在的破坏。来克服这些挑战的传统方法包括制作固态纳米孔，其制作是通过使用包括聚焦电子和离子束以在半导体材料中制造纳米孔的半导体制造技术。
本文所述的装置和方法的实施例可以被用来创建一个极大地稳定化的脂质双层。脂质双层也可以通过本文所述的电活性纳米膜而调制其形态，这使得它们可以被制造为根据分子大小来排除该分子插入到它们的表面。
这些实施例的一个普遍的特征是，它们包括沉积在一个给定的纳米通道侧壁上的一个或多个纳米膜，并且其通常在它们的(多个)表面的特性上是疏水的。这样的疏水性表面可以作为一个或一些位点以增进形成(例如，它们作为双层的核位点)，和/或脂质的粘附位点，使得所得到的脂质双层相对于没有(多个)纳米膜存在的情况下是更强地固连在纳米通道的侧壁上。使用环绕纳米膜(即，那些形成如本文所述的纳米孔的纳米膜)可以特别有用于支持一个给定的脂质双层的形成和随后的稳定化。在实施例中，可以有用的是使用一个或多个纳米膜，使得在一个给定的纳米通道中形成多于一个脂质双层。
这些实施例的另一个普遍的特征是，(多个)侧壁纳米膜的电活性可调的形态，可以使它们能够被修饰，从而减少了必须由一个给定的脂质双层跨越的总表面积。已知的是，较小表面区域的脂质双层比大的脂质双层更稳定，因此，使纳米膜被调制以提供形成刚刚足够的脂质双层的表面面积以支持一个给定的应用，促进了它们的总体效用。
利用一个纳米膜支持的脂质双层的形态可调制的选择，可用于对可插入脂质双层的分子提供一个大小选择性。在这些实施例中，可以形成纳米膜，特别是创造如本文所述的纳米孔的环绕纳米膜，使得它们支撑和稳定一个尺寸受限的脂质双层的形成，脂质双层的一个表面区域允许只有一小部分或者甚至只是一个膜蛋白插入所述双层。非限制性实施例包括稳定脂质双层的纳米膜纳米孔，其形成可以稳定一个脂质双层，使得其被大小限制使得仅有一个膜蛋白，例如但不限于，蛋白质孔蛋白、离子通道、或蛋白质纳米孔，可以插入到脂质双层中。
在一些实施例中，破坏形成在(多个)纳米膜纳米通道中的给定的脂质双层是有用的。在实施例中，可以施加电刺激于这样的纳米膜，使其解聚、聚合和/或以其它方式改变其形态，使得所述脂质双层被有效地破坏。在实施例中，电化学去极化和化学反应方法也可以用于使纳米膜变得太亲水，以此通过电化学屏蔽和/或通过反应去除纳米膜的疏水性表面，以支持一个双层。在实施例中，一个或多个主电极和/或次级电极可经受施加电刺激，使得脂质双层被带电荷分子在脂质双层中的吸引、排斥、和/或电泳而破坏。本文所述的电泳方法还可用于通过在脂质双层或其周围的带电分子施加电动势从而推开或拉开一个脂质双层。本文所述的引起机械压力和/或温度变化的仪器和方法，可以用在实施例中，从而破坏一个给定的脂质双层。此外，两种或两种以上的这些方法的组合，随着时间的推移轮换这些方法等等，可以被用来破坏一个通过纳米膜稳定化的脂质双层。
对于这样的实施例中，脂质双层和/或脂质双层包含的分子的功能性，可直接通过本文所述的装置和方法进行评价。在一种类型的实施例中，一个或多个主电极和/或次级电极的电路可以被配置为监测脂质双层和/或其中的分析物、和/或通过所述脂质双层(以及通过其中的蛋白质纳米孔)的分析物的电化学渗透性、电阻率等的改变。这些电极测量可包括经由纳米膜沉积其上的所述主电极、和/或经由位于其它地方的一个或多个电极的通过纳米膜本身的测量。在实施例中，所进行的测量可包括，但不限于，测量如通过纳米膜和/或在装置中的一个或多个的任何侧壁电极、底部电极、偏压电极、主电极和/或次级电极，和/或上述的任意组合的电流、电阻、电压、和/或电容。对于穿过脂质双层的和/或通过脂质双层中的蛋白质纳米孔的带电分析物、离子和/或分析物组合的积累的监测，可以通过实施例中可能的一个或多个电极进行。在实施例中，监测也可以通过分析物的反应、和/或通过一给定脂质双层的任何分子组合的反应、和/或通过一个给定的脂质双层中的蛋白质纳米孔的任何分子组合的反应进行，并经由使用装置中的和/或在给定的纳米膜中的一个或多个电极。
一组特定的实施例，不限制其它者，是监测膜蛋白的功能性，所述膜蛋白包括但不限于：孔蛋白、离子通道、蛋白质纳米孔、膜蛋白、膜酶、膜受体、膜通道蛋白、膜转运蛋白、与以上任何者形成的复合物、和它们的组合。这样的膜蛋白中的几者，如作为离子通道的孔蛋白，是公知的可以形成孔，离子可以响应于它们的功能的激动剂和拮抗剂，以经调节的方式通过而打开和关闭所述孔而被限制、选通和/或允许从该孔通过，以从脂质双层的一侧传递到另一侧。在实施例中，这些蛋白质中的一个或多个可以被插入到一个给定的纳米膜支持的脂质双层中。特别地，优选的是一种纳米膜，其提供一个具大小限制的脂质双层，该脂质双层大致上防止这些膜蛋白中的超出一个以上者被插入到脂质双层里。膜蛋白质的功能，例如孔蛋白与离子通道的功能，可以通过将一个给定的测试分子(例如，蛋白质的功能的一个已知的或潜在的激动剂和/或拮抗剂)放在一个包含脂质的被蛋白质插入的纳米膜其“上”的溶液中。然后由本文所描述的分析物监测方法中的一种来测量膜蛋白功能的变化。在具体的实施例中，监测的进行使用了本文所提供的基于电极的离子流动分析物监测装置和方法。实施例还有本文中所述的装置和方法，其用于创建吸引分析物流向脂质双层中的蛋白质的一个离子漏斗电流/电压，和/或用于进一步操纵离子通过这些蛋白质中的开放的孔流动。作为一个非限制性示例，本文中所描述的氯化物/银/氯化银的测量系统，可用于在实施例中监测离子物质的流动，例如监视给定的蛋白质纳米孔在激动剂和/或拮抗剂的存在的作用下的打开和/或关闭。其它非限制性实施例包括对任何其它的亲脂性分子、膜蛋白和膜蛋白复合物的功能测定法。
另一组特定实施例可实现核酸测序的应用。在这些实施例中，一个蛋白质纳米孔(例如，但不限于α溶血素或耻垢分枝杆菌(Mycobacterium smegmatis)孔蛋白A纳米孔)被插入到一个给定的纳米膜稳定化的脂质双层中。优选的为具大小限制的脂质双层，其通常防止多于一个的这些膜蛋白被插入。然后核酸被放置在脂质双层的(多个)纳米孔的(多个)室“上方”的溶液中。所述核酸可以是单链DNA、或RNA、任何长度的寡聚物。这些寡聚核苷酸可含有或不含有天然或人工修饰的核苷酸(例如，天然修饰的例如含有5-甲基胞苷的核酸；人工修饰的核酸，如核苷酸之间插入间隔，和/或通过“标签”修改核酸的碱基以增加其大小，和/或由任何给定的传感器系统监测属性，等)。寡聚核苷酸也可以是双链的或部分双链的任何长度的寡聚物。在寡聚物是部分双链的情况下，这样的寡聚物可以通过例如杂交任何长度的互补寡聚核苷酸来形成，只要它在测试中足够稳定可以保持其双链形式(例如，由两个或更长的核苷酸形成的和具已知序列的互补寡聚物被用在本领域应用中，以创建部分双链的寡聚物)。在蛋白质纳米孔的“上面”的溶液里加入寡聚核苷酸后，如本文所述的离子漏斗电流/电压可以形成，以使带负电荷的核酸走向并最终通过一个给定的蛋白质纳米孔。所述核酸序列的获得，随所述核酸通过留在纳米膜稳定化的脂质双层中一个给定的蛋白质纳米孔，可以通过这里描述的方法和装置的几种应用来进行。无论用任何模式识别寡聚物的序列，随着寡聚物通过一个蛋白质纳米孔(或通过纳米膜环绕的纳米孔或合适的纳米通道)的总体进程，该过程通常在本领域中被描述为“穿线测序”，因为它需要一个给定的寡聚物通过一个孔/孔隙，即寓意类似于将线从一个针眼通过。在一组实施例中，离子和随之一起的寡聚核苷酸通过蛋白质纳米孔的流动，其监测是通过用于监测穿过本文所述纳米膜纳米通道的基于电极的离子流动分析物的装置和方法。通过这些数据获得一个序列，是随着它们依次通过驻留在一个纳米膜稳定化的脂质双层中的蛋白质纳米孔，并编制测量的信号与一个给定的DNA或RNA核苷酸，或双链的碱基对，或其修饰物的先前确定的信号相比。序列的获得，也可以通过随着部分双链的核酸通过一蛋白质纳米孔时候，监测所测量信号改变的时间来得到。由这些数据获得一个序列，是随序列通过蛋白质纳米孔时，通过编译测量的信号和已经和单链核酸相关或和双链核酸相关的先前确定信号的比较、关于用于形成部分双链的寡聚核苷酸的序列的知识、和单链核酸相对于双链核酸的信号测量之间的时间。在另一个实施例中，在其上沉积了支撑脂质双层的纳米膜的(多个)主电极，可用于监测核酸通过一个给定的蛋白质纳米孔。特别是，本文所述的穿过纳米膜的分析物监测装置和方法可以用于这些实施例。不管采用的信号监测方法如何，核酸测序的进行，可以通过编译一个核酸通过一个给定的蛋白质纳米孔的测量信号，与已经确定的单链和/或双链核酸和/或其修饰物的先前确定的相关信号相比较。在其它实施例中，本文所述的氯化物/银/氯化银测量系统可用于监测寡聚核苷酸和氯离子通过蛋白质纳米孔的流动，通过比较已知的核苷酸和/或核苷酸组的先前确定特征信号，然后得到所述寡聚物的序列。
在其它实施例中，纳米孔(即，纳米膜环绕的纳米通道，而不是一个蛋白质纳米孔)可被用于核酸测序的实现。在这些实施例中，单个纳米孔形成于一个给定的纳米管或纳米井中。寡聚核苷酸被放置在所述纳米孔“上面”的(多个)室内的溶液里。所述核酸可以是任何长度的单链DNA或RNA的寡聚物。这些DNA或RNA可含有或不含有天然或人工修饰的核苷酸(例如，天然修饰的例如含有5-甲基胞苷的核酸；人工修饰的核酸，如核苷酸之间插入间隔，和/或通过”标签”修改以增加其大小，和/或具有任何其它类型的修饰的核苷酸碱基使其可以被任何给定的传感器系统监测，等)。所述核酸也可以是双链的或部分双链的，任何长度的寡聚物。在部分双链的DNAs情况下，其可以通过例如杂交任何长度的互补寡聚核苷酸来形成，只要它们在测试中足够稳定可以保持其部分双链形式(例如，由两个或更长的核苷酸形成的互补寡聚物被用在本领域应用中，以创建部分双链的DNAs)。所述双链的或部分双链的DNAs可以被自然修饰或人工修饰，类似于单链的DNAs或RNAs的情况。在纳米孔“上面”加入核酸之后，离子漏斗电流/电压可以形成，以使带负电荷的核酸走向并最终通过所述纳米孔。图4A和4B汇总了这些过程，显示了离子漏斗电流/电压诱导的单链核酸和部分双链核酸分别地通过纳米孔的流动。移动通过纳米孔的核酸序列的获得，可以通过本文所述的方法和装置的几个应用来进行。在一组实施例中，离子或离子物质和随之一起的核酸通过蛋白质纳米孔的流动，其监测是通过本文所述的用于监测穿过纳米膜纳米通道的离子物质流动的装置和方法。通过这些数据获得一个序列，是随着它们单个地通过纳米孔时，通过编译一个测量信号和一个给定的DNA或RNA核苷酸、或双链的碱基对、或其修饰物的先前确定的信号相比较。序列的获得也可以通过随着部分双链的核酸通过给定纳米孔时候，监测所测量信号改变的时间来得到。由这些数据获得一个序列，是随序列通过蛋白质纳米孔时，通过编译测量的信号和已经和单链核酸相关或和双链核酸相关的先前确定信号的比较、用于形成部分双链的寡聚核苷酸的序列的知识、和单链核酸相对于双链核酸的信号测量之间的时间。在所述装置和方法的另一个实施例中，在其上沉积了纳米孔的(多个)主电极，可用于监测核酸通过一个纳米孔。特别是，本文所述的穿过纳米膜的分析物监测装置和方法可以用于这些实施例。在一些实施例中，形成纳米孔的纳米膜的通常表面的上面或下面的一个或多个电极，可以用于监测核酸通过纳米孔，该核酸可以有或没有随之一起的离子分子。不管采用的信号生成方法如何，核酸测序的进行，可以通过编译一个核酸通过一个给定纳米孔的测量信号，与已经确定的单链和/或双链核酸和/或其修饰物的先前相关信号相比较。在其它实施例中，本文所述的氯化物/银/氯化银测量系统可用于监测寡聚核苷酸和氯离子通过纳米孔的流动，通过比较已知的核苷酸和/或核苷酸组的先前确定特征信号，然后得到所述寡聚物的序列。
在其它实施例中，一个给定的纳米孔的外周缘的纳米膜部分可以被功能化，功能化通过连接，但不限于，蛋白质、酶、抗体、凝集素、肽、氨基酸、修饰的氨基酸、脂质、核酸(单链和双链的DNA、RNA、适体)、核酸组分(核苷、核苷酸、其甲基化物/修饰物)、离子化的盐、小分子、药物、等，以及它们的组合。特别是，创建如本文所述的纳米膜可以有用于使得所沉积的材料靠近纳米孔在纳米膜中的定位，并且纳米膜的这部分具有和纳米膜其它主体部分不同的化学性质。因此，这样的实施例提供了功能化连接位点，其可以高度局部化地位于纳米孔的纳米膜边缘，和/或侧壁。
此实施例的一个非限制性示例为加入“目标”分子，所述“目标”分子可以和形成纳米孔和特别接近于纳米孔的纳米膜上的一个适当的功能化物相互作用，被所述功能化物结合，与所述功能化物进行化学反应，等。本文中的目标被定义为分析物，所述分析物可以被添加在溶液中和/或气相中的此类功能化的纳米孔，然后该分析物特异性地与给定类型的纳米膜的功能化物相互作用。适当的功能化物和它们的“目标”的实例包括但不限于：酶及其底物；抗体/抗体片段和其抗原；蛋白质药物目标和它们的药物；适体和它们的配体；凝集素及其碳水化合物配体；金属螯合剂/粘合剂和金属离子；单链DNA的寡聚物和它们的互补DNA寡聚物；及RNA和RNA结合蛋白。对于离子物质，目标和加入纳米孔“上面”的溶液中和/或气体中的其它分析物的流动而随时间变化进行测量，尤其是在本文所述的形成离子漏斗电流/电压的条件下，可以用来监测一个给定形式的功能化物和其目标之间相互作用而产生的信号的变化。作为这样的一个非限制性示例，图5A和5B描述了在互补的单链DNA结合前和结合后，具有施加了离子漏斗电流/电压的和单链DNA功能化的纳米孔的使用。作为另一非限制性示例，图6A和6B描绘了在抗原结合前和结合后，具有施加了离子漏斗电流/电压的和抗体功能化的纳米孔的使用。给定的“目标”和纳米孔的功能化物的相互作用进行监测的方式，可以包括本文所述的用于监测分析物流动的任何适当的方法或方法的组合。例如，监测所得到的信号变化的实施例可以包括，但不限于，一个给定目标通过纳米孔的流动速度的降低，附随的离子性物质和/或化学反应性物质通过纳米孔的流动速度的降低，和/或酶催化反应得到的产物通过纳米孔的流动速度的增加。在其它实施例中，本文所述的氯化物/银/氯化银测量系统可用于监测(多个)目标通过边缘功能化的纳米孔的流动，然后通过比较一个已知目标和/或目标组的先前确定特征信号而得到寡聚物的序列。
在其它实施例中，纳米膜是通过本文所述的方法形成，使得一个给定的纳米孔是在其横截面内被功能化(即，在形成一给定纳米孔的环绕的纳米膜侧壁上的至少一部分上形成(多个)功能化物)。用于形成功能化物附着表面的所述方法的示例(特别是包括那些附着表面被限制在靠近一个纳米孔的侧壁的外周)，功能化的方式，和功能化类型均被包括在本文中。在这些实施例中，功能化类型的一个给定的“目标”被置于含有纳米孔的一个纳米膜的表面上的一种溶液或气相中。所述这个给定“目标”和纳米孔功能化的相互作用的方式的监测，包括本文所述的用于分析物监测的任何适当的方法或方法的组合。例如，监测所得到的信号变化的实施例可以包括，但不限于，一个给定目标通过纳米孔的流动速度的降低，离子通过纳米孔的流动速度的降低，和/或酶催化反应得到的产物通过纳米孔的流动速度的增加。在其它实施例中，本文所述的氯化物/银/氯化银测量系统可用于监测(多个)目标通过侧壁功能化的纳米孔的流动，然后通过比较一个已知目标和/或目标组的先前确定特征信号而得到寡聚物的序列。
在其它实施例中，纳米孔可以用核酸酶、能够裂解DNA和或RNA成为核苷酸的酶来功能化，以使总体应用实现DNA和/或RNA寡聚物序列测序。用于形成一个核酸附着表面的方法的例子(特别是包括哪些使核酸酶附着表面被限制在靠近一个纳米孔的外周)，核酸酶功能化的模式，和核酸酶功能化类型均被包括在本文中。内切核酸酶和外切核酸酶都可以用在实施例中，在实施例中还有特异性的核酸酶，其特异性包括单链的和/或双链的DNA和/或单链的RNA和/或它们的修饰物。寡聚核苷酸可以是单链的和/或双链的DNA、单链的RNA、如本文所述的其修饰物，并且可以是任意长度的寡聚物。对于这些实施例来说，离子漏斗电流/电压被启动，寡聚核苷酸被放置在被核酸酶功能化的纳米孔“上面”的所述(多个)室里(图3A-3C)。所述离子漏斗电流/电压然后使带负电荷的寡聚核苷酸走向一个纳米孔，在此处，被附着在纳米孔边缘的核酸酶顺序地裂解寡聚核苷酸成为核苷酸(图3D)。这些核苷酸也是带负电荷的，其被离子漏斗电流/电压的影响而吸入/通过所述纳米孔。导出所述寡聚核苷酸的序列可以通过本文所述的方法和装置的多个应用来进行。但是，无论任何模式被用于识别寡聚物的序列，通过识别寡聚物的裂解所得的核苷酸而获得寡聚物序列的总体过程，通常在本领域中被描述为“降解测序”。在一组实施例中，核苷酸被直接取样，并从被顺序地取自纳米孔下面的空间的物质中识别(例如，材料从纳米管或纳米井“下面”的(多个)室里取样，和/或纳米管从其固体载体的出口“下面”的(多个)室里取样)。在另一组实施例中，监测所述被核酸酶裂解的核苷酸离子的流动和穿过纳米孔，是通过使用本文所提供的用于在纳米膜的离子分析物运动监测的装置和方法进行监测。例如，在实施例中，形成在纳米孔的纳米膜总表面上方和下方的一个或多个电极被用于监测电离核苷酸的通过纳米孔，和/或可以与核苷酸一起运动的其它离子化分析物的通过纳米孔的流动，所述核苷酸可以伴有或也可以不伴有其它的电离分子。从这些数据中获得一个序列，是通过编译移动的离子化核苷酸的测量信号，和/或与所述核苷酸一起运动的其他离子化分子的测量信号，并与一个给定的DNA或RNA核苷酸相关的先前确定的信号进行比较。在另一个实施例中，在其上沉积了一给定纳米孔的(多个)主电极，可用于监测核苷酸通过一个给定的纳米孔。特别是，适于监测核苷酸的，用来监测通过纳米膜的分析物的如本文所述的装置和方法于这些实施例中是特别有用的。特别是，可以采用一些方法，用来在导电纳米膜上施加电刺激，之后，可以在形成一个纳米孔横截面的一个或多个部分的一个或多个次级电极上测量如电容、电流、电压等，或所述纳米孔横截面上面或下面的一个或多个电极上测量。在任何情况下，寡聚核苷酸序列的获得，是通过编译通过一个给定的纳米孔的核酸的测量信号，并与单链和/或双链核苷酸的、和/或其修饰物的先前确定的相关信号相比较。在其它实施例中，本文所述的氯化物/银/氯化银测量系统可用于监测核苷酸和氯离子通过纳米孔的流动，然后通过与已知核苷酸和/或核苷酸组的先前确定特征信号相比较，从而获得寡聚物的序列。
在实施例中，纳米膜内的一个合适的纳米通道(即，和本文所定义的被纳米膜完全环绕的纳米孔所不同的一个纳米通道)，在上面刚刚描述过的许多应用中，可被用来代替一个纳米孔。合适的纳米通道可以包括，但不限于，那些提供功能化位点的纳米通道，如果需要的话，其可以被高度局部化到纳米通道的纳米膜边缘处。纳米通道还可以包括，其侧壁的至少一部分是由一个(多个)纳米膜所处位置而定义，这样可以实现所需的贯通纳米膜的监测功能。几乎由沉积的纳米膜全部包围的纳米通道，也可能是有用的，因为纳米膜的电活性可根据需要，被用于一个给定的分析物运动通过的横截面面积的可调的减小。降低横截面面积被描述为有助于对于例如核酸的分析物，改善当其移动通过蛋白质纳米孔时候的信号对噪声比的监测(Clark et al.,Nat.Nanotechnol 2009)。
在实施例中，施加的离子漏斗电流/电压被施加到含有双链DNA的溶液里，所述双链DNA已被放置在一个核酸酶功能化的纳米孔或合适的纳米通道的上面。然而，核苷酸没有被纳米孔吸入以使序列被确定，相反的，该单链DNA作为核酸酶反应的其它产物，被促使“穿线”通过纳米孔或合适的纳米通道。测序单链DNA寡聚物的穿线通过纳米孔或合适的纳米通道的模式，和先前实施例所描述的相同。
需要注意的是，常规的通过合成测序的模式，只提供了相当短的寡聚物序列的读取长度。例如，当前的商业化的高通量DNA测序技术，采用DNA聚合酶或DNA连接酶，以通过延长DNA寡聚物的复制链而生成一个测序信号，这很少提供超出几百个碱基的准确读取长度。这样短的读取长度，使得速度、精度、和所产生的数据以提供一个高准确度的全基因组序列图的成本都极大的复杂化。本文所述披露的装置和方法，用于穿线测序和降解测序的模式，解决了这个问题。例如，通过如本文所述的穿线测序过程而获得的读取长度，可以和穿线寡聚物本身长度一样长。因为很容易可以制备超过一万或甚至数十万碱基长度的寡聚核苷酸样品，它使得获得一个是合成测序过程可能的读取长度的几个数量级的读取长度成为可能。类似地，对于通过本文所述的降解测序介导的测序设备和方法，作为这些技术基础的核酸酶裂解反应是公知的可以高度处理，因为它们通常继续顺序地切割给定的寡聚核苷酸直到达到寡聚物的尾端，无论寡聚物的长度如何。因此，本文所述的降解测序的设备和方法可提供的读取长度，其可以只受限于放于一个给定测序样品中的寡聚物的长度。因此，本文所用的降解测序的设备和方法提供的读出的长度是现有商业化降解测序技术可能达到的几个数量级之上。
此外，本文所提供的装置和方法提供了直接的RNA寡聚物穿线测序和/或降解测序，其模式并不一定需要使用逆转录酶来把这些RNA寡聚物转化为cDNA。公知的，逆转录酶引入错误，并增加了RNA测序的成本。此外，用当前的测序方法测序生物学上重要的但是本质上是短寡聚物的RNA寡聚体，例如那些miRNA，可能是困难和昂贵的。因此，本文所提供的设备和方法可以大大降低成本和增加RNA寡聚体测序的准确度。
图3A-3D描绘了根据本说明的各种不同的实施例，通过使用图1和/或图2A至2C的设备而诱导分析物运动的方法。分析物366可被诱导而移动通过一个给定的纳米孔(参见图1)和/或在一个纳米井中沉积的一个给定纳米膜(参见图2A-2C，或图3A)，其移动是通过被动布朗运动驱动的扩散运动、电泳力、和/或机械压力。在一个示例性实施例中，施加的电刺激创建了一个“离子漏斗电流/电压”370，来移动分析物366。
图4A-4B描绘了单链核酸466，或具有部分双链核酸469的单链核酸466，移动通过纳米孔或合适的纳米通道的一个示例性的核酸测序实施例。穿线通过纳米孔或合适的纳米通道的DNA和RNA，可以通过使用部分双链的DNA来进行定位测序。图5A-5B描述了监测DNA杂交的一个示例性实施例；图6A-6B描绘了监测抗原和抗体结合的一个示例性实施例。
通过利用纳米技术和其对标准硅制造工艺的相容性，本披露使得具有成本效益的手持式分析物检测器和/或以刀片服务器的形式进行平行分析物检测反应有可能形成，使得其可以执行两个或更多个同时的独立检测的规模化。检测到的分析物在这样的并行操作中不必是一样的。而给定分析物的检测反应期间和/或进行后，所有所得到的数据的传送可以通过导线(例如以太网、USB或拨号的标准)或无线(如zigbee的标准、蓝牙、无线网络、WiMax、民用波段、卫星链路、或者移动电话的格式)，或者它们的组合(例如基于无线连接于陆地线的通信链路的标准)。
如所披露的，通过(多个)电活性纳米膜形成的纳米孔和/或纳米通道可以具有一个电可调直径，其电可调直径是纳米膜的电活性反应的结果。在实施例中，绝缘层可以包括，例如金属氧化物、玻璃、非导电聚合物、和/或硅原子，以形成纳米孔/纳米通道。例如，电活性纳米膜和绝缘材料的交替层可以形成在纳米管或纳米井中的至少一个电极上。交替层的形成可以通过，例如，所披露的电化学沉积以及其它的方法，如高能中性束光刻/外延。在一些实施例中，在纳米膜沉积过程中，在一个相应的纳米管或纳米井内可以放置一个占位物或模板，然后再从所沉积的纳米膜中除去所述占位物或模板，留下由沉积的一个或多个纳米膜形成的一个纳米孔或纳米通道。例如，占位者/模板可以是一个圆柱体或条带，其形成是通过例如光固化的聚合物。在另一示例中，绝缘层可以被沉积在电活性纳米膜上，但是露出纳米膜的边缘以进行后继的沉积，例如，使聚合物沉积在边缘上。在其它实施例中，纳米孔、纳米通道的形成可以通过首先沉积纳米膜以填充纳米管/纳米井，然后使用例如聚焦离子束在纳米膜上钻出开口。
在实施例中，可用纳米孔或纳米通道来处理一个分析物分子，以控制液体的流动。例如，可以通过使用一个分离结构来形成一个传感器结构或流动控制结构，所述分离结构可以是所披露的装置，其包括在一个载体材料里沉积在纳米井/纳米管中的纳米膜。所述分离结构可以把一个样品室与一个收集室相分开，使得分析物分子或其它分子或流体可通过纳米孔/纳米通道运动，从样品室离开并进入收集室。所述传感器结构还可以包括一个第一电极对，其包括设置在相对的两端的电极对(例如，包括底部电极)。所述传感器结构还可以包括一个第二电极对(例如，包括侧壁电极)，其设置在所述第一电极对之间的纳米井/纳米管的侧壁上。所述纳米膜可以被布置在第二电极对中的至少一个电极上。
在操作中，第一电刺激可以被施加于所述第一电极对上，所述第一电刺激足以使分析物分子或其它分子或流体通过电活性纳米孔/纳米通道，从样品室迁移到收集室。当样品室内的分析物分子或流体通过所述的电纳米孔/纳米通道时，可以进行测量跨越所述第一电极对的电流，例如，指示该分析物分子的存在。由(多个)电活性膜形成的纳米孔/纳米通道的直径，可以是通过施加跨越所述第二电极对的一个第二电刺激实现电可调(即，可增加或减少)，这将会导致(多个)电活性膜的延伸或收缩。在实施例中，离子性物质的流动的控制，也可通过纳米孔/纳米通道，例如通过使用离子漏斗电流/电压吸引离子物质通过纳米孔/纳米通道的开口，并调节(增加或减少)所述开口的电可调的直径，从而控制离子物质通过纳米孔/纳米通道的流量。
本申请披露了一些对数字范围限制，其支持所述披露的数字范围内的任何一个范围，尽管一个精确的范围限制没有在本说明书中逐字说明，因为本发明的实施例可以在整个所披露的数值范围内实践。最后，在本申请中引用的专利和公开的全部披露，如果有的话，通过引用在此被全文并入本文中。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种装置，其包括：
放置在载体材料中的纳米管或纳米井，所述纳米管包含一个或多个侧壁电极，所述纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极；和
电活性纳米膜，其被放置在所述纳米井或纳米管的一个电极的至少一部分上，
其中所述电活性纳米膜被配置为响应电刺激而造成所述电活性纳米膜中的化学组成变化。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述电活性纳米膜被配置为：由于对电刺激的电活性响应，改变其至少一个尺寸。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述电活性纳米膜被配置为响应电刺激而造成聚合或解聚。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述电活性纳米膜至少部分地被布置为具疏水性、亲水性、带电荷、化学反应性、金属结合性、含金属性、或它们的组合。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述电活性纳米膜包括可导电的电活性聚合物，以及以下聚合物中的一者或多者：电介质电活性聚合物、铁电性电活性聚合物、离子电活性聚合物。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述电活性纳米膜包括金属化纳米膜。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述电活性纳米膜是在所述纳米井或纳米管的内表面围绕的纳米膜，由此形成纳米孔。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述电活性纳米膜共价连接于所述一个电极的至少一部分。
9.如权利要求1所述的装置，其中所述电活性纳米膜非共价地放置在所述一个电极的至少一部分上。
10.如权利要求1所述的装置，其中所述电活性纳米膜被配置为桥接两个或更多个电极的至少一部分，以提供在电极之间的电连接。
11.如权利要求1所述的装置，其中所述电活性纳米膜的组成包括掺杂剂、染料、量子点、或它们的组合。
12.如权利要求1所述的装置，其进一步包括被排列为在单个载体材料上的阵列的附加的纳米井或纳米管或它们的组合。
13.如权利要求1所述的装置，其进一步包括一个或多个附加的纳米膜，所述附加的纳米膜被沉积在所述电活性纳米膜和所述一个电极的至少一部分之间，其中所述一个或多个附加的纳米膜具有电活性或非电活性。
14.一种装置，其包括：
放置在载体材料中的纳米井或纳米管，所述纳米管包含一个或多个侧壁电极，所述纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极；
第一纳米膜，其被放置在所述纳米井或纳米管的一个侧壁电极的至少一部分上；和
第二纳米膜，其被放置在所述第一纳米膜上，以形成纳米通道或纳米孔或它们的组合，其中所述第二纳米膜被配置为响应电刺激而改变其分子组成、尺寸、或化学属性中的一者或多者。
15.如权利要求14所述的装置，其中每个所述纳米井、所述纳米管、和所述纳米孔具有圆形、正方形、矩形或多边形横截面。
16.如权利要求14所述的装置，其中所述第一纳米膜是非电活性的。
17.如权利要求14所述的装置，其中所述第一纳米膜被配置为响应电刺激而改变其分子组成、尺寸、或属性。
18.如权利要求14所述的装置，其中能够交替变化的所述属性包括疏水性、亲水性、带电荷、化学反应性、金属结合性、含金属性、或它们的组合中的一者或多者。
19.如权利要求14所述的装置，其中所述第一纳米膜比所述第二纳米膜更导电，和/或比所述第二纳米膜化学反应性少。
20.如权利要求14所述的装置，其中所述第一纳米膜和所述第二纳米膜中的一者或两者是可导电的。
21.如权利要求14所述的装置，其中所述第一纳米膜和所述第二纳米膜中的一者或两者能够驱动电化学反应。
22.一种装置，其包括：
放置在载体材料中的一个或多个纳米井或纳米管或它们的组合，每个纳米管包括一个或多个侧壁电极，每个纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极；和
一个或多个电活性纳米膜，其被放置在所述一个或多个纳米井或纳米管或它们的组合的至少一个侧壁电极上，以形成纳米通道或纳米孔、或它们的组合，其中所述电活性纳米膜被配置为由于电刺激而改变所述电活性纳米膜的至少一个尺寸，并且至少部分地被设置为具疏水性、亲水性、带电荷、化学反应性、金属结合性、含金属性、或它们的组合。
23.如权利要求22所述的装置，其中所述电活性纳米膜被配置为响应电刺激而造成组成变化。
24.一种装置，其包括：
放置在载体材料中的一个或多个纳米井或纳米管或它们的组合，每个纳米管包括一个或多个侧壁电极，每个纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极；和
一个或多个电活性纳米膜，其被放置在所述一个或多个纳米井或纳米管或它们的组合中的一个或多个电极的至少一部分上；和
由所述一个或多个电活性纳米膜支持的脂质双层，其中所述脂质双层被配置为允许分子的插入。
25.如权利要求24所述的装置，其中所述脂质双层被配置为提供对一个或多个亲脂性分子的插入和功能性测试，所述一个或多个亲脂性分子包括：
洗涤剂、油、脂肪、脂质、表面活性剂、或它们的组合，或
蛋白质，所述蛋白质包括孔蛋白、离子通道、蛋白质纳米孔、膜蛋白、膜酶、膜受体、膜通道蛋白、膜转运蛋白、与其形成的或其组成的复合物、或它们的组合，并且其中所述插入包括蛋白质的一个分子的插入。
26.如权利要求24所述的装置，其中所述一个或多个电活性纳米膜具有作为成核位点或附着位点的疏水表面，其被配置为促进脂质双层的成核形成或稳定化。
27.如权利要求24所述的装置，其中能够在所述一个或多个电活性纳米膜中被插入的亲脂性分子或蛋白质或蛋白质复合物的数目是可控制的，或受所述一个或多个电活性纳米膜的尺寸变化限制，以减小所述脂质双层跨越的表面积。
28.如权利要求24所述的装置，其中所述一个或多个电活性纳米膜包括疏水性表面，其被配置为允许形成所述脂质双层的成核形成或稳定所述脂质双层。
29.如权利要求24所述的装置，其进一步包括由所述一个或多个电活性纳米膜形成的纳米通道或纳米孔，以支持或稳定所述脂质双层。
30.一种分子分离，纯化和检测方法，该方法包括：
在载体材料中提供一个或多个纳米管或纳米井或它们的组合，每个纳米管包括一个或多个侧壁电极，每个纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极，其中电活性纳米膜被放置在所述一个或多个纳米管或纳米井或它们的组合中的一个电极的至少一部分上，以在相应的纳米管或纳米井中形成纳米孔或纳米通道，并且其中所述电活性纳米膜被配置为改变所述电活性纳米膜的尺寸、组成、疏水性、亲水性、电荷、化学结合性、含金属性和金属结合性中的一者或多者；和
移动在所述一个或多个纳米孔或纳米井或它们的组合中的分析物。
31.如权利要求30所述的方法，其进一步包括随着时间的推移而调节所述电活性纳米膜的属性，使得一个或多个所述分析物根据其大小，在一个或多个所述分析物穿过由所述电活性纳米膜所形成的所述纳米孔或纳米通道时，被分开、分隔、分离、分馏、纯化、或它们的组合。
32.如权利要求30所述的方法，其进一步包括随着时间的推移而调节所述电活性纳米膜的属性，使得一个或多个所述分析物根据其疏水性/亲水性，在一个或多个所述分析物穿过由电活性纳米膜所形成的所述纳米孔或纳米通道时，被分开、分隔、分离、分馏、纯化、或它们的组合。
33.如权利要求30所述的方法，其进一步包括随着时间的推移而调节所述电活性纳米膜的属性，使得一个或多个所述分析物根据其所带电荷，在一个或多个所述分析物穿过由所述电活性纳米膜所形成的所述纳米孔或纳米通道时，被分开、分隔、分离、分馏、纯化、或它们的组合。
34.如权利要求30所述的方法，其进一步包括随着时间的推移而调节所述电活性纳米膜的属性，使得一个或多个所述分析物根据其化学反应性，在一个或多个所述分析物穿过由所述电活性纳米膜所形成的所述纳米孔或纳米通道时，被分开、分隔、分离、分馏、纯化、或它们的组合。
35.如权利要求30所述的方法，其进一步包括随着时间的推移而调节所述电活性纳米膜的属性，使得一个或多个所述分析物根据与其结合的一种或多种附着于纳米膜的功能化物，在一个或多个所述分析物穿过由所述电活性纳米膜所形成的所述纳米孔或纳米通道时，被分开、分隔、分离、分馏、纯化、或它们的组合，所述功能化物包括蛋白质、抗体、酶、抗体片段、凝集素、噬菌体、寡聚核苷酸、核酸组分、适体、肽、氨基酸、修饰的氨基酸、脂质、离子、小分子、药物、或它们的组合。
36.如权利要求30所述的方法，其进一步包括随着时间的推移而调节所述电活性纳米膜的属性，使得一个或多个所述分析物根据一种或多种选自大小、润湿性、电荷、化学反应性、功能化物、或它们的组合中的属性，在一个或多个所述分析物穿过由所述电活性纳米膜所形成的所述纳米孔或纳米通道时，被分开、分隔、分离、分馏、纯化、或它们的组合。
37.如权利要求30所述的方法，其中移动所述分析物包括对所述分析物施加被动扩散运动、电泳力、机械力、或它们的组合。
38.如权利要求30所述的方法，其中移动所述分析物包括通过在所述电活性纳米膜上施加电刺激而改变所述电纳米膜的尺寸。
39.如权利要求30所述的方法，其中移动所述分析物包括电动地引入多个电离分子进入由所述电活性纳米膜形成的所述纳米通道或纳米孔；并且其中所述多个电离分子包括电离的盐、寡聚核苷酸、核酸组分、以及它们的组合。
40.如权利要求30所述的方法，其中所述纳米孔或纳米通道形成一个或多个测试柱或测试井，以用于液相色谱(LC)或气相色谱(GC)。
41.一种分子分离、纯化和检测的方法，该方法包括：
在载体材料中提供一个或多个纳米管或纳米井或它们的组合，每个纳米管包括一个或多个侧壁电极，每个纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极，其中电活性纳米膜被放置在所述一个或多个纳米管或纳米井或它们的组合中的一个电极的至少一部分上，以在相应的纳米管或纳米井中形成纳米孔或纳米通道，并且其中所述电活性纳米膜被配置为改变所述电活性纳米膜的尺寸、组成、疏水性、亲水性、电荷、化学结合性、含金属性和金属结合性中的一者或多者；
移动在所述一个或多个纳米孔或纳米井或它们的组合中的分析物；和
在所述分析物运动穿过所述一个或多个电活性纳米膜时，通过施加电刺激以中和所述分析物的净电荷，从而固定所述分析物。
42.如权利要求41所述的方法，其进一步包括通过改变所述电活性纳米膜的尺寸或组成，使被固定的所述分析物运动或分离。
43.如权利要求41所述的方法，其进一步包括通过施加流体与所述电活性纳米膜通过静电、疏水、或亲水相互作用而相互作用，或通过施加流体以破坏目标或功能化物的相互作用，使被固定的所述分析物运动或分离，其中用包括以下的一种或多种组分配制所述流体：离子、离子性物质、洗涤剂、蛋白质、抗体、酶、抗体片段、凝集素、碳水化合物、噬菌体、配体、寡聚核苷酸、核酸组分、适体、肽、氨基酸、修饰的氨基酸、脂质、小分子、药物、或它们的组合。
44.如权利要求41所述的方法，其进一步包括通过改变所述电活性纳米膜的温度或压力，使被固定的所述分析物运动或分离。
45.形成装置的一种方法，其包括：
在载体材料中提供由一个或多个纳米井、纳米管、以及它们的组合所组成的阵列，所述纳米管包含一个或多个侧壁电极，所述纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极；和
在所述阵列中的一个电极的至少一部分上沉积电活性纳米膜，其中所述电活性纳米膜被配置为由于电活性响应而改变所述电活性纳米膜的至少一个尺寸、化学组成或属性。
46.如权利要求45所述的方法，其中沉积所述电活性纳米膜使用包括以下的沉积方法：喷涂、气相沉积法、溅射法、旋涂法、沉淀法、使用一种或多种热能和光能的原位非电化学沉积、多层沉积、化学沉积、和它们的组合。
47.如权利要求45所述的方法，其中在所述载体材料中提供所述阵列的方法包括：
在阵列中提供含有一个或多个纳米井或纳米管、或它们的组合的部分的载体材料的两个或更多个部分；和
使所述载体材料的两个或更多个部分结合在一起。
48.如权利要求45所述的方法，其中沉积所述电活性纳米膜的方法包括：
在阵列中沉积电活性纳米膜于含有一个或多个纳米井或纳米管、或它们的组合的部分的载体材料的两个或更多个部分中的每一者上；
将载体材料的两个或更多个部分放在一起；和
使沉积在载体材料的两个或更多个部分上的电活性纳米膜结合。
49.如权利要求45所述的方法，其中沉积所述电活性纳米膜采用了直接或间接的电化学沉积，其包括选择用于电化学沉积的单体，从而使得形成的所述电活性纳米膜至少在初期是导电的。
50.如权利要求45所述的方法，其中沉积所述电活性纳米膜包括使用前体材料，其包含或它们的组合，所述前体材料被配置为进行直接或间接的电化学诱导聚合反应并且具有Rn的基团，其中Rn代表：
(1)氢；
(2)作为核心结构被制备到单体结构的一个或多个取代基团；
(3)一个或多个取代基团，其中至少一者是疏水性基团，所述疏水性基团包括具有足够碳链长度的饱和的或不饱和的烃类，或者它们的组合；
(4)一个或多个取代基团，其中至少一者是亲水性基团，所述亲水性基团包括羟基、羧酸、磺酸、硫醇、聚乙二醇、胺、或它们的组合；
(5)一个或多个取代基团，其中至少一者带电荷，其包括羟基、羧酸或其盐、磺酸或其盐、硫醇、聚乙二醇、胺、或它们的组合；
(6)一种或多种取代基团，其中至少一者具化学反应性，其包括羟基、羧酸、酯、活化酯、醛、酮、卤素、磺酸酯、硫醇、叠氮化物、烯烃、炔烃、磷烯、胺、或它们的组合；
(7)一种或多种取代基团，其中至少一者具金属结合性，其包括硫醇、乙二胺四乙酸(EDTA)、乙二醇四乙酸(EGTA)、甘氨酸-甘氨酸-组氨酸肽，或它们的组合；或
选自(1)-(7)的任何组合。
51.如权利要求45所述的方法，其中沉积所述电活性纳米膜包括使用前体材料，其包括金属离子以形成金属化纳米膜，其中所述金属离子包括银、金、铂、铜、铁、钨、铝、钛、或它们的组合。
52.如权利要求45所述的方法，其中沉积所述电活性纳米膜是可控的，其可控程度取决于纳米井中或纳米管中空间被占用的程度。
53.如权利要求45所述的方法，其中被沉积的所述电活性纳米膜在沉积后改变所述电活性纳米膜的尺寸或组成或属性方面是可控的。
54.如权利要求45所述的方法，其中被沉积的所述电活性纳米膜的控制至少可以通过沉积之后施加电刺激于至少一个侧壁电极上，以形成聚合或解聚反应。
55.如权利要求45所述的方法，其中被沉积的所述电活性纳米膜的控制至少可以通过沉积之后施加电刺激于至少一个侧壁电极上，以加入或去除分子，以改变所述电活性纳米膜的表面组成和内部组成中的一者或多者。
56.如权利要求45所述的方法，其中沉积所述电活性纳米膜包括在所述阵列里作为主电极的电极的至少一部分上的电化学聚合。
57.如权利要求56所述的方法，其进一步包括
施加电刺激于至少一个次级电极上，所述次级电极选择于和纳米井或纳米管的主电极不同的任何电极中，以吸引被放置的或者在持续放置中的电活性纳米膜至所述次级电极的表面，使得所述电活性纳米膜从主电极延伸并且接触所述次级电极，以形成主电极和次级电极之间的导电桥。
58.形成装置的一种方法，其包括：
在载体材料中提供由一个或多个纳米井或纳米管或它们的组合所组成的阵列，每个纳米管包含一个或多个侧壁电极，每个纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极；
在所述阵列的一个电极的至少一部分上沉积第一电活性纳米膜；和
在所述第一纳米膜上旋转地沉积第二电活性纳米膜，以在所述阵列里相应的纳米井或相应的纳米管中形成纳米通道或纳米孔或它们的组合，其中所述第二电活性纳米膜被配置为响应电刺激而改变其分子组成、尺寸、或属性中的一者或多者。
59.如权利要求58所述的方法，其中沉积所述第一纳米膜包括沉积方法，其包括喷涂法、气相沉积法、溅射法、旋涂法、沉淀法、使用一种或多种热能和光能的原位非电化学沉积、多层沉积法、化学沉积法、或它们的组合。
60.如权利要求58所述的方法，其中旋转地沉积所述第二电活性纳米膜包括调整下述的一者或多者：电化学沉积法的电刺激、直流电流、交流电流、调制为正弦波或方波或锯齿波的电流或电压、循环伏安驱动的电流或电压、以恒定电压或恒定电流或恒定功率支持的电波形、振幅或频率的一者或两者可变的电压或电流、持续时间或脉冲数目可变的电压或电流、或它们的组合。
61.形成装置的一种方法，其包括：
在载体材料中提供一个或多个纳米井或纳米管或它们的组合，每个纳米管包含一个或多个侧壁电极，每个纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极；
选择第一前体材料；
沉积从所述第一前体材料而得的第一纳米膜在所述一个或多个纳米井或纳米管或它们的组合中的一个电极的至少一部分上；
用第二前体材料替代所述第一前体材料；并且
电化学法沉积从所述第二前体材料而得的第二电活性纳米膜在所述第一纳米膜上，以在相应纳米井或纳米管中形成纳米孔或纳米通道，其中所述第一或第二电活性纳米膜的至少一部分包括化学活性材料、电荷结合材料、疏水性材料、亲水性材料、带电材料、金属结合材料、含金属材料、电传导性材料、或它们的组合。
62.如权利要求61所述的方法，其中所述化学活性材料包括材料，所述材料可以与交联剂、异双功能交联剂、光活化的交联剂、或它们的组合进行反应。
63.如权利要求61所述的方法，其中所述第二电活性纳米膜可以直接或间接地与蛋白质、抗体、酶、抗体片段、凝集素、噬菌体、寡聚核苷酸、核酸组分、适体、肽、氨基酸、修饰的氨基酸、脂质、离子、小分子、药物、或它们的组合进行化学反应，以功能化所述纳米通道或纳米孔的表面。
64.如权利要求63所述的方法，其中所述酶包括激酶、磷酸酶、核酸酶、合成酶、氧化酶、过氧化物酶、还原酶、或它们的组合。
65.如权利要求61所述的方法，其中沉积所述第一纳米膜或所述第二纳米膜包括间接的电化学沉积，其包括1,4-苯醌的反应。
66.一种分子分离、纯化和检测的方法，该方法包括：
在载体材料中提供一个或多个纳米井或纳米管或它们的组合，每个纳米管包括一个或多个侧壁电极，每个纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极，其中一个或多个电活性纳米膜被提供在所述一个或多个侧壁电极或底部电极或它们的组合中的至少一部分上；
在所述一个或多个电活性纳米膜中成核并形成脂质双层；
在脂质双层中插入蛋白质纳米孔；
施加离子漏斗电流或电压，使核酸运动走向并通过所述蛋白质纳米孔；并且
将所述核酸通过所述蛋白质纳米孔的测量信号和预定信号相比较，获得所述核酸的序列。
67.如权利要求66所述的方法，其进一步包括稳定在所述一个或多个电活性纳米膜中的脂质双层的形成。
68.如权利要求66所述的方法，其中所述蛋白质纳米孔包括α-溶血素或耻垢分枝杆菌(Mycobacterium smegmatis)孔蛋白A。
69.如权利要求66所述的方法，其中所述脂质双层大小被限制以防止多于一个的蛋白质纳米孔被插入到脂质双层中。
70.如权利要求66所述的方法，其中所述核酸包括单链核酸、双链核酸、部分双链的核酸、或它们的组合。
71.如权利要求66所述的方法，其中所述核酸为单链核酸，并且其中，一个或多个互补寡聚核苷酸和所述单链核酸相杂交，其杂交长度或者条件提供足够稳定以维持用于测试的至少部分双链的形式。
72.如权利要求66所述的方法，其中所述核酸包括用于测序的RNA链，其中没有用反转录酶或光学检测方法用于测序所述RNA链。
73.如权利要求66所述的方法，其中所述核酸为双链DNA，并且其中双链DNA的测序不将双链DNA分解为单链。
74.如权利要求66所述的方法，其中所述方法为使用氯化物/银/氯化银测量系统的信号检测方法。
75.如权利要求66所述的方法，其中所述一个或多个电活性纳米膜被配置为响应电刺激而改变其分子组成、尺寸、或属性中的一者或多者，其中所述属性包括疏水性、亲水性、带电荷性、化学反应性、金属结合性、含金属性、或它们的组合中的一者或多者。
76.一种分子分离、纯化和检测的方法，该方法包括：
在载体材料中提供一个或多个纳米井或纳米管或它们的组合，每个纳米管包括一个或多个侧壁电极，每个纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极，其中一个或多个电活性纳米膜被提供在所述一个或多个侧壁电极或底部电极或它们的组合中的至少一部分上，以通过所述一个或多个电活性纳米膜形成纳米孔或纳米通道；
放置核酸于所述纳米孔或纳米通道上；
施加离子漏斗电流或电压，使所述核酸运动走向并通过所述蛋白质纳米孔或所述纳米通道；并且
将所述核酸通过所述纳米孔或纳米通道的测量信号和预定信号相比较，获得所述核酸的序列。
77.如权利要求76所述的方法，其中所述核酸包括单链核酸，并且其中互补寡聚核苷酸和所述单链核酸相杂交，其杂交长度或者条件提供足够稳定以维持用于测试的双链形式。
78.如权利要求76所述的方法，其中所述核酸包括用于测序的RNA链，其中没有用反转录酶或光学检测方法用于测序所述RNA链。
79.如权利要求76所述的方法，其中所述核酸为双链DNA，并且其中双链DNA的测序不将双链DNA分解为单链。
80.如权利要求76所述的方法，其中所述方法为使用氯化物/银/氯化银测量系统的信号检测方法。
81.如权利要求76所述的方法，其中所述一个或多个电活性纳米膜被配置为响应电刺激而改变其分子组成、尺寸、或属性中的一者或多者，其中所述属性包括疏水性、亲水性、带电荷性、化学反应性、金属结合性、含金属性、或它们的组合中的一者或多者。
82.一种分子分离、纯化和检测的方法，该方法包括：
在载体材料中提供一个或多个纳米井或纳米管或它们的组合，每个纳米管包括一个或多个侧壁电极，每个纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极，其中一个或多个电活性纳米膜被提供在所述一个或多个侧壁电极或底部电极或它们的组合中的至少一部分上，以通过所述一个或多个电活性纳米膜形成纳米孔或纳米通道；
通过将核酸酶附着于所述一个或多个电活性纳米膜上，使得所述一个或多个电活性纳米膜功能化；
放置核酸于所述纳米孔或纳米通道上，其中通过所述核酸酶的酶活性而由所述核酸形成核酸碱基；
施加离子漏斗电流或电压，使所述核酸碱基运动走向并通过所述纳米孔或所述纳米通道；并且
将所述核酸碱基通过所述纳米孔或所述纳米通道的测量信号和预定信号相比较，获得所述核酸的序列。
83.如权利要求82所述的方法，其中所述核酸包括用于测序的RNA链，其中没有用DNA聚合酶或反转录酶或光学检测方法用于测序所述RNA链。
84.如权利要求82所述的方法，其中所述核酸为双链DNA，并且其中所述双链DNA的测序不将双链DNA分解为单链。
85.如权利要求82所述的方法，其中所述方法为使用氯化物/银/氯化银测量系统的信号检测方法。
Claims (85)
1.一种装置，其包括：
放置在载体材料中的纳米管或纳米井，所述纳米管包含一个或多个侧壁电极，所述纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极；和
电活性纳米膜，其被放置在所述纳米井或纳米管的一个电极的至少一部分上，
其中所述电活性纳米膜被配置为响应电刺激而造成组成变化。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述电活性纳米膜被配置为：由于对电刺激的电活性响应，改变其至少一个尺寸。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述电活性纳米膜被配置为响应电刺激而造成聚合或解聚。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述电活性纳米膜至少部分地被布置为具疏水性、亲水性、带电荷、化学反应性、金属结合性、含金属性、或它们的组合。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述电活性纳米膜包括可导电的电活性聚合物，电介质电活性聚合物、铁电性电活性聚合物、离子电活性聚合物、或它们的组合。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述电活性纳米膜包括金属化纳米膜。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述电活性纳米膜是在所述纳米井或纳米管的内表面围绕的纳米膜，由此形成纳米孔。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述电活性纳米膜共价连接于所述一个电极的至少一部分。
9.如权利要求1所述的装置，其中所述电活性纳米膜非共价地放置在所述一个电极的至少一部分上。
10.如权利要求1所述的装置，其中所述电活性纳米膜被配置为桥接两个或更多个电极的至少一部分，以提供在电极之间的电连接。
11.如权利要求1所述的装置，其中所述电活性纳米膜的组成包括掺杂剂、染料、量子点、或它们的组合。
12.如权利要求1所述的装置，其进一步包括被排列为在单个载体材料上的阵列的附加的纳米井或纳米管或它们的组合。
13.如权利要求1所述的装置，其进一步包括一个或多个附加的纳米膜，所述附加的纳米膜被沉积在所述电活性纳米膜和所述一个电极的至少一部分之间，其中所述一个或多个附加的纳米膜具有电活性或非电活性。
14.一种装置，其包括：
放置在载体材料中的纳米井或纳米管，所述纳米管包含一个或多个侧壁电极，所述纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极；
第一纳米膜，其被放置在所述纳米井或纳米管的一个侧壁电极的至少一部分上；和
第二纳米膜，其被放置在所述第一纳米膜上，以形成纳米通道或纳米孔或它们的组合，其中所述第二纳米膜被配置为响应电刺激而改变其分子组成、尺寸、或属性中的一者或多者。
15.如权利要求14所述的装置，其中每个所述纳米井、所述纳米管、和所述纳米孔具有圆形、正方形、矩形或多边形横截面。
16.如权利要求14所述的装置，其中所述第一纳米膜是非电活性的。
17.如权利要求14所述的装置，其中所述第一纳米膜被配置为响应电刺激而改变其分子组成、尺寸、或属性。
18.如权利要求14所述的装置，其中能够交替变化的所述属性包括疏水性、亲水性、带电荷、化学反应性、金属结合性、含金属性、或它们的组合中的一者或多者。
19.如权利要求14所述的装置，其中所述第一纳米膜比所述第二纳米膜更导电，和/或比所述第二纳米膜化学反应性少。
20.如权利要求14所述的装置，其中所述第一纳米膜和所述第二纳米膜中的一者或两者是可导电的。
21.如权利要求14所述的装置，其中所述第一纳米膜和所述第二纳米膜中的一者或两者能够驱动电化学反应。
22.一种装置，其包括：
放置在载体材料中的一个或多个纳米井或纳米管或它们的组合，每个纳米管包括一个或多个侧壁电极，每个纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极；和
一个或多个电活性纳米膜，其被放置在所述一个或多个纳米井或纳米管或它们的组合的至少一个侧壁电极上，以形成纳米通道或纳米孔、或它们的组合，其中所述电活性纳米膜被配置为由于电刺激而改变所述电活性纳米膜的至少一个尺寸，并且至少部分地被设置为具疏水性、亲水性、带电荷、化学反应性、金属结合性、含金属性、或它们的组合。
23.如权利要求22所述的装置，其中所述电活性纳米膜被配置为响应电刺激而造成组成变化。
24.一种装置，其包括：
放置在载体材料中的一个或多个纳米井或纳米管或它们的组合，每个纳米管包括一个或多个侧壁电极，每个纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极；和
一个或多个电活性纳米膜，其被放置在所述一个或多个纳米井或纳米管或它们的组合中的一个或多个电极的至少一部分上；和
由所述一个或多个电活性纳米膜支持的脂质双层，其中所述脂质双层被配置为允许分子的插入。
25.如权利要求24所述的装置，其中所述脂质双层被配置为提供对一个或多个亲脂性分子的插入和功能性测试，所述一个或多个亲脂性分子包括：
洗涤剂、油、脂肪、脂质、表面活性剂、或它们的组合，或
蛋白质，所述蛋白质包括孔蛋白、离子通道、蛋白质纳米孔、膜蛋白、膜酶、膜受体、膜通道蛋白、膜转运蛋白、与其形成的或其组成的复合物、或它们的组合，并且其中所述插入包括蛋白质的一个分子的插入。
26.如权利要求24所述的装置，其中所述一个或多个电活性纳米膜具有作为成核位点或附着位点的疏水表面，其被配置为促进脂质双层的成核形成或稳定化。
27.如权利要求24所述的装置，其中能够在所述一个或多个电活性纳米膜中被插入的亲脂性分子或蛋白质或蛋白质复合物的数目是可控制的，或受所述一个或多个电活性纳米膜的尺寸变化限制，以减小所述脂质双层跨越的表面积。
28.如权利要求24所述的装置，其中所述一个或多个电活性纳米膜包括疏水性表面，其被配置为允许形成所述脂质双层的成核形成或稳定所述脂质双层。
29.如权利要求24所述的装置，其进一步包括由所述一个或多个电活性纳米膜形成的纳米通道或纳米孔，以支持或稳定所述脂质双层。
30.一种分子分离，纯化和检测方法，该方法包括：
在载体材料中提供一个或多个纳米管或纳米井或它们的组合，每个纳米管包括一个或多个侧壁电极，每个纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极，其中电活性纳米膜被放置在所述一个或多个纳米管或纳米井或它们的组合中的一个电极的至少一部分上，以在相应的纳米管或纳米井中形成纳米孔或纳米通道，并且其中所述电活性纳米膜被配置为改变所述电活性纳米膜的尺寸、组成、疏水性、亲水性、电荷、化学结合性、含金属性或金属结合性；和
移动在所述一个或多个纳米孔或纳米井或它们的组合中的分析物。
31.如权利要求30所述的方法，其进一步包括随着时间的推移而调节所述电活性纳米膜的属性，使得一个或多个所述分析物根据其大小，在一个或多个所述分析物穿过由所述电活性纳米膜所形成的所述纳米孔或纳米通道时，被分开、分隔、分离、分馏、纯化、或它们的组合。
32.如权利要求30所述的方法，其进一步包括随着时间的推移而调节所述电活性纳米膜的属性，使得一个或多个所述分析物根据其疏水性/亲水性，在一个或多个所述分析物穿过由电活性纳米膜所形成的所述纳米孔或纳米通道时，被分开、分隔、分离、分馏、纯化、或它们的组合。
33.如权利要求30所述的方法，其进一步包括随着时间的推移而调节所述电活性纳米膜的属性，使得一个或多个所述分析物根据其所带电荷，在一个或多个所述分析物穿过由所述电活性纳米膜所形成的所述纳米孔或纳米通道时，被分开、分隔、分离、分馏、纯化、或它们的组合。
34.如权利要求30所述的方法，其进一步包括随着时间的推移而调节所述电活性纳米膜的属性，使得一个或多个所述分析物根据其化学反应性，在一个或多个所述分析物穿过由所述电活性纳米膜所形成的所述纳米孔或纳米通道时，被分开、分隔、分离、分馏、纯化、或它们的组合。
35.如权利要求30所述的方法，其进一步包括随着时间的推移而调节所述电活性纳米膜的属性，使得一个或多个所述分析物根据与其结合的一种或多种附着于纳米膜的功能化物，在一个或多个所述分析物穿过由所述电活性纳米膜所形成的所述纳米孔或纳米通道时，被分开、分隔、分离、分馏、纯化、或它们的组合，所述功能化物包括蛋白质、抗体、酶、抗体片段、凝集素、噬菌体、寡聚核苷酸、核酸组分、适体、肽、氨基酸、修饰的氨基酸、脂质、离子、小分子、药物、或它们的组合。
36.如权利要求30所述的方法，其进一步包括随着时间的推移而调节所述电活性纳米膜的属性，使得一个或多个所述分析物根据一种或多种选自大小、润湿性、电荷、化学反应性、功能化物、或它们的组合中的属性，在一个或多个所述分析物穿过由所述电活性纳米膜所形成的所述纳米孔或纳米通道时，被分开、分隔、分离、分馏、纯化、或它们的组合。
37.如权利要求30所述的方法，其中移动所述分析物包括对所述分析物施加被动扩散运动、电泳力、机械力、或它们的组合。
38.如权利要求30所述的方法，其中移动所述分析物包括通过在所述电活性纳米膜上施加电刺激而改变所述电纳米膜的尺寸。
39.如权利要求30所述的方法，其中移动所述分析物包括电动地引入多个电离分子进入由所述电活性纳米膜形成的所述纳米通道或纳米孔；并且其中所述多个电离分子包括电离的盐、寡聚核苷酸、核酸组分、以及它们的组合。
40.如权利要求30所述的方法，其中所述纳米孔或纳米通道形成一个或多个测试柱或测试井，以用于液相色谱(LC)或气相色谱(GC)。
41.一种分子分离、纯化和检测的方法，该方法包括：
在载体材料中提供一个或多个纳米管或纳米井或它们的组合，每个纳米管包括一个或多个侧壁电极，每个纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极，其中电活性纳米膜被放置在所述一个或多个纳米管或纳米井或它们的组合中的一个电极的至少一部分上，以在相应的纳米管或纳米井中形成纳米孔或纳米通道，并且其中所述电活性纳米膜被配置为改变所述电活性纳米膜的尺寸、组成、疏水性、亲水性、电荷、化学结合性、含金属性或金属结合性；
移动在所述一个或多个纳米孔或纳米井或它们的组合中的分析物；和
在所述分析物运动穿过所述一个或多个电活性纳米膜时，通过施加电刺激以中和所述分析物的净电荷，从而固定所述分析物。
42.如权利要求41所述的方法，其进一步包括通过改变所述电活性纳米膜的尺寸或组成，使被固定的所述分析物运动或分离。
43.如权利要求41所述的方法，其进一步包括通过施加流体与所述电活性纳米膜通过静电、疏水、或亲水相互作用而相互作用，或通过施加流体以破坏目标或功能化物的相互作用，使被固定的所述分析物运动或分离，其中用包括以下的一种或多种组分配制所述流体：离子、离子性物质、洗涤剂、蛋白质、抗体、酶、抗体片段、凝集素、碳水化合物、噬菌体、配体、寡聚核苷酸、核酸组分、适体、肽、氨基酸、修饰的氨基酸、脂质、小分子、药物、或它们的组合。
44.如权利要求41所述的方法，其进一步包括通过改变所述电活性纳米膜的温度或压力，使被固定的所述分析物运动或分离。
45.形成装置的一种方法，其包括：
在载体材料中提供由一个或多个纳米井、纳米管、以及它们的组合所组成的阵列，所述纳米管包含一个或多个侧壁电极，所述纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极；和
在所述阵列中的一个电极的至少一部分上沉积电活性纳米膜，其中所述电活性纳米膜被配置为由于电活性响应而改变所述电活性纳米膜的至少一个尺寸。
46.如权利要求45所述的方法，其中沉积所述电活性纳米膜使用包括以下的沉积方法：喷涂、气相沉积法、溅射法、旋涂法、沉淀法、使用一种或多种热能和光能的原位非电化学沉积、多层沉积、化学沉积、和它们的组合。
47.如权利要求45所述的方法，其中在所述载体材料中提供所述阵列的方法包括：
在阵列中提供含有一个或多个纳米井或纳米管、或它们的组合的部分的载体材料的两个或更多个部分；和
使所述载体材料的两个或更多个部分结合在一起。
48.如权利要求45所述的方法，其中沉积所述电活性纳米膜的方法包括：
在阵列中沉积电活性纳米膜于含有一个或多个纳米井或纳米管、或它们的组合的部分的载体材料的两个或更多个部分中的每一者上；
将载体材料的两个或更多个部分放在一起；和
使沉积在载体材料的两个或更多个部分上的电活性纳米膜结合。
49.如权利要求45所述的方法，其中沉积所述电活性纳米膜采用了直接或间接的电化学沉积，其包括选择用于电化学沉积的单体，从而使得形成的所述电活性纳米膜至少在初期是导电的。
50.如权利要求45所述的方法，其中沉积所述电活性纳米膜包括使用前体材料，其包含或它们的组合，所述前体材料被配置为进行直接或间接的电化学诱导聚合反应并且具有Rn的基团，其中Rn代表：
(1)氢；
(2)作为核心结构被制备到单体结构的一个或多个取代基团；
(3)一个或多个取代基团，其中至少一者是疏水性基团，所述疏水性基团包括具有足够碳链长度的饱和的或不饱和的烃类，或者它们的组合；
(4)一个或多个取代基团，其中至少一者是亲水性基团，所述亲水性基团包括羟基、羧酸、磺酸、硫醇、聚乙二醇、胺、或它们的组合；
(5)一个或多个取代基团，其中至少一者带电荷，其包括羟基、羧酸或其盐、磺酸或其盐、硫醇、聚乙二醇、胺、或它们的组合；
(6)一种或多种取代基团，其中至少一者具化学反应性，其包括羟基、羧酸、酯、活化酯、醛、酮、卤素、磺酸酯、硫醇、叠氮化物、烯烃、炔烃、磷烯、胺、或它们的组合；
(7)一种或多种取代基团，其中至少一者具金属结合性，其包括硫醇、乙二胺四乙酸(EDTA)、乙二醇四乙酸(EGTA)、甘氨酸-甘氨酸-组氨酸肽，或它们的组合；或
选自(1)-(7)的任何组合。
51.如权利要求45所述的方法，其中沉积所述电活性纳米膜包括使用前体材料，其包括金属离子以形成金属化纳米膜，其中所述金属离子包括银、金、铂、铜、铁、钨、铝、钛、或它们的组合。
52.如权利要求45所述的方法，其中沉积所述电活性纳米膜是可控的，其可控程度取决于纳米井中或纳米管中空间被占用的程度。
53.如权利要求45所述的方法，其中被沉积的所述电活性纳米膜在沉积后改变所述电活性纳米膜的尺寸或组成或属性方面是可控的。
54.如权利要求45所述的方法，其中被沉积的所述电活性纳米膜的控制至少可以通过沉积之后施加电刺激于至少一个侧壁电极上，以形成聚合或解聚反应。
55.如权利要求45所述的方法，其中被沉积的所述电活性纳米膜的控制至少可以通过沉积之后施加电刺激于至少一个侧壁电极上，以加入或去除分子，以改变所述电活性纳米膜的表面组成和内部组成中的一者或多者。
56.如权利要求45所述的方法，其中沉积所述电活性纳米膜包括在所述阵列里作为主电极的电极的至少一部分上的电化学聚合。
57.如权利要求56所述的方法，其进一步包括
施加电刺激于至少一个次级电极上，所述次级电极选择于和纳米井或纳米管的主电极不同的任何电极中，以吸引被放置的或者在持续放置中的电活性纳米膜至所述次级电极的表面，使得所述电活性纳米膜从主电极延伸并且接触所述次级电极，以形成主电极和次级电极之间的导电桥。
58.形成装置的一种方法，其包括：
在载体材料中提供由一个或多个纳米井或纳米管或它们的组合所组成的阵列，每个纳米管包含一个或多个侧壁电极，每个纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极；
在所述阵列的一个电极的至少一部分上沉积第一电活性纳米膜；和
在所述第一纳米膜上旋转地沉积第二电活性纳米膜，以在所述阵列里相应的纳米井或相应的纳米管中形成纳米通道或纳米孔或它们的组合，其中所述第二电活性纳米膜被配置为响应电刺激而改变其分子组成、尺寸、或属性中的一者或多者。
59.如权利要求58所述的方法，其中沉积所述第一纳米膜包括沉积方法，其包括喷涂法、气相沉积法、溅射法、旋涂法、沉淀法、使用一种或多种热能和光能的原位非电化学沉积、多层沉积法、化学沉积法、或它们的组合。
60.如权利要求58所述的方法，其中旋转地沉积所述第二电活性纳米膜包括调整下述的一者或多者：电化学沉积法的电刺激、直流电流、交流电流、调制为正弦波或方波或锯齿波的电流或电压、循环伏安驱动的电流或电压、以恒定电压或恒定电流或恒定功率支持的电波形、振幅或频率的一者或两者可变的电压或电流、持续时间或脉冲数目可变的电压或电流、或它们的组合。
61.形成装置的一种方法，其包括：
在载体材料中提供一个或多个纳米井或纳米管或它们的组合，每个纳米管包含一个或多个侧壁电极，每个纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极；
选择第一前体材料；
沉积从所述第一前体材料而得的第一纳米膜在所述一个或多个纳米井或纳米管或它们的组合中的一个电极的至少一部分上；
用第二前体材料替代所述第一前体材料；并且
电化学法沉积从所述第二前体材料而得的第二电活性纳米膜在所述第一纳米膜上，以在相应纳米井或纳米管中形成纳米孔或纳米通道，其中所述第一或第二电活性纳米膜的至少一部分包括化学活性材料、电荷结合材料、疏水性材料、亲水性材料、带电材料、金属结合材料、含金属材料、电传导性材料、或它们的组合。
62.如权利要求61所述的方法，其中所述化学活性材料包括材料，所述材料可以与交联剂、异双功能交联剂、光活化的交联剂、或它们的组合进行反应。
63.如权利要求61所述的方法，其中所述第二电活性纳米膜可以直接或间接地与蛋白质、抗体、酶、抗体片段、凝集素、噬菌体、寡聚核苷酸、核酸组分、适体、肽、氨基酸、修饰的氨基酸、脂质、离子、小分子、药物、或它们的组合进行化学反应，以功能化所述纳米通道或纳米孔的表面。
64.如权利要求63所述的方法，其中所述酶包括激酶、磷酸酶、核酸酶、合成酶、氧化酶、过氧化物酶、还原酶、或它们的组合。
65.如权利要求61所述的方法，其中沉积所述第一纳米膜或所述第二纳米膜包括间接的电化学沉积，其包括1,4-苯醌的反应。
66.一种分子分离、纯化和检测的方法，该方法包括：
在载体材料中提供一个或多个纳米井或纳米管或它们的组合，每个纳米管包括一个或多个侧壁电极，每个纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极，其中一个或多个电活性纳米膜被提供在所述一个或多个侧壁电极或底部电极或它们的组合中的至少一部分上；
在所述一个或多个电活性纳米膜中成核并形成脂质双层；
在脂质双层中插入蛋白质纳米孔；
施加离子漏斗电流或电压，使核酸运动走向并通过所述蛋白质纳米孔；并且
将所述核酸通过所述蛋白质纳米孔的测量信号和预定信号相比较，获得所述核酸的序列。
67.如权利要求66所述的方法，其进一步包括稳定在所述一个或多个电活性纳米膜中的脂质双层的形成。
68.如权利要求66所述的方法，其中所述蛋白质纳米孔包括α-溶血素或耻垢分枝杆菌(Mycobacterium smegmatis)孔蛋白A。
69.如权利要求66所述的方法，其中所述脂质双层大小被限制以防止多于一个的蛋白质纳米孔被插入到脂质双层中。
70.如权利要求66所述的方法，其中所述核酸包括单链核酸、双链核酸、部分双链的核酸、或它们的组合。
71.如权利要求66所述的方法，其中所述核酸为单链核酸，并且其中，一个或多个互补寡聚核苷酸和所述单链核酸相杂交，其杂交长度或者条件提供足够稳定以维持用于测试的至少部分双链的形式。
72.如权利要求66所述的方法，其中所述核酸包括用于测序的RNA链，其中没有用反转录酶或光学检测方法用于测序所述RNA链。
73.如权利要求66所述的方法，其中所述核酸为双链DNA，并且其中双链DNA的测序不将双链DNA分解为单链。
74.如权利要求66所述的方法，其中所述方法为使用氯化物/银/氯化银测量系统的信号检测方法。
75.如权利要求66所述的方法，其中所述一个或多个电活性纳米膜被配置为响应电刺激而改变其分子组成、尺寸、或属性中的一者或多者，其中所述属性包括疏水性、亲水性、带电荷性、化学反应性、金属结合性、含金属性、或它们的组合中的一者或多者。
76.一种分子分离、纯化和检测的方法，该方法包括：
在载体材料中提供一个或多个纳米井或纳米管或它们的组合，每个纳米管包括一个或多个侧壁电极，每个纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极，其中一个或多个电活性纳米膜被提供在所述一个或多个侧壁电极或底部电极或它们的组合中的至少一部分上，以通过所述一个或多个电活性纳米膜形成纳米孔或纳米通道；
放置核酸于所述纳米孔或纳米通道上；
施加离子漏斗电流或电压，使所述核酸运动走向并通过所述蛋白质纳米孔或所述纳米通道；并且
将所述核酸通过所述纳米孔或纳米通道的测量信号和预定信号相比较，获得所述核酸的序列。
77.如权利要求76所述的方法，其中所述核酸包括单链核酸，并且其中互补寡聚核苷酸和所述单链核酸相杂交，其杂交长度或者条件提供足够稳定以维持用于测试的双链形式。
78.如权利要求76所述的方法，其中所述核酸包括用于测序的RNA链，其中没有用反转录酶或光学检测方法用于测序所述RNA链。
79.如权利要求76所述的方法，其中所述核酸为双链DNA，并且其中双链DNA的测序不将双链DNA分解为单链。
80.如权利要求76所述的方法，其中所述方法为使用氯化物/银/氯化银测量系统的信号检测方法。
81.如权利要求76所述的方法，其中所述一个或多个电活性纳米膜被配置为响应电刺激而改变其分子组成、尺寸、或属性中的一者或多者，其中所述属性包括疏水性、亲水性、带电荷性、化学反应性、金属结合性、含金属性、或它们的组合中的一者或多者。
82.一种分子分离、纯化和检测的方法，该方法包括：
在载体材料中提供一个或多个纳米井或纳米管或它们的组合，每个纳米管包括一个或多个侧壁电极，每个纳米井包括一个或多个侧壁电极和/或一个或多个底部电极，其中一个或多个电活性纳米膜被提供在所述一个或多个侧壁电极或底部电极或它们的组合中的至少一部分上，以通过所述一个或多个电活性纳米膜形成纳米孔或纳米通道；
通过将核酸酶附着于所述一个或多个电活性纳米膜上，使得所述一个或多个电活性纳米膜功能化；
放置核酸于所述纳米孔或纳米通道上，其中通过所述核酸酶的酶活性而由所述核酸形成核酸碱基；
施加离子漏斗电流或电压，使所述核酸碱基运动走向并通过所述纳米孔或所述纳米通道；并且
将所述核酸碱基通过所述纳米孔或所述纳米通道的测量信号和预定信号相比较，获得所述核酸的序列。
83.如权利要求82所述的方法，其中所述核酸包括用于测序的RNA链，其中没有用DNA聚合酶或反转录酶或光学检测方法用于测序所述RNA链。
84.如权利要求82所述的方法，其中所述核酸为双链DNA，并且其中所述双链DNA的测序不将双链DNA分解为单链。
85.如权利要求82所述的方法，其中所述方法为使用氯化物/银/氯化银测量系统的信号检测方法。
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