Nanopore de estado sólido

Resumo

O nanoporo de estado sólido chamou a atenção de muitos pesquisadores devido à sua característica de nanoescala. Agora, diferentes métodos de fabricação foram relatados, que podem ser resumidos em duas categorias amplas:tecnologia de gravação "de cima para baixo" e tecnologia de retração "de baixo para cima". O método de gravação por íon track, método de gravação por máscara, método de solução química, e gravação de partículas de alta energia e método de encolhimento são exibidos neste relatório. Além disso, também discutimos as aplicações da tecnologia de fabricação de nanoporos de estado sólido no sequenciamento de DNA, detecção de proteínas e conversão de energia.

Histórico

Nanopore de estado sólido tem atraído cada vez mais atenção, devido ao tamanho ajustável, alta confiabilidade, fácil modificação e assim por diante [1,2,3]. Tem sido aplicado ao sequenciamento de DNA [4], purificação de água [5], detecção de proteínas [6], separação de nanopartículas [7], conversão de energia [8] e assim por diante, especialmente na área de sequenciamento de DNA, detecção de proteínas, e conversão de energia. Portanto, é muito significativo fabricar nanoporos de estado sólido com método de baixo custo e alta eficiência.

A tecnologia de fabricação de nanoporos de estado sólido foi relatada pela primeira vez por Jiali Li e seu colaborador em 2001 [9] e se tornou um ponto quente de pesquisa. De acordo com o mecanismo de fabricação, a tecnologia de fabricação de nanoporos de estado sólido pode ser resumida em duas grandes categorias. O primeiro é a tecnologia de corrosão "de cima para baixo", como feixe de íons focalizado e feixe de elétrons de alta energia. O segundo tipo é a tecnologia de encolhimento “bottom-up”, que foi baseada no primeiro tipo, como a deposição assistida por feixe de elétrons e deposição de camada atômica. Agora, nitreto de silício [10] e óxido de silício [6] têm sido usados para preparar nanoporos de estado sólido, que possuíam excelente desempenho como diâmetro ajustável e comprimento de canal. Além disso, grafeno [11] e sulfeto de molibdênio [12] também podem ser usados para fabricar nanoporos de estado sólido.

O diâmetro do nanoporo de estado sólido pode ser controlado com precisão de subnanômetro a várias centenas de nanômetros de acordo com a necessidade [13]. Em geral, o nanoporo de estado sólido é preparado em materiais isolantes [14] e é muito estável em soluções extremas, como ácido sulfúrico concentrado [15] e altas temperaturas [16]. No entanto, sua estabilidade também depende muito do método de preparação. Neste artigo, revisamos o método de preparação de nanoporos de estado sólido. Em primeiro lugar, discutimos o desenvolvimento da tecnologia de fabricação de nanoporos de estado sólido. Em seguida, exibimos várias tecnologias de fabricação de nanoporos de estado sólido em detalhes. Finalmente, resumimos as aplicações da tecnologia de fabricação de nanoporos de estado sólido em algumas áreas.

Processo de desenvolvimento

Desde que Jiali Li da Universidade de Harvard relatou pela primeira vez a produção de nitreto de silício nanopore por íons de argônio em 2001 [9], a tecnologia de fabricação de nanopore de estado sólido gradualmente se desenvolveu em dois ramos de fabricação de feixe de alta energia [17,18,19] e convencional fabricação (Fig. 1). Os pesquisadores tentam melhorar a eficiência da fabricação de nanoporos de estado sólido com feixe de alta energia para compensar a falta de alto custo. Gierak et al. [20] melhorou o Ga ⁺ sistema de gravação direta do feixe de íons focado (FIB) e produziu um nanoporo em um filme de SiC de 20 nm de espessura com o diâmetro de cerca de 2,5 nm. Em 2016 surgiu o sistema de corrosão de íon hélio com alta eficiência, possuindo região ativa menor de ponto de feixe e amostra. Até agora, ele processou Si ₃ N ₄ nanopore com diâmetro de apenas 1,3 nm [21].

Roteiro de desenvolvimento de tecnologia de fabricação de nanoporos em estado sólido

Sempre foi o objetivo perseguido pelos pesquisadores alcançar a fabricação eficiente e controlável de nanoporos de estado sólido usando métodos convencionais de fabricação. Devido à demanda de nanoporos de estado sólido, aparecem muitas tecnologias de fabricação de nanoporos de estado sólido, como cubos de nanotubos de carbono [22], gravação de máscara (nanosfera [23] e filme de alumina anódica porosa [24]), nanoimpressão [25] , e assim por diante. Embora esses métodos evitem o uso de microscópio eletrônico de transmissão (TEM), FIB e outros equipamentos de processamento caros, ainda existem muitas deficiências. A controlabilidade do método de corte de nanotubos de carbono é pobre, o que não é adequado para a fabricação em lote. O diâmetro da nanosfera na gravação da máscara limita o tamanho e a densidade do nanoporo de estado sólido triangular. Filmes de óxido de alumínio anódico poroso possuem baixa resistência e requerem auxílio de processo de transferência, o que reduz a eficiência de fabricação. A nanoimpressão requer os modelos de alta precisão, o que em si é um desafio de micro / nanofabricação.

Depois de Ling et al. fabricado o nanopore de plástico pela tecnologia de controle de feedback de corrente, esta tecnologia tem sido usada para corrosão de silício [26], e a fabricação controlável de nanopore de silício foi realizada [27]. Com base no trabalho de Ling, Pedone et al. [28] usaram litografia de feixe de elétrons para fabricar janelas gravadas com silício, o que melhorou as diferenças de orifícios causadas por erros fotolitográficos. Mais tarde, os pesquisadores combinaram a tecnologia de controle de feedback de corrente com a tecnologia de quebra elétrica e criaram nanoporos de estado sólido abaixo de 2 nm [29]. No entanto, a técnica de controle de realimentação de corrente não consegue identificar o sinal de corrente aumentado causado pelo aumento do número de poros ou pelo aumento do diâmetro de um único poro. Portanto, não é adequado para a fabricação de nanoporos de estado sólido.

Recentemente, Liu et al. [30] tubo de efeito de campo de nanofluido fabricado com base em poros de vidro usando corrosão de células de micrômetro, deposição de vidro e recozimento e métodos de deposição de camada atômica. Surwade et al. [31] usaram o condicionamento por plasma de oxigênio em grafeno e obtiveram um filme de nanoporos de grafeno com um diâmetro de 0,5-1 nm. Embora o material desta tecnologia de fabricação nanoporosa seja limitado ao grafeno, e o processo de transferência do grafeno não seja compatível com o sistema microeletromecânico (MEMS) e o processo de semicondutor de óxido de metal complementar (CMOS), seu mecanismo de fazer poros quebrou o limite mínimo de energia superficial, que comprovam o advento da fabricação de nanoporos em estado sólido com alta eficiência e baixo custo.

Tecnologias de Fabricação

Método de gravação por faixa de íons

O nanoporo de estado sólido foi fabricado primeiro com corrosão por trilha de íons. A gravação em trilha de íons usou o ácido para gravar o filme, que foi irradiado por íons pesados. A taxa de gravação da região da trilha é maior do que a da região sem trilha ( v _faixa> v _{em massa} ), que resultam na forma de poro. Este método fabricou com sucesso nanopore de estado sólido em materiais relativamente baratos, como policarbonato, poliimida e nitreto de silício. Zhang et al. [32] fabricou nanoporo de nitreto de silício por este método com Br ⁺ de alta energia (81 MeV). O diâmetro desse nanoporo era relativamente grande, e o diâmetro mínimo do nanoporo obtido foi de 40 nm após o processo de encolhimento. Atualmente, Harrell et al. [18] fabricaram o nanoporo de estado sólido com o diâmetro de 2 nm por ataque iônico, após o diâmetro ter sido encolhido pela deposição de filmes finos de nanogold. No entanto, o nanoporo de estado sólido preparado pelo método de corrosão de canal iônico tem uma pequena porosidade e uma distribuição de tamanho de poro desigual. Enquanto isso, este método requer acelerômetro de íon pesado caro e restringe a fabricação e aplicação do nanoporo de estado sólido severamente.

Método de gravação com máscara

O método de gravação em máscara pode ser dividido em três métodos auxiliares de fabricação de acordo com o tipo de máscara, que era óxido de alumínio anódico poroso (AAO), nanosfera e nanoimpressão, respectivamente. Os pesquisadores descobriram que o AAO não apenas possui uma distribuição uniforme de tamanho de poro e comprimento de poro ajustável, mas também uma estrutura de poro em forma de favo de mel periódica sem cruzamento e conexão entre os poros na lateral. Ele pode superar o problema de baixa porosidade e distribuição de tamanho desigual no método de corrosão por trilha de íons. Conforme mostrado na Fig. 2a, Liang et al. [25] transferiram o padrão de nanoporos para o substrato por corrosão iônica reativa usando AAO como uma máscara e realizaram a fabricação controlada do nanoporo de estado sólido. Infelizmente, a resistência mecânica do filme AAO é fraca e está sujeito a rachaduras. Além disso, seu processo de fabricação também apresenta muitos problemas, como morosidade, baixa produção, poluição do meio ambiente e desperdício de matéria-prima. Todos esses defeitos limitam o uso de métodos de gravação de máscara AAO.

Preparação de nanoporos de estado sólido por métodos de gravação em máscara. ( a ) Nanoporo de estado sólido de GaAs [25], ( b ) nanoporo de silício [33], e ( c ) nanopore de alumínio com diferentes formas [34]

Inspirado na gravação de máscara AAO para fabricar nanopore de estado sólido, Alyson et al. [24] usam a nanosfera como máscara, seguida por uma corrosão iônica reativa (RIE) para criar um nanoporo de estado sólido de alta porosidade com uma seção transversal triangular. Chen et al. [33] com base no primeiro e ajustou o diâmetro das nanoesferas da camada superior em nanoesferas de poliestireno de camada dupla para controlar a distribuição da lacuna e o tamanho da nanosfera com precisão. Finalmente, por meio de corrosão iônica reativa profunda, eles obtiveram um nanoporo de silício com uma profundidade de até 2 μm cuja seção transversal era semelhante à da nanosfera. A tecnologia de corrosão de nanosfera também pode ser combinada com deposição de metal ou processo de separação para produzir uma máscara de nanopore de metal. Então, combinado com o condicionamento e remoção do processo de máscara de metal, um nanoporo de silício foi obtido [34] (Fig. 2b). A tecnologia de corrosão de nanosfera possui ampla adaptabilidade, que não só pode ser usada para criar nanoporos de estado sólido com estrutura multicamadas, mas também para criar filtros de polietersulfona de alta porosidade. No entanto, devido à limitação do diâmetro das nanoesferas, o diâmetro do nanoporo é muito grande e é difícil para menos de 10 nm.

É muito complexo fabricar nanoporos de estado sólido por meio de máscaras AAO ou métodos auxiliares de manufatura de nanosfera, pois envolve os processos de fabricação, transferência e remoção da máscara. Ao mesmo tempo, a máscara não pode ser reutilizada e resulta em desperdício. Portanto, os pesquisadores voltaram sua atenção para a tecnologia de nanoimpressão reutilizável. O princípio da nanoimpressão é prensar um molde preparado em um filme fino de polímero (como polimetil metacrilato), e o padrão, que é semelhante ao molde, é obtido quando o filme é solidificado [35]. A tecnologia de nanoimpressão não só pode reutilizar os modelos, mas também pode produzir nanoestruturas complexas com uma largura de linha mínima de até 5 nm [23]. O alumínio poroso é o produto mais comum com estrutura nanoporosa fabricada por tecnologia de nanoimpressão [36] (Fig. 2c). Atualmente, Chou et al. [37] criaram o menor nanoporo por tecnologia de nanoimpressão. Eles usaram cromo como máscara e gravaram por feixe de elétrons e RIE, obtendo um diâmetro de 10 nm e uma altura de SiO de 60 nm ₂ nanopilar. Posteriormente, o diâmetro do nanopilar é ainda mais reduzido por ataque HF, e nanopore com diâmetro inferior a 6 nm é obtido usando o nanopilar como um molde de impressão. No entanto, a estabilidade deste método é pobre, e o processo de fabricação e estampagem do molde ainda precisa ser melhorado. Os modelos de alta precisão são necessários na tecnologia de nanoimpressão e precisam de métodos de fabricação em nanoescala, como litografia por feixe de elétrons, para serem fabricados, o que por si só é um desafio na micro / nanofabricação. Além disso, a vida útil do modelo e a precisão da impressão também são os desafios da tecnologia de nanoimpressão.

Método de corrosão em solução química

Além de usar métodos de gravação em máscara, os cientistas também estão tentando fabricar nanoporos de estado sólido usando gravação em solução química. Entre a solução química de corrosão, os métodos de corrosão eletroquímica são comumente usados na fabricação de silício poroso. O método de corrosão eletroquímica é um método barato para a fabricação de nanoporos de estado sólido de silício e pode controlar com precisão o padrão e a localização do silício poroso ao projetar a máscara. Além disso, a porosidade e o tamanho do nanoporo do silício poroso também podem ser controlados ajustando a concentração do líquido de corrosão, a corrente de corrosão, o tempo de corrosão e outros parâmetros do processo. Orosco et al. [38] obtiveram resultados notáveis por este método e produziram camadas duplas de silício poroso com diâmetro mínimo de nanoporos de 6 nm (Fig. 3a). Além disso, Wang et al. [39] usou um feixe de íons focal (dose de 10 ¹¹ ~ 10 ¹⁵ íons / cm ² ) para irradiar a posição específica do silício, o método de corrosão eletroquímica foi usado para obter o nanoporo de silício com posição e quantidade controladas, enquanto o número e o tamanho do nanoporo são limitados pelo pequeno campo de visão do feixe de íons. No entanto, a rugosidade da superfície da parede de silício porosa fabricada pelo método de corrosão eletroquímica era muito alta, mesmo com a estrutura de bifurcação existente, o que restringe seriamente a aplicação do método de corrosão eletroquímica usado para fabricar nanoporos de estado sólido de silício.

Preparação de nanoporos de estado sólido por corrosão em solução química. ( a ) Nanoporo de silício de parede dupla [38], ( b ) nanoporo de silício [27], e ( c ) nanoporo de silício altamente controlável [28]

Com o desenvolvimento da tecnologia MEMS, os pesquisadores descobriram que a técnica de corrosão por solução química pode ser usada para fabricar nanoporos de silício com posições e números controlados [27, 28, 40]. Park et al. [27] primeiramente utilizou o nanoporo de estado sólido fabricado por tecnologia de corrosão de solução química para sequenciamento de DNA. Em primeiro lugar, eles usaram fotolitografia e RIE para gravar filmes de nitreto de silício em ambos os lados do wafer de silício e obter janelas de silício com áreas diferentes. Em seguida, o wafer de silício é colocado em solução de KOH para ataque químico, e uma pirâmide invertida e uma estrutura trapezoidal foram obtidas em janelas pequenas e grandes, respectivamente. Em terceiro lugar, a pastilha de silício é montada no sistema de gravação de feedback, e a solução de sal de KCl e a solução de gravação KOH são isoladas por uma pastilha de silício (Fig. 3b). Quando a solução KOH perfura o wafer de silício obtendo o nanopore, a solução em ambos os lados do wafer de silício passa através do nanopore e conduz os eletrodos de Pt obtendo um sinal elétrico de feedback. Finalmente, eles removem a pastilha de silício obtendo nanopore de silício. Devido às limitações de fabricação de máscara de litografia e erros fotolitográficos, a pequena janela de silício padronizada não pode ser um quadrado absoluto, de modo que os nanoporos de estado sólido gravados são retângulos aproximados e requerem processamento subsequente, como recozimento para melhorar a morfologia dos poros. Pedone et al. [28] desenvolveram uma pequena janela usando litografia por feixe de elétrons baseada na primeira, que evitou o erro de fabricação da máscara e litografia. Ao mesmo tempo, quando a realimentação do sinal elétrico foi adicionada ao sistema de controle inteligente, o nanoporo aproximadamente perfeito foi obtido (Fig. 3c). De forma semelhante, Liu et al. [41] usaram uma combinação de métodos de corrosão seca e úmida para fabricar nanoporos de silício com o diâmetro mínimo de 30 nm. Não é difícil encontrar, além dos grupos de Rant, outros grupos apenas podem fabricar nanoporos de silício com diâmetro maior. Ao mesmo tempo, é difícil caracterizar o diâmetro do nanoporo, o que atribui o campo limitado do TEM.

Método de corrosão e encolhimento de partículas de alta energia

Depois de encontrar um retrocesso na busca para fabricar nanopore de estado sólido usando métodos simples, alguns pesquisadores voltaram a usar partículas energéticas para fabricar nanopore em pequenas áreas com estrutura controlável [20, 42]. Kim et al. [42] inicialmente usaram a corrosão por feixe de íons focado e obtiveram poros cegos de 6 × 6 com o diâmetro de 2 μm como uma área de litografia de feixe de elétrons. Em seguida, eles usaram a corrosão por feixe de elétrons de alta energia em TEM para obter o nanoporo de SiN, e o diâmetro médio do nanoporo de SiN resultante foi de 5,14 nm com um desvio padrão de 0,46 nm. Devido às limitações do equipamento TEM, apenas um chip pode ser colocado em cada vácuo, o que restringe severamente a taxa de fabricação do chip nanopore. O dispositivo FIB possui cavidade maior, podendo ser colocado mais de um chip até mesmo um wafer inteiro (silício). Comparado com o TEM, aumentou muito a eficiência de fabricação do nanopore. No entanto, o diâmetro do nanopore fabricado por ataque de feixe de íons focalizado é muito grande. Atualmente, apenas o grupo Gierak fabricou nanoporos com diâmetros menores que 5 nm usando FIB [20]. Eles melhoraram o Ga ⁺ sistema de escrita direta e nanopore fabricado com diâmetro de cerca de 2,5 nm em filme de carboneto de silício com espessura de 20 nm.

Agora, além dos grupos Gierak, é difícil para outros grupos usarem o Ga ⁺ sistema de feixe de íons focado na fonte para fabricar nanoporos com diâmetro inferior a 10 nm. Os pesquisadores tentam usar FIB para fazer nanoporos de maior diâmetro, então o tratamento de superfície foi usado para reduzir o diâmetro do nanoporo [43,44,45,46]. Até agora, os métodos para reduzir o diâmetro dos nanoporos foram divididos em duas categorias. O primeiro tipo é o meio de deposição, no qual o material foi depositado na superfície do nanoporo para reduzir o diâmetro do nanoporo. O segundo tipo é a irradiação por feixe de elétrons, que faz com que o material da borda do nanopore migre e reduza o diâmetro do nanopore.

Redução de material de deposição de superfície nanoporo

Chen et al. [43] em primeiro lugar realizaram uma redução precisa do diâmetro do nanoporo depositando materiais na superfície do nanoporo. Eles depositaram 24 camadas de alumina no Ga ⁺ esticado nanopore superfície usando deposição de camada atômica (ALD), e o diâmetro do nanopore foi reduzido para 2 nm (Fig. 4a). Durante o processo de sequenciamento de DNA, verificou-se que o nanoporo preparado por este método pode efetivamente reduzir o ruído e melhorar a relação sinal-ruído. A essência do método de deposição de camada atômica é o processo de deposição de camada única sub-nanômetro, e possui um processo estável que é benéfico para a fabricação precisa de nanoporos. Torre et al. [44] empregaram uma abordagem semelhante para reduzir o diâmetro do nanopore, em que primeiro usaram o ataque de feixe de íons focado para obter o nanopore com um diâmetro médio de 27,3 nm, depois o diâmetro do nanopore foi reduzido para 8,3 nm por deposição de óxido de titânio usando ALD.

Métodos de modificação e corrosão de partículas de alta energia para a fabricação de nanoporos de estado sólido. ( a ) Redução de ALD, ( b ) autocalibração da borda do nanopore, e ( c ) nanopore de corrosão de íon hélio

Rant et al. encontrou outra maneira. Eles primeiro usaram litografia por feixe de elétrons e RIE para obter nanopore de nitreto de silício. Em seguida, o nanopore foi reduzido para menos de 10 nm depositando um filme fino de Ti / Au na superfície do nanopore usando um método de evaporação física [45]. Além de alumina, óxido de titânio e metal, carbono amorfo também pode ser depositado para retração com o auxílio de feixe de elétrons no sistema FIB [46].

Redução de migração de material de borda Nanopore

A migração do material da borda do nanopore é baseada no princípio da energia mínima de superfície do nanopore, que foi proposto pelo grupo Dekker [47]. Ou seja, quando o diâmetro do nanopore é menor do que a espessura do nanopore, o nanopore será reduzido irradiado por feixe de elétrons de alta energia. Com base na pesquisa de Dekker, Storm et al. [48] in situ observaram que o diâmetro mínimo do nanoporo de óxido de silício foi reduzido para 2 nm após irradiado pelo feixe de elétrons (Fig. 4b). Este resultado experimental confirmou ainda mais o princípio do mínimo de energia de superfície nanopore. Além disso, a espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDX) e a espectroscopia de perda de energia de elétrons (EELS) também confirmam que a diminuição do diâmetro do nanopore foi resultado da migração do material da borda do nanopore, em vez de causada pela contaminação da superfície do nanopore [9] . O princípio da energia mínima de superfície nanopore é verificado em diferentes morfologias de nanopore de óxido de silício, tais como nanopore de óxido de silício elíptico e nanopore composto de nitreto de silício / sílica [49].

O método de encolhimento resolve o problema de que o tamanho do nanopore na fabricação do FIB não é pequeno o suficiente, mas o processo de fabricação do nanopore é complicado. Os pesquisadores também têm buscado métodos mais simples de fabricação de feixe de íons para fabricar nanoporos de estado sólido. Recentemente, o surgimento da tecnologia de fabricação de nanopore com corrosão de íon hélio, que possui menor área ativa do ponto do feixe e da amostra, supera a dificuldade do FIB convencional, no qual o diâmetro do nanopore é maior que 10 nm. O Emmrich et al. [21] demonstraram que este sistema pode produzir nitreto de silício nanoporo com diâmetro de apenas 1,3 nm e espessura de 30 nm (Fig. 4c). Embora tenha aumentado muito a eficiência de processamento em comparação com TEM e sistemas de feixe de íons focalizados usando Ga ⁺ convencional fontes de íons, este sistema é caro o que limita a aplicação do mesmo.

Método de nanopore confinado eletroquimicamente

Ying et al. e Lin et al. [50, 51] iniciar o conceito de nanopore confinado eletroquimicamente que exibe a excelente capacidade de confinar engenhosamente a eletroquímica, distribuição de energia, aprimoramento óptico e o transporte de massa dentro do nanoporo assimétrico. O eletrodo de nanoporos confinados (CNE) pode ser usado para realizar estudos de alta resolução resolvidos no tempo de processos eletroquímicos dentro de uma única célula usando eletrodos de nanopartículas confinados em nanopartículas em laboratórios químicos normais. Com a ajuda da ótica, ele também pode ser aplicado à aquisição simultânea multidimensional de sinais fotoelétricos de corpo único em nanoescala, fornecendo novas idéias para a medição eletroquímica de células vivas únicas, partículas únicas e moléculas únicas [52].

Aplicativo

Sequenciamento de DNA

Após a ideia do nanopore, o sequenciamento de DNA foi proposto pelo grupo do biólogo Kasianowicz em 1996 [53]; a tecnologia nanopore foi desenvolvida rapidamente. O sequenciamento de DNA usando nanopore é um método físico e substituiu o método da DNA polimerase de Sanger. Este método usa o campo elétrico para impulsionar o movimento do DNA no nanopore e usa diretamente a característica de tempo da corrente de íons do nanopore para distinguir o tamanho de uma única base, de modo a atingir o propósito de sequenciamento do DNA. O método de sequenciamento de DNA nanopore evita a modificação, amplificação e outros processos do DNA, que economizam o custo da cara polimerase, portanto, esse método possuía alta competitividade. Inspirados por Kasianowicz, os físicos começaram a investigar a possibilidade desse método desde 2000, então nasceu o campo do sequenciamento de DNA nanopore.

O método de sequenciamento de DNA de nanopore pode ser dividido em sequenciamento de bio-nanopore e sequenciamento de nanopore em estado sólido de acordo com o material nanoporoso [54]. Entre eles, o sequenciamento de bio-nanoporos apresenta as desvantagens da pausa e reversão das moléculas de DNA, o que torna o sinal de tempo atual detectado por este método mal interpretado [55]. Como resultado, o sequenciamento de DNA de nanoporos em estado sólido e sua fabricação se tornaram os principais tópicos de estudiosos em vários países [56].

Com a pesquisa profunda de métodos de sequenciamento de DNA nanopore, os cientistas pensam que os sensores nanopore podem realizar a detecção paralela de DNA e atingir o objetivo de sequenciamento de DNA de alto rendimento [57]. Um dos mais promissores é a detecção paralela de fluorescência da tecnologia de sequência de DNA, que foi baseada na reflexão interna de nanoporos de estado sólido [58] (Fig. 5). Com a ajuda da câmera do dispositivo acoplado de carga multiplicadora de elétrons (CCD), ele pode ser capturado do DNA por meio do sinal de cada nanoporo, e vários sinais ópticos e sinais de corrente de íons podem ser correspondidos um a um para realizar o sequenciamento de DNA de alto rendimento . Posteriormente, esta tecnologia foi posteriormente confirmada por sequenciamento de bio-nanoporos, que teoricamente permitiu a identificação de 10 ⁶ base / mm ² por segundo [59]. No entanto, também existem algumas desvantagens para os métodos de sequenciamento de DNA de nanoporos em estado sólido, como a alta velocidade de translocação e a baixa resolução espacial [60].

Detecção paralela de fluorescência de reflexão interna total (FTIR) da sequência de DNA [58]. a Diagrama esquemático. b Mapa de sinais de sinais de corrente ótica e iônica detectados no experimento

Detecção de proteína

Em 2007, Fologea et al. [61] detectou com sucesso albumina de soro bovino (BSA) usando nanoporos de estado sólido com espessura de 10 nm. Além disso, eles também estudaram a alteração da conformação da β-lactoglobulina sob a ação de diferentes concentrações de desnaturante de ureia por nanoporos de estado sólido. Eles descobriram que a maioria das proteínas passa pelo nanopore com conformação linear ou helicoidal e que o campo elétrico no nanopore pode desenrolar a proteína que passa [62]. Assim, iniciaram a detecção de proteínas e a pesquisa de propriedades físico-químicas e estrutura das proteínas. Cressiot et al. [63] fabricou nanopore de estado sólido com o diâmetro de 20 nm usando FIB e sistematicamente estudou e comparou as características dos sinais de corrente quando a proteína de ligação à maltose de tipo selvagem (MaIE) e MaIE desdobrado passaram pelo nanopore. Nesse experimento, eles também descobriram que havia uma barreira de energia livre quando a proteína passava pelo nanopore. Depois disso, Cressiot fabricou o nanopore com o diâmetro de 3 nm usando TEM e encontrou a proteína MaIE novamente. Em contraste, a proteína foi esticada pelo campo elétrico quando o campo elétrico era grande.

Em 2013, Plesa et al. [64] testaram com sucesso a aprotinina (6,5 kDa), ovalbumina (6,5 kDa), beta-amilase (45 kDa), ferritina (200 kDa) e tireoglobulina (660 kDa); cinco proteínas usando nanoporo de nitreto de silício com diâmetro de 40 nm. Eles descobriram que o sinal de corrente medido era distorção porque a velocidade da proteína através do nanopore era muito rápida e a largura de banda de detecção era relativamente pequena. Além disso, a frequência do evento foi oposta à constante de difusão da proteína. Existem duas maneiras de resolver essa contradição. Uma maneira é reduzir a velocidade da proteína através do nanopore e a outra maneira é aumentar a largura de banda de detecção. Di et al. [65] reduziu com sucesso a velocidade da proteína ubiquitina através do nanopore usando luz visível de baixa potência e distinguir o ângulo de rotação durante a proteína através do nanopore. Recentemente, eles detectaram com sucesso a proteína ubiquitina e distinguiram o tipo de conexão entre a proteína ubiquitina e a proteína usando nanoporos de estado sólido com o diâmetro de 3 nm. Este trabalho abre um novo caminho para a pesquisa biomédica da proteína ubiquitina [66]. Em 2014, Larkin et al. [67] detectou com sucesso proteinase K e RNA enzima A usando amplificador de corrente de alta largura de banda e HfO ultrafino ₂ nanopore e mediu a eletromobilidade, a constante de difusão e o volume desta proteína.

Nanopore possui resolução de detecção extremamente alta para a estrutura interna da molécula, e se tornou um poderoso sensor para a interação de uma única molécula. Tem sido amplamente utilizado na detecção em tempo real de interações DNA-proteína, interações proteína-proteína e pequenas moléculas químicas. Como resultado, uma série de técnicas baseadas na tecnologia de sensoriamento nanopore tem sido produzida, como detecção e diagnóstico de doenças e detecção de íons de metais pesados e vírus.

Conversão de energia

O desenvolvimento de tecnologia avançada de mícron / nanofabricação fornece a base para a miniaturização e miniaturização de dispositivos tradicionais de conversão de energia [40, 41]. Muitos micrômetros de grau de dispositivos de conversão de energia aparecem continuamente, como microrreatores [42], microturbinas a gás [43, 44], micromotores térmicos [45, 46], microcélulas de combustível [47] e microssupercapacitores [48]. Em comparação com os dispositivos tradicionais de conversão de energia em grande escala, esses dispositivos de conversão de energia em miniatura podem fornecer densidade de energia mais alta. Esses microdispositivos não podem ser aplicados a equipamentos de energia em grande escala, devido aos altos custos de microprocessamento / nanoprocessamento. Porém, a característica da microminiaturização os torna adequados para a construção de componentes de fontes elétricas de pequena escala e baixo consumo de energia para acionamento de equipamentos eletrônicos, como nanomáquinas, sistema microeletromecânico e dispositivos de implantes biomédicos.

O método de conversão de energia com base no canal nanopore aproveita ao máximo as propriedades físico-químicas exclusivas da nanoescala. It converts the clean energy existing in environment, such as mechanical energy, chemical energy, light energy, and electric energy. At the same time, it does not emit carbon dioxide, produce vibrations and working noise harmful to the human body, and is very friendly to environment during conversion process. Daiguji et al. [68] converted the mechanical energy to electric energy by solid nanopore channel. Wen et al. [69] converted solar energy to electric energy based on smart-gating nanopore channels. Guo et al. [70] converted salinity gradient energy to electric energy with single-ion-selective nanopore. Table 1 shows several micro-scale energy conversion devices [71].

Energy conversion based on solid-state nanopores was inspired by the research on the function of ion channels of cell membrane [71]. Due to the excellent performance of solid-state nanopores, such as chemical durability, thermostability, superior mechanical property, tunable size and shape and so on [72], it has got increasing attention in the area of energy conversion. For example, Wen et al [73] reported that the nanofluidic energy conversion systems based on solid-state nanopores exhibited high power density, long operating life and good safety performance, compared with other commercially available cation exchange membranes. Besides, along with the development of fundamental studies and practical applications, solid-state nanopores with smart ion transport behaviors, such as ionic selectivity, ionic gating and ionic rectification, has been used as extraordinary platforms for energy conversion [74].

Conclusões

This report reviews briefly the development process, fabrication technologies, and application of solid-state nanopore. Since Jiali Li firstly reported the fabrication of solid-state nanopore, researchers has always been pursued efficient and controllable manufacturing methods to fabricate solid-state nanopore. A comprehensive analysis of the latest research results on the fabrication of solid-state nanopore shows that the current research are all based on nanometer-scale processing tools, which cannot be mass produced at low cost and high efficiency. Therefore, it is of great significance to study the new method of fabricating solid-state nanopore. Along with the development of the manufacturing methods of solid-state nanopore, it has been applied in various areas, especially in DNA sequencing, protein detection, and energy conversion. In brief, the fabrication and application of solid-state nanopore are a promising area, and it is significant to our economics and living quality. Along with the development of advanced micro/nanomanufacturing technology and new theory, solid-state nanopore will be fabricated with lower cost and higher efficiency, and the application will be wider.

Abreviações

AAO:: Anodic aluminum oxide
ALD:: Deposição de camada atômica
CCD:: Charge-coupled device
CMOS:: Complementary metal oxide semiconductor
EDX:: Espectroscopia de energia dispersiva de raios-X
EELS:: Electron energy loss spectroscopy
FIB:: Focused ion beam
MaIE:: Maltose binding-protein
MEMS:: Micro-electro-mechanical system
RIE:: Gravura de íon reativo
TEM:: Microscopia eletrônica de transmissão

Meia-metalicidade livre de metal em sistemas gh-C3N4 dopados com B Novos insights sobre a adsorção de CO2 em nanomateriais com base em hidróxido duplo em camadas (LDH)

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