Nanopore de estado sólido

Resumen

El nanoporo de estado sólido ha captado la atención de muchos investigadores debido a su característica de nanoescala. Ahora, se han informado diferentes métodos de fabricación, que se pueden resumir en dos categorías amplias:tecnología de grabado "de arriba hacia abajo" y tecnología de contracción "de abajo hacia arriba". En este informe se exponen el método de grabado con pista de iones, el método de grabado con máscara, el método de grabado con solución química y el método de grabado y contracción de partículas de alta energía. Además, también discutimos aplicaciones de la tecnología de fabricación de nanoporos de estado sólido en secuenciación de ADN, detección de proteínas y conversión de energía.

Antecedentes

El nanoporo de estado sólido ha atraído una atención creciente debido a su tamaño ajustable, alta confiabilidad, fácil de modificar, etc. [1, 2, 3]. Se ha aplicado a la secuenciación de ADN [4], purificación de agua [5], detección de proteínas [6], separación de nanopartículas [7], conversión de energía [8], etc., especialmente en el área de secuenciación de ADN, detección de proteínas, y conversión de energía. Por lo tanto, es muy importante fabricar nanoporos de estado sólido con un método de bajo costo y alta eficiencia.

La tecnología de fabricación de nanoporos de estado sólido fue informada por primera vez por Jiali Li y su colaborador en 2001 [9] y se ha convertido en un foco de investigación. Según el mecanismo de fabricación, la tecnología de fabricación de nanoporos de estado sólido se puede resumir en dos categorías amplias. La primera es la tecnología de grabado "de arriba hacia abajo", como el haz de iones enfocado y el haz de electrones de alta energía. El segundo tipo es la tecnología de contracción "de abajo hacia arriba", que se basó en el primer tipo, como la deposición asistida por haz de electrones y la deposición de capa atómica. Ahora, el nitruro de silicio [10] y el óxido de silicio [6] se han utilizado para preparar nanoporos de estado sólido, que poseían un rendimiento excelente, como el diámetro y la longitud del canal ajustables. Además, el grafeno [11] y el sulfuro de molibdeno [12] también se pueden utilizar para fabricar nanoporos de estado sólido.

El diámetro del nanoporo de estado sólido se puede controlar con precisión desde un subnanómetro hasta varios cientos de nanómetros según las necesidades [13]. En general, el nanoporo en estado sólido se prepara sobre materiales aislantes [14] y es muy estable en soluciones extremas como el ácido sulfúrico concentrado [15] y altas temperaturas [16]. Sin embargo, su estabilidad también depende en gran medida del método de preparación. En este artículo, revisamos el método de preparación de nanoporos de estado sólido. En primer lugar, hemos analizado el desarrollo de la tecnología de fabricación de nanoporos de estado sólido. Luego, exhibimos en detalle varias tecnologías de fabricación de nanoporos de estado sólido. Finalmente, resumimos las aplicaciones de la tecnología de fabricación de nanoporos de estado sólido en alguna área.

Proceso de desarrollo

Desde que Jiali Li, de la Universidad de Harvard, informó por primera vez sobre la producción de nanoporos de nitruro de silicio por iones de argón en 2001 [9], la tecnología de fabricación de nanoporos de estado sólido se desarrolló gradualmente en dos ramas de fabricación de haces de alta energía [17,18,19] y convencional fabricación (Fig. 1). Los investigadores intentan mejorar la eficiencia de la fabricación de nanoporos de estado sólido con un haz de alta energía para compensar la falta de alto costo. Gierak y col. [20] mejoró el Ga ⁺ sistema de escritura directa del haz de iones enfocado (FIB) y produjo un nanoporo en una película de SiC de 20 nm de espesor con un diámetro de aproximadamente 2,5 nm. En 2016, apareció un sistema de grabado de iones de helio con alta eficiencia, y poseía una región activa más pequeña de punto de haz y muestra. Hasta ahora, ha procesado Si ₃ N ₄ nanoporo con un diámetro de solo 1,3 nm [21].

Hoja de ruta de desarrollo de tecnología de fabricación de nanoporos de estado sólido

Siempre ha sido el objetivo perseguido por los investigadores lograr una fabricación eficiente y controlable de nanoporos de estado sólido utilizando métodos de fabricación convencionales. Debido a la demanda de nanoporos de estado sólido, aparecen muchas tecnologías de fabricación de nanoporos de estado sólido, como el corte en cubitos de nanotubos de carbono [22], el grabado enmascarado (nanoesfera [23] y película de alúmina anódica porosa [24]), nanoimpresión [25] , y así. Aunque estos métodos evitan el uso de microscopio electrónico de transmisión (TEM), FIB y otros equipos de procesamiento costosos, todavía existen muchas deficiencias. La capacidad de control del método de corte de nanotubos de carbono es deficiente, lo que no es adecuado para la fabricación por lotes. El diámetro de la nanoesfera en el grabado de la máscara limita el tamaño y la densidad del nanoporo triangular de estado sólido. Las películas porosas de óxido de aluminio anódico tienen baja resistencia y requieren la asistencia del proceso de transferencia, lo que reduce la eficiencia de fabricación. Nanoimprint requiere plantillas de alta precisión, lo que en sí mismo es un desafío de micro / nanofabricación.

Después de Ling et al. fabricó el nanoporo de plástico mediante la tecnología de control de retroalimentación actual, esta tecnología se ha utilizado para el grabado de silicio [26], y se realizó la fabricación controlable del nanoporo de silicio [27]. Basado en el trabajo de Ling, Pedone et al. [28] utilizó litografía por haz de electrones para fabricar ventanas grabadas con silicio, lo que mejoró las diferencias de orificios causadas por errores fotolitográficos. Más tarde, los investigadores combinaron la tecnología de control de retroalimentación de corriente con la tecnología de ruptura eléctrica y crearon nanoporos de estado sólido por debajo de 2 nm [29]. Sin embargo, la técnica de control de retroalimentación actual no puede identificar el aumento de la señal de corriente provocada por el aumento del número de poros o el aumento del diámetro de un solo poro. Por lo tanto, no es adecuado para la fabricación de nanoporos de estado sólido.

Recientemente, Liu et al. [30] fabricó un tubo de nanofluido con efecto de campo basado en poros de vidrio utilizando métodos de grabado de celda micrométrica, deposición de vidrio y recocido y deposición de capa atómica. Surwade y col. [31] utilizó grabado con plasma de oxígeno sobre grafeno y obtuvo una película de nanoporos de grafeno con un diámetro de 0,5 a 1 nm. Aunque el material de esta tecnología de fabricación nanoporosa se limita al grafeno, y el proceso de transferencia del grafeno no es compatible con el sistema microelectromecánico (MEMS) y el proceso de semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS), su mecanismo de fabricación de poros ha roto el límite mínimo de energía superficial, que demuestra la llegada de la fabricación de nanoporos de estado sólido con alta eficiencia y bajo costo.

Tecnologías de fabricación

Método de grabado con pista de iones

El nanoporo de estado sólido se fabricó primero con grabado de huellas de iones. El grabado de huellas de iones utilizó un grabador para grabar la película, que fue irradiada por iones pesados. La tasa de grabado de la región de la pista es mayor que la de la región sin pista ( v _seguimiento> v _masivo ), que resultan en forma de poro. Este método ha fabricado con éxito nanoporos de estado sólido en materiales relativamente económicos como policarbonato, poliimida y nitruro de silicio. Zhang y col. [32] ha fabricado nanoporos de nitruro de silicio mediante este método con Br ⁺ de alta energía (81 MeV). El diámetro de este nanoporo era relativamente grande, y el diámetro mínimo de nanoporo obtenido fue de 40 nm después del proceso de contracción. En la actualidad, Harrell et al. [18] han fabricado el nanoporo de estado sólido con el diámetro de 2 nm mediante grabado de seguimiento de iones, después de que el diámetro se redujo por la deposición de películas delgadas de nano oro. Sin embargo, el nanoporo de estado sólido preparado mediante el método de grabado por canal iónico tiene una pequeña porosidad y una distribución desigual del tamaño de los poros. Mientras tanto, este método requiere un costoso acelerómetro de iones pesados y restringe severamente la fabricación y aplicación del nanoporo de estado sólido.

Método de grabado con máscara

El método de grabado de la máscara se puede dividir en tres métodos de fabricación auxiliares según el tipo de máscara, que era óxido de aluminio anódico poroso (AAO), nanoesfera y nanoimpresión, respectivamente. Los investigadores encontraron que el AAO no solo posee una distribución uniforme del tamaño de los poros y una longitud de poro ajustable, sino que también tiene una estructura de poro periódica en forma de panal sin cruces ni conexiones entre los poros laterales. Puede superar el problema de la baja porosidad y la distribución desigual del tamaño en el método de grabado con seguimiento de iones. Como se muestra en la Fig. 2a, Liang et al. [25] han transferido el patrón de nanoporos al sustrato mediante grabado con iones reactivos utilizando AAO como máscara y han realizado una fabricación controlada del nanoporo de estado sólido. Desafortunadamente, la resistencia mecánica de la película de AAO es pobre y es propensa a agrietarse. Además, su proceso de fabricación también presenta muchos problemas, como el consumo de tiempo, la baja producción, el medio ambiente contaminante y el desperdicio de materias primas. Todos estos defectos limitan el uso de métodos de grabado con máscaras AAO.

Preparación de nanoporos en estado sólido mediante métodos de grabado con máscara. ( a ) Nanoporo de estado sólido de GaAs [25], ( b ) nanoporo de silicio [33] y ( c ) nanoporos de aluminio con diferentes formas [34]

Inspirándose en el grabado de máscaras AAO para fabricar nanoporos de estado sólido, Alyson et al. [24] utiliza la nanoesfera como máscara, seguida de un grabado de iones reactivos (RIE) para crear un nanoporo de estado sólido de alta porosidad con una sección transversal triangular. Chen y col. [33] basado en el primero y ajustó el diámetro de las nanoesferas de la capa superior en nanoesferas de poliestireno de doble capa para controlar la distribución del espacio y el tamaño de la nanoesfera con precisión. Finalmente, mediante un grabado profundo de iones reactivos, obtuvieron un nanoporo de silicio con una profundidad de hasta 2 μm cuya sección transversal era similar a la de la nanoesfera. La tecnología de grabado de nanoesferas también se puede combinar con el proceso de deposición o decapado de metal para producir una máscara de nanoporos de metal. Luego, combinado con el proceso de grabado y eliminación de la máscara de metal, se obtuvo un nanoporo de silicio [34] (Fig. 2b). La tecnología de grabado de nanoesferas posee una amplia adaptabilidad, que no solo se puede usar para crear nanoporos de estado sólido con estructura de múltiples capas, sino que también se puede usar para crear un filtro de polietersulfona de alta porosidad. Sin embargo, debido a la limitación del diámetro de las nanoesferas, el diámetro del nanoporo es demasiado grande y es difícil de menos de 10 nm.

Es muy complejo fabricar nanoporos de estado sólido mediante máscaras AAO o métodos de fabricación auxiliares de nanoesferas porque implican los procesos de fabricación, transferencia y eliminación de la máscara. Al mismo tiempo, la mascarilla no se puede reutilizar y genera desperdicio. Por lo tanto, los investigadores han centrado su atención en la tecnología de nanoimpresión reutilizable. El principio de la nanoimpresión es presionar una plantilla preparada sobre una película delgada de polímero (como polimetil metacrilato), y el patrón, que es similar a la plantilla, se obtiene cuando la película se solidifica [35]. La tecnología de nanoimpresión no solo puede reutilizar las plantillas, sino que también puede producir nanoestructuras complejas con un ancho de línea mínimo de hasta 5 nm [23]. El aluminio poroso es el producto más común con estructura nanoporosa fabricado mediante tecnología de nanoimpresión [36] (Fig. 2c). Actualmente, Chou et al. [37] han creado el nanoporo más pequeño mediante tecnología de nanoimpresión. Utilizaron cromo como máscara y utilizaron grabado por haz de electrones y RIE obteniendo un diámetro de 10 nm y una altura de 60 nm SiO ₂ nanopilar. Posteriormente, el diámetro del nanopilar se reduce aún más mediante grabado con HF, y se obtiene un nanoporo con un diámetro de menos de 6 nm utilizando el nanopilar como plantilla de impresión. Sin embargo, la estabilidad de este método es deficiente y el proceso de fabricación y estampado de la plantilla aún necesita mejoras. Las plantillas de alta precisión son necesarias en la tecnología de nanoimpresión y necesitan métodos de fabricación a nanoescala, como la litografía por haz de electrones, para su fabricación, lo que en sí mismo es un desafío en la micro / nanofabricación. Además, la vida útil de la plantilla y la precisión de la impresión también son desafíos de la tecnología de nanoimpresión.

Método de grabado con solución química

Además de utilizar métodos de grabado con máscaras, los científicos también están intentando fabricar nanoporos de estado sólido utilizando grabado en solución química. Entre el grabado en solución química, los métodos de grabado electroquímico se utilizan comúnmente en la fabricación de silicio poroso. El método de grabado electroquímico es un método económico para fabricar nanoporos de estado sólido de silicio y puede controlar con precisión el patrón y la ubicación del silicio poroso mediante el diseño de la máscara. Además, la porosidad y el tamaño de los nanoporos del silicio poroso también se pueden controlar ajustando la concentración del líquido de grabado, la corriente de grabado, el tiempo de grabado y otros parámetros del proceso. Orosco y col. [38] han obtenido logros sobresalientes con este método y han producido capas dobles de silicio poroso con un diámetro mínimo de nanoporos de 6 nm (Fig. 3a). Además, Wang et al. [39] utilizó un haz de iones focal (dosis de 10 ¹¹ ~ 10 ¹⁵ iones / cm ² ) para irradiar la posición específica del silicio, luego se utilizó el método de grabado electroquímico para obtener el nanoporo de silicio con posición y cantidad controladas, mientras que el número y tamaño del nanoporo están limitados por el pequeño campo de visión del haz de iones. Sin embargo, la rugosidad de la superficie de la pared de silicio poroso fabricada mediante el método de grabado electroquímico era demasiado alta, incluso la estructura de bifurcación existente, lo que restringe seriamente la aplicación del método de grabado electroquímico utilizado para fabricar nanoporos de estado sólido de silicio.

Preparación de nanoporos en estado sólido mediante grabado químico en solución. ( a ) Nanoporo de silicio de doble pared [38], ( b ) nanoporo de silicio [27] y ( c ) nanoporo de silicio altamente controlable [28]

Con el desarrollo de la tecnología MEMS, los investigadores han descubierto que la técnica de grabado en solución química se puede utilizar para fabricar nanoporos de silicio con posiciones y números controlados [27, 28, 40]. Park y col. [27] utilizó en primer lugar el nanoporo de estado sólido fabricado mediante tecnología de grabado en solución química para la secuenciación del ADN. En primer lugar, utilizaron fotolitografía y RIE para grabar películas de nitruro de silicio en ambos lados de la oblea de silicio y obtener ventanas de silicio con diferentes áreas. A continuación, la oblea de silicio se coloca en una solución de KOH para grabar, y se obtienen una pirámide invertida y una estructura trapezoidal en ventanas pequeñas y grandes respectivamente. En tercer lugar, la oblea de silicio se monta en el sistema de grabado por retroalimentación, y la solución de sal de KCl y la solución de grabado de KOH se aíslan mediante una oblea de silicio (Fig. 3b). Cuando la solución de KOH perfora la oblea de silicio obteniendo el nanoporo, la solución en ambos lados de la oblea de silicio pasa a través del nanoporo y conduce los electrodos de Pt obteniendo una señal eléctrica de retroalimentación. Finalmente, retiran la oblea de silicio obteniendo nanoporos de silicio. Debido a las limitaciones de la fabricación de la máscara de litografía y los errores fotolitográficos, la pequeña ventana de silicio con patrón no puede ser un cuadrado absoluto, por lo que los nanoporos de estado sólido grabados son rectángulos aproximados y requieren un procesamiento posterior, como el recocido, para mejorar la morfología de los poros. Pedone y col. [28] desarrolló una pequeña ventana utilizando litografía por haz de electrones basada en la primera, que evitó el error de fabricación de la máscara y la litografía. Al mismo tiempo, cuando se agregó la retroalimentación de la señal eléctrica en el sistema de control inteligente, se obtuvo el nanoporo aproximadamente perfecto (Fig. 3c). De manera similar, Liu et al. [41] utilizó una combinación de métodos de grabado en seco y en húmedo para fabricar nanoporos de silicio con un diámetro mínimo de 30 nm. No es difícil de encontrar, además de los grupos Rant, otros grupos simplemente pueden fabricar nanoporos de silicio con un diámetro mayor. Al mismo tiempo, es difícil caracterizar el diámetro del nanoporo, que atribuye el campo limitado de TEM.

Método de grabado y contracción de partículas de alta energía

Después de encontrar contratiempos en la búsqueda de fabricar nanoporos de estado sólido utilizando métodos simples, algunos investigadores volvieron a utilizar partículas energéticas para fabricar nanoporos en áreas pequeñas con estructura controlable [20, 42]. Kim y col. [42] utilizó en primer lugar grabado con haz de iones enfocado y obtuvo un poro ciego de 6 × 6 con un diámetro de 2 μm como área de litografía por haz de electrones. Luego, utilizaron grabado por haz de electrones de alta energía en TEM para obtener el nanoporo de SiN, y el diámetro promedio del nanoporo de SiN resultante fue de 5,14 nm con una desviación estándar de 0,46 nm. Debido a las limitaciones del equipo TEM, solo se puede colocar un chip en cada vacío, lo que restringe severamente la tasa de fabricación del chip nanoporo. El dispositivo FIB posee una cavidad más grande y se puede colocar más de un chip, incluso una oblea completa (silicio). En comparación con TEM, ha aumentado considerablemente la eficiencia de fabricación de nanopore. Sin embargo, el diámetro del nanoporo fabricado mediante grabado con haz de iones enfocado es demasiado grande. En la actualidad, solo el grupo Gierak ha fabricado nanoporos con diámetros inferiores a 5 nm utilizando FIB [20]. Mejoraron el Ga ⁺ sistema de escritura directa y nanoporo fabricado con un diámetro de aproximadamente 2,5 nm en una película de carburo de silicio con un grosor de 20 nm.

Ahora, aparte de los grupos de Gierak, es difícil para otros grupos usar Ga ⁺ sistema de haz de iones enfocado en la fuente para fabricar nanoporos con un diámetro inferior a 10 nm. Los investigadores intentaron usar FIB para hacer nanoporos de mayor diámetro, luego se utilizó un tratamiento de superficie para reducir el diámetro del nanoporo [43, 44, 45, 46]. Hasta ahora, los métodos para reducir el diámetro de los nanoporos se han dividido en dos categorías. El primer tipo es el medio de deposición, en el que se depositó material en la superficie del nanoporo para reducir el diámetro del nanoporo. El segundo tipo es la irradiación con haz de electrones, que hace que el material del borde del nanoporo migre y reduzca el diámetro del nanoporo.

Contracción del material de deposición superficial de nanoporos

Chen y col. [43] en primer lugar realizó una reducción precisa del diámetro de los nanoporos depositando materiales en la superficie del nanoporo. Ellos depositaron 24 capas de alúmina en el Ga ⁺ -Superficie de nanoporos grabada usando deposición de capa atómica (ALD), y el diámetro de nanoporo se redujo a 2 nm (Fig. 4a). Durante el proceso de secuenciación del ADN, se encontró que el nanoporo preparado por este método puede reducir efectivamente el ruido y mejorar la relación señal / ruido. La esencia del método de deposición de capa atómica es el proceso de deposición de capa única subnanométrica, y posee un proceso estable que es beneficioso para la fabricación precisa de nanoporos. Torre y col. [44] empleó un enfoque similar para reducir el diámetro de nanoporos, en el que primero utilizaron grabado con haz de iones enfocado para obtener nanoporos con un diámetro promedio de 27,3 nm, luego el diámetro de nanoporos se redujo a 8,3 nm por deposición de óxido de titanio usando ALD.

Métodos de modificación y grabado de partículas de alta energía para la fabricación de nanoporos de estado sólido. ( a ) Contracción de ALD, ( b ) autocalibración del borde de nanoporos, y ( c ) nanoporo de grabado de iones de helio

Rant y col. encontré otra manera. Primero utilizaron la litografía por haz de electrones y RIE para obtener nanoporos de nitruro de silicio. Luego, el nanoporo se redujo a menos de 10 nm depositando una película delgada de Ti / Au sobre la superficie del nanoporo utilizando un método de evaporación física [45]. Además de la alúmina, el óxido de titanio y el metal, el carbono amorfo también puede depositarse para contraerse con la ayuda de un haz de electrones en el sistema FIB [46].

Contracción de migración de material de borde de nanoporo

La migración de material de borde de nanoporos se basa en el principio del mínimo de energía superficial de nanoporos, que fue propuesto por el grupo Dekker [47]. Es decir, cuando el diámetro del nanoporo es más pequeño que el grosor del nanoporo, el nanoporo se irradiará mediante un haz de electrones de alta energía. Basado en la investigación de Dekker, Storm et al. [48] observó in situ que el diámetro mínimo del nanoporo de óxido de silicio se redujo a 2 nm después de ser irradiado por el haz de electrones (Fig. 4b). Este resultado experimental confirmó aún más el principio mínimo de energía superficial de nanoporos. Además, la espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDX) y la espectroscopia de pérdida de energía electrónica (EELS) también confirman que la disminución del diámetro de los nanoporos se debió a la migración del material del borde de los nanoporos, en lugar de a la contaminación de la superficie de los nanoporos [9]. . El principio de energía superficial mínima de nanoporos se verifica en diferentes morfologías de nanoporos de óxido de silicio, como el nanoporo de óxido de silicio elíptico y el nanoporo compuesto de nitruro de silicio / sílice [49].

El método de contracción resuelve el problema de que el tamaño del nanoporo en la fabricación de FIB no es lo suficientemente pequeño, pero el proceso de fabricación del nanoporo es complicado. Los investigadores también han estado buscando métodos de fabricación de haces de iones más simples para fabricar nanoporos de estado sólido. Recientemente, la aparición de la tecnología de fabricación de nanoporos con grabado de iones de helio, que posee un área activa más pequeña de punto de haz y muestra, supera la dificultad del FIB convencional, en el que el diámetro del nanoporo es superior a 10 nm. El Emmrich et al. [21] han demostrado que este sistema puede producir nanoporos de nitruro de silicio con un diámetro de sólo 1,3 nm y un espesor de 30 nm (Fig. 4c). Aunque ha aumentado considerablemente la eficiencia de procesamiento en comparación con TEM y sistemas de haz de iones enfocados que utilizan Ga ⁺ convencional fuentes de iones, este sistema es caro, lo que limita su aplicación.

Método de nanoporo confinado electroquímicamente

Ying y col. y Lin et al. [50, 51] inician el concepto de nanoporo confinado electroquímicamente que exhibe la excelente capacidad de confinar ingeniosamente la electroquímica, la distribución de energía, la mejora óptica y el transporte de masa dentro del nanoporo asimétrico. El electrodo de nanoporo confinado (CNE) se puede utilizar para realizar estudios de alta resolución con resolución temporal de procesos electroquímicos dentro de una sola celda mediante el uso de electrodos de nanopartículas confinados en nanopartículas en laboratorios químicos normales. Con la ayuda de la óptica, también se puede aplicar a la adquisición simultánea multidimensional de señales fotoeléctricas de cuerpo único a nanoescala, proporcionando nuevas ideas para la medición electroquímica de células vivas individuales, partículas individuales y moléculas individuales [52].

Aplicación

Secuenciación de ADN

Después de la idea de nanoporo, la secuenciación del ADN fue propuesta por el grupo de biólogos Kasianowicz en 1996 [53]; la tecnología de nanoporos se ha desarrollado rápidamente. La secuenciación de ADN utilizando nanopore es un método físico y reemplazó al método de ADN polimerasa de Sanger. Este método utiliza el campo eléctrico para impulsar el movimiento del ADN en el nanoporo, y utiliza directamente la característica de tiempo de la corriente de iones del nanoporo para distinguir el tamaño de una sola base con el fin de lograr el propósito de la secuenciación del ADN. El método de secuenciación de ADN de nanoporos evita la modificación, amplificación y otros procesos del ADN, lo que ahorra el costo de la costosa polimerasa, por lo que este método posee una alta competitividad. Inspirándose en Kasianowicz, los físicos comenzaron a investigar la posibilidad de este método desde el año 2000, por lo que nació el campo de la secuenciación de ADN por nanoporos.

El método de secuenciación de ADN de nanoporos se puede dividir en secuenciación de bio-nanoporos y secuenciación de nanoporos en estado sólido de acuerdo con el material nanoporoso [54]. Entre ellos, la secuenciación de bio-nanoporos existe las desventajas de la pausa y el reverso de las moléculas de ADN, lo que hace que la señal de tiempo actual detectada por este método se malinterprete [55]. Como resultado, la secuenciación de ADN de nanoporos en estado sólido y su fabricación se han convertido en los temas candentes de los académicos en varios países [56].

Con la investigación profunda de los métodos de secuenciación de ADN de nanoporos, los científicos creen que los sensores de nanoporos pueden realizar la detección paralela de ADN y lograr el objetivo de secuenciación de ADN de alto rendimiento [57]. Uno de los más prometedores es la detección de fluorescencia paralela de la tecnología de secuencia de ADN, que se basó en la reflexión interna de nanoporos en estado sólido [58] (Fig. 5). Con la ayuda de la cámara de dispositivo de carga acoplada (CCD) de multiplicación de electrones, se puede capturar el ADN a través de la señal de cada nanoporo, y se pueden corresponder múltiples señales ópticas y señales de corriente iónica una a una para realizar una secuenciación de ADN de alto rendimiento. . Posteriormente, esta tecnología se confirmó aún más mediante la secuenciación de bio-nanoporos, que teóricamente permitió la identificación de 10 ⁶ base / mm ² por segundo [59]. Sin embargo, también existen algunas desventajas para los métodos de secuenciación de ADN de nanoporos en estado sólido, como la alta velocidad de translocación y la baja resolución espacial [60].

Detección paralela de fluorescencia de reflexión interna total (FTIR) de la secuencia de ADN [58]. un Diagrama esquemático. b Mapa de señales de las señales de corriente iónica y óptica detectadas en el experimento

Detección de proteínas

En 2007, Fologea et al. [61] detectó con éxito albúmina de suero bovino (BSA) utilizando nanoporos de estado sólido con un espesor de 10 nm. Además, también estudiaron el cambio de conformación de la β-lactoglobulina bajo la acción de diferentes concentraciones de desnaturalizante de urea por nanoporos en estado sólido. Descubrieron que la mayoría de las proteínas pasan a través del nanoporo con conformación lineal o helicoidal y que el campo eléctrico en el nanoporo podría desenrollar la proteína que pasa [62]. Entonces, comenzaron la detección de proteínas y la investigación de las propiedades fisicoquímicas y la estructura de las proteínas. Cressiot y col. [63] fabricó un nanoporo de estado sólido con un diámetro de 20 nm utilizando FIB y estudió y comparó sistemáticamente las características de las señales de corriente cuando la proteína de unión a maltosa de tipo salvaje (MaIE) y el MaIE desplegado pasaron a través del nanoporo. En este experimento, también encontraron que había una barrera de energía libre cuando la proteína pasaba a través del nanoporo. Después de eso, Cressiot fabricó el nanoporo con el diámetro de 3 nm usando TEM y encontró la proteína MaIE nuevamente. En contraste, la proteína fue estirada por el campo eléctrico cuando el campo eléctrico era grande.

En 2013, Plesa et al. [64] probaron con éxito aprotinina (6,5 kDa), ovoalbúmina (6,5 kDa), beta-amilasa (45 kDa), ferritina (200 kDa) y tiroglobulina (660 kDa); cinco proteínas que utilizan nanoporos de nitruro de silicio con un diámetro de 40 nm. Descubrieron que la señal de corriente medida era una distorsión porque la velocidad de la proteína a través del nanoporo era demasiado rápida y el ancho de banda de detección era relativamente pequeño. Además, la frecuencia del evento fue opuesta a la constante de difusión de la proteína. Hay dos formas de resolver esta contradicción. Una forma es reducir la velocidad de las proteínas a través de nanoporos y la otra forma es aumentar el ancho de banda de detección. Di et al. [65] redujo con éxito la velocidad de la proteína ubiquitina a través del nanoporo utilizando luz visible de baja potencia y distingue el ángulo de rotación durante la proteína a través del nanoporo. Recientemente, detectaron con éxito la proteína ubiquitina y distinguieron el tipo de conexión entre la proteína ubiquitina y la proteína utilizando nanoporos de estado sólido con un diámetro de 3 nm. Este trabajo abre una nueva vía para la investigación biomédica de la proteína ubiquitina [66]. En 2014, Larkin et al. [67] detectó con éxito la proteinasa K y la enzima A de ARN utilizando un amplificador de corriente de gran ancho de banda y HfO ultradelgado ₂ nanoporo y midió la electromovilidad, la constante de difusión y el volumen de esta proteína.

Nanopore posee una resolución de detección extremadamente alta para la estructura interna de la molécula y se ha convertido en un sensor poderoso para la interacción de una sola molécula. Se ha utilizado ampliamente en la detección en tiempo real de interacciones ADN-proteína, interacciones proteína-proteína y pequeñas moléculas químicas. Como resultado, se han producido una serie de técnicas basadas en la tecnología de detección de nanoporos, como la detección y diagnóstico de enfermedades y la detección de iones de metales pesados y virus.

Conversión de energía

El desarrollo de tecnología avanzada de micras / nanofabricación proporciona la base para la miniaturización y miniaturización de los dispositivos tradicionales de conversión de energía [40, 41]. Aparecen continuamente dispositivos de conversión de energía de muchos micrómetros, como microrreactores [42], micro turbinas de gas [43, 44], micromotores térmicos [45, 46], micro celdas de combustible [47] y micro supercondensadores [48]. En comparación con los dispositivos tradicionales de conversión de energía a gran escala, estos dispositivos de conversión de energía en miniatura pueden proporcionar una mayor densidad de energía. Estos microdispositivos no se pueden aplicar a equipos de energía a gran escala, debido a los altos costos del micro / nanoprocesamiento. Sin embargo, la característica de la microminiaturización los hace adecuados para la construcción de componentes de fuentes eléctricas de pequeña escala y bajo consumo para impulsar equipos electrónicos, como nanomáquinas, sistemas microelectromecánicos y dispositivos de implantes biomédicos.

Energy conversion method based on nanopore channel takes full advantage of the unique physical-chemical properties of nanoscale. 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 y col. [69] converted solar energy to electric energy based on smart-gating nanopore channels. Guo y col. [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].

Conclusiones

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.

Abreviaturas

AAO:: Anodic aluminum oxide
ALD:: Atomic layer deposition
CCD:: Charge-coupled device
CMOS:: Complementary metal oxide semiconductor
EDX:: Energy dispersive X-ray spectroscopy
EELS:: Electron energy loss spectroscopy
FIB:: Focused ion beam
MaIE:: Maltose binding-protein
MEMS:: Micro-electro-mechanical system
RIE:: Reactive ion etching
TEM:: Transmission electron microscope

Semicaticalidad libre de metales en sistemas gh-C3N4 dopados con B Nuevos conocimientos sobre la adsorción de CO2 en nanomateriales basados en hidróxido doble en capas (LDH)

Nanomateriales

Materiales poliméricos

Biologicos

Teñir

Especias