Nanopore à l'état solide

Contexte

Le nanopore à l'état solide a attiré une attention croissante, en raison de sa taille réglable, de sa haute fiabilité, de sa facilité de modification, etc. [1,2,3]. Il a été appliqué au séquençage d'ADN [4], à la purification de l'eau [5], à la détection de protéines [6], à la séparation de nanoparticules [7], à la conversion d'énergie [8], etc., en particulier dans le domaine du séquençage d'ADN, de la détection de protéines, et la conversion d'énergie. Il est donc très important de fabriquer des nanopores à l'état solide avec une méthode à faible coût et à haute efficacité.

La technologie de fabrication de nanopores à l'état solide a été signalée pour la première fois par Jiali Li et son collaborateur en 2001 [9] et est devenue un point chaud de la recherche. Selon le mécanisme de fabrication, la technologie de fabrication des nanopores à l'état solide peut être résumée en deux grandes catégories. La première est la technologie de gravure « descendante », telle qu'un faisceau d'ions focalisé et un faisceau d'électrons à haute énergie. Le deuxième type est la technologie de retrait « de bas en haut », qui était basée sur le premier type, comme le dépôt assisté par faisceau d'électrons et le dépôt par couche atomique. Maintenant, le nitrure de silicium [10] et l'oxyde de silicium [6] ont été utilisés pour préparer des nanopores à l'état solide, qui possédaient d'excellentes performances telles qu'un diamètre et une longueur de canal réglables. En outre, le graphène [11] et le sulfure de molybdène [12] peuvent également être utilisés pour fabriquer des nanopores à l'état solide.

Le diamètre du nanopore à l'état solide peut être contrôlé avec précision du sous-nanomètre à plusieurs centaines de nanomètres selon les besoins [13]. En général, les nanopores à l'état solide sont préparés sur des matériaux isolants [14] et sont très stables dans des solutions extrêmes telles que l'acide sulfurique concentré [15] et les températures élevées [16]. Cependant, leur stabilité dépend également en grande partie de la méthode de préparation. Dans cet article, nous passons en revue la méthode de préparation des nanopores à l'état solide. Tout d'abord, nous avons discuté du développement de la technologie de fabrication de nanopores à l'état solide. Ensuite, nous présentons en détail diverses technologies de fabrication de nanopores à l'état solide. Enfin, nous avons résumé les applications de la technologie de fabrication de nanopores à l'état solide dans certains domaines.

Processus de développement

Depuis que Jiali Li de l'Université Harvard a signalé pour la première fois la production de nanopores de nitrure de silicium par des ions d'argon en 2001 [9], la technologie de fabrication de nanopores à l'état solide s'est progressivement développée en deux branches de fabrication de faisceaux à haute énergie [17,18,19] et conventionnelle. fabrication (Fig. 1). Les chercheurs tentent d'améliorer l'efficacité de la fabrication de nanopores à l'état solide avec un faisceau à haute énergie pour compenser le manque de coût élevé. Gierak et al. [20] amélioré le Ga ⁺ système d'écriture directe du faisceau d'ions focalisé (FIB) et a produit un nanopore sur un film SiC de 20 nm d'épaisseur avec un diamètre d'environ 2,5 nm. En 2016, un système de gravure aux ions hélium à haute efficacité est apparu et il possédait une région active plus petite du spot de faisceau et de l'échantillon. Jusqu'à présent, il a traité Si₃ N₄ nanopore d'un diamètre de seulement 1,3 nm [21].

Feuille de route pour le développement de la technologie de fabrication de nanopores à l'état solide

L'objectif poursuivi par les chercheurs a toujours été de parvenir à une fabrication efficace et contrôlable de nanopores à l'état solide en utilisant des méthodes de fabrication conventionnelles. En raison de la demande de nanopores à l'état solide, de nombreuses technologies de fabrication de nanopores à l'état solide apparaissent, telles que le découpage en dés de nanotubes de carbone [22], la gravure de masques (nanosphère [23] et film d'alumine anodique poreux [24]), la nanoimpression [25] , etc. Bien que ces méthodes évitent l'utilisation du microscope électronique à transmission (MET), du FIB et d'autres équipements de traitement coûteux, il existe encore de nombreuses lacunes. La contrôlabilité de la méthode de découpe des nanotubes de carbone est médiocre, ce qui ne convient pas à la fabrication par lots. Le diamètre des nanosphères dans la gravure du masque limite la taille et la densité des nanopores triangulaires à l'état solide. Les films d'oxyde d'aluminium anodique poreux ont une faible résistance et nécessitent l'aide d'un processus de transfert, ce qui réduit l'efficacité de fabrication. La nanoimpression nécessite des modèles de haute précision, ce qui en soi est un défi de micro/nanofabrication.

Après Ling et al. a fabriqué le nanopore plastique par la technologie de contrôle de rétroaction de courant, cette technologie a été utilisée pour la gravure du silicium [26], et la fabrication contrôlable du nanopore de silicium a été réalisée [27]. Sur la base des travaux de Ling, Pedone et al. [28] ont utilisé la lithographie par faisceau d'électrons pour fabriquer des fenêtres gravées au silicium, ce qui a amélioré les différences d'orifices causées par les erreurs photolithographiques. Plus tard, les chercheurs ont combiné la technologie de contrôle de rétroaction de courant avec la technologie de claquage électrique et ont créé des nanopores à l'état solide en dessous de 2 nm [29]. Cependant, la technique de commande par rétroaction de courant ne peut pas identifier le signal de courant accru causé par l'augmentation du nombre de pores ou l'augmentation du diamètre d'un seul pore. Il n'est donc pas adapté à la fabrication de nanopores à l'état solide.

Récemment, Liu et al. [30] ont fabriqué un tube à effet de champ nanofluide basé sur des pores de verre en utilisant des méthodes de gravure de cellules micrométriques, de dépôt de verre, de recuit et de dépôt de couche atomique. Surwade et al. [31] ont utilisé une gravure au plasma d'oxygène sur du graphène et obtenu un film de nanopores de graphène d'un diamètre de 0,5 à 1 nm. Bien que le matériau de cette technologie de fabrication nanoporeuse se limite au graphène et que le processus de transfert du graphène ne soit pas compatible avec le système micro-électromécanique (MEMS) et le processus de semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire (CMOS), son mécanisme de fabrication de pores a brisé le limite d'énergie de surface minimale, qui prouve l'avènement de la fabrication de nanopores à l'état solide avec une efficacité élevée et un faible coût.

Technologies de fabrication

Méthode de gravure par piste ionique

Le nanopore à l'état solide a d'abord été fabriqué avec une gravure par voie ionique. La gravure par piste ionique a utilisé un agent de gravure pour graver le film, qui a été irradié par des ions lourds. Le taux de gravure de la région de piste est supérieur à celui de la région de non-piste (v _piste> v _{en ​​vrac} ), qui se traduisent par une forme de pore. Cette méthode a réussi à fabriquer des nanopores à l'état solide dans des matériaux relativement peu coûteux tels que le polycarbonate, le polyimide et le nitrure de silicium. Zhang et al. [32] a fabriqué des nanopores de nitrure de silicium par cette méthode avec Br ⁺ à haute énergie (81 MeV). Le diamètre de ce nanopore était relativement grand, et le diamètre minimal de nanopore obtenu était de 40 nm après le processus de retrait. À l'heure actuelle, Harrell et al. [18] ont fabriqué le nanopore à l'état solide d'un diamètre de 2 nm par gravure ionique, après que le diamètre a été rétréci par le dépôt de films minces de nano-or. Cependant, le nanopore à l'état solide préparé par la méthode de gravure par canal ionique a une petite porosité et une distribution inégale de la taille des pores. Pendant ce temps, cette méthode nécessite un accéléromètre à ions lourds coûteux et limite considérablement la fabrication et l'application du nanopore à l'état solide.

Méthode de gravure de masque

La méthode de gravure du masque peut être divisée en trois méthodes de fabrication auxiliaires selon le type de masque, qui était respectivement de l'oxyde d'aluminium anodique poreux (AAO), de la nanosphère et de la nanoimpression. Les chercheurs ont découvert que l'AAO possède non seulement une distribution uniforme de la taille des pores et une longueur de pores réglable, mais également une structure de pores en nid d'abeille périodique sans croisement ni connexion entre les pores sur le côté. Il peut surmonter le problème de la faible porosité et de la distribution de taille inégale dans le procédé de gravure par piste ionique. Comme le montre la figure 2a, Liang et al. [25] ont transféré le motif de nanopores sur le substrat par gravure ionique réactive en utilisant AAO comme masque et réalisé la fabrication contrôlée du nanopore à l'état solide. Malheureusement, la résistance mécanique du film AAO est médiocre et il est sujet à la fissuration. En outre, son processus de fabrication pose également de nombreux problèmes, tels que le temps, la faible production, l'environnement polluant et le gaspillage de matières premières. Ces défauts limitent tous l'utilisation des méthodes de gravure de masque AAO.

Préparation de nanopores à l'état solide par des méthodes de gravure de masque. (un ) Nanopore à l'état solide GaAs [25], (b ) nanopore de silicium [33], et (c ) nanopore d'aluminium de différentes formes [34]

Inspirés par la gravure de masques AAO pour fabriquer des nanopores à l'état solide, Alyson et al. [24] utilisent la nanosphère comme masque, suivie d'une gravure ionique réactive (RIE) pour créer un nanopore à l'état solide à haute porosité avec une section transversale triangulaire. Chen et al. [33] basé sur le premier et ajusté le diamètre des nanosphères de la couche supérieure dans les nanosphères de polystyrène à double couche pour contrôler la distribution de l'écart et la taille de la nanosphère avec précision. Enfin, grâce à une gravure ionique réactive profonde, ils ont obtenu un nanopore de silicium d'une profondeur allant jusqu'à 2 μm dont la section transversale était similaire à celle de la nanosphère. La technologie de gravure de nanosphères peut également être combinée avec un procédé de dépôt ou de décapage de métal pour produire un masque à nanopores métalliques. Ensuite, combiné à la gravure et au retrait du masque métallique, un nanopore de silicium a été obtenu [34] (Fig. 2b). La technologie de gravure des nanosphères possède une grande adaptabilité, qui peut non seulement être utilisée pour créer des nanopores à l'état solide avec une structure multicouche, mais peut également être utilisée pour créer un filtre en polyéthersulfone à haute porosité. Cependant, en raison de la limitation du diamètre des nanosphères, le diamètre du nanopore est trop grand et il est difficile de descendre en dessous de 10 nm.

Il est très complexe de fabriquer des nanopores à l'état solide par des masques AAO ou des méthodes de fabrication auxiliaires de nanosphères car cela implique les processus de fabrication, de transfert et de retrait du masque. Dans le même temps, le masque ne peut pas être réutilisé et entraîne des déchets. Ainsi, les chercheurs se sont tournés vers la technologie de nanoimpression réutilisable. Le principe de la nanoimpression est de presser un gabarit préparé sur un film polymère mince (comme le polyméthacrylate de méthyle), et le motif, qui est similaire au gabarit, est obtenu lorsque le film est solidifié [35]. La technologie de nanoimpression peut non seulement réutiliser les modèles, mais peut également produire des nanostructures complexes avec une largeur de ligne minimale jusqu'à 5 nm [23]. L'aluminium poreux est le produit le plus courant avec une structure nanoporeuse fabriqué par la technologie de nanoimpression [36] (Fig. 2c). Actuellement, Chou et al. [37] ont créé le plus petit nanopore par la technologie de nanoimpression. Ils ont utilisé du chrome comme masque et ont utilisé une gravure par faisceau d'électrons et un RIE pour obtenir un diamètre de 10 nm et une hauteur de 60 nm de SiO₂ nanopilier. Par la suite, le diamètre du nanopilier est encore réduit par gravure HF, et un nanopore d'un diamètre inférieur à 6 nm est obtenu en utilisant le nanopilier comme modèle d'empreinte. Cependant, la stabilité de cette méthode est médiocre et le processus de fabrication et d'emboutissage du gabarit doit encore être amélioré. Les modèles de haute précision sont requis dans la technologie de nanoimpression et nécessitent des méthodes de fabrication à l'échelle nanométrique telles que la lithographie par faisceau d'électrons pour fabriquer, ce qui en soi est un défi en micro/nanofabrication. De plus, la durée de vie du gabarit et la précision de l'impression sont également les défis de la technologie de nanoimpression.

Méthode de gravure en solution chimique

En plus d'utiliser des méthodes de gravure de masque, les scientifiques essaient également de fabriquer des nanopores à l'état solide en utilisant une gravure en solution chimique. Parmi la gravure en solution chimique, les procédés de gravure électrochimique sont couramment utilisés dans la fabrication du silicium poreux. La méthode de gravure électrochimique est une méthode bon marché pour la fabrication de nanopores à l'état solide de silicium et peut contrôler avec précision le motif et l'emplacement du silicium poreux en concevant le masque. De plus, la porosité et la taille des nanopores du silicium poreux peuvent également être contrôlées en ajustant la concentration du liquide de gravure, le courant de gravure, le temps de gravure et d'autres paramètres de processus. Orosco et al. [38] ont obtenu des résultats remarquables par cette méthode et ont produit des doubles couches de silicium poreux avec un diamètre de nanopore minimum de 6 nm (Fig. 3a). De plus, Wang et al. [39] ont utilisé un faisceau d'ions focal (dose de 10 ¹¹ ~10 ¹⁵ ions/cm ² ) pour irradier la position spécifique du silicium, puis une méthode de gravure électrochimique a été utilisée pour obtenir le nanopore de silicium avec une position et une quantité contrôlées, tandis que le nombre et la taille des nanopores sont tous limités par le petit champ de vision du faisceau d'ions. Cependant, la rugosité de surface de la paroi de silicium poreux fabriquée par la méthode de gravure électrochimique était trop élevée, même la structure de bifurcation existante, ce qui restreint sérieusement l'application de la méthode de gravure électrochimique utilisée pour fabriquer des nanopores à l'état solide de silicium.

Préparation de nanopores à l'état solide par gravure en solution chimique. (un ) Nanopore de silicium à double paroi [38], (b ) nanopore de silicium [27], et (c ) nanopore de silicium hautement contrôlable [28]

Avec le développement de la technologie MEMS, les chercheurs ont découvert que la technique de gravure en solution chimique peut être utilisée pour fabriquer des nanopores de silicium avec des positions et des nombres contrôlés [27, 28, 40]. Parc et al. [27] ont d'abord utilisé le nanopore à l'état solide fabriqué par la technologie de gravure en solution chimique pour le séquençage de l'ADN. Premièrement, ils ont utilisé la photolithographie et le RIE pour graver des films de nitrure de silicium des deux côtés de la plaquette de silicium et obtenir des fenêtres de silicium avec différentes zones. Ensuite, la plaquette de silicium est placée dans une solution de KOH pour la gravure, et une pyramide inversée et une structure trapézoïdale ont été obtenues dans les petites et grandes fenêtres respectivement. Troisièmement, la plaquette de silicium est montée sur le système de gravure par rétroaction, et la solution de sel de KCl et la solution de gravure de KOH sont isolées par une plaquette de silicium (Fig. 3b). Lorsque la solution de KOH perce la plaquette de silicium en obtenant le nanopore, la solution des deux côtés de la plaquette de silicium traverse le nanopore et conduit les électrodes de Pt en obtenant un signal électrique de rétroaction. Enfin, ils retirent la plaquette de silicium pour obtenir des nanopores de silicium. En raison des limitations de la fabrication du masque de lithographie et des erreurs photolithographiques, la petite fenêtre de silicium à motifs ne peut pas être un carré absolu, de sorte que les nanopores à l'état solide gravés sont des rectangles approximatifs et nécessitent un traitement ultérieur tel qu'un recuit pour améliorer la morphologie des pores. Pédone et al. [28] ont développé une petite fenêtre utilisant la lithographie par faisceau d'électrons basée sur la première, ce qui a évité l'erreur de fabrication du masque et de lithographie. Dans le même temps, lorsque le retour de signal électrique a été ajouté dans le système de contrôle intelligent, le nanopore approximativement parfait a été obtenu (Fig. 3c). De la même manière, Liu et al. [41] ont utilisé une combinaison de méthodes de gravure sèche et humide pour fabriquer des nanopores de silicium d'un diamètre minimum de 30 nm. Pas difficile à trouver, en plus des groupes Rant, d'autres groupes peuvent juste fabriquer des nanopores de silicium de plus grand diamètre. En même temps, il est difficile de caractériser le diamètre du nanopore, qui attribue le champ limité de la MET.

Méthode de gravure et de retrait de particules à haute énergie

Après avoir rencontré un revers dans la quête de fabrication de nanopores à l'état solide à l'aide de méthodes simples, certains chercheurs sont revenus à l'utilisation de particules énergétiques pour fabriquer des nanopores dans de petites zones à structure contrôlable [20, 42]. Kim et al. [42] ont d'abord utilisé une gravure par faisceau d'ions focalisé et obtenu un pore aveugle 6 × 6 avec un diamètre de 2 μm comme zone de lithographie par faisceau d'électrons. Ensuite, ils ont utilisé une gravure par faisceau d'électrons à haute énergie en MET pour obtenir le nanopore de SiN, et le diamètre moyen du nanopore de SiN résultant était de 5,14 nm avec un écart type de 0,46 nm. En raison des limitations de l'équipement TEM, une seule puce peut être placée dans chaque vide, ce qui restreint considérablement le taux de fabrication de la puce nanopore. Le dispositif FIB possède une plus grande cavité et peut être placé sur plus d'une puce, voire sur une plaquette entière (silicium). En comparaison avec le TEM, il a considérablement augmenté l'efficacité de fabrication du nanopore. Cependant, le diamètre des nanopores fabriqués par gravure par faisceau d'ions focalisé est trop grand. À l'heure actuelle, seul le groupe Gierak a fabriqué des nanopores avec des diamètres inférieurs à 5 nm en utilisant FIB [20]. Ils ont amélioré le Ga ⁺ système d'écriture directe et nanopore fabriqué d'un diamètre d'environ 2,5 nm sur un film de carbure de silicium d'une épaisseur de 20 nm.

Maintenant, en dehors des groupes Gierak, il est difficile pour les autres groupes d'utiliser le Ga ⁺ système de faisceau d'ions focalisé sur une source pour fabriquer des nanopores d'un diamètre inférieur à 10 nm. Les chercheurs essaient d'utiliser le FIB pour fabriquer des nanopores de plus grand diamètre, puis un traitement de surface a été utilisé pour réduire le diamètre du nanopore [43,44,45,46]. Jusqu'à présent, les méthodes de réduction du diamètre des nanopores ont été divisées en deux catégories. Le premier type est le moyen de dépôt, dans lequel un matériau a été déposé à la surface du nanopore pour réduire le diamètre du nanopore. Le deuxième type est l'irradiation par faisceau d'électrons, qui fait migrer le matériau du bord des nanopores et réduit le diamètre des nanopores.

Rétrécissement du matériau de dépôt de surface Nanopore

Chen et al. [43] ont d'abord réalisé une réduction précise du diamètre des nanopores en déposant des matériaux sur la surface des nanopores. Ils ont déposé 24 couches d'alumine sur le Ga ⁺ -gravure de la surface des nanopores par dépôt de couche atomique (ALD), et le diamètre des nanopores a été réduit à 2 nm (Fig. 4a). Au cours du processus de séquençage de l'ADN, il a été constaté que le nanopore préparé par cette méthode peut réduire efficacement le bruit et améliorer le rapport signal sur bruit. L'essence de la méthode de dépôt de couche atomique est le processus de dépôt monocouche sub-nanométrique, et il possède un processus stable qui est bénéfique pour la fabrication précise de nanopore. Torre et al. [44] ont utilisé une approche similaire pour réduire le diamètre des nanopores, dans laquelle ils ont d'abord utilisé une gravure par faisceau d'ions focalisé pour obtenir des nanopores d'un diamètre moyen de 27,3 nm, puis le diamètre des nanopores a été réduit à 8,3 nm par dépôt d'oxyde de titane à l'aide d'ALD.

Méthodes de gravure et de modification de particules à haute énergie pour la fabrication de nanopores à l'état solide. (un ) Retrait ALD, (b ) auto-calibration du bord nanopore, et (c ) nanopore de gravure ionique hélium

Rant et al. trouvé un autre moyen. Ils ont d'abord utilisé la lithographie par faisceau d'électrons et le RIE pour obtenir des nanopores de nitrure de silicium. Ensuite, le nanopore a été réduit à moins de 10 nm en déposant un film mince de Ti/Au sur la surface du nanopore à l'aide d'une méthode d'évaporation physique [45]. En plus de l'alumine, de l'oxyde de titane et du métal, le carbone amorphe peut également être déposé pour le retrait à l'aide d'un faisceau d'électrons dans le système FIB [46].

Rétrécissement de la migration du matériau Nanopore Edge

La migration du matériau de bord des nanopores est basée sur le principe du minimum d'énergie de surface des nanopores, qui a été proposé par le groupe Dekker [47]. C'est-à-dire que lorsque le diamètre des nanopores est inférieur à l'épaisseur des nanopores, les nanopores seront rétrécis et irradiés par un faisceau d'électrons à haute énergie. Sur la base des recherches de Dekker, Storm et al. [48] ​​ont observé in situ que le diamètre minimum du nanopore d'oxyde de silicium était réduit à 2 nm après avoir été irradié par le faisceau d'électrons (Fig. 4b). Ce résultat expérimental a confirmé le principe du minimum d'énergie de surface des nanopores. De plus, la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDX) et la spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS) confirment également que la diminution du diamètre des nanopores est due à la migration du matériau de bord des nanopores, au lieu d'être causée par la contamination de la surface des nanopores [9] . Le principe du minimum d'énergie de surface des nanopores est vérifié dans différentes morphologies de nanopores d'oxyde de silicium, telles que les nanopores elliptiques d'oxyde de silicium et les nanopores composites nitrure de silicium/silice [49].

La méthode de retrait résout le problème selon lequel la taille du nanopore dans la fabrication du FIB n'est pas assez petite, mais le processus de fabrication du nanopore est compliqué. Les chercheurs ont également mis au point des méthodes de fabrication de faisceaux d'ions plus simples pour fabriquer des nanopores à l'état solide. Récemment, l'émergence de la technologie de fabrication de nanopores avec gravure ionique à l'hélium, qui possède une zone active de spot de faisceau et d'échantillon plus petite, surmonte la difficulté du FIB conventionnel, dans lequel le diamètre du nanopore est supérieur à 10 nm. Le Emmrich et al. [21] ont démontré que ce système peut produire des nanopores de nitrure de silicium avec un diamètre de seulement 1,3 nm et une épaisseur de 30 nm (Fig. 4c). Bien qu'il ait considérablement augmenté l'efficacité de traitement par rapport aux systèmes TEM et à faisceaux d'ions focalisés utilisant le Ga ⁺ conventionnel sources d'ions, ce système est coûteux ce qui en limite l'application.

Méthode des nanopores confinés électrochimiquement

Ying et al. et Lin et al. [50, 51] lancent le concept de nanopore confiné électrochimiquement qui présente l'excellente capacité de confiner ingénieusement l'électrochimie, la distribution d'énergie, l'amélioration optique et le transport de masse dans le nanopore asymétrique. L'électrode à nanopores confinés (CNE) peut être utilisée pour effectuer des études haute résolution résolues dans le temps des processus électrochimiques dans une seule cellule en utilisant des électrodes nanoparticulaires confinées aux nanoparticules dans les laboratoires chimiques normaux. Avec l'aide de l'optique, il peut également être appliqué à l'acquisition simultanée multidimensionnelle de signaux photoélectriques à un seul corps à l'échelle nanométrique, fournissant de nouvelles idées pour la mesure électrochimique de cellules vivantes uniques, de particules uniques et de molécules uniques [52].

Application

Séquençage de l'ADN

Après l'idée du nanopore, le séquençage de l'ADN a été proposé par le groupe de biologistes Kasianowicz en 1996 [53]; la technologie des nanopores s'est rapidement développée. Le séquençage de l'ADN à l'aide de nanopores est une méthode physique et a remplacé la méthode de l'ADN polymérase de Sanger. Cette méthode utilise le champ électrique pour piloter le mouvement de l'ADN dans le nanopore, et elle utilise directement la caractéristique temporelle du courant ionique des nanopores pour distinguer la taille d'une seule base afin d'atteindre l'objectif du séquençage de l'ADN. La méthode de séquençage de l'ADN Nanopore évite la modification de l'ADN, l'amplification et d'autres processus, qui permettent d'économiser le coût d'une polymérase coûteuse, de sorte que cette méthode possédait une compétitivité élevée. Inspirés par Kasianowicz, les physiciens ont commencé à étudier la possibilité de cette méthode depuis 2000, c'est ainsi qu'est né le domaine du séquençage de l'ADN nanopore.

La méthode de séquençage de l'ADN nanopore peut être divisée en séquençage bio-nanopore et séquençage nanopore à l'état solide selon le matériau nanoporeux [54]. Parmi eux, le séquençage bio-nanopore présente les inconvénients de la pause et de l'inversion des molécules d'ADN, ce qui rend le signal actuel détecté par cette méthode mal interprété [55]. En conséquence, le séquençage de l'ADN des nanopores à l'état solide et sa fabrication sont devenus les sujets brûlants des chercheurs de divers pays [56].

Avec la recherche approfondie des méthodes de séquençage de l'ADN nanopore, les scientifiques pensent que les capteurs nanopore peuvent réaliser la détection parallèle de l'ADN et atteindre l'objectif du séquençage de l'ADN à haut débit [57]. L'une des plus prometteuses est la détection parallèle par fluorescence de la technologie des séquences d'ADN, qui était basée sur la réflexion interne des nanopores à l'état solide [58] (Fig. 5). À l'aide d'une caméra à dispositif à couplage de charge (CCD) multiplicateur d'électrons, il peut être capturé de l'ADN via le signal de chaque nanopore, et plusieurs signaux optiques et signaux de courant ionique peuvent être mis en correspondance un à un pour réaliser un séquençage d'ADN à haut débit . Par la suite, cette technologie a été encore confirmée par le séquençage bio-nanopore, qui a théoriquement permis l'identification de 10 ⁶ base/mm ² par seconde [59]. Cependant, les méthodes de séquençage d'ADN à nanopores à l'état solide présentent également certains inconvénients, tels que la vitesse de translocation élevée et la faible résolution spatiale [60].

Détection parallèle par fluorescence à réflexion interne totale (FTIR) de la séquence d'ADN [58]. un Diagramme schématique. b Carte de signal des signaux de courant optique et ionique détectés dans l'expérience

Détection de protéines

En 2007, Fologea et al. [61] ont détecté avec succès de la sérumalbumine bovine (BSA) à l'aide de nanopores à l'état solide d'une épaisseur de 10 nm. En outre, ils ont également étudié le changement de conformation de la -lactoglobuline sous l'action de différentes concentrations d'urée dénaturante par nanopore à l'état solide. Ils ont découvert que la plupart des protéines traversaient le nanopore avec une conformation linéaire ou hélicoïdale et que le champ électrique dans le nanopore pouvait dérouler la protéine passante [62]. Ainsi, ils ont commencé la détection des protéines et la recherche des propriétés physico-chimiques et de la structure des protéines. Cressiot et al. [63] ont fabriqué un nanopore à l'état solide d'un diamètre de 20 nm à l'aide de FIB et ont systématiquement étudié et comparé les caractéristiques des signaux de courant lorsque la protéine de liaison au maltose de type sauvage (MaIE) et la MaIE dépliée traversaient le nanopore. Dans cette expérience, ils ont également découvert qu'il y avait une barrière d'énergie libre lorsque la protéine traversait le nanopore. Après cela, Cressiot a fabriqué le nanopore d'un diamètre de 3 nm à l'aide de MET et a retrouvé la protéine MaIE. En revanche, la protéine était étirée par le champ électrique lorsque le champ électrique était important.

En 2013, Plesa et al. [64] ont testé avec succès l'aprotinine (6,5 kDa), l'ovalbumine (6,5 kDa), la bêta-amylase (45 kDa), la ferritine (200 kDa) et la thyroglobuline (660 kDa) ; cinq protéines utilisant des nanopores de nitrure de silicium d'un diamètre de 40 nm. Ils ont constaté que le signal de courant mesuré était une distorsion car la vitesse de la protéine à travers le nanopore était trop rapide et la bande passante de détection était relativement petite. De plus, la fréquence de l'événement était opposée à la constante de diffusion de la protéine. Il y a deux manières de résoudre cette contradiction. L'une consiste à réduire la vitesse des protéines à travers les nanopores et l'autre consiste à augmenter la bande passante de détection. Di et al. [65] ont réussi à réduire la vitesse de la protéine ubiquitine à travers le nanopore en utilisant une lumière visible de faible puissance et à distinguer l'angle de rotation pendant la protéine à travers le nanopore. Récemment, ils ont réussi à détecter la protéine ubiquitine et à distinguer le type de connexion entre la protéine ubiquitine et la protéine à l'aide de nanopores à l'état solide d'un diamètre de 3 nm. Ces travaux ouvrent une nouvelle voie pour la recherche biomédicale sur la protéine ubiquitine [66]. En 2014, Larkin et al. [67] ont détecté avec succès la protéinase K et l'enzyme ARN A en utilisant un amplificateur de courant à large bande passante et un HfO₂ ultra-mince nanopore et mesuré l'électromobilité, la constante de diffusion et le volume de cette protéine.

Nanopore possède une résolution de détection extrêmement élevée pour la structure interne de la molécule, et il est devenu un capteur puissant pour l'interaction d'une seule molécule. Il a été largement utilisé dans la détection en temps réel des interactions ADN-protéine, des interactions protéine-protéine et des petites molécules chimiques. En conséquence, une série de techniques basées sur la technologie de détection des nanopores ont été produites, telles que la détection et le diagnostic de maladies et la détection d'ions de métaux lourds et de virus.

Conversion d'énergie

Le développement d'une technologie avancée de micron/nanofabrication constitue la base de la miniaturisation et de la miniaturisation des dispositifs traditionnels de conversion d'énergie [40, 41]. De nombreux dispositifs de conversion d'énergie à degré micrométrique apparaissent en permanence, tels que les microréacteurs [42], les micro turbines à gaz [43, 44], les micro moteurs thermiques [45, 46], les micro piles à combustible [47] et les micro supercondensateurs [48]. Comparés aux dispositifs traditionnels de conversion d'énergie à grande échelle, ces dispositifs de conversion d'énergie miniatures peuvent fournir une densité d'énergie plus élevée. Ces micro-dispositifs ne peuvent pas être appliqués à des équipements énergétiques à grande échelle, en raison des coûts élevés du micro/nanotraitement. Cependant, la caractéristique de la microminiaturisation les rend adaptés à la construction de composants de source électrique à petite échelle et à faible consommation d'énergie pour piloter des équipements électroniques, tels que des nanomachines, des systèmes micro-électromécaniques et des dispositifs d'implant biomédical.

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 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].

Conclusions

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.

Abréviations

AAO:

Anodic aluminum oxide

ALD :

Dépôt de couche atomique

CCD:

Charge-coupled device

CMOS:

Complementary metal oxide semiconductor

EDX :

Spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie

EELS:

Electron energy loss spectroscopy

FIB:

Focused ion beam

MaIE:

Maltose binding-protein

MEMS:

Micro-electro-mechanical system

RIE:

Reactive ion etching

TEM :

Microscope électronique à transmission