用于生物分子检测的纳米毛细管装置、流体网络结构和其制造方法.pdf

一种装置包括至少一个纳米级毛细管和用于施加电压的器件，所述器件适于在施加所述电压时在至少所述毛细管中形成电场，使得当施加所述电压时，放置于形成的电场内的带电分子或粒子能被电控制。一种流体网络结构包括至少一个纳米级毛细管。本发明还描述了使用和制造流体网络结构的方法。

权利要求书
1.  一种装置，其包括至少一个纳米级毛细管和用于施加电压的器件，所述器件适于当施加所述电压时至少在所述毛细管中形成电场，使得当施加所述电压时，置于所形成的电场内的带电分子或粒子能受电控制。

2.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述带电分子或粒子定位于溶液中并且所述带电分子或粒子的所述电控制包括其在所述毛细管内捕获、固持、释放和移位中的至少一种。

3.  根据权利要求2所述的装置，其特征在于，捕获、固持、释放和移位中的任一个由所施加电压的水平决定。

4.  根据权利要求2至3中任一项所述的装置，其特征在于，捕获、固持、释放和移位中的任一个由所施加电压的频率决定。

5.  根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述用于施加电压的器件包括至少两个电极。

6.  根据权利要求2至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述捕获可以调谐为仅捕获预定量的电荷。

7.  一种流体网络结构，其包括至少一个纳米级毛细管，所述毛细管定位于流体通道网络上，所述网络定位于基板上。

8.  根据权利要求7所述的流体网络结构，其特征在于，所述网络在基本上水平方向上延伸并且所述毛细管在基本上竖直方向上延伸。

9.  根据权利要求7或8所述的流体网络结构，其特征在于，所述基板包括电和/或流体通路和/或电路。

10.  根据权利要求7至9中任一项所述的流体网络结构，其特征在于，所述流体网络结构为一体式单元。

11.  根据权利要求10所述的流体网络结构，其特征在于，所述单元主要由一种材料制成。

12.  根据权利要求11所述的流体网络，其特征在于，所述材料为电介质，诸如Al2O3。

13.  根据权利要求7至12中任一项所述的流体网络结构，其特征在于，所述流体网络结构可以从所述基板转移。

14.  一种制造流体网络结构的方法，所述流体网络结构包括在流体通道网络上的至少一个纳米级毛细管，所述方法包括以下步骤：
提供基板，
在所述基板上生长至少一个竖直的、基本上一维的纳米结构，
图案化流体通道网络，
淀积至少一个材料层，由此形成由材料层和基板所界定的封闭一体式单元，
移除所述封闭一体式单元的内部的至少部分以便形成所述毛细管和所述流体通道网络。

15.  根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述淀积层主要由一种材料构成。

16.  根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，其还包括以下步骤：提供用于施加电压的器件使得电场至少形成于所述毛细管中。

17.  根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其特征在于，其还包括以下步骤：将电和/或流体通路和/或电路并入于所述基板中。

18.  一种纳米注射器，其包括中空纳米丝。

19.  一种生物材料陷阱，其包括中空纳米丝。

20.  根据权利要求18至19中任一项所述的装置，其特征在于，所述中空纳米丝包含邻近于所述纳米丝的栅电极。

21.  根据权利要求18至20中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置用于细胞操纵或DNA捕获、制备和/或测序。

22.  根据权利要求18或20中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置用于细胞操纵以用于药物筛选、系统生物学、细胞重编程、个体化用药或组织工程学。

23.  一种用于进行下列中至少一项的流体方法：使用电场来在纳米毛细管中保持、俘获分子或将分子从纳米毛细管释放出来。

24.  根据权利要求23 所述的方法，其特征在于，其还包括：执行溶解和/或聚合酶链式反应（PCR）。

25.  一种用于进行下列中至少一项的流体装置：使用电场来在纳米毛细管中保持、俘获分子或将分子从纳米毛细管释放出来。

26.  根据权利要求25所述的装置，其特征在于，其还包括：邻近于所述纳米毛细管的加热器。

27.  根据权利要求25所述的装置，其特征在于，其还包括：在所述纳米毛细管外侧的对电极和邻近于所述纳米毛细管的至少一个电极。

28.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，纳米级毛细管包括非导电侧壁，用于施加电场的器件包括至少一个导电环绕式电极，其中所述非导电侧壁和所述环绕式电极沿着所述毛细管轴线形成非导电/导电异质结。

29.  根据权利要求28所述的装置，其特征在于，至少一个导电电极位于所述纳米级毛细管外部。

30.  根据权利要求28或29所述的装置，其特征在于，所述至少一个纳米级毛细管无缝地连接到至少一个纳米级腔室。

31.  根据权利要求28至30中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个纳米级毛细管和/或至少一个纳米级腔室无缝地连接到纳米通道网络。

32.  根据权利要求28至31中任一项所述的装置，其特征在于，向所述至少一个导电环绕式电极施加电位差造成电操纵至少一个带电粒子以进出所述毛细管或者受阻挡不能进出所述毛细管。

33.  根据权利要求28至32中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第二导电环绕式电极，其配置成用以经由所述第二导电环绕式电极上的感应电荷而感测通过所述第二导电环绕式电极移动的带电粒子。

34.  根据权利要求28至33中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第二导电环绕式电极，其配置为电位探针以感测由于所述纳米毛细管中或者所述纳米毛细管紧邻处的化学反应所造成的带电粒子的浓度变化。

35.  根据权利要求28至34中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置连接到微米级腔室和/或通道网络。

36.  根据权利要求28至35中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置附连到基板，其中所述基板包括选自绝缘体、金属或半导体的无机或有机材料，并且其中所述基板是不透明的、透明的和/或柔性的。

37.  根据权利要求35所述的装置，其特征在于，所述装置连接到至少一个热检测器。

38.  根据权利要求35所述的装置，其特征在于，所述装置连接到至少一个加热元件。

39.  根据权利要求35所述的装置，其特征在于，所述装置连接到至少一个冷却元件。

40.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，由压力造成所述装置内的物质转移。

41.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，用于施加电压的器件配置成用以在所述毛细管与外部位置之间形成电位，使得电场线始于所述毛细管内侧并且终止于所述毛细管外侧。

42.  根据权利要求41所述的装置，其特征在于，其还包括：用于施加内部电位的器件，其定位成使得所述电场线始于和终止于所述毛细管内侧。

43.  根据权利要求41或42中任一项所述的装置，其特征在于，用于施加电压的器件或用于施加内部电位的器件中的至少一个是电极。

44.  根据权利要求43所述的装置，其特征在于，用于施加电压的器件或用于施加内部电位的器件中的至少一个是环绕式电极。

45.  根据权利要求44所述的装置，其特征在于，所述至少一个纳米级毛细管具有非导电侧壁并且至少一个导电环绕式电极沿着毛细管轴线形成非导电/导电异质结。

46.  根据权利要求41至44中任一项所述的装置，其特征在于，带电分子或粒子受电控制以进出所述毛细管、从所述毛细管捕获、固持于所述毛细管中、从所述毛细管释放、受阻挡不能进入所述毛细管或在所述毛细管内移动。

47.  根据权利要求41至46中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个毛细管在两端敞开。

48.  根据权利要求47所述的装置，其特征在于，所述装置配置成通过压力驱动的流动来转移流体。

49.  根据权利要求41至48所述的装置，其特征在于，其还包括：额外的用于施加电位的器件，其配置成使得所述场线可以终止于所述毛细管外部在所述毛细管的相对端处。

50.  根据权利要求41至49中任一项所述的装置，其特征在于，所述毛细管形成注射器，注射器用于将分子注射到生物物质内和从生物物质提取分子。

51.  根据权利要求41至50中任一项所述的装置，其特征在于，其还包括：电传感器，其配置成用以检测释放的电荷或者经过所述毛细管中电极的电荷。

52.  根据权利要求51所述的装置，其特征在于，所述传感器包括环绕所述毛细管的环绕式电极。

53.  一种阵列结构，其包括根据权利要求28至52中任一项所述的装置。

54.  一种流体系统，其包括根据权利要求53所述的阵列结构，并且还包括具有下列中任一个的至少一个相邻结构：腔室、样品板、生物细胞保持器、通道网络、温度传感器、加热元件、冷却元件或光学检测器。

55.  根据权利要求54所述的流体系统，其特征在于，所述阵列结构或所述至少一个相邻结构分成用于并行化功能的单独部分。

56.  根据权利要求54或55中任一项所述的流体系统，其特征在于，所述至少一个相邻结构和所述阵列结构可以彼此分离。

57.  根据权利要求54至56中任一项所述的流体系统，其特征在于，所述阵列结构的装置无缝地连接到所述至少一个相邻结构之一，所述相邻结构为腔室或通道网络之一。

58.  根据权利要求54至57中任一项所述的流体系统，其特征在于，所述系统连接到基板，其中所述基板包括选自绝缘体、金属，或半导体的无机或有机材料，并且其中所述基板是不透明的、透明的和/或柔性的。

59.  根据权利要求54至58中任一项所述的流体系统，其特征在于，所述阵列结构位于膜中。

60.  根据权利要求28所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第二导电环绕式电极，所述第二导电环绕式电极与所述至少一个导电环绕式电极间隔开。

61.  根据权利要求19所述的生物材料陷阱，其特征在于，所述生物材料陷阱包括DNA陷阱。

62.  一种流体方法，其使用根据权利要求1至6或者28至61中任一项所述的装置来用于在纳米毛细管中保持、俘获分子或从纳米毛细管释放分子。

说明书用于生物分子检测的纳米毛细管装置、流体网络结构和其制造方法
技术领域
本公开涉及一种装置、一种流体网络结构和一种制造所述结构的方法。
背景技术
在本领域中已知在微米和高纳米范围操纵带电和不带电物体的位置和运动的若干方法。这些方法常常具有分离单个较小大小物体使得其随后能被研究的目的。
举例而言，光镊（optical tweezer）可以用于这个目的。光镊能通过经由高度聚焦的激光束施加极其小的力来操纵电介质粒子。通常利用这种镊子来研究蛋白质和酶。
所用的另一技术是双向电泳，由此，当不带电的电介质粒子经受不均匀电场时，在不带电的电介质粒子上施加力。由于力强度在很大程度上取决于介质和粒子的电性质、粒子的形状和大小、以及电场的频率，包括纳米粒子的粒子能以很大的选择性被操纵。
上文所描述的方法不能按比例缩小到低纳米范围，即，它们不能用于分子大小的物体。这种不足是由于相应方法的固有性质造成。特别地，可控制地移动并且在更广泛意义上操纵物体所需的力与物体体积成比例。因此，为了能采用上述技术中的任何技术以便用受控制的方式将具有5纳米直径的分子诸如胰岛素分子移动特定距离将会需要比移动1微米物体诸如典型细菌大200万倍的力。
因此，寻找研究个别分子的方式的科学家需要转向其它操纵技术来用于分离标准大小的单个分子。考虑到这点，有些方法可用，由此单个分子可以被固定到专用表面上或者固定到凝胶的孔隙中。然而，这些方法执行起来都不令人满意。更具体而言，由于表面本身的化学性质等使得表面固定是不可预测的，而利用凝胶进行的固定在分子捕获方面并不足够可靠。
因此，本发明的目的在于排除与当前技术相关联的缺陷中的至少某些缺陷。
此外，一旦已分离了个别分子，常常需要能以受控制的方式进一步操纵它，例如以使之与相同类型的其它分子聚集在一起。
而且，为了效率起见，分离所希望的分子的过程优选地并行地执行并且导致大量的个别地/单独地分离的分子。不仅对于分离过程，而且对于上文所提到的示例性聚集过程而言，获得高度的并行化是重要的。
本发明的另一目的在于满足这些要求。
发明内容
通过包括根据独立权利要求的装置、流体网络结构和制造所述流体网络结构的方法的发明构思、和通过根据从属权利要求的实施例而实现了上文所提到的目的。在本上下文中，术语流体应被理解为可以由流体流的相互作用而操作。通过提供上述构思，获得了用于控制在低纳米范围的单个带电分子或粒子，诸如离子的位置和运动的可靠、高度可缩放的方案。
本发明的第一方面提供一种装置，其包括至少一个纳米级毛细管和用于施加电压的器件，诸如电极，其中所述器件适于当施加所述电压时至少在所述毛细管中形成电场。当施加所述电压时，可以电控制所形成的电场内放置的带电分子或粒子。此处，术语电控制带电分子或粒子广义地被解释为带电实体、分子、粒子、纳米粒子、纳米丝或纳米结构，其位置和运动通过电力来调节。为了方便起见，贯穿本申请，术语电压用于说明施加电场，独立于电容或电阻负荷而施加。这些术语应理解为可控制地形成带电实体所在的溶液或介质中的电位差。
本发明的第二方面提供一种流体网络结构，其包括至少一个纳米级毛细管，其中所述毛细管定位于流体通道网络上并且所述网络定位于基板上。
本发明的第三方面提供一种制造流体网络结构的方法，流体网络结构包括在流体通道网络上的至少一个纳米级毛细管，其中所述方法包括以下步骤：提供基板；随后在所述基板上生长至少一个竖直的、基本上一维的纳米结构；以及，此后图案化流体通道网络。该方法还包括以下步骤：淀积至少一个材料层，由此形成由材料层和基板界定的封闭一体式单元；以及，随后移除所述封闭一体式单元的内部的至少部分以便形成所述毛细管和所述流体通道网络。
通过使用所述器件施加合适电压，形成电梯梯度。这种电位梯度导向至纳米级毛细管并且其也延伸到毛细管内。这样获得的电位梯度能引导单个带电分子，诸如带负电的DNA分子经过到毛细管内，因此造成分子的捕集。一旦处于毛细管中，DNA分子可以被固持于其中。更具体而言，在毛细管最上部段中的电压值略微小于在毛细管底部处的电压值。以此方式，在毛细管中的电位梯度从毛细管的最上部段导向至其底部。然后电压差有效地将DNA分子固持在毛细管内，即，电压差防止它从毛细管离开。相同的一般原理甚至可以用于使固持的分子在毛细管内移位。在相同的情形下，分子可以从毛细管释放，例如，通过使电位梯度的方向反向。由此获得了对单个带电分子的位置和运动的前所未有的控制度。取决于带电分子的具体位置，能使其进出毛细管。以相同方式，其也能被阻挡不能进出毛细管。
为了甚至更好地控制诸如DNA分子这样的带电粒子的位置和运动，可以将纳米级毛细管集成到流体网络结构内，流体网络结构不限制地实施为一体式单元，即，其被整体地制成。当作为流体网络结构的部分时，纳米级毛细管被定位于流体通道网络上，流体通道网络被定位于基板上。可以以多种方式实现在纳米级毛细管与网络结构之间的相互作用，例如通过允许在毛细管与下面的通道网络之间的流体连通使得捕获的分子可以经由通道网络以高度受控制的方式远离网络结构而被运输。
此外，由于整个流体网络结构定位于基板上并且在所有基本方面独立于基板性质，则可能将整个结构转移到另一基板，其性质可以针对具体应用进行定制。
而且，所考虑的通常在标准硅基板上生长的发明构思可以与常规硅基半导体技术兼容，因此易于以低成本可缩放到较大直径晶片。
当结合附图来阅读下文的详细描述时，实施例的另外的优点和特征将变得显然。
附图说明
图1示出了根据本发明的一实施例的纳米级毛细管的透视图。
图2a是根据本发明的一实施例的纳米级毛细管和用于施加电压的器件的示意截面图并且图2b为由所述器件当根据图2a布置时所形成的电位梯度的示意截面图。
图2c至图2f为示出了根据本发明的实施例的用于施加电压的器件和纳米级毛细管的不同捕获配置的示意截面图。
图3a至图3c示出了根据本发明的一实施例制造所述纳米级毛细管的方法。
图4高度示意性地示出了本发明的流体网络结构的示例性部分。
图5示意性地示出了基于本发明的纳米毛细管的纳米注射器的一实施例。
在图6a至图6d中示意性地示出了用以实施图5的纳米注射器的不同方式。
图6e和图6f示意性地示出了具有（图6f）用于检测和操纵分子的集成电极和不具有（图6e）集成电极的单个纳米注射器/纳米陷阱。
图6g为示出了采用纳米注射器/纳米陷阱/纳米毛细管构思的组织图。
图6h至图6j为病毒和细菌检测/诊断平台的实施例的示意图，示出了：(6h)经由流体网络特定地用于某些样本的捕获/加载引物，(6i) 在毛细管内捕获/混合样品DNA；以及(6j) 在样品中样本的纳米PCR和检测（嵌入染料）。
图6k为个体鉴定方法的示意图：待分析的捕获目标DNA，添加对于不同短串联重复（STR）序列而言特异/特定的引物，以及进行纳米PCR（无需凝胶电泳）。
图6l和图6m为单细胞药物筛选方法的实施例的示意图：（6l）透明基板被加载例如癌细胞，在与注射器芯片（底部）的注射器布局匹配的微孔中捕获癌细胞；（6m）将带有细胞的基板压到注射器芯片上，造成纳米注射器缓缓地穿透细胞膜。可以通过经由微流体通道（A至E）向细胞内注射不同药物/化学物来执行筛选。通过透明基板或者从分析使用纳米注射器从细胞的提取物来观察细胞对药物的反应。
图6n示出了人体外授精（IVF）方法的实施例：使用纳米移液管/注射器将雄性DNA以受控制量（仅来自单个精子的DNA）直接注射到个别卵细胞内，得到比当前技术诸如ICSI（卵胞浆内精子注射）更高的卵授精率和更好的IVF结果。
图6o至图6q示意性地示出了DNA测序样品制备方法的实施例，（6o）使用环绕式电极来引导单链DNA分子进入毛细管内；（6p）在成功捕获后，顶部电极被配置成阻挡另外的DNA进入，并且经由流体网络从毛细管下方注射引物分子；以及，（6q）通过加热所述芯片，引物可以与俘获的DNA杂交以形成准备用于测序的DNA链。
图6r为根据一实施例的纳米毛细管溶解和生物测定装置(NLBD)的示意图。NLBD包括500,000个毛细管的阵列和其它更小阵列。
图6s为图6r的NLBD的1000个毛细管阵列的特写图。
图6t为示出安装于电路板上的NLBD的照片。
图6u为示出单个毛细管的显微照片。
图6v为NLBD的侧视示意截面图。
图6w为示出NLBD的实施例的示意图，其包括多个纳米毛细管阵列的多路复用（multiplexing）。
图6x为示出通过纳米级毛细管的压力驱动的流动的实施例的示意图。
图7A至图7D为经由电极上的感应电荷而感测通过环绕式电极移动的带电粒子的方法实施例的示意图。
图8为示出连接到至少一个加热元件的纳米毛细管装置的实施例的示意图。
图9a至图9h为示出根据本发明的实施例控制纳米毛细管装置中的带电分子的示意图。
具体实施方式
现在将参考附图在下文中更全面地描述本发明，在附图中示出了优选实施例。但本发明可以用许多不同形式实施且不应被认为限于本文所述的实施例；而是提供这些实施例使得本公开内容将是全面且完整的，且将向本领域技术人员全面传达本发明的范围。相同的附图标记在全文中指代相似元件。
图1为根据本发明的一实施例的纳米级毛细管2，即陷阱或注射器的透视图。所述毛细管由纳米大小管6的外壁4界定。所述管具有敞开的上端和闭合下端（未图示）。纳米管的内径通常为20微米，即，毛细管适合于容纳大部分分子种类，但可以设想到其它大小。其壁由绝缘体材料，通常氧化物制成，并且具有约20纳米的厚度，但也可以使用其它厚度。取决于具体应用，管可以具有数百纳米直至数微米的长度。在此特定实施例中，用于施加电压的器件8被实施为三个环形结构，其在周向布置于管的外壁上。这些环形结构8为金属电极，即传导电流的元件。这些电极可以用于在管的毛细管内感应电场。通常，纳米级毛细管和其相关联的电极为用于对带电分子诸如DNA分子的位置和运动进行电控制的装置（在图1中未示出）的一部分。
在下文中将描述包括根据上述纳米级毛细管的装置12的用途。在此上下文中，图2a为示出根据本发明的一实施例的纳米级毛细管2和用于施加电压的器件8的示意截面图。可以看出，所述装置定位于基板10上，举例而言，常规Si基板。可选的辅助层可以被淀积到基板上。在图2a中，包括纳米级毛细管的装置被定位于所述可选的辅助层14上。此处，辅助层构成第一电极并且因此为装置的部分，但同样可设想到无辅助层并且具有邻近于毛细管底部而定位的专用电极的解决方案。第二电极16靠近于毛细管的敞开端/开放端而定位。第一电极和第二电极是激活的/有效的，即，它们用于施加电压，因而在管的毛细管内感应电场。所施加的第一电压和第二电压彼此略微不同，因此在毛细管中所感应的电场（未图示）具有一定方向，相对于毛细管较远（在外部）定位的第三电极18接地。因此，其电压为零，并且其能充当关于所感应电场的参考点。在又一非限制性实施例（未图示）中，该装置仅设有两个电极8、18，一个电极接地18而另一个电极8感应了电场。
在图2b和图2c中示出了在溶液中自由扩散的DNA分子20的情况下带电分子的实际捕获，其中，用于施加电压的器件，即电极8、18根据图2a而被布置。因此，由三个电极8、18形成的电位梯度22可以被看成如利用图2b中的场线（虚线）所示。在此实施例中，该装置的两个电极8a、8b由纳米级毛细管2的（多个）非导电侧壁23分离开。（多个）非导电侧壁23和环绕式电极8a、8b沿着毛细管2的纵向轴线形成非导电/导电异质结（hetero-junction）。这种电位梯度朝向毛细管2定向并且其也延伸到毛细管内。因而获得的电位梯度能够将所述扩散的DNA分子引导到毛细管内。因此，如在本领域中已知那样，DNA分子带负电，将要向毛细管底部处施加正电压（V）并且在毛细管的最上部段处施加略微更小的正电压(V-dV)以便成功地捕获DNA分子。
如图2c所示，可以通过设置外电极18和纳米毛细管2的上环绕式电极8a和下环绕式电极8b的电位来配置阻挡电位。通过将外电极18的电位设置为大于0(Vi>0)并且将上环绕式电极8a设置在更低电压 (诸如Vg=0)，形成电位梯度，其将阻挡其它带电分子进入纳米毛细管2的顶部。在图2c至图2f中，电压向左正值更大并且向右负值更大。下电极8b的电位也可以被设置为比上环绕电极8a的电位更大的电位 (例如，Vx>0)。利用这种电位的配置，在纳米毛细管2中的带电分子20将被阻挡不能离开纳米毛细管2。即，当上环绕式电极8a的Vg被设置为比外电极18和下环绕式电极8b的电位（例如，Vy>0，其中y是i或x）更低电位(例如，Vg=0)时，纳米毛细管20外侧的带电分子20被阻挡不能进入纳米毛细管并且在纳米毛细管内侧的带电分子20被阻挡不能离开纳米毛细管20。
在图2d所示的实施例中，在外电极18和环绕式电极8a、8b上的电位被配置成用于捕获或加载毛细管2。例如，当Vi<0，Vg大于Vi(例如，Vg=0)并且Vx大于Vg(例如，Vx>0)时，带正电荷的分子20将被吸引到纳米毛细管2内。
在图2e和图2f所示的实施例中，在外电极18和环绕式电极8a、8b上的电位被配置成用于使毛细管内的一个或多个分子朝向电极移位或或者将一个或多个分子20捕获或加载和定位于毛细管2中环绕式电极8a附近。例如，如果Vg=0，并且Vx和Vi都是负的，带正电的分子20将被吸引到纳米毛细管2内。能通过改变在上环绕式电极8a与下环绕式电极8b之间的电位差来调整在纳米毛细管中的分子20的位置。
在一实施例中，施加电压的电极8被配置成在毛细管2与外部位置之间形成电位，使得电位场线始于毛细管2内侧并且终止于毛细管2外侧。在一实施例中，该装置还包括电极，电极施加内部电位，内部电位被定位成使得电位场线始于并且终止于毛细管内侧。
从上文可以理解，所生成的捕获力具有在水平面和竖直平面中的电泳分量。在此情况下，电泳将被理解为粒子在空间均一电场的影响下相对于流体的运动。而且，所捕获的粒子在物理上由界定所述毛细管的管壁而约束到毛细管。
一旦处于毛细管中，DNA分子可以被固持于其中。更具体而言，只要电位梯度的方向不变，所捕获的分子不能从毛细管逸散出来。通过改变毛细管的纵向方向上的电压，所固持的分子可以在毛细管内移位。此外，捕获的分子可以从毛细管释放，例如，通过使电位梯度的方向反向。
虽然仅已关于带负电分子对装置的工作展开描述，将了解对于带正电分子也可实现了所描述的功能。显然，这将会需要所施加电压的极性变化。
最后，利用上文所描述的装置获得对单个带电分子的位置和运动的前所未有的控制程度。实际上，直径小至1纳米的带电分子和粒子可以利用所述装置成功地受控制。
在相同情形下，可以由施加的电压水平或者施加的电压频率确定捕获、固持、释放和移位中的任一个。特别地，通过合适地调整所施加的电压，即，通过使之与所捕获的分子的共振频率匹配，可以使捕获的分子以较大振幅振荡，并且可能甚至从毛细管出来。该装置的选择性可以用许多方式得到改进。因此，可以调谐捕获，即，施加的电压也可以被调整，使得仅捕获预定量的电荷。此外，在俘获分子时，施加的电压可以被设置成使得防止了俘获额外分子。以此方式，可以在任何情形下仅捕获单个分子。由此极大地改进了装置的多功能性。
根据具体应用和/或化学性，通过添加非导电钝化层，在电压感应电极与毛细管内部之间的界面可以被从欧姆行为调谐成电容行为。可以使用例如原子层淀积来淀积钝化层，其中可以在原子水平上调谐精确厚度。
此外，本发明的创新性构思可与流行的CMOS技术兼容。因此，基板可以被定制以便获得某种特定功能性，例如，控制电子器件，并且能例如控制电压感应栅电极。
图3a至图3c依序示出了制造根据本发明的一实施例的所述纳米级毛细管的示例性、因此非限制性的方法。为了简单起见，图示方法已经以限制性方式被分成三个主要阶段。它们为纳米丝生长，设置电极和形成纳米级毛细管本身。
在图3a所示的第一阶段，首先，设置基板31。举例而言，所述基板可以由硅、在氧化物上的硅（SOI）、蓝宝石或合适的lll-V族化合物半导体制成。显然，对于工业应用而言，基板可以被适合于制造例如集成电路的晶片所替换。在图3a至图3c的示例性方法中，辅助层在所述基板上生长32。所述辅助层充当缓冲物，即，其调适在基板的结晶结构与随后生长的结构之间的差异。这个层通常在lll-V族化合物半导体诸如InAs中做出。其厚度在100纳米至一微米的范围。随后，在辅助层上生长33一种竖直的、基本上一维的纳米结构，诸如纳米丝或纳米管。在此示例中，所述纳米结构是在高产率VLS工艺（蒸气-液体-固体）中催化生长的纳米丝，其中金粒子用作催化剂并且也允许精确地定位未来的纳米丝。这样生长的纳米丝的直径基本上与催化粒子的直径具有相同量值。因此，生长的纳米丝的厚度可以被精确地控制。对于由生长持续时间所决定的其长度而言同样如此。对于所考虑的应用，制造所述纳米级毛细管，纳米丝的所需厚度通常大约在10纳米与50纳米之间，而生长的纳米丝的长度在0.5与2微米之间。此处，生长的纳米丝由与辅助层(InAs)相同的材料制成，但同样可设想到适合于纳米丝生长的任何其它半导体材料。一旦已生长了所需尺寸的纳米丝，在整个辅助层上淀积34材料层，通常使用原子层淀积（ALD），使得辅助层和纳米丝完全变得被密封。这种材料通常是电介质，即，可以被所施加的电场极化的电绝缘体。通常，使用氧化铝 (Al2O3)，但可以使用具有电介质性质的甚至其它材料，诸如二氧化硅（SiO2）和二氧化铪(HfO2)。淀积层的厚度在2纳米与200纳米之间变化。
在图3b所示的第二阶段，其中设置电极，另一层首先施加35到淀积的电介质层顶部上。所述层的一个目的在于提供结构稳定性。由此纳米丝变得至少部分地嵌入于所施加的层中。所述施加的层在此实施例中由光致抗蚀剂材料诸如S1813制成，其通常被旋涂到电介质层上。随后从纳米丝的非嵌入部分移除36先前淀积的电介质。随后淀积37另一材料层，至少在紧邻纳米丝的区域中。由此形成实施为栅电极的电极，其在周向包围纳米丝。举例而言，所述栅电极由诸如钨的金属、多晶硅或硅化物制成。在此实施例中，先前描述的辅助层构成第一电极，但同样可设想到专用电极类似于栅电极生长并且定位于离所述栅电极一定距离处，优选地邻近于纳米丝的基部，即，未来毛细管的底部。
在图3c所示的第三阶段，其中形成纳米级毛细管，淀积38电介质诸如Al2O3 的另一层。其目的之一是为了确保先前形成的栅电极的充分电分隔。随后，淀积39了光致抗蚀剂材料的另一层。在下一步骤中，通过移除迄今形成的结构的最上部段，例如通过使用溅射，使纳米丝在径向暴露40。在随后的步骤中，移除41纳米丝，例如蚀刻掉（干式或湿式）纳米丝材料，因此形成管状纳米结构，其基本上界定纳米级毛细管。辅助层充当电极，在所形成的栅电极旁侧。
将了解该方法并不限于制造具有单个栅电极的纳米级毛细管。相反，上文描述的制造纳米级毛细管的过程易于修改成包括多个栅极的构造。一个电极可以被配置成经由在所述电极上的感应电荷而感测穿过环绕式电极移动的带电粒子或者可以被配置为电位探针从而使得由于纳米毛细管中或纳米毛细管紧邻处的化学反应所致的带电粒子的浓度变化可以由感测电极或电子探针（例如，图6A所示的探针62）感测到。
所述过程的又一易于做出的修改是形成下面的流体通道网络，其定位于基板或辅助层上。以此方式，形成流体网络结构，其包括由纳米管界定的纳米级毛细管和流体通道网络，其中所述网络在基本上水平方向延伸并且如先前所讨论的所述毛细管在基本上竖直方向延伸。在图4中示出了本发明的流体网络结构的一部分的高度地示意性的示例。可以看出，在定位于基板10上的辅助层14中已形成了两个彼此垂直的通道42、44（以箭头示出）。就此而言，这些通道也可被成形为使得它们一直向下竖直延伸到基板，即，在此方向上辅助层被完全移除。作为替代，在竖直方向上延伸的辅助层的一部分被保留并且可以具有特定功能性，例如用以充当用于施加电压的器件。通道相交的位置同时也是已生长被移除的纳米丝的位置，即纳米级毛细管的位置。在此实施例中，外结构46具有缩窄形状，而其内部（在图4中看不到）根据先前的实施例基本上为管。因此，通过在毛细管与相应通道之间建立/形成流体连通，通过相应通道流动的流体可以进出纳米级毛细管。以此方式，以结合图2a和图2b在上文所描述的方式捕获于毛细管中的带电粒子和/或分子可以被运走。这进一步增加了所要求保护的装置的多功能性。替代地，合适的粒子和/或分子可以由通过通道结构流动的所述流体引入到毛细管内。如果这些表面下的通道被连接到储集器，这种应用是特别有益的。
通过可选地在辅助层中图案化流体通道网络，随后如上文所描述淀积至少一个材料层来实现流体网络结构，所述材料主要由电介质材料诸如Al2O3组成，使得形成了封闭一体式单元，即，整体制成的单元。在下一步骤，所述封闭一体式单元的内部的至少部分，即纳米丝以及辅助层的至少部分如先前所解释那样经由在径向暴露的纳米丝而被移除，例如蚀刻掉，以便形成所述纳米级毛细管和所述流体通道网络。
上文所提到的流体通道网络的图案化包括（但不限于）在辅助层中形成通道模板使得已经生长纳米丝的位置与通道模板的至少一个部段相交。更具体而言，通过在辅助层上的至少一部分上设置抗蚀剂，之后在抗蚀剂中形成潜像，例如通过电子束光刻，并且随后使所述抗蚀剂显影使得抗蚀剂的适当区域被移除来形成通道模板。在最终步骤中，对应于这些移除区的辅助层的部分在移除纳米丝的同一蚀刻过程中被蚀刻掉。以此方式，在毛细管与下面的通道网络之间建立/形成流体连通，由此则流体流进出纳米级毛细管。此外，为了额外控制，基板和/或辅助层可以设有电和/或流体通路。术语通路此处被理解为基本上竖直连接。而且，电路可以嵌入于基板和/或辅助层中。因此，捕获的带电分子，诸如DNA分子，可以经由通道网络和流体通路以高度地受控制的方式从网络结构运走。这种运输通常受到嵌入式电路控制。通过提供包括用于捕获带电分子的纳米级毛细管和下面的流体通道网络的流体网络结构，获得用于控制带电分子或粒子的位置和运动的另一手段。辅助层也可以用于放置其它部件诸如LED或HEMT结构和/或不同类型的传感器。
在另一实施例中，通过提供基板，在所述基板上生长至少一个竖直的、基本上一维的纳米结构和图案化一种流体通道网络，之后淀积至少一个材料层，从而形成由材料层和基板界定的封闭一体式单元，并且最后移除所述封闭一体式单元的内部的至少部分以便形成所述毛细管和所述流体通道网络，来制造出包括在流体通道网络上的至少一个纳米级毛细管的流体网络结构。
如果具体应用需要，则流体网络结构可以是定制的。就此而言，如果当生长流体网络结构时使用辅助层，定制的结构可以与下面的基板分离开。因此，因而分离的结构可易于从原始基板转移到另一基板，其性质可以被定制，即，例如使之柔软、硬、柔韧、不透明或透明中的任一种或组合，以便使之最佳地用于所考虑的应用。
上文所描述的流体网络结构可以用微小的修改并且在不偏离本发明的精神的情况下变成具有很多应用领域的集成系统。更具体而言，这种集成系统的封闭结构应被成形为使得其可以充当纳米大小的注射器。这种在Si基板上生长的纳米注射器50在图5中示意性地示出。通过在基板或辅助层上合适地布置多个这样的具有栅电极或不具有栅电极的纳米注射器，并且利用下面的通道网络使它们互连，形成一种集成系统。因为基于纳米丝的纳米毛细管是生物相容的，这种系统可以具有广泛用途，例如用以表征细胞生物学，用于从细胞提取DNA和用于药物注射到单细胞内。更具体而言，通过将所述系统的通道连接到储集器和通过利用纳米毛细管非侵入地穿透细胞，变得可能将分子注射到细胞本身内。举例而言，在储集器中所储存的溶液中自由地扩散的分子能通过电泳或压力驱动的流动而被驱动到通道网络内并且随后到纳米毛细管内。所述系统也可以应用于微流体和基因测序中，这种系统提供用于处置液体、气体、二者的混合物以及液体或气体悬浮液和气溶胶的方便平台。
对于高容量应用而言，集成系统固有地能具有显著处理量。更具体而言，通过在预定位置处形成整个纳米毛细管阵列以及形成网格状通道网络并且对于每个纳米毛细管而言允许通道网络的两个部段在此预定位置处相交，因此有效地连接所有纳米毛细管，实现了大规模的并行化。以此方式，可以同时分析和/或管理大量样本。这种并行化可以如上文关于图2所讨论那样，通过提供具有各种类型选择性（例如关于电荷量和/或粒子或分子大小方面的选择性）的所述系统来进行补充，从而进一步改进其性能。
集成系统可以包括与下列零件中至少一个相连接的至少一个毛细管阵列的组合：腔室、储集器、流体通道、流体网络、加热器、温度传感器、控制芯片或ccd芯片。也可行的是使系统模块化，其中上述零件中的一个或多个可以分离或者由不同零件替换。以此方式，毛细管阵列可以被配置成具有用于不同功能的不同零件。
带电测试分子或粒子可以是（但不限于）DNA、RNA、蛋白质、细菌、真菌、官能分子、缓冲物、酶、化学物、标记、引物。其中的某些可以通过流体静力压力/流动而分布。
运输功能包括加载、保持、释放、注射、进入、离开、阻挡、选择和分离/隔离。某些功能诸如“转移”和“注射”可以通过流体静力压力以及电力地来进行。
可以在毛细管或在腔室中、或流体通道中执行功能反应，官能化（functionalization）或操纵和分析，包括（但不限于）PCR、qPCR、标记、杂交、熔体分析、转录和逆转录。
如上文所示，定位纳米丝和因此定位纳米毛细管而且也在此系统中通道网络的延伸可以确定地受到控制。这特别适用于需要高准确度的应用。举例而言，这些要求在其中整个集成系统将要位于晶片上的情形下，所谓的芯片上系统的方案中是相关的。这种系统然后将会通常包括甚至控制电子器件。
此外，图6a所示的另一可设想到的应用是使用形成的纳米注射器并且做出电子探针62。这通过在纳米毛细管的顶部上淀积金属层64来实现。可选地，并且如在图6b中示意性地示出，纳米毛细管的内部然后可以被填充导电材料66，即金属或退化地掺杂的半导体。基于这种纳米毛细管的注射器也可以装配有任何数量的栅极。电子探针62可以用于感测被注射到细胞内或从细胞提取的带电物质。电子探针62可以是围绕毛细管的环绕式电极。
在图6c中示意性地示出了定位于辅助层上的纳米注射器，所述层用于放置诸如LED或HEMT结构67的部件和/或不同类型的传感器。
对于在光学领域内的应用，可以选择在透明材料中的基板68。此外，注射器的内部可以被填充透明材料。在图6d中示意性地示出了这种配置，包括多个栅电极。
在图6e至图6x中示出了额外实施例，这些结构的显著特征中的某些特征包括：
·纳米注射器和纳米毛细管陷阱可以呈很大阵列经由从下到上、从上到下过程的组合而产生（超过十亿/cm2），其将允许大规模并行（或大规模依序）处理；
·个别纳米注射器和纳米毛细管陷阱可以被合成，具有小至10nm的可选的内径腔但具有长达数微米的长度；
·多个环绕栅极或环形电极可以与每个纳米注射器50/纳米陷阱集成以经由离子泵55（参看图6e和图6f）提供分子、蛋白质、病毒和DNA链的控制流动。在图6e和图6f所示的实施例中，纳米毛细管2无缝地连接到至少一个纳米级腔室或孔52。替代地，纳米毛细管2和/或纳米级腔室2无缝地连接到纳米-通道网络。如本文所用的术语“无缝”表示附连边界或粘合剂层（即，接缝）并不存在于纳米毛细管2与腔室或网络之间。纳米毛细管2和纳米级腔室52的无缝连接可以当移除纳米丝以形成纳米毛细管（图3c，步骤41）时通过移除在纳米毛细管2下方的辅助层（在图3a中形成，步骤32）的至少一部分来制成。 以此方式，在同一步骤中制成纳米毛细管2和纳米级腔室52，防止形成接缝，如果该结构已通过将带有纳米级腔室52的单独基板结合到从生长基板移除的纳米毛细管装置而形成则将会造成接缝。　
·若需要，可以在注射器/陷阱之间和之中制成纳米流体通道和网络，以递送或移除不同的可能药物组合、细胞或其它物质；
·个别纳米装置控制是可能的；
·使用常见的金属-有机化学气相淀积（MOCVD）反应器腔室在低成本和普遍易得的大直径硅基板上实现合成，允许开发出能力很强的“芯片上实验室”。
如下而制造如图6e和图6f所示的装置的纳米级腔室52。在图3a所示的纳米丝周围淀积非导电材料（参看图3a，步骤34），步骤33，形成纳米毛细管壁和可选地腔室52的顶壁。纳米丝和至少一部分缓冲层然后在图3c所示的步骤41中蚀刻。腔室52形成于缓冲层已被蚀刻掉的位置。以此方式，毛细管2和纳米级腔室52的壁和/或流体网络在单个淀积和蚀刻过程中形成。即，这个过程并不需要单独地制造两个或更多个零件并且然后将它们结合在一起。然而，在替代实施例中，（多个）纳米级腔室52可以在与纳米毛细管的生长基板分离开的单独基板中制造。在此方法中，纳米毛细管与生长基板分离开并且然后结合到包含纳米级腔室52的单独基板上。
毛细管的高纵横比/深宽比（aspect ratio）和nm级直径特别适合于操纵和检测分子链诸如DNA和蛋白质。本发明者已成功地证明/展示在毛细管内俘获DNA链和通过测量电荷来检测DNA链的能力。通过使用高密度毛细管阵列（每cm2百万至十亿），且每个毛细管可以被定址，这可以被配置为具有并行和依序能力的分子生物处理器。
图6g为示出了纳米注射器/纳米陷阱/纳米毛细管构思的应用的组织图600。实施例包括DNA捕获610和单细胞操纵620。DNA捕获610的实施例包括对于来自病毒或细菌的DNA的现场分析612以便利并且加速传染病的诊断、排除了电泳的瞬时DNA序型分析/分型（profiling）614、DNA过滤和针对DNA测序的准备616和个体化/个性化用药618，仅提及几个例子。纳米注射器可以用于可控制地注射分子到活细胞内和从活细胞提取分子，而不会出现细胞破裂和损坏。单细胞操纵620的实施例包括药物筛选622、体外授精（IVF）624、细胞重编程616和个体化用药628。
生物处理器芯片可以被配置成使得不丢失样本，例如，在生物样品内，若需要，可以检测并且处理所有DNA分子。这为样品样本很有限的情况下做出突破做好了准备，包括难以到达的组织活检细胞，诸如脑癌。也能在其中希望“捕捉所有”生物物质并且处理它的应用中得到突破。这里的应用客包括法医犯罪现场调查、生物恐怖主义检测和爆炸物检测。其它重要的短期应用包括过滤和分选蛋白质。
生物芯片可以与同一芯片上更先进的微流体网络相集成以用于在护理点处所递送的个体化药物和医药应用中。
下列为示例性应用：
o从病毒或细菌捕获DNA和现场（护理点）芯片上实验室分析以辅助并且加速传染病的诊断，例如HIV和其它病毒性疾病；
o 现场（护理点）的廉价、快速周转亲子鉴定（芯片上实验室）；
o 用于警察和其它执法机关和监禁机构的法医现场DNA鉴定（芯片上实验室）。就像在20世纪30年代检测和警察实验室所使用指纹那样，每个人具有独特的DNA指纹。不同于仅在指尖上存在并且可以通过外科手术更改的常规指纹，DNA指纹对于一个人的每个细胞、组织和器官相同。其不能通过任何已知的处理而被更改。因此，DNA指纹识别快速变成用于在人类个体之中进行识别并且区分的主要方法，“DNA Fingerprinting in Human Health and Society” ，见http://www.accessexcellence.org/RC/AB/BA/DNA_Fingerprinting_Basics.php，也参看DNA Forensics， www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/elsi/forensics.shtml。　
o 制备用于DNA测序的样品
o将样本注射到细胞内以用于进行大量并行或依序单细胞研究用于药物开发和/或药物筛选 
o改进的辅助人体外授精过程（将来自单个精子的DNA插入于单个卵子内）
o个体化用药诊断以扩增针对难以到达的细胞诸如脑细胞等的组织结果。　
o 其它诊断和特定位点治疗
o 完全DNA测序，比目前可能的情况显著更快并且更廉价得多。
在图6h和图6q中示出了这些应用。例如，如在图6h和图6i中所示，根据一实施例，可以向纳米级毛细管2提供病毒或细菌DNA 630。接下来用于检测具体病毒或细菌样本的引物632被添加到纳米毛细管2。在纳米毛细管2中可执行反应聚合酶链反应（在图6h中示出）以扩增DNA 630以辅助检测。可选地，染料分子，诸如荧光分子可以附着到引物上以进一步辅助检测DNA 630。在图6j所示的实施例中，在基板上提供纳米毛细管2的阵列640。在此实施例中，可以向每个纳米毛细管提供不同引物632。以此方式，可以同时针对若干不同的病毒或细菌而分析样品。图6k示出了人个体鉴定方法的实施例。目标DNA 20首先被捕获在纳米毛细管2中。然后添加对于不同短串联重复（STR）序列特异的引物634 并且进行纳米PCR。在这种方法中，无需凝胶电泳。
图6l和图6m示出了单细胞药物筛选方法的实施例。在图6l的方法中，透明基板650被加载例如癌细胞65，癌细胞652在微孔654中被捕获，微孔654与注射器芯片652的注射器布局匹配。如在图6m所示，带有细胞652的基板650被压到注射器芯片656上造成纳米注射器50缓缓地穿透相应细胞652的细胞膜。可以经由微流体通道（A至E）向细胞内注射不同药物/化学物来执行筛选。可以通过透明基板或者从使用纳米注射器50对于来自细胞的提取物进行的分析来观察细胞对于药物的反应。在图6l和图6m中示出的装置为流体系统，流体系统包括纳米毛细管的阵列和至少一个相邻结构，至少一个相邻结构包括下列中的任一个：腔室、样品板、生物细胞保持器、通道网络、温度传感器、加热元件、冷却元件或光学检测器。
图6n示出了人体外授精（IVF）的方法的实施例。在这种方法中，使用纳米移液管/注射器50来将雄性DNA 660以受控制的量（例如，仅来自单个精子的DNA）直接注射到个别卵细胞662内。结果是比诸如卵胞浆内精子注射（ICSI）664这样的当前技术更高的卵授精率和更好的IVF结果。
图6o-6q示意性地示出DNA测序方法的一实施例。如在图6o中所示，待分析的DNA 20被提供到纳米毛细管2。然后使用环绕式电极8a、8b来引导单链DNA分子20到毛细管2内。在此实施例中，DNA是带电的。在环绕式电极8a、8b之间设置电位，电位吸引带电DNA分子20。在成功捕获后，配置顶部电极8，例如，使在顶部电极8与上电极8b之间的电位反向，以阻挡另外的DNA进入，并且经由流体网络从图6p中的纳米毛细管2下方注射引物分子634。如果DNA分子在毛细管2内侧，当电位反向时，其受到阻挡不能离开纳米毛细管2。通过加热芯片，引物634能与所俘获的DNA 20杂交以形成准备在图6q中测序的DNA链。然后可以通过调整顶部电极和下电极的电压以产生电梯度来使DNA分子20离开纳米毛细管2，电梯度使带电DNA分子离开纳米毛细管2。
在图6r至图6w中示出了额外实施例。这些实施例涉及NLBD、将生物测定的多路复用能力与q-PCR的敏感性和量化能力相组合的分子分析器装置。NLBD是手持的一件式单元，其能通过USB连接或蓝牙无线连接而被连接到计算装置。NLBD的实施例包括溶解细胞、执行PCR和生物测定的能力。在芯片内电子地执行q-PCR并且纳米毛细管-传感器的敏感性使得能在5分钟内或更短时间获得结果（阳性/阴性）。细胞可以在位于手持装置中或者位于与纳米毛细管阵列相同芯片上的反应腔室680（图6v）中被溶解。在一实施例中，可以在纳米毛细管中执行溶解（例如，除了待溶解的生物材料之外，向纳米毛细管添加溶解剂），诸如对于小生物实体，诸如病毒。核心技术是基于从牺牲性纳米丝所合成的纳米毛细管-传感器阵列，牺牲性纳米丝能在多达每cm2有20亿个装置的大规模阵列中电子地吸引、捕获并且感测分子物质。该单元可以具有不同配置，取决于使用者对于多分析物DNA检测的需要/希望。
NLBD的应用包括，但不限于：
·多分析物DNA检测，护理点；
·在微型生物芯片上快速、高敏感性多分析物扩增的DNA检测
·生物芯片特征
　　1.用于DNA分析物的样品腔室
　　2.用于PCR化学的流体腔室/网络
　　3. DNA纳米毛细管陷阱和电气检测系统
·具有电读出的qPCR能力 
·利用分离的纳米毛细管阵列的大量多路复用能力
·在受限的微型生物芯片上将测定的多路复用强度与PCR的敏感性和量化能力相组合
·所有生物物质被约束在一单元中，并且自动进行分析且经由USB连接或蓝牙无线连接而对分析加以控制
·在5分钟内或更短时间得出结果（阳性/阴性）。
在图6r至图6w中示出的实施例的优点包括：
- 手持、便携式单元
- 自动化并且计算机化
- 快速分析（5分钟）
- 对生物物质的约束
- 无污染
- 无扩增DNA的损失
- 特异性100% - 无假阳性/无误报
- 高敏感性99% - 无假阴性/无漏报
- 最小化学物使用（皮升）
-低成本（无昂贵的光学器件）。
图6r为根据一实施例的纳米毛细管溶解和生物测定装置670 (NLBD)的示意图。在一实施例中， NLBD 670可以包括数千（例如，50,000至500万，诸如100,000至1百万，例如500,000）毛细管的阵列并且可选地包括其它更小阵列672。NLBD可以根据需要包括具有更多或更少纳米毛细管的阵列。图6s示出了图6r的NLBD的1000个毛细管阵列672的特写视图。图6t为示出了安装到电路板674上的NLBD 670的照片。
图6u为示出单个纳米毛细管2的显微照片。在此实施例中，纳米毛细管2具有大约40nm的直径。然而，纳米毛细管可以被制成具有更大或更小直径，诸如在1至40nm，5至25nm，50至250nm，和50-500nm之间。
图6v为NLBD 670的侧视示意截面图。NLBD 670包括下基板676，下基板676包括微孔677，在微孔677中可以测定生物样品。如上文所讨论那样，细胞可以在邻近于纳米毛细管2的腔室680中溶解。在此实施例中，微米级孔的底部可以被形成于与纳米毛细管装置的生长基板分离的单独基板676中。毛细管和纳米级腔室可以从生长基板移除并且然后结合到单独基板676，单独基板676包含更大（微观）腔室/微孔677，在与制造出纳米级毛细管和纳米级腔室/孔的过程分离的过程中限定更大（微观）腔室/微孔677。
图6w是示出包括多个纳米毛细管阵列640的多路复用的NLBD 670的实施例的示意图。在一实施例中，可以独立地控制个别阵列640。以此方式，一个或更多个阵列可以被配置成用以根据需要针对相同或不同的生物物质进行分析。即，NLBD 670可以被分成单独部分（纳米毛细管阵列640）以用于执行并行化功能。
图6x为示出使用压力驱动流动通过纳米级毛细管的实施例的示意图。在此实施例中，不带电的分子20可以通过纳米毛细管2串流。在此实施例中，不需要跨越整个环绕式电极8a、8b上而形成电位梯度以造成分子通过纳米毛细管2流动。可选地，如果分子20是带电的，环绕式电极8a、8b的电位可以被配置成辅助带电分子20通过纳米毛细管2串流。
对于压力驱动的实施例，通过纳米毛细管的通过时间/渡越时间（transit time）τ是纳米毛细管2的长度L、通过纳米毛细管2的流体的粘度μ、跨越整个纳米毛细管2上的压降ΔΡ和纳米毛细管2的半径r的函数，如在下面的方程式1中所示： 
方程式1                                                 。
如果在对纳米毛细管装置进行供应的通道网络中的流体流量相对较大并且分子20经由扩散通过纳米毛细管2，则通过纳米毛细管的扩散时间t是纳米毛细管2的长度x、包含分子20的流体的粘度μ和分子半径a的函数，如下面的方程式中所示： 方程式 2   。
图7A至图7D为示出经由环绕式电极8上的感应电荷而对通过由环绕式电极8所围绕着的纳米毛细管2移动的带电粒子进行感测的方法的实施例的示意图。在图7A所示的第一步骤种，使用环绕式电极8将DNA粒子20吸引到毛细管2内。移动的DNA粒子20经过传感器678（例如，中部环绕式感测电极）并且在较短的时段在环绕电极传感器678上感应/感生出电荷，从而产生瞬态电流响应。在此实施例中，传感器678感测由于带电DNA粒子20的存在所造成的电位变化。如图7C所示，DNA粒子20然后传递到纳米毛细管2下方的微孔677，纳米毛细管2可以包括引物634。在图7D所示的方法的实施例中，允许DNA粒子在微孔677中与引物634起反应。
图8示出了连接到至少一个加热元件的纳米毛细管装置的实施例的示意图。此装置的实施例还包括热检测器690。热检测器690包括例如位于腔室80中的电阻热检测器（RTD）。示例加热元件包括位于毛细管芯片下方的珀尔贴元件692或者位于微米级腔室677中（例如在底部处）的集成（芯片上）电阻加热器线694。在替代实施例中，该装置包括冷却元件。冷却元件可以是外部安装的珀尔贴元件692，其以与上文所讨论的加热元件相反的极性工作。在替代实施例中，通过在纳米毛细管2的顶部与底部之间产生压差，而不是通过改变环绕式电极8的电位，可以使DNA粒子20转移到纳米毛细管2。
图9a至图9h为示出根据本发明的实施例的纳米毛细管装置中的带电分子的控制的示意图。如在图2c至图2f中，图9a至图9h所示的电压向左正值更大并且向右负值更大。另外，在这些图中，邻近于y轴线的箭头指示了在所施加的电位影响下分子的移动方向。指向x轴线的箭头指示向纳米毛细管20内的移动，而背向x轴线的箭头指示分子从纳米毛细管20向外的移动。
图9a至图9h所示的实施例可以用于分离带正电分子和带负电分子和通过电荷/缓冲/电压平衡对分子进行大小选择或者用于上文所描述的其它目的。在这些实施例中，可以使用直流场和交流场二者。可以通过添加适当缓冲物来控制流体的pH。另外，由于纳米毛细管装置的纳米级性质，可以在上与下环绕式电极8之间形成低电容隧道结（tunnel junction）。低电容隧道结可以被配置成用以形成库伦阻塞，其可以用于在带电分子20通过纳米毛细管2时检测带电分子20。
在图9a所示的实施例中，在外电极18和环绕式电极8a、8b上的相应电位Vi、 Vg、Vx被配置成阻挡带电分子20进入朝向单个储集器677、680敞开的毛细管2或者通过j介于两个储集器677、680之间的毛细管而离开或排空。在图9b所示的实施例中，在外电极18和环绕式电极8a、8b上的电位(例如，Vx>0 Vi<0, Vg=0或Vx>Vg>Vi)被配置成用于捕获或加载朝向单个储集器677、680敞开的毛细管或者通过在两个储集器680至677之间的毛细管2而转移分子20。在图9c所示的实施例中，在外电极18和环绕式电极8a、8b上的电位（例如， Vi<0, Vg=Vx>Vi，例如Vg=0=Vx）被配置成用于在毛细管2中固持/阻挡或加载/捕获分子。在图9d所示的实施例中，在外电极18和环绕式电极8a、8b上的电位（例如， Vi>0, Vg=Vx<Vi，例如 Vg=0=Vx)被配置成用以阻挡分子20进入朝向单个储集器677、680敞开的毛细管2和从一侧进入介于两个储集器677、680之间的毛细管2内。在图9e所示的实施例中，在外电极18和环绕式电极8a、8b上的电位（例如， Vi>0, Vx<0, Vi>Vg>Vx 例如，Vg=0）被配置成用于从朝向单个储集器677、680敞开的毛细管2释放分子20或者通过介于两个储集器677、680之间的毛细管2转移分子。在图9f所示的实施例中，在外电极18和环绕式电极8a、8b上的电位（例如，Vi、Vx<0，Vg>Vi、Vx，例如，Vg=0）被配置成用于将一个或多个分子20定位于朝向单个储集器677、680敞开的毛细管20的环绕式电极8a、8b附近或者将分子捕获/加载到介于两个储集器677、680之间的毛细管20内。在图9g所示的实施例中，在外电极18和环绕式电极8a、8b上的电位(例如， Vx<0，Vx<Vg=Vi，例如Vg=Vi=0)被配置成用于在毛细管2中固持/阻挡或加载/捕获分子20。在图9h所示的实施例中，在外电极18和环绕式电极8a、8b上的电位(例如，Vx>0，Vx>Vg=Vi，例如，Vg=Vi=0)被配置成用以阻挡分子20进入朝向单个储集器677、680敞开的毛细管2和从一侧进入介于两个储集器677、680之间的毛细管内。
通过上文的描述应了解本发明的精神涵盖了组合所述纳米注射器与所述纳米毛细管的不同特征，诸如设置电子探针，存在和受保护和不受保护的数量，以及可能利用透明、栅极、金属或半导体材料填充毛细管。在同样情况下，在包括具备根据上述的各种特征的基于纳米毛细管的纳米注射器的方案中可以易于集成不同的材料基板（常规硅，另一半导体或例如透明材料，诸如玻璃）和不同基板功能，例如感测或导电性质，固有的和添加的。
在附图和说明书中，已公开了本发明的典型优选实施例，并且尽管采用具体术语，它们仅在一般和描述性意义上使用并且并无限制目的，在所附权利要求中陈述了本发明的范围。