Массивы в си шарп: C# и .NET| Массивы

Содержание

Одномерные массивы

Данные одинакового типа удобно хранить и обрабатывать с использованием массива.
Массив — это непрерывный участок памяти, в котором содержатся элементы одного типа. Массив имеет идентификатор (имя массива), который используется для обращения к отдельным его элементам.
Каждый элемент массива хранится в отдельной ячейке (или ячейках) памяти и имеет свой индекс (порядковый номер в составе массива) и значение.

Все массивы можно условно разделить на

  • одномерные массивы;
  • многомерные массивы;
  • массивы массивов.

В данной статье речь пойдет об одномерных массивах.

Для использования массива его необходимо объявить и выделить память для хранения его элементов. Для объявления одномерного массива используется следующий синтаксис:

В этой строке тип указывает на тип элементов, которые будут храниться в массиве. Имя предполагает ячейку, в которой будет храниться ссылка (адрес) участка памяти, в котором и будут размещаться элементы массива. Но на текущий момент сам участок памяти для хранения элементов массива еще не выделен.
Для его выделения используется операция new без инициализации или с инициализацией:


имя new тип[количество];

имя new тип[] {выражение1, выражение2, выражениеn};


Результатом выполнения операции new является ссылка на выделенный участок памяти для хранения массива.
При выделении памяти всем элементам массива присваивается значение по умолчанию (для базовых типов данных это значение равно 0).
Объявление массива и выделение памяти для хранения его элементов можно осуществить в одной строке. Например,
После того как объявлен массив и выделена память для хранения его элементов, можно обратиться к элементам массива с использованием соответствующего индекса:
Начальный элемент массива всегда имеет индекс 0, последний элемент имеет индекс КоличествоЭлементов-1. То есть если массив содержит 5 элементов, то эти элементы имеют индексы 0, 1, 2, 3, 4.

Создание массива

В качестве примера рассмотрим задачу найти максимальный элемент массива, состоящего из n элементов.

Сначала введем количество элементов, которые будут храниться в массиве, затем последовательно в цикле введем сами элементы. Для поиска максимального элемента можно воспользоваться параметрическим циклом.
Результат выполнения программы представлен на рисунке.
Поиск максимума можно осуществить с использованием цикла перебора элементов foreach.
Все массивы в C# являются наследниками класса System.Array, который, в свою очередь, наследует класс System.Object. Поэтому все массивы обладают рядом свойств и методов, присущих классу Array.
Среди свойств класса Array наиболее популярным является свойство Length, возвращающее количество элементов в массиве.
Кроме того, класс Array содержит ряд методов для работы с массивами, некоторые из которых будут рассмотрены ниже.

Запись и считывание элементов массива

Для обращения к элементам массива можно воспользоваться обращением к элементу по его индексу, как это было показано в предыдущем примере. Но класс Array также поддерживает методы для считывания и установки значений элементов массива:

  • SetValue(значение, индекс) — для записи значения в элемент массива;
  • GetValue(индекс) — для считывания значения из элемента массива. Функция возвращает объект типа Object, для дальнейшего использования которого необходимо явное приведение его к типу элементов массива.

Пример использования этих методов, а также свойства Length, для нахождения максимума в массиве

Для установки диапазона элементов массива в значение по умолчанию можно использовать статический метод класса Array — Clear(), в качестве аргументов которому передаются ссылка на массив, начальный элемент, с которого необходимо осуществить сброс элементов к начальным значениям и длина диапазона (количество таких элементов.
Пример использования метода Clear() для обнуления диапазона элементов.

Результат работы программы:

Копирование массива

Для копирования массивов можно использовать один из двух методов класса Array – Clone() и CopyTo(). Оба метода создают поверхностную копию массива, то есть копируют элементы из одного массива в другой массив. При этом если элементы массива являются ссылками, то копируются сами значения этих ссылок, а сам объект, на который они ссылаются, остается единственным.
Кардинальное отличие методов Clone() и CopyTo() заключается в том, что метод Clone() самостоятельно выделяет память под вновь создаваемый массив и заполняет ее копиями элементов, а метод CopyTo() предусматривает, что память должна быть предварительно выделена под заполняемый этим методом массив в достаточном объеме.

Метод Clone() возвращает объект класса Object, который необходимо явно привести к ссылке на массив указанного типа.

Рассмотрим пример копирования массива с помощью функции Clone():

Пример использования метода CopyTo() для копирования массива. В качестве аргументов методу CopyTo() передаются ссылка на массив, куда будут копироваться элементы и индекс начального элемента для копирования.

Кроме того, для копирования массива можно использовать статические методы класса Array:

  • Copy(), в качестве аргументов которого передаются ссылка на копируемый массив, ссылка на массив-приемник (память для хранения элементов этого массива предварительно должна быть выделена в достаточном количестве) и количество копируемых элементов. Возможна также перегрузка данного метода с указанием начального индекса массива-источника и массива-приемника.
  • ConstrainedCopy() — метод, имеющий единственный вариант вызова, и в качестве аргументов ему передаются
    • ссылка на копируемый массив,
    • индекс элемента, с которого начинается копирование
    • ссылка на массив-приемник
    • индекс элемента, на место которого начинается копирование
    • количество копируемых элементов.


    Метод гарантирует, что при невозможности скопировать весь диапазон значений все изменения будут отменены.

Рассмотрим пример, копирования массива с использованием метода Copy():

Использование метода ConstrainedCopy() для копирования массива:

Изменение размеров массива

При выделении памяти под элементы массива, выделенный участок памяти может хранить фиксированное число элементов. Если размер массива необходимо увеличить или уменьшить, то необходимо сначала создать новый массив, потом скопировать в него значения требуемых элементов текущего массива, после чего освободить память, выделенную под старый массив.
С этой целью может использоваться статический метод Resize() класса Array, который в качестве аргументов принимает ссылку на массив и новое количество его элементов. Если количество элементов необходимо уменьшить, то последние элементы массива не будут сохранены. Если количество элементов необходимо увеличить, то вновь созданные элементы заполнятся значениями по умолчанию.

Сортировка, поиск и переворот массива

Для сортировки массива используется статический метод Sort() класса Array, в качестве аргумента которому передается ссылка на сортируемый массив. Выбор метода сортировки осуществляется в зависимости от длины сортируемого массива.
Для поиска значения элемента в отсортированном массиве может использоваться статический метод BinarySearch() класса Array, которому в качестве аргументов передаются ссылка на массив и искомое значение. Метод возвращает индекс элемента в массиве с заданным значением. Если элемент в массиве не найден, возвращается отрицательное значение. Если массив содержит несколько искомых элементов, возвращается индекс одного из них.

Для поиска элемента в неотсортированном массиве по значению также можно воспользоваться статическими методами IndexOf() и LastIndexOf() класса Array, в качестве аргументов которым передаются ссылка на массив и искомое значение. Возвращаемое значение функций — индекс первого и последнего элементов соответственно в массиве, равных искомому. Если элемент с искомым значением в массиве не найден, возвращается отрицательное значение индекса.
Класс Array содержит метод Reverse(), предназначенный для изменения порядка следования всех элементов массива на противоположный.
Ниже приведен пример использования перечисленных методов.

Результат выполнения программы представлен на рисунке.

Автор: Вставская Елена Владимировна

 
Написать комментарий:

Массивы в Си Шарп (C#) на видеокурсе от Loftblog

Всем доброго времени суток! На прошлых видеоуроках мы познакомились с принципами ООП: наследованием, инкапсуляцией и полиморфизмом. Сегодня давайте рассмотрим такое понятие, как массивы в Си Шарп и научимся его применять.

Немного полезной информации о массивах

На прошлых видеоуроках мы уже знакомились с понятием переменной. Это ячейка в оперативной памяти, которая содержит информацию определенного типа. Так вот, массивы в Си Шарп так же, как и в других языках программирования, – это конструкция, которая позволяет объединить несколько таких ячеек, то есть это совокупность однотипных ячеек.

Важно понимать, что массив – это упорядоченная совокупность, переменные в нем упорядочены по индексу, причем индексация начинается с нуля. Массивы бывают одномерными и многомерными.

Давайте разберемся, как инициализировать (объявлять) и работать с массивами в Си Шарп. Разделим практику на две части: одномерные и многомерные массивы.

Практика с одномерными массивами в Си Шарп

Первый аспект, который мы должны рассмотреть, – это объявление (инициализация) массива. Общая конструкция двух способов инициализации:

  • тип[] имя_массива = new тип[количество_переменных];
  • тип[] имя_массива = new тип[] {перечисление_значений};

Для примера инициализируем два массива в Си Шарп – массив месяцев и массив дней:

string[] mounths = new string[] {«January», «February», «March»};
string[] days = new string[7];



string[] mounths = new string[] {«January», «February», «March»};

string[] days = new string[7];

Давайте теперь обратимся к массиву. Важно помнить, что индексация массива начинается с 0. Общая конструкция обращения:

имя_массива[индекс_элемента] = значения;



имя_массива[индекс_элемента] = значения;

Для примера присвоим первому элементу массива дней значение «Monday»:

Практика с многомерными массивами в Си Шарп

Многомерным массивом в Си Шарп и не только называется массив, обладающий двумя или большим количеством размерностей. Простейшим примером многомерного массива является двумерный массив. Зрительно двумерный массив напоминает таблицу, у которой есть строчки и столбцы, а каждый элемент имеет двойной индекс. Как же объявлять такие массивы в Си Шарп? Очень просто:

  • тип[,] имя_массива = new тип[,] {{_, _}, …, {_, _}};

Количество запятых в квадратных скобках говорит о размерности массива.

С обращением к двумерному массиву все так же, как и с обращением к одномерному, но только указываем уже два индекса – номер строки, а потом номер столбца.

На этом видеоурок наш, на котором будут рассмотрены массивы в Си Шарп, завершится! Надеемся,что он окажет вам пользу. До следующих встреч!

Приятного всем просмотра! Учитесь с удовольствием! Всегда ваш LoftBlog.

Рекомендуемые курсы

Foreach в C sharp — Fast Reports

Сегодння хотелось бы поговорить о том, как же работает цикл foreach внутри.

Все мы знаем, что такое цикл foreach — цикл, который перебирает все элементы коллекции. Его прелесть в простоте использования — нам не нужно заботиться о том сколько элементов в коллекции. Однако, многие не знают, что это всего лишь синтаксический сахар, который облегчает труд программиста. Поэтому, мы просто обязаны знать во что же в итоге компилятор его преобразует.

Цикл foreach рфботает по разному, в зависимости от коллекции, которую нужно перебирать.

1) Если он имеет дело с банальным массивом, то мы всегда можем узнать его длину. Поэтому foreach в конечном итоге будет преобразован в цикл for. Вот, например:


1
2
3
4
5

int[] array = new int[]{1, 2, 3, 4, 5, 6};
foreach (int item in array)
{
 Console.WriteLine(item);
}

Компилятор преобразует цикл в такую конструкцию:


1
2
3
4
5
6
7
8

int[] temp;
int[] array = new int[]{1, 2, 3, 4, 5, 6};
temp = array;
for (int i = 0; i <  temp. Length; i++)
{
 int item = temp[i];
 Console.WriteLine(item);
}

2) Однако, многие коллекции не поддерживают индексированный доступ к элементам, например: Dictionary, Queue, Stack. В этом случае будет использован шаблон итератор.

Этот шаблон основан на интерфейсах System.Collections.Generic.IEnumerator и nongeneric System.Collections.IEnumerator, которые позволяют осуществлять итерацию элементов в наборе.

IEnumerator содержит:

  • Метод MoveNext() — перемещает перечислитель на следующий элемент коллекции;
  • Метод Reset() — перезапускает перечисление, устанавливает перечислитель в начальную позицию;
  • Свойство Current — возвращает текущий элемент коллекции.

IEnumirator наследуется от двух интерфейсов — IEnumirator и IDisposable. Он содержит перегрузку свойства Current предоставляя его реализацию по типу.

Раз уж мы упомянули интерфейс IDisposable, то уделим пару слов и ему. Он содержит единственный метод Dispose(), который нужен для освобождения ресурсов. Каждый раз, по завершении цикла или при выходе из него по другим причинам IEnumirator очищает ресурсы.

Давайте посмотрим на такой цикл:


1
2
3
4
5
6
7
8
9

System.Collections.Generic.Queue < int > queue = new System.Collections.Generic.Queue< int >();
 queue.Enqueue(1);
 queue.Enqueue(2);
 queue.Enqueue(3);

 foreach (int item in queue)
 {
 Console.WriteLine(item);
 }

Компилятор преобразует его в подобный код:


1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

System.Collections.Generic.Queue< int > queue = new System.Collections.Generic.Queue< int >();
 queue. Enqueue(1);
 queue.Enqueue(2);
 queue.Enqueue(3);

int num;
while (queue.MoveNext())
{
 num = queue.Current;
 Console.WriteLine(num);
}

В этом примере MoveNext заменяет необходимость подсчета элементов во время цикла. Когда он не получит очередной элемент, то вернет fasle и цикл завершится.

Но, все же этот код лишь приближен к тому что действительно выдаст компилятор. Проблема в том, что если у вас два и более пересекающихся циклов, работающих с одной коллекцией, то каждый вызов MoveNext будет влиять на все циклы. Такой ход событий не никого не устроит. И поэтому придумали второй интерфейс IEnumirator.

Он содержит единственный метод GetEnumerator(), который возвращает перечислитель. Таким образом IEnumerable и его обобщенная версия IEnumerable позволяют вынести логику перечисления элементов из класса коллекции. Обычно это вложенный класс, который имеет доступ к элементам коллекции и поддерживает IEnumerator. Имея каждый свой перечислитель, разные потребители не будут мешать друг другу, выполняя перечисление коллекции одновременно.

Таким образом, наш пример выше должен учитывать два момента — получение перечислителя и освобождение ресурсов. Вот как в действительности компилятор преобразует код цикла foreach:


1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24

System.Collections.Generic.Queue< int > queue = new System.Collections.Generic.Queue< int >();
 System.Collections.Generic.Queue< int >.Enumerator enumirator;

 IDisposable disposable;

 enumirator = queue.GetEnumerator();
 queue.Enqueue(1);
 queue.Enqueue(2);
 queue.Enqueue(3);

 try
 {
 int num;
 while (enumirator.MoveNext())
 {
 num = enumirator. Current;
 Console.WriteLine(num);
 }
 }
 finally
 {
 disposable = (IDisposable)enumirator;
 disposable.Dispose();
 }

Наверное, вы думаете, что для итерации коллекции необходимо реализовать интерфейсы IEnumerable и IEnumerable. Однако это не совсем так. Для компиляции foreach вам достаточно, чтобы объект реализовывал метод GetEnumerator(), который вернет другой объект со свойством Current и методом MoveNext().

Здесь применяется утиная типизация — известный подход:

«Если что-то ходит, как утка, и крякает, как утка, то это утка».

То есть, если есть объект с методом GetEnumerator(), который возвращает объект с методом MoveNext() и свойством Current, то это и есть перечислитель.

В противном случае, если нужные объекты, с нужными методами не найдены, будут искаться интерфейсы IEnumerable и IEnumerable.

Таким образом foreach является действительно универсальным циклом, который отлично работает как с массивами, так и с коллекциями. Я использую его постоянно. Однако, несть один минус у foreach — он позволяет только читать элементы, и не позволяет их изменять. Поэтому старый добрый for никогда не пропадет из нашего кода.

Изготовление острых кремниевых матриц для намотки Caenorhabditis elegans

Микротехнология матрицы

Чтобы получить начальную оценку необходимого времени травления и окончательную форму штифтов, мы смоделировали процесс травления с помощью программного обеспечения ACES 17 , взяв данные Seidel et al . 18 . Мы смоделировали различные формы маски, включая круги и квадраты (см. Дополнительный рис. S2), и выбрали первую, чтобы упростить оптимизацию процесса и приблизиться к желаемой окончательной форме штифта.Круглые элементы с начальными диаметрами маски 75, 100 и 300 мкм м были организованы в массивы с разделительными расстояниями, достаточными для развития пирамидальных штифтов. Плотность иглы, то есть расстояние от центра к центру иглы, была выбрана достаточно малой для ранения молодых взрослых особей C. elegans , которые обычно имеют длину около 1 мм.

Когда пластины удаляли через определенные промежутки времени из раствора КОН, последовательные этапы травления для типичных отдельных кремниевых пирамид с использованием гексагональной маски с шагом 100 мкм м и начальным диаметром элемента 75 мкм м могли быть с последующим использованием СЭМ (рис.2а – в). Это было просто, поскольку они не требовали подготовки или лечения перед визуализацией. После 100 минут травления хорошо видна пирамида с восьмиугольным стволом, образовавшаяся в результате подрезки кремния под маской SiO 2 , с поперечным размером около 30 мкм м, что соответствует основанию пирамиды, и 16 мкм м соответствует вершине пирамиды. Оставшаяся маска SiO 2 хорошо видна на вершине пирамиды (рис. 2а). После 110 минут щелочного травления можно увидеть, что недотравление стало глубже, а боковые размеры основания и вершины пирамиды уменьшились до 25 и 5.5 мкм м соответственно (рис. 2б). Наконец, после травления в том же растворе в течение всего 118 минут оставшаяся пирамида имеет размер основания 21 мкм м и очень острую вершину. Эта форма больше всего напоминает штифты, описанные ранее 2 (см. Дополнительный рисунок S3). В целом селективность травления Si и SiO 2 была очень высокой, а оксидная маска относительно хорошо защищала кремний от щелочного воздействия (рис. 2a – c). Раствор КОН атакует плоскости Si (100), и из-за сильного подреза тонкий слой SiO 2 толщиной 290 нм остался только на участке размером 5–7 мкм м .Для некоторых пирамид мы наблюдали полное удаление защиты SiO 2 , но в целом травление было очень однородным при использовании нашего специально разработанного 3D-печатного вращающегося держателя образца (рис.1) со скоростью от 100 до 180 об / мин. . В более ранней работе кристаллические плоскости, которые образуют булавки пирамиды, были идентифицированы как (411) 3,6,19 . Эти кристаллические плоскости образуют тетрагональный острие, подобное тому, которое наблюдается при травлении кремния в Triton X-100 с добавкой TMAH 20 . В нашем случае кончики штифтов восьмиугольные и имеют форму, аналогичную тем, о которых сообщает Wilke и др. . 9,21 . Эти авторы идентифицировали кристаллические плоскости, образующие основную острую часть пирамид, как принадлежащие к семейству (312), в то время как кристаллические плоскости основания были идентифицированы как (228) 21 . Чтобы гарантировать масштабируемость процесса, мы сравнили форму пирамид, полученных с использованием 75 и 100 масок мкм м, и обнаружили, что углы вершин были одинаковыми; изменились только размер и высота основания штифта (см. дополнительный рис. S4). С другой стороны, форма наконечников зависит от условий травильной ванны, в частности от свежести раствора КОН.Старение раствора способствовало образованию оснований плоских пирамид, что согласуется с предыдущими наблюдениями 21 . Добавление этанола, Triton X-100 или IPA также способствовало образованию пирамид без острых концов. Например, добавление IPA стабилизировало процесс травления. Таким образом, поверхности пирамид были очень гладкими без дефектов, но пирамиды образовывались только их основаниями (см. Дополнительный рис. S5). В этом случае также кристаллические плоскости, образующие пирамиды, соответствуют описанным ранее 21 .На основании этих результатов для последующих травлений мы использовали ванны со свежим водным раствором КОН без добавок для каждой серии образцов, чтобы получить оптимальную форму пирамидальных штырей и уменьшить проявление основания. Мы также увеличили температуру травления, потому что более высокие температуры позволили нам уменьшить время травления, которое в противном случае было бы неудобно большим для массивов с начальными размерами 100 и 300 мкм мкм. Для матриц 75 мкм мкм типичное время травления составляло около 45 минут для стандартных температур травления 70–72 ° для получения острых наконечников (см. Дополнительный рис.S6a – c). Как только защита SiO 2 исчезла, острые пирамиды были быстро атакованы KOH. Их высота и ширина уменьшились, а при чрезмерном травлении остались только более устойчивые кристаллические плоскости вблизи основания (см. Дополнительный рис. S6d). Эта нестабильность сделала процесс травления очень чувствительным ко времени. Поэтому мы протравили образцы в КОН в течение времени, немного меньшего, чем ожидалось для полного удаления SiO 2 , а затем исследовали детали с помощью SEM. При необходимости мы возвращали образец в раствор КОН, чтобы завершить процесс.Из-за расхода всего кремния под маской SiO 2 защитная «шляпка» была легко удалена, когда пластина промывалась под потоком деионизированной воды в конце процесса травления. Когда размер вершины пирамиды приблизился к 2–5 мкм м, можно было закончить изготовление путем механического разрушения оставшейся «шляпы» в ультразвуковой ванне с чистой водой. В обоих случаях оставшиеся пирамиды имели очень острые вершины. Несмотря на то, что требовалась точность, стандартизируя различные этапы процедуры, мы смогли создать большие массивы правильно структурированных пирамидальных штифтов (рис.2d) обычным и воспроизводимым образом.

Рисунок 2

Кремниевые пирамиды в массиве 75 мкм мкм, протравленные в свежем 45% растворе КОН при Т = 63 ° C, скорость вращения держателя образца 170 об / мин в течение 100 минут ( a ), 110 минут ( b ), 114 минут, а затем еще 4 минуты после удаления и осмотра с помощью стереомикроскопа ( c ). 3 изображения имеют одинаковое увеличение. ( d ) Большой набор однородных штифтов в конце периода травления.Из 342 контактов на этой электронной микрофотографии 130 сохраняют «шляпку», которую впоследствии удаляют в ультразвуковой ванне с чистой водой. Производственные параметры: 75 мкм матрица мкм; 750 мл свежей 45% КОН; Т = 72 ° C; 100 об / мин. Все образцы были наклонены в SEM на 70 °.

Эффективное ранение

C. elegans

Для облегчения работы с матрицами они прикреплялись к короткому пластиковому стержню или на конце поршня шприца. Чтобы ранить молодого взрослого человека C. elegans , матрицу осторожно наносили на синхронизированную популяцию червей на чашке с агаром.Массив подняли, переместили и снова обрушили. Светлый рисунок углублений, оставленных на поверхности агара, был использован для обеспечения полного покрытия популяции. Признаки ранения были видны через препаровальный микроскоп. Они варьировались от типа небольших грыжевых выпячиваний, часто наблюдаемых при ранениях иглой, до более обширной потери внутреннего содержимого (см. Дополнительный рисунок S7) до неподвижности и полной потери нормальной структуры тела. В типичном эксперименте более двух третей (67.3%) червей (n = 584) были полностью подвижны через 4 часа после ранения. Одним из последствий ранения или грибковой инфекции эпидермиса C. elegans является быстрая индукция экспрессии гена антимикробного пептида (AMP). Это можно контролировать с помощью трансгенных червей, несущих флуоресцентные репортерные гены. Наиболее широко охарактеризованный штамм IG274 несет интегрированный трансген frIs7 с двумя репортерными генами, dsRed и GFP, находящимися под контролем конститутивного эпидермального промотора col-12 , и индуцируемого инфекцией промотора nlp-29 . , соответственно.В отсутствие патогенов или травм черви IG274 кажутся красными, но сильно экспрессируют GFP при ранении или заражении. Эти изменения можно отслеживать визуально или количественно с помощью COPAS Biosort 1 . Мы сравнили индукцию nlp-29p :: GFP , вызванную ранением вручную стеклянной иглой или кремниевыми штырями. Как и ожидалось, ручное ранение иглой для микроинъекций вызвало существенное увеличение средней экспрессии GFP, и это было почти полностью устранено у мутанта sta-2 , что согласуется с предыдущими наблюдениями 13 .Еще более заметный рост наблюдался, когда червей, будь то с более низкой или высокой плотностью на культуральной пластине, ранили кремниевым массивом. Опять же, этот ответ зависел от sta-2 (фиг. 3a), что согласуется с обоими методами, активирующими экспрессию гена AMP одним и тем же каноническим путем передачи сигнала. Важно отметить, что в дополнение к получению результатов, эквивалентных стандартному игольчатому методу, использование набора значительно упростило и ускорило процедуру. Опытный исследователь с хорошей ловкостью рук может разумно ранить одного червя каждые 2–4 секунды.С массивами обучение не требовалось, а скорость ранения увеличивалась в 10–50 раз, так как сотни червей могли быть ранены менее чем за 30 секунд. В соответствии с тем фактом, что массивы пронизывают богатую коллагеном кутикулу, которая делает C. elegans непроницаемыми для большинства соединений 22 , мы наблюдали интенсивное окрашивание ядер эпидермиса красителями, которые в нормальных условиях культивирования у не линяющих животных наблюдались только окрашивают ядра клеток кишечника 23 (рис.3б). У тяжело раненых червей окрашивание зародышевой линии часто было очевидным. Среди червей без выраженной экструзии ткани только у очень небольшой части (3,6%, n = 83) наблюдалось окрашивание ядер зародышевой линии (см. Дополнительный рисунок S8). Установив потенциальную полезность массивов, мы перешли к оценке эффективности ранения с использованием штифтов разного размера, расстояния и геометрии. Хотя средний коэффициент флуоресценции был выше, когда штыри были длиннее, геометрия не казалась критической (рис.4). Мы обнаружили, что можем использовать массивы несколько раз. Даже после многократного использования мы наблюдали небольшое истирание вершины штифта (см. Дополнительный рис. S9). Через 6 часов после ранения мы исследовали нормально движущихся червей, которые сильно экспрессировали репортер nlp-29p :: GFP , за редкими исключениями эти черви демонстрировали лишь незначительное повреждение тканей, по данным световой микроскопии (см. Дополнительный рисунок S10). С помощью СЭМ мы более подробно охарактеризовали некоторых из этих животных. Мы наблюдали ряд поражений, обычно размером порядка 5 мкм мкм .Во всех случаях (n> 20) оказалось, что материал выдавливался изнутри червя. Помимо аморфных выпячиваний, часто наблюдались прозрачные складки (рис. 5; см. Дополнительный рис. S11), которые мы принимаем за повреждение кутикулы.

Рисунок 3

Эффективное нанесение ран C. elegans кремниевым массивом. ( a ) Количественная оценка изменения экспрессии репортерного гена, вызванного ранением иглой (5 левых столбцов) или множеством червей, несущих frIs7 дикого типа или sta-2 мутантного фона (кружки и треугольники соответственно).Отношение флуоресценции (зеленый / TOF в произвольных, но постоянных единицах) показано для указанного количества червей для каждого состояния (n). Полоски указывают на средства. (b ) Репрезентативные изображения контрольных (вверху) и раненых (внизу) взрослых червей дикого типа, окрашенных Hoechst 33258. У контрольных животных очевидно окрашивание только ядер кишечника (стрелки), в то время как в группе раненых также окрашиваются ядра глистов в эпидермисе (стрелки).

Рисунок 4

Ранение C.elegans с разными кремниевыми массивами. ( a ) В верхнем ряду показаны SEM-изображения 3 различных массивов (слева направо: H75-42, h200-9, H75-46). Обратите внимание, что, как указано, увеличение не одинаково для всех трех, следовательно, масштабные линейки тоже разные. Остальные 2 ряда представляют собой сигналы флуоресценции GFP (средний ряд) или смешанные GFP / dsRed для репрезентативных групп червей, несущих frIs7 , выбранных потому, что они, по-видимому, имели нормальную морфологию (т. Е. Не были сильно ранены) после обработки указанным массивом, по сравнению к нераненым элементам управления (левая колонка).(b ) Количественная оценка изменения экспрессии репортерного гена, вызванного ранением тремя массивами, в том же порядке, что и в случае a , у червей, несущих frIs7 . Детали такие же, как на предыдущем рисунке.

Рисунок 5

Раны, нанесенные C. elegans кремниевыми массивами. ( a ) СЭМ-изображения взрослого червя-гермафродита, который демонстрировал нормальные движения и общую морфологию и имел сильную экспрессию репортерного гена nlp-29p :: GFP через 6 часов после ранения.У червя есть как минимум 2 очага поражения (выделены желтым). Они показаны при большем увеличении в ( b , c ). Как и многие другие поражения, экструдированный материал был покрыт бактериями. Также показаны еще две раны от другого червя ( d , e ). Масштабные линейки, 100, 5, 2, 1, 1 микрон, ( a e ).

без названия

% PDF-1.7
%
1 0 obj
>
эндобдж
6 0 obj
>
эндобдж
2 0 obj
>
эндобдж
3 0 obj
>
поток
2013-03-26T08: 32: 07-07: 002013-03-26T08: 50: 02-07: 00’Сертифицировано IEEE PDFeXpress 26.03.2013, 8:50:02 AM’2013-03-26T08: 50 : 02-07: 00 Дистиллятор Акробат 8.1.0 (Windows) application / pdf

  • без названия
  • uuid: f6f0bf3b-5c43-4eed-aea6-387f71ffc25fuuid: bc403c39-3a21-4975-ada9-5ba0947cd450 ‘Сертифицировано IEEE PDFeXpress 26.03.2013 8:50:02’

    конечный поток
    эндобдж
    4 0 obj
    >
    эндобдж
    5 0 obj
    >
    эндобдж
    7 0 объект
    >
    эндобдж
    8 0 объект
    >
    эндобдж
    9 0 объект
    >
    эндобдж
    10 0 obj
    >
    эндобдж
    11 0 объект
    >
    эндобдж
    12 0 объект
    >
    эндобдж
    13 0 объект
    ]
    / Имена [32 0 R]
    >>
    эндобдж
    14 0 объект
    >
    поток
    H | V] S6} ϯУ ݉ lcHNw} z
    10L_z $; Ду? =
    GN ߎ dix $ Y
    .Ö> 91

    Крупномасштабные кремниевые решетки полевых эмиттеров со встроенными ограничителями тока из кремниевых нанопроволок

    Абстрактные

    Матрицы полевых эмиттеров (FEA) представляют собой многообещающий класс источников холодных электронов с приложениями в ВЧ усилителях, терагерцовых источниках, литографии, формировании изображений и дисплеях. FEA еще не получили широкого распространения из-за серьезных проблем, которые ограничили их жизнеспособность в системах, требующих усовершенствованных источников электронов. Мы определили четыре основных проблемы, которые создают серьезные препятствия для применения массивов полевых эмиттеров в системах.К этим проблемам относятся (1) инжекция заряда и пробой изолятора между эмиттером и выводным затвором, (2) тепловой разгон из-за джоулева нагрева или микроплазменного разряда, (3) бомбардировка обратными ионами, приводящая к повреждению наконечника эмиттера (4) ) большая емкость между затвором и подсостояниями, ограничивающая коммутационные характеристики. В этой диссертации мы решаем эти проблемы с помощью новой архитектуры устройства, которая состоит из острого кремниевого эмиттера поверх кремниевой нанопроволоки, встроенной в диэлектрическую матрицу из SiO₂ и SiNx.Кремниевая нанопроволока высотой 10 мкм и диаметром 200 нм ограничивает ток и повышает надежность за счет насыщения скорости и отсечения основных носителей. Изолятор SiO₂ толщиной 2 мкм между затвором и подложкой и конформная диэлектрическая матрица, в которую встроены ограничители тока нанопроволоки, предотвращают инжекцию заряда и минимизируют емкость между затвором и подложкой. Поскольку ограничитель тока на основе нанопроволоки изготавливается непосредственно под каждым полевым эмиттером, мы поддерживаем плотность эмиттера 10⁸ эмиттеров / см², что обеспечивает высокую плотность тока.Конструкция анода предотвращает эрозию наконечника из-за обратного потока ионов. Эти массивы демонстрируют последовательное масштабирование тока для размеров массива от одного эмиттера до 25000 эмиттеров, низкое напряжение (VGE <60 В), высокую плотность тока (J> 100 А / см²) и длительный срок службы (t> 100 часов при 100 А / см². ,> 100 часов при 10 А / см² и> 300 часов при 100 мА / см²). Плотность тока, обеспечиваемая нашей структурой устройства, является улучшением более чем в 10 раз по сравнению с современным уровнем техники (~~ 1 — 10 А / см²) для кремниевых автоэмиссионных катодов, работающих в режиме постоянного тока.Наши устройства продемонстрировали напряжение включения всего 8,5 В. Это низкое напряжение позволило работать при температуре окружающей среды 500 торр гелия с напряжением анод-эмиттер ниже первого потенциала ионизации гелия (~ 19 В). Эти холодные катоды с высоким током, высокой плотностью тока и длительным сроком службы могут открыть новые подходы к формирователям изображений рентгеновского излучения, ВЧ усилителям, источникам ТГц и глубоким УФ-источникам.

    Описание

    Диссертация: доктор философии, Массачусетский технологический институт, факультет электротехники и информатики, 2016 г.

    Каталогизируется из PDF-версии диссертации.

    Включает библиографические ссылки (страницы 231-241).

    Отдел

    Массачусетский Институт Технологий. Кафедра электротехники и информатики.

    Издатель

    Массачусетский технологический институт

    Ключевые слова

    Электротехника и информатика.

    Индивидуально адресуемых массивов нанопроволок для исследования культуры нейронов и тканей

    Электроды из нанопроволоки широко используются для исследования активности нейронов и кардиомиоцитов и обещают заполнить пробел между стандартной золотой технологией патч-зажима и коммерческими микроэлектродными матрицами для реализации крупномасштабных внутриклеточная запись с высоким соотношением сигнал / шум.Сложно изготовить массив нанопроволок, чтобы сохранить как проникающую способность для меньшей инвазивности для клетки, так и биомеханическую стабильность на границе раздела клетка-нанопроволока для долговременной записи. Помимо проблемы получения сверхострого наконечника нанопроволоки, современные массивы нанопроволок ограничены своей высотой и наличием ряда внеклеточных нанопроволок, которые ограничивают их внутриклеточные способности. Кроме того, механизмы внутриклеточной записи полагаются на электропорацию, которая повреждает клеточную мембрану, приводит к нестабильности записи и препятствует достижению возможности долгосрочной записи.Цели этой диссертации, описанной в пяти главах, заключаются в разработке индивидуально адресуемых, сверхострых наконечников, высокоплотных, высокопроизводительных массивов нанопроволок для исследования крупных нейронных сетей и сердечных тканей. Наша платформа проложит путь к продольным электрофизиологическим экспериментам по синаптической активности в моделях нейронных сетей на основе ИПСК человека, что имеет решающее значение для понимания механизмов неврологических заболеваний и разработки лекарств для их лечения.

    Во второй главе мы создали индивидуально электрически адресуемую, масштабируемую, неразрушающую, высоколегированную матрицу нанопроволок Si для исследования первичных нейронов грызунов и стволовых клеток человека.Массив нанопроволок имеет превосходное пространственное разрешение вплоть до субмикронного расстояния между участками и позволяет естественное проникновение в нейронные мембраны. Мы разработали электрическую модель и развернули записанные потенциалы, в результате чего были получены потенциалы действия шириной в миллисекунды, которые имели свойства, аналогичные свойствам, измеренным с помощью зажимов. Мы подтвердили внутриклеточную природу интерфейса нанопроволока-нейрон с помощью поперечного FIB / TEM. Нейроны на нанопроводах оказались фармакологически чувствительными: активность увеличивалась при добавлении KCl и подавлялась при добавлении ТТХ.

    В третьей главе мы разработали высокопроизводительный (100%) метод изготовления массива нанопроволок со сверхострым концом (несколько десятков нанометров) на основе Si-подложки. Высота, диаметр и шаг нанопроволок регулируются. Материалы наконечников можно менять на любые биоматериалы, такие как Au, Pt, Ag / AgCl, PEDOT-PSS. Шероховатость поверхности и материалы регулируются для лучшего прикрепления клеток и роста нейритов. Электрофизиологические записи первичных нейронов мыши выявили высокое отношение сигнал / шум с четким определением возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП), предшествующего потенциалам действия.Мы зарегистрировали серию импульсов потенциалов действия от большой нейронной сети. Наша матрица из нанопроволок ультрасовременной формы регистрировала четкие реакции нейронов на электрическую стимуляцию и фармакологические препараты. Интерфейсы нейронов и нанопроволок были охарактеризованы с помощью SEM / FIB, демонстрирующего, что нанопроволоки проникают через мембраны нейронов. Активность сердечной ткани также регистрировалась и показывала потенциалы действия кардиостимулятора.

    В четвертой главе мы интегрировали нанопроволоки Pt с двунаправленными интегральными схемами CMOS.Два метода были оптимизированы для интеграции нанопроволоки Pt с помощью Focus Ion Beam. Кортикальные нейроны крыс культивировали и записывали. Он фармакологически реагировал на KCl и TTX, что указывало на стабильный интерфейс нанопроволока-нейрон.

    В пятой главе представлены текущие проекты, касающиеся масштабируемости до 1024-канальных массивов, устройств глубинного зонда с высокой плотностью, крупномасштабной интеграции нанопроволок с КМОП-чипом и электрожидкостными нейронными интерфейсами.

    Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


    Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

    Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

    • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
    • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
    • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
    • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
      браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
    • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

    Почему этому сайту требуются файлы cookie?

    Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
    потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


    Что сохраняется в файле cookie?

    Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

    Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
    не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к
    остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

    Новый метод изготовления массива кремниевых нанозондов со сверхострым концом на кремниевой пластине (111)

  • Бирд Дж. Д., Гордеев С. Н. (2011) Изготовление и динамика изгиба АСМ-зондов с наноиглами.Нанотехнологии 22: 175303

    Статья

    Google Scholar

  • Фаззини П.Ф., Бонафос С., Клавери А., Хуберт А., Эрнст Т. (2011) Моделирование замедленного самоограничивающегося окисления подвешенных кремниевых нанопроволок для создания нанопроволок на основе кремниевых нанопроволок. J Appl Phys 110: 033524

    Статья

    Google Scholar

  • Fletcher PC, Felts JR, Dai Z, Jacobs TD, Zeng H, Lee W и др. (2010) Износостойкие наконечники алмазных нанозондов со встроенным силиконовым нагревателем для нанопроизводства на основе наконечников.ACS Nano 4: 3338–3344

    Артикул

    Google Scholar

  • Гао Д., Хе Р., Карраро С., Хоу Р. Т., Ян П., Мабудиан Р. (2005) Селективный рост массивов нанопроволок Si посредством процессов гальванического смещения в микроэмульсиях вода-в-масле. JACS 127: 4574–4575

    Статья

    Google Scholar

  • Heike S, Hashizume T, Wada Y (1996) Формирование наноигл на поверхности кремния (111) с использованием наконечника сканирующего туннельного микроскопа.J Appl Phys 80: 4180–4188

    Статья

    Google Scholar

  • Kawano T, Cho CY, Li W (2012) Электрод нанозонда на основе углеродных нанотрубок. Актуаторы Sens A 187: 79–83

    Артикул

    Google Scholar

  • Kim BH, Pamungkas MA, Park M, Kim G, Lee K-R, Chung Y-C (2011) Эволюция напряжения во время окисления кремниевых нанопроволок в режиме диаметра менее 10 нм. J Appl Lett 99: 143115

    Статья

    Google Scholar

  • Lee KN, Jung S-W, Kim WH, Lee MH, Shin K-S, Seong WK ​​(2007) Хорошо контролируемая сборка кремниевых нанопроволок методом переноса нанопроволоки.Нанотехнологии 18: 445302

    Статья

    Google Scholar

  • Paik S-J, Park S, Zarnitsyn V, Choi S, Guo XD, Prausnitz MR, et al (2012) Высокоплотный массив наноигл для внутриклеточной доставки генов. В: Hilton Head Workshop, Южная Каролина, стр. 149–152

  • Rangelow IW, Gotzalk T, Abedinov N, Grabiec P, Edingger K (2001) Тепловой нанозонд. Microelectron Eng 57–58: 737–748

    Статья

    Google Scholar

  • Shalek AK, Robinson JT, Karp ES, Lee S, Ahn D, Yoon MH et al (2010) Вертикальные кремниевые нанопроволоки как универсальная платформа для доставки биомолекул в живые клетки.PNA 107: 1870–1875

    Артикул

    Google Scholar

  • Shin K, An T, Moon W, Lim G, Jeon JU (2011) Нанозонд на полевом транзисторе с УНТ для определения электрических свойств поверхности. Proc Eng 25: 1657–1660

    Статья

    Google Scholar

  • Yaghootkar B, Karhrizi M (2015) Перспективный метод реализации сверхдешевого массива кремниевых микростержней с наностержнями. J Vac Sci Technol B 33 (2): 021803

    Артикул

    Google Scholar

  • Zhang XS, Liu J, Wang B, Zhang T (2014) Изготовление массивов кремниевых наноразмеров с высоким соотношением сторон путем самосборки из хлорида цезия и сухого травления.AIP Adv 4: 031335

    Артикул

    Google Scholar

  • Острые, вертикально выровненные электродные массивы из нанопроволоки, высокопроизводительное изготовление и внутриклеточная запись DAYEH; Шади; & nbsp et al. [Регенты Калифорнийского университета]

    Заявка на патент США номер 17/052055 была подана в патентное ведомство 2021-04-01 на острых, выровненных по вертикали решеток электродов из нанопроволоки, высокопроизводительного изготовления и внутриклеточной записи .Заявитель, указанный для этого патента, — Регенты Калифорнийского университета. Авторы изобретения — Шади ДАЙЕ, Рен ЛИУ, Янгбин ЧОЕ.

    Номер приложения 20210093246 17/052055
    Идентификатор документа /
    Идентификатор семьи 1000005313758
    Дата подачи
    Патент США
    Приложение
    20210093246
    Код вида A1
    ДАЙЕХ; Шади; et
    al.
    1 апреля 2021 г.

    ОСТРЫЕ, ВЕРТИКАЛЬНО ВЫРАВНИВАЕМЫЕ ЭЛЕКТРОДНЫЕ МАТЧИ ИЗ НАНОВИРОВА, ВЫСОКОПРОХОДНОЙ
    ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ВНУТРИКЛЕТОЧНАЯ ЗАПИСЬ

    Abstract

    Матрица электродов из нанопроволок состоит из множества вертикальных нанопроволок.
    отходя от подложки, каждая из нанопроволок включает сердцевину
    из унитарного первого диэлектрического материала, который также покрывает подложку
    и едино с подложкой. Каждое ядро ​​имеет резкость менее 100 нм.
    диаметр наконечника и более широкое основание, электрод выводит боковыми стенками к
    кончик нанопроволоки и второй диэлектрик, покрывающий электрод
    ведет.Наконечники в массиве могут проникать в отдельные ячейки в ячейке.
    культура, такая как культура мини-мозга. Подложка может включать
    окно для одновременной оптической визуализации и электрофизиологического
    запись.


    Изобретателей: ДАЙЕХ; Shadi ; (Сан-Диего,
    CA)
    ; LIU; Ren ; (Альбукерке, Нью-Мексико) ; ЧОЕ;
    Youngbin
    ; (Сан-Диего, Калифорния)
    Заявитель:
    Имя Город Государство Страна Тип

    Регенты Калифорнийского университета
    Окленд CA США
    Семейный ID: 1000005313758
    Прил.№: 17/052055
    Записано: 8 мая 2019
    Заявка PCT: 8 мая 2019
    PCT NO: PCT / US19 / 31316
    371 Дата: 30 октября 2020

    Соответствующие патентные документы США


    Применение
    Число
    Дата подачи Номер патента
    62669639 10 мая 2018

    Текущий U.С.
    Класс:
    1/1
    Текущая цена за клик
    Класс:
    A61B 2562/046 20130101;
    A61B 2562/125 20130101; B81B 1/008 20130101; B81C 2201/0178
    20130101; B81B 2203/04 20130101; A61B 2562/0285 20130101; B81C
    2201/0132 20130101; B81C 1/00111 20130101; A61B 5/25 20210101; A61B
    5/0077 20130101
    Международный
    Класс:
    A61B 5/25 20060101
    A61B005 / 25; B81B 1/00 ​​20060101 B81B001 / 00; B81C 1/00 ​​20060101
    B81C001 / 00; A61B 5/00 20060101 A61B005 / 00

    Претензии


    1.Матрица электродов из нанопроволоки, содержащая множество вертикальных
    нанопроволоки, отходящие от подложки, каждая из нанопроволок
    содержащий сердцевину из цельного первого диэлектрического материала, который также
    покрывает подложку и является единым целым с подложкой, каждая сердцевина
    с острым концом диаметром менее 100 нм и более широким основанием, электрод
    ведет на боковых стенках к кончику нанопроволоки, а второй
    диэлектрик, покрывающий выводы электродов.

    2. Матрица электродов из нанопроволоки по п. 1, дополнительно содержащая
    окно в подложке для одновременного получения оптических изображений и
    электрофизиологическая запись.

    3. Матрица электродов из нанопроволок по п.1, в которой острые концы
    нанопроволок имеют диаметр менее 20 нм.

    4. Матрица электродов из нанопроволок по п.3, в которой острые концы
    нанопроволок имеют диаметр менее 10 нм.

    5. Матрица электродов из нанопроволоки по п. 4, отличающаяся тем, что заостренные концы
    нанопроволок имеют диаметр несколько нанометров.

    6. Матрица электродов из нанопроволок по п.3, в которой нанопроволоки
    имеют диаметр около 60 нм в основании

    7.Матрица электродов из нанопроволоки по п. 3, в которой нанопроволоки
    иметь высоту от 2 до 15 мкм.

    8. Массив электродов из нанопроволок по п.1, в котором нанопроволоки
    отходят от плоской поверхности подложки.

    9. Массив электродов из нанопроволок по п.1, в котором нанопроволоки
    выходят из профилированной поверхности субстрата.

    10. Матрица электродов из нанопроволоки по п. 8, в которой сформированная
    поверхность представляет собой V-образный паз.

    11. Матрица электродов из нанопроволок по п.1, в которой электрод
    выводы проходят вдоль поверхности первого диэлектрика на
    подложка для создания рисунка, позволяющего индивидуальную адресацию
    каждого электрода из нанопроволоки.

    12. Матрица электродов из нанопроволок по п.10, в которой узор
    покрыт вторым диэлектриком.

    13. Матрица электродов из нанопроволоки по п. 11, дополнительно содержащая
    контактные площадки в шаблоне для подключения к записывающей системе и
    которые обнажаются от второго диэлектрика.

    14. Массив электродов из нанопроволоки по п.1, в котором первый
    диэлектрик — диоксид кремния, унитарный и преобразованный из
    кремниевый материал подложки.

    15. Матрица электродов из нанопроволоки по п.1, в которой первая
    диэлектрик — диоксид германия, унитарный и преобразованный из
    германиевый материал подложки.

    16. Способ формирования матрицы электродов из нанопроволоки, содержащей
    множество вертикальных нанопроволок, отходящих от подложки,
    способ, включающий: травление подложки по рисунку, который формирует
    вертикальные сердцевины материала, отходящие от оставшегося нетравленого
    порции субстрата; прореживание и преобразование вертикали
    сердечники и поверхность подложки в первый диэлектрик; формирование
    электрод ведет к концам вертикальных жил; и защита
    электрод ведет к базовой части вертикальных жил со вторым
    диэлектрик, оставляя выводы электрода открытыми на кончике
    часть вертикальных жил.

    17. Способ по п. 15, отличающийся тем, что травление включает сухое
    травление.

    18. Способ по п. 15, отличающийся тем, что прореживание и преобразование
    включает несколько стадий окисления при влажном травлении.


    Описание


    ПРЕТЕНЗИЯ ПРИОРИТЕТА И ССЫЛКА НА СООТВЕТСТВУЮЩУЮ ЗАЯВКУ

    [0001] Заявка испрашивает приоритет согласно 35 USC. .sctn. 119
    и все применимые законодательные акты и договоры из предыдущих временных
    заявка с серийным номером 62/669 639, поданная 10 мая,
    2018.

    FIELD

    [0002] Область изобретения включает в себя массивы электродов из нанопроволоки.
    (NEA) и измерение внутриклеточного потенциала, а также скрининг лекарств
    с трехмерной тканью и мини-органоидами. Другие приложения для NEA
    изобретение включает в себя автоэмиссионные устройства, световые, ионные и
    детекторы частиц и т. д.

    ИСТОРИЯ

    [0003] Регистрация мельчайших колебаний потенциала и ионных
    токи отдельных клеток в больших популяциях возбудимых
    клетки, такие как нейроны, кардиомиоциты и мышечные клетки,
    важен для оценки здоровой и больной функции
    возбудимых клеток и скрининг подходящих лекарств, которые могут
    помогают смягчить дисфункцию при заболеваниях мозга, сердца и мышц.В биологических и клинических исследованиях патч-зажим является
    золотой стандарт, наиболее широко используемый и эффективный метод исследования
    динамические колебания потенциала и обмен токами на ионных затворах
    в возбудимых клетках. [1] Однако патч-зажим довольно инвазивен и
    не удовлетворяет потребности в масштабировании до больших плотностей, в долгосрочной перспективе и
    внутриклеточное электрофизиологическое вмешательство. Пока
    Матрицы микроэлектродов (МЭБ) позволяют производить длительную запись с
    сети нейронов, они измеряют внеклеточные потенциалы и
    поэтому не хватает чувствительности к подпороговому потенциалу
    колебания, которые являются важными характеристиками для скрининга наркотиков.

    [0004] Проникающие электроды были разработаны как возбудимая ячейка.
    сенсоры с различной структурой, например наностолбики Pt [Xie,
    К., Линь, З., Хэнсон, Л., Цуй Ю., Цуй, Б., Внутриклеточное
    регистрация потенциалов действия методом электропорации наностолбиков,
    Nature Nanotechnology 2012 7, 185-190], нанотрубки IrO2 [Lin, Z. C.,
    Се, К., Осакада, Ю., Цуй, Ю. и Б. Цуй, Б., Оксид иридия
    Электроды с нанотрубками для чувствительных и удлиненных внутриклеточных
    Измерение потенциала действия, Nature Communication 2013 5,
    3206] и IrO.sub.2 нанопроволоки [США Пат. № 7,905,013: Способ для
    формирование матрицы нейронных датчиков из нанопроволоки оксида иридия (IrOx)].
    Эти NEA были достигнуты с помощью заранее определенных контактных выводов на
    подложке с последующим селективным ростом нанопроволок на проектируемой
    электроды. Однако диаметр наконечника у них большой и для
    внутриклеточная запись, они требуют электропорации,
    приложение электрического поля больше, чем поле пробоя
    клеточная мембрана. Кроме того, они не индивидуальны.
    адресуемы, и в некоторых случаях, например, для наностержней Pt, они
    изготавливаются с помощью последовательного процесса сфокусированного ионного пучка
    осаждение.Нанопроволоки IrO 2 уязвимы для расслоения.
    выход из строя электродов из-за плохой механической целостности и
    дополнительно страдают от вышеупомянутых недостатков в размере.

    Предыдущие публикации

    [0005] 1. Ходжкин, А. Л., и Хаксли, А. Ф., Возможности действия
    Записано из

    [0006] Внутри нервного волокна, Nature 1939 144, 710-711

    [0007] 2. Xie, C., Lin, Z., Hanson, L., Cui Y. and Cui, B.,
    Внутриклеточная регистрация потенциалов действия наностолбиком
    электропорация, Nature Nanotechnology 2012 7, 185-190

    [0008] 3.Лин, З. К., Се, К., Осакада, Ю., Цуй, Ю. и Б. Цуй, Б.,
    Оксид иридия

    [0009] Электроды с нанотрубками для чувствительных и удлиненных
    Внутриклеточное измерение потенциала действия, природа
    Сообщение 2013 5, 3206

    4. Патент США. № 7,905,013: Способ получения иридия.
    Оксид (IrOx) нанопроволочная матрица нейронных датчиков

    [0011] 5. Лю Р., Чен Р., Эльтакеб А. Т., Ли, С. Х., Хинкли,
    S., Khraiche, M.

    L., Scott, J., Pre, D., Hwang, Y., Tanaka, A., Ро, Ю. Г.,
    Мацусита, А.К., Дай, X., Соци, К., Бисманс, С., Джеймс, А.,
    Ноган, Дж., Юнгджоханн, К. Л., Пит, Д. П., Уэбб, Д. Б., Цзоу, Ю.,
    Банг А.Г., Дайех С.А. Индивидуальная высокая плотность
    Адресные массивы нанопроводов регистрируют внутриклеточную активность от
    Первичные нейроны грызунов и стволовых клеток человека, Nano Lett.
    2017, 17 (5), 2757-2764

    [0013] 6. Вернер, М., Бланкер, С. Б. Г., Хайми, С. П., Корор, Г.,
    Данлоп, Дж. У. К., Дуда, Г. Н., Гриджпма, Д. В., и Петерсен, А.,
    Кривизна поверхности по-разному регулирует миграцию стволовых клеток и
    Дифференциация через измененную морфологию прикрепления и ядерную
    Деформация, Adv.Sci. 2017, 4, 1600347

    7. Ким, Д. Х., Липке, Э. А., Ким, П., Чеонг, Р., Томпсон,
    С., Деланной, М., Сух, К. Ю., Тунг, Л., и Левченко, А.,
    Наноуровневые сигналы регулируют структуру и функцию макроскопических
    конструкции сердечной ткани, PNAS 2010, 107.2, 565-570.

    Последние разработки

    Dayeh et al. Опубликованная заявка на патент США №
    US 20170231518 раскрывает конформный проникающий мультиэлектрод.
    массивы. Множество проникающих полупроводниковых микроэлектродов
    отходят от поверхности гибкой подложки и являются жесткими
    достаточно, чтобы проникнуть в корковую ткань.Электродные линии
    заключены, по крайней мере, частично в гибкую подложку, и
    электрически соединен с множеством проникающих
    микроэлектроды. Проникающие полупроводниковые электроды могут
    включать металлические наконечники. Заостренные металлические наконечники образованы
    некоторое потребление кремния в процессе травления и нанесения покрытия
    с металлом. Заостренные металлические наконечники имеют диаметр микрометра.
    (намного больше 100 нм в диаметре) и сотни микрометров
    долго проникает в мозг в правую корковую область.Эти
    электроды измеряют внеклеточную активность неповрежденного мозга и
    даже в глубине мини-мозга, но не может измерить внутриклеточный
    Мероприятия.

    КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

    [0016] Предпочтительным вариантом осуществления является электродная решетка из нанопроволоки
    содержащий множество вертикальных нанопроволок, идущих от
    подложка, каждая из нанопроволок содержит сердцевину унитарного первого
    диэлектрический материал, который также покрывает подложку и является единым целым
    с подложкой, каждая сердцевина имеет острый диаметр менее 100 нм
    наконечник и более широкое основание, электрод выводит на боковые стенки к наконечнику
    нанопроволока и второй диэлектрик, покрывающий выводы электрода.Подложка может включать в себя окно для одновременной оптической визуализации.
    и электрофизиологическая запись.

    [0017] Вариант реализации представляет собой способ формирования электрода из нанопроволоки.
    массив, содержащий множество вертикальных нанопроволок, идущих от
    субстрат. Метод включает травление подложки по узору.
    который образует вертикальные ядра материала, простирающиеся от оставшихся
    нетравленые части субстрата. Другой этап включает прореживание
    и преобразование вертикальных стержней и поверхности подложки
    в первый диэлектрик.Выводы электродов формируются на концах
    вертикальные стержни. Выводы электродов защищены на базовой части.
    вертикальных жил со вторым диэлектриком, оставляя
    выводы электродов обнажены на конце вертикальных жил.

    КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

    Фиг. 1A представляет собой схематическое изображение поперечного сечения предпочтительного
    вариант воплощения решетки электродов из нанопроволоки согласно изобретению; ИНЖИР. 1B — это
    перспективный вид массива; ИНЖИР. 1С — вид сверху
    множество;

    Фиг.2A-2N — схематические изображения в разрезе.
    иллюстрирующий предпочтительный метод изготовления нанопроволоки
    электродная матрица в соответствии с фиг. 1А-1С;

    Фиг. 3A-3G — схематические изображения в разрезе.
    иллюстрирующий предпочтительный метод изготовления нанопроволоки
    электродный массив на профилированной поверхности;

    Фиг. 3H-3I — схематические изображения в разрезе.
    иллюстрирующий предпочтительный метод изготовления прозрачного
    Платформа массива электродов из нанопроволоки с окном для оптического
    изображения.

    Фиг. 4 — блок-схема предпочтительного способа изготовления
    массив электродов из нанопроволоки; и

    Фиг. 5A-5D — изображения при разном увеличении
    экспериментальный массив электродов из нанопроволоки.

    ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

    [0024] Предпочтительный массив электродов из нанопроволоки по настоящему изобретению.
    включает электроды из нанопроволоки, выступающие из поверхности. Электрод
    выводы предпочтительно индивидуально подключать к электродам из нанопроволоки.
    в массиве.Каждый электрод имеет острый наконечник и более широкое основание.
    Выводы электродов проходят на боковых стенках нанопроволоки почти до конца
    нанопроволока. Диэлектрик на боковых стенках закрывает электрод
    ведет. Наконечники сверхострые, менее 100 нм, желательно менее
    20 нм, более предпочтительно менее 10 нм и наиболее предпочтительно несколько нм
    в диаметре на кончике. Наконечники в массиве изобретения могут
    поэтому проникают в отдельные клетки в клеточной культуре, такие как
    культура мини-мозга. Обычно достигается внутриклеточная запись
    с одним электродом на ячейку.Однако даже если несколько нанопроволок
    электроды используются на одну ячейку, в идеале они бы показывали одинаковые
    внутриклеточные сигналы. Электрод из нанопроволоки к расстоянию между электродами
    обычно регулируются от 0,75 до 20 мкм, и, в зависимости от
    в приложениях гораздо больший интервал до нескольких мм.
    возможный. Учитывая, что тело нейрона составляет 5-10 мкм,
    массивы могут быть изготовлены с интервалом для управления одиночным или
    в корпус ячейки помещено несколько электродов из нанопроволоки. Подложка
    который обеспечивает поверхность, может включать окно на задней стороне для
    одновременная оптическая визуализация и электрофизиологический
    запись.

    [0025] Настоящее изобретение предлагает способы изготовления
    массив электродов из нанопроволоки, который может минимизировать кончик электрода
    размер, подходящий для естественной интернализации клеточных мембран, т.е.
    внутриклеточный зонд и масштабируется для интеграции тысяч
    каналов (1 нанопроволока составляет 1 канал) на одной платформе. А
    предпочтительный метод обеспечивает изготовление нанопроволоки с высоким выходом
    наборы электродов (NEA) со сверхострыми кончиками на 2-мерном (2D)
    и 3-х мерные (3D) поверхности, а также на прозрачных окнах
    в подложках с обратным травлением для одновременного получения оптических изображений и
    электрофизиологическая запись.Предпочтительный метод использует NEA для
    регистрируют внутриклеточные потенциалы и токи от возбудимых клеток.
    Другие варианты включают в себя NEA в автоэмиссионных устройствах и
    используются в качестве детекторов, таких как свет, ион и / или частицы
    детекторы и т. д.

    [0026] Отдельные этапы предпочтительного способа изобретения
    включают стандартные методы микротехнологии кремния в сочетании с
    методы нанолитографии, которые создают биосовместимые проводящие
    массивы нанопроволок, которые имеют индивидуальную электрическую адресацию.Селективное окисление и влажное травление предпочтительного метода обеспечивает
    вертикально сужающиеся нанопроволоки. Повторное термоокисление и влажное
    травление дополнительно уменьшает диаметр нанопроволоки на концах нанопроволоки.
    Этот процесс приводит к увеличению диаметра у основания
    нанопроволока для обеспечения механической стабильности и малого диаметра при
    верхняя часть из нанопроволоки с острыми кончиками, размер которых может составлять всего несколько штук
    нанометров в диаметре для естественного проникновения через клеточные мембраны.
    Предпочтительные методы изготовления требуют минимального использования металлических слоев.
    и обещают отличную биосовместимость.Способы изобретения
    может привести к созданию нанопроволок на плоских поверхностях (2D)
    и фигурные трехмерные поверхности, такие как угловые и изогнутые поверхности.

    [0027] Такие острые кончики могут проникать в мембраны возбудимых клеток,
    такие как нейроны, кардиомиоциты, другие мышечные клетки и т. д., для
    внутриклеточные записи in vitro клеточного потенциала и ионного
    токи. NEA по изобретению могут обеспечивать множественные внутриклеточные
    измерений на одну ячейку (с множеством нанопроволок, которые
    близко расположенные одновременно проникают в одну клеточную мембрану) или
    внутриклеточные измерения из большой сети возбудимых
    клетки.

    [0028] Преимущества способов изготовления по настоящему изобретению включают:
    высокий выход и надежность процесса. NEA по изобретению могут
    обеспечивают низкое сопротивление, высокую плотность, высокую чувствительность, высокий аспект
    соотношения, индивидуальная адресуемость, минимальная инвазивность и
    биосовместимость, высокая вероятность жизнеспособности клеток во время
    измерение, присоединение и расширение сети для 2D
    синцития кардиомиоцитов или трехмерные ткани, подобные структурам и органоидам.
    Кроме того, на поверхность можно наносить срезы тканей и органоиды.
    платформенные и внутриклеточные электрофизиологические записи могут быть
    выполнено.Предпочтительные датчики на основе нанопроволоки NEA по изобретению продвигают вперед
    современное состояние регистрации сигналов возбудимых клеток и
    стимуляции и для продольных измерений клеточных потенциалов
    и ионные токи, важные для скрининга наркотиков.

    [0029] Предпочтительный вариант осуществления NEA включает острые концы нанопроволоки с
    диаметр от менее 10 нанометров до нескольких нанометров,
    который обеспечивает проникновение через клеточную мембрану для внутриклеточного
    электрофизиология с минимальной инвазией. Через предпочтительный
    методы изготовления селективное травление концов нанопроволоки и различных
    скорость термического окисления кончика и основания нанопроволоки
    позволяют использовать наконечники из SiO2 диаметром до 4 нм и чуть больше
    диаметр при покрытии металлом, который подходит для
    внутриклеточная запись, стимуляция или ингибирование возбудимых
    активности клеток при одноклеточном разрешении.Такой ультра-резкий
    кончики легко проникают в клеточные мембраны, а относительно большой
    основа нанопроволоки способствует образованию отличного уплотнения между
    нанопроволока и ячейка, которая, как ожидается, сохранит
    здоровье и его длительная активность и живучесть на
    продольные внутриклеточные электрофизиологические эксперименты. Пока
    кремний использовался в качестве подложки, и предпочтительнее, другие материалы
    которые могут быть окислены и обработаны с образованием острых концов единых
    оксид можно использовать для формирования матриц датчиков на основе нанопроволоки по настоящему изобретению.Например, Ge можно окислить с образованием GeO 2.

    [0030] Предпочтительный вариант исполнения NEA может быть снабжен регулируемым
    высота от нескольких мкм до нескольких 10 мкм, обеспечивающая высокий аспект
    соотношение, например около 500. Поверхность нанопроволоки может быть покрыта
    биосовместимый проводящий слой, такой как Au, Pt, IrO 2,
    ПЕДОТ: PSS, Ag / AgCl, без ограничений для снижения
    зависимость и усилить его электрохимическое взаимодействие с
    возбудимая клетка.

    [0031] Предпочтительный вариант осуществления NEA обеспечивает как высокую плотность, так и
    индивидуальная адресуемость.Промышленное производственное оборудование и
    оптимизация может и использовалась для дальнейшего уменьшения
    межцентровое расстояние 750 нм, хотя такая сверхвысокая плотность
    может не потребоваться. Предпочтительное расстояние от центра до центра варьируется от
    5-40 мкм. Индивидуальная адресуемость позволяет каждой вертикали
    нанопроволока, служащая единым каналом / электродом для
    электрофизиологическое вмешательство. Ультра-масштабный и высоко
    компактные NEA могут записывать потенциалы действия в каждой локальной позиции в
    синапсов, сомов, дендритных и аксональных периферий во время нейрональной
    деятельности, например.Сочетание высокой плотности и
    индивидуальная адресуемость позволяет записывать такие действия, как
    генерация и распространение потенциала в отдельной клетке или клетке
    сетей, и может распространять продольные внутриклеточные записи из
    тканей и органоидов, в том числе первично и плюрипотентно индуцированных
    стволовые клетки и из срезов тканей.

    [0032] Предпочтительный вариант осуществления Способы изготовления NEA являются гибкими в
    сроки верстки. Макеты могут быть спроектированы так, чтобы соответствовать разным
    требования к записи, потому что способы изобретения могут
    обеспечивают различную плотность и площадную регистрацию / расположение.

    [0033] Предпочтительный вариант осуществления способы изготовления NEA обеспечивают
    высокопроизводительное изготовление и произведенные АЯЭ надежны.
    Эксперименты показали выход около 100%. Предпочтительные методы использования
    электронно-лучевая или нано-импринт-литография, имеют очень высокий выход
    (почти 100% по всем партиям). Вертикальные нанопроволоки
    механически прочен и не падает при работе с пробами и
    междугородние перевозки.

    [0034] Предпочтительные варианты осуществления NEA обеспечивают высокую вероятность
    жизнеспособность клеток, прикрепление и здоровый рост: предпочтительный NEA на
    форма поверхности имитирует естественную трехмерную внеклеточную среду
    клетки в организме животного / человека, что значительно улучшает
    вероятность жизнеспособности, прикрепления и здорового роста клеток.Различные 3D-поверхности кривизны могут воздействовать на
    клетка, которая может влиять на развитие клеток и улучшенную ткань
    регенерация.

    [0035] Теперь будут обсуждены предпочтительные варианты осуществления изобретения.
    в отношении рисунков и экспериментов, использованных для демонстрации
    изобретение. Чертежи могут включать схематические изображения,
    что будет понятно ремесленникам с учетом общих
    знания в данной области техники и описание, которое следует ниже. Возможности могут
    быть преувеличенным на чертежах для акцента, и особенности не могут
    быть в масштабе.

    Фиг. 1A — частичный вид в разрезе предпочтительного
    матрица датчиков на основе нанопроволоки согласно настоящему изобретению. Матрица датчиков из нанопроволоки
    100 поддерживается подложкой из Si 102. Диэлектрический слой из
    SiO 2 104 покрывает подложку 102, является единым целым с
    подложка 104 (преобразованная из материала
    подложка), а также унитарна с сердцевинами 106 нанопроволоки
    электроды, сердечники которых 106 образованы за одно целое с
    диэлектрический слой 104, который покрывает подложку 102, и это было
    преобразован из материала подложки.Потому что ядер 106
    нанопроволочных зондов можно термически окислить вместе с
    подложка как единое целое, механическая прочность
    зонды с нанопроволокой устойчивы к перемещению и транспортировке образцов, а также к
    микродвижение клеток на протяжении (> 1 недели) типичного
    эксперимент, включающий культуру клеток. Проводящий слой 108,
    например Au, Pt, IrO 2, PEDOT: PSS, Ag / AgCl и т. Д. С покрытием
    равномерно на боковой стенке диэлектрических жил 106 и образует
    электродные выводы для каждого полного электрода из нанопроволоки 109.Второй
    диэлектрический слой 110, например SiO 2, SiN x и т. Д. Пассиваты
    поверхность устройства, но не доходит до дистального конца зонда
    кончик.

    [0037] Жилы 106 после покрытия проводящим слоем
    108 для формирования электродов 109 из нанопроволоки имеют диаметр от нескольких до нескольких миллиметров.
    ~ 60 нм, с кончиками предпочтительно менее 20 нм, предпочтительно
    менее 10 нм и наиболее предпочтительно несколько нм, а высота 2
    ~ 15 мкм в зависимости от типа клеточной культуры и
    требования к нанесению тканей.От центра к центру электрода
    расстояние 112 может варьироваться от субмикронного до десятков микрон в зависимости от
    в соответствии с желаемыми экспериментальными требованиями, тканевым покрытием и
    общее количество каналов для данной платформы. Проводящий слой 108
    имеет толщину от ~ 10 до 100 нм. В предпочтительных вариантах реализации
    металлические слои осаждаются внутри высоковакуумной камеры, и,
    в этой системе частицы металла осыпаются на образец в
    вертикальное направление. Даже если металлические слои нанесены
    . ~ 10-100 нм на подложке, металлические слои на
    нанопроволока может быть ограничена нанесением всего нескольких нанометров.

    Фиг. 1B и фиг. 1C проиллюстрировать, как каждый электрод из нанопроволоки
    109 электрически проводится от конца 121 нанопроволоки к боковой стенке.
    металлические слои 122, металлические выводы 123 и периферийные металлические площадки 124.
    Предпочтительно от половины до трех четвертей высоты нанопроволоки составляет
    пассивирован дополнительным диэлектриком 110, что позволяет
    эксклюзивное измерение внутриклеточных потенциалов без воздействия
    внеклеточным потенциалам. Измерения снимаются только с
    металлический наконечник зонда с нанопроволокой.Металлические провода 123 также
    покрыт диэлектрическим пассивирующим слоем 110 для предотвращения
    сигнал перекрестной помехи между соседними электродами. Металл
    соединения, 121, 122, 123 и 124 могут быть структурированы
    фотолитография, электронно-лучевая литография (EBL), теневая или
    литография наноимпринтов в зависимости от их размера.

    Фиг. 2 иллюстрирует предпочтительный способ изготовления. На фиг.
    2A маска 204 для травления нанесена поверх Si 202. Травление
    маска 204 может быть металлической, например Ni, водородный силсесквиоксан (HSQ),
    фоторезист и др.Рисунок может быть нанесен методом ЭЛС или фотолитографии.
    в соответствии с требованиями к диаметру и высоте электрода.
    Затем вертикальные нанопроволоки изготавливаются методом маскированного сухого травления.
    процесс, как показано на фиг. 2Б. Реактивное ионное травление (РИЭ) и
    Затем следует процесс травления на основе индуктивно связанной плазмы (ICP).
    удалить весь Si, кроме области под травлением
    маска 204, так что материал Si, который будет преобразован на более поздних этапах в
    SiO 2 для каждого ядра 206 вертикального нейронного зонда поддерживается
    и является единым с подложкой Si 202, которая остается
    процесс травления.Эпитаксиальная структура, возникающая из унитарного
    подложка к протравленной нанопроволоке обеспечивает более высокий механический
    стабильность по сравнению с гибридными мультиматериальными платформами, такими как
    приклеивается или осаждается / выращивается на поверхности подложки.

    [0040] Маска 204 для травления может выдерживать процесс сухого травления,
    и каждый протравленный материал 206 сердечника электрода может быть сформирован (после
    диэлектрическое преобразование и утонение, описанные ниже), чтобы
    диаметр от ~ 1 нм до 60 нм, а высота обычно составляет от 2 до 2 нм.
    .мкм около 15 мкм Диаметр сердечника вертикального электрода
    материал 206 определяется начальным диаметром травления
    маска 204, а высота определяется травлением ICP / RIE
    время процесса. Когда желаемая высота нанопроволоки будет достигнута,
    маска для травления удаляется, как показано на фиг. 2С. В зависимости от
    материал, используемый в качестве маски для травления, соответствующий травитель / средство для удаления
    обязательный. Например, если маска травления была Ni, травитель Ni
    например, используется разбавленная азотная кислота, и если маска для травления была
    HSQ, используется буферное оксидное травление (БОЭ).

    Фиг. От 2D до 2J показаны этапы утонения нанопроволоки для получения
    острые наконечники из материала сердцевины 206. На фиг. 2D травленый вертикальный
    материал сердцевины 206 термически окислен диэлектрическим слоем из
    SiO 2 208. После нанесения покрытия центрифугированием полимерный слой 210 ​​и
    Плазменное травление O 2, как показано на фиг. 2E, основа диэлектрика
    слой 212 защищен, а область кончика 214 открыта для влажного
    травление. Полученная структура показана на фиг. 2F, где
    диэлектрический слой 208 покрывает всю площадь поверхности и обнажает
    дистальный конец 216 каждого исходного материала 206 сердечника, что позволяет
    более высокая скорость термического окисления в наконечнике 216, чем в основании
    область 214, как показано на фиг.2G. При влажном травлении поверхности
    Слои SiO 2, нанопроволоки становятся тоньше, как показано на фиг.
    2H, их поверхность более гладкая, а кончики более острые. Повторяя
    шаги на фиг. 2H, морфология нанопроволоки с очень острым концом
    получается, как показано на фиг. 2I. С последней ступенью термического
    окисление, толстый диэлектрический слой, от 400 нм до 2 мкм,
    сформированный на поверхности, как показано на фиг. 2J. Все ядра нанопроволоки
    206 от наконечника 216 до основания 212 затем были преобразованы в SiO 2.
    и тонкие, чтобы иметь сверхострые кончики.Этот SiO 2 ядер
    является единым целым с толстым SiO 2 208, сформированным на подложке
    202, который также объединен с подложкой 202. Унитарный
    природа ядер 206 из чистого SiO 2 обеспечивает такие преимущества, как
    природные ковалентные связи, образующиеся в результате реакции O 2 с
    Si для формирования нанопроволоки и границы раздела с подложкой и
    результирующая механическая стабильность. Дополнительно одиночный и высокий
    качественный термический оксидный слой, служащий для электрических
    изоляция по всей поверхности платформы, включая
    нанопроволока и плоская поверхность подложки между ними,
    полученный.

    [0042] Тонкий (5-50 нм) проводящий слой 220, например Au, Pt,
    IrO 2, PEDOT: PSS, Ag / AgCl и т. Д. Равномерно покрывают
    нанопроволоки для образования проводящего слоя и соединения кончика электрода,
    который будет присутствовать внутри ячейки, как показано на фиг. 2К, где
    нанопроволока контактирует с внутриклеточной средой
    ячейки и электрохимический потенциал и / или ток
    записаны на контактную площадку измерительной системы. В
    размер наконечника нанопроволоки будет немного увеличен в соответствии с
    толщина наплавки и метод нанесения проводящего
    слой.Осаждение атомного слоя может обеспечить самые тонкие слои (1-5
    нм) и, следовательно, наименьший ожидаемый диаметр наконечника (2-6 нм).

    [0043] На фиг. 2L, вертикальные электроды 206 пассивированы
    тонкий диэлектрический слой 222, толщина которого обычно составляет 200-500 нм.
    нм, чтобы предотвратить электрохимическое взаимодействие с выводами электрода
    в течение нескольких недель и уменьшить перекрестные помехи сигналов между
    соседние электроды. После центрифугирования полимерного слоя 224
    и плазменное травление O 2 для травления самых верхних и самых тонких частей
    полимерного слоя 224, как показано на фиг.2М, база
    слой диэлектрика 212 защищен, а область 216 наконечника обнажена.
    для влажного травления. Слой 224 полимера с центрифугированием очень тонкий.
    около концов нанопроволоки, но толстые на подложке. Короткий кислород
    Плазменное травление приводит к селективному обнажению концов нанопроволоки при
    полимер 224 остается в другом месте. После влажного травления
    слой диэлектрика на открытой части наконечника и после
    удаление полимерного слоя, финальное устройство с завершенным
    электроды 209 с нанопроволокой изображены на фиг.2N. Диэлектрик
    слой 222 покрывает всю площадь металлического соединения, но
    обнажает кончик 216 каждого вертикального электрода 209, позволяя
    запись сигнала с каждого вертикального электрода 209 при исключении
    шум и ток из-под металлических соединений.

    [0044] Платформа датчика NEA также может быть сформирована на неплоской
    поверхности. Метод изготовления сенсорной платформы NEA в 3D
    поверхности аналогичны методу изготовления на строгальном станке
    поверхности. Основное отличие состоит в том, что фасонная поверхность
    изготовлены до изготовления NEA.Предпочтительный метод
    для формирования массива электродов из нанопроволоки включает осаждение
    маскирующий слой, состоящий из дисков диаметром в десятки
    нанометров в микрометр в канавке диаметром
    изменился с наивысшей точки канавки на нижнюю точку на
    обеспечить контролируемый диаметр одиночной нанопроволоки и травление
    нанопроволоки на канавке для создания концов нанопроволоки на разных
    высоты в канавке.

    [0045] На фиг. 3A, профилированная поверхность 301, которая может иметь V-образную форму,
    канавка, круглая выпуклая, круглая вогнутая, шероховатая поверхность или любая другая
    изогнутая поверхность изготовлена ​​на подложке 302 Si.V-образная форма
    поверхность, как показано в качестве примера, и может быть образована раствором КОН
    травление Si. На маске 303 для травления нанесен рисунок поверх
    формованная поверхность 301, как показано на фиг. 3B Аналогично изготовлению на
    На плоской поверхности маска 303 травления может быть металлической, например Ni,
    Водородный силсесквиоксан (HSQ), фоторезист и т. Д. И может быть
    с рисунком EBL или фотолитографии в соответствии с требованиями
    диаметра и высоты электрода. Затем вертикальный
    нанопроволоки 304 на профилированной поверхности 301 изготавливаются методом сухой маскировки.
    процесс травления на основе RIE и ICP, как показано на фиг.3С. В
    Маска 303 для травления выдерживает процесс сухого травления, а протравленная
    зонд 304 имеет диаметр наконечника от ~ 1 до 60 нм и высоту
    обычно от 2 до 15 мкм Аналогично изготовлению
    этапы на фиг. 2C — 2J, маска для травления удаляется, повторяется
    термическое окисление и селективное травление продолжаются до тех пор, пока мы
    получить окончательную морфологию зонда с очень острым наконечником 305 как
    изображенный на фиг. 3D. На последней стадии термического окисления
    толстый диэлектрический слой, от 400 нм до 2.мкм, формируется на
    поверхность 306, как показано на фиг. 3E. Все зонды 304 из наконечника 305
    до основания 307 состоят из SiO 2. Кроме того, как показано на фиг. 3F, а
    проводящий слой 308, например Au, Pt, IrO 2, PEDOT: PSS, Ag / AgCl,
    и т. д., равномерно покрывают нанопроволоку на наклонной поверхности, чтобы
    образуют проводящий слой и соединяют кончик электрода, то есть
    предназначен для проникновения через клеточную мембрану в подушечку, где
    нанопроволока контактирует с внутриклеточной средой клетки
    и электрохимический потенциал и / или ток
    записано.На фиг. 3G, вертикальные электроды 304 пассивированы.
    с тонким диэлектрическим слоем 309, толщиной обычно 500
    нм, чтобы предотвратить электрохимическое взаимодействие с выводами электрода
    и минимизировать перекрестные помехи сигналов между соседними электродами
    Аналогично методу изготовления на плоских поверхностях, следуя
    нанесение покрытия центрифугированием полимерного слоя 309 и плазменное травление O 2,
    основание диэлектрического слоя 307 защищено, а область 305 наконечника
    подвергается влажному травлению. После влажного травления диэлектрика
    слоя на открытой области кончика и после удаления
    полимерного слоя, конечное устройство изображено на фиг.3G.

    [0046] Хотя подложки в приведенных выше примерах были плоскими и
    нанопроволоки были сформированы на одной «стороне» подложек,
    Таким же образом можно обрабатывать неплоские поверхности. Например,
    нанопроволоки могут быть сформированы на изогнутых и наклонных поверхностях, чтобы
    обеспечить трехмерное распределение нанопроволок по образцу
    электрофизиологическая активность на нескольких слоях в трехмерной ткани и
    мини-органоиды.

    [0047] Одновременная оптическая и электрофизиологическая запись
    клеточная деятельность выгодна.Прозрачная платформа NEA может быть
    изготовленные путем добавления одного этапа изготовления между фиг. 2J и 2K
    и сохраняя все другие процессы изготовления планарного АЯЭ на
    одно и тоже. ИНЖИР. 3H показано формирование прозрачного окна 230 в
    Si-пластина с использованием процесса анизотропного мокрого травления. После завершения
    процесс окисления нанопроволоки, описанный на фиг. 2J, SiO 2
    слои 218, сформированные на задней стороне кремниевой пластины 202, имеют рисунок
    типичными этапами литографии и сухого травления, чтобы получить квадратную форму
    проемы площадью от 200 на 200.мкм 2 до 2000
    к 2000 г. Затем гидроксид тетраметиламмония (TMAH)
    раствор, который имеет хорошую селективность травления Si по сравнению с SiO 2, является
    используется для селективного травления кремниевой пластины 202 через SiO 2
    маска травления 218, открывающая прозрачное окно 230 под нанопроволокой
    массив 206, как показано на фиг. 3Н. Для толстых пластин Si пластина Si может быть
    сначала разбавлен сухим травлением, и TMAH может быть использован для удаления
    оставшийся слой Si под массивом нанопроволок 206. После изготовления
    прозрачное окно 230 в кремниевой пластине 202, те же процессы
    описанный на фиг.2К-2Н можно использовать, что приведет к
    прозрачная платформа NEA, показанная на фиг. 3I.

    Фиг. 4 иллюстрирует общий процесс предпочтительного изготовления.
    методы. Платформа NEA может быть выполнена на плоской поверхности (2D),
    начиная с этапа 402 эта маска для травления электрода с рисунком на Si
    подложка 400 и фасонная поверхность (3D), начиная с этапа 401, который
    на кремниевой подложке 400 сформирован рисунок и профилированная поверхность,
    с последующим нанесением рисунка на маску травления зонда. Затем сухой
    травление 403 выполняется для формирования вертикальных нанопроволок на 2D или 3D
    удаление поверхности и маски травления 404, термическое окисление 405, полимер
    покрытие 406 и SiO.п.2 травления 407 следует. Тогда тепловая
    стадия окисления повторяется 405 с последующим травлением SiO 2 407 для
    несколько раз для уменьшения диаметра кончика нанопроволоки. Проводящий слой
    408 от вертикального кончика нанопроволоки до контактных площадок образованы
    литография и напыление металлов. Пассивация диэлектрического слоя 409,
    Выполняется травление полимерного покрытия и диэлектрического слоя наконечника.

    [0049] В экспериментах маски точечного травления и отметки совмещения были
    нанесен узор на Si

    [0050] с использованием ЭЛС и осаждения металла толщиной 220 нм.
    Слой Ni.После процесса травления ICP / RIE для изготовления
    нанопроволоки поверх подложки Si, и в результате высота нанопроволоки
    было около 10 мкм. Большая гибкость в дизайне и
    изготовление различных макетов NEA может быть достигнуто за счет использования EBL
    для создания рисунка на точках маски травления, а также на выводах и контактных площадках электрода. Ni
    точки удаляли разбавленной азотной кислотой. Стадия термического окисления
    при 1100 ° С. Затем последовал C., чтобы сформировать толщину около 200 нм.
    Поверхностный слой SiO 2, включая боковую стенку нанопроволоки.Потом,
    ПММА наносился методом центрифугирования на поверхность устройства, создавая однородную
    толщиной около 300 нм, покрывающей плоскую поверхность устройства, в то время как
    ступенчатый более тонкий слой покрыл боковину у основания каждого
    вертикальная нанопроволока к его кончику, где ПММА самый тонкий. Короткие
    Стадия плазмы O 2 была введена для травления / реакции со всеми ПММА.
    на конце каждой вертикальной нанопроволоки и травление с помощью буферного оксида
    (БОЭ) использовался для травления обнаженного слоя SiO 2 на острие.
    область, край. Наконец, все остатки ПММА были удалены ацетоном и
    О.sub.2 плазма. На следующем этапе термического окисления и
    потому что наконечник не был покрыт SiO 2, в то время как основание
    вертикальная нанопроволока была покрыта SiO 2, термический
    скорость окисления выше на кончике, чем на основании
    нанопроволока. После травления методом БОЭ проводилось утонение нанопроволоки и
    получить коническую форму нанопроволоки. Повторное термическое и БОЭ травление.
    несколько раз до очень острого кончика в несколько нанометров в
    диаметр достигается. Затем была проведена последняя стадия термического окисления.
    выполняется, чтобы окислить и изолировать эти нанопроволоки и
    всю поверхность субстрата.EBL центральных электродов и 3D конформный
    осаждение металла 30 нм Ti / 100 нм Au.
    Фотолитография наружных электродов, контактных площадок и металла.
    Затем было выполнено осаждение. Перед измерением in vitro,
    3D-электроды пассивировали слоем PECVD SiO 2. В
    1D NEA пассивировались диэлектрическим слоем в основании и
    боковая стенка, в то время как наконечник был открыт для прямого взаимодействия
    с внутриклеточной средой. Сначала было нанесено 200 нм SiO 2.
    над субстратом с помощью PECVD.Затем был нанесен слой ПММА с покрытием.
    на поверхности и самые верхние слои были удалены O 2
    плазма для удаления PMMA на кончике нанопроволоки с последующим погружением BOE в
    протравить экспонированный PECVD SiO 2 на кончике нанопроволоки и
    травление останавливается на нижележащем металлическом слое. Затем мы удалили ПММА.
    ацетоном и плазмой O 2, а также в процессе изготовления
    Таким образом, была завершена матрица вертикальных нанопроволок.

    Фиг. 5A-5D представлены SEM-изображения примера изготовленного NEA.
    изобретения.(а) обзор датчика, (б) обзор 60
    индивидуально адресуемые каналы нанопроволоки, (c) локальное положение
    3 * 3 массив, и (d) обзор одиночной нанопроволоки
    электрод / канал

    [0052] Хотя в конкретных вариантах осуществления настоящего изобретения
    были показаны и описаны, следует понимать, что другие
    модификации, замены и альтернативы очевидны для одного
    обычным специалистом в данной области.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *