CN103827663B - 控制聚合体通过纳米通道的运动的作为机车的带电实体 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于控制链接到聚合体的一个或多个带电实体通过纳米通道运动的技术。第一容器和第二容器被纳米通道连接。电极阵列沿着纳米通道被设置，其中流体填充第一容器、第二容器和纳米通道。第一电极位于第一容器中，且第二电极位于第二容器中。第一和第二电极被配置为将链接到聚合体的一个或多个带电实体导引到纳米通道中。电极阵列被配置为，响应于被控制为捕获，捕获纳米通道中的一个或多个带电实体。电极阵列被配置为响应于被控制为移动，沿着纳米通道移动一个或多个带电实体。

Description

控制聚合体通过纳米通道的运动的作为机车的带电实体
技术领域
示例性实施例涉及纳米器件，且更具体地，涉及控制纳米器件中的聚合体(polymer)。
背景技术
最近，对于使用纳米孔作为传感器以用于诸如脱氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)、蛋白质等生物分子(例如聚合体)的快速分析越来越受重视。用于DNA测序的纳米孔的应用也受到重视，因为该技术可以将测序成本降低到低于1000美元/人类基因组。这些纳米孔应用中的两个问题是通过纳米孔控制DNA的易位(translocation)以及区分DNA碱基。
纳米孔测序是确定其中在DNA串上出现的核甘酸的顺序。纳米孔是内径为若干纳米量级的小孔。支撑纳米孔测序的理论与当纳米孔中被浸入导电流体时所发生现象的有关，且电势(电压)被跨纳米孔而施加：在这些情况下，可测量到由于离子传导穿过纳米孔所引起的轻微电流，且电流量对于纳米孔的尺寸和形状都是非常敏感的。如果单个DNA碱基或是DNA串穿过(或部分DNA分子穿过)纳米孔，这可引起穿过纳米孔的电流幅度的变化。其他电或光传感器也可被放置在纳米孔周围，这样当DNA穿过纳米孔时，可区分DNA碱基。
通过使用各种方式可驱使DNA穿过纳米孔。例如，电场可将DNA吸引向纳米孔，且最终穿过纳米孔。而且，附着在纳米孔的酶可将DNA导向纳米孔。纳米孔的尺度是指DNA被作为长串一次一个碱基地强迫通过孔，类似于线穿过针眼。
发明内容
根据示例性实施例，提供一种装置以控制一个或多个带电实体穿过纳米通道。带电实体可链接到聚合体以控制穿过纳米通道的聚合体的运动。所述装置包括通过纳米通道连接的第一容器和第二容器，以及沿着纳米通道设置的电极阵列。流体填充第一容器、第二容器和纳米通道。所述装置包括第一容器中的第一电极和第二容器中的第二电极，其中第一和第二电极被配置为导引链接到聚合体的一个或多个带电实体到纳米通道中。电极阵列被配置为响应于被控制为捕获，捕获纳米通道中的一个或多个带电实体，以及电极阵列被配置为响应于被控制为移动，沿着纳米通道移动一个或多个带电实体。
根据示例性实施例，提供了一种方法用于控制链接到聚合体的一个或多个带电实体穿过纳米通道。该方法包括通过纳米通道连接第一容器和第二容器，电极阵列被沿着纳米通道设置，其中流体填充第一容器、第二容器和纳米通道。而且，该方法还包括配置第一容器中的第一电极和第二容器中的第二电极。第一和第二电极被配置为导引链接到聚合体的一个或多个带电实体到纳米通道中。电极阵列被配置为响应于被控制为捕获，捕获在纳米通道中的一个或多个带电实体，且电极阵列被配置为响应于被控制以移动，沿着纳米通道移动一个或多个带电实体。
根据示例性实施例，提供了一种用于控制链接到聚合体的一个或多个带电实体穿过纳米通道的***。该***包括具有由纳米通道连接的第一容器和第二容器的装置，以及沿着纳米通道设置的电极阵列。流体填充第一容器、第二容器和纳米通道。该装置包括第一容器中的第一电极和第二容器中的第二电极，其中第一和第二电极被配置为导引链接到聚合体的一个或多个带电实体到纳米通道中。而且，该***还包括电压源，被配置为响应于电压源被控制为捕获，使得电极阵列捕获在纳米通道中的一个或多个带电实体。电压源被配置为响应于电压源被控制为移动，使得电极阵列沿纳米通道移动一个或多个带电的实体。
根据示例性实施例，提供了一种用于控制一个或多个带电实体穿过纳米通道的装置。该装置包括由纳米通道连接的第一容器和第二容器，以及沿着纳米通道设置的电极阵列。流体填充第一容器、第二容器和纳米通道。该装置包括第一容器中的第一电极和第二容器中的第二电极，其中第一和第二电极被配置为导引一个或多个带电实体进入到纳米通道中。电极阵列被配置为响应于控制为捕获，捕获纳米通道中一个或多个带电实体，且电极阵列被配置为响应于被控制为移动，沿着纳米通道移动一个或多个带电实体。
通过本发明的技术实现额外的特点。在此详细描述根据其他实施例、并被认为是本发明一部分的其他的***、方法、设备和/或计算机程序产品。为了更好地理解示例性实施例和特点，参考以下描述和附图。
附图说明
被认为是本发明的主题被特别指出并在说明书的结论处的权利要求书中明确要求保护。本公开的前述和其他特点可结合附图从以下详细描述中变得明显，在附图中：
图1示出了根据示例性实施例的具有电极阵列的纳米通道的横截面图，该电极阵列用于控制链接到单个带电实体/分子的聚合体的运动。
图2A示出了根据示例性实施例的带电实体如何被三个金属电极捕获。
图2B示出了根据示例性实施例的带电实体如何沿着纳米通道移动对应于电极阵列的周期的距离。
图3示出了根据示例性实施例具有三个电极的纳米通道的横截面图，该电极用于控制链接到带电实体/分子阵列的聚合体的运动。
图4A示出了根据示例性实施例带电实体如何被三个电极捕获。
图4B示出了根据示例性实施例带电实体如何沿着纳米通道移动对应于带电实体的周期的距离。
图5示出了根据示例性实施例当聚合体的位置在纳米通道中被控制时用于聚合体的局部化学处理/合成的纳米通道的横截面图。
图6时根据示例性实施例用于控制链接到聚合体的一个或多个带电实体通过纳米通道的方法。
图7示出了根据示例性实施例具有可被利用的特征的计算***。
具体实施方式
示例性实施例可使用沿着作为“轨道”的纳米通道的电极阵列和作为“机车”的带电实体/分子(连接到聚合体)以控制聚合体(诸如DNA、RNA等)穿过纳米通道的运动。示例性实施例使用感测部件的阵列来增加读取聚合体的单元的空间分辨率。空间分辨率对应于单个感测部件的尺寸，而其受到用作机车的带电实体/分子的相对大尺寸限制。
如上所述，示例性被配置为链接聚合体，DNA、RNA等到相对大的带电实体/分子(或相对大的带电实体/分子的阵列)以形成分子列车，随后采用沿着纳米通道的电极阵列来控制穿过通道的整列车的运动。与用于DNA晶体管的现有技术不同，不是使用自然位于聚合体上的电荷，示例性实施例可提供关于机车部件的更多选择，该机车部件是控制聚合体运动的引擎。具有(与附着的聚合体相比)较大电荷密度和/或较大尺寸的机车将要求电极间较少的电压以针对热震动捕获机车并/或沿着纳米通道移动机车，由此在器件操作期间对于电极侵蚀产生较少的问题。与单个聚合体单元的尺寸相比，空间捕获精确性可受到机车(即，带电实体/分子)尺寸的影响。为了增加对感测部件阵列(即，传感器阵列)的单个感测部件的尺寸的感测空间分辨率，示例性实施例可监视同时来自所有感测部件的信号，并随后交叉对比该信号。
现在参看附图，图1示出了根据示例性实施例具有电极阵列108的纳米通道104的横截面示意图，电极阵列用于控制链接到单个带电实体/分子(106)(其可被称为带电实体)的聚合体105的运动。基板101可用任何绝缘固体材料制成，包括但不限于例如硅。两个容器102和103被蚀刻到基板101中，纳米通道104连接两个容器102和103,。容器102和103以及纳米通道104随后被填充离子溶液，其是导电流体。聚合体105，诸如DNA、RNA等是有需要被测序/测量的单个单元构成的。如本领域技术人员所理解的，聚合体是由重复的结构单元组成的大分子(高分子)。这些子单元典型地由共价化学键连接。术语聚合体可包括由具有宽范围变化的特性的自然和合成材料组成。聚合体105链接到/连接到单个带电实体106，带电实体为控制附着聚合体105的运动的机车(即，引擎)。如本领域技术人员所理解的，传感器阵列107(其是感测部件的阵列)被用来识别聚合体105的单个单元。电极阵列108被用于捕获带电实体106(机车)并用于控制带电实体106以精确的方式沿着纳米通道104的移动。每个电极108由金属构成。两个电极109和110(例如诸如Ag或AgCl布线)被分别浸入到容器102和103中。电极阵列108分别连接到电压源120，且两个电极109和110连接到电压源125。电压源120和125分别被计算机10中的软件20控制。来自电压源125的电压被施加(经由软件20)到电极109和110以将带电实体106和附着聚合体105(即，列车)从容器102移动到纳米通道104。软件20可被编程以自动控制电压源120和电压源125施加的电压的时间和量，且软件20也可包括被配置为用于给用户控制软件的用户界面。
图2A示出了根据示例性实施例带电实体106(即，机车)如何被三个电极108捕获。为了解释，三个电极108被指定为电极108a、108b和108c。在这点上，在捕获期间，没有电压被施加给阵列中的剩余电极108，其包括为了解释在图2A中被指定为电极108d的第四电极。尽管图2A和2B中仅指定四个电极108a、108b、108c和108d，将理解大量电极108可被用作导轨以控制通过纳米通道104的附着到聚合体105的带电实体106的移动和捕获。例如，在电极阵列108中应当存在足够的电极以保证被测试的整个聚合体105通过传感器阵列107。而且，在捕获期间，没有电压偏置被施加到电极109和110。
假设带电实体106是带正电，相对于具有施加到其的负电压偏置的第二电极108b，软件20被配置为施加正电压偏置的极性方案(通过电压源120)到第一电极108a(从左数到右)和第三电极108c。这样，带正电实体106(机车)将被电极108a、108b和108c之间的电场固定(即，捕获)。克服热运动/搅动，带正电实体106被附加到电极108b(具有施加到其的负电压偏置)。例如，如果使带负电实体106(热运动和/或任何其他力)移动到左边，则电极108a将带正电实体106排斥回电极108b。类似地，如果使带正电实体106(热运动和/或其他力)移动到右边，电极108c将正带电实体106排斥回电极108b。通过该效果，聚合体105(附着到带电实体106的后端)在其位置被电极108a、108b以及108c捕获，以便聚合体105的单元被传感器阵列107读取/测量。传感器阵列107被计算机10中的软件20控制和操作。在一个实施中，软件20被配置为控制传感器阵列107以施加来自电压源130的电压(如图1所示)到在传感器阵列107的宽度W(区域)内的聚合体105的单元。然后，软件20被配置为读取(经由电流计135)通过传感器阵列107的宽度W内的聚合体105的每个单元而输出的各电流。
图2B示出了根据示例性实施例带电实体106(即，用作机车)如何沿着纳米通道104移动了电极阵列108的周期P的距离。周期P是在一个电极108(的中心)到前一个和/或后一个电极108(的中心)之间测量的距离。例如，每个电极108之间的距离是相等的，以便每个电极108之间的周期P具有相同的距离测量。传感器阵列107的宽度W的距离大于或等于每个电极108之间的周期P的距离；因此，每次聚合体105移动对应于周期P的距离，在已被测量的聚合体105的单元和将被测量的聚合体105的新单元(即，还未达到传感器阵列107的宽度W内的聚合体105的单元)之间将有重叠。
通过施加(经由图1示出的计算机10的软件20)相同的电压偏置的极性方案到下一组(例如被一个电极转移到右边)三个金属电极108b、108c和108d，带电实体106将移动到电极108b、108c和108d的中心。也就是，带电实体106将附着到电极108c。同样，在移动阶段期间，电压偏置被施加到电极109和110以打断图2A中之前的捕获(对称性)，并使得带电实体106在右向移动(或开始移动)。在这种情况下，软件20被配置为施加正电压偏置到电极108b(其中先前，负电压偏置被施加到图2A中的电极108b)和电极108d(其中先前没有电压偏置被施加到电极108d和任何随后的电极)，并被配置为施加负电压偏置到电极108c(其中先前正电压偏置被施加到图2A中的电极108c)。通过变换从电极108a、108b、108c到电压电极108b、108c和108d的电压偏置的极性方案(通过电极阵列108中的单个电极108)，带电实体106被移动一个周期P。由于从电极108b到电极108c是电极阵列108的一个周期，(机车)带正电实体106将沿着纳米通道104移动对应于电极阵列108的周期P的距离。因为(机车)带正电实体106和聚合体105被热搅动，图2A示出的捕获和图2B示出的移动具有精确度，如果在(金属层)电极108之间施加合适的电压偏置(如图2A和2B示出的方式)，可维持/保证该精确度更优于电极阵列108的周期P。被施加到电极阵列108、用于捕获和移动带电实体106的适宜的电压偏置大于热能kT(是26毫电子伏特(meV))，其中k是玻耳兹曼常数且T是绝对温度。
使用传感器阵列107，软件20被配置同时检测从(传感器阵列107的)所有感测部件输出的每个信号，并随后交叉比较输出信号(即，电流)。以这种方式，软件20被配置为确定由传感器阵列107的各传感器的周期Psensor限定的空间分辨率。传感器阵列107的周期Psensor是每个传感器之间的距离(每个传感器107用具有宽度W的黑色垂直线示出)。传感器阵列107的周期Psensor被指定为等于或小于聚合体105的单元之间的间隔/距离。例如，如果通过使用碳纳米管阵列(具有各碳纳米管的2nm(纳米)直径和碳纳米管之间的2nm间隙)作为感测电极(即，各传感器)来实施传感器阵列107，该传感器阵列107将具有4nm的空间分辨率。
尽管此处的例子描述捕获和移动图2A和2B(以及图4A和4B)中的带正电实体，示例性实施例不限于使用带正电实体。在其中带电实体106带负电时，图2A和2B中示出的电压偏置(即，极性方案)将是圈205和210所示出的那些。在这种情况下，带负电实体106将被附着到施加给电极108b的正电压偏置，并被适当地捕获在施加给电极108a和108c的负电压偏置之间(并从其被排斥)。为了移动(即，移到右边一个周期P)带负电实体106，电压偏置被施加到电极108b、108c，且108d将具有图2B的圈210所示出的极性。在这点上，带负电实体106将从之前被电极108a固定/捕获移动(一个周期)到被电极10b捕获。
经由软件20捕获和移动带电实体106的该处理将继续，直到带电实体106拉动附着的聚合体105完全通过用于测量/测序聚合体105的单元的传感器阵列107。这样，将电压偏置极性方案转移到电极108中接下来的接续电极的处理继续。在将电压偏置极性方案转移到电极阵列108的处理期间，在下一个电极108(诸如电极108d)接收电极108的阵列中的电压偏置时，一个后续电极108(诸如电极108a)不再接受电压偏置，直到带电实体106移动通过所有的电极108(类似于机车如何移动通过火车轨道)。
在特定实施例中，带电实体106可以是带电生物分子或带电固态颗粒。带电生物分子的尺寸和重量可不同，从单个球形蛋白质(诸如蛋白(BSA))到大的复杂蛋白质。含带电金属蛋白质的例子(例如直径12nm)是铁蛋白。这种蛋白质具有外部蛋白质壳，被称为去铁铁蛋白，以及核，其由不同量的氢氧化铁组成。由于电荷变化，具有不同量的金属氢氧化物的核将允许操纵分子。其他带电固态颗粒包括，诸如Au(金)或Ag(银)颗粒可被裹有诸如链霉亲和素的蛋白质外壳，其可经由链霉亲和素-维生素共价键链接到诸如DNA的聚合体105。
图3示出了根据示例性实施例，具有三个电极310、311和312(例如电极阵列)的纳米通道304的横截面图300，该电极用于控制链接到带电实体/分子阵列306的聚合体305的运动。与图1所示的利用多于三个电极108来继续沿着电极108的阵列移动带电实体不同，图3利用(仅)三个电极310、311和312来移动带电实体，而不要求额外的电极作为进一步的轨道。电极310、311和312可由金属制成。
基板301可由任何绝缘固体材料制成。两个容器302和303被蚀刻到基板301，而纳米通道304连接容器302和303。容器302和303以及纳米通道304随后被填充有离子溶液，诸如导电流体。如上所述，聚合体305，诸如DNA、RNA等由需要被测序/测量各单元制成。
聚合体305链接到带电的实体/分子306的阵列，其用作机车以拉着附着的聚合体305穿过纳米通道304。带电实体306包括一个或多个带电部件307以及一个或多个未带电(即，中性)部件308的阵列。在一个实施中，带电实体306可包括带电部件(如带电部件307)和中性部件(如未带电部件308)的阵列。在其他实施中，带电实体306可包括带正电部件(如带电部件307)和带负电部件(如未带电部件308)或反之亦然的阵列。带电部件307和未带电部件308以交替的方式重复，以形成图3所示的带电实体306的阵列。传感器阵列309(如传感器阵列107)被利用以识别聚合体305的各单元。如被计算机10的软件20所控制的，三个电极310、311和312被用来捕获(机车)带电实体306并用于以精确的方式控制带电实体306沿着纳米通道304的移动(拉动和停止聚合体305)。
两个电极313和314，诸如Ag或AgCl线，被分别浸入到两个容器302和303中。电极310、311和312分别连接到电压源320，且两个电极313和314连接到电压源325。电压源320和325分别收受计算机10的软件20的控制。来自电压源325的电压(经由软件20)被施加到电极313和314以将带电实体306和聚合体305的列车(从容器302)移动到纳米通道304中。
图4A示出了根据示例性实施例，用作机车的带电实体306如何被三个电极310、311和312捕获。假设(带电实体306的)带电部件307带正电，软件20被配置为相对于具有施加的负电压偏置的电极311经由电压源320施加正电压偏置到电极310和312。如图4A所示，施加到电极310、311和312的电压偏置的第一极性方案分别是正-负-正。带电实体306的带正电部件307将移动到三个电极310、311和312的中央区域，且如图4A所示，被三个电场固定住(同时在移动期间施加电压到电极313和314，而在捕获期间没有电压被施加到电极313和314)。
通过这种效果，聚合体305(附加到带电实体306的后端，就好像列车车厢)被电极310、311和312捕获在合适的位置，以便聚合体305的单元被传感器阵列309测量/测序。传感器阵列309可被计算机10中的软件20控制并操作。在一个实施中，软件20被配置为控制传感器阵列309以将来自电压源(未示出)的电压施加到聚合体305的单元，其位于传感器阵列309的宽度W的区域内。随后，软件20被配置为(经由未示出的电流计)读取通过位于传感器阵列309的宽度W内的每个聚合体305的单元输出的单个电流(即，信号)。
在这点上，根据第一极性方案带正电部件307被施加到三个电极310、311和312的电压偏置捕获，且没有电压偏置被施加到电极313和314。如果热移动/搅动试图使得带正电部件307移动到左边，指向右边并施加力到右方(产生于电极310和311)的电场使得带正电部件307(或当其被捕获时，未带电部件308)从后面移动到右边。即，指向右边的电场抵消到左边的热运动。类似地，如果热运动/搅动试图使得带正电部件307(或当其被捕获时，未带电部件308)移动到右边，指向左边并施加力到左方的电场(产生于电极311和312)使得带正电部件307从后面移动到左边。即，指向左边的电场抵消到右边的热运动。由于分别具有由软件20施加的电压源320的正、负、正电压偏置的电极310、311和312施加的电场，三个电极310、311和312捕获带正电部件307(利用反转的极性方案来捕获未带电部件308)。结果，附着的聚合体305被捕获以通过传感器阵列309测量。当电压偏置经由电压源320被施加到电极310、311和312以捕获带正电部件307时(或未带电部件308(即中性)，如以下进一步讨论的)，经由电压源325施加到电极313和314的电压偏置被关断。
图4B示出了根据示例性实施例带电实体306(用作机车)如何沿着纳米通道304移动对应于带电实体306(即，带电实体/分子阵列)的周期P1的距离。为了简单起见，每个带电部件307被画为与每个未带电部件308等长(如在一个实施例中)，但带电部件307和未带电部件308不具有相同的长度。周期P1是形成带电实体306的每个重复/交替带电部件307的长度以及每个重复/交替未带电部件308的长度的平均值。
通过将用于施加到三个金属电极310、311和312的电压偏置的第一极性方案(如图4A所示)转换为图4B所示的第二极性方案，带电实体306的未带电部件308将移动到三个电极310、311和312的中心区域；同样，初始施加电极313和314上的电压偏置以打破图4A中的捕获(对称)，但当未带电部件208在三个电极310、311和312的捕获区域中(或附近时)将被关断。以该方式，每次极性方案交替时，带电部件306(用作用于附着的聚合体305的机车)沿着纳米通道304移动带电实体306的周期P1的距离。例如，随着极性方案从第一极性方案转换到第二极性方案又转回第一极性方案等，带电实体306被馈送(到右边)通过三个电极310、311和312的区域。通过软件20的极性方案的交替使得带电部件307和未带电部件308每个移动一个周期P1。
因为带电实体306和附着的聚合体305是热搅动的，图4A示出的捕获和图4B示出的移动将具有精确性，如果合适的电压偏置被施加在电极(金属层)310、311和312之间，其被维持为比电极阵列310、311和312的周期P1更好。如上所讨论的，施加到电极310、311和312用于捕获和移动带电实体306的电压偏置大于热能Kt，该热能是26毫电子伏特(meV)，其中k是玻耳兹曼常数且T是绝对温度。热能引起热运动/搅动。
使用传感器阵列309，软件20被配置为同时检测来自所有单个传感器309的输出信号，随后交叉比较在每个传感器309接收的输出信号。以这种方式，软件20可确定由传感器309的周期Psensor限定的空间分辨率。传感器阵列309的周期Psensor是每个传感器之间的距离(例如，每个传感器被示出为具有宽度W内的黑色垂直线)。传感器阵列309的周期Psensor被设计为等于或小于聚合体305的单元之间的间隔/距离。聚合体305的单元未示出，但本领域技术人员理解聚合体305的单元之间的间隔/距离基于被测试的聚合体类型。例如，如果通过使用碳纳米管阵列(具有用于各碳纳米管的2nm直径而在碳纳米管之间的2nm间隙)作为感测电极(即，单个电极309)，该传感器阵列309将具有4nm的空间分辨率。
参考图4B，当电压偏置的第一极性方案被切换到(第二极性方案)用于电极310的负电压偏置、用于电极311的正电压偏置以及用于电极312的负电压偏置，带正电部件307被移动到右边而未带电部件308被移动到三个电极310、311和312的区域中；这样，未带电部件308被捕获在三个电极310、311和312的区域中，由此将附着的聚合体305捕获在其位置处以由传感器阵列309测量。当第二极性方案被切换回时，下一个带正带部件307被移动到电极310、311和312的区域中。而且，如在此提及的，如果未带电部件308带电但却具有与带电部件307不同的极性(电荷)，上述运动控制应用将仍然如上讨论的。因此，带电部件307和未带电部件308不是旨在限制性的。
作为示例性实施例，带电部件307可以是DNA寡核苷酸而未带电部件308是聚乙二醇。根据本公开的教导，本领域技术人员可很快选择想要的带电和未带电部件。
如之前所讨论的，DNA测序是本公开的一种应用。当前的光刻技术，诸如纳米压印光刻技术，可产生用于电极的亚10nm特征，这将保证用于捕获的亚10nm精确度。这对于基于DNA样品(例如，聚合体)的改性的DNA测序技术是适用的，其要求亚10nm精确度的位置控制。
因为示例性实施例被配置为控制带电实体的运动，其进而控制链接到其的聚合体，聚合体可以是任何聚合体(包括带电和未带电聚合体)。这为另一个示例性应用创建了基础，其是对聚合体的局部化学治疗和/或合成，而聚合体的位置被控制，如图5所示。根据示例性实施例，图5示出了横截面示意图500，其包括参考图1或3描述的元件，但为了简要不重复内容了。元件501、502、503、504和506与图1的元件101、102、103、104、105和106或图3的元件301、302、303、304、305和306的相同。相应地，其操作如上所述。为了简明且不是限制性的，用于控制附着到聚合体505的带电实体506的运动的图1或3中的附加元件未在图5中示出，但被预期为是图5描述的示例性实施例的一部分且被功能性地集成到其中。
新添加的流体纳米通道507a和507b是两个附加的纳米通道(与图1和3所示相比)。纳米通道504包含上述用于纳米通道104和304的离子流体。纳米通道507a和507b物理连接到纳米通道504以连通地交换流体。试剂508(根据需要，被化学地设计为与聚合体505反应)通过纳米通道507a被加载到纳米通道504中，随后通过纳米通道507b被冲出。如果纳米通道507中的流动速率高于纳米通道507a中的流动速率，试剂508将被限制在纳米通道504的局部区域509。局部区域509的尺寸可被纳米通道507b中的流动速率对纳米通道507a中的流动速率的比率调整。例如，纳米通道507a的流动速率可被增加以导致较大区域509；类似地，纳米通道507a中的流动速率可被减少以导致较小区域509。在试剂508起反应后，该反应为基于试剂508的化学特性的预定时间，试剂508将与容器502和503中的相同离子缓冲剂快速冲出；这保证了聚合体505的局部改性仅在局部区域509。使用图1、2A、2B、3、4A和4B描述的捕获和移动技术，因此聚合体505上施加试剂508的精确位置可通过经由纳米通道504的聚合体505的捕获和移动而被精确地限定/选择。通过将聚合体505的移动(停止和行进)控制在希望的精确位置，聚合体505上的其他位置也可通过重复加载来自纳米通道507a的试剂508而被选择性地局部改性，并将试剂508冲出到纳米通道507b，而聚合体505是可控地移动到纳米通道504中的新位置。
在一个实施中，为了控制试剂508进入和移出局部区域509的加载和移动，注射器550可被可连通地附着到纳米通道507a的端部，同时收集器555被可连通地附着到纳米通道507b的端部。注射器550可以是泵，其施加正压力到纳米通道507a中的试剂508，纳米通道507a使得试剂508流动通过区域509到该区域的聚合体505的用于希望的反应的部分。收集器555可以是泵，其施加负压力到纳米通道507b中的试剂508，纳米通道507b使得流过区域509的试剂508被收回(即，纳米通道504中的试剂508从纳米通道被负压力吸出并流入到纳米通道507b)。纳米通道507a和507b可经由局部区域509的孔被物理连接到纳米通道504。在另一个实施中，注射器550和收集器555可被集成为单个单元。注射器550和收集器555的操作可被计算机10中的软件20控制(如图1和3所示)。
为了解释，一个例子是聚合体505可以是DNA长链，而试剂508可以是羟基，其可打断DNA骨架。使用图5的上述方法，DNA可在任何指定位置被剪切。根据本公开，本领域技术人员将理解可使用不同的试剂508在可控地选择的特定位置影响希望的聚合体505。因此，聚合体和试剂的选择不是限制性的。
图6示出了根据示例性实施例用于控制链接到通过纳米通道聚合体的一个或多个带电实体的方法600。参考图1、2A、2B、3、4A、4B和5。软件20被配置为控制一个或多个带电实体的捕获和移动。
在块605，第一容器(例如容器102、302、502)和第二容器(例如容器103、303和503)通过纳米通道(例如纳米通道104、304和504)连接，且电极阵列(例如电极108、310、311和312的阵列)被沿着纳米通道放置，其中流体(例如离子液体)填充第一容器、第二容器和纳米通道。
在块610，第一电极(例如电极109和313)在第一容器中以及第二电极(电极110、314)在第二容器中，其中第一和第二电极被配置为导引链接到聚合体(聚合体105、305、505)一个或多个带电实体(例如带电实体106、306、506)进入到纳米通道。
在块615，电极阵列被配置为当被控制以捕获时，将一个或多个带电实体捕获在纳米通道中(如图2A、2B、4A、4B所示)。而且，电极阵列被配置为沿着纳米通道(如图2A到2B的和图4A和4B的移动所示)移动一个或多个带电实体
此外，电极阵列(例如，电极108、310、311和312)被配置为响应于施加到电极阵列的电压偏置，捕获在纳米通道中的一个或多个带电实体，如图2A、2B、4A和4B所示被软件20控制。
参考图4A和4B，电极阵列被配置为响应于施加到电极阵列的电压偏置，沿着纳米通道每次移动一个或多个带电实体306一个周期(例如周期P或周期P1)。一个或多个带电实体306包括带电部件307和未带电部件308，其中带电部件307和未带电部件308具有相等的长度L。一个周期P1对应于带电部件307和未带电部件308的相同长度。交替施加到电极阵列的各电极的电压偏置的极性方案(诸如通过软件20从正-负-正到负-正-负(或反之亦然))使得一个或多个带电实体306沿着纳米通道一次移动一个周期P1(如图4A和4B所示通过捕获和移动)。电极阵列被配置为响应于以第一极性方案(例如，正-负-正)施加的电压偏置，将带电部件捕获在电极阵列区域中或从电极阵列的区域移动未带电部件208(例如，当从负-正-负转变到正-负-正时，未带电部件208被移动出该区域且带电部件207随后被捕获在该区域中)。类似地，电极阵列被配置为响应于以第二极性方案(负-正-负)施加的电压偏置，将未带电部件208捕获在电极阵列的区域中或从电极阵列的该区域移动带电部件207(例如，当从正-负-正转变到负-正-负时，带电部件207被转移出该区域，未带电部件208随后被捕获在该区域中)。
参考图2A到2B，一个周期P对应于电极阵列108中的各电极之间的相等距离。具有极性方案(例如正-负-正)的电压偏压被施加到电极阵列的各电极的连续组(例如电极108a、108b、108c)以将一个或多个带电实体106沿着纳米通道移动一个周期P的相等距离。此外，具有极性方案(例如正-负-正)的电压偏压被施加到电极阵列108的各电极的另一连续组(例如电极108b、108c和108d)以将一个或多个带电实体106沿着纳米通道移动一个周期P的相等距离。与该电极的连续组相比，另一连续组(例如电极108b、108c和108d)被上移了单个电极。换句话说，极性方案继续上移电极108的轨迹以同时在与移动相同的方向上移动一个或多个带电实体106。
参考图5，附加的纳米通道(例如，纳米通道507a和507b)被填充有另一种流体(例如试剂)以与聚合体505反应，且纳米通道507a和507b通过区域509与纳米通道504连通。纳米通道507a被配置为响应于(例如通过注射器550)施加到纳米通道507a的正压力，将另一种流体(即，试剂)排斥到纳米通道504中以与在局部区域509处的聚合体505反应。相反地，纳米通道507b被配置为响应于施加到(例如，通过收集器550)纳米通道507b的负压力，将已排斥到局部区域509处的纳米通道504的另一流体吸出。
图7示出了具有功能的计算机***700的实例，其可被包括在示例性实施例中。在此讨论的各种方法、过程、模块、流程图、工具、应用程序和技术也可并入和/或利用计算机***700的功能。而且，参考图1到6，计算机***700的功能可被利用以实施在此讨论的示例性实施例的特征。计算机***700的一个或多个功能可实施任何在此讨论的元件，诸如但不限于软件20和计算机10。
通常，就硬件基础架构而言，计算机***700可包括经由本地接口(未示出)而连通地连接的一个或多个处理器710、计算机可读存储存储器720以及一个或多个输入和/或输出(I/O)设备770。本地接口可以是例如但不限于一条或多条总线或其他有线或无线连连接，如本领域已知的。本地接口可具有额外的元件，诸如控制器、缓冲器(高速缓冲)、驱动器、重发器或接收器，以使能连通。此外，本地接口可包括地址、控制和/或数据连接以使能前述部件间的适宜连通。
处理器710是硬件设备，用于执行存储在存储器720中的软件。处理器710实际上可是任何用户定制或商业可用的处理器、中央处理单元(CPU)、数据信号处理器(DSP)或与计算机***700相关的若干处理器之间的辅助处理器。
计算机可读存储器720可包括以下中的任一个或组合：易失性存储器元件(例如随机存取存储器(RAM)，诸如动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)等)以及非易失性存储器元件(例如ROM、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、磁带、紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、磁盘、软磁盘、磁带盒、盒式带等)。而且，存储器720可包括电的、磁的、光的和/或其他类型的存储介质。注意存储器720可具有分布式架构，其中各种部件彼此远离地被放置，但可被处理器710访问。
计算机可读存储器720中的软件包括一个或多个独立程序，每个包括用于实施逻辑功能的可执行指令的有序列表。存储器720中的软件包括示例性实施例的合适的操作***(O/S)750、编译器740、源代码730和一个或多个应用760。如所示，应用760包括各种功能性部件，用于实施示例性实施例的特征、处理、方法、功能和操作。而且，应用760可以是源程序、可执行程序(目标代码)、脚本或包括一组将被执行的指令的任何其他实体。
I/O设备770可包括输入装置(或外设)，诸如但不限于鼠标、键盘、扫描仪、麦克风、摄像头等。而且I/O装置770也可包括输出装置(或外设)，例如但不限于打印机、显示器等。最后，I/O装置770还可包括通信输入和输出的装置，例如但不限于NIC或调制器/解调器(用于存取远程装置、其他文件、装置、***或网络)、射频(RF)或其他收发器(塔)、电话接口、桥、路由器等的装置。I/O装置770还可包括在各种网络(诸如因特网或内部网)上通信的部件。使用蓝牙连接和线缆(例如经由通用串行总线(USB)端口、串口、并口、光纤部件、火线、HDMI(高清多媒体接口)等)，I/O装置770可被连接到和/或与处理器710通信。
所属技术领域的技术人员知道，本发明的各个方面可以实现为***、方法或计算机程序产品。因此，本发明的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施方式、完全的软件实施方式(包括固件、驻留软件、微代码等)，或硬件和软件方面结合的实施方式，这里可以统称为“电路”、“模块”或“***”。此外，在一些实施例中，本发明的各个方面还可以实现为在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质中包含计算机可读的程序代码。
可以采用一个或多个计算机可读介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的***、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括——但不限于——电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括——但不限于——无线、有线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
在此将参照根据本发明实施例的方法、装置(***)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述本发明。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些计算机程序指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/运动的装置。
也可以把这些计算机程序指令存储在计算机可读介质中，这些指令使得计算机、其它可编程数据处理装置、或其他设备以特定方式工作，从而，存储在计算机可读介质中的指令就产生出包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/运动的指令的制造品(article ofmanufacture)。
计算机程序产品也可被加载到计算机、其他可编程数据处理设备或其他设备以使得一系列操作步骤在计算机、其他可编程设备或其他设备上被执行以产生计算机可执行处理，这样在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供了实施在流程图和/或框图和/或框中指定的功能/行为的处理。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的***、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或运动的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
在此使用的术语仅是为了描述特定实施例，而不是限制本发明。如在此使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括负数形式，除非上下文另有清楚说明。还将理解术语“包括”和/或“包含”当被用在本说明书中时，指示存在所说明的特点、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其他特点、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。
所附权利要求书中的对应结构、材料、行动或所有方式或步骤加功能的等价物旨在包括用于结合所要求保护的其他元件执行人功能的任何结构、材料或作用。展示了本发明的描述是为了示出和描述的目的，但不旨在是穷尽的或将本发明限制在所公开的形式。对本领域普通技术人员来说，许多修改和变化是明显的，而不脱离本发明的范围和精神。实施例被选择和描述是为了最好地解释本发明的原理和实际应用，并使得本领域普通技术人员能理解本发明，因为具有各种修改的各种实施例适于预期的特定使用。
在此示出的流程图仅是一个例子。可对在此描述的图或步骤(操作)进行各种修改而不脱离本发明的精神。例如，步骤可以不同的方式被执行，或步骤可被添加、删除或修改。所有这些修改被认为是所要求保护的本发明的一部分。
尽管已描述了本发明的示例性实施例，将理解本领域技术人员在现在和将来可以做出各种落在所附权利要求书范围内的改善和改进。这些权利要求被理解为维持对首次描述的本发明的合适保护。

Claims (25)

1.一种用于控制链接到聚合体的一个或多个带电实体通过纳米通道的装置，包括：
由所述纳米通道连接的第一容器和第二容器、沿着所述纳米通道设置的电极阵列，其中流体填充所述第一容器、所述第二容器和所述纳米通道；以及
位于所述第一容器中的第一电极和位于所述第二容器中的第二电极，所述第一和第二电极被配置为将链接到所述聚合体的所述一个或多个带电实体导引到所述纳米通道中；
其中所述电极阵列被配置为响应于被控制为捕获，捕获所述纳米通道中的所述一个或多个带电实体；以及
其中所述电极阵列被配置为响应于被控制为移动，沿着所述纳米通道移动所述一个或多个带电实体。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述电极阵列被配置为，响应于电压偏置被施加到所述电极阵列，捕获所述纳米通道中的所述一个或多个带电实体。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述电极阵列被配置为，响应于电压偏置被施加到所述电极阵列，沿着所述纳米通道一次移动所述一个或多个带电实体一个周期。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述一个或多个带电实体包括至少包括带电部件和未带电部件的阵列，以及
其中所述一个周期对应于所述带电部件的长度和所述未带电部件的长度的平均值。
5.根据权利要求4所述的装置，其中交替施加到所述电极阵列的各电极的所述电压偏置的极性方案使所述一个或多个带电实体沿着所述纳米通道一次移动所述一个周期。
6.根据权利要求4所述的装置，其中所述电极阵列被配置为，响应于以第一极性方案施加的所述电压偏置，将所述带电部件捕获在所述电极阵列的中心区域中，或从所述电极阵列的所述中心区域移动所述未带电部件；以及
其中所述电极阵列被配置为，响应于以第二极性方案施加的所述电压偏置，将所述未带电部件捕获在所述电极阵列的所述中心区域中，或从所述电极阵列的所述中心区域移动所述带电部件。
7.根据权利要求3所述的装置，其中所述一个周期对应于所述电极阵列中各个电极之间的相等距离。
8.根据权利要求7所述的装置，其中具有极性方案的所述电压偏置被施加到所述电极阵列的各电极的连续组，以沿着所述纳米通道移动所述一个或多个带电实体所述一个周期的所述相等距离；
其中具有所述极性方案的所述电压偏置被施加到所述电极阵列的各电极的另一连续组，以沿着所述纳米通道移动所述一个或多个带电实体所述一个周期的所述相等距离；以及
其中与所述连续组相比，所述另一连续组被上移单个电极。
9.根据权利要求1所述的装置，还包括以与所述聚合体反应的另一流体填充的另一纳米通道，所述另一纳米通道通过开口与所述纳米通道连通；
其中所述开口被配置为，响应于施加到所述另一纳米通道的正压力，将所述另一流体排斥到所述纳米通道中以与在所述开口周围的局部区域处的聚合体反应；
其中所述开口被配置为，响应于施加到所述另一纳米通道的负压力，将已排斥到所述开口周围的所述局部区域处的所述纳米通道的所述另一流体吸出。
10.根据权利要求3所述的装置，其中所述一个或多个带电实体包括带电部件和中性部件的阵列。
11.根据权利要求3所述的装置，其中所述一个或多个带电实体包括带正电部件和带负电部件的阵列。
12.一种用于控制链接到聚合体的一个或多个带电实体通过纳米通道的方法，所述方法包括：
通过所述纳米通道连接第一容器和第二容器，沿着所述纳米通道设置电极阵列，其中流体填充所述第一容器、所述第二容器和所述纳米通道；以及
配置所述第一容器中的第一电极和所述第二容器中的第二电极，所述第一和第二电极被配置为将链接到所述聚合体的所述一个或多个带电实体导引到所述纳米通道中；
其中所述电极阵列被配置为，响应于被控制为捕获，捕获所述纳米通道中的所述一个或多个带电实体；以及
其中所述电极阵列被配置为，响应于被控制为移动，沿着所述纳米通道移动所述一个或多个带电实体。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述电极阵列被配置为，响应于施加到所述电极阵列的电压偏置，捕获在所述纳米通道中的所述一个或多个带电实体。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述电极阵列被配置为，响应于被施加到所述电极阵列的电压偏置，沿着所述纳米通道一次移动所述一个或多个带电实体一个周期。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述一个或多个带电实体包括带电部件和未带电部件；以及
其中所述一个周期对应于所述带电部件的长度和所述未带电部件的长度的平均值。
16.根据权利要求15所述的方法，其中交替施加到所述电极阵列的各电极的所述电压偏置的极性方案使得所述一个或多个带电实体沿着所述纳米通道一次移动所述一个周期。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述电极阵列被配置为，响应于以第一极性方案施加的所述电压偏置，将所述带电部件捕获在所述电极阵列的中心区域中，或从所述电极阵列的所述中心区域移动所述未带电部件；以及
其中所述电极阵列被配置为，响应于以第二极性方案施加的所述电压偏置，将所述未带电部件捕获在所述电极阵列的所述中心区域中，或从所述电极阵列的所述中心区域移动所述带电部件。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述一个周期对应于所述电极阵列中的各电极之间的相等距离。
19.根据权利要求18所述的方法，其中具有极性方案的所述电压偏置被施加到所述电极阵列的各电极的连续组，以沿着所述纳米通道移动所述一个或多个带电实体所述一个周期的所述相等距离；
其中具有所述极性方案的所述电压偏置被施加到所述电极阵列的各电极的另一连续组，以沿着所述纳米通道移动所述一个或多个带电实体所述一个周期的所述相等距离；以及
其中与所述连续组相比，所述另一连续组被上移单个电极。
20.根据权利要求12所述的方法，还包括以与所述聚合体反应的另一流体填充的另一纳米通道，所述另一纳米通道通过开口与所述纳米通道连通；
其中所述开口被配置为，响应于施加到所述另一纳米通道的正压力，将所述另一流体排斥到所述纳米通道中以与在所述开口周围的局部区域处的聚合体反应；
其中所述开口被配置为，响应于施加到所述另一纳米通道的负压力，将已排斥到在所述开口周围的所述局部区域处的所述纳米通道的所述另一流体吸出。
21.一种用于控制链接到聚合体的一个或多个带电实体通过纳米通道的***，所述***包括：
装置，包括：
由所述纳米通道连接的第一容器和第二容器、沿着所述纳米通道设置的电极阵列，其中流体填充所述第一容器、所述第二容器和所述纳米通道；以及
位于所述第一容器中的第一电极和位于所述第二容器中的第二电极，所述第一和第二电极被配置为将链接到所述聚合体的所述一个或多个带电实体导引到所述纳米通道中；以及
电压源，被配置为，响应于所述电压源被控制为捕获，使得所述电极阵列捕获在所述纳米通道中的所述一个或多个带电实体；
其中所述电压源被配置为，响应于所述电压源被控制为移动，使得所述电极阵列沿着所述纳米通道移动所述一个或多个带电实体。
22.根据权利要求21所述的***，其中所述电极阵列被配置为，响应于被施加到所述电极阵列的电压偏置，捕获所述纳米通道中的所述一个或多个带电实体。
23.根据权利要求21所述的***，其中所述电极阵列被配置为，响应于被施加到所述电极阵列的电压偏置，沿着纳米通道一次移动所述一个或多个带电实体一个周期。
24.根据权利要求23所述的***，其中所述一个或多个带电实体包括带电部件和未带电部件；以及
其中所述一个周期对应于所述带电部件的长度和所述未带电部件的长度的平均值。
25.一种用于控制一个或多个带电实体通过纳米通道的装置，所述装置包括：
由所述纳米通道连接的第一容器和第二容器、沿着所述纳米通道设置的电极阵列，其中流体填充所述第一容器、所述第二容器和所述纳米通道；以及
位于所述第一容器中的第一电极和位于所述第二容器中的第二电极，所述第一和第二电极被配置为将所述一个或多个带电实体导引到所述纳米通道中；
其中所述电极阵列被配置为响应于被控制为捕获，捕获所述纳米通道中的所述一个或多个带电实体；以及
其中所述电极阵列被配置为响应于被控制为移动，沿着所述纳米通道移动所述一个或多个带电实体。
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