JP2016512605A - 転位制御のためのシステム、デバイス、および方法 - Google Patents
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Abstract
本開示のいくつかの実施形態は、ナノ細孔を横断する分子の遷移を制御するためのシステム、方法、およびデバイスを対象にする。いくつかの実施形態は、第1のコンパートメント、第2のコンパートメント、第1のコンパートメント内に提供される第1の電極および第2のコンパートメント内に提供される第2の電極を備える、第1の対の電極と、第1のコンパートメントを第2のコンパートメントから分離する仕切りと、仕切り内に提供されるオリフィスと、オリフィスに近接して配列される、第2の対の電極であって、分子と官能化される、第2の対の電極と、第2の対の電極間の間隔を備える、トンネル間隙とを備える、デバイスを対象にする。
Description
(連邦政府によって支援された研究および開発に関するステートメント)
本開示の実施形態は、国立衛生研究所によって付与されたNIH Grant第R01 HG006323号のもとでの政府支援によってなされた。米国政府は、本明細書中に開示されている発明において一定の権利を有する。
本開示の実施形態は、国立衛生研究所によって付与されたNIH Grant第R01 HG006323号のもとでの政府支援によってなされた。米国政府は、本明細書中に開示されている発明において一定の権利を有する。
(関連出願)
本願は、2013年3月13日に出願され、“SYSTEMS,DEVICES AND METHODS FOR TRANSLOTATION CONTROL”と題された、米国仮特許出願第61/780,477号の35 U.S.C.§119(e)のもとでの利益を主張するものであり、該米国仮特許出願の全開示は、参照により本明細書中に援用される。
本願は、2013年3月13日に出願され、“SYSTEMS,DEVICES AND METHODS FOR TRANSLOTATION CONTROL”と題された、米国仮特許出願第61/780,477号の35 U.S.C.§119(e)のもとでの利益を主張するものであり、該米国仮特許出願の全開示は、参照により本明細書中に援用される。
ナノ細孔内のポリマーの同定および配列決定の主要な課題は、電気泳動によって細孔を通して駆動される高帯電分子の高速性であることが広く認識されている1。熱変動を克服するために十分な大きさの電圧2(すなわち、25mVの数倍である、数倍の熱エネルギーまたは電圧)では、転位速度は、二本鎖DNAの場合、DNA塩基あたり約数マイクロ秒(またはそれ未満)である。現在、転位を減速させるための方式が、提案されている。第1のものでは、DNAを処理する、分子モータが、ナノ細孔の中に引き込まれるにつれて、DNA分子をトラップするために使用される(図1)。重合をブロッキングする修飾鎖4で終端される、DNA3が、鎖4のためそれを処理することができない、DNAポリメラーゼ2によって捕捉される。非ハイブリダイズ領域5が、ポリメラーゼから垂下し、電気泳動によって、ナノ細孔1の中に引き込まれる。適正な電気駆動力を用いて、ブロッキング鎖4は、ナノ細孔の中に引っ張られるにつれて、DNAから剥離される。いったんブロッキング鎖が除去されると、相補鎖の合成が、ヌクレオチドの存在下で開始する。これは、細孔を通したオーバーハング鎖5の比較的に低速の引き戻しをもたらし、配列が読み取られることを可能にする3。本方式は、DNA配列決定に制限される。
第2のアプローチでは、DNAトランジスタと呼ばれる、固体転位デバイスが、提供される4,5(図2)。DNA分子(または、他の帯電ポリマー)13は、固体ナノ細孔10の中に引き込まれ、そこで、一式の3つの埋込電極(誘電体12によって分離される)が、反対電場を印加する。電場が、十分に大きい場合、DNAの動きは、完全に停止されることができる。
検体の結合に依拠する、多くの分析技法に一般的なさらに別の問題が存在する。結合の確率は、解離定数Kdによって判定される。高選択性結合剤の場合、Kdは、10−9M程度と小さくあり得る。しかしながら、多くの代謝物およびタンパク質は、これよりはるかに低い濃度で生体細胞内に存在する。これは、ポリメラーゼ連鎖反応が、検体の濃度を増加させるために使用され得る場合、DNA配列決定において問題ではないが、他の検体(例えば、タンパク質、アミノ酸代謝物)の濃度を増加させる同等方法は、存在しない。したがって、検体を集中およびトラップし、検出器におけるその効果的濃度を上昇させる、デバイスの必要性がある6。
加えて、また、実装が単純であって、かつ化学組成物の読取のための方式と互換性がある、任意の帯電ポリマーと併用され得る、転位制御方式を開発することが望ましいであろう。これらおよび他の利点は、本発明の転位制御方式において得られる。
故に、前述の難点のうちの少なくともいくつかに対処するために、本開示は、本明細書に開示される実施形態のうちの少なくともいくつかに関して、以下の概要を提示する。
いくつかの実施形態では、ナノ細孔を横断する分子の遷移を制御するためのデバイスが、提供され、第1のコンパートメントと、第2のコンパートメントと、第1のコンパートメント内に提供される第1の電極および第2のコンパートメント内に提供される第2の電極を備える、第1の対の電極と、第1のコンパートメントを第2のコンパートメントから分離する仕切りと、仕切り内に提供されるオリフィスと、オリフィスに近接して配列される、第2の対の電極であって、分子と官能化される、第2の対の電極と、第2の対の電極間の間隔を備える、トンネル間隙とを含む。
いくつかのそのような実施形態では、電圧バイアスが、第2の対の電極間に印加されてもよく、分子輸送のために第1の方向に電気浸透流動を発生させるように構成されてもよい。
いくつかのそのような実施形態では、少なくとも1kHzの周波数のAC電圧が、第2の対の電極間に印加されてもよい。さらに、トンネル間隙内の分子の存在は、AC電流信号の非線形処理を用いて検出されてもよい。
いくつかのそのような実施形態では、電圧バイアスが、第1の電極と第2の対の電極との間および第2の電極と第2の対の電極との間のうちの少なくとも1つに印加されてもよく、電圧バイアスは、第2の電極対によって発生される信号によってフィードされる回路によって制御される。
いくつかのそのような実施形態では、印加される電圧バイアスは、ACおよびDC成分の両方を含む。
いくつかの実施形態では、分子の収集および/または検出を制御するためのデバイスが、提供され、第1のコンパートメントと、第2のコンパートメントと、第1のコンパートメント内に提供される第1の電極および第2のコンパートメント内に提供される第2の電極を備える、第1の対の電極と、第1のコンパートメントを第2のコンパートメントから分離する仕切りと、仕切り内に提供されるオリフィスと、オリフィスに近接して配列される、少なくとも1つのオリフィス電極とを含む。
いくつかの実施形態では、ナノ細孔内の検体分子の濃度を制御するためのデバイスが、提供され、電圧バイアス手段によって細孔内に電解質の電気浸透流動を発生させるように構成される電極と連接される、ナノ細孔を含み、電気浸透流動は、ナノ細孔の少なくとも片側に提供されるバルクリザーバからの検体分子を、バルクリザーバからナノ細孔の中への結果として生じる流体流動を介して、捕捉することおよび集中させることのうちの少なくとも1つを行うように構成される。
いくつかの実施形態では、ナノ細孔を横断する分子の遷移を制御するためのデバイスが、提供され、第1のコンパートメントと、第2のコンパートメントと、第1のコンパートメント内に提供される第1の電極および第2のコンパートメント内に提供される第2の電極を備える、第1の対の電極と、第1のコンパートメントを第2のコンパートメントから分離する仕切りと、仕切り内に提供されるナノ細孔と、オリフィスに近接して配列される、第2の対の電極であって、分子と官能化される、第2の対の電極と、第2の対の電極間の間隔を備える、トンネル間隙とを含む。そのような実施形態では、第1の対の電極は、ナノ細孔の中への分子の流動に対抗するようにバイアスがかけられてもよく、第2の対の電極は、電気浸透流動をナノ細孔の中に発生させるようにバイアスがかけられてもよい。
いくつかの実施形態では、非帯電分子の転位を制御するためのナノ細孔デバイスが、提供され、第1のコンパートメントと、第2のコンパートメントと、第1のコンパートメント内に提供される第1の電極および第2のコンパートメント内に提供される第2の電極を備える、第1の対の電極と、第1のコンパートメントを第2のコンパートメントから分離する仕切りと、仕切り内に提供されるナノ細孔と、オリフィスに近接して配列される、第2の対の電極であって、分子と官能化される、第2の対の電極と、第2の対の電極間の間隔を備える、トンネル間隙とを含む。そのような実施形態では、第2の対の電極は、ストークス流をナノ細孔の中に発生させるようにバイアスがかけられてもよい。
いくつかの実施形態では、ナノ細孔を横断する分子の遷移を制御するための方法が、提供され、開示されるシステム/デバイス実施形態のうちの1つまたは別のものによる、システムまたはデバイスを提供するステップと、分子輸送のために第1の方向に電気浸透流動を発生させるように構成される、電圧バイアスを第2の対の電極間に印加するステップとを含む。いくつかのそのような実施形態では、付加的ステップとして、
−少なくとも1kHzの周波数のAC電圧を第2の対の電極間に印加するステップと、
−AC電流信号の非線形処理を介して、トンネル間隙内の分子の存在を検出するステップと、
−電圧バイアスを第1の電極と第2の対の電極との間および第2の電極と第2の対の電極との間のうちの少なくとも1つに印加するステップであって、電圧バイアスは、第2の電極対によって発生される信号によってフィードされる回路によって制御される、ステップと、
を含んでもよく、
−電圧バイアスは、ACおよびDC成分の両方を備える。
−少なくとも1kHzの周波数のAC電圧を第2の対の電極間に印加するステップと、
−AC電流信号の非線形処理を介して、トンネル間隙内の分子の存在を検出するステップと、
−電圧バイアスを第1の電極と第2の対の電極との間および第2の電極と第2の対の電極との間のうちの少なくとも1つに印加するステップであって、電圧バイアスは、第2の電極対によって発生される信号によってフィードされる回路によって制御される、ステップと、
を含んでもよく、
−電圧バイアスは、ACおよびDC成分の両方を備える。
いくつかの実施形態では、ナノ細孔内の検体分子の濃度を制御するための方法が、提供され、開示されるシステム/デバイス実施形態のうちの1つまたは別のものによる、システムまたはデバイスを提供するステップと、電圧バイアス手段によって細孔内に電解質の電気浸透流動を発生させるステップとを含み、電気浸透流動は、ナノ細孔の少なくとも片側に提供されるバルクリザーバからの検体分子を、バルクリザーバからナノ細孔の中への結果として生じる流体流動を介して、捕捉することおよび集中させることのうちの少なくとも1つを行うように構成される。
いくつかの実施形態では、ナノ細孔を横断する分子の遷移を制御するための方法が、提供され、開示されるシステム/デバイス実施形態のうちの1つおよび/または別のものによる、システムまたはデバイスを提供するステップと、ナノ細孔の中への分子の流動に対抗するように、第1の対の電極にバイアスをかけるステップと、電気浸透流動をナノ細孔の中に発生させるように、第2の対の電極にバイアスをかけるステップとを含む。
いくつかの実施形態では、非帯電分子の転位を制御するための方法が、提供され、開示されるシステム/デバイス実施形態のうちの1つまたは別のものによる、システムまたはデバイスを提供するステップと、ストークス流をナノ細孔の中に発生させるように、第2の対の電極にバイアスをかけるステップとを含む。
本開示によって教示される多くの他の実施形態のこれらおよびいくつかは、本願とともに含まれる図面(簡単な説明が、以下に提供される)およびそれに続く発明を実施するための形態を参照して、さらにより明白となるであろう。
本開示の実施形態のいくつかの基本は、認識トンネルとして知られる、トンネル電極にテザーされる認識試薬による標的分子のトラップである。7一連の前述の開示第WO2009/117522A2号、第WO2010/042514A1号、第WO2009/117517号、第WO2008/124706A2号、および第WO2011/09141号(それぞれ、参照することによって本明細書に組み込まれる)では、核酸塩基が、ヌクレオ塩基がアダプタ分子で官能化されたトンネル間隙を通して通過するにつれて発生される電子トンネル電流信号を使用して読み取られ得る、システムが、開示された。ポリマー内に埋め込まれた個々の塩基を読み取るための本システムの能力の実証は、Huang et al.8によって与えられている。Huang et al.8による論文では、動的分子間力分光法が、どのように一対の認識分子によってトラップされた標的分子の解離速度を測定し得るかが示されている。本トラップは、DNA17中のC塩基の具体的実施例を使用して、図3Aに図示される。認識分子4(5)−(2−メルカプトエチル)−lHイミダゾール−2−カルボキサミド16は、2〜3nm分離される、電極14に共有結合的にテザーされる。認識分子16は、DNAが電極間の空間に及ぶナノ細孔15を通して通過するにつれて、塩基17と水素結合錯体を形成する9。
認識トンネルは、配列の読取を可能にするだけではなく、ある場合には、また、検体分子をトンネル間隙内にトラップすることができる。注意深く選択された温度、溶液粘性、およびバイアスを用いても、固体ナノ細孔内で達成される最低速転位時間(約4nm径細孔)は、塩基(二本鎖DNAの場合)あたり約0.3μsであって10、あまりに高速で、配列が電子的に読み取られることができない。
転位が、どのように官能化されたナノ細孔内で減速されるかの例示的例証、すなわち、認識分子への検体の結合速度論が、考慮される。結合された錯体の解離速度(図9)koff、は、以下に従って、印加された力に依存する。
同一の一式の動的分子間力分光法測定 8 は、xTS=0.78nmをもたらす。DNA分子にかかる力は、概して、F=0.24pN/mVに従って13、ナノ細孔を横断して印加される電圧に依存するため、任意の外部から印加されるバイアスにおける解離速度が、計算されることができる。例えば、塩基あたり10msの滞留時間が、配列を正確に読み取るために望ましい場合、koffは、
実験データは、電極の官能化が、裸金属電極を越えての転位と比較して、転位を減速させる見解を支持する(図3B)。加えて、転位時間は、印加される電圧に伴って指数関数的にではなく、線形に変化し、摩擦が、能動的化結合および結合解除を支配することを示す。4(5)−(2−メルカプトエチル)−lHイミダゾール−2−カルボキサミドで官能化されたPd電極によって囲繞されるナノ細孔を用いて行われる電流遮断時間の分布は、図3Bにおける白抜きバー18によって示される。データは、70mVのバイアスが印加される63ヌクレオチド一本鎖DNAの場合のものである。適合(実線)は、塩基あたり約0.2ms滞留時間に対応する、ピーク10±1msを伴う対数正規分布に対して行われる(但し、多くの事象は、これより長い)。
対照的に、非官能化電極に対する遮断時間の中央値(図3Bにおける黒色バー19)は、同一DNAが同様に70mVバイアスがかけられた同一細孔の場合、約0.5msである。これは、塩基あたり約8μsに対応する。これは、依然として、非金属化細孔(および、二本鎖DNA)の場合に報告される最低速時間より>20倍低速であって、これは、金属電極への一本鎖DNAの結合に起因すると考えられる。14したがって、4(5)−(2−メルカプトエチル)−lHイミダゾール−2−カルボキサミドで官能化され、ナノ細孔に近接近して配置された金属電極を用いると、DNA転位は、金属電極および官能化を伴わない固体ナノ細孔を通した転位と比較して、約1000倍減速され得る。認識トンネル幾何学形状は、限定されたバイアス(例えば、10〜100mV範囲)が細孔を横断して印加され得ることを前提として、配列読取のために、転位を適正に減速させる役割を果たす。しかしながら、いくつかの実施形態では、トンネル電極を横断してバイアスを印加する必要性は、ナノ細孔を横断する任意の転位バイアスの印加を複雑にし得る。これは、以下に記載のように対処されることができる。
いくつかの実施形態では、認識トンネルによる信号の発生は、前述に開示される転位バイアス値を上回る、約0.1〜約0.5Vのトンネル間隙を横断する電圧を含む15。図4を参照すると、いくつかの実施形態では、全体的転位バイアスは、細孔の両側の電解質溶液中に浸漬される、一対の基準電極R1、27およびR2、28を横断して印加される。2つの基準電極間に印加される総バイアスは、V1+V2(図上のV1、29、V2、30)である。ナノ細孔自体が、トンネル電極(T1、25およびT2、26)を含有するため、いくつかの実施形態では、これらの電極の電位は、基準電極に対して定義される(いくつかの実施形態では、これが行われない場合、イオンおよび帯電分子は、転位に対抗するようその電位を改変するように、金属表面上に吸収され得る)。いくつかの実施形態では、2つのトンネル電極が同一電位(V3、31、=0)であることに応じて、理想的には、V1は、ナノ細孔電極25および26の電位が2つの基準電極27と28との間の中間にあるように、V2(V2<0)の大きさとほぼ等しく設定される。
いくつかの実施形態によると、転位されるべき分子が、下側リザーバ内に設置される場合、DNA(負に帯電)の場合、V1をより負にすることは、分子のより高速の捕捉をもたらす一方、V2の増加は、T1 25およびT2 26(付着された認識分子、R、32、33とともに)によって形成される接合からの分子のより高速な引き離しをもたらす。しかしながら、バイアスが、V1+V2の大きさを上回る、トンネル接合を横断して印加される場合、一方または他のトンネル電極は、典型的トンネル電圧が、転位電位(例えば、V1+V2=50mVの大きさ)を上回るため(500mV)、R1またはR2のいずれかより電位がより高い(または、低い)。T1またはT2のいずれかの電位が、R1を下回る場合、DNA分子は、ナノ細孔から跳ね返される(静電力のみが考慮される場合)。T1またはT2がR2を上回る場合、DNA分子は、再び、静電力のみが考慮される限定において、間隙から迅速に引き反されないであろう。
いくつかの実施形態では、解決策の1つは、交流(AC)バイアスを用いてトンネル間隙を操作することである。具体的には、ACバイアスの周波数が、DNAの誘電応答周波数(典型的には、数kHz16−19)を上回る場合、転位に及ぼすACバイアスV3 31の影響は、小さくなり得る。以下に示されるように、いくつかの実施形態は、DC電圧とAC信号の組み合わせが課されるようなV3を提供する。いくつかのそのような実施形態では、トンネル電流は、当技術分野において公知のように、ピーク振幅検出器またはロックインを用いて検出される。これは、電流信号の時間平均が、ACバイアスが印加された状態で、ゼロであるためである。参照番号34は、いくつかの実施形態によると、T1とT2との間の接合を横断して流動するトンネル電流に比例して電圧信号を発生させる、電流/電圧コンバータ(トランスインピーダンス増幅器)である。いくつかの実施形態では、本コンバータの応答は、デバイスを通して流動する電流1nAに対して1Vの出力である。故に、AC電圧出力は、ロックイン検出器35の信号入力にフィードされ、DC成分は、キャパシタ37によってブロックキングされる。AC駆動電圧は、ロックインのための基準信号として使用される。本バイアスの例示的値は、約l00mV〜約l000mVのピークトゥーピーク範囲内であって、500mVのピークトゥーピークが好ましい。例示的周波数は、約1kHz〜約100kHzの範囲内にあってもよく、約20kHzが、いくつかの実施形態によると、好ましい周波数である。いくつかの実施形態による、得られたDC信号に対する信号平均時間は、約5ms〜50約マイクロ秒の範囲内であって、約500マイクロ秒が、いくつかの実施形態によると、好ましい。これらの時間は、出力電圧36を発生させるために、ロックイン35内に設定され、それによって、間隙内の化学種の同定を可能にするために不可欠なトンネル信号の動的特徴を留保しながら、(いくつかの実施形態では)AC変調信号の数サイクルにわたって平均化を可能にしてもよい。20ロックインは、信号平均時間定数を設定するために使用されるレジスタを伴う、単純ピーク検出回路(ダイオードおよびキャパシタ)と置換されてもよいことは、当業者に認識されるであろう。
図5および6は、本開示の実施形態による、ナノ細孔内のトンネル接合のための2つの例示的配列を図示する。図5は、いくつかの実施形態による、平面構成を示し、約10〜約100nmの幅のワイヤが、膜42内のナノ細孔41に及ぶ、一対の電極43を形成するように切断される。いくつかの実施形態では、膜は、典型的には、約10〜約100nmの厚さであって、窒化ケイ素またはシリコンの酸化物から作製される。電極間の間隙は、約2nm〜約3nmであって、ナノ細孔は、類似直径を含んでもよい。図6は、米国特許出願第61/711,981号(参照することによって本明細書に組み込まれる)に前述される、いくつかの実施形態による、平面「積層」構成を示す。図6では、2つの電極45および47は、約2nm〜約3nmの厚さの誘電層46によって分離され、Al2O3は、好ましい材料であって、原子層堆積によって堆積される(いくつかの実施形態によると)。電極(45および47)は、薄い(0.5nm)Ti接着層上に堆積される、約4nm〜約10nmの厚さのPd金属であってもよい。狭着物は、SiN基板42上に着座し、典型的には、約10〜約100nmの厚さである。ナノ細孔41(または、他の間隙)は、アセンブリ全体を通して穿孔され、電極45および47の縁を暴露させる。いくつかの実施形態では、電極は、デバイス全体を認識分子44のエタノール溶液中に一晩浸漬させることによって、官能化されてもよい。本平面構成は、大トンネルバイアスの使用の問題の解決策につながる、予想外の特性を含み、それらを広範囲の距離から収集することによって、中性分子でさえ間隙中にトラップする能力を与える。
ナノ細孔中のDNAまたは任意の他の帯電ポリマーの動きは、DNAにかかる実際の力が、正に分極された電極へのDNAの電気泳動誘引に加え、寄与を有するため、複雑である。具体的には、DNAにかかる力として、以下が挙げられ得る。
(a)分子のサイズおよび速度に依存する、抗力。
(b)第一次近似に対して、細孔に沿った電圧にのみ依存する、DNA電荷に比例する、電気泳動力(DNA電荷は、長さに伴って増加するが、細孔内の電場は、所与の電圧の場合、細孔長に伴って減少する)。
(c)AC電場の大きさの勾配、その周波数、そのサイズ、ならびに電解質環境に対するDNAの誘電および伝導性特性に依存する、誘電泳動力。
(d)無作為熱力。
(a)分子のサイズおよび速度に依存する、抗力。
(b)第一次近似に対して、細孔に沿った電圧にのみ依存する、DNA電荷に比例する、電気泳動力(DNA電荷は、長さに伴って増加するが、細孔内の電場は、所与の電圧の場合、細孔長に伴って減少する)。
(c)AC電場の大きさの勾配、その周波数、そのサイズ、ならびに電解質環境に対するDNAの誘電および伝導性特性に依存する、誘電泳動力。
(d)無作為熱力。
これらの寄与は全て、図7−9に示される、いくつかの実施形態による、積層電極デバイス内のDNA転位の有限要素分析において考慮されている。図7では、細孔幾何学形状の垂直断面の半分が、構成の円筒形方位対称に起因して示される。3次元構造は、モデルをX−Xとマークされた軸線の周囲で回転させることによって発生される。ナノ細孔41の半分が、図7A−Cおよび8の左に示される。窒化ケイ素基板は、42である。ここではV=0と仮定される、下側Pd電極は、45である。誘電Al2O3層は、46である。上部Pd電極は、47である。下側チャンバ50内の塩類液は、下側基準電極27と接触する。同様に、上側チャンバ51内の塩類液は、上側基準電極28と接触する。1M KCl内の電場は、図上の矢印によって示される。一連の図(図7A−C)は、上部基準電極が+0.1Vのバイアスがかけられ、底部基準電極が−0.1Vのバイアスがかけられた状態で、上部電極47が、−0.5V、0Vおよび+0.5Vのバイアスがかけられるにつれて、電場分布がどのように変化するかを示す。60塩基またはより長いDNAは、いくつかの実施形態によると、電気泳動に対抗する強電場が電極47と45との間にあるとき(すなわち、V3=−0.5Vの場合)でも、細孔を通して転座する。これは、本領域内の電場が、DNAを押し出すように作用する間、電気浸透流動(本領域内でのみ)が、反対方向に作用するためである。
故に、DNAは、電極45の近傍における誘引電気泳動力によって細孔の中に引き込まれ、次いで、電極47と45との間の逆電場によって提示される障壁によってトラップされる(または、いくつかの実施形態では、再び押し戻されさえする)。変動が、それを電場逆転の次の領域(電極47の上方)の中に駆動するとすぐ、次いで、上部電極28によって上方に掃引されることができる。いくつかの実施形態では、類似パターンが、より小さいV3を用いて生じるが、ここでは、DNAは、より少ない時間の間、電極45と47との間の逆転電場の領域内にトラップされる。挙動は、V3=0V(図7C)であるときと異なり得、ここでは、電場は、2つの電極45と47との間の領域内に存在しない。その結果、DNAは、多くの場合、トラップされ、時として、電気浸透流動によって、細孔から下側リザーバ50の中に逆放出される。いくつかの実施形態では、本効果は、サイズに依存する。
いくつかの実施形態では、V3>0(図11)である、逆状況でも、転位は、依然として、生じる。この場合、電極45と47との間の間隙内の転位を補助する、強電場が、存在する。しかしながら、DNAは、最も正の電極47に付着し得るが、ナノ細孔から急速に拡散し、電極47の上部表面にわたって拡散し得る。
本反直感的挙動につながる物理的機構は、図8−10に詳細に論じられる。SiNナノ細孔の上部における金属電極(溶媒に面する負に帯電された表面を有する)および上側Pd電極47の表面はまた、負電位時、著しく負に帯電され、これらの表面電荷は両方とも、正体積電荷をナノ細孔内に誘発させる。体積電荷の分布は、軸の周囲の負体積電荷の領域(細孔内の白色領域)の出現状態でさえ、均一ではない(図8)。これらの電荷に作用する体積力は、電場にもまた比例し、正電荷の場合、電場のように指向される。電場は、細孔内のその方向を変化させるため(図7A)、溶媒に作用する、2つの対抗力が、存在する。水の非圧縮性および連続性に起因して、液体全体は、より強い力の方向に移動するであろう。細孔は、いくつかのドメインに分割され(図9)、表Iに、V3=−0.4V(V2−V1=100mV)の場合のドメイン毎の総体積電荷、電場の平均縦方向成分、および総体積力が示される。上向き、すなわち、負から正電極のドメイン体積力が、優勢であって、溶媒の流動をその方向に生じさせる。
図10は、いくつかの実施形態による、図6に示される、「積層」トンネル接合幾何学形状の場合のトンネル電極V3を横断するバイアスの関数としての転位速度を示す。本配列は、DNAの単一粒子モデルに対するものであるため、伸長鎖から生じる付加的摩擦またはナノ細孔の外側の鎖の一部にかかる力を表さない。また、DNAに結合する認識分子(図4における32、33)から生じる摩擦力も含まない。
ナノ細孔を通る水中のDNAの転位速度は、ピコ秒スケールにおいて、電場および移動度の変化に対して反応する。瞬間速度
下から上へのz−軸垂直線を伴う、図9および図10とともに表1を参照すると、図9における細孔の種々のドメイン内の電気泳動速度νepのz−成分は(V3=−0.4Vであるとき)、6.45cm/s〜−0.5m/sの値をとる一方、電気浸透速度uの平均z−成分は、水非圧縮性に起因して、全ドメインに対して
電気浸透ストークス流の法則のため、ナノ細孔の中への液体の流動は、液体の非圧縮性に起因して、分子を広範囲の距離から細孔の中にもたらす一方、電気泳動力は、細孔近傍にのみ作用することから、基準電極R1およびR2は、「逆方向」にバイアスがかけられ得、分子は、依然として、捕捉および転位され得る。これは、図11に示される例示的実施形態に図示され、積層トンネル接合構成が、使用され、電極は、図6におけるように標識化され、電圧V1、V2、およびV3は、図4におけるように定義される。例えば、負に帯電されたDNA分子が、R1と仕切り42との間の下側リザーバ内に設置され、V1が、R1がT1 45に対して正であるように配列される場合、電気泳動力1002は、DNA分子をナノ細孔から遠ざけるように作用する。しかしながら、T2 47がT1 45に対して負にされるときに生じる、電気浸透力は、ここでは、電気浸透力が電気泳動力を超えることを前提として、分子を細孔の中に引っ張る。したがって、これらの条件では、転位は、実質的に、任意に減速されることができる。さらに、大V1を「逆」方向に印加することによって、実質的V3が、印加され、大トンネル信号を発生させることができる。長距離のストークス流1003のため、ナノ細孔への進入に対抗する電気泳動力が、ナノ細孔のすぐ近傍においてのみ作用するため、分子は、依然として、効率的に捕捉されることができる。
これらの挙動は、いくつかの実施形態では、印加されるバイアスV3がAC正弦波であるとき、再現される。DNAは、細孔に進入するとき、V3の値に従って転位する。これは、転位時間が、これらのシミュレーションでは、AC波形の周期よりはるかに短いため、そのような実施形態に該当する。
故に、いくつかの実施形態では、閾値周波数を上回る(いくつかの実施形態では、約10kHzを上回る)ACバイアスを用いて実施されるトンネル検出では、DNAは、バイアスが最適値に到達すると、転位する。いくつかの実施形態の場合に要求される周波数を推定するために、より現実的測定転位時間が、官能化されたトンネル接合に考慮される(図3B)。いくつかの実施形態では、配列を読み取るために、塩基あたり多くのサイクルが、必要とされる。故に、図3Bに示される分布のピークは、0.16ms/塩基に対応する。各塩基を10回サンプリングするために、いくつかの実施形態によると、約63kHzのAC周波数を要求する。
前述の実施形態のいくつかでは、電気泳動力だけで、認識分子を伴わない場合、転位時間は、認識分子によって課される化学抗力がモデル内に含まれなかったため、60塩基DNAの場合、数マイクロ秒である。例えば、周波数が各塩基が間隙内に留まる時間の間のサイクル数に対応する、V3に対するAC電圧の影響をシミュレートするために、AC信号の周波数は、約100MHzに設定される。これは、DC電圧のみ、V1、V2、およびV3のDC成分によって制御されるとき、転位確率を変化させない信号をもたらす。したがって、いくつかの実施形態によると、V3の小DC値は、転位率を制御するために使用されることができる一方、はるかに大きい重畳AC電圧は、配列の読取のために要求される大きさのトンネル信号を発生させる。
いくつかの実施形態によると、V1およびV2は、コンピュータプログラムが、トンネル信号を転位電圧値を制御するために使用される入力としてフィードし、これらの電位の能動的制御を可能にすることによって、外部から制御されることができる。転位電位の能動的制御が、以前に提案されているが(Keyser21およびその中の参考文献参照)、そのような提案は、ナノ細孔を横断して印加される電位を制御するために使用される信号として、イオン電流遮断を測定する文脈においてのみであった。その目的のために、いくつかの実施形態による、本明細書に説明される手段によってトンネル信号を測定する能力は、転位制御のための新たな道を切り開く。例えば、いくつかの実施形態によると、V1は、トンネル事象が検出器出力36によって信号伝達されるまで、より大きくされ得る(0.1〜0.5ボルト)。その時点において、V1は、次いで、さらなる捕捉を防止するために低減されてもよい一方、V2は、次いで、所望の転位率を与えるために調節されてもよい。
いくつかの実施形態では、V3 31(図4)は、約−0.1V〜約−0.5Vの電圧に設定されてもよい。V1 29は、約−0.01〜約−0.1Vの値に設定されてもよく、V2 30は、約+0.01〜約+0.1Vの値に設定されてもよい。故に、トンネル信号が、分子が間隙内に存在することを示すと、V2は、−0.5Vまで降下され、電極47に印加されるバイアスに一致し、認識トンネル信号が最初にトラップされた塩基から記録されるまで、分子を間隙内に止めてもよい。V2は、次いで、約+0.01〜約+0.1Vの値にすぐに戻され、次いで、再び降下され、配列内の次の塩基の読取を可能にする等と続いてもよい。
いくつかの実施形態では、V3は、約>10kHzの周波数のAC電圧であって、約0.1〜約1Vのピークツーピーク振幅であってもよい。V1 29は、約−0.01〜約−0.1Vの値に設定されてもよく、V2 30は、約+0.01〜約+0.1Vの値に設定されてもよい。いったん捕捉事象が、トンネル信号によって検出されると、V1は、次いで、さらなる捕捉を防止するために低減されてもよく、V2は、所望の転位率を得るように低減されてもよい。
いくつかの実施形態では、V1の記号は、いったん分子が捕捉されると、R1およびR2の両方が、分子の末端を引き寄せるよう動作するように、完全に変更され得る。故に、分子を引き寄せる等力および反力を用いて、分子は、細孔内で完全に停止され得る。そのような実施形態における利点は、大(延伸)力が、分子にかけられ、ナノ細孔への正面および背面入口を横断する電位差が、エネルギー中の熱変動よりはるかに大きいであろうため、分子の位置における熱変動を抑制しながら、実質的にkT未満の(すなわち、V1およびV2が反対方向に作用するV1−V2の場合、25mVをはるかに下回る)バイアス差さえ、分子を転位させるために使用され得るように、熱変動を実質的に低減させ得ることである。したがって、転位が能動的に制御され得る電位の範囲は、大きく向上される。
いくつかの実施形態では、基準電極は、ナノ細孔の中への輸送に対抗するようにバイアスがかけられるが、トンネルバイアスは、本反力を克服し、分子を細孔の中に、但し、反力のため、はるかに遅い速度において、牽引し得る、電気浸透流動を発生させるように構成される。電気浸透流動は、塩類液中の短距離の局所電場と比較して、はるかに長い範囲のストークス流のため、分子の効率的捕捉をもたらす。
本開示は、DNA分子を伴うシステムおよびその動作を図示するが、正味正または負電荷を担持する、あるいは電荷を全く担持しない、任意の帯電または中性ポリマーとも作用するであろうことが認識されるであろう。特に、前述のようなストークス流によって支配されるシステムでは、中性分子が、ナノ細孔の中に収集および牽引されるであろう。
故に、図7から明白であるように、細孔の入口および出口から数細孔径分延在し得る、電場(比較的に実質的、すなわち、有意であり得る)が存在する。本領域に進入する粒子は、ナノ細孔の中に掃引され得、そこで、V2およびV3の値に応じて、転位する、またはトラップされるであろう。いくつかの実施形態では、いったん検体がトンネル接合内に入ると、結合パートナーの有効濃度が非常に高いため、認識試薬による結合が生じる可能性が高い。これを図示するために、8×10−27m3または8×10−24リットルである、体積(2nm)3のトンネル接合を検討する。本体積内の分子の1つは、約1023分子/リットルまたは約0.1Mに対応する。Konに関する拡散限界値は、109M−1s−1であって、結合が困難である、システム内の実験的に判定された下限は、106M−1s−1である。したがって、本下限においてさえ、結合は、実験的に判定された限界と一貫して、非常に高速である(l/[KonC]、式中、Cは、濃度であって、10μsの時間をもたらす)20。したがって、細孔近傍の具体的電場の領域に到達する全ての分子が、検出され得る。細孔から離れると、電場は、著しく小さい。
これを図示するために、約0.1V/10nmまたは107V/mである、細孔内の電場を検討する。細孔から離間される(いくつかの実施形態では、1つまたは2つの細孔径分、10nm)ことによって、電流密度(および、故に電場)は、その比率(r/R)2が降下するであろう(rは、ナノ細孔の半径であって、Rは、細孔につながるチャネルの半径である)。故に、Rが約1μmであって、rが約1nmである場合、細孔から離間される(例えば、1つまたは2つの細孔径分、10nm)リザーバ内の電場は、約1ボルト/メートル未満である。小分子(移動度10−8m2/Vsを伴う)のドリフト速度は、したがって、約10nm/秒となり得る。したがって、ストークス流が不在の場合、細孔から離れたリザーバ内の分子の運動は、電気泳動ドリフト速度が、ナノ細孔幾何学形状によって決定される電流のこれらの値において十分に小さいため、拡散によって支配される。時間tにおける分子が拡散する距離L2は、
電気泳動のための小捕捉体積は、図12に図示される。本図では、L1は、半球の半径を表し、細孔近傍の電場は、大きい(約106V/m)。本半球の中に拡散する分子は、ナノ細孔の中に通過するであろう。集団分画fは、本高電場領域に向かって進む速度ベクトルを有し、f<0.5であって、リザーバおよび細孔の幾何学形状の詳細に応じて、可能性として考えられる値は、約0.1である。したがって、t秒以内にナノ細孔内に捕捉される分子の数Nは、およそ以下となる。
いくつかの実施形態では、本下限は、リザーバ内の電場がナノ細孔を通る電流によって発生される小電場を上回って増加されると、さらに低下され得る(所与の時間内に)。故に、これは、付加的電極62が、ナノ細孔の下側表面上に設置され、(いくつかの実施形態では)ナノ細孔に近接する面積(例えば、数ミクロン以内)に制限されることによって遂行され得る。バイアスVe 63を用いて、下側基準電極R1 60と電極62との間に大バイアス(0.05Vまたはより大きい)を印加することによって、帯電分子は、電極62上に蓄積するように駆動され得る。リザーバ壁61は、Veによって発生される電場が幾何学形状に起因してより小さい、死点を回避するように最適に成形される。いったん分子が下側表面電極62上に集中すると、下側基準電極60および上側基準電極65のバイアスは、転位のための最適な値に戻され得る。
いくつかの実施形態では、電気浸透流動が、輸送を支配するとき(拡散より;図9B−表1における条件参照)、以下の考慮点が適用される。例えば、半径Rおよび長さLの細孔のシス側における電位は、以下となる22。
代替として、いくつかの実施形態では、細孔内の電気浸透移動度に伴って、
最後に、電気泳動および電気浸透の場合の捕捉率、すなわち、細孔オリフィスを通る粒子流束は、いくつかの実施形態では、それぞれ、以下となり、
開示される実施形態の種々の実装、特に、論じられるプロセスの少なくともいくつかは、デジタル電子回路、集積回路、特殊設計ASIC(特定用途向け集積回路)、コンピュータハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、および/またはそれらの組み合わせにおいて実現されてもよい。これらの種々の実装は、記憶システムからデータおよび命令を受信し、そこにデータおよび命令を伝送するように連結された、特殊または汎用であり得る、少なくとも1つのプログラマブルプロセッサと、少なくとも1つの入力デバイスと、少なくとも1つの出力デバイスとを含む、プログラマブルシステム上で実行可能および/または解釈可能である、1つまたはそれを上回るコンピュータプログラム内の実装を含んでもよい。
そのようなコンピュータプログラム(また、プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、またはコードとしても知られる)は、例えば、プログラマブルプロセッサのための機械命令を含み、高レベル手続きおよび/またはオブジェクト指向プログラミング言語および/またはアセンブリ/機械言語において実装されてもよい。本明細書で使用されるように、用語「機械可読媒体」は、機械命令を機械可読信号として受信する機械可読媒体を含む、機械命令および/またはデータをプログラマブルプロセッサに提供するために使用される、任意のコンピュータプログラム製品、装置、および/またはデバイス(例えば、磁気ディスク、光ディスク、メモリ、プログラマブル論理デバイス(PLD))を指す。用語「機械可読信号」は、機械命令および/またはデータをプログラマブルプロセッサに提供するために使用される、任意の信号を指す。
ユーザとの相互作用を提供するために、本明細書に説明される主題は、情報をユーザに表示するためのディスプレイデバイス(例えば、CRT(ブラウン管)またはLCD(液晶ディスプレイ)モニタおよび同等物)と、それによってユーザが入力をコンピュータに提供し得る、キーボードおよび/またはポインティングデバイス(例えば、マウスまたはトラックボール)とを有する、コンピュータ上に実装されてもよい。例えば、本プログラムは、分注ユニット、遠隔制御、PC、ラップトップ、スマートフォン、メディアプレーヤ、または携帯端末(「PDA」)によって記憶、実行、および動作されることができる。ユーザとの相互作用を提供する、他の種類のデバイスも、使用されてもよい。例えば、ユーザに提供されるフィードバックは、感覚フィードバック(例えば、視覚的フィードバック、聴覚的フィードバック、または触知的フィードバック)の任意の形態であってもよく、ユーザからの入力は、音響、音声、または触知入力を含む、任意の形態で受信されてもよい。
本明細書に説明される主題のある実施形態は、バックエンド構成要素(例えば、データサーバとして)を含む、またはミドルウェア構成要素(例えば、アプリケーションサーバ)を含む、またはフロントエンド構成要素(例えば、それを通してユーザが本明細書に説明される主題の実装と相互作用し得る、グラフィカルユーザインターフェースまたはウェブブラウザを有する、クライアントコンピュータ)を含む、またはそのようなバックエンド、ミドルウェア、またはフロントエンド構成要素の任意の組み合わせである、コンピューティングシステムおよび/またはデバイス内に実装されてもよい。システムの構成要素は、デジタルデータ通信(例えば、通信ネットワーク)の任意の形態または媒体によって相互接続されてもよい。通信ネットワークの実施例として、ローカルエリアネットワーク(「LAN」)、広域ネットワーク(「WAN」)、およびインターネットが挙げられる。
前述のいくつかのそのような実施形態による、コンピューティングシステムは、クライアントおよびサーバを含んでもよい。クライアントおよびサーバは、概して、相互から遠隔にあって、典型的には、通信ネットワークを通して相互作用する。クライアントおよびサーバの関係は、個別のコンピュータ上で起動し、クライアント−サーバ関係を相互に対して有する、コンピュータプログラムによって生じる。
本願のいずれかに提示される、限定ではないが、特許、特許出願、記事、ウェブページ、書籍等を含む、刊行物または他の文書のあらゆる参考文献は、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる。
デバイス、システム、および方法の例示的実施形態が、本明細書に説明された。いずれかに記載のように、これらの実施形態は、例証目的のためだけに説明されており、限定ではない。他の実施形態も、可能性として考えられ、本開示によって網羅され、これは、本明細書に含有される教示から明白であろう。したがって、本開示の範疇および範囲は、前述の実施形態のいずれかによって限定されるべきではなく、本開示によって支持される請求項およびその均等物に従ってのみ定義されるべきである。さらに、本開示の実施形態は、転位制御に対応するあらゆる要素を含む、任意の他の開示される方法、システム、およびデバイスからのあらゆる要素をさらに含み得る、方法、システム、およびデバイスを含んでもよい。言い換えると、1つまたは別の開示される実施形態からの要素は、他の開示される実施形態からの要素と相互に交換可能であってもよい。加えて、開示される実施形態の1つまたはそれを上回る特徴/要素は、除去されてもよく、依然として、特許可能主題をもたらす(したがって、本開示のさらなる実施形態をもたらす)。対応して、本開示のいくつかの実施形態は、1つまたはそれを上回る要素/特徴を具体的に欠いていることによって、1つおよび/または別の参考文献と特許可能に別個であり得る。言い換えると、ある実施形態に対する請求は、1つまたはそれを上回る要素/特徴を具体的に除外するための否定的限定を含有し、そのような特徴/要素を含む先行技術と特許可能に別個である実施形態をもたらし得る。
参考文献
Claims (18)
- ナノ細孔を横断する分子の遷移を制御するためのデバイスであって、
第1のコンパートメントと、
第2のコンパートメントと、
前記第1のコンパートメント内に提供される第1の電極および前記第2のコンパートメント内に提供される第2の電極を備える、第1の対の電極と、
前記第1のコンパートメントを前記第2のコンパートメントから分離する仕切りと、
前記仕切り内に提供されるオリフィスと、
前記オリフィスに近接して配列される、第2の対の電極であって、分子と官能化される、第2の対の電極と、
前記第2の対の電極間の間隔を備える、トンネル間隙と、
を備える、デバイス。 - 分子輸送のための第1の方向における電気浸透流動が発生されるように、電圧バイアスを前記第2の対の電極間に印加するように構成される、電圧バイアスをさらに備える、請求項1に記載のデバイス。
- 少なくともAC電圧バイアスをさらに備え、前記AC電圧バイアスは、少なくとも1kHzの周波数のAC電圧バイアスを前記第2の対の電極間に印加するように構成される、請求項1または2に記載のデバイス。
- 前記トンネル間隙内の分子の存在に応じて、検出され得るように、前記AC電圧バイアスのAC電流信号を非線形モードで処理するように構成される、処理手段をさらに備える、請求項3に記載のデバイス。
- 前記第1の電極と前記第2の対の電極との間および前記第2の電極と前記第2の対の電極との間のうちの少なくとも1つに印加するように構成される、電圧バイアスと、第2の電極対と通信する回路とをさらに備え、前記回路は、前記第2の電極対によって発生される信号によって、前記電圧バイアスを制御するように構成される、請求項1に記載のデバイス。
- ACおよびDC成分の両方を用いて、電圧バイアスを第2の電極対間に印加するように構成される、電圧源をさらに備える、請求項1に記載のデバイス。
- 分子の収集および検出のうちの少なくとも1つを制御するためのデバイスであって、
第1のコンパートメントと、
第2のコンパートメントと、
前記第1のコンパートメント内に提供される第1の電極および前記第2のコンパートメント内に提供される第2の電極を備える、第1の対の電極と、
前記第1のコンパートメントを前記第2のコンパートメントから分離する仕切りと、
前記仕切り内に提供されるオリフィスと、
前記オリフィスに近接して配列される、少なくとも1つのオリフィス電極と、
を備える、デバイス。 - ナノ細孔内の検体分子の濃度を制御するためのデバイスであって、
検体分子を含有するリザーバと、
電圧源と、
前記リザーバの片側に配列される、ナノ細孔と、
電解質と、
1つまたはそれを上回る電極と、
を備え、
前記ナノ細孔は、前記電極と連接され、前記電圧源からの電圧バイアスを介して、電解質の電気浸透流動を前記細孔内に発生させるように構成され、
前記電気浸透流動は、前記リザーバから前記ナノ細孔の中への流体流動を介して、前記リザーバからの検体分子を捕捉することおよび集中させることのうちの少なくとも1つを行うように構成される、デバイス。 - ナノ細孔を横断する分子の遷移を制御するためのデバイスであって、
第1のコンパートメントと、
第2のコンパートメントと、
前記第1のコンパートメント内に提供される第1の電極および前記第2のコンパートメント内に提供される第2の電極を備える、第1の対の電極と、
前記第1のコンパートメントを前記第2のコンパートメントから分離する仕切りと、
前記仕切り内に提供されるナノ細孔と、
前記オリフィスに近接して配列される、第2の対の電極であって、分子と官能化される、第2の対の電極と、
前記第2の対の電極間の間隔を備える、トンネル間隙と、
を備え、
前記第1の対の電極は、前記ナノ細孔の中への分子の流動に対抗するようにバイアスされ、
前記第2の対の電極は、電気浸透流動を前記ナノ細孔の中に発生させるようにバイアスがかけられる、デバイス。 - 非帯電分子の転位を制御するためのナノ細孔デバイスであって、
第1のコンパートメントと、
第2のコンパートメントと、
前記第1のコンパートメント内に提供される第1の電極および前記第2のコンパートメント内に提供される第2の電極を備える、第1の対の電極と、
前記第1のコンパートメントを前記第2のコンパートメントから分離する仕切りと、
前記仕切り内に提供されるナノ細孔と、
前記オリフィスに近接して配列される、第2の対の電極であって、分子と官能化される、第2の対の電極と、
前記第2の対の電極間の間隔を備える、トンネル間隙と、
を備え、
前記第2の対の電極は、ストークス流を前記ナノ細孔の中に発生させるようにバイアスがかけられる、デバイス。 - ナノ細孔を横断する分子の遷移を制御するための方法であって、
ナノ細孔を横断する分子の遷移を制御するためのデバイスを提供するステップであって、前記デバイスは、
第1のコンパートメントと、
第2のコンパートメントと、
前記第1のコンパートメント内に提供される第1の電極および前記第2のコンパートメント内に提供される第2の電極を備える、第1の対の電極と、
前記第1のコンパートメントを前記第2のコンパートメントから分離する仕切りと、
前記仕切り内に提供されるオリフィスと、
前記オリフィスに近接して配列される、第2の対の電極であって、分子と官能化される、第2の対の電極と、
前記第2の対の電極間の間隔を備える、トンネル間隙と、
を備える、ステップと、
電圧バイアスを前記第2の対の電極間に印加するステップであって、前記電圧バイアスは、分子輸送のために第1の方向に電気浸透流動を発生させるように構成される、ステップと、
を含む、方法。 - 少なくとも1kHzの周波数のAC電圧を前記第2の対の電極間に印加するステップをさらに含む、請求項11に記載の方法。
- 前記AC電流信号の非線形処理を介して、前記トンネル間隙内の分子の存在を検出するステップをさらに含む、請求項11に記載の方法。
- 電圧バイアスを前記第1の電極と前記第2の対の電極との間および前記第2の電極と前記第2の対の電極との間のうちの少なくとも1つに印加するステップをさらに含み、前記電圧バイアスは、第2の電極対によって発生される信号によってフィードされる回路によって制御される、請求項11に記載の方法。
- 前記電圧バイアスは、ACおよびDC成分の両方を備える、請求項11に記載の方法。
- ナノ細孔内の検体分子の濃度を制御するための方法であって、
ナノ細孔内の検体分子の濃度を制御すたるためのデバイスを提供するステップであって、前記デバイスは、
検体分子を含有するリザーバと、
電圧源と、
前記リザーバの片側に配列される、ナノ細孔と、
電解質と、
1つまたはそれを上回る電極と、
を備え、
前記ナノ細孔は、前記電極と連接され、前記電圧源からの電圧バイアスを介して、電解質の電気浸透流動を前記細孔内に発生させるように構成される、ステップと、
前記電圧源を介して、前記細孔内の電解質の電気浸透流動を発生させるステップであって、前記電気浸透流動は、前記リザーバから前記ナノ細孔の中への流体流動を介して、前記リザーバからの検体分子を捕捉することおよび集中させることのうちの少なくとも1つを行うように構成される、ステップと、
を含む、方法。 - ナノ細孔を横断する分子の遷移を制御するための方法であって、
ナノ細孔を横断する分子の遷移を制御するためのデバイスを提供するステップであって、前記デバイスは、
第1のコンパートメントと、
第2のコンパートメントと、
前記第1のコンパートメント内に提供される第1の電極および前記第2のコンパートメント内に提供される第2の電極を備える、第1の対の電極と、
前記第1のコンパートメントを前記第2のコンパートメントから分離する仕切りと、
前記仕切り内に提供されるナノ細孔と、
前記オリフィスに近接して配列される、第2の対の電極であって、分子と官能化される、第2の対の電極と、
前記第2の対の電極間の間隔を備える、トンネル間隙と、
を備える、ステップと、
前記第1の対の電極にバイアスをかけ、前記ナノ細孔の中への分子の流動に対抗するステップと、
前記第2の対の電極にバイアスをかけ、電気浸透流動を前記ナノ細孔の中に発生させるステップと、
を含む、方法。 - 非帯電分子の転位を制御するための方法であって、
非帯電分子の転位を制御するためのナノ細孔デバイスを提供するステップであって、前記デバイスは、
第1のコンパートメントと、
第2のコンパートメントと、
前記第1のコンパートメント内に提供される第1の電極および前記第2のコンパートメント内に提供される第2の電極を備える、第1の対の電極と、
前記第1のコンパートメントを前記第2のコンパートメントから分離する仕切りと、
前記仕切り内に提供されるナノ細孔と、
前記オリフィスに近接して配列される、第2の対の電極であって、分子と官能化される、第2の対の電極と、
前記第2の対の電極間の間隔を備える、トンネル間隙と、
を備え、
前記第2の対の電極は、ストークス流を前記ナノ細孔の中に発生させるように、バイアスがかけられる、ステップと、
前記第2の対の電極にバイアスをかけ、ストークス流を前記ナノ細孔の中に発生させるステップと、
を含む、方法。
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