CN101039870B - 可编程分子操纵处理 - Google Patents

Abstract

公开了一种使用诸如原子力显微镜中使用的近似探针之类的近似探针集来操纵分子的系统。将静电模式置于近似探针集上以便每个近似探针可以施加静电力。分子使用那些静电力捕获，在这之后，可以在分子保持由近似探针捕获的同时操纵该分子。可以修改静电模式，以便在分子保持由近似探针集捕获的同时在该近似探针集上移动和/或旋转分子。在分子保持由近似探针集捕获的同时，该静电模式可用于弯曲或者拆分分子，由此允许系统使分子参加化学反应，以例如起合成催化剂或者合成酶的作用。

Description

可编程分子操纵处理

技术领域

本发明通常涉及用于与分子相互作用的、具有原子尺度精度的近似探针(proximal probes)的使用。

背景技术

研究发现继续推进了对纳米技术的认识。科学家正冒险进入几乎无法形容的微小的领域。在纳米技术中，每件事物都可以依据原子相互作用来描述。在这些尺度上，生物学和物理学之间的区别是模糊的，这增加了纳米技术的难度，这是因为，尽管有许多进步，但是相应学科的科学家正在侵入彼此的研究领域。例如，为了构造微小的电子电路，一些物理学家已经试图通过使无生命的物质以类似于生物学过程的方式组合自己来模仿自然界。

在原子级别上对物质进行的操纵不是新的。在1981年，瑞士苏黎士的IBM研究工作实验室(IBM Research Laboratory)的GerdBinnig和Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜(scanning tunnelingmicroscope，STM)并且被授予该专利(美国专利4,343,993，通过引用将其整个包括在此用于任何目的)，该扫描隧道显微镜大大推进了在原子级别上理解微观世界的能力。STM的关键部件是由诸如钨之类的金属制成的非常尖的尖端(tip)，该尖端安装在于三维空间中控制该尖端位置的压电元件阵列上。STM可以依照诸如相对于表面的纳米量级来非常精确地空间控制该尖端。在这样微小的距离处，电流可以在尖端和表面之间隧道穿过。在尖端越过样本的表面移动时，调整其高度以便将隧道效应电流保持为恒定量，从而使得STM可以对样本中的表面原子的电子云进行成像。利用诸如金属和半导体之类的无机材料表面的图片，STM给予了科学家他们对纳米世界的第一印象。这个工作为Binnig和Rohrer在1986年赢得了诺贝尔奖。

尽管它的性能很强，但是STM局限于对导电材料成像。为了克服这个限制，Binnig及其他人开发了被称为原子力显微镜(AFM)的、与STM相关的设备。这个现在众所周知的设备使用安装在极小的、微型制造的悬臂末端的微小尖端来感测样本的外形。不是使用隧道效应电流，而是通过使尖端和样本表面实际接触来扫描样本，而且在纳米级尖的尖端和样本表面之间的原子力相互作用使悬臂产生枢轴偏转。AFM测量为保持恒定接触力所需要的微小的向上和向下偏转。因为AFM依赖于接触力，所以它可用于对诸如有机或者绝缘材料之类的不导电材料进行成像。

已经开发了STM和AFM的其它变体。这些设备可以在分子级探测材料的其它方面，诸如磁和静电力、范德瓦尔斯(van der Waals)相互作用、温度变化、光学吸收、近场光学和声学。这些设备被集体称为“近似探针”；在Science第247卷第634-636页(1990)上由Pool所著的“Children of the STM”中描述了各种这样的探针。

一旦科学家看得见单个原子，他们就禁不住要操作它们。近似探针设备已经被用于实质上通过用扫描尖端拾取它们然后移动它们来操纵原子和分子；例如，参见Nature第344卷第524-526页(1990)上由D.M.Eigler和E.K.Schweizer所著的“Positioning Single Atomswith a Scanning Tunneling Microscope”，其描述了在镍基板上定位氙原子以形成大写字母“IBM”。其它STM图像可以在Physics Today第46卷第11期第17-19页(1993)上的“STM Rounds Up ElectronWaves at the QM Corral”中找到。

IBM等已经开发了近似探针技术的新应用。Binnig和苏黎士的团队已经在“千足虫(millipede)”存储系统中创建了具有超过一千个的微小尖端的纳米刷，其中每个尖端都在它自己的悬臂上。使用加热器悬臂，在聚合材料中构造凹部；这样的热机械记录已经表明具有每平方英寸400千兆字节的存储密度。尖端同样用于读取凹部；已经表明了有每秒几兆字节读取和每秒100千字节写入的数据速率，如Binnig及其他人在“Ultrahigh-density Atomic Force Microscopy DataStorage with Erase Capability”(Applied Physics Letter，第74卷第9期第1329-1331页，1999年3月1日)和Vettinger及其他人在“TheMillipede--More Than One Thousand Tips for Future AFM DataStorage”(IBM Journal of Research&Development，第44卷第3期第323-340页，2000年5月)中所述的那样。在Allenspach及其他人的美国专利6,680,808“Magnetic Millipede for Ultra High DensityMagnetic Storage”中描述了使用磁基板的磁千足虫，该专利通过引用整个包括在此用于任何目的。

虽然Binnig的大多数工作已经基于力学原理，但是其他人正使用自然过程来领会如何操纵物质。得克萨斯大学(the University ofTexas)的Angela Belcher已经使用了蛋白质来构造新的半导体材料。例如，她研究了鲍鱼壳，鲍鱼壳尽管由两种白垩构成，但是强度却是岩石中发现的白垩的3000倍；由鲍鱼的RNA产生的蛋白质确定了如何最佳地排列白垩分子。使用这个理解，她已经组合了一组蛋白质，这些蛋白质以各种方式控制晶体生长。这个研究中的一些在“Selectionof Peptides with Semiconductor Binding Specificity for DirectedNanocrystal Assembly”(Nature第405卷第666-668页，2000年6月8日)中描述了。

类似于Belcher，如美国专利5,605,662“Active ProgrammableElectronic Devices for Molecular Biological Analysis and Diagnosis”中所述，Heller等人已经使用了化学链来和其他分子进行相互作用。在Heller等人中，由微位置(比单个分子的大小大很多)阵列将链保持在适当位置，其中该微位置被设置为在每个点上保持不同的化学试剂，而化学试剂随后又绑定到所关注的分子上。虽然这允许关注在哪个区域内集中什么分子的可编程性，但是它不能单个地操纵分子而是成块地进行操纵。Belcher和Heller等人没有直接地操纵分子，而是使用分析物、蛋白质或者它们的等效物来间接地影响分子。

研究人员还提出了把有机分子的选择质量和近似探针的定位精度相结合。Eric Drexler在Nanosvstems：Molecular Machinery，Manufacturing，and Computation(1992年Wiley Interscience出版)中提出了这样的AFM，其在探针表面上具有多个包含有机分子的珠状束缚工作点(bead bound worksites)。康奈尔大学(Cornell University)的Harold Craighead和他的团队已经将抗体附着于悬臂上的近似探针上。利用这个设备，他们可以检测具体细菌的存在。如果存在细菌，则抗体与细菌结合；随着探针由于细菌的累积而过重，振动悬臂的共振频率改变了。

在生物中，大多数的操纵由DNA、RNA、和特殊蛋白质所驱动，它们根据这样的原理工作，即，创建与要被操纵的分子上的电荷的互补模式紧密匹配的电荷的静电模式(electrostatic pattern)，由此允许恰当的分子被附着于酶、催化剂、或者其它操纵分子上。提供使用近似探针技术执行类似类型的分子操纵的能力，将会是有利的。

发明内容

给出了一种用于使用近似探针集操纵分子的方法、设备、系统、和计算机程序产品，其中这些近似探针诸如为在原子力显微镜、静电力显微镜、扫描隧道显微镜等中使用的近似探针。将静电模式放置到该近似探针集中的两个或更多近似探针构成的子集上，以便使该近似探针子集中的每个近似探针的端部分施加静电力。使用由静电模式施加的静电力捕获分子，在这之后，在分子保持由该近似探针集捕获的同时，可以操纵该分子。修改该静电模式，以便在该近似探针集中的两个或更多近似探针构成的不同子集上创建不同的静电模式，从而使得在分子保持由该近似探针集捕获的同时分子在该近似探针集上移动和/或旋转。在分子保持由该近似探针集捕获的同时，静电模式可用于弯曲或者拆分分子，由此允许系统使分子参与化学反应，例如，起到合成催化剂或者合成酶的作用。

还可以作为整体机械和/或电学地操纵一个或多个近似探针集。在操纵近似探针集时，所捕获的分子与该近似探针集一起移动，由此可通过机械作用或者通过化学反应修改所捕获的分子。

附图说明

在所附的权利要求书中阐述了被认为是本发明特性的新颖特征。通过参考结合附图阅读的下列详细说明，将最好地理解发明本身、其进一步的目标及优点，在附图中：

图1描述了示出根据本发明的实施例、用于控制近似探针阵列块的数据处理系统的框图；

图2描述了示出用于在本发明的分子操纵系统的实现方式中的使用的、具有导电微尖端的近似探针的图示；

图3描述了示出用于形成在本发明的分子操纵系统的实现方式中使用的、具有导电微尖端的玻璃绝缘的近似探针的方式的图示；

图4描述了示出用于在本发明的分子操纵系统的实现方式中使用的、具有包含导电微尖端的悬臂的近似探针的图示；

图5描述了示出被组合在一起以形成根据本发明实施例的近似探针阵列块的一组近似探针的框图；

图6描述了示出根据本发明的实施例、给出面对所捕获分子的电子云的静电模式的一维近似探针阵列的图示；

图7描述了示出根据本发明实施例的一维近似探针阵列块的正面且边缘上(edge-on)的视图的图示；

图8描述了示出根据本发明的实施例、可以给出试图捕获目标分子的静电模式的二维近似探针阵列的图示，其中该目标分子呈现出包含偏振位置的电子云；

图9描述了示出根据本发明实施例的二维近似探针阵列块的正面且边缘上(edge-on)的视图的图示；

图10描述了示出根据本发明的实施例、给出面对所捕获分子的电子云的静电模式的二维近似探针阵列中的单个行的图示；

图11描述了示出根据本发明的实施例、可用于捕获目标分子的一对并列的二维近似探针阵列块的图示；

图12描述了示出根据本发明的实施例、可用于捕获目标分子的一对相对的二维近似探针阵列块的图示；

图13描述了示出根据本发明的实施例、用于使用近似探针阵列来操纵分子的处理的流程图；

图14描述了示出试图捕获和保持作为薄膜沉积在表面上的一组目标分子之一的近似探针阵列块的图示；

图15A-15C描述了这样一组图示，其示出了根据本发明的实施例、使用近似探针阵列来在短时间段上转换静电模式的方法；

图16A描述了示出根据本发明的实施例、使用近似探针阵列块来移动目标分子的方法的图示；

图16B描述了示出根据本发明的实施例、使用近似探针阵列块来弯曲或者挠曲(flex)目标分子的方法的图示；

图16C描述了示出根据本发明的实施例、使用近似探针阵列块来扭曲或者转动(pivot)一部分目标分子的方法的图示；

图16D描述了示出根据本发明的实施例、使用近似探针阵列块来破坏目标分子的方法的图示；

图17描述了示出根据本发明的实施例、使用近似探针阵列通过结合两个目标分子来创建分子的方法的图示；

图18描述了示出根据本发明的实施例、使用多个近似探针阵列通过结合两个目标分子来创建分子的方法的图示；

图19描述了示出根据本发明的实施例、在近似探针阵列中的近似探针端部上的一对悬臂尖端的图示，其中挠曲(flex)该尖端以拆分所捕获的分子；

图20描述了示出根据本发明的实施例的一对并列的近似探针阵列块的图示，其中移动近似探针阵列块来拆分所捕获的分子；

图21描述了示出根据本发明的实施例的一对相对的近似探针阵列块的图示，其中移动近似探针阵列块来拆分所捕获的分子；

图22描述了示出根据本发明实施例的一对相对的近似探针阵列块的图示，其中移动近似探针阵列块之一来挠曲所捕获的分子；

图23描述了示出根据本发明的实施例、使用近似探针阵列块来操纵目标分子的方法的图示，其中近似探针阵列块具有自包含的修改机制；以及

图24A-24I描述了示出根据本发明的实施例、使用近似探针阵列块进行的多个分子操纵的一组图示。

具体实施方式

现在参考图1，该框图描述了根据本发明的实施例、用于控制近似探针阵列块的数据处理系统。与现有技术中近似探针的使用相反，本发明在可编程分子操纵系统100中采用了两个或更多近似探针构成的集合；近似探针的排列被称为“近似探针阵列”。在优选实施例中，近似探针集以规则或者统一的方式排列，以便形成近似探针阵列；在替换实施例中，近似探针集可以具有不规则的间距或者探针间(iner-probe)间隙。此处的示范性附图将近似探针描述为四面体，但是本发明可以使用具有不同形状和大小的近似探针来实现。例如，在Bayer等人的于2000年7月18日公布的美国专利6,091,124“Micromechanical sensor for AFM/STM profilometry”中，公开了一种类型的近似探针，该专利通过引用被整个包括在此用于任何目的；在Doezema等人的于2001年3月6日公布的美国专利6,198,300“Silicided silicon microtips for scanning probe microscopy”中，公开了一种不同类型的近似探针，该专利通过引用被整个包括在此用于任何目的。作为另一个示例，每个近似探针可以包含至少一个由碳形成的巴基管(buckytube)或者纳米管、硅纳米管、或者由某些其他元素构成的纳米管，以及聚合物。

近似探针102的组合体形成了近似探针阵列块(一个或多个)104，其除了包括近似探针本身之外，还可以包含支撑结构和/或支持电路；本发明的实施例可以采用多个近似探针阵列块，每个块与一个或多个致动器/伺服机构106相关联，以便使近似探针阵列块可以在至少一个空间维度(但是优选为三个空间维度)上平移，以及沿着三个空间轴旋转。应当注意到，此处描述的附图不是按比例绘制的。

计算机108将命令发送到致动器控制器110，其控制阵列块致动器(一个或多个)106。计算机108具有人机接口，其具有显示监视器和输入设备以便允许用户操作该分子操纵系统100；用户还可以调用在计算机108上执行的专用软件应用，以便使分子操纵系统100的使用自动化。本发明可以使用不同类型的致动器、伺服电动机、或者压电控制器(它们允许可能利用激光帮助的引导来管理在原子尺度上的移动)来实现。例如，在Mamin等人的于1999年1月5日公布的美国专利5,856,967“Atomic force microscopy data storage system withtracking servo from lateral force-sensing cantilever”中，公开了一种类型的伺服控制器，该专利通过引用被整个包括在此用于任何目的。

除了通过移动其中组合了近似探针的近似探针阵列块来移动近似探针之外，如下文中更详细描述的那样，近似探针还可以被实现为包含悬臂。如果这样包括了悬臂，则通过可以由计算机108命令控制的悬臂控制器112来控制与近似探针相关联的每个悬臂。

本发明的可编程分子操纵系统采用经由近似探针的静电力以便操纵分子。也可以由计算机108命令控制的静电控制器114控制由每个近似探针经受的电压量(可能还包括其他物理量，诸如电流)，由此如下文中更详细描述的那样，控制由每个近似探针的尖端给出的静电力。此外，计算机108可以与其它控制器元件一起工作。静电控制器114或者某个其它的控制器还可以提供对分子的磁操纵，以便主要通过静电力帮助操纵分子或者直接操纵分子；例如，近似探针可以包含导电材料的小型回路，其携带电流以便向分子给出小型磁场。

现在参考图2，该图描述了在本发明的分子操纵系统的实现方式中使用的、具有导电微尖端的近似探针。如上所述，本发明的近似探针可以用各种形式实现。图2描述了不包含悬臂的近似探针的尖端，而图4描述了包含悬臂的近似探针的尖端；在所有情况下，近似探针的尖端是指近似探针中的、显现静电电荷以便向分子给予静电力的部分。然而，在下文中对附图的描述可能简单地描述了近似探针显现静电电荷，而不涉及在近似探针末端的尖端。参见图2，尖端200包含形成原子级尖锐的微尖端的导电线/引线202；导电引线202位于绝缘材料或者半导体材料204内的中心。在图2中，为了说明的目的，已经截断了尖端200；图2示出了尖端200的侧视图或者尖端200的中心切图。

现在参考图3，该图描述了用于形成在本发明的分子操纵系统的实现方式中使用的、具有导电微尖端的玻璃绝缘的近似探针的方式。玻璃棒300包含位于玻璃棒300内的中心的导电引线/线302。在区域304中加热玻璃棒300以使它变软和易弯曲，并且拉伸它以伸长区域304，由此使得玻璃棒300和它的导电引线/线302在区域304中变薄很多。可以在区域304内剪切玻璃棒300，以便形成微尖端，其中，例如类似于图2所示的那样，仅仅露出导电线302的微小部分。关于图3描述的处理可以同时在多个玻璃棒上执行，以便更有效地制造多个近似探针的组合体；换句话说，如上所述，可以在一次操作中制造近似探针阵列块。

现在参考图4，该图描述了在本发明的分子操纵系统的实现方式中使用的、具有带有导电微尖端的悬臂的近似探针。尖端400包含在悬臂404的末端形成原子级尖锐的微尖端的导电引线402；导电线/引线402包含在悬臂404的绝缘材料或者半导体材料内。在图4中，为了说明的目的，已经截断了尖端400；图4示出了尖端400的侧视图或者尖端400的中心切图。悬臂基座406包含用于移动悬臂404的结构，其可以用各种不同的方式实现。在Itoh等人的于2003年1月14日公布的美国专利6,507,197“Electrostatic force detector withcantilever for an electrostatic force microscope”中，公开了用于静电近似探针上的悬臂的信息，该专利通过引用被整个包括在此用于任何目的；在上面引用的美国专利5,856,967中公开了涉及用于近似探针的悬臂结构的进一步详细细节。

参考图5，该框图描述了被组合在一起以形成根据本发明实施例的近似探针阵列块的一组近似探针。图5还说明了其中图2和图4所述的近似探针可以组在一起以形成如图1所述的近似探针阵列块的方式。近似探针502被组合起来以形成近似探针阵列块504。然而，应当注意到，近似探针阵列块不一定是通过各个近似探针的聚集而形成的。此外，近似探针阵列块可以使用光刻法、气体沉积、激光烧蚀、或者某种其它技术制造。

来自每个近似探针的导电线/引线连接到支持电路；图5描述了近似探针阵列块504内的支持电路506，但是支持电路可以位于近似探针阵列块的外部，以便使得仅仅导电连接位于近似探针阵列块内部。导电线/引线可以包含用于在近似探针的尖端处放置(即，应用或者引起)静电势的导线、用于控制近似探针的悬臂的导线、用于传感器的导线、用于近似探针结构的操纵控制的导线、用于近似探针阵列块中的一部分基板的操作控制的导线、和/或用于其它目的的导线。支持电路506将根据需要连接到较高级的控制器，诸如图1所示的那些控制器。近似探针502被并置，这可能意味着它们彼此接触或者它们之间具有间距，这是因为，它们被嵌入到可以包含各种类型材料的材料层、块、或者基板内，附着于其上，或者由其保持；在任何情况中，都可以假定每个近似探针中的导电线与其他近似探针中的导电线电绝缘，而不管近似探针是否彼此接触。

近似探针阵列块504可以这样制造，以便使近似探针502和/或近似探针502之间的间距根据要使用近似探针阵列块504操纵的分子的几何形状的需要来定位。此外，该附图将近似探针描述为具有相等的长度或者高度，但是在任何近似探针阵列块中的近似探针可以酌情具有不相等的长度或者高度以适合于目标分子的几何形状。

该附图还将近似探针阵列块的基板描述为是平面的，但是近似探针阵列块可以具有非平面的表面，以便使近似探针阵列块具有实质上凹陷、凸起、或者更复杂的形状。近似探针阵列块的基板还可以包含这样的结构，其如下面进一步阐述和说明的那样，可以被控制以便增加或者减小在近似探针阵列块中的近似探针子集之间的间距，或者增加或减小近似探针的子集距离近似探针阵列块基板的长度或者高度。近似探针阵列块的基板不一定由单个材料构成，而且该基板可以包含由不同材料构成的不同部分。

现在参见图6，该图描述了在本发明的分子操纵系统的实现方式内、给出面对所捕获分子的电子云的静电模式的一维近似探针阵列。如上所述，本发明的可编程分子操纵系统采用经由近似探针的静电力来实现对分子的操纵。然而，在可以操纵分子之前，将分子吸引到近似探针阵列并且由近似探针阵列捕获该分子；针对图6中的图示描述了在由近似探针阵列操纵分子之前将分子吸引到近似探针阵列的基础。

近似探针阵列块602包含一组近似探针。在某一时间点上，例如，使用图1所示的部件，有目的地对一些近似探针静电充电。通过例如使用图5所示的并且最终由诸如图1所示的计算机108之类的设备控制的支持电路506，将电压应用、施加、或者引入到近似探针尖端上的导电材料上，将静电电荷引入或者显现(即，展现)或者暴露给外部实体。在每个近似探针上应用的电势的极性确定了由每个近似探针暴露的静电电荷的极性；一些近似探针保持中性，是因为未将电压施加到那些近似探针上。因此，当将电势施加到该组近似探针上时，由该组近似探针给出静电模式604。

近似探针阵列块602以某种方式暴露于一个或多个目标分子。例如，近似探针阵列块602可以被插入到反应容器中，该反应容器可以是保持低温、低压气体的简易容器。作为选择，该容器保持液态形式的目标分子，或者优选为通过使用呈现出比水更低的偶极矩的溶剂，将目标分子悬浮在液体溶液内；在Gemma等人的于1994年7月12公布的美国专利5,329,236“Apparatus for estimating charged andpolarized states of functional groups in a solution”中，描述了静电力显微镜在液体溶液内的使用，该专利通过引用被整个包括在此用于任何目的。在另一个替换方案中，目标分子作为薄膜或者层保持在可以是容器表面的基板上；在1992年3月19日的Nature第356卷第266-267页上由Houston等人所著的“The Interfacial-Force Microscope”中，公开了表面张力显微镜相对于薄膜的使用，该文章通过引用被整个包括在此用于任何目的。优选为，支撑目标分子薄膜的基板将相对于目标分子呈现出相对小的吸引力，以便近似探针阵列可以捕获目标分子，而不用采用显著的力来克服基板的吸引力。

近似探针阵列的使用可以分为如下的时间段：首先是其中由近似探针阵列捕获目标分子的捕获阶段或者操作方式；其次是其中由近似探针阵列操纵目标分子的操纵阶段；第三是其中从近似探针阵列中释放附着于近似探针阵列的一个或者多个分子的释放阶段。

捕获阶段的目标是通过静电力将目标分子吸引到近似探针阵列。通常，假定目标分子具有恰当的定向，容器内的目标分子将被吸引到由近似探针阵列所显现的静电模式上，这是因为，如下文所述，目标分子的某些位置将具有与由近似探针阵列所显现的静电电荷相反的极性；换句话说，目标分子将因为下列原因而被吸引到近似探针阵列的静电模式。

不同元素中的原子具有不同的吸引电子的能力；当原子参与到化学键中时，原子呈现出电负性，即，对化学键中电子的吸引。如果化学键中两个原子的电负性不同，则与围绕较少电负性的原子相比，电子将会花费更多的时间围绕具有更多电负性的原子，由此使得化学键中的一个原子看起来好像获取了稍微负的电荷，而另一个原子看起来好像获取了稍微正的电荷。这个电荷的分离构成了偶极，而且许多分子在它们电子云周围呈现出许多具有不同程度的偏振的区域或者位置。强极性的分子将被强烈地吸引到由静电充电的近似探针阵列所呈现的静电模式，而非极性的分子则不会被吸引。

再次参见图6，反应容器内的分子具有分子电子云606，其内在地具有呈现出偏振的位置，以便该分子呈现静电模式608。在某个时间点上，分子会被吸引到近似探针阵列块602，以便使相应的静电模式对准。呈现出具有与由近似探针阵列所呈现的静电电荷模式相反的极性的点或者位置的匹配模式的分子，被认为具有与近似探针阵列的静电模式互补的静电模式。在当前时间点上由近似探针阵列呈现的静电模式被称为“当前静电模式”。具有与当前静电模式互补的静电模式的分子被称为“目标分子”。当近似探针阵列的静电模式与目标分子的互补静电模式对准时，将该目标分子称为“所捕获分子”；所捕获分子可能受到吸引力，以便在对准的点之间的静电力可以使目标分子由近似探针阵列在短时间段内所保持。

目标分子可以具有在它的电子云周围的大量偏振位置。应当注意到，可以这样使用近似探针阵列上的静电模式，以便使每个近似探针指向目标分子上的单个唯一偏振位置；这是优选的缺省情况，其中在近似探针和目标分子的偏振位置之间存在一一对应关系。然而，可以这样使用近似探针阵列上的静电模式，以便例如通过在近似探针上使用更强的电势以使它影响多个偏振位置，来使单个唯一的近似探针指向目标分子上的多个唯一偏振位置，这是因为，和近似探针的大小相比，偏振位置是相对接近的。此外，可以这样使用近似探针阵列上的静电模式，以便例如在给定目标分子的几何形状、偏振位置的极性程度、和近似探针阵列的几何形状的情况下，使多个近似探针指向目标分子上的单个唯一偏振位置。可以在近似探针阵列上的单个静电模式内同时采用上述情况中的每一个。

考虑到目标分子可能具有大量偏振位置这一事实，还应注意到，在近似探针阵列上的静电模式可能仅仅以目标分子上的偏振位置的子集为目标。在一些情况下，可以认为目标分子的偏振位置的子集对于捕获目标分子而言是足够的；在其它情况下，目标分子的几何形状可能禁止对目标分子的一些偏振位置的实际吸引。在下文中，将被指定为由近似探针阵列上的静电模式吸引的点的、目标分子上的偏振位置集中的每个偏振位置被称为该目标分子的“捕获点”。

现在参考图7，该图描述了在本发明的分子操纵系统的实现方式内的一维近似探针阵列块的正面且边缘上的视图。在这个图示中，未示出近似探针阵列块中的近似探针的尖端；作为替代，每个近似探针由在每个近似探针的相应尖端上应用的静电电荷所表示。用这样的方式，近似探针阵列被认为是呈现出与所应用的电势相对应的静电电荷模式，例如静电模式702。

现在参考图8，该图描述了根据本发明的实施例的二维近似探针阵列，该二维近似探针阵列可以呈现出用于试图捕获目标分子的静电模式，其中该目标分子呈现出包含偏振位置的电子云。图8示出了分子电子云802是呈现出偏振位置的三维排列的三维实体。与图6中的具有实质上线性排列的近似探针的一维近似探针阵列块不同，二维近似探针阵列块804包含在一个区域上排列的近似探针，由此部分地解决了捕获分子的难题，所有这些近似探针都是具有复杂电子云的三维实体。在优选实施例中，近似探针在该区域上等距离布置，且在近似探针之间具有均匀大小的间距，但是近似探针阵列块可以这样制造，以便除了可能具有用于近似探针阵列块基板的复杂形状之外，还在具有可变间隙大小的各个位置上在一个区域内排列近似探针，以便适应于目标分子的几何形状。在图8内说明的本发明的示范性实施例中，诸如传感器探针806之类的传感器散置在近似探针阵列块804中的近似探针之中；下文中会更详细地描述这些传感器。应当注意到，在一维近似探针阵列块内也可以采用传感器探针；然而，本发明的各个实施例可以或者不一定包含传感器探针。

还应当注意到，近似探针可以起到它自己的检测器的作用；在捕获了目标分子之后，目标分子的捕获点应当影响近似探针的尖端的电特性。通过例如在捕获目标分子之前、期间、和之后分析经过给定近似探针的导电线/引线的电流，或者分析由导电线/引线受到的电压和/或电流的波动，人们可以辨别出在捕获了目标分子之后近似探针的尖端是否与捕获分子接近，或者是否优选为与目标分子的捕获点相接近。

现在参考图9，该图描述了在本发明的分子操纵系统的实现方式内的二维近似探针阵列块的正面且边缘上的视图。以类似于图7所示的方式，未示出近似探针阵列块中的近似探针的尖端；作为替代，每个近似探针由在每个近似探针的相应尖端上应用的静电电荷所表示。与示出了一维近似探针阵列块的图7不同，图9描述了呈现静电模式902的二维近似探针阵列块。

在图9所示的示范性实施例中，二维近似探针阵列块内的近似探针的均匀排列由图9内表示的静电模式的均匀排列所反映。在图9所示的示例中，二维近似探针阵列中的每个行可以被认为是一维近似探针阵列；图9中的二维近似探针包含行904、906、908、和910。在这个示例中，沿着与一维近似探针阵列的轴不同的轴对齐的一组一维近似探针阵列构成了二维近似探针阵列；例如，二维近似探针阵列可以通过一组一维近似探针阵列的堆叠而形成。

然而，二维近似探针阵列中的每个一维近似探针阵列不一定共享相同的几何形状；例如，不同的近似探针阵列可以具有不同的探针间间隙或者间距。此外，如上文中所述，近似探针可以在具有可变间隙大小的各种位置上排列在一个区域内以适应于目标分子的几何形状，而且二维近似探针阵列可以具有不同的几何形状。在这些替换实施例中，二维近似探针阵列块内的近似探针的不均匀排列可以由静电模式的不均匀排列所反映，其未在图9中示出。

现在参见图10，该图描述了在本发明的分子操纵系统的实现方式内、呈现出面对所捕获分子的电子云的静电模式的二维近似探针阵列中的单个行。图10类似于图6，但是图10不同于图6之处在于，所描述的一维近似探针阵列块仅仅是共同组成二维近似探针阵列块的一组一维近似探针阵列块中的一行；换句话说，图10说明了诸如图8所示那样的二维近似探针阵列块中的单个行1002的水平截面片段或者视图。更具体而言，二维近似探针阵列中的单个行1002对应于图9中所示的行906。分子电子云1004表示诸如图8所示的分子电子云806之类的、三维分子电子云的水平截面片段或者视图。

参见图11，该图示出了根据本发明的实施例、可用于捕获目标分子的一对并列的二维近似探针阵列块。图1中的描述提及了可以在单个可编程分子操纵系统内采用多个近似探针阵列块。图11和图12描述了使用多个近似探针阵列块的两个不同配置；图11说明了并列的近似探针阵列块，而图12说明了相对或者面对的近似探针阵列块。不论是哪种情况，分子操纵系统都可以被描述为具有近似探针的三维排列；可以使用更大量的近似探针阵列块实现近似探针的更大、更复杂的三维配置。然而，还应当注意到，分子操纵系统可以包含被配置为与至少一个近似探针阵列块一起使用的一个或多个单独的近似探针；这些单独的近似探针也可以在相对于近似探针阵列块的相对或者并列的位置处被单个地操纵。

图11描述了一对并列的二维近似探针阵列块1102和1104，它们由块间间隙1106分隔开来。块间间隙1106的大小可以发生变化，并且可以由操作者例如使用图1所示的控制机构加以调整；特别地，每个近似探针阵列块1102和1104可以唯一地与致动器机构相关联，以便使近似探针阵列块1102和1104可以独立于其他近似探针阵列块移动。单个静电模式可以由每个近似探针阵列共享，或者可以使用两个静电模式，以便每个近似探针阵列可以呈现出唯一的静电模式。可以对近似探针阵列块1102和1104进行操作，以捕获单个目标分子、捕获两个唯一的目标分子、或者捕获两个相同的目标分子。

参见图12，该图示出了根据本发明的实施例、可用于捕获目标分子的一对相对的二维近似探针阵列块。图12描述了由块间间隙1206分隔开来的一对相对的二维近似探针阵列块1202和1204中的每一个中的一行；可以假定图12以图10中所示的方式说明了两个完正的二维近似探针阵列块的俯视图或者水平剖视图或者片段。块间间隙1206的大小可以发生变化，并且可以由操作者例如使用图1所示的控制机构加以调整；特别地，每个近似探针阵列块1202和1204可以唯一地与致动器机构相关联，以便使近似探针阵列块1202和1204可以独立于其他近似探针阵列块移动。单个静电模式可以由每个近似探针阵列共享，或者可以使用两个静电模式，以便使每个近似探针阵列可以呈现出唯一的静电模式。可以对近似探针阵列块1202和1204进行操作，以捕获单个目标分子、捕获两个唯一的目标分子、或者捕获两个相同的目标分子。在图12所示的示例中，单个捕获的分子由分子电子云1208的俯视图或者水平剖视图或者片段所表示。

现在参见图13，该流程图出了根据本发明的实施例、使用近似探针阵列来操纵分子的处理的流程图。先前附图中的描述仅仅提及了分子可以被操纵，但是附图中的描述主要集中于阐述近似探针阵列可以用来捕获一个或者多个目标分子的方式。图13内说明的处理提供了用于描述可以被执行的不同类型的分子操纵的基础，这些不同类型的分子操纵会在下文中更详细地描述。

处理从为一个或者多个近似探针阵列选择静电模式开始(步骤1302)。选择可以根据来自分子操纵系统的用户的输入而执行，或者选择可以优选为根据指导操纵过程操作的配置参数来自动和可编程地执行，其中一个或多个配置参数可能已经由用户选择了。

然后，通过如与每个近似探针相对应的静电模式中的位置所指示的那样、在近似探针阵列中的每个近似探针上应用或者不应用电势，来根据所选择的静电模式使近似探针阵列上电(步骤1304)。静电模式可以在分子操纵系统中硬布线，或者可以通过将静电模式作为数据存储到一个或多个数据结构或者存储器中而以软件形式管理静电模式。例如，静电模式数据库可以由图1所示的计算机108所访问。

在简单的情况下，每个近似探针可以由表示静电模式的数据结构内的数据标记所表示；数据结构内的数据标记的位置以一一对应的关系对应于近似探针阵列中的近似探针的位置。数据标记可以使用允许下述四个值的两个二进制位来实现，其中：第一个值表示应该将正电势施加到对应的近似探针上；第二个值表示应该将负电势施加到对应的近似探针上；第三个值表示对应的近似探针应该没有电势，即，接地；而第四个值可能表示一个不关注的值，其中施加到近似探针上的电势可以具有正电势或者负电势。必要时，例如通过使用图1所示的静电控制器114，将数据标记映射到要施加到对应近似探针上的电压。

作为选择，每个近似探针可以由存储在一个或者多个存储器内的一个或多个数据库文件内的记录所表示。每个数据库文件可以表示静电模式，其中每个记录包含用于各个参数的多个字段，而这些参数用于单独控制与每个近似探针相关联的各个物理特性或者物理变量。例如，根据被不同的近似探针作为目标的不同捕获点，在不同的近似探针上施加不同的电压，可能是有利的，而且电压值将被存储为相应记录内的仅仅一个参数。在这种类型的数据库文件内的记录的位置可以用一一对应的关系对应于近似探针在近似探针阵列中的位置；作为选择，该记录可以包含用于指示该记录所对应的近似探针的相对位置的标识坐标。必要时，例如经由图1所示的静电控制器114，将记录映射到要施加到对应近似探针上的电压和/或其它类型的物理变量。

在使近似探针阵列上电了之后，将近似探针阵列块呈现给反应容器内的目标分子，该目标分子为：包含气态的目标分子的大量低温低压气体；包含液态的目标分子的反应室或者容器中的大量液体；或者包含目标分子的薄膜或者层，其中该薄膜或者层已经被沉积在表面或者基板上了。一组一个或者多个近似探针会把静电电荷模式呈现给目标分子，而且静电电荷会吸引目标分子上的偏振位置或者捕获点。

在某个时间点上，分子将由近似探针阵列捕获(步骤1306)，并且可以进行可选的检查，以确保所捕获的分子是操作者期望操纵的目标分子(步骤1308)。可以使用并入在近似探针阵列中和/或连接到近似探针阵列的感测检测器来可选地检测对分子的捕获；此外，可以可选地将所捕获分子验证为是目标分子的实例而不是刚好由近似探针阵列捕获的任意分子。再次参见图8，近似探针阵列块802描述了散布在近似探针当中的传感器。传感器未必具有与近似探针相同的形式或者结构，而且各种传感器类型都可以被并入到近似探针阵列块中；例如，上面包括的美国专利6,507,197中公开了静电力检测器结合静电力显微镜的使用。可以使用其它技术，诸如，对来自对准所捕获分子的激光束的反射光使用光谱技术，来检测对目标分子的捕获。此外，如上所述，近似探针可以起到它自己的检测器的作用。

再次参见图13，如果已经捕获了目标分子，则执行编程好的过程或者手动操作，以便可能通过使用多个近似探针阵列块和/或多个捕获的分子来操纵所捕获的分子(步骤1310)。在执行了该操纵之后，或者如果在步骤1308中所捕获的分子不是目标分子，则例如通过取消到先前被充电/上电的近似探针的外加电压，使近似探针阵列块去电(de-energize)，以便释放所捕获的一个或者多个分子(步骤1312)；如下面更详细所述，如果期望进行后续的分子操纵，则可以通过省略步骤1312而由近似探针阵列块可选地保持所操纵的分子。进行有关是否要执行另一个操纵过程的确定(步骤1314)，而且如果要执行，则该处理分支返回到步骤1302，以捕获和操纵另一个分子；如果不执行的话，则结束该处理。

现在参见图14，该图描述了正试图捕获和保持作为薄膜沉积在表面上的一组目标分子之一的近似探针阵列块。表面/基板1402支撑由它们的分子电子云1404-1410所代表的目标分子薄膜。近似探针阵列块1412移入到目标分子薄膜之上的一个位置，以试图捕获由分子电子云1408所代表的目标分子。当近似探针阵列块1412和目标分子之间的间隙低于某个值时，目标分子会被静电力吸引到近似探针阵列块，其中该静电力大于目标分子和该薄膜内的其它分子之间的吸引力，而且大于用于将目标分子拉向在其下面的表面的重力。该目标分子然后能够被描述为由近似探针阵列块所捕获，近似探针阵列块会保持所捕获的分子，直到它被近似探针阵列释放为止，或者直到所捕获的分子已经经受了可以导致所捕获分子的释放的事件为止，该事件诸如为与气态的、起到从近似探针阵列中撞击所捕获的分子的作用的相对高能分子的冲突。

先前描述的附图说明了可以用来根据本发明的实施例捕获和操纵分子的各种结构示例。图13说明了使用这些结构来操纵分子的处理；步骤1310用于这样的处理步骤，通过该步骤，执行已编程的过程或者手动操作来操纵所捕获的分子。然而，先前描述的附图还没有说明可以根据本发明的分子操纵系统对分子进行操纵的各种方法的细节，将在下文中关于剩余的附图对这些细节进行更详细的描述。应当注意到，术语“操纵”可能涉及许多不同类型的动作，其中包含但不局限于拉伸、压迫、剪切、修改、弯曲、扭曲、结合、绑定、熔化、联合、裂开、破坏、呈现或者任何其它与可能在一个分子上但也可能在两个或更多分子上进行的物理变换相关的动作。

现在参见图15A-15C，这一组附图描述了根据本发明的实施例、使用近似探针阵列来在短时间段上转换静电模式的方法。如上所述，通过将由静电模式生成的静电力保持在近似探针阵列上，将近似探针阵列上的所捕获分子保持在适当位置。作为使用近似探针阵列操纵捕获分子的技术之一，通过修改静电模式，那些用于保持所捕获分子的相同静电力也被用于移动所捕获的分子。

静电模式1502类似于图7所示的静电模式702。在相对短的时间段上，可以将静电模式1502修改为静电模式1504；修改时间段的时长可以是可配置的参数，例如，可经由正在如图1所示的计算机108上执行的软件应用进行配置。

对静电模式的修改可能以各种方式出现；不应该假定此处提供的示例包含了详尽列表。在一个示范性实施例中，以与计算机存储器中的移位类似的方式，在修改时间段期间转换静电模式，其中如图15B所示，使用一系列较小的移位操作、优选为单个移位来在一系列较短的时间段上出现完全的移位操作。在这些较短时间段之一期间，在近似探针的第一子集中的每个近似探针(其可能或者未必处于上电状态，即，可能或者未必呈现出静电电荷)接受相邻近似探针的状态；同时，可能或者未必处于上电状态的近似探针的第二子集接受相邻近似探针的状态。然后，根据需要重复该较短的转换操作多次，以完成导致静电模式修改的总的移位操作。

另一种修改静电模式的方法类似于一系列较小的、如上所述的相邻转换，但是在这个替换示例中，该较小的转换操作被认为是更像模拟操作而不是像离散的数字操作。在这个第二示例中，以类似于如上所述的方式空间地改变近似探针的状态；在修改第一近似探针集的状态的同时，也修改第二近似探针集的状态，其中第二近似探针集中的每个近似探针邻近于第一近似探针集中的近似探针。作为选择，近似探针的状态不一定是邻近的，而是相对接近的，其中距离也是可配置的。

然而，在这个第二示例中，近似探针的状态以不同的方式随时间转换。在这个第二示例中，例如图15C中的函数1506所示，近似探针的状态根据一个函数逐渐地转换而不是以离散方式突然转换；该函数可以是由操作者手动选择或者由分子操纵系统可编程地选择的可配置参数，而且用于该函数的参数也可以是可配置的。因此，在这些较小的时间段之一期间，在一些近似探针上的电势逐渐地减小，而在其它近似探针上的电势逐渐地增加。例如，图15C中的函数1506可以表示第一近似探针上的电压，而图15D中的函数1508可以表示邻近于第一近似探针的第二近似探针上的电压。图15C和图15D表示相同的时间段；随着第一近似探针上的电压在减小，第二近似探针上的电压在增加。然后，根据需要重复该较短的变换操作多次，以完成导致静电模式修改的总的移位操作。

如上所述，存在不同类型的操纵。可以通过以不同的方法修改静电模式来实现这些不同类型的操纵。

现在参见图16A，该图描述了根据本发明的实施例、使用近似探针阵列块来移动目标分子的方法。图16A描述了这样的示例，其中，可以例如通过使用上面关于图15A-15C所讨论的示例来转换近似探针阵列块上的整个静电模式，以便实现作为多种分子操纵类型之一的移动操作。当转换整个静电模式时，也转换静电力的整个模式。假定所捕获的分子具有受正在施加静电力的近似探针所吸引的偏振位置、即捕获点，则在转换操作期间捕获点保持被吸引到这些近似探针，而且捕获点也在转换操作期间移动。因此，通过转换静电模式，所捕获的分子可以整体上围绕近似探针阵列移动。

以类似于图6所示的方式，近似探针阵列块1602包含这样一组近似探针，它们已经利用电势上电了，以便使这些近似探针呈现出静电模式1604。所捕获的分子具有分子电子云1606，其具有显现出偏振的内在捕获点，以便使分子呈现出静电模式1608。例如，如关于图14所述的那样，在某个时间点上，分子会被吸引到近似探针阵列块1602，以便使相应的静电模式对准，而且分子会被近似探针阵列块1602所捕获。

在某个后续的时间点上，转换近似探针阵列块1602上的部分静电模式，以便创建静电模式1610。分子电子云1606中的由静电模式1608所代表的捕获点遵循静电模式1610，以便当转换近似探针阵列块上的静电模式时，也转换所捕获的分子。

现在参见图16B，该图描述了根据本发明的实施例、使用近似探针阵列块来弯曲或者挠曲目标分子的方法。图16B描述了这样的示例，其中，可以转换近似探针阵列块上的一部分静电模式，以便实现作为多种分子操纵类型之一的弯曲或者挠曲操作。当转换整个静电模式的仅仅一部分时，也转换了仅仅一部分的静电力。在转换操作期间，所捕获分子的捕获点保持被吸引到它们相应的近似探针；在转换操作期间捕获点的一部分移动，而其余的捕获点保持被吸引到固定位置。因此，利用静电模式的部分转换，所捕获分子发生了弯曲或者挠曲。

图16B类似于图16A；相同的参考数字表示相同的单元。近似探针阵列块1602显现出静电模式1604，其已经捕获了具有分子电子云1606的分子，其中该分子电子云1606包含由静电模式1608所代表的捕获点。

在某个后续的时间点上，转换近似探针阵列块1602上的部分静电模式，以便创建静电模式1612。分子电子云1606中的由静电模式1614所代表的捕获点遵循静电模式1612，以便当转换近似探针阵列块上的静电模式时，拉伸或者伸长所捕获的分子。所捕获的分子可以被弯曲或者挠曲的程度多少取决于分子的类型。

现在参见图16C，该图描述了根据本发明的实施例、使用近似探针阵列块来扭曲或者转动一部分目标分子的方法。图16C描述了这样的示例，其中，可以转换和围绕点转动近似探针阵列块上的一部分静电模式，以便实现作为多种操纵类型之一的扭曲或者转矩操作。如上所述，当仅仅转换整个静电模式的一部分时，也仅仅转换了一部分的静电力，而且利用静电模式的部分转换，所捕获的分子发生弯曲或者挠曲。然而，并不是以简单的线性方式转换静电模式，而是该静电模式可以沿轴旋转。再次地，在转换操作期间，所捕获分子的捕获点保持被吸引到它们相应的近似探针，而且在转换操作期间捕获点的一部分旋转，而其余的捕获点保持被吸引到固定位置。因此，利用静电模式的部分转换，所捕获的分子发生扭曲。

图16C类似于图9；每一个都描述了近似探针阵列块上的二维静电模式。图16C中的静电模式包含部分1616和部分1618。在某个后续的时间点上，静电模式中的部分1616顺时针方向旋转九十度，以形成静电模式中的部分1620，而部分1618保持未改变。假定该静电模式先前已经捕获了一个分子，所捕获分子上的捕获点的子集会随着静电模式的转换而遵循静电模式1616，以便当近似探针阵列块上的静电模式转换时，扭曲所捕获的分子的一部分。

作为选择，静电模式可能先前已经捕获了两个分子：第一分子可以由静电模式中的部分1616所保持，而第二分子可以由静电模式中的部分1618所保持。在某个后续的时间点上，转换静电模式中的部分1616以形成静电模式中的部分1620，将会旋转第一分子；因为部分1618保持不被转换，所以第二分子将保持不移动。

现在参见图16D，该图描述了根据本发明的实施例、使用近似探针阵列块来破坏目标分子的方法。图16D描述了这样的操作，其中，静电模式的第一部分可以被转换，而静电模式的第二部分沿相反或者不同的方向被转换；这个操作类似于图15A或者图15B中说明的操作。再次地，在转换操作期间，所捕获分子的捕获点保持被吸引到它们相应的近似探针。捕获点的第一子集与静电模式的第一部分一起转换，而近似探针的第二子集与静电模式的第二部分一起转换。因此，利用静电模式的转换部分，所捕获分子发生弯曲或者挠曲，而且如果在分子内的原子之间的化学键上的应力足够大，则化学键将会遭到破坏。

图16D类似于图16A；相同的参考数字表示相同的单元。近似探针阵列块1602包含这样一组近似探针，它们已经利用电势上电了，以便使这些近似探针呈现出静电模式1604。所捕获分子具有分子电子云1606，其具有显现出偏振的内在捕获点，以便使分子呈现出静电模式1608。在某个时间点上，分子会被吸引到近似探针阵列块1602，以便使相应的静电模式对准，而且分子会被近似探针阵列块1602所捕获。

在某个后续的时间点上，近似探针阵列块1602上的部分静电模式发生转换，以创建静电模式1622，而且利用静电模式的转换部分，所捕获的分子发生弯曲或者挠曲。如果在分子内的原子之间的化学键上的应力足够大，则化学键将会遭到破坏，由此将所捕获的分子拆分或者断裂为两个不同的分子，它们由分子电子云1624和分子电子云1626所表示。然后，可以通过停止恰当近似探针上的电压来使近似探针阵列去电，并且将释放所捕获的分子。

应当注意到，因为拆分的分子可能具有和原有分子的组成部分非常不同的结构，所以拆分的分子上的偏振位置可能不同于原有分子上的偏振位置，由此生成不同的偶极矩。因此，在拆分操作之后静电模式1622立即排斥分子电子云1624和分子电子云1626，是有可能的。

将静电模式1604分成用于转换操作的分离部分的方式可以被控制作为配置参数，由此允许分子操纵系统以所捕获分子内的特定化学键为目标。假定化学键上的应力随着所捕获分子被弯曲或者挠曲到更大的距离而增加，则应当注意到，通过将静电模式中的仅仅一部分转换到更大的距离，可以获得类似的结果。

现在参见图17，该图描述了根据本发明的实施例、使用近似探针阵列块通过结合两个目标分子来创建分子的方法。图16D说明了拆分操作，而图17说明了结合操作；因此，除了时间方面是相反的之外，图17类似于图16D。

近似探针阵列块1702包含这样一组近似探针，它们已经利用电势上电了，以便使这些近似探针呈现出静电模式1704。两个唯一的所捕获分子由分子电子云1706和分子电子云1708所表示。所捕获分子可以是不同的；但是，所捕获分子也可以是相同的，这是因为，虽然分子电子云1706和分子电子云1708被图示为是不同的，但是可能没有示出整个电子云。

在某个后续的时间点上，近似探针阵列块1704上的部分静电模式发生转换，以创建静电模式1710，而且当所捕获的分子利用静电模式的转换部分移动时，所捕获的分子进入紧密的靠近。假定所捕获的分子彼此间具有一定程度的化学亲合性，则在所捕获分子之间构造化学键以便使它们形成由分子电子云1712所表示的单个所捕获分子。然后，可以通过停止恰当近似探针上的电压来使近似探针阵列去电，并且将释放所捕获的分子。

应当注意到，因为所创建的分子可能具有与原有分子的组成结构完全不同的结构，所以所创建分子上的偏振位置可能不同于原有分子上的偏振位置，由此在所创建分子中生成完全不同的偶极矩。因此，在结合操作之后静电模式1710立即排斥分子电子云1712，是有可能的。

现在参见图18，该图描述了根据本发明的实施例、使用多个近似探针阵列块通过结合两个目标分子来创建分子的方法。图17说明了使用一个近似探针阵列块的结合操作，而图18说明了使用两个近似探针阵列块的结合操作。近似探针阵列块1802和1804已经利用静电模式上电了。两个唯一的捕获分子由分子电子云1806和分子电子云1808所表示。

在某个后续的时间点上，例如，通过转换原有的静电模式，近似探针阵列块1804上的部分静电模式被修改以创建静电模式1710，而且当所捕获分子1808利用静电模式的转换部分移动时，所捕获分子进入紧密的靠近。假定所捕获分子彼此间具有一定程度的化学亲合性，则在所捕获分子之间构造化学键，以便使它们形成由分子电子云1810所表示的单个所捕获分子。然后，可以通过停止恰当近似探针上的电压来使近似探针阵列去电，并且将释放所捕获的分子。

关于图15-18所描述的分子操纵操作仅仅通过电学方式实现；更具体而言，分子操纵操作仅仅通过修改近似探针阵列上的静电模式来实现。然而，其它分子操纵操作可以通过机械方式实现；更具体而言，如下面关于剩余附图更详细描述的那样，可以通过移动近似探针的尖端和/或移动近似探针阵列块来实现其它分子操纵操作。

现在参见图19，该图描述了根据本发明实施例的、在近似探针阵列上的近似探针的端部处的一对悬臂尖端，其中这些尖端被挠曲以拆分所捕获的分子。尖端1902是与近似探针阵列中的其它近似探针组合的近似探针的端部；尖端1904是相邻近似探针的端部。近似探针阵列块早已捕获了由分子电子云1906所表示的一个分子。尖端1902和1904正在所捕获分子的捕获点上施加静电力。

在后续的时间点上，通过电子电路控制尖端1902和1904的悬臂部分以便沿横向但相反的方向挠曲。在挠曲操作期间，所捕获分子的捕获点保持被吸引到它们的相应尖端，而所捕获分子利用挠曲的尖端发生弯曲或者挠曲。如果在分子内的原子之间的化学键上的应力足够大，则化学键将会遭到破坏，这导致从所捕获的分子中形成两个分子，它们由分子电子云1908和1910表示。然后，可以通过停止恰当近似探针上的电压来使尖端去电，并且将释放所捕获的分子。用这样的方式，诸如图19所示的拆分操作之类的各种分子操纵操作可以通过一组近似探针的悬臂尖端的移动而实现；可以按照这个方式使用的近似探针的数目可以随着所捕获分子的几何形状而改变。

现在参见图20，该图描述了根据本发明的实施例的一对并列的近似探针阵列块，其中移动近似探针阵列块来拆分所捕获的分子。如上所述，多个近似探针阵列块可以用来同时操纵一个或多个分子。以类似于图11所示的方式，近似探针阵列块2002和2004由块间间隙2006分离开来。近似探针阵列块2002和2004早已捕获了由分子电子云2008所表示的单个分子。

在后续的时间点上，通过电子电路控制近似探针阵列块2002和2004，以沿横向但是相反的方向移动，这扩大了被显示为块间间隙2010的、位于近似探针阵列块2002和2004之间的块间间隙；作为选择，近似探针阵列块可以被平移并且以各种方向旋转。在移动操作期间，所捕获分子的捕获点保持被吸引到吸引它们的近似探针，而且所捕获分子利用移动的近似探针进行拉伸。如果在分子内的原子之间的化学键上的应力足够大，则化学键将会遭到破坏，这导致从所捕获的分子中形成两个分子，它们由分子电子云2012和2014表示。然后，可以通过停止恰当近似探针上的电压来使近似探针去电，并且将释放所捕获的分子。用这样的方式，例如拆分那样的分子操纵操作可以通过一组近似探针阵列块的移动而实现；可以依照这个方式使用的近似探针阵列块的数目可以随着所捕获分子的几何形状而改变。

现在参见图21，该图描述了根据本发明实施例的一对相对的近似探针阵列块，其中移动近似探针阵列块来拆分所捕获的分子。以类似于图20所示的方式，一对探针阵列块正在保持单个所捕获的分子。以类似于图12所示的方式，近似探针阵列块2102和2104由块间间隙2006分离开来。近似探针阵列块2102和2104早已捕获了由分子电子云2106所表示的单个分子。图20描述了可以被描述为撕裂所捕获分子的分子操纵操作，而图21描述了可以被描述为更像对所捕获分子的剪切操作的分子操纵操作。

在后续的时间点上，通过电子电路控制近似探针阵列块2102和2104以沿横向但是相反的方向移动；作为选择，近似探针阵列块可以被平移并且以各种方向旋转。在移动操作期间，所捕获分子的捕获点保持被吸引到吸引它们的近似探针，而且所捕获分子利用移动的近似探针进行拉伸。如果在分子内的原子之间的化学键上的应力足够大，则化学键将会遭到破坏，这导致从所捕获的分子中形成两个分子，它们由分子电子云2110和2112表示。然后，可以通过停止恰当近似探针上的电压来使近似探针去电，并且将释放所捕获的分子。用这样的方式，例如剪切那样的分子操纵操作可以通过一组近似探针阵列块的移动而实现；可以依照这个方式使用的近似探针阵列块的数目可以随着所捕获分子的几何形状而改变。

现在参见图22，该图描述了根据本发明实施例的一对相对的近似探针阵列块，其中移动近似探针阵列块之一来挠曲所捕获的分子。以类似于图21所示的方式，一对探针阵列块正在保持单个捕获分子。以类似于图12所示的方式，近似探针阵列块2202和2204由块间间隙分离开来。近似探针阵列块2202和2204早已捕获了由分子电子云2206所表示的单个分子。

在后续的时间点上，通过电子电路来控制近似探针阵列块2204以进行平移和旋转。在操纵操作期间，所捕获分子的捕获点保持被吸引到吸引它们的近似探针，而且所捕获分子利用移动的近似探针进行拉伸，由此给予所捕获分子不同的形状。

在使近似探针去电之前，可以执行各种其它操作。例如，可以将保持不同捕获分子的另一个近似探针阵列块带入与处于挠曲形状的分子电子云2206的紧密靠近，由此允许在这两个所捕获的分子之间出现化学反应，其中这些分子在保持它们的正常形状而处于紧密靠近时是不会出现该化学反应的。

在所捕获分子具有其挠曲形状的同时，可以执行的另一个操作是从近似探针阵列中快速地释放所捕获的分子。在给定释放时的挠曲形状的情况下，所捕获的分子可以改变它的结构，以便使它的静止形状不同于当它先前被捕获时所具有的静止形状。然后，可以研究新形成的分子的属性。例如，在释放蛋白质分子之后可以将该分子折叠成不同的形状，并且可以研究新生成的蛋白质的属性。

现在参见图23，该图描述了根据本发明的实施例、使用近似探针阵列块来操纵目标分子的方法，其中该近似探针阵列块具有自包含的修改元件。图23在下列方式方面类似于图16B。近似探针阵列块2302显现出静电模式2304，其已经捕获了一个具有分子电子云2306的分子，其中该分子电子云2306包含由静电模式2308所代表的捕获点。在某个后续的时间点上，修改近似探针阵列块2302上的静电模式以便创建静电模式2310。分子电子云2306中的由静电模式2312所代表的捕获点遵循静电模式2310，以便当修改近似探针阵列块上的静电模式时，拉伸或者伸长所捕获的分子。

然而，图23在下列方式方面不同于图16B。图16B描述了这样的图示，其中，通过转换由近似探针呈现的静电电荷的模式来修改近似探针阵列块上显现的静电模式；而图23说明了这样的示例，其中，修改近似探针阵列块的结构或者形状，以便修改由近似探针阵列块所呈现的静电模式。在图23所示的示例中，近似探针阵列块2302具有自包含的元件2314，其可以由例如图1所示的部件控制，以改变近似探针阵列块2302的形状或者结构。如上所述，近似探针阵列块上的近似探针之间的探针间间隙或者间距可以发生改变。在这个示例中，在一组近似探针之间的间距或者间隙的一部分由自包含的元件2314所占据。当元件2314被控制这样做时，元件2314扩张或者收缩，由此增加或者减少与元件2314并列的近似探针集之间的探针间间隙或者间距。随着元件2314的扩张，并列的近似探针被移动，而且修改了由这些探针呈现的静电模式；在这个示例中，一部分的静电模式横向移动。在探针移动时，操纵所捕获的分子。

元件2314可以是响应于电子控制的微机械结构、纳米机械结构、或者某个其它结构。作为选择，假定到近似探针的导电线/引线在近似探针阵列块内被隔离了，则元件2314可以包含电活性聚合物或者其它电活性材料，它们通过将电流施加到该电活性材料上而拉伸、收缩、或者改变形状或显现出形状记忆。随着电活性材料的扩张或者收缩，探针间间隙或者间距被放大或者缩小，由此提供了基板内的灵活性以匹配目标分子的结构，以便捕获目标分子或者进行对所捕获分子的期望操纵。在一个实施例中，近似探针阵列块的基板的多个部分可以包含电活性材料，以便可以单独地控制不同部分。

现在参见图24A-24I，这一组附图描述了根据本发明的实施例、使用近似探针阵列块进行的多个分子操纵。虽然图13描述这样的流程图，其中，通过该流程图的单个循环表示用于操纵单个分子的处理，但是多个操纵构成的序列可以串联执行；可以通过重复图13所示的步骤1302-1310执行操纵序列，有时当不期望释放所产生的分子时可以根据需要省略步骤1312。图24A-24I描述了一系列分子操纵的示例，其中时间从图24A所示的开始状态进展到图24I所示的结束状态。在图24A-24I内没有表示各个近似探针或者它们的相应区域。

图24A描述了近似探针阵列块2402的开始状态；近似探针阵列块2402上的静电模式2404由近似探针子集的轮廓所表示，其中的一些近似探针呈现出用于捕获目标分子的正负静电电荷。可以假定静电模式2404已经捕获了将在后续的图中被操纵的第一目标分子。

图24B描述了在某个稍后的时间点上的近似探针阵列块2402；近似探针阵列块2402上的静电模式2406表示另一个近似探针子集的轮廓，可以假定该静电模式已经捕获了将在后续的图中被操纵的第二目标分子。

图24C描述了在某个稍后的时间点上的近似探针阵列块2402；近似探针阵列块2402上的静电模式2408表示另一个近似探针子集的轮廓。在这种情况下，静电模式2406已经被转换为接近于静电模式2404，以便导致在相应的第一和第二捕获分子之间进行化学反应以形成第三捕获分子；采用静电模式2408来保持该第三捕获分子。

图24D描述了在某个稍后的时间点上的近似探针阵列块2402；近似探针阵列块2402上的静电模式2410表示另一个近似探针子集的轮廓，可以假定该静电模式已经捕获了将在后续的图中被操纵的第四分子。图24E描述了在某个稍后的时间点上的近似探针阵列块2402；近似探针阵列块2402上的静电模式2410已经被移动和旋转为接近于静电模式2408，以便导致在相应的第三和第四捕获分子之间进行化学反应以形成第五捕获分子，其如图24F所示，其中采用了静电模式2412来保持第四捕获分子。

图24G描述了在某个稍后的时间点上的近似探针阵列块2402；如图24F所示的静电模式2412的一部分已经发生了转换以形成图24G所示的静电模式2414。在这样做时，假定第四捕获分子在被近似探针阵列块2402保持的同时被扭曲到某种程度。图24H描述了在某个稍后的时间点上的近似探针阵列块2402；如图24G所示的静电模式2414的一部分已经被拆分以形成图24H所示的静电模式2416，以便准备好进行图24I中的稍后时间点处所示的下一次分子操纵。图24I描述了静电模式2418，其是已经被转换和旋转的静电模式2416的剩余部分；可以假定图24G-24I所示的操作已经在某个期望的位置上拆分了第四捕获分子以形成第五捕获分子。近似探针阵列块2402可以保持第五捕获分子长达某个可配置的时间段；第五捕获分子可以在近似探针阵列块2402上的后续分子操纵中使用，或者第五捕获分子可以在可利用近似探针阵列块2402上的检测器观测到的同时、经历与包含近似探针阵列块2402的反应室内的未被捕获的分子的化学反应。

因此，图24A-24I说明了导致创建复杂分子的、在不同时间点上操纵多个所捕获的分子的操纵序列，由此构造出在通常的反应室中使用利用自由散播试剂的通常化学作用不可能构造出的复杂分子。本发明的另一个优点是能够构造出在通常的反应室中很少被观察或者很难被观察到的分子。在某些情况下，有可能在通常的反应室中创建所关注的分子，但是因为非常低的反应速度，一旦所关注的分子在反应室内自由散播，则其可能非常难以作为后续反应的目标。利用本发明，可以构造所关注的分子，然后将其保持为所捕获分子，以便观察后续反应或者观察它的一般化学性质。

按照相反的方式，可以对分子执行分子操纵序列，以便分解分子而不是如图24A-24I所示的那样组合分子。在分解过程中的每个步骤中，可能借助于通过分子操纵而与所捕获分子接触的一个或多个所捕获的催化剂分子的帮助，可以除去所捕获分子的一部分。

本发明在分析大分子的组成部分方面也可能是有用的。例如，可以使用图24A-24I所示的组合处理在近似探针阵列块上创建大分子。然而，在该过程结束时，所捕获分子的结构可能是未知的；即使所捕获分子的确切结构和它的捕获点可能是未知的，也可以由近似探针阵列块使用大的、通过经验发现的静电模式来保持所捕获的分子。通过使大的捕获分子经受一系列分子操纵，可以顺序地除去大的捕获分子中的较小组成部分用于后续的分析。然后，转换或者将组成部分移到近似探针阵列块的分离部分或者另一个近似探针阵列块，借此可能通过使用附加的分子操纵来更容易地分析组成部分。在确定了组成部分的结构之后，可以分辨出更大的初始分子的结构。

虽然这些附图描述了就好像反应室仅仅包含一个这样的近似探针阵列块排列那样、用于实现分子操纵或者分子操纵序列的一个或者多个近似探针阵列块的单个排列，但是应当注意到，多个近似探针阵列块排列(很可能是近似探针阵列块的相同排列)可以并行地执行分子操纵序列，由此生成一个或者多个期望分子的多个拷贝。如果可以实现大量这样的近似探针阵列块的排列，则可以制造出大量期望的分子。然后，能够为诸如研究、工业用途、或者医学用途之类的各种目的在传统的化学反应内使用大量期望的分子。

此外，本发明的这个实施例可以有利地用于生成足够数量的分子，其中这些分子利用传统的化学作用仅仅可少量生成。本发明的这个实施例在下述这样的情况下会是特别有利的，在这些情况下，量太小而不能用于例如研究包含该分子的反应的统计特性。此外，本发明对于生成足够数量的某些有价值的分子而言可能是成本有效的，其中这些有价值的分子由传统的化学作用生成时成本过高。

考虑到上面已经提供的详细说明，本发明的优点应该是显而易见的。可以通过分别按照一维、二维、或者三维维度配置近似探针，来制造线性、平面、或者立体的近似探针阵列块。近似探针阵列块可以用于实现使用传统技术不可能实现的复杂化学作用或者生物技术。

例如，科学家可能期望在特定点上剪切长链分子。科学家可以这样以该链式分子为目标，即，通过编程本发明中的系统，以便使近似探针阵列块显现出施加吸引该分子的静电属性的静电力的静电模式，其中该分子的静电属性由其分子电子云内在地表示。然后将该近似探针阵列块暴露于包含目标分子的液体溶液中。目标分子之一最终通过热运动移动到接近该近似探针阵列块，而且在目标分子上的互补的静电电荷被吸引到该近似探针，由此使得该目标分子被近似探针阵列所捕获。近似探针阵列块上的传感器可以检测所捕获分子的存在，而且近似探针阵列块可用于以各种操纵动作中的一个或多个来操纵所捕获的分子。例如，可以转换和/或旋转近似探针上的部分静电模式，由此在所捕获分子内的特定化学键处撕裂所捕获的分子并产生两个捕获分子。

以类似的方式，可以编程近似探针阵列的不同部分以捕获目标分子。随后在近似阵列上将所捕获分子转换和旋转到特定的位置和定向，以便使所捕获的分子足够靠近以参与形成新的较大分子的化学反应，然后将其释放回到液体溶液中。用这样的方式，可以利用根据本发明实施例制造的设备执行特殊的化学操纵。

还可以利用本发明实现特殊的生物学操纵。在活体中，大多数的生物进程由DNA、RNA、其它基因分子、和特殊蛋白质驱动；它们全部都根据创建与要被操纵的分子上的互补电荷模式紧密匹配的电荷静电模式的原理来工作。这使得恰当的分子附着于酶、催化剂、或者其它分子上。在有些情况下，通过将分子保持在一起或者通过将分子分开弯曲，来剪切分子或者将分子附着于其它分子上。在过去，必须利用许多已知的催化剂、酶等进行非常艰巨的实验，以发现执行期望的分子操纵的过程，这可能需要进行许多年的工作。此外，遗传技术已经用于发现其代码用于特定分子变换或功能的基因，在这之后利用这些基因监造疫苗，以产生执行期望的分子变换或功能的化学制品；这也是非常艰巨的工作。

本发明提供了用于实现类似的生物学活动的可编程处理和可编程结构；例如，在所捕获分子保持由近似探针阵列捕获的同时，该分子可以起到酶或者催化剂的作用。科学家可以经由电子硬件来编程期望的分子操纵，这可以潜在地消除非常艰巨的工作。此外，本发明对于检验疾病、使人们易于遭遇某些问题的基因、药品、污染物、病毒、疫苗、或者血液或其它体液中的其它物质的存在可能是有用的。可以制造引起疾病的分子的失活或者无威胁的版本，并且将其引回到身体中，以便免疫系统可以创建针对原有有害分子的抗体。此外，本发明可以用来实现折叠分子、特别是诸如蛋白质之类的生物分子的分子操纵。例如，由DNA编码的氨基酸链可以按照许多不同的方式折叠它们本身，而且有机体通常具有用于破坏或者解开错误折叠的蛋白质的机制。然而，使用这个设备，人们将能够强制将这样的分子折叠为特定形状，以便研究这样折叠的效果或者获得通过自然的生物进程太难或者不可能获得的分子。

重要的是要注意到：虽然已经这样描述了本发明以便使它可以是数据处理系统的一部分；但是本领域的普通技术人员将会理解，本发明中的一些处理能够以计算机可读介质中的指令的形式以及各种其它形式进行分发；而与实际上用于执行该分发的信号承载介质的特定类型无关。计算机可读介质的示例包含诸如EPROM、ROM、磁带、纸张、软盘、硬盘驱动器、RAM、和CD-ROM之类的介质，以及诸如数字和模拟通信系统链接之类的传输类型的介质。

通常将方法设想为是导致期望结果的步骤的自相一致的序列。这些步骤需要对物理量的物理操纵。尽管不是必需的，但是通常这些物理量采取能够被存储、传输、组合、比较、否则被操作的电或者磁信号的形式。主要因为通常使用的原因，有时将这些信号称为位、值、参数、项、单元、对象、符号、字符、术语、数字等是便利的。然而，应当注意，所有这些术语和类似的术语与恰当的物理量相关联，并且仅仅是应用到这些量上的适当标记。

已经为了说明的目的而给出了对本发明的描述，但其不是穷举的，并且也打算局限于所公开的实施例。对于本领域的普通技术人员来说，许多修改和变化将会是显而易见的。选择了这些实施例来阐述本发明的原理及其实际应用，并使得本领域的普通技术人员能够理解本发明，以便利用可能适合于其它所考虑的用途的各种修改来实现各种实施例。

Claims (65)

1.一种用于操纵分子的方法，所述方法包含：

将静电模式置于近似探针集中的两个或更多近似探针构成的子集上；

使用由所述静电模式施加的静电力捕获分子；

修改所述静电模式，以便在所述近似探针集中的两个或更多近似探针构成的不同子集上创建不同的静电模式；以及

在所述分子保持由所述近似探针集捕获的同时操纵所述分子。

2.如权利要求1所述的方法，还包含：

将电势施加到所述近似探针子集中的每个近似探针的导电材料上，以便使该近似探针子集中的每个近似探针的端部施加静电力。

3.如权利要求1所述的方法，还包含：

独立地控制所述近似探针子集中的每个近似探针，以便使所述近似探针子集中的每个近似探针能够施加在该近似探针子集当中唯一的静电力强度。

4.如权利要求1所述的方法，还包含：

修改所述静电模式，以便在所述分子保持由所述近似探针集捕获的同时弯曲所述分子。

5.如权利要求1所述的方法，还包含：

修改所述静电模式，以便将所述分子拆分为第一分子和第二分子。

6.如权利要求5所述的方法，还包含：

继续由所述近似探针集保持第一分子或者第二分子；以及

利用所述近似探针集来操纵第一分子或者第二分子。

7.如权利要求1所述的方法，还包含：

修改所述静电模式，以便在所述近似探针集中的两个或更多近似探针构成的第一子集上创建第一静电模式，并且在所述近似探针集中的两个或更多近似探针构成的第二子集上创建第二静电模式。

8.如权利要求7所述的方法，还包含：

独立地操纵第一静电模式和第二静电模式。

9.如权利要求7所述的方法，还包含：

独立地利用第一静电模式在所述分子的第一部分上进行作用以及利用第二静电模式在所述分子的第二部分上进行作用。

10.如权利要求1所述的方法，其中，近似探针集中的两个或更多近似探针构成的所述子集表示近似探针的第一子集，其中所述静电模式表示第一静电模式，以及其中所述分子表示第一分子，所述方法还包含：

将静电模式置于所述近似探针集中的两个或更多近似探针构成的第二子集上，其中所述第一子集和第二子集不相交；

使用由第二静电模式施加的静电力捕获第二分子；以及

在第二分子保持由所述近似探针集捕获的同时操纵第二分子。

11.如权利要求10所述的方法，还包含：

在第一分子和第二分子保持由所述近似探针集捕获的同时，独立地操纵第一分子和第二分子。

12.如权利要求10所述的方法，还包含：

在第一分子和第二分子保持由所述近似探针集捕获的同时，将第一分子移动到与第二分子紧密接近；以及

使第一分子和第二分子之间进行化学反应。

13.如权利要求12所述的方法，还包含：

从第一分子的至少一部分和第二分子的至少一部分中形成第三分子。

14.如权利要求1所述的方法，其中，所述近似探针集中的两个或更多近似探针包含悬臂结构。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述近似探针子集中的每个近似探针包含悬臂结构，所述方法还包含：

独立地挠曲所述近似探针子集中的至少两个近似探针，以便在所述分子保持由所述近似探针集捕获的同时弯曲所述分子。

16.如权利要求14所述的方法，其中，所述近似探针子集中的每个近似探针包含悬臂结构，所述方法还包含：

独立地挠曲所述近似探针子集中的至少两个近似探针，以便将所述分子拆分为第一分子和第二分子。

17.如权利要求16所述的方法，还包含：

继续由所述近似探针集保持第一分子或者第二分子；以及

利用所述近似探针集来操纵第一分子或者第二分子。

18.如权利要求1所述的方法，还包含：

在所述分子保持由所述近似探针集捕获的同时，在化学反应中使用所述分子。

19.如权利要求1所述的方法，还包含：

在所述分子保持由所述近似探针集捕获的同时，在化学反应中将所述分子用作催化剂。

20.如权利要求1所述的方法，还包含：

在所述分子保持由所述近似探针集捕获的同时，在生物反应中将所述分子用作酶。

21.如权利要求10所述的方法，其中，所述近似探针的第一子集被物理地连接作为第一实体，并且所述近似探针的第二子集被物理地连接作为第二实体，以便可以独立地操纵第一实体和第二实体。

22.如权利要求21所述的方法，还包含：

由第一实体和第二实体同时保持所捕获的分子。

23.如权利要求22所述的方法，还包含：

在第二实体保持不动的同时操纵第一实体。

24.如权利要求23所述的方法，还包含：

在所述分子保持由所述近似探针集捕获的同时弯曲所述分子。

25.如权利要求23所述的方法，还包含：

将所述分子拆分为第一分子和第二分子。

26.如权利要求1所述的方法，还包含：

在所述分子的至少一部分保持由所述近似探针集捕获的同时，重复地操纵所述分子的至少一部分。

27.如权利要求26所述的方法，还包含：

通过操纵包含所述分子的所述部分的操纵序列来创建包含所述分子的所述部分的新分子。

28.如权利要求27所述的方法，还包含：

通过将其它分子的部分添加到所述分子的所述部分上来组合新分子。

29.如权利要求27所述的方法，还包含：

通过除去所述分子的部分来分解所述分子。

30.如权利要求1所述的方法，还包含：

操纵所述分子以便折叠所述分子。

31.如权利要求30所述的方法，其中，所述分子是蛋白质。

32.如权利要求1所述的方法，其中，所述分子是一段脱氧核糖核酸分子。

33.如权利要求1所述的方法，其中，所述分子是基因分子。

34.一种用于操纵分子的设备，所述设备包含：

用于将静电模式置于近似探针集中的两个或更多近似探针构成的子集上的装置；

用于使用由所述静电模式施加的静电力捕获分子的装置；

用于修改所述静电模式、以便在所述近似探针集中的两个或更多近似探针构成的不同子集上创建不同的静电模式的装置；以及

用于在所述分子保持由所述近似探针集捕获的同时操纵所述分子的装置。

35.如权利要求34所述的设备，还包含：

用于将电势施加到所述近似探针子集中的每个近似探针的导电材料上、以便该近似探针子集中的每个近似探针的端部施加静电力的装置。

36.如权利要求34所述的设备，还包含：

用于独立地控制所述近似探针子集中的每个近似探针、以便所述近似探针子集中的每个近似探针能够施加在所述近似探针子集当中唯一的静电力强度的装置。

37.如权利要求34所述的设备，还包含：

用于修改所述静电模式、以便在所述分子保持由所述近似探针集捕获的同时弯曲所述分子的装置。

38.如权利要求34所述的设备，还包含：

用于修改所述静电模式、以便将所述分子拆分为第一分子和第二分子的装置。

39.如权利要求38所述的设备，还包含：

用于继续由所述近似探针集保持第一分子或者第二分子的装置；以及

用于利用所述近似探针集来操纵第一分子或者第二分子的装置。

40.如权利要求34所述的设备，还包含：

用于修改所述静电模式、以便在所述近似探针集中的两个或更多近似探针构成的第一子集上创建第一静电模式并且在所述近似探针集中的两个或更多近似探针构成的第二子集上创建第二静电模式的装置。

41.如权利要求40所述的设备，还包含：

用于独立地操纵第一静电模式和第二静电模式的装置。

42.如权利要求40所述的设备，还包含：

用于独立地利用第一静电模式在所述分子的第一部分上进行作用以及利用第二静电模式在所述分子的第二部分上进行作用的装置。

43.如权利要求34所述的设备，其中，近似探针集中的两个或更多近似探针构成的所述子集表示近似探针的第一子集，其中所述静电模式表示第一静电模式，以及其中所述分子表示第一分子，所述设备还包含：

用于将静电模式置于所述近似探针集中的两个或更多近似探针构成的第二子集上的装置，其中所述第一子集和第二子集不相交；

用于使用由第二静电模式施加的静电力捕获第二分子的装置；以及

用于在第二分子保持由所述近似探针集捕获的同时操纵第二分子的装置。

44.如权利要求43所述的设备，还包含：

用于在第一分子和第二分子保持由所述近似探针集捕获的同时、独立地操纵第一分子和第二分子的装置。

45.如权利要求43所述的设备，还包含：

用于在第一分子和第二分子保持由所述近似探针集捕获的同时、将第一分子移动到与第二分子紧密接近的装置；以及

用于使第一分子和第二分子之间进行化学反应的装置。

46.如权利要求45所述的设备，还包含：

用于从第一分子的至少一部分和第二分子的至少一部分中形成第三分子的装置。

47.如权利要求34所述的设备，其中，所述近似探针集中的两个或更多近似探针包含悬臂结构。

48.如权利要求47所述的设备，其中，所述近似探针子集中的每个近似探针包含悬臂结构，所述设备还包含：

用于独立地挠曲所述近似探针子集中的至少两个近似探针、以便在所述分子保持由所述近似探针集捕获的同时弯曲所述分子的装置。

49.如权利要求47所述的设备，其中，所述近似探针子集中的每个近似探针包含悬臂结构，所述设备还包含：

用于独立地挠曲所述近似探针子集中的至少两个近似探针、以便将所述分子拆分为第一分子和第二分子的装置。

50.如权利要求49所述的设备，还包含：

用于继续由所述近似探针集保持第一分子或者第二分子的装置；以及

用于利用所述近似探针集来操纵第一分子或者第二分子的装置。

51.如权利要求34所述的设备，还包含：

用于在所述分子保持由所述近似探针集捕获的同时、在化学反应中使用所述分子的装置。

52.如权利要求34所述的设备，还包含：

用于在所述分子保持由所述近似探针集捕获的同时、在化学反应中将所述分子用作催化剂的装置。

53.如权利要求34所述的设备，还包含：

用于在所述分子保持由所述近似探针集捕获的同时、在生物反应中将所述分子用作酶的装置。

54.如权利要求43所述的设备，其中，所述近似探针的第一子集被物理地连接作为第一实体，并且所述近似探针的第二子集被物理地连接作为第二实体，以便可以独立地操纵第一实体和第二实体。

55.如权利要求54所述的设备，还包含：

用于由第一实体和第二实体同时保持所捕获的分子的装置。

56.如权利要求55所述的设备，还包含：

用于在第二实体保持不动的同时操纵第一实体的装置。

57.如权利要求56所述的设备，还包含：

用于在所述分子保持由所述近似探针集捕获的同时弯曲所述分子的装置。

58.如权利要求56所述的设备，还包含：

用于将所述分子拆分为第一分子和第二分子的装置。

59.如权利要求34所述的设备，还包含：

用于在所述分子的至少一部分保持由所述近似探针集捕获的同时、重复地操纵所述分子的至少一部分的装置。

60.如权利要求59所述的设备，还包含：

用于通过包含所述分子的所述部分的操纵序列来创建包含所述分子的所述部分的新分子的装置。

61.如权利要求60所述的设备，还包含：

用于通过将其它分子的部分添加到所述分子的所述部分上来组合新分子的装置。

62.如权利要求60所述的设备，还包含：

用于通过除去所述分子的部分来分解所述分子的装置。

63.如权利要求34所述的设备，其中，所述用于操纵分子的装置包含用于折叠分子的装置。

64.如权利要求34所述的设备，其中，所述分子是蛋白质。

65.如权利要求34所述的设备，其中，所述分子是一段脱氧核糖核酸分子。

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