DE112011102090B4 - Nanofluidische Feldeffekteinheit zum Steuern des DNS-Transports durch einen Nanokanal der einen Satz von Elektroden aufweist - Google Patents

Nanofluidische Feldeffekteinheit zum Steuern des DNS-Transports durch einen Nanokanal der einen Satz von Elektroden aufweist Download PDF

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Abstract

Nanofluidische Feldeffekteinheit, aufweisend: einen nanofluidischen Kanal, der eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist; einen ersten Satz von Elektroden angrenzend an die erste Seite des nanofluidischen Kanals; einen zweiten Satz von Elektroden angrenzend an die zweite gegenüberliegende Seite des nanofluidischen Kanals; und eine Steuereinheit zum Anlegen eines elektrischen Potentials an eine Elektrode; wobei die Elektroden des ersten Satzes von Elektroden so angeordnet sind, dass, wenn sich ein Fluid mit einem geladenen Molekül in dem nanofluidischen Kanal befindet, durch das Anlegen des elektrischen Potentials an den ersten Satz von Elektroden ein sich räumlich veränderndes elektrisches Feld erzeugt wird, das das geladene Molekül in einem festgelegten Bereich des Kanals einschließt; und wobei die Elektroden des zweiten Satzes von Elektroden so gegenüber dem ersten Satz von Elektroden angeordnet sind, dass durch Anlegen des elektrischen Potentials an den zweiten Satz von Elektroden relativ zu dem an den ersten Satz von Elektroden angelegten elektrischen ...

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Nanoelektronik und insbesondere auf eine nanofluidische Feldeffekteinheit und ein Verfahren zum gesteuerten Transport eines geladenen Moleküls.
  • Es ist wünschenswert, ein kostengünstiges Sequenzieren des menschlichen Genoms zu entwickeln. Das Sequenzieren des menschlichen Genoms kann für die Gesundheitsvorsorge von Nutzen sein, indem es zur Entwicklung einer personalisierten Medizin beiträgt. Mit den aktuellen Herstellungstechniken von nanoelektronischen Einheiten ist es möglich, eine synthetische nanoskopische Einheit zum Manipulieren, Erkennen und sogar Sequenzieren von DNS zu entwerfen, die ein kostengünstiges Sequenzieren des menschlichen Genoms ermöglichen kann.
  • 1 zeigt eine Draufsicht auf eine offene nanofluidische Einheit nach dem Stand der Technik auf diesem Gebiet. Die Elektroden 101 und 102 stellen ein elektrisches Vorspannungsfeld bereit, um ein geladenes Molekül von der cis-Kammer 103 in die trans-Kammer 104 zu treiben. Das geladene Molekül wird durch eine Nanopore 105 getrieben. In die Nanopore 105 können Sensoren integriert werden, um die Basen der DNS abzutasten, wenn diese durch die Nanopore 105 getrieben wird.
  • Die nanofluidischen Einheiten nach dem Stand der Technik sind aufgrund der Architektur und der erforderlichen Größe der Nanopore schwer herzustellen. Die nanofluidischen Einheiten nach dem Stand der Technik können die DNS des Weitern nicht in geeigneter Weise in der Nanopore einschließen oder konformieren, mit der Folge, dass das Abtasten der DNS-Basen beeinträchtigt ist. Es besteht daher der Bedarf nach einer verbesserten nanofluidischen Einheit und einem Verfahren zum Steuern des DNS-Transports, um eine bessere Abtastung von DNS-Basen zu ermöglichen.
  • Folgende Dokumente liefern einen technischen Hintergrund aber keine Lösung für das genannte Problem.
  • Das Dokument WO 2008/092760 A1 beschreibt Techniken zu Kontrolle einer Position einen geladenen Polymers in einer Nanopore. Dabei werden elektrostatische Hilfsmittel eingesetzt.
  • Das Dokument US 2002/0088712 A1 beschreibt eine Manipulation von DNS und Zellen/Sporen unter Nutzung von dielektrophoretischen Kräften.
  • Das Dokument US 2004/0163955 A1 beschreibt die Nutzung von Dielektrophorese, um Partikel unter Bedingungen eines elektrokinetischen Flusses zu sammeln. Dabei wird ein Feld an die Enden eines Mikrofluid-Kanals angelegt.
  • Das Dokument „Nanopore in metal-dielectric sandwich for DNA position control” von Stas Polonsky, Steve Rossnagel und Gustavo Stolovitzky, erschienen in Applied Physics Letters 91, 153103 (2007) beschreibt ein Konzept einer nanoelektromechanischen Vorrichtung, die in der Lage ist, die Position von DNS innerhalb einer Nanopore mit einer Genauigkeit eines Nukleotides zu kontrollieren.
  • Kurze Zusammenfassung der Erfindung
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt daher eine nanofluidische Feldeffekteinheit bereit. Die Einheit umfasst einen Kanal, der eine erste Seite und eine zweite Seite, einen ersten Satz von Elektroden angrenzend an die erste Seite des Kanals und eine Steuereinheit zum Anlegen eines elektrischen Potentials an eine Elektrode aufweist. Die Elektroden des ersten Satzes von Elektroden sind so angeordnet, dass durch das Anlegen des elektrischen Potentials an den ersten Satz von Elektroden ein sich räumlich veränderndes elektrisches Feld erzeugt wird, das ein geladenes Molekül in einem festgelegten Bereich des Kanals einschließt.
  • Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Steuern eines geladenen Moleküls in einer nanofluidischen Feldeffekteinheit bereit. Ein erstes elektrisches Feld wird in einer Richtung einer Strömungsachse eines Kanals in der nanofluidischen Feldeffekteinheit angelegt, um das geladene Molekül durch diese zu treiben. Ein zweites elektrisches Feld wird angelegt, um das geladene Molekül in einem festgelegten Bereich in dem Kanal einzuschließen.
  • Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine nanofluidische Feldeffekteinheit bereit. Die Einheit umfasst einen Kanal, der eine erste Seite und eine zweite Seite, einen ersten Satz von Elektroden angrenzend an die erste Seite des Kanals, einen zweiten Satz von Elektroden angrenzend an die zweite Seite des Kanals und eine Steuereinheit zum Anlegen eines elektrischen Potentials an eine Elektrode aufweist. Die Elektroden des ersten Satzes von Elektroden sind so angeordnet, dass durch das Anlegen des elektrischen Potentials an den ersten Satz von Elektroden ein sich räumlich veränderndes elektrisches Feld erzeugt wird, das ein geladenes Molekül in einem festgelegten Bereich des Kanals einschließt. Die Elektroden des zweiten Satzes von Elektroden sind so angeordnet, dass durch das Anlegen des elektrischen Potentials an den zweiten Satz von Elektroden relativ zu dem an den ersten Satz von Elektroden angelegten elektrischen Potential ein elektrisches Feld erzeugt wird, das das geladene Molekül in einem Bereich einschließt, der von der zweiten Seite des Kanals entfernt ist.
  • kurze Beschreibung der verschiedenen Ansichten der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine isometrische Ansicht einer offenen nanofluidischen Einheit nach dem Stand der Technik.
  • 2 zeigt eine schematische Ansicht der nanofluidischen Feldeffekteinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 3 zeigt eine isometrische Explosionsdarstellung der Kanalstruktur der nanofluidischen Feldeffekteinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 4 zeigt eine isometrische Explosionsdarstellung eines Kanals der nanofluidischen Feldeffekteinheit mit einem darin eingeschlossenen einzelnen geladenen Molekül gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 5 zeigt einen Entwurf einer Metallelektrode zum Erzeugen eines besseren elektrischen Fokussierungsfelds gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 6 zeigt einen Entwurf eines Abtastbereichs zum Sequenzieren von DNS gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 7 zeigt einen Ablaufplan für ein Verfahren zum Steuern eines geladenen Moleküls in einer nanofluidischen Feldeffekteinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Bei dieser Erfindung wird ein geladenes Molekül durch einen nano- oder mikrofluidischen Kanal getrieben, und elektrische Felder werden verwendet, um das geladene Molekül einzuschließen, seine Konformation zu steuern und es durch den Kanal zu transportieren. Das geladene Molekül kann ein langkettiges Polymer wie beispielsweise Stränge von Desoxyribonukleinsäure (DNS) sein. Durch das Einschließen, Konformieren und Transportieren der DNS durch einen Kanal kann eine Abtasteinheit hergestellt werden, die eine relativ kostengünstige und schnelle DNS-Sequenzierung ermöglicht.
  • 2 zeigt eine schematische Ansicht der nanofluidischen Feldeffekteinheit 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die nanofluidische Feldeffekteinheit 200 weist eine Steuereinheit 201 und eine Kanalstruktur 202 mit den unteren Elektroden 203 und den oberen Elektroden 204 auf, die in der Kanalstruktur angeordnet sind. Die Steuereinheit 201 steuert die an die unteren und oberen Elektroden 203, 204 angelegten elektrischen Potentiale, so dass elektrische Felder erzeugt werden können, um ein geladenes Molekül durch die Kanalstruktur zu treiben und das geladene Molekül in einem festgelegten Bereich in der Kanalstruktur einzuschließen.
  • 3 zeigt eine isometrische Explosionsdarstellung einer Kanalstruktur 202 der nanofluidischen Feldeffekteinheit 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. An eine cis-Kammerelektrode 101 und eine trans-Kammerelektrode 102 werden elektrische Potentiale angelegt, so dass ein elektrisches Feld erzeugt wird, um die geladenen Moleküle 301 von einer cis-Kammer 103 (in 1 dargestellt) in einen Kanal 302 der Kanalstruktur 202 zu laden. Nachdem die geladenen Moleküle 301 durch den Kanal 302 getrieben worden sind, zieht das durch die Elektroden 101 und 102 angelegte elektrische Feld die geladenen Moleküle 301 aus dem Kanal 302 und in die trans-Kammer 104 (in 2 dargestellt).
  • Ein erster Satz von Elektroden 310 bis 315 ist auf der Oberfläche eines Substrats 303 und angrenzend an eine erste Seite 304 des Kanals 302 angeordnet. Die Elektroden des ersten Satzes der Elektroden 310 bis 315 sind in kammförmigen Mustern angeordnet. Durch Anlegen elektrischer Potentiale an ein Paar kammförmiger Elektroden mit ineinandergreifenden Zähnen, beispielsweise 310 und 311, kann ein sich räumlich veränderndes Fokussierungsfeld Ef in einer y-Richtung, die auch als eine horizontale Richtung bezeichnet wird, erzeugt werden, um die geladenen Moleküle 301 in einem festgelegten Bereich oder einem Unterschlitz des Kanals 302 einzuschließen. Durch Bereitstellen mehrere Zähne auf den kammförmigen Elektroden mit den ineinandergreifenden Zähnen 310 bis 315 können mehrere Unterschlitze gebildet werden, so dass eine gleiche Anzahl an geladenen Molekülen 301 wie dargestellt durch einen einzelnen Kanal 302 getrieben werden können. Ein Beispiel einer Spannungseinstellung bei dem ersten Satz der Elektroden 301 bis 315 ist in 2 dargestellt.
  • Benachbarte Elektroden, beispielsweise 311 und 312, in dem ersten Satz der Elektroden 310 bis 315 können ebenfalls ein elektrisches Vorspannungsfeld Ed bereitstellen, um die geladenen Moleküle 301 in eine x-Richtung, die auch als Strömungsachsenrichtung bezeichnet wird, zu treiben. Der erste Satz der Elektroden 310 bis 315 mit den angelegten elektrischen Potentialen kann daher elektrische Felder erzeugen, die die geladene Moleküle 301 einengen und treiben können.
  • Bei einem Spannungsunterschied zwischen einem Paar kammförmiger Elektroden mit ineinandergreifenden Zähnen, beispielsweise 310 und 311, von 0,2 V, beträgt die elektrische Einfangenergie U für die DNS 0,2|e|V(l'/l0) ~ 800 kBT, wobei e eine Elektronenladung ist, kB die Boltzmann-Konstante ist, T die Temperatur ist, l0 der Abstand zwischen nebeneinanderliegenden Phosphatgruppen ist und l' die Länge jedes ”Zahns” in den kammförmigen Elektroden (~50 nm) ist. Bei dieser Rechnung wird angenommen, dass die DNS in der Einfangpotentialsenke nicht mäandert, dies wird dadurch sichergestellt, dass die Einfangpotentialsenke durch enge ”Zähne” der kammförmigen Elektroden gebildet wird.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Kanal 302 rund 50 nm tief, 1 um breit und 10 um lang. Die Größe des Kanals 302 und der Unterschlitze kann an die Größe der in Verbindung mit der Einheit verwendeten geladenen Moleküle 301 angepasst werden.
  • Der Kanal 302 weist mindestens eine erste Seite 304 und eine zweite Seite 305 auf, die auch als Unterseite bzw. Oberseite bezeichnet werden. Die Unterseite des Kanals kann die Oberfläche des Substrats 303 sein, oder eine separate Komponente 306 kann wie dargestellt den Kanal 302 bilden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Unterseite 304 des Kanals 302 mit einem geeigneten Polymer beschichtet, um Reibung auf den geladenen Molekülen 301 zu verringern. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Abstand zwischen dem ersten Satz der Elektroden 310 bis 315 und der Unterseite 304 des Kanals 302 gering, beispielsweise rund 3 nm, um ein starkes elektrisches Fokussierungsfeld Ef und ein starkes elektrisches Vorspannungsfeld Ed auf der Unterseite 304 des Kanals 302 zu ermöglichen.
  • Ein zweiter Satz von Elektroden 320 bis 322 ist auf einer Schicht 307 und angrenzend an eine zweite Seite 305 des Kanals 302 angeordnet. Jede der Elektroden in dem zweiten Satz der Elektroden 320 bis 322 befindet sich gegenüber von einem Paar kammförmiger Elektroden im ersten Satz der Elektroden 310 bis 315. Die Elektrode 320 befindet sich zum Beispiel gegenüber von den Elektroden 310 und 311. Zum Erzeugen eines vertikalen elektrischen Feldes Ep werden relativ zu den Spannungen an dem ersten Satz der Elektroden 310 bis 315 Spannungen an dem zweiten Satz der Elektroden 320 bis 322 angelegt, um die geladenen Moleküle 310 in einen Bereich des Kanals 302 einzuschließen oder zu verschieben, der von der zweiten Seite 305 entfernt ist, welche auch als Unterseite des Kanals 302 bezeichnet wird.
  • Das vertikale elektrische Feld Ep schränkt nicht nur die vertikale Bewegung der geladenen Moleküle 301 ein, sondern richtet im Fall einer Einzelstrang-DNS (single-strand DNA, ssDNS) auch das Dipolmoment jeder ssDNS-Base in z-Richtung aus, die auch als die vertikale Richtung bezeichnet wird. Die sich daraus ergebende ssDNS-Konformation in den dreidimensionalen elektrischen Feldern ist somit linear, und das ssDNS-Rückgrat berührt die Unterseite des Kanals 302, wobei alle Basen ausgerichtet sind. Diese geordnete Konformation der ssDNS ist vorteilhaft, damit ein Sensor die Basen der DNS abtasten kann.
  • Die nanofluidische Feldeffekteinheit weist ein ionisches Fluid auf, das die geladenen Moleküle 301 enthält. Die Ionenkonzentration sollte so gewählt werden, dass die Debye-Länge größer als die Tiefe eines Kanals 302, bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ~50 nm, jedoch kleiner als der Abstand zwischen nebeneinanderliegenden Unterschlitzen, bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ~100 nm, ist. Bei dem oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Ionenkonzentration rund 10 Mikromolar. Dadurch wird sichergestellt, dass elektrische Felder von Elektroden in einem Kanal nicht abgeschirmt sind und die gegenseitige Beeinflussung der ssDNS-Moleküle unerheblich ist.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sollte die Konzentration der geladenen Moleküle 301 in dem Fluid pro Anzahl der Unterschlitze kleiner als oder gleich 1 betragen, um zu verhindern, dass zwei geladene Moleküle 301 in denselben Unterschlitz gelangen. Wenn die Konzentration stimmt, würde das obere geladene Molekül 301, selbst wenn sich zwei geladene Moleküle 301 im selben Unterschlitz befinden, aufgrund einer starken Abstoßung zwischen zwei geladenen, parallel ausgerichteten Molekülen 301 entweder in einen danebenliegenden leeren Unterschlitz diffundieren oder viel schneller als das untere geladene Molekül durch den Kanal 302 getrieben werden.
  • Damit der Kopfteil eines geladenen Moleküls 301 in dem Spalt zwischen Elektroden, beispielsweise dem Spalt zwischen den Elektroden 311 und 312, nicht in einen danebenliegenden Unterschlitz gelangt, sollte folgende Relation erfüllt werden: ΔR < d, (1) wobei ΔR die Abweichung von dem Fokus ist und d der halbe Abstand zwischen nebeneinanderliegenden Unterschlitzen ist. Annähernd gilt
    Figure DE112011102090B4_0002
    wobei D die Diffusionskonstante ist; l der Abstand zwischen nebeneinanderliegenden Elektroden (beispielsweise 311 und 312) ist; μ die elektrophoretische Mobilität des geladenen Moleküls ist; E und V0 das treibende Feld bzw. der Spannungsunterschied zwischen nebeneinanderliegenden Elektroden (beispielsweise 311 und 312) sind; ξ der Reibungskoeffizient ist und qeff die elektrophoretische Ladung eines Fragments eines geladenen Moleküls mit einer Länge l ist. Die folgenden Relationen D = kT / ξ, qeff = ξμ (3) wurden in der oben aufgeführten Ableitung verwendet.
  • Ausgehend von der Annahme, dass es sich bei dem geladenen Molekül um DNS handelt, und der Abstand zwischen nebeneinanderliegenden Phosphatgruppen l0 ist, beträgt qeff = |e|(l/l0). Da das elektrische Fokussierungsfeld Ef Gegenionen von der DNS weg treiben würde und die Ionenkonzentration niedrig ist, kann die qeff der DNS als die nackte Ladung der DNS angenähert werden. Damit kann die Gleichung (2) weiter wie folgt neu formuliert werden
    Figure DE112011102090B4_0003
  • Wenn l = 50 nm, V0 = 0,4 V und l0 = 0,5 nm ist, beträgt ΔR ~ 1,3 nm << d. Auch wenn l = 500 nm beträgt, ist die Abweichung immer noch kleiner als d. Die Seitenabweichung ist bei der elektrophoretischen Bewegung der DNS daher ziemlich klein.
  • 4 zeigt eine isometrische Ansicht des Kanals 302 der nanofluidischen Feldeffekteinheit mit einem darin eingeschlossenen einzelnen geladenen Molekül 301 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wenn der Kanal 302 klein ist, ist ein einzelner Unterschlitz in dem Kanal 302 zum Sequenzieren von DNS trotz allem vorteilhaft. Die Einheit ist des Weiteren nicht auf einen einzelnen Kanal 302 beschränkt, sondern kann mehrere Kanäle aufweisen.
  • 5 zeigt einen Entwurf einer Metallelektrode zum Erzeugen eines besseren elektrischen Fokussierungsfelds gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Breite jedes ”Zahns” einer kammförmigen Elektrode (beispielsweise 310) kann aufgrund der Beschränkungen der Lithografietechnik nicht kleiner als rund 20 nm sein. Obgleich die von solchen Elektroden erzeugten elektrischen Felder gut genug sind, um eine Doppelstrang-DNS (double-strand DNA, dsDNS) (Persistenzlänge ~50 nm) zu fokussieren, ist es schwierig, solche elektrischen Felder anzuwenden, um ein geladenes Polymer mit einer wesentlich kürzeren Persistenzlänge, beispielsweise eine ssDNS, zu fokussieren. Um die ssDNS angemessen zu fokussieren, dürfen die ”Zähne” der kammförmigen Elektroden nicht breiter als 3 nm sein. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die parallelen Gräben 501 auf der Oberfläche eines Siliciumdioxidsubstrats 303 geätzt. Der Boden eines Grabens 501 kann so klein wie ein Atom sein. Im Anschluss werden Metallatome in und über jedem Graben abgeschieden, um die ”Zähne” 502 der kammförmigen Elektroden zu bilden. Diese Ausführung verbessert die Fokussierungsauflösung von 20 nm auf rund 1 nm. Die durch diese Elektroden erzeugten elektrischen Fokussierungsfelder Ef können verwendet werden, um die ssDNS mit einer linearen Konformation einzuschließen.
  • 6 zeigt einen Entwurf eines Abtastbereichs zum Sequenzieren von DNS gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Elektroden 601 auf der Oberfläche des Substrats 303 und in einem Bereich 602 in der Nähe des Kanalausgangs gebildet, so dass durch das Anlegen von elektrischen Potentialen elektrische Felder zum Strecken der DNS erzeugt werden. Die Spannung jeder dieser Elektroden wird individuell gesteuert, dadurch kann die DNS in jedem Unterschlitz individuell gestreckt werden. Bei einer gestreckten ssDNS wird der Abstand zwischen nebeneinanderliegenden Basen vergrößert, um die DNS-Basen besser abtasten zu können. Je nach gewählter DNS-Sequenzierungstechnik kann ein Sensor (beispielsweise eine STM-Spitze) in diesen Bereich und in jeden Unterschlitz integriert werden.
  • 7 zeigt einen Ablaufplan für ein Verfahren zum Steuern eines geladenen Moleküls in einer nanofluidischen Feldeffekteinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Schritt 701 wird das geladene Molekül in einen Kanal in einer nanofluidischen Feldeffekteinheit geladen, indem unterschiedliche elektrische Potentiale an zwei Elektroden angelegt werden, die sich in Kammern an entgegengesetzten Enden des Kanals befinden. In Schritt 702 wird ein erstes elektrisches Feld in einer Richtung einer Strömungsachse eines Kanals in der nanofluidischen Feldeffekteinheit angelegt, um das geladene Molekül durch diese zu treiben. In Schritt 703 wird ein zweites elektrisches Feld angelegt, um das geladene Molekül in einem festgelegten Bereich im Kanal einzuschließen. Um das geladene Molekül einzuschließen, verändert sich das zweite elektrische Feld räumlich. Wenn es sich bei dem geladenen Molekül um DNS handelt, wird in Schritt 704 ein drittes elektrisches Feld angelegt, um die DNS zu strecken, so dass der Abstand zwischen nebeneinanderliegenden Basen vergrößert wird. In Schritt 705 werden die Basen der DNS abgetastet, um die DNS zu sequenzieren. Die elektrischen Felder können in allen Schritten zeitabhängig sein.
  • Schritt 702, bei dem ein erstes elektrisches Feld in einer Richtung einer Strömungsachse angelegt wird, wird ausgeführt, indem elektrische Potentiale an nebeneinanderliegende Elektroden angelegt werden, die so angeordnet sind, dass das elektrische Feld in Richtung der Strömungsachse angelegt wird.
  • Schritt 703, bei dem ein zweites elektrisches Feld angelegt wird, um das geladene Molekül in einem festgelegten Bereich in dem Kanal einzuschließen, wird ausgeführt, indem elektrische Potentiale an Elektroden angelegt werden, die so angeordnet sind, dass sich das elektrische Feld in horizontaler Richtung räumlich verändert. Das zweite elektrische Feld kann auch ein elektrisches Feld in vertikaler Richtung aufweisen, das von Elektroden erzeugt wird, die auf einer Unterseite und einer Oberseite des Kanals angeordnet sind. Die elektrischen Felder können sich überlagern, um in dem Kanal ein einschließendes elektrisches Feld zu bilden, das ein geladenes Molekül in vertikaler und horizontaler Richtung einschließt.

Claims (18)

  1. Nanofluidische Feldeffekteinheit, aufweisend: einen nanofluidischen Kanal, der eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist; einen ersten Satz von Elektroden angrenzend an die erste Seite des nanofluidischen Kanals; einen zweiten Satz von Elektroden angrenzend an die zweite gegenüberliegende Seite des nanofluidischen Kanals; und eine Steuereinheit zum Anlegen eines elektrischen Potentials an eine Elektrode; wobei die Elektroden des ersten Satzes von Elektroden so angeordnet sind, dass, wenn sich ein Fluid mit einem geladenen Molekül in dem nanofluidischen Kanal befindet, durch das Anlegen des elektrischen Potentials an den ersten Satz von Elektroden ein sich räumlich veränderndes elektrisches Feld erzeugt wird, das das geladene Molekül in einem festgelegten Bereich des Kanals einschließt; und wobei die Elektroden des zweiten Satzes von Elektroden so gegenüber dem ersten Satz von Elektroden angeordnet sind, dass durch Anlegen des elektrischen Potentials an den zweiten Satz von Elektroden relativ zu dem an den ersten Satz von Elektroden angelegten elektrischen Potential ein vertikales elektrisches Feld erzeugt wird, das das geladene Molekül in einem Bereich einschließt, der von der zweiten Seite des Kanals entfernt ist.
  2. Nanofluidische Feldeffekteinheit nach Anspruch 1, wobei die Elektroden des ersten Satzes von Elektroden eine Mehrzahl geladener Moleküle in einer Mehrzahl von festgelegten Bereichen des Kanals einschließen.
  3. Nanofluidische Feldeffekteinheit nach Anspruch 1, wobei die Elektroden des ersten Satzes von Elektroden kammförmig mit ineinandergreifenden Zähnen sind.
  4. Nanofluidische Feldeffekteinheit nach Anspruch 3, wobei die ineinandergreifenden Zähne aus einem Paar kammförmiger Elektroden gebildet werden.
  5. Nanofluidische Feldeffekteinheit nach Anspruch 3, wobei die Zähne der kammförmigen Elektroden eine Breite von nicht mehr als 3 nm aufweisen.
  6. Nanofluidische Feldeffekteinheit nach Anspruch 1, wobei die erste Seite und die zweite Seite gegenüberliegende Seiten des Kanals sind.
  7. Nanofluidische Feldeffekteinheit nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der ersten Seite und der zweiten Seite des Kanals eine Polymerbeschichtung aufweist.
  8. Nanofluidische Feldeffekteinheit nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend: eine Vielzahl von Streckungselektroden, die sich in der Nähe eines Ausgangs des Kanals befinden.
  9. Nanofluidische Feldeffekteinheit nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend: mindestens einen Sensor zum Abtasten von Basen des geladenen Moleküls.
  10. Verfahren zum Steuern eines geladenen Moleküls in einer nanofluidischen Feldeffekteinheit, die einen nanofluiden Kanal aufweist, der eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, das Verfahren aufweisend: Anlegen eines ersten elektrischen Feldes in einer Richtung einer Strömungsachse des nanofluiden Kanals in der nanofluidischen Feldeffekteinheit, um das geladene Molekül durch diese zu treiben, wobei das erste elektrische Feld durch einen ersten Satz von Elektroden angrenzend an die erste Seite des nanofluiden Kanals erzeugt wird, Anlegen eines zweiten elektrischen Feldes, um das geladene Molekül in einem festgelegten Bereich in dem nanofluiden Kanal einzuschließen, wobei das zweite elektrische Feld durch einen zweiten Satz von Elektroden angrenzend an die zweite Seite des nanofluiden Kanals erzeugt wird, wobei die Elektroden des ersten Satzes von Elektroden so angeordnet sind, dass, wenn sich ein Fluid mit dem geladenen Molekül in dem nanofluidischen Kanal befindet, durch das Anlegen des elektrischen Potentials an den ersten Satz von Elektroden ein sich räumlich veränderndes elektrisches Feld erzeugt wird, das das geladene Molekül in einem festgelegten Bereich des Kanals einschließt; und wobei die Elektroden des zweiten Satzes von Elektroden so gegenüber dem ersten Satz von Elektroden angeordnet sind, dass durch Anlegen des elektrischen Potentials an den zweiten Satz von Elektroden relativ zu dem an den ersten Satz von Elektroden angelegten elektrischen Potential ein vertikales elektrisches Feld erzeugt wird, das das geladene Molekül in einem Bereich einschließt, der von der zweiten Seite des Kanals entfernt ist.
  11. Verfahren zum Steuern eines geladenen Moleküls nach Anspruch 10, wobei sich das zweite elektrische Feld räumlich verändert.
  12. Verfahren zum Steuern eines geladenen Moleküls nach Anspruch 10, wobei der Schritt zum Anlegen eines ersten elektrischen Feldes in einer Richtung einer Strömungsachse ausgeführt wird, indem elektrische Potentiale an nebeneinanderliegende Elektroden angelegt werden, die so angeordnet sind, dass das elektrische Feld in Richtung der Strömungsachse angelegt wird.
  13. Verfahren zum Steuern eines geladenen Moleküls nach Anspruch 10, wobei das zweite elektrische Feld zeitabhängig ist.
  14. Verfahren zum Steuern eines geladenen Moleküls nach Anspruch 10, wobei das zweite elektrische Feld in einer vertikalen Richtung und einer horizontalen Richtung angelegt wird.
  15. Verfahren zum Steuern eines geladenen Moleküls nach Anspruch 11, weiterhin aufweisend: Laden des geladenen Moleküls in den Kanal, wobei das Laden ausgeführt wird, indem unterschiedliche elektrische Potentiale an zwei Elektroden angelegt werden, die sich in Kammern an entgegengesetzten Enden des Kanals befinden.
  16. Verfahren zum Steuern eines geladenen Moleküls nach Anspruch 11, weiterhin aufweisend: Abtasten von Basen des geladenen Moleküls, wenn das geladene Molekül eine DNS ist.
  17. Verfahren zum Steuern eines geladenen Moleküls nach Anspruch 16, weiterhin aufweisend: Anlegen eines dritten elektrischen Feldes, um das geladene Molekül so zu strecken, dass ein Abstand zwischen nebeneinanderliegenden Basen vergrößert wird.
  18. Verfahren zum Steuern eines geladenen Moleküls nach Anspruch 11, wobei das geladene Molekül ein langkettiges Polymer ist.
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