DE112011105961T5

DE112011105961T5 - Nanolückenwandler mit Diamantelektroden

Info

Publication number: DE112011105961T5
Application number: DE112011105961.2T
Authority: DE
Inventors: Onur C. Akkaya; Grace M. Credo; Oguz H. Elibol; Noreddine Tayebi
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2014-09-18
Also published as: CA2858036A1; KR20140098790A; US9322798B2; CN103975240A; GB2511230A; CA2858036C; JP2015504522A; GB2511230B; US20130281325A1; WO2013089742A1; CN103975240B; KR101813907B1; GB201408650D0

Abstract

Ausführungsformen der Erfindung stellen Wandler bereit, die in der Lage sind, redoxaktive chemische Signale in elektrische Signale umzuwandeln. Wandler umfassen zwei Elektroden, die durch eine Nanolücke voneinander getrennt sind. Wenigstens eine Elektrode besteht aus einem leitfähigen Diamanten. Verfahren zum Herstellen von Nanolückenwandlern und Arrays aus Nanolückenwandlern werden bereitgestellt. Arrays aus einzeln adressierbaren Nanolückenwandlern können auf integrierten Schaltungschips angeordnet und im Betrieb mit dem integrierten Schaltungschip gekoppelt sein.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung ist mit der US-Anmeldung Nr. 12/655,578 mit dem Titel ”Nanogap Chemical and Biochemical Sensors”, eingereicht am 31. Dezember 2009, derzeit anhängig, US-Anmeldung Nr. 11/226,696 mit dem Titel ”Sensor Arrays and Nucleic Acid Sequencing Applications”, eingereicht am 13. September 2005, derzeit anhängig, die eine Continuation-in-part-Anmeldung ist, die die Priorität der US-Patentanmeldung Nr. 11/073,160 mit dem Titel ”Sensor Arrays and Nucleic Acid Sequencing Applications”, eingereicht am 4. März 2005, beansprucht, und US-Patentanmeldung Nr. 11/967,600 mit dem Titel ”Electronic Sensing for Nucleic Acid Sequencing”, eingereicht am 31. Dezember 2007, derzeit anhängig, verwandt, deren Offenbarungen hier durch Bezugnahme aufgenommen werden.
Gebiet der Erfindung
Die Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich allgemein auf Wandler, Nanolückenwandler, elektronisches Messen, Elektrochemie, Redoxzyklisieren und Biomoleküldetektion.
Hintergrundinformation
Analysegeräte, die erhöhte Präzision und/oder Robustheit, geringeren Bedarf nach Analyseproben und/oder hohen Durchsatz bieten, sind wertvolle Analyse- und biomedizinische Werkzeuge. Zusätzlich bieten Molekulardetektionsplattformen, die miniaturisiert und in großen Stückzahlen herstellbar sind, vielen Menschen Zugriff auf kostengünstige Krankheitserkennung an Orten und in Situationen, an/in denen ein solcher Zugriff in der Vergangenheit nicht möglich war. Die Verfügbarkeit kostengünstiger Molekulardiagnostikgeräte reduziert die Kosten verfügbarer Gesundheitsversorgung und verbessert deren Qualität. Zusätzlich weisen tragbare Molekulardetektionsgeräte Anwendungen zur Sicherheits- und Gefahrendetektion und auf Behandlungsgebieten auf und bieten die Fähigkeit, sofort angemessen auf eine erfasste Sicherheits- oder unfallsbedingte biologische oder chemische Gefahr zu reagieren.
Genetische Information in lebenden Organismen ist in Form von sehr langen Nukleinsäuremolekülen enthalten, wie etwa Desoxyribonukleinsäure (deoxyribonucleic acid (DNA)) und Ribonukleinsäure (ribonucleic acid (RNA)). Natürlich vorkommende DNA- und RNA-Moleküle sind typischerweise aus wiederholten chemischen Bausteinen zusammengesetzt, die Nukleotide heißen. Das Humangenom enthält beispielsweise annähernd drei Milliarden Nukleotide von DNA-Sequenzen und schätzungsweise 20.000 bis 25.000 Gene.
Bestimmung aller drei Milliarden Nukleotidsequenzen des Humangenoms lieferte eine Grundlage zum Identifizieren der genetischen Basis zahlreicher Krankheiten, wie etwa Krebs, Mukoviszidose und Sichelzellenanämie. Sequenzieren der Genome oder Abschnitte des Genomes Einzelner bietet eine Gelegenheit, medizinische Behandlungen zu personalisieren. Der Bedarf nach Nukleinsäuresequenzinformation besteht auch in der Forschung, im Umweltschutz, in der Lebensmittelsicherheit, Bioverteidigung und in klinischen Anwendungen, wie etwa beispielsweise Detektion von Krankheitserregern, d. h. die Detektion des Vorliegens oder Fehlens von Krankheitserregern und/oder ihrer genetischen Varianten.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 zeigt ein schematisches Diagramm, das einen Nanolückenwandler zeigt.
2 zeigt ein schematisches Diagramm, dass eine Ansicht entlang 2-2 des Nanolückenwandlers aus 1 zeigt.
3A–B zeigen ein Diagramm für ein Verfahren zum Herstellen eines Nanolückenwandlers, der eine oder zwei Elektroden enthält, die ein leitfähiges Diamantmaterial aufweisen.
4A–B zeigen Graphen zyklischer voltammetrischer Messungen für einen Nanolückenwandler, der eine leitfähige Diamantelektrode enthält.
5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen der Sequenz eines Nukleinsäurenmoleküls.
6 zeigt ein Reaktionsschema, das ein Verfahren zum Sequenzieren eines Nukleinsäurenmoleküls durch die Detektion einer Oxidations-Reduktions-Reaktion eines redoxaktiven Stoffes zeigt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die Fähigkeit, biologische Reaktionen und Moleküle bei ultraniedrigen Konzentrationen zu detektieren, ist beispielsweise auf Molekulardetektion und -analyse, Molekulardiagnose, Krankheitserkennung, Substanzidentifizierung und DNA-Detektion und -Sequenzierung anwendbar. Ausführungsformen der Erfindung stellen elektronische Sensoren bereit, die in der Lage sind, biologische Reaktionen und Moleküle zu detektieren, und die sich durch hohe Empfindlichkeit, extrem reduzierte Footprints und einen hohen Grad an Herstellbarkeit auszeichnen. Nanolückenwandler gemäß Ausführungsformen der Erfindung können in Form großer Arrays aus Nanolückenwandlern vorliegen. Beispielsweise umfassen Arrays aus Nanolückenwandlern 1000 bis 10 Millionen oder eine Million bis 10 Milliarden Wandler, von denen 50% oder mehr, 75% oder mehr, 85% oder mehr, 90% oder mehr, 95% oder mehr, oder 98% oder mehr der Wandler funktionierende Sensoren sind.
Ausführungsformen der Erfindung stellen Wandler bereit, die in der Lage sind, als elektronische Sensoren und Redoxzyklisierungssensoren zu arbeiten. Allgemein ist Redoxzyklisieren ein elektrochemisches Verfahren, in dem sich ein Molekül, das reversibel oxidiert und/oder reduziert werden kann (d. h. ein redoxaktives Molekül), zwischen wenigstens zwei Elektroden bewegt, die unabhängig voneinander vorgespannt sind, eins unterhalb eines Reduktionspotentials und das andere oberhalb eines Oxidationspotentials, damit das redoxaktive Molekül detektiert wird, wobei Elektronen zwischen den unabhängig voneinander vorgespannten Elektroden übertragen werden (d. h. das Molekül wird an einer ersten Elektrode oxidiert und diffundiert dann zu einer zweiten Elektrode, wo es reduziert wird, oder umgekehrt, es wird als erstes reduziert und dann oxidiert, abhängig von dem Molekül und den Potentialen, bei denen die Elektroden vorgespannt sind). Im Redoxzyklisieren kann das gleiche Molekül daher eine Vielzahl von Elektronen zu dem aufgenommenen Strom beitragen, was zu einer reinen Verstärkung des Signals führt.
Nanolückenwandler gemäß Ausführungsformen der Erfindung können zuverlässig in einer CMOS(complementary metal oxide semiconductor)-kompatiblen Weise hergestellt werden, die dichte Integration von Sensoreinheiten (und optional Steuern von Elektronik) auf einer einzelnen Plattform ermöglicht, wie etwa beispielsweise für einen Chip oder Siliziumwafer, der typischerweise in integrierten Schaltungsherstellungsanwendungen verwendet wird. Weil die Nanolückenwandler, die von Ausführungsformen der Erfindung bereitgestellt werden, sehr klein und sehr empfindlich sind, liefern sie die Fähigkeit, Moleküle und Biomoleküle bei ultrageringen Konzentrationen auf eine sehr parallele Weise zu detektieren. Ein einzelner Nanolückenwandler kann beispielsweise lediglich 0.5 μm² auf einem Array oder anderer Chipoberfläche belegen. In anderen Ausführungsformen belegt ein einzelner Nanolückenwandler zwischen 0,5 μm² und 50 μm² oder 0,5 μm² bis 100 μm² an Fläche auf einem Array oder anderer Chipoberfläche. Die Fähigkeit, Moleküle auf eine hochempfindliche Weise zu detektieren, besitzt Anwendungen in Gebieten der Diagnostik, Proteomik, Genomik, Sicherheit und chemischer und biologischer Gefahrenerkennung.
1 zeigt einen Nanolückenwandler, der in der Lage ist, als ein elektronischer Sensor zu arbeiten, Redoxmoleküle zu detektieren und/oder als ein redoxzyklisierender Sensor zu arbeiten. In 1 weist ein Substrat 105 eine Dielektrikschicht 110 und eine erste Elektrode 115 auf. Eine zweite Elektrode 120 ist von der ersten Elektrode durch eine Lücke getrennt, die eine Höhe h₁ aufweist. In Ausführungsformen der Erfindung beträgt die Höhe der Lücke, h₁, weniger als 500 nm oder zwischen 10 und 200 nm, zwischen 10 und 150 nm oder zwischen 25 und 150 nm. Optionale elektronische Verbindungen 125 und 130, wie etwa Durchkontaktierungen durch die Dielektrikschicht 110, bilden Verbindungen mit optionaler Elektronik (nicht gezeigt), die in dem Substrat 105 beherbergt sind. In Ausführungsformen der Erfindung ist das Substrat 105 ein integrierter Schaltungs(integrated circuit (IC))-Chip und umfasst Elektronik beispielsweise zum Steuern der Elektroden 115 und 120, Lesen von Signalen, Signalverstärkung und/oder Ausgeben von Daten. Das Substrat kann aus anderen Materialien bestehen, wie etwa beispielsweise Glas, passiviertes Metall, Polymere, Halbleiter, PDMS (Polydimethylsiloxan) und/oder flexible elastomere Substanzen. In Ausführungsformen, in denen das Substrat keine Elektronik beherbergt, können sich elektrische Verbindungen mit Elektroden 115 und 120 nach außen entlang einer Oberfläche der Isolierschicht 110 oder durch das Substrat 105 erstrecken, obwohl auch andere Konfigurationen möglich sind. Eine Isolierschicht 135 liegt nahe der zweiten Elektrode 120. Die Isolierschicht 135 kann beispielsweise aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, Hafniumoxid, Aluminimumoxid oder einem Polymer, wie etwa Polyimid, bestehen. Andere dielektrische Materialien für die Isolierschicht 135 sind ebenfalls möglich.
Die Elektroden 115 und 120 bestehen aus einem leitfähigen Material, wie etwa beispielsweise Diamant, Platin und/oder Gold. In Ausführungsformen der Erfindung besteht wenigstens eine Elektrode 115 oder 120 aus einem leitfähigen Diamantmaterial. In Ausführungsformen der Erfindung besteht die Elektrode 115 aus leitfähigem Diamant. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung bestehen beide Elektroden 115 und 120 aus leitfähigem Diamantmatieral. Diamant kann beispielsweise durch Dotieren dazu gebracht werden, Elektrizität zu leiten. Dotiermittel schließen beispielsweise Bor, Stickstoff und Phosphor ein. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Dotiermittel Bor. Dotiermittelkonzentrationen für mit Bor dotierte Diamantmaterialien schließen Konzentrationen von mehr als 10²² Atomen/cm³ und weniger als 10²² Atomen/cm³ ein. In Ausführungsformen der Erfindung beträgt, wenn die erste Elektrode 115 aus einem leitfähigen Diamantmaterial besteht, die Höhe der Elektrode, h₂, zwischen 200 und 1000 nm. In anderen Ausführungsformen beträgt die Höhe der leitfähigen Diamantelektrode, h₂, zwischen 5 und 25 nm. In Ausführungsformen der Erfindung besteht der leitfähige Diamantfilm aus mikrokristallinem- oder nanokristallinem Diamant. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung weist eine leitfähige erste Diamantelektrode 115 naheliegende Dielektrikbereiche 117 auf. Das dielektrische Material kann beispielsweise Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid oder ein anderes elektrochemisches nichtreaktives Material sein, das mit einem Herstellungsprozess kompatibel ist. Im Betrieb wird typischerweise auch eine Referenzelektrode (nicht gezeigt) mit dem Nanolückenwandler verwendet. Die Referenzelektrode ist in Kontakt mit der Lösung, die gemessen wird, muss jedoch nicht innerhalb der Nanolücke angeordnet sein.
2 zeigt eine Ansicht entlang 2-2 des Nanolückenwandlers aus 1. Die Merkmale der 2 sind die gleichen wie die bezüglich 1 beschriebenen. In aller Kürze sind eine erste Elektrode 115, eine Dielektrikschicht 110, eine zweite Elektrode 120 und eine Isolierschicht 135 abgebildet. Andere Formen sind für Elektroden 115 und 120 möglich, wie etwa beispielsweise ovale, quadratische, rechteckige, dreieckige oder andere mehrseitige Form. Optional sind die Dielektrikbereiche 117 nicht in 2 gezeigt, wären jedoch in dem Bereich mit der Bezeichnung 110 angeordnet.
3A–B zeigen ein Verfahren zum Herstellen eines Nanolückenwandlers, der eine erste Elektrode, die aus einem leitfähigen Diamantmaterial besteht, sowie optional sowohl eine erste und eine zweite Elektrode enthält, die aus einem leitfähigen Diamantmaterial bestehen. In 3A umfasst die Struktur (i) ein Substrat 305, eine Dielektrikschicht 310, eine erste Elektrodenschicht 315, die aus einem leitfähigen Diamantmaterial besteht, und eine Hartmaskenschicht 320. Das leitfähige Diamantmaterial kann beispielsweise unter Verwendung von Heißdraht-CVD (hot filament chemical vapor deposition) einer Mikrowellenplasma-CVD oder einem von einer Verbrennungsflamme unterstützten CVD-Prozess aufgebracht werden. Das leitfähige Diamantmaterial kann auf einer Keimschicht aufgebracht werden, wobei die Keimschicht beispielsweise durch Tauchen des Substrats in eine Lösung, die Diamantpartikel enthält, und Anbringen der Partikel an der Oberfläche unter Verwendung von Ultraschall oder durch Suspendieren von Diamantpartikeln in einem Material, das auf die Substratoberfläche geschleudert wird, aufgebracht wird. In Ausführungsformen der Erfindung wird das leitfähige Diamantmaterial mit einer mit Bor dotierten Konzentration von mehr als 10²⁰ Atomen/cm³ und weniger als 10²² Atomen/cm³ aufgebracht. In Ausführungsformen der Erfindung besteht die Hartmaskenschicht 320 beispielsweise aus Chrom oder Siliziumdioxid. In Ausführungsformen der Erfindung ist das Substrat 305 beispielsweise ein IC-Chip, der Elektronik beispielsweise zum Steuern von Elektroden, Signaldetektion, Signalverstärkung und/oder Datenausgabe umfasst. Optimal werden Durchkontaktierungen 325 und 330 durch die Dielektrikschicht 310 zum Substrat 305 bereitgestellt, die die Elektroden mit der optionalen Elektronik verbinden, die in den Substrat 205 beherbergt wird. Andere Materialien sind ebenfalls für das Substrat 305 möglich.
In Ausführungsformen der Erfindung wurde, wenn die erste Elektrode 315 aus einem leitfähigen Diamantmaterial besteht, festgestellt, dass es wünschenswert sein kann, die Dicke der ersten Elektrode zu minimieren, um die Wahrscheinlichkeit eines Kurzschlusses zwischen den oberen und unteren Elektroden zu minimieren. Es wurde festgestellt, dass hohe Größenverhältnisse für die erste Elektrode Ausdünnen der konformen Opferbeschichtung an den Kanten der Elektrode verursachen. Jedoch wurde auch festgestellt, dass eine minimale Elektrodenhöhe für die erste Elektrode notwendig ist, damit bei mikrokristallinen Diamantmaterialien übermäßige Oberflächenrauheit vermieden wird. Es wurde festgestellt, dass übermäßige Oberflächenrauheit der ersten Elektrode außerdem Öffnungen in der konformen Opferschicht und Kurzschluss zwischen der ersten und der zweiten Elektrode verursachen könnte. Die Höhe der ersten Elektrode kann, wenn die erste Elektrode aus leitfähigem Diamant besteht, in Ausführungsformen der Erfindung zwischen 300 und 1000 nm, zwischen 300 und 800 nm, zwischen 350 und 700 nm liegen, um Höhenminimierung unter Betrachtungen der Oberflächenrauheit auszubalancieren.
Die Struktur (ii) der 3A kann durch Strukturieren der Hartmaskenschicht 320, Entfernen der Hartmaskenschicht 320 in unerwünschten Bereichen und Ätzen der belichteten Diamantelektrodenschicht 315 hergestellt werden. Die belichtete Diamantelektrodenschicht 315 kann beispielsweise unter Verwendung eines Sauerstoffplasmas geätzt werden. Eine erhöhte Temperatur, wie etwa zwischen 70 und 100C, kann das Sauerstoffplasmaätzen ermöglichen. Die Hartmaskenschicht 320 wird dann entfernt, und optional wird die Oberfläche der ersten Elektrode 315 durch Aufbringen einer Dielektrikschicht, wie etwa beispielsweise Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid, und Durchführen eines chemisch-mechanischen Polierens (CMP) auf der Oberfläche der ersten Elektrode 315 planarisiert. Der optionale CMP-Prozess planarisiert die Oberfläche der Elektrode 315 und kann die konformen Beschichtungseigenschaften der folgenden Schichten verbessern.
Ein konformer Film eines Opfermaterials 335 wird beim Herstellen der Struktur (iii) aus 3A aufgebracht und strukturiert. Der konforme Film aus Opfermaterial 335 kann als erstes durch Aufbringen eines Fotolacks, Strukturieren des Fotolacks, Aufbringen des Opfermaterials, beispielsweise durch Sputtern oder Atomlagenabscheidung (atomic layer deposition (ALD)), und Abheben des Fotolacks, um den konformen Film aus Opfermaterial in den gewünschten Bereichen zu definieren (ein Abhebeprozess) strukturiert werden. In Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Opfermaterial Chrom oder Wolfram. Der konforme Film aus Opfermaterial 335 kann beispielsweise durch Sputtern von ALD-Abscheidung, um einen Film zu erhalten, der die untere Elektrode 315 umgibt, aufgebracht werden. In Ausführungsformen der Erfindung weist der dünne Film aus Opfermaterial 335 eine Dicke von weniger als 500 nm oder zwischen 10 und 200 nm, zwischen 10 und 150 nm oder zwischen 25 und 150 nm auf. In Ausführungsformen der Erfindung, in denen eine Dielektrikschicht aufgebracht und CMP durchgeführt wird, verbleiben optionale Dielektrikbereiche 332 in der Struktur. In Ausführungsformen, in denen eine Dielektrikschicht nicht aufgebracht wird, umfassen die Bereiche 332 in der Struktur (iii) aus 3A die konformen Filme des Opfermaterials 335.
Ein zweites Elektrodenmaterial 340 wird auf der konformen Schicht aus Opfermaterial 335 aufgebracht und beim Herstellen der Struktur (iv) aus 3A strukturiert. Das zweite Elektrodenmaterial 340 kann lithografisch unter Verwendung eines Abhebeprozesses strukturiert werden. In Ausführungsformen der Erfindung ist das zweite Elektrodenmaterial leitfähiger Diamant. Leitfähiger Diamant kann beispielsweise durch Keimen und anschließendes Aufbringen der Schicht unter Verwendung einer Heißdraht-CVD, einer Mikrowellenplasma-CVD oder eines durch eine Verbrennungsflamme unterstützten CVD-Prozesses aufgebracht werden. In Ausführungsformen der Erfindung umfasst, wenn das Material der zweiten Elektrode 340 Diamant ist, der konforme Film aus Opfermaterial 335 Wolfram. In weiteren Ausführungsformen besteht die zweite Elektrode 340 aus Platin oder Gold. Die Platinelektrode kann beispielsweise durch Sputtern einer dünnen Schicht aus Chrom (die etwa 10 nm dick sein kann) als eine Haftschicht und anschließendes Sputtern einer Schicht aus Platin aufgebracht werden. Das Goldelektrodenmaterial kann beispielsweise durch Sputtern, Verdampfen, Elektroabscheidung oder stromlose Abscheideprozesse aufgebracht werden. In Ausführungsformen der Erfindung ist das Opfermaterial 335 Wolfram, wenn die zweite Elektrode 340 aus Gold besteht.
Eine Dielektrikschicht 345 wird danach auf der Struktur (iv) aus 3A aufgebracht, so dass Struktur (v) aus 3B entsteht. Das Dielektrikmaterial kann beispielsweise Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, Hafniumoxid, Aluminiumoxid oder ein Polymer sein, obwohl auch andere Materialien möglich sind. Ein Zugangsloch 350 wird durch die Dielektrikschicht 345 und die zweite Elektrode 340 erstellt. Das Zugangsloch 350 wird durch lithografisches Definieren eines Lochs unter Verwendung einer Fotolackmaske und anschließender Verwendung eines Trockenätzprozesses erzeugt, um das Loch herzustellen. Das Opfermaterial 335 wird beim Herstellen der Lücke zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 315 und 340 entfernt. Das Opfermaterial 335 kann unter Verwendung eines Nassätzens entfernt werden, beispielsweise in den Ausführungsformen, bei denen das Opfermaterial 335 Wolfram oder Chrom ist. Die resultierende Struktur ist in 3B (vi) gezeigt. In Ausführungsformen der Erfindung ist die Höhe der Lücke, h₁, weniger als 500 nm oder zwischen 10 und 200 nm, zwischen 10 und 150 nm oder zwischen 25 und 150 nm. In Ausführungsformen, bei denen ein CMP-Prozess verwendet wurde, um die erste Elektrode 315 zu planarisieren, enthalten die Bereiche 332 ein dielektrisches Material, wie etwa Siliziumoxid, und in Ausführungsformen, bei denen eine dielektrische Abscheidung und CMP nicht verwendet wurden, sind die Bereiche 332 leer.
Dielektrische Materialien können auch beispielsweise Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, kohlenstoffdotiertes Oxid (carbon doped oxide (CDO), Siliziumkarbid, organische Polymere, wie etwa Perfluorzyklobutan oder Polytetrafluorethylen, Fluorsilikatglas (FSG) und/oder Organosilikate, wie etwa Silsesquioxan, Siloxan oder Organosilikatglas enthalten. Dielektrische Materialien können außerdem Polymere enthalten, wie etwa beispielsweise Polyimid.
4A–B zeigen zyklische Voltammetriegraphen für einen Nanolückenwandler, der eine leitfähige erste Diamantelektrode und eine zweite Platinelektrode gemäß Ausführungsformen der Erfindung aufweist. Es kann aus den 4A–B erkannt werden, dass es möglich ist, betriebsfähige Nanolückenwandler herzustellen, die eine Diamantelektrode aufweisen, die keinen Kurzschluss von erster zu zweiter Elektrode zeigt. In 4A wird der Elektrodenstrom als eine Funktion des Elektrodenpotentials unter Verwendung einer Modellverbindung (Ferrocen) geplottet, die ein Redoxpotential von etwa 0,240 V aufweist.
Messungen wurden in phosphatgepufferter Kochsalzlösung gegenüber einer Silberdraht-Referenzelektrode (Ag Quasi-Referenzelektrode (QRE)) vorgenommen. Obwohl ein hoher Grundstrom bei der Platinelektrode beobachtet wird, wurde vorteilhafterweise herausgefunden, dass der Hintergrundstrom der leitfähigen Diamantelektrode minimal war. 4B zeigt zyklische Voltammetriemessungen unter Verwendung einer Pufferlösung mit dem Nanolückenwandler. Das größere Betriebsspannungsfenster der Diamantelektrode und wesentlich reduzierter Grundstrom im Vergleich zur Platinelektrode (Diamantelektrode, die nahezu keinen Strom meldet, während Platinelektrode einen Offsetstrom aufgrund Grundstrom aufweist) kann der 4B entnommen werden.
Weil der Grundstrom bei der leitfähigen Diamantelektrode gering ist, ist es möglich, Messungen an kleinen Anzahlen von Molekülen unter Verwendung von lediglich einer der beiden arbeitenden Elektroden vorzunehmen. Messungen können an lediglich einem Molekül aufgenommen werden. In anderen Ausführungsformen werden Messungen, die an beiden Elektroden aufgenommen werden, verwendet, um das Signal zu erzeugen. Ein System zum Messen und Aufnehmen von Elektrodenpotentialen und Stromfluss in Nanolückenwandlern enthält beispielsweise einen Bipotentiomat. Unter Verwendung eines Bipotentiomats wird beispielsweise das Potential beider Elektroden gesteuert und der Strom, der durch die Elektroden fließt, gemessen. Einige oder alle Teile eines Systems zum Steuern von Elektroden und Messen und Aufnehmen von Stromfluss können in einem integrierten Schaltungs(integrated circuit (IC))-Chip enthalten sein, der elektrisch mit einem Array aus einzeln adressierbaren Nanolückenwandlern gekoppelt ist, die auf dem IC-Chip beherbergt werden. In Ausführungsformen der Erfindung umfasst ein Computersystem, das mit dem Array einzeln adressierbarer Nanolückenwandler assoziiert ist, Software zum Messen und Aufnehmen von Elektrodenpotential und von Stromwerten unter Verwendung von Messungen von lediglich einer Elektrode, wobei die Elektrode aus leitfähigem Diamant besteht. In anderen Ausführungsformen weist das Computersystem Software zum Messen und Aufnehmen von Elektrodenpotentialen von zwei Elektroden und/oder sowohl zwei Elektroden als auch einer Elektrode auf. Techniken wie etwa elektrochemische Korrelationsspektroskopie können verwendet werden, um ein Signal aus Messungen von zwei entgegengesetzt vorgespannten Elektroden in einer Nanolückenvorrichtung zu erzeugen.
Allgemein sind elektronische Sensoren, die Elektroden einsetzen, wie etwa Nanolückenwandler, in der Lage, die Impedanz, den Widerstand, die Kapazität und/oder das Redoxpotential der Materialien zu messen, die auf oder nahe der Elektrodenoberfläche angeordnet sind. Das Substrat, auf dem die Nanolückenwandler sitzen, kann auch Detektions- und/oder Steuerschaltungen, Logik zum Schalten, Latches, Speicher und/oder Eingabe-/Ausgabeeinrichtungen aufweisen. Optional sind einige oder sämtliche Elektronikeinrichtungen zum Erfassen und Steuern von Elektroden und Aufnehmen von Daten integrierte Schaltungen, die Teil des Substrats sind, das ein Array aus Nanolückenwandlern beherbergt. Elektronik, die Eingangs- und Ausgabesteuerung bereitstellt, wird optional in dem Substrat beherbergt, wie etwa in einem integrierten Schaltungschip, oder wird durch Schaltungen außerhalb des Substrats bereitgestellt. Ein Array aus Nanolückenwandlern ist optional mit Schaltungen zum Einzeladressieren der Elektroden, Steuern der Elektroden bei ausgewählten Spannungen, Speicher zum Speichern von Stromspannungsinformation, die an die Elektroden geliefert wird, Speicher und Mikroprozessoren zum Messen von Elektrodencharakteristiken, Differentialverstärker, Stromerfassungsschaltungen (einschließlich Varianten von Schaltungen, die in CMOS-Bildsensoren verwendet werden) und/oder Feldeffekttransistoren(direkte und Floating-Gate-) ausgestattet. Alternativ können ein oder mehrere Funktionen durch externe Instrumente und/oder (ein) verbundene(s) Computersystem(e) durchgeführt werden.
In einer Redoxzyklisierungsmessung werden entgegengesetzt vorgespannte Elektroden verwendet, um wiederholt den Ladungszustand redoxaktiver Moleküle in Lösung zu vertauschen (flip), was jedem redoxaktiven Molekül ermöglicht, an mehreren Redoxreaktionen zu partizipieren und dadurch mehrere Elektronen zu einem gemessenen Stromwert beizutragen. In Redoxzyklisierungsmessungen liegt die Höhe der Lücke zwischen den Elektroden im Nanometerbereich. Redoxaktive Moleküle in dem Hohlraum zwischen den beiden Elektroden übertragen mehrere Elektronen zwischen den Elektroden, was zu Verstärkung des gemessenen elektrochemischen Stroms führt. Signale der redoxaktiven Stoffe können potentiell mehr als 100fach verstärkt werden, abhängig von Faktoren wie der Stabilität der Redoxstoffe und der Fähigkeit der Redoxstoffe, in den Erfassungsbereich hinauszudiffundieren.
In Ausführungsformen der Erfindung werden Elektroden in dem Nanolückenwandler unabhängig voneinander an dem Oxidations- und Reduktionspotential der Redoxstoffe vorgespannt, die detektiert werden sollen. Redoxstoffe dienen als Ladungsträger, und die Diffusion der Moleküle von einer Elektrode zu der anderen führt zu der Reduktion und Oxidation des Redoxmoleküls und einer reinen Ladungsübertragung. Die Magnitude des Stroms durch jede Elektrode ist proportional zu der Analyten(Redoxstoffe)-Konzentration in dem Hohlraum. Die Lücken zwischen den Elektroden sind optional mit Beads versiegelt, um die Diffusion der redoxaktiven Stoffe außerhalb des Hohlraums zu verhindern, wodurch die effektive Konzentration der Redoxstoffe erhöht wird. Versiegeln des Hohlraums kann Entweichen von Redoxstoffen aus dem Hohlraum während Sensormessungen verhindern.
Allgemein ist ein redoxaktiver Stoff ein Molekül, das in der Lage ist, reversibel zyklisch Oxidations- und/oder Reduktionszustände mehrfach zu durchlaufen.
In Ausführungsformen der Erfindung können Nanolückenwandler Arrays aus einzeln adressierbaren Nanolückenwandlern sein. Arrays werden so gebaut, dass sie eine Vielzahl von Dimensionen und Anzahlen von Nanolückenwandlern aufweisen. Die Auswahl von Zahlenlayout von Nanolückenwandlern wird durch Faktoren gestützt, wie etwa beispielsweise die Typen und Anzahlen von Analyten, die detektiert werden sollen, die Größe der Erfassungsbereiche und Kosten, die beim Herstellen der Arrays entstehen. Beispielsweise sind Arrays aus Nanolückenwandlern von der Größe 10 × 10, 100 × 100, 1.000 × 1.000, 10⁵ × 10⁵ und 10⁶ × 10⁶. Arrays sehr hoher Dichte, hoher Dichte, moderater Dichte, geringer Dichte oder sehr geringer Dichte können hergestellt werden. Einige Wertebereiche für Arrays sehr hoher Dichte reichen von etwa 100.000.000 bis etwa 1.000.000.000 Sensoren je Array. Arrays hoher Dichte reichen von etwa 1.000.000 bis etwa 100.000.000 Sensoren. Arrays moderater Dichte reichen von etwa 10.000 bis etwa 100.000 Sensoren. Arrays geringer Dichte enthalten allgemein weniger als 10.000 Hohlräume. Arrays sehr geringer Dichte enthalten weniger als 1.000 Sensoren.
Ein Array aus einzeln adressierbaren Nanolückenwandlern kann auf einem IC-Chip beherbergt werden und elektrisch mit diesem gekoppelt sein. Der IC-Chip wird typischerweise auf einem Halbleitersubstrat gebaut, wie etwa einem Halbleiterwafer, der gewürfelt wird, um einzelne IC-Chips zu liefern. Das Basissubstrat, auf dem ein IC-Chip gebaut wird, ist typischerweise ein Siliziumwafer, obwohl Ausführungsformen der Erfindung nicht von dem Typ des verwendeten Substrats abhängen. Das Substrat könnte auch aus Germanium, Indiumantimoid, Bleitellurid, Indiumarsenid, Indiumphosphid, Galliumarsenid, Galliumantimonid und/oder anderen Gruppe III-V-Materialien bestehen, entweder allein oder in Kombination mit Silizium oder Siliziumoxid oder anderen isolierenden Materialien. Schichten und Schichten, die Einrichtungen enthalten, können ebenfalls als das Substrat oder Teil des Substrats beschrieben werden, auf dem Ausführungsformen der Erfindung beherbergt oder hergestellt werden.
Die Nanolückenwandlerarrays ermöglichen beispielsweise, dass eine große Anzahl unbeweglicher DNA-Moleküle simultan sequenziert wird, obwohl auch andere Verwendungen möglich sind. Die unbeweglichen DNA-Moleküle können entweder eine Probe sein, die sequenziert werden soll, oder es können Erfassungs-DNA-Sonden bekannter Sequenz zunächst unbeweglich gemacht und danach die Probe, die sequenziert werden soll, zu den unbeweglichen Sonden hybridisiert werden. Die Erfassungssonden weisen eine Sequenz auf, die gestaltet ist, zu Abschnitten der Probe-DNA zu hybridisieren. In Ausführungsformen der Erfindung werden DNA-Fragmente (oder Erfassungssonden), die unbeweglich gemacht werden sollen, verdünnt, so dass statistisch jeder Sensor ein unbewegliches DNA-Molekül aufweist. Sequenzinformation wird aus denjenigen Nanolückenwandlern zusammengesetzt, die ein einzelnes unbewegliches DNA-Molekül aufweisen. Information von Nanolückenwandlern, die zweifelhafte Ergebnisse zeigen, kann verworfen werden.
Verfahren werden bereitgestellt zum Sequenzieren von Nukleinsäuren, wobei Verstärkung der Nukleinsäurenprobe (d. h. Erhöhen der Anzahl von Kopien der Nukleinsäuremolekülen in der Probe) optional nicht auftreten muss. 5 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren beschreibt, das zum Sequenzieren eines Nukleinsäuremoleküls, SNP(Einzelnukleotidpolymorphismus)-Detektion und Genexpressionsdetektion nützlich ist. In 5 ist ein Nukleinsäuremolekül an einer Oberfläche innerhalb eines elektronischen Sensors gebunden. Eine Lösung wird dem Sensorhohlraum bereitgestellt, der einen Primer enthält, der komplementär zu einem Abschnitt des Nukleinsäurentargets ist. Das Primer-DNA-Molekül hybridisiert zu einem Abschnitt des DNA-Moleküls, das innerhalb des Hohlraums gebunden ist, und bereitet das gebundene DNA-Molekül zur Synthese eines komplementären Strangs der DNA vor. Falls die Sequenz der DNA innerhalb des Hohlraums unbekannt ist, kann der Primer eine von vielen Mitteln sein, die zufällige Sequenzen aufweisen, die dem DNA-Strang innerhalb des Sensors geliefert werden. Der Primer kann mit einem Nuklease-resistenten Nukleotid terminiert werden. Nachdem dem Primer ermöglicht wurde, zu dem DNA-Molekül innerhalb des Hohlraums zu hybridisieren, wird eine Lösung, die ein DNA-Polymeraseenzym und ein Nukleotid-Triphosphat mit modifiziertem Redoxzentrum (NTP oder dNTP) enthält, hinzugefügt. Das dNTP enthält entweder ein redoxmodifiziertes Deoxyadenosin-Triphosphat (dATP), Deoxycytidin-Triphosphat (dCTP), Deoxyguanosin-Triphosphat (dGTP), Deoxythymidin-Triphosphat (dTTP) oder Uridin-Triphosphat (UTP). Beispielsweise wird, falls ein redoxmodifiziertes dATP bereitgestellt wurde und Thymidin die nächste komplementäre Nukleinsäure in der Sequenz ist, das redoxmodifizierte dATP in den wachsenden DNA-Strang aufgenommen. Wenn auf dem Strang ein Cytosin sequenziert werden soll, wird ein Guanin aufgenommen, wenn ein Thymidin vorliegt, wird ein Adenosin aufgenommen, und umgekehrt. Falls dATP nicht die nächste komplementäre Nukleinsäure ist, befindet sich kein Stoff innerhalb des Sensorhohlraums. Produkte der Reaktion werden dann detektiert. Falls keine Reaktion aufgetreten ist, werden die Reaktionsprodukte mit modifiziertem Redoxzentrum nicht detektiert. Daher zeigt ein positives Ergebnis (die Detektion von Reaktionsprodukten mit modifiziertem Redoxzentrum) an, dass (in diesem Beispiel) dATP die nächste komplementäre Nukleinsäure in der wachsenden Kette ist. Falls ein negatives Ergebnis vorgefunden wird, wird dieses Verfahren danach für die drei verbleibenden Nukleotide mit modifiziertem Redoxzentrum wiederholt, bis ein positives Ergebnis erzielt wird, um die Identität der komplementären Base zu bestimmen. Nachdem die Identität eines Nukleotids bestimmt wurde, kann der wachsende Strang der komplementären DNA mit einem Nuklease-resistenten Nukleotid terminiert werden.
6 zeigt ein Verfahren zum Sequenzieren eines DNA-Moleküls durch chemisches Verstärken des Redoxsignals, das erhalten wird, wenn eine Nukleotidbase komplementär zu der Base ist, die von dem Modellstrang geliefert wird, der sequenziert wird. Das Verfahren aus 6 liefert chemische Verstärkung des Signals, wenn eine komplementäre Base in einen wachsenden komplementären Strang aufgenommen wird. Das vorbereitete wachsende DNA-Molekül wird mit einer Nuklease-resistenten Base durch die Einwirkung eines Polymeraseenzyms terminiert. In diesem Beispiel ist das redoxmarkierte NTP γ-Aminophenyl-Adenin-Triphosphat (dATP). Die Aufnahme eines komplementären redoxmarkierten Nukleotids in den wachsenden Strang gibt die redoxmarkierte Pyrophosphat(PPi)-Gruppe in Lösung. Die Wirkung eines Phosphataseenzyms entfernt das Pyrophosphat aus dem Redoxmolekül. Nützliche Phosphataseenzyme schließen beispielsweise Alkalinphosphatase, Säurephosphtatase, Proteinphosphatase, Polyphosphatephosphatase, Zuckerphosphatase und Pyrophosphatase ein. In diesem Beispiel ist der redoxaktive Stoff das p-Aminopheonol(pAP)- und Chinonimin-Paar. Die Anzahl von p-Aminopheonol-Molekülen, die in Lösung gegeben werden, wird durch das Zyklisieren der redoxmarkierten NTP-Aufnahme- und Entfernungsreaktionen verstärkt. Insbesondere wird ein komplementäres redoxmarkiertes Nukleotid aufgenommen, entfernt ein Exonukleaseenzym das aufgenommene komplementäre Nukleotid und nimmt DNA-Polymerase ein zweites redoxmarkiertes komplementäres Nukleotid auf, und wird eine zweite redoxmarkierte Pyrophosphatgruppe in Lösung gegeben. Durch diese wiederholten Zyklen von Aufnahme und Entfernung baut sich die Konzentration der redoxaktiven Stoffe in Lösung auf. Auf diese Weise wird das Signal, das aus der Aufnahme der komplementären Base in den wachsenden komplementären Strang resultiert, verstärkt. Das Entfernen der Phosphatgruppen aktiviert die redoxaktiven Stoffe. Das Vorliegen der redoxaktiven Stoffe, die frei von Phosphatgruppen sind, wird elektrochemisch detektiert. Die redoxaktiven Stoffe können zwischen zwei Elektroden eines Nanolückenwandlers rezyklisiert werden, um das Signal weiter über eine Redoxzyklisierreaktion zu verstärken. Wie hier weiter beschrieben, wird die Signalverstärkungstechnik des Zyklisierens redoxaktiver Stoffe zwischen Elektroden als Redoxzyklisieren bezeichnet. Durch Bewegen zwischen Elektroden eines Nanolückenwandlers trägt jeder redoxaktiver Stoff mehrere Elektroden zu dem gemessenen Strom bei, so dass der gemessene Strom verstärkt wird. Falls das Nukleotid, das an die Reaktion geliefert wird, nicht zu dem wachsenden DNA-Strang komplementär ist, wird der freie redoxaktive Stoff nicht detektiert. Sobald eine Nukleotidaufnahme detektiert wurde, wird der wachsende Strang mit einer Nuklease-resistenten Base bereitgestellt, die komplementär zu dem nächsten Raum in dem Modell-DNA-Molekül ist, das sequenziert wird.
Ein redoxigenes Nukleotid weist einen redoxaktiven Stoff auf, der mit der γ-Phosphatgruppe des Nukleotids verbunden ist. Die Base für das redoxigene Nukleotid kann ein A, G, C oder T sein. Redoxaktive Stoffe schließen beispielsweise Aminophenyl, Hydroxyphenyl und/oder Napthylgruppen ein. Ein redoxaktiver Stoff kann auch mit der Nukleotidbase verbunden sein. Die Base kann ein A, G, C oder T sein, und der redoxaktive Stoff kann beispielsweise ein Ferrocen-, ein Anthrachinon- oder ein Methylenblaumolekül sein. Ein dritter Aspekt einer redoxaktiven Gruppenverbindung schließt ein, dass die redoxaktive Gruppe mit der Zuckergruppe der Nukleotidenbasis verbunden ist. Bei dem Zucker-verbundenen redoxmodifizierten Nukleotid kann die Base ein A, G, C oder T sein, und kann der redoxaktive Stoff beispielsweise ein Ferrocen, ein Anthrachinon oder ein Methylenblaumolekül sein.
Polymerasen sind verfügbar, die Ribonukleotiden oder modifizierte Nukleotiden in DNA aufnehmen können, wie etwa beispielsweise die kommerziell erhältliche Therminator-DNA-Polymerase (erhältlich von New England Biolabs, Inc., Beverly, MA) oder genetisch veränderte DNA-Polymerase. Siehe beispielsweise auch DeLucia, A. M., Grindley, N. D. F., Joyce, C. M., Nucleic Acids Research, 31:14, 4129–4137 (2003); und Gao, G., Orlova, M., Georgiadis, M. M., Hendrickson, W. A., Goff, S. P., Proceedings fo the National Academy of Sciences, 94, 407–411 (1997). Nuklease-resistente Nukleotide können Ribonukleotide oder andere modifizierte Nukleotide sein. Beispielhafte Nuklease-resistente Basen, die in wachsende DNA-Stränge aufgenommen werden können, jedoch resistent gegenüber Digestion durch Exonukleasen sind (wie etwa die 3'- bis 5'-Exonuklease-aktiven DNA-Polymerasen oder Exonukleasen I und III) enthalten Alpha-Phosphorothioat-Nukleotide (erhältlich von Trilink Biotechnologies, Inc., San Diego, CA). Zusätzlich können Ribonukleotide in einen wachsenden DNA-Strang aufgenommen werden durch Therminator-DNA-Polymerase oder andere genetisch veränderte oder mutierte Polymerasen, jedoch sind die Ribonukleotidbasen resistent gegenüber Digestion durch Exonukleasen, wie etwa Exonuklease I oder Exonuklease III (erhältlich von New England Biolabs). Beispielhafte Nukleasen, die diese resistenten Basen nicht verarbeiten können, schließen Exonuklease I, Nuklease III und 3'- bis 5'-Exonuklease-aktive DNA-Polymerasen ein.
In Ausführungsformen der Erfindung ist ein einzelnes Nukleinsäuremolekül, das sequenziert werden soll, mit einer Oberfläche innerhalb des Nanolückenwandlers verbunden. Die Nukleinsäure wird mit einem komplementären Strang vorbereitet (primed), der mit einem Nuklease-resistenten Nukleotid terminiert wird. Ein komplementäres redoxmodifiziertes dNTP-Molekül wird in den wachsenden Strang durch Einwirkung eines DNA-Polymeraseenzyms aufgenommen, das in der Lösung in dem Nanolückenwandlerhohlraum vorliegt. Die Elektroden des Nanolückenwandlers sind entgegengesetzt bei dem Redoxpotential des Redoxstoffes vorgespannt, und wenn der Redoxstoff vorliegt, wird an den Elektrodenoberflächen ein Stromfluss detektiert. Das Überschüssige redoxmodifizierte dNTP von der Polymerasereaktion wird von dem Ort der Reaktion abgewaschen. Jedes aufgenommene dNMP wird dann von dem wachsenden komplementären DNA-Strang durch die Einwirkung eines Nukleaseenzyms entfernt, das in der Lösung in dem Elektrodenhohlraum vorliegt. Dieses Verfahren wird dann optional für die drei anderen Nukleotide wiederholt. Sobald das nächste komplementäre Nukleotid bestimmt wurde, kann der wachsende komplementäre Nukleinsäurestrang mit einer komplementären Nukleaseresistenten Base terminiert werden, und kann die nächste komplementäre Base bestimmt werden.
In anderen Ausführungsformen ist mehr als eine Kopie des Nukleinsäuremoleküls, das sequenziert werden soll, in dem Elektrodenhohlraum gebunden. Das Anbringen einer Vielzahl von Kopien der Nukleinsäure, die sequenziert werden soll, verstärkt das detektierte Signal, wenn ein komplementäres Nukleotid-Triphosphat in den Hohlraum gebracht wird. Das detektierte Signal kann dann optional durch Redoxzyklisierungstechniken weiter verstärkt werden.
Nukleinsäurensequenzieren kann auf massiv parallele Weise unter Verwendung von Arrays einzeln adressierbarer Nanolückenwandler durchgeführt werden. Eine Probe, die Nukleinsäuremoleküle enthält, wird dem Array auf eine Weise dargestellt, die statistisch ein Nukleinsäuremolekül je Reaktionshohlraum ergibt. Elektronik, die mit den Reaktionshohlräumen gekoppelt ist, detektiert die Aufnahme von Nukleinsäuren in den Hohlräumen. Daten aus den Hohlräumen, die inkonsistent sind, können verworfen werden. Sequenzinformation für jede Nukleinsäure in einem Hohlraum wird durch mehrere Reaktionszyklen aufgebaut.
Eine oder mehrere Oberflächen des Nanolückenwandlers können optional beispielsweise mit einem oder einer Kombination aus Amin, Aldehyd, Epoxyd, Thiol, Gruppen funktionalisiert werden, und werden Moleküle, die gebunden werden sollen, mit Amin (für Oberfläche, die funktionale Carboxy-, Epoxyd- und/oder Aldehydgruppen enthält) und Carboxyl (für eine Oberfläche, die Aminogruppen enthält), Thiol (für eine Oberfläche aus Gold) funktionalisiert werden, um Molekularbindung zu erreichen. Verschiedene konjugierte Stoffe sind verfügbar, um die funktionellen Gruppen (beispielsweise EDC für Aminocarboxyl) miteinander zu verbinden. Die Konzentration von Molekülen auf der Substratoberfläche wird beispielsweise auf verschiedene Arten gesteuert: Durch Begrenzen der Dichte von oberflächenfunktionellen Gruppen oder durch Begrenzen der Quantität von Molekülen, die gebunden werden sollen. DNA wird auf einer Oberfläche fixiert durch Verwendung beispielsweise von Acrydite-modifizierten DNA-Fragmenten, die an eine Oberfläche gebunden sind, die mit Thiolgruppen modifiziert ist. Amin-modifizierte DNA-Fragmente können an Epoxyd- oder Aldehyd-modifizierte Oberflächen gebunden werden.
Ein Sensorsystem, das ein oder mehrere Arrays aus Nanolückenwandlern (wie etwa ein Array aus Nanolückenwandlern auf einer IC-Einrichtungsoberfläche), Elektronik zum Steuern der Wandler und Aufnehmen von Messungen und einen Computer zum Aufnehmen von Analysedaten enthält, kann auch Fluidliefersysteme einschließen, die in der Lage sind, Fluide für die Nanolückenwandler zu liefern. Das Fluidsystem kann ein Reservoir für Reagenzien, Pumpen und Mischkammer, Waschlösungen, Abfallkammern und Fluidliefersysteme enthalten, die Fluide an die Oberfläche eines Arrays aus Nanolückenwandlern liefern.
Allgemein enthalten die Typen von Nukleinsäuren, die sequenziert werden können, Polymere aus Desoxyribonukleotiden (DNA) oder Ribonukleotide (RNA) und analoge Stoffe derselben, die miteinander durch eine Phosphodiesterbindung verbunden sind. Ein Polynukleotid kann ein Segment eines Genoms, eines Gens oder eines Teils desselben, eine cDNA oder eine synthetische Polydesoxyribonukleinsäuresequenz sein. Ein Polynukleotid, einschließlich ein Oligonukleotid (beispielsweise ein Sensor oder ein Primer) kann Nukleoside oder Nukleotid-analoge Stoffe oder eine andere Rückgratbindung als eine Phosphodiesterbindung enthalten. Allgemein sind die Nukleotide, die ein Polynukleotid enthalten, natürlich vorkommende Desoxyribonukleotide, wie etwa Adenin, Cytosin, Guanin oder Thymin, das mit 2'-Desoxyribose verbunden ist, oder Ribonukleotide, wie etwa Adenin, Cytosin, Guanin oder Uracil, das mit Ribose verbunden ist. Jedoch kann ein Polynukleotid oder Oligonukleotid auch Nukleotid-analoge Stoffe einschließlich nicht natürlich vorkommende synthetische Nukleotide oder modifizierte natürlich vorkommende Nukleotide enthalten.
Daten der Sensoren können wie folgt analysiert werden. Wenn ein Nanolückenwandler mehr als ein DNA-Molekül innerhalb seines Hohlraums gebunden hat, wird mehr als ein möglicher Auslesevorgang von wenigstens einer der sequenzierten Positionen möglich sein. Daher werden lediglich Daten von denjenigen Nanolückenwandlern in der Sequenzanalyse verwendet, die ein Molekül in dem Nanolückenwandlerhohlraum gebunden (einem effektiven Sensor) aufweisen. Sequenzen effektiver Sensoren werden durch ein Computerprogramm ausgerichtet. Die Sequenzinformation kann als de novo Sequenzierinformation oder Referenzsequenzierinformation verwendet werden. Weitere Analyse wird abhängig von der Qualität der Daten und dem Zweck der Sequenzieraufgabe durchgeführt.
Zusätzlich sind Nanolückenwandler gemäß Ausführungsformen der Erfindung in der Lage, eine Vielzahl biologisch wichtiger Detektionen durchzuführen, die nicht auf die hier beschriebenen beschränkt sind. Beispielsweise sind Nanolückenwandler in der Lage, Mutationen in DNA zu detektieren und Krankheitserreger durch DNA-Sequenzierungsreaktionen zu identifizieren. Zusätzlich werden elektronische Sensoren verwendet, um Krankheiten durch Prüfen metabolischer Enzymaktivitäten zu diagnostizieren. Pyrophosphat ist ein Nebenprodukt vieler enzymatischer Reaktionen, die Teil metabolischer und Signalwandlungspfade sind. Nanolückenwandler gemäß Ausführungsformen können mittels Erkennungs- und Bindungsorten für ein Zielanalyt bereitgestellt werden. Der Nanolückenwandler wird so hergestellt, dass er den interessierenden Erkennungs- und Bindungsort aufweist, und ein Test wird auf einer Probelösung durchgeführt durch Exponieren der Probelösung an den Analytbindungsbereich der Biosensoreinrichtung, um Binden irgendwelcher konkret erkannten interessierenden Biomoleküle zu ermöglichen. Der/die Nanolückenwandler kann/können in Mikro- oder Nanofluidsystemen integriert sein/werden, die Filtern und Probenreinigungsfunktionen liefern. Somit wird ein auf Funktionalität zu testendes Enzym in dem elektronischen Biosensor gebunden, und wird eine Reaktionslösung bereitgestellt, in der ein Reaktionsprodukt mit einem Redoxzentrum PPi-markiert ist. Beispielsweise prüft eine Biosensoreinrichtung die Funktionalität adenylierender Enzyme, die fetthaltige Säuren in Acyladenylat umwandeln, und stellt PPi durch Binden der interessierenden adenylierenden Enzyme in der Biosensoreinrichtung her und stellt fetthaltige Säuresubstrate, ebenso wie ATP, in einer Reaktionslösung bereit. Weitere Beispiele schließen Catechole ein. In weiteren Beispielen werden lebende Mikroben spezifisch an Biosensoren gebunden. Mikroben werden optional in der Sensoreinrichtung durch einen Antikörper gebunden, der insbesondere ein Oberflächenantigen auf der Mikrobe erkennt. Antikörper-Sandwich-Assays werden durchgeführt. In dem Antikörper-Sandwich-Assay wird ein elektronischer Sensor bereitgestellt, der einen Antikörper aufweist, der für das zu detektierende Molekül spezifisch ist, wobei der Sensor dem zu detektierenden Molekül exponiert wird, und wird eine zweiter Antikörper, der für ein anderes Epitop des zu detektierenden Moleküls spezifisch ist, an das zu detektierende Molekül gebunden. Der zweite Antikörper weist ein gebundenes Molekül auf, das in der Lage ist, redoxmarkiertes ATP in redoxmarkiertes PPi umzuwandeln. Das redoxmarkierte PPi wird durch Redoxzyklisieren detektiert. Redoxmarkierungen schließen beispielsweise Ferrocen-, Anthrachinon- und Methylenblaumoleküle sowie Aminophenyl-, Hydroxyphenyl- und/oder Naphtylgruppen ein.
Ein Computer oder Computersystem umfasst ein Prozessorsystem einschließlich einen oder mehrere Prozessoren, die kommunikativ mit einem oder mehreren flüchtigen oder nichtflüchtigen Datenspeichereinrichtungen gekoppelt sind, wie etwa Speicher mit wahlfreiem Zugriff (random access memory (RAM)), Nurlesespeicher (read-only memory (ROM)), Massenspeichereinrichtungen, wie etwa Serial Advanced Technology Attachment (SATA) oder Small Computer System Interface(SCSI)-Festplatten und/oder Geräte, die in der Lage sind, auf Medien zuzugreifen, wie etwa Floppy-Disks, optischen Speicher, Bänder, Flashspeicher, Speichersticks, CD-ROMs und/oder Digital Video Disks (DVDs). Der Begriff ROM bezeichnet nichtflüchtige Speichereinrichtungen, wie etwa Erasable Programmable ROM (EPROM), Electrically Erasable Programmable ROM (EEPROM), Flash-ROM und/oder Flashspeicher. Der Prozessor kann außerdem kommunikativ mit weiteren Komponenten gekoppelt sein, wie etwa Grafikcontrollern, Speicherschnittstellenhubs, SCSI(small computer system interface)-Controllern, Netzwerkcontrollern, Netzwerkschnittstellen und Universal Serial Bus(USB)-Controllern. Einige oder sämtliche der Kommunikationen zwischen Elementen der Computersysteme, weiteren Prozessoren und/oder externen Computer und Computernetzwerken können ebenfalls unter Verwendung verschiedener drahtgebundener und/oder drahtloser Nahbereichsprotokolle auftreten, einschließlich USB, WLAN (wireless local area network), Hochfrequenzen (radio frequency (RF)), Satellit, Mikrowelle, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.1, Bluetooth, Optik, Glasfaseroptik, Infrarot, Kabel und Laser. Typischerweise ist ein Computersystem auch mit anderen Eingabe-/Ausgabegeräten, wie etwa beispielsweise Anzeigebildschirmen, Tastaturen, Trackpads, Mäusen, gekoppelt.
Durchschnittsfachleute erkennen, dass Modifikationen und Variationen an der gesamten Offenbarung möglich sind, ebenso wie Ersetzungen durch verschiedene gezeigte und beschriebene Komponenten. Bezugnahme in der gesamten Beschreibung auf ”eine (1) Ausführungsform” oder ”eine Ausführungsform” bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine Struktur, ein Material oder eine Charakteristik, die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben ist, in wenigstens einer Ausführungsform der Erfindung enthalten ist, jedoch nicht unbedingt bedeuten muss, dass es/sie in jeder Ausführungsform vorliegt. Darüber hinaus können die konkreten Merkmale, Strukturen, Materialien oder Charakteristiken, die in den Ausführungsformen offenbart sind, auf irgendeine geeignete Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden. Verschiedene weitere Schichten und/oder Strukturen können enthalten und/oder beschriebene Merkmale können in anderen Ausführungsformen weggelassen sein.

Claims

Vorrichtung, umfassend: ein Substrat, das eine Oberfläche aufweist; und einen Wandler, der auf der Substratoberfläche angeordnet ist, wobei der Wandler umfasst: eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, wobei die erste oder die zweite Elektrode aus leitfähigem Diamant besteht, wobei die ersten und die zweiten Elektroden jeweils mit Leiterbahnen gekoppelt sind, durch die Spannung an die ersten und zweiten Elektroden unabhängig voneinander angelegt werden und ein Strom von jeder der ersten und zweiten Elektroden unabhängig voneinander gemessen werden kann, und wobei die erste Elektrode eine Seite und die zweite Elektrode eine Seite aufweist, und die Seite der ersten Elektrode von der Seite der zweiten Elektrode durch eine Distanz von weniger als 500 nm getrennt ist, einen Hohlraum, der in der Lage ist, ein Fluid zwischen der Seite der ersten Elektrode und der Seite der zweiten Elektrode aufzunehmen, und ein Zugangsloch durch die zweite Elektrode, das in der Lage ist, einem Fluid Eintreten in den und Austreten aus dem Hohlraum zu ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seite der ersten Elektrode von der Seite der zweiten Elektrode durch eine Distanz von zwischen 10 und 200 nm getrennt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der leitfähige Diamant ein nanokristalliner Diamant ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der leitfähige Diamant mit Bor dotierter Diamant ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die erste als auch die zweite Elektrode aus leitfähigem Diamant besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode aus leitfähigem Diamant besteht und die Höhe der ersten Elektrode zwischen 300 nm und 1000 nm beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oder die zweite Elektrode aus Gold oder Platin besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein integrierter Schaltungschip ist und die erste Elektrode und die zweite Elektrode unabhängig voneinander mit Elektronik innerhalb des integrierten Schaltungschips durch die leitfähigen Leitungen elektrisch gekoppelt sind.
Vorrichtung, umfassend: einen integrierten Schaltungschip, der eine Oberfläche aufweist; und ein Array aus Wandlern, das auf der integrierten Schaltungschipoberfläche angeordnet ist, wobei das Array wenigstens 1000 Wandler umfasst und wenigstens 85% der Wandler funktionelle Wandler sind, wobei Wandler, die das Array bilden, mit Elektronik in dem integrierten Schaltungschip elektrisch gekoppelt und einzeln durch diese adressierbar sind, und wobei der Wandler umfasst: eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, wobei die erste oder die zweite Elektrode aus leitfähigem Diamant bestehen, wobei die ersten und zweiten Elektroden unabhängig voneinander mit dem integrierten Schaltungschip gekoppelt sind, durch den Spannung an die ersten und zweiten Elektroden angelegt werden kann und ein Strom von jeder der ersten und zweiten Elektroden unabhängig voneinander gemessen werden kann, und wobei die erste Elektrode eine Seite und die zweite Elektrode eine Seite aufweist, und die Seite der ersten Elektrode von der Seite der zweiten Elektrode durch eine Distanz von weniger als 500 nm getrennt ist, einen Hohlraum, der in der Lage ist, ein Fluid zwischen der Seite der ersten Elektrode und der Seite der zweiten Elektrode aufzunehmen, und ein Zugangsloch durch die zweite Elektrode, das in der Lage ist, einem Fluid Eintreten in den und Austreten aus dem Hohlraum zu ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Seite der ersten Elektrode von der Seite der zweiten Elektrode durch eine Distanz von zwischen 10 und 200 nm getrennt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der leitfähige Diamant nanokristalliner Diamant ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der leitfähige Diamant mit Bor dotierter Diamant ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die erste als auch die zweite Elektrode aus leitfähigem Diamant besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode aus leitfähigem Diamant besteht und die Höhe der ersten Elektrode zwischen 300 nm und 1000 nm beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oder die zweite Elektrode aus Gold oder Platin besteht.
System, umfassend: einen Computer, der mit einem integrierten Schaltungschip betriebsfähig gekoppelt ist, wobei der integrierte Schaltungschip ein Array aus Wandlern umfasst, das auf einer Oberfläche des integrierten Schaltungschips angeordnet ist, ein Fluidsystem, das in der Lage ist, Fluide an die Oberfläche des integrierten Schaltungschips zu liefern, der das Array aus Wandlern umfasst, wobei Wandler, die das Array bilden, mit Elektronik in dem integrierten Schaltungschip elektrisch gekoppelt sind und durch diese einzeln adressierbar sind, und wobei ein Wandler umfasst: eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, wobei die erste oder die zweite Elektrode aus leitfähigem Diamant besteht, wobei die ersten und zweiten Elektroden unabhängig voneinander mit dem integrierten Schaltungschip gekoppelt sind, durch den Spannung an die ersten und zweiten Elektroden angelegt werden und ein Strom von jeder der ersten und zweiten Elektroden unabhängig voneinander gemessen werden kann, und wobei die erste Elektrode eine Seite und die zweite Elektrode eine Seite aufweist und die Seite der ersten Elektrode von der Seite der zweiten Elektrode durch eine Distanz von weniger als 500 nm getrennt ist, einen Hohlraum, der in Lage ist, ein Fluid zwischen der Seite der ersten Elektrode und der Seite der zweiten Elektrode aufzunehmen, und ein Zugangsloch durch die zweite Elektrode, das in der Lage ist, einem Fluid Eintreten in den und Austreten aus dem Hohlraum zu ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Seite der ersten Elektrode von der Seite der zweiten Elektrode durch eine Distanz zwischen 10 und 200 nm getrennt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Array wenigstens 1000 Wandler umfasst und wenigstens 90% der Wandler funktionelle Wandler sind.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der leitfähige Diamant nanokristalliner Diamant ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der leitfähige Diamant mit Bor dotierter Diamant ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Elektroden aus leitfähigem Diamant bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oder die zweite Elektrode aus Gold oder Platin besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Computer konfiguriert ist, um Datenanalyse unter Verwendung von Strommessungen von der ersten oder der zweiten Elektrode durchzuführen, wobei die eine der ersten oder zweiten Elektrode, an der der Strom gemessen wurde, aus leitfähigem Diamant besteht.