DE112011106056T5 - Nanogap-Wandler mit selektiven Oberflächenimmobilisierungsorten - Google Patents

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Abstract

Ausführungsformen der Erfindung liefern Wandler, die als elektronische Sensoren und Redox-Cycling-Sensoren fungieren können. Wandler umfassen zwei durch einen Nanogap getrennte Elektroden. Nahe dem und in dem Nanogap sind molekulare Bindungsbereiche vorgesehen. Verfahren zur Herstellung von Nanogap-Wandlern und Arrays von Nanogap-Wandlern werden auch bereitgestellt. Arrays von einzeln addressierbaren Nanogap-Wandlern können auf integrierten Schaltungschips angeordnet und mit dem integrierten Schaltungschip betriebsfähig gekoppelt werden.

Description

  • Die vorliegende Anmeldung ist mit der US-Anmeldung Nr. 12/655,578 mit dem Titel ”Nanogap Chemical and Biochemical Sensors”, die am 31. Dezember 2009 eingereicht wurde, jetzt anhängig, US-Patentanmeldung Nr. 11/226,696 mit dem Titel ”Sensor Arrays and Nucleic Acid Sequencing Applications”, eingereicht am 13. September 2005, jetzt anhängig, die eine Continuation-in-Part-Anmeldung ist, welche 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, jetzt anhängig, verwandt, deren Offenbarungen hierin durch Verweis aufgenommen werden.
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Ausführungsformen der Erfindung betreffen allgemein Transducer, Nanogap-Transducer, elektronisches Abtasten, Elektrochemie, Redox-Cycling und den Nachweis von Biomolekülen.
  • STAND DER TECHNIK
  • Analysevorrichtungen, die für erhöhte Genauigkeit und/oder Robustheit, reduzierten Bedarf an Analyseproben und/oder hohen Durchsatz sorgen, sind wertvolle analytische und biomedizinische Mittel. Außerdem sorgen molekulare Nachweisplattformen, die miniaturisiert und in großen Mengen herstellbar sind, für den Zugang zum erschwinglichen Krankheitsnachweis für viele Menschen an Orten und in Situationen, bei denen ein solcher Zugang in der Vergangenheit nicht möglich war. Die Verfügbarkeit erschwinglicher molekularer diagnostischer Vorrichtungen reduziert die Kosten und verbessert die Qualität der verfügbaren Gesundheitsfürsorge. Außerdem haben tragbare molekulare Nachweisvorrichtungen Anwendungen im Sicherheits- und Gefahrennachweis und auf dem Gebiet der Sanierung und bieten die Fähigkeit, sofort in geeigneter Weise auf eine wahrgenommene Sicherheits- oder zufällige biologische oder chemische Gefahr zu reagieren.
  • Genetische Informationen in lebenden Organismen sind in Form von sehr langen Nukleinsäuremolekülen enthalten, wie zum Beispiel Desoxyribonucleinsäure (DNA) und Ribonucleinsäure (RNA). Natürlich vorkommende DNA- und RNA-Moleküle bestehen normalerweise aus sich wiederholenden chemischen Bausteinen, die Nucleotide genannt werden. Das menschliche Genom zum Beispiel enthält annähernd drei Milliarden Nucleotide der DNA-Sequenz und geschätzte 20.000 bis 25.000 Gene.
  • Die Bestimmung der ganzen Drei-Milliarden-Sequenz des menschlichen Genoms hat eine Grundlage zum Identifizieren der genetischen Basis vieler Krankheiten geliefert, wie zum Beispiel Krebs, zystische Fibrose und Sichelzellanämie. Das Sequenzieren der Genome oder Abschnitte des Genoms von Personen bietet eine Chance, medizinische Behandlungen zu personalisieren. Der Bedarf an Nucleinsäuresequenzinformationen besteht auch in der Forschung, im Umweltschutz, in der Lebensmittelsicherheit, im B-Schutz, und klinischen Anwendungen, wie zum Beispiel Nachweis von Pathogenen, d. h. im Nachweis des Vorhandenseins oder Fehlens von Pathogenen oder ihrer genetischen Varianten.
  • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • 1 zeigt ein schematisches Diagramm, das einen Nanogap-Wandler illustriert.
  • 2 zeigt ein schematisches Diagramm, das eine weitere Ausführungsform eines Nanogap-Wandlers illustriert.
  • 3 zeigt ein schematisches Diagramm, das eine weitere Ausführungsform eines Nanogap-Wandlers illustriert.
  • 4 zeigt ein schematisches Diagramm, das eine weitere Ausführungsform eines Nanogap-Wandlers illustriert.
  • Die 5A–B schematisieren ein Verfahren zum Herstellen eines Nanogap-Wandlers.
  • Die 6A–B schematisieren ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines Nanogap-Wandlers.
  • Die 7A–B schematisieren ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines Nanogap-Wandlers.
  • 8 stellt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen der Sequenz eines Nucleinsäuremoleküls bereit.
  • 9 stellt ein Reaktionsschema bereit, das ein Verfahren zum Sequenzieren eines Nucleinsäuremoleküls durch Nachweis einer Oxidations-Reduktionsreaktion einer redoxaktiven Art zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die Fähigkeit, biologische Reaktionen und Moleküle bei äußerst niedrigen Konzentrationen festzustellen, kann zum Beispiel angewendet werden auf den molekularen Nachweis und Analyse, molekulare Diagnostik, Nachweis von Krankheiten, Identifizierung von Substanzen und DNA-Nachweis und -Sequenzierung. Ausführungsformen der Erfindung bieten elektronische Sensoren, die eine hohe Empfindlichkeit, extrem geringen Platzbedarf und eine sehr leicht Herstellbarkeit aufweisen.
  • Nanogap-Wandler (Transducer) gemäß Ausführungsformen der Erfindung können große Sensorfelder sein. Zum Beispiel können Felder von Nanogap-Wandlern 1000 bis 10 Millionen oder eine Million bis 10 Milliarden Wandler umfassen, in denen 50% oder mehr, 75% oder mehr, 85% oder mehr, 90% oder mehr, 95% oder mehr oder 98% der Wandler funktionierende Sensoren sind.
  • Ausführungsformen der Erfindung stellen Wandler bereit, die als elektronische Sensoren und Redox-Cycling-Sensoren funktionieren. Im Allgemeinen ist das Redox-Cycling ein elektrochemisches Verfahren, bei dem ein Molekül, welches reversibel oxidiert und/oder reduziert werden kann (d. h. ein redoxaktives Molekül), sich zwischen mindestens zwei Elektroden bewegt, die unabhängig voneinander vorgespannt sind, eine unterhalb eines Reduktionspotenzials und die andere oberhalb eines Oxidationspotenzials für das redoxaktive Molekül, das nachgewiesen wird, wodurch Elektronen zwischen den unabhängig voneinander vorgespannten Elektroden hin- und herpendeln (d. h. das Molekül wird an einer ersten Elektrode oxidiert und diffundiert dann zu einer zweiten Elektrode, wo es reduziert wird, oder umgekehrt, wird es zuerst reduziert und dann oxidiert, je nach dem Molekül und den Potenzialen, mit denen die Elektroden vorgespannt sind). Beim Redox-Cycling kann daher dasselbe Molekül mehrere Elektronen zum aufgezeichneten Strom beitragen, was per Saldo zu einer Verstärkung des Signals führt.
  • In den Nanogap-Wandlern von Ausführungsformen der Erfindung kann das Signal aus chemischen Reaktionen, die analysiert werden, für eine beträchtliche Dauer in der Nähe der Sensorelektroden erfasst werden. Die Ableitung von Signalen weg von der Sensorregion kann durch Schließen des Nanogap-Sensors während des Betriebs reduziert werden, wie zum Beispiel mit einer Leiste, die sich quer über die Öffnung erstreckt. Anders als bei anderen Nachweisverfahren wurde festgestellt, dass die Biomoleküle, die in Ausführungsformen der Erfindung nachgewiesen werden, nicht direkt an den Sensorelektroden befestigt werden müssen. In Ausführungsformen der Erfindung können Biomoleküle, die nachgewiesen werden sollen, in der Nähe der Elektroden im Innern der Vorrichtung befestigt werden.
  • Nanogap-Wandler gemäß Ausführungsformen der Erfindung können zuverlässig in einer CMOS-kompatiblen Weise hergestellt werden, was eine dichte Integration von Sensoreinheiten (und der optional ansteuernden Elektronik) auf einer einzigen Plattform erlaubt, wie zum Beispiel auf einem Chip oder Silizium-Wafer, der normalerweise in Anwendungen der Herstellung von integrierten Schaltungen verwendet wird. Da die Nanogap-Wandler, die durch Ausführungsformen der Erfindung bereitgestellt werden, sehr klein und sehr empfindlich sind, bieten sie die Fähigkeit, Moleküle und Biomoleküle bei äußerst geringen Konzentrationen in einer massiv parallelen Weise festzustellen. Ein einzelner Nanogap-Wandler kann zum Beispiel lediglich 0,5 μm2 auf einem Array oder auf einer anderen Chipfläche belegen. In anderen Ausführungsformen belegt ein einzelner Nanogap-Wandler zwischen 0,5 μm2 und 50 μm2 oder zwischen 0,5 μm2 und 100 μm2 auf einem Array oder auf einer anderen Chipfläche. Die Fähigkeit, Moleküle in hoch empfindlicher Weise festzustellen, hat Anwendungen auf Gebieten der Diagnostik, Proteomik, Genomik, Feststellung von Sicherheit und chemischen und biologischen Gefahren.
  • 1 illustriert einen Nanogap-Wandler, der als elektronischer Sensor, zum Nachweis von Redox-Molekülen funktioniert und/oder als Redox-Cycling-Sensor funktioniert. In 1 hat ein Substrat 105 eine dielektrische Schicht 110 und eine erste Elektrode 115. Eine zweite Elektrode 120 ist von der ersten Elektrode durch einen Spalt getrennt, der eine Höhe h1 hat. In Ausführungsformen der Erfindung ist die Höhe des Spalts, h1, kleiner 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 127, wie zum Beispiel Durchkontaktierungen durch die dielektrische Schicht 110, stellen Verbindungen zu optionaler Elektronik (nicht dargestellt) her, die sich im Substrat 105 befindet. In Ausführungsformen der Erfindung ist das Substrat 105 ein integrierter Schaltungs-(IC)-Chip und umfasst Elektronik für zum Beispiel Ansteuerungselektroden 115 und 120, Signalerfassung, Signalverstärkung und/oder Datenausgabe. Das Substrat kann auch aus anderen Materialien bestehen, wie zum Beispiel Glas, passiviertes Metall, Polymer, Halbleiter, PDMS (Polydimethylsiloxan) und/oder flexiblen Elastomersubstanzen. In Ausführungsformen, bei denen das Substrat keine Elektronik enthält, können sich elektrische Verbindungen zu den Elektroden 115 und 120 entlang einer Oberfläche der isolierenden Schicht 110 oder durch das Substrat 105 erstrecken, obwohl andere Konfigurationen ebenfalls möglich sind.
  • Der Nanogap-Wandler von 1 umfasst einen molekularen Bindungsbereich 130, der nahe bei den Elektroden 115 und 120 liegt. Der molekulare Bindungsbereich 130 umfasst eine Schicht von bevorzugt funktionalisierbarem Material 131. Der molekulare Bindungsbereich 130 umfasst den freiliegenden Bereich des bevorzugt funktionalisierbaren Materials 131. Die Schicht des bevorzugt funktionalisierbaren Materials 131 liegt zwischen einer ersten Schicht von dielektrischem Material 135 und einer zweiten Schicht von dielektrischem Material 140. Die erste Schicht von dielektrischem Material 135 ist eine optionale Schicht, und in Ausführungsformen der Erfindung ist die Schicht von bevorzugt funktionalisierbarem Material 131 auf der zweiten Elektrode 120 angeordnet. Das Vorhandensein oder Fehlen der ersten Schicht von dielektrischem Material 135 in der Vorrichtung von 1 kann von Faktoren abhängen, wie zum Beispiel der Adhäsion zwischen dem Material, aus dem die zweite Elektrode besteht, und dem Material, aus dem das bevorzugt funktionalisierbare Material 131 besteht. Die Schicht von bevorzugt funktionalisierbarem Material 131 ist ein Material, das Linker-Moleküle und/oder Biomoleküle von Interesse binden oder anheften kann, bevorzugt im Vergleich zur Fähigkeit der Materialien, die die freiliegenden Bereiche des Nanogap-Wandlers umfassen (Oberflächenbereiche, die unter Betriebsbedingungen in Kontakt mit Flüssigkeiten kommen), um Linker-Moleküle oder Biomoleküle von Interesse zu binden oder anzuheften. In Ausführungsformen der Erfindung besteht die Schicht von bevorzugt funktionalisierbarem Material 131 aus Siliziumdioxid, und die erste und die zweite Schicht des dielektrischen Materials 135 und 140 bestehen aus Siliziumoxynitrid. Der freigelegte Siliziumdioxidbereich (molekularer Bindungsbereich 130) kann bevorzugt funktionalisiert werden unter Verwendung eines Silans, wie zum Beispiel Aminopropyltriethoxysilan, wenn die Elektroden 115 und 120 aus Platin, Palladium, Gold, Kohlenstoffmaterialien (zum Beispiel Diamant, Grafit oder amorphem Kohlenstoff), Nickel und/oder Indiumzinnoxid bestehen. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung besteht die Schicht von bevorzugt funktionalisierbarem Material 131 aus Hafniumoxid, Aluminiumoxid oder Tantaloxid und kann unter Verwendung eines Silans, wie zum Beispiel Aminopropyltriethoxysilan, bevorzugt funktionalisiert werden, wenn die Elektroden 115 und 120 aus Platin, Palladium, Gold, Kohlenstoffmaterialien (zum Beispiel Diamant, Grafit oder amorphem Kohlenstoff), Nickel und/oder Indiumzinnoxid bestehen. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung besteht die bevorzugt funktionalisierbare Schicht 131 aus Gold, Platin oder Palladium, und der sich ergebende molekulare Bindungsbereich 130 kann bevorzugt funktionalisiert werden mit Molekülen, die eine Thiol-(-SH)- oder Disulfid-(-S-S)-Gruppe umfassen, wenn die Elektroden 115 und 120 aus Kohlenstoffmaterialien, wie zum Beispiel Diamant, Grafit oder amorphem Kohlenstoff bestehen. Andere Materialien für das bevorzugt funktionalisierbare Material 131 und die dielektrischen Schichten 135 und 140 sind ebenfalls möglich.
  • In Ausführungsformen der Erfindung umfasst der molekulare Bindungsbereich 130 ein Linker-Molekül, eine Kombination von Linker-Molekülen und/oder ein Sondenmolekül. Linker-Moleküle können an die Oberfläche des molekularen Bindungsbereichs 130 angeheftet werden und umfassen eine funktionelle Gruppe, die sich an ein interessierendes Molekül anheften kann (zum Beispiel ein Sondenmolekül oder ein weiteres Linker-Molekül). Linker-Moleküle können so ausgewählt werden, dass sie mit dem molekularen Bindungsbereich 130 selektiv reagieren (aber nicht mit den dielektrischen Materialien 135 und 140 oder den Elektrodenmaterialien 115 und 120), und umfassen Moleküle, wie zum Beispiel Silane, Thiole, Disulfide, Isothiocyanate, Alkene und Alkine. Sondenmoleküle sind Moleküle, die sich selektiv an ein interessierendes Zielmolekül binden können, wie zum Beispiel Sequenzen von DNA, Sequenzen von RNA, Biotin oder Avidin und Antikörper, Antigene, Rezeptoren und ihre spezifischen Bindungspartner, Proteine und ihre spezifischen Kleinmolekül-Bindungspartner und/oder Peptide. Sondenmoleküle umfassen einen oder mehrere molekulare Erkennungsstellen. Antikörper umfassen zum Beispiel polyklonale und monoklonale Antikörper sowie Antigenbindungsfragmente solcher Antikörper. Ein Antikörper oder ein Antigenbindungsfragment eines Antikörpers ist zum Beispiel dadurch charakterisiert, dass es eine spezifische Bindungsaktivität für ein Epitop eines Analyten hat. Die Sonde kann jedes Element eines spezifisch bindenden Paares sein, wie zum Beispiel immunologische Paare, wie zum Beispiel Antigen-Antikörper, Biotin-Avidin, Hormone-Hormonrezeptoren, Nucleinsäureduplexe, IgG-Protein A, und Polynucleotidpaare, wie zum Beispiel DNA-DNA und DNA-RNA. Sondenmoleküle können mit Linker-Molekülen durch bekannte chemische Verbindungsverfahren gekoppelt werden.
  • Die Elektroden 115 und 120 bestehen aus einem leitfähigen Material. In Ausführungsformen der Erfindung bestehen die Elektroden 115 und 120 aus Diamant, Platin und/oder Gold. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung bestehen die Elektroden 115 und 120 aus Palladium, Nickel, Grafitkohle, amorphem Kohlenstoff und/oder Indiumzinnoxid. In Ausführungsformen der Erfindung besteht zumindest 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 Diamantmaterial. Diamant kann dazu veranlasst werden, Strom zu leiten, indem er zum Beispiel dotiert wird. Dotierungsmittel umfassen zum Beispiel Bor, Stickstoff und Phosphor. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Dotierungsmittel Bor. Die Dotierungskonzentrationen für bordotierte Diamantmaterialien umfassen Konzentrationen von mehr als 1020 Atomen/cm3 und weniger als 1022 Atomen/cm3. In Ausführungsformen der Erfindung beträgt die Höhe der Elektrode, h2, zwischen 200 und 1000 nm, wenn die erste Elektrode 115 aus einem leitfähigen Diamantmaterial besteht. In alternativen Ausführungsformen beträgt die Höhe der leitfähigen Diamantelektrode, h2, zwischen 5 und 25 nm. In Ausführungsformen der Erfindung ist der leitfähige Diamantfilm mikrokristalliner oder nanokristalliner Diamant. Im Betrieb wird normalerweise eine Referenzelektrode (nicht dargestellt) auch mit dem Nanogap-Wandler verwendet. Die Referenzelektrode ist in Kontakt mit der Lösung, die gemessen wird, braucht sich aber nicht im Innern des Nanogaps zu befinden.
  • 2 illustriert einen Nanogap-Wandler, der als ein elektronischer Sensor, zum Nachweis von Redox-Molekülen funktionieren und/oder als Redox-Cycling-Sensor funktionieren kann. In 2 hat ein Substrat 205 eine dielektrische Schicht 210 und eine erste Elektrode 215. Eine zweite Elektrode 220 ist von der ersten Elektrode durch einen Spalt getrennt, der eine Höhe h1 hat. In Ausführungsformen der Erfindung ist die Höhe des Spalts, h1, kleiner als 500 nm oder zwischen 10 und 200 nm, zwischen 10 und 150 nm oder zwischen 25 und 150 nm. Optionale elektronische Verbindungen 225 und 227, wie zum Beispiel Durchkontaktierungen durch die dielektrische Schicht 210, stellen Verbindungen zu optionale Elektronik (nicht dargestellt) her, die sich im Substrat 205 befindet. In Ausführungsformen der Erfindung ist das Substrat 205 ein integrierter Schaltungs-(IC)-Chip und umfasst Elektronik für zum Beispiel Ansteuerungselektroden 215 und 220, Signalerfassung, Signalverstärkung und/oder Datenausgabe. Das Substrat kann auch aus anderen Materialien bestehen, wie zum Beispiel Glas, passiviertes Metall, Polymer, Halbleiter, PDMS (Polydimethylsiloxan) und/oder flexiblen Elastomersubstanzen. In Ausführungsformen, bei denen das Substrat keine Elektronik enthält, können sich elektrische Verbindungen zu den Elektroden 215 und 220 entlang einer Oberfläche der isolierenden Schicht 210 oder durch das Substrat 205 erstrecken, obwohl andere Konfigurationen ebenfalls möglich sind.
  • Der Nanogap-Wandler von 2 umfasst einen molekularen Bindungsbereich 230, der nahe bei den Elektroden 215 und 220 liegt. Der molekulare Bindungsbereich 230 umfasst eine Schicht von bevorzugt funktionalisierbarem Material 231. Der molekulare Bindungsbereich 230 umfasst den freiliegenden Bereich des bevorzugt funktionalisierbaren Materials 231. Die Schicht des bevorzugt funktionalisierbaren Materials 231 liegt zwischen einer ersten Schicht von dielektrischem Material 235 und einer zweiten Schicht von dielektrischem Material 240. Die erste Schicht von dielektrischem Material 235 ist eine optionale Schicht, und in Ausführungsformen der Erfindung befindet sich die Schicht von bevorzugt funktionalisierbarem Material 231 auf der zweiten Elektrode 220. Das Vorhandensein oder Fehlen der ersten Schicht von dielektrischem Material 235 in der Vorrichtung von 2 kann von Faktoren abhängen, wie zum Beispiel der Adhäsion zwischen dem Material, aus dem die zweite Elektrode besteht, und dem Material, aus dem das bevorzugt funktionalisierbare Material 231 besteht. Die Schicht von vorzugsweise funktionalisierbarem Material 231 ist ein Material, das Linker-Moleküle und/oder Biomoleküle von Interesse binden oder anheften kann, vorzugsweise im Vergleich zur Fähigkeit der Materialien, die die freiliegenden Bereiche des Nanogap-Wandlers umfassen (Oberflächenbereiche, die unter Betriebsbedingungen in Kontakt mit Flüssigkeiten kommen), um Linker-Moleküle oder Biomoleküle von Interesse zu binden oder anzuheften. In Ausführungsformen der Erfindung besteht die Schicht von bevorzugt funktionalisierbarem Material 231 aus Siliziumdioxid, und die erste und die zweite Schicht des dielektrischen Materials 235 und 240 bestehen aus Siliziumoxynitrid. Der freigelegte Siliziumdioxidbereich (molekularer Bindungsbereich 230) kann bevorzugt funktionalisiert werden unter Verwendung eines Silans, wie zum Beispiel Aminopropyltriethoxysilan, wenn die Elektroden 215 und 220 aus Platin, Palladium, Gold, Kohlenstoffmaterialien (zum Beispiel Diamant, Grafitkohle oder amorphem Kohlenstoff), Nickel und/oder Indiumzinnoxid bestehen. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung besteht die Schicht von bevorzugt funktionalisierbarem Material 231 aus Hafniumoxid, Aluminiumoxid oder Tantaloxid und kann unter Verwendung eines Silans, wie zum Beispiel Aminopropyltriethoxysilan, bevorzugt funktionalisiert werden, wenn die Elektroden 215 und 220 aus Platin, Palladium, Gold, Kohlenstoffmaterialien (zum Beispiel Diamant, Grafitkohle oder amorphem Kohlenstoff), Nickel und/oder Indiumzinnoxid bestehen. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung besteht die bevorzugt funktionalisierbare Schicht 231 aus Gold, Platin oder Palladium, und der sich ergebende molekulare Bindungsbereich 230 kann mit Molekülen bevorzugt funktionalisiert werden, die eine Thiol-(-SH)- oder Disulfid-(-S-S)-Gruppe umfassen, wenn die Elektroden 215 und 220 aus Kohlenstoffmaterialien, wie zum Beispiel Diamant, Grafitkohle oder amorphem Kohlenstoff, bestehen. Andere Materialien für das bevorzugt funktionalisierbare Material 231 und die dielektrischen Schichten 235 und 240 sind ebenfalls möglich.
  • In Ausführungsformen der Erfindung umfasst der molekulare Bindungsbereich 230 ein Linker-Molekül, eine Kombination von Linker-Molekülen und/oder ein Sondenmolekül. Linker-Moleküle können an die Oberfläche des molekularen Bindungsbereichs 230 angeheftet werden und umfassen eine funktionelle Gruppe, die sich an ein interessierendes Molekül anheften kann (zum Beispiel ein Sondenmolekül oder ein weiteres Linker-Molekül). Linker-Moleküle können so ausgewählt werden, dass sie mit dem molekularen Bindungsbereich 230 selektiv reagieren (aber nicht mit den dielektrischen Materialien 235 und 240 oder den Elektrodenmaterialien 215 und 220), und umfassen Moleküle, wie zum Beispiel Silane, Thiole, Disulfide, Isothiocyanate, Alkene und Alkine. Sondenmoleküle sind Moleküle, die sich an ein interessierendes Zielmolekül selektiv binden können, wie zum Beispiel Sequenzen von DNA, Sequenzen von RNA, Biotin oder Avidin und Antikörper, Antigene, Rezeptoren und ihre spezifischen Bindungspartner, Proteine und ihre spezifischen Kleinmolekül-Bindungspartner und/oder Peptide. Sondenmoleküle umfassen einen oder mehrere molekulare Erkennungsstellen. Antikörper umfassen zum Beispiel polyklonale und monoklonale Antikörper sowie Antigenbindungsfragmente solcher Antikörper. Ein Antikörper oder ein Antigenbindungsfragment eines Antikörpers ist zum Beispiel dadurch charakterisiert, dass es eine spezifische Bindungsaktivität für ein Epitop eines Analyten hat. Die Sonde kann jedes Element eines spezifisch bindenden Paares sein, wie zum Beispiel immunologische Paare, wie zum Beispiel Antigen-Antikörper, Biotin-Avidin, Hormone-Hormonrezeptoren, Nucleinsäureduplexe, IgG-Protein A, und Polynucleotidpaare, wie zum Beispiel DNA-DNA und DNA-RNA. Sondenmoleküle können mit Linker-Molekülen durch bekannte chemische Verbindungsverfahren gekoppelt werden.
  • Die Elektroden 215 und 220 bestehen aus einem leitfähigen Material. In Ausführungsformen der Erfindung bestehen die Elektroden 215 und 220 aus Diamant, Platin und/oder Gold. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung bestehen die Elektroden 215 und 220 aus Palladium, Nickel, Grafitkohle, amorphem Kohlenstoff und/oder Indiumzinnoxid. In Ausführungsformen der Erfindung besteht zumindest eine Elektrode 215 oder 220 aus einem leitfähigen Diamantmaterial. In Ausführungsformen der Erfindung besteht die Elektrode 215 aus leitfähigem Diamant. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung bestehen beide Elektroden 215 und 220 aus leitfähigem Diamantmaterial. Diamant kann dazu veranlasst werden, Strom zu leiten, indem er zum Beispiel dotiert wird. Dotierungsmittel umfassen zum Beispiel Bor, Stickstoff und Phosphor. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Dotierungsmittel Bor. Die Dotierungskonzentrationen für bordotierte Diamantmaterialien umfassen Konzentrationen von mehr als 1020 Atomen/cm3 und weniger als 1022 Atomen/cm3. In Ausführungsformen der Erfindung beträgt die Höhe der Elektrode, h2, zwischen 200 und 1000 nm, wenn die erste Elektrode 215 aus einem leitfähigen Diamantmaterial besteht. In alternativen Ausführungsformen beträgt die Höhe der leitfähigen Diamantelektrode, h2, zwischen 5 und 25 nm. In Ausführungsformen der Erfindung ist der leitfähige Diamantfilm mikrokristalliner oder nanokristalliner Diamant. Im Betrieb wird normalerweise eine Referenzelektrode (nicht dargestellt) auch mit dem Nanogap-Wandler verwendet. Die Referenzelektrode ist in Kontakt mit der Lösung, die gemessen wird, braucht sich aber nicht im Innern des Nanogaps zu befinden.
  • 3 illustriert einen weiteren Nanogap-Wandler, der als elektronischer Sensor, zum Nachweis von Redox-Molekülen funktionieren und/oder als Redox-Cycling-Sensor funktionieren kann. In 3 hat ein Substrat 305 eine dielektrische Schicht 310 und eine erste Elektrode 315. Eine zweite Elektrode 320 ist von der ersten Elektrode durch einen Spalt getrennt, der eine Höhe h1 hat. In Ausführungsformen der Erfindung ist die Höhe des Spalts, h1, kleiner als 500 nm oder zwischen 10 und 200 nm, zwischen 10 und 150 nm oder zwischen 25 und 150 nm. Optionale elektronische Verbindungen 325 und 327, wie zum Beispiel Durchkontaktierungen durch die dielektrische Schicht 310, stellen Verbindungen zu optionaler Elektronik (nicht dargestellt) her, die sich im Substrat 305 befindet. In Ausführungsformen der Erfindung ist das Substrat 305 ein integrierter Schaltungs-(IC)-Chip und umfasst Elektronik für zum Beispiel Ansteuerungselektroden 315 und 320, Signalerfassung, Signalverstärkung und/oder Datenausgabe. Das Substrat kann auch aus anderen Materialien bestehen, wie zum Beispiel Glas, passiviertes Metall, Polymer, Halbleiter, PDMS (Polydimethylsiloxan) und/oder flexiblen Elastomersubstanzen. In Ausführungsformen, bei denen das Substrat keine Elektronik enthält, können sich elektrische Verbindungen zu den Elektroden 315 und 320 entlang einer Oberfläche der isolierenden Schicht 310 oder durch das Substrat 305 erstrecken, obwohl andere Konfigurationen ebenfalls möglich sind.
  • Der Nanogap-Wandler von 3 umfasst einen molekularen Bindungsbereich 330, der sich auf Elektrode 315 befindet. Der molekulare Bindungsbereich 330 besteht aus bevorzugt funktionalisierbarem Material. Das bevorzugt funktionalisierbare Material ist ein Material, das Linker-Moleküle und/oder Biomoleküle von Interesse binden oder anheften kann, vorzugsweise im Vergleich zur Fähigkeit der Materialien, die die freiliegenden Bereiche des Nanogap-Wandler umfassen (Oberflächenbereiche, die unter Betriebsbedingungen in Kontakt mit Flüssigkeiten kommen), um Linker-Moleküle oder Biomoleküle von Interesse zu binden oder anzuheften. In Ausführungsformen der Erfindung besteht der Bereich des bevorzugt funktionalisierbaren Materials 330 aus Siliziumdioxid, und die zweite Schicht von dielektrischem Material 335 besteht aus Siliziumoxynitrid. Der freigelegte Siliziumdioxidbereich (molekularer Bindungsbereich 330) kann bevorzugt funktionalisiert werden unter Verwendung eines Silans, wie zum Beispiel Aminopropyltriethoxysilan, wenn die Elektroden 315 und 320 aus Platin, Palladium, Gold, Kohlenstoffmaterialien (zum Beispiel Diamant, Grafitkohle oder amorphem Kohlenstoff), Nickel und/oder Indiumzinnoxid bestehen. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung besteht der molekulare Bindungsbereich 330 aus Hafniumoxid, Aluminiumoxid oder Tantaloxid und kann unter Verwendung eines Silans, wie zum Beispiel Aminopropyltriethoxysilan, bevorzugt funktionalisiert werden, wenn die Elektroden 315 und 320 aus Platin, Palladium, Gold, Kohlenstoffmaterialien (zum Beispiel Diamant, Grafitkohle oder amorphem Kohlenstoff), Nickel und/oder Indiumzinnoxid bestehen. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung besteht der molekulare Bindungsbereich 330 aus Gold, Platin oder Palladium, und kann mit Molekülen bevorzugt funktionalisiert werden, die eine Thiol-(-SH)- oder Disulfid-(-S-S)-Gruppe umfassen, wenn die Elektroden 315 und 320 aus Kohlenstoffmaterialien, wie zum Beispiel Diamant, Grafitkohle oder amorphem Kohlenstoff, bestehen. Andere Materialien für das bevorzugt funktionalisierbare Material 330 und die dielektrische Schicht 335 sind ebenfalls möglich.
  • In Ausführungsformen der Erfindung hat der molekulare Bindungsbereich 330 eine verfügbare Fläche bzw. Oberfläche (die Fläche, die einer Lösung innerhalb des Nanogap-Hohlraums ausgesetzt werden kann und ein Molekül binden kann), welche die Bindung nur eines erwünschten Moleküls aufnehmen kann. In Ausführungsformen der Erfindung hat der molekulare Bindungsbereich 330 eine verfügbare Fläche von 40 nm2 bis 500.000 nm2. Die Größe des eingesetzten molekularen Bindungsbereichs 330 kann von Faktoren abhängen, wie zum Beispiel der Größe des verwendeten Linker-Moleküls. Ein großes Linker-Molekül kann einen größeren molekularen Bindungsbereich 330 ermöglichen, da die Größe des Linker-Moleküls die Zahl der Bindungsorte auf dem molekularen Bindungsbereich 330 begrenzen kann. In alternativen Ausführungsformen kann die Zahl von molekularen Anheftungsreaktionen am molekularen Bindungsbereich 330 durch die Lösungskonzentration des Linker-Moleküls und/oder Sondenmoleküls während des Anheftens an molekulare Bindungsbereiche 330 eines Feldes von Nanogap-Wandlern begrenzt werden. Für eine im Wesentlichen 100%ige Ausbeute für das Anheften an die molekularen Bindungsbereiche 330 kann nur ein Prozentsatz der Nanogap-Wandler nur ein Molekül haben, das an den molekularen Bindungsbereich 330 angeheftet ist, während die übrigen Wandler mehr als ein Molekül haben, das an den molekularen Bindungsbereich 330 angeheftet ist. Die Zahl von Molekülen pro molekularem Bindungsbereich 330 kann durch Testen vor der Verwendung und/oder durch Filtern der Ergebnisse bestimmt werden, die nicht mit einem einzigen Molekül im molekularen Bindungsbereich 330 konsistent sind.
  • In Ausführungsformen der Erfindung umfasst der molekulare Bindungsbereich 330 ein Linker-Molekül, eine Kombination von Linker-Molekülen und/oder ein Sondenmolekül. Linker-Moleküle können an die Oberfläche des molekularen Bindungsbereichs 330 angeheftet werden und umfassen eine funktionelle Gruppe, die sich an ein interessierendes Molekül anheften kann (zum Beispiel ein Sondenmolekül oder ein weiteres Linker-Molekül). Linker-Moleküle können so ausgewählt werden, dass sie mit dem molekularen Bindungsbereich 330 selektiv reagieren (aber nicht mit dem dielektrischen Material 335 oder den Elektrodenmaterialien 315 und 320), und umfassen Moleküle, wie zum Beispiel Silane, Thiole, Disulfide, Isothiocyanate, Alkene und Alkine. Sondenmoleküle (probe molecules) sind Moleküle, die sich an ein interessierendes Zielmolekül selektiv binden können, wie zum Beispiel Sequenzen von DNA, Sequenzen von RNA, Biotin oder Avidin und Antikörper, Rezeptoren und ihre spezifischen Bindungspartner, Proteine und ihre spezifischen Kleinmolekül-Bindungspartner und/oder Peptide. Sondenmoleküle umfassen einen oder mehrere molekulare Erkennungsstellen. Antikörper umfassen zum Beispiel polyklonale und monoklonale Antikörper sowie Antigenbindungsfragmente solcher Antikörper. Ein Antikörper oder ein Antigenbindungsfragment eines Antikörpers ist zum Beispiel dadurch charakterisiert, dass es eine spezifische Bindungsaktivität für ein Epitop eines Analyten hat. Die Sonde kann jedes Element eines spezifisch bindenden Paares sein, wie zum Beispiel immunologische Paare, wie zum Beispiel Antigen-Antikörper, Biotin-Avidin, Hormone-Hormonrezeptoren, Nucleinsäureduplexe, IgG-Protein A, und Polynucleotidpaare, wie zum Beispiel DNA-DNA und DNA-RNA. Sondenmoleküle können mit Linker-Molekülen durch bekannte chemische Verbindungsverfahren gekoppelt werden.
  • Die Elektroden 315 und 320 bestehen aus einem leitfähigen Material. In Ausführungsformen der Erfindung bestehen die Elektroden 315 und 320 aus Diamant, Platin und/oder Gold. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung bestehen die Elektroden 315 und 320 aus Palladium, Nickel, Grafitkohle, amorphem Kohlenstoff und/oder Indiumzinnoxid. In Ausführungsformen der Erfindung besteht zumindest eine Elektrode 315 oder 320 aus einem leitfähigen Diamantmaterial. In Ausführungsformen der Erfindung besteht die Elektrode 315 aus leitfähigem Diamant. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung bestehen beide Elektroden 315 und 320 aus leitfähigem Diamantmaterial. Diamant kann dazu veranlasst werden, Strom zu leiten, indem er zum Beispiel dotiert wird. Dotierungsmittel umfassen zum Beispiel Bor, Stickstoff und Phosphor. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Dotierungsmittel Bor. Die Dotierungskonzentrationen für bordotierte Diamantmaterialien umfassen Konzentrationen von mehr als 1020 Atomen/cm3 und weniger als 1022 Atomen/cm3. In Ausführungsformen der Erfindung beträgt die Höhe der Elektrode, h2, zwischen 200 und 1000 nm, wenn die erste Elektrode 315 aus einem leitfähigen Diamantmaterial besteht. In alternativen Ausführungsformen beträgt die Höhe der leitfähigen Diamantelektrode, h2, zwischen 5 und 25 nm. In Ausführungsformen der Erfindung ist der leitfähige Diamantfilm mikrokristalliner oder nanokristalliner Diamant. Im Betrieb wird normalerweise eine Referenzelektrode (nicht dargestellt) auch mit dem Nanogap-Wandler verwendet. Die Referenzelektrode ist in Kontakt mit der Lösung, die gemessen wird, braucht sich aber nicht im Innern des Nanogaps zu befinden.
  • 4 illustriert einen weiteren Nanogap-Wandler, der als elektronischer Sensor, zum Nachweis von Redox-Molekülen funktionieren und/oder als Redox-Cycling-Sensor funktionieren kann. In 4 hat ein Substrat 405 eine dielektrische Schicht 410 und eine erste Elektrode 415. Eine zweite Elektrode 420 ist von der ersten Elektrode durch einen Spalt getrennt, der eine Höhe h1 hat. In Ausführungsformen der Erfindung ist die Höhe des Spalts, h1, kleiner als 500 nm oder zwischen 10 und 200 nm, zwischen 10 und 150 nm oder zwischen 25 und 150 nm. Optionale elektronische Verbindungen 425 und 427, wie zum Beispiel Durchkontaktierungen durch die dielektrische Schicht 410, stellen Verbindungen zu optionaler Elektronik (nicht dargestellt) her, die sich im Substrat 405 befindet. In Ausführungsformen der Erfindung ist das Substrat 405 ein integrierter Schaltungs-(IC)-Chip und umfasst Elektronik zum Beispiel für Ansteuerungselektroden 415 und 420, Signalerfassung, Signalverstärkung und/oder Datenausgabe. Das Substrat kann auch aus anderen Materialien bestehen, wie zum Beispiel Glas, passiviertes Metall, Polymer, Halbleiter, PDMS (Polydimethylsiloxan) und/oder flexiblen Elastomersubstanzen. In Ausführungsformen, bei denen das Substrat keine Elektronik enthält, können sich elektrische Verbindungen zu den Elektroden 415 und 420 entlang einer Oberfläche der isolierenden Schicht 410 oder durch das Substrat 405 erstrecken, obwohl andere Konfigurationen ebenfalls möglich sind.
  • Der Nanogap-Wandler von 4 umfasst einen molekularen Bindungsbereich 430, der in einem Loch in Elektrode 415 angeordnet ist. Der molekulare Bindungsbereich 430 besteht aus einem bevorzugt funktionalisierbaren Material. Das bevorzugt funktionalisierbare Material ist ein Material, das Linker-Moleküle und/oder Biomoleküle von Interesse binden oder anheften kann, vorzugsweise im Vergleich zur Fähigkeit der Materialien, die die freiliegenden Bereiche des Nanogap-Wandlers umfassen (Oberflächenbereiche, die unter Betriebsbedingungen in Kontakt mit Flüssigkeiten kommen), um Linker-Moleküle oder Biomoleküle von Interesse zu binden oder anzuheften. Der molekulare Bindungsbereich 430 kann einer freiliegenden Bereich der dielektrischen Schicht 410 oder einen optionalen Bereich 412 aus bevorzugt funktionalisierbarem Material umfassen, das sich von der dielektrischen Schicht 410 unterscheidet. Der optionale Bereich von bevorzugt funktionalisierbarem Material 412 befindet sich nahe am Loch in der ersten Elektrode 415, und eine Fläche des Bereichs von bevorzugt funktionalisierbarem Material 412 ist durch das Loch in der Elektrode freigelegt. Der optionale Bereich 412, der bevorzugt funktionalisierbares Material umfasst, kann andere Formen und Größen haben und vertieft innerhalb des dielektrischen Bereichs 410 oder auf einer Fläche des dielektrischem Bereichs 410 angeordnet sein. In Ausführungsformen der Erfindung besteht der Bereich des bevorzugt funktionalisierbaren Materials 430 aus Siliziumdioxid, und die zweite Schicht von dielektrischem Material 435 besteht aus Siliziumoxynitrid. Der freigelegte Siliziumdioxidbereich (molekularer Bindungsbereich 430) kann bevorzugt funktionalisiert werden unter Verwendung eines Silans, wie zum Beispiel Aminopropyltriethoxysilan, wenn die Elektroden 415 und 420 aus Platin, Palladium, Gold, Kohlenstoffmaterialien (zum Beispiel Diamant, Grafitkohle oder amorphem Kohlenstoff), Nickel und/oder Indiumzinnoxid bestehen. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung besteht der molekulare Bindungsbereich 430 aus Hafniumoxid, Aluminiumoxid oder Tantaloxid und kann unter Verwendung eines Silans, wie zum Beispiel Aminopropyltriethoxysilan, bevorzugt funktionalisiert werden, wenn die Elektroden 415 und 420 aus Platin, Palladium, Gold, Kohlenstoffmaterialien (zum Beispiel Diamant, Grafitkohle oder amorphem Kohlenstoff), Nickel und/oder Indiumzinnoxid bestehen. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung besteht der molekulare Bindungsbereich 430 aus Gold, Platin oder Palladium, und kann mit Molekülen bevorzugt funktionalisiert werden, die eine Thiol-(-SH)- oder Disulfid-(-S-S)-Gruppe umfassen, wenn die Elektroden 415 und 420 aus Kohlenstoffmaterialien, wie zum Beispiel Diamant, Grafitkohle oder amorphem Kohlenstoff, bestehen. Andere Materialien für das bevorzugt funktionalisierbare Material 430 und die dielektrischen Schicht 435 sind ebenfalls möglich.
  • In Ausführungsformen der Erfindung hat der molekulare Bindungsbereich 430 eine verfügbare Fläche bzw. Oberfläche (die Fläche, die einer Lösung innerhalb des Nanogap-Hohlraums ausgesetzt werden kann und ein Molekül binden kann), welche die Bindung nur eines erwünschten Moleküls aufnehmen kann. In Ausführungsformen der Erfindung hat der molekulare Bindungsbereich 430 eine verfügbare Fläche von 40 nm2 bis 500.000 nm2. Die Größe des eingesetzten molekularen Bindungsbereichs 430 kann von Faktoren abhängen, wie zum Beispiel der Größe des verwendeten Linker-Moleküls. Ein großes Linker-Molekül kann einen größeren molekularen Bindungsbereich 430 ermöglichen, da die Größe des Linker-Moleküls die Zahl der Bindungsorte auf dem molekularen Bindungsbereich 430 begrenzen kann. In alternativen Ausführungsformen kann die Zahl von molekularen Anheftungsreaktionen am molekularen Bindungsbereich 430 durch die Lösungskonzentration des Linker-Moleküls und/oder Sondenmoleküls während des Anheftens an molekulare Bindungsbereiche 430 eines Feldes von Nanogap-Wandlern begrenzt werden. Für eine im Wesentlichen 100%ige Ausbeute für das Anheften an die molekularen Bindungsbereiche 430 kann nur ein Prozentsatz der Nanogap-Wandler nur ein Molekül haben, das an den molekularen Bindungsbereich 430 angeheftet ist, während die übrigen Wandler mehr als ein Molekül haben, das an den molekularen Bindungsbereich 430 angeheftet ist. Die Zahl von Molekülen pro molekularem Bindungsbereich 330 kann durch Testen vor der Verwendung und/oder durch Filtern der Ergebnisse bestimmt werden, die nicht mit einem einzigen Molekül im molekularen Bindungsbereich 430 konsistent sind.
  • In Ausführungsformen der Erfindung umfasst der molekulare Bindungsbereich 430 ein Linker-Molekül, eine Kombination von Linker-Molekülen und/oder ein Sondenmolekül. Linker-Moleküle können an die Oberfläche des molekularen Bindungsbereichs 430 angeheftet werden und umfassen eine funktionelle Gruppe, die sich an ein interessierendes Molekül anheften kann (zum Beispiel ein Sondenmolekül oder ein weiteres Linker-Molekül). Linker-Moleküle können so ausgewählt werden, dass sie mit dem molekularen Bindungsbereich 430 selektiv reagieren (aber nicht mit dem dielektrischen Material 435 oder den Elektrodenmaterialien 415 und 420), und umfassen Moleküle, wie zum Beispiel Silane, Thiole, Disulfide, Isothiocyanate, Alkene und Alkine. Sondenmoleküle sind Moleküle, die sich an ein interessierendes Zielmolekül selektiv binden können, wie zum Beispiel Sequenzen von DNA, Sequenzen von RNA, Biotin oder Avidin und Antikörper, Rezeptoren und ihre spezifischen Bindungspartner, Proteine und ihre spezifischen Kleinmolekül-Bindungspartner und/oder Peptide. Sondenmoleküle umfassen einen oder mehrere molekulare Erkennungsstellen. Antikörper umfassen zum Beispiel polyklonale und monoklonale Antikörper sowie Antigenbindungsfragmente solcher Antikörper. Ein Antikörper oder ein Antigenbindungsfragment eines Antikörpers ist zum Beispiel dadurch charakterisiert, dass es eine spezifische Bindungsaktivität für ein Epitop eines Analyten hat. Die Sonde kann jedes Element eines spezifisch bindenden Paares sein, wie zum Beispiel immunologische Paare, wie zum Beispiel Antigen-Antikörper, Biotin-Avidin, Hormone-Hormonrezeptoren, Nucleinsäureduplexe, IgG-Protein A, und Polynucleotidpaare, wie zum Beispiel DNA-DNA und DNA-RNA. Sondenmoleküle können mit Linker-Molekülen durch bekannte chemische Verbindungsverfahren gekoppelt werden.
  • Die Elektroden 415 und 420 bestehen aus einem leitfähigen Material. In Ausführungsformen der Erfindung bestehen die Elektroden 415 und 420 aus Diamant, Platin und/oder Gold. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung bestehen die Elektroden 415 und 420 aus Palladium, Nickel, Grafitkohle, amorphem Kohlenstoff und/oder Indiumzinnoxid. In Ausführungsformen der Erfindung besteht zumindest eine Elektrode 415 oder 420 aus einem leitfähigen Diamantmaterial. In Ausführungsformen der Erfindung besteht die Elektrode 415 aus leitfähigem Diamant. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung bestehen beide Elektroden 415 und 420 aus leitfähigem Diamantmaterial. Diamant kann dazu veranlasst werden, Strom zu leiten, indem er zum Beispiel dotiert wird. Dotierungsmittel umfassen zum Beispiel Bor, Stickstoff und Phosphor. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Dotierungsmittel Bor. Die Dotierungskonzentrationen für bordotierte Diamantmaterialien umfassen Konzentrationen von mehr als 10 Atomen/cm und weniger als 10 Atomen/cm. In Ausführungsformen der Erfindung beträgt die Höhe der Elektrode, h2, zwischen 200 und 1000 nm, wenn die erste Elektrode 415 aus einem leitfähigen Diamantmaterial besteht. In alternativen Ausführungsformen beträgt die Höhe der leitfähigen Diamantelektrode, h2, zwischen 5 und 25 nm. In Ausführungsformen der Erfindung ist der leitfähige Diamantfilm mikrokristalliner oder nanokristalliner Diamant. Im Betrieb wird normalerweise eine Referenzelektrode (nicht dargestellt) auch mit dem Nanogap-Wandler verwendet. Die Referenzelektrode ist in Kontakt mit der Lösung, die gemessen wird, braucht sich aber nicht im Innern des Nanogaps zu befinden.
  • Die 5A–B illustrieren ein Verfahren zum Herstellen eines Nanogap-Wandlers, der einen molekularen Bindungsbereich hat. In 5A umfasst die Struktur (I) ein Substrat 505, eine dielektrische Schicht 510 und eine erste Elektrodenschicht 515. In Ausführungsformen der Erfindung besteht die erste Elektrodenschicht 515 aus einem leitfähigen Diamantmaterial, Platin, Gold, Palladium, Nickel, Grafitkohle, amorphem Kohlenstoff oder Indiumzinnoxid. In der Ausführungsform, bei der die erste Elektrodenschicht 515 aus leitfähigem Diamant besteht, wird eine Hartmaskenschicht 520 auf der ersten Elektrodenschicht 515 angeordnet. Das leitfähige Diamantmaterial kann abgeschieden werden, zum Beispiel unter Verwendung einer Heizdraht-CVD (chemischen Dampfabscheidung), einer Mikrowellenplasma-CVD oder einem durch Verbrennungsflamme gestützten CVD-Prozess. Das leitfähige Diamantmaterial kann auf einer Startschicht abgeschieden werden, wobei die Startschicht abgeschieden wird, zum Beispiel durch Eintauchen des Substrats in eine Lösung, die Diamantteilchen umfasst, und Befestigen der Teilchen an der Oberfläche unter Verwendung der Ultraschallbeschallung oder durch Suspendieren von Diamantteilchen in einem Material, das auf die Substratoberfläche aufgeschleudert wird. In Ausführungsformen der Erfindung ist das leitfähige Diamantmaterial bordotierter Diamant. In Ausführungsformen der Erfindung wird das leitfähige Diamantmaterial mit einer Bordotierungskonzentration von mehr als 1020 Atomen/cm3 und weniger als 1022 Atomen/cm3 abgeschieden. In Ausführungsformen der Erfindung besteht die Hartmaskenschicht 520 zum Beispiel aus Chrom oder Siliziumdioxid. In Ausführungsformen der Erfindung, in denen die erste Elektrodenschicht 515 aus Platin und/oder Gold besteht, kann das Platin und/oder Gold durch Sputtern abgeschieden und unter Verwendung eines Abhebeprozesses strukturiert werden, bei dem eine Fotoresistschicht abgeschieden und strukturiert wird, bevor das Platin und/oder Gold abgeschieden wird, und dann wird der Fotoresist abgehoben, um das Platin und/oder Gold in unerwünschten Bereichen zu entfernen. In Ausführungsformen der Erfindung ist das Substrat 505 zum Beispiel ein IC-Chip, der Elektronik zum Beispiel für Steuerelektroden, Signalerfassung, Signalverstärkung und/oder Datenausgabe umfasst. Optional sind die Durchkontaktierungen 525 und 530 durch die dielektrische Schicht 510 für das Substrat 505 bereitgestellt, die die Elektroden mit der optionalen Elektronik verbinden, welche im Substrat 505 untergebracht ist. Andere Materialien sind für das Substrat 505 ebenfalls möglich.
  • In Ausführungsformen der Erfindung wurde festgestellt, dass es wünschenswert sein kann, die Dicke der ersten Elektrode zu minimieren, um die Wahrscheinlichkeit des Kurzschlusses zwischen den oberen und unteren Elektroden zu minimieren, wenn die erste Elektrode 515 aus einem leitfähigen Diamantmaterial besteht. Ein hohes Seitenverhältnis für die erste Elektrode verursachte gemäß den Feststellungen eine Verdünnung der gleichmäßigen Opferbeschichtung an den Elektrodenkanten. Jedoch wurde auch festgestellt, dass eine minimale Elektrodenhöhe für die erste Elektrode notwendig war, damit mikrokristalline Diamantmaterialien eine übermäßige Oberflächenrauigkeit vermeiden. Es wurde festgestellt, dass eine übermäßige Oberflächenrauigkeit der ersten Elektrode auch Öffnungen in der gleichmäßigen Opferbeschichtung und Kurzschlüsse zwischen der ersten und der zweiten Elektrode verursachen könnte. Die Höhe der ersten Elektrode kann in Ausführungsformen der Erfindung zwischen 200 und 1000 nm, zwischen 300 und 800 nm, zwischen 350 und 700 nm liegen, um die Höhenminimierung bei Berücksichtigung der Oberflächenrauigkeit auszugleichen, wenn die erste Elektrode aus leitfähigem Diamant besteht.
  • Struktur (II) von 5A kann durch Strukturierung der Hartmaskenschicht 520, Entfernen der Hartmaskenschicht 520 in unerwünschten Bereichen und Ätzen der freigelegten Diamantelektrodenschicht 515 erzeugt werden. Die freigelegte Diamantelektrodenschicht 515 kann zum Beispiel unter Verwendung eines Sauerstoffplasmas geätzt werden. Eine erhöhte Temperatur, wie zum Beispiel zwischen 70 und 100°C, kann die Sauerstoffplasmaätzung erleichtern. Dann wird die Hartmaskenschicht 520 entfernt.
  • Ein gleichförmiger Film eines Opfermaterials 535 wird abgeschieden und strukturiert, was Struktur (III) von 5A erzeugt. Der gleichförmige Film aus Opfermaterial 535 kann strukturiert werden, indem zuerst ein Fotoresist abgeschieden, der Fotoresist strukturiert wird, das Opfermaterial abgeschieden wird, zum Beispiel durch Sputtern oder Atomlagenabscheidung (ALD) und durch Abheben des Fotoresist, um den gleichförmigen Film aus Opfermaterial in den gewünschten Bereichen zu definieren (ein Abhebeprozess). In Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Opfermaterial Chrom oder Wolfram. Der gleichförmige Film aus Opfermaterial 535 kann zum Beispiel durch Sputter-ALD-Abscheidung abgeschieden werden, um einen Film zu erhalten, der sich um die untere Elektrode 515 wickelt. In Ausführungsformen der Erfindung hat der Dünnfilm des Opfermaterials 535 eine Dicke von weniger als 500 nm oder zwischen 10 und 200 nm, zwischen 10 und 150 nm oder zwischen 25 und 150 nm.
  • Eine zweite Elektrode 540 wird auf der konformen Schicht aus Opfermaterial 535 abgeschieden und strukturiert, was die Struktur (IV) von 5A erzeugt. Dasselbe zweite Elektrodenmaterial 540 kann lithografisch unter Verwendung eines Abhebeprozesses strukturiert werden. In Ausführungsformen der Erfindung ist das zweite Elektrodenmaterial 540 leitfähiger Diamant. Leitfähiger Diamant kann zum Beispiel durch Bekeimen und dann durch Abscheiden der Schicht unter Verwendung einer Heizdraht-CVD, einer Mikrowellenplasma-CVD oder eines verbrennungsflammengestützten CVD-Prozesses abgeschieden werden. In Ausführungsformen der Erfindung umfasst der konforme Film von Opfermaterial 535 Wolfram, wenn das zweite Elektrodenmaterial 540 Diamant ist. In Ausführungsformen der Erfindung besteht die zweite Elektrode 540 aus Platin, Gold, Nickel, Palladium, Grafitkohle, amorphem Kohlenstoff oder Indiumzinnoxid. Die Platinelektrode kann zum Beispiel durch Sputtern einer dünnen Schicht Chrom (die etwa 10 nm dick sein kann) als Adhäsionsschicht und dann Sputtern einer Platinschicht abgeschieden werden. Die Goldelektrode kann zum Beispiel durch Sputtern, Verdampfung, elektrolytische Abscheidung oder stromlose Abscheidunsprozesse abgeschieden werden. In Ausführungsformen der Erfindung ist das Opfermaterial 535 Wolfram, wenn die zweite Elektrode 540 aus Gold besteht.
  • Eine zweite dielektrische Schicht 545, eine Schicht von bevorzugt funktionalisierbarem Material 550 und eine dritte Schicht von dielektrischem Material 555 werden dann auf der Struktur (IV) von 5A abgeschieden, was die Struktur (V) von 5B ergibt. Das dielektrische Material der zweiten und der dritten Schicht 545 und 555 kann zum Beispiel Siliziumoxynitrid sein, und die bevorzugt funktionalisierbare Materialschicht 550 kann Siliziumdioxid sein. In alternativen Ausführungsformen kann das dielektrische Material der zweiten und der dritten Schicht 545 und 555 zum Beispiel Siliziumnitrid sein, und die bevorzugt funktionalisierbare Materialschicht 550 kann Gold, Platin oder Palladium sein. Ein Zugangsloch 560 wird durch die zweite dielektrische Schicht 545, die Schicht von bevorzugt funktionalisierbarem Material 550 und die dritte Schicht von dielektrischem Material 555 erzeugt. Das Zugangsloch 560 kann durch Definieren eines Loches lithografisch unter Verwendung einer Fotoresistmaske und dann Verwenden eines Trockenätzprozesses für das Loch erzeugt werden. Das Opfermaterial 535 wird entfernt, wobei der Spalt zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 515 und 540 erzeugt wird. Das Opfermaterial 535 kann unter Verwendung einer Nassätzung entfernt werden, zum Beispiel in den Ausführungsformen, bei denen das Opfermaterial 535 Wolfram oder Chrom ist. Die resultierende Struktur wird in 5B (VI) gezeigt. In Ausführungsformen der Erfindung ist die Höhe des Spaltes, h1 kleiner als 500 nm oder zwischen 10 und 200 nm, zwischen 10 und 150 nm oder zwischen 25 und 150 nm.
  • Die 6A–B illustrieren ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines Nanogap-Transducers, der einen molekularen Bindungsbereich hat. In 6A umfasst die Struktur (I) ein Substrat 605, eine dielektrische Schicht 610 und eine erste Elektrode 615. In Ausführungsformen der Erfindung besteht die erste Elektrode 615 aus einem leitfähigen Diamantmaterial, Platin, Gold, Palladium, Nickel, Grafitkohle, amorphem Kohlenstoff oder Indiumzinnoxid. In Ausführungsformen der Erfindung ist das leitfähige Diamantmaterial bordotierter Diamant. In Ausführungsformen der Erfindung wird das leitfähige Diamantmaterial mit einer Bordotierungskonzentration von mehr als 1020 Atomen/cm3 und weniger als 1022 Atomen/cm3 abgeschieden. In Ausführungsformen der Erfindung ist das Substrat 605 zum Beispiel ein IC-Chip, der Elektronik zum Beispiel für Steuerelektroden, Signalerfassung, Signalverstärkung und/oder Datenausgabe umfasst. Optional werden die Durchkontaktierungen 625 und 630 durch die dielektrische Schicht 610 bis zum Substrat 605 bereitgestellt, die die Elektroden mit der optionalen Elektronik verbinden, welche im Substrat 605 untergebracht ist. Andere Materialien sind für das Substrat 605 ebenfalls möglich. Ein molekularer Bindungsbereich 620, der aus einem bevorzugt funktionalisierbarem Material besteht, wird auf der ersten Elektrode 615 abgeschieden. Optional liegt eine Adhäsions- bzw. Klebstoffschicht 623 zwischen dem molekularen Bindungsbereich 620 und der Elektrode 615. Die Klebstoffschicht 623 besteht aus Siliziumnitrid und kann durch CVD abgeschieden werden. Die molekularen Bindungsbereiche 620 können zum Beispiel durch CVD abgeschieden und durch Fotolithografie strukturiert werden. In Ausführungsformen der Erfindung hat der molekulare Bindungsbereich 620 eine freigelegte Fläche zwischen 40 nm2 und 500.000 nm2.
  • In Ausführungsformen der Erfindung wurde festgestellt, dass es wünschenswert sein kann, die Dicke der ersten Elektrode zu minimieren, um die Wahrscheinlichkeit des Kurzschlusses zwischen den oberen und unteren Elektroden zu minimieren, wenn die erste Elektrode 615 aus einem leitfähigen Diamantmaterial besteht. Ein hohes Seitenverhältnis für die erste Elektrode verursachte gemäß den Feststellungen eine Verdünnung der gleichmäßigen Opferbeschichtung an den Elektrodenkanten. Jedoch wurde auch festgestellt, dass eine minimale Elektrodenhöhe für die erste Elektrode notwendig war, damit mikrokristalline Diamantmaterialien eine übermäßige Oberflächenrauigkeit vermeiden. Es wurde festgestellt, dass eine übermäßige Oberflächenrauigkeit der ersten Elektrode auch Öffnungen in der konformen Opferbeschichtung und Kurzschlüsse zwischen der ersten und der zweiten Elektrode verursachen könnte. Die Höhe der ersten Elektrode kann in Ausführungsformen der Erfindung zwischen 200 und 1000 nm, zwischen 300 und 800 nm, zwischen 350 und 700 nm liegen, um die Höhenminimierung bei Berücksichtigung der Oberflächenrauigkeit auszugleichen, wenn die erste Elektrode aus leitfähigem Diamant besteht.
  • Die Struktur (II) von 6A kann durch Abscheiden und Strukturierung eines konformen Films eines Opfermaterials 635 auf der Struktur (I) von 6A erzeugt werden. Der konformen Film aus Opfermaterial 635 kann strukturiert werden, indem zuerst ein Fotoresist abgeschieden, der Fotoresist strukturiert wird, das Opfermaterial abgeschieden wird, zum Beispiel durch Sputtern oder Atomlagenabscheidung (ALD) und durch Abheben des Fotoresist, um den gleichförmigen Film aus Opfermaterial in den gewünschten Bereichen zu definieren (ein Abhebeprozess). In Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Opfermaterial Chrom oder Wolfram. Der konforme Film aus Opfermaterial 635 kann zum Beispiel durch Sputter-ALD-Abscheidung abgeschieden werden, um einen Film zu erhalten, der sich um die untere Elektrode 615 wickelt. In Ausführungsformen der Erfindung hat der Dünnfilm des Opfermaterials 635 eine Dicke von weniger als 500 nm oder zwischen 10 und 200 nm, zwischen 10 und 150 nm oder zwischen 25 und 150 nm.
  • Ein zweites Elektrodenmaterial 640 wird auf der konformen Schicht aus Opfermaterial 635 abgeschieden, was die Struktur (III) von 6A erzeugt. Das zweite Elektrodenmaterial 640 kann lithografisch unter Verwendung eines Abhebeprozesses strukturiert werden. In Ausführungsformen der Erfindung ist das zweite Elektrodenmaterial 640 leitfähiger Diamant. Leitfähiger Diamant kann zum Beispiel durch Impfen und dann durch Abscheiden der Schicht unter Verwendung einer Heizdraht-CVD, einer Mikrowellenplasma-CVD oder eines verbrennungsflammengestützten CVD-Prozesses abgeschieden werden. In Ausführungsformen der Erfindung umfasst der konforme Film von Opfermaterial 635 Wolfram, wenn das zweite Elektrodenmaterial 640 Diamant ist. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung besteht die zweite Elektrode 640 aus Platin, Gold, Nickel, Palladium, Grafitkohle, amorphem Kohlenstoff oder Indiumzinnoxid. Die Platinelektrode kann zum Beispiel durch Sputtern einer dünnen Schicht Chrom (die etwa 10 nm dick sein kann) als Adhäsionsschicht und dann Sputtern einer Platinschicht abgeschieden werden. Die Goldelektrode kann zum Beispiel durch Sputtern, Verdampfung, elektrolytische Abscheidung oder stromlose Abscheidunsprozesse abgeschieden werden. In Ausführungsformen der Erfindung ist das Opfermaterial 635 Wolfram, wenn die zweite Elektrode 640 aus Gold besteht.
  • Eine zweite dielektrische Schicht 645 wird dann auf der Struktur (III) von 6A abgeschieden, was die Struktur (IV) von 6B ergibt. Das dielektrische Material der zweiten Schicht 645 kann zum Beispiel Siliziumoxynitrid sein, und das bevorzugt funktionalisierbare Material des molekularen Bindungsbereichs 620 kann Siliziumdioxid sein. In alternativen Ausführungsformen kann das dielektrische Material der zweiten Schicht 645 zum Beispiel Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Siliziumoxynitrid sein, und das bevorzugt funktionalisierbare Material kann Gold, Platin oder Palladium sein. Ein Zugangsloch 650 wird durch die zweite dielektrische Schicht 645 erzeugt, was Struktur (V) von 6B erzeugt. Das Zugangsloch 650 kann durch Definieren eines Loches lithografisch unter Verwendung einer Fotoresistmaske und dann Verwenden eines Trockenätzprozesses für das Loch erzeugt werden. Das Opfermaterial 635 wird entfernt, wobei der Spalt zwischen der ersten und zweiten Elektrode 615 und 640 erzeugt wird. Das Opfermaterial 635 kann unter Verwendung einer Nassätzung entfernt werden, zum Beispiel in den Ausführungsformen, bei denen das Opfermaterial 635 Wolfram oder Chrom ist. Die resultierende Struktur wird in 6B (VI) gezeigt. In Ausführungsformen der Erfindung ist die Höhe des Spaltes zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 615 und 640 kleiner als 500 nm oder zwischen 10 und 200 nm, zwischen 10 und 150 nm oder zwischen 25 und 150 nm.
  • Die 7A–B illustrieren ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines Nanogap-Wandlers, der einen molekularen Bindungsbereich hat. In 7A umfasst die Struktur (I) ein Substrat 705, eine dielektrische Schicht 710 und einen optionalen Bereich von bevorzugt funktionalisierbarem Material 720. In Ausführungsformen der Erfindung ist das Substrat 705 zum Beispiel ein IC-Chip, der Elektronik zum Beispiel für Steuerelektroden, Signalerfassung, Signalverstärkung und/oder Datenausgabe umfasst. Optional werden die Durchkontaktierungen 725 und 730 durch die dielektrische Schicht 710 bis zum Substrat 705 bereitgestellt, die die Elektroden mit der optionalen Elektronik verbinden, welche im Substrat 705 untergebracht ist. Andere Materialien sind für das Substrat 705 ebenfalls möglich.
  • Struktur (II) von 7A kann durch Abscheiden und Strukturieren eines Materials der ersten Elektrode 715 erzeugt werden. Das Strukturieren erzeugt ein Loch innerhalb der ersten Elektrode 715, wo der molekulare Bindungsbereich 723 freigelegt ist. In Ausführungsformen der Erfindung hat der molekulare Bindungsbereich 723 eine freigelegte Fläche zwischen 40 nm2 und 500.000 nm2. In Ausführungsformen der Erfindung besteht die erste Elektrode 715 aus einem leitfähigen Diamantmaterial, Platin, Gold, Palladium, Nickel, Grafitkohle, amorphem Kohlenstoff oder Indiumzinnoxid. In Ausführungsformen der Erfindung ist das leitfähige Diamantmaterial bordotierter Diamant. In Ausführungsformen der Erfindung wird das leitfähige Diamantmaterial mit einer Bordotierungskonzentration von mehr als 1020 Atomen/cm3 und weniger als 1022 Atomen/cm3 abgeschieden. Leitfähiger Diamant kann zum Beispiel durch Impfen und dann durch Abscheiden der Schicht unter Verwendung einer Heizdraht-CVD, einer Mikrowellenplasma-CVD oder eines verbrennungsflammengestützten CVD-Prozesses abgeschieden werden. Das leitfähige Diamantmaterial kann unter Verwendung einer Hartmaske strukturiert werden. Eine Platinelektrode kann zum Beispiel durch Sputtern abgeschieden werden. Die Goldelektrode kann zum Beispiel durch Sputtern, Verdampfung, elektrolytische Abscheidung oder stromlose Abscheidunsprozesse abgeschieden werden. Eine erste Elektrode 715, die aus Platin oder Gold besteht, kann lithografisch unter Verwendung eines Abhebeprozesses strukturiert werden.
  • In Ausführungsformen der Erfindung wurde festgestellt, dass es wünschenswert sein kann, die Dicke der ersten Elektrode zu minimieren, um die Wahrscheinlichkeit des Kurzschlusses zwischen den oberen und unteren Elektroden zu minimieren, wenn die erste Elektrode 715 aus einem leitfähigen Diamantmaterial besteht. Ein hohes Seitenverhältnis für die erste Elektrode verursachte gemäß den Feststellungen eine Verdünnung der gleichmäßigen Opferbeschichtung an den Elektrodenkanten. Jedoch wurde auch festgestellt, dass eine minimale Elektrodenhöhe für die erste Elektrode notwendig war, damit mikrokristalline Diamantmaterialien eine übermäßige Oberflächenrauigkeit vermeiden. Es wurde festgestellt, dass eine übermäßige Oberflächenrauigkeit der ersten Elektrode auch Öffnungen in der gleichmäßigen Opferbeschichtung und Kurzschlüsse zwischen der ersten und der zweiten Elektrode verursachen kann. Die Höhe der ersten Elektrode kann in Ausführungsformen der Erfindung zwischen 200 und 1000 nm, zwischen 300 und 800 nm, zwischen 350 und 700 nm liegen, um die Höhenminimierung bei Berücksichtigung der Oberflächenrauigkeit auszugleichen, wenn die erste Elektrode aus leitfähigem Diamant besteht.
  • Die Struktur (III) von 7A kann durch Abscheiden und Strukturierung eines konformen Films eines Opfermaterials 735 auf der Struktur (II) von 7A erzeugt werden. Der konforme Film aus Opfermaterial 735 kann strukturiert werden, indem zuerst ein Fotoresist abgeschieden, der Fotoresist strukturiert wird, das Opfermaterial abgeschieden wird, zum Beispiel durch Sputtern oder Atomlagenabscheidung (ALD) und durch Abheben des Fotoresist, um den gleichförmigen Film aus Opfermaterial in den gewünschten Bereichen zu definieren (ein Abhebeprozess). In Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Opfermaterial Chrom oder Wolfram. Der gleichförmige Film aus Opfermaterial 735 kann zum Beispiel durch Sputter-ALD-Abscheidung abgeschieden werden, um einen Film zu erhalten, der sich um die untere Elektrode 715 wickelt. In Ausführungsformen der Erfindung hat der Dünnfilm des Opfermaterials 735 eine Dicke von weniger als 500 nm oder zwischen 10 und 200 nm, zwischen 10 und 150 nm oder zwischen 25 und 150 nm.
  • Eine zweite Elektrode 740 wird auf der konforme Schicht aus Opfermaterial 735 abgeschieden und strukturiert, was die Struktur (IV) von 73 erzeugt. In Ausführungsformen der Erfindung besteht die zweite Elektrode 740 aus leitfähigem Diamant, Platin, Gold, Nickel, Palladium, Grafitkohle, amorphem Kohlenstoff oder Indiumzinnoxid. In Ausführungsformen der Erfindung ist das zweite Elektrodenmaterial leitfähiger Diamant. Leitfähiger Diamant kann zum Beispiel durch Impfen und dann durch Abscheiden der Schicht unter Verwendung einer Heizdraht-CVD, einer Mikrowellenplasma-CVD oder eines verbrennungsflammengestützten CVD-Prozesses abgeschieden werden. Das leitfähige Diamantmaterial kann unter Verwendung einer Hartmaske strukturiert werden. In Ausführungsformen der Erfindung umfasst der konforme Film von Opfermaterial 735 Wolfram, wenn das zweite Elektrodenmaterial 740 Diamant ist. In weiteren Erscheinungsformen der Erfindung besteht die zweite Elektrode 740 aus Platin oder Gold. Die Platinelektrode kann zum Beispiel durch Sputtern einer dünnen Schicht Chrom (die etwa 10 nm dick sein kann) als Adhäsionsschicht und dann Sputtern einer Platinschicht abgeschieden werden. Die Goldelektrode kann zum Beispiel durch Sputtern, Verdampfung, elektrolytische Abscheidung oder stromlose Abscheidunsprozesse abgeschieden werden. In Ausführungsformen der Erfindung ist das Opfermaterial 735 Wolfram, wenn die zweite Elektrode 740 aus Gold besteht. Eine zweite Elektrode 740, die aus Platin oder Gold besteht, kann lithografisch unter Verwendung eines Abhebeprozesses strukturiert werden.
  • Eine zweite dielektrische Schicht 745 wird dann auf der Struktur (IV) von 7A abgeschieden und strukturiert, was die Struktur (V) von 7B ergibt. Das dielektrische Material der zweiten Schicht 745 kann zum Beispiel Siliziumoxynitrid sein, und das bevorzugt funktionalisierbare Material des molekularen Bindungsbereichs 723 kann Siliziumdioxid sein. In alternativen Ausführungsformen kann das dielektrische Material der zweiten Schicht 745 zum Beispiel Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Siliziumoxynitrid sein, und das bevorzugt funktionalisierbare Material kann Gold, Platin oder Palladium sein Die Strukturierung erzeugt ein Zugangsloch 750 durch die zweite dielektrische Schicht 745. Das Zugangsloch 750 kann durch Definieren eines Loches lithografisch unter Verwendung einer Fotoresistmaske und dann Verwenden eines Trockenätzprozesses für das Loch erzeugt werden. Das Opfermaterial 735 wird entfernt, was die Struktur (VI) von 7B erzeugt. Das Opfermaterial 735 kann unter Verwendung einer Nassätzung entfernt werden, zum Beispiel in den Ausführungsformen, bei denen das Opfermaterial 735 Wolfram oder Chrom ist. In Ausführungsformen der Erfindung ist die Höhe des Spaltes zwischen der ersten und zweiten Elektrode 715 und 740 kleiner als 500 nm oder zwischen 10 und 200 nm, zwischen 10 und 150 nm oder zwischen 25 und 150 nm.
  • Silanmoleküle, die zum Modifizieren einer Fläche zur weiteren molekularen Befestigung verwendet werden können, können zum Beispiel, je nach dem Material, das für die Elektroden verwendet wird, von der chemischen Formel sein: x3-Si-YR'', x2-Si-(N)YR'', und x-Si-(N2)YR'', wobei x eine Abgangsgruppe ist, wie zum Beispiel -Cl, -OCH3, oder -OCH2CH3, R'' ist eine reaktive Kopplungsgruppe, wie zum Beispiel -NH2, -COOH, -COH, -CHCH2 oder -SH, und N ist eine nichtreaktive Gruppe, wie zum Beispiel eine Alkylgruppe. Die organische Gruppe, die durch das an der Oberfläche befestigte Silanmolekül zur Kopplung präsentiert wird, kann zum Beispiel eine Carboxylgruppe, ein Aldehyd, ein Ester, ein Alken, ein Alkin, ein Thiol, ein Isocyanat, ein Isothiocyanat, ein substituiertes Amin, ein Epoxid, ein kleines Molekül, wie zum Beispiel Biotin, oder ein Alkohol sein. Im Allgemeinen ist Y eine nichtreaktive Gruppe, wie zum Beispiel ein Kohlenwasserstoff, der 1 bis 16 Kohlenstoffatome hat. Beispiele für -YR'' umfassen -(CH2)3NH2, -(CH2)2COOH, und -(CH2)2SH. Einige beispielhafte Silane umfassen 3-Aminopropyltriethoxysilan (APTS), Mercaptosilan und Glycidoxytrimethoxysilan (das eine epoxidreaktive Kopplungsgruppe hat). Andere funktionelle Gruppen und Silane sind ebenfalls möglich. Eine Fläche, die silanisiert werden soll, kann mit einem Silanmolekül umgesetzt werden, zum Beispiel in Lösung oder als Silangas.
  • Dielektrische Materialien umfassen auch zum Beispiel Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, kohlenstoffdotiertes Oxid (CDO), Siliziumcarbid, organische Polymere, wie zum Beispiel Perfluorcyclobutan oder Polytetrafluorethylen, Fluorsilikatglas (FSG) und/oder organische Silikate, wie zum Beispiel Silsesquioxan, Siloxan oder organisches Silikatglas. Dielektrische Materialien können auch Polymere umfassen, wie zum Beispiel Polyimid.
  • Da festgestellt wurde, dass der Basisstrom mit der leitfähigen Diamantelektrode klein ist, ist es möglich, Messungen an kleinen Zahlen von Molekülen aufzuzeichen, wobei nur eine der zwei Arbeitselektroden verwendet wird. Messungen können an nur einem Molekül aufgezeichnet werden. In alternativen Ausführungsformen werden Messungen, die an beiden Elektroden aufgezeichnet werden, zum Erzeugen des Signals verwendet. Ein System zum Messen und Aufzeichnen von Elektrodenpotenzialen und Stromfluss in Nanogap-Wandlern umfasst zum Beispiel einen Biopotentiostat. Unter Verwendung eines Biopotentiostaten wird das Potenzial beider Elektroden gegenüber dem Lösungspotenzial kontrolliert, und der Strom, der durch die Elektroden fließt, wird gemessen. Einige oder alle Teile eines Systems für die Ansteuerung von Elektroden und zum Messen und Aufzeichnen des Stromflusses können sich in einem Chip mit integrierter Schaltung (IC) befinden, die mit einem Feld von einzeln adressierbaren Nanogap-Wandlern elektrisch verbunden ist, welche auf dem IC-Chip untergebracht sind. In Ausführungsformen der Erfindung umfasst ein Computersystem, das mit dem Feld von einzeln adressierbaren Nanogap-Wandlern verknüpft ist, Software zum Messen und Aufzeichnen von Elektrodenpotenzial und Stromwerten unter Verwendung von Messungen von nur einer Elektrode, wobei die Elektrode aus leitfähigem Diamant besteht. In alternativen Ausführungsformen umfasst das Computersystem Software zum Messen und Aufzeichnen von Elektrodenpotenzialen von zwei Elektroden und/oder zwei Elektroden und einer Elektrode. Verfahren, wie zum Beispiel elektrochemische Korrelationsspektroskopie, können zum Erzeugen eines Signals aus Messungen von zwei entgegengesetzt vorgespannten Elektroden in einer Nanogap-Vorrichtung verwendet werden.
  • Im Allgemeinen sind elektronische Sensoren, die Elektroden einsetzen, wie zum Beispiel Nanogap-Wandlern, in der Lage, die Impedanz, den Widerstand, die Kapazität und/oder das Redoxpotenzial der Materialien zu messen, die sich auf oder nahe an der Elektrodenoberfläche befinden. Das Substrat, auf dem sich die Nanogap-Wandlern befinden, können auch Nachweis- und/oder Ansteuerungsschaltungen, Logik zum Schalten, Auffangregister, Speicher und/oder Ein-/Ausgabevorrichtungen umfassen. Optional ist ein Teil oder die ganze Elektronik zum Erfassen und Ansteuern von Elektroden und Aufzeichnen von Daten integrierte Schaltungen, die Teil des Substrats sind, welches ein Feld von Nanogap-Wandlern aufnimmt. Elektronik, die für die Eingabe- und Ausgabesteuerung sorgt, ist optional im Substrat untergebracht, wie zum Beispiel in einem IC-Chip oder wird durch Schaltungen bereitgestellt, die sich außerhalb des Substrats befinden. Ein Feld von Nanogap-Wandlern ist optional mit Schaltungen zum individuellen Adressieren der Elektroden, Ansteuern der Elektroden bei ausgewählten Spannungen, Speicher zum Speichern von Spannungs-Strom-Informationen, die an die Elektroden angelegt werden sollen, Speicher und Mikroprozessoren zum Messen von Elektrodenmerkmalen, Differenzialverstärker, stromerfassende Schaltungen (einschließlich Varianten von Schaltungen, die in CMOS-Bildsensoren verwendet werden) und/oder Feldeffekttransistoren (direkt und Floating-Gate). Alternativ kann eine oder mehrere dieser Funktionen durch externe Geräte und/oder angeschlossene Computersystem(e) ausgeführt werden.
  • Bei einer Redox-Cycling-Messung werden entgegengesetzt vorgespannte Elektroden zum wiederholten Kippen des Ladungszustandes von redoxaktiven Molekülen in Lösung verwendet, was jedem redoxaktiven Molekül ermöglicht, an mehreren Redoxreaktionen teilzunehmen und dadurch mehrere Elektronen zu einem gemessenen Stromwert beizutragen. Bei Redox-Cycling-Messungen liegt die Höhe des Spaltes zwischen den Elektroden im Nanometerbereich. Redoxaktive Moleküle im Hohlraum zwischen den zwei Elektroden lassen mehrere Elektronen zwischen den Elektronen pendeln, was zu einer Verstärkung des gemessenen elektrochemischen Stroms führt. Signale von den redoxaktiven Spezies können potenziell mehr als 100 mal verstärkt werden, abhängig von Faktoren, wie zum Beispiel Stabilität der Redox-Spezies und der Fähigkeit der Redox-Spezies, aus dem Erfassungsbereich herauszudiffundieren.
  • In Ausführungsformen der Erfindung werden die Elektroden im Nanogap-Wandler beim Oxidations- und Reduktionspotenzial der Redox-Spezies unabhängig vorgespannt, die nachgewiesen werden sollen. Redox-Spezies wirken als Zubringer, und die Diffusion der Moleküle von einer Elektrode zur anderen führt zur Reduktion und Oxidation des Redox-Moleküls und zu einem Netto-Ladungstransport. Die Stärke des Stroms durch jede Elektrode ist proportional zur Konzentration des Analyten (der Redox-Spezies) im Hohlraum. Die Spalte zwischen den Elektroden werden optional mit Kugeln (beads) versiegelt, um die Diffusion der redoxaktiven Spezies aus dem Hohlraum zu verhindern, wodurch die effektive Konzentration der Redox-Spezies ansteigt. Das Abdichten des Hohlraums kann das Entweichen der Redox-Spezies aus dem Hohlraum während der Sensormessungen verhindern.
  • Im Allgemeinen ist eine redoxaktive Spezies ein Molekül, das mehrere Male Zustände von Oxidation und/oder Reduktion reversibel durchlaufen kann.
  • In Ausführungsformen der Erfindung können Nanogap-Wandler Felder bzw. Arrays von individuell adressierbaren Nanogap-Wandlern sein. Es werden Felder hergestellt, die eine Vielfalt von Abmessungen und Zahlen von Nanogap-Wandlern haben. Die Auswahl des Zahlenlayouts von Nanogap-Wandlern wird durch Faktoren beeinflusst, wie zum Beispiel die Arten und Zahlen von Analyten, die nachgewiesen werden sollen, die Größe der Erfassungsbereiche und Kosten, die mit der Herstellung der Felder verbunden sind. Zum Beispiel sind Arrays von Nanogap-Wandlern 10 × 10, 100 × 100, 1,000 × 1,000, 105 × 105 und 106 × 106. Es können Arrays mit sehr hoher Dichte, hoher Dichte, mäßiger Dichte, niedriger Dichte oder sehr niedriger Dichte erstellt werden. Einige Bereiche für Arrays mit sehr hoher Dichte reichen von etwa 100.000.000 bis etwa 1.000.000.000 Sensoren pro Array. Arrays hoher Dichte reichen von etwa 1.000.000 bis etwa 100.000.000 Sensoren. Arrays mit mäßiger Dichte reichen von etwa 10.000 bis etwa 100.000 Sensoren. Arrays mit niedriger Dichte haben im allgemeinen weniger als 10.000 Hohlräume. Arrays mit sehr niedriger Dichte haben im allgemeinen weniger als 1.000 Sensoren.
  • Ein Array von individuell adressierbaren Nanogap-Wandlern können auf einem IC-Chip untergebracht und mit demselben elektrisch verbunden werden. Der IC-Chip wird normalerweise auf einem Halbleitersubstrat aufgebaut, wie zum Beispiel einem Halbleiterwafer, der zerteilt (diced) wird, um einzelne IC-Chips zu ergeben. Das Grundsubstrat, auf welches ein IC-Chip aufgebaut wird, ist normalerweise ein Siliziumwafer, obwohl Ausführungsformen der Erfindung nicht von der Art des verwendeten Substrats abhängen. Das Substrat könnte auch aus Germanium, Indiumantimonid, Bleitellurid, Indiumarsenid, Galliumarsenid, Galliumantimonid und/oder anderen Materialien der Gruppe III–V bestehen, entweder allein oder in Kombination mit Silizium oder Siliziumdioxid oder anderen isolierenden Materialien. Schichten und Schichten, die Vorrichtungen umfassen, können auch als das Substrat oder Teil des Substrats beschrieben werden, auf denen Ausführungsformen der Erfindung aufgenommen oder hergestellt werden.
  • Die Nanogap-Wandler-Arrays ermöglichen zum Beispiel, dass eine große Zahl von immobilisierten DNA-Molekülen gleichzeitig sequenziert werden, obwohl andere Anwendungen ebenfalls möglich sind. Entweder können die immobilisierten DNA-Moleküle eine Probe sein, die sequenziert werden soll, oder Erfassungs-DNA-Sonden bekannter Sequenz können zuerst immobilisiert werden und dann kann die zu sequenzierende Probe mit den immobilisierten Sonden hybridisiert werden. Die Erfassungssonden haben eine Sequenz, die zum Hybridisieren mit Abschnitten der Proben-DNA gestaltet ist. In Ausführungsformen der Erfindung werden DNA-Fragmente (oder Erfassungssonden), die immobilisiert werden sollen, so verdünnt, dass statistisch jeder Sensor ein immobilisiertes DNA-Molekül hat. Sequenzinformationen werden von den Nanogap-Wandlern zusammengestellt, die ein einziges immobilisiertes DNA-Molekül haben. Informationen von den Nanogap-Wandlern, die mehrdeutige Ergebnisse zeigen, können vernachlässigt werden.
  • Es werden Verfahren zum Sequenzieren von Nucleinsäuren bereitgestellt, bei denen die Amplifikation bzw. Verstärkung der Nucleinsäureprobe (d. h. das Erhöhen der Zahl von Kopien der Nucleinsäuremolekülen in der Probe) optional nicht unbedingt auftreten muss. 8 liefert ein Flussdiagramm, das ein Verfahren beschreibt, welches zum Sequenzieren eines Nucleinsäuremoleküls, Nachweis von SNP (Einzel-Nucleotid-Polymorphismus) und Nachweis der Genexpression anwendbar ist. In 8 ist ein Nucleinsäuremolekül an einer Fläche im Innern eines elektronischen Sensors befestigt. Es wird eine Lösung für den Sensorhohlraum bereitgestellt, die einen Primer enthält, welcher komplementär zu einem Abschnitt des Nucleinsäureziels ist. Das Primer-DNA-Molekül hybridisiert mit einem Abschnitt des DNA-Moleküls, das im Innern des Hohlraums befestigt ist, und primert das befestigte DNA-Molekül für die Synthese eines komplementären Strangs von DNA. Wenn die Sequenz von DNA im Hohlraum unbekannt ist, könnte der Primer einer von vielen sein, die zufällige Sequenzen haben, welche für den DNA-Strang im Sensor bereitgestellt werden. Der Primer kann mit einem nuclease-resisteten Nucleotid terminiert werden.
  • Nachdem der Primer mit dem DNA-Molekül im Hohlraum hybridisieren konnte, wird eine Lösung, die ein DNA-Polymeraseenzym und ein redox-zentrumsmodifiziertes Nucleotid-Triphosphat (NTP oder dNTP) hinzugefügt. Das dNTP enthält entweder ein redox-modifiziertes Desoxyadenosintriphosphat (dATP), Desoxycytidintriphosphat (dCTP), Desoxyguanisintriphosphat (dGTP), Desoxythymidintriphosphat (dTTP) oder Uridintriphosphat (UTP). Wenn zum Beispiel ein redox-modifiziertes dATP bereitgestellt wurde und Thymidin die nächste komplementäre Nucleinsäure in der Sequenz ist, dann wird das redox-modifizierte dATP in den wachsenden DNA-Strang eingebaut. Wenn es ein Cytosin auf dem Strang gibt, der sequenziert werden soll, wird ein Guanin eingebaut, wo es ein Thymidin gibt, wird ein Adenosin eingebaut und umgekehrt. Wenn dATP nicht die nächste komplementäre Nukleinsäure ist, dann tritt im Sensorhohlraum kein chemischer Vorgang auf. Es werden dann Produkte der Reaktion festgestellt. Wenn keine Reaktion aufgetreten ist, dann werden die redox-zentrumsmodifizierten Reaktionsprodukte nicht festgestellt. Daher zeigt ein positives Ergebnis (Feststellung von redox-zentrumsmodifizierten Reaktionsprodukten) an, dass dATP (in diesem Beispiel) die nächste komplementäre Nucleinsäure in der wachsenden Kette ist. Wenn ein negatives Ergebnis festgestellt wird, dann wird dieses Verfahren für die drei übrigen redox-zentrumsmodifizierten Nucleotide wiederholt, bis ein positives Ergebnis erreicht wird, um die Identität der komplementären Base zu bestimmen. Nachdem die Identität eines Nucleotids bestimmt worden ist, kann der wachsende Strang von komplementärer DNA mit einem nuclease-resistenten Nucleotid terminiert werden. 9 illustriert ein Verfahren zum Sequenzieren eines DNA-Moleküls durch chemisches Amplifizieren bzw. Verstärken des Redoxsignals, das erhalten wird, wenn eine Nucleotidbase komplementär zur Base ist, die für den Templatestrang, der gerade sequenziert wird, bereitgestellt wird. Das Verfahren von 9 sorgt für die chemische Verstärkung des Signals, wenn eine komplementäre Base in einen wachsenden komplementären Strang aufgenommen wird. Das primerunterstützte wachsende DNA-Molekül wird mit einer nuclease-resistenten Base durch die Wirkung eines Polymerase-Enzyms terminiert. In diesem Beispiel ist das redox-markierte NTP γ-Aminophenyl-adenin-triphosphat (dATP). Die Aufnahme eines komplementären redox-markierten Nucleotids in den wachsenden Strang setzt die redox-markierte Pyrophosphat-(PPi)Gruppe in Lösung frei. Die Wirkung eines Phosphataseenzyms entfernt das Pyrophosphat aus dem Redox-Molekül. Anwendbare Phosphataseenzyme umfassen zum Beispiel alkalische Phosphatase, saure Phosphatase, Protein-Phosphatase, Polyphosphat-Phosphatase, Zucker-Phosphatase und Pyrophosphatase. In diesem Beispiel ist die redox-aktive Spezies das p-Aminophenol (pAP) und Chinonimin-Paar. Die Zahl der p-Aminophenolmoleküle, die in die Lösung freigesetzt werden, wird durch Cycling der redox-markierten NTP-Aufnahme- und Entfernungsreaktionen verstärkt. Speziell wird ein komplementäres redox-markiertes Nucleotid aufgenommen, ein Exonucleaseenzym entfernt das aufgenommene komplementäre Nucleotid, und dann nimmt DNA-Polymerase ein zweites redox-markiertes komplementäres Nucleotid auf, und eine zweite redox-markierte Pyrophosphatgruppe wird in Lösung freigesetzt. Durch diese wiederholten Zyklen von Aufnahme und Entfernen baut sich die Konzentration der redox-aktiven Spezies in Lösung auf. Auf diese Weise wird das Signal, das aus der Aufnahme einer komplementären Base in den wachsenden komplementären Strang resultiert, verstärkt. Das Entfernen der Phosphatgruppen aktiviert die redox-aktive Spezies. Das Vorhandensein der redox-aktiven Spezies, frei von Phosphatgruppen, wird elektrochemisch festgestellt. Die redoxaktive Spezies kann zwischen zwei Elektroden eines Nanogap-Wandlers wiederverwertet werden, um das Signal über eine Redox-Cycling-Reaktion weiter zu verstärken. Wie hierin ausführlicher beschrieben, wird das Signalverstärkungssverfahren der periodisch genutzten redox-aktiven Spezies zwischen Elektroden als Redox-Cycling bezeichnet. Durch Bewegen zwischen Elektroden eines Nanogap-Wandlers trägt jede redox-aktive Spezies mehrere Elektronen zum gemessenen Strom bei, wodurch der gemessene Strom verstärkt wird. Wenn das Nucleotid, das der Reaktion zugeführt wird, nicht komplementär zum wachsenden DNA-Strang ist, dann wird die freie redox-aktive Spezies nicht nachgewiesen. Sobald eine Nucleotidaufnahme festgestellt wurde, wird der wachsende Strang mit einer nuclease-resistenten Base versehen, die komplementär zum nächsten Platz im Template-DNA-Molekül ist, welches gerade sequenziert wird.
  • Ein redoxigenes Nucleotid hat eine redox-aktive Spezies, die an der γ-Phosphatgruppe des Nucleosids befestigt ist. Die Base für das redoxigene Nucleotid kann ein A, G, C oder T sein. Redox-aktive Spezies umfassen zum Beispiel Aminophenyl-, Hydroxyphenyl- und/oder Naphthylgruppen. Eine redox-aktive Spezies kann auch an der Nucleotidbase befestigt sein. Die Base kann ein A, G, C oder T sein, und die redox-aktive Spezies kann zum Beispiel ein Ferrocen-, ein Anthrachinon- oder ein Methylenblau-Molekül sein. Ein drittes redox-aktives Gruppenbefestigungsmotiv umfasst eines, bei dem die redox-aktive Gruppe an der Zuckergruppe der Nucleotidbase befestigt ist. Für das zuckerbefestigte redox-modifizierte Nucleotid kann die Base ein A, G, C oder T sein, und die redox-aktive Spezies kann zum Beispiel ein Ferrocen-, ein Anthrachinon- oder ein Methylen-blau-Molekül sein.
  • Es sind Polymerasen verfügbar, die Ribonucleotide oder modifizierte Nucleotide in DNA aufnehmen können, wie zum Beispiel die handelsübliche Therminator DNA-Polymerase (erhältlich von New England Biolabs, Inc., Beverly, MA) oder genetisch veränderte DNA-Polymerase. Siehe auch zum Beispiel 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 of the National Academy of Sciences, 94, 407–411 (1997). Nuclease-resistente Nucleotide können Ribonucleotide oder andere modifizierte Nucleotide sein. Beispielhafte nuclease-resistente Basen, die in wachsende DNA-Stränge aufgenommen werden können, die aber resistent gegen Aufschluss durch Exonucleasen sind (wie zum Beispiel die 3' bis 5'-exonucleaseaktiven DNA-Polymerasen oder Exonuclease I und III) umfassen alpha-Phosphorthioat-Nucleotide (erhältlich bei Trilink Biotechnologies, Inc., San Diego, CA). Außerdem können Ribonucleotide in einen wachsenden DNA-Strang durch Therminator DNA-Polymerase oder andere genetisch veränderte oder mutierte Polymerasen aufgenommen werden, jedoch sind die Ribonucleotidbasen resistent gegen den Aufschluss durch Exonucleasen, wie zum Beispiel Exonuclease I oder Exonuclease III (erhältlich von New England Biolabs). Beispielhafte Nucleasen, die diese resistenten Basen nicht aufschließen können, umfassen Exonuclease I, Nuclease III und 3' bis 5'-exonucleaseaktive DNA-Polymerasen.
  • In Ausführungsformen der Erfindung wird ein einzelnes Nucleinsäuremolekül, das sequenziert werden soll, an einer Fläche im Nanogap-Wandler befestigt. Die Nucleinsäure wird mit einem komplementären Strang vorbereitet, der mit einem nuclease-resistenten Nucleotid terminiert ist. Ein komplementäres redox-modifiziertes dNTP-Molekül wird in den wachsenden Strang durch die Wirkung eines DNA-Polymeraseenzyms aufgenommen, das in der Lösung im Nanogap-Wandler-Hohlraum vorhanden ist. Die Elektroden des Nanogap-Wandlers sind entgegengesetzt vorgespannt auf dem Redoxpotenzial der Redox-Spezies, und wenn die Redox-Spezies vorhanden ist, wird ein Stromfluss an den Elektrodenflächen festgestellt. Das überschüssige redox-modifizierte dNTP aus der Polymerasereaktion wird vom Reaktionsort weggespült. Aufgenommene dNMP wird dann aus dem wachsenden komplementären DNA-Strang durch die Wirkung eines Nuclease-Enzyms herausgeschnitten, das in der Lösung im Elektrodenhohlraum vorhanden ist. Dieses Verfahren wird dann optional für die drei anderen Nucleotide wiederholt. Sobald das nächste komplementäre Nucleotid bestimmt wurde, kann der wachsende komplementäre Nucleinsäurestrang mit einer komplementären nuclease-resistenten Base terminiert werden, und die nächste komplementäre Base kann bestimmt werden.
  • In alternativen Ausführungsformen ist mehr als eine Kopie des Nucleinsäuremoleküls, das sequenziert werden soll, im Elektrodenhohlraum befestigt. Das Befestigen mehrerer Kopien der Nucleinsäure, die sequenziert werden soll, verstärkt das Signal, das festgestellt wird, wenn ein komplementäres Nucleotidtriphosphat für den Hohlraum bereitgestellt wird. Das festgestellte Signal kann dann optional weiter durch Redox-Cycling-Verfahren verstärkt werden.
  • Die Nucleinsäure-Sequenzierung kann in einer massiv parallelen Weise unter Verwendung von Arrays von individuell adressierbaren Nanogap-Wandlern ausgeführt werden. Eine Probe, die Nucleinsäuremoleküle umfasst, wird dem Array in einer Weise dargeboten, die statistisch zu einem Nucleinsäuremolekül pro Reaktionshohlraum führt. Elektronik, die mit den Reaktionshohlräumen verbunden ist, stellt die Aufnahme von Nucleinsäuren in die Hohlräume fest. Daten von Hohlräumen, die inkonsistent sind, können verworfen werden. Sequenzinformationen für jede Nucleinsäure in einem Hohlraum werden durch mehrere Reaktionszyklen aufgebaut.
  • Eine oder mehrere Flächen des Nanogap-Wandlern können optional funktionalisiert werden, zum Beispiel mit einem oder einer Kombination von Amin-, Aldehyd-, Epoxy-, Thiolgruppen, und Moleküle, die befestigt werden sollen, werden funktionalisiert mit Amin (für flächentragendes Carboxy, Epoxy und/oder Aldehyd-Funktionsgruppen) und Carboxyl (für flächentragende Amin-Gruppen), Thiol (für Goldflächen), um das molekulare Befestigen zu erleichtern. Verschiedene Konjugationschemien stehen zur Verfügung, um die funktionellen Gruppen zu verbinden (zum Beispiel EDC für Amincarboxyl). Die Konzentration von Molekülen auf der Substratfläche wird zum Beispiel auf mehrere Weisen gesteuert: durch Begrenzen der Dichte von funktionellen Oberflächengruppen oder durch Begrenzen der Menge von Molekülen, die befestigt werden sollen. DNA wird auf einer Oberfläche immobilisiert, zum Beispiel durch Verwenden von acrydit-modifizierten DNA-Fragmenten, die an einer Fläche befestigt sind, welche mit Thiolgruppen modifiziert ist. Aminmodifizierte DNA-Fragmente können an epoxy- oder aldehydmodifizierten Oberflächen befestigt werden.
  • Ein Sensorsystem, einschließlich eines oder mehrerer Arrays von Nanogap-Wandlern (wie zum Beispiel eines Arrays von Nanogap-Wandlern auf einer IC-Vorrichtungsfläche), Elektronik zum Ansteuern der Wandler und zur Aufzeichnung von Messungen und ein Computer zum Aufzeichnen von Analysedaten, kann ebenfalls Fluidzufuhrsysteme umfassen, die Fluide den Nanogap-Wandlern zuführen können. Das Fluidsystem kann Vorratsbehälter für Reagenzien, Pumpen und Mischkammern, Waschlösungen, Abfallkammern und Fluidzufuhrsysteme umfassen, die Fluide zur Oberfläche eines Arrays von Nanogap-Wandlern fördern.
  • Im Allgemeinen umfassen die Arten von Nucleinsäuren, die sequenziert werden können, Polymere von Desoxyribonucleotiden (DNA) und Ribonucleotide (RNA) und deren Analoga, die miteinander durch eine Phosphodiesterbindung verbunden sind. Ein Polynucleotid kann ein Segment eines Genoms, ein Gen oder ein Teil desselben, eine cDNA oder eine synthetische Polydesoxyribonucleinsäuresequenz sein. Ein Polynucleotid, einschließlich eines Oligonucleotids (z. B. eine Sonde oder ein Primer) kann Nucleosid- oder Nucleotidanaloga oder eine Hauptkettenbindung (backbone bond) enthalten, die keine Phosphodiesterbindung ist. Die Nucleotide, die ein Polynucleotid umfassen, sind im allgemeinen natürlich vorkommende Desoxyribonucleotide, wie zum Beispiel Adenin, Cytosin, Guanin oder Thymin, die mit 2'-Desoxyribose verbunden sind, oder Ribonucleotide, wie Adenin, Cytosin, Guanin oder Uracil, die mit Ribose verbunden sind. Ein Polynucleotid oder Oligonucleotid kann jedoch auch Nucleotidanaloga enthalten, einschließlich der nicht natürlich vorkommenden synthetischen Nucleotide oder modifizierte natürlich vorkommende Nucleotide.
  • Daten von den Sensoren können folgendermaßen analysiert werden. Wenn ein Nanogap-Wandler mehr als ein DNA-Molekül hat, das innerhalb seines Hohlraums befestigt ist, gibt es mehr als eine mögliche Ablesung von der mindestens einen der sequenzierten Positionen. Daher werden nur Daten von denjenigen Nanogap-Wandlern, die ein Molekül haben, das im Nanogap-Wandler-Hohlraum befestigt ist (ein effektiver Sensor), in der Sequenzanalyse verwendet. Sequenzen von effektiven Sensoren werden durch das Computerprogramm ausgerichtet. Die Sequenzinformationen können als de novo-Sequenzierinformationen oder Referenz-Sequenzierinformationen verwendet werden. Es wird eine weitere Analyse ausgeführt, die von der Qualität der Daten und dem Zweck der Sequenzieraufgabe abhängt.
  • Außerdem sind Nanogap-Wandler gemäß den Ausführungsformen der Erfindung in der Lage, eine Vielfalt von biologisch wichtigen Nachweisen auszuführen, die nicht auf die hierin beschriebenen beschränkt sind. Zum Beispiel sind Nanogap-Wandler in der Lage, Mutationen in der DNA festzustellen und Pathogene durch DNA-Sequenzierungsreaktionen zu identifizieren. Außerdem werden elektronische Sensoren zum Diagnostizieren von Krankheiten durch Analysieren metabolischer Enzymaktivitäten verwendet. Pyrophosphat ist ein Nebenprodukt vieler enzymatischer Reaktionen, die Teil metabolischer und Signaltransduktionspfade sind. Nanogap-Wandler gemäß den Ausführungsformen der Erfindung können mit Erkennungs- und Bindeorten für einen Zielanalyten versehen werden. Der Nanogap-Wandler wird so erzeugt, dass er den interessierenden Erkennungs- und Bindungsort hat, und es wird ein Test an einer Probenlösung durch Einwirken der Probenlösung auf den Analytenbindungsbereich der Biosensorvorrichtung ausgeführt, um das Binden von spezifisch erkannten interessierenden Biomolekülen zu ermöglichen. Der/die Nanogap-Wandler können in mikro- oder nanofluidische Systeme integriert werden, was für Filter- und Probenreinigungsfunktionen sorgt. Daher wird ein Enzym, das auf Funktionalität getestet werden soll, im elektronischen Biosensor gebunden, und es wird eine Reaktionslösung bereitgestellt, in der ein Reaktionsprodukt PPi ist, das mit einem Redox-Zentrum markiert wird. Zum Beispiel untersucht eine Biosensorvorrichtung die Funktionalität von adenylierenden Enzymen, die Fettsäuren in Acyladenylat umwandeln und PPi durch Binden des interessierenden adenylierenden Enzyms in der Biosensorvorrichtung erzeugen und Fettsäuresubstrate sowie ATP in einer Reaktionslösung bereitstellen. Weitere Beispiele umfassen Catechole. In weiteren Beispielen werden lebende Mikroben an Biosensoren spezifisch gebunden. Mikroben werden optional in der Erfassungsvorrichtung durch einen Antikörper gebunden, der ein Oberflächenantigen auf der Mikrobe spezifisch erkennt. Es werden Antikörper-Sandwichassays ausgeführt. Im Antikörper-Sandwichassay wird ein elektronischer Sensor bereitgestellt, der einen Antikörper hat, welcher spezifisch für das nachzuweisende Molekül ist, der Sensor dem nachzuweisenden Molekül ausgesetzt, und ein zweiter Antikörper, der für ein anderes Epitop des nachzuweisenden Moleküls spezifisch ist, wird an das nachzuweisende Molekül gebunden. Der zweite Antikörper hat ein angeheftetes Molekül, das redox-markiertes ATP in redox-markiertes PPI umwandeln kann. Das redox-markierte PPi wird durch Redox-Cycling nachgewiesen. Redox-Markierungen umfassen zum Beispiel Ferrocen-, Anthrachinon- und Methylenblau-Moleküle und Aminophenyl-, Hydroxyphenyl- und/oder Naphthylgruppen.
  • Ein Computer oder Computersystem umfasst ein Verarbeitungssystem, einschließlich eines oder mehrerer Prozessoren, die mit einer oder mehreren flüchtigen oder nichtflüchtigen Datenspeicherungsvorrichtungen kommunikativ verbunden sind, wie zum Beispiel Direktzugriffsspeicher (RAM), Nur-lese-Speicher (ROM), Massenspeichervorrichtungen, wie zum Beispiel SATA (serial advanced technology attachment) oder SCSI-(small computer system interface)-Festplatten und/oder Vorrichtungen, die auf Medien zugreifen können, wie zum Beispiel Disketten, optische Speicherung, Bänder, Flash-Speicher, Speichersticks, CD-ROMs und/oder digitale Videodisks (DVDs). Der Begriff ROM bezieht sich auf nichtflüchtige Speichervorrichtungen, wie zum Beispiel löschbarer programmierbarer ROM (EPROM), elektrisch löschbarer programmierbarer ROM (EEPROM), Flash-ROM und/oder Flash-Speicher. Der Prozessor kann ebenfalls mit zusätzlichen Komponenten kommunikativ verbunden sein, wie zum Beispiel Grafikcontroller, Speicherschnittstellenhubs, SCSI-Controller, Netzcontroller, Netzschnittstellen und USB-(universal serial bus)-Controller. Ein Teil oder die gesamte Kommunikationstechnik zwischen Elementen des Computersystems, zusätzliche Prozessoren und/oder externe Computer und Computernetze können auch unter Verwendung verschiedener verdrahteter und/oder drahtloser Kurzstreckenprotokolle auftreten, einschließlich USB, WLAN (wireless local area network), Hochfrequenz (HF), Satelliten, Mikrowellen, IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.11, Bluetooth, optisch, faseroptisch, Infrarot, Kabel und Laser. Normalerweise ist ein Computersystem auch mit anderen Eingabe-/Ausgabevorrichtungen verbunden, wie zum Beispiel Anzeigebildschirme, Tastaturen, Trackpads, Mäuse.
  • Fachleute auf diesem Gebiet erkennen, dass Modifizierungen und Variationen in der ganzen Offenbarung möglich sind, wie auch Substitutionen für verschiedene Komponenten, die gezeigt und beschrieben werden. Die Bezugnahme in der genannten Beschreibung auf ”eine (1) Ausführungsform” bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, Struktur, Material oder Charakteristikum, das in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung enthalten ist, aber nicht notwendigerweise bezeichnet, dass sie in jeder Ausführungsform vorhanden sind. Ferner können die besonderen Merkmale, Strukturen oder Kennzeichen, die in den Ausführungsformen offenbart werden, in einer geeigneten Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden können. Verschiedene weitere Schichten und/oder Strukturen können enthalten sein, und/oder beschriebene Merkmale können in anderen Ausführungsformen weggelassen werden.

Claims (34)

  1. Vorrichtung, umfassend ein Substrat, das eine Oberfläche hat, und einen Wandler, der auf der Substratoberfläche angeordnet ist, wobei der Wandler Folgendes umfasst: eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, wobei die erste und die zweite Elektrode jeweils mit Leiterbahnen verbunden sind, durch welche Spannung an die erste und zweite Elektrode unabhängig angelegt werden kann und ein Strom unabhängig an jeder der ersten und zweiten Elektrode gemessen werden kann und wobei die erste Elektrode eine Seite hat und die zweite Elektrode eine Seite hat und die Seite der ersten Elektrode von der Seite der zweiten Elektrode durch einen Abstand getrennt ist, der kleiner als 500 nm ist, einen Hohlraum, der ein Fluid zwischen der Seite der ersten Elektrode und der Seite der zweiten Elektrode aufnehmen kann, ein Zugangsloch durch die zweite Elektrode, das ein Fluid in den Hohlraum eindringen und denselben verlassen lässt, eine Schicht von bevorzugt funktionalisierbarem dielektrischem Material, das auf der zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei die bevorzugt funktionalisierbare dielektrische Schicht eine freigelegte Oberfläche innerhalb des Zugangslochs hat, und eine Schicht von dielektrischem Material, das nicht bevorzugt funktionalisierbar ist, angeordnet auf der Schicht von bevorzugt funktionalisierbarem dielektrischem Material.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Seite der ersten Elektrode von der Seite der zweiten Elektrode durch einen Abstand getrennt ist, der zwischen 10 und 200 nm liegt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die freigelegte Oberfläche der bevorzugt funktionalisierbaren dielektrischen Schicht ein an der Oberfläche befestigtes silan- oder schwefelhaltiges Molekül umfasst.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste oder die zweite Elektrode aus leitfähigem Diamant besteht.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Elektrode beide aus leitfähigem Diamant bestehen.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode aus nanokristallinem leitfähigem Diamant besteht.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Elektrode aus einem Material bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus leitfähigem Diamant, Gold und Platin besteht.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein integrierter Schaltungschip ist und die erste Elektrode und die zweite Elektrode unabhängig voneinander mit Elektronik innerhalb des integrierten Schaltungschips durch Leiterbahnen elektrisch verbunden sind.
  9. Vorrichtung, umfassend ein Substrat, das eine Oberfläche hat, und einen Wandler, der auf der Substratoberfläche angeordnet ist, wobei der Wandler Folgendes umfasst: eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, wobei die erste und die zweite Elektrode jeweils mit Leiterbahnen verbunden sind, durch welche Spannung an die erste und die zweite Elektrode unabhängig angelegt werden kann und ein Strom unabhängig jeweils in der ersten und zweiten Elektrode gemessen werden kann und wobei die erste Elektrode eine Seite hat und die zweite Elektrode eine Seite hat und die Seite der ersten Elektrode von der Seite der zweiten Elektrode durch einen Abstand getrennt ist, der kleiner als 500 nm ist, einen Hohlraum, der ein Fluid zwischen der Seite der ersten Elektrode und der Seite der zweiten Elektrode aufnehmen kann, ein Zugangsloch durch die zweite Elektrode, das ein Fluid in den Hohlraum eindringen und denselben verlassen lässt, und einen bevorzugt funktionalisierbaren dielektrischen Bereich, der auf einem Bereich der Seite der ersten Elektrode angeordnet ist, wobei der bevorzugt funktionalisierbare dielektrische Bereich eine freigelegte Oberfläche umfasst.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Seite der ersten Elektrode von der Seite der zweiten Elektrode durch einen Abstand getrennt ist, der zwischen 10 und 200 nm liegt.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der bevorzugt funktionalisierbare dielektrische Bereich eine freigelegte Oberfläche von 40 nm2 bis 500,000 nm2 hat.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die freigelegte Seite des vorzugsweise funktionalisierbaren dielektrischen Bereichs ein an der Oberfläche befestigtes silan- oder schwefelhaltiges Molekül umfasst.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die erste oder zweite Elektrode aus leitfähigem Diamant besteht.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die erste Elektrode aus nanokristallinem leitfähigem Diamant besteht.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die erste und die zweite Elektrode beide aus leitfähigem Diamant bestehen.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die erste und die zweite Elektrode aus einem Material bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus leitfähigem Diamant, Gold und Platin besteht.
  17. Vorrichtung, umfassend ein Substrat, das eine Oberfläche hat, und einen Wandler, der auf der Substratoberfläche angeordnet ist, wobei der Wandler Folgendes umfasst: eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, wobei die erste und die zweite Elektrode jeweils mit Leiterbahnen verbunden sind, durch welche Spannung an die erste und zweite Elektrode unabhängig angelegt werden kann und ein Strom unabhängig jeweils in der ersten und zweiten Elektrode gemessen werden kann und wobei die erste Elektrode eine Seite hat und die zweite Elektrode eine Seite hat und die Seite der ersten Elektrode von der Seite der zweiten Elektrode durch einen Abstand getrennt ist, der kleiner als 500 nm ist, einen Hohlraum, der ein Fluid zwischen der Seite der ersten Elektrode und der Seite der zweiten Elektrode aufnehmen kann, ein Zugangsloch durch die zweite Elektrode, das ein Fluid in den Hohlraum eindringen und denselben verlassen lässt, und einen bevorzugt funktionalisierbaren Bereich in der ersten Elektrode, wobei die erste Elektrode auf der Substratoberfläche angeordnet ist, wobei die erste Elektrode ein Loch umfasst, wobei der bevorzugt funktionalisierbare Bereich einen Bereich der Substratoberfläche umfasst, der durch das Loch in der ersten Elektrode freigelegt ist.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Seite der ersten Elektrode von der Seite der zweiten Elektrode durch einen Abstand getrennt ist, der zwischen 10 und 200 nm liegt.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei der bevorzugt funktionalisierbare Bereich eine freigelegte Oberfläche von 40 nm2 bis 500,000 nm2 hat.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei der vorzugsweise funktionalisierbare dielektrische Bereich ein an der Oberfläche befestigtes silan- oder schwefelhaltiges Molekül umfasst.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die erste oder die zweite Elektrode aus leitfähigem Diamant besteht.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die erste Elektrode aus nanokristallinem leitfähigem Diamant besteht.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die erste und die zweite Elektrode beide aus leitfähigem Diamant bestehen.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die erste und die zweite Elektrode aus einem Material bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus leitfähigem Diamant, Gold und Platin besteht.
  25. System, welches Folgendes umfasst, einen Computer, der mit einem integrierten Schaltungschip betriebsmäßig verbunden ist, wobei der integrierte Schaltungschip ein Array von Wandlern auf einer Oberfläche des integrierten Schaltungschips umfasst, ein Fluidsystem, das Fluide der Oberfläche des integrierten Schaltungschips zuführen kann, welche das Array von Wandlern umfasst, wobei Wandler, die das Array bilden, durch Elektronik im integrierten Schaltungschip elektrisch verbunden und individuell adressierbar sind, und wobei ein Wandler umfasst: eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, wobei die erste und die zweite Elektrode jeweils mit Leiterbahnen verbunden sind, durch welche Spannung an die erste und die zweite Elektrode unabhängig angelegt werden kann und ein Strom unabhängig jeweils in der ersten und zweiten Elektrode gemessen werden kann und wobei die erste Elektrode eine Seite hat und die zweite Elektrode eine Seite hat und die Seite der ersten Elektrode von der Seite der zweiten Elektrode durch einen Abstand getrennt ist, der kleiner als 500 nm ist, einen Hohlraum, der ein Fluid zwischen der Seite der ersten Elektrode und der Seite der zweiten Elektrode aufnehmen kann, ein Zugangsloch durch die zweite Elektrode, das ein Fluid in den Hohlraum eindringen und denselben verlassen lässt, und einen bevorzugt funktionalisierbaren dielektrischen Bereich, der auf einem Bereich der Oberfläche der ersten Elektrode angeordnet ist, wobei der bevorzugt funktionalisierbare dielektrische Bereich eine freigelegte Oberfläche umfasst.
  26. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die Seite der ersten Elektrode von der Seite der zweiten Elektrode durch einen Abstand getrennt ist, der zwischen 10 und 200 nm liegt.
  27. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei der bevorzugt funktionalisierbare dielektrische Bereich eine freigelegte Oberfläche von 40 nm2 bis 500,000 nm2 hat.
  28. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die freigelegte Oberfläche des bevorzugt funktionalisierbaren dielektrischen Bereichs ein an der Oberfläche befestigtes silan- oder schwefelhaltiges Molekül umfasst.
  29. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die erste oder die zweite Elektrode aus leitfähigem Diamant besteht.
  30. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die erste Elektrode aus nanokristallinem leitfähigem Diamant besteht.
  31. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die erste und die zweite Elektrode beide aus leitfähigem Diamant bestehen.
  32. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die erste und die zweite Elektrode aus einem Material bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus leitfähigem Diamant, Gold und Platin besteht.
  33. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei das Array mindestens 1000 Wandler umfasst und mindestens 90% der Wandler funktionelle Wandler sind.
  34. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei der Computer zum Ausführen der Datenanalyse unter Verwendung aktueller Messungen entweder von der ersten oder von der zweiten Elektrode ausgelegt ist, wobei entweder die erste oder die zweite Elektrode, deren Strom gemessen wird, aus leitfähigem Diamant besteht.
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