DE112012002004B4

DE112012002004B4 - Molekül-Abgabeeinheiten

Info

Publication number: DE112012002004B4
Application number: DE112012002004.9T
Authority: DE
Inventors: Ajay K. Royyuru
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2017-06-01
Anticipated expiration: 2032-05-15
Also published as: KR20140007936A; CN103562138A; DE112012002004T5; SG194602A1; US8574894B2; WO2012173723A1; US20130001255A1; GB2510484B; KR101581099B1; GB201322168D0; GB2510484A; CN103562138B; US8546080B2; US20120322055A1

Abstract

Verfahren zum Abgeben geladener Teilchen (213), das aufweist: Anlegen einer Vorspannung (Vc) zum Unterstützen einer Bewegung geladener Teilchen durch eine Nanopore (205); Erkennen eines Durchgangs von mindestens einem geladenen Molekül (213) durch die Nanopore; und Beeinflussen einer elektrostatischen Potenzialbarriere (214) in der Nanopore, so dass die Bewegung zusätzlicher geladener Moleküle durch die Nanopore verhindert wird, wobei das Beeinflussen der elektrostatischen Potenzialbarriere ein Schwingen der elektrostatischen Potenzialbarriere aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner aufweist ein Schwingen einer zweiten elektrostatischen Potenzialbarriere (244) in der Nanopore, wobei die zweite elektrostatische Potenzialbarriere eine Bewegung des geladenen Moleküls durch die Nanopore blockiert und wobei die zweite elektrostatische Potenzialbarriere von der elektrostatischen Potenzialbarriere getrennt angeordnet ist.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Nanotechnologie, und insbesondere sind beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf nanoskalige Öffnungen gerichtet, die so konfiguriert sind, dass sie einzelne geladene Entitäten, z. B. Moleküle oder Teilchen wie Kügelchen, genau übermitteln.
Im Allgemeinen können nanoskalige Öffnungen als Nanoporen bzw. Öffnungen in der Größenordnung von 1 bis 100 Nanometer Innendurchmesser betrachtet werden. Halbleiter-Nanoporen können durch verschiedene Verfahren erzeugt werden, darunter die Bildung einer Öffnung mit einem Innendurchmesser von mehreren Nanometern bis mehrere zehn oder hundert Nanometer durch ein Halbleitersubstrat. Je nach dem gewünschten Porendurchmesser können auch verschiedene Techniken angewandt werden, um die Pore zu erzeugen. Beispielweise können Elektronenstrahlbohren mit einem Transmissionselektronenmikroskip, reaktives Ionenätzen oder Ionenstrahlmodellierung angewandt werden, um eine Pore mit einem bestimmten Durchmesser zu erzeugen. Die endgültige Öffnung kann in der Größenordnung von 1 bis 100 Nanometern liegen und als Nanopore betrachtet werden.
Die US 2008/0 187 915 A1 offenbart ein Verfahren zum Steuern einer Position eines linearen geladenen Polymers mit lokalisierten Ladungen innerhalb einer Nanopore, aufweisend die Schritte: Verwenden einer elektrostatischen Steuerung, um das lineare geladene Polymer innerhalb der Nanopore zu positionieren; und Anlegen einer unabhängigen Spannung an jede von drei Blockierelektroden, wobei die drei Blockierelektroden aus einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und einer dritten Elektrode bestehen, welche jeweils eine zylindrische Geometrie aufweisen und durch Isolatoren getrennt sind, wobei ein elektrostatischer Potentialtopf innerhalb der Nanopore erzeugt wird, welcher durch unabhängiges Einstellen eines elektrischen Potentials jeder der drei Blockierelektroden entlang der Nanopore variiert, wobei sich das elektrische Potential der zweiten Blockierelektrode von dem elektrischen Potential der ersten und der dritten Blockierelektrode unterscheidet, und wobei der elektrostatische Potentialtopf eine Position des linearen geladenen Polymers innerhalb der Nanopore steuert, wobei das Steuern einer Position des linearen geladenen Polymers innerhalb der Nanopore Verwenden des elektrostatischen Potentialtopfs zum Blockieren der Position des linearen geladenen Polymers innerhalb der Nanopore umfasst.
Die US 2008/0 187 915 A1 offenbart ferner eine Vorrichtung zum Steuern einer Position eines linearen geladenen Polymers mit lokalisierten Ladungen innerhalb einer Nanopore, aufweisend: ein Reservoir, welches durch eine Membran in zwei Teile getrennt ist, wobei die Membran als ein Stapel von drei Blockierelektroden gebildet ist, wobei die drei Blockierelektroden aus einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und einer dritten Elektrode bestehen, welche jeweils eine zylindrische Geometrie aufweisen und durch Isolatoren getrennt sind; eine Nanopore in der Membran, wobei die Nanopore die zwei Teile des Reservoirs verbindet; eine Schleppelektrode in jedem der zwei Teile des Reservoirs; und eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit für das Folgende geeignet ist: Anlegen einer zeitabhängigen Spannung an jede Schleppelektrode, um ein lineares geladenes Polymer aus einem ersten Teil des Reservoirs zu einem zweiten Teil des Reservoirs anzuziehen; und Anlegen einer unabhängigen zeitabhängigen Spannung an jede der drei Blockierelektroden, um einen elektrostatischen Potentialtopf zu erzeugen, wobei der elektrostatische Potentialtopf die Position des linearen geladenen Polymers innerhalb der Nanopore steuert.
Die US 2008/0 171 316 A1 offenbart eine molekulare Charakterisierungsvorrichtung, umfassend: ein erstes Reservoir, das eine flüssige Lösung einschließlich eines zu charakterisierenden Moleküls enthält; ein zweites Reservoir zum Enthalten einer flüssigen Lösung einschließlich eines Moleküls, des charakterisiert worden ist; eine Trägerstruktur in festem Zustand einschließlich einer Öffnung mit einem molekularen Eingang, der eine fließende Verbindung zu dem ersten Reservoir bereitstellt, und einen molekularen Ausgang, der eine fließende Verbindung zu dem zweiten Reservoir bereitstellt; erste und zweite Elektronentransportsonden, wobei mindestens eine der Sonden eine Fulleren-Struktur umfasst, wobei jede der Sonden auf der Trägerstruktur angeordnet ist und eine Oberfläche aufweist, die an einen Umfang der Öffnung anstößt; eine Spannungsquelle, die zwischen den Sonden verbunden ist, um eine Vorspannung über die Öffnung aufzubringen; und eine elektrische Stromüberwachung, die zwischen den Sonden verbunden ist, um Veränderungen im Elektronentransport zwischen den Sonden zu überwachen, was der Translokation eines Moleküls durch die Öffnung entspricht.
Die US 2008/0 171 316 A1 offenbart noch eine molekulare Charakterisierungsvorrichtung, umfassend: ein erstes Reservoir, das eine flüssige Lösung einschließlich eines zu charakterisierenden Moleküls enthält; ein zweites Reservoir zum Erhalt einer flüssigen Lösung einschließlich eines Moleküls, das charakterisiert worden ist; eine Trägerstruktur in festem Zustand einschließlich einer Öffnung mit einem molekularen Eingang, der eine fließende Verbindung zu dem ersten Reservoir bereitstellt, und einem molekularen Ausgang, der eine fließende Verbindung zu dem zweiten Reservoir bereitstellt; eine Elektronentransportsonde, die eine Fulleren-Struktur umfasst, wobei die Fulleren-Struktur eine Kohlenstoffnanoröhre ist, wobei die Kohlenstoffnanoröhre eine longitudinale Seitenwand aufweist, die als eine molekulare Kontaktoberfläche an der Öffnung angeordnet ist; eine andere Elektronentransportsonde, die auf der Trägerstruktur an der Öffnung angeordnet ist; eine Spannungsquelle, die in Reihe mit der anderen Elektronentransportsonde verbunden ist; eine Stromüberwachung, die in Reihe mit der anderen Elektronentransportsonde verbunden ist; eine Spannungsquelle, die in Reihe mit der Kohlenstoffnanoröhre verbunden ist, um die Kohlenstoffnanoröhre elektrisch unter Vorspannung zu setzen; und eine elektrische Stromüberwachung, die in Reihe mit der Kohlenstoffnanoröhre verbunden ist, um Veränderungen im elektrischen Strom durch die Kohlenstoffnanoröhre zu überwachen, was der Translokation eines Moleküls durch die Öffnung entspricht.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Abgeben geladener Teilchen Anlegen einer Vorspannung zum Unterstützen der Bewegung geladener Moleküle durch eine Nanopore, Erkennen des Durchgangs mindestens eines geladenen Moleküls durch die Nanopore und Beeinflussen einer elektrostatischen Potenzialbarriere in der Nanopore, so dass die Bewegung zusätzlicher geladener Moleküle durch die Nanopore verhindert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Molekül-Abgabeeinheit ein Molekülreservoir mit einer Vielzahl geladener Moleküle, eine Nanopore nahe dem Molekülreservoir, eine erste Zugelektrode innerhalb des Molekülreservoirs und eine Steuereinheit. Die Nanopore weist einen ersten Satz von Sperrelektroden auf, die so konfiguriert sind, dass sie in ihr eine elektrostatische Potenzialbarriere errichten. Gemäß der beispielhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit so konfiguriert, dass eine schwingende Spannung an den ersten Satz von Sperrelektroden und eine Vorspannung an die erste Zugelektrode angelegt wird, um ein Strömen der einzelnen geladenen Moleküle aus dem Molekülreservoir durch die Nanopore zu steuern.
Zusätzliche Merkmale und Vorteile werden durch die Techniken der vorliegenden Erfindung verwirklicht. Andere Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung werden hier im Einzelnen beschrieben und als Teil der beanspruchten Erfindung betrachtet. Zum besseren Verständnis der Erfindung mit den Vorteilen und Merkmalen siehe die Beschreibung und die Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER MEHREREN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
Der Gegenstand, der als die Erfindung betrachtet wird, wird in den Ansprüchen am Schluss der Spezifikation besonders herausgestellt und ausdrücklich beansprucht. Die vorstehenden und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, wobei:
1 eine schematische Schnittansicht einer Molekül-Abgabeeinheit gemäß einer beispielhaften Ausführungsform darstellt;
2 eine schematische Schnittansicht einer Molekül-Abgabeeinheit gemäß einer beispielhaften Ausführungsform darstellt;
3 ein Diagramm zeitabhängiger Ratschenspannungen einer Malekül-Abgabeeinheit gemäß einer beispielhaften Ausführungsform darstellt;
4 eine perspektivische Ansicht eines Molekül-Abgabesiebes gemäß einer beispielhaften Ausführungsform darstellt;
5 einen Ablaufplan darstellt, der ein Verfahren zum Abgeben von Molekülen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht; und
6 einen Ablaufplan darstellt, der ein Verfahren zum Abgeben von Molekülen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Genaues Steuern der Konzentration einer chemischen Verbindung (z. B. eines Proteins) in einer Lösung stellt eine Herausforderung dar. Beispielhafte Ausführungsformen stellen Molekül-Abgabeeinheiten bereit, die die Genauigkeit der Steuerung der Abgabe durch eine mindestens eine Nanopore aufweisende Nanoporenstruktur erheblich erhöhen. Zu den technischen Wirkungen und Vorteilen der Nanoporenstruktur gehört eine Fähigkeit zum Abgeben einer genau gesteuerten Anzahl einzelner Moleküle in eine gewünschte Lösung. Wie hier verwendet, bezieht sich Nanopore auf eine nanoskalige Öffnung oder Durchgangsöffnung, die ein Material, z. B. eine Membran, vollständig durchdringt.
1 ist ein Schaubild, das einen Querschnitt einer Molekül-Abgabeeinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Einheit 100 enthält eine Steuereinheit 109 und eine mit der Steuereinheit im Signalaustausch stehende Nanoporenmembran 102. Die Nanoporenmembran 102 kann beidseitig mit einem elektrischen Isolator wie Siliciumdioxid beschichtet sein. Die Nanoporenmembran 102 ist so definiert, dass sich mindestens eine Nanopore 105 durch sie erstreckt.
Die Nanoporenmembran 102 enthält mindestens eine Elektrode 106, die darin angeordnet ist und über das Medium 120 (z. B. Kanal oder Leitung) im Signalaustausch mit der Steuereinheit 109 steht, wobei die mindestens eine Elektrode 106 die Nanopore 105, die sich durch die Membran erstreckt, weiter definiert. Beispielsweise kann die Elektrode 106 im Wesentlichen planar sein und ein im Wesentlichen kreisförmiges Loch aufweisen, das die Nanopore 105 definiert. Damit kann die Nanopore 105 innen im Wesentlichen von zylindrischer Form sein, wobei die Elektrode 106 die Nanopore umgibt (z. B. siehe 4).
Gemäß der veranschaulichten Ausführungsform kann die Nanoporenmembran 102 ferner eine isolierende Schicht 115 neben der Elektrode 106, eine zweite Elektrode 107 neben der isolierenden Schicht 115 und über das Medium 121 im Signalaustausch mit der Steuereinheit 109 stehend, eine zweite isolierende Schicht 116 neben der zweiten Elektrode 107 und eine dritte Elektrode 108 neben der zweiten isolierenden Schicht 116 und über das Medium 122 im Signalaustausch mit der Steuereinheit 109 stehend beinhalten. Die isolierenden Schichten können aus jedem beliebigen geeigneten Isolator gebildet sein, darunter z. B. Siliciumdioxid. Die Elektroden können aus jedem beliebigen elektrisch leitenden Material oder Metall gebildet sein.
Veranschaulichend stellt 1 eine Anordnung der Einheit 100 zum Überführen einer geladenen Entität oder eines geladenen Moleküls 113 von einem Molekülreservoirteil 103 (vor der Nanopore) in einen Ziellösungsteil 104 (nach der Nanopore) dar. Die Membran 102 ist als ein Stapel der Elektroden 106, 107 und 108 ausgebildet, die durch die isolierenden Schichten 115 und 116 getrennt sind. Das elektrische Potenzial jeder Elektrode (V₁, V₂ und V₃) wird voneinander unabhängig von der Steuereinheit 109 eingestellt. Die Elektroden 106 und 107 werden hier als Sperrelektroden bezeichnet. Die Elektrode 108 wird hier als Zähler- oder Detektorelektrode bezeichnet. V₁, V₂, V₃ sind die jeweiligen Spannungen für die Elektroden 106, 107, 108.
Der Teil 103 und der Teil 104 sind durch eine Nanopore 105 in der Nanoporenmembran 102 verbunden. Die Sperrelektroden (z. B. 106 und 107) sind fähig, eine elektrostatische Potenzialbarriere 114 in der Nanopore 105 zu erzeugen, indem sie z. B. eine Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden erzeugen, um ein Strömen durch die Nanopore 105 zu behindern.
Die Steuereinheit 109 stellt die Vorspannung (V_c) für die Elektrode 110 im Teil 103 über das elektrische Signalaustauschmedium 123 und auch die Vorspannung (V_t) für die Elektrode 111 im Teil 104 über das elektrische Signalaustauschmedium 124 bereit. Die Elektroden 110 und 111 werden als Zugelektroden bezeichnet. Die Zugelektroden können aus jedem beliebigen elektrisch leitenden Material oder Metall, darunter Silber, gebildet sein. Die Zugelektroden können räumlich innerhalb der jeweiligen Teile 103 und 104 befestigt oder relativ nah an einem Eingang und Ausgang der Nanopore 105 positioniert sein. Die Zugelektroden können vorgespannt werden, um eine Bewegung der geladenen Moleküle 113 durch die Nanopore 105 zu erzwingen.
Die geladenen Moleküle 113 können sich z. B. ursprünglich im Molekülreservoirteil 103 befinden. Die Spannungsdifferenz V_t – V_c (Zugspannung) zieht die geladenen Moleküle in Richtung des Teils 104 an. Die Steuereinheit 109 erkennt den Durchgang eines geladenen Moleküls in der Nanopore 105. Das Erkennen kann z. B. durch Messen der Schwankung eines Ionenstromes zwischen den Zugelektroden 110 und 111, den Sperrelektroden 106 und 107 und/oder der Zählerelektrode 108 erreicht werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird das Erkennen eines Durchgangs durch Erkennen einer Spannungs- oder Stromschwankung an der Zählerelektrode 108 ermöglicht. Gemäß anderen beispielhaften Ausführungsformen wird das Erkennen eines Durchgangs durch eine Messung zwischen der Zugelektrode 110 und der Zugelektrode 111 allein oder in Verbindung mit einer Messung von der Zählerelektrode 108 ermöglicht. Es ist jedoch ersichtlich, dass Messungen auch durchgeführt werden können, indem jede beliebige Kombination von Sperr-, Zähler- und Zugelektroden verwendet wird.
Nach oder vor dem Durchgang eines Moleküls innerhalb der Nanopore 105 werden Sperrspannungen an Sperrelektroden (z. B. 106, 107) angelegt, um die Potenzialbarriere 114 zu erzeugen. Die Potenzialbarriere 114 kann in einer ratschenden Weise in Schwingung versetzt werden, um einen aufeinanderfolgenden Durchgang einzelner geladener Moleküle durch die Nanopore 105 zu erzwingen, indem zeitabhängige Vorspannungen an die Sperrelektroden 106 und 107 angelegt werden. Nach dem Durchgang einer gewünschten Anzahl geladener Moleküle können die Vorspannungen der Zugelektroden 110 und 110 entfernt werden. Die Zug- und die Sperrelektroden können unabhängig voneinander oder parallel gesteuert werden, z. B. durch Anwenden einfacher Logikgatter mit dem Anlegen mindestens eines schwingenden Steuersignals.
Wie veranschaulicht, werden drei Elektroden innerhalb des Elektrodenstapels der Membran 102 verwendet. Es ist jedoch ersichtlich, dass bei anderen Ausführungsformen eine oder mehrere Sperrelektroden verwendet werden können. Bei einer Ausführungsform, bei der eine einzige Sperrelektrode verwendet wird, wird eine Potenzialbarriere aufgrund der Spannung der Sperrelektrode erzeugt. Beispielsweise kann eine Sperrelektrode mit einer Spannung von 0,4 Volt in einer umschließenden Umgebung mit Neutralspannung oder einer Zugspannung von 0,8 Volt eine Potenzialbarriere erzeugen. Ferner kann eine Vielzahl von Potenzialbarrieren durch Verwenden vieler Elektroden, die über die Länge einer Nanopore gestapelt sind, erzeugt werden.
In 1 sind die Sperrelektroden 106, 107 und 108 so dargestellt, dass sie eine zylinderförmige Geometrie aufweisen (z. B. ebene Metallfläche mit einem durch sie führenden Loch). Bei anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann jedoch die Geometrie der Sperr- und der Zugelektroden variieren. Eine beispielhafte Ausführungsform kann beispielsweise zwei Elektroden pro Schicht enthalten, wobei jede einen Teil einer ebenen Halbfläche mit einem Loch in der Mitte besetzt.
Wie veranschaulicht, können beispielhafte Ausführungsformen die Steuereinheit 109 enthalten. Es ist jedoch ersichtlich, dass andere Ausführungsformen eine oder mehrere Steuereinheiten enthalten können. Eine Steuereinheit kann z. B. einen Computer enthalten, der mit einer speziellen Platine mit einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) verbunden ist, wobei die Platine mit der Einheit verbunden ist. Eine Steuereinheit kann z. B. auch durch ein nano-elektromechanisches System (NEMS) in die Einheit integriert sein, wobei ein Nanofluidikteil (z. B. ein Reservoir geladener Moleküle) mit Elektronik verknüpft sein kann (z. B. einer Steuereinheit). Durch die Steuereinheit werden Vorspannungen an die Zugelektroden angelegt, um ein geladenes Molekül aus einem Molekülreservoirteil eines Reservoirs zu einem Ziellösungsteil eines Reservoirs anzuziehen, sowie eine zeitabhängige oder schwingende Spannung an jede Sperrelektrode angelegt, um eine elektrostatische Potenzialbarriere zu erzeugen, wobei die elektrostatische Potenzialbarriere den Durchgang einzelner geladener Moleküle durch eine Nanopore steuert.
Darüber hinaus werden in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch die Steuereinheit das Erkennen des Eintritts des geladenen Moleküls in die Nanopore und das Ändern der zeitabhängigen Spannungen von den Sperrelektroden realisiert.
Auch kann durch die Steuereinheit bei einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Wiederholung einer oder mehrerer Aktionen realisiert werden. Zu solchen Aktionen können u. a. beispielsweise ein Verringern oder Entfernen der Vorspannungen von den Zugelektroden und ein Erhöhen oder Wiederanlegen der zeitabhängigen Spannung an jede Sperrelektrode gehören, um eine elektrostatische Potenzialbarriere in einer ratschenden Weise zu erzeugen und zu beeinflussen. Zu solchen wiederholten Aktionen können u. a. beispielsweise Durchführen einer oder mehrerer Aktivitäten zur Charakterisierung einer Ziellösung gehören, darunter Einzelmolekülzählen und -auflösung, Verringern oder Entfernen der zeitabhängigen Spannung von jeder Sperrelektrode und der elektrostatischen Potenzialbarriere und Erhöhen oder Wiederanlegen der Vorspannungen an die Zugelektroden, um die geladenen Moleküle aus dem Molekülreservoir 103 in die Ziellösung zu überführen.
Bei einer veranschaulichenden Ausführungsform der Erfindung wird durch die Steuereinheit eine Wiederholung der obigen Schritte realisiert, bis eine gewünschte oder Sollzusammensetzung einer Ziellösung erreicht ist.
Zwar ist diese als mit einer einzigen Potenzialbarriere veranschaulicht und beschrieben, jedoch sollte ersichtlich sein, dass dieselbe variiert werden kann, um die Genauigkeit des Abgebens von Molekülen beispielhafter Ausführungsformen weiter zu steigern. Beispielsweise ist 2 ein Schaubild, das einen Querschnitt einer Molekül-Abgabeeinheit veranschaulicht, bei der gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Vielzahl von Potenzialbarrieren realisiert ist.
Die Einheit 200 enthält eine Steuereinheit 209 und eine mit der Steuereinheit im Signalaustausch stehende Nanoporenmembran 202. Die Nanoporenmembran 202 ist so definiert, dass sich mindestens eine Nanopore 205 durch sie erstreckt. Die Nanoporenmembran 202 enthält die Elektroden 206, 207, 208, 241, 242 und 243, die darin über die Medien 220, 221, 222, 230, 231 und 232 (z. B. Kanäle oder Leitungen) im Signalaustausch mit der Steuereinheit 209 stehend angeordnet sind. Jede Elektrode definiert weiterhin die Nanopore 205, die sich durch sie erstreckt. Beispielsweise können die Elektroden im Wesentlichen planar sein und ein im Wesentlichen kreisförmiges Loch aufweisen, das die Nanopore 205 definiert. Somit kann die Nanopore 205 innen im Wesentlichen von zylindrischer Form sein, wobei die Elektroden die Nanopore umgeben (z. B. siehe 4).
Gemäß der veranschaulichten Ausführungsform kann die Nanoporenmembran 202 ferner die isolierenden Schichten 215, 216, 217, 218 und 219 enthalten, die zwischen benachbarten Elektroden angeordnet sind, wobei sie ähnlich wie in 1 einen Elektrodenstapel bilden. Die isolierenden Schichten können aus jedem beliebigen geeigneten Isolator gebildet sein, darunter z. B. Siliciumdioxid. Die Elektroden können aus jedem beliebigen elektrisch leitenden Material oder Metall gebildet sein.
Veranschaulichend stellt 2 eine Anordnung der Einheit 200 zum im Vergleich mit der Einheit 100 genaueren Überführen eines geladenen Moleküls 213 von einem Molekülreservoirteil 203 (vor der Nanopore) in einen Ziellösungsteil 204 (nach der Nanopore) dar. Das elektrische Potenzial jeder Elektrode (V₁, V₂, V₃, V₄, V₅ und V₆) wird von der Steuereinheit 209 unabhängig eingestellt. Die Elektroden 206, 207, 241 und 242 werden hier als Sperrelektroden bezeichnet. Die Elektroden 208 und 243 werden hier als Zähler- oder Detektorelektroden bezeichnet. Ferner können die Elektroden 206, 207 und 208 als Gruppe zusammengefasst und als ein erster Satz von Ratschen-/Sperrelektroden 251 bezeichnet werden, während die Elektroden 241, 242 und 243 als Gruppe zusammengefasst und als ein zweiter Satz von Ratschen-/Sperrelektroden 252 bezeichnet werden können.
Der Teil 203 und der Teil 204 sind durch die Nanopore 205 in der Nanoporenmembran 202 miteinander verbunden. Die Sperrelektroden (z. B. 206, 207, 241 und 242) sind fähig, die elektrostatischen Potenzialbarrieren 214 und 244 in der Nanopore 205 zu erzeugen, indem sie z. B. eine Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden erzeugen, um ein Strömen durch die Nanopore 205 zu behindern.
Die Steuereinheit 209 stellt eine Vorspannung (V_c) für die Elektrode 210 im Teil 203 über das elektrische Signalaustauschmedium 223 und auch eine Vorspannung (V_t) für die Elektrode 211 im Teil 204 über das elektrische Signalaustauschmedium 224 bereit. Die Elektroden 210 und 211 werden als Zugelektroden bezeichnet. Die Zugelektroden können aus jedem beliebigen elektrisch leitenden Material oder Metall, darunter Silber, gebildet sein. Die Zugelektroden können räumlich innerhalb der jeweiligen Teile 203 und 204 befestigt sein oder relativ nah an einem Eingang und Ausgang der Nanopore 205 positioniert sein. Die Zugelektroden können vorgespannt werden, um eine Bewegung der geladenen Moleküle 213 durch die Nanopore 205 zu erzwingen.
Die geladenen Moleküle 213 können sich z. B. ursprünglich im Molekülreservoirteil 203 befinden. Die Spannungsdifferenz V_t – V_c (Zugspannung) zieht die geladenen Moleküle in Richtung des Teils 204 an. Die Steuereinheit 209 erkennt den Durchgang eines geladenen Moleküls in der Nanopore 205, Das Erkennen kann z. B. durch Messen der Schwankung eines Ionenstromes zwischen den Zugelektroden 210 und 211, den Sperrelektroden 206, 207, 241, 242 und/oder den Zählerelektroden 208 und 243 erreicht werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird das Erkennen eines Durchgangs durch die Zählerelektroden 208 und 243 ermöglicht. Gemäß anderen beispielhaften Ausführungsformen wird das Erkennen eines Durchgangs durch eine Messung zwischen der Zugelektrode 210 und der Zugelektrode 211 allein oder in Verknüpfung mit einer Messung von den Zählerelektroden 208 und 241 ermöglicht. Es ist jedoch ersichtlich, dass Messungen auch durchgeführt werden können, indem jede beliebige Kombination von Sperr-, Zähler- und Zugelektroden verwendet wird.
Nach oder vor dem Durchgang eines Moleküls innerhalb der Nanopore 205 werden Sperrspannungen an Sperrelektroden angelegt, um die Potenzialbarriere 214 zu erzeugen. Die Potenzialbarriere 214 kann in ratschender Weise in Schwingung versetzt werden, um einen aufeinanderfolgenden Durchgang einzelner geladener Moleküle durch die Nanopore 205 zu erzwingen, indem zeitabhängige Vorspannungen an einen ersten Satz von Ratschen/Sperr-Elektroden 251 angelegt werden. Nach dem Durchgang eines einzelnen geladenen Moleküls an der Zählerelektrode 208 vorbei können zeitabhängige Vorspannungen an den zweiten Satz von Ratschen/Sperr-Elektroden 252 angelegt werden, während eine Sperrspannung an die Sperrelektroden 206 und 207 angelegt wird. Auf diese Wiese kann ein einzelnes geladenes Molekül durch eine Doppelratschen-Anordnung von Potenzialbarrieren geschickt werden, wodurch die Wirksamkeit der Einheit 200 im Vergleich zur Einheit 100 hinsichtlich des Durchgangs einzelner Moleküle durch eine Nanopore erhöht wird.
Nach dem Durchgang einer gewünschten oder Sollzahl von Molekülen durch die Nanopore 205 können die Vorspannungen der Zugelektroden 210 und 211 entfernt werden. Die Zug- und die Sperrelektroden (z. B. einzelne Sätze von Ratschenelektroden) können unabhängig voneinander oder parallel gesteuert werden, z. B. durch Anwenden einfacher Logikgatter mit dem Anlegen mindestens eines schwingenden Steuersignals. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden mindestens zwei schwingende Signale angelegt, wobei ein erstes schwingendes Signal an den ersten Satz von Ratschen/Sperr-Elektroden 251 und ein zweites schwingendes Signal an den zweiten Satz von Ratschen/Sperr-Elektroden 252 angelegt werden. Gemäß dieser Ausführungsform können die Frequenzen des ersten und des zweiten schwingenden Signals unterschiedlich sein, wobei eines mit einer höheren Frequenz betrieben wird.
Um das Erzeugen einer Potenzialbarriere für ein Schwingen in ratschender Weise besser zu verstehen, wird 3 bereitgestellt. 3 ist ein Schaubild, das ein beispielhaftes Anlegen zeitabhängiger Spannungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Veranschaulichend stellt 3 drei Stellungen dar, eine Sperrstellung 310, eine Bewegungsstellung 311 und eine Sperrstellung 312 der in 1 veranschaulichten Anordnung der Einheit. Es sollte ersichtlich sein, dass dieselben Angaben zur Vorspannung leicht auf die Doppelratschen-Anordnung von 2 erweiterbar ist. Wie dargestellt, schwingt die Vorspannung 301 der Elektrode 106 von einem positiven Wert auf einen niedrigeren Wert, und die Vorspannung 302 der Elektrode 107 schwingt von einem neutralen Wert auf einen positiven Wert, um die Potenzialbarriere 114 zu deaktivieren, Ferner ergibt ein stetiges Anlegen einer Vorspannung an die Elektroden 110 und 111 (z. B. Spannungen 303 bis 304) eine stetige elektrostatische Kraft, die eine Bewegung der geladenen Teilchen in Richtung einer Nanopore und durch diese hindurch erzwingt, wobei diese nur durch die Schwingung der Spannungen 301 und 302 in eine Sperrstellung behindert werden.
Es sollte leicht ersichtlich sein, dass Nanoporen zwar einzahlig beschrieben sind, aber wie z. B. in einem Nanosieb wie in 4 veranschaulicht in Kombination verwendet werden können. Wie dargestellt, enthält das Sieb 400 eine Nanoporenmembran 402 mit einer Vielzahl von Nanoporen 105, wobei jede von einer unabhängigen oder verknüpften Steuereinheit gesteuert wird. Alternativ kann die Nanoporenmembran auch zusätzliche Nanoporen unterschiedlicher Konstruktion enthalten, darunter z. B. die Nanoporen 205. Wie dargestellt, stellt das Sieb 400 eine Barriere zwischen den Reservoiren 403 und 404 bereit, so dass eine sehr genaue Steuerung des Durchgangs geladener Moleküle 113 möglich ist.
Es sollte leicht ersichtlich sein, dass das Sieb 400 für die Trennung und Organisation der Moleküle nach Größe und Ladung eine Vielzahl von Nanoporen unterschiedlicher Größe (z. B. Durchmesser, Tiefen usw.) aufweisen kann.
Es sollte ferner ersichtlich sein, dass das Sieb 400 das genaue Ermitteln der Moleküldichte oder -menge einer Lösung durch Zählen der Moleküle, die durch die jeweiligen Nanoporen des Siebes 400 strömen, ermöglichen kann.
Es sollte ferner ersichtlich sein, dass das Sieb 400 auf Millionen von Nanoporen skaliert werden kann, die gleichzeitig und unabhängig voneinander funktionieren, um ein schnelleres Ergebnis bereitzustellen.
Es sollte ferner ersichtlich ein, dass in einem System zum Abgeben von Molekülen eine Vielzahl von Sieben 400 verwendet werden kann. Jedes Sieb der Vielzahl von Sieben kann so konfiguriert werden, dass es Moleküle einer unterschiedlichen Art zu einer einzigen Ziellösung transportiert, wodurch es eine Bildung komplexer aber genauer Mischungen von Molekülen ermöglicht.
Auch wenn es insbesondere so beschrieben ist, dass nur geladene Moleküle überführt werden, sollte ferner ersichtlich sein, dass Polymerkapseln mit einer elektrischen Nettoladung verwendet werden können, um das Überführen elektrisch neutraler Ladungen zu ermöglichen.
Wie oben beschrieben, werden Molekül-Abgabeeinheiten bereitgestellt, die die Genauigkeit des Erzeugens oder Messens von Lösungen durch den beschränkten Durchgang von Molekülverbindungen durch eine oder mehrere Nanoporen erheblich erhöhen. Jede Nanopore kann mindestens eine Elektrode enthalten, die so konfiguriert Ist, dass sie für den Durchgang von Molekülen durch sie hindurch eine elektrostatische Potenzialbarriere bereitstellt. Ferner können benachbarte Reservoire, ein Molekülreservoir mit schwebenden Molekülen und ein Ziellösungsreservoir zum Erzeugen einer Ziellösung elektrisch vorgespannt werden, so dass Moleküle aus dem Molekülreservoir zur Bewegung in Richtung der einen oder mehreren Nanoporen und durch diese hindurch gezwungen werden. Darüber hinaus stellt ein ratschendes Anlegen einer zeitabhängigen Spannung an die mindestens eine Elektrode eine Ratschenwirkung bereit, um Moleküle einzeln aufeinanderfolgend vom Molekülreservoir zum Ziellösungsreservoir zu befördern.
Im Folgenden werden Verfahren des Abgebens von Molekülen mit Bezug auf 5 bis 6 im Einzelnen beschrieben.
Mit Blick auf 5 beinhaltet das Verfahren 500 ein Anlegen einer Zugspannung an die Zugelektroden einer Molekül-Abgabeeinheit in Block 501. Die Höhe der Zugspannung kann beliebig sein, sofern sie dazu geeignet ist, eine Bewegung der schwebenden Moleküle durch eine Nanopore zu erzwingen. Bei der Molekül-Abgabeeinheit kann es sich um jede geeignete Abgabeeinheit handeln, die eine Steuereinheit und mindestens eine Nanopore aufweist, die so angeordnet sind, dass sie Moleküle überführen. Die Zugelektroden können in benachbarten Lösungsreservoirs aufgehängt sein, z. B. einem Molekülreservoir und einem Ziellösungsreservoir, und sie können durch die Steuereinheit vorgespannt werden.
Das Verfahren 500 beinhaltet ferner ein Anlegen einer Sperrspannung an die Sperrelektroden der Molekül-Abgabeeinheit in Block 502. Die Sperrspannung kann eine Vorspannung sein, die größer oder gleich einem umgebenden elektrostatischen Potenzial ist, so dass z. B. ein Anlegen der Sperrspannung eine Potenzialbarriere nahe den Sperrelektroden und in der Nanopore bildet, die das Überführen von Molekülen durch diese hindurch sperrt (z. B. siehe 3.).
Das Verfahren 500 beinhaltet ferner ein Ermitteln, ob mehr Moleküle im Ziellösungsreservoir in Block 503 benötigt werden. Wenn mehr Moleküle benötigt werden, beinhaltet das Verfahren 500 ein Anlegen einer Bewegungs/Ratschen-Spannung an die Sperrelektroden in Block 505. Die Ratschenspannung kann eine Vorspannung sein, die ausreichend ist, um ein Fortbewegen eines Moleküls zu ermöglichen, oder eine Vorspannung, die so konfiguriert ist, dass sie ein Molekül durch einen Teil der Nanopore schiebt. Das Verfahren 500 beinhaltet ferner ein Erkennen des Durchgangs eines Moleküls durch die mindestens eine Nanopore in Block 506. Beispielsweise kann das Erkennen durch die Steuereinheit ermöglicht werden, indem sie Spannungsschwankungen an den Zugelektroden erkennt und/oder durch die Verwendung einer Zählerelektrode, die um die Nanopore herum angeordnet ist. Danach kehrt das Verfahren für einen zusätzlichen Ratschvorgang zu Block 502 zurück, wie oben beschrieben.
Wenn nicht mehr Moleküle benötigt werden, wie in Block 503 festgestellt wird, kann die Ziellösung in Block 504 entnommen oder in anderer Weise verwendet werden. Es sollte ersichtlich sein, dass dieses Verfahren des Abgebens von Molekülen durch Anlegen einer Vorspannung in Sperrrichtung auch umkehrbar ist zum Entnehmen von Molekülen aus dem Ziellösungsreservoir. Darüber hinaus sollte auch ersichtlich sein, dass der Block 503 leicht durch jede geeignete Entscheidung ersetzbar ist, z. B. wenn die Molekül-Abgabeeinheit als Analysewerkzeug verwendet wird, um verfügbare Moleküle aus dem Molekülreservoir zu zählen.
Wie oben beschrieben, sind Molekül-Abgabeeinheiten nicht auf Abgabeeinheiten mit Nanoporen mit einem einzigen Satz von Ratschen/Sperr-Elektroden beschränkt. Beispielsweise können Nanoporen gemäß einigen beispielhaften Ausführungsformen (z. B. 2) zwei oder mehr Sätze von Ratschen/Sperr-Elektroden enthalten.
Mit Blick auf 6 wird ein Verfahren des Abgebens von Molekülen veranschaulicht. Das Verfahren 600 beinhaltet ein Anlegen einer Zugspannung an die Zugelektroden einer Molekül-Abgabeeinheit in Block 601. Die Höhe der Zugspannung kann beliebig sein, sofern sie dazu geeignet ist, eine Bewegung der schwebenden Moleküle durch eine Nanopore zu erzwingen. Bei der Molekül-Abgabeeinheit kann es sich um jede geeignete Abgabeeinheit handeln, die eine Steuereinheit und mindestens eine Nanopore aufweist, die so angeordnet sind, dass sie Moleküle überführen (z. B. Abgabeeinheit 200). Die Zugelektroden können in benachbarten Lösungsreservoirs aufgehängt sein, z. B. einem Molekülreservoir und einem Ziellösungsreservoir, und können durch die Steuereinheit vorgespannt werden.
Das Verfahren 600 beinhaltet ferner ein Betreiben eines ersten Satzes von Sperrelektroden mit einer ersten Frequenz in Block 602 (z. B. mit einer ersten schwingenden Spannung) und ein Betreiben eines zweiten Satzes von Sperrelektroden mit einer zweiten Frequenz in Block 603 (z. B. mit einer zweiten schwingenden Spannung). Das Betreiben des ersten Satzes von Sperrelektroden beinhaltet ein Durchführen der Verfahrensschritte 502 bis 506 für den ersten Satz von Sperrelektroden mit der ersten Frequenz. Beispielsweise durch Schwingen von einer ersten Sperrspannung und ersten Ratschenspannung mit der ersten Frequenz. In gleicher Weise beinhaltet das Betreiben des zweiten Satzes von Elektroden das Durchführen der Verfahrensschritte 502 bis 506 für den zweiten Satz von Sperrelektroden mit der zweiten Frequenz. Beispielsweise durch Schwingen von einer zweiten Sperrspannung und zweiten Ratschenspannung mit der zweiten Frequenz. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform handelt es sich bei ersten Frequenz und der zweiten Frequenz um dieselbe Frequenz. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform sind die erste Frequenz und die zweite Frequenz unterschiedlich. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die erste Frequenz niedriger als die zweite Frequenz. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform sind die erste Frequenz und die zweite Frequenz phasenverschoben, so dass der erste Satz von Sperrelektroden gesperrt ist, wenn der zweite Satz von Sperrelektroden offen ist (z. B. keine Potenzialbarriere angelegt), und umgekehrt.
Wieder mit Blick auf 6 beinhaltet das Verfahren 600 ferner ein Ermitteln, ob mehr Moleküle im Ziellösungsreservoir in Block 604 benötigt werden. Wenn nicht mehr Moleküle benötigt werden, kann die Ziellösung in Block 605 entnommen oder in anderer Weise verwendet werden.
Die hier verwendete Terminologie dient nur dem Zweck, besondere Ausführungsformen zu beschreiben, und soll die Erfindung nicht einschränken. Wie hier verwendet, sollen die Singularformen „ein”, „eine” und „der, die, das” auch die Pluralformen einschließen, sofern es der Kontext nicht anders angibt. Es ist ferner anzumerken, dass die Ausdrücke „aufweist” und/oder „aufweisend”, wenn sie in dieser Spezifikation verwendet werden, das Vorhandensein der genannten Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten angeben, aber nicht das Vorhandensein oder Hinzufügen eines/r oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen.
Die entsprechenden Strukturen, Materialien, Handlungen und Äquivalente aller Mittel oder aus Schritt plus Funktion bestehender Elemente in den nachstehenden Ansprüchen sollen jede Struktur, jedes Material oder jede Handlung für die Durchführung der Funktion in Verbindung mit anderen beanspruchten Elementen, wie im Besonderen beansprucht, einschließen. Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurde zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung dargestellt, soll aber nicht erschöpfend oder auf die Erfindung in der offenbarten Form beschränkt sein. Viele Modifikationen und Variationen werden für den Fachmann offensichtlich sein, ohne vom Umfang und Geist der Erfindung abzuweichen. Die Ausführungsform wurde gewählt und beschrieben, um die Grundgedanken der Erfindung und die praktische Anwendung am besten zu beschreiben, und um andere Fachleute zu befähigen, die Erfindung für verschiedene Ausführungsformen mit verschiedenen Modifikationen nachzuvollziehen, die für den besonders betrachteten Gebrauch geeignet sind.
Die hier abgebildeten Ablaufpläne sind nur ein Beispiel. Zu diesem Plan oder den darin beschriebenen Schritten (bzw. Operationen) kann es viele Variationen geben, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können die Schritte in einer abweichenden Reihenfolge durchgeführt werden oder Schritte hinzugefügt, weggelassen oder geändert werden. All diese Variationen gelten als Teil der beanspruchten Erfindung.
Zwar wurden bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, jedoch ist anzumerken, dass Fachleute heute und in Zukunft verschiedene Verbesserungen und Erweiterungen vornehmen können, die in den Schutzumfang der folgenden Ansprüche fallen. Diese Ansprüche sind so auszulegen, dass sie den angemessenen Schutz für die zuerst beschriebene Erfindung aufrechterhalten.

Claims

Verfahren zum Abgeben geladener Teilchen (213), das aufweist: Anlegen einer Vorspannung (V_c) zum Unterstützen einer Bewegung geladener Teilchen durch eine Nanopore (205); Erkennen eines Durchgangs von mindestens einem geladenen Molekül (213) durch die Nanopore; und Beeinflussen einer elektrostatischen Potenzialbarriere (214) in der Nanopore, so dass die Bewegung zusätzlicher geladener Moleküle durch die Nanopore verhindert wird, wobei das Beeinflussen der elektrostatischen Potenzialbarriere ein Schwingen der elektrostatischen Potenzialbarriere aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner aufweist ein Schwingen einer zweiten elektrostatischen Potenzialbarriere (244) in der Nanopore, wobei die zweite elektrostatische Potenzialbarriere eine Bewegung des geladenen Moleküls durch die Nanopore blockiert und wobei die zweite elektrostatische Potenzialbarriere von der elektrostatischen Potenzialbarriere getrennt angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erkennen des Durchgangs des mindestens einen geladenen Moleküls (213) ein Messen einer Schwankung des Ionenstromes zwischen den Zugelektroden (210, 211) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erkennen des Durchgangs des mindestens einen geladenen Moleküls (213) ein Messen einer Spannungs- oder Stromschwankung an einer nahe der Nanopore (205) angeordneten Zählerelektrode (208) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schwingen der elektrostatischen Potenzialbarriere (214) aufweist: Anlegen einer Sperrspannung an die nahe der Nanopore (205) angeordneten Sperrelektroden (206, 207, 241, 242).
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Sperrspannung (V₁, V₂) dieselbe Polarität aufweist wie die Vorspannung (V_c – V_t).
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Schwingen der elektrostatischen Potenzialbarriere (214) ferner aufweist: Ermitteln, ob mehr Moleküle (213) abgegeben werden sollen; und Anlegen einer Ratschenspannung (301, 302) an die Sperrelektroden als Reaktion auf das Ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schwingen der elektrostatischen Potenzialbarriere (214) aufweist: Schwingen einer Spannung an den nahe der Nanopore (205) angeordneten Sperrelektroden (206, 207) zwischen einer Sperrspannung und einer Ratschenspannung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: das Schwingen der elektrostatischen Potenzialbarriere (214) ein Anlegen einer ersten Sperrspannung (V₁, V₂) an einen nahe der Nanopore (205) angeordneten ersten Satz von Sperrelektroden (251) aufweist; und das Schwingen der zweiten elektrostatischen Potenzialbarriere (244) ein Anlegen einer zweiten Sperrspannung (V₁, V₂) an einen nahe der Nanopore (205) angeordneten zweiten Satz von Sperrelektroden (252) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die erste Sperrspannung (V₁) dieselbe Polarität aufweist wie die Vorspannung (V_c) und wobei die zweite Sperrspannung (V_i) dieselbe Polarität aufweist wie die Vorspannung (V_c).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei: das Schwingen der elektrostatischen Potenzialbarriere (214) ein Anlegen einer ersten Ratschenspannung an den ersten Satz von Sperrelektroden (251) aufweist; und das Schwingen der zweiten elektrostatischen Potenzialbarriere (244) ein Anlegen einer zweiten Ratschenspannung an den zweiten Satz von Sperrelektroden (252) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: das Schwingen der elektrostatischen Potenzialbarriere (214) ein Schwingen einer Spannung an einem nahe der Nanopore (205) angeordneten ersten Satz von Sperrelektroden (251) zwischen einer ersten Sperrspannung und einer ersten Ratschenspannung aufweist; und das Schwingen der zweiten elektrostatischen Potenzialbarriere (244) ein Schwingen einer Spannung an einem zweiten Satz von Sperrelektroden (252), der nahe der Nanopore (205) und vom ersten Satz von Sperrelektroden getrennt angeordnet ist, zwischen einer zweiten Sperrspannung und einer zweiten Ratschenspannung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner aufweist: Schwingen einer zweiten elektrostatischen Potenzialbarriere (244) in der Nanopore (205), wobei die zweite elektrostatische Potenzialbarriere eine Bewegung des geladenen Moleküls (213) durch die Nanopore blockiert und wobei die zweite elektrostatische Potenzialbarriere in eine gegenüber der elektrostatischen Potenzialbarriere (214) phasenverschobene Schwingung versetzt wird.
Molekular-Abgabeeinheit (200), die aufweist: ein Molekülreservoir (203), das eine Vielzahl geladener Moleküle (213) aufweist; eine Nanopore (205) nahe dem Molekülreservoir, wobei die Nanopore einen ersten Satz von Sperrelektroden (251) aufweist, die so konfiguriert sind, dass sie in ihr eine elektrostatische Potenzialbarriere (214) errichten; eine erste Zugelektrode (210), die innerhalb des Molekülreservoirs angeordnet ist; und eine Steuereinheit (209), wobei die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass sie eine schwingende Spannung an den ersten Satz von Sperrelektroden und eine Vorspannung (V_c) an die erste Zugelektrode anlegt, um ein Strömen der einzelnen geladenen Moleküle aus dem Molekülreservoir durch die Nanopore zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopore ferner einen zweiten Satz von Sperrelektroden (252) aufweist, die so konfiguriert sind, dass sie eine zweite elektrostatische Barriere (244) errichten.
Molekül-Abgabeeinheit (200) nach Anspruch 13, wobei die Steuereinheit (209) ferner so konfiguriert ist, dass sie eine zweite schwingende Spannung an einen zweiten Satz von Sperrelektroden (252) anlegt, um ein Strömen der einzeln geladenen Moleküle (213) aus dem Molekülreservoir (203) durch die Nanopore (205) zu steuern.
Molekül-Abgabeeinheit (200) nach Anspruch 13, wobei der erste Satz von Sperrelektroden (251) und der zweite Satz von Sperrelektroden (252) jeweils aufweisen: eine erste Elektrode (206, 241); eine isolierende Schicht (215, 218) neben der ersten Elektrode; und eine zweite Elektrode (207, 242) neben der isolierenden Schicht.
Molekül-Abgabeeinheit (200) nach Anspruch 15, wobei die erste Elektrode (206, 241), die isolierende Schicht (215, 218) und die zweite Elektrode (207, 242) sowohl des ersten Satzes von Sperrelektroden (251) als auch des zweiten Satzes von Sperrelektroden (252) im Wesentlichen planar und gestapelt sind, um eine Nanoporenmembran (402) zu bilden.
Molekül-Abgabeeinheit (200) nach Anspruch 15, wobei der erste Satz von Sperrelektroden (251) und der zweite Satz von Sperrelektroden (252) ferner jeweils aufweisen: eine zweite isolierende Schicht (216, 219) neben der zweiten Elektrode (207, 242); und eine Zählerelektrode (208, 243) neben der zweiten isolierenden Schicht, wobei die Zählerelektrode so konfiguriert ist, dass sie einen Durchgang geladener Moleküle (213) durch die Nanopore (205) erkennt.
Molekül-Abgabeeinheit (200) nach Anspruch 13, wobei die Nanopore (205) ferner eine Zählerelektrode (208, 243) aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie einen Durchgang geladener Moleküle (213) durch die Nanopore erkennt.
Molekül-Abgabeeinheit (200) nach Anspruch 13, wobei der erste Satz von Sperrelektroden (251) aufweist: eine erste Elektrode (206); eine isolierende Schicht neben der ersten Elektrode (215); und eine zweite Elektrode (207) neben der isolierenden Schicht.
Molekül-Abgabeeinheit (200) nach Anspruch 16, wobei die erste Elektrode (206), die isolierende Schicht (215) und die zweite Elektrode (207) im Wesentlichen planar und gestapelt sind, um eine Nanoporenmembran (402) zu bilden.
Molekül-Abgabeeinheit (200) nach Anspruch 13, die ferner ein Ziellösungsreservoir (204) nahe der Nanopore (205) aufweist, wobei das Ziellösungsreservoir so konfiguriert ist, dass es geladene Moleküle (213) empfängt, die durch die Nanopore überführt werden.