JP2013519074A - ポリマーの配列を決定するための制御されたトンネルギャップデバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、ポリマーおよび／またはポリマー単位を分析するための組成物、デバイス、および方法を含む。ポリマーは、ＤＮＡ、ＲＮＡ、多糖類またはペプチドのようなホモポリマーまたはヘテロポリマーであってもよい。デバイスは、ポリマーが通過することができるトンネルギャップを形成する電極を備えている。電極は、電極に結合した試薬で官能基化されており、この試薬は、ポリマー単位と一時的な結合を生成することが可能である。試薬と上述の単位との間に一時的な結合が生成すると、検出可能な信号が作り出され、この信号を使用し、ポリマーを分析する。

Description

関連出願への参照
本出願は、２０１０年２月２日に出願された米国仮特許出願第６１／３００，６７８号および２０１０年８月３１日に出願された米国仮特許出願第６１／３７８，８３８号に対する優先権を主張する。両仮特許出願は、本明細書においてその全体が参照として援用される。

政府の権利
本発明は、ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈにより授与された助成金番号ＨＧ００４３７８およびＲ２１ ＨＧ００４７７０、ｔｈｅ Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｈｕｍａｎ Ｇｅｎｏｍｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅにより授与された助成金番号ＨＧ００４３７８、ならびにｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｃａｎｃｅｒ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅにより授与された助成金番号Ｕ５４ＣＡ １４３６８２による、政府の援助によりなされた。政府は本発明における一定の権利を有する。

発明の背景
費用を低減し、個別のゲノミクスの利用可能性を高めるために、ＤＮＡシークエンシングのための新しいアプローチが必要である（Ｍ．Ｚｗｏｌａｋ、Ｍ．Ｄｉ Ｖｅｎｔｒａ、Ｒｅｖｉｅｗｓ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ ８０、１４１（２００８））。それに加えて、長く連続的な読み取りは、広範囲にわたるゲノム構造を解明するのに役立つだろう（Ｅ．Ｐｅｎｎｉｓｈ、Ｓｃｉｅｎｃｅ ３１８、１８４２（２００７）；Ａ．Ｊ．Ｓｈａｒｐら、Ａｎｎｕ．Ｒｅｖ．Ｇｅｎｏｍｉｃ Ｈｕｍ．Ｇｅｎｅｔ．ＡＲＩ、４０７（２００６）。Ｓａｎｇｅｒシークエンシングおよび次世代の方法とは対照的に、ナノ細孔シークエンシング（Ｄ．Ｂｒａｎｔｏｎら、Ｎａｔｕｒｅ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２６、１１４６（２００８））は、酵素を用いない技術であり、この技術では、ＤＮＡ分子は、電気泳動を用いて小さな開口部を通過させられ、その結果、配列読み取りの機構は、分子全体の長さにわたって忠実度を維持することができた。細孔を通過するイオンの流れは、ナノ細孔の配列に感受性である（Ｍ．Ａｋｅｓｏｎら、Ｂｉｏｐｈｙｓ Ｊ．７７、３２２７（１９９９）；Ａ．Ｍｅｌｌｅｒら、Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．（ＵＳＡ）９７、１０７９（２０００）；Ｎ．Ａｓｈｋｅｎａｓｙら、Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．４４、１４０１（２００５））が、ナノ細孔の経路内にある全ての塩基が、電流を遮断する一因となり（Ａ．Ｍｅｌｌｅｒら、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８６、３４３５（２００１））、また、細孔よりも高電界領域にある塩基も同じである（Ａ．Ａｋｓｉｍｅｎｔｉｅｖら、Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ８７、２０８６（２００４年９月）；Ｍ．Ｍｕｔｈｕｋｕｍａｒら、Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．（ＵＳＡ）１０３、５２７３（２００６））。その結果、イオンの流れを読み出しても、一塩基解像度はまだ得られていない。ＬｅｅおよびＴｈｕｎｄａｔは、ＤＮＡ分子全体の電子トンネル現象が、単一のヌクレオチドを感知し、特定するのに十分なほど局在化し得るという説を出し（Ｊ．Ｗ．ＬｅｅおよびＴ．Ｔｈｕｎｄａｔ．米国特許第６，９０５，５８６号（２００５））、ＺｗｏｌａｋおよびＤｉ Ｖｅｎｔｒａの計算によって、推測が裏付けされた（Ｍ．Ｚｗｏｌａｋ、Ｍ．Ｄｉ Ｖｅｎｔｒａ、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．５、４２１（２００５））。さらなる計算から、ギャップ内の分子の熱運動によってトンネル電流の分布が広がってしまうことが示されており（Ｊ．Ｌａｇｅｒｑｖｉｓｔら、Ｂｉｏｐｈｙｓ Ｊ．９３、２３８４（２００７）；Ｒ．Ｚｉｋｉｃら、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｅ ７４、０１１９１９ １（２００６））、選択性が実質的に低下する。トンネルギャップ内の分子配向の範囲は、読み出し電極に連結するための化学結合を用いることによって大きく狭めることができる（Ｘ．Ｄ．Ｃｕｉら、Ｓｃｉｅｎｃｅ ２９４、５７１（２００１））が、強い結合を用いることは、電極に対する接触が１個のヌクレオチドから次のヌクレオチドに迅速に移動しなければならないようなＤＮＡシークエンシングにとっては選択肢とならない。ＯｈｓｉｒｏおよびＵｍｅｚａｗａは、走査型トンネル顕微鏡画像で化学的なコントラストを得るために水素結合を使用することができることを示し（Ｔ．Ｏｈｓｈｉｒｏ、Ｙ．Ｕｍｅｚａｗａ、Ｐｒｏｃ．Ｎａｔ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．１０３、１０（２００６））、これらの弱い結合を、単一の分子に対し「滑っていく接点」として役立たせることができることを示唆している。

特許文献１（「Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ ｂｙ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ」）、６１／０３７６４７号（Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ｎａｎｏｐｏｒｅ ｆｏｒ ＤＮＡ Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ」）、６１／０８３，００１号（「Ｔａｎｄｅｍ Ｒｅａｄｅｒ ｆｏｒ ＤＮＡ Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ」）、６１／０８３，９９３号（「Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ｂａｓｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ」）、６１／１０３，０１９号（「Ａ Ｔｒａｎｓ−ｂａｓｅ ｔｕｎｎｅｌ Ｒｅａｄｅｒ ｆｏｒ Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ」）明細書には、全て参考として組み込まれるが、具体的には、１個の塩基または別の塩基に対して水素結合するように設計された試薬で官能基化された電極と、ＤＮＡ中の目的塩基とをトンネルギャップ内で接触させるスキームが記述されている。その結果、それぞれのＤＮＡ塩基について異なる読み取り部が必要であり、そのため、配列は、４個の別個の読み取り部の出力を合わせることによってまとめられなければならない。さらに、特定の部位を標的とするように設計された試薬に依存すると、２個の異なる部位を標的とする（それぞれの電極に対して１個）場合、電極は、独立して官能基化されなければならないことを意味しており、これをナノスケールのギャップで達成することは困難である。

国際公開第２００８／１２４７０６号

本発明は、ポリマーおよび／またはポリマー単位を分析するための組成物、デバイス、方法を提供する。ポリマーは、ＤＮＡ、ＲＮＡ、多糖類またはペプチドのようなホモポリマーまたはヘテロポリマーであってもよい。デバイスは、ポリマーが通過することができるトンネルギャップを形成する電極を備えている。電極は、電極に結合した試薬で官能基化されており、この試薬は、ポリマー単位と一時的な結合を生成することが可能である。上述の試薬と上述の単位との間に一時的な結合が生成されるとき、検出可能な信号が作られ、これを使用してポリマーを分析する。トンネルギャップの幅は、電極がポリマーの単位に対し一時的な結合を形成したときに作られる信号の選択性を最適化するように構成されるか、または調節される。

図１は、Ｔ（図１Ａ）、Ｇ（図１Ｂ）、Ｃ（図１Ｃ）、Ａ（図１Ｄ）と、４−メルカプトベンズアミドで官能基化された電極との水素結合を示す。 図２は、バイアスが０．５Ｖの場合に、ＴＣＢ中の例示的なバックグラウンドトンネル信号を与えている。図２Ａは、電流が１０ｐＡのときであり、図２Ｂは、電流が２ｐＡのときである。 図３は、電極の官能基化が、プリンの電流スパイクの分布に及ぼす例示的な影響を示す。未官能基化電極（図３Ａ−ｄＡおよび図３Ｃ−ｄＧ）は、広い分布を与える（ギャップコンダクタンス２０ｐＳ、ＴＣＢ中、０．７μＭ ｄＡ、２．９μＭ ｄＧ）。電流のｌｏｇ値をＧａｕｓｓｉａｎに当てはめる（図１８〜２０を参照）。片方の電極を４−メルカプトベンゼンで官能基化すると、分布が１０倍狭くなる（図３Ｂ−ｄＡ、図３Ｄ−ｄＧ）（ギャップコンダクタンス１２ｐＳ、Ｉ_ｂｌ＝６ｐＡ、Ｖ＝０．５Ｖ）。ｉ_０にピークをもち（「１」）、２ｉ_０に第２のピークをもつ（「２」）電流のｌｏｇ値を２種類のＧａｕｓｓｉａｎに当てはめる（式ＩＩＩを参照）。ｄＡの場合ｉ_０＝５．９ｐＡ、ｄＧの場合５．６ｐＡ。両方の電極が官能基化されている場合（図３Ｅ−ｄＡ、３Ｇ−ｄＧ）、ピーク電流は、明らかに異なる（ｄＧの場合ｉ_０＝９．４ｐＡ、ｄＡの場合ｉ_０＝１６．５ｐＡ）。図３Ｆは、ｄＡおよびｄＧの混合物の分布を示す。ｄＡの高い方のピークの帰属は、ｄＡの濃度を下げて測定した分布によって確認される（図３Ｈ）。図３Ｆおよび３Ｈの高電流側のテーリングは、少量の２分子（ｄＡ＋ｄＧ）の読み取りと一致している。スパイクの幅の分布を図２９に示す。 図４は、Ｖ＝０．５Ｖ、バックグラウンド電流＝６ｐＡの場合、アデノシンをギャップに拡散させたときの時間トレース対電流の例示的なプロットを与えている。図内挿入図は、結合信号の拡大図を示す。４種類すべてのヌクレオシドで同様の種類の信号を観察している。図１５を参照。 図５は、ピリミジンを読み取るための電極官能基化の例示的な効果を示す。未官能基化電極を用いて読み取るために（図５Ａおよび５Ｂの広い分布）、Ｇ_ｂｌを４０ｐＳまで上げて計測速度を上げた。５Ａおよび５Ｂの狭い分布は、両方とも官能基化された電極を用いて取得したものであり、ｄＴの場合ｉ_０＝６．７ｐＡ、ｄＣの場合１３．３ｐＡが得られる（Ｇ_ｂｌ＝１２ｐＳ、Ｉ_ｂｌ＝６ｐＡ、Ｖ＝０．５Ｖ）。混合溶液の場合（図５Ｃ）、ｄＴのピークは８ｐＡに存在し、ｄＣのピークは１３．４ｐＡに存在し、帰属は、ｄＴの濃度を半分にした混合物を測定することによって確認した（図２１）。 図６は、両方の電極が官能基化されている場合に、電流スパイクの例示的な分布を示す（ｄＧ、Ｖ＝０．５Ｖ、電流＝６ｐＡ）。主要ピークのピーク電流の２倍の位置にある小さな割合の読み取りは、トンネルギャップ内に２個の分子が同時に捕捉されていることを信号で示している。 図７は、例示的な読み取りの概要を与えている。図７Ａは、ｄＡのピーク電流（塗りつぶされた四角）およびｄＴのピーク電流（塗りつぶされた丸）をベースラインコンダクタンスの関数として示す（Ｖ＝０．５Ｖの場合）。白色の四角（ｄＡ）および白色の丸（ｄＴ）は、トンネルギャップを小さくするにつれて、２分子の読み取り割合がどのように増えていくかを示している。図７Ａは、測定した分子のコンダクタンスが、Ｇ_ｂｌとともに線形的に上昇していくことを示す（ｄＴは黒色の丸、ｄＡは黒色の四角、エラーバーは±ＨＷＨＨ）。２分子読み取りの数（ｄＴは白色の丸、ｄＡは白色の丸）は、Ｇ_ｂｌ＝２０ｐＳのときに増加し、Ｇ_ｂｌ＝４ｐＳのとき、２分子読み取り速度は実質的に下がる。図７Ｂは、４種類のヌクレオシドについて、３回の独立した試行で測定したピーク電流を与えている（斜線付きのバー）。図７Ｂは、両方とも官能基化された電極の場合、それぞれのヌクレオシドに特徴的な電流で狭い分布をもつ電流ピークが観察されることを示す。斜線付の四角棒（３回繰り返したデータセット）は、ベースライン電流６ｐＡ、Ｖ＝０．５Ｖの場合に測定したそれぞれのヌクレオシドのピーク電流を示す。それぞれの四角棒のエラーバーは、測定した電流分布の全値幅をあらわす。陰影付の四角棒は、２個の電極の片方だけを官能基化したときに測定された電流を示す。官能基化された表面および未官能基化Ｐｔ（淡い陰影のバー）および未官能基化Ａｕ（濃い陰影のバー）プローブの読み取りは、２個とも官能基化されたプローブを用いて決定した分子抵抗に対し、接合点の抵抗をプロットした図７Ｃに定量的に示されているように、ヌクレオシドの属性に対して感受性が相対的に低い。 図８は、例示的なトンネルギャップを大きくする（すなわち、トンネル電流のベースラインＧ_ｂｌを小さくする）につれて、読み取りの頻度が落ちることを示す。 図９は、本発明の例示的な実施形態を図示したものである。 図１０Ａおよび１０Ｂは、金または窒化チタンのプローブと、金または窒化チタンでコーティングされたナノ細孔とを利用する例示的なトンネルギャップおよびナノ細孔配列の詳細を与える。図１０Ｂの電子顕微鏡写真のスケールバー（１１０）は、２ｎｍである。図１０Ｃおよび図１０Ｄは、カーボンナノチューブプローブとグラフェンナノ細孔とを利用する例示的なトンネルギャップおよびナノ細孔配列の詳細を与える。図１０Ｄの電子顕微鏡写真のスケールバー（２１０）は、１０ｎｍである。図１０Ｅ（断面図）および１０Ｆ（上から見た図）は、金属プローブと、カーボンナノチューブのナノ細孔配列とを利用する例示的なトンネルギャップおよびナノ細孔配列の詳細を与える。 図１１は、本発明の一実施形態のためのギャップの化学物質を示す。 図１２は、電極対を作成するために、カーボンナノチューブ内のギャップを利用する例示的な実施形態を示す。 図１３は、種々のアミノ酸に対する例示的な水素結合部位を示す。 図１４は、ＴＢＤＭＳで修飾されたヌクレオシドの例示的な化学構造を与えている。 図１５は、両電極が４−メルカプト安息香酸で官能基化されたＴＣＢについて、Ｇ_ｂｌ＝１２ｐＳである場合、４．３μＭ ｄＴ（図１５Ａ）、２．９μＭ ｄＧ（図１５Ｂ）および０．８μＭ ｄＣ（図１５Ｃ）の例示的な電流−時間トレースを与えている。図１５Ａおよび１５Ｂの電流のスケールは同じである。 図１６は、スパイクデータを得るために用いられるゲイン設定を用いて、開ループ（図１６Ａ）、サーボ制御下（図１６Ｂ）での例示的なノイズスペクトルを与えている。点線は、１／ｆスペクトルに当てはめたものである。 図１７は、固定された（５ｐＡ）カットオフ値（丸）、可変１．５σカットオフ値（四角）、可変２σカットオフ値（三角）を用いて分析した例示的なデータセットのｌｏｇ値を２種類のＧａｕｓｓｉａｎに当てはめた結果を示す。当てはめられたピークは、６．６〜７．１ｐＡまでシフトし、このシフトは、異なるヌクレオシドのピークを分離するのに無視できる変化である。 図１８は、ｄＡ（図１８Ａ）、ｄＣ（図１８Ｂ）、ｄＧ（図１８Ｃ）、ｄＴ（図１８Ｄ）のための未官能基化電極について、Ｇ_ｂｌ＝２０ｐＳ（Ｖ＝０．５Ｖ）で得た例示的な電流分布を示す。表１に列挙したヌクレオシド濃度で、合計計測数を１８０秒間記録し、それぞれの図に列挙している。実施例１．４を参照。 図１９は、ｄＡ（図１９Ａ）、ｄＣ（図１９Ｂ）、ｄＧ（図１９Ｃ）、ｄＴ（図１９Ｄ）のための未官能基化電極について、Ｇ_ｂｌ＝４０ｐＳ（Ｖ＝０．５Ｖ）で得た例示的な電流分布を示す。分布の幅のため、ｄＡはある程度曖昧な読み取りであることを注記しておく。Ｇ_ｂｌ＝２０ｐＳで得たデータと比較して、プリンとピリミジンとで読み取り速度はほとんど変わらない。図１８を参照。１８０秒間の計測数をそれぞれの図に列挙している。 図２０は、図１９Ａのデータをｌｏｇ−ｌｏｇでプロットし、例示的な双曲線への当てはめ（実線）を示す。 図２１は、図５Ｃで用いたものに対し、ｄＴの濃度を半分にしたｄＴおよびｄＣの混合物の例示的な分布を与える。この分布を３種類のＧａｕｓｓｉａｎ ｌｏｇ関数に当てはめる（実線）。ｄＴピークは６．６ｐＡにあり、ｄＣピークは１２．３ｐＡにある。高濃度側のテーリングは、少ない割合のｄＧ＋ｄＣの読み取りに適合する（６．６＋１２．３ｐＡが中心）。 図２２Ａおよび２２Ｂは、大きなギャップを生じるＩ_ｂｌ＝６ｐＡ、バイアス０．７５Ｖ（Ｇ_ｂｌ＝８ｐＳ）を用いて測定した例示的な電流分布を与える。分子コンダクタンスは、予想される値よりも小さい（Ｇ（ｄＡ）＝１４．４ｐＳ、Ｇ（ｄＣ）＝１５．６ｐＳ）。ｄＡの低下は、図７Ａで示される当てはめ結果で予測されるよりも大きい。このことは、ギャップサイズに指数関数的に依存することに加え、バイアスに依存していることを示す。ギャップの大きさを固定した状態でバイアスの関数として採取したデータ（図２３を参照）は、この傾向を裏付ける傾向がある。 図２３は、ギャップコンダクタンスを一定にした状態で、ｄＡの例示的なピーク電流をバイアスの関数として与える（１２ｐＳ；０．７５Ｖ、９ｐＡ、０．５Ｖ、６ｐＡ、０．２５Ｖ、３ｐＡ）。丸は、未官能基化金電極を１つ用いて採取したデータであり、バイアスにほとんど依存していないことを示す。官能基化された２個の電極を用いて採取したデータ（四角）は、バイアスが小さくなるにつれてピーク電流が上がることを示している。バイアスの符号を変えても、大きな変化は生じない（−０．５Ｖでのデータ）。 図２４は、ｄＡ（丸）およびｄＴ（四角）について、ベースライントンネル電流の関数として１８０秒間かけて得られたデータを平均することによって得られた、官能化されたプローブを用いた１秒あたりの例示的な読み取りを示す。これらのデータは、プローブの形状にある程度依存しており、影響は、２種類の異なるプローブを用いて採取したデータを比較することによって得られたエラーバーに反映されている。 図２５は、２分子の読み取り、さらに３分子の読み取りの証拠を示す、Ｇ_ｂｌ＝２０ｐＳで得られたｄＡの例示的な電流分布（官能基化されたプローブ）を示す。 図２６は、Ｉ_ｂｌ＝６ｐＡ、Ｖ＝０．５Ｖの場合に、ｄＴ（丸）、ｄＧ（四角）、ｄＣ（三角）、ｄＡ（ひし形）の実験データ群（２分子の読み取りピークを含む）に対し、例示的な当てはめられた分布を示す（ピークは、左から右に、ｄＴ、ｄＧ、ｄＣ、ｄＡ）。示されている値での識別レベルの設定（８ｐＳ、１１．７ｐＳおよび１４．８ｐＳ）によって、ｉ＜８ｐＡならばｄＴの確率７２％、ｄＧの確率６４％（８ｐＡ＜ｉ＜１１．７ｐＡ）、ｄＣは６１％（１１．７＜ｉ＜１４．８ｐＡ）、Ａは６０％（ｉ＞１４．８ｐＡ）の確率を得る。 図２７は、例示的な分析の全ての記録されたスパイクを保持することによって得られた例示的な電流分布（図２７Ａ）および１（２０μｓ）および２（４０μｓ）のサンプル点持続時間のスパイクのみを除外することによって得られた例示的な電流分布（図２７Ｂ）を示す。データは、２．９μＭ、Ｇ_ｂｌ＝１２ｐＳでのｄＧのデータである。実線の曲線は、Ａの独立したピークを用いて、ｌｏｇ値を２種類のＧａｕｓｓｉａｎに当てはめ、Ｂでは、ｉ_０および２ｉ_０で固定されたピークを用いて、ｌｏｇ値を２種類のＧａｕｓｓｉａｎに当てはめている。Ａのデータは、７．３ｐＡの特徴が重要であり、官能基化されていないプローブを用いて記録した電流と等しい。Ｂのピークは９．７ｐＡまで移動した。この分布は、ＳＴＭの電流−電圧変換器の有限の周波数応答を反映しており、速いピークについて測定される振幅を減らすだろう（図２９を参照）。ｄＣについても同様の結果が得られた（全てのデータについてピーク＝７．３ｐＡ、フィルタリングしたデータのピーク＝１３ｐＡ）。ｄＴのデータはフィルタリングによって影響を受けなかった（全てのデータについてピーク＝７．３ｐＡ、フィルタリングしたデータのピーク＝６．８ｐＡ）。 図２８は、例示的な分析の全ての記録されたスパイクを保持することによって得られたｄＡの例示的な電流分布（図２８Ａ−全データ、図２８Ｂ−最も速い２つの点を除外した）を与える。この場合、「１つの官能基化された電極」の６．５ｐＡでのピークの残りは、１または２点のスパイクが除外された場合に残り、そのため、データを、２種類の独立したピーク値（ｉ_０、ｉ_１および２ｉ_１）を用い、３種類のＧａｕｓｓｉａｎ ｌｏｇ関数に当てはめた。最も短いスパイクを除外すると、分布の最大値は、６．５ｐＡから１５．６ｐＡに移動した。分布の形状は、使用するプローブに依存し、２種類のＧａｕｓｓｉａｎは、他のデータセットにもよく当てはまり（例えば、図２）、「官能基化されていない」ピークは、最も速いスパイクを除外することによって、ほぼ完全になくなった。 図２９は、ｄＡ（図２９Ａ）、ｄＣ（図２９Ｂ）、ｄＧ（図２９Ｃ）、ｄＴ（図２９Ｄ）のスパイクの寿命の例示的な分布を示す。丸のついた線は、未官能基化電極の場合であり、三角のついた線は、１つが官能基化された電極の場合であり、四角のついた線は、２個ともが官能基化された電極の場合である。鋭敏な特徴は、データのビニングを反映している。全てのデータは、表１に示される作業濃度で、０．５Ｖで採取される。未官能基化プローブの場合、Ｇ_ｂｌ＝２０ｐＳであり、官能基化されたプローブの場合、１２ｐＳである。矢印は、４０または２０μｓの持続時間をもつスパイクを指し示しており、選択性を高めるために電流分布から除外した。ｄＴは例外であり、２個とも官能基化されたプローブを用いると、寿命が少しだけ長くなる。しかし、未官能基化プローブまたは１個が官能基化されたプローブの寿命は、本質的に同じである。したがって、トンネル現象によって分布が狭くなることは、官能基化された金属表面と未官能基化金属表面との間の可能な範囲の結合形状の差を反映しなければならず、結合状態の寿命の差を反映してはならない。電流−電圧変換器の約３ｄＢ周波数は、約７ｋＨｚであり（１４３μｓ）、速い特徴は、ここに示したデータで弱められる。 図３０は、５０ｍＭ フェリシアン化カリウム中、例示的な未官能基化金ワイヤのサイクリックボルタンメトリーを示す（電位 対 Ａｇワイヤ）。 図３１は、例示的なＨＤＰＥでコーティングされたＳＴＭ先端のサイクリックボルタンメトリーを示す。半球状に露出した先端形状であると推定し、式Ｉ_ｍａｘ＝２πＲｎＦＣＤを用いると、コーティングされた走査プローブの露出表面積は、１０^−２μｍ^２程度である。 図３２は、４−メルカプトベンズアミド単層の例示的なＦＴＩＲスペクトル（下側の線）および粉末の例示的なＦＴＩＲスペクトル（上側の線）を示す。 図３３は、Ａｕ表面上にメルカプトベンズアミドの島があることを示すＳＴＭ画像である。金先端、０．５Ｖの先端バイアス、１０ｐＡの設定点での１ｍＭ ＰＢバッファ中の画像。 図３４は、例示的な電極の光学顕微鏡画像および透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像を示す。図３４Ａは、未官能基化電極の光学画像である。図３４Ｂおよび３４Ｃは、未官能基化電極のＴＥＭ画像である。図３４Ｄは、コーティングされた電極の光学画像である。図３４Ｅおよび３４Ｆは、コーティングされた電極のＴＥＭ画像である。３４Ｃの点線の円弧は、半径が１６ｎｍである。３４Ｅおよび３４Ｆの矢印は、露出した金の位置を示している。 図３５は、未官能基化電極プローブと官能基化された電極表面を用いる、水中のテレグラフノイズを示す。プローブおよび表面の両方が官能基化されていない場合、また、ＰＢ中で、表面および／またはプローブのいずれかが官能基化されていない場合にも、同様の信号がみられた。 図３６は、未官能基化金電極（図３６Ａ）、官能基化された電極（図３６Ｂ）、一方が未官能基化電極であり、他方が官能基化された電極（図３６Ｃ）について、純粋なＨ_２Ｏ中トンネル電流の減衰曲線を示す（それぞれの場合に、複数の曲線がプロットされている）。 図３７は、βの例示的なヒストグラムを示し、対数であらわされた減衰曲線の傾きは負であり、すなわち、

である。未官能基化金電極（図３７Ａ）、メルカプトベンズアミドで官能基化された電極（図３７Ｂ）、一方が未官能基化電極であり、他方がメルカプトベンズアミドで官能基化された電極（図３７Ｃ）について、純水中で値を得る。Ｇａｕｓｓｉａｎ（Ｇａｕｓｉａｎ）による割り当て（平均±ＳＤ）から、以下の値が得られる。３７Ａ→６．１１±０．６８ｎｍ^−１、３７Ｂ→１４．１６±３．２０ｎｍ^−１、３７Ｃ→６．８４±０．９２ｎｍ^−１。
図３８は、４−メルカプトベンズアミド読み取り分子を用いて採取した、ｄ（ＣＣＡＣＣ）について例示的な１０秒間のトレースを示す。Ａ信号が優勢であることを注記しておく。電流スパイクの分布（図内挿入図）は、ほとんど完全に「Ａ」信号が優勢であり、この当てはめでのＣ要素（黒色の線）は、７％以下である。このことは、プローブが、少量のＡ塩基に結合した状態で多くの時間存在していることを示す。 図３９は、例示的なバーストデータを示す、ｄＡＭＰ（図３９Ａ）、ｄＣＭＰ（図３９Ｂ）、ｄＧＭＰ（図３９Ｃ）、ｄｍＣＭＰ（図３９Ｄ）について、時間経過に伴う例示的な電流スパイクのトレースを示す。これらの例は、それぞれ、電流がスパイクしない領域で囲まれている。 図４０は、トリクロロベンゼン溶媒中、安息香酸読み取り部を用い、シチジンについて測定した例示的な電流分布（灰色）および^５ｍｅシチジンについて測定した例示的な電流分布を示す。 図４１は、ｄＧＭＰ、ｄＣＭＰ、ｄＡＭＰ、ｄ^ｍＣＭＰのモノマーについて、「オン時間」の例示的な分布を示し、実線は、指数関数的に当てはめられている。 図４２は、ｄ（Ｃ）_５、ｄ（Ａ）_５、ｄ（^ｍＣ）_５のポリマーについて、「オン時間」の例示的な分布を示し、実線は、指数関数的に当てはめられている。 図４３は、ｄＧＭＰ、ｄＣＭＰ、ｄＡＭＰ、ｄ^ｍＣＭＰのモノマーについて、「オフ時間」の例示的な分布を示し、実線は、指数関数的に当てはめられている。 図４４は、ｄ（Ｃ）_５、ｄ（Ａ）_５、ｄ（^ｍＣ）_５のポリマーについて、「オフ時間」の例示的な分布を示し、実線は、指数関数的に当てはめられている。 図４５は、ｄ（Ａ）_５について、０．１ｎＡ未満のスパイクの計測数の例示的な分布を示す。これらは、合計の約２０％であり、ｄＮＴＰまたはｄ（Ｃ）_５では観察されない。 図４６は、ｄ（^ｍＣ）_５について、０．１ｎＡ未満のスパイクの計測数の例示的な分布を示す。これらは、合計の約２０％であり、ｄＮＴＰまたはｄ（Ｃ）_５では観察されない。 図４７は、ベンズアミド表面（Ｒ：２−デオキシリボース ５−ホスフェートナトリウム塩、ＤＮＡ塩基を含まない）と相互作用するヌクレオシド−５’−モノホスフェート（Ａ、Ｃ、Ｇ、Ｔ、Ｒ）の例示的なＳＰＲセンサーグラムを示す。この線は、１：１の結合事象を記述するようにモデリングされた、割り当てられた曲線である。 図４８は、ｄＡＭＰを捕捉する４−メルカプトベンズアミド（４−ｍｅｒｃａｐｔｂｅｎｚａｍｉｄｅ）読み取り分子の対について、原子間力顕微鏡を用いて記録されるような、接着事象のヒストグラムを示す。図４８Ａは、ｄＡＭＰが存在しない状態で得られたコントロールを示し、ベンズアミド分子の間でほとんど接着事象が示されず、これはおそらく、水によって遮断されているからであろう。図４８Ｂは、１回目の洗浄の後のｄＡＭＰの接着を示す。図４８Ｃは、２回目の洗浄の後のｄＡＭＰの接着を示す。図４８Ｄは、３回目の洗浄の後のｄＡＭＰの接着を示す。図４８Ｅは、４回目の洗浄の後のｄＡＭＰの接着を示す。ｄＡＭＰを加えると、多くの接着事象が起こり、過剰量のｄＡＭＰが系から洗い流されるにつれて、増大していき（図４８Ｂ、Ｃ）、すすぎを続けるにつれて低下していく（図４８Ｄ、Ｅ）。 図４９は、相関関係Ｃの値が０．９である時間−工程に対する、例示的なシミュレーションされた移動（上側のパターン−黒色）と電流（下側のパターン−灰色）を示す。 図５０は、相関関係Ｃの値が０．９８である時間−工程に対する、例示的なシミュレーションされた移動（上側のパターン−黒色）と電流（下側のパターン−灰色）を示す。 図５１は、相関関係Ｃの値が０．９９である時間−工程に対する、例示的なシミュレーションされた移動（上側のパターン−黒色）と電流（下側のパターン−灰色）を示す。 図５２は、ホモポリマーから得られた信号の例示的な正規化された分布を示す。図５２Ａは、正規化された電流分布に対する当てはめを示す。図５２Ｂは、信号のバーストにおいて、多項式に当てはめられ、正規化されたスパイクの頻度を示す。分布に対する当てはめを利用し、特定のノイズのバースト（ｂｕｒｓｅ）がＡまたはＣに由来する確率を割り当てる（平均的な電流および頻度が、クロスオーバー点よりも上または下にある場合、「Ｉ_ＡＣ」および「ｆ_ＡＣ」と書かれている）。Ｃおよび^ｍＣの電流分布を分離した（クロスオーバー点＝「Ｉ_ｍＣ」）が、頻度の分布は重なっている。 図５３は、アデニン、チミン、シトシン、グアニンに対する４−メルカプトベンズアミドの例示的な水素結合態様を示す。 図５４は、ヘテロポリマー内にある１個の塩基を読み取って得られる例示的なデータを示す。５４Ｂは、トンネルノイズの例示的なバーストを示し、頻度が低く、振幅の大きなスパイクはＣで示し、一方、頻度が大きく、振幅が小さいスパイクはＡで示している。「^＊」が書かれているスパイクは、非特異的である。図５４Ｃは、スパイクの振幅の移動平均を示す（０．２５ｓのウインドウ、０．１２５ｓのステップ）。Ｃ塩基は、０．０１５ｎＡより小さい無視できる数のスパイクを作成する（直線）。図５４Ｄは、スパイク周波数の移動平均を示す。図５４Ｅは、信号がＡ（明るい灰色の線で示されている）またはＣ（濃い線で示されている）に由来する確率を示す。 図５５は、検体を含まず、ギャップが２０ｐＳ（ｉ＝１０ｐＡ、Ｖ＝＋０．５Ｖ）で、リン酸緩衝化食塩水中の官能基化されたトンネルギャップのトンネル信号を示す。この例は、ある程度のＡＣが、矢印によって指し示されているカップリングした線状のノイズを有する以外は、特徴のない信号を与えた。 図５６は、官能基化されたトンネルギャップのトンネル信号を示す。図５６Ｃ〜Ｆは、ヌクレオチドｄＡＭＰ（図５６Ｃ）、ｄＣＭＰ（図５６Ｄ）、ｄ^ｍＣＭＰ（図５６Ｅ）、ｄＧＭＰ（図５６Ｆ）が導入されたときに作られる特徴的な電流スパイクを示す（ｄＴＭＰは、この例では信号を与えなかった）。図５６Ｇ〜Ｊは、ｄＡＭＰ（図５６Ｇ）、ｄＣＭＰ（図５６Ｈ）、ｄ^ｍＣＭＰ（図５６Ｉ）、ｄＧＭＰ（図５６Ｊ）について、パルス高さの対応する分布を示す。図５６Ｇ〜Ｊの曲線は、電流の対数値の２種類のＧａｕｓｓｉａｎ分布に非常によく当てはまっている。 図５７は、トンネル信号を特性決定するのに用いられるパラメータを示す。スパイクは、局所的なノイズバックグラウンドの標準偏差の１．５倍の閾値を超えるスパイクの場合に計測される。信号は、バーストによって生じ（持続期間Ｔ_Ｂ、周波数ｆ_Ｂ）、それぞれ、周波数ｆ_Ｓに電流スパイクを含んでいる。スパイクは、ｔ_ｏｎの時期には高いままであり、ｔ_ｏｆｆの時期には低い。合計計測速度（図５６Ｇ〜Ｊを参照）は、時間測定によって分けられた全てのバーストのスパイク数である。 図５８は、構成要素であるヌクレオチドのトンネル信号分布と、オリゴマーからのトンネル信号分布がどの程度似ているかを示す。図５８Ａ、Ｃ、Ｅは、ｄ（Ａ）_５、ｄ（Ｃ）_５、ｄ（^ｍＣ）_５について、代表的な電流トレースを示し、図５８Ｂ、Ｄ、Ｆには、対応する分布が示されている。図５８Ｂ、Ｄ、Ｆの曲線は、構成要素であるヌクレオチドおよびオリゴマーヌクレオチドの両方への当てはまりを示す。この曲線は、互いに密に対応している。図５８ＧおよびＩは、混合オリゴマーｄ（ＡＣＡＣＡ）（図５８Ｇ）およびｄ（Ｃ^ｍＣＣ^ｍＣＣ）（図５８Ｉ）からの電流トレースを示し、対応する電流分布を含んでいる（図５８ＨおよびＪ）。図５８ＨおよびＪの実線の曲線は、ホモポリマーに合うようにスケール化されている。図５８Ｈでは、上側の点線の曲線は、Ａに帰属することを示し、下側の点線の曲線は、Ｃに帰属することを示す。図５８Ｊでは、上側の曲線は、^ｍＣに帰属することを示し、下側の曲線（電流（ｎＡ）軸の０．０２から始まる）は、Ｃに帰属することを示す。ホモポリマーパラメータによってデータが十分に記述されるが、ある種の中程度の信号（「１」と書かれている）および新しい高電流の特徴（「２」と書かれている）により、その配列関係が読み取りにわずかに影響を与えることが示される。図５８Ｇの上側のバーは、Ｃのような信号であることを示しており、一方、下側のバーは、Ａのような信号であることを示している。図５８Ｉの上側のバーは、Ｃのような信号であることを示しており、下側のバーは、^ｍＣのような信号であることを示している。 図５９は、読み取り複合体の寿命に関するデータを示す（寿命は、力がゼロの状態で数秒程度の桁数である）。図５９Ａは、ＡＦＭギャップの官能基化を示し、Ｓ字型の線は、３４ｎｍのＰＥＧリンカーをあらわす。図５９Ｂは、（ｉ）所定の時間に１個より多い分子が引っ張られ、力のベースラインは、それぞれの破壊後に復元せず、ｚ方向の伸長（先端の位置の補正）は約３４ｎｍであり、（ｉｉ）例示的なソフトウェア（Ａ．Ｆｕｈｒｍａｎｎ、ＰｈＤ Ｔｈｅｓｉｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ａｒｉｚｏｎａ Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ、２０１０に記載されるような）によって許容される種類の１分子曲線を示す、代表的な力曲線を示す。結合が破壊された後に力はベースラインに戻り、補正された伸長度は約３４ｎｍである。図５９Ｃは、示されている引っ張り速度での結合破壊力のヒストグラムを示す。この曲線は、異種結合モデルに対し、例示的な最大限のあり得そうな当てはめを示す。図５９Ｄは、結合モデルパラメータに対してプロットされた結合存続確率を示し（実線）、上から下まで５０００ｎｍ／ｓ、２０００ｎｍ／ｓ、５００ｎｍ／ｓ、２００ｎｍ／ｓである。これらの当てはめによって、力がゼロの状態でのオフ速度０．２８ｓ^−１が得られ、集合体は、ナノギャップの中で数秒間の単位で生き残り、溶液中よりも寿命がかなり長い（溶液結合測定の詳細は、図４７を参照）。 図６０は、本発明の一実施形態に係るチップを示す。このチップでは、導体の原子層（例えば、チップに開けられたナノ細孔を含む薄い（例えば、２ｎｍの）誘電層によって分離されたＴｉＮ）を堆積させることによって読み取り電極の対が作られている。認識分子（試薬）は、金属電極に共有結合によって連結し、電気誘導によって分子がギャップを進むにつれて、それぞれの塩基（または残基）の上に自己集積型の接点を生成し、非共有結合性相互作用を生成する。 図６１は、アデニン、チミン、シトシン、グアニンに対するイミダゾール−２−カルボキシアミドの例示的な水素結合の態様を示す。 図６２Ａおよび６２Ｂは、イミダゾール−２−カルボキシアミドで官能基化された電極で構成される固定されたギャップ内で、デオキシヌクレオチドを用いて測定された例示的な電流分布を示す。 図６３は、イミダゾール−２−カルボキシアミドで官能基化された電極と、ギャップが一定の状態で、表面を移動してもよいプローブとを備える例示的なデバイスを示す。 図６４は、ＤＮＡの読み取りが、ｄＣ_５のヌクレオチド電流分布（図６４Ａ）およびｄＡ_５のヌクレオチド電流分布（図６４Ｂ）と合うことを示す。 図６５は、固定されたギャップのためのＡＡＡＡＡオリゴマーの例示的な電流の読み取りを示す。 図６６は、固定されたギャップのためのＣＣＣＣＣオリゴマーの例示的な電流の読み取りを示す。 図６７は、固定されたギャップのためのｄ（^ｍＣ）_５オリゴマーの例示的な電流の読み取りを示す。 図６８は、トンネル電流をサーボ制御することによって可変性ギャップをほぼ一定の値に維持するためのｄ（ＣＣＣＣＣ）オリゴマーの例示的な電流の読み取りを示す。 図６９は、ｄＡ_５（上の傾き）およびｄＣ_５（下の傾き）について、信号バースト時間 対 往復走査速度の例示的なプロットを示し、傾きは約０．３ｎｍである。 図７０は、固定されたギャップのためのＡＣＡＣＡオリゴマーの例示的な電流の読み取りを示す。 図７１は、固定されたギャップのためのＣＣＡＣＣオリゴマーの例示的な電流の読み取りを示す。 図７２は、固定されたギャップのためのＣ^ｍＣＣ^ｍＣＣオリゴマーの例示的な電流の読み取りを示す。 図７３は、トンネル電流をサーボ制御することによって可変性ギャップをほぼ一定の値に維持するためのＡＣＡＣＡオリゴマーの例示的な電流の読み取りを示す。 図７４は、トンネル電流をサーボ制御することによって可変性ギャップをほぼ一定の値に維持するためのＣ^ｍＣＣ^ｍＣＣオリゴマーの例示的な電流の読み取りを示す。 図７５は、トンネル電流をサーボ制御することによって可変性ギャップをほぼ一定の値に維持するためのＧＴＣＧＴＣＧＴＣオリゴマーの例示的な電流の読み取りを示す。 図７６は、アミノ酸およびペプチド骨格のための例示的な認識分子（試薬）を示す。

発明の詳細な説明
本発明は、ポリマー単位および／またはポリマーを分析するための組成物、要素、デバイス、方法を提供する。分析することが可能な例示的なポリマー単位およびポリマーとしては、ヘテロポリマーおよび関連する単位が挙げられる。例えば、分析することが可能なポリマーとしては、ＤＮＡ、ＲＮＡ、多糖類、ペプチドが挙げられ、ポリマー単位としては、ポリマーのモノマー、ヌクレオチド、ヌクレオシド、アミノ酸、多糖類のモノマーが挙げられる。ある種の実施形態では、エピジェネティックマーク（例えば、メチル化されたＤＮＡおよび／またはＲＮＡ）を分析し、例えば、メチル化されていないＤＮＡ／ＲＮＡ単位と区別してもよい。

デバイスは、１つ以上の読み取り分子（試薬とも呼ばれる）で官能基化された２個以上の電極と、ポリマー単位および／またはポリマーが通過してもよいトンネルギャップとを備えている。電極上にある試薬は、ポリマーの単位と一時的な結合を生成することが可能である。一時的な化学結合または物理的な結合は、その単位がギャップの中にあるときに生成し、第１の電極と第２の電極との間の回路を完成させる。次いで、この生成した一時的な結合が検出可能な信号を導き出し、この信号を使用してポリマーを分析してもよい。

電極
上述の２個以上の電極は、任意の適切な材料から作られていてもよく、標的ポリマー単位と結合することが可能な試薬で官能基化されていてもよい。例えば、電極は、任意の導電性材料、例えば、金属、金属アロイ、金、白金、金アロイ、白金アロイ、炭素、カーボンナノチューブ、グラフェンまたは窒化チタンから作られてもよい。ある種の実施形態では、電極は、プローブと基材とを含む。電極は、当該技術分野で周知であるように、任意の適切な無機または有機の絶縁性材料、例えば、Ｓｉ_ｘＯ_−１ｘ、窒化ケイ素、金属酸化物を含む無機材料、またはポリエチレン、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチルなどのようなポリマーを含む有機材料などの間の表面または内部に作られるか、またはこれらの絶縁性材料で部分的に絶縁されていてもよい。絶縁性材料は、電流が流れるときに電極からバックグラウンドノイズが生じるのを防ぐような構成になっていてもよい。例えば、電極は、小さな先端または頂部以外はＨＤＰＥで完全に覆われていてもよい。別の実施形態では、電極は、絶縁層の間に埋め込まれており、ナノ細孔と接触する領域のみが露出していてもよい（図６０）。バイアスが０．５ボルト以下の場合、１平方ミクロン程度の大きさの部分を、無視できるほどのリーク電流で、１モル濃度までの塩溶液に露出させることができる。

読み取り試薬は、電極の「鋭敏化」に重要な役割を果たす。典型的な金電極は、１０ｎｍ以上のファセットが露出しているナノ結晶性組成物をもつ。したがって、１個の塩基のみと接触させることは不可能であると思われる。しかし、電極を官能基化すれば、容易に１塩基の解像度にすることができる。というのは、特定の分子の接触がここでトンネル電極として役立ち、金属表面上で鋭敏な十分に規定された表面粗さを作り出すからである。

試薬
電極は、１つ以上の試薬によって官能基化されている。電極は、同じ試薬で官能基化されていてもよく、試薬の組み合わせによって官能基化されていてもよく、または、別個の試薬で個々に官能基化されていてもよい。電極に結合し、標的ポリマー単位と一時的に結合することが可能な任意の適切な試薬を用いてもよい。

電極に対する標的ポリマー単位の結合を促進するために、望ましい電極の物質に依存して、標的ポリマー単位に結合することが可能な読み取り分子に種々の官能基を連結してもよい。適切な官能基としては、例えば、−ＳＨ、−ＮＨ_２、−Ｎ_３、−ＮＨＮＨ_２、−ＯＮＨ_２、−ＣＯＯＨ、−ＣＨＯ、アセチレン、ジチオカルバメート、ジチオカルボキシレートを挙げることができる。金属に対するジチオカルバメート結合は、金属のフェルミ準位とより近いレベルで分子レベルで整列させることによって、トンネル電流を大きく増大させる（Ｆｌｏｒｉａｎ ｖｏｎ Ｗｒｏｃｈｅｍ、Ｄｅｑｉｎｇ Ｇａｏ、Ｆｒａｎｋ Ｓｃｈｏｌｚ、Ｈｅｉｎｚ−Ｇｅｏｒｇ Ｎｏｔｈｏｆｅｒ、Ｇａｂｒｉｅｌｅ ＮｅｌｌｅｓおよびＪｕｒｉｎａ Ｍ．Ｗｅｓｓｅｌｓ、“Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｗｉｔｈ ｄｉｔｈｉｏｃａｒｂａｍａｔｅ−ｂａｓｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ”、Ｎａｔｕｒｅ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、２０１０年６月２０日を参照）。ある種の実施形態では、電極は、官能基に連結し、その後読み取り分子に結合することが可能となる。例えば、金属を用いる場合、電極が金ならば、試薬と電極とが共有結合しやすくなるように、チオール官能基をもつ試薬を使用してもよい。ジチオカルバメートを用いて、金、Ｐｔ、ＴｉＮに結合させてもよい。これらの基によって、金属と試薬との電気的なカップリングを高めることができる。グラフェンの縁は、カルボキシレート、カルボニル、エポキシドを有することが多いため、アミン化学を利用し、グラフェンの孔およびカーボンナノチューブの末端を官能基化してもよい。

試薬は、標的ポリマー単位と一時的な結合を生成することが可能であり（Ｊ．Ｈｅら、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２０、０７５１０２（２００９））、ヌクレオシドと一時的な結合を生成することが可能である（Ｓ．Ｃｈａｎｇら、Ｎａｔｕｒｅ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ４、２９７（２００９））。一時的な結合は、その結合によって、検出可能な電子信号を電極を介して検出することができるものであれば、物理的な結合、化学結合またはイオン結合であってもよい（Ｓ．Ｃｈａｎｇら、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２０、０７５１０２（２００９）；Ｍ．Ｈ．Ｌｅｅ、Ｏ．Ｆ．Ｓａｎｋｅｙ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｅ ７９、０５１９１１ １（２００９））。好ましい一時的な結合としては、水素結合が挙げられる。この場合、例示的な試薬は、水素供与基または水素受容基を含んでいてもよい。別の実施形態は、水または水系電解液中で一緒に押される芳香族環同士のπスタッキング相互作用である。

ＤＮＡおよび／またはＲＮＡに結合する例示的な試薬としては、メルカプト安息香酸、４−メルカプトベンズアミド、イミダゾール−２−カルボキシド、ジチオカルバメートイミダゾール−２−カルボキシド（４−カルバモイルフェニルジチオカルバメート（４−ｃａｒｂａｍｏｎｙｌｐｈｅｎｙｌｄｉｔｈｉｏｃａｒｂａｍａｔｅ）とも呼ばれる）が挙げられる。４−メルカプトベンズアミドには、２個の水素結合供与部位（窒素の上）と、１個の水素結合受容部位（カルボニル）が存在する。例えば、４種類のヌクレオチド塩基に対する同様の結合態様を図５３に示す。４種類のヌクレオチド塩基に対するイミダゾール−２−カルボキシアミドの同様の結合態様を図６１に示す。読み取り部中の芳香族環とＤＮＡ塩基中の芳香族環との間のπスタッキングを含むさらなる結合態様もあると考えられる。試薬は、種々の溶媒（例えば、有機溶媒、水または電解水溶液）中に存在する場合、１個以上の水素結合供与部および／または１個以上の水素結合受容部が存在するように配合されていてもよい。例えば、メルカプト安息香酸は、例えば、トリクロロベンゼンのような有機溶媒中で働き、一方、４−メルカプトベンズアミド（４−ｍｅｒｃａｔｏｂｅｎｚａｍｉｄｅ）、イミダゾール−２−カルボキシド、ジチオカルバメートイミダゾール−２−カルボキシドは、水系電解液中および水中で働く。これらの設計原理を具体化する多くの分子が読み取り部として機能するであろうことを注記すべきである。例えば、金電極またはＴｉＮ電極に連結するためにチオールで官能基化されたグアニンは、認識信号を作り出すだろう。

ある種の実施形態では、試薬は、電極と試薬の水素結合部分との間に架橋を生成する可とう性部分を含むような構成であってもよい。この架橋は、置換または非置換のアルキル鎖であってもよく、例えば、−（ＣＨ_２）_ｙ−であり、ｙは１〜５の整数である。例えば、電極に対して官能基化する場合、イミダゾール−２−カルボキシアミドは、電極に対してアミド部分を接続する−ＣＨ_２ＣＨ_２−架橋をもつ。この架橋によって、アミド部分は回転することができ、それによって、アデニン、シトシン、グアニン、チミンと異なる検出可能な様式で相互作用する。図６１を参照。

また、試薬は、ペプチドを分析するために、アミノ酸と一時的な結合を生成するような構成であってもよい。図１３は、アミノ酸の水素結合供与部位と水素結合受容部位の例を示す。アスパラギン、グルタミン酸、グルタミン、ヒスチジン（ｈｉｓｔａｄｉｎｅ）およびアルギニンにある２個以上の隣接する部位（「Ｄ」と書かれている供与部または「Ａ」と書かれている受容部）が利用可能である。リジン、セリン、トレオニン、チロシン、トリプトファンにある単一の部位を、ペプチド骨格に対しても水素結合を生成する試薬を用い、組み合わせて読み取ることができる。芳香族試薬は、πスタッキングによって、芳香族環をもつアミノ酸（ヒスチジン（ｈｉｓｔａｄｉｎｅ）、チロシン、プロリンおよびトリプトファン）を認識することができる。したがって、ペプチドを、本明細書に記載のデバイスおよび方法にしたがって分析してもよい。図７６は、ペプチド骨格を認識するための例示的な試薬、およびアミノ酸の側鎖を認識するための例示的な試薬を示す。

トンネルギャップ
ポリマー単位（例えば、ＤＮＡのヌクレオシドまたはタンパク質のアミノ酸）は、トンネルギャップを通って拡散しつつ検出されるか、または、電気泳動によってトンネルギャップを通って移動する。ギャップの幅は、固定されていてもよく、動的に調節可能であってもよい。ギャップは、好ましくは固定されている。ギャップは、２個の電極の間の空間を含む。ギャップは、それぞれの標的単位がギャップに適合するような大きさに調節される。ギャップは、幅が約０．５〜約６ｎｍ、例えば、約１〜約４ｎｍ、約１．５〜約３．５ｎｍ、約２〜約３ｎｍ、または約２〜約２．５ｎｍであってもよい。ギャップの幅は、使用する試薬、分析される標的ポリマー単位によって変わってもよい。４−メルカプトベンズアミドで官能基化された２個の電極の場合、ギャップは、約２〜約２．５ｎｍ、例えば、約２．１〜約２．２ｎｍ、または約２．１６ｎｍであってもよい（ギャップコンダクタンスが２０ｐＳである場合、典型的には、ＤＮＡの読み取りに用いられる）。イミダゾール−２−カルボキシアミドで官能基化された２個の電極の場合、ギャップは、約２．２〜約２．６ｎｍ、例えば、約２．３〜約２．５ｎｍ、約２．３５〜約２．４ｎｍ、または約２．３７ｎｍであってもよい（ギャップコンダクタンスが２０ｐＳである場合、典型的には、ＤＮＡの読み取りに用いられる）。ギャップの距離は、以下に記載するように決定されてもよい。図１は、１つの固定されたトンネルギャップ中で、４種類のＤＮＡヌクレオシドそれぞれと作られる独特の水素結合を示す。４−メルカプトベンゼンは、４種類のヌクレオシドそれぞれと水素結合を生成する。水素結合は円で囲まれており、「Ｓ」は、デオキシリボース糖部分をあらわす。これらの構造は、コンピュータシミュレーションによって作成され、４−メルカプトベンズアミドを有機溶媒中で用いたため、おそらく、実際の構造を非常によくあらわしている。水中で働く読み取り分子の場合、構造をモデル化する試みは、水分子との水素結合や、水が介在し、一緒に押し出してπスタッキング相互作用を生成する芳香族環の相互作用と競争するため複雑化する。

信頼性の高い読み取りを得るとき、ギャップの正確な大きさが重要となることがある。大部分の時間（または作られる信号の大部分）が、ギャップ内にポリマーの１個の単位のみが存在することによって生じるような大きさであるべきである。適切なギャップの幅は、ギャップを動的に調節することが可能なデバイスを用いることによって決定されてもよい。ある種の実施形態では、動的に調節可能なデバイスを用い、標的単位を分析してもよい。いずれの場合でも、ギャップの幅は、以下のように決定されるか、または設定されてもよい。電極は、特定のバイアスで、選択されたトンネル電流が得られるまで、共に近づけられる。例えば、０．５Ｖのバイアスで６ｐＡの電流は、１，２，４−トリクロロベンゼン中でトンネル現象を起こさせる場合、ギャップ２．５ｎｍに対応する。ギャップは、走査型トンネル顕微鏡法の分野で周知であるように、有効なサーボ制御を適用することによって維持される。ある特定の実施形態では、サーボ制御は、周波数の応答を１００Ｈｚ以下に制限する。

ただし、ギャップが十分に大きい状態に維持されると、バックグラウンドトンネル信号は、図２に示されるように、特徴がない。分子がギャップ内で結合する場合、トンネルギャップ内で一時的な電流スパイクが観察される（図４）。両方の電極を官能基化すると、それぞれのヌクレオシドに特徴的な電流で、電流ピークの狭い分布が観察される（図７Ｂ）。しかし、電流信号から特定のヌクレオシドを特定することは、その分布の高電流部分がテーリングしていることによって複雑化しており、このテーリングは、１個よりも多い標的分子がギャップ内で同時に結合していることによるものである。主要ピークの電流の２倍にあたる電流分布に第２のピークが生じることがある（図６）。ギャップを小さくするにつれて（ベースラインコンダクタンスまたは電流が増加するにつれて）、多くの箇所で電極に接触することが可能となり、複数分子が読み取られる相対的な頻度が大きくなる。この２分子読み取り頻度の増加を図７Ａに示す（この図は、ギャップが小さくなるにつれて、どのようにピーク電流が上がっていくかも示している）。したがって、ギャップを大きくすると、２つの悪い影響がある。第１に、ピーク電流が下がり（図７Ａに示されているように）、第２に、所与の濃度の標的に対する読み取り速度が下がる（図８）。

したがって、ある種の実施形態では、重要な要素は、（ａ）読み取りシステムに対し、所定の時間に１個の要素（すなわち、所定の時間に、ＤＮＡポリマーの１個の塩基）が存在するように標的ポリマーの位置を変えることができるようなナノ細孔を有する、可変性で制御可能なトンネルギャップを組み込むことと；（ｂ）ある様式または別の様式ですべての標的に結合する試薬を使用することとを含み、ギャップは、標的のための独特の結合形状がほんの数個しか存在しないような大きさに調節され、それによって、特徴的な信号が作られる。

ナノ細孔
ある種の実施形態では、デバイスには、１つ以上のナノ細孔が備わっていてもよく、このナノ細孔を通って、ポリマーは、分析のためにトンネルギャップに向けられてもよい。ナノ細孔は、所定の時間に、ポリマーの１個の単位がトンネルギャップに流れることができるような構成であってもよい。したがって、ＤＮＡを分析するためのナノ細孔は、ペプチドを分析するためのナノ細孔より小さくてもよい。

可変性のギャップを有するトンネル接合部について、このような実施形態を図９に示す。ギャップ自体の詳細は、図１０Ａ〜Ｆに示される。固定されたギャップデバイスの詳細は、図６０に示される。シークエンシング用ポリマー（例えば、ＤＮＡ）は、流体容器１（断面で示されている）の中に存在する。ポリマーを含有する流体は、ナノ細孔３の配列を通って流れるか、または、場合により、第１の容器１と第２の流体容器２との間に、基準電極４を用いて印加した電気泳動のバイアスＶ_ｅによってナノ細孔を流される。両方の容器を電解液（例えば、１Ｍ ＫＣｌ）で満たし、それに加え、標的ＤＮＡが一本鎖形態に維持されるように、容器１のｐＨを大きな値（ｐＨ＝１１または１２）に調節してもよい。電気信号からの変換の独立した照合が必要ではない場合、収集容器２中の電解溶液は、好ましくは、電気化学的な漏れが最低限になるように、小さくする（ｍＭ）。ある特定の実施形態では、ナノ細孔は導電性であり、ナノ細孔配列の上部にめっきされている電極５に接続している。この配列は、走査式トランスデューサ７（例えば、走査型プローブ顕微鏡の分野で周知のｘ、ｙ、ｚ走査要素）によって所定の位置に保持されている１個以上の第２の電極６によってプローブされてもよい。読み取り装置は、堅枠８を介してナノ細孔の配列に接続していてもよい。

トンネル接合部の例示的な図を図１０に示す。図１０Ａは、ＤＮＡが電気泳動によってナノ細孔１０１を移動し、ＤＮＡ分子がプローブ１０４とナノ細孔１０１の上部にある金電極またはＴｉＮ電極１０３の間を通るときに、金プローブが読み取る配置を示す。ナノ細孔１０１は断面で示されており、ケイ素、窒化ケイ素または二酸化ケイ素の基材１０２に開けられている。読み取り試薬１０５および１０６は、プローブ１０４および金属電極１０３に接続している。図１０Ｂの電子顕微鏡写真は、窒化ケイ素基材中のナノ細孔１０７が、金１０８の薄い（２０ｎｍ）層でコーティングされていることを示している。細孔を開けるという操作によって、金は細孔の周囲で再結晶化し、その結果、原子が規則的に並んだ鋭い棚状の金の突起１０９がナノ細孔の縁に突き出て、ポリマーの読み取り電極の１つを形成している。

図１０Ｃは、カーボンナノチューブ電極２０４を伴うプローブが、窒化ケイ素基材２０３に担持されているグラフェン基材２０２中のナノ細孔２０１の上に保持されている実施形態を示す。読み取り試薬２０５および２０６は、ＣＮＴ２０４およびグラフェンナノ細孔２０１の縁に接続している。図１０Ｄの電子顕微鏡写真は、ナノ細孔２０７がグラフェン多層２０８に開けられていることを示す。

図１０Ｅおよび１０Ｆは、絶縁体１２から突出している金属プローブ１３が、薄い金属電極５でコーティングされている誘電性基材１１を貫通して突き出ているカーボンナノチューブナノ細孔の配列（１個のナノ細孔に１０が書かれている）、この配列によってカーボンナノチューブが突き出ている、の上に保持されている実施形態を示す。このような配列は、Ｈｏｌｔら、Ｆａｓｔ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｕｂ−２−Ｎａｎｏｍｅｔｅｒ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ．Ｓｃｉｅｎｃｅ、２００６．３１２、ｐ．１０３４−１０３７（参考として組み込まれる）に記載されているように、ケイ素表面からナノチューブをＣＶＤ成長させ、次いで窒化ケイ素を充填し、その下にある担持部をエッチングして取り去ることによって加工されてもよい。例えば、プラズマエッチングによって残ったカーボンナノチューブ突出部を除去する前に、膜の上側には、接合部として作用する蒸発させたＡｕの層があってもよい（厚み１０〜１００ｎｍ）。ＤＮＡを電気泳動によってカーボンナノチューブの中を移動させることは、近年、Ｌｉｕら、Ｔｒａｎｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｓｔｒａｎｄｅｄ ＤＮＡ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ．Ｓｃｉｅｎｃｅ、２０１０、３２７、ｐ６４−６７によって示されており、これも参考として組み込まれる。プローブ６は、Ｎａｇａｈａｒａら、Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＳＴＭ Ｔｉｐｓ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｔｕｄｉｅｓ．Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．、１９８９．６０、ｐ．３１２８−３１３０に記載されるように、頂部に少しだけ（数平方ミクロン）１３が露出した状態で、絶縁体１２の層で覆われていてもよい。これにより、電解溶液内で電気化学的なリーク電流が生じるのが最低限になる。

ある種の実施形態では、上述の要素は、例えば、図６０に示されているように、マイクロアレイまたはチップの構造であってもよい。ここで、担持材料３０２（ケイ素、酸化ケイ素または窒化ケイ素）は、薄い金属電極３０３（例えば、原子層堆積法によって堆積したＴｉＮ）でコーティングされ、次いで、使用する読み取り試薬に最適になるように選ばれた厚み３０８の誘電体層３０４で覆われている。本明細書に記載するほとんどの試薬の場合、この厚みは、１．５〜３ｎｍである。第２の電極３０５が堆積しており、最終的な誘電層３０９で覆われている。ナノ細孔３０１は、デバイス全体を貫通するように開けられており（当該技術分野で周知の電子ビームを用いることによって）、露出した金属電極表面は、読み取り試薬３０６および３０７で官能基化されている。

金属電極は、任意の従来からある方法によってナノ細孔の周りに形成されてもよい。例えば、集束イオンビームによる化学蒸着法によって、窒化ケイ素膜に形成されたナノ細孔にＰｔを堆積させてもよい。金属（例えば、ＴｉＮ）も、原子層蒸着法または化学気相成長法によって堆積させ、その後に孔をエッチングするか、孔を作成してもよい。また、まず、膜（例えば、ＳｉＮ、ＳｉまたはＳｉＯ_２）を金属でコーティングし、その後に孔を開けてもよい。

また、本質的に導電性の物質であるグラフェンを、ナノ細孔を有する電極として用いてもよい。グラフェンの場合、グラフェンに細孔を開けてもよい。例えば、４８ｋｂｐまでの長いオリゴマーの場合、グラフェンの細孔の移動を使用してもよい。グラフェンを用いる場合、細孔の縁のみを官能基化することが可能である。

ナノ細孔のためにカーボンナノチューブを使用する例示的なトンネルギャップを図１１に示す。プローブを基材から取り外してもよく、そのため、基材およびプローブを異なる試薬で官能基化することが可能である。ある特定の実施形態では、プローブ（金または白金、または白金アロイ）は、水溶液中で水素結合供与部と水素結合受容部とが存在する試薬である４−メルカプトベンズカルバミド２１で官能基化されている。カーボンナノチューブ１０の末端は、好ましくは、当該技術分野で周知のように、アミド結合（示されていない）を用いてカルバミド部分２２で官能基化されていてもよい。Ｆｅｌｄｍａｎ，Ａ．Ｋ．、Ｍ．Ｌ．Ｓｔｅｉｇｅｒｗａｌｄ、Ｘ．ＧｕｏおよびＣ．Ｎｕｃｋｏｌｌｓ、Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ．Ａｃｃ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．、２００８．４１：ｐ．１７３１−１７４１を参照。

移動速度の制御
読み取り試薬で官能基化された読み取りギャップを使用することのさらなる利点は、実施例１３に記載されるように、ギャップ内に塩基が結合している時間が本質的に長いことである。ナノ細孔がかかえる主な問題は、熱揺らぎに打ち勝つほど十分に大きいバイアスを細孔にかけると、ＤＮＡが高速で移動してしまうことである。ＤＮＡは、数百万塩基／秒の速度で移動し、この速度は、実用的な（ｐｒｏａｃｔｉｃａｌ）読み出しスキームにとって速すぎる。この問題は、Ｂｒａｎｔｏｎら、Ｎａｔｕｒｅ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｖｏｌｕｍｅ ２８、ｐｐ１１４６−１１５３、２００８に記載されている。ＤＮＡ塩基と結合する分子で電極が官能基化されている場合、１個の塩基を、数秒間までの間捕捉されたままにすることができる。図５９に示されている原子間力顕微鏡データの詳細な分析（Ｈｕａｎｇら、Ｎａｔｕｒｅ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖｏｌ ５、ｐｐ８６８−８７３、２０１０）は、読み取り試薬で官能基化されたナノ細孔を通るＤＮＡの速度を上げるには、わずかな力を加えるだけでよいことを示している。例えば、図５９のデータを使用し、ナノ細孔に８０ｍＶのバイアスをかけると、ＤＮＡが、１０塩基／秒の速度で移動することが示され、この速度は、１２０ｍＶでは１００塩基／秒を超える値まで増える。

ポリマーの分析
本発明の化合物、要素、デバイス、方法を用いて、ポリマーを分析してもよい。ある特定の操作方法では、図９の電源Ｖ_ｔを用いることによって、例えば、約０．１〜１Ｖ、例えば、約０．３〜０．７Ｖ、または約０．５Ｖ（Ｖ_ｔ）のバイアスを電極に印加してもよい。プローブとナノ細孔の間のギャップは、望ましい設定電流に達するまで、トランスデューサ（図９の７）によって調節される。望ましい設定電流は、約１〜１０ｐＡ、例えば、約３〜６ｐＡであってもよい。例えば、移動バイアス（Ｖ_ｅ）を印加し、カーボンナノチューブを通るＤＮＡの移動を作り出してもよい。Ｖ_ｅの好ましい値は、０．１〜１Ｖである。

ある種の実施形態では、トランスデューサ７の横方向の走査動作を用いて、片方の電極（例えば、プローブ）を、表面の上を移動させ、ＤＮＡを首尾良く移動させるナノ細孔の位置決めをし、トンネル信号の識別が最大限になるようにギャップを調節してもよい。好ましい初期値（例えば、０．５Ｖで６ｐＡの電流）になるようにギャップを設定し、４種類のヌクレオシドからの信号の分離が最適になるようにバックグラウンドトンネル電流を少し調節してもよい。

ポリマーを分析するときに好ましいさらなる要素は、（ａ）速いデータのスパイクを除くこと（持続時間４０μｓ未満）；（ｂ）データの０．３秒ブロックでノイズレベルより１〜２上の標準偏差に閾値を設定し、自動的にピークを検出；（ｃ）周波数応答が３５Ｈｚより速くならないように、バックグラウンド電流信号を維持するサーボゲインの調節；（ｄ）データを獲得しているときはサーボをオフにする手段である。ギャップの平均的な大きさを制御するサーボをデータ獲得中に残しておくと、望ましい配列決定信号に応答して、サーボがギャップを調節してしまうので、データがゆがめられてしまう。例えば、サーボをオンにした状態で図６８、７３、７４のトレースを得た（すぐ上に記載した通り、応答時間をゆっくりにした状態）。ギャップを固定して（サーボ制御を行わず）図７０、７１および７２のトレースを得た。信号はかなり解釈しやすくなる。ギャップを変えることが可能な装置では、最適な配置は、ＤＮＡが存在しない状態でバックグラウンド信号によってサンプルを整列させ、サーボを用いてギャップを安定化させ、次いで、サーボをオフにしてデータを獲得することであり、ギャップを再設定すると、ＤＮＡ信号が止まる。

ある特定の実施形態では、電流信号は、信号の持続時間に基づいて選択され、バックグラウンドの上にあるピークを認識するためのベースラインを確立するために、０．５秒以下の間隔でバックグラウンド電流の数値を合わせる。

本発明のさらなる利点は、必要な場合、標的群からの信号を最適化するためにギャップを調節し、小さな距離（１０個分の炭素−炭素結合までの距離）離れた、水素結合供与部および／または水素結合受容部（および／または、πスタッキングが可能な芳香族環）が存在する任意の標的をこのスキームで読み取ることができることであると理解されるだろう。

両電極を作成するカーボンナノチューブ
他の実施形態では、カーボンナノチューブを用い、図１２に示されるような両電極を作成してもよい。ポリマーの配列を決定するための電極としてのカーボンナノチューブは、第６１／０８３，９９３号（「Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ｂａｓｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ」）に記載されており、本明細書に参考として組み込まれる。Ｌｉｕら、Ｔｒａｎｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｓｔｒａｎｄｅｄ ＤＮＡ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ．Ｓｃｉｅｎｃｅ、２０１０、３２７、ｐ６４−６７、さらに、第６１／０８３，９９３号（「Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ｂａｓｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ」）に記載されているように、ＤＮＡは、ケイ素ウエハの表面に構築されたデバイスを用いて、カーボンナノチューブ３０の中の小さなギャップを通って移動する（図１２を参照）。酸素プラズマエッチングに対するレジストバリア３５の開口部分を短時間露出させた後、トランスデューサ３６を用いて、ギャップの上にある固定された点３７に対して薄膜３４を押し上げてデバイスを曲げることによって、ＣＮＴに非常に小さな切れ目を作成し、その片側に移動させてもよい。切れ目のついたカーボンナノチューブを曲げると、それが破壊され、管が存在する基材がさらに曲がっていくと、ギャップの程度は大きくなる。開口したギャップの大きさは、片方の電極（３１ａ）から別の電極（３１ｂ）まで流れるトンネル電流を用いることによって測定される。望ましいギャップの大きさ（２〜２．５ｎｍ）が得られたら、ＣＮＴの末端を上述の様なカルバミド基３２で官能基化する。

ある特定の方法では、ＤＮＡがギャップ３０を移動し、トランスデューサ３６は、塩基からのトンネル電流信号の分離を最適化するように調節され、電極３１ａおよび３１ｂにカルバミド基を結合することによってギャップが広がる。

実施例１．材料の合成および特性決定
１．１ 材料および方法
プロトンＮＭＲ（^１Ｈ）スペクトルをＶａｒｉａｎ ５００ＭＨｚ分光計で記録した。クロロホルム中の^１Ｈ化学シフトは、溶媒ピーク（δ_Ｈ＝７．２６ｐｐｍ）をリファレンスとした。高解像度質量スペクトル（ＨＲＭＳ）を、大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）技術を用いて記録した。ＵＶ吸収を、Ｖａｒｉａｎ Ｃａｒｙ ３００ ＵＶ分光光度計で記録した。フラッシュクロマトグラフィーを、自動化フラッシュクロマトグラフィー（Ｔｅｌｅｄｙｎｅ Ｉｓｃｏ，Ｉｎｃ．ＣｏｍｂｉＦｌａｓｈ Ｒｆ）を用いて実施した。全ての化学試薬は、商業的な供給業者から購入し、他の記述がされていない場合には、受領したままの状態で使用した。２’−デオキシアデノシンおよび２’−デオキシグアノシンは、ＴＣＩ Ａｍｅｒｉｃａから購入し、チミジンはＡｌｆａ Ａｅｓａｒから、２’−デオキシシチジンはＳｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈから購入した。Ｓｕｒｅ／Ｓｅａｌ^ＴＭ瓶に入った無水Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）は、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈから購入した。１，２，４−トリクロロベンゼン（ＴＣＢ、９９％、Ａｌｄｒｉｃｈ）は、窒素下、モレキュラーシーブ（４Å）で乾燥させ、次いで、濾過した後に減圧状態で蒸留した。それ以外の全ての溶媒は、受領したままの状態で使用した。

１．２ ヌクレオシドのビス（ｔｅｒｔ−ブチルジメチルシリル）（ＴＢＤＭＳ）誘導体（図１４を参照）を調製する一般的な手順
（Ｄ．Ａ．Ｂａｒａｗｋａｒ、Ｒ．Ｋ．Ｋｕｍａｒ、Ｋ．Ｎ．Ｇａｎｅｓｈ、Ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ Ｌｅｔｔｅｒｓ ４８、８５０５（１９９２）；Ｗ．Ｚｈａｎｇ、Ｒ．Ｒｉｅｇｅｒ、Ｃ．Ｉｄｅｎ、Ｆ．Ｊｏｈｎｓｏｎ、Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．Ｔｏｘｉｃｏｌ．８、１４８（１９９６）；Ｐ．Ｐｏｔｉｅｒ、Ａ．Ａｂｄｅｎｎａｊｉ、Ｊ．Ｐ．Ｂｅｈｒ、Ｃｈｅｍ．Ｅｕｒ．Ｊ．６、４１８８（２０００）を参照。

乾燥ヌクレオシド（１．０ｍｍｏｌ）、ジメチルアミノピリジン（ｄｉｍｅｔｈｙｌ ａｍｉｎｏｐｒｉｄｉｎｅ）（ＤＭＡＰ、０．１５ｍｍｏｌ）およびイミダゾール（６ｍｍｏｌ）の無水ＤＭＦ（１０ｍＬ）溶液に、ｔｅｒｔ−ブチルジメチルシリルクロリド（ＴＢＤＭＳＣｌ、２．５ｍｍｏｌ）を加えた。反応混合物を窒素下、室温で一晩撹拌した後、飽和ＮａＨＣＯ_３水溶液でクエンチし、ジクロロメタンで抽出した。有機層を合わせて濃縮し、ＣＨ_２Ｃｌ_２−ＣＨ_３ＯＨの勾配が１００：０〜１００：５の溶出液を用いて、シリカゲルフラッシュクロマトグラフィーで残渣を精製した。

３’，５’−ビス−Ｏ−（ｔｅｒｔ−ブチルジメチルシリル）−デオキシアデノシン（１）：収率８０％。
^１Ｈ ＮＭＲ （５００ ＭＨｚ， ＣＤＣｌ_３）： δ ８．２９ （ｓ， １ Ｈ， ２−Ｈ）， ８．０９ （ｓ， １ Ｈ， ８−Ｈ）， ６．６５ （ｂｒ ｓ， ２ Ｈ， ＮＨ_２）， ６．４１ （ｔ， １ Ｈ， １’−Ｈ）， ４．５６ （ｄｄ， １ Ｈ， ３’−Ｈ）， ３．９６ （ｄ， １Ｈ， ４’−Ｈ）， ３．８２ （ｄｄ， １ Ｈ， ５’−Ｈ）， ３．７２ （ｄｄ， １ Ｈ， ５’’−Ｈ）， ２．５９ （ｍ， １ Ｈ， ２’−Ｈ）， ２．３９ （ｍ， １ Ｈ， ２’’−Ｈ）， ０．８６ （ｓ， １８ Ｈ， （ＣＨ_３）_３ＣＳｉ ）， ０．０５ （ｓ， ６ Ｈ， ＣＨ_３ＳｉＯ） ， ０．０３ （ｓ， ６ Ｈ， ＣＨ_３ＳｉＯ）．
ＨＲＭＳ（ＡＰＣＩ）：Ｃ_２２Ｈ_４１Ｎ_５Ｏ_３Ｓｉ_２＋Ｈとして計算値４８０．２８２６；実測値４８０．２８１８。

３’，５’−ビス−Ｏ−（ｔｅｒｔ−ブチルジメチルシリル）−デオキシシチジン（２）：収率１７％。
^１Ｈ ＮＭＲ （５００ ＭＨｚ， ＣＤＣｌ_３） δ ８．０７ （ｄ， １ Ｈ， ６−Ｈ）， ７．１４ （ｂｒ ｓ， ２Ｈ， ＮＨ_２）， ６．２４ （ｔ， １ Ｈ， １’−Ｈ）， ５．８４ （ｄ， １ Ｈ， ５−Ｈ）， ４．３８ （ｍ， １ Ｈ， ３’−Ｈ）， ３．９２ （ｍ， ２ Ｈ， ５’−Ｈ）， ３．７７ （ｍ， １ Ｈ， ４’−Ｈ）， ２．４２ （ｍ， １ Ｈ， ２’−Ｈ）， ２．０８ （ｍ， １ Ｈ， ２’’−Ｈ）， ０．９２ （ｓ， ９ Ｈ， （ＣＨ_３）_３ＣＳｉ）， ０．８８ （ｓ， ９ Ｈ， （ＣＨ_３）_３ＣＳｉ） ）， ０．１１ （ｓ， ３ Ｈ， ＣＨ_３ＳｉＯ） ０．１０ （ｓ， ３ Ｈ， ＣＨ_３ＳｉＯ）， ０．０７ （ｓ， ３ Ｈ， ＣＨ_３ＳｉＯ） ０．０６ （ｓ， ３ Ｈ， ＣＨ_３ＳｉＯ）．
ＨＲＭＳ（ＡＰＣＩ）：Ｃ_２１Ｈ_４１Ｎ_３Ｏ_４Ｓｉ_２＋Ｈとして計算値４５６．２７１４；実測値４５６．２７２２。

３’，５’−ビス−Ｏ−（ｔｅｒｔ−ブチルジメチルシリル）−デオキシグアノシン（３）：クロマトグラフィーから得た粗生成物をエタノール（９５％）中で再結晶させることによってさらに精製した。収率２１％。
^１Ｈ ＮＭＲ （５００ ＭＨｚ， ＣＤＣｌ_３） δ １３．１０ （ｂｒ ｓ， １ Ｈ， ＮＨ）， ７．８９ （ｓ， １ Ｈ， ８−Ｈ）， ７．１１ （ｂｒ ｓ， ２ Ｈ， ＮＨ_２）， ６．２６ （ｔ， １ Ｈ， １’−Ｈ）， ４．５７ （ｔ， １ Ｈ， ３’−Ｈ）， ３．９７ （ｔ， １ Ｈ， ４’−Ｈ）， ３．８１ （ｍ， １ Ｈ， ５’−Ｈ）， ３．７７ （ｍ， １ Ｈ， ５’’−Ｈ）， ２．５１ （ｍ， １ Ｈ， ２’−Ｈ）， ２．３７ （ｍ， １ Ｈ， ２’’−Ｈ）， ０．９１ （ｓ， ９ Ｈ， （ＣＨ_３）_３ＣＳｉ）， ０．９０ （ｓ， ９ Ｈ， （ＣＨ_３）_３ＣＳｉ） ）， ０．１０ （ｓ， ６ Ｈ， ＣＨ_３ＳｉＯ） ０．０７ （ｓ， ６ Ｈ， ＣＨ_３ＳｉＯ）．
ＨＲＭＳ：（ＡＰＣＩ）Ｃ_２２Ｈ_４１Ｎ_５Ｏ_４Ｓｉ_２＋Ｈとして計算値４９６．２７７５；実測値４９６．２７６７。

３’，５’−ビス−Ｏ−（ｔｅｒｔ−ブチルジメチルシリル）−チミジン（４）：収率８３％。
^１Ｈ ＮＭＲ （５００ ＭＨｚ， ＣＤＣｌ_３） δ ９．７８ （ｂｒ ｓ， １ Ｈ， ＮＨ）， ７．４０ （ｓ， １ Ｈ， ６−Ｈ）， ６．２７ （ｔ， １ Ｈ， １’−Ｈ）， ４．３３ （ｔ， １ Ｈ， ３’−Ｈ）， ３．８５ （ｔ， １ Ｈ， ４’−Ｈ）， ３．８０ （ｄｄ， １ Ｈ， ５’−Ｈ）， ３．６９ （ｄｄ， １ Ｈ， ５’’−Ｈ）， ２．１８ （ｍ， １ Ｈ， ２’−Ｈ）， １．９３ （ｍ， １ Ｈ， ２’’−Ｈ）， １．８４ （ｓ， ３ Ｈ， ５−ＣＨ_３）， ０．８５ （ｓ， ９ Ｈ， （ＣＨ_３）_３ＣＳｉ）， ０．８２ （ｓ， ９ Ｈ， （ＣＨ_３）_３ＣＳｉ））， ０．０４ （ｓ， ６Ｈ， ＣＨ_３ＳｉＯ） ０．００ （ｓ， ６Ｈ， ＣＨ_３ＳｉＯ）．
ＨＲＭＳ：（ＡＰＣＩ）Ｃ_２２Ｈ_４２Ｎ_２Ｏ_５Ｓｉ_２＋Ｈとして計算値４７１．２７１１；実測値４７１．２７１２。

１．３ ストック溶液の調製
ｔｅｒｔ−ブチルジメチルシリル（ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｙｌ）基によって保護されたヒドロキシル基をもつヌクレオシド（ｄＡ、ｄＧ、ｄＴ、ｄＣ）の飽和溶液（１．０ｍｇ）を、新しく蒸留した１，２，４−トリクロロベンゼン（２０ｍｌ）に加え、超音波浴で１０分間超音波処理した。この溶液を濾紙（１番、Ｗｈａｔｍａｎ）で濾過し、グローブボックス（水分は０．５ｐｐｍ未満、酸素は０．５ｐｐｍ未満）内で保存した。このストック溶液をＴＣＢで希釈することによって作業用溶液を調製した。

１．４ ストック溶液の濃度
ＴＣＢのＵＶ吸収はヌクレオシドのＵＶ吸収と重なってしまうため、溶媒を交換することによってストック溶液の濃度を決定した。一定分量のストック溶液（１ｍｌ）から、８０℃、真空下でＴＣＢを除去し、残渣を同じ容積のクロロホルムに再び溶解し、ＵＶ吸収を測定して濃度を決定した。

クロロホルム中での全ヌクレオシド誘導体のＵＶ吸光係数は、それぞれ一連のｄＡ、ｄＧ、ｄＴ、ｄＣ希釈物を用いて、最大吸収波長で決定した。希釈ファクターは、３．５から２００までさまざまであった。曲線の当てはめは、Ｏｒｉｇｉｎ ８で行った。得られたストック溶液の濃度を以下の表に列挙している。

表１．ＴＣＢストック溶液中のヌクレオシド飽和濃度。最終行には、トンネル現象の測定で使用した最終濃度を列挙している（各ヌクレオシドについて、ほぼ等しい読み取り速度が得られる濃度）

実施例２：プローブおよび表面の調製および特性決定
金（Ｓ．Ｃｈａｎｇら、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２０、０７５１０２（２００９））（Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ、直径０．２５ｍｍ、純度９９．９９９％）およびＰｔ（Ｉｒ ２０％）（Ｌ．Ａ．Ｎａｇａｈａｒａ、Ｔ．Ｔｈｕｎｄａｔ、Ｓ．Ｍ．Ｌｉｎｄｓａｙ、Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．６０、３１２８（１９８９））のプローブをエッチングし、表面を調製し（Ｊ．Ａ．ＤｅＲｏｓｅ、Ｔ．Ｔｈｕｎｄａｔ、Ｌ．Ａ．Ｎａｇａｈａｒａ、Ｓ．Ｍ．Ｌｉｎｄｓａｙ、Ｓｕｒｆ．Ｓｃｉ．２５６ １０２（１９９１））、水素炎でアニーリングした。

安息香酸０．３ｍｇを、アルゴンで脱気したＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ、純度＞９９．９９％）２ｍＬに溶解した。基材をこの溶液に２時間浸した後、すぐに水素炎でアニーリングし、次いで、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、アセトン、１，２，４−トリクロロベンゼン（１，２，４−ｔｒｉｃｈｌｒｏｂｅｎｚｅｎｅ）ですすぎ、使用前にＮ_２を流して乾燥させた。

修飾する前に、プローブをｐｉｒａｎｈａ（Ｈ_２ＳＯ_４／３０％ Ｈ_２Ｏ_２（３：１）−熱および酸素を発するので、注意深く処理せよ）で洗浄した。次いで、プローブを１ｍＭ安息香酸溶液に一晩浸し、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、アセトン、１，２，４−トリクロロベンゼン（１，２，４−ｔｒｉｃｈｌｒｏｂｅｎｚｅｎｅ）で洗浄し、使用前に風をあてて乾燥させた。全ての測定は、新しく調製した純粋な溶媒中またはヌクレオシド溶液中で行った。

偏光解析法ＳＴＭ（Ａ．Ｈ．Ｓｃｈａｅｆｅｒ、Ｃ．Ｓｅｉｄｅｌ、Ｌ．Ｃｈｉ、Ｈ．Ｆｕｃｈｓ、Ａｄｖ．Ｍａｔ．１０、８３９（１９９８））およびＦＴＩＲ（Ｓ．Ｅ．Ｃｒｅａｇｅｒ、Ｃ．Ｍ．Ｓｔｅｉｇｅｒ、Ｌａｎｇｍｕｉｒ １１、１８５２（１９９５））によって表面の特性を決定した。ＦＴＩＲスペクトルは、明らかに、安息香酸部分が露出しており、中性形態であることを示している。バックグラウンドトンネル信号を測定し、図２に示した。

２．１ 分極電流および電気化学的な漏れ
ピーク電流の絶対値は、以下のように、電気化学的な漏れによって影響を受ける。表面から遠く離れたプローブを用いて測定したバックグラウンドリーク電流を引いた後に、トンネル電流を設定する。この値がかなりの値（数十ｐＡ〜数百ｐＡ）である場合、プローブが絶縁されていなくても（その結果、表面全体で漏れが発生する）、プローブを表面に近づけたとき、プローブの頂部周囲で拡散速度が変わるため、漏れがさらに変化することがあり得る（ｐＡレベルで）。したがって、表面から遠く離れたプローブを用いた漏れを適用して補正すると、表面に近いプローブを用いた漏れを過剰に補正してしまうことがあり得る。その結果、見かけのトンネル電流は過大評価されてしまい、あるヌクレオシド溶液と、別のヌクレオシド溶液とで漏れが異なる場合、ヌクレオシドごとの実際の設定点が変わってしまう。この影響は、飽和濃度でのｄＣおよびｄＧのピークの見かけの桁数を変えてしまう程大きい（表１）。表１に示される作業濃度まで希釈すると、バイアス０．５Ｖでのリーク電流は、１．０〜２ｐＡ（ｄＡ）、０．０〜１．０ｐＡ（ｄＴ）、０．３〜１ｐＡ（ｄＧ）であった。ｄＣ（０．８μＭ）の場合、初期は１５ｐＡの電流が観察されたが、上の溶液に１時間さらした後、電流は数ｐＡまで下がった。これらのバックグラウンドを、本明細書で報告するベースライントンネル電流から引いた。単一のヌクレオシドのデータと、混合物のデータとの間の類似性によって明らかなように、顕著な誤差は生じないと思われる。ｄＴ、ｄＧ、ｄＣの生データの例は、図１５に見い出すことができる。

２．２ ＳＴＭサーボゲイン
サーボの周波数応答は、サーボを適用していない場合（図１６Ａ）と、適用している場合（図１６Ｂ）の１／ｆノイズプロットを比較することによって決定された。

電流のトレースをフーリエ変換し、以下にしたがってスペクトル密度として示した

式中、ｎは、周波数チャネル番号である（Δｔ＝２０μｓ、Ｎ＝５００００）。図１６Ａの実線は、１／ｆに当てはめたものである。閉じたサーボループを用いると（図１６Ｂ）、ノイズデータは、２８ｍｓの応答時間に対応し、３５Ｈｚ未満に抑えられる。この時間は、全てのパルスをゆがめるには十分ではないが、最も長いパルスをゆがめるのには十分に長い（図１５の図内挿入図の長いパルスは、測定したサーボ応答と一致して、ピーク電流のレベルを少し減らしていることが示されている）。

２．３ 自動的なピーク検出
高速化し、操作者による偏りをなくすために、データの分析を自動化した。ある操作者がこのプロセスに入力するのは、極端にノイズの多いバックグラウンド（コンタミネーションの特徴）がみられた場合、プローブを基材のもっと静かな領域に移動させることであった。

この原理の課題は、サーボによって完全には補正されなかったバックグラウンド電流で、低い周波数での不安定さである。ピークを許容するための閾値を小さい値に固定して使用すると、この閾値よりも上の非常に小さいベースライン変動でさえ、大量の偽の計測数を生じてしまった。この問題を以下のように克服した。

電流−時間データ（５０ｋＨｚで得た）を０．３ｓのブロックに分けた。ブロック内の振幅をビニングし、データの下側半分をＧａｕｓｓｉａｎに当てはめ、Ｇａｕｓｓｉａｎの平均値が望ましいベースライン電流と等しいことをプログラムで確認した。ＧａｕｓｓｉａｎのＨＷＨＨを用いて、ベースラインノイズのＳＤ、σを決定した。閾値をデータ操作０．３ｓ以内のノイズの２σ上に設定することによって、ここに示したデータを分析した。ノイズレベルは操作継続時間によって変わるため、この可変性閾値は、結果として可変性のカットオフ値となり、データを集めたときに、最も低い電流の読み取りでは分布の形状が変わってしまうことがある（すなわち、ｄＴの場合で、片方の電極が官能基化されていないものを用いて得たデータ）。操作時間３０ｓ（すなわち、１００個の０．３ｓセグメント）でのデータのカットオフ値（ｄＴ、４．３μＭ、Ｇ_ｂｌ＝１２ｐＳ Ｖ＝０．５Ｖ）の３つの選択の影響を図１７に示す。

非常に短いパルス（装置の解像限界にある）は、データを支配することがあるが、ヌクレオシドの属性には感受性ではないようである。したがって、たった１個のスパイク（２０μｓ）または２個のデータ点の継続（４０μｓ）の全てのスパイクを除外した。スパイクの持続期間の分布は、図２７〜図２９に与えられている。

２．４ 未官能基化電極を用いて得られたデータ
未官能基化電極を用いて得られたデータを図１８および１９に示す。図１８および１９は、分布が非対称であることを示す。本願発明者らは、分子形状がランダムに分布しており、トンネル電流は、所定の位置での変化に対し、指数関数的に感受性であると想定している。したがって、本願発明者らは、電流の対数値にＧａｕｓｓｉａｎ分布を使用した。

式ＩＩに示される式は、図１８および１９に曲線で示されるように、データとよく一致している。データの適合の質は、図２０に示されるように、図１９Ａから得たデータのｌｏｇ−ｌｏｇプロットを用いて示される。曲線は放物線である。

表２：ピーク電流（Ｉ_ｐ）、分布の高電流側の幅（Ｉ_０．５ ^＋）、未官能基化金電極を通る４種類のヌクレオシドの読み取り速度（ＲＲ）を、コンダクタンス２０ｐＳおよび４０ｐＳ（バイアス＝０．５Ｖ）で設定する。

Ｇａｕｓｓｉａｎへの当てはめと、Ｇａｕｓｓｉａｎ ｌｏｇへの当てはめの差は、官能基化されたプローブを用いて測定した狭い分布ではそれほど顕著ではなかったが、Ｇａｕｓｓｉａｎ ｌｏｇ関数に当てはめた方が、Ｇａｕｓｓｉａｎに当てはめるよりも明らかに良かった。ほとんどのデータを２種類のＧａｕｓｓｉａｎの合計に当てはめ、第２のピークを、第１の電流ピークの２倍の位置を中心とした。

より分布が狭い場合、ＨＷＨＨは、

によって概算値が与えられる。

２．５ ヌクレオシド混合溶液のデータ
ヌクレオシド混合溶液のデータを図２１に与えている。混合した膜を用いた読み取りはある程度不均一であり、このことは、表面が相分離していることを示していた。６箇所の異なる点で表面をサンプリングし、データを加えることによって、図３Ｆおよび図３Ｈ、図５Ｃおよび図２１に示されている分布を得た。ｄＡ：ｄＧのバルク濃度比が０．２４である場合（表１）、測定したピーク面積の比率は０．６であり、ｄＡがｄＧよりも高い親和性で表面に結合していることを示唆している。バルク濃度比をｄＡ／ｄＧ＝０．１２に変えると、ピーク面積の比率はたった０．４まで下がり、この混合物の吸着等温線が複雑であることを示している。

ｄＴ：ｄＣのバルク濃度比が０．１９である場合（表１）、それぞれのピークの面積比は、表面濃度比が１．１であることを示しており、ｄＣは、この表面にきわめて大きな親和性を有することを示唆している。濃度比を０．０９：１に変えると（図２１）、積分ピーク面積は、表面濃度比がｄＴ／ｄＣ＝０．２に変わったことを示している。

したがって、ｄＣ／ｄＴ混合層の場合、ｄＡ／ｄＧ混合物の場合よりもバルク濃度を所定量変化させて生じる相対表面濃度の変化がかなり大きくなり、これはおそらく、異なる溶媒親和性、異なる表面親和性、表面上にあるヌクレオシド間の相互作用と競争する結果であろう。それでも、減らした要素に関連するピークは、同じように下がっており、純粋なヌクレオシド溶液に対する現行の測定法に基づく本願発明者らのピーク割り当ては有効である。

２．６ 水素結合した複合体のコンダクタンスの計算
印加したバイアスに起因する電流の評価は、弾道輸送理論を用いて決定される。金の電子状態は、分子から飛び出し、トンネル電流を生じる。透過中に電子が非弾性散乱することは考慮しない。電子の流れは、金属のフェルミ準位にある電子が分子を通過する透過関数によって決定される。非常に小さなバイアスのみを考慮する（＋／−０．１Ｖ）。この領域で、Ｉ−Ｖ特性は全て線形であり、そのため、結果は、単純に導電性によって特徴づけられる。導電性は、コンダクタンスの量と、フェルミ準位での透過関数の積となる。

透過関数の計算は、散乱理論から得られる標準的な結果によって与えられ（Ｊ．Ｋ．Ｔｏｍｆｏｈｒ、Ｏ．Ｆ．Ｓａｎｋｅｙ、Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．１２０、１５４２（２００４））、

式中、Ｅは、エネルギー（金の接点のフェルミ準位）であり、

は、左側および右側の金属の接点の状態のスペクトル密度であり、Ｇ_Ｍは、グリーン関数の分子伝搬関数である。

関数は、金属状態の全ての情報を含有し、分子にいかにカップリングするかの情報を含み、Ｇ_Ｍは、分子内の電子状態に関するあらゆる情報を含む。グリーン関数の伝搬関数は、金属同士の接点の経路に沿った距離で、ほぼ指数関数的に減衰していくだろう。

状態のスペクトル密度およびグリーン関数を計算するために、電子状態のモデルおよび半無限の金属線をモデリングする方法が必要である。本願発明者らは、先端および基材、半無限的に平坦な金平面（１１１）の表面の両方をモデリングした。

Ａｕ中空部位の上で、分子の末端に硫黄原子が接続している。スーパーセルスラブ形状を使用する。このことは、系は間に特定の構造で分子が挟まれたＡｕスラブの周期的な配列（初期は薄い）であることを意味する。連続的なスーパーセル構造は、ブロッホの定理を使用して、系全体の電子状態を決定することができる構造である。スーパーセル全体の電子構造は、密度汎関数理論の範囲内で自己無撞着に決定される。スラブがＡｕの５〜７層であるという事実を補正するために、塊状の金をあらわす中心の層を選択することによって帰納法によりスラブが無限に拡張する。

電子構造は、ファイアボール模型の局所的な原子軌道を用いて決定される（Ｏ．Ｆ．Ｓａｎｋｅｙ、Ｄ．Ｊ．Ｎｉｋｌｅｗｓｋｉ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ４０、３９７９（１９８９））。この局所的な軌道は、有限の半径をもち、したがって、基底状態から非常にわずかに励起されている。ＳＩＥＳＴＡコード（Ｐ．Ｏｒｄｅｊｏｎ、Ｅ．Ａｒｔａｃｈｏ、Ｊ．Ｍ．Ｓｏｌｅｒ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ５３、１０４４１（１９９６））を密度汎関数理論の範囲内で使用する。全てのコア状態を除去する疑似ポテンシャルを用いて、全ての原子を記述する。使用するバイアスの設定は、全原子についてｄｏｕｂｌｅ ｚｅｔａ ｐｌｕｓ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ（ＤＺＰ）であるが、但し、Ａｕは、ｓｉｎｇｌｅ ｚｅｔａ ｐｌｕｓ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ（ＳＺＰ）を使用する。

２個の読み取り部と標的塩基との間の結合の多くの異なる形状を調べた。全ての場合で、読み取り部および塩基の緩和ＤＦＴ形状を使用した。制限された一連の計算を分子系全体に緩和した。表３に報告した結果を緩和した個々の分子の形状に使用し、次いで、個々の分子を、図１Ａ〜１Ｄの組み立てられた構造に厳密に翻訳する。重要な変数は、水素結合の長さ（例えば、実験およびＤＦＴ（Ｍ．Ｈ．Ｌｅｅ、Ｏ．Ｆ．Ｓａｎｋｅｙ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｅ７９、０５１９１１ １（２００９）から、このような水素結合した分子について予想される値に設定された）、および金属線間の距離であった。概算される金属線の距離は、トンネル現象の減衰定数および溶媒を通る（ｔｈｏｕｇｈ）バックグラウンドトンネル電流から概算した値に設定された。

理論と実験の量的な不一致（表３）は、特にｄＴの場合に大きいようである。しかし、溶媒が介在するトンネル現象を無視すると、おそらく、１個だけが官能基化され、上部の接触が溶媒を介している電極を用いて検出されるものと同等の重要なさらなる電流を無視することになる。この電流は、ここで計算される結合を介する値にバックグラウンドとして加えるべき、かなりの量の電流である。第２の誤差の原因は、おそらく、トンネルギャップに対する本願発明者らの概算によるものである。少し過剰に概算したことで（２．５のうち０．１ｎｍ）、伸長した水素結合の電子減衰定数が非常に大きいため、計算されるトンネル電流が顕著に低くなるだろう。Ｍ．Ｈ．Ｌｅｅ，Ｏ．Ｆ．Ｓａｎｋｅｙ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｅ７９、０５１９１１ １（２００９）。

実施例３：トンネル現象の測定
本願発明者らは、デジタルオシロスコープを取り付けたＰｉｃｏＳＰＭ走査型プローブ顕微鏡（Ａｇｉｌｅｎｔ、Ｃｈａｎｄｌｅｒ）でトンネル現象の測定を行った。プローブおよび金（１１１）基材の両方を４−メルカプト安息香酸で官能基化すると、ＴＣＢ中のトンネルバックグラウンド信号は、バイアス０．５ＶでＩ_ｂｌが１０ｐＡまで、コンダクタンス２０ｐＳの設定点電流で比較的ノイズがなかった（図２）。ヌクレオシド溶液を液体セルに入れ、その後、分極電流は、小さな値まで低下した。本願発明者らは、以前ノイズが少ないバックグラウンド信号を与えたトンネル電流レベルでプローブを再びつないだ。トンネル信号の中で、電流スパイクは、すぐに明らかであった（図１５）。ヌクレオシドの表面濃度も、ギャップ内の分子捕捉効率もあらかじめわかっていなかったため、本願発明者らは、トンネルギャップ内でほぼ等しい「スパイク比率」を得るように、ヌクレオシド溶液の濃度を調節した（表３）。

表３：Ｉ_ｂｌ＝６ｐＡ、Ｖ＝０．５Ｖで、官能基化されたトンネル接合部で測定されたコンダクタンスおよび計算されたコンダクタンス。測定された値は、３回の独立した試行の平均である（誤差は±ｌｓｄ）。計算されたコンダクタンスは、図１Ａ〜１Ｄで示される構造に関する。読み取り速度は、０．８〜４．３μＭのヌクレオシド濃度で１８０秒間に得られた計測数に基づく。理論値と実験値の範囲の不一致は、ある電極に結合した分子内での溶媒が介在するトンネル現象によるバックグラウンドへの寄与を無視したことを反映していると思われる。絶対値は、ギャップの大きさの概算値が不正確であることによって影響を受けているだろう。

「スパイク」の多くは、１個の分子がギャップ内に結合している場合および結合していない場合の２種類のレベルの「テレグラフノイズ」の特徴を示していた（Ｓ．Ｃｈａｎｇら、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２０、０７５１０２（２００９））（図内挿入図、図１５）。ＳＴＭサーボゲインは、最も長い持続時間をもつスパイクのみが、電流制御サーボの作用によって影響を受けるように設定された（図１６）。

本願発明者らは、スパイクの高さを分析するためのカスタムプログラムを用いて、ピーク電流の分布を作成した。このプログラムは、ベースラインのノイズよりも上にある２種類の標準偏差の信号を捕捉し、さらに、所定時間内で１点または２点だけのデータを除外した（すなわち、持続時間が４０μｓまで）。測定した分布のフィルタリングパラメータを選択する効果を図１７および図２７〜２８に示す。図３は、これらの測定した分布が、電極の官能基化によってどのように影響を受けるかを示す。未官能基化電極を用いて記録した分布を図３Ａおよび図３Ｃに示す。未官能基化電極を用いた信号を記録するために、本願発明者らは、２０ｐＳのコンダクタンスで操作することによって、トンネルギャップを少し減らさなければならなかった。この小さなギャップでさえ、未官能基化電極を用いたピリミジンヌクレオシドの読み取りは、プリンヌクレオシドの読み取りよりもかなり少なかった（図１８、表２）。測定された電流分布は、図１８〜２０に示されるように、電流の対数値のＧａｕｓｓｉａｎ分布に非常によく当てはまった（実線）。当てはめられたピーク電流は、これら２種類のヌクレオシドで異なっていた（ｄＡの場合、１５．９±０．４ＰＡ、ｄＧの場合、１８．７±０．２ＰＡ）が、その差（２．８ｐＡ）は、高電流側での分布幅（約１５ｐＡ）よりも小さい。官能基化された基材および未官能基化金プローブを用いて、ギャップを大きくして（１２ｐＳに対応）測定を繰り返すと、測定した電流の分布は、１桁狭くなる（図３Ｂ−ｄＡ）（図３Ｄ−ｄＧ）が、ピーク電流に有意な差はない。スパイクの継続時間の分布は、未官能基化電極と、片方が官能基化された電極とでよく似ている（図２９）。したがって、未官能基化電極を用いて観察されたスパイクは、ヌクレオシドが一時的に結合した状態にも対応しているようである。この場合、官能基化された電極を用いて観察される分布が狭いことは、トンネルギャップ内で結合状態をもつ種類の数が減った結果に相違ない。プローブおよび基材の両方が官能基化されている場合（図３Ｅ−ｄＡ、図３Ｇ−ｄＧ）、ｄＡのピーク電流は、明らかにｄＧのピーク電流よりも大きい。このような明確に区別される信号は、両電極が官能基化されているときに作られ得るが、この信号は単一のヌクレオシドに由来するものであろうか？「テレグラフノイズ」信号は、１個の分子の読み取りに特徴的であり、小さなピークは、２分子の読み取りに割り当てられ（図３Ｂ、図３Ｄ、図３Ｅ、図３Ｇの「２」）、所定の時間に１個よりも多い分子の読み取りが頻繁ではないことを示唆している。しかし、電気化学的なリーク電流によって、ヌクレオシドに依存する電流誤差が入り込んでしまい、そのため、測定される電流は、１個の分子の電流のみから作られるものではない場合があり得る。トンネル現象の読み取りの忠実度のよりよい試験は、電気化学的バックグラウンドに起因する任意の誤差が両信号群に存在するような２種類のヌクレオシド混合物を用いて行うことができる。図３Ｆは、ｄＡおよびｄＧの混合物を用いて得られる電流分布を示す。高い方の電流ピークが、本質的にｄＡ単独のときに記録される電流と同じであるため、この混合物のｄＡ分子を計測しているはずである。この割り当ては、溶液中のｄＡの濃度を半分にすることによって確認される（図３Ｈ）。表面濃度は、あらかじめわかっておらず、表面結合部位に対するヌクレオシド間の競争、溶液中に戻る異なる解離速度に依存しているため、絶対的な信号の比率は、定量的な濃度の観点で解釈することはできない。このパネルのデータのほとんどは、読み取りの５％のみを用いた１分子の読み取りが、ギャップ内のｄＡおよびｄＧを同時に読み取った場合と一致すると想定するとよく当てはまる（「ｄＡ＋ｄＧ」、図３Ｆ）。

ｄＣおよびｄＴの場合にも、同じ種類の特徴が観察される（図５および図２９）が、未官能基化ギャップおよび未官能基化基材のデータは、（小さな）ピリミジンヌクレオシドについて有意な数の読み取り数を得るためには、もっと大きなトンネル電流（２０ｐＡ、４０ｐＳに対応する）で集めなければならなかった（図１９）。また、ｄＣとｄＴは、官能基化されたプローブを用いて読み取る場合、混合サンプル中で明確に分離される（図５Ｃおよび図２１）。

所与のバイアスで、ピーク電流の絶対値は、ギャップのベースラインコンダクタンスに正比例し（図７Ａ）、すなわち、大きなトンネルギャップの中にある他の水素結合した系で報告されているのと同様に、ギャップが小さくなるにつれて、指数関数的に増加する（Ｓ．Ｃｈａｎｇら、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２０、０７５１０２（２００９））。本願発明者らは、ピーク電流が、ギャップの大きさが固定された状態で、バイアス（すなわち、ギャップコンダクタンス）に依存するという興味深い証拠を発見し（図２２）、このことは、電流−電圧が、両電極に結合した分子に非線形に依存する可能性を示している。また、ギャップが狭くなるにつれて読み取りの頻度も増えた（図２４）。一方、多分子の読み取りの割合は、ギャップを小さくするとすばやく増加し（図７Ａおよび図２５）、そのため、０．５Ｖのバイアスでベースラインコンダクタンスは１２ｐＳが最適値であると思われる。

Ｉ_ｂｌ＝６ｐＡ、Ｖ＝０．５Ｖで測定したピーク電流の値を図７Ｂの斜線付のバーによってまとめている。これらは、４種類それぞれのヌクレオシドについて、３回の異なる試行の結果である（ひとつは、サンプル調製からデータ分析まで異なるチームによって行った）。それぞれのヌクレオシドのピークを、分布幅に匹敵する量によって分離し、２箇所の「良好な」接点を用いての１分子の読み取りである割合から、ｐ≧０．６で塩基を特定することができる（図２６）。

また、本願発明者らは、官能基化された基材と、未官能基化Ａｕを用いたプローブのデータ（濃い陰影のバー）、または未官能基化Ｐｔを用いたプローブのデータ（淡い陰影のバー）を記録した。ピーク電流は、ヌクレオシドごとにほとんど変わらず、未官能基化接点に関連する抵抗Ｒ_ｃについて予想された結果であった（Ｘ．Ｄ．Ｃｕｉら、Ｓｃｉｅｎｃｅ ２９４、５７１（２００１））が、選択性がないことは、接点の抵抗だけでは説明することができない。本願発明者らは、２個の官能基化されたプローブを用いた読み取りが、１個の分子に関する抵抗Ｒ_ｍを決定づけると推定する場合、片方が未官能基化電極である接合部の抵抗は、Ｒ_ｊ＝Ｒ_ｃ＋Ｒ_ｍによって与えられるはずである。図７Ｂは、片方に未官能基化金電極を用いた信号は、分子の抵抗に対し感受性がないことを示しており、一方、未官能基化Ｐｔ電極は、単純な「直列抵抗」モデルで予想される感受性の約半分であり、おそらく、電極に対する結合様式が、分子状態の位置に影響を及ぼしていることを反映している（Ｖ．Ｍｅｕｎｉｅｒ、Ｐ．Ｓ．Ｋｒｓｔｉｃ、Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．１２８、０４１１０３（２００８）。

１２ｐＳのコンダクタンスで、本願発明者らは、Ｇ＝Ｇ_０ｅｘｐ（−βｘ）（式中、Ｇ_０は、コンダクタンスの量であり（７７μＳ）、β＝６．４ｎｍ^−１である）を用いて、ギャップが約２．５ｎｍであると概算する（Ｊ．Ｈｅ、Ｌ．Ｌｉｎ、Ｐ．Ｚｈａｎｇ、Ｓ．Ｍ．Ｌｉｎｄｓａｙ、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ ７、３８５４（２００７））。図１Ａ〜Ｄは、両電極が官能基化されているギャップ内で４種類のヌクレオシドについてもっとも可能性が高い水素結合であると考える構造（エネルギーが一番低いもの）を示している。本願発明者らは、これら４種類の分子の接合部のコンダクダンスおよび予想されるコンダクタンスの密度機能関数計算を行い、以下の表３に、測定値を列挙している。コンダクタンスの予想される桁数は、実験値と一致しているが、絶対値はかなり小さく、これはもしかすると、トンネルギャップの大きさを大きく概算してしまっているためかもしれない。ｄＴの持続時間のデータ（図２９）は、両電極が官能基化されている場合でもほとんど変化を示さず、そのため、ｄＴのスパイクは、ある電極での溶媒が介在するトンネル現象を表しているだろう。溶媒分子はシミュレーションには含まれていないため、このさらなるトンネル現象への寄与は、予想には存在しない。したがって、それぞれの予想された電流に、一定のバックグラウンドを加えるべきであり、予想された電流と測定された電流の範囲の食い違いが減るだろう。

実施例４：４−メルカプトベンズアミドの合成
以下のスキームにしたがって、４−メルカプトベンズアミドの合成をおこなった。

４．１ 材料および方法
プロトンＮＭＲ（１Ｈ）スペクトルをＶａｒｉａｎ ４００ＭＨｚ分光計で４００ＭＨｚで記録するか、またはＶａｒｉａｎ ５００ＭＨｚ分光計で５００ＭＨｚで記録し、炭素ＮＭＲ（１３Ｃ）スペクトルを、Ｖａｒｉａｎ ４００ＭＨｚ分光計で１００ＭＨｚで記録するか、または、Ｖａｒｉａｎ ５００ＭＨｚ分光計で１２５ＭＨｚで記録した。ＨＲＭＳスペクトルを、大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）技術を用いて得た。フラッシュクロマトグラフィーは、ＣｏｍｂｉＦｌａｓｈ Ｒｆ（Ｔｅｌｅｄｙｎｅ Ｉｓｃｏ，Ｉｎｃ．）で実施した。全ての試薬は、他の記述がされていない場合には、Ａｌｄｒｉｃｈから購入した。

４．２ 工程１：４−トリチルメルカプト安息香酸
４−メルカプト安息香酸（１．５４ｇ、１０ｍｍｏｌ）および塩化トリチル（２．７９ｇ、１０ｍｍｏｌ）をＤＭＦ（２５ｍＬ）に溶解し、周囲温度で３６時間撹拌した。減圧下で溶媒を除去した。残渣をクロロホルム（５０ｍＬ）に溶解し、水で洗浄した（２５ｍＬ×３回）。有機層をＭｇＳＯ４で乾燥し、濾過し、濃縮した。化合物１を白色固体として得た（３．２０ｇ、８１％）。
１Ｈ ＮＭＲ （５００ ＭＨｚ， ＣＤＣｌ３）： ７．６７ （ｄ， ２Ｈ）， ７．２１‐７．３９ （ｍ， １５ Ｈ）， ６．９９ （ｄ， ２Ｈ）．
４．３ 工程２：４−トリチルメルカプトベンズアミド
化合物１（１９８ｍｇ、０．５ｍｍｏｌ）、１−ヒドロキシ−ベンゾトリアゾール（ＨＯＢｔ）（６８ｍｇ、０．５ｍｍｏｌ）、１，３−ジシクロヘキシルカルボジイミド（ＤＣＣ）（１０３ｍｇ、０．５ｍｍｏｌ）のＴＨＦ（５ｍＬ）溶液に、０℃でアンモニア（ジオキサン中０．５Ｍ、１ｍｍｏｌ）を滴加した。得られた混合物を室温まで加温し、２４時間撹拌した。濾過した後、濾液を飽和ＮａＨＣＯ３水溶液で洗浄した。有機層をＭｇＳＯ４で乾燥し、濾過し、濃縮した。残渣をフラッシュクロマトグラフィー（シリカゲル、ジクロロメタン：メタノールの勾配が１００：０から１００：３）で精製し、化合物２を白色固体として得た（１５４ｍｇ、７８％）。
１Ｈ ＮＭＲ （４００ ＭＨｚ， ＣＤＣｌ３）： ６．９８‐７．４３ （ｍ， １９ Ｈ）， ５．９５ （ｂｒｓ， １Ｈ）， ５．７５ （ｂｒ ｓ， １Ｈ）；
ＨＲＭＳ（ＡＰＣＩ＋）：実測値３９６．１４４２；Ｃ２６Ｈ２２ＮＯＳ＋Ｈとして計算値３９６．１４２２。

４．４ 工程３：４−メルカプトベンズアミド
化合物２（６０ｍｇ、０．１５ｍｍｏｌ）を、トリフルオロ酢酸（ＴＦＡ）（２ｍＬ）とトリエチルシラン（ＴＥＳ）（２ｍＬ）の混合物に溶解し、室温で２時間撹拌した。この溶液を減圧下、ロータリーエバポレーターで乾燥するまで蒸発させた。残渣をヘキサンとジクロロメタンの混合物（ｖ：ｖ＝１：１）から結晶化させ、化合物３を白色固体として得た（１２ｍｇ、５２％）。
１Ｈ ＮＭＲ （５００ ＭＨｚ， ＣＤＣｌ３）： ７．６８ （ｄ， ２Ｈ）， ７．３１ （ｄ， ２Ｈ）， ６．５０ （ｂｒ ｓ， １Ｈ）， ６．２９ （ｂｒ ｓ， １Ｈ）， ３．６１ （ｓ， １Ｈ）； １３Ｃ ＮＭＲ （１２５ ＭＨｚ， ＣＤＣｌ３）： １６９．９， １３８．０， １２９．４， １２８．５， １２８．２．
４ ＨＲＭＳ（ＡＰＣＩ＋）：実測値１５４．０３２６；Ｃ７Ｈ７ＮＯＳ＋Ｈとして計算値１５４．０３２６。

実施例５：電極の製造、官能基化、特性決定
５．１ 電極の製造
ＨＣｌおよびエタノールの混合物（体積比１：１）を用い、金のワイヤ（Ａｅｓａｒ 純度９９．９９９％）から電気化学的に金の先端をエッチングした。絶縁プロセスのために、鋭い先端のみを選択した（倍率３００倍の光学顕微鏡で判断）。高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）を絶縁体として用いた。絶縁の前に、金の先端をｐｉｒａｎｈａ（過酸化酸素と硫酸の混合物、体積比が１対３−注意−この物質は、有機物質と反応して爆発することがある）で１分間洗浄し、有機汚染物質を除去し、２回蒸留した蒸留水、エタノールですすぎ、圧縮窒素ガスを吹きかけて乾燥させた。絶縁の間、自家製の先端コーティング装置で、ＨＤＰＥを２５０℃で溶融させた。溶融したＨＤＰＥを通って浸透し、絶縁性材料を含む先端のほとんどの領域を覆い、頂部のみを絶縁しないままにしておいた。絶縁した先端の露出した表面領域を、フェリシアン化カリウム中、サイクリックボルタンメトリーで特性決定した。絶縁した先端および絶縁していない先端をサイクリックボルタンメトリーで試験した。絶縁した先端は、整合性が高く、規則的な電極を与えた。図３０および図３１は、これらの結果を示す。図３０は、５０ｍＭのフェリシアン化カリウム中、未官能基化金のワイヤのサイクリックボルタンメトリーを示す（電位 対 Ａｇワイヤ）。図３１は、ＨＤＰＥでコーティングされたＳＴＭ先端のサイクリックボルタンメトリーを示す。半球状に露出した先端形状であると推定し、式Ｉｍａｘ＝２πＲｎＦＣＤを用いると、コーティングされた走査プローブの典型的な露出表面積は、１０〜２μｍ程度である。

５．２ 官能基化
金の基材を水素炎でアニーリングし、汚染物質を除去し、十分に規則的なＡｕ表面を作成した。実施例４にしたがって調製した４−メルカプトベンズアミドをメタノールに溶解し（１ｍＭ）、チオールの酸化を防ぐためにアルゴンを用いて脱気した。絶縁された先端が処理された基材をこの溶液に２時間より長い時間浸した。その結果、表面にベンズアミドの単層が生成された。官能基化の時間を長くすると、プローブの上の絶縁体が分解するので、プローブの処理は２時間までに制限した。金基材の官能基化は、２０時間までにわたって行った。

堆積させた後の分子ＳＡＭの厚みを、偏光解析法（Ｇａｅｒｔｎｅｒ、Ｓｋｏｋｉｅ、ＩＬ）を用い、波長６３２．８ｎｍで、入射角を７０°にして測定した。新しく水素炎で熱した未官能基化金基材（マイカの上に厚み２００ｎｍ）の光学定数は、分子を堆積させる前に測定し、ｎ＝０．２およびｋ＝−３．５３を得た。ＳＡＭの光学定数をｎｆ＝１．４５およびｋｆ＝０に設定した。４−メルカプトベンズアミド単層の厚みは、０．７０±０．１７ｎｍであると測定された。

Ｔｈｅｒｍｏ Ｎｉｃｏｌｅｔ ６７００ ＦＴＩＲ（Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，ＭＡ）にＳｍａｒｔ Ａｐｅｒｔｕｒｅｄ Ｇｒａｚｉｎｇ Ａｎｇｌｅ部品を取り付け、ＳＡＭの赤外線吸収スペクトルを記録した。粉末サンプルのスペクトルを、Ｓｍａｒｔ Ｏｒｂｉｔ（ｄｉａｍｏｎｄ ｓｉｎｇｌｅ−ｂｏｕｎｃｅ ＡＴＲ部品）を用いて得た。図３２は、４−メルカプトベンズアミド単層のＦＴＩＲスペクトル（下側の線）および粉末のＦＴＩＲスペクトル（上側の線）を示す。単層のＩＲで、３４８７ｃｍ−１、１６１０ｃｍ−１、１４０４ｃｍ−１の吸収ピークは、それぞれ、解離性のＮＨ２（水素結合していない）のＮ−Ｈ伸縮振動、アミドバンドＩ、アミドバンドＩＩであると帰属される。

偏光解析データは、ほとんど完全に単層で覆われていることを示唆しているが、ＳＴＭ画像（図３３）は、途切れ途切れに覆われていることを示していた。この紙で記録される読み取り速度は、官能基化されている断片の上に位置しているプローブを用いて行われる読み取りである。図３３で、ＳＴＭ画像は、Ａｕ（１１１）表面の上にメルカプトベンズアミドの島があることを示している（１ｍＭ ＰＢバッファ中、金の先端を含む画像、１０ｐＡの設定点で先端に０．５ボルトのバイアス）。

５．３ 電極の撮像
光学顕微鏡画像および透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像によって電極の特性を決定した。図３４ａ〜ｃは、未官能基化電極を示しており、図３４ｄ〜ｆは、ポリエチレンでコーティングされた先端を示す。図３４ａは、典型的な「良好な」先端の光学顕微鏡画像を示す。この先端を、図３４ｂ〜ｃに示されるように、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）でさらに特性決定した。この場合、先端の半径は約１６ｎｍである（図３４ｃ）。ＴＥＭ撮像中に、炭素層（金の先端を覆う白色の層）を堆積させた。点線の円弧は、半径が１６ｎｍである。測定された半径は、典型的には、５〜２０ｎｍの範囲にわたっていた。先端の表面は、通常は滑らかであるが、時には、隆起（高さが１〜２ｎｍ）が観察される。一見したところでは、このような「丸い」プローブから１分子解像度を得ることができることは驚くべきことであるが、表面への分子の吸着によって、１分子解像度を可能にする局所的に高い点が作られる（ＡＦＭプローブで官能基化された分子内構造の解像度によって示されるよりも良好である）。

典型的な絶縁された先端の光学顕微鏡画像を図３４ｄに示す。この先端は、リーク電流を示さず（約１ｐＡの測定限界未満）、実験では約８ｐＡ（ピーク／ピーク値、すなわち、ベースラインから４ｐＡ上）の１２０Ｈｚノイズを示した。同じ先端のＴＥＭ画像を図３４ｄ〜ｆに示す。図３４ｅ〜ｆの矢印は、露出した金を示している（コーティングが帯電するため、高解像度の撮像は可能ではない）。

実施例６：トンネルギャップの特性決定
６．１ 水およびバッファ
実施例５に記載したような電極を含むトンネルギャップを、２回蒸留した水および０．１ｍＭリン酸バッファ（ＰＢ−ｐＨ＝７．４）を用いて特性決定した。未官能基化電極を用い、バッファ単独で小さな信号を観察したが、両電極が官能基化されており、トンネルギャップのコンダクタンスを２０ｐＳ以下に設定した場合には、小さな信号はかなり少なくなった。図５５を参照。トンネル現象の減衰は、官能基化された両電極を用いると、水単独の場合（減衰定数βは約６．１±０．７ｎｍ^−１）よりもきわめて速かった（β＝１４．２±３．２ｎｍ^−１）。以下の実施例６．２を参照。ｉ＝１０ｐＡおよびＶ＝＋０．５Ｖでのトンネルギャップは、２個のベンズアミド分子の長さよりも少し長いと概算される。（すなわち、２ｎｍよりも少し大きい）。

６．２ 水のバックグラウンド信号
０．５Ｖでギャップの大きさを２０ｐＳにし、２回蒸留した水の中で、官能基化された基材の上に未官能基化電極を備えるコントロール実験を行い、小さな振幅のバックグラウンドテレグラフノイズ信号を得る（バイアス０．５Ｖでほぼ６ｐＡ−図３５）。しかし、官能基化された基材の上に官能基化された先端を備えている場合、一般的にこのような信号は観察されない（偶発的な信号の観察は、先端または基材の表面が４−メルカプトベンズアミドで完全に覆われていないことに由来するだろう）。これらのバックグラウンド信号は、大きさが小さく、ＤＮＡ信号よりも頻度が少ないため、データ分析中に閾値によって除外することができる。

６．３ トンネル現象の減衰曲線
２回蒸留した水の中で、官能基化された電極および官能基化されていない電極を組み合わせ、減衰曲線を測定した。Ｌｎ（Ｉ）対距離のプロット（図３６）を線形に割り当てた傾きから減衰定数（β）を算出した。図３６は、純粋なＨ２Ｏ中トンネル電流の減衰曲線を示す（それぞれの場合に、複数の曲線がプロットされている）。図３６ａは、未官能基化金電極を示す。図３６ｂは、両方ともが官能基化された電極を示す。図３６ｃは、一方が未官能基化電極であり、他方が官能基化された電極を示す。官能基化された電極について、大きな距離でβの有意な増加が検出され、このことは、ギャップ組成の変化を示しており、本願発明者らは、ベンズアミドが相互作用する領域から、ベンズアミドが相互作用しない領域への遷移であると考える。βの測定値の分布を図３７に示す。図３７は、（ａ）未官能基化金電極；（ｂ）両方ともがメルカプトベンズアミドで官能基化された電極；（ｃ）片方の電極が官能基化されており、他方が官能基化されていない電極について、純水中のβのヒストグラムを示す。Ｇａｕｓｓｉａｎへの当てはめ（平均±ＳＤ）によって、（ａ）６．１１±０．６８ｎｍ^−１、（ｂ）１４．１６±３．２０ｎｍ^−１、（ｃ）６．８４±０．９２ｎｍ^−１が得られた。

実施例７：トンネルギャップ内のＤＮＡヌクレオチドを分析
ＤＮＡヌクレオチド（ＰＢ中、１０μＭ）を、水系電解溶液中、実施例５に記載した電極を用いて作成したトンネルギャップに入れた。これらのヌクレオチドからは、図５６ｃ〜ｆに示すように特徴的なノイズのスパイクがみられた。信号計測率（図５７に定義されている）は、２５計測数／ｓ（５−メチル−デオキシシチジン ５’−モノホスフェート、ｄｍＣＭＰ）から、１ｃ／ｓ未満（デオキシシチジン ５’−モノホスフェート、ｄＣＭＰ）までかなり変動していた。チミジン ５’−モノホスフェート（ｄＴＭＰ）を用いた場合は、信号は全く記録されず、その信号は、コントロールと非常によく似ていた（図５５）。ＳＴＭ画像は、このヌクレオチドが表面（多分プローブ）に非常に強く結合しており、１個の分子が接合部に広がり、相互作用を遮断していることを示唆している。

電流はいきなりスパイクし（もっと長い信号はその後に示され）、スパイクの高さの分布は、図５６ｇ〜ｊに示されるように、対数値の２種類のＧａｕｓｓｉａｎ分布に非常によく当てはまった（当てはめパラメータは、以下の実施例８に記載されている）。これらのヒストグラムは、局所的なノイズバックグラウンドのＳＤの１．５倍を超えるパルスのみ（すなわち、典型的には、６ｐＡより大きいパルス）を計測することによって作成された（この分析手順の完全な記載は、Ｃｈａｎｇらによって与えられている）。

ｄＣＭＰは、最も高い信号を発生し、最も計測率が低く、一方、デオキシアデノシン ５’−モノホスフェート（ｄＡＭＰ）およびｄｍＣＭＰは、最も小さな信号を生成し、計測率が最も高かった。以下の実施例９に記載されているように、有機溶剤中のシチジンと５−メチルシチジンには、ほとんど違いがなかった。パルスの高さ分布が狭い３種類の塩基（ｄＡＭＰ、ｄｍＣＭＰ、ＧＭＰ）は、２つのレベル間を変動する供給源の特徴である「テレグラフノイズ」の急激な発生を示すことが多い（特に、ｄＡＭＰの場合に顕著）。このような２レベルの分布は、トンネル信号が、トンネル接合部に捕捉された１個の分子によって作られていることを強く示す。ヌクレオチドから生じるトンネル現象のノイズの特徴を表４にまとめている。

表４：ヌクレオチドトンネル現象のノイズの特徴。パラメータは図５７に定義されている。

＊指数関数的な分布に合わせたときの誤差。§標準誤差
スパイクの振幅およびその信号の時間分布において、ｄＡＭＰ信号は、ｄＣＭＰ信号とよく分離しており、ｄｍＣＭＰ信号は、ｄＣＭＰ信号とよく分離している（表４および以下に記載）。この理由のために、Ａ、ＣおよびｍＣ塩基で構成されるＤＮＡオリゴマーを以下の実施例１１でさらに観察した。

実施例８：電流分布に対するＧａｕｓｓｉａｎの当てはめ
実施例７のデータから作成したピークを、トンネル電流の対数値でＧａｕｓｓｉａｎ分布に当てはめ、トンネル形状のランダムな分布を推定するモデルを対数的にサンプリングする。水中のこのデータについて、２つのピークが必要であり、これは２つの結合形状を暗示している。

式Ｓ１
当てはめパラメータを表Ｓ１に列挙している。

表Ｓ１．強度分布の当てはめパラメータ

実施例９：有機溶媒中のシチジンおよび５メチルシチジンの電流分布
実施例４〜５にしたがい、電極と４−メルカプトベンズアミド読み取り部を用い、有機溶媒中で測定したｍＣのデータが本実施例に含まれており、２種類の塩基からの信号が有機溶媒中で大きく重なっていることが示され、これは、この作業で、ＣおよびｍｅＣから異なる信号を作るときに水分子が所定の役割を果たすことを示す。図４０は、トリクロロベンゼン溶媒中、安息香酸読み取り部を用い、シチジンについて測定した電流分布（黒色）および^５ｍｅシチジンについて測定した電流分布（斜線）を示す。

実施例１０：ヘテロポリマー内の１個の塩基を分析
１０．１ ヘテロポリマー内の１個の塩基を読み取る
２個の電極、プローブ、上の実施例４〜５に記載されているような４−メルカプトベンズアミドで両方ともが官能基化されている基材を用い、ｄ（ＣＣＡＣＣ）オリゴマーを分析した。電流の特徴的なバーストが観察され、その例を図５４ｂに示す（「^＊」が書かれているスパイクは、非特異的であり、分析から外されている）。バックグラウンドトンネル電流は１０ｐＡであり、バイアスは＋０．５Ｖである。以下に示されるように、頻度が低く、振幅の大きなパルスはＣで示し、一方、頻度が高く、振幅が小さいパルスはＡで示している。図５４ｃは、スパイクの振幅の移動平均を示す（０．２５ｓのウインドウ、０．１２５ｓのステップ）。直線より下にある値は、明らかにＡ塩基を特定している。図５４ｄは、パルス周波数の移動平均を示し（スパイクの隣接するそれぞれの対に対して定義されるような）、それぞれの末端の周波数が低い領域は、これらの領域をＣ塩基に帰属することができるという信頼性を高めている。Ｃ塩基は、０．０１５ｎＡより小さい無視できる数のスパイクを作成する（赤色の線）。ＡまたはＣに帰属する確率を図５４ｅに示す。これらの確率の計算は、本明細書に記載されているようなヌクレオチド、ホモポリマー、ヘテロポリマーの研究に基づく。この実施例は、明らかに、無傷のＤＮＡ分子中でＣ塩基によってフランキングされた場合、１個のＡ塩基を高い信頼性で特定することができることを示す。

１０．２ ヌクレオチドについてバーストを示す電流トレース、およびｄ（ＣＣＡＣＣ）について長時間のトレース
図３８は、ｄ（ＣＣＡＣＣ）で覆われた表面をプローブが動くにつれて、１０秒間に生成したトンネルノイズのサンプルを示す。図３９は、それぞれのヌクレオチドからの信号の典型的な「バースト」を示す。図３８で、ｄ（ＣＣＡＣＣ）について典型的な１０秒間の時間トレースを示す。Ａ信号が優勢であることを注記しておく。電流スパイクの分布（図内挿入図）は、ほとんど完全に「Ａ」信号が優勢であり、この当てはめでのＣ要素（小さな箱の曲線を参照）は、７％以下である。このことは、プローブは、少量のＡ塩基に結合した状態で多くの時間を過ごしていることを示す。図３９には、データの典型的なバーストを示すヌクレオチドの長時間トレースが存在する。これらの例は、それぞれ、電流がスパイクしない領域で囲まれている。

実施例１１：４−メルカプトベンズアミドで官能基化された電極を用いたＤＮＡオリゴマーの分析
図５８ａ、ｃ、ｅは、ｄ（Ａ）５、ｄ（Ｃ）５、ｄ（ｍＣ）５について、代表的なトンネルノイズトレースを示し、図５８ｂ、ｄおよびｆには、対応する電流ピーク分布が示されている。図５８ｂ（ｄ（Ａ）５）と図５６ｇ（ｄＡＭＰ）、図５８ｄ（ｄ（Ｃ）５）と図５６ｈ（ｄＣＭＰ）、図５８ｆ（ｄ（ｍＣ）５）と図５６ｉ（ｄｍＣＭＰ）を比較し、驚くべきことに、トンネル接合部でのほとんどのポリマー結合事象は、単一のヌクレオチドによって作られた信号に似た信号を作ることが示されている。この知見から、（１）単一の塩基が読み取られており、（２）ポリマー骨格に起因する立体障害は、塩基結合事象が信号を抑えることを抑制しないことが示される。

ヌクレオチドの信号とオリゴマーの信号にはある程度の（小さな）違いがあり、違いは以下である。（１）ピークの位置、幅、相対強度がある程度変化する。（２）ヌクレオチドによって作られるほぼ全ての信号は、０．５Ｖのバイアスで０．１ｎＡ未満である（表４）。対照的に、ｄ（Ａ）５およびｄ（ｍＣ）５によって作られる合計信号の２０％は、このバイアスで０．１ｎＡより大きい（表５（以下に記載される）、このことは、０．１ｎＡまでしか分布がプロットされていない図５６Ｇ〜Ｊからは明らかではない）。ｄ（Ａ）５およびｄ（Ｃ）５のこれらの高電流（＞０．１ｎＡ）の特徴が連続的に分布しており、そのため、所定の時間に１個よりも多い塩基が並行して読み込まれていることをあらわさない（電流は、１個の分子の値の多くの値に分布しているだろう）。むしろ、この特徴は、トンネルギャップ内にポリマー構造が存在することと関連する新しい特徴である。このような非特異的で振幅の大きなスパイクは、図５４ｂではアステリスクで示されている。

Ｉ＞０．１ｎＡでの特徴は、混合配列のオリゴマーではあまり頻繁に起こらないようであり、このことは、ホモポリマーの塩基のスタッキングに関連するものであることを示唆している。図５８ｈは、ｄ（ＡＣＡＣＡ）の電流分布を示し、事象の９５％が０．１ｎＡ未満である。図５８ｊは、ｄ（ＣｍＣＣｍＣＣ）の電流分布を示し、事象の９９％が０．１ｎＡ未満である。赤い実線は、スケールは別として、たった１個の当てはめパラメータをもつ構成要素に対応するホモポリマーを測定した分布の合計である。このパラメータは、比率ｒｆｉｔであり、Ａ／Ｃの比率（ｒｆｉｔ＝０．４８）またはｍＣ／Ｃの比率（ｒｆｉｔ＝０．６６）が寄与している。これらの値は、既知の組成物の比率とは異なっているが（ＡＣＡＣＡの場合０．６、ＣｍＣＣｍＣＣの場合０．４）、驚くべきことに、ｄＣＭＰ単独の場合のスパイクの比率は非常に小さく、Ｃは、混合配列のオリゴマーデータで非常に十分にあらわされていると考えられる。このことは、Ａに囲まれているＣは、頻繁に読み取られることを示唆しており、ひょっとすると、これはＣを含有するオリゴマーが、単離されたｄＣＭＰよりも基材に良好に結合するからであろう。

重要なことに、混合したオリゴマーは、個々の塩基信号の合計として記載されているよりも大きい信号を作り出す（ある中間電流の読み取りには、図５８ｈおよび５８ｊで「１」と書かれており、さらなる少数の電流が高い特徴は「２」と書かれており、配列の内容が果たす役割は小さいことを示している）。

これらの実験では、プローブはサンプルの上をランダムに動き回るため、配列は、決定論的に「読み取られる」のではない。それにもかかわらず、信号が「Ａのような」信号と「Ｃのような」信号とが交互にあらわれるトレース（図５８ｇ）と、「ｍＣのような」信号と「Ｃのような」信号とが交互にあらわれるトレース（図５８ｉ）は簡単に発見されるだろう。これらの信号の「バースト」の持続時間（実施例１１の図５７を参照）は、長い（ＡＣＡＣＡで０．１４±０．０２ｓ、ＣｍＣＣｍＣＣで０．１５±０．０２ｓ）。同様のバーストがホモポリマー（表５）およびヌクレオチド（表４）でもみられる。

表５：オリゴマーのトンネルノイズの特徴。パラメータは図５７に定義される。

＊指数関数的な分布に合わせたときの誤差。§標準誤差
これにより、別の予想外の知見が導かれる。つまり、トンネルギャップ内で結合した複合体の寿命は、ノイズスパイク（ｍｓ）間の間隔または溶液中の結合状態の寿命（非常に短い）と比較して、非常に長い（第２のフラクション）ことである。

実施例１２：実施例１１のｔ_ｏｎおよびｔ_ｏｆｆの分布
継続時間が０．１ｍｓ未満の電流スパイクは、電流−電圧変換器のゆっくりとした（１０ｋＨｚ）応答によってゆがみ、一方、継続期間が数ｍｓよりも長いパルスは、トンネルギャップを維持するために用いられたフィードバックによって影響を受ける。ｔ_ｏｎの分布は、モノマーについて図４１に示し、オリゴマーについて図４２に示す。ｔ_ｏｆｆの分布は、モノマーについて図４３に示し、オリゴマーについて図４４に示す。実線は、指数関数的な減衰に当てはまり、

τｏｎおよびτｏｆｆの値は、表４および表５に列挙されている。

図４１は、ｄＧＭＰ、ｄＣＭＰ、ｄＡＭＰ、ｄｍＣＭＰについて、オン時間の分布を示す。実線は、指数関数的に当てはめられている（上側から、１番目の線はＧＭＰであり、２番目の線はＣＭＰであり、３番目の線はＡＭＰであり、４番目の線は５ｍｅＣである）。図４２は、ｄ（Ｃ）５、ｄ（Ａ）５、ｄ（ｍＣ）５について、オン時間の分布を示す。実線は、指数関数的に当てはめられている（上側から、１番目の線はＣＣＣＣであり、２番目の線はＡＡＡであり、３番目の線は５ｍＣＣＣである）。モノマーと比べ、分布はあまりよく分離されない。図４３は、ｄＧＭＰ、ｄＣＭＰ、ｄＡＭＰ、ｄｍＣＭＰについて、オフ時間の分布を示す。実線は、指数関数的に当てはめられている（上側から、１番目の線はＣＭＰであり、２番目の線はＧＭＰであり、３番目の線は５ｍｅＣであり、４番目の線はＡＭＰである）。図４４は、ｄ（Ｃ）_５、ｄ（Ａ）_５、ｄ（ｍＣＭＰ）_５について、オフ時間の分布を示す。実線は、指数関数的に当てはめられている（上側から、１番目の線はＡＡＡＡＡであり、２番目の線は５ｍＣＣＣＣであり、３番目の線はＣＣＣである）。この場合も、モノマーと比べ、分布はあまりよく分離されない。

実施例１３：複合体の長い寿命を試験
実施例４〜５にしたがって調製されたナノスケールのギャップに限定された４−メルカプトベンズアミド−塩基（ｂａｓｅ）−４−メルカプトベンズアミド複合体の予想外の長い寿命について、動的分子間力分光法を独立した試験として用いた。これらの測定では（図５９ａ）、認識分子のひとつが、３４ｎｍの長いポリエチレングリコール（ＰＥＧ）リンカーを介してＡＦＭプローブに結合し、一方、もう片方の認識分子は、Ａｕ（１１１）基材の上に単層を作成した。ｄＡＭＰを標的検体として用い、ギャップを架橋した。ｄＡＭＰが存在しない状態で、プローブと基材との接着はきわめて小さく、これはおそらく、ベンズアミド認識分子の上にある水素結合部位に、水分子が安定に結合しているからであった。少量のｄＡＭＰが存在する状態で接着特性を観察し、ｄＡＭＰの濃度が上がるにつれて接着特性は低下した（プローブおよび基材の両方のｄＡＭＰが結合した）。ＰＥＧ連結部が延びると、特徴的な信号が作られ、複数の結合事象（図５９ｂ（ｉ））を１分子の事象（図５９ｂ（ｉｉ））と分離することができ、その結果、１分子の結合破壊事象のみを分析した。引張速度の関数として１分子の結合破壊力を図５９ｃにまとめており（実線は、異種結合モデルに対し、最大限あり得そうな当てはめであり）、結合破壊力の関数として、結合が生き残る確率を図５９ｄに示す。実線は、同じ異種結合モデルに対する当てはめである。これにより、力がゼロの状態でのオフ速度が得られる。

したがって、この複合体の本来の（力がゼロの）寿命は、数秒程度の桁数であり、数ミリ秒程度の桁数ではない。この分析によって、解離させるための遷移状態に対する距離α＝０．７８ｎｍ（およびその変数分散であるσ＝０．１９ｎｍ）も得られる。ｋＨｚの速度でトンネル信号を作り出しつつ、かなりの第２のフラクションのためのトンネル接合部にそれぞれの塩基が存在すると結論づけられた。したがって、１回のバースト（バーストの継続時間は表４および表５に列挙されている）で生じる信号の完全な集合体を用い、塩基を特性決定してもよい。

電子署名において迅速に変動することに伴う長時間の結合状態の寿命は、ＳＴＭ画像で以前に報告されており、カーボンナノチューブ中の移動に対する１分子反応の影響が報告されている。このノイズの由来はよくわかっておらず、非常に温度感受性が高いと思われる場合を除き、ノイズを生じる運動に対する小さなエネルギー障壁の指標である。「オン」時間および「オフ」時間の分布を分析した（図５７を参照）。限定された時間範囲で、片方の末端で増幅器の応答によって決定され、他端でサーボ応答時間によって決定され、これらの分布は、指数関数的であり（ポアソンの由来について予想されるとおり）、ｌ／ｅ時間（τｏｎおよびτｏｆｆ）を表４および表５に列挙している。これらはそれほど異なってはおらず、オン状態とオフ状態の間のエネルギー差ΔＧを算出し、

表４および表５に列挙される値を得る（熱エネルギーの単位では、３００Ｋでｋ_ＢＴ）。これらの値はすべてｋ_ＢＴの一部である。したがって、「スイッチング」は、かなりの量の障壁を超える熱による活性化をあらわすことができない（２つのレベルのノイズの通常の供給源）。ある可能な説明は、指数関数的に感受性であるマトリックス要素によってサンプリングされた結合状態におけるブラウン運動である。

「オン」および「オフ」の時間は、非常に広範囲に分布するため、塩基信号を特定するのにそれほど有用ではない。しかし、バーストに入る頻度（表４および表５のｆ_Ｓ）は、かなり単純なパラメータである。図４９および図５０は、３種類のホモポリマーの電流分布および周波数分布を示し、それぞれの曲線の下にある領域がひとまとまりになるように正規化する。ｄ（ｍＣ）５の周波数分布は二峰性であり、ｍＣＭＰ単独の場合、「Ｃ」の周波数範囲に多くの読み取りが存在し、非常に速い速度での数（約１３００Ｈｚ）が観察された（図でｆ（ｍＣＭＰ）と書かれている）。このことは、ｍＣの結合態様が、ポリマーの状況において顕著に変わることを示唆しており（ヌクレオチド信号と比較した場合、ポリマー信号が大きくシフトすることと一致する、図５８ｆ）、そのため、本願発明者らは、ＡおよびＣ、特に、以前分析されたｄ（ＣＣＡＣＣ）配列を含むオリゴマーを分析することを選択した。

バーストのときに平均電流

および周波数

が与えられると、図５２ａ〜ｂに示される分布

は、塩基がＡまたはＣである確率を独立して決める。

ｄ（ＣＣＡＣＣ）の電流分布（図３８の図内挿入図）は、ほぼ完全にＡのスパイクの方が優位である（この当てはめのＣ分布の要素は、７％以下である）。これは驚くべき結果であるが、配列中のＣが多いほど、Ｃスパイクの数が少なくなる。しかし、塩基がＡによって切断されるとき、Ｃの読み取り頻度は高くなるという本願発明者らの仮説と一致している（例えば、ｄＣＭＰ 対 ｄＡＭＰの計測速度と比較して、ｄ（ＡＣＡＣＡ）でのＣの読み取りが増加）。バースト信号に対する本願発明者らの分析を用い、混合信号の定量的な帰属を行ってもよい（これは、図５８ｇおよび５８ｉでは「目で」行った）。ｄ（Ｃ）５は、０．０１５ｎＡより小さな信号を作らず、そのため、このレベルより低い（しかし、ノイズよりも高い）電流のバーストは、明らかにＡに帰属することができる。もっと振幅の大きな信号の場合、周波数および振幅のデータを両方とも使用した。結果は、図５４ｅに示される曲線の対である。このアプローチを用いてＤＮＡの配列を決定するには、いくつかのさらなる開発が必要である。第１に、ポリマーは、特に、読み取られるべきホモポリマーを移動させる場合、速度を制御した状態でトンネルの接合部を通って引っ張られなければならない。ＤＮＡは、官能基化されていないナノ細孔を非常に素早く通るので読み取ることができないため、官能基化されたトンネル接合部に塩基が長い時間滞留することが有用である。現時点で、ある部位から別の部位への移動は、制御されていない機械的な流れによって行われ、読み取り複合体に対し、未知の力が生じる。本願発明者らの力分光法データを用い、所与の読み取り速度を得るのに必要であろう「引っ張る」力を粗く概算することができる（全塩基の代表例であるｄＡＭＰの測定されたオフ速度を推定する）。Ｂｅｌｌ式は、力Ｆでのオフ速度を与え、

式中、

＝０．２８ｓ^−１であり、α＝０．７８ｎｍ、１９ｐＮであり、１秒あたり１０塩基が通過するだろう。１０塩基ｓ^−１の速度は、「Ｃ」の読み取りについて、合理的な信頼レベルで帰属を行うのに十分な、（平均で）約３０のデータスパイクを与える。１９ｐＮの力は、ナノ細孔１７にちょうど８０ｍＶのバイアスをかけることによって作りだすことができ、そのため、トンネル接合部あたり、１秒あたり１０塩基の読み取り速度は実行可能であるようだ。

実施例１４：電流分布の高電流側のテーリング
図４５は、ｄ（Ａ）_５について、４−メルカプトベンズアミドで官能基化された電極の０．１ｎＡ未満のスパイクの計測数の分布を示す。これらは、合計の約２０％であり、ｄＮＴＰまたはｄ（Ｃ５）では観察されない。図４６は、ｄ（ｍＣ）５について、０．１ｎＡ未満のスパイクの計測数の分布を示す。これらは、合計の約２０％であり、ｄＮＴＰまたはｄ（Ｃ５）では観察されない。
実施例１５：金基材の上でのヌクレオシドモノホスフェートと４−メルカプトベンズアミドの相互作用および溶液中の結合状態の寿命のＳＰＲ概算
ＢＩ−２０００ ＳＰＲシステム（Ｂｉｏｓｅｎｓｉｎｇ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ、Ｔｅｍｐｅ、ＡＺ）に、ポリアリールエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）セルブロックとポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）ガスケットとからなる２チャンネルフローセルを取り付け、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）センサーグラムを記録した。入射光の波長は６３５ｎｍである。それぞれの実験の前に、エタノールと２回蒸留した水でフローセルを洗浄した。

厚みが２ｎｍのクロム膜と、厚みが４７ｎｍの金膜でＢＫ７ガラスカバースライド（ＶＷＲ＃４８３６６０６７）をスパッターコーター（Ｑｕｏｒｕｍ Ｅｍｉｔｅｃｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｋ６７５ＸＤ型）で連続してコーティングすることによって、ＳＰＲセンサーチップを製造した。金基材を脱イオン水、無水エタノールで洗浄し、窒素を吹き、次いで、使用前に水素炎でアニーリングした。１−メルカプトベンズアミドのエタノール溶液を、ＳＰＲ装置の上に置かれた金の小片にシリアルチャネルモードを用いてオンライン注入することによってベンズアミドの単層を作成した。金表面に分子が結合すると、ＳＰＲの信号が増大し、最終的には、定常応答に達し、このことは、単層で最大限覆われたことを示す。４種類の天然に存在するヌクレオシド−５’−モノホスフェートと、ベンズアミド表面との相互作用は、ＳＰＲ装置のシングルチャネルモードを用いて測定した。注入バルブを介して注入されたサンプル溶液は、ある経路を経由して流れ、ＰＢＳバッファ（ｐＨ７．４、１０ｍＭ ホスフェート、１５０ｍＭ ＮａＣｌ）は他の経路を経由して流れた。流速６０μＬ ｍｉｎ^−１、ＰＢＳバッファ中、ヌクレオシドモノホスフェートの濃度が１ｍＭの状態で測定を行った。

業者から提供されるソフトウェアでデータ分析を行った。全てのデータセットを単純な１：１相互作用モデルに合わせた。

このデータからはＫ_ｏｆｆが決まらないが、Ｋ_Ｄの値が非常に大きいこと（数ｍＭ）は、オフ速度が速いことを暗示している。例えば、Ｋ_ｏｎ＝１０^６Ｍ^−１ｓ^−１の（小さい）値であると推定すると、結合状態の寿命は、１ｍＭのＫ_Ｄから、Ｋ_ｏｆｆ＝Ｋ_ＤＫ_ｏｎ＝１０３またはｍｓのタイムスケールが得られる。

図４７は、ベンズアミド表面（Ｒ：２−デオキシリボース ５−ホスフェートナトリウム塩、ＤＮＡ塩基を含まない）と相互作用するヌクレオシド−５’−モノホスフェート（Ａ、Ｃ、Ｇ、Ｔ、Ｒ）のＳＰＲセンサーグラムを示す。赤い線は、１：１の結合事象を記述するようにモデリングされ、割り当てられた曲線である。表６は、１：１結合速度論分析から誘導される速度定数および解離定数を示す。
表６

実施例１６：力分光法で結合破壊を読み取る頻度
バッファが単独で存在する状態での相互作用を試験した後（図４８ａ−１０２４回の引っ張りのうち、検出された接着事象のみを示す）、１μＭ ｄＡＭＰを、４−メルカプトベンズアミドで官能基化された電極とともに構成される液体セルに加え、次いで、基材および先端を０．１ｍＭ ＰＢで洗浄した数の関数として力曲線をひいた。データは、過剰なｄＡＭＰが除去されるにつれて最初は増加し、その後、すすぎを続けるにつれて減少していく（図４８ｂ〜ｅ）。特定的には、図４８は、（ａ）ｄＡＭＰが存在しない状態でひいたコントロール曲線は、ベンズアミド分子との間に接着事象がほとんど示されず、これはおそらく、水によって遮断されているからであろう。ｄＡＭＰを加えると、多くの接着事象が起こり、過剰量のｄＡＭＰが系から洗い流されるにつれて、増大していき（ｂ，ｃ）、すすぎを続けるにつれて、低下していく（ｄ，ｅ）ことを示している。

実施例１７：ノイズモデル
この実施例の目的は、塩基を特定するために用いられる信号の可能な起源について概略を説明することである。実施例１３に示されるように、トンネル接合部の中で結合した複合体の元々の寿命は長く、数秒間程度である。そのため、電極またはプローブが、１秒あたり数塩基を読み取るように翻訳される場合、塩基は、一般的に、官能基化されている電極に隣接するすべての時間、結合している。ｍｓタイムスケールで繰り返される電流スパイクは何に由来するのか。実施例１２で与えられる「オン」時間と「オフ」時間の分布を用い、「オン」状態と「オフ」状態のエネルギーの差を計算してもよい。この値を表５にΔＧとして列挙している。これは、３００Ｋで熱エネルギーの一部である（単位は３００ＫでｋＴである）。したがって、スパイクは、分子が、別個の熱的に安定な一連の状態の間を飛び跳ねる結果であるはずはない。ここで、本願発明者らは、指数関数的な様式でサンプリングした場合、連続的なブラウン運動が「急激」であり得る可能性（すなわち、指数関数的に距離に感受性である、トンネル現象によって）を観察する。このモデルは、電流の対数値の指数関数的な分布の選択が基礎となっていることを注記しておく（実施例８の式Ｓ１）。ブラウン運動は、Ｇａｕｓｓｉａｎの（すなわち、熱的な）ノイズによって動く１次元のランダムな動きでシュミレーションした。ある位置でのトンネル電流の読み出しの効果シュミレーションするために、この移動を累積した。以下のＭａｔＬａｂプログラムを使用した。

可変性の「相関関係」は、ある工程の所定位置のどれだけ多くが次の工程に保持されるかを記述する。図４９〜５１で、種々の値のパラメータ「相関関係」のプロットを示す。観察されるノイズに似たノイズスパイクを得るために、１に近い値が必要であった。強度分布は、電流の対数値でＧａｕｓｓｉａｎと十分に当てはまり（すなわち、式Ｓ１）、スパイクの間の時間間隔は、指数関数的に割り振られた。図４９〜５１は、相関関係、Ｃの３つの値について、時間−工程に対し、シュミレーションした移動（上側の読み取り）、電流（下側の読み取り）を示している。

実施例１８：確率の計算
図５２は、４−メルカプトベンズアミドで官能基化された電極を含むデバイス中、ホモポリマーから得られる信号の正規化された分布を示す。図５２Ａは、正規化された電流分布に当てはまる（左から右へ、１番目のピーク＝ｍＣ、２番目のピーク＝Ａ、３番目のピーク＝Ｃ）。図５２Ｂは、信号のバーストにおいて、測定され、多項式に当てはめられ、正規化されたスパイクの頻度（ｆＳ−図５７を参照）を示す（線は、約０．２＝Ａで始まっており、線は約０．６５＝Ｃで始まっており、線は約０．４＝ｍＣで始まる）。分布に対する当てはめを利用し、特定のノイズのバーストがＡまたはＣに由来する確率を割り当てた（平均的な電流および頻度が、交差点よりも上または下にある場合、「Ｉ_ＡＣ」および「ｆ_ＡＣ」と書かれている）。ＣおよびｍＣの電流分布を分離した（クロスオーバー＝「Ｉ_ｍＣ」）が、頻度の分布は重なっている。

の値を図５２ａから得た。０．０１５ｎＡ未満では、Ｃの場合、電流スパイクは本質的に存在しないため、０．０１５ｎＡよりも小さな平均強度のバーストは、Ａの読み取りであると帰属することができる。強度が０．０１５ｎＡより大きいバーストの場合、本願発明者らは、図５２ｂの正規化された分布から得た

の値を使用し、以下の式

からＡの読み取りの確率を算出し、以下の式

から、Ｃの読み取りの確率を算出する。

実施例１９：イミダゾール−２−カルボキサミドの合成
イミダゾール−２−カルボキサミドを電極に結合させるるのに、ω官能基化された短いアルキルが必要である。種々の４（５）−アルキル化イミダゾールが文献で報告されているか、または市販されているため、イミダゾール環上でアミド化することによってイミダゾール−２−カルボキサミドを合成する一般的な方法が開発された。以下のスキームに描かれているように、４（５）−（２−（ベンジルチオ）エチル）イミダゾール（１ａ）およびＮ−［２−（４−イミダゾリル）エチル］フタルイミド（１ｂ）をそれぞれアミド化することによって、４（５）−（２−チオエチル）イミダゾール−２−カルボキサミド（５ａ）および４（５）−（２−アミノエチル）イミダゾール−２−カルボキサミド（５ｂ）を合成した。チオールおよびアミンは、この分子を金属および／または炭素電極に結合させるための固定基として機能する。同じ様式で、４（５）−（ｔｅｒｔ−ブチルジメチルシリルオキシメチル）イミダゾール−２−カルボキサミド（５ｃ）を４（５）−（ｔｅｒｔ−ブチルジメチルシリルオキシメチル）イミダゾール（１ｃ）から合成し、有機溶媒中のＮＭＲ研究に用いた（以下参照）。

これらのイミダゾール−２−カルボキサミドを合成する２種類の経路が探求された。イミダゾールの２位をギ酸エステル^１５またはシアノ基^１６で置換してもよく、これらは両方とも簡単にアミドに変換することができる。シアノ経路が本願発明者らに最もよい結果を与えることがわかった。第１に、化合物１ａ、１ｃ、１ｂを、臭化ベンジルと反応させることによって、１Ｈ窒素保護された生成物（２ａ、２ｂ、２ｃ）に良好な収率で変換した。ＮＭＲによって、生成物はそれぞれ２種類の異性体の混合物であることを確認する。２ａ、２ｂ、２ｃを１−シアノ−４−（ジメチルアミノ）ピリジニウムブロミド（ＣＡＰ）で処理することによって、２ａ、２ｂ、２ｃのイミダゾール環の２位にシアノ基を導入した。ＣＰＡは、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）中、０℃で等量の臭化シアンと４−（ジメチルアミノ）ピリジンとを混合することによって、系中で作成した。２．５倍のＣＡＰを用いると最も良い収率が得られた。硫酸（２０体積％）およびトリフルオロ酢酸（１８体積％）中、加水分解することによって、３ａ、３ｂ、３ｃのシアノ基をアミド（４ａ、４ｂ、４ｃ）にかなりの収率で変換した。本願発明者らは、過酸化水素存在下、塩基性条件で試験したが、望ましい生成物を得ることはできなかった。液体アンモニア中、ナトリウムを用いて保護基をはずすことによって、最終生成物である５ａ、５ｂ、５ｃを得た。ｔｅｒｔ−ブチルジメチルシリルオキシメチル基が脱保護条件で安定であったことは、特に意味はない。望ましい化合物５ｃを良好な収率で分離した。

実施例２０：イミダゾール−２−カルボキシアミドで官能基化された電極を用いてＤＮＡを分析
電極を調製し、イミダゾール−２−カルボキシアミドで官能基化した。トンネルギャップを固定した構成にし、６ｐＡ、０．５Ｖのベースライントンネル条件でデオキシ−ヌクレオチドを分析した。コントロール群には、ほぼ信号がみられなかった。図６２Ａおよび６２Ｂは、^ｍＣ、Ａ、Ｔ、Ｃ、Ｇの電流分布を示す。明らかなように、それぞれのヌクレオチドの電流の特徴は独特であり、したがって、イミダゾール−２−カルボキシアミドの試薬としての有効性を示している。

実施例２１：イミダゾール−２−カルボキシアミドで官能基化された電極を用いてＤＮＡオリゴマーを分析
実施例２０の電極を用い、いくつかのホモオリゴマーおよびヘテロオリゴマーを分析した。片方の電極は、図６３に示されるようなギャップが一定の状態で電極表面の上で翻訳するような構成であった。典型的な翻訳速度は、約８．６ｎｍ／ｓであり、ＤＮＡが例えばナノ細孔を通って引っ張り出されるようにシュミレーションした。

図６４は、ｄ（ＣＣＣＣＣ）（図６４Ａ）およびｄ（ＡＡＡＡＡ）（図６４Ｂ）の例示的な電流分布を示す。ホモポリマーの連続した読み取り結果を図６５〜６８にまとめており（ＡＡＡＡＡ−図６５；ＣＣＣＣＣ−図６６；ｄ（^ｍＣ）_５−図６７；ｄ（ＣＣＣＣＣ）（図６８））、時間（ｓ）によって電流（ｎＡ）をプロットする。この読み取りは、ホモポリマーについて一貫した信号を示す。

ヘテロポリマーの連続した読み取り結果を図７０〜７５にまとめており（ＡＣＡＣＡ−図７０；ＣＣＡＣＣ−図７１；Ｃ^ｍＣＣ^ｍＣＣ−図７２；ｄ（ＡＣＡＣＡ）−図７３；ｄ（Ｃ^ｍＣＣ^ｍＣＣ）−図７４）；ｄ（ＧＴＣＧＴＣＧＴＣ）−図７５）、時間（ｓ）によって電流（ｎＡ）をプロットする。この読み取りは、ヘテロポリマーについて一貫した信号を示す。

したがって、上の試験は、イミダゾール−２−カルボキシアミドが、オリゴマーを分析するのに有効な試薬であることを確認する。

実施例２２：４−カルバモイルフェニルジチオカルバメートの合成
４−アミノベンズアミド（２ｍｍｏｌ、２７２ｍｇ）のＤＭＦ（１ｍＬ）溶液に、ＮａＨ（鉱物油中６０％、１．２ｅｑ、９．６ｍｇ）およびＣＳ_２（１．５ｅｑ、１８１．３ｕＬ）を以下に示すように０℃で連続して加えた。

０℃で３０分間後、反応混合物を室温まで加温し、８４時間撹拌し、次いで、６０℃まで加熱し、４時間撹拌した。室温まで冷却した後、反応混合物をエーテル（２０ｍＬ）で希釈し、濾過し、エーテルで洗浄し、黄色がかった粉末１８３ｍｇを得た（収率３９％）。

種々の上に開示した特徴および機能または代替物、および他の特徴および機能または代替物は、多くの他の異なるシステムまたは用途に望ましく組み込まれてもよいことが理解されるだろう。さらに、種々の現時点でわかっていないか、または予想されていない代替物、改変、変形または改良は、当業者によって後でなされてもよく、これらも以下の特許請求の範囲に包含されることが意図されている。

Claims (22)

1. ポリマーを分析するためのデバイスであって、該デバイスは、
   （ａ）前記ポリマーが通過することができるトンネルギャップを形成する第１の電極および第２の電極と；
   （ｂ）前記第１の電極に結合した第１の試薬および前記第２の電極に結合した第２の試薬を含み、前記第１の試薬および前記第２の試薬は、それぞれ、前記ポリマーのある単位と一時的な結合を生成することが可能であり、
   前記一時的な結合が生成すると、検出可能な信号が作られる、デバイス。
2. 前記試薬、および前記トンネルギャップの幅は、前記第１の試薬および前記第２の試薬が、前記ポリマーの単位と一時的な結合を生成するとき、前記ポリマーのそれぞれのモノマーについて特定の検出可能な信号を作りだすような構成である、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記第１の電極および／または前記第２の電極が、金、炭素、白金、グラフェンまたは窒化チタンを含む、請求項１に記載のデバイス。
4. 作られる前記検出可能な信号が、前記トンネルギャップ中で、前記ポリマーの１個の単位のみの結合によって生じる、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記トンネルギャップは、幅が約１〜約４ｎｍである、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記第１の試薬と前記第２の試薬が同じである、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記一時的な結合が水素結合である、請求項１に記載のデバイス。
8. 前記第１の試薬および前記第２の試薬が、水溶液中で少なくとも１個の水素結合供与部および少なくとも１個の水素結合受容部を含む、請求項１に記載のデバイス。
9. 前記第１の試薬および前記第２の試薬が、独立して、メルカプト安息香酸、４−メルカプトベンズカルバミド、イミダゾール−２−カルボキシド、および４−カルバモイルフェニルジチオカルバメートからなる群から選択される、請求項１に記載のデバイス。
10. 前記ポリマーがＤＮＡまたはＲＮＡであり、そして前記単位がヌクレオチドである、請求項１に記載のデバイス。
11. 前記単位が、Ａ、Ｃ、Ｔ、Ｇおよび^ｍＣからなる群から選択される、請求項１に記載のデバイス。
12. 前記ポリマーがタンパク質であり、そして前記単位がアミノ酸である、請求項１に記載のデバイス。
13. ｃ）少なくとも１個のナノ細孔で分離されている、第１の流体容器および第２の流体容器をさらに含み、該ナノ細孔を通って前記ポリマーが流れてもよい、請求項１に記載のデバイス。
14. 前記第１の流体容器と前記第２の流体容器との間に電気泳動バイアスをかけるための、第１の駆動電極と第２の駆動電極とをさらに含む、請求項１３に記載のデバイス。
15. 前記ナノ細孔の上部に配置された上部接触電極をさらに含み、前記ナノ細孔が導電性である、請求項１３に記載のデバイス。
16. 前記第１の電極および前記第２の電極がカーボンナノチューブである、請求項１に記載のデバイス。
17. ポリマーまたはポリマー単位を分析する方法であって、該方法は、
    ａ）前記ポリマーのある単位と、第１の試薬で官能基化された第１の電極との間に一時的な結合を生成し、前記ポリマーの該単位と、第２の試薬で官能基化された第２の電極との間に一時的な結合を生成する工程；および
    ｂ）前記一時的な結合が生成したとき、検出可能な信号を検出する工程を含む、方法。
18. 前記第１の試薬と前記第２の試薬が同じであり、ならびにメルカプト安息香酸、４−メルカプトベンズカルバミド、イミダゾール−２−カルボキシド、および４−カルバモイルフェニルジチオカルバメートからなる群から選択される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記ポリマーがＤＮＡまたはＲＮＡであり、そして前記ポリマー単位がヌクレオチドである、請求項１７に記載の方法。
20. ポリマーの配列を決定する方法であって、該方法は、
    ａ）第１の試薬で官能基化された第１の電極と第２の試薬で官能基化された第２の電極との間に形成されたトンネルギャップに、前記ポリマーのある単位を流す工程；
    ｂ）前記ポリマーのある単位と、前記第１の試薬および前記第２の試薬との間に一時的な結合を生成する工程；
    ｃ）前記一時的な結合が生成したとき、検出可能な信号を検出する工程；ならびに
    ｄ）前記ポリマーのそれぞれの連続した単位について、工程ａ）〜ｃ）を繰り返す工程を含む、方法。
21. 前記一時的な結合が、読み取り分子中の芳香族基と、検体中の芳香族基との間のπスタッキングである、請求項１に記載のデバイス。
22. ナノ細孔の内側に化学結合しており、および前記ナノ細孔をポリマーが通過するにつれて、ポリマーの単位と一時的な結合を形成する分子からなるナノ細孔を、電気泳動によって動かされるポリマーが通過する速度を遅らせるためのデバイス。