JP2018510329A5 - - Google Patents

Description

このナノポアセンサ構成は、変換素子による局所電位検出を可能にして、イオン電流に比例する高感度かつ高帯域幅および限局化された大きな信号を提供する。その結果、DNAシークエンシングのようなナノポア検出アプリケーションをナノポアセンサによって非常に高い集積密度および分析対象物のスループットで達成することができる。本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および添付図面ならびに特許請求の範囲から明らかになる。
[本発明1001]
支持構造中に配置されたナノポア；
第一の流体リザーバ；
流体通路幅を有し、該流体通路幅よりも大きい流体通路長を有する流体通路であって、該流体通路を介して該第一の流体リザーバを該ナノポアに流体的に接続するための、該第一の流体リザーバと該ナノポアとの間に配置された流体通路；
該ナノポアに流体的に接続された第二の流体リザーバであって、該ナノポアが該流体通路と該第二の流体リザーバとの間の流体接続を提供する、第二の流体リザーバ；
該第一および第二の流体リザーバの間で該ナノポアをはさんで電位差を加えるための、該第一および第二のリザーバ中に接続された電極；ならびに
該流体通路に局所的な電位を計測するための接続を有する、ナノポアセンサ中に配置された少なくとも1つの電気変換素子
を含む、ナノポアセンサ。
[本発明1002]
電気変換素子が流体通路内に配置されている、本発明1001のナノポアセンサ。
[本発明1003]
電気変換素子がナノポア支持構造上に配置されている、本発明1001のナノポアセンサ。
[本発明1004]
電気変換素子が、電位の変化に応答して蛍光を変化させる蛍光色素を含む、本発明1001、1002または1003のいずれかのナノポアセンサ。
[本発明1005]
電気変換素子が電気装置または装置領域を含む、本発明1001、1002または1003のいずれかのナノポアセンサ。
[本発明1006]
電気変換素子が電気回路を含む、本発明1001のナノポアセンサ。
[本発明1007]
電気変換素子がトランジスタを含む、本発明1001のナノポアセンサ。
[本発明1008]
電気変換素子が電界効果トランジスタを含む、本発明1007のナノポアセンサ。
[本発明1009]
電気変換素子がナノワイヤ電界効果トランジスタを含む、本発明1008のナノポアセンサ。
[本発明1010]
ナノワイヤがシリコンナノワイヤを含む、本発明1009のナノポアセンサ。
[本発明1011]
電気変換素子が単一電子トランジスタを含む、本発明1007のナノポアセンサ。
[本発明1012]
前記トランジスタがナノポア支持構造上に配置されている、本発明1007、1008、1009、1010または1011のいずれかのナノポアセンサ。
[本発明1013]
前記トランジスタが、ナノポアに配置されている電子伝導チャネルを含む、本発明1007、1008、1009、1010または1011のいずれかのナノポアセンサ。
[本発明1014]
電気変換素子が電気伝導チャネルを含む、前記本発明のいずれかのナノポアセンサ。
[本発明1015]
ナノポアが配置されている支持構造が膜を含む、前記本発明のいずれかのナノポアセンサ。
[本発明1016]
膜がグラフェンを含む、本発明1015のナノポアセンサ。
[本発明1017]
電気変換素子が、ナノポアが配置されているグラフェン層を含む、前記本発明のいずれかのナノポアセンサ。
[本発明1018]
支持構造が膜を含み、電気変換素子が、該膜上の流体通路中に配置されたナノワイヤを含む、本発明1001のナノポアセンサ。
[本発明1019]
ナノポアが配置されている支持構造が固体材料を含む、本発明1001のナノポアセンサ。
[本発明1020]
ナノポアが生物学的材料を含む、前記本発明のいずれかのナノポアセンサ。
[本発明1021]
ナノポアが、固体支持構造中の両親媒性層中に配置された生物学的材料を含む、本発明1001のナノポアセンサ。
[本発明1022]
第一の流体リザーバが、第一のイオン濃度を有する第一の流体溶液を保持し、第二の流体リザーバが、該第一のイオン濃度とは異なる第二のイオン濃度を有する第二の流体溶液を保持する、前記本発明のいずれかのナノポアセンサ。
[本発明1023]
第二のイオン濃度が第一のイオン濃度よりも少なくとも約10倍高い、本発明1022のナノポアセンサ。
[本発明1024]
第二のイオン濃度が第一のイオン濃度よりも少なくとも約100倍高い、本発明1022のナノポアセンサ。
[本発明1025]
流体通路長が流体通路幅よりも少なくとも約10倍大きい、前記本発明のいずれかのナノポアセンサ。
[本発明1026]
流体通路長が流体通路幅よりも少なくとも約100倍大きい、本発明1025のナノポアセンサ。
[本発明1027]
流体通路長が流体通路幅よりも少なくとも約1000倍大きい、本発明1026のナノポアセンサ。
[本発明1028]
ナノポアをはさんで電位差を加えるために接続された電極が、対象物を流体リザーバ間で該ナノポアに通して電気泳動的に駆動するための、該ナノポアへの入口と該ナノポアからの出口との間の電圧バイアスを有する電気接続を、第一の流体リザーバと第二の流体リザーバとの間に含む、前記本発明のいずれかのナノポアセンサ。
[本発明1029]
電気変換素子が、DNA、DNAフラグメント、RNA、RNAフラグメント、PNA、ヌクレオチド、ヌクレオシド、オリゴヌクレオチド、タンパク質、ポリペプチド、アミノ酸、およびポリマーからなる群より選択される少なくとも1つの対象物の、ナノポアを通過するトランスロケーションに応答して流体通路に局所的な電位を計測するために接続されている、本発明1001のナノポアセンサ。
[本発明1030]
ナノポアを通過する対象物のトランスロケーションの速度を制御するためにナノポアに配置された分子モータをさらに含む、本発明1028のナノポアセンサ。
[本発明1031]
電気変換素子が、ポリマーの単位ごとに異なる電位信号値を生成するように接続されている、本発明1028、1029または1030のいずれかのナノポアセンサ。
[本発明1032]
電気変換素子が、k-merごとに異なる電位信号値を生成するように接続され、k-merはポリマーのkポリマー単位であり、kは正の整数である、本発明1028、1029または1030のいずれかのナノポアセンサ。
[本発明1033]
計測された電位を時間の関数として処理して、ナノポアを通過する対象物のトランスロケーションの時間および持続時間を決定するための、前記変換素子に接続された電気回路をさらに含む、本発明1001のナノポアセンサ。
[本発明1034]
電気変換素子計測値を光学的に決定するための光学読み出し素子をさらに含む、本発明1001のナノポアセンサ。
[本発明1035]
支持構造中、第一の支持構造面と第二の支持構造面との間にナノポアを提供する工程；
第一のイオン濃度を有する第一の流体溶液を保持する第一の流体リザーバを提供する工程であって、該第一の流体リザーバは、流体通路幅および該流体通路幅よりも大きい流体通路長を有する流体通路を介して該ナノポアと流体接続する状態で配置される、工程；
第二のイオン濃度を有する第二の流体溶液を保持する第二の流体リザーバを提供する工程であって、該第二の流体リザーバは、該ナノポアと直接流体接続する状態で配置される、工程；
該流体通路中の電位を計測する工程；
該流体通路中の計測された電位に基づいて、該流体通路長にわたって電位差を決定し、該ナノポアをはさんで電位差を決定する工程；
該流体通路長にわたって決定された電位差を該ナノポアをはさんで決定された電位差と比較する工程；ならびに
該流体通路長にわたって決定された電位差が、該ナノポアをはさんで決定された電位差の少なくとも0.1倍〜100倍になるまで、該第一のイオン濃度および該第二のイオン濃度の少なくとも1つを調節する工程
を含む、ナノポアセンサを較正する方法。
[本発明1036]
対象物をナノポアに通してトランスロケートし、トランスロケーション中の時間の関数として流体通路中の電位を計測する工程；
計測された電位を、該ナノポアを通過する公知の対象物の以前のトランスロケーションおよび該公知対象物トランスロケーションによる該流体通路中の電位の計測に基づく該流体通路中の公知の電位値と比較する工程；ならびに
該比較に基づいて該対象物を同定する工程
をさらに含む、本発明1035の方法。
[本発明1037]
前記公知の対象物が、DNA、DNAフラグメント、RNA、RNAフラグメント、PNA、ヌクレオチド、ヌクレオシド、オリゴヌクレオチド、タンパク質、ポリペプチド、アミノ酸、およびポリマーからなる群より選択される、本発明1036の方法。

Claims (36)

1. 支持構造中に配置されたナノポアであって、ナノポア半径r _pore およびナノポア長l _pore を有する、ナノポア；
   第一のイオン濃度を有する流体溶液を含む第一の流体リザーバ；
   流体通路を介して該第一の流体リザーバを該ナノポアに流体的に接続するための、該第一の流体リザーバと該ナノポアとの間に配置された流体通路；
   第二のイオン濃度を有する流体溶液を含む第二の流体リザーバであって、該ナノポアに流体的に接続されており、該ナノポアが該流体通路と該第二の流体リザーバとの間の流体連絡を提供し、ここで、流体通路は、流体通路長l _FP の少なくとも一部に沿って流体通路半径r _FP を有し、該流体通路長は、該流体通路半径よりも大きく、
   

   

   として与えられ、式中R _C は、第一のイオン濃度に対する第二のイオン濃度の比である、第二の流体リザーバ；
   該第一および第二の流体リザーバの間で該ナノポアをはさんで電位差を加えるための、該第一および第二のリザーバ中に接続された電極；ならびに
   該流体通路に局所的な電位を計測するための接続を有する、ナノポアセンサ中に配置された少なくとも1つの電気変換素子
   を含む、ナノポアセンサ。
2. 電気変換素子が流体通路内に配置されている、請求項1に記載のナノポアセンサ。
3. 電気変換素子がナノポア支持構造上に配置されている、請求項1に記載のナノポアセンサ。
4. 電気変換素子が、電位の変化に応答して蛍光を変化させる蛍光色素を含む、請求項1、2または3のいずれか一項に記載のナノポアセンサ。
5. 電気変換素子が電気装置または装置領域を含む、請求項1、2または3のいずれか一項に記載のナノポアセンサ。
6. 電気変換素子が電気回路を含む、請求項1に記載のナノポアセンサ。
7. 電気変換素子がトランジスタを含む、請求項1に記載のナノポアセンサ。
8. 電気変換素子が電界効果トランジスタを含む、請求項7に記載のナノポアセンサ。
9. 電気変換素子がナノワイヤ電界効果トランジスタを含む、請求項8に記載のナノポアセンサ。
10. ナノワイヤがシリコンナノワイヤを含む、請求項9に記載のナノポアセンサ。
11. 電気変換素子が単一電子トランジスタを含む、請求項7に記載のナノポアセンサ。
12. 前記トランジスタがナノポア支持構造上に配置されている、請求項7、8、9、10または11のいずれか一項に記載のナノポアセンサ。
13. 前記トランジスタが、ナノポアに配置されている電子伝導チャネルを含む、請求項7、8、9、10または11のいずれか一項に記載のナノポアセンサ。
14. 電気変換素子が電気伝導チャネルを含む、請求項1に記載のナノポアセンサ。
15. ナノポアが配置されている支持構造が膜を含む、請求項1に記載のナノポアセンサ。
16. 膜がグラフェンを含む、請求項15に記載のナノポアセンサ。
17. 電気変換素子が、ナノポアが配置されているグラフェン層を含む、請求項1に記載のナノポアセンサ。
18. 支持構造が膜を含み、電気変換素子が、該膜上の流体通路中に配置されたナノワイヤを含む、請求項1に記載のナノポアセンサ。
19. ナノポアが配置されている支持構造が固体材料を含む、請求項1に記載のナノポアセンサ。
20. ナノポアが生物学的材料を含む、請求項1に記載のナノポアセンサ。
21. ナノポアが、固体支持構造中の両親媒性層中に配置された生物学的材料を含む、請求項1に記載のナノポアセンサ。
22. 第一の流体リザーバが、第一のイオン濃度を有する第一の流体溶液を保持し、第二の流体リザーバが、該第一のイオン濃度とは異なる第二のイオン濃度を有する第二の流体溶液を保持する、請求項1に記載のナノポアセンサ。
23. 第二のイオン濃度が第一のイオン濃度よりも少なくとも約10倍高い、請求項22に記載のナノポアセンサ。
24. 第二のイオン濃度が第一のイオン濃度よりも少なくとも約100倍高い、請求項22に記載のナノポアセンサ。
25. 流体通路長が流体通路幅よりも少なくとも約100倍大きい、請求項1に記載のナノポアセンサ。
26. 流体通路長が流体通路幅よりも少なくとも約1000倍大きい、請求項1に記載のナノポアセンサ。
27. ナノポアをはさんで電位差を加えるために接続された電極が、対象物を流体リザーバ間で該ナノポアに通して電気泳動的に駆動するための、該ナノポアへの入口と該ナノポアからの出口との間の電圧バイアスを有する電気接続を、第一の流体リザーバと第二の流体リザーバとの間に含む、請求項1に記載のナノポアセンサ。
28. 電気変換素子が、DNA、DNAフラグメント、RNA、RNAフラグメント、PNA、ヌクレオチド、ヌクレオシド、オリゴヌクレオチド、タンパク質、ポリペプチド、アミノ酸、およびポリマーからなる群より選択される少なくとも1つの対象物の、ナノポアを通過するトランスロケーションに応答して流体通路に局所的な電位を計測するために接続されている、請求項1に記載のナノポアセンサ。
29. ナノポアを通過する対象物のトランスロケーションの速度を制御するためにナノポアに配置された分子モータをさらに含む、請求項27に記載のナノポアセンサ。
30. 電気変換素子が、ポリマーの単位ごとに異なる電位信号値を生成するように接続されている、請求項27、28または29のいずれか一項に記載のナノポアセンサ。
31. 電気変換素子が、k-merごとに異なる電位信号値を生成するように接続され、k-merはポリマーのkポリマー単位であり、kは正の整数である、請求項27、28または29のいずれか一項に記載のナノポアセンサ。
32. 計測された電位を時間の関数として処理して、ナノポアを通過する対象物のトランスロケーションの時間および持続時間を決定するための、前記変換素子に接続された電気回路をさらに含む、請求項1に記載のナノポアセンサ。
33. 電気変換素子計測値を光学的に決定するための光学読み出し素子をさらに含む、請求項1に記載のナノポアセンサ。
34. 支持構造中、第一の支持構造面と第二の支持構造面との間にナノポアを提供する工程；
    第一のイオン濃度を有する第一の流体溶液を保持する第一の流体リザーバを提供する工程であって、該第一の流体リザーバは、流体通路幅および該流体通路幅よりも大きい流体通路長を有する流体通路を介して該ナノポアと流体接続する状態で配置される、工程；
    第二のイオン濃度を有する第二の流体溶液を保持する第二の流体リザーバを提供する工程であって、該第二の流体リザーバは、該ナノポアと直接流体接続する状態で配置される、工程；
    該流体通路中の電位を計測する工程；
    該流体通路中の計測された電位に基づいて、該流体通路長にわたって電位差を決定し、該ナノポアをはさんで電位差を決定する工程；
    該流体通路長にわたって決定された電位差を該ナノポアをはさんで決定された電位差と比較する工程；ならびに
    該流体通路長にわたって決定された電位差が、該ナノポアをはさんで決定された電位差の少なくとも0.1倍〜100倍になるまで、該第一のイオン濃度および該第二のイオン濃度の少なくとも1つを調節する工程
    を含む、ナノポアセンサを較正する方法。
35. 対象物をナノポアに通してトランスロケートし、トランスロケーション中の時間の関数として流体通路中の電位を計測する工程；
    計測された電位を、該ナノポアを通過する公知の対象物の以前のトランスロケーションおよび該公知対象物トランスロケーションによる該流体通路中の電位の計測に基づく該流体通路中の公知の電位値と比較する工程；ならびに
    該比較に基づいて該対象物を同定する工程
    をさらに含む、請求項34に記載の方法。
36. 前記公知の対象物が、DNA、DNAフラグメント、RNA、RNAフラグメント、PNA、ヌクレオチド、ヌクレオシド、オリゴヌクレオチド、タンパク質、ポリペプチド、アミノ酸、およびポリマーからなる群より選択される、請求項35に記載の方法。