JP2020524801A - 二重細孔制御およびセンサデバイス - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、その全体がこの参照によって本明細書に組み込まれる、2017年6月21日に出願された米国特許仮出願第62/523228号明細書の利益を主張する。
本開示は、2つのナノ細孔の各々が、切り換え可能な2つの回路からなる選択肢内に組み込まれた、2ナノ細孔デバイスについて説明する。これ以降、センサ回路と呼ばれる、ナノ細孔を組み込んだ第1の回路は、センシング電圧クランプまたはパッチクランプ増幅器回路を備える。ナノ細孔を組み込んだ第1の回路が、使用されるとき、ナノ細孔は、「イオン電流センシング」ナノ細孔として機能する。これ以降、制御回路と呼ばれる、第2の回路は、第2の回路内に組み込まれたナノ細孔を横断する場の力の大きさおよび方向を制御する、カスタマイズされた回路を備える。様々な実施形態において、制御回路は、位相ロックループ(PLL)、または他の何らかの周期的電圧制御波形を備える。制御回路は、また、フィードバック電圧制御のために使用されることができる、第1の回路からの情報(例えば、測定された電流)にアクセスする。この構成においては、センシング回路は、第1のナノ細孔に適用され、一方、最適な細孔通過電圧制御のために設計された、制御回路は、第2のナノ細孔に適用される。2つの回路種類間の切り換えは、任意の時に行われることができる。言い換えると、センサ回路は、第2のナノ細孔に適用されることができ、一方、制御回路は、第1のナノ細孔に適用される。一般に、一方のナノ細孔における制御回路は、他方のナノ細孔を通り抜ける分子の動きに影響を与えるために使用され、それによって、反対のナノ細孔のセンシング回路を使用した、分子の複数の再読を可能にする。様々な実施形態において、2つの異なるナノ細孔において動作させられる制御回路とセンシング回路の組合せは、制御された配送およびセンシング中に、分子を、それがナノ細孔を通り抜けて転位するときに、低速化することによって、上で説明された障害2に対処するために使用されることができる。
様々な実施形態において、2ナノ細孔1センサ構成を利用するための例示的なナノ細孔デバイス100は、多チャンバ2細孔デバイスである。図1を参照すると、例示的なナノ細孔デバイス100は、第1のチャンバ105と、第2のチャンバ110と、第3のチャンバ115とを含む。様々な実施形態において、第1のチャンバ105は、ガラスなどの絶縁素材から構成されてよいカバー170内に配置される。第3のチャンバ115は、ガラスなどの絶縁素材から構成される絶縁層160の表面上に生成される。チャンバは、様々な実施形態において、いくつかの選択肢から選択される素材から構成された、2つの膜(120a、120b)によって隔てられる。固体製作プロセスにおいて、膜素材は、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、グラフェン、これらの任意の組合せ、または当技術分野において知られた他の任意の固体素材であることができる。代替物は、生物学的ナノ細孔が挿入されたポリマ膜である。各膜層120a、120bは、これ以降、第1のナノ細孔125および第2のナノ細孔130と呼ばれる、別個のナノ細孔を含む。第1のナノ細孔125は、固体ナノ細孔、生物学的ナノ細孔、または電界効果ナノ細孔トランジスタ(FENT)であってよい。第2のナノ細孔130は、それらのシステムのいずれか、またははるかに大きいマイクロ細孔(μmスケール)であってよい。第1のナノ細孔125は、第1のチャンバ105と流体的に接続しており、第2のナノ細孔130は、第3のチャンバ115と流体的に接続している。
本開示においては、電圧クランプまたはパッチクランプなどのTIAを含む、センサ回路は、定電圧を印加し、ナノ細孔を横断するイオンの変化を検出するために使用される。加えて、制御回路が、分子の動きを制御するために、ナノ細孔において使用される。図2Aないし図2Bは、各々、2つの実施形態に従った、例示的なナノ細孔デバイスの第1のナノ細孔125および第2のナノ細孔130を組み込んだ例示的な回路を示している。
図2Aおよび図2Bに示されるように、センサ回路225は、1)第2のナノ細孔130の間に静的電圧を印加し、2)分子が第2のナノ細孔130を通過するときに、センサデータをキャプチャする電圧クランプまたはパッチクランプのうちの一方であってよい。
制御回路は、同時に、第1のナノ細孔と第2のナノ細孔の両方の中に捕捉された分子(例えば、DNAポリヌクレオチドおよびタンパク質など)の動きを制御する。一般に、制御回路は、第2のナノ細孔130においてセンサ回路によって印加された電圧から生じる場の力とは反対向きの方向性のある場の力を印加する。制御回路は、電圧クランプまたはパッチクランプ回路を組み込まない。代わりに、制御回路は、電圧制御要素を利用する。これらの電圧制御要素は、電圧クランプまたはパッチクランプ増幅器回路(例えば、センサ回路)を用いた場合に可能なものを上回る制御についての性能を提供する。特に、そのような制御要素は、2つのナノ細孔内における分子の動きを正確に制御するように特に構成されることができる、多種多様な波形を提供することができる。さらに、第2のナノ細孔130におけるセンサ回路によって検出された電流の測定は、リアルタイムに、制御回路の制御要素のためのフィードバックとして機能することができる。
様々な実施形態において、2つの細孔の各々において、センサと制御回路からなる選択肢が、利用可能である。図3は、一実施形態に従った、各ナノ細孔ごとのセンシング回路225と制御回路240からなる選択肢と、各細孔ごとの2つの選択肢を切り換えるスイッチ310とを有する、例示的な2ナノ細孔デバイスを示している。特に、第1のナノ細孔125は、センシング回路225Aと制御回路240Aの両方からなる第1のセットを含む、第1の全体回路350Aに組み込まれる。加えて、第2のナノ細孔130は、センシング回路225Bと制御回路240Bの両方からなる第2のセットを含む、第2の全体回路350Bに組み込まれる。各全体回路350は、各全体回路350のセンシング回路225と制御回路240との間の切り換えを可能にする、スイッチ310A、310Bを含む。一実施形態においては、各スイッチ310を設定することは、第1のナノ細孔125にわたるセンシングと、第2のナノ細孔130における制御、またはそれの反対を可能にすることができる。様々な実施形態において、スイッチ310A、310Bは、図3に表示されたのとは異なるように、具体化されてよい。例えば、あるハードウェアコンポーネントは、センシング回路225と制御回路240との間で共用されてよく、したがって、各スイッチ310は、(必要なハードウェアコンポーネントを含む)各回路の機能が、望まれるときに、適切に有効化にされるように、構成されることができる。これらの実施形態は、以下の図4Aおよび図4Bにおいて、さらに詳細に説明される。
一般に、図2A/図2Bに示されるような制御回路240とセンサ回路225、または図3/図4A/図4Bに示されるような複数の制御回路240A/240Bとセンサ回路225A/225Bは、センシングおよびデータ収集のために、DNAセグメントなどの分子の動きを制御するために、2細孔1センサデバイスにおいて一緒に利用されることができる。以降の説明は、第2の構成状態(例えば、第2のナノ細孔130を組み込んだセンシング回路225Bと、第1のナノ細孔125を組み込んだ制御回路240A)における、2ナノ細孔デバイスを参照するが、説明は、追加の構成状態(例えば、第1の構成状態)に同様に適用されることができる。
2細孔デバイスを用いて実施される、2細孔デバイスおよび方法の実施形態、変形、および例が、上で説明されたが、説明された本発明の代替的実施形態、変形、および例は、非2細孔デバイスを含むことができる。例えば、変形においては、第2のチャンバ110(およびそれの説明された変形)は、単一細孔デバイスの導電性チャネルであることができ、単一細孔デバイスは、(例えば、ゲート電圧による)制御回路と、(例えば、ソース−ドレーン電流フローに関連する)センシング回路とを有し、制御回路とセンシング回路との間で切り換えを行う能力を有する。そのような単一細孔デバイスは、リソグラフィプロセス、穿孔プロセス、または素材の層を貫通するチャネルもしくはチャンバを生成する他の任意の適切なプロセスを用いて、製造されることができる。
Claims (22)
- 2細孔デバイスであって、
上方チャンバ、中間チャンバ、および下方チャンバであって、前記上方チャンバは、第1のナノ細孔を通して、前記中間チャンバと連通しており、前記中間チャンバは、第2のナノ細孔を通して、前記下方チャンバと連通している、該上方チャンバ、該中間チャンバ、および該下方チャンバと、
前記第1のナノ細孔および前記第2のナノ細孔の各々のためのセンシング回路および制御回路であって、
各センシング回路は、対応するナノ細孔の間に定電圧を印加するように構成され、また前記対応するナノ細孔を通り抜けるセンシング電流を測定するようにさらに構成され、
各制御回路は、前記対応するナノ細孔の間に動的電圧を印加するように構成され、前記印加された動的電圧は、前記第1のナノ細孔および前記第2のナノ細孔を横断する荷電されたポリマの制御された動きを決定する、
該センシング回路および該制御回路と
を備え、
前記センシング電流は、前記制御された動き中に、前記荷電されたポリマから導出されることを特徴とする2細孔デバイス。 - 各センサ回路は、トランスインピーダンス増幅器を備えたことを特徴とする請求項1に記載の2細孔デバイス。
- 前記トランスインピーダンス増幅器は、パッチクランプまたは電圧クランプ増幅器のうちの一方であることを特徴とする請求項2に記載の2細孔デバイス。
- 各制御回路は、位相ロックループ(PLL)を備えたことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の2細孔デバイス。
- 前記第1のナノ細孔の前記制御回路は、前記第2のナノ細孔の前記センサ回路からのフィードバックに基づいて、振動電圧出力を発生させるように構成されたことを特徴とする請求項4に記載の2細孔デバイス。
- 前記振動電圧出力の周波数と前記センシング回路の周波数との間の位相差は、時間とともに固定されることを特徴とする請求項5に記載の2細孔デバイス。
- 前記振動電圧出力は、前記第2のナノ細孔の間に前記動的電圧を印加する電圧制御増幅器(VCA)に提供されることを特徴とする請求項5または6に記載の2細孔デバイス。
- 前記中間チャンバは、前記第1のナノ細孔または前記第2のナノ細孔の少なくとも1つの前記センシング回路および前記制御回路の両方について電気的戻り通路として結合されたことを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1つに記載の2細孔デバイス。
- 2細孔デバイスであって、
上方チャンバおよび下方チャンバであって、前記上方チャンバは、第1のナノ細孔および第2のナノ細孔を通して、前記下方チャンバと連通している、該上方チャンバおよび該下方チャンバと、
前記第1のナノ細孔および前記第2のナノ細孔の各々のためのセンシング回路および制御回路であって、
各センシング回路は、対応するナノ細孔の間に定電圧を印加するように構成され、また前記対応するナノ細孔を通り抜けるセンシング電流を測定するようにさらに構成され、
各制御回路は、前記対応するナノ細孔の間に動的電圧を印加するように構成され、前記印加された動的電圧は、前記第1のナノ細孔および前記第2のナノ細孔を横断する荷電されたポリマの制御された動きを決定する、
該センシング回路および該制御回路と
を備え、
前記センシング電流は、前記制御された動き中に、前記荷電されたポリマから導出されることを特徴とする2細孔デバイス。 - 前記第1のナノ細孔および前記第2のナノ細孔は、チャネルによって接続されていることを特徴とする請求項9に記載の2細孔デバイス。
- 当該デバイスは、前記第1のナノ細孔を含む第1の膜層、前記第2のナノ細孔を含む第2の膜層、および、前記第1の膜層と前記第2の膜層との間の導電性中間層をさらに備えたことを特徴とする請求項9又は10に記載の2細孔デバイス。
- 前記導電性中間層は、前記第1のナノ細孔または前記第2のナノ細孔の少なくとも1つの前記センシング回路および前記制御回路の両方について電気的戻り通路として結合されたことを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1つに記載の2細孔デバイス。
- ポリヌクレオチドをシーケンスするための方法であって、
細孔デバイスの第1のチャンバ内に前記ポリヌクレオチドを含むサンプルをロードするステップと、
第1のナノ細孔の間に第1の電圧を印加するため、前記第1のナノ細孔のセンシング回路を使用することによって前記第1のナノ細孔を通じて前記ポリヌクレオチドを転位させるステップと、
第2のナノ細孔の間に第2の電圧を印加するため、前記第2のナノ細孔のセンシング回路を使用することによって前記第2のナノ細孔を通じて前記ポリヌクレオチドを転位させるステップと、
前記第1のナノ細孔の前記センシング回路によって印加された前記第1の電圧の極性を反転させることによって、前記第1のナノ細孔の間に印加された前記第1の電圧を調整するステップと、
前記第2のナノ細孔の前記センシング回路を制御回路に切り換えることによって、前記第2のナノ細孔の間の前記第2の電圧を調整するステップと、
前記ポリヌクレオチドのヌクレオチドを識別するステップと
を備えたことを特徴とする方法。 - 前記調整された第2の電圧は、発振制御回路の電圧であり、前記ポリヌクレオチドのヌクレオチドを識別するステップは、
前記印加された発振電圧の初期発振について、前記ポリヌクレオチドのヌクレオチドの第1の転位に対応する前記第1のナノ細孔の間のイオン電流における第1の変化を検出するステップと、
前記印加された発振電圧の継続発振について、前記ポリヌクレオチドのヌクレオチドの第2の転位に対応する前記第1のナノ細孔の間のイオン電流における第2の変化を検出するステップと
を含むことを特徴とする請求項13に記載の方法。 - 前記調整された第2の電圧は、前記第1のナノ細孔の前記センシング回路によって捕獲されたフィードバック信号に基づいて印加されることを特徴とする請求項14記載の方法。
- 前記フィードバック信号は、前記第1のナノ細孔の間で測定された電流であり、前記電流は、前記第1のナノ細孔の間のポリヌクレオチドの動きの測定であることを特徴とする請求項15に記載の方法。
- 前記ポリヌクレオチドの動きの測定は、ポリヌクレオチドの位置、速度、又は加速度の1つの測定であることを特徴とする請求項16に記載の方法。
- 前記ポリヌクレオチドの動きの測定は、少なくともカルマンフィルタを使用して決定されることを特徴とする請求項16又は17に記載の方法。
- 前記フィードバック信号は、フィードフォワード又はフィードバックの1つを使用することによって、周波数領域又は時間領域のいずれかにおいて設計されたことを特徴とする請求項15ないし18のいずれか1つに記載の方法。
- 前記フィードバック信号は、協調設計された推定器およびコントローラを使用することによって設計されたことを特徴とする請求項15ないし19のいずれか1つに記載の方法。
- 前記調整された第2の電圧は、直流バイアスの交流信号源を使用することによって印加されることを特徴とする請求項13ないし18のいずれか1つに記載の方法。
- 前記調整された第2の電圧は、0.001Hzと100Hzとの間の周波数範囲、および、0.001mVと10Vとの間の電圧範囲で印加されることを特徴とする請求項13ないし19のいずれか1つに記載の方法。
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