JP5586001B2

JP5586001B2 - ナノリボン及びその製造方法、ナノリボンを用いたｆｅｔ及びその製造方法、ナノリボンを用いた塩基配列決定方法およびその装置

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Publication number: JP5586001B2
Application number: JP2009194892A
Authority: JP
Inventors: 明生徐; 大介藤田; 信孝花方
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2009-08-26
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2029-08-26
Also published as: JP2011045944A

Description

本発明はナノリボンとその製造方法、ナノリボンを用いたＦＥＴとその製造方法、またナノリボンを用いて分子、特に核酸を解析するための方法及び装置に関する。本発明のナノリボンは、特に、グラフェン等の単一層、二重層あるいは数層の層状体あるいは複数層材料でできている。また、本発明のナノリボンを用いた方法及び装置はとりわけ、ナノチャネル（ｎａｎｏｆｌｕｉｄｉｃｃｈａｎｎｅｌ）中でＤＮＡあるいはＲＮＡ分子を引き伸ばして駆動し、制御された態様でこのようなＤＮＡあるいはＲＮＡ分子をナノリボンの活性領域と相互作用させることで、塩基毎にリアルタイムで直接的に配列決定を行う。遺伝子配列情報は、ヌクレオチド塩基とナノリボンの縁との間での個々の塩基毎の塩基固有の相互作用を検出することによって得られる。核酸分子がナノリボンの縁を通り過ぎるときにこの相互作用が起こる。

デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）に例をとって説明すれば、生物体の遺伝子は４種類の有機塩基が二重螺旋構造に沿って対になって配置されているＤＮＡによって構成されている。ここで、４種類の塩基とはアデニン（Ａ）、グアニン（Ｇ）、シトシン（Ｃ）及びチミン（Ｔ）である。具体的な遺伝子情報を得るためには、この構造に沿った塩基対の特定の順序を判定することが必須である。
ＳａｎｇｅｒＤＮＡ配列決定技術は３０年間程にわたって配列決定産業の主力であった。今日においても、ＳａｎｇｅｒＤＮＡ配列決定法は配列決定のための、高信頼性かつ高精度の方法であり、１０００塩基対以上の長さで９９．９９９％までの塩基対を読み取ることができる。しかしながら、Ｓａｎｇｅｒ配列決定法はＤＮＡ中の塩基Ｇ、Ｃ、Ａ及びＴを読み取るために化学的な方法に依拠しており、個々人の遺伝子情報を読み取るという目的には、本技術の多大な改良にもかかわらず依然としてスピードが遅くまた費用のかかる方法である。本方法では一人の人間の遺伝子配列の決定には約１，０００万〜２，５００万米ドル、細菌の遺伝子配列の決定でも約２万〜５万米ドルを要する。
たとえば非特許文献１で解説されているように、ここ数年間、費用低減と配列決定スピードの向上を狙って、ＤＮＡ配列決定のための別のいくつかの方法が開発されてきた。これらの開発結果により、配列決定コストの著しい低減、またそれと同時にＤＮＡ配列決定スピードの向上がもたらされた。しかし、これらの新規な配列決定技術は、これまでのデータと比較してもまたお互いに比較しても、多様な読み取り長、多様な誤り率及び多様な誤りプロファイルを呈する（非特許文献２を参照のこと）。このことはこれらの技術の応用に大きな影響を与える。
新しいＤＮＡ配列決定技術の開発に対する強い要求があり、ナノ細孔（ｎａｎｏｐｏｒｅ）配列決定技術のような新たな技術の開発がなされてきた。ナノ細孔配列決定技術が基づいている原理は、単鎖ＤＮＡ（ｓｉｎｇｌｅ−ｓｔｒａｎｄｅｄＤＮＡ，ｓｓＤＮＡ）分子は電気泳動によって駆動されて、ナノスケールの細孔（１．５〜５ｎｍ）を、厳密に直列の順番で通り抜けることである（非特許文献３を参照のこと）。イオン電流遮断（ｉｏｎｉｃｃｕｒｒｅｎｔｂｌｏｃｋａｇｅ）、横方向トンネル電流（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｔｕｎｎｅｌｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔ）、キャパシタンスなどの電気信号の変化を記録して、ＤＮＡ配列を識別する。しかしながら、この技術には、ナノ細孔を通過している間のＤＮＡの速度と方向の制御、細孔中でのナノ粒子の捕捉が起こりえること、電気信号中の大きな雑音、埋め込まれかつ正確に整列された導電性があり強固なプローブ対を持つ適切なナノ細孔を作成することなどの大きな課題が残されている。
具体的には、特許文献１として挙げた米国公開特許２００６／０２４４９７には、単層カーボン・ナノチューブ（ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌｅｄｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅ，ＳＷＣＮＴ）のような、直径が０．７ｎｍ未満の個別のナノワイヤやナノチューブを使用することで製造されるナノトランジスタに基づく単一分子配列決定方法が開示されている。この方法では、ＤＮＡ分子とＳＷＣＮＴの間の電荷移動に従って、塩基によって異なる電流が測定される。単一塩基分解能を得るため、この方法ではナノワイヤやナノチューブの直径は０．７ｎｍ未満である必要がある。この方法における重大な困難性は、このようなナノワイヤ／ナノチューブ・ナノトランジスタの作り方に根差している。カーボン・ナノチューブもそれ以外のナノワイヤ／ナノチューブも、多様なサイズ及び構造を持つものとして供給され、またこれらの電気的性質はカイラリティ（ｃｈｉｒａｌｉｔｙ）及び直径に依存する。現在のところ、たとえば単一のタイプのカーボン・ナノチューブなどのナノ構造を製造して、ここで問題としているＤＮＡ配列決定装置に必要な素子プロセスのために個々のナノワイヤ／ナノチューブを簡単に位置決めすることは不可能である。従って、安価で高速のＤＮＡ配列決定のための改良されたシステム及び実現可能な方法が望まれる。

本発明の課題は、配列決定に関する上述した従来技術を改良する新規な方法及び装置を提供することにある。更に詳細には、本発明の課題は、ＤＮＡなどの配列決定を、高速に、また配列長の制限なしでかつ簡単な構成で実現することにある。本発明の課題はまたこのような配列決定に使用されるナノリボン及びナノＦＥＴ並びにその製造方法を提供することにある。

本発明の一側面による配列決定用検出器においては、その検出機構はナノリボンの活性領域との塩基固有の相互作用に基づく。このようなナノリボンは電界効果ナノトランジスタ（ナノＦＥＴ）（ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔｎａｎｏ−ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＮａｎｏＦＥＴ））構造に組み込まれてもよい。たとえば、ナノＦＥＴのチャネルコンダクタンスは、当該ナノＦＥＴが単鎖ＤＮＡ上の単一の塩基と相互作用している際に変化する。この変化は更にゲート電極電界によって変調することができる。ナノ構造ベースのバイオセンサはＤＮＡ分子中の塩基ミスマッチを検出できることが実験的に示されている（非特許文献４を参照のこと）。この結果は、ナノトランジスタを使用して塩基固有の相互作用を検出することにより、ＤＮＡの配列決定を行うことができる可能性を示唆している。更に、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）との塩基固有の相互作用が理論的に示されている（非特許文献５を参照のこと）。
この配列決定用検出器には、単層、二層、数層（３〜１０層）あるいは多層（１０層よりも多い）の材料で作られた電気的あるいは光学的検出器としてのナノリボンあるいは電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）とナノ流体系が設けられる。グラフェン（厚さが０．３３５ｎｍ程度）のナノリボンのような単層、二層、数層あるいは多層の層状材料をナノリボンあるいはナノＦＥＴの活性部材として使用することが本発明の重要な事項であり、これにより個々の塩基に対応する分解能が達成される。塩基固有の相互作用は、活性材料シートの原子面で起こるのではなく、単層、二層、数層あるいは多層の層状材料である、たとえばグラフェン・シートなどの活性材料シートの断面がナノリボンの表面に現れている部分（本願では、ナノリボンの表面に現れる、絶縁材料に挟み込まれたこの活性材料シート断面を「ナノリボンの活性領域」と称する）で起こる。
本発明の他の側面によれば、単一または複数の層である、たとえばグラフェンであってよい材料を絶縁体で挟み込んだ構造のナノリボン及びその製造方法が与えられる。ここで、単一または複数の層の材料は、厚さが０．１ｎｍから１０ｎｍの範囲の断面として（つまり、ナノリボンの活性領域として）ナノリボンの表面に現れている。
本発明の他の側面によれば、このようなナノリボンの縁を活性材料として使用するナノＦＥＴの簡単な製造方法が与えられる。
信頼性の高い検出は、ナノチャネル中でのＤＮＡの運動およびナノリボンの縁あるいはナノＦＥＴの活性材料とこのＤＮＡとの相互作用を精密に制御することにかかっている。本発明の更に他の側面によれば、このような運動の動力学的な制御はプログラム可能で互いに垂直な電界を使用することによって達成される。このような電界はたとえば、それぞれの貯留部に設けられた電極間にかけられた電気泳動電界及びゲート電極とその下あるいはナノチャネルにある電極との間にかけられた保持電界である。
本発明の更に他の側面によれば、電気泳動電界は単鎖ＤＮＡ（もちろん、他の核酸についても同様）を直線状に伸ばして駆動する。適切な極性の保持電界は負に帯電した燐酸鎖をナノリボンの活性領域から離間させ、また、塩基識別のため、そのヌクレオチドがナノリボンの活性領域に近接して相互作用するように向けることができる。保持電界はまた測定中に単鎖ＤＮＡが漂流していかないようにする。従って、ナノチャネル中の運動の動力学はこれらの電界の印加時間と振幅によって精密に制御される。
本発明の更に他の側面によれば、ナノチャネルの側壁間の反発電界を使用して、負に帯電した単鎖ＤＮＡをナノチャネルの壁から排斥する。
単鎖ＤＮＡ分子をナノチャネルを通って移動させると、たとえばソース電極とドレイン電極の間の電流を測定できるように、保持パルス電界の下に、この分子はナノリボンあるいはナノＦＥＴの活性材料の縁に一塩基ずつ接触する（図３中に示すナノＦＥＴなどではナノリボンの表面が絶縁層などで覆われているため、このような場合は厳密に言えば塩基はナノリボンの活性領域に直接接触していない。しかし、検出可能な相互作用を起こす程度まで接近することまで含めて本願では「接触する」と称する）。ソース電極とドレイン電極の間のこの電流は、活性材料との塩基固有の相互作用により、塩基毎に異なる。更に、繰り返し測定と比較のため、ナノリボンあるいはナノＦＥＴアレイを並列あるいは直接に簡単に集積することができる。原理的には、この配列決定方法は読み取り長に制限がなく、また資料の準備が単純で高速に配列決定できるというような卓越した利点を持っている。

本発明によれば、核酸塩基配列決定を高速かつ配列長に制限なく行うことができる。また、そのような配列決定に使用できるナノリボン及びナノＦＥＴを容易に作成することができる。

本発明により、グラフェン・ナノリボンを加工する方法及びそのようなナノリボンの構造を説明する図である。ニッケル表面上のグラフェンのＡＦＭ（ａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像（ａ）及びオージェ（Ａｕｇｅｒ）電子スペクトル（ｂ）である。ナノリボンを用いてナノＦＥＴを製造する方法の例を示す図であり、（ａ）グラフェンを基板上に転送し、（ｂ）ソース電極及びドレイン電極をパターン形成し、（ｃ）絶縁層を設け、（ｄ）ゲート電極をパターン形成する、ステップを示している。ナノ流体系をナノＦＥＴアレイに集積した、本発明によるナノＦＥＴＤＮＡ配列決定装置の例を示す図である。ナノＦＥＴをナノ流体系の上に作成した、本発明による他のナノＦＥＴＤＮＡ配列決定装置を示す図である。ナノ流体系のナノチャネルがナノＦＥＴに組み込まれた、本発明による他のナノＦＥＴＤＮＡ配列決定装置を示す図。光学技術を使用してナノリボン構造との塩基固有の相互作用を検出する、本発明による他のナノＦＥＴＤＮＡ配列決定装置を示す図。光学技術を使用してナノリボン構造との塩基固有の相互作用を検出する、本発明による他のナノＦＥＴＤＮＡ配列決定装置を示す図であって、ここにおいて、２端子電極へのバイアスにより光信号を増大させることができる。光学技術を使用してナノリボン構造との塩基固有の相互作用を検出する、本発明による他のナノＦＥＴＤＮＡ配列決定装置を示す図であって、ここにおいて、ソース、ドレイン、ゲート電極へのバイアスにより光信号を増大させることができる。ＤＮＡの駆動及び移動動力学のためのプログラム可能で相互に垂直な電界の同期と協調及び相互作用検出、並びにサンドイッチ構造の活性領域との塩基固有の交互作用の検出によるＤＮＡ配列同定を説明する図である。

上述した本発明の概要及び以下に述べる実施形態の詳細な説明は、添付の図面を参照することによって更によく理解される。本発明を説明するという目的のため、以下の説明及び図面においては、現在のところ好ましいものであると考えられるものを提示した。しかしながら、本発明はここで開示された特定の方法、構成、装置及びその厳密な配列などに限定されるものではないことを理解しなければならない。更に、これらの図面は必ずしも一定の縮尺で作図されていないことを注意しておく。
本発明は核酸（ＤＮＡあるいはＲＮＡ）の配列決定を単一の分子上で行うための装置及び方法に関するものである。更に特定的には、本発明はＤＮＡ分子あるいはＲＮＡ分子を塩基毎に直接読み取ることによって遺伝子配列情報を得ることに関する。以下の説明及び図面においては、説明をわかりやすくするため、往々にして本発明にかかわる技術や機構をひとつだけ使うものとした記述がなされている。しかしながら、明示がない限り、技法を繰り返し使用することや機構を複数個用いることが可能でありまた好ましい場合があることに注意しなければならない。
以下では、単一分子のＤＮＡあるいはＲＮＡの配列決定を行うための装置及び方法が説明される。そのような装置は分析センサ用のナノリボンあるいはナノＦＥＴ、個別ＤＮＡあるいはＲＮＡ分子の直線化と駆動のためのナノ流体機構、及びＤＮＡあるいはＲＮＡ移動動力学の制御のためのプログラム可能な勾配電界を有している。
ヌクレオチドのサイズ及び引き伸ばされあるいは引き伸ばされていないＤＮＡ分子中のヌクレオチドの分離を考慮して、本発明のナノリボンは、単層、二層、数層（３〜１０層）、あるいは多層（１０層よりも多くの層）材料を使用して作成される。層の材料は、これに限定されるものではないが、たとえばグラファイト、超格子ＭｏＳ_２、ＮｂＳｅ_２、Ｂｉ_２Ｓｒ_２ＣａＣｕ_２Ｏ_ｘ、窒化ホウ素、ジカルコゲニド（ｄｉｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅｓ）、トリカルコゲニド（ｔｒｉｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅｓ）、テトラカルコゲニド（ｔｅｔｒａｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅｓ）材料などであり、ここで層状材料の厚さは０．１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲、特にほぼ０．１ｎｍ〜２ｎｍの範囲、更に好ましくはほぼ０．１ｎｍ〜１ｎｍの範囲である。好ましくは、層状材料は単層グラフェン、二重層グラフェン、あるいは数層（３〜１０層）グラフェンである。ｓｐ^２結合された炭素原子の２次元の蜂の巣状格子であるグラフェンは理論上の厚さが約０．３３５ｎｍの単層グラファイトである。更に、本発明では、単層、二層、数層あるいは多層の層状材料を含むナノリボンを作成する新規で単純な方法、及びそのようなナノリボンを用いたナノＦＥＴの構造が提供される。
図１において、機械的な剥離（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｘｆｏｌｉａｔｉｏｎ）、酸化グラフェン、化学気相成長（ＣＶＤ）などの各種の方法によって合成された、修飾されたあるいは修飾なしのグラフェン・シート２をＳｉＯ_２のような絶縁基板３上に転写し（ｔｒａｎｓｆｅｒ）、次にポリマのような他の絶縁層１によって被覆する。実質的には、これらの絶縁層の厚さには制限がない。より厚くなった複数層構成のこのようなサンドイッチ構造を扱うのは比較的容易であることをここに注意しておく。このサンドイッチ構造は、リソグラフィー、収束イオンビーム、反応性イオンエッチング、プラズマエッチングなどの各種の技術により、グラフェン・シート２の表面にほぼ垂直な方向などに切断した形状であるリボンに加工される。このようにして作成されたナノリボンは、中央にグラフェン・シート２のごく薄い断面が現れ、この断面の両側に絶縁体でできた部分が存在する形状になっている。このリボンの幅には制限がないことを注意しておく。このリボンの幅は１００ｎｍから２ｍｍの広い範囲であり、従って、リボンを取り扱いまた位置決めするのは簡単である。このようなサンドイッチ構造により、ナノリボン活性領域は長いＤＮＡストランドの配列決定を高い信頼性をもって行うことができるようになる。もちろん、グラフェン・シートの代わりに上に例示した、あるいはそれ以外の材料の層を使用してもよい。
図２は、ＣＶＤ技術を使用してＮｉ表面に成長させたグラフェンのＡＦＭ像（ａ）及びオージェ電子スペクトル（ｂ）を示す。なお、図２（ｂ）中でオージェ電子スペクトルが２本図示されているのは、サンプル上の異なる２つの箇所で測定を行った結果を示しているからである。
この技術を使用すれば、Ｎｉ層をエッチングすることにより非常に大きな自立構造のグラフェンを簡単に得て、それをＳｉＯ_２のような任意の種類の基板上に転写することができる。転写先の基板は、グラフェンがこうむる可能性のある欠陥を低減するため、原子レベルで平坦な基板が好ましい。
図３に、ナノリボンを使用して電界効果トランジスタを製造する基本的なステップの例を示す。この製造ステップは、（ａ）ナノリボンを基板４の上に転写すること、（ｂ）ソース電極５とドレイン電極６をパターン形成すること、（ｃ）絶縁層７を作成すること、及び（ｄ）ゲート電極８をパターン形成すること、を含む。
本発明の配列決定のメカニズムは、グラフェンのような単層、二層、数層あるいは多層の層状材料の原子面ではなく、そのようなナノリボンの端とヌクレオチド塩基との間の塩基固有の相互作用にある。ＤＮＡ分子に沿った電荷移動は酸化あるいは還元化学反応を促進することが観察された（非特許文献６を参照のこと）。この現象は、ＤＮＡ塩基とグラフェンのような他の材料との間で電荷転送が起こりえることを暗示している。ナノ構造ベースのバイオセンサはＤＮＡ分子中の塩基ミスマッチを検出することできることが実験的に示されている（非特許文献４を参照のこと）。この結果は、ナノトランジスタを使用してコンダクタンス変化を検出することで、ＤＮＡ配列決定を電気的に行えることを示唆している。更に、グラフェンとのヌクレオチド塩基固有の相互作用は理論的に示されていた（非特許文献５を参照のこと）。従って、ナノチャネル中でナノリボンと相互作用している夫々のヌクレオチド塩基についての電気信号あるいは光学的信号の差異を検出することにより、核酸分子中の配列を決定することができる。

［実施例１］
図４に本発明の第１の実施例の単一分子配列決定装置を示す。本実施例は、ナノＦＥＴ及びナノ流体系を含む。ナノＦＥＴは基板４０４、ゲート電極４０８、誘電体層４０７、サンドイッチ状のナノリボン活性領域などのナノリボン構造４０１、４０２、４０３、ソース電極４０５、ドレイン電極４０６、及び個々のナノＦＥＴと平坦化層（ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎｌａｙｅｒ）とを分離するための絶縁層４１６を含む。これらのナノＦＥＴの構成要素のための機能材料には幅も厚みも制限がないことに注意されたい。この段階で、ナノリボンの幅は、もし必要なら各種の技法により狭くすることができ、またナノリボンの活性領域の状態は、Ｏ_２及び水素のプラズマ、ＮＨ_３あるいは他の化学物質などの各種の技法により、特定の特性を持つべく再構成あるいは修飾することができる。ナノ流体系は、個々の単鎖ＤＮＡ（ｓｓＤＮＡ）分子を装填し、直線化し、給送するため、絶縁層４１０、貯留部４１２、ナノチャネル４１１、電気泳動電極４１３、４１４を含む。ナノチャネル４１１の幅は２ｎｍから５００ｎｍの範囲であり、深さには制限がない。ナノチャネル４１１はｓｓＤＮＡ４１５を装填し、引き伸ばし（つまり、直線化し）、給送するという機能を実現するのに適切な絶縁材料からできている。導電性の電極４０９はナノチャネル４１１及びナノＦＥＴ上に整列されている。電極４０９とゲート電極４０８にプログラマブルなバイアスを印加することにより、保持電界が生成される。適切な極性、振幅、継続時間を与えることにより、プログラマブルな電気泳動電界及び保持電界がナノチャネル４１１中でのｓｓＤＮＡの運動動力学を精密に制御する。
ＤＮＡは負に帯電した燐酸基のチェインを持っているので、ｓｓＤＮＡは電気泳動電界の影響下でアノードへ向かって移動する。ｓｓＤＮＡの歩進の距離は電気泳動パルスの継続時間と振幅によって制御される。適切な大きさと極性を持つ保持電界は、ｓｓＤＮＡ分子を、塩基検出のために望まれるごとく、当該ｓｓＤＮＡのヌクレオチドがナノＦＥＴを向き、またその負に帯電した燐酸基がナノＦＥＴから遠くのほうを向いた状態で保持することができる。保持電界はまた検出中にＤＮＡ分子が漂流するのを防止することができる。ナノＦＥＴが個々の塩基を検出するのに十分な時間と安定性を与えるべく、これら両電界は給送及び検出を推進するために適切にプログラムされる。本発明の好ましい実施に当たって、これら２つの電界の動作及び相互作用と検出のプロセスは同期され、きわめて高速の配列決定を達成するために調整されている。ｓｓＤＮＡ分子をナノチャネルを通って移動させるとき、この分子が、保持パルス電界により１回に１分子ずつグラフェン・ナノリボンの活性領域に接触して、ソース電極とドレイン電極の間の電流を測定できるようにする。この電流は、ナノリボンの活性領域との塩基固有の相互作用によって、各種の塩基の間で変化する。更に、繰り返し測定及び比較を行うために、複数のグラフェン・ナノリボン・ナノトランジスタ・アレイは並列及びまたは直列の態様で、ナノ流体系に容易に集積できる。
［実施例２］
図５は、本発明の配列決定装置の別実施例を示す。図５の実施例においては、ナノＦＥＴは基板５０４上に形成されたナノ流体系の上に集積されている。ナノ流体系は、個々のｓｓＤＮＡ５１５の分子を装填し、直線化し、給送するための絶縁層５１０、貯留部５１２、ナノチャネル５１１及び電気泳動電極５１３、５１４を含む。ＤＮＡ塩基とナノリボンの縁との有効な相互作用を達成するため、ナノチャネル５１１の深さは２０ｎｍ未満が好ましい。ナノＦＥＴはゲート電極５０８、誘電体層５０７、アクティブなナノリボン構造、すなわちナノリボン５０１、５０２、５０３、ソース電極５０５及びドレイン電極５０６を有する。導電性の電極５０９はこれらのナノチャネル及びナノＦＥＴの直下に整列されている。電極５０９とゲート電極５０８にプログラマブルなバイアスを印加することによって、保持電界が生成される。電気泳動電極５１３と５１４の間にバイアスを印加することによって、電気泳動電界が生成される。なお、分離、封入、その他のための要素は本実施例では省略されていることに注意されたい。
［実施例３］
図６は、本発明の配列決定装置の更に別の実施例を示す。図６に示すように、ナノチャネル６１１はその全体が、あるいは一部がナノＦＥＴを貫通するように作成されてもよい。ナノＦＥＴはサンドイッチ状のナノリボン構造であるナノリボン構造６０１、６０２、６０３、基板６０４、ソース電極６０５、ドレイン電極６０６、誘電体層６０７、ゲート電極６０８、及び個々のナノＦＥＴを分離するための絶縁層６１６を有している。ナノ流体系は貯留部６１２、ナノチャネル６１１、及び電気泳動電極６１３、６１４を有する。絶縁層６１０はナノチャネル６１１の上にあり、更にその上には導電性の電極６０９が設けられている。電極６１３と電極６１４の間、また導電性の電極６０９とゲート電極６０８の間には傾斜電界が生成される。これらの傾斜電界はｓｓＤＮＡの運動の動力学及びナノＦＥＴとの相互作用を制御するために使用される。本構成では、ＤＮＡ塩基とナノリボン活性領域との相互作用の領域は大きく、従って塩基の向きが検出信号に与える影響は除去される。
［実施例４］
図７には、エネルギー移動分光法（ｅｎｅｒｇｙｔｒａｎｓｆｅｒｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、吸収（ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）、発光分光法（ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）などの光学技術を使用した光学検出システムにより、サンドイッチ式のナノリボン構造７０１、７０２、７０３の縁との塩基固有の相互作用を検出する配列決定装置が与えられる。本配列決定装置は基板７０４の上に作られる。サンドイッチ式のナノリボン構造はナノ流体系上に統合される。ナノ流体系は、個々の単鎖ＤＮＡ７１１の分子を装填し、直線化し、給送するため、絶縁層７０６、貯留部７０７、ナノチャネル７０８、電気泳動電極７０９、７１０を有している。ＤＮＡ塩基とナノリボンの縁との効率的な相互作用を得て、それが光学検出システム７１３によって検出されるようにするため、ナノチャネルの深さは２０ｎｍ未満であることが好ましい。導電性の電極７０５はナノチャネル及びナノリボンの下に整列させられている。電極７０５及び電極７１２へプログラマブルなバイアスを印加することにより、保持電界が生成される。電気泳動電界は電極７０９と７１０の間にバイアスを印加することによって生成される。
［実施例５］
図８に示されるような更に他の実施例では、光信号は、バイアスを電極８１４と電極８１５の間にかけることによる電気刺激により、増大させることができる。サンドイッチ型のナノリボン構造はナノチャネル上に統合されている。ナノ流体系は、個々のｓｓＤＮＡ８１１の分子を装填し、直線化し、給送するために、絶縁層８０５、貯留部８０７、ナノチャネル８０８、及び電気泳動電極８０９、８１０を有する。ＤＮＡ塩基とナノリボンの活性領域との効率的な相互作用を得て、それが光検出システム８１３で検出されるようにするため、ナノチャネルの深さは２０ｎｍ未満であることが好ましい。導電性の電極８０５はナノチャネル及びナノＦＥＴの直下に整列させられる。プログラマブルなバイアスを電極８０５及び電極８１２に与えることにより、保持電界が生成される。電気泳動電界は、バイアスを電気泳動電極７１３と７１４の間に印加することによって生成される。なお、このような刺激としては、上のような電界以外に、磁界などの他の刺激であってもよい。
［実施例６］
図９に示されるような更に他の実施例では、光信号は、バイアスをソース電極９１４とドレイン電極９１５の間に印加し、更にゲート電極９１２を介してゲート電界で変調することで増幅することができる。本配列解析装置は基板９０４の上に作成される。ナノＦＥＴはナノ流体系の上に統合される。ナノＦＥＴはサンドイッチ式のナノリボン構造９０１、９０２、９０３、ソース電極９１４、ドレイン電極９１５、絶縁層９１５、ゲート電極９１２を含む。ナノ流体系は、個々のｓｓＤＮＡ９１１の分子を装填し、直線化し、給送するために、絶縁層９０６、貯留部９０７、ナノチャネル９０８、電気泳動電極９０９、９１０を含む。ＤＮＡ塩基とナノリボンの活性領域との効率的な相互作用を得て、それが光検出システム９１３で検出されるようにするため、ナノチャネルの深さは２０ｎｍ未満であることが好ましい。導電性電極９０５はナノチャネル及びナノリボンの直下に整列させられている。プログラマブルなバイアスを電極９０５及び電極９１２に印加することによって、保持電界が生成される。バイアスを電気泳動電極９０９と９１０の間に印加することによって、電気泳動電界が生成される。
実施例のある側面では、ナノチャネルの両側壁の間の反発電界を使って、負に帯電したｓｓＤＮＡをナノチャネルの側壁から排斥する。ナノチャネルは直線状、Ｓ字状、枝分かれ状、その他の任意の形状とすることができる。実施例のある側面では、信号検出の便宜を図るため、使用材料は透明なものを使用する。
協調動作プロセスを達成するため、上述した配列決定装置における塩基検出プロセスは、図１０に示すように、プログラムされた電気泳動電界及び保持電界の動作と同期している。図１０には、それぞれ電気泳動電界と保持電界を生成するための電気泳動パルスと保持パルス、更に塩基とナノリボン活性領域の間の相互作用を検出するタイミングである相互作用検出タイミング信号、塩基固有相互作用検出結果が、時間軸を一致させて図示されている。また、塩基固有相互作用検出結果上には個々の塩基の同定結果（Ａ、Ｇ、Ｃ、Ｔ）も示してある。
図１０において、電気泳動パルスのタイミングＥ１、Ｅ２、・・・、ＥｎでＤＮＡを１塩基分歩進させ、その後、電気泳動パルスと相補的な保持パルスのタイミングＨ１、Ｈ２、・・・、Ｈｎでは歩進したＤＮＡが漂流、つまりそれ以上動かないように保持する。このようにして歩進されたＤＮＡが保持されている間に、ＤＮＡ上の塩基とナノリボン活性領域の間の塩基固有の相互作用をタイミングＤ１、Ｄ２、・・・、Ｄｎにおいて検出する。この検出は具体的には検出出力（実施例１〜実施例３ではナノＦＥＴのソース電流あるいはドレイン電流、実施例４〜実施例６では光学検出システムの出力）を図示しない回路などで測定することにより行われる。コンピュータ化されたシステム制御及びデータ取り込みを使うことで、既知のＤＮＡ分子のヌクレオチドを参照することにより、４種の異なるＤＮＡ塩基の各々についての相互作用信号の特徴プロファイルを、検出技術の全てのあるいは任意の組み合わせによって求めることができる。これらの特徴信号プロファイルを使って、ＤＮＡ塩基配列を同定することができる。
塩基同定性能の最適化を達成するため、これまで説明してきたようなサンドイッチ状のナノ構造に基づく検出器を複数個、ナノ流体系と直列及び／または並列に統合し、これにより、測定結果の相互比較と訂正による精度の向上を達成することができる。
なお、上述の実施例はＤＮＡの配列決定についてのものであるが、本発明は他の種類の核酸の配列決定も包含することは言うまでもない。
以上、現在のところ好適であると考えられる本発明の実施例を開示し説明したが、当業者にとっては、特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から外れることなく多様な変更及び修正が可能であることは明らかであろう。

本発明は、ＤＮＡ分子などの配列決定をきわめて高速に、しかも長さの制限なしにかつ簡単な構成で実現できるので、産業上の広い分野で利用性が大である。

米国公開特許２００６／０２４６４９７

Ｊ．Ｓｈｅｎｄｕｒｅ，Ｈ．Ｌ．Ｊｉ，Ｎｅｘｔ−ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎＤＮＡｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ．ＮａｔｕｒｅＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．２６，１１３５ −１１４５（２００８）Ｍ．Ｐｏｐ，Ｓ．Ｌ．Ｓａｌｚｂｅｒｇ，Ｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｏｆｎｅｗｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＴｒｅｎｄｓｉｎＧｅｎｅｔｉｃｓ２４，１４２−１４９（２００８）Ｂｒａｎｔｏｎ，Ｄ．，ｅｔａｌ．，Ｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌａｎｄｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｏｆｎａｎｏｐｏｒｅｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ．ＮａｔｕｒｅＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．２６，１１４６−１１５３（２００８）Ｈａｈｍ，Ｊ．＆Ｌｉｅｂｅｒ，Ｃ．Ｍ．ＤｉｒｅｃｔｕｌｔｒａｓｅｎｓｉｔｉｖｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆＤＮＡａｎｄＤＮＡｓｅｑｕｅｎｃｅｖａｒｉａｔｉｏｎｓｕｓｉｎｇｎａｎｏｗｉｒｅｎａｎｏｓｅｎｓｏｒｓ．ＮａｎｏＬｅｔｔ．４，５１−５４（２００４）Ａｎｔｏｎｙ，Ｊ．＆Ｇｒｉｍｍｅ，Ｓ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｅｎｅｒｇｉｅｓｏｆｓｔａｃｋｅｄｇｒａｐｈｅｎｅ−ｎｕｃｌｅｏｂａｓｅｃｏｍｐｌｅｘｅｓ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．１０，２７２２−２７２９（２００８）．Ｖａｒｇｈｅｓｅ，Ｎ．，ｅｔａｌ．ＢｉｎｄｉｎｇｏｆＤＮＡｎｕｃｌｅｏｂａｓｅｓａｎｄｎｕｃｌｅｏｓｉｄｅｓｗｉｔｈｇｒａｐｈｅｍｅ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．１９，２０６−２１０（２００９）Ｅｌｉａｓ，Ｂ．，Ｓｈａｏ，Ｆ．＆Ｂａｒｔｏｎ，Ｊ．Ｋ．ＣｈａｒｇｅｍｉｇｒａｔｉｏｎａｌｏｎｇｔｈｅＤＮＡｄｕｐｌｅｘ：ｈｏｌｅｖｅｒｓｕｓｅｌｅｃｔｒｏｎｔｒａｎｓｐｏｒｔ．Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１３０，１１５２−１１５３（２００８）

１絶縁層
２グラフェン・シート
３絶縁基板
４基板
５ソース電極
６ドレイン電極
７絶縁層
８ゲート電極
４０１、４０２、４０３、５０１、５０２、５０３、６０１、６０２、６０３、７０１、７０２、７０３、８０１、８０２、８０３、９０１、９０２、９０３ナノリボン構造
４０４、５０４、６０４、７０４、８０４、９０４基板
４０５、５０５、６０５、９１４ソース電極
４０６、５０６、６０６、９１５ドレイン電極
４０７、５０７、６０７、９１６誘電体層
４０８、５０８、６０８、９１２ゲート電極
４０９、５０９、６０９、７０５、７１２、８０５、８１２、８１４、８１５、９０５電極
４１０、４１６、５１０、６１０、６１６、７０６、８０６、９０６絶縁層
４１１、５１１、６１１、７０８、８０８、９０８ナノチャネル
４１２、５１２、６１２、７０７、８０７、９０７貯留部
４１３、４１４、５１３、５１４、６１３、６１４、７０９、７１０、８０９、８１０、９０９、９１０電気泳動電極
４１５、５１５、６１５、７１１、８１１、９１１ｓｓＤＮＡ
７１３、８１３、９１３光学検出システム

Claims

第１の部分と、
絶縁性を有し、前記第１の部分を間に挟みこむ第２の部分及び第３の部分と
を有するナノリボンであって、
前記第１の部分は単一または複数の層であり、前記単一または複数の層の断面は、前記ナノリボンの表面上に、０．１ｎｍから１０ｎｍの範囲の幅で当該表面の一部として現れるとともに、
前記第１の部分は黒鉛、超格子ＭｏＳ _２、ＮｂＳｅ _２、Ｂｉ _２Ｓｒ _２ＣａＣｕ _２Ｏ _ｘ、窒化ホウ素、ジカルコゲニド、トリカルコゲニド及びテトラカルコゲニドからなる群から選択された層状または多層材料である
ナノリボン。
前記第１の部分は１〜１０層の前記層状または多層材料のシートである、請求項１記載のナノリボン。
前記第１の部分は１〜１０層のグラフェン・シートである、請求項２記載のナノリボン。
前記ナノリボンの幅は１００ｎｍから２ｍｍの範囲にある、請求項１から請求項３のいずれかに記載のナノリボン。
以下の（ａ）から（ｄ）のステップを設けたナノリボン製造方法。
（ａ）断面の幅が０．１ｎｍから１０ｎｍの範囲にあり、黒鉛、超格子ＭｏＳ _２、ＮｂＳｅ _２、Ｂｉ _２Ｓｒ _２ＣａＣｕ _２Ｏ _ｘ、窒化ホウ素、ジカルコゲニド、トリカルコゲニド、テトラカルコゲニドから成る群から選択される材料のシートを準備する。
（ｂ）前記シートを第１の絶縁層に配置する。
（ｃ）前記シートを第２の絶縁層で覆う。
（ｄ）前記第１の絶縁層、前記シート及び前記第２の絶縁層を有するナノリボンであって、表面には前記第１の絶縁層及び前記第２の絶縁層の断面で挟まれた前記シートの断面が現れているナノリボンを得る。
前記シートは１層から１０層のグラフェン・シートである、請求項５記載のナノリボン製造方法。
前記ナノリボンの幅は１００ｍから２ｍｍの範囲にある、請求項５または６に記載のナノリボン製造方法。
基板上に設けられた請求項１から請求項４のいずれかに記載のナノリボンと、
前記ナノリボンの一端に接触するソース電極と、
前記ナノリボンの他端に接触するドレイン電極と、
前記ナノリボンを覆う誘電体層と、
前記誘電体層に設置されたゲート電極と
を設けたナノＦＥＴ。
前記（ａ）から（ｅ）のステップを設けたナノＦＥＴ製造方法。
（ａ）請求項１から請求項４のいずれかのナノリボンを用意する。
（ｂ）前記ナノリボンを基板に転写する。
（ｃ）前記ナノリボンのそれぞれの端部に接触するようにソース電極及びドレイン電極をパターン形成する。
（ｄ）前記ナノリボンを覆う誘電体層を設ける。
（ｅ）前記誘電体層にゲート電極をパターン形成する。
請求項１から請求項４のいずれかに記載のナノリボンを有しており核酸の個別の塩基を同定する検出信号を提供するナノ流体系を設けた核酸配列決定装置であって、
前記検出信号は、前記ナノ流体系中で前記核酸が前記ナノリボンの表面上に現れる前記断面を横切って移動して前記断面と相互作用することによって発生する信号である
核酸配列決定装置。
前記ナノ流体系は以下の（ｂ−１）及び（ｂ−２）を含む、請求項１０記載の装置。
（ｂ−１）前記核酸が通って移動するナノチャネル。
（ｂ−２）前記核酸を引き伸ばして駆動し、もって前記核酸を前記ナノリボンの表面上に現れている前記断面を横切って移動させる電界を印加する手段。
前記引き伸ばして駆動する電界は前記核酸をステップ状に移動させ、もって１ステップにつき前記核酸の１つの塩基の長さ分だけ前記核酸を移動させる、請求項１１記載の装置。
前記ナノチャネルを通って移動する前記核酸に保持電界を印加して、前記核酸の前記塩基が前記ナノリボン上に現れている前記断面に近接した状態で前記核酸を保持する手段を更に設けた、請求項１１または請求項１２記載の装置。
前記保持電界は前記引き伸ばして駆動する電界と相補的である、請求項１３記載の装置。
それぞれ前記ナノリボンの一端に接触してナノＦＥＴを形成するソース電極及びドレイン電極を更に設け、前記検出信号が前記ソース電極と前記ドレイン電極の間の電流として得られる、請求項１０から請求項１４のいずれかひとつに記載の装置。
前記ナノリボンの表面上に現れる前記断面の上方に光学検出システムを更に設けて前記検出信号を得る、請求項１０から請求項１４のいずれかひとつに記載の装置。
前記ナノリボンに刺激を印加して前記検出信号を増大させる手段を更に設けた、請求項１６記載の装置。
前記刺激は電界または磁界である、請求項１７記載の装置。
以下の（ａ）から（ｃ）のステップを設けた核酸配列決定方法。
（ａ）その中を核酸を通して駆動させるナノ流体系を設ける。
（ｂ）前記ナノ流体系に請求項１から請求項４のいずれかに記載のナノリボンを設ける。
（ｃ）前記核酸を前記ナノ流体系を通って移動させ、前記核酸をして前記ナノリボンの表面上に現れている前記断面を横切って移動して前記断面と相互作用せしめ、もって前記核酸の個々の塩基を同定する検出信号を生成させる。
前記駆動するステップは、前記核酸を引き伸ばして駆動しもって前記核酸をして前記ナノリボンの表面上の前記断面を横切り前記断面と相互作用せしめる電界を印加するステップを含む、請求項１９記載の方法。
前記引き延ばして駆動する電界は前記核酸をステップ状に移動させ、もって１ステップにつき前記核酸の１つの塩基の長さ分だけ前記核酸を移動させる、請求項２０記載の方法。
前記ナノ流体系を通って移動する前記核酸に保持電界を印加して、前記核酸の前記塩基が前記ナノリボン上に現れている前記断面に近接した状態で前記核酸を保持するステップを更に含む、請求項２０または請求項２１記載の方法。
前記保持電界は前記引き伸ばして駆動する電界と相補的である、請求項２２記載の方法。
それぞれ前記ナノリボンの一端に接触してナノＦＥＴを形成するソース電極及びドレイン電極を設け、前記検出信号が前記ソース電極と前記ドレイン電極の間の電流として得られるようにするステップを更に含む、請求項１９から請求項２３のいずれかひとつに記載の方法。
前記ナノリボンの表面上に現れている前記断面の上方に光学検出システムを更に設けて前記検出信号を得るステップを更に含む、請求項１９から請求項２３のいずれかひとつに記載の方法。
前記ナノリボンに刺激を印加して前記検出信号を増大させるステップを更に含む、請求項２５記載の方法。
前記刺激は電界または磁界である、請求項２６記載の方法。