JP5985654B2 - 選択的表面固定化部位を有するナノギャップ・トランスデューサ - Google Patents

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本願は、２００９年１２月３１日付け米国特許出願第１２／６５５，５７８号「Ｎａｎｏｇａｐ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒｓ」（係属中）、２００５年３月４日付け米国特許出願第１１／０７３，１６０号「Ｓｅｎｓｏｒ Ａｒｒａｙｓ ａｎｄ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」の利益を主張する一部継続出願である２００５年９月１３日付け米国特許出願第１１／２２６，６９６号「Ｓｅｎｓｏｒ Ａｒｒａｙｓ ａｎｄ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」（係属中）、および２００７年１２月３１日付け米国特許出願第１１／９６７，６００号「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｅｎｓｉｎｇ ｆｏｒ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ」（係属中）と関連しており、それらの開示内容を本願明細書に援用する。

本発明の実施形態は一般的に、トランスデューサ、ナノギャップ・トランスデューサ、電子的センシング、電気化学、酸化還元サイクル、および生体分子検出に関する。

高い精度および／もしくは堅牢性の提供、分析サンプルの所要量の低減、ならびに／または高いスループットの提供が可能な分析装置は、有益な分析・生物医学ツールである。また、小型で大量生産可能な分子検出プラットフォームを用いれば、以前には不可能であった場所および状況において、多くの人々が手頃な価格の疾患検出を利用可能となる。手頃な価格の分子診断装置が入手できることから、利用可能な健康管理のコストが低下するとともに、その品質が向上する。さらに、携帯用の分子検出装置は、セキュリティおよび危険の検出および改善の分野において利用されており、認識されたセキュリティもしくは偶発的な生物学的または化学的な危険に対して迅速かつ適切に対応可能となる。

生体の遺伝情報は、デオキシリボ核酸（ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ：ＤＮＡ）およびリボ核酸（ｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ：ＲＮＡ）等の非常に長い核酸分子の形態で含まれている。天然由来のＤＮＡ分子およびＲＮＡ分子は通常、ヌクレオチドと称する繰り返しの化学的構成単位構成されている。たとえば、ヒトゲノムは、およそ３０億個のヌクレオチドのＤＮＡ配列と、推定２万〜２万５千個の遺伝子とを含む。

これまで、ヒトゲノムの３０億個のヌクレオチド配列すべてを決定することにより、癌、嚢胞性線維症、および鎌状赤血球貧血等の多くの疾患の遺伝学的根拠を識別するための基礎を築いてきた。個々人のゲノムまたはその一部の配列を決定することによって、医療を個別にオーダーメイドする機会が与えられる。また、たとえば病原体検出すなわち病原体またはその遺伝的変異体の有無の検出等、研究、環境保護、食品安全、生物兵器防衛、および臨床応用においても、核酸配列情報が必要とされている。

超低濃度で生体反応および分子を検出できる能力は、たとえば分子検出・分析、分子診断、疾患検出、物質同定、およびＤＮＡ検出・配列決定等に適用可能である。本発明の実施形態は、高感度で接地面積が極めて小さく、高い製造可能性を有する電子センサを提供する。

本発明の実施形態に係るナノギャップ・トランスデューサは、多数のセンサ・アレイであってもよい。たとえば、ナノギャップ・トランスデューサのアレイは、１０００〜１０００万個または１００万〜１００億個のトランスデューサを備え、それらトランスデューサの５０％以上、７５％以上、８５％以上、９０％以上、９５％以上、または９８％以上が機能性センサであってもよい。

本発明の実施形態は、電子センサおよび酸化還元サイクル・センサとして機能可能なトランスデューサを提供する。一般的に、酸化還元サイクルは、可逆的に酸化および／または還元可能な分子（すなわち、酸化還元活性分子）が、検出する酸化還元活性分子に関して一方が還元電位を下回り、他方が酸化電位を上回るように独立してバイアスをかけた少なくとも２つの電極間を移動して、これら独立してバイアスをかけた電極間を電子が往復する電気化学的方法である（すなわち、分子は、第１の電極で酸化された後、第２の電極へ拡散して還元されるか、あるいはその逆で、還元された後に酸化される（そのどちらかは、当該分子および電極にかけるバイアスの電位によって決まる））。したがって、酸化還元サイクルにおいては、同じ分子からの複数の電子による電流が記録されるため、信号の正味の増幅が得られる。

本発明の実施形態に係るナノギャップ・トランスデューサにおいて、分析する化学反応による信号は、センサ電極の近傍で長期間にわたって捕捉可能である。また、センサ領域から離れた信号漏れは、たとえば開口全体に配置されたビーズによって動作中にナノギャップ・センサを閉塞することにより減衰可能である。他の電子的検出技術とは異なり、本発明の実施形態において検出する生体分子は、センサ電極に直接付着させる必要がない。本発明の実施形態においては、装置内部の電極に近接して検出する生体分子を付着させることができる。

本発明の実施形態に係るナノギャップ・トランスデューサは、たとえば集積回路製造用途で通常用いられるチップまたはシリコン・ウェハ等の単一のプラットフォーム上において、センサ・ユニット（および任意選択として駆動用電子機器）を高密度に集積可能な相補型金属酸化物半導体（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＣＭＯＳ）準拠の様態で確実に製造可能である。本発明の実施形態に係るナノギャップ・トランスデューサは、非常に小さく、感度も高いため、大規模並列に超低濃度で分子および生体分子を検出可能である。たとえば、個々のナノギャップ・トランスデューサは、アレイすなわち他のチップ表面上の０．５μｍ^２しか占有しないようにしてもよい。別の実施形態においては、アレイすなわち他のチップ表面上の面積の０．５μｍ^２〜５０μｍ^２または０．５μｍ^２〜１００μｍ^２を占有する。分子を高感度に検出できる能力は、診断、プロテオミクス、ゲノミクス、セキュリティ、ならびに化学的および生物学的な危険の検出の分野において利用される。

ナノギャップ・トランスデューサの模式図である。 別の実施形態に係るナノギャップ・トランスデューサの模式図である。 別の実施形態に係るナノギャップ・トランスデューサの模式図である。 別の実施形態に係るナノギャップ・トランスデューサの模式図である。 ナノギャップ・トランスデューサの作製方法を示す図である。 ナノギャップ・トランスデューサの作製方法を示す図である。 ナノギャップ・トランスデューサの別の作製方法を示す図である。 ナノギャップ・トランスデューサの別の作製方法を示す図である。 ナノギャップ・トランスデューサの別の作製方法を示す図である。 ナノギャップ・トランスデューサの別の作製方法を示す図である。 核酸分子の配列を決定する方法のフロー図である。 酸化還元活性種の酸化還元反応の検出により核酸分子の配列を決定する方法を示す反応スキーム図である。

図１は、電子センサとして機能可能、酸化還元分子を検出可能、および／または酸化還元サイクル・センサとして機能可能なナノギャップ・トランスデューサを示している。図１において、基板１０５は、誘電体層１１０および第１の電極１１５を備える。第２の電極１２０は、高さｈ_１のギャップを介して第１の電極から離隔している。本発明の実施形態において、ギャップの高さｈ_１は、５００ｎｍ未満すなわち１０〜２００ｎｍ、１０〜１５０ｎｍ、または２５〜１５０ｎｍである。任意選択として、誘電体層１１０を貫通するビア等の電子的相互接続１２５および１２７は、基板１０５に収容された任意選択の電子機器（図示せず）との接続を提供している。本発明の実施形態において、基板１０５は、集積回路（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ：ＩＣ）チップであって、たとえば電極１１５および１２０の駆動用、信号読み出し用、信号増幅用、ならびに／またはデータ出力用の電子機器を備える。基板は、たとえばガラス、不動態化金属、ポリマー、半導体、ポリジメチルシロキサン（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ：ＰＤＭＳ）、および／または柔軟なエラストマ材等の他の材料であってもよい。基板が電子機器を収容していない実施形態においては、絶縁層１１０の表面に沿うか、または基板１０５を貫通して、電極１１５および１２０との電気的接続が延在していてもよいし、その他の構成であってもよい。

図１のナノギャップ・トランスデューサは、電極１１５および１２０に近接した分子結合領域１３０を備える。分子結合領域１３０は、優先的に官能化可能な材料１３１の層で構成されている。分子結合領域１３０は、優先的に官能化可能な材料１３１の露出領域を含む。優先的に官能化可能な材料１３１の層は、第１の誘電材料の層１３５と第２の誘電材料の層１４０との間に存在する。第１の誘電材料の層１３５は任意選択の層であり、本発明の実施形態においては、優先的に官能化可能な材料１３１の層が第２の電極１２０上に配設されている。図１の装置における第１の誘電材料の層１３５の有無は、第２の電極を構成する材料と優先的に官能化可能な材料１３１を構成する材料との間の接着等の因子によって決まる。優先的に官能化可能な材料１３１の層は、関心のあるリンカー分子または生体分子を結合または付着させるナノギャップ・トランスデューサの露出領域（動作条件下において液体と接触する表面領域）を含む材料の能力と比較して、優先的に関心のあるリンカー分子および／または生体分子を結合または付着可能な材料である。本発明の実施形態において、優先的に官能化可能な材料１３１の層は二酸化ケイ素で構成されており、第１および第２の誘電材料の層１３５および１４０は酸窒化ケイ素で構成されている。電極１１５および１２０が白金、パラジウム、金、炭素材料（たとえば、ダイヤモンド、黒鉛状炭素、または非晶質炭素等）、ニッケル、および／またはインジウム・スズ酸化物で構成されている場合、露出二酸化ケイ素領域（分子結合領域１３０）は、たとえばアミノプロピルトリエトキシシラン等のシランを用いて優先的に官能化可能であってもよい。本発明の別の実施形態において、優先的に官能化可能な材料１３１の層は、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、または酸化タンタルで構成されており、電極１１５および１２０が白金、パラジウム、金、炭素材料（たとえば、ダイヤモンド、黒鉛状炭素、または非晶質炭素等）、ニッケル、および／またはインジウム・スズ酸化物で構成されている場合は、たとえばアミノプロピルトリエトキシシラン等のシランを用いて優先的に官能化可能であってもよい。本発明の別の実施形態において、優先的に官能化可能な材料１３１は、金、白金、またはパラジウムで構成されており、結果的に得られる分子結合領域１３０は、電極１１５および１２０がダイヤモンド、黒鉛状炭素、または非晶質炭素等の炭素材料で構成されている場合、チオール基（−ＳＨ）またはジスルフィド基（−Ｓ−Ｓ−）を含む分子により優先的に官能化可能であってもよい。優先的に官能化可能な材料１３１ならびに誘電体層１３５および１４０については、その他の材料も可能である。

本発明の実施形態において、分子結合領域１３０は、リンカー分子、リンカー分子の組み合わせ、および／またはプローブ分子を含む。リンカー分子は、分子結合領域１３０の表面に付着していてもよく、関心のある分子（たとえば、プローブ分子または別のリンカー分子等）に付着可能な官能基を備える。また、リンカー分子は、分子結合領域１３０と選択的に反応する（ただし、誘電材料１３５および１４０または電極材料１１５および１２０とは反応しない）ように選択可能であって、たとえばシラン、チオール、ジスルフィド、イソチオシネート（ｉｓｏｔｈｉｏｃｙｎａｔｅｓ）、アルケン、およびアルキン等の分子が挙げられる。プローブ分子は、たとえばＤＮＡ配列、ＲＮＡ配列、ビオチンまたはアビジン、ならびに抗体、抗原、受容体およびその特定の結合パートナー、タンパク質およびその特定の小分子結合パートナー、および／またはペプチド等の関心のある標的分子と選択的に結合可能な分子である。プローブ分子は、１または複数の分子認識部位を含む。抗体としては、たとえばポリクローナル抗体およびモノクローナル抗体のほか、これら抗体の抗原結合フラグメントが挙げられる。抗体または抗体の抗原結合フラグメントは、たとえば検体のエピトープに対する特定の結合活性を有することを特徴とする。プローブは、たとえば抗原／抗体、ビオチン／アビジン、ホルモン／ホルモン受容体、二重鎖核酸、ＩｇＧ／タンパク質Ａ、ならびにＤＮＡ／ＤＮＡおよびＤＮＡ／ＲＮＡ等のポリヌクレオチド対といった免疫学的な対等の特定の結合対のいずれかの要素であってもよい。また、プローブ分子は、既知のカップリング構造を介してリンカー分子とカップリングされていてもよい。

電極１１５および１２０は、導電性材料で構成されている。本発明の実施形態において、電極１１５および１２０は、ダイヤモンド、白金、および／または金で構成されている。本発明の別の実施形態において、電極１１５および１２０は、パラジウム、ニッケル、黒鉛状炭素、非晶質炭素、および／またはインジウム・スズ酸化物で構成されている。本発明の実施形態において、少なくとも一方の電極１１５または１２０は、導電性ダイヤモンド材料で構成されている。本発明の実施形態において、電極１１５は、導電性ダイヤモンドで構成されている。本発明のさらに別の実施形態において、電極１１５および１２０はともに、導電性ダイヤモンド材料で構成されている。ダイヤモンドは、たとえばドーピングによって導電性を有するように作製してもよい。ドーパントとしては、たとえばホウ素、窒素、およびリンが挙げられる。本発明の一実施形態において、ドーパントはホウ素である。ホウ素をドープしたダイヤモンド材料のドーピング濃度としては、１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より大きく１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より小さな濃度が挙げられる。本発明の実施形態において、第１の電極１１５が導電性ダイヤモンド材料で構成されている場合、電極の高さｈ_２は、２００〜１０００ｎｍである。別の実施形態において、導電性ダイヤモンド電極の高さｈ_２は、５〜２５ｎｍである。本発明の実施形態において、導電性ダイヤモンド膜は、マイクロ結晶またはナノ結晶ダイヤモンドである。動作時には通常、ナノギャップ・トランスデューサと併せて基準電極（図示せず）も使用する。基準電極は、測定対象ではあるがナノギャップ内に配置する必要のない溶液と接触する。

図２は、電子センサとして機能可能、酸化還元分子を検出可能、および／または酸化還元サイクル・センサとして機能可能なナノギャップ・トランスデューサを示している。図２において、基板２０５は、誘電体層２１０および第１の電極２１５を備える。第２の電極２２０は、高さｈ_１のギャップを介して第１の電極から離隔している。本発明の実施形態において、ギャップの高さｈ_１は、５００ｎｍ未満すなわち１０〜２００ｎｍ、１０〜１５０ｎｍ、または２５〜１５０ｎｍである。任意選択として、誘電体層２１０を貫通するビア等の電子的相互接続２２５および２２７は、基板２０５に収容された任意選択の電子機器（図示せず）との接続を提供している。本発明の実施形態において、基板２０５は、集積回路（ＩＣ）チップであって、たとえば電極２１５および２２０の駆動用、信号読み出し用、信号増幅用、ならびに／またはデータ出力用の電子機器を備える。基板は、たとえばガラス、不動態化金属、ポリマー、半導体、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）、および／または柔軟なエラストマ材等の他の材料であってもよい。基板が電子機器を収容していない実施形態においては、絶縁層２１０の表面に沿うか、または基板２０５を貫通して、電極２１５および２２０との電気的接続が延在していてもよいし、その他の構成であってもよい。

図２のナノギャップ・トランスデューサは、電極２１５および２２０に近接した分子結合領域２３０を備える。分子結合領域２３０は、優先的に官能化可能な材料２３１の層で構成されている。分子結合領域２３０は、優先的に官能化可能な材料２３１の露出領域を含む。優先的に官能化可能な材料２３１の層は、第１の誘電材料の層２３５と第２の誘電材料の層２４０との間に存在する。第１の誘電材料の層２３５は任意選択の層であり、本発明の実施形態においては、優先的に官能化可能な材料２３１の層が第２の電極２２０上に配設されている。図２の装置における第１の誘電材料の層２３５の有無は、第２の電極を構成する材料と優先的に官能化可能な材料２３１を構成する材料との間の接着等の因子によって決まる。優先的に官能化可能な材料２３１の層は、関心のあるリンカー分子または生体分子を結合または付着させるナノギャップ・トランスデューサの露出領域（動作条件下において液体と接触する表面領域）を含む材料の能力と比較して、優先的に関心のあるリンカー分子および／または生体分子を結合または付着可能な材料である。本発明の実施形態において、優先的に官能化可能な材料２３１の層は二酸化ケイ素で構成されており、第１および第２の誘電材料の層２３５および２４０は酸窒化ケイ素で構成されている。電極２１５および２２０が白金、パラジウム、金、炭素材料（たとえば、ダイヤモンド、黒鉛状炭素、または非晶質炭素等）、ニッケル、および／またはインジウム・スズ酸化物で構成されている場合、露出二酸化ケイ素領域（分子結合領域２３０）は、たとえばアミノプロピルトリエトキシシラン等のシランを用いて優先的に官能化可能であってもよい。本発明の別の実施形態において、優先的に官能化可能な材料２３１の層は、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、または酸化タンタルで構成されており、電極２１５および２２０が白金、パラジウム、金、炭素材料（たとえば、ダイヤモンド、黒鉛状炭素、または非晶質炭素等）、ニッケル、および／またはインジウム・スズ酸化物で構成されている場合は、たとえばアミノプロピルトリエトキシシラン等のシランを用いて優先的に官能化可能であってもよい。本発明の別の実施形態において、優先的に官能化可能な材料２３１は、金、白金、またはパラジウムで構成されており、結果的に得られる分子結合領域２３０は、電極２１５および２２０がダイヤモンド、黒鉛状炭素、または非晶質炭素等の炭素材料で構成されている場合、チオール基（−ＳＨ）またはジスルフィド基（−Ｓ−Ｓ−）を含む分子により優先的に官能化可能であってもよい。優先的に官能化可能な材料２３１ならびに誘電体層２３５および２４０については、その他の材料も可能である。

本発明の実施形態において、分子結合領域２３０は、リンカー分子、リンカー分子の組み合わせ、および／またはプローブ分子を含む。リンカー分子は、分子結合領域２３０の表面に付着していてもよく、関心のある分子（たとえば、プローブ分子または別のリンカー分子等）に付着可能な官能基を備える。また、リンカー分子は、分子結合領域２３０と選択的に反応する（ただし、誘電材料２３５および２４０または電極材料２１５および２２０とは反応しない）ように選択可能であって、たとえばシラン、チオール、ジスルフィド、イソチオシネート、アルケン、およびアルキン等の分子が挙げられる。プローブ分子は、たとえばＤＮＡ配列、ＲＮＡ配列、ビオチンもしくはアビジン、ならびに抗体、抗原、受容体およびその特定の結合パートナー、タンパク質およびその特定の小分子結合パートナー、ならびに／またはペプチド等の関心のある標的分子と選択的に結合可能な分子である。プローブ分子は、１または複数の分子認識部位を含む。抗体としては、たとえばポリクローナル抗体およびモノクローナル抗体のほか、これら抗体の抗原結合フラグメントが挙げられる。抗体または抗体の抗原結合フラグメントは、たとえば検体のエピトープに対する特定の結合活性を有することを特徴とする。プローブは、たとえば抗原／抗体、ビオチン／アビジン、ホルモン／ホルモン受容体、二重鎖核酸、ＩｇＧ／タンパク質Ａ、ならびにＤＮＡ／ＤＮＡおよびＤＮＡ／ＲＮＡ等のポリヌクレオチド対といった免疫学的な対等の特定の結合対のいずれかの要素であってもよい。また、プローブ分子は、既知のカップリング構造を介してリンカー分子とカップリングされていてもよい。

電極２１５および２２０は、導電性材料で構成されている。本発明の実施形態において、電極２１５および２２０は、ダイヤモンド、白金、および／または金で構成されている。本発明の別の実施形態において、電極２１５および２２０は、パラジウム、ニッケル、黒鉛状炭素、非晶質炭素、および／またはインジウム・スズ酸化物で構成されている。本発明の実施形態において、少なくとも一方の電極２１５または２２０は、導電性ダイヤモンド材料で構成されている。本発明の実施形態において、電極２１５は、導電性ダイヤモンドで構成されている。本発明のさらに別の実施形態において、電極２１５および２２０はともに、導電性ダイヤモンド材料で構成されている。ダイヤモンドは、たとえばドーピングによって導電性を有するように作製してもよい。ドーパントとしては、たとえばホウ素、窒素、およびリンが挙げられる。本発明の一実施形態において、ドーパントはホウ素である。ホウ素をドープしたダイヤモンド材料のドーピング濃度としては、１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より大きく１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より小さな濃度が挙げられる。本発明の実施形態において、第１の電極２１５が導電性ダイヤモンド材料で構成されている場合、電極の高さｈ_２は、２００〜１０００ｎｍである。別の実施形態において、導電性ダイヤモンド電極の高さｈ_２は、５〜２５ｎｍである。本発明の実施形態において、導電性ダイヤモンド膜は、マイクロ結晶またはナノ結晶ダイヤモンドである。動作時には通常、ナノギャップ・トランスデューサと併せて基準電極（図示せず）も使用する。基準電極は、測定対象ではあるがナノギャップ内に配置する必要のない溶液と接触する。

図３は、電子センサとして機能可能、酸化還元分子を検出可能、および／または酸化還元サイクル・センサとして機能可能な別のナノギャップ・トランスデューサを示している。図３において、基板３０５は、誘電体層３１０および第１の電極３１５を備える。第２の電極３２０は、高さｈ_１のギャップを介して第１の電極から離隔している。本発明の実施形態において、ギャップの高さｈ_１は、５００ｎｍ未満すなわち１０〜２００ｎｍ、１０〜１５０ｎｍ、または２５〜１５０ｎｍである。任意選択として、誘電体層３１０を貫通するビア等の電子的相互接続３２５および３２７は、基板３０５に収容された任意選択の電子機器（図示せず）との接続を提供している。本発明の実施形態において、基板３０５は、集積回路（ＩＣ）チップであって、たとえば電極３１５および３２０の駆動用、信号読み出し用、信号増幅用、ならびに／またはデータ出力用の電子機器を備える。基板は、たとえばガラス、不動態化金属、ポリマー、半導体、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、および／または柔軟なエラストマ材等の他の材料であってもよい。基板が電子機器を収容していない実施形態においては、絶縁層３１０の表面に沿うか、または基板３０５を貫通して、電極３１５および３２０との電気的接続が延在していてもよいし、その他の構成であってもよい。

図３のナノギャップ・トランスデューサは、電極３１５上に配設された分子結合領域３３０を備える。分子結合領域３３０は、優先的に官能化可能な材料で構成されている。優先的に官能化可能な材料は、関心のあるリンカー分子または生体分子を結合または付着させるナノギャップ・トランスデューサの露出領域（動作条件下において液体と接触する表面領域）を含む材料の能力と比較して、優先的に関心のあるリンカー分子および／または生体分子を結合または付着可能な材料である。本発明の実施形態において、優先的に官能化可能な材料の領域３３０は二酸化ケイ素で構成されており、第２の誘電材料の層３３５は酸窒化ケイ素で構成されている。電極３１５および３２０が白金、パラジウム、金、炭素材料（たとえば、ダイヤモンド、黒鉛状炭素、または非晶質炭素等）、ニッケル、および／またはインジウム・スズ酸化物で構成されている場合、露出二酸化ケイ素領域（分子結合領域３３０）は、たとえばアミノプロピルトリエトキシシラン等のシランを用いて優先的に官能化可能であってもよい。本発明の別の実施形態において、分子結合領域３３０は、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、または酸化タンタルで構成されており、電極３１５および３２０が白金、パラジウム、金、炭素材料（たとえば、ダイヤモンド、黒鉛状炭素、または非晶質炭素等）、ニッケル、および／またはインジウム・スズ酸化物で構成されている場合は、たとえばアミノプロピルトリエトキシシラン等のシランを用いて優先的に官能化可能であってもよい。本発明の別の実施形態において、分子結合領域３３０は、金、白金、またはパラジウムで構成されており、電極３１５および３２０がダイヤモンド、黒鉛状炭素、または非晶質炭素等の炭素材料で構成されている場合は、チオール基（−ＳＨ）またはジスルフィド基（−Ｓ−Ｓ−）を含む分子により優先的に官能化可能であってもよい。優先的に官能化可能な材料３３０および誘電体層３３５については、その他の材料も可能である。

本発明の実施形態において、分子結合領域３３０は、所望の分子を１つだけ結合可能な有効表面積（ナノギャップ空洞内の溶液に露出可能であるとともに分子と結合可能な表面積）を有する。本発明の実施形態において、分子結合領域３３０は、４０ｎｍ^２〜５００，０００ｎｍ^２の有効表面積を有する。採用する分子結合領域３３０のサイズは、使用するリンカー分子のサイズ等の因子によって決まってもよい。分子結合領域３３０上の結合部位数はリンカー分子のサイズによって制限されるため、リンカー分子が大きくなると、分子結合領域３３０のサイズも大きくすることができる。別の実施形態において、分子結合領域３３０における分子付着反応の数は、ナノギャップ・トランスデューサのアレイの分子結合領域３３０への付着時におけるリンカー分子および／またはプローブ分子の溶液濃度によって制限されてもよい。分子結合領域３３０への付着率を原則１００％とするには、ナノギャップ・トランスデューサの一部についてのみ、分子結合領域３３０に分子が１つだけ付着し、残りのトランスデューサについては、分子結合領域３３０に２つ以上の分子が付着するようにしてもよい。分子結合領域３３０当たりの分子数は、使用前の試験および／または分子結合領域３３０の単一分子と一致しない結果のフィルタリングによって決定してもよい。

本発明の実施形態において、分子結合領域３３０は、リンカー分子、リンカー分子の組み合わせ、および／またはプローブ分子を含む。リンカー分子は、分子結合領域３３０の表面に付着していてもよく、関心のある分子（たとえば、プローブ分子または別のリンカー分子等）に付着可能な官能基を備える。また、リンカー分子は、分子結合領域３３０と選択的に反応する（ただし、誘電材料３３５または電極材料３１５および３２０とは反応しない）ように選択可能であって、たとえばシラン、チオール、ジスルフィド、イソチオシネート、アルケン、およびアルキン等の分子が挙げられる。プローブ分子は、たとえばＤＮＡ配列、ＲＮＡ配列、ビオチンもしくはアビジン、ならびに抗体、受容体およびその特定の結合パートナー、タンパク質およびその特定の小分子結合パートナー、ならびに／またはペプチド等の関心のある標的分子と選択的に結合可能な分子である。プローブ分子は、１または複数の分子認識部位を含む。抗体としては、たとえばポリクローナル抗体およびモノクローナル抗体のほか、これら抗体の抗原結合フラグメントが挙げられる。抗体または抗体の抗原結合フラグメントは、たとえば検体のエピトープに対する特定の結合活性を有することを特徴とする。プローブは、たとえば抗原／抗体、ビオチン／アビジン、ホルモン／ホルモン受容体、二重鎖核酸、ＩｇＧ／タンパク質Ａ、ならびにＤＮＡ／ＤＮＡおよびＤＮＡ／ＲＮＡ等のポリヌクレオチド対といった免疫学的な対等の特定の結合対のいずれかの要素であってもよい。また、プローブ分子は、既知のカップリング構造を介してリンカー分子とカップリングされていてもよい。

電極３１５および３２０は、導電性材料で構成されている。本発明の実施形態において、電極３１５および３２０は、ダイヤモンド、白金、および／または金で構成されている。本発明の別の実施形態において、電極３１５および３２０は、パラジウム、ニッケル、黒鉛状炭素、非晶質炭素、および／またはインジウム・スズ酸化物で構成されている。本発明の実施形態において、少なくとも一方の電極３１５または３２０は、導電性ダイヤモンド材料で構成されている。本発明の実施形態において、電極３１５は、導電性ダイヤモンドで構成されている。本発明のさらに別の実施形態において、電極３１５および３２０はともに、導電性ダイヤモンド材料で構成されている。ダイヤモンドは、たとえばドーピングによって導電性を有するように作製してもよい。ドーパントとしては、たとえばホウ素、窒素、およびリンが挙げられる。本発明の一実施形態において、ドーパントはホウ素である。ホウ素をドープしたダイヤモンド材料のドーピング濃度としては、１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より大きく１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より小さな濃度が挙げられる。本発明の実施形態において、第１の電極３１５が導電性ダイヤモンド材料で構成されている場合、電極の高さｈ_２は、２００〜１０００ｎｍである。別の実施形態において、導電性ダイヤモンド電極の高さｈ_２は、５〜２５ｎｍである。本発明の実施形態において、導電性ダイヤモンド膜は、マイクロ結晶またはナノ結晶ダイヤモンドである。動作時には通常、ナノギャップ・トランスデューサと併せて基準電極（図示せず）も使用する。基準電極は、測定対象ではあるがナノギャップ内に配置する必要のない溶液と接触する。

図４は、電子センサとして機能可能、酸化還元分子を検出可能、および／または酸化還元サイクル・センサとして機能可能なさらに別のナノギャップ・トランスデューサを示している。図４において、基板４０５は、誘電体層４１０および第１の電極４１５を備える。第２の電極４２０は、高さｈ_１のギャップを介して第１の電極から離隔している。本発明の実施形態において、ギャップの高さｈ_１は、５００ｎｍ未満すなわち１０〜２００ｎｍ、１０〜１５０ｎｍ、または２５〜１５０ｎｍである。任意選択として、誘電体層４１０を貫通するビア等の電子的相互接続４２５および４２７は、基板４０５に収容された任意選択の電子機器（図示せず）との接続を提供している。本発明の実施形態において、基板４０５は、集積回路（ＩＣ）チップであって、たとえば電極４１５および４２０の駆動用、信号読み出し用、信号増幅用、ならびに／またはデータ出力用の電子機器を備える。基板は、たとえばガラス、不動態化金属、ポリマー、半導体、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）、および／または柔軟なエラストマ材等の他の材料であってもよい。基板が電子機器を収容していない実施形態においては、絶縁層４１０の表面に沿うか、または基板４０５を貫通して、電極４１５および４２０との電気的接続が延在していてもよいし、その他の構成であってもよい。

図４のナノギャップ・トランスデューサは、電極４１５の孔に配設された分子結合領域４３０を備える。分子結合領域４３０は、優先的に官能化可能な材料で構成されている。優先的に官能化可能な材料は、関心のあるリンカー分子または生体分子を結合または付着させるナノギャップ・トランスデューサの露出領域（動作条件下において液体と接触する表面領域）を含む材料の能力と比較して、優先的に関心のあるリンカー分子および／または生体分子を結合または付着可能な材料である。分子結合領域４３０は、誘電体層４１０の露出領域または誘電体層４１０とは異なる優先的に官能化可能な材料の任意選択領域４１２を含んでいてもよい。優先的に官能化可能な材料の任意選択領域４１２は、第１の電極４１５の孔に近接して配置されており、優先的に官能化可能な材料の領域４１２の表面は、この電極の孔を介して露出している。優先的に官能化可能な材料を含む任意選択領域４１２は、その他の形状およびサイズを有していてもよく、誘電体領域４１０内または誘電体領域４１０の表面に凹設されていてもよい。本発明の実施形態において、優先的に官能化可能な材料の領域４３０は二酸化ケイ素で構成されており、第２の誘電材料の層４３５は酸窒化ケイ素で構成されている。電極４１５および４２０が白金、パラジウム、金、炭素材料（たとえば、ダイヤモンド、黒鉛状炭素、または非晶質炭素等）、ニッケル、および／またはインジウム・スズ酸化物で構成されている場合、露出二酸化ケイ素領域（分子結合領域４３０）は、たとえばアミノプロピルトリエトキシシラン等のシランを用いて優先的に官能化可能であってもよい。本発明の別の実施形態において、分子結合領域４３０は、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、または酸化タンタルで構成されており、電極４１５および４２０が白金、パラジウム、金、炭素材料（たとえば、ダイヤモンド、黒鉛状炭素、または非晶質炭素等）、ニッケル、および／またはインジウム・スズ酸化物で構成されている場合は、たとえばアミノプロピルトリエトキシシラン等のシランを用いて優先的に官能化可能であってもよい。本発明の別の実施形態において、分子結合領域４３０は、金、白金、またはパラジウムで構成されており、電極４１５および４２０がダイヤモンド、黒鉛状炭素、または非晶質炭素等の炭素材料で構成されている場合は、チオール基（−ＳＨ）またはジスルフィド基（−Ｓ−Ｓ−）を含む分子により優先的に官能化可能であってもよい。優先的に官能化可能な材料４３０および誘電体層４３５については、その他の材料も可能である。

本発明の実施形態において、分子結合領域４３０は、所望の分子を１つだけ結合可能な有効表面積（ナノギャップ空洞内の溶液に露出可能であるとともに分子と結合可能な表面積）を有する。本発明の実施形態において、分子結合領域４３０は、４０ｎｍ^２〜５００，０００ｎｍ^２の有効表面積を有する。採用する分子結合領域４３０のサイズは、使用するリンカー分子のサイズ等の因子によって決まってもよい。分子結合領域４３０上の結合部位数はリンカー分子のサイズによって制限されるため、リンカー分子が大きくなると、分子結合領域４３０のサイズも大きくすることができる。別の実施形態において、分子結合領域４３０における分子付着反応の数は、ナノギャップ・トランスデューサのアレイの分子結合領域４３０への付着時におけるリンカー分子および／またはプローブ分子の溶液濃度によって制限されてもよい。分子結合領域４３０への付着率を原則１００％とするには、ナノギャップ・トランスデューサの一部についてのみ、分子結合領域４３０に分子が１つだけ付着し、残りのトランスデューサについては、分子結合領域４３０に２つ以上の分子が付着するようにしてもよい。分子結合領域３３０当たりの分子数は、使用前の試験および／または分子結合領域４３０の単一分子と一致しない結果のフィルタリングによって決定してもよい。

本発明の実施形態において、分子結合領域４３０は、リンカー分子、リンカー分子の組み合わせ、および／またはプローブ分子を含む。リンカー分子は、分子結合領域４３０の表面に付着していてもよく、関心のある分子（たとえば、プローブ分子または別のリンカー分子等）に付着可能な官能基を備える。また、リンカー分子は、分子結合領域４３０と選択的に反応する（ただし、誘電材料４３５または電極材料４１５および４２０とは反応しない）ように選択可能であって、たとえばシラン、チオール、ジスルフィド、イソチオシネート、アルケン、およびアルキン等の分子が挙げられる。プローブ分子は、たとえばＤＮＡ配列、ＲＮＡ配列、ビオチンもしくはアビジン、ならびに抗体、受容体およびその特定の結合パートナー、タンパク質およびその特定の小分子結合パートナー、ならびに／またはペプチド等の関心のある標的分子と選択的に結合可能な分子である。プローブ分子は、１または複数の分子認識部位を含む。抗体としては、たとえばポリクローナル抗体およびモノクローナル抗体のほか、これら抗体の抗原結合フラグメントが挙げられる。抗体または抗体の抗原結合フラグメントは、たとえば検体のエピトープに対する特定の結合活性を有することを特徴とする。プローブは、たとえば抗原／抗体、ビオチン／アビジン、ホルモン／ホルモン受容体、二重鎖核酸、ＩｇＧ／タンパク質Ａ、ならびにＤＮＡ／ＤＮＡおよびＤＮＡ／ＲＮＡ等のポリヌクレオチド対といった免疫学的な対等の特定の結合対のいずれかの要素であってもよい。また、プローブ分子は、既知のカップリング構造を介してリンカー分子とカップリングされていてもよい。

電極４１５および４２０は、導電性材料で構成されている。本発明の実施形態において、電極４１５および４２０は、ダイヤモンド、白金、および／または金で構成されている。本発明の別の実施形態において、電極４１５および４２０は、パラジウム、ニッケル、黒鉛状炭素、非晶質炭素、および／またはインジウム・スズ酸化物で構成されている。本発明の実施形態において、少なくとも一方の電極４１５または４２０は、導電性ダイヤモンド材料で構成されている。本発明の実施形態において、電極４１５は、導電性ダイヤモンドで構成されている。本発明のさらに別の実施形態において、電極４１５および４２０はともに、導電性ダイヤモンド材料で構成されている。ダイヤモンドは、たとえばドーピングによって導電性を有するように作製してもよい。ドーパントとしては、たとえばホウ素、窒素、およびリンが挙げられる。本発明の一実施形態において、ドーパントはホウ素である。ホウ素をドープしたダイヤモンド材料のドーピング濃度としては、１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より大きく１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より小さな濃度が挙げられる。本発明の実施形態において、第１の電極４１５が導電性ダイヤモンド材料で構成されている場合、電極の高さｈ_２は、２００〜１０００ｎｍである。別の実施形態において、導電性ダイヤモンド電極の高さｈ_２は、５〜２５ｎｍである。本発明の実施形態において、導電性ダイヤモンド膜は、マイクロ結晶またはナノ結晶ダイヤモンドである。動作時には通常、ナノギャップ・トランスデューサと併せて基準電極（図示せず）も使用する。基準電極は、測定対象ではあるがナノギャップ内に配置する必要のない溶液と接触する。

図５Ａおよび図５Ｂは、分子結合領域を有するナノギャップ・トランスデューサの作製方法を示している。図５Ａにおいて、構造（ｉ）は、基板５０５、誘電体層５１０、および第１の電極層５１５を備える。本発明の実施形態において、第１の電極層５１５は、導電性ダイヤモンド材料、白金、金、パラジウム、ニッケル、黒鉛状炭素、非晶質炭素、またはインジウム・スズ酸化物で構成されている。第１の電極層５１５が導電性ダイヤモンドで構成された実施形態においては、第１の電極層５１５上に硬質マスク層２０が配設されている。導電性ダイヤモンド材料は、たとえばホット・フィラメント化学気相成長（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）、マイクロ波プラズマＣＶＤ、または燃焼炎アシストＣＶＤプロセスによって堆積させてもよい。また、導電性ダイヤモンド材料は、たとえばダイヤモンド粒子を含む溶液に基板を浸して超音波処理により表面に粒子を付着させるか、または基板表面上で回転させる材料中にダイヤモンド粒子を懸濁することによって堆積させたシード層上に堆積させてもよい。本発明の実施形態において、導電性ダイヤモンド材料は、ホウ素をドープしたダイヤモンドである。本発明の実施形態において、導電性ダイヤモンド材料は、１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より大きく１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より小さなホウ素ドーピング濃度で堆積させる。本発明の実施形態において、硬質マスク層２０は、たとえば二酸化クロムまたは二酸化ケイ素で構成されている。第１の電極層５１５が白金および／または金で構成された本発明の実施形態において、この白金および／または金は、その堆積前にフォトレジスト層を堆積・パターニングした後、フォトレジストをリフトオフして不要な領域の白金および／または金を除去するリフトオフ・プロセスを用いたスパッタリングおよびパターニングによって堆積させてもよい。本発明の実施形態において、基板５０５は、たとえば電極駆動用、信号検出用、信号増幅用、および／またはデータ出力用の電子機器を備えたＩＣチップである。また、任意選択として、導電性ビア５２５および５３０が誘電体層５１０を貫通して基板５０５まで設けられており、電極と基板５０５に収容された任意選択の電子機器とを相互接続する。基板５０５については、その他の材料も可能である。

本発明の実施形態において、第１の電極５１５が導電性ダイヤモンド材料で構成されている場合は、上下電極間の短絡の可能性を最小限に抑えるため、第１の電極の厚さを最小化するのが望ましいことが分かっている。また、第１の電極のアスペクト比が高くなると、電極の縁部において犠牲コンフォーマル・コーティングが薄くなってしまうことが分かっている。ただし、マイクロ結晶ダイヤモンド材料の表面粗度が過大にならないように第１の電極の高さを最小化することが必要であることも分かっている。第１の電極の表面粗度が過大になると、犠牲コンフォーマル・コーティングにおいて開口が発生し、第１および第２の電極間で短絡が発生する可能性があることが分かっている。本発明の実施形態において、第１の電極が導電性ダイヤモンドで構成されている場合は、高さの最小化および表面粗度に関する要件が釣り合うように、第１の電極の高さが２００〜１０００ｎｍ、３００〜８００ｎｍ、３５０〜７００ｎｍであってもよい。

図５Ａの構造（ｉｉ）は、硬質マスク層５２０をパターニングし、不要領域の硬質マスク層５２０を除去し、露出したダイヤモンド電極層５１５をエッチングすることによって作成してもよい。露出したダイヤモンド電極層５１５のエッチングは、たとえば酸素プラズマを用いて行ってもよい。この酸素プラズマによるエッチングは、たとえば７０〜１００Ｃまで温度を上げると容易になる可能性がある。その後、硬質マスク層５２０を除去する。

犠牲材料のコンフォーマル膜５３５を堆積させてパターニングすると、図５Ａの構造（ｉｉｉ）が得られる。犠牲材料のコンフォーマル膜５３５のパターニングは、まずフォトレジストを堆積させ、フォトレジストをパターニングし、たとえばスパッタリングまたは原子層成長（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＤ）によって犠牲材料を堆積させ、フォトレジストをリフトオフして所望の領域に犠牲材料のコンフォーマル膜を画成する（リフトオフ・プロセス）ことにより行ってもよい。本発明の実施形態において、犠牲材料は、クロムまたはタングステンを含む。犠牲材料のコンフォーマル膜５３５は、たとえばスパッタリングＡＬＤによって堆積させることにより、下部電極５１５を包み込む膜を実現するようにしてもよい。本発明の実施形態において、犠牲材料の薄膜５３５は、５００ｎｍ未満すなわち１０〜２００ｎｍ、１０〜１５０ｎｍ、または２５〜１５０ｎｍの厚さを有する。

犠牲材料のコンフォーマル膜５３５上に第２の電極材料５４０を堆積させてパターニングすると、図５Ａの構造（ｉｖ）が得られる。第２の電極材料５４０は、リフトオフ・プロセスを用いてリソグラフィによりパターニングを行ってもよい。本発明の実施形態において、第２の電極材料５４０は、導電性ダイヤモンドである。導電性ダイヤモンドは、ホット・フィラメントＣＶＤ、マイクロ波プラズマＣＶＤ、または燃焼炎アシストＣＶＤプロセスを用いてシード層形成および層堆積を行うことにより堆積させてもよい。本発明の実施形態において、第２の電極５４０の材料がダイヤモンドである場合、犠牲材料のコンフォーマル膜５３５はタングステンを含む。本発明のさらに別の実施形態において、第２の電極５４０は、白金、金、ニッケル、パラジウム、黒鉛状炭素、非晶質炭素、またはインジウム・スズ酸化物で構成されている。白金電極は、たとえば接着層として薄いクロム層（およそ１０ｎｍの厚さ）をスパッタリングした後、白金層をスパッタリングすることによって堆積させてもよい。金電極材料は、たとえばスパッタリング、蒸着、電着、または無電解析出プロセスによって堆積させてもよい。本発明の実施形態において、第２の電極５４０が金で構成されている場合、犠牲材料５３５はタングステンである。

その後、図５Ａの構造（ｉｖ）上に第２の誘電体層５４５、優先的に官能化可能な材料の層５５０、および第３の誘電材料の層５５５を堆積させると、図５Ｂの構造（ｖ）が得られる。第２および第３の層５４５および５５５の誘電材料は、たとえば酸窒化ケイ素であってもよく、優先的に官能化可能な材料の層５５０は二酸化ケイ素であってもよい。別の実施形態において、第２および第３の層５４５および５５５の誘電材料は、たとえば窒化ケイ素であってもよく、優先的に官能化可能な材料の層５５０は、金、白金、またはパラジウムであってもよい。そして、第２の誘電体層５４５、優先的に官能化可能な材料の層５５０、および第３の誘電材料の層５５５を貫通して、アクセス孔５６０を作成する。アクセス孔５６０は、フォトレジスト・マスクを用いてリソグラフィにより孔を画成した後、ドライ・エッチング・プロセスにより孔を形成することによって作成してもよい。そして、犠牲材料５３５を除去して、第１および第２の電極５１５および５４０間にギャップを作成する。犠牲材料５３５がタングステンまたはクロムである実施形態においては、たとえばウェット・エッチングにより犠牲材料５３５を除去してもよい。得られる構造を図５Ｂの（ｖｉ）に示す。本発明の実施形態において、ギャップの高さｈ_１は、５００ｎｍ未満すなわち１０〜２００ｎｍ、１０〜１５０ｎｍ、または２５〜１５０ｎｍである。

図６Ａおよび図６Ｂは、分子結合領域を有するナノギャップ・トランスデューサの別の作製方法を示している。図６Ａにおいて、構造（ｉ）は、基板６０５、誘電体層６１０、および第１の電極６１５を備える。本発明の実施形態において、第１の電極６１５は、導電性ダイヤモンド材料、白金、金、パラジウム、ニッケル、黒鉛状炭素、非晶質炭素、またはインジウム・スズ酸化物で構成されている。本発明の実施形態において、導電性ダイヤモンド材料は、ホウ素をドープしたダイヤモンドである。本発明の実施形態において、導電性ダイヤモンド材料は、１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より大きく１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より小さなホウ素ドーピング濃度で堆積させる。本発明の実施形態において、基板６０５は、たとえば電極駆動用、信号検出用、信号増幅用、および／またはデータ出力用の電子機器を備えたＩＣチップである。また、任意選択として、導電性ビア６２５および６３０が誘電体層６１０を貫通して基板６０５まで設けられており、電極と基板６０５に収容された任意選択の電子機器とを相互接続する。基板６０５については、その他の材料も可能である。第１の電極６１５上には、優先的に官能化可能な材料で構成された分子結合領域６２０が配設されている。任意選択として、分子結合領域６２０と電極６１５との間には、接着層６２３が存在する。接着層６２３は、窒化ケイ素で構成されており、ＣＶＤによって堆積させてもよい。分子結合領域６２０は、たとえばＣＶＤにより堆積させ、フォトリソグラフィによりパターニングを行ってもよい。本発明の実施形態において、分子結合領域６２０は、４０ｎｍ^２〜５００，０００ｎｍ^２の露出表面積を有する。

本発明の実施形態において、第１の電極６１５が導電性ダイヤモンド材料で構成されている場合は、上下電極間の短絡の可能性を最小限に抑えるため、第１の電極の厚さを最小化するのが望ましいことが分かっている。また、第１の電極のアスペクト比が高くなると、電極の縁部において犠牲コンフォーマル・コーティングが薄くなってしまうことが分かっている。ただし、マイクロ結晶ダイヤモンド材料の表面粗度が過大にならないように第１の電極の高さを最小化することが必要であることも分かっている。第１の電極の表面粗度が過大になると、犠牲コンフォーマル・コーティングにおいて開口が発生し、第１および第２の電極間で短絡が発生する可能性があることが分かっている。本発明の実施形態において、第１の電極が導電性ダイヤモンドで構成されている場合は、高さの最小化および表面粗度に関する要件が釣り合うように、第１の電極の高さが２００〜１０００ｎｍ、３００〜８００ｎｍ、３５０〜７００ｎｍであってもよい。

図６Ａの構造（ｉｉ）は、図６Ａの構造（ｉ）上に犠牲材料のコンフォーマル膜６３５を堆積させてパターニングすることにより作成してもよい。犠牲材料のコンフォーマル膜６３５のパターニングは、まずフォトレジストを堆積させ、フォトレジストをパターニングし、たとえばスパッタリングまたは原子層成長（ＡＬＤ）によって犠牲材料を堆積させ、フォトレジストをリフトオフして所望の領域に犠牲材料のコンフォーマル膜を画成する（リフトオフ・プロセス）ことにより行ってもよい。本発明の実施形態において、犠牲材料は、クロムまたはタングステンを含む。犠牲材料のコンフォーマル膜６３５は、たとえばスパッタリングＡＬＤによって堆積させることにより、下部電極６１５を包み込む膜を実現するようにしてもよい。本発明の実施形態において、犠牲材料の薄膜６３５は、５００ｎｍ未満すなわち１０〜２００ｎｍ、１０〜１５０ｎｍ、または２５〜１５０ｎｍの厚さを有する。

犠牲材料のコンフォーマル膜６３５上に第２の電極６４０の材料を堆積させてパターニングすると、図６Ａの構造（ｉｉｉ）が得られる。第２の電極６４０の材料は、リフトオフ・プロセスを用いてリソグラフィによりパターニングを行ってもよい。本発明の実施形態において、第２の電極６４０の材料は、導電性ダイヤモンドである。導電性ダイヤモンドは、ホット・フィラメントＣＶＤ、マイクロ波プラズマＣＶＤ、または燃焼炎アシストＣＶＤプロセスを用いてシード層形成および層堆積を行うことにより堆積させてもよい。本発明の実施形態において、第２の電極６４０の材料がダイヤモンドである場合、犠牲材料のコンフォーマル膜６３５はタングステンを含む。本発明のさらに別の実施形態において、第２の電極６４０は、白金、金、ニッケル、パラジウム、黒鉛状炭素、非晶質炭素、またはインジウム・スズ酸化物で構成されている。白金電極は、たとえば接着層として薄いクロム層（およそ１０ｎｍの厚さ）をスパッタリングした後、白金層をスパッタリングすることによって堆積させてもよい。金電極材料は、たとえばスパッタリング、蒸着、電着、または無電解析出プロセスによって堆積させてもよい。本発明の実施形態において、第２の電極６４０が金で構成されている場合、犠牲材料６３５はタングステンである。

その後、図６Ａの構造（ｉｉｉ）上に第２の誘電体層６４５を堆積させると、図６Ｂの構造（ｉｖ）が得られる。第２の層６４５の誘電材料は、たとえば酸窒化ケイ素であってもよく、分子結合領域６２０の優先的に官能化可能な材料は二酸化ケイ素であってもよい。別の実施形態において、第２の層６４５の誘電材料は、たとえば二酸化ケイ素、窒化ケイ素、または酸窒化ケイ素であってもよく、優先的に官能化可能な材料は、金、白金、またはパラジウムであってもよい。そして、第２の誘電体層６４５を貫通して、アクセス孔６５０を作成すると、図６Ｂの構造（ｖ）が得られる。アクセス孔６５０は、フォトレジスト・マスクを用いてリソグラフィにより孔を画成した後、ドライ・エッチング・プロセスにより孔を形成することによって作成してもよい。そして、犠牲材料６３５を除去して、第１および第２の電極６１５および６４０間にギャップを作成する。犠牲材料６３５がタングステンまたはクロムである実施形態においては、たとえばウェット・エッチングにより犠牲材料６３５を除去してもよい。得られる構造を図６Ｂの（ｖｉ）に示す。本発明の実施形態において、第１および第２の電極６１５および６４０間のギャップの高さは、５００ｎｍ未満すなわち１０〜２００ｎｍ、１０〜１５０ｎｍ、または２５〜１５０ｎｍである。

図７Ａおよび図７Ｂは、分子結合領域を有するナノギャップ・トランスデューサのさらに別の作製方法を示している。図７Ａにおいて、構造（ｉ）は、基板７０５、誘電体層７１０、および優先的に官能化可能な材料の任意選択の領域７２０を備える。本発明の実施形態において、基板７０５は、たとえば電極駆動用、信号検出用、信号増幅用、および／またはデータ出力用の電子機器を備えたＩＣチップである。また、任意選択として、導電性ビア７２５および７３０が誘電体層７１０を貫通して基板７０５まで設けられており、電極と基板７０５に収容された任意選択の電子機器とを相互接続する。基板７０５については、その他の材料も可能である。

図７Ａの構造（ｉｉ）は、第１の電極７１５の材料を堆積させてパターニングすることにより作成してもよい。このパターニングにより、分子結合領域７２３が露出した孔が第１の電極７１５内に形成される。本発明の実施形態において、分子結合領域７２３は、４０ｎｍ^２〜５００，０００ｎｍ^２の露出表面積を有する。本発明の実施形態において、第１の電極７１５は、導電性ダイヤモンド材料、白金、金、ニッケル、パラジウム、黒鉛状炭素、非晶質炭素、またはインジウム・スズ酸化物で構成されている。本発明の実施形態において、導電性ダイヤモンド材料は、ホウ素をドープしたダイヤモンドである。本発明の実施形態において、導電性ダイヤモンド材料は、１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より大きく１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より小さなホウ素ドーピング濃度で堆積させる。導電性ダイヤモンドは、たとえばホット・フィラメントＣＶＤ、マイクロ波プラズマＣＶＤ、または燃焼炎アシストＣＶＤプロセスを用いてシード層形成および層堆積を行うことにより堆積させてもよい。また、導電性ダイヤモンド材料は、硬質マスクを用いてパターニングを行ってもよい。白金電極は、たとえばスパッタリングにより堆積させてもよい。金電極材料は、たとえばスパッタリング、蒸着、電着、または無電解析出プロセスによって堆積させてもよい。白金または金で構成された第１の電極７１５は、リフトオフ・プロセスを用いてリソグラフィによりパターニングを行ってもよい。

本発明の実施形態において、第１の電極７１５が導電性ダイヤモンド材料で構成されている場合は、上下電極間の短絡の可能性を最小限に抑えるため、第１の電極の厚さを最小化するのが望ましいことが分かっている。また、第１の電極のアスペクト比が高くなると、電極の縁部において犠牲コンフォーマル・コーティングが薄くなってしまうことが分かっている。ただし、マイクロ結晶ダイヤモンド材料の表面粗度が過大にならないように第１の電極の高さを最小化することが必要であることも分かっている。第１の電極の表面粗度が過大になると、犠牲コンフォーマル・コーティングにおいて開口が発生し、第１および第２の電極間で短絡が発生する可能性があることが分かっている。本発明の実施形態において、第１の電極が導電性ダイヤモンドで構成されている場合は、高さの最小化および表面粗度に関する要件が釣り合うように、第１の電極の高さが２００〜１０００ｎｍ、３００〜８００ｎｍ、３５０〜７００ｎｍであってもよい。

図７Ａの構造（ｉｉｉ）は、図７Ａの構造（ｉｉ）上に犠牲材料のコンフォーマル膜７３５を堆積させてパターニングすることにより作成してもよい。犠牲材料のコンフォーマル膜７３５のパターニングは、まずフォトレジストを堆積させ、フォトレジストをパターニングし、たとえばスパッタリングまたは原子層成長（ＡＬＤ）によって犠牲材料を堆積させ、フォトレジストをリフトオフして所望の領域に犠牲材料のコンフォーマル膜を画成する（リフトオフ・プロセス）ことにより行ってもよい。本発明の実施形態において、犠牲材料は、クロムまたはタングステンを含む。犠牲材料のコンフォーマル膜７３５は、たとえばスパッタリングＡＬＤによって堆積させることにより、下部電極７１５を包み込む膜を実現するようにしてもよい。本発明の実施形態において、犠牲材料の薄膜７３５は、５００ｎｍ未満すなわち１０〜２００ｎｍ、１０〜１５０ｎｍ、または２５〜１５０ｎｍの厚さを有する。

犠牲材料のコンフォーマル層７３５上に第２の電極材料７４０を堆積させてパターニングすると、図７Ｂの構造（ｉｖ）が得られる。本発明の実施形態において、第２の電極７４０は、導電性ダイヤモンド、白金、金、ニッケル、パラジウム、黒鉛状炭素、非晶質炭素、またはインジウム・スズ酸化物で構成されている。本発明の実施形態において、第２の電極材料は、導電性ダイヤモンドである。導電性ダイヤモンドは、ホット・フィラメントＣＶＤ、マイクロ波プラズマＣＶＤ、または燃焼炎アシストＣＶＤプロセスを用いてシード層形成および層堆積を行うことにより堆積させてもよい。また、導電性ダイヤモンド材料は、硬質マスクを用いてパターニングを行ってもよい。本発明の実施形態において、第２の電極７４０の材料がダイヤモンドである場合、犠牲材料のコンフォーマル膜７３５はタングステンを含む。本発明のさらに別の実施形態において、第２の電極７４０は、白金または金で構成されている。白金電極は、たとえば接着層として薄いクロム層（およそ１０ｎｍの厚さ）をスパッタリングした後、白金層をスパッタリングすることによって堆積させてもよい。金電極材料は、たとえばスパッタリング、蒸着、電着、または無電解析出プロセスによって堆積させてもよい。本発明の実施形態において、第２の電極７４０が金で構成されている場合、犠牲材料７３５はタングステンである。白金または金で構成された第２の電極７４０は、リフトオフ・プロセスを用いてリソグラフィによりパターニングを行ってもよい。

その後、図７Ａの構造（ｉｖ）上に第２の誘電体層７４５を堆積させてパターニングを行うと、図７Ｂの構造（ｖ）が得られる。第２の層７４５の誘電材料は、たとえば酸窒化ケイ素であってもよく、分子結合領域７２３の優先的に官能化可能な材料は二酸化ケイ素であってもよい。別の実施形態において、第２の層７４５の誘電材料は、たとえば二酸化ケイ素、窒化ケイ素、または酸窒化ケイ素であってもよく、優先的に官能化可能な材料は、金、白金、またはパラジウムであってもよい。このパターニングによって、第２の誘電体層７４５を貫通するアクセス孔７５０が形成される。アクセス孔７５０は、フォトレジスト・マスクを用いてリソグラフィにより孔を画成した後、ドライ・エッチング・プロセスにより孔を形成することによって作成してもよい。そして、犠牲材料７３５を除去して、図７Ｂの構造（ｖｉ）が得られる。犠牲材料７３５がタングステンまたはクロムである実施形態においては、たとえばウェット・エッチングにより犠牲材料７３５を除去してもよい。本発明の実施形態において、第１および第２の電極７１５および７４０間のギャップの高さは、５００ｎｍ未満すなわち１０〜２００ｎｍ、１０〜１５０ｎｍ、または２５〜１５０ｎｍである。

表面を改変して分子付着を向上させる場合に利用可能なシラン分子は、電極に用いる材料に応じて、たとえばＸ_３−Ｓｉ−ＹＲ”、Ｘ_３−Ｓｉ−（Ｎ）ＹＲ”、およびＸ_３−Ｓｉ−（Ｎ_２）ＹＲ”という化学式であってもよい。ここで、Ｘは、たとえば−Ｃｌ、−ＯＣＨ_３、または−ＯＣＨ_２ＣＨ_３等の脱離基である。Ｒ”は、たとえば−ＮＨ_２、−ＣＯＯＨ、−ＣＯＨ、−ＣＨＣＨ_２、または−ＳＨ等の反応カップリング基である。Ｎは、たとえばアルキル基等の非反応基である。カップリングする表面付着シラン分子が提供する有機基は、たとえばカルボキシル基、アルデヒド、エステル、アルケン、アルキン、チオール、イソシアネート、イソチオシアネート、置換アミン、エポキシド、ビオチン等の小分子、またはアルコールであってもよい。一般的に、Ｙは、１〜１６個の炭素原子を有する炭化水素等の非反応基である。−ＹＲ”の例としては、−（ＣＨ_２）_３ＮＨ_２、−（ＣＨ_２）_２ＣＯＯＨ、および−（ＣＨ_２）_２ＳＨ等が挙げられる。シランの例としては、３−アミノプロピルトリエトキシシラン（ａｍｉｎｏｐｒｏｐｙｌｔｒｉｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ：ＡＰＴＳ）、メルカプトシラン、およびグリシドキシトリメトキシシラン（エポキシド反応カップリング基を有する）等が挙げられる。その他の官能基およびシランも可能である。シラン化する表面は、たとえば溶液またはシランガスとしてのシラン分子と反応させてもよい。

また、誘電材料としては、たとえば二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、炭素ドープ酸化物（ｃａｒｂｏｎ ｄｏｐｅｄ ｏｘｉｄｅ：ＣＤＯ）、炭化ケイ素、パーフルオロシクロブタンもしくはポリテトラフルオロエチレン等の有機ポリマー、フルオロケイ酸塩ガラス（ｆｌｕｏｒｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ：ＦＳＧ）、ならびに／またはシルセスキオキサン、シロキサン、もしくは有機ケイ酸塩ガラス等の有機シリケート等が挙げられる。また、有機材料は、たとえばポリイミド等のポリマーであってもよい。

導電性ダイヤモンド電極を用いるとバックグラウンド電流が小さくなることが分かっているため、２つの作動電極の一方のみを用いて少数の分子の測定結果を記録することができる。測定結果の記録は、１つの分子だけであってもよい。別の実施形態においては、両電極において記録した測定結果を用いて信号を生成する。ナノギャップ・トランスデューサにおける電極電位および電流の測定および記録を行うシステムは、たとえばバイポテンショスタットを備える。バイポテンショスタットを用いることにより、溶液の電位に対する両電極の電位を制御するとともに、電極を流れる電流を測定する。電極を駆動して電流の測定および記録を行うシステムの部品の一部または全部は、集積回路（ＩＣ）チップ上に収容された個別にアドレス可能なナノギャップ・トランスデューサのアレイに電気的に結合された当該ＩＣチップ内に配置されていてもよい。本発明の実施形態において、個別にアドレス可能なナノギャップ・トランスデューサと関連するコンピュータ・システムは、導電性ダイヤモンドで構成された１つの電極のみでの測定結果を用いて電極電位および電流値の測定および記録を行うソフトウェアを備える。別の実施形態において、このコンピュータ・システムは、２つの電極ならびに／または２つの電極および１つの電極の両者での電極電位の測定および記録を行うソフトウェアを備える。また、電気化学的相関分光法等の技術を用いることにより、ナノギャップ・デバイスにおいて逆バイアスをかけた２つの電極での測定結果から信号を生成するようにしてもよい。

一般的に、ナノギャップ・トランスデューサ等の電極を用いた電子センサは、電極表面上またはその近傍に配置された材料のインピーダンス、抵抗、容量、および／または酸化還元電位を測定可能である。また、ナノギャップ・トランスデューサを載置する基板は、検出および／または駆動回路、スイッチング・ロジック、ラッチ、メモリ、および／または入出力装置を備えていてもよい。任意選択として、電極のセンシングおよび駆動ならびにデータの記録を行う電子機器の一部または全部は、ナノギャップ・トランスデューサのアレイを収容した基板の一部をなす集積回路である。また、任意選択として、入出力制御を提供する電子機器は、基板の集積回路チップ等に収容されるか、または基板外部の回路により提供される。さらに、任意選択として、ナノギャップ・トランスデューサのアレイには、電極への個別アドレス、選択電圧での電極駆動、電極に供給する電圧電流情報を格納するメモリ、電極特性を測定するメモリおよびマイクロプロセッサ、差動増幅器、電流検出回路（ＣＭＯＳ画像センサに用いる回路の変異形を含む）、ならびに／または電界効果トランジスタ（ダイレクト・フローティング・ゲート）の回路が備わっている。あるいは、外部機器および／または付属のコンピュータ・システムによって、これら機能のうちの１または複数を実行するようにしてもよい。

酸化還元サイクル測定においては、逆バイアスをかけた電極を用いて溶液中の酸化還元活性分子の荷電状態を繰り返し反転させることにより、各酸化還元活性分子が複数の酸化還元反応に参加することによって、複数の電子による電流値を測定する。酸化還元サイクル測定において、電極間のギャップの高さは、ナノメートルのオーダーである。２つの電極間の空洞内の酸化還元活性分子は、電極間で複数の電子を往復させるため、測定された電気化学的電流が増幅される。酸化還元活性種からの信号は、酸化還元種の安定性および酸化還元種の検出領域からの拡散能力等の因子に応じて、１００倍より大きく増幅可能であってもよい。

本発明の実施形態において、ナノギャップ・トランスデューサの電極は、検出する酸化還元種の酸化・還元電位となるように独立してバイアスをかける。酸化還元種は電荷シャトルとして作用し、一方の電極から他方の電極へ分子が拡散すると、酸化還元分子が還元・酸化して、正味の電荷移動が生じる。両電極を流れる電流の大きさは、空洞内の検体（酸化還元種）の濃度に比例する。任意選択として、電極間のギャップは、ビーズで封止することにより、空洞からの酸化還元活性種の拡散を阻止することによって、酸化還元種の有効濃度を向上させる。空洞を封止すると、センサ測定時における空洞からの酸化還元種の漏れを防止できる。

一般的に、酸化還元活性種は、複数回にわたって酸化および／または還元の状態を可逆的にサイクル可能な分子である。

本発明の実施形態において、ナノギャップ・トランスデューサは、個別にアドレス可能なナノギャップ・トランスデューサのアレイであってもよい。アレイは、様々な寸法および個数のナノギャップ・トランスデューサで構築する。ナノギャップ・トランスデューサの個数割り付けの選択は、たとえば検出する検体の種類および個数、検出領域のサイズ、ならびにアレイの製造に伴うコスト等の因子によって決まる。たとえば、ナノギャップ・トランスデューサのアレイは、１０×１０、１００×１００、１，０００×１，０００、１０^５×１０^５、および１０^６×１０^６である。アレイは、超高密度、高密度、中密度、低密度、または超低密度に形成可能である。超高密度アレイの範囲としては、およそ１億〜１０億個のセンサ／アレイである。高密度アレイの範囲としては、およそ百万〜１億個のセンサである。中密度アレイの範囲としては、およそ１万〜十万個のセンサである。低密度アレイは一般的に、１万個未満の空洞である。超低密度アレイは、千個未満のセンサである。

個別にアドレス可能なナノギャップ・トランスデューサのアレイは、ＩＣチップ上に収容され、電気的に結合されていてもよい。ＩＣチップは通常、ダイシングにより切り離して個別のＩＣチップを生成する半導体ウェハ等の半導体基板上に構築する。ＩＣチップを構築するベース基板は通常、シリコン・ウェハである。ただし、本発明の実施形態は、使用する基板の種類によって左右されるものではない。また、基板は、ゲルマニウム、アンチモン化インジウム、テルル化鉛、ヒ化インジウム、リン化インジウム、ヒ化ガリウム、アンチモン化ガリウム、および／またはその他のＩＩＩ−Ｖ族材料が単独で構成されていてもよいし、ケイ素もしくは二酸化ケイ素との組み合わせで構成されていてもよいし、またはその他の絶縁材料で構成されていてもよい。また、各層および装置を含む各層は、本発明の実施形態を収容または製造する基板または基板の一部として特徴付けてもよい。

ナノギャップ・トランスデューサのアレイによれば、たとえば多数の固定化ＤＮＡ分子の配列を同時に決定可能となる。ただし、その他の用途も可能である。固定化ＤＮＡ分子は、配列決定するサンプルであってもよいし、配列が既知の捕捉ＤＮＡプローブを最初に固定化した後、配列決定するサンプルを固定化プローブに交雑してもよい。捕捉プローブは、サンプルＤＮＡの一部に交雑するように設計された配列を有する。本発明の実施形態において、固定化するＤＮＡフラグメント（または捕捉プローブ）は、各センサが統計上、固定化されたＤＮＡ分子を１つ有するように希釈する。配列情報は、固定化されたＤＮＡ分子を１つだけ有するナノギャップ・トランスデューサから組み立てる。不明瞭な結果を示すナノギャップ・トランスデューサからの情報は、無視してもよい。

核酸サンプルの増幅（すなわち、サンプル中の核酸分子のコピー数の増加）を任意選択として行わなくてもよい核酸の配列決定方法を提供する。図８は、核酸分子の配列決定、一塩基変異多型（ｓｉｎｇｌｅ ｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ ｐｏｌｙｍｏｒｐｈｉｓｍ：ＳＮＰ）の検出、および遺伝子発現の検出に有用な方法を記述したフロー図を示している。図８において、核酸分子は、電子センサ内部の表面に付着する。そして、標的核酸の一部に対して相補的なプライマを含むセンサ空洞に溶液を供給する。プライマＤＮＡ分子は、空洞内部に付着したＤＮＡ分子の一部に交雑し、付着したＤＮＡ分子について、ＤＮＡの相補鎖の合成の準備をする。空洞内部のＤＮＡの配列が既知でない場合、プライマは、センサ内部のＤＮＡ鎖に提供されたランダム配列を有する多くのうちの１つと考えられる。また、プライマは、ヌクレアーゼ耐性ヌクレオチドで末端処理してもよい。空洞内部のＤＮＡ分子に対するプライマの交雑が可能となったら、ＤＮＡポリメラーゼ酵素および酸化還元中心改変（ｒｅｄｏｘ−ｃｅｎｔｅｒ ｍｏｄｉｆｉｅｄ）ヌクレオチド三リン酸（ｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ ｔｒｉｐｈｏｓｐｈａｔｅ：ＮＴＰまたはｄＮＴＰ）を添加する。ｄＮＴＰは、酸化還元改変デオキシアデノシン三リン酸（ｄｅｏｘｙａｄｅｎｏｓｉｎｅ ｔｒｉｐｈｏｓｐｈａｔｅ：ｄＡＴＰ）、デオキシシチジン三リン酸（ｄｅｏｘｙｃｙｔｉｄｉｎｅ ｔｒｉｐｈｏｓｐｈａｔｅ：ｄＣＴＰ）、デオキシグアノシン三リン酸（ｄｅｏｘｙｇｕａｎｏｓｉｎｅ ｔｒｉｐｈｏｓｐｈａｔｅ：ｄＧＴＰ）、デオキシチミジン三リン酸（ｄｅｏｘｙｔｈｙｍｉｄｉｎｅ ｔｒｉｐｈｏｓｐｈａｔｅ：ｄＴＴＰ）、またはウリジン三リン酸（ｕｒｉｄｉｎｅ ｔｒｉｐｈｏｓｐｈａｔｅ：ＵＴＰ）を含む。たとえば、酸化還元改変ｄＡＴＰが提供済みであって、配列中の次の相補核酸がチミジンである場合は、酸化還元改変ｄＡＴＰが成長中のＤＮＡ鎖に組み込まれる。配列決定する鎖にシトシンが存在する場合はグアニンが組み込まれ、チミジンが存在する場合はアデノシンが組み込まれ、その逆も同じである。次の相補核酸がｄＡＴＰでない場合は、センサ空洞内部で化学反応が起こることはない。その後、反応生成物を検出する。反応が起こらなかった場合、酸化還元中心改変反応生成物は検出されない。したがって、陽性結果（酸化還元中心改変反応生成物の検出）は、成長鎖中の次の相補核酸がｄＡＴＰ（この例の場合）であることを示す。陰性結果が得られた場合は、陽性結果が得られるまで、残り３つの酸化還元中心改変ヌクレオチドについてこの方法を繰り返すことにより、相補塩基の識別を行う。ヌクレオチドの識別を行ったら、相補ＤＮＡの成長鎖をヌクレアーゼ耐性ヌクレオチドで末端処理してもよい。

図９は、配列決定するテンプレート鎖が提供する塩基に対してヌクレオチド塩基が相補的である場合に得られる酸化還元信号を化学的に増幅してＤＮＡ分子の配列決定を行う方法を示している。図９の方法は、相補塩基が成長中の相補鎖に組み込まれる場合の信号の化学的増幅を可能とする。準備した成長中のＤＮＡ分子は、ポリメラーゼ酵素の作用により、ヌクレアーゼ耐性塩基で末端処理する。この例において、酸化還元標識ＮＴＰは、γ−アミノフェニル−アデニン−三リン酸（ｄＡＴＰ）である。相補的な酸化還元標識ヌクレオチドを成長鎖に組み込むと、溶液中に酸化還元標識ピロリン酸（ｐｙｒｏｐｈｏｓｐｈａｔｅ：ＰＰｉ）基が放出される。そして、ホスファターゼ酵素の作用により、酸化還元分子からピロリン酸塩が除去される。有用なホスファターゼ酵素としては、たとえばアルカリ性ホスファターゼ、酸性ホスファターゼ、タンパク質ホスファターゼ、ポリリン酸ホスファターゼ、糖ホスファターゼ、およびピロホスファターゼ等が挙げられる。この例においては、酸化還元活性種は、ｐ−アミノフェノール（ｐＡＰ）およびキノンイミン対である。溶液中に放出されるｐ−アミノフェノール分子の数は、酸化還元標識ＮＴＰの組み込みおよび切除反応のサイクルによって多くなる。具体的には、相補的な酸化還元標識ヌクレオチドが組み込まれ、エクソヌクレアーゼ酵素によって組み込まれた相補ヌクレオチドが除去された後、ＤＮＡポリメラーゼによって第２の酸化還元標識相補ヌクレオチドが組み込まれ、溶液中に第２の酸化還元標識ピロリン酸基が放出される。これら組み込みおよび除去の繰り返しサイクルにより、溶液中において、酸化還元活性種の濃度が高くなる。このように、成長中の相補鎖に相補塩基を組み込むことによって得られる信号は、増幅される。また、リン酸基の除去によって、酸化還元活性種は活性化される。リン酸基のない酸化還元活性種の有無は、電気化学的に検出する。酸化還元活性種は、ナノギャップ・トランスデューサの２つの電極間でリサイクルさせることによって、酸化還元サイクル反応により信号をさらに増幅するようにしてもよい。本明細書において詳述する通り、電極間において酸化還元活性種をサイクルさせる信号増幅技術は、酸化還元サイクルと称する。ナノギャップ・トランスデューサの電極間での移動により、各酸化還元活性種においては、複数の電子による電流が測定されるため、測定電流が増幅される。反応に供給されるヌクレオチドが成長中のＤＮＡ鎖に対して相補的でない場合、自由な酸化還元活性種は検出されない。ヌクレオチドの組み込みを検出したら、配列決定するテンプレートＤＮＡ分子の次の間隔に対して相補的なヌクレアーゼ耐性塩基を成長鎖に設ける。

酸化還元遺伝子のヌクレオチドは、ヌクレオシドのγ−リン酸基に付着した酸化還元活性種を有する。酸化還元遺伝子のヌクレオチドの塩基は、Ａ、Ｇ、Ｃ、またはＴであってもよい。酸化還元活性種としては、たとえばアミノフェニル基、ヒドロキシフェニル基、および／またはナフチル基が挙げられる。また、酸化還元活性種は、ヌクレオチドの塩基に付着していてもよい。この塩基はＡ、Ｇ、Ｃ、またはＴであってもよく、酸化還元活性種は、たとえばフェロセン、アントラキノン、またはメチレン・ブルー分子であってもよい。第３の酸化還元活性基付着モチーフとしては、ヌクレオチドの塩基の糖類に酸化還元活性基が付着したものが挙げられる。糖類が付着した酸化還元改変ヌクレオチドの場合、塩基はＡ、Ｇ、Ｃ、またはＴであってもよく、酸化還元活性種は、たとえばフェロセン、アントラキノン、またはメチレン・ブルー分子であってもよい。

ポリメラーゼとしては、市販のＴｈｅｒｍｉｎａｔｏｒ ＤＮＡポリメラーゼ（マサチューセッツ州ビバリー所在のＮｅｗ Ｅｎｇｌａｎｄ Ｂｉｏｌａｂｓ社より入手可能）または遺伝子操作したＤＮＡポリメラーゼ等、リボヌクレオチドまたは改変ヌクレオチドをＤＮＡに組み込み可能なものが利用可能である（たとえば、ＤｅＬｕｃｉａ，Ａ．Ｍ．，Ｇｒｉｎｄｌｅｙ，Ｎ．Ｄ．Ｆ．，Ｊｏｙｃｅ，Ｃ．Ｍ．，Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，３１：１４，４１２９−４１３７（２００３）およびＧａｏ，Ｇ．，Ｏｒｌｏｖａ，Ｍ．，Ｇｅｏｒｇｉａｄｉｓ，Ｍ．Ｍ．，Ｈｅｎｄｒｉｃｋｓｏｎ，Ｗ．Ａ．，Ｇｏｆｆ，Ｓ．Ｐ．，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，９４，４０７−４１１（１９９７）参照）。ヌクレアーゼ耐性ヌクレオチドは、リボヌクレオチドまたはその他の改変ヌクレオチドであってもよい。成長中のＤＮＡ鎖に組み込み可能であるがエクソヌクレアーゼ（３’→５’エクソヌクレアーゼ活性ＤＮＡポリメラーゼまたはエクソヌクレアーゼＩおよびＩＩＩ等）による消化に耐性を有するヌクレアーゼ耐性塩基の一例としては、α−ホスホロチオエート・ヌクレオチド（カリフォルニア州サンディエゴ所在のＴｒｉｌｉｎｋ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社より入手可能）が挙げられる。また、リボヌクレオチドは、Ｔｈｅｒｍｉｎａｔｏｒ ＤＮＡポリメラーゼまたはその他の遺伝子操作または変異したポリメラーゼによって成長中のＤＮＡ鎖に組み込んでもよいが、リボヌクレオチドの塩基は、エクソヌクレアーゼＩまたはエクソヌクレアーゼＩＩＩ（Ｎｅｗ Ｅｎｇｌａｎｄ Ｂｉｏｌａｂｓ社より入手可能）等のエクソヌクレアーゼによる消化に耐性を有する。これら耐性塩基を消化できないヌクレアーゼの一例としては、エクソヌクレアーゼＩ、ヌクレアーゼＩＩＩ、および３’→５’エクソヌクレアーゼ活性ＤＮＡポリメラーゼが挙げられる。

本発明の実施形態において、配列決定する単一の核酸分子は、ナノギャップ・トランスデューサ内部の表面に付着する。この核酸は、ヌクレアーゼ耐性ヌクレオチドで末端処理した相補鎖を用いて準備する。また、ナノギャップ・トランスデューサの空洞中の溶液に存在するＤＮＡポリメラーゼ酵素の作用によって、相補的な酸化還元改変ｄＮＴＰ分子を成長鎖に組み込む。ナノギャップ・トランスデューサの電極は、酸化還元種の酸化還元電位となるように逆バイアスをかけており、酸化還元種が存在する場合は、電極表面で電流を検出する。ポリメラーゼの反応による過剰な酸化還元改変ｄＮＴＰは、反応部位から洗い流す。そして、電極空洞中の溶液に存在するヌクレアーゼ酵素の作用により、成長中の相補ＤＮＡ鎖から任意の組み込みｄＮＭＰを切除する。この方法は、その他３つのヌクレオチドについて、任意選択で繰り返す。次の相補ヌクレオチドが決まったら、成長中の相補核酸鎖を相補的なヌクレアーゼ耐性塩基で末端処理し、次の相補塩基を決定するようにしてもよい。

別の実施形態においては、配列決定する核酸分子の２つ以上のコピーを電極空洞において付着させる。配列決定する核酸の複数のコピーを付着させると、相補ヌクレオチド三リン酸が空洞に供給されている場合は、検出信号が増幅される。その後、任意選択として、酸化還元サイクル技術により検出信号をさらに増幅させてもよい。

核酸の配列決定は、個別にアドレス可能なナノギャップ・トランスデューサのアレイを用いて大規模並列に行ってもよい。アレイには、反応空洞当たり統計上１つの核酸分子が存在するように、核酸分子を含むサンプルを提供する。反応空洞における核酸の組み込みは、空洞に結合された電子機器によって検出される。矛盾する空洞からのデータは、破棄してもよい。また、空洞における各核酸の配列情報は、複数の反応サイクルを通して構築する。

任意選択として、たとえばアミン、アルデヒド、エポキシ、およびチオール基のうちの１つまたはそれらの組み合わせにより、ナノギャップ・トランスデューサの１または複数の表面を官能化してもよい。また、付着させる分子は、アミン（カルボキシ、エポキシ、および／またはアルデヒド官能基を有する表面の場合）、カルボキシル（アミン基を有する表面の場合）、およびチオール（金表面の場合）により官能化して、分子付着を容易化してもよい。官能基の結合には、様々な共役化学が利用可能である（たとえば、アミン／カルボキシルの場合のＥＤＣ等）。基板表面上の分子の濃度は、たとえば表面官能基の密度の制限または付着させる分子の量の制限等、複数の方法で制御する。また、表面へのＤＮＡの固定化は、たとえばチオール基で改変した表面に付着させたアクリダイト改変ＤＮＡフラグメントを用いて行う。エポキシまたはアルデヒド改変表面には、アミン改変ＤＮＡフラグメントを付着させてもよい。

ナノギャップ・トランスデューサの１または複数のアレイ（ＩＣデバイス表面上のナノギャップ・トランスデューサのアレイ等）、トランスデューサの駆動および測定結果の記録を行う電子機器、ならびに分析データを記録するコンピュータを備えたセンサ・システムは、ナノギャップ・トランスデューサに流体を搬送可能な流体搬送系を備えていてもよい。この流体系は、試薬容器、ポンプおよび混合室、洗浄液、廃液室、ならびにナノギャップ・トランスデューサのアレイの表面に流体を搬送する流体搬送系を備えていてもよい。

一般的に、配列決定可能な核酸の種類としては、リン酸ジエステル結合で結ばれたデオキシリボヌクレオチド（ＤＮＡ）またはリボヌクレオチド（ＲＮＡ）およびその類似物のポリマーが挙げられる。ゲノム、遺伝子もしくはその一部、ｃＤＮＡ、または合成ポリデオキシリボ核酸配列は、ポリヌクレオチドであってもよい。また、オリゴヌクレオチド（たとえば、プローブまたはプライマ等）を含むポリヌクレオチドは、ヌクレオシドまたはヌクレオチド類似物、もしくはリン酸ジエステル結合以外の主鎖結合を含んでいてもよい。一般的に、ポリヌクレオチドを含むヌクレオチドは、２’−デオキシリボースに結合されたアデニン、シトシン、グアニン、もしくはチミン等の天然由来のデオキシリボヌクレオチド、またはリボースに結合されたアデニン、シトシン、グアニン、またはウラシル等の天然由来のリボヌクレオチドである。ただし、ポリヌクレオチドまたはオリゴヌクレオチドは、天然由来ではない合成ヌクレオチドまたは天然由来のヌクレオチドを改変したもの等、ヌクレオチド類似物を含んでいてもよい。

センサからのデータは、以下のように分析してもよい。ナノギャップ・トランスデューサの空洞に２つ以上のＤＮＡ分子が付着している場合は、配列決定位置の少なくとも１つからの測定値について、２つ以上の可能性がある。したがって、配列分析においては、空洞に分子が１つだけ付着したナノギャップ・トランスデューサ（有効なセンサ）からのデータのみを使用する。有効なセンサの配列は、コンピュータ・プログラムによって整列する。配列情報は、デノボ配列情報または基準配列情報として使用してもよい。データの品質および配列決定作業の目的に依っては、さらに分析を実行する。

また、本発明の実施形態に係るナノギャップ・トランスデューサは、本明細書に記載の検出に限らず、生物学的に重要な各種検出を実行可能である。たとえば、ナノギャップ・トランスデューサは、ＤＮＡの変異を検出するとともに、ＤＮＡ配列決定反応によって病原体を識別可能である。また、電子センサを用いることにより、代謝酵素の活性検査によって疾患を診断する。ピロリン酸塩は、代謝経路および信号変換経路の一部である多くの酵素反応の副産物である。実施形態に係るナノギャップ・トランスデューサには、標的検体の認識部位および結合部位を設けてもよい。関心のある認識・結合部位を有するナノギャップ・トランスデューサを作成し、バイオセンサ装置の検体結合領域に対するサンプル溶液の曝露により関心のある任意の特異的に認識された生体分子の結合を可能にすることによって、サンプル溶液の試験を行う。ナノギャップ・トランスデューサは、フィルタリングおよびサンプル精製機能を提供するマイクロ流体系またはナノ流体系に組み込まれていてもよい。このように、機能を試験する酵素を電子バイオセンサに結合させ、反応溶液を供給すると、反応生成物として酸化還元中心で標識されたＰＰｉが生じる。たとえば、バイオセンサ装置は、関心のあるアデニル化酵素を装置に結合させ、反応溶液中に脂肪酸基板およびＡＴＰを供給することによって、脂肪酸をアデニル酸アシルに変換してＰＰｉを生成するアデニル化酵素の機能を調べる。その他の例としては、カテコールが挙げられる。さらに別の例においては、生菌を特異的にバイオセンサに結合させる。任意選択として、生菌は、生菌上の表面抗原を特異的に認識する抗体を介して検出装置に結合させる。そして、抗体サンドイッチ測定を実行する。この抗体サンドイッチ測定においては、検出する分子に特有の抗体を有する電子センサを提供し、検出する分子に対してセンサを曝露し、当該検出する分子に対して、その異なるエピトープに特有の第２の抗体を結合させる。第２の抗体には、酸化還元標識ＡＴＰを酸化還元標識ＰＰｉに変換可能な分子が付着している。酸化還元標識ＰＰｉは、酸化還元サイクルによって検出する。酸化還元標識としては、たとえばフェロセン、アントラキノン、およびメチレン・ブルー分子、ならびにアミノフェニル基、ヒドロキシフェニル基、および／またはナフチル基が挙げられる。

コンピュータまたはコンピュータ・システムは、ランダム・アクセス・メモリ（ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ：ＲＡＭ）、リード・オンリー・メモリ（ｒｅａｄ−ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ：ＲＯＭ）、シリアル・アドバンスト・テクノロジ・アタッチメント（ｓｅｒｉａｌ ａｄｖａｎａｃｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ：ＳＡＴＡ）または小型コンピュータ用周辺機器インターフェース（ｓｍａｌｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ：ＳＣＳＩ）ハード・ドライブ等の大容量記憶装置等の１もしくは複数の揮発性または不揮発性データ記憶装置ならびに／またはフロッピー（登録商標）・ディスク、光学式ストレージ、テープ、フラッシュ・メモリ、メモリ・スティック、ＣＤ−ＲＯＭ、および／もしくはデジタル・ビデオ・ディスク（ｄｉｇｉｔａｌ ｖｉｄｅｏ ｄｉｓｋ：ＤＶＤ）等の媒体にアクセス可能な装置に対して通信可能に結合された１または複数のプロセッサを含む処理システムを備える。ＲＯＭという用語は、消去・プログラム可能型ＲＯＭ（ｅｒａｓａｂｌｅ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ：ＥＰＲＯＭ）、電気的消去・プログラム可能型ＲＯＭ（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｅｒａｓａｂｌｅ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ：ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュＲＯＭ、および／またはフラッシュ・メモリ等の不揮発性メモリ・デバイスを表す。また、プロセッサは、グラフィックス・コントローラ、メモリ・インターフェース・ハブ、ＳＣＳＩ（小型コンピュータ用周辺機器インターフェース）コントローラ、ネットワーク・コントローラ、ネットワーク・インターフェース、およびユニバーサル・シリアル・バス（ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｓｅｒｉａｌ ｂｕｓ：ＵＳＢ）コントローラ等の付加的な構成要素と通信可能に結合されていてもよい。コンピュータ・システム、付加的なプロセッサ、ならびに／または外部コンピュータおよびコンピュータ・ネットワークの要素間の通信の一部または全部は、ＵＳＢ、無線ローカル・エリア・ネットワーク（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｌｏｃａｌ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ：ＷＬＡＮ）、高周波無線（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：ＲＦ）、衛星、マイクロ波、電気電子技術者協会（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ：ＩＥＥＥ）８０２．１１、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、光学式、光ファイバ、赤外線、ケーブル、およびレーザ等の様々な有線および／または無線短距離プロトコルで行ってもよい。また、コンピュータ・システムは通常、たとえば表示スクリーン、キーボード、トラックパッド、マウス等の入出力装置に結合されている。

当業者には、図示および記載した種々構成要素の代替として、開示内容の全体にわたり改良および変形が可能であることが理解される。本明細書の全体において「一実施形態」という表現は、当該実施形態と関連して説明する特定の特徴、構造、材料、または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれること意味しており、必ずしもすべての実施形態に存在することを示すものではない。さらに、各実施形態に開示した特定の特徴、構造、材料、または特性は、１または複数の実施形態として任意適当に組み合わせてもよい。他の実施形態においては、様々な層および／もしくは構造の追加ならびに／または記載の特徴の省略を行ってもよい。

Claims (7)

1. 表面を有する基板と、
   該基板の表面上に配設されたトランスデューサと、
   を備えた装置であって、
   前記トランスデューサが、
   導電線にそれぞれ結合された第１の電極および第２の電極であり、前記導電線を介して、当該第１の電極および第２の電極に電圧を独立して印加可能であるとともに、当該第１の電極および第２の電極のそれぞれから電流を独立して測定可能であり、当該第１の電極が面を有し、当該第２の電極が面を有し、当該第１の電極の面が当該第２の電極の面から５００ｎｍ未満の距離だけ離された、第１の電極および第２の電極と、
   前記第１の電極の面と前記第２の電極の面との間に流体を収容可能な空洞と、
   前記空洞に対して流体が流出入するのを可能にする、前記第２の電極を貫通するアクセス孔と、
   前記第２の電極上に配設され、前記アクセス孔において露出表面を有する優先的に官能化可能な誘電材料の層と、
   前記優先的に官能化可能な誘電材料の層上に配設された優先的に官能化可能ではない誘電材料の層と、
   を備え、
   前記優先的に官能化可能な誘電材料の層の露出表面が、表面付着シランまたは含硫分子を含む、装置。
2. 前記第１の電極の面が、前記第２の電極の面から１０〜２００ｎｍの距離だけ離された、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１または第２の電極が導電性ダイヤモンドで構成された、請求項１に記載の装置。
4. 前記第１および第２の電極がともに導電性ダイヤモンドで構成された、請求項１に記載の装置。
5. 前記第１の電極がナノ結晶導電性ダイヤモンドで構成された、請求項１に記載の装置。
6. 前記第１および第２の電極が、導電性ダイヤモンド、金、および白金から成る群から選択される材料で構成された、請求項１に記載の装置。
7. 前記基板が集積回路チップであり、前記第１の電極および前記第２の電極が、前記導電線を介して当該集積回路チップ内の電子機器に独立して電気的に結合された、請求項１に記載の装置。

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