JP6274455B2 - 分子を操作するための方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、ナノ細孔／ナノトレンチ・デバイス、より詳細にはナノ細孔／ナノトレンチ・デバイスにおける分子の制御に関する。

ナノ細孔配列決定は、ヌクレオチドがデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）鎖上に生じる順番を決めるための方法である。ナノ細孔（細孔、ナノチャネル、孔などとも呼ばれる）は、内径が数ナノメートルのオーダの小さな孔であることがある。ナノ細孔配列決定の背後にある理論は、ナノ細孔が導電性流体に沈められ、電位（電圧）がナノ細孔に印加されるときに、何が起こるかに関する。これらの条件の下で、ナノ細孔を通るイオンの伝導によるわずかな電流を測定することができ、電流の量がナノ細孔のサイズおよび形状にきわめて敏感に反応する。ＤＮＡの一塩基または鎖がナノ細孔を通過する（または、ＤＮＡ分子の一部が通過する）場合に、これによってナノ細孔を通る電流の大きさに変化を生じさせることができる。また、他の電気的または光学的センサをナノ細孔のまわりに配置することができ、それによってＤＮＡがナノ細孔を通過する間にＤＮＡ塩基を識別することができる。

ＤＮＡが最終的にナノ細孔を通過することができるように、ＤＮＡを様々な方法を使用することによって、ナノ細孔を通り抜けさせることができる。ナノ細孔のスケールは、針の目を通る糸のように、ＤＮＡを一度に一塩基ずつ長い紐としてこの孔を通過させることができる効果を有することができる。最近、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、リボ核酸（ＲＮＡ）、タンパク質などの生体分子を迅速分析するためのセンサとしてナノ細孔を応用することに、ますます関心が高まっている。この技術は、配列決定のコストを＄１０００／ヒトゲノム未満に低下させる見込みがあるため、ＤＮＡ塩基配列決定のためのナノ細孔の応用に特に重点が置かれている。

固体バイオセンシング技法、例えば、人工的なナノ細孔およびチャネルは、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質などを含む多くのタイプの分子を検知するためのフルイディクスに一体化された。現状の手法は、低コストで高精度の分子の検出、例えばＤＮＡ塩基配列決定において非常に有望であるが、まだいくつかの特定の要素が欠落している。すなわち、
（１）分子の正確な局所化および検知のための、数ナノメートルまでの限界寸法を有するよく制御された形状、
（２）分子の位置および速度を正確に制御するための効果的な分子のトラッピング機構、
（３）分子の正確なトンネリング認識のための一体化されたセンサ、
（４）分子のトラッピングと検知との間の独立制御および高速切替え、
（５）長い保管寿命および動作寿命を可能にする堅牢な構造設計、
（６）大規模生産のための平坦なＶＬＳＩ（超大規模集積）技法との完全な両立性である。
上記の要素を一体化する固体バイオセンサの設計は、有益である。

実施形態によると、分子を操作するための方法が提供される。本方法は、分子を導電性流体で満たされたナノチャネル内に導入するステップと、ナノチャネル内部に第１の垂直電界を生成して、分子の速度を遅くする、または分子を動けなくする、あるいはその両方を行うステップとを含む。また、本方法は、第１の垂直電界および水平電界によって分子を折りたたまれていない線状鎖に引き伸ばすステップと、分子の単量体を連続的に読み取るステップとを含む。

実施形態によると、分子を操作するためのシステムが提供される。本システムは、分子が導入される、導電性流体で満たされたナノチャネルを含む。第１の対のトラッピング電極がナノチャネルに対して配置され、この第１の対のトラッピング電極がナノチャネル内部に第１の垂直電界を生成し、分子の速度を遅くする、または分子を動けなくする、あるいはその両方を行うように構成される。第１の対のトラッピング電極は、第１の垂直電界および水平電界によって分子を折りたたまれていない線状鎖に引き伸ばすように構成される。１対の検知電極がナノチャネルに対して配置され、この１対の検知電極が分子の単量体を連続的に読み取るように構成される。

さらなる特徴および利点は、本発明の技法を通して理解される。本発明の他の実施形態および態様は、本明細書で詳細に説明され、特許請求される本発明の一部と考えられる。利点および特徴を有する本発明をよりよく理解するために、説明および図面を参照されたい。

本発明と見なされる主題は、本明細書の添付の特許請求の範囲において詳細に指摘され、明確に特許請求される。本発明の前述のおよび他の特徴ならびに利点は、添付図面とともに考慮される以下の詳細な説明から明らかである。

実施形態による金属絶縁体チャネル電界効果トランジスタ（ＭＩＣ−ＦＥＴ）デバイスの断面図である。 実施形態による金属絶縁体チャネル電界効果トランジスタ（ＭＩＣ−ＦＥＴ）デバイスの三次元図である。 実施形態による金属絶縁体チャネル電界効果トランジスタ（ＭＩＣ−ＦＥＴ）デバイスの垂直バイオポリマー・トラッピング機構の断面図である。 実施形態による包み込み底部トラッピング電極に対する上部トラッピング電極と底部トラッピング電極間の断面図である。 実施形態による平らな底部トラッピング電極に対する上部トラッピング電極と底部トラッピング電極間の断面図である。 実施形態による金属絶縁体チャネル電界効果トランジスタ（ＭＩＣ−ＦＥＴ）デバイスの断面図であり、トラップされたバイオポリマー分子に対するトンネリング検知を示す。 実施形態による金属絶縁体チャネル電界効果トランジスタ（ＭＩＣ−ＦＥＴ）デバイスの断面図であり、トンネリング接合電極がこの電極の２つの電気的に絶縁された部分間にナノギャップを有することを示す。 実施形態によるトンネリング接合電極のナノギャップを形成するための２つの技法を示す図である。 図９〜１１は、実施形態による分子を制御するための、および電気的なトンネリング配列決定のための金属絶縁体チャネル電界効果トランジスタ（ＭＩＣ−ＦＥＴ）デバイスのプロセスを示す図である。 １つのトラップを利用して分子をトラップし、真っすぐにするための断面図である。 ２つのトラップでトラップし、続いて分子を真っすぐにし、塩基ごとに分子の配列決定をするための断面図である。 次の分子の配列決定をするために分子を外に移動させる図である。 図１２〜１６は、実施形態による金属絶縁体チャネル電界効果トランジスタ（ＭＩＣ−ＦＥＴ）デバイスに対する作製プロセスを示す図である。 基板にナノトレンチを作製する上面図である。 ナノチャネルを形成するために共形の誘電体堆積によってトレンチ・サイズを低減させることを示す上面図である。 ナノチャネル上の金属Ｍ１、Ｍ２、およびＭ３の堆積を示す上面図である。 上部ゲート誘電体材料によるナノチャネルの密閉を示す上面図である。 上部ゲートＭ４の堆積を示す上面図である。 実施形態による金属絶縁体チャネル電界効果トランジスタ（ＭＩＣ−ＦＥＴ）デバイスにおいてナノチャネルの分子を操作するおよび検知するための方法である。 実施形態に含まれてもよい、または実施形態と組み合わされてもよい、あるいはその両方であってもよい能力を有するコンピュータ（コンピュータ装置）の例を示すブロック図である。

実施形態は、静電力を使用して帯電したバイオポリマーをナノ流体チャネル内に導入することと、ナノチャネル内部で垂直に静電界を生成しバイオポリマーを減速させる、または動けなくする、あるいはその両方を行うことと、バイオポリマーを折りたたまれていない線状鎖に引き伸ばすことと、バイオポリマーを金属のナノギャップに移動させることと、バイオポリマーの単量体の特徴を連続的に読み取ることとを含む、帯電したバイオポリマーを検知するためのシステムを提供する。

バイオポリマー、特に核酸（ＤＮＡ、ＲＮＡ）の正確で安価な検知は、多くの科学的およびバイオ医学用途の理解にとって重要である。バイオポリマーの電気的配列決定を行うための高スループットのおよび堅牢なデバイスは、有益である。

生物学的なナノ細孔は、分子が脂質二重層の１〜２ｎｍ（ナノメートル）の膜貫通性のチャネルを通り抜けて移動するときのイオン電流レベルをモニタリングすることによってポリヌクレオチドを検出するために利用されてきた。急速な進歩にもかかわらず、生物学的なナノ細孔は、限られた動作条件（温度、電圧、および化学的環境）、短いデバイス寿命、ナノ細孔の遅い生産速度などのいくつかの問題に悩まされることがある。

固体バイオセンシング技法、例えば、人工的なナノ細孔およびチャネルは、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質などを含む多くのタイプの分子を検知するためのフルイディクスに一体化された。現状の手法は、低コストで高精度の分子の検出、例えばＤＮＡ塩基配列決定において非常に有望であるが、まだいくつかの特定の要素が欠落している。すなわち、
（１）分子の正確な局所化および検知のための、数ナノメートルまでの限界寸法を有するよく制御された形状、
（２）分子の位置および速度を正確に制御するための効果的な分子のトラッピング機構、
（３）分子の正確なトンネリング認識のための一体化されたセンサ、
（４）分子のトラッピングと検知との間の独立制御および高速切替え、
（５）長い保管寿命および動作寿命を可能にする堅牢な構造設計、
（６）大規模生産のための平坦なＶＬＳＩ（超大規模集積）技法との完全な両立性である。
上記の要素を一体化する固体バイオセンサの設計は、有益である。

実施形態は、生体分子検出のための固体の平坦なナノチャネル／ナノトレンチ構造に基づく技法およびシステムを提供する。本システムは、バイオポリマー・トラッピング、直線化、およびトンネリング検知をナノスケール流体システム全体に一体化し、構造的な幾何学形状の設計、材料（電極および誘電体）の選択、さらに将来のオンチップ回路との両立性においても大きな柔軟性が維持される。本システムは、バイオポリマーの動作制御および検知の両方に対して流体ナノチャネルを電極と一体化する。従来のイオン電流およびより正確な横断トンネル電流の両方を使用する検知方法が利用可能である。本システムの作製は、完全に現状のＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）技術に基づくことができ、大規模で高スループット生産の実現が可能である。

ここで、「ナノトレンチ」および「ナノチャネル」は両方とも、その深さおよび幅が十分にナノスケール（例えば、数ナノメートルから１００ナノメートル）の範囲内にあるが、その長さがはるかに大きい（例えば、数１０ナノメートルから数マイクロメートルの）一次元の大きさを指す。明瞭にするため、「ナノトレンチ」は、上部が大気に開口する構造を指すが、「ナノチャネル」は、上部が密封された構造を指す。バイオポリマーの電気的な検知の用途において、密封されたナノチャネルによって、より多くの機能要素（例えば、本明細書で論じるような上部電極）との一体化が可能となり、さらにバイオポリマーのより信頼性のあるより正確な制御が行われるため、密閉されたナノチャネルは、より優れたプラットホームと考えられる。

さらに、本システムは、高分子（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡおよびタンパク質）の直線化を行い、個々の単量体を、トンネリング検知電極を担持するナノ閉じ込め空間内に制御された速度で連続的に流し込む。単量体は、他の分子に化学的に結合してポリマーを形成することができる分子である。ナノ閉じ込めナノチャネルは、小さな径（例えば、１００ナノメートル未満、とりわけ２０ナノメートル未満）を有し、長いポリマーセグメントを均一に流すための、および高スループットで読み取るための十分な長さを有する。ナノチャネルには、ターゲット・ポリマーを特定位置に固定するための、またはここでは「トラッピング」と呼ばれる垂直の電極対が備わっている。また、ナノチャネルは、ポリマーの形状、速度、および位置を制御するための（例えば、ナノチャネル方向に沿った）一連の横方向電極と一体化される。トンネリング・センサは、間にナノギャップ（例えば、５ナノメートル未満、とりわけ１〜３ｎｍ）を有するナノチャネル内に埋め込まれたスプリット電極接合である。

１つの特徴として、ポリマーは、ナノギャップ・センサと接触する前に垂直のトラッピング電極によって不動化される。垂直のトラッピング電極は、ナノチャネルの入口および出口の両方に２組の底部電極、さらに底部電極と対になって位置合わせされた２組の上部電極を含む。対になった上部および底部電極は、流体チャネルを囲む誘電体層によって分離される。

帯電したポリマーがナノチャネル内に入ることによって、連続的なイオン電流の変化が生じ、これが引き金となって底部および上部電極に電位が印加され、こうして、電極間にはさまれたナノチャネル内に垂直電界が確立される。

例えば、電極とナノチャネル間の誘電体層厚を低減させることによって、および高ｋ誘電体材料を使用することによって、電界強度、したがって、ナノチャネル内のＤＮＡに及ぼす力を最大化することができる。十分に大きな垂直静電力によって、ポリマーは、ナノチャネルの上部の天井部または底部の床部に押しやられ、こうしてチャネル側壁から大きな摩擦力を受ける。２つのマイクロサイズの入口／出口における外部電極、または隣接する水平の電極対、あるいはその両方が及ぼす電気泳動力が摩擦力よりもはるかに小さいならば、摩擦力は、ナノチャネル内のポリマーの移動速度を非常に遅くすることができ、一時的にポリマーをナノチャネル内部にトラップすることさえできる。

１つの特徴として、帯電したポリマーは、横方向トラッピング電極によってトラップされ、次いで直線化される。帯電したポリマーに印加される垂直トラップ電界によって、小さなＤＣまたはＡＣ電圧がトラッピング電極と入口／出口間に印加される。各力は、ナノチャネル内のトラップされていないポリマーが入口または出口を通って押し出されるように設計される。また、静電力は、トラップされたポリマーの両側を引っ張り、実質的にポリマーを直線化する。

１つの特徴として、単量体、例えば、ＤＮＡおよびＲＮＡに対する塩基の順次読み取りは、直線化されたポリマーをマイクロスケールの入口／出口を通過させ、ナノギャップ電極センサを担持するナノチャネル内に通すことによって達成される。単量体は、水平電界によって静電的に押し動かされ、ナノギャップ・センサを直線状に通過することを余儀なくされ、その結果トンネル電流が、単量体がブリッジとして働くスプリット検知電極を通って流れる。

特徴として、スプリット検知電極は、テストされる異なる単量体に選択的に結合することができる化学的なリンカによって機能化される。単量体が検知電極間のナノギャップを通って流れると、単量体は、異なる強度で、異なる持続時間、リンカと結合し、したがって異なる大きさおよび持続時間を有する検知電流が生じる。次いで、単量体は、記録された電流レベルおよび増進／遮断持続時間により識別されうる。

単量体は、修飾、例えば、異なる重金属原子で標識付けされてもよい。この場合、スプリット接合電極上のトンネル電流は、標識付けされた重金属原子と電極との相互作用に大いに依存する。

また、上部電極は、追加の誘電体層によって閉じ込められ、バイア・ホールが穴開けされ、電極がすべてプロービングのために外部に接続される。そうした構成は、相互接続の長さを大幅に短縮し、したがって、寄生容量を低減させることができ、それに応じてノイズを著しく低減させる。また、そうした構成は、機能性ナノチャネル・ユニットそれぞれの占有面積を最小化し、したがって各チップ上のセンサの実装密度を最大化することができる。

ここで図に目を向けると、図１は、実施形態によるデバイス１００の断面図であり、図２は、デバイス１００の三次元図である。デバイス１００は、金属絶縁体チャネル電界効果トランジスタ（ＭＩＣ−ＦＥＴ）の概略図である。図１および２は、全体に図１と呼ばれることがある。

デバイス１００は、誘電体層１３を有する基板１１上に構築された流体ナノチャネル３１、ならびにナノチャネル３１を囲む誘電体被覆材料１８および１９（例えば、上部誘電体被覆材料および底部誘電体被覆材料）を含む。誘電体層１９は、ナノチャネルの密閉用である。また、デバイス１００は、ナノチャネル３１と交差する（Ｍ１と名付けられた）底部トラッピング電極１５、および（Ｍ３と名付けられた）底部トラッピング電極１７を含む。（Ｍ４ａと名付けられた）上部トラッピング電極２０は、底部トラッピング電極１５（Ｍ１）に位置合わせされ、（Ｍ４ｂと名付けられた）上部トラッピング電極２１は、底部トラッピング電極１７（Ｍ３）に位置合わせされる。上部トラッピング電極２０および２１は、（同一であってもよい）誘電体層１８および１９、ならびにナノチャネル３１によって、底部トラッピング電極１５および１７から分離される。（Ｍ２と名付けられた）トンネリング電極１６は、（最も狭い位置１０５において）ナノチャネル３１ならびに付属のマイクロチャネル入口および出口（図示せず）に位置合わせされる。トンネリング電極１６は、検知電極、トンネリング接合電極、および（ナノギャップが電極間に形成されるため）スプリット電極と呼ばれることがある。ナノチャネル３１は、導電性流体（導電性電解質など）で満たされる。導電性流体は、例えば、ＫＣｌ、トリスＣｌ、ＴＥバッファなどを含むことができる。

デバイス１００は、目標位置で分子をトラップし、それらの形状を操作し、正確にそれらを検出することを含む、分子の精密な制御のために（バイオポリマー分子を含有する）導電性液体をマイクロ／ナノ閉じ込めに流し込むように設計される。バイオポリマー分子は、ポリ核酸、例えばＤＮＡ、ＲＮＡを含む任意の線状分子であってもよい。バイオポリマー分子１５０は、図２のナノチャネル３１内に示されている。バイオポリマー分子１５０は、左側トンネリング電極Ｍ２ａと右側トンネリング電極Ｍ２ｂの中間を通過する分子１５０の各塩基を連続的に検知するため（電圧源によって電圧を印加し、電流計によって電流を測定することによって、両方ともコンピュータ７００によって実施されてもよい）、左側トンネリング電極Ｍ２ａおよび右側トンネリング電極Ｍ２ｂを有するトンネリング電極１６間に形成されたナノギャップ１４０内に配置されるように制御される。

導電性流体／液体は、容器１１０からデバイス１００の一方の側に（例えば、マイクロチャネル入口に）施され、ナノチャネル３１を通ってもう一方の側に流れ、（最後には、マイクロチャネル出口から流れ出て）容器１１５に流入するように押し動かされうる。両方の容器１１０および１１５は、導電性流体で満たされる。ナノチャネル３１に接続するマイクロチャネルの入口および出口は、バイオポリマー容器、さらにはそれぞれの容器１１０および１１５の外部バイアス電極１２０および１２５と接触するインターフェースの両方として使用される。バイオポリマー分子１５０は、導電性液体中で帯電し、したがって（バイアス電極１２０および１２５に接続された（コンピュータ７００によって実施されてもよい）電圧源の電圧によって生成される電界の）電気泳動力によって押し動かされ、ナノチャネル３１領域に流入することができ、そこで分子１５０の操作および検知が行われる。

デバイス１００において、高ｋ誘電体材料（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３（ε_ｒ＝９）、ＨｆＯ_２（ε_ｒ＝２５）、ＴｉＯ_２（ε_ｒ＝８０）など、ここでｋは材料の比誘電率、εは誘電率である）を誘電体層１８および１９に対する絶縁材料として使用して、ナノチャネル３１を囲み、底部トラッピング電極１５および１７を上部トラッピング電極２０および２１から分離する。図２でさらに論じるように、バイオポリマー分子１５０は、一旦ナノチャネル３１内へ入ると（ナノチャネル３１を通って流れるイオン電流レベルの変化に基づいてコンピュータ７００によって）検出され、次いで、上部および底部トラッピング電極２０および１５（Ｍ４ａ／Ｍ１）、または上部および底部トラッピング電極２１および１７（Ｍ４ｂ／Ｍ３）、あるいはその両方に印加される垂直電界を使用してトラップされうる。

図３、４、および５は、実施形態による金属絶縁体チャネル電界効果トランジスタ（ＭＩＣ−ＦＥＴ）デバイス１００の垂直バイオポリマー・トラッピング機構を示す。図３は、Ｘ−Ｚ面に沿ったデバイス１００の断面図である（Ｙはページの方向である）。図４は、Ｙ−Ｚ面に沿ったＭ１またはＭ３電極を横切る断面図であり、包み込み底部トラッピング電極Ｍ１／Ｍ３に対する上部および底部トラッピング電極間のバイオポリマー分子１５０の幾何学形状を示す。図５は、Ｙ−Ｚ面に沿ったＭ１またはＭ３電極を横切る断面図であり、平らな底部トラッピング電極Ｍ１／Ｍ３に対する上部および底部トラッピング電極間のバイオポリマー分子１５０の幾何学形状を示す。

電圧が上部トラッピング電極２０／２１および底部トラッピング電極１５／１７に印加されると、（トラッピング電極への印加電圧の極性に応じて上向きまたは下向き矢印で示される）垂直電界２０５が、バイオポリマー分子１５０を上部誘電体層１９または底部誘電体層１８のいずれかにトラップする（押し付ける）ことができる上部トラッピング電極Ｍ４と底部トラッピング電極Ｍ１／Ｍ３との間に生成される。正電圧が上部トラッピング電極Ｍ４ａ／Ｍ４ｂに印加され、負電圧が底部トラッピング電極Ｍ１／Ｍ３に印加される場合、バイオポリマー分子１５０は、底部誘電体層１８に押し付けられる。反対に、負電圧が上部トラッピング電極Ｍ４ａ／Ｍ４ｂに印加され、正電圧が底部トラッピング電極Ｍ１／Ｍ３に印加される場合、バイオポリマー分子１５０は、上部誘電体層１９に押し付けられる。

例えば、バイオポリマー分子１５０は、大きな静電力を受け、上向きにまたは下向きにナノチャネル壁（例えば、誘電体層１８および１９）に（上向きまたは下向きの垂直電界２０５によって）押しやられ、その結果ナノチャネル壁に対する強い摩擦力を受け、それに応じてバイオポリマー分子１５０の速度を遅くする。電圧が上部および底部トラッピング電極２０および１５、または上部および底部トラッピング電極２１および１７、あるいはその両方に印加される場合、摩擦力が電気泳動力に打ち勝つことができるという事実を考えると、バイオポリマー分子１５０の速度をゼロにまで低減させることができる。この場合、バイオポリマー分子１５０は、ナノチャネル３１のオーバラップ電極領域内部にトラップされる。平坦な構成を使用して、バイオポリマー分子１５０を蛍光染料で染色することができ、トラッピングの挙動を顕微鏡下で、実時間で観察することができる。

図４は、包み込み底部電極Ｍ１またはＭ３あるいはその両方に対して、（誘電体層１９およびナノチャネル３１を通る）垂直電界２０５線がバイオポリマー分子１５０をナノチャネル３１の上部または底部に押し付けていることを示す。

図５は、平らな底部電極Ｍ１またはＭ３あるいはその両方に対して、（誘電体層１９、誘電体層５１、ナノチャネル３１、および誘電体層１３を通る）垂直電界２０５線がバイオポリマー分子１５０をナノチャネル３１の上部または底部に押し付けていることを示す。平らな底部電極を形成するために、図５は、底部トラッピング電極１５および１７を基板１１上に直接堆積させ、誘電体層１３を基板１１ならびに底部トラッピング電極１５および１７の両方に堆積させる例を示す。誘電体層４１を堆積させ、次いでエッチングしてチャネルを形成し、誘電体層５１を堆積させる。

図６は、トラップされたバイオポリマー分子１５０に対するＤＮＡトンネリング検知を示すデバイス１００の断面図である。Ｍ４ａおよびＭ１電極が分子１５０をトラップすると、電圧バイアスＶｂがバイアス電極１２０および１２５に印加され、分子１５０をＭ４ｂおよびＭ３電極に向かってＸ方向に押し動かす。（バイアス電極１２０に印加された０．５ボルトおよびバイアス電極１２５に印加された−０．５ボルトを表わす）電圧バイアスＶｂによって生成された水平電界は、Ｍ４ａとＭ１間の垂直電界２０５が分子１５０の一方の端部を保持しているときに、コイル状のバイオポリマー分子１５０を引き伸ばす（すなわち、直線化する、またはほどく）。分子１５０の自由端部は、電極Ｍ２ａおよびＭ２ｂを通過してトラッピング電極Ｍ４ｂとＭ３間の領域に達する。分子１５０が真っすぐに伸ばされると、（トラッピング電極Ｍ４ａおよびＭ１が左端部を保持し続けながら）電圧をトラッピング電極Ｍ４ｂおよびＭ３に印加してバイオポリマー分子１５０の自由端部をトラップすることができ、それによって両端部（左右）がトラップされる（適所に保持される）。ここで、検知電極Ｍ２ａおよびＭ２ｂによって分子１５０を検知することができる。

言いかえれば、トラップされた分子１５０に作用する反対方向の力が分子１５０をほぐし、真っすぐにする。（分子１５０をトラップするための）垂直電界および（ナノチャネル３１を通って分子１５０を水平に移動させるための）水平電界の両方を利用するデバイス１００によって、異なる（垂直および水平の）力の独立した制御が大きさおよび方向の両方において行われ、目標とするバイオポリマー分子１５０の位置および形状を制御する際の柔軟性が提供される。例えば、（分子１５０を、ナノチャネル３１を通って移動させるように）電圧バイアスＶｂがバイアス電極１２０および１２５にまだ印加されている場合でさえ、トラッピング電極Ｍ４ａおよびＭ１に印加される電圧を増加させて、分子１５０がナノチャネル３１を通って移動しないようにすることができる。

一旦、分子１５０がトラッピング電極Ｍ４ａおよびＭ１、またはトラッピング電極Ｍ４ｂおよびＭ３、あるいはその両方の垂直電界によってトラップされると、当業者には理解されるように、（ナノセンサとして動作する）検知電極Ｍ２ａおよびＭ２ｂに電圧を印加することによって、ナノチャネル３１内で真っすぐにされたバイオポリマー分子１５０を測定することができる。

分子の検知に対して、図７は、トンネリング接合電極１６（Ｍ２ａおよびＭ２ｂ）が、この電極の電気的に分離された２つの部分（Ｍ２ａとＭ２ｂ）間のナノチャネル３１に位置合わせされたナノギャップ１４０（Ｇ）を有することを示すデバイス１００の断面図である。ナノギャップ１４０（Ｇ）は、（分子１５０上の）塩基、ヌクレオチドまたは単量体がナノギャップ１４０を通過するときの有意なトンネル電流の検出を確実に行うため、（例えば、５ナノメートル未満、とりわけ約２ナノメートルの）分子寸法を有する。これは、トンネリング検出が量子力学プロセスであり、ナノギャップ・サイズが増加するとともに、電流が指数関数的に低下するためである。デバイス１００は、ナノギャップ１４０を精密に位置合わせし、そのサイズを５ナノメートル未満にまで制御し、このようにして信頼性のあるトンネリング検出を可能にする。ある場合には、ナノギャップ１４０は、５〜１０ナノメートルであってもよい。感度のよい電流計を使用して、場合によっては前置増幅器と組み合わせて検出を行うことができる。

一連の塩基または単量体事象を実際に収集する、イオン電流を使用する検出と比較して、トンネル電流は、個々の塩基または単量体の通過の事象を反映するためはるかに感度がよい。より正確に検出するため、トンネリング電極Ｍ２ａおよびＭ２ｂは、被膜３１５によって化学的に機能化されてもよく、それによって、標的バイオポリマー分子１５０の個々の塩基、ヌクレオチドまたは単量体（例えば、ＤＮＡまたはＲＮＡの分子に対する塩基）のトンネリング信号が塩基および単量体の異なる独特の特徴を反映する。例えば、被膜３１５は、特定の塩基および単量体の識別および検出を強化するために標的分子１５０の塩基および単量体に特に付着するように設計された自己組織化された検知化学物質である。一実施形態において、同一チップ上に作成された複数のナノチャネル３１があってもよく、異なるナノチャネル３１が異なる分子（すなわち、異なる被膜３１５）で機能化されたナノセンサ（すなわち、電極Ｍ２ａおよびＭ２ｂ）を有することができる。この場合、同じバイオポリマー分子１５０が何回も異なるナノチャネル３１を同時に通り抜けることができ、こうして、大量のデータを速やかに収集することができ、これによって高速で正確な識別を行うためのバイオポリマー分子１５０に関する統計的な研究が可能となる。

感度をより高くするため、異なる塩基および単量体に、例えば、重金属原子によって選択的に標識付けすることができ、それによって、指紋トンネリング信号が互いによりよいコントラストを有するようになる。

図８は、図７の断面図に示す２つの検知電極１６間のナノギャップ１４０を形成するための２つの技法を示す。図８において、図３５０は、シャドー（角度）蒸着によって２つの検知電極１６（Ｍ２ａおよびＭ２ｂ）を作ることができることを示す。図３５５は、スパッタリングによって単一の検知電極１６を作ることができることを示し、次に、図３６０は、印加電圧（ｖ）によるエレクトロマイグレーションを使用して単一の電極１６を２つの部分（Ｍ２ａおよびＭ２ｂ）に分離し、間にナノギャップ１４０を形成することを示す。

図９、１０、および１１は、電気的なトンネリング配列決定のためのＭＩＣ−ＦＥＴデバイス１００のプロセスを示す。デバイス１００によるプロセスは、全体に図９と呼ばれることがある図９、１０、および１１を通して続いているとして示される。

分子１５０（例えば、ＤＮＡ）は、ブロック４０５で電極１２０および１２５に印加された電圧バイアスＶｂ（０．５ボルト）によって押し動かされｘ方向（左から右）に流れる。

ブロック４１０で、ｚ方向の垂直のトラッピング電位／電圧が（例えば、イオン電流が引き金となって）電極Ｍ１およびＭ４ａに印加され、（ＤＮＡ分子１５０を上または下に押しやり、ナノチャネル３１壁に対する摩擦を引き起こすことによって）ＤＮＡ分子１５０を停止させる。

ブロック４１５で、ｘ方向（水平）電界は、（電圧バイアスによって）ｘ方向電界中でナノチャネル３１内のＤＮＡ分子１５０を伸長し／引き伸ばし、一方電極Ｍ４ａおよびＭ１は、強い垂直のトラッピング電界（したがって大きな摩擦力）によって分子１５０の左側端部を保持する。

ブロック４２０は、デバイス１００がＤＮＡ分子１５０をＭ３／Ｍ４ｂ領域内へ伸長し続けていること、ならびに（電極Ｍ３およびＭ４ｂに印加される電圧によって）トラッピング電極Ｍ３およびＭ４ｂが活性化され、垂直のトラッピング電界を生成していること、分子１５０を引き伸ばすために、デバイス１００が、電極Ｍ３およびＭ４ｂに印加される電圧をパルス化し、電圧バイアスＶｂを印加し続け、電極Ｍ１およびＭ４ａに電圧を印加することによってＭ１およびＭ４ａのトラッピングを保持していることを示す。

ブロック４２５は、電極Ｍ１およびＭ４ａ（トラップ）、ならびに電極Ｍ３およびＭ４ｂ（トラップ）のトラッピングを保持することと、電圧バイアスＶｂを除去することと、電極Ｍ２ａおよびＭ２ｂに電圧を印加することによってナノギャップ１４０中でＤＮＡ塩基またはセグメントｍを読み取ることとを示す。

ブロック４３０は、（電圧バイアスＶｂを印加しながら、ならびにトラッピング電極Ｍ３およびＭ４ｂに電圧を印加しながら、一電圧パルスの間トラッピング電極Ｍ１およびＭ４ａを解放することによって）一セグメントまたは一塩基あるいはその両方だけ分子１５０を前進させることと、（なおも電圧Ｖｂを印加し、電極Ｍ１およびＭ４ａ（トラップ）に電圧を印加しながら、電極Ｍ３およびＭ４ｂ（トラップ）の電圧をパルス化することによって）分子１５０を引き伸ばすことと、分子１５０のＤＮＡセグメントｍ＋１を読み取ることとを示す。ブロック４３０が繰り返され、分子１５０の塩基（例えば、セグメントｍ＋１．．．．．．最後のセグメントまで）のすべての配列決定を終える。

ブロック４３５は、配列決定されたＤＮＡがｘ方向の電圧バイアスＶｂの力によって遠ざけられ、第２のＤＮＡ分子１５０がナノチャネル３１内へと移され、上で論じたように（ブロック４０５からスタートして）配列決定されようとしていることを示す。

下記は、デバイス１００のための作製プロセスの一例である。デバイス１００の例示的な作製プロセスを、図１２、１３、１４、１５、および１６に示す。図１２は、基板１１にナノトレンチを作製する上面図である。（最終的にナノチャネル３１になる）リセスされたチャネル１２が基板内に示されている。トレンチの横方向の寸法Ｗは、長さに沿って、および大きな範囲（例えば、数ナノメートルから数ミクロン以上）で連続的に変化させることができる。トレンチの深さは、ナノメートル・スケールからミクロン・スケール以上で設計されてもよい。狭いトレンチに対するパラメータの一例は、以下であってもよい。すなわち、２５ｎｍ（幅Ｇ_０）＊５０ｎｍ（長さ）＊２５ｎｍ（深さ）である。広いトレンチに対するパラメータの一例は、以下であってもよい。すなわち、５０ｎｍ（幅）＊５０ｎｍ（長さ）＊２５ｎｍ（深さ）である。

図１３は、共形の誘電体堆積によってナノトレンチ・サイズを低減させることを示す上面図である。誘電体被膜を基板１１上に堆積させて誘電体層１３を形成する。ここで、リセスされたチャネル１２は、チャネル１２内部に誘電体層１３を有し、チャネル１２の寸法をナノチャネル３１にまで低減させる。誘電体層１３に対する誘電体被膜材料は、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、ＴｉＯ_２などを含むことができる。また、誘電体被膜材料は、化学的な機能性を提供する。被膜方法は、ドライまたはウェット条件であってもよい。具体的には、共形の堆積方法（例えば、ＡＬＤ、ＬＰＣＶＤなど）が使用されてもよい。

誘電体被膜材料は、横方向寸法Ｇ_０をＧ_１＝Ｇ_０−２ｔ_Ｄｉｅに低減させ、ここでＧ_１はチャネル１４の最も狭い部分の新しい幅であり、ｔ_ＤＩＥは誘電体の厚さである。誘電体材料の共形被膜を、チャネル側壁上を含むすべてに堆積させ、したがってチャネル幅を低減させていることに留意されたい。パラメータの一例は、下記であってもよい。すなわち、狭いトレンチ幅（もとは約２５ｎｍ）を約１５ｎｍに低減させるために施される堆積厚さが約５ｎｍである。

図１４は、ナノチャネル３１上の金属Ｍ１、Ｍ２、およびＭ３の堆積を示す上面図である。金属は、電極１５、１６、および１７を形成するための導電性材料である。

金属Ｍ１、Ｍ２、およびＭ３の幾何学形状（例えば、形状、長さ、幅、厚さ）は、異なってもよい。金属Ｍ１、Ｍ２、およびＭ３の材料は、異なる機能のために互いに異なってもよい。金属Ｍ１、Ｍ２、およびＭ３の材料を個々に堆積させることができ、表面は、化学的にまたは他の手段によって修飾される。金属Ｍ１およびＭ３は、ＤＮＡ分子１５０を引き伸ばし、段階的に動かすための一群の横方向電極であってもよい。

金属に対するパラメータの一例は、下記であってもよい。すなわち、金属の厚さが約５ｎｍ、Ｍ２の幅が５ｎｍ（目標）、Ｍ１およびＭ３の幅が約４０ｎｍである。狭いトレンチについては、Ｍ２での幅Ｇを約５ｎｍにまでさらに低減させる。隣接電極の（例えば、Ｍ１とＭ２とＭ３との間の）間隔は、約５０ｎｍである。

図１５は、上部ゲート誘電体材料１９によるナノチャネル３１の密閉を示す上面図である。誘電体層１９に対する絶縁材料は、ナノチャネル３１の密閉のために使用される。また、この材料は、ＤＮＡをトラップする電界制御を行う。

ブロック５０５は、誘電体層１９下に密閉された（金属Ｍ３に当てはまる）金属Ｍ１の断面図を示し、ブロック５１０は、誘電体層１９下に密閉された金属Ｍ２ａおよびＭ２ｂの断面図を示す。

図１６は、上部ゲートＭ４の堆積を示す上面図である。金属Ｍ４ａおよびＭ４ｂは、分子の操作に使用される上部ゲート材料である。Ｍ４は、Ｍ１、Ｍ２、およびＭ３に対する材料と同じであっても、または異なってもよい。Ｍ４は、垂直トラッピング電極２０および２１として、Ｍ１およびＭ３とのオーバラップ領域それぞれにおいて帯電した分子１５０の垂直電気制御を行う。Ｍ４は、幾何学形状がつながっている線または分離した線として設計されうる。

また、図１６は、当業者には理解されるように容器１１０および１１５に動作可能に接続された、マイクロ入口（左）およびマイクロ出口（右）などのマイクロチャネルを示す。

図１７は、デバイス１００のナノチャネル３１中で分子１５０を操作および検知する方法６００である。（以下で論じる図１８とともに）図１〜１６を参照することができる。

ブロック６０５で、バイアス電極１２０および１２５の電圧バイアスは、分子１５０を（容器１１０から）導電性流体で満たされたナノチャネル３１内へと押し動かす（導入する）。

ブロック６１０で、トラッピング電極１５および２０は、ナノチャネル３１内部に第１の垂直電界（例えば、垂直電界２０５）を生成し、ナノチャネル３１中で分子の速度を少なくとも遅くし、分子１５０を動けなくする。

ブロック６１５で、分子１５０は、トラッピング電極１５および２０の第１の垂直電界、ならびに電極１２０および１２５の水平電界によって折りたたまれていない線状鎖に引き伸ばされる。ブロック６２０で、検知電極１６は、分子１５０の単量体を（電圧源および電流計への接続を介して）連続的に読み取る。

分子１５０が読み取りのために検知される（検知電極Ｍ２ａとＭ２ｂ間の）ナノギャップ１４０と接触する前に、（トラッピング電極Ｍ１およびＭ４ａによる）第１の垂直電界２０５が分子１５０を動けなくする方法。第１の垂直電界が分子１５０の第１の端部を保持し、一方、第２の端部が自由である方法（例えば、ブロック４１０および４１５）。分子の第１の端部がトラッピング電極Ｍ１およびＭ４ａによって保持されているときに、分子１５０の第２の端部が引き伸ばされる方法（例えば、ブロック４１５）。第１の端部を垂直電界によって保持しながら、分子１５０が真っすぐになるまで（電極１２０および１２５による）水平電界によって分子１５０が引き伸ばされる方法（例えば、ブロック４１５）。単量体を読み取るときに、分子１５０の第２の端部で、またはその端部周辺で（トラッピング電極Ｍ３およびＭ４ｂの）第２の垂直電界によって分子１５０が保持される方法（例えば、ブロック４２０および４２５）。

本方法は、分子１５０を一セグメントだけ前進させ、このことは、第１の端部で分子を保持するために第１の垂直電界を印加し、第２の端部で分子を保持するために第２の垂直電界を印加すること（ブロック４２０および４２５）と、分子を一セグメントだけ前進させるように、水平電界を印加しながらおよび分子１５０を第２の端部で保持しながら、一パルスの間第１の端部の第１の垂直電界を解放すること（ブロック４２５および４３０）と、一パルスの間第２の電界を解放している間に、水平電界を印加することによっておよび第１の垂直電界を印加することによって分子を引き伸ばすこと（ブロック４１５および４２５）と、一セグメントだけ進めた分子１５０を読み取ること（ブロック４３０）と、を含む。

第１の垂直電界が、ナノチャネル３１に対して配置された第１の対のトラッピング電極Ｍ１およびＭ４ａによって生成され、第２の垂直電界が、第１の対のトラッピング電極とは異なる領域においてナノチャネル３１に対して配置された第２の対のトラッピング電極Ｍ３およびＭ４ｂによって生成される方法。第１の垂直電界が、分子をナノチャネル３１の壁（例えば、極性に応じて底部または上部）に固定する力を引き起こし、第２の垂直電界が分子１５０をナノチャネル３１の壁（例えば、極性に応じて底部または上部）に固定する力を引き起こす方法。

分子１５０がデオキシリボ核酸であり、単量体がデオキシリボ核酸の塩基（ヌクレオチド）である方法。分子がリボ核酸であり、単量体がリボ核酸の塩基（ヌクレオシド）である方法。

図１８は、トラッピング電極１５および２０、トラッピング電極１７および２１、検知電極１６、バイアス電極１２０および１２５に個々に接続されたそれぞれの電圧源によって印加される電圧の実施、制御、または調整、あるいはそれらすべてを行うことができる（例えば、試験および分析のためコンピュータ装置の一部としての）コンピュータ７００の例を示す。コンピュータ７００は、トラッピング電極１５および２０、トラッピング電極１７および２１、検知電極１６、バイアス電極１２０および１２５に個々に接続されたそれぞれの電流計の（電流）測定の実施、制御、または調整、あるいはそれらすべてを行うことができる。

また、本明細書で論じた様々な方法、手順、モジュール、流れ図、ツール、用途、回路、要素、および技法は、コンピュータ７００の能力を組み込むまたは利用するあるいはその両方を行うことができる。さらに、コンピュータ７００の能力を利用して、本明細書で論じた例示的な実施形態の特徴を実施することができる。コンピュータ７００の能力の１つまたは複数を利用して、図１〜１７において（当業者には理解されるように）本明細書で論じたいずれの要素も実施する、接続する、またはサポートする、あるいはそれらすべてを行うことができる。例えば、コンピュータ７００は、任意のタイプの計算デバイス、または（電流計、電圧源、コネクタなどを含む）テスト装置、あるいはその両方であってもよい。コンピュータ７００の（適切なソフトウェアおよびハードウェアを有する）入力／出力デバイス７７０は、ケーブル、プラグ、ワイヤ、電極、パッチ・クランプなどを介して、本明細書で論じたナノデバイスおよび構造を含むことができ、またはナノデバイスおよび構造に結合することができ、あるいはその両方を行うことができる。また、入力／出力デバイス７７０の通信インターフェースは、本明細書で論じたような電圧源、電流計、および電流トレースなど（例えば、電流の大きさおよび持続時間）と通信する、動作可能に接続する、電圧源、電流計、および電流トレースなどを読み取る、または制御する、あるいはそれらすべてを行うためのハードウェアおよびソフトウェアを備える。入力／出力デバイス７７０のユーザ・インターフェースは、コンピュータ７００と対話する、例えば、情報を入力する、選択する、異なる電圧源を独立して制御する、または各塩基、分子、生体分子などに対する電流トレースを表示する、視覚化するおよび記録する、あるいはそれらすべてを行うための、例えば、トラックボール、マウス、ポインティング・デバイス、キーボード、タッチ・スクリーンなどを含むことができる。

一般に、ハードウェア・アーキテクチャの点では、コンピュータ７００は、１つまたは複数のプロセッサ７１０、コンピュータ可読記憶装置７２０、およびローカル・インターフェース（図示せず）を介して通信可能に結合される１つまたは複数の入力または出力あるいはその両方の（Ｉ／Ｏ）デバイス７７０を含むことができる。例えば、ローカル・インターフェースは、限定されないが、当技術分野で知られているような、１つまたは複数のバス、あるいは他の有線もしくは無線接続であってもよい。ローカル・インターフェースは、さらなる要素、例えば、通信を可能にするコントローラ、バッファ（キャッシュ）、ドライバ、中継器、および受信機を有することができる。さらに、ローカル・インターフェースは、前述の構成要素間で適切な通信を可能にするアドレス、制御、またはデータ接続、あるいはそれらすべてを含んでもよい。

プロセッサ７１０は、メモリ７２０に記憶することができるソフトウェアを実行するためのハードウェア・デバイスである。プロセッサ７１０は、事実上任意のカスタム仕様のもしくは市販のプロセッサ、中央処理装置（ＣＰＵ）、データ信号プロセッサ（ＤＳＰ）、またはコンピュータ７００に関連付けられたいくつかのプロセッサ中の副処理装置であってもよく、プロセッサ７１０は、半導体ベースの（マイクロチップの形態の）マイクロプロセッサまたはマクロプロセッサであってもよい。

コンピュータ可読メモリ７２０は、揮発性メモリ素子（例えば、ダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）、スタティックＲＡＭ（ＳＲＡＭ）などのランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ））および不揮発性メモリ素子（例えば、ＲＯＭ、消去可能プログラム可能読み取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電子的消去可能プログラム可能読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、プログラム可能読み取り専用メモリ（ＰＲＯＭ）、テープ、コンパクト・ディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、ディスク、ディスケット、カートリッジ、カセットなど）のいずれか１つまたはそれらの組合せを含むことができる。さらに、メモリ７２０は、電子的、磁気的、光学的、または他のタイプの、あるいはそれらすべての記憶媒体を組み込むことができる。メモリ７２０は、様々な構成要素が互いに遠隔に位置するが、プロセッサ７１０によってアクセス可能な、分散アーキテクチャを有することができることに留意されたい。

コンピュータ可読メモリ７２０内のソフトウェアは、１つまたは複数の個別のプログラムを含んでもよく、このプログラムのそれぞれが論理関数を実施するための実行可能命令の順序付きリストを備える。メモリ７２０内のソフトウェアは、適切なオペレーティング・システム（Ｏ／Ｓ）７５０、コンパイラ７４０、ソース・コード７３０、および例示的な実施形態の１つまたは複数のアプリケーション７６０を含む。図示するように、アプリケーション７６０は、例示的な実施形態の特徴、プロセス、方法、機能、および動作を実施するための多数の機能コンポーネントを備える。

オペレーティング・システム７５０は、他のコンピュータ・プログラムの実行を制御することができ、スケジューリング、入出力制御、ファイルおよびデータ管理、メモリ管理、通信制御、ならびに関連サービスを提供する。

アプリケーション７６０は、ソースプログラム、実行可能プログラム（オブジェクト・コード）、スクリプト、または遂行される１組の命令を含む任意の他のエンティティであってもよい。ソースプログラムの場合、プログラムは、通常（コンパイラ７４０などの）コンパイラ、アセンブラ、インタープリタなどを介して翻訳され、これらは、Ｏ／Ｓ７５０とともに適切に動作するようにメモリ７２０内部に含まれても、含まれなくてもよい。さらに、アプリケーション７６０は、（ａ）データおよび方法のクラスを有するオブジェクト指向プログラミング言語、あるいは（ｂ）ルーチン、サブルーチン、もしくは関数、またはそれらすべてを有する手続き型プログラミング言語として記述することができる。

入力／出力デバイス７７０は、例えば、限定されないが、マウス、キーボード、スキャナ、マイクロホン、カメラなどの入力デバイス（または周辺装置）を含んでもよい。さらに、入力／出力デバイス７７０は、例えば、限定されないが、プリンタ、表示装置などの出力デバイス（または周辺装置）も含むことができる。最後に、入力／出力デバイス７７０は、入力および出力の両方を通信するデバイス、例えば、限定されないが、（リモート・デバイス、他のファイル、デバイス、システム、またはネットワークへアクセスするための）ＮＩＣもしくは変調器／復調器、無線周波数（ＲＦ）もしくは他のトランシーバ、電話のインターフェース、ブリッジ、ルータなどをさらに含んでもよい。また、入力／出力デバイス７７０は、インターネットまたはイントラネットなどの様々なネットワーク上で通信するための構成要素を含む。入力／出力デバイス７７０は、ブルートゥース（登録商標）接続および（例えば、ユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）ポート、シリアル・ポート、パラレル・ポート、ファイア・ワイア、ＨＤＭＩ（Ｒ）（高解像度マルチメディア・インターフェース）などによる）ケーブルを利用してプロセッサ７１０と接続されるまたは通信するあるいはその両方を行うことができる。

アプリケーション７６０がハードウェアで実施される例示的な実施形態では、アプリケーション７６０は、それぞれが当技術分野でよく知られている以下の技術のいずれか１つまたは組合せによって実施されうる。すなわち、データ信号に対して論理機能を実施するための論理ゲートを有するディスクリートの論理回路（複数可）、適切な組合せ論理ゲートを有する特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル・ゲート・アレイ（複数可）（ＰＧＡ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）などである。

本明細書で使用される術語は、特定の実施形態のみを記載するためであり、本発明を限定することは意図されていない。本明細書で使用されるように、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈で明確にそうでないと述べない限り、複数形を同様に含むことが意図されている。用語「備える」または「備えている」あるいはその両方は、本明細書で使用される場合、述べた特徴、整数、ステップ、動作、要素、または構成要素、あるいはそれらすべての存在を明示し、もう１つの他の特徴、整数、ステップ、動作、構成要素、またはこれらのグループ、あるいはそれらすべての存在または追加を排除しないことをさらに理解されるであろう。

下記の特許請求の範囲におけるすべての手段またはステップに加えて機能要素の対応する構造、材料、行為、および均等物は、具体的に特許請求されるような他の特許請求される要素と組み合わせて機能を行うための任意の構造、材料、または行為を含むことが意図されている。本発明の記載は、例示および説明の目的のために示されており、網羅的であることまたは開示された形態において本発明に限定されることは意図されていない。多くの変更形態および変形形態が本発明の範囲および趣旨から逸脱せずに、当業者には明らかであろう。実施形態は、本発明の原理および実際的応用について最善の説明をするために、および当業者が企図する特定の使用に適するような様々な変更形態を有する様々な実施形態に対して本発明を理解することができるように選択され記載された。

本明細書に示された流れ図は、一例に過ぎない。本発明の趣旨から逸脱せずに、本図面または本図面に記載されたステップ（または動作）に対する多くの変形形態があってもよい。例えば、各ステップは、異なる順に行われてもよく、またはステップは、追加され、削除され、もしくは変更されてもよい。これらの変形形態のすべては、特許請求される本発明の一部と考えられる。

本発明に対する好ましい実施形態について記載したが、当業者は、現在および将来の両方において、添付の特許請求の範囲の範囲内にある様々な改善および改良を行うことができることを理解されるであろう。これら特許請求の範囲は、最初に記載された本発明に対する適切な保護を維持すると解釈されるべきである。

Claims (17)

1. 分子を操作するための方法であって、
   前記分子を導電性流体で満たされたナノチャネル内に導入するステップと、
   前記分子の速度を遅くすること、および前記分子を動けなくすることのうちの少なくとも１つを行うように前記ナノチャネル内部に第１の垂直電界を生成するステップと、
   前記第１の垂直電界および水平電界によって前記分子を折りたたまれていない線状鎖に引き伸ばすステップと、
   前記分子の単量体を連続的に読み取るステップと、
   を含む方法。
2. 前記分子が読み取りのために検知されるナノギャップに前記分子が接触する前に、前記第１の垂直電界が前記分子を動けなくする、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の垂直電界が前記分子の第１の端部を保持し、一方、第２の端部が自由である、請求項１に記載の方法。
4. 前記分子の前記第１の端部が保持されているときに、前記分子の前記第２の端部が引き伸ばされる、請求項３に記載の方法。
5. 前記第１の端部を前記第１の垂直電界によって保持しながら、前記分子が真っすぐになるまで、前記水平電界によって前記分子を引き伸ばす、請求項４に記載の方法。
6. 前記単量体を読み取るときに、前記分子が前記分子の前記第２の端部のまたはその端部周辺の第２の垂直電界によって保持される、請求項５に記載の方法。
7. 前記分子を一セグメントだけ前進させるステップをさらに含み、前記前進させるステップが、
   第１の端部で前記分子を保持するために前記第１の垂直電界を印加し、第２の端部で前記分子を保持するために第２の垂直電界を印加するステップと、
   前記分子を一セグメントだけ前進させるように前記水平電界を印加しながらおよび前記分子を前記第２の端部で保持しながら、一パルスの間前記第１の端部の前記第１の垂直電界を解放するステップと、
   一パルスの間前記第２の垂直電界を解放している間に、前記水平電界を印加することによっておよび前記第１の垂直電界を印加することによって前記分子を引き伸ばすステップと、
   一セグメントだけ進めた前記分子を読み取るステップと、
   を含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記第１の垂直電界が、前記ナノチャネルに対して配置された第１の対のトラッピング電極によって生成される、請求項７に記載の方法。
9. 前記第２の垂直電界が、前記第１の対のトラッピング電極とは異なる領域で前記ナノチャネルに対して配置された第２の対のトラッピング電極によって生成される、請求項８に記載の方法。
10. 前記水平電界が１対の電極によって生成される、請求項７に記載の方法。
11. 前記第１の垂直電界が、前記分子を前記ナノチャネルの壁に固定する力を引き起こす、請求項７に記載の方法。
12. 前記第２の垂直電界が、前記分子を前記ナノチャネルの壁に固定する力を引き起こす、請求項７に記載の方法。
13. 前記分子がデオキシリボ核酸であり、前記単量体が前記デオキシリボ核酸の塩基である、請求項１に記載の方法。
14. 前記分子がリボ核酸であり、前記単量体が前記リボ核酸の塩基である、請求項１に記載の方法。
15. 分子を操作するためのシステムであって、
    前記分子が導入される、導電性流体で満たされたナノチャネルと、
    前記ナノチャネルに対して配置された第１の対のトラッピング電極であって、前記分子の速度を遅くすること、および前記分子を動けなくすることのうちの少なくとも１つを行うように前記ナノチャネル内部に第１の垂直電界を生成するように構成された、前記第１の対のトラッピング電極と、
    前記ナノチャネルに対して配置された１対の検知電極であって、前記分子の単量体を連続的に読み取るように構成された、前記１対の検知電極と、
    前記ナノチャネル内部に第２の垂直電界を生成するように構成された、第２の対のトラッピング電極と
    を備え、
    前記第１の垂直電界によって前記分子の第１の端部を保持しながら、水平電界によって前記分子を折りたたまれていない線状鎖に引き伸ばし、
    前記単量体を読み取るとき、前記分子が、前記分子の第２の端部で、またはその端部周辺で前記第２の垂直電界によって保持される、システム。
16. 前記分子が読み取りのために検知される前記１対の検知電極間のナノギャップに前記分子が接触する前に、前記第１の垂直電界が前記分子を動けなくする、請求項１５に記載のシステム。
17. 分子を操作するためのシステムであって、
    前記分子が導入される、導電性流体で満たされたナノチャネルと、
    前記ナノチャネルに対して配置された第１の対のトラッピング電極であって、前記分子の速度を遅くすること、および前記分子を動けなくすることのうちの少なくとも１つを行うように前記ナノチャネル内部に第１の垂直電界を生成するように構成された、前記第１の対のトラッピング電極と、
    前記ナノチャネルに対して配置された１対の検知電極であって、前記分子の単量体を連続的に読み取るように構成された、前記１対の検知電極と、
    前記ナノチャネル内部に第２の垂直電界を生成するように構成された、第２の対のトラッピング電極と
    を備え、
    前記第１の垂直電界によって前記分子の第１の端部を保持しながら、水平電界によって前記分子を折りたたまれていない線状鎖に引き伸ばし、
    前記第１の対のトラッピング電極および前記第２の対のトラッピング電極が前記分子を一セグメントだけ前進させるように独立して制御され、前記制御が、
    第１の端部で前記分子を保持するために前記第１の対のトラッピング電極の前記第１の垂直電界を印加し、第２の端部で前記分子を保持するために前記第２の対のトラッピング電極の前記第２の垂直電界を印加することと、
    前記分子を一セグメントだけ前進させるように前記水平電界を印加しながら、および前記分子を前記第２の端部で保持しながら、一パルスの間前記第１の端部の前記第１の垂直電界を解放することと、
    一パルスの間前記第２の垂直電界を解放している間に、前記水平電界を印加することによって、および前記第１の垂直電界を印加することによって前記分子を引き伸ばすことと、
    一セグメントだけ進めた前記分子を読み取ることと、
    を含む、システム。

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