KR101813907B1 - 다이아몬드 전극 나노갭 트랜스듀서 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시양태는 산화환원 활성 화학 신호를 전기 신호로 변환할 수 있는 트랜스듀서를 제공한다.　 트랜스듀서는 나노갭에 의해 분리된 2개의 전극을 포함한다.　 적어도 하나의 전극은 전도성 다이아몬드로 이루어진다.　 나노갭 트랜스듀서 및 나노갭 트랜스듀서의 어레이를 제조하는 방법이 제공된다.　 개별적으로 어드레싱 가능한 나노갭 트랜스듀서의 어레이는 집적 회로 칩 상에 배치되고 집적 회로 칩에 작동 가능하게 결합될 수 있다.

Description

다이아몬드 전극 나노갭 트랜스듀서{DIAMOND ELECTRODE NANOGAP TRANSDUCERS}
본 발명의 실시양태는 일반적으로 트랜스듀서, 나노갭 트랜스듀서, 전자 감지, 전기화학, 산화환원(redox) 사이클링 및 생체분자 검출에 관한 것이다.
관련 출원과의 상호 참조
본원은 현재 계류 중인 2009년 12월 31일자로 출원된 "나노갭 화학 및 생화학적 센서"라는 명칭의 미국 출원 제12/655,578호, 현재 계류 중인 2005년 9월 13일자로 출원된 "센서 어레이 및 핵산 시퀀싱 애플리케이션"이라는 명칭의 미국 출원 제11/226,696호(이는 2005년 3월 4일자로 출원된 "센서 어레이 및 핵산 시퀀싱 애플리케이션"이라는 명칭의 미국 출원 제11/073,160호를 우선권으로 주장한 일부 계속 출원임), 및 현재 계류 중인 2007년 12월 31일자로 출원된 "핵산 시퀀싱을 위한 전자 감지"라는 명칭의 미국 출원 제11/967,600호와 관련되어 있으며, 이들 개시 내용을 본원에 참고로 인용한다.
높은 정확도 및/또는 견고성, 감소된 분석 샘플 필요성 및/또는 높은 처리량을 제공하는 분석 디바이스는 중요한 분석적 및 생의학적 도구이다. 또한, 소형화되고 대량 제조가능한 분자 검출 플랫폼은 과거에는 액세스가 불가능했던 장소 및 상황에서 많은 사람에게 경제적인 질병 검출에 대한 액세스를 제공한다. 경제적인 분자 진단 디바이스의 활용성은 비용을 절감시키고 이용가능한 헬스케어의 질을 향상시킨다. 또한, 휴대용 분자 검출 디바이스는 보안 및 위험 감지 및 치료 분야에 응용될 수 있고, 인지 보안 또는 우발적인 생물학적 또는 화학적 위험에 적절하게 즉시 응답할 수 있는 기능을 제공한다.
생물체의 유전 정보는 예컨대 데옥시리보핵산(DNA) 및 리보핵산(RNA)과 같은 매우 긴 핵산 분자 형태로 함유되어 있다.　 자연적으로 발생하는 DNA 및 RNA 분자는 전형적으로 뉴클레오티드라 불리는 화학적 빌딩 블록의 반복으로 구성되어 있다.　 인간 게놈은 예를 들어 약 30억 개 뉴클레오티디의 DNA 서열 및 어림잡아 20,000개 내지 25,000개의 유전자를 함유하고 있다.
인간 게놈의 전체 30억 뉴클레오티드 서열의 결정은 암, 낭성 섬유증 및 겸상 적혈구 빈혈증과 같은 많은 질병의 유전적 기초를 식별하기 위한 토대를 제공했다.　 개인 게놈의 게놈 또는 단편의 시퀀싱은 의학적 치료를 개인화할 수 있는 기회를 제공한다.　 핵산 서열 정보는 또한 연구, 환경 보호, 식품 안전, 생체 방어 및 임상 응용 예컨대 병원균 검출, 즉 병원체 및/또는 이의 유전적 변이체의 유무 검출에 필요하다.
본 발명의 하나의 실시양태는 표면을 갖는 기판; 및 상기 기판 표면상에 배치된 트랜스듀서(transducer)를 포함하는 디바이스로서, 상기 트랜스듀서가, 제 1 전극 및 제 2 전극[이때, 제 1 전극 또는 제 2 전극은 전도성 다이아몬드로 구성되고, 제 1 전극 및 제 2 전극은 각각, 제 1 전극 및 제 2 전극에 독립적으로 전압을 적용하고 제 1 전극 및 제 2 전극 각각으로부터 독립적으로 전류를 측정할 수 있는 전도성 라인에 연결되며, 제 1 전극이 면(face)을 갖고 제 2 전극이 면을 가지되, 제 1 전극의 면은 제 2 전극의 면으로부터 500 nm 미만의 거리만큼 분리되어 있음], 제 1 전극의 면과 제 2 전극의 면 사이에 유체를 함유할 수 있는 공동(cavity), 및 상기 공동으로의 유체의 출입을 허용할 수 있는, 제 2 전극을 통하는 액세스 홀(access hole)을 포함하는, 디바이스에 관한 것이다.
본 발명의 또 하나의 실시양태는 표면을 갖는 집적 회로 칩, 및 상기 집적 회로 칩의 표면에 배치된 트랜스듀서의 어레이를 포함하는 디바이스로서, 상기 어레이가 1,000개 이상의 트랜스듀서를 포함하고, 상기 트랜스듀서의 85% 이상이 기능성 트랜스듀서이고, 상기 어레이를 구성하는 트랜스듀서가 상기 집적 회로 칩 내의 전자소자에 전기적으로 연결되고 상기 전자소자를 통해 개별적으로 어드레싱 가능하며, 상기 트랜스듀서가, 제 1 전극 및 제 2 전극[이때, 제 1 전극 또는 제 2 전극은 전도성 다이아몬드로 구성되고, 제 1 전극 및 제 2 전극은 독립적으로, 제 1 전극 및 제 2 전극에 전압을 적용하고 제 1 전극 및 제 2 전극 각각으로부터 독립적으로 전류를 측정할 수 있는 집적 회로 칩에 결합되며, 제 1 전극이 면을 갖고 제 2 전극이 면을 가지되, 제 1 전극의 면은 제 2 전극의 면으로부터 500 nm 미만의 거리만큼 분리되어 있음], 제 1 전극의 면과 제 2 전극의 면 사이에 유체를 함유할 수 있는 공동, 및 상기 공동으로의 유체의 출입을 허용할 수 있는, 제 2 전극을 통하는 액세스 홀을 포함하는, 디바이스에 관한 것이다.
본 발명의 또 하나의 실시양태는 집적 회로 칩에 작동 가능하게 결합된 컴퓨터로서, 상기 집적 회로 칩이 상기 집적 회로 칩의 표면에 배치된 트랜스듀서의 어레이를 포함하는, 컴퓨터, 및 트랜스듀서의 어레이를 포함하는 집적 회로 칩의 표면에 유체를 공급할 수 있는 유체 시스템을 포함하는 시스템으로서, 상기 어레이를 구성하는 트랜스듀서가 상기 집적 회로 칩 내의 전자소자에 전기적으로 연결되고 상기 전자소자를 통해 개별적으로 어드레싱 가능하며, 상기 트랜스듀서가, 제 1 전극 및 제 2 전극[이때, 제 1 전극 또는 제 2 전극은 전도성 다이아몬드로 구성되고, 제 1 전극 및 제 2 전극은 독립적으로, 제 1 전극 및 제 2 전극에 전압을 적용하고 제 1 전극 및 제 2 전극 각각으로부터 독립적으로 전류를 측정할 수 있는 집적 회로 칩에 결합되며, 제 1 전극이 면을 갖고 제 2 전극이 면을 가지되, 제 1 전극의 면은 제 2 전극의 면으로부터 500 nm 미만의 거리만큼 분리되어 있음], 제 1 전극의 면과 제 2 전극의 면 사이에 유체를 함유할 수 있는 공동, 및 상기 공동으로의 유체의 출입을 허용할 수 있는, 제 2 전극을 통하는 액세스 홀을 포함하는, 시스템에 관한 것이다.
도 1은 나노갭 트랜스듀서를 예시한 개략도이다.
도 2는 도 1의 나노갭 트랜스듀서의 2-2에 따른 도면을 예시한 개략도이다.
도 3a 및 3b는 전도성 다이아몬드 물질로 구성된 1 또는 2개의 전극을 갖는 나노갭 트랜스듀서의 제조 방법을 도시한다.
도 4a 및 4b는 전도성 다이아몬드 전극을 갖는 나노갭 트랜스듀서에 대한 순환 전류전압 측정치를 도시한 그래프이다.
도 5는 핵산 분자의 서열을 결정하기 위한 방법의 흐름도를 제공한다.
도 6은 산화환원 활성 종의 산화-환원 반응의 검출을 통해 핵산 분자 서열을 분석하기 위한 방법을 나타낸 반응식을 제공한다.
매우 낮은 농도에서 생물학적 반응 및 분자를 검출하는 능력은 예를 들어 분자 검출 및 분석, 분자 진단, 질병 검출, 물질 확인, DNA 검출 및 시퀀싱에 적용될 수 있다.　 본 발명의 실시양태는 생물학적 반응 및 분자를 검출할 수 있고 고감도, 극히 감소된 단위면적(footprint) 및 높은 수준의 제조용이성을 나타내는 전자 센서를 제공한다.　 본 발명의 실시양태에 따른 나노갭 트랜스듀서는 나노갭 트랜스듀서의 대규모 어레이 형태일 수 있다.　 예를 들어, 트랜스듀서의 50% 이상, 75% 이상, 85% 이상, 90% 이상, 95% 이상, 또는 98% 이상이 기능성 센서인 1,000 내지 1,000만 개, 또는 100만 내지 100억 개의 트랜스듀서를 포함하는 나노갭 트랜스듀서의 어레이가 제공된다.
본 발명의 실시양태는 전자 센서 및 산화환원 사이클링 센서로서 작동할 수 있는 트랜스듀서를 제공한다.　 일반적으로, 산화환원 사이클링은, 가역적으로 산화 및/또는 환원될 수 있는 분자(즉, 산화환원 활성 분자)가 독립적으로 바이어스되는(즉, 상기 분자가 제 1 전극에서 산화되어 (환원되는) 제 2 전극으로 확산되거나, 그 반대로, 상기 전극들이 바이어스되는 전위 및 분자에 따라 먼저 환원된 후 산화되는) 적어도 2개의 전극(이때, 하나는 환원 전위보다 낮고, 다른 하나는 산화환원 활성 분자가 검출되는 산화 전위보다 높다) 사이에서 독립적으로 바이어스되는 전극들 사이를 왕복하는 전자를 이동시키는 전기화학적 방법이다. 따라서, 산화환원 사이클링에서는, 동일한 분자가 저장된 전류에 복수의 전자들을 제공함으로써 신호의 순 증폭을 유발할 수 있다.
본 발명의 실시양태에 따른 나노갭 트랜스듀서는, 단일 플랫폼, 예를 들어 전형적으로 집적 회로 제조 분야에 사용되는 칩 또는 규소 웨이퍼 상에 센서 유닛(및 임의적으로는 구동 전자장치)의 고 밀도 통합을 허용하는 CMOS(상보적 금속 산화물 반도체) 상용 방식으로 확실하게 제조될 수 있다. 본 발명의 실시양태에 의해 제공되는 나노갭 트랜스듀서는 매우 작고 매우 민감하기 때문에, 이는 대량 병렬 방식으로 매우 낮은 농도로 분자 및 생체분자를 검출하는 능력을 제공한다.　 각각의 나노갭 트랜스듀서는 예를 들어 어레이 또는 다른 칩 표면에 0.5 ㎛2 정도의 작은 면적을 차지할 수 있다.　 다른 실시양태에서, 각각의 나노갭 트랜스듀서는 어레이 또는 다른 칩 표면에 0.5 내지 50 ㎛2, 또는 0.5 내지 100 ㎛2의 면적을 차지한다.　 매우 민감한 방식으로 분자를 검출하는 능력은 진단, 단백질체학, 유전체학, 보안, 화학 및 생물학적 위험 검출 분야에 적용되고 있다.
도 1은, 전자 센서로서 작동하거나 산화환원 분자를 검출하고/하거나 산화환원 사이클링 센서로서 작동할 수 있는 나노갭 트랜스듀서를 도시한다.　 도 1에서, 기판(105)은 유전체 층(110) 및 제 1 전극(115)을 갖는다. 제 2 전극(120)은 제 1 전극으로부터 높이 h1을 갖는 갭(gap) 만큼 분리되어 있다. 본 발명의 실시양태에서, 갭의 높이(h1)는 500 nm 미만, 또는 10 내지 200 nm, 10 내지 150 nm, 또는 25 내지 150 nm이다. 　임의적인 전자 배선(125) 및 (130)(예컨대, 유전체 층(110)을 관통하는 비아(via))은 기판(105)에 하우징되는 임의적인 전자소자(도시되지 않음)에 연결된다. 본 발명의 실시양태에서, 기판(105)은 집적 회로(IC) 칩이고, 신호 판독, 신호 증폭 및/또는 데이터 출력용 전자소자 예컨대 구동 전극(115) 및 (120)을 포함한다. 기판은 예를 들어 유리, 부동태화된 금속, 중합체, 반도체, PDMS(폴리다이메틸실록산) 및/또는 가요성 탄성중합체 물질과 같은 다른 재료일 수 있다. 기판이 전자 제품을 하우징하지 않는 실시양태에서는, 전극(115) 및 (120)에 대한 전기적 접속은 절연 층(11)의 표면을 따라 또는 기판(105)을 통해 연장될 수 있지만, 다른 구성도 가능하다. 절연 층(135)은 제 2 전극(120)에 근접해 있다. 절연 층(135)은 예를 들어 이산화규소, 질화규소, 옥시질화규소, 산화 하프늄, 산화 알루미늄 또는 중합체 예컨대 폴리이미드로 구성될 수 있다.　 절연 층(135)에는 다른 유전체 물질도 가능하다.
전극(115) 및 (120)은 전도성 물질 예컨대 다이아몬드, 백금 및/또는 금으로 구성된다.　 본 발명의 실시양태에서, 하나 이상의 전극(115) 또는 (120)은 전도성 다이아몬드 물질로 구성된다. 본 발명의 실시양태에서, 전극(115)은 전도성 다이아몬드로 구성된다. 본 발명의 또 하나의 실시양태에서, 전극(115) 및 (120)은 전도성 다이아몬드 물질로 구성된다. 다이아몬드는 예를 들어 도핑 처리하여 전기를 전도하도록 만들 수 있다. 도판트는 예를 들어 붕소, 질소 및 인을 포함한다.　 본 발명의 실시양태에서, 도판트는 붕소이다.　 붕소 도핑된 다이아몬드 물질의 도핑 농도는 1020 원자/㎤ 초과 1022 원자/㎤ 미만의 농도를 포함한다. 본 발명의 실시양태에서, 제 1 전극(115)이 전도성 다이아몬드 물질로 구성되는 경우, 전극의 높이(h2)는 200 내지 1000 nm이다. 다른 실시양태에서, 전도성 다이아몬드 전극의 높이(h2)는 5 내지 25 nm이다.　 본 발명의 실시양태에서, 전도성 다이아몬드 필름은 마이크로결정질 또는 나노결정질 다이아몬드이다.　 본 발명의 또 하나의 실시양태에서, 임의적으로, 전도성 다이아몬드 제 1 전극(115)은 근접한 유전체 영역(117)을 갖는다. 유전체 물질은 예를 들어 이산화규소, 질화규소, 옥시질화규소, 또는 제조 공정과 상용성인 다른 전기화학적으로 비-반응성인 물질일 수 있다. 작동시, 전형적으로 나노갭 트랜스듀서와 함께 기준 전극(도시되지 않음)이 사용된다.　 기준 전극은 측정 중인 용액과 접촉되지만 나노갭 내에 위치할 필요는 없다.
도 2는 도 1의 나노갭 트랜스듀서의 2-2에 따른 도면이다. 도 2의 특징은 도 1에 대해 기재된 것과 동일하다. 간략히, 제 1 전극(115), 유전체 층(110), 제 2 전극(120) 및 절연층(135)이 도시되어 있다. 전극(115) 및 (120)에 대해 다른 형상 예컨대 타원형, 정사각형, 직사각형, 삼각형 또는 다른 다각형 형상도 가능하다.　 임의적인 유전체 영역(117)은 도 2에 도시되지 않았지만 (110)으로 표시된 영역에 위치할 것이다.
도 3a 및 3b는 전도성 다이아몬드 물질로 구성된 제 1 전극 및 임의적으로는 전도성 다이아몬드 물질로 구성된 제 1 전극 및 제 2 전극 모두로 구성된 나노갭 트랜스듀서를 제조하는 방법을 도시한다.　 도 3a에서, 구조물(i)은 기판(305), 유전체 층(310), 전도성 다이아몬드 물질로 구성된 제 1 전극 층(315) 및 경질 마스크 층(320)을 포함한다. 전도성 다이아몬드 물질은 예를 들어 고온 필라멘트 CVD(화학적 증착), 마이크로파 플라즈마 CVD 또는 연소 화염 보조 CVD 공정을 사용하여 침착될 수 있다. 전도성 다이아몬드 물질은 시드 층 위에 침착될 수 있고, 이때 시드 층은 예를 들어 다이아몬드 입자를 포함하는 용액에 기판을 침지하고 초음파를 사용하여 상기 입자를 표면에 부착시키거나, 또는 기판 표면에 방사되는 물질에 다이아몬드 입자를 현탁시킴으로써 침착된다. 본 발명의 실시양태에서, 전도성 다이아몬드 물질은 붕소 도핑된 다이아몬드이다.　 본 발명의 실시양태에서, 전도성 다이아몬드 물질은 1020 원자/㎤ 초과 1022 원자/㎤의 붕소 도핑 농도로 침착된다. 본 발명의 실시양태에서, 경질 마스크 층(320)은 예를 들어 크롬 또는 이산화규소로 구성된다.　 본 발명의 실시양태에서, 기판(305)은 예를 들어 구동 전극, 신호 검출, 신호 증폭 및/또는 데이터 출력을 위한 전자소자를 포함하는 IC 칩이다.　 임의적으로, 기판(305)에 하우징되는 임의적인 전자소자들과 전극을 상호연결하는 전도성 비아(325) 및 (330)가 유전체 층(310)을 통해 기판(305)에 제공된다. 기판(305)에는 다른 물질도 가능하다.
본 발명의 실시양태에서, 제 1 전극(315)이 전도성 다이아몬드 물질로 구성되는 경우, 상부 전극과 하부 전극 사이의 단락 확률을 최소화하기 위해 제 1 전극의 두께를 최소화하는 것이 바람직할 수 있음을 발견하였다.　 제 1 전극의 높은 종횡비는 전극의 가장자리에서 희생적인 등각 코팅(conformal coating)의 박화를 일으키는 것으로 밝혀졌다.　 그러나, 과도한 표면 거칠기를 방지하기 위해서는 제 1 전극에 대한 최소 전극 높이가 마이크로결정질 다이아몬드 물질에 필요하다는 것이 밝혀졌다. 제 1 전극의 과도한 표면 거칠기는 희생적 등각 코팅에 개구부를 형성하거나 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 단락을 일으킬 수 있음을 발견하였다.　 높이 최소화와 표면 거칠기의 균형을 고려하여, 제 1 전극의 높이는, 제 1 전극이 전도성 다이아몬드로 구성되는 경우, 본 발명의 실시양태에서, 300 내지 1000 nm, 300 내지 800 nm, 또는 350 내지 700 nm일 수 있다.
도 3a의 구조물(ii)은 경질 마스크 층(320)을 패터닝하고, 원치 않는 영역에서의 경질 마스크 층(320)을 제거하고, 노출된 다이아몬드 전극 층(315)을 에칭시켜 생성할 수 있다. 노출된 다이아몬드 전극 층(315)은 예를 들어 산소 플라즈마를 사용하여 에칭될 수 있다.　 예를 들어 70 내지 100℃ 사이의 상승된 온도가 산소 플라즈마 에칭을 촉진할 수 있다.　 그 후, 경질 마스크 층(320)을 제거하고, 임의적으로는 예를 들어 이산화규소 또는 질화규소와 같은 유전체 층을 침착시키고, 제 1 전극 표면(315)에 화학기계적 연마(CMP)를 수행하여 제 1 전극(315)을 평탄화한다. 임의적인 CMP 공정은 전극(315) 표면을 평탄화하고, 후속 층의 등각 코팅 특성을 향상시킬 수 있다.
희생 물질의 등각 필름(335)을 침착시키고 패터닝하여 도 3a의 구조물(iii)을 생성한다. 희생 물질의 등각 필름(335)은, 우선 포토레지스트를 침착시키고, 포토레지스트를 패터닝하고, 예를 들어 스퍼터링 또는 원자 층 침착(ALD)에 의해 희생 물질을 침착시키고, 포토레지스트를 리프팅시켜 원하는 영역에 희생 물질의 등각 필름을 한정함으로써 패터닝될 수 있다(리프트-오프(lift-off) 공정). 본 발명의 실시양태에서, 희생 물질은 크롬 또는 텅스텐을 포함한다.　 희생 물질의 등각 필름(335)을 예를 들어 스퍼터링 또는 ALD에 의해 침착시켜 하부 전극(315)을 감싸는 필름을 달성할 수 있다. 본 발명의 실시양태에서, 희생 물질의 박막(335)은 500 nm 미만, 또는 10 내지 200 nm, 10 내지 150 nm, 또는 25 내지 150 nm의 두께를 갖는다. 　유전체 층이 침착되고 CMP가 수행되는 본 발명의 실시양태에서, 임의적인 영역(332)이 구조물에 남게 된다.　 유전체 층이 침착되지 않은 실시양태에서, 도 3a의 구조물(iii)의 영역(332)은 희생 물질의 등각 필름(335)을 포함한다.
제 2 전극 물질(340)을 희생 물질의 등각 층(335)에 침착시켜 도 3a의 패터닝된 구조물(iv)을 생성한다.　 제 2 전극 물질(340)은 리프트-오프 공정을 이용하여 리쏘그래피에 의해 패터닝될 수 있다.　 본 발명의 실시양태에서, 제 2 전극 물질은 전도성 다이아몬드이다.　 전도성 다이아몬드는 예를 들어 시딩(seeding) 후 고온 필라멘트 CVD, 마이크로파 플라즈마 CVD 또는 연소 화염 보조 CVD 공정을 이용하여 층을 침착시킴으로써 침착될 수 있다.　 본 발명의 실시양태에서, 제 2 전극 물질(340)이 다이아몬드인 경우, 희생 물질의 등각 필름(335)은 텅스텐을 포함한다.　 본 발명의 또 하나의 실시양태에서, 제 2 전극(340)은 백금 또는 금으로 구성된다.　 백금 전극은 예를 들어 크롬의 박층(약 10 nm 두께일 수 있음)을 접착층으로서 스퍼터링한 후 백금 층을 스퍼터링함으로써 침착될 수 있다.　 금 전극 물질은 예를 들어 스퍼터링, 증발, 전착 또는 무전해 침착 공정에 의해 침착될 수 있다.　 본 발명의 실시양태에서, 희생 물질(335)은 제 2 전극(340)이 금으로 구성되는 경우에 텅스텐이다.
유전체 층(345)은 그 후 도 3a의 구조물(iv) 위에 침착되어, 도 3b의 구조물(v)을 제공한다.　 유전체 물질은 예를 들어 이산화규소, 질화규소, 옥시질화규소, 산화 하프늄, 산화 알루미늄 또는 중합체일 수 있으나, 다른 물질도 가능하다.　 액세스 홀(350)이 유전체 층(345) 및 제 2 전극(340)을 관통해 생성된다. 액세스 홀(350)은 포토레지스트 마스크를 사용한 후 건식 에칭 공정을 이용하여 리쏘그래피에 의해 홀을 한정하여 홀을 제조함으로써 생성된다.　 희생 물질(335)을 제거하여 제 1 및 제 2 전극(315) 및 (340) 사이에 갭을 생성한다. 희생 물질(335)은, 예를 들어 희생 물질(335)이 텅스텐 또는 크롬인 실시양태에서, 습식 에칭을 이용하여 제거된다.　 생성 구조물은 도 3b의 (vi)에 도시된다.　 본 발명의 실시양태에서, 갭의 높이(h1)는　500 nm 미만, 또는 10 내지 200 nm, 10 내지 150 nm, 또는 25 내지 150 nm이다.　 제 1 전극(315)을 평탄화하기 위해 CMP 공정이 사용된 실시양태에서, 영역(332)은 이산화규소와 같은 유전체 물질을 포함하고, CMP 공정이 사용되지 않은 실시양태에서, 영역(332)은 비어 있다.
유전체 물질은 예를 들어 이산화규소, 질화규소, 옥시질화규소, 탄소 도핑 된 옥사이드(CDO), 탄화규소, 유기 중합체 예컨대 퍼플루오로사이클로부탄 또는 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오로실리케이트 유리(FSG) 및/또는 유기실리케이트 예컨대 실세스퀴옥산, 실록산 또는 유기실리케이트 유리 등을 포함한다. 또한, 유전체 물질은 예를 들어 폴리이미드와 같은 중합체를 포함할 수 있다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 실시양태에 따른 전도성 다이아몬드 제 1 전극 및 백금 제 2 전극을 갖는 나노갭 트랜스듀서에 대한 순환 전류전압 그래프를 도시한다.　 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 단락을 나타내지 않는 다이아몬드 전극을 갖는 기능성 나노갭 트랜스듀서의 제조가 가능하다는 것을 도 4a 및 4b로부터 알 수 있다.　 도 4a에서, 전극 전류는, 약 0.240 V에서 산화환원 전위를 갖는 모델 화합물(페로센)을 사용하여 전극 전위의 함수로서 플롯팅된다. 은 와이어 기준 전극(Ag 준-기준 전극(QRE)) 대비 인산염 완충 식염수로 측정하였다. 높은 배경 전류가 백금 전류에서 관찰되었지만, 유리하게는, 전도성 다이아몬드 전극에서의 배경 전류는 최소인 것으로 밝혀졌다. 도 4b는 나노갭 트랜스듀서와 완충 용액을 사용한 순환 전류전압 측정값을 나타낸다.　 다이아몬드 전극의 큰 작동 전압 윈도우 및 백금 전극에 비해 상당히 감소된 배경 전류(다이아몬드 전극은 전류를 거의 전혀 나타내고 있지 않지만, 백금 전극은 배경 전류로 인해 오프셋 전류를 갖는다)를 도 4b로부터 알 수 있다.
전도성 다이아몬드 전극에 의해 배경 전류가 작기 때문에, 2개의 작동 전극 중 하나만을 사용하여 적은 수의 분자에 대한 측정값을 기록할 수 있다.　 측정값은 하나의 분자만큼 작은 수에 대해 기록할 수 있다.　 다른 실시양태에서는, 신호를 생성하기 위해 양쪽 전극에 기록된 측정값이 사용된다.　 나노갭 트랜스듀서에서의 전극 전위 및 전류를 측정 및 기록하기 위한 시스템은 예를 들어 이중 정전위기(bipotentiostat)를 포함한다. 이중 정전위기를 사용하여, 용액 전위 대비 양쪽 전극의 전위를 제어하고, 전극을 통해 흐르는 전류를 측정한다.　 전극을 구동시키고 전류를 측정하고 기록하기 위한 시스템 부분의 일부 또는 전부는, 집적 회로(IC) 칩에 하우징되는 개별적으로 어드레싱 가능한 나노갭 트랜스듀서의 어레이와 전기적으로 연결되는 IC 칩에 위치할 수 있다.　 본 발명의 실시양태에서, 개별적으로 어드레싱 가능한 나노갭 트랜스듀서의 어레이와 연결된 컴퓨터 시스템은, 전도성 다이아몬드로 구성된 단 하나의 전극에서의 측정값을 사용하여 전극 전위 및 전류 값을 측정하고 기록하기 위한 소프트웨어를 포함한다. 다른 실시양태에서, 컴퓨터 시스템은 2개의 전극 및/또는 2개의 전극과 하나의 전극 모두에서의 전극 전위를 측정하고 기록하기 위한 소프트웨어를 포함한다. 나노갭 소자의 2개의 대향하는 바이어스 전극으로부터의 측정값으로부터 신호를 생성하기 위해 전기화학적 상관 분광법 같은 기법이 사용될 수 있다.
일반적으로, 나노갭 트랜스듀서 같은 전극을 이용한 전자 센서는, 전극 표면에 또는 그에 근접해 있는 물질의 임피던스, 저항, 커패시턴스 및/또는 산화환원 전위를 측정할 수 있다.　 나노갭 트랜스듀서가 존재하는 기판은 또한 검출 및/또는 구동 회로, 스위칭 로직, 래치(latch), 메모리 및/또는 입/출력 디바이스를 포함할 수 있다.　 임의적으로, 감지 및 구동 전극, 및 데이터 저장을 위한 전자소자의 일부 또는 전부는 나노갭 트랜스듀서의 어레이를 하우징하는 기판 부분인 집적 회로이다.　 입력 및 출력 제어를 제공하는 전자소자는 임의적으로 집적 회로 칩과 같은 기판에 하우징되거나, 또는 기판의 외부 회로를 통해 제공된다.　 나노갭 트랜스듀서의 어레이는, 임의적으로, 전극들을 개별적으로 어드레싱하기 위한 회로, 소정의 전압에서 구동되는 전극, 전극에 공급되는 전류 전압 정보를 저장하기 위한 메모리, 전극 특성을 측정하기 위한 메모리 및 마이크로프로세서, 차동 증폭기, 전류-감지 회로(CMOS 이미지 센서에 사용되는 회로의 변형을 포함함), 및/또는 전계 효과 트랜지스터(다이렉트(direct) 및 플로팅(floating) 게이트)를 탑재한다. 다르게는, 이들 기능 중 하나 이상은 외부 기기 및/또는 부착된 컴퓨터 시스템(들)에 의해 수행될 수 있다.
산화환원 사이클링 측정에서, 각각의 산화환원 활성 분자가 여러 산화환원 반응에 참여하여 복수의 전자들을 측정된 전류 값으로 제공할 수 있도록 용액 중의 산화환원 활성 분자들의 충전 상태를 반복적으로 플립(flip)시키기 위해 대향하는 바이어스 전극들이 사용된다. 산화환원 사이클링의 측정에서, 전극 간 갭의 높이는 나노미터 규모이다.　 두 전극 사이의 공동(cavity)에 있는 산화환원 활성 분자들은 전기화학적 측정 전류를 증폭시키기 위해 전극 사이의 여러 개의 전자들을 왕복시킨다. 산화환원 활성 종으로부터의 신호는, 잠재적으로, 산화환원 종의 안정성 및 산화환원 종의 능력과 같은 인자에 따라 100배 이상으로 크게 증폭되어 감지 영역 밖으로 확산될 수 있다.
본 발명의 실시양태에서, 나노갭 트랜스듀서의 전극은 검출되는 산화환원 종의 산화 및 환원 전위에서 독립적으로 바이어스된다.　 산화환원 종은 충전 셔틀로서 작용하고, 하나의 전극에서 다른 전극으로의 분자 확산은 산화환원 분자의 산화 및 환원과의 순 전하 전송을 초래한다. 두 전극을 통하는 전류의 크기는 공동에 있는 분석 물질(산화환원 종)의 농도에 비례한다.　 전극 사이의 갭은, 임의적으로, 산화환원 활성 종이 공동 밖으로 확산되는 것을 방지하고, 그에 의해 산화환원 종의 유효 농도를 증가시키기 위해 비드(bead)에 의해 밀봉한다. 공동의 밀봉은 센서 측정시 공동으로부터 산화환원 종이 탈출하는 것을 방지할 수 있다.
일반적으로, 산화환원 활성 종은 복수의 산화 및/또는 환원 상태를 통해 가역적으로 사이클링될 수 있는 분자이다.
본 발명의 실시양태에서, 나노갭 트랜스듀서는 개별적으로 어드레싱 가능한 나노갭 트랜스듀서의 어레이일 수 있다. 다양한 치수 및 개수의 나노갭 트랜스듀서를 갖는 어레이를 제조한다.　 나노갭 트랜스듀서의 레이아웃 개수의 선택은 예를 들어 검출되는 분석 물질의 종류 및 개수, 감지 영역의 크기 및 어레이 제조와 관련된 비용 등과 같은 인자에 의해 파악된다. 예를 들어, 나노갭 트랜스듀서의 어레이는 10×10, 100×100, 1,000×1,000, 105×l05 및 106×l06이다.　 매우 고밀도, 고밀도, 중밀도, 저밀도 또는 매우 저밀도 어레이를 제조할 수 있다.　 매우 고밀도 어레이의 일부는 어레이 당 약 100,000,000 내지 약 1,000,000,000 센서 범위이다.　 고밀도 어레이는 약 1,000,000 내지 약 100,000,000 센서 범위이다.　 중밀도 어레이는 약 10,000 내지 100,000 센서에 이른다.　 저밀도 어레이는 일반적으로 10,000 미만의 공동이다.　 매우 저밀도 어레이는 1,000 미만의 센서이다.
개별적으로 어드레싱 가능한 나노갭 트랜스듀서의 어레이는 IC 칩에 하우징되고 그에 연결될 수 있다. IC 칩은 전형적으로 반도체 기판, 예컨대 각각 절단되어 각각의 IC 칩을 생성하는 반도체 웨이퍼 상에 탑재된다. IC 칩이 탑재되는 베이스 기판은 전형적으로 규소 웨이퍼이지만, 본 발명의 실시양태는 사용되는 기판의 종류에 의존하지 않는다. 기판은 또한 게르마늄, 인듐 안티모나이드, 납 텔루라이드, 인듐 아르세나이드, 인듐 포스파이드, 갈륨 아르세나이드, 갈륨 안티모나이드 및/또는 다른 III족 내지 V족 물질이 단독으로 또는 규소 또는 이산화규소 또는 다른 절연 물질과 함께 구성될 수 있다. 　층 및 디바이스를 포함하는 층이 또한 본 발명의 실시양태가 하우징되거나 제조되어 있는 기판 또는 기판의 일부로서 설명될 수 있다.
나노갭 트랜스듀서는 예를 들어 다수의 고정화된 DNA 분자들을 동시에 시퀀싱할 수 있지만, 다른 용도도 가능하다. 고정화된 DNA 분자는 시퀀싱할 샘플이거나 또는 공지된 서열의 캡처 DNA 프로브를 먼저 고정화시킨 후 상기 시퀀싱할 샘플을 상기 고정화된 프로브로 혼성화할 수 있다. 상기 캡처 프로브는 샘플 DNA의 부분에 혼성화되도록 조작된 서열을 갖는다.　 본 발명의 실시양태에서, 고정화되는 DNA 단편(또는 캡처 프로브)은 통계적으로 각각의 센서가 고정화된 하나의 DNA 분자를 갖도록 희석된다. 서열 정보는 고정화된 단일 DNA 분자를 갖는 나노갭 트랜스듀서로부터 어셈블리된다.　 모호한 결과를 나타내는 나노갭 트랜스듀서로부터의 정보는 무시할 수 있다.
핵산 샘플의 증폭(즉, 샘플에 있는 핵산 분자의 복제 수를 증가시키는 것)을 임의적으로 발생시킬 필요가 없는 핵산의 시퀀싱 방법이 제공된다. 도 5는 핵산 분자의 시퀀싱, SNP(단일 뉴클레오티드 다형성) 검출 및 유전자 발현 검출에 유용한 방법을 기재한 흐름도를 제공한다.　 도 5에서, 핵산 분자는 전자 센서 내부 표면에 부착된다.　 핵산 타겟 부분에 상보적인 프라이머를 함유하는 센서 공동에 용액을 제공한다.　 프라이머 DNA 분자는 공동 안에 부착된 DNA 분자 부분에 혼성화되고, 부착된 DNA 분자를 프라이머 처리하여 상보적인 DNA 가닥을 합성한다. 공동 안의 DNA 서열을 알 수 없는 경우, 프라이머는 센서 내부의 DNA 가닥에 제공된 랜덤 서열을 갖는 많은 프라이머 중 하나일 수 있다.　 프라이머는 뉴클레아제-저항성 뉴클레오티드로 종결될 수 있다.　 프라이머를 공동 안의 DNA 분자에 혼성화시킨 후, DNA 중합효소 및 산화환원 중심 개질된 뉴클레오티드 트라이포스페이트(NTP 또는 dNTP)를 함유한 용액을 첨가한다.　 dNTP는 산화환원 개질된 데옥시아데노신 트라이포스페이트(dATP), 데옥시시티딘 트라이포스페이트(dCTP), 데옥시구아노신 트라이포스페이트(dGTP), 데옥시티미딘 트라이포스페이트(dTTP), 또는 우리딘 트라이포스페이트(UTP)를 포함한다.　 예를 들어, 산화환원 개질된 dATP가 제공되고 티미딘이 다음 서열의 상보적 핵산인 경우, 산화환원 개질된 dATP가 성장 DNA 가닥으로 혼입된다.　 상기 가닥에 시퀀싱할 시토신이 있는 경우, 구아닌이 혼입될 것이고, 티미딘이 존재하는 경우, 아데노신이 혼입될 것이고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. dATP가 다음의 상보적 핵산이 아닌 경우, 센서 공동 안에서는 어떠한 화학작용도 일어나지 않는다. 반응 생성물이 그 후 검출된다.　 어떠한 반응도 일어나지 않은 경우, 산화환원-중심 개질된 반응 생성물은 검출되지 않는다.　 따라서, 포지티브 결과(산화환원-중심 개질된 반응 생성물의 검출)는 dATP(본 예에서)가 성장 사슬의 다음 상보적인 핵산임을 나타낸다. 네거티브 결과가 확인되면, 상보적 염기의 실체를 결정하기 위한 포지티브 결과가 얻어질 때까지 상기 방법을 3개의 잔류 산화환원-중심 개질된 뉴클레오티드에 대해 반복한다. 뉴클레오티드의 실체를 결정한 후, 상보적 DNA의 성장 가닥을 뉴클레아제 저항성 뉴클레오티드로 종결시킬 수 있다.
도 6은, 시퀀싱할 주형 가닥에 의해 제공된 염기에 뉴클레오티드 염기가 상보적인 경우, 얻어진 산화환원 신호를 화학적으로 증폭시키는 것을 통해 DNA 분자를 시퀀싱하는 방법을 도시한다. 도 6의 방법은, 상보적인 염기가 성장하는 상보적인 가닥에 혼입되는 경우, 신호의 화학적 증폭을 제공한다.　 프라이머 처리된 성장 DNA 분자는 중합효소의 작용을 통해 뉴클레아제-저항성 염기로 종결된다.　 이 예에서, 산화환원 표지된 NTP는 γ-아미노페닐-아데닌-트라이포스페이트(dATP)이다.　 상보적인 산화환원 표지된 뉴클레오티드를 성장 가닥으로 혼입시키면, 산화환원 표지된 피로포스페이트(PPi) 기가 용액으로 방출된다. 인산 분해 효소는 산화환원 분자로부터 피로포스페이트를 제거하도록 작용한다.　 유용한 인산 분해 효소는 예를 들어 알칼리 포스파타제, 산성 포스파타제, 단백질 포스파타제, 폴리포스페이트 포스파타제, 당-포스파타제 및 피로포스파타제를 포함한다. 이 예에서, 산화환원 활성 종은 p-아미노페놀(PAP) 및 퀴논이민 쌍이다.　 용액으로 방출되는 p-아미노페놀 분자의 수는 산화환원 표지된 NTP 혼입 및 제거 반응의 사이클을 통해 증폭된다.　 특히, 상보적인 산화환원 표지된 뉴클레오티드를 혼입하고, 엑소뉴클레아제 효소가 상기 혼입된 상보적 뉴클레오티드를 제거한 후, DNA 중합효소가 제 2 산화환원 표지된 상보적인 뉴클레오티드를 혼입시키고, 제 2 산화환원 표지된 피로포스페이트 기를 용액으로 방출한다. 이러한 혼입 및 제거의 반복 사이클을 통해, 용액 중의 산화환원 활성 종의 농도는 증가한다. 이러한 방식으로, 성장 상보적 가닥에 상보적 염기를 혼입하면 신호가 증폭된다. 포스페이트 기의 제거는 산화환원 활성 종을 활성화시킨다.　 포스페이트 기가 없는 산화환원 활성 종의 존재가 전기화학적으로 검출된다.　 산화환원 활성 종은 나노갭 트랜스듀서의 두 전극 사이에서 재순환되어 산화환원 사이클링 반응을 통해 신호를 추가로 증폭시킬 수 있다. 본원에 충분히 기재된 바와 같이, 전극 간 산화환원 활성 종의 사이클링 기법을 산화환원 사이클링이라 한다. 나노갭 트랜스듀서의 전극 사이를 이동함으로써, 각각의 산화환원 활성 종은 측정 전류에 다수의 전자를 제공하고, 그에 의해 측정 전류를 증폭시킨다.　 반응에 공급되는 뉴클레오티드가 성장 DNA 가닥에 상보적이 아닌 경우, 유리(free)하는 산화환원 활성 종은 검출되지 않는다.　 뉴클레오티드 혼입이 검출되면, 서열화되는 주형 DNA 분자의 다음 공간에 상보적인 뉴클레아제-저항성 염기를 성장 가닥에 제공한다.
산화환원 종 생성 뉴클레오티드는 뉴클레오시드의 γ-포스페이트 기에 부착된 산화환원 활성 종을 갖는다.　 산화환원 종 생성 뉴클레오티드에 대한 염기는 A, G, C 또는 T일 수 있다. 산화환원 활성 종은 예를 들어 아미노페닐, 하이드록시페닐 및/또는 나프틸 기를 포함한다.　 산화환원 활성 종은 또한 뉴클레오티드 염기에 부착될 수 있다.　 염기는 A, G, C 또는 T일 수 있고, 산화환원 활성 종은 예를 들어 페로센, 안트라퀴논 또는 메틸렌 블루 분자일 수 있다. 제 3 산화환원 활성 기 부착 모티프(motif)는 산화환원 활성 기가 뉴클레오티드 염기의 당 기에 부착된 것을 포함한다.　 당-부착된 산화환원-개질된 뉴클레오티드의 경우, 염기는 A, G, C 또는 T이고, 산화환원 활성 종은 예를 들어 페로센, 안트라퀴논 또는 메틸렌 블루 분자일 수 있다.
중합효소는 DNA에 리보뉴클레오티드 또는 개질된 뉴클레오타이드를 혼입할 수 있는 것을 사용할 수 있으며, 예를 들어 상업적으로 입수가능한 터미네이터(Therminator) DNA 중합효소(메사추세츠 주 베벌리 소재 뉴 잉글랜드 바이오랩스 인코포레이티드(New England Biolabs, Inc.)로부터 입수가능) 또는 유전자 조작된 DNA 중합효소를 들 수 있다. 예를 들어, 문헌[DeLucia, A.M., Grindley, N.D.F., Joyce, CM., Nucleic Acids Research, 31:14, 4129-4137 (2003)]; 및 [Gao, G., Orlova, M., Georgiadis, M.M., Hendrickson, W.A., Goff, S.P., Proceedings of the National Academy of Sciences, 94, 407-411 (1997)] 참조. 뉴클레아제-저항성 뉴클레오티드는 리보뉴클레오티드 또는 다른 개질된 뉴클레오티드일 수 있다.　 성장 DNA 가닥에 혼입될 수 있지만 엑소뉴클레아제(예컨대, 3'→5' 엑소뉴클레아제 활성 DNA 중합효소 또는 엑소뉴클레아제 I 및 II)에 의한 분해에 저항성인 예시적인 뉴클레아제 저항성 염기는 알파 포스포로티오에이트 뉴클레오티드(캘리포니아주 샌디에고 소재 트릴링크 바이오테크놀로지스 인코포레이티드(Trilink Biotechnologies, Inc.)로부터 입수가능)를 포함한다. 　또한, 리보뉴클레오티드는 터미네이터 DNA 중합효소 또는 다른 유전자 조작되거나 돌연변이된 중합효소에 의해 성장 DNA 가닥으로 혼입될 수 있지만, 리보뉴클레오티드 염기는 엑소뉴클레아제 예컨대 엑소뉴클레아제 I 또는 엑소뉴클레아제 II(뉴 잉글랜드 바이오랩스로부터 입수 가능)에 의한 분해에 저항성이다. 이러한 저항성 염기를 분해할 수 없는 뉴클레아제의 예는 엑소뉴클레아제 I, 뉴클레아제 III 및 3'→5' 엑소뉴클레아제 활성 DNA 중합효소를 포함한다.
본 발명의 실시양태에서, 시퀀싱되는 단일 핵산 분자는 나노갭 트랜스듀서의 내부 표면에 부착된다.　 핵산은 뉴클레아제 저항성 뉴클레오티드로 종결되는 상보적 가닥에 의해 프라이머 처리된다. 상보적인 산화환원-개질된 dNTP 분자는 나노갭 트랜스듀서 공동 내 용액에 존재하는 DNA 중합효소의 작용을 통해 성장 가닥에 혼입된다.　 나노갭 트랜스듀서의 전극은 산화환원 종의 산화환원 전위로 대향하여 바이어스되고, 산화환원 종이 존재하는 경우, 전류의 흐름이 전극 표면에서 검출된다.　 중합효소 반응으로부터의 과잉의 산화환원-개질된 dNTP가 반응 부위에서 세척된다.　 이어서, 전극 공동 안의 용액에 존재하는 뉴클레아제 효소의 작용을 통해 성장 상보적 DNA 가닥으로부터 임의의 혼입된 dNMP가 제거된다. 이러한 방법은 그 후 임의적으로 3개의 다른 뉴클레오티드에 대해 반복된다.　 다음의 상보적인 뉴클레오티드가 결정되면, 성장 상보적 핵산 가닥은 상보적인 뉴클레아제 저항성 염기로 종결될 수 있고, 다음의 상보적인 염기가 결정될 수 있다.
다른 실시양태에서, 시퀀싱할 핵산 분자의 하나 이상의 복제물이 전극 공동에 부착된다.　 시퀀싱할 복수의 핵산 복제물의 부착은, 상보적 뉴클레오티드 트라이포스페이트가 공동에 제공될 때, 검출된 신호를 증폭시킨다. 이어서, 검출된 신호는 임의적으로 산화환원 사이클링 기법을 통해 더욱 증폭될 수 있다.
핵산 시퀀싱은 개별적으로 어드레싱 가능한 나노갭 트랜스듀서의 어레이를 사용하여 대규모 병렬 방식으로 수행될 수 있다.　 핵산 분자를 포함하는 샘플은 통계적으로 반응 공동 당 하나의 핵산 분자를 생성하는 방식으로 어레이에 제공된다.　 반응 공동에 연결된 전자소자는 공동 내 핵산의 혼입을 검출한다.　 일관성이 없는 공동으로부터의 데이터는 삭제할 수 있다.　 공동 안의 각 핵산에 대한 서열 정보는 복수의 반응 사이클을 통해 구축된다.
나노갭 트랜스듀서의 하나 이상의 표면은 임의적으로 예를 들면 부착되는 하나의 아민, 알데하이드, 에폭시, 티올 기 또는 이들의 조합에 의해 작용화될 수 있고, 부착되는 분자들은 분자 결합을 용이하게 하기 위해 아민(카복시, 에폭시 및/또는 알데하이드 작용기를 갖는 표면의 경우), 카복실(아민 기를 갖는 표면의 경우) 및 티올(금 표면의 경우)에 의해 작용화된다. 작용기들을 결합시키는 데 다양한 결합 화학이 이용될 수 있다(예컨대, 아민-카복시의 경우 EDC).　 기판 표면상의 분자의 농도는 여러 가지 방식으로, 예를 들어 표면 작용기의 밀도를 제한하거나 부착되는 분자들의 양을 제한함으로써 제어된다.　 DNA는 예를 들어 티올기로 개질된 표면에 부착된 아크리다이트-개질된 DNA 단편을 사용하여 표면에 고정된다.　 아민-개질된 DNA 단편은 에폭시 또는 알데하이드-개질된 표면에 부착될 수 있다.
하나 이상의 나노갭 트랜스듀서 어레이(예컨대, IC 디바이스 표면상의 나노갭 트랜스듀서의 어레이), 트랜스듀서를 구동시키고 측정치를 기록하기 위한 전자소자, 및 분석 데이터를 기록하기 위한 컴퓨터를 포함하는 센서 시스템은 또한 나노갭 트랜스듀서에 유체를 전달할 수 있는 유체 전달 시스템을 포함할 수 있다.　 유체 시스템은 시약 저장소, 펌프 및 혼합 챔버, 세정액, 폐기물 챔버, 및 나노갭 트랜스듀서의 어레이의 표면에 유체를 전달하는 유체 전달 시스템을 포함할 수 있다.
일반적으로, 시퀀싱할 수 있는 핵산의 종류는 포스포다이에스터 결합에 의해 서로 연결되어 있는 데옥시리보뉴클레오타이드(DNA) 또는 리보뉴클레오티드(RNA)의 중합체 및 이들의 유사체를 포함할 수 있다.　 폴리뉴클레오티드는 게놈, 유전자 또는 이들의 부분, cDNA 또는 합성 폴리데옥시리보핵산 서열의 세그먼트일 수 있다.　 올리고뉴클레오티드(예컨대, 프로브 또는 프라이머)를 비롯한 폴리뉴클레오티드는 뉴클레오시드 또는 뉴클레오티드 유사체, 또는 포스포다이에스터 결합 이외의 주쇄 결합을 함유할 수 있다.　 일반적으로, 폴리뉴클레오티드를 포함하는 뉴클레오티드는 자연적으로 발생하는 데옥시리보뉴클레오티드 예컨대 2'-데옥시리보스에 결합된 아데닌, 시토신, 구아닌 또는 티민, 또는 리보뉴클레오티드 예컨대 리보스에 결합된 아데닌, 시토신, 구아닌 또는 우라실이다.　 그러나, 폴리뉴클레오티드 또는 올리고뉴클레오티드는 비-자연적으로 발생하는 합성 뉴클레오티드 또는 개질된 자연적으로 발생하는 뉴클레오티드를 비롯한 뉴클레오티드 유사체를 함유할 수 있다.
센서로부터의 데이터는 다음과 같이 분석할 수 있다. 　나노갭 트랜스듀서가 공동 안에 부착된 하나 이상의 DNA 분자를 갖는 경우, 시퀀싱된 하나 이상의 위치로부터 하나 이상의 가능한 판독이 있을 것이다.　 따라서, 나노갭 트랜스듀서 공동 안에 부착된 하나의 분자를 갖는 나노갭 트랜스듀서(유효 센서)로부터의 데이터만이 서열 분석에 사용된다. 유효 센서의 서열은 컴퓨터 프로그램에 의해 정렬된다.　 서열 정보는 드 노보(de novo) 시퀀싱 정보 또는 기준 시퀀싱 정보로서 사용될 수 있다.　 추가 분석은 데이터의 품질 및 시퀀싱 작업의 목적에 따라 수행된다.
또한, 본 발명의 실시양태에 따른 나노갭 트랜스듀서는 본원에 기재된 것에 국한되지 않는 생물학적으로 중요한 다양한 검출을 수행할 수 있다.　 예를 들어, 나노갭 트랜스듀서는 DNA의 돌연변이를 검출하고 DNA 시퀀싱 반응을 통해 병원체를 식별할 수 있다.　 또한, 전자 센서는 신진대사 효소의 활성 분석을 통해 질병을 진단하는 데 사용된다.　 피로포스페이트는 대사 및 신호 전달 경로의 일부인 많은 효소적 반응의 부산물이다.　 본 발명의 실시양태에 따른 나노갭 트랜스듀서에는 피검 분석 물질에 대한 인식 사이트 및 결합 사이트가 제공될 수 있다. 주요 인식 사이트 및 결합 사이트를 갖는 나노갭 트랜스듀서를 제조하고, 바이오센서 디바이스의 분석 물질 결합 영역에 샘플 용액을 노출시켜 어떤 구체적으로 인식되는 생체분자의 결합을 허용함으로써 샘플 용액에 대한 시험을 수행한다. 나노갭 트랜스듀서는 여과 및 샘플 정제 기능을 제공하는 마이크로- 또는 나노-유체 시스템에 통합될 수 있다.　 따라서, 작용성에 대해 시험할 효소를 전자 바이오센서에서 결합시키고, 산화환원 중심으로 표지되는 PPi가 반응 생성물이 되는 반응 용액을 제공한다. 예를 들어, 바이오센서 디바이스는 지방산을 아실 아데닐레이트로 변환하고, 바이오센서 디바이스에서 해당 아데닐화 효소를 결합하고 반응 용액에 지방산 기질 및 ATP를 제공함으로써 PPi를 생성한다. 추가적인 예는 카테콜을 포함한다. 추가적인 예에서, 생 미생물이 바이오센서에 특이적으로 결합된다.　 미생물은 임의적으로 미생물 상의 표면 항원을 특이적으로 인식하는 항체를 통해 감지 디바이스에서 결합된다. 항체 샌드위치 분석을 수행한다.　 항체 샌드위치 분석에서, 검출할 분자에 특이적인 항체를 갖는 전자 센서가 제공되고, 상기 센서를 검출할 분자에 노출시키고, 검출할 분자의 상이한 에피토프(epitope)에 특이적인 제 2 항체를 검출할 분자에 결합시킨다. 제 2 항체는 산화환원 표지된 ATP를 산화환원 표지된 PPi로 변환할 수 있는 부착된 분자를 갖는다. 산화환원 표지된 PPi는 산화환원 사이클링을 통해 검출된다.　 산화환원 표지는 예를 들어 페로센, 안트라퀴논, 메틸렌 블루 분자, 아미노페닐, 하이드록시페닐 및/또는 나프틸 기를 포함한다.
컴퓨터 또는 컴퓨터 시스템은 하나 이상의 휘발성 또는 비-휘발성 데이터 저장 디바이스에 통신가능하게 연결되는 하나 이상의 프로세서, 예컨대 랜덤 액세스 메모리(RAM), 읽기 전용 메모리(ROM), 대용량 저장 디바이스 예컨대 SATA(serial advanced technology attachment) 또는 소형 컴퓨터 시스템 인터페이스(SCSI) 하드 드라이브, 및/또는 매체에 접근할 수 있는 디바이스 예컨대 플로피 디스크, 광학 저장 디바이스, 테이프, 플래시 메모리, 메모리 스틱, CD-ROM 및/또는 디지털 비디오 디스크(DVD) 등의 처리 시스템을 포함한다. ROM이라는 용어는 비-휘발성 메모리 디바이스 예컨대 삭제할 수 있는 프로그램가능한 ROM(EPROM), 전기적으로 삭제할 수 있는 프로그램가능한 ROM(EEPROM), 플래시 ROM 및/또는 플래시 메모리를 지칭한다. 상기 프로세서는 또한 추가 구성요소 예컨대 그래픽 컨트롤러, 메모리 인터페이스 허브, SCSI(소형 컴퓨터 시스템 인터페이스) 컨트롤러, 네트워크 컨트롤러, 네트워크 인터페이스, 범용 직렬 버스(USB) 컨트롤러에 통신가능하게 연결될 수 있다.　 컴퓨터 시스템 구성요소, 추가 프로세서 및/또는 외부 컴퓨터 및 컴퓨터 네트워크 사이의 일부 또는 모든 통신은 또한 USB, WLAN(무선 근거리 네트워크)을 포함하는 다양한 유선 및/또는 무선 근거리 프로토콜, 라디오 주파수(RF), 위성, 마이크로파, 전기 전자 학회(IEEE) 802.11, 블루투스, 광학, 광섬유, 적외선, 케이블 및 레이저를 사용하여 이루어질 수 있다. 전형적으로, 컴퓨터 시스템은 또한 예를 들어 디스플레이 스크린, 키보드, 트랙 패드, 마우스 등과 같은 다른 입/출력 디바이스에 연결된다.
당해 분야 숙련자는 본원에 기술되고 도시된 다양한 구성요소의 치환과 마찬가지로 본원의 개시내용에 걸쳐 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 본원에서 "하나의 실시양태"는 이와 같은 실시양태와 관련하여 기재된 특정의 특징, 구조, 물질 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시양태에 포함되지만, 반드시 모든 실시양태에 존재하는 것을 나타내는 것은 아님을 의미한다. 또한, 이들 실시양태에 개시된 특정의 특징, 구조, 물질 또는 특성은 하나 이상의 실시양태에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.　 다양한 추가 층들 및/또는 구조물들이 포함될 수 있고/있거나 기재된 특징들이 다른 실시양태에서는 생략될 수 있다.

Claims (30)

  1. 표면을 갖는 기판; 및
    상기 기판 표면상에 배치된 트랜스듀서(transducer)
    를 포함하는 디바이스로서,
    상기 트랜스듀서가,
    제 1 전극 및 제 2 전극[이때, 제 1 전극 또는 제 2 전극은 전도성 다이아몬드로 구성되고, 제 1 전극 및 제 2 전극은 각각, 제 1 전극 및 제 2 전극에 독립적으로 전압을 적용하고 제 1 전극 및 제 2 전극 각각으로부터 독립적으로 전류를 측정할 수 있는 전도성 라인에 연결되며, 제 1 전극이 면(face)을 갖고 제 2 전극이 면을 가지되, 제 1 전극의 면은 제 2 전극의 면으로부터 10 내지 200 nm의 거리만큼 분리되어 있음],
    제 1 전극의 면과 제 2 전극의 면 사이에 유체를 함유할 수 있는 공동(cavity), 및
    상기 공동으로의 유체의 출입을 허용할 수 있는, 제 2 전극을 통하는 액세스 홀(access hole)
    을 포함하고,
    상기 기판이 집적 회로 칩(chip)인, 디바이스.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 표면을 갖는 기판; 및
    상기 기판 표면상에 배치된 트랜스듀서(transducer)
    를 포함하는 디바이스로서,
    상기 트랜스듀서가,
    제 1 전극 및 제 2 전극[이때, 제 1 전극 또는 제 2 전극은 전도성 다이아몬드로 구성되고, 제 1 전극 및 제 2 전극은 각각, 제 1 전극 및 제 2 전극에 독립적으로 전압을 적용하고 제 1 전극 및 제 2 전극 각각으로부터 독립적으로 전류를 측정할 수 있는 전도성 라인에 연결되며, 제 1 전극이 면(face)을 갖고 제 2 전극이 면을 가지되, 제 1 전극의 면은 제 2 전극의 면으로부터 500 nm 미만의 거리만큼 분리되어 있음],
    제 1 전극의 면과 제 2 전극의 면 사이에 유체를 함유할 수 있는 공동(cavity), 및
    상기 공동으로의 유체의 출입을 허용할 수 있는, 제 2 전극을 통하는 액세스 홀(access hole)
    을 포함하고,
    상기 기판이 집적 회로 칩이고, 제 1 전극 및 제 2 전극이 독립적으로 전도성 라인을 통해 상기 집적 회로 칩 내의 전자소자(electronics)에 전기적으로 연결된, 디바이스.
  9. 표면을 갖는 집적 회로 칩, 및
    상기 집적 회로 칩의 표면에 배치된 트랜스듀서의 어레이
    를 포함하는 디바이스로서,
    상기 어레이가 1,000개 이상의 트랜스듀서를 포함하고,
    상기 트랜스듀서의 85% 이상이 생물학적 반응 및 분자를 검출할 수 있는 센서이고,
    상기 어레이를 구성하는 트랜스듀서가 상기 집적 회로 칩 내의 전자소자에 전기적으로 연결되고 상기 전자소자를 통해 개별적으로 어드레싱 가능하며,
    상기 트랜스듀서가,
    제 1 전극 및 제 2 전극[이때, 제 1 전극 또는 제 2 전극은 전도성 다이아몬드로 구성되고, 제 1 전극 및 제 2 전극은 독립적으로, 제 1 전극 및 제 2 전극에 전압을 적용하고 제 1 전극 및 제 2 전극 각각으로부터 독립적으로 전류를 측정할 수 있는 집적 회로 칩에 결합되며, 제 1 전극이 면을 갖고 제 2 전극이 면을 가지되, 제 1 전극의 면은 제 2 전극의 면으로부터 500 nm 미만의 거리만큼 분리되어 있음],
    제 1 전극의 면과 제 2 전극의 면 사이에 유체를 함유할 수 있는 공동, 및
    상기 공동으로의 유체의 출입을 허용할 수 있는, 제 2 전극을 통하는 액세스 홀
    을 포함하는, 디바이스.
  10. 제 9 항에 있어서,
    제 1 전극의 면이 제 2 전극의 면으로부터 10 내지 200 nm의 거리만큼 분리되어 있는, 디바이스.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 전도성 다이아몬드가 나노결정질 다이아몬드인, 디바이스.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 전도성 다이아몬드가 붕소 도핑된 다이아몬드인, 디바이스.
  13. 제 9 항에 있어서,
    제 1 전극 및 제 2 전극이 모두 전도성 다이아몬드로 구성된, 디바이스.
  14. 제 9 항에 있어서,
    제 1 전극이 전도성 다이아몬드로 구성되고, 제 1 전극의 높이가 300 nm 내지 1,000 nm인, 디바이스.
  15. 제 9 항에 있어서,
    제 1 전극 또는 제 2 전극이 금 또는 백금으로 구성된, 디바이스.
  16. 집적 회로 칩에 작동 가능하게 결합된 컴퓨터로서, 상기 집적 회로 칩이 상기 집적 회로 칩의 표면에 배치된 트랜스듀서의 어레이를 포함하는, 컴퓨터, 및
    트랜스듀서의 어레이를 포함하는 집적 회로 칩의 표면에 유체를 공급할 수 있는 유체 시스템
    을 포함하는 시스템으로서,
    상기 어레이를 구성하는 트랜스듀서가 상기 집적 회로 칩 내의 전자소자에 전기적으로 연결되고 상기 전자소자를 통해 개별적으로 어드레싱 가능하며,
    상기 트랜스듀서가,
    제 1 전극 및 제 2 전극[이때, 제 1 전극 또는 제 2 전극은 전도성 다이아몬드로 구성되고, 제 1 전극 및 제 2 전극은 독립적으로, 제 1 전극 및 제 2 전극에 전압을 적용하고 제 1 전극 및 제 2 전극 각각으로부터 독립적으로 전류를 측정할 수 있는 집적 회로 칩에 결합되며, 제 1 전극이 면을 갖고 제 2 전극이 면을 가지되, 제 1 전극의 면은 제 2 전극의 면으로부터 500 nm 미만의 거리만큼 분리되어 있음],
    제 1 전극의 면과 제 2 전극의 면 사이에 유체를 함유할 수 있는 공동, 및
    상기 공동으로의 유체의 출입을 허용할 수 있는, 제 2 전극을 통하는 액세스 홀
    을 포함하는, 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    제 1 전극의 면이 제 2 전극의 면으로부터 10 내지 200 nm의 거리만큼 분리되어 있는, 디바이스.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 어레이가 1,000개 이상의 트랜스듀서를 포함하고, 상기 트랜스듀서의 90% 이상이 생물학적 반응 및 분자를 검출할 수 있는 센서인, 디바이스.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 전도성 다이아몬드가 나노결정질 다이아몬드인, 디바이스.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 전도성 다이아몬드가 붕소 도핑된 다이아몬드인, 디바이스.
  21. 제 16 항에 있어서,
    제 1 전극 및 제 2 전극이 모두 전도성 다이아몬드로 구성된, 디바이스.
  22. 제 16 항에 있어서,
    제 1 전극 또는 제 2 전극이 금 또는 백금으로 구성된, 디바이스.
  23. 제 16 항에 있어서,
    상기 컴퓨터가 제 1 전극 또는 제 2 전극 중 하나로부터의 전류 측정값을 사용하여 데이터 분석을 수행하도록 구성되고, 전류가 측정되는 제 1 전극 또는 제 2 전극 중 하나가 전도성 다이아몬드로 구성된, 디바이스.
  24. 제 8 항에 있어서,
    상기 전도성 다이아몬드가 나노결정질 다이아몬드인, 디바이스.
  25. 제 8 항에 있어서,
    상기 전도성 다이아몬드가 붕소 도핑된 다이아몬드인, 디바이스.
  26. 제 8 항에 있어서,
    제 1 전극 및 제 2 전극이 모두 전도성 다이아몬드로 구성된, 디바이스.
  27. 제 8 항에 있어서,
    제 1 전극이 전도성 다이아몬드로 구성되고, 제 1 전극의 높이가 300 nm 내지 1,000 nm인, 디바이스.
  28. 제 8 항에 있어서,
    제 1 전극 또는 제 2 전극이 금 또는 백금으로 구성된, 디바이스.
  29. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극이, 적어도 제 1 전극의 표면 및 제 1 전극의 양 측면을 둘러싸는, 디바이스.
  30. 제 8 항에 있어서,
    제 1 전극의 면이 제 2 전극의 면으로부터 10 내지 200 nm의 거리만큼 분리되어 있는, 디바이스
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