KR101927412B1 - 이종 전극을 포함하는 중합체의 단량체 분자 서열을 결정하기 위한 장치 및 그의 용도 - Google Patents

Abstract

이종 전극을 포함하는 중합체의 단량체 분자 서열을 결정하기 위한 장치 및 중합체의 단량체 분자 서열을 효율적으로 결정하는 방법이 제공된다.

Description

이종 전극을 포함하는 중합체의 단량체 분자 서열을 결정하기 위한 장치 및 그의 용도{Device for determining monomer molecule sequence of polymer comprising different electrodes and use thereof}

이종 전극을 포함하는 중합체의 단량체 분자 서열을 결정하기 위한 장치 및 중합체의 단량체 분자 서열을 효율적으로 결정하는 방법에 관한 것이다.

생물중합체의 단량체의 일차 서열을 결정하기 위한 연구가 진행되었다. 단량체의 서열을 확인하는 경우, 생물중합체의 기능을 확인하는데 있어 내재적인 것이다. 빠르고, 신뢰성 있고, 값싸게 중합체, 특히 핵산의 특성을 확인하는 것은 점차 중요해지고 있다. 전형적인 현재의 핵산 서열분석은 특이적 염기에서 잘려진 다중 길이 DNA 단편을 생성하는 화학적 반응, 특이적 염기에서 종결되는 다중 길이 DNA 단편을 생성하는 효소적 반응에 의존한다.

최근에는, 천연 또는 인간이 만든 나노포어의 개발에 의하여 핵산의 분자 서열을 결정하는 것이 연구되고 있다. 나노포어 서열결정에 있어서, 단일가닥 DNA는 적절한 용액 중에서 나노포어를 통하여 통과하고, 개별 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 환경의 물질적 변화가 물리적으로 감지된다. 예를 들면, 나노포어를 갖는 막이 용액 중의 두 챔버를 분리하고, 그 사이에 전압이 인가된다. 나노포어를 통한 두 챔버 사이의 용액 중의 이온 전류가 나노포어 내에 DNA의 존재를 모니터링하기 위하여 사용된다. 단일가닥 DNA가 나노포어에 있는 경우, 나노포어를 부분적으로 차단하여 두 챔버 사이의 이온 전류를 감소시킨다.

생물분자와 같은 중합체의 확인 및/또는 서열결정을 위한 계속적인 요구가 당업계에 존재하고 있다.

일 구체예는 중합체의 단량체 분자 서열을 효율적으로 결정하기 위한 장치를 제공한다.

다른 구체예는 중합체의 단량체 분자 서열을 효율적으로 결정하는 방법을 제공한다.

일 양상은 그 사이의 갭에 의하여 분리된 한 쌍의 제1 물질로 구성된 제1 전극; 그 사이의 갭에 의하여 분리된 하나 이상의 한 쌍의 제2 전극으로서, 제2 전극은 제1 전극과는 다른 전기적 특성을 갖는 재질로 되어 있고, 제1 전극과 제2 전극은 그 사이에 갭에 의하여 분리된 한 쌍의 절연물질을 매개하여 상기 갭들이 서로 대응되게 적층되어, 중합체가 이동될 수 있도록 하는 통로를 형성하는 것인 제2 전극; 제1 전극과 제2 전극에 각각 연결된 전기적 신호 검출기; 중합체를 상기 통로 중에 위치시키기 위한 수단; 및 상기 통로 중에 위치된 중합체를 회전 또는 좌우 이동시키기 위한 수단을 포함하는, 중합체의 단량체 분자 서열을 결정하기 위한 장치를 제공한다.

상기 통로는 중합체가 통과할 수 있는 단면 길이를 갖는 것일 수 있다. 상기 중합체는 핵산 또는 단백질일 수 있다. 핵산은 DNA, RNA 또는 이들의 키메라 분자일 수 있다. 상기 중합체의 단량체 분자는 중합체를 구성하는 기본 빌딩블록으로서, 핵산의 경우 뉴클레오티드 또는 염기, 단백질의 경우 아미노산일 수 있다. 상기 통로는 하나의 상기 중합체 분자가 통과할 수 있을 정도의 단면 길이를 갖는 것일 수 있다. 상기 중합체는 일 말단 또는 양 말단이 나노입자 또는 마이크로입자가 결합된 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 통로의 단면의 길이는 약 10nm이하, 예를 들면, 약 1nm 내지 약 10nm, 약 1 내지 약 8 nm, 약 1 내지 약 6 nm, 약 2 내지 약 10 nm, 약 3 내지 약 10 nm, 약 1nm 내지 약 5nm, 약 1 내지 약 4 nm, 약 1 내지 약 3 nm, 약 2 내지 약 5 nm, 또는 약 3 내지 약 5 nm일 수 있다. 상기 통로의 단면의 모양은 원형 또는 다각형의 모양을 가질 수 있다. 원형인 경우, 상기 단면의 길이는 직경을 의미한다. 상기 통로는 그 길이 방향에 대하여 전부 또는 일부가 개방된 형태의 것이거나, 전부 또는 일부가 폐쇄된 포어 또는 채널, 예를 들면, 나노포어 또는 나노채널의 형태를 갖는 것일 수 있다. 상기 나노입자 또는 마이크로입자는 비드, 구, 다각기둥 등의 다양한 모양을 가질 수 있다. 상기 나노입자 또는 마이크로입자는 자성 입자, 예를 들면 금속 재질을 포함하는 것일 수 있다. 상기 나노입자 또는 마이크로입자는 상기 통로를 통과할 수 없는 단면 길이를 갖는 것일 수 있다.

제1 전극과 제2 전극은 다른 전기적 특성을 가질 수 있다. 따라서, 중합체가 통로 중에 위치하거나 통과하는 경우, 제1 전극과 제2 전극은 중합체의 단량체 분자에 따른 각각 다른 전기적 신호를 생성할 수 있다. 제1 전극과 제2 전극은 각각 중합체의 단량체 분자 모두를 구분할 수 있는 전기적 신호를 생성하는 것일 수 있다. 또한, 비록 제1 전극과 제2 전극은 각각 중합체의 단량체 분자 모두를 구분할 수 있는 전기적 신호를 생성하지는 못하지만, 제1 전극의 전기적 신호에 의하여 구분되지 않은 일부 단량체 분자는 제2 전극의 전기적 신호에 의하여 구분되도록 하는 것일 수 있다. 즉, 제1 전극과 제2 전극은 각각 그 전기적 신호에 의하여 중합체의 단량체 분자 모두를 구분할 수 있도록 조합된 것일 수 있다. 또한, 제1 전극을 구성하는 한 쌍의 전극은 서로 다른 재질로 된 것일 수 있다. 또한, 제2 전극을 구성하는 한 쌍의 전극은 서로 다른 재질로 된 것일 수 있다. 제1 전극과 제2 전극이 다른 전기적 특성을 갖는다는 것은 제1 전극과 제2 전극이 서로 다른 재질의 물질로 되어 있는 것뿐만 아니라, 서로 다른 전극의 조합으로 이루어진 것을 포함한다. 예를 들면, 제1 전극은 그래핀 전극-그래핀 전극, 또는 그래핀 전극-금 전극의 조합으로 되어 있으나, 제2 전극은 그래핀 전극-금 전극, 또는 금 전극-금 전극의 조합으로 되어 있는 경우, 제1 전극과 제2 전극은 모두 그래핀 전극 또는 금 전극을 가지고 있지만 그 조합이 다르기 때문에 전기적 특성이 다를 수 있다. 제1 전극과 제2 전극은 통로의 내부 벽면을 모두 둘러싸는 것이 아니라, 통로의 내부 벽면 상에서 분리되어 있는 것일 수 있다.

제1 전극은 탄소 소재 전극, 금속 전극 또는 이들의 조합이고, 제2 전극은 탄소 소재 전극, 금속 전극 또는 이들의 조합일 수 있다. 탄소 소재 전극은 그래핀 전극 또는 탄소나노튜브 (CNT) 전극일 수 있다. 탄소 소재 전극은 그 가장자리(edge)가 변형되어 있는 것일 수 있다. 예를 들면, 수소화되어 있는 것, 예를 들면, H-타입 그래핀 전극이거나, 산화되어 있는 것, 예를 들면, 가장 자리에 히드록실기 (OH 타입), 락톤기, 케톤기, 에테르기 또는 이들의 조합을 갖는 것일 수 있다. 제1 전극과 제2 전극은 H 타입 탄소 소재 전극과 산화된 탄소 소재 전극 (예, OH 타입)의 조합에 의하여 서로 다른 것일 수 있다. 금속 전극은 금, 은, 백금, 구리, 납, 크롬, 티타늄, 니켈, 아연 철, 주석 또는 이들의 조합일 수 있다. 일 구체예에서, 제1 전극은 그래핀 전극 또는 금 전극이고, 제2 전극은 금 전극 또는 그래핀 전극일 수 있다.

상기 절연물질은 유기 절연물질, 무기 절연물질 및 이들 조합으로부터 선택된 것일 수 있다. 유기 절연물질은 엘라스토머, 중합체 물질, 셀룰로즈 물질 및 지질 물질 (lipidic material)로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다. 무기 절연물질은 유리, 미네랄 옥시드 (예, SiO₂) 및 니트리드 (예, 실리콘 니트리드)로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다.

제1 전극, 절연물질 및 제2 전극의 적층체는 그 두께를 관통하여 형성된 상기 통로를 갖는다. 상기 적층체는 중합체가 도입되는 상기 통로의 제1 측면 및 상기 중합체가 통로부터 방출되는 상기 통로의 제2 측면을 갖는다. 상기 장치는 제1 측면 및 제2 측면 중 하나 이상의 측면에 대하여 통로의 길이 방향으로 이동가능하게 배치되고 중합체를 고정화시킬 수 있는 기판을 더 포함할 수 있다. "중합체를 고정화시킬 수 있는 기판"이란 기판 표면상에 중합체와 결합할 수 있는 특이 또는 비특이적 모이어티를 갖는 것을 나타낸다. 예를 들면, 상기 중합체는 3'-말단 및 5'-말단 중 하나 이상의 말단에 히드록실기 또는 포스페이트기를 갖는 핵산이고, 상기 기판은 표면에 히드록실기 및 포스페이트기 중 하나 이상에 결합할 수 있는 모이어티를 갖는 것일 수 있다. 또한, 예를 들면, 상기 중합체는 3'-말단 및 5'-말단 중 하나 이상의 말단에 티올기를 갖는 핵산이고, 상기 기판은 표면에 티올기와 결합할 수 있는 특성을 가진 금 전극일 수 있다. "이동가능하게 배치"는 슬라이딩 이동가능하게 배치된 것을 포함한다.

상기 장치에 있어서, 전기적 신호 검출기는 전류, 전압, 저항, 임피던스 또는 이들의 조합을 검출하는 것일 수 있다. 전기적 신호 검출기는 예를 들면, 중합체가 통로에 유지되고 있거나 통과하는 경우 발생하는 터널 전류 (tunneling current)를 검출하기 위한 것일 수 있다.

상기 장치에 있어서, 중합체를 상기 통로 중에 위치시키기 위한 수단은 중합체를 상기 통로로 이동시킬 수 있는 수단을 나타낸다. 상기 수단은 예를 들면, 전기장 제공 수단, 기계적 압력 제공 수단, 광학 트위저, 자성 트위저 또는 이들의 조합인 것일 수 있다. 전기장 제공 수단은 예를 들면, 통로의 제1 측면과 제2 측면을 향하여 각각 배치된 한 쌍의 전극과 그에 각각 연결된 전원을 포함하는 것일 수 있다. 기계적 압력 제공 수단은 예를 들면, 통로의 제1 측면과 제2 측면에 각각 압력을 제공할 수 있도록 배치된 펌프를 포함하는 것일 수 있다. 또한, 광학 트위저, 자성 트위저 또는 이들의 조합은 통로의 제1 측면과 제2 측면 중 하나 이상을 향하여 각각 배치될 수 있다.

중합체를 상기 통로 중에 위치시키기 위한 수단은 상기 기판에 있는 통로의 측면의 나머지 다른 측면을 향하여 배치된 것일 수 있다.

상기 장치에 있어서, 상기 통로 중에 위치된 중합체를 회전 또는 좌우 이동시키기 위한 수단은 광학 트위저, 자성 트위저 또는 이들의 조합인 것일 수 있다. 상기 수단은 통로의 제1 측면 및 제2 측면 중 하나 이상을 향하여 배치될 수 있다. 중합체를 회전 또는 좌우 이동시키기 위한 수단은 중합체를 상기 통로 중에 위치시키기 위한 수단과 동일하거나 다를 수 있다.

상기 장치는, 전기적 신호 검출기에 전기적으로 연결되어 있고, 제1 전극으로부터 얻어진 신호에 대하여 중합체의 단량체 분자에 따른 신호 강도의 제1 특정 임계값을 설정하고 그 이상의 값에 해당하는 신호로부터 상기 단량체 종류를 확인하는 단계; 및 제2 전극으로부터 얻어진 신호에 대하여 중합체의 단량체 분자에 따른 신호 강도의 제2 특정 임계값을 설정하고 그 이상의 값에 해당하는 신호로부터 상기 단량체 종류를 확인하는 단계를 포함하는 방법에 의하여 중합체의 단량체 서열을 결정하도록 하는 컴퓨터 판독가능한 프로그램이 저장된 저장 매체를 포함하는 신호 처리기를 더 포함할 수 있다. 신호 처리기는 마이크로프로세서를 포함한 컴퓨터일 수 있다. 상기 신호는 중합체의 회전 또는 좌우이동에 따른 이동각 또는 이동거리에 따른 신호의 평균값을 포함하는 것일 수 있다. 상기 회전 또는 좌우이동은 상기 중합체를 통로 중에 유지한 상태에서 이루어지는 것일 수 있다. 상기 중합체를 통로 중에 유지하는 것은 중합체의 일 말단은 기판 표면에 고정화하고 다른 말단은 미세입자에 고정시켜, 미세입자에 광학 또는 자기적 트위저에 의하여 광학 또는 자기적 힘을 인가함으로써 이루어질 수 있다.

일 구체예에서, 상기 장치는 제1 전극은 그래핀 전극이고, 제2 전극은 금 전극인 것일 수 있다. 상기 중합체는 DNA이고, 제1 전극으로부터 얻어진 신호에 대하여 중합체의 단량체 분자에 따른 신호 강도의 제1 특정 임계값 (threshold value)을 1pA로 설정하고 그 이상의 값에 해당하는 신호로부터 가장 높은 신호 값 (이하 1위 값이라 함) (예를 들면, G) 및 그 다음 높은 값 (2위 값이라 함)(예를 들면, T)에 해당하는 단량체 분자를 확인하고, 제2 전극으로부터 얻어진 신호에 대하여 중합체의 단량체 분자에 따른 신호 강도의 제2 특정 임계값을 예를 들면, 1pA로 설정하고 그 이상의 값에 해당하는 신호로부터 단량체 분자의 종류를 A로 확인하는 단계를 포함하는 방법에 의하여 중합체의 단량체 서열을 결정하도록 하는 컴퓨터 판독가능한 프로그램이 저장된 저장 매체를 포함하는 신호 처리기를 더 포함할 수 있다.

상기 장치는 입구 및 출구가 마이크로채널에 의하여 유체소통가능하게 연결된 미세유동장치일 수 있다. 또한, 상기 장치는 상기 통로의 길이 방향의 일 측면과 접촉하고 통로에 위치된 중합체를 담을 제1 용기 및 상기 통로의 길이 방향의 일 측면의 반대편 측면과 접촉하고 통로로부터 방출되는 중합체를 담을 제2 용기를 포함할 수 있다. 상기 적층체는 상기 제1 용기 및 제2 용기 중 하나 이상의 일부를 구성하는 것일 수 있다.

다른 양상은 중합체의 단량체 분자들을 통로 중에 위치시키는 단계로서, 상기 통로는 그 사이의 갭에 의하여 분리된 한 쌍의 제1 물질로 구성된 제1 전극; 그 사이의 갭에 의하여 분리된 하나 이상의 한 쌍의 제2 전극으로서, 제2 전극은 제1 전극과는 다른 전기적 특성을 갖는 재질로 되어 있고, 제1 전극과 제2 전극은 그 사이에 갭에 의하여 분리된 한 쌍의 절연물질을 매개하여 상기 갭들이 서로 대응되게 적층되어, 중합체가 이동될 수 있도록 하는 통로가 형성된 것인 단계; 제1 전극 및 제2 전극으로부터 각각 전기적 신호를 검출하는 단계; 제1 전극으로부터 얻어진 신호에 대하여 중합체의 단량체 분자에 따른 신호 강도의 제1 특정 임계값 (threshold value)을 설정하고 그 이상의 값에 해당하는 신호로부터 단량체 분자의 종류를 확인하고, 제2 전극으로부터 얻어진 신호에 대하여 중합체의 단량체 분자에 따른 신호 강도의 제2 특정 임계값을 설정하고 그 이상의 값에 해당하는 신호로부터 단량체 분자의 종류를 확인하는 단계; 및 제1 전극 신호로부터 확인된 단량체 분자의 종류와 제2 전극 신호로부터 확인된 단량체 분자의 종류를 조합하여 중합체의 단량체 분자 서열을 결정하는 단계를 포함하는, 중합체의 단량체 분자 서열을 결정하는 방법을 제공한다.

상기 방법은 중합체의 단량체 분자들을 통로 중에 위치시키는 단계로서, 상기 통로는 그 사이의 갭에 의하여 분리된 한 쌍의 제1 물질로 구성된 제1 전극; 그 사이의 갭에 의하여 분리된 하나 이상의 한 쌍의 제2 전극으로서, 제2 전극은 제1 전극과는 다른 전기적 특성을 갖는 재질로 되어 있고, 제1 전극과 제2 전극은 그 사이에 갭에 의하여 분리된 한 쌍의 절연물질을 매개하여 상기 갭들이 서로 대응되게 적층되어, 중합체가 이동될 수 있도록 하는 통로가 형성된 것인 단계를 포함한다.

제1 전극, 제2 전극, 절연물질, 이들의 적층체 및 중합체에 대하여는 상기한 바와 같다. 또한, 상기 적층체는 상기 장치에 구현된 것일 수 있다.

상기 위치시키는 단계는, 통로의 길이 방향에 대하여 전압을 인가하는 것, 예를 들면, 통로의 제1 측면에는 (-) 전압을 인가하고 제2 측면에는 (+) 전압을 인가하여 전기영동 힘에 의하여 통로로 이동하도록 하는 것일 수 있다. 또한, 통로의 길이 방향에 대하여 기계적 압력을 인가하는 것, 예를 들면, 통로의 제1 측면에는 양압을 인가하고 제2 측면에는 음압을 인가하여 통로로 이동하도록 하는 것일 수 있다. 상기 압력은 펌프, 공기압 등을 이용할 수 있다. 또한, 광학 트위저 또는 자기적 트위저를 사용하여 중합체를 직접적으로 통로로 위치시키는 것일 수 있다.

상기 위치시키는 단계는 중합체를 통로 중에 유지하는 (holding) 단계 또는 통로를 통하여 중합체를 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 중합체를 통로 중에 유지하는 것은 중합체의 일 말단은 상기 기판 표면에 고정화하고 다른 말단은 미세입자에 고정시켜, 미세입자에 광학 또는 자기적 트위저에 의하여 광학 또는 자기적 힘을 인가함으로써 이루어질 수 있다. 상기 위치시키는 단계는 한 번에 하나의 중합체를 위치시키는 것일 수 있다. 중합체는 DNA, RNA 또는 이들의 조합체일 수 있다.

상기 유지하는 단계는 광학 트위저 또는 자성 트위저를 사용하여 통로 중의 특정 위치에 유지하는 것일 수 있다.

상기 방법에 있어서, 상기 중합체는 제1 말단과 그의 맞은편 말단 중 하나 이상의 위치에 마이크로입자가 고정되어 있어 광학 트위저 또는 자성 트위저에 의하여 이동될 수 있는 것일 수 있다. 상기 마이크로입자는 비드, 구, 다각기둥 등의 다양한 모양을 가질 수 있다. 상기 마이크로입자는 자성 입자일 수 있다. 상기 마이크로입자는 상기 통로를 통과할 수 없는 단면 길이를 갖는 것일 수 있다.

상기 방법은 상기 통로는 중합체가 도입되는 제1 측면 및 상기 중합체가 통로부터 방출되는 제2 측면을 갖고, 제1 측면 또는 제2 측면에 대하여 통로의 길이 방향으로 이동가능한 기판에 중합체를 고정화하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 고정화는 상기 유지하는 단계 전, 동시에 또는 그 후에 수행될 수 있다.

상기 방법은 제1 전극 및 제2 전극으로부터 각각 전기적 신호를 검출하는 단계를 포함한다. 전기적 신호는 전류, 전압, 저항, 임피던스 또는 이들의 조합을 검출하는 것일 수 있다. 전기적 신호는 예를 들면, 중합체가 통로에 유지되고 있거나 통과하는 경우 발생하는 터널 전류 (tunneling current)를 검출하기 위한 것일 수 있다.

상기 방법에 있어서, 전기적 신호를 검출하는 단계는 중합체를 회전 또는 좌우이동시키면서 이동각 또는 이동거리에 따른 신호를 검출하고 검출된 신호를 이동각 또는 이동거리에 따른 평균값을 구하는 단계를 포함하는 것일 수 있다. 회전 또는 좌우이동은 광학 트위저 또는 자기적 트위저에 의하여 수행될 수 있다. 또한, 회전 또는 좌우이동은 중합체의 일 말단 또는 양 말단에 결합된 마이크로입자에 광학적 또는 자기적 힘을 가함으로써 수행될 수 있다. 이 경우, 중합체의 일 말단 또는 양 말단은 통로의 길이 방향에 대하여 이동가능하게 배치된 기판에 고정되어 있는 것일 수 있다. 이러한 고정에 의하여 회전 또는 좌우이동하기 전의 중합체의 표준 위치를 결정할 수 있다.

상기 방법은 제1 전극으로부터 얻어진 신호에 대하여 중합체의 단량체 분자에 따른 신호 강도의 제1 특정 임계값 (threshold value)을 설정하고 그 이상의 값에 해당하는 신호로부터 단량체 분자의 종류를 확인하고, 제2 전극으로부터 얻어진 신호에 대하여 중합체의 단량체 분자에 따른 신호 강도의 제2 특정 임계값을 설정하고 그 이상의 값에 해당하는 신호로부터 단량체 분자의 종류를 확인하는 단계를 포함한다. 제1 특정 임계값은 제1 전극을 사용하여 알려진 각 단량체 분자에 대하여 얻어진 전기적 신호로부터 얻어지는 것일 수 있다. 예를 들면, 제1 전극을 사용하여 알려진 각 단량체 분자에 대하여 얻어진 전기적 신호 중 특정 단량체 분자의 구분이 용이하게 이루어지는 신호값을 임계값으로 선택하는 것일 수 있다. 그 결과, 제1 특정 임계값보다 낮은 값을 갖는 신호는 단량체 분자를 확인하는데 사용하지 않고 버릴 수 있다. 동일하게, 제2 특정 임계값은 제2 전극을 사용하여 알려진 각 단량체 분자에 대하여 얻어진 전기적 신호로부터 얻어지는 것일 수 있다. 예를 들면, 제2 전극을 사용하여 알려진 각 단량체 분자에 대하여 얻어진 전기적 신호 중 특정 단량체 분자의 구분이 용이하게 이루어지는 신호값을 임계값으로 선택하는 것일 수 있다. 그 결과, 제1 전극 및 제2 전극 신호 각각은 단량체 분자 모두를 구분하지 못하더라도 이들을 조합함으로써, 단량체 분자 모두를 구분할 수도 있다. 예를 들면, 제1 전극은 그래핀 전극이고, 그래핀 전극을 사용하는 경우, DNA의 4개 염기 즉, A, T, G 및 C는 G > T >> C > A의 순서로 터널링 전류의 세기가 검출될 수 있다. 또한, 제2 전극은 금 전극이고, 금 전극을 사용하는 경우, DNA의 4개 염기 즉, A, T, G 및 C는 A > G > C > T의 순서로 터널링 전류의 세기가 검출될 수 있다. 따라서, 제1 특정 임계값은 C에 대한 신호값보다 높은 값으로 설정하여, 이 값보다 높은 신호로부터 G와 T를 구분할 수 있다. 이 경우, 중합체의 회전 또는 좌우이동에 따라 얻어진 신호를 사용함으로써, G와 T를 더 확실하게 구분할 수 있다. 다음으로, 제2 특정 임계값은 C에 대한 신호값보다 높은 값으로 설정하여, 이 값보다 높은 신호로부터 A와 G를 구분할 수 있다. 이 경우, 중합체의 회전 또는 좌우이동에 따라 얻어진 신호를 사용함으로써, A와 G를 더 확실하게 구분할 수 있다. 분석되지 않은 C는 제1 전극과 제2 전극에서 얻어진 신호의 조합에 의하여 얻어진 A,T,및 G로 구성된 서열을 확립하고, 확인되지 않은 신호에 대하여는 C인 것으로 결정할 수 있다. 이들 서열의 결정은 통로의 통과 시간에 따라 비교함으로써 얻어질 수 있다.

일 구체예에 따른 중합체의 단량체 분자 서열을 결정하기 위한 장치에 의하면, 중합체의 단량체 분자의 서열을 효율적으로 결정하는데 사용될 수 있다.

일 구체예에 따른 중합체의 단량체 분자 서열을 결정하는 방법에 의하면, 중합체의 단량체 분자의 서열을 효율적으로 결정할 수 있다.

도 1은 일 구체예에 따른 중합체의 단량체 분자 서열을 결정하기 위한 장치의 예를 나타낸다.
도 2는 일 구체예에 따른 중합체의 단량체 분자 서열을 결정하기 위한 장치의 다른 예를 나타낸다.
도 3은 그래핀 전극 사이의 갭에 위치하는 뉴클레오티드의 염기를 도시한 것이다.
도 4는 DNA의 회전에 따른 전류 값의 변화를 나타낸 도면이다.
도 5는 케톤-지그재그 그래핀(ZGNR) 전극에 대한 gap-edge 말단화의 두 개 타입을 나타낸 도면이다.
도 6은 H-ZGNR과 케톤-ZGNR 사이의 전도도를 비교한 도면이다.
도 7은 30° 단위의 -90°내지 +90°사이의 (a) A, (b) C, (c) G, 및 (d) T의 회전에 대한 H-gap에 사이에 위치한 DNA 염기의 제로-바이어스 투과를 나타낸 도면이다.
도 8은 30°단위의 -90°내지 +90°사이의 (a) A, (b) C, (c) G, 및 (d) T의 회전에 대한 cis OH/H-gap에 위치한 DNA 염기의 제로-바이어스 투과를 나타낸 도면이다.
도 9는 30°단위의 -90°내지 +90°사이의 (a) A, (b) C, (c) G, 및 (d) T의 회전에 대한 trans OH/H-gap에 위치한 DNA 염기의 제로-바이어스 투과를 나타낸 도면이다.
도 10은 (a) H-말단화 gap-edges, (b) cis-type OH/H-말단화 gap-edge, 및 (c) trans-type OH/H-말단화 gap-edge 사이에 위치한 4개 DNA 염기의 제로-바이어스 전도도를 나타낸 도면이다.
도 11은 (a) C, 및 (b) G를 5°단위의 회전에 대한 cis OH/H-gap 사이에 위치한 DNA 염기의 제로-바이어스 투과를 나타낸 도면이다.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예1 : 중합체의 단량체 분자 서열을 결정하기 위한 장치

도 1은 일 구체예에 따른 중합체의 단량체 분자 서열을 결정하기 위한 장치의 예를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 중합체의 단량체 분자 서열을 결정하기 위한 장치는 그 사이의 갭 (70)에 의하여 분리된 한 쌍의 제1 물질로 구성된 제1 전극 (10); 그 사이의 갭(70)에 의하여 분리된 하나 이상의 한 쌍의 제2 전극 (20)으로서, 제2 전극은 제1 전극과는 다른 전기적 특성을 갖는 재질로 되어 있고, 제1 전극과 제2 전극은 그 사이에 갭에 의하여 분리된 한 쌍의 절연물질 (30)을 매개하여 상기 갭들이 서로 대응되게 적층되어, 중합체가 이동될 수 있도록 하는 통로 (70)를 형성하는 것인 제2 전극; 제1 전극과 제2 전극에 각각 연결된 전기적 신호 검출기 (A, 또는 V); 중합체를 상기 통로 중에 위치시키기 위한 수단 (80,90); 및 상기 통로 중에 위치된 중합체를 회전 또는 좌우 이동시키기 위한 수단을 포함한다. 중합체를 상기 통로 중에 위치시키기 위한 수단 (80,90)은 전압 바이어스를 통로 양측면에 제공하기 위한 한 쌍의 전극일 수 있다. 절연물질 (30, 40, 50)은 제1 전극 및 제2 전극 사이뿐만 아니라 제1 전극의 상면과 제2 전극의 하면에 위치할 수도 있다. 상기 장치는 지지 기판 (60)에 의하여 지지될 수 있다. 지지 기판 (60)은 실리콘으로 되어 있고, 절연물질 (30, 40, 50)은 실리콘 니트리드일 수 있다. 도 1의 장치는 알려진 미세구조물 제조 방법, 예를 들면, 포토리소그래피를 이용하여 제조될 수 있다.

도 2는 일 구체예에 따른 중합체의 단량체 분자 서열을 결정하기 위한 장치의 다른 예를 나타낸다. 도 2는 도 1의 장치의 일부와 함께 부가된 요소를 도식적으로 그린 것이다. 도 2를 참조하면, 중합체 (예, 핵산)(110)의 일 말단은 기판 (120)에 결합되어 있고, 다른 말단은 나노입자 또는 마이크로입자 (130)에 결합되어 있다. 상기 나노입자 또는 마크로입자는 자성 입자 또는 자성 비드일 수 있다. 상기 중합체 (예, 핵산)(110)는 트위저 (예, 자성 트위저) (100)에 의하여 회전 또는 좌우이동 또는 통로의 길이 방향으로 이동될 수 있다. 회전 또는 좌우이동은 상기 트위저 (예, 자성 트위저) (100)의 회전 또는 좌우이동에 의하여 이루어질 수 있다. 또한, 통로의 길이 방향으로 이동은 상기 트위저 (예, 자성 트위저) (100)와 기판 (120)의 상대적 이동에 의하여 이루어질 수 있다. 회전 또는 좌우이동 또는 통로의 길이 방향으로 이동이 이루어지는 동안, 이동각 또는 거리에 따른 전기적 신호를 전기적 신호 검출기 (A,또는 V)에 의하여 측정할 수 있다. 측정된 전기적 신호는 전기적 신호 검출기 (A,또는 V)에 연결된 신호 처리기 (미도시)에 의하여 처리될 수 있다. 상기 트위저는 광학 트위저일 수 있다. 광학 트위저는 고 굴절계수 (high refractive index)를 가진 투명한 유전체 (transparent dielectrics)에 대한 집중화된 빛 (focused light)을 인가함으로써 투명한 유전체를 이동시킬 수 있다. 나노입자 또는 마크로입자 (130)는 투명한 유전체일 수 있다. 또한, 파이조 조절 (piezo-control)을 이용하여 나노입자 또는 마크로입자 (130)를 상하 좌우 방향으로 이동시키거나 전극 구조를 상대적으로 이동시킬 수 있다.

도 2의 장치에서, 자성 트위저 또는 광학 트위저는 알려진 것일 수 있다. 또한, 전기적 신호 검출은 예를 들면, 세포 막의 미세 전기 신호 측정에 사용되는 Axopatch를 사용하는 것이 포함될 수 있다. 측정된 신호에 대하여, 한 회전에 걸리는 실시간 전류 값을 평균하는 데이터 처리기를 더 포함하도록 배치된 것일 수 있다.

일 구체예에 따른 장치에 의하면, 2 종류의 전극만을 사용하여 핵산의 염기서열을 구분할 수 있다. 또한, 통계적 시료 처리가 단일 중합체 분자에 대하여 특정 위치에서의 전류값 뿐만 아니라 회전각에 따른 전류값을 이용하여 중합체의 단량체 분자의 서열을 결정할 수 있기 때문에 얻어진 서열에 대한 신뢰도를 높일 수 있다. 트위저와 같은 제어 장치를 사용하는 일 구체예의 경우, 핵산 가닥의 움직임 또는 속도를 제어할 수 있다. 또한 트위저에 의하여 중합체 (예, 핵산)를 펼칠 수 있기 때문에 전해질 용액뿐만 아니라 물과 같은 비전해질 중에서도 측정이 가능하여, 측정 중에 발생하는 이온에 의한 노이즈를 감소시킬 수 있다.

실시예2 : 지그재그 그래핀 나노리본 전극 사이를 통과하는 DNA 의 염기에 따른 전류 계산

본 실시예에서는 그 사이의 갭에 의하여 분리된 한 쌍의 제1 물질로 구성된 제1 전극을 포함하는 중합체의 단량체 분자 서열을 결정하기 위한 장치의 상기 갭을 통하여 DNA를 통과시키고, DNA 염기에 따른 전류를 모사 (quantum tunneling simulation)에 의하여 계산하였다. 전극 사이의 간격 (갭)은 1 nm이었으며, 제1 전극은 지그재그 그래핀 나노리본 전극을 사용하였다. 상기 갭은 포어(pore)가 아니라, 한쪽 방향이 개방된 형태의 막 (membrane)의 중간에 내재되었다. 전류 측정은 제1 전극의 갭 사이에 1V의 바이어스 전압을 인가한 상태에서, DNA의 염기의 회전에 따른 전류를 계산하였다. 양자 수송 전류 계산은 Landauer 식 (1)에 의하여 계산하였다. 식 (1)에서 V는 바이어스 전압이고, T(V,E)는 전자 투과 확률, f(E-μ)는 chemical potential μ를 기준으로 에너지 E에 관한 Fermi-Dirac 분포 함수, e는 전자 하나의 전하량, h는 플랑크 상수이다.

(1)

식(1)을 계산하기 위하여 밀도 관능 이론-비평형 그린 함수 (density functional theory-nonequilibrium Green's function : DFT-NEGF) 방법이 내재된 Siesta 시뮬레이션 패키지의 TranSIESTA 모듈을 활용하였다. 이때 DFT는 GGA-PBE, 모든 원자의 basis는 double zeta-polarized (DZP), 100Ry cutoff energy를 고려하여 계산하였다. 예를 들어, G의 기준 각도에서 계산시 사용된 시스템 또는 변수를 도 3b에 나타낸 바와 같다.

도 3a는 그래핀 전극 사이의 갭에 위치하는 뉴클레오티드의 염기를 도시한 것이다. 도 3에서, A, C, G, 및 T는 DNA 염기인 아데닌, 시토신, 구아닌 및 티민을 나타내며, 회전 각도 0°인 표준 위치에서의 모양을 나타낸다. 표준 위치에서 상기 염기를 시계 방향으로 회전시키는 경우, (-) 회전각을 부여하고, 반시계 방향으로 회전하는 경우, (+) 회전각을 부여하였다.

도 3b는 도 3a에서, G의 기준 각도에서 계산시 사용된 시스템 또는 변수는 나타낸 도면이다. 도 3b에서, a는 갭 이외의 부분의 그래핀의 길이로서, 6 단위 (unit cell)로 이루어진 1.68nm이고 이중 2개 단위 (unit)는 주기 경계 조건 (periodic boundary condition)에 의해 무한 반복되는 전극 계산에 활용되었다. b는 갭 직경으로서 1nm이며, c는 그래핀 전극의 통로의 길이 방향 길이로서 1.84nm이며, d는 갭을 포함한 전극 방향의 시스템 사이즈로 4.47nm이다. 도 3b에서, 빨간색 부분은 산소를 나타내고, 흰색 부분은 수소를 나타내고, 보라색 부분은 질소를 나타내고, 회색 부분은 탄소를 나타낸다.

도 4는 DNA의 회전에 따른 전류 값의 변화를 나타낸 도면이다. 회전은 -90°에서 +90°까지 회전되었다. 비록 특정한 위치에서 각각 염기는 서로 구분되지 않더라도, 회전각에 따른 전류 값을 적분하고 이를 평균한 값은 서로 구분될 수도 있다. 따라서, 특정 위치에서의 전류값과 회전각에 따른 전류값의 평균값을 구함으로써 DNA의 염기 서열을 결정할 수 있다. 회전각의 범위는 예를 들면, -30°내지 +30°, -60°내지 +60°, -90°내지 +90°와 같이 선택되는 전극의 종류, 그 조합, 선택된 핵산의 종류 등에 따라 적합하게 선택할 수 있다.

(1) 실험 방법

Fermi-에너지에서의 제로-바이어스 투과 (zero-bias transmission) T(E) 및 상쇄 양자 간섭 (destructive quantum interference: DQI)로부터 유래되는 투과 함몰 (transimission dips)에 집중함으로써 각 DNA 염기의 횡단 전도도 (transverse conductance)의 모양 및 크기 변화를 조사하였다. 전극에 대하여 DNA가 회전하거나 이동함(translate)에 따라, 양자 간섭은 보강적 (constructively) 또는 상쇄적으로 (desctructively) 각 염기의 터널링 전도도에 영향을 미친다. 도 5는 케톤- 지그재그 그래핀(ZGNR) 전극에 대한 gap-edge 말단화의 두 개 타입을 나타낸 도면이다. 도 5a는 대칭 케톤-히드록실 gap-edge(symmetric ketone-hydroxyl gap-edge)를 나타내고, 도 5b는 비대칭 케톤-히드록실 gap-edge(asymmetric ketone-hydroxyl gap-edge)를 나타낸다. 도 5a 및 5b에서, 빨간색 부분은 산소를 나타내고, 흰색 부분은 수소를 나타내고, 보라색 부분은 질소를 나타내고, 회색 부분은 탄소를 나타낸다. 도 5a의 거울상 대칭 구조 (mirror symmetric configuration)의 나노포어-가장자리 ZGNR 쌍을 시스 (cis)라 하고, 도 5b의 비대칭 구조 (asymmetric configuration)의 나노포어-가장자리 ZGNR쌍을 트란스 (trans)라고 한다.

도 6은 H-ZGNR과 케톤-ZGNR 사이의 전도도를 비교한 도면이다. 도 6에서 (a)는 두 다른 지그재그-가장자리 (zigzag-edge) 말단에 대한 완전한 지그재그 그래핀(ZGNR)을 나타낸다. 파란색은 H-말단화 ZGNR에 대한 전도도를 나타내고, 붉은색은 O-말단화 ZGNR에 대한 전도도를 나타낸다. 완전한 지그재그 그래핀(ZGNR)의 중앙을 잘랐을 때, 암체어 갭-가장자리는 (b) H-말단화, 및 (c) O-말단화에 대한 수소로 말단화된 지그재그 그래핀(ZGNR) 전극이 없지며, (b)와 (c)는 얻어진 지그재그 그래핀(ZGNR) 전극에 대한 전도도를 나타낸다. (d)는 다른 갭 거리에대한 O-지그재그 가장자리/케톤-히드록시 말단화된 캡-가장자리의 전기전도도를 나타낸다. 도 6에서, 빨간색은 산소를 나타내고, 흰색은 수소를 나타내고, 회색은 탄소를 나탠다.

나노포어의 ZGNR 사이에 위치하는 DNA 염기의 횡단 전도도 (transverse conductance)를 조사하기 위하여, 16개 탄소 원자와 2개 산소 원소로 구성된 단위세포 (unit cell)을 먼저 최적화하였다. 단위 세포를 14 배 연장시킴으로써, ZGNR이 구성되었고 길이 1.65nm와 폭 1.84nm을 가진 두 부분에 의하여 분리되었다. 양 가장자리는 OH 또는 H로 말단화되어 시스 또는 트란스 타입을 형성하였다. 나노포어-ZGNR 쌍은 초기에 relaxation을 위하여 2nm에 의하여 서로 분리되었다. 최적화된 반은 재위치되어 1nm의 최종 좌포 (final coordinate)를 형성하였다. 결과적으로, ZGNR 전극의 시스템을 위한 수퍼셀의 차원은 x, y, 및 z 방향으로 각각 41.92nm x 25nm x 4.59nm이었다. Z 축은 횡단 전류 및 수송 (transports)의 방향으로 선택되었다. 마지막으로, 4개 DNA 염기-A, T, G, C가 두 전극 사이의 1nm 갭 내에 위치되었다.

각 염기의 배향 (orientations)을 30°씩 90°내지 -90°까지 평면 (x-z)에 대하여 노말 축 (y) 둘레를 회전시켰다. 모든 최적화는 SIESTA 패키지에 구현된 밀도 함수 이론 (density functional theory : DFT, GGA-PBE)에 기초하여 이루어졌다. 이중 제타-분극화된 베이시스 (Double zeta-polarized (DZP) basis)를 모든 원자에 대하여 채용하였으며, 100 Ry가 컷오프 에너지인 것으로 고려하였다. 양자 수송 계산 (quantum transport calculation)에 대하여, 본 발명자들은 Landauer approach에 기초한 SIESTA 패키지의 TranSIESTA module 내에 구현된 DFT 기초된 NEFG 수식 (formalism)을 개작하였다.

(2) 염기 각도 의존성 전도도

cis/trans OH/H-gap 관능화에 대한 논의 전에, H-gap ketone-ZGNR에 대한 A, C, G 및 T의 제로-바이어스 투과 T(E)가 표준 (reference)으로서 먼저 조사되었다. 도 7은 30°단위의 -90°내지 +90°사이의 (a) A, (b) C, (c) G, 및 (d) T의 회전에 대한 H-gap에 사이에 위치한 DNA 염기의 제로-바이어스 투과를 나타낸 도면이다.

A의 경우, Fermi-level 근처의 투과는 10 크기 범위 내에서 변한다(an order of magnitude)(도 7a). 반면, G에 대한 투과는 10² 크기 (two orders of magnitude)까지 변동하였다 (도 7c). 변동의 기원은 전방 HOMO 피크 이동 (frontier HOMO peak shifts)에서 나타낸 바와 같이 G와 전극 사이의 강한 커플링 효과로 해석될 수 있다. 총 시스템의 Fermi-energy (-4.88eV)와 분리된 G의 전방 HOMO 에너지 수준(-5.36eV)을 고려함으로써, 상기 에너지 이동의 양은 △min∼0.08eV<△<△max∼0.35eV에 의하여 일어났다 (도 7c). 최소 에너지 이동 △min은 표준 (0°)에 대하여 30°회전에 대하여 일어났고, 상기 이동은 피크 (broadened peak) (푸른선)에 의하여 나타낸 바와 같이, 큰 커플링 속도, Γmax와 상관되었다. -30°회전에 대한 최소 커플링 속도 Γmin은 △max과 명백하게 상관되었다 (금빛선). 대부분, T(Ef)는 전방 에너지 수준의 큰 이동 (△∼0.3eV)과 큰 커플링 속도 Γ(FWHM)∼0.1eV이 일어나는, 표준의 경우에 대하여 최소 값을 가진다 (초록선). 그러므로, 상기 표준 방향은 구아닌을 통한 투과에 대한 최적 자가 에너지(optimum self-energy)를 제공한다.

C를 통한 투과는 염기 각도에 따라 10³ (three orders of magnitude) 크기 차이로 변한다 (도 7(b)). 한편, T의 경우 10 크기 (an order of magnitude) 내에서만 변한다(도 7(d)). C와 T 사이의 차이는 산소의 수 즉, C 또는 G는 하나의 산소 원자를 가지고, T는 두 개 산소 원자를 갖는다. 이는 T의 전자 밀도가 두 개 산소 원자에 의하여 균일하게 분포될 수 있다는 것을 나타낸다.

현실적 cis [trans]-type OH/H gap-termination에서, A, C, G 및 T를 통한 전도도를 입증하기 위하여, 투과를 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이 계산된다. 도 8은 30°단위의 -90°내지 +90°사이의 (a) A, (b) C, (c) G, 및 (d) T의 회전에 대한 cis OH/H-gap에 위치한 DNA 염기의 제로-바이어스 투과를 나타낸 도면이다. 도 9는 30°단위의 -90°내지 +90°사이의 (a) A, (b) C, (c) G, 및 (d) T의 회전에 대한 trans OH/H-gap에 위치한 DNA 염기의 제로-바이어스 투과를 나타낸 도면이다.

cis 및 trans-type 투과는 둘다 G의 경우 Ef 상의 0.5eV 근처의 함몰을 포함한 비슷한 크기 및 모양을 보인다. 두 경우다 ZGNR 가장자리의 부드러운 화학적 말단화 (smooth chemical termination)로 인하여 vanhove singularities는 보이지 않았다. "cis"와 "trans"사이의 유일한 차이는 투과에서 함몰의 존재이다. 예를 들면, C는 trans-타입 OH/H-gap에서 -60°함몰을 갖는다 (도 9b). 화학적 실체 (chemical indentity)에도 불구하고, 우측 전극에서 OH/H-gap의 거울상 비대칭 위치 (mirror asymmetric position)는 양자상 (quantum phase) 특히 피리미딘 고리에 대한 양자상을 유의하게 변화시킨다. 이는 퓨린은, 우측 전극에 도달할 때까지, 좌측 전극의 양자상을 보존한다는 것을 나타낸다.

위 투과 데이터로부터, 본 발명자들은 DNA 염기의 다른 각도에 대한 터널링 전류의 크기와 직접적으로 비례하는 Fermi-energy에서 전도도를 얻었다 (도 10). 도 10은 (a) H-말단화 gap-edges, (b) cis-type OH/H-말단화 gap-edge, 및 (c) trans-type OH/H-말단화 gap-edge 사이에 위치한 4개 DNA 염기의 제로-바이어스 전도도를 나타낸 도면이다.

0°: G>A∼T>C에 대한 전류 크기에서 계층화 (hierarchy)에도 불구하고, 제로-바이어스 투과의 값은 30°씩 -90°내지 +90°의 각도의 회전으로 인하여, 및 3개 다른 gap-가장자리 말단 타입으로 인하여 변한다. T(Ef)로부터의 추정에 의하여, 최대 터널링 전류는 표준 각도 (0°)에서 G에 대한 1V 바이어스 전압에서 pA 수준의 약 수 10배(tens)인 것으로 밝혀졌다. H-말단화된 암체어(armchair)-gap 가장자리 그래핀 전극에 대하여 평가된 수십 (tens) fA 수준에 비하여, 10³배 더 큰 크기이다.

OH/H-gap는 H-gap 보다 약 10 더 큰 크기 (about an order of magnitude) 차이로 모든 4개 DNA 염기에 대하여 투과를 제공한다. 따라서, 이제부터, "cis" 또는 "trans" OH/H-gap 말단화만이 추가 분석에 대하여 고려될 것이다. 전류의 증가는 금속성 케톤-말단화 ZGNR를 이용한다. G 및 T를 제외하고, 상기 금속성 전극 특성에도 불구하고, 대부분의 전류는 몇 pA (a few pA)이어서 염기를 구분하기 어렵다.

(3) 투과 함몰 ( transmission dip ): 상쇄 양자 간섭염기 사이의 물리적 차이를 더 조사하기 위하여, 도 8 또는 도 9에서 함몰이 존재한 각도로부터 5°단위로 염기를 회전시킴으로써 추가적 투과 함몰을 탐색하였다. 상기 함몰은 상쇄 양자 간섭 (DQI)로부터 유래하였다.

도 11은 (a) C, 및 (b) G를 5°단위의 회전에 대한 cis OH/H-gap 사이에 위치한 DNA 염기의 제로-바이어스 투과를 나타낸 도면이다. 도 11(a) 및 11(b)에서, 인세트 (inset)는 0도에서의 C 및 50도에서의 G를 각각 나타낸다.

염기 타입 및 gap-edge 말단화로 인한 상 보존 (phase conservation)에 더하여, 각 DNA 염기 중의 산소의 존재 또는 수가 투과 특성 (transmission characteristics)에 중요한 역할을 한다. Fermi-energy, T(Ef)에서 제로-바이어스 투과는 산소 하나를 가진 C 및 G에 대하여 10² 내지 10³의 크기로 변한다. 또한, C에 대한 T(Ef)의 계층구조 (hierarch)는 cis 또는 trans gap-edge types에 따라 역전될 수 있다. 다른 한편, G는 cis 또는 trans와 관계없이 T(Ef)의 크기 (orders in the magnitude)를 갖는다.

(4) 결론

DNA 염기를 통한 터널링 전류를 위한 양자 전도도 (quantum conductance)는 전극의 축에 대한 회전각 (rotation angles)에 따라 달라진다. 그에 따라 전류값을 모호하게 하고, 염기 확인을 위하여 구현할 수 없다.

본 발명자들은 DFT-NEGF에 기초한 수치 분석(numerical analysis)에 의하여 모호성 (ambiguity)의 기원을 조사하였다. 커플링 강도 (coupling strength)에 더하여, 상쇄 양자 간섭 (destructive quantum interference:DQI) 및 전하 포획이 터널링 투과의 변동(fluctuation)의 원인일 수 있으며, 그에 따라 넓은 범위의 터널링 전류를 생성시킨다.

현실적 케톤-말단화 (realistic ketone-termination), cis와 trans의 혼합, 및 ZGNR 전극에 위치한 염기의 외부 구동된 회전를 가정하면, 함몰이 없는 경우 A를 구분할 수 있다. G는 몇 개의 (a couple of) 고정된 각도에서 몇 개의 함몰이 항상 나타나는 경우마다 구분할 수 있다. 강한 커플링 유도된 각도-민감도 (strong coupling induced angle-sensitivity)로 인하여, G는 10⁴ 크기까지 투과의 변동을 보였으며, 이는 G를 구분하는데 사용될 수 있다. C와 T는 제작 문제 (fabricaton issue)에도 불구하고, gap-edge 말단화가 조절될 수 있다면 확인될 수 있다.

Claims (22)

1. 그 사이의 갭에 의하여 분리된 한 쌍의 제1 물질로 구성된 제1 전극;
   그 사이의 갭에 의하여 분리된 하나 이상의 한 쌍의 제2 전극으로서, 제2 전극은 제1 전극과는 다른 전기적 특성을 갖는 재질로 되어 있고, 제1 전극과 제2 전극은 그 사이에 갭에 의하여 분리된 한 쌍의 절연물질을 매개하여 상기 갭들이 서로 대응되게 적층되어, 중합체가 이동될 수 있도록 하는 통로를 형성하는 것인 제2 전극;
   제1 전극과 제2 전극에 각각 연결된 전기적 신호 검출기;
   중합체를 상기 통로 중에 위치시키기 위한 수단; 및
   상기 통로 중에 위치된 중합체를 회전 또는 좌우 이동시키기 위한 수단을 포함하는, 중합체의 단량체 분자 서열을 결정하기 위한 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 통로는 직경 10nm 이하인 것인 장치.
3. 청구항 1에 있어서, 제1 전극은 탄소 소재 전극, 금속 전극 또는 이들의 조합이고, 제2 전극은 탄소 소재 전극, 금속 전극 또는 이들의 조합인 것인 장치.
4. 청구항 1에 있어서, 중합체를 상기 통로 중에 위치시키기 위한 수단은 전기장 제공 수단, 기계적 압력 제공 수단, 광학 트위저, 자성 트위저 또는 이들의 조합인 것인 장치.
5. 청구항 1에 있어서, 중합체를 회전 또는 좌우 이동시키기 위한 수단은 광학 트위저, 자성 트위저 또는 이들의 조합인 것인 장치.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 중합체는 DNA, RNA 또는 이들의 키메라 분자인 것인 장치.
7. 청구항 1에 있어서, 전기적 신호 검출기에 전기적으로 연결되어 있고, 제1 전극으로부터 얻어진 신호에 대하여 중합체의 단량체 분자에 따른 신호 강도의 제1 특정 임계값을 설정하고 그 이상의 값에 해당하는 신호로부터 상기 단량체 종류를 확인하는 단계; 및 제2 전극으로부터 얻어진 신호에 대하여 중합체의 단량체 분자에 따른 신호 강도의 제2 특정 임계값을 설정하고 그 이상의 값에 해당하는 신호로부터 상기 단량체 종류를 확인하는 단계를 포함하는 방법에 의하여 중합체의 단량체 서열을 결정하도록 하는 컴퓨터 판독가능한 프로그램이 저장된 저장 매체를 포함하는 신호 처리기를 더 포함하는 것인 장치.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 신호는 중합체의 회전 또는 좌우이동에 따른 이동각 또는 이동거리에 따른 신호의 평균값을 포함하는 것인 장치.
9. 청구항 1에 있어서, 제1 전극 및 제2 전극 중 하나 이상을 구성하는 한 쌍의 전극은 서로 다른 재질로 된 것인 장치.
10. 중합체의 단량체 분자들을 통로 중에 위치시키는 단계로서, 상기 통로는 그 사이의 갭에 의하여 분리된 한 쌍의 제1 물질로 구성된 제1 전극; 그 사이의 갭에 의하여 분리된 하나 이상의 한 쌍의 제2 전극으로서, 제2 전극은 제1 전극과는 다른 전기적 특성을 갖는 재질로 되어 있고, 제1 전극과 제2 전극은 그 사이에 갭에 의하여 분리된 한 쌍의 절연물질을 매개하여 상기 갭들이 서로 대응되게 적층되어, 중합체가 이동될 수 있도록 하는 통로가 형성된 것인 단계;
    제1 전극 및 제2 전극으로부터 각각 전기적 신호를 검출하는 단계;
    제1 전극으로부터 얻어진 신호에 대하여 중합체의 단량체 분자에 따른 신호 강도의 제1 특정 임계값 (threshold value)을 설정하고 그 이상의 값에 해당하는 신호로부터 단량체 분자의 종류를 확인하고, 제2 전극으로부터 얻어진 신호에 대하여 중합체의 단량체 분자에 따른 신호 강도의 제2 특정 임계값을 설정하고 그 이상의 값에 해당하는 신호로부터 단량체 분자의 종류를 확인하는 단계; 및
    제1 전극 신호로부터 확인된 단량체 분자의 종류와 제2 전극 신호로부터 확인된 단량체 분자의 종류를 조합하여 중합체의 단량체 분자 서열을 결정하는 단계를 포함하는, 중합체의 단량체 분자 서열을 결정하는 방법.
11. 청구항 10에 있어서, 상기 위치시키는 단계는 한 번에 하나의 중합체를 위치시키는 것인 방법
12. 청구항 10에 있어서, 중합체는 DNA, RNA 또는 이들의 조합체인 것인 방법.
13. 청구항 10에 있어서, 상기 위치시키는 단계는 중합체를 통로 중에 유지하는 (holding) 단계 또는 통로를 통하여 중합체를 통과시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
14. 청구항 13에 있어서, 상기 유지하는 단계는 광학 트위저 또는 자성 트위저를 사용하여 통로 중의 특정 위치에 유지하는 것인 방법.
15. 청구항 10에 있어서, 상기 중합체는 제1 말단과 그의 맞은편 말단 중 하나 이상의 위치에 나노입자 또는 마이크로입자가 고정되어 있어 광학 트위저 또는 자성 트위저에 의하여 이동될 수 있는 것인 방법.
16. 청구항 10에 있어서, 상기 통로는 중합체가 도입되는 제1 측면 및 상기 중합체가 통로부터 방출되는 제2 측면을 갖고, 제1 측면 또는 제2 측면에 대하여 통로의 길이 방향으로 이동가능한 기판에 중합체를 고정화하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
17. 청구항 10에 있어서, 상기 통로는 직경 10nm 이하인 것인 방법.
18. 청구항 10에 있어서, 제1 전극은 탄소 소재 전극, 금속 전극 또는 이들의 조합이고, 제2 전극은 탄소 소재 전극, 금속 전극 또는 이들의 조합인 것인 방법.
19. 청구항 10에 있어서, 제1 전극은 그래핀 전극이고, 제2 전극은 금 전극인 것인 방법.
20. 청구항 19에 있어서, 상기 중합체는 DNA이고, 제1 전극으로부터 얻어진 신호에 대하여 중합체의 단량체 분자에 따른 신호 강도의 제1 특정 임계값 (threshold value)을 1pA로 설정하고 그 이상의 값에 해당하는 신호로부터 G 또는 T인지를 확인하고, 제2 전극으로부터 얻어진 신호에 대하여 중합체의 단량체 분자에 따른 신호 강도의 제2 특정 임계값을 1pA 설정하고 그 이상의 값에 해당하는 신호로부터 단량체 분자의 종류를 A로 확인하는 단계를 포함하는 방법.
21. 청구항 10에 있어서, 전기적 신호를 검출하는 단계는 중합체를 회전 또는 좌우이동시키면서 이동각 또는 이동거리에 따른 신호를 검출하는 단계를 포함하는 것인 방법.
22. 청구항 14에 있어서, 전기적 신호를 검출하는 단계는 중합체를 회전 또는 좌우이동시키면서 이동각 또는 이동거리에 따른 신호를 검출하고 검출된 신호를 이동각 또는 이동거리에 따른 평균값을 구하는 단계를 포함하는 것인 방법.

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