KR20080006590A - 프로브, 프로브의 제조방법 및 프로브의 응용 - Google Patents

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KR20080006590A
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새데그 엠. 패리스
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이 창 훈
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Abstract

본 발명은 분자, 특히 폴리머, 및 연장된 구조를 갖는 분자 복합체를 분석하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 방법 및 장치는 분자 또는 분자 복합체에서의 서열 정보를 동정하는데 사용되며, 후속하여 분자의 구조적 정보를 얻는데 사용된다. 또한, 본 발명은 프로브 형성 및 상기 프로브를 제조하기 위한 필름에 관한 것이다.
연장된 구조, 분자 복합체, 프로브

Description

프로브, 프로브의 제조방법 및 프로브의 응용{Probes, Methods of Making Probes and Applications of Probes}
본 발명은 분자, 특히 폴리머, 및 연장된 구조를 갖는 분자 복합체를 분석하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 방법 및 장치는 분자 또는 분자 복합체에서의 서열 정보를 동정하는데 사용되며, 후속하여 분자의 구조적 정보를 얻는데 사용된다. 또한, 본 발명은 프로브 형성 및 상기 프로브를 제조하기 위한 필름에 관한 것이다.
인류를 위한 문제를 해결하기 위한 21세기 과학과 기술적 시도, 연구 및 개발 혁신은 나노 미터 이하의 크기를 갖는 원자 및 분자에 근접한 길이 스케일의 크기를 갖는 물체 및 구조체를 만드는 능력에 의해 주로 지배될 것이다. 나노-스케일의 물질 및 물체는 고유한 행동 양식을 나타내며, 이중 일부는 아직도 해명되지 않았지만 놀라운 광학적, 열적, 전기적, 기계적 성질을 가지는 것으로 알려져 있다. 이는 많은 응용분야에서 이들을 적합하게 하는 수많은 유익한 응용에 대한 새로운 전망을 연다. 예를 들면, 시퀀싱, 이미징, 나노-리토그라피, 조작, 나노-스케일 자가 조립, 나노미터 스케일 화학, 및 수많은 기타 응용이 나노-스케일의 기술 발전으로부터 혜택을 얻을 수 있다.
나노 사이즈 첨단 과학, 기술 및 혁신에 관련되어 있다는 것은 분명 지역 경제 및 나라 경제의 행복, 및 경쟁력에 이르는 확실한 길이다. 이는 크고 작은 여러나라, 대소 민간 부문의 기업 및 거의 미증유의 기업 활동 등에 의한 놀랄만한 투자 활동에 의해서도 뒷받침된다.
나노 스케일 첨단 과학 및 기술에서 앞서가기 위해서는 하기와 같은 것들에의 접근 및 획득이 요구된다:
나노 물체의 생산 도구,
옹스트롬 이하의 정밀성으로 크기를 측정할 수 있는 도구,
오염이 최소화된 원자적 평활도을 갖는 기판(substrate),
나노 물체를 볼 수 있고(이미지화), 이를 조작할 수 있고, 잡을 수 있고, 움직일 수 있고, 접착 등을 시킬 수 있는 도구,
물질 및 자극을 분배할 수 있는 나노 깔때기/노즐/프로브,
모든 물리적, 열적, 전기적, 광학적 성질들을 정확히 측정할 수 있는 도구,
핵심 파라미터는 마크로 세계에서 익숙해져 있는 양의 10 내지 20배 정도 적어진다.
과거 5년간, 상기 도구에 관해 전 세계의 가장 훌륭하고 명석한 사람들에 의해 이루어진 총체적인 업적은 놀랄만한 속도로 증대되었고, 수많은 발견, 혁신, 방법, 제품 및 도구들이 보고되었다.
나노테크놀로지로부터 엄청난 이득을 얻을 수 있었던 분야 중 하나는 1990년대의 고성능 DNA 서열 분석기의 발전이며, 이는 21세기의 유전자 혁명을 론칭하는 데 일조하였다. 거의 매월 간격으로, 여러 연구 그룹들이 생물학적으로 중요한 유기체의 완전한 서열 분석을 발표하였다. 이는 연구자들로 하여금 대조 종을 서로 교류하게 하고, 공유된 및/또는 유사한 유전자를 발견하게 하고, 모든 다양한 분야의 분자 생물학자들의 지식들을 의미 있는 방향으로 이끌었다.
그러나, 현재의 DNA 시퀀싱 기술은 너무나 시간이 많이 걸리는 지루한 작업이어서, 연구자의 귀중한 시간을 낭비하게 한다. 가장 빠르고, 가장 앞선 DNA 서열분석기도 기껏해야 하루에 수십만 염기쌍만을 처리할 수 있다. 휴먼 게놈 프로젝트가 완료되는데 거의 10년이 소요되었으며, 이는 현재의 DNA 시퀀싱 기술이 아직도 진단 도구로 사용되기 위해서는 가야할 길이 멀다는 것을 의미한다. 포유류 게놈에는 거의 30 억개의 DNA 염기쌍이 있고, 현재의 시퀀싱 기술이 오직 하루에 2백만 DNA 염기쌍만을 분석할 수 있음을 고려하면, 인간 게놈을 시퀀싱하는 데는 4년 이상이 걸리게 될 것이다.
공지된 핵산 시퀀싱 방법은 일반적으로 특정 염기에서 분해되는 다수 길이의 DNA 가닥을 산출하는 화학반응에 기초하고 있다. 또는, 다른 공지된 핵산 시퀀싱 방법은 특정 염기에서 종결되는 다수 길이의 DNA 가닥을 산출하는 효소 반응에 기초하고 있다. 이후, 이들 방법들에서 산출되는 상이한 길이의 DNA 가닥들을 각각 분리하고 가닥 길이 순서로 동정한다. 상기 화학적 또는 효소적 반응, 및 상이한 길이를 갖는 가닥들을 분리하고 동정하는 방법은 일반적으로 반복적인 과정을 포함한다. 따라서, 종래의 기술을 사용하는 DNA 시퀀싱의 속도는 상당한 제한이 존재한다.
이러한 제한에도 불구하고, 휴먼 게놈 프로젝트를 위해 놀랄만한 총체적이고 영웅적인 노력들이 수행되었다. 인간 게놈의 서열을 수득하는데 수년의 시간 및 수십억달러가 소요되었다. 이러한 요구 시간 및 노력을 감소시킬 수 있는 방법 및 시스템을 제공하는 것은 매우 요망되는 것이며, 바이오테크놀로지의 매우 중요한 진보를 의미한다. 실제로 현존하는 게놈 데이타베이스를 식물 및 동물을 포함하는 게놈 라이브러리로 확장하기 위해서는, DNA 시퀀싱의 효율과 속도를 증가시킬 수 있는 첨단적인 진보가 요구된다. 어떤 개화 식물은 인간 게놈보다 100배 더 많은 염기쌍을 갖고 있어, 현재의 시퀀싱 기술은 새로운 차원의 시퀀싱 시스템으로 도약하여야 한다.
포어
일 특정 타입의 시퀀싱 방법은 DNA 가닥을 포어내로 통과시키는 것에 의존한다. 예를 들면, 미국 특허 5,795,782호, 6,015,714호, 6,267,872호, 6,362,002호, 6,428,959호, 6,465,193호, 6,617,113호, 6,627,067호, 6,673,615호, 6,746,594호6,870,361호는 포어 및 DNA 단편의 포어를 통과하는 흐름에 기초한 다양한 시퀀싱 기술 및 장치를 기술하고 있다. 일반적으로 상기 선행 기술에서 상기 포어는, 이온 전도성의 변화에서 결과되는 데이타의 간접적인 디콘볼루션이 없이는, 직접적으로 고도의 공간 해상도를 갖는 분해가 불가능하다. 또한 큰 DNA 단편에는 사용될 수 없다. 또한 매우 많은 시간이 요구된다. 상기 포어 기반 시스템은 일반적으로 초고속 DNA 시퀀싱 시스템으로 사용되기에 너무 많은 제약이 존재한다.
따라서, 선형 폴리머(단백질, DNA 및 다른 바이오폴리머를 포함)와 같은 연 장 물체(extended object)를 분석하는 개선된 시스템 및 방법이 요망된다.
본 발명은 전술한 나노테크놀로지 기술을 진보시키는 새로운 방법, 장치 및 도구를 교시한다. 종래 기술의 방법으로부터 출발하여, 이에 새로운 기술을 추가하여 종래기술을 개선시키며, 본 발명의 교시는 다음을 결과한다:
그라펜(graphene), 미카(mica) 및 기타 층상 물질 유래의 단일층 또는 복수층을 포함하는, 나노 두께의 원자적으로 평활한 직립 필름을 자유롭게 제조할 수 있다.
이러한 원자적으로 평활한 층들은 나노-정확성 도구용 기판으로서 사용될 수 있다.
상기 층들을 조종할 수 있는 새로운 방법, 개폐된 나노-프로브, 깔대기, 트위저의 저비용 생산이 가능하다.
층의 두께는 나노-스케일 크기의 물체를 형성하는데 유용하게 사용된다.
나노-프로브는 다른 부재와 조합하여 물체를 인식하고 분석하는데 사용되는 나노-스코프 도구를 만드는데 사용된다.
이 새로운 도구는 DNA, RNA을 보다 신속하게 시퀀싱함에 있어서, AFM 및 STM을 훨씬 상회한다.
극히 작은 크기를 형성할 수 있는 두께의 박막층을 사용하여, 새로운 나노-리토그라피 도구를 제조할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 목적은 그라펜 또는 미카 및 다른 층상 물질의 단일 모노-원자층을 간편하고 경제적으로 제조하는 것이다. 다른 목적은 그라파이트, 미카, 디칼코제나이드(dichalgoenides)와 같은 층상 물질로부터 단일 모노-원자층을 분리하거나 박리하고 이를 방출가능한 결합을 통해 기판에 부착하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 금속, 절연체, 반도체, 유기 및 바이오분자층의 원자적으로 평활한 층을 제조하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 파이버, 유기 및 바이오 폴리머, 나노 튜브 및 다른 구조를 제조하고 조작하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 교대 이종성 층을 제조하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 제조되는 동안 필름의 두께에 기반하여 측정되는 팁 활성 구역 크기(tip active area dimension)를 갖는 다양한 프로브를 형성하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전술한 프로브를 사용하여 형성되는 다양한 프로브 세트 및 어레이(array)을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 프로브, 프로브 세트 및 프로브 어레이를 사용하여 연장 물체를 분석하는 방법을 제공하는 것이다.
예를 들면, 나노 노즐을 사용하여, 전체 인간 게놈을 단 몇분 안에 서열분석할 수 있는 DNA 시퀀싱 방법을 제공한다. 이러한 기술을 실현시키고 적정화시킴으로써, 인간의 노력에 대하여 새로운 지평을 열고, 그 실용적 응용을 거의 무한대로 넓힌다. 박테리아를 배양하는 것은 과거의 일이 될 것이다. 미지의 유기체에 직면할 때마다, 그 정확한 종뿐 아니라, 새로운 돌연변이 또는 유전 공학적 사인을 포함하여 그 전체 유전자형을 즉각적으로 결정할 수 있다. 이러한 과정은 예를 들면 전극, 노즐, 깔대기, 또는 기타 적합한 형태의 나노스케일 프로브의 활용에 기반한다. 이러한 나노스케일 프로브는 매우 미세하고, 빠른 시그널의 검출과 결합된다. 이는 DNA, RAN뿐 아니라 변성 단백질(폴리펩타이드의 아미노산 서열)을 시퀀싱 하는 최첨단 센서의 개발을 가능하게한다.
전술한 바와 같이, 현재의 DNA 시퀀싱 기술은 거의 대부분 전기영동 및 폴리머 체인 반응(PCR)에 기초하고 있다. PCR은 다양한 길이의 분석 대상 DNA를 만들고, 이후 전기영동하여 DNA 단편간의 크기차를 분석한다. 그러나 이러한 기술은 다수의 문제점에 직면한다. 첫째, PCR이 DNA 물질의 양을 증폭하는데 유용하더라도, 너무나 시간 소모적이며, 적절한 프라이머의 사용을 포함하여 수많은 시약의 사용을 요구한다. 둘째, 전기 영동 속도가 적용되는 전압에 의존한다. 그러나 인가 전압은 열 소실이 비슷하게 증가되지 않는 한 더이상 증가시킬 수 없다. 또한, 전기영동겔은 오직 작은 동적 범위(〈 500bp)만을 분해할 수 있다. 따라서, 시퀀싱을 하기 위해서는 유기체의 게놈을 쪼개어 그 조각을 다시 조립하는 것이 요구된다.
DNA 서열을 분석하기 위하여 전기영동에 의존하는 대신, 본 발명이 제안하는 나노 일렉트로닉스에 기초한 시퀀싱 기술을 사용할 수 있다.
본 발명의 시스템 및 방법은 분석대상 물체의 크기보다 작은 해상력을 갖는 프로브를 사용한다. 또한 본 발명의 시스템과 방법은 폴리머 사슬내 각 모노머와 같은 분석 대상 시료의 일 부분도 정확하게 측정할 수 있다.
본 발명의 상세한 설명 및 실시예는 도면과 함께 상세히 이해될 수 있다. 본 발명을 설명하기 위하여 바람직한 실시예 도면을 도시하였다. 그러나, 본 발명은 도시한 배열 및 기구 등에 제한되지 않는다.
본 발명은 연장 물체 시료를 분석하기 위한 새로운 시스템 및 방법을 제공한다. 상기 시스템은 프로브의 에지(edge)가 공간적으로 원하는 해상력보다 더 작은 두께 방향을 갖도록 형성되고 치수화된 분석 프로브를 포함한다. 또한, 일 실시예에서, 상기 분석 프로브는 연장물체의 두께보다 훨씬 큰 폭(width)을 갖는다. 다른 실시예에서, 상기 분석 프로브는 연장물체의 두께보다 훨씬 큰 폭의 경로를 갖는다.
본 명세서에서, 프로브를 사용하여 분석되는 "연장 물체(extended object)"는 복합체 모노머, 폴리머, 올리고머, 덴티머, 또는 다른 분자 등을 포함하는 복합체 마크로분자일 수 있다. 이러한 복합체 마크로분자는 비제한적으로, 단백질, 폴리펩티드, 네개의 핵염기(A,T,G, 또는 C)를 갖는 모노머 2-아미노에틸렌글리신에 기초하는 폴리펩티드-유사 백본을 갖는 펩티드-핵산(PNA) 등을 포함한다. 일 실시예에서, 폴리머는 백본 구성에 있어 동종적이며, 예를 들면 핵산 또는 폴리펩티드이다. 본 발명에서 사용되는 핵산은 데옥시리보스 핵산(DNA) 또는 리보스 핵산(RNA)와 같은 뉴클레오타이드로 구성되는 바이오폴리머이다. 한 실시예에서, 연장 물체는 단단한 구조의 단일 가닥(변성된) DNA 분자이다. 또한 다른 유기 또는 무기 분자 구조도 본 발명의 목적을 위하여 연장물체일 수 있으며, 이로써 이들 연 장 물체는 분석되고, 조작되고, 물리적 또는 화학적으로 변경될 수 있다. 또한, 이중 가닥의 나선형 DNA 가닥과 같은 이중 가닥 구조도 일 실시예에 따라 분석될 수 있다.
본 기술분야의 평균적 기술자는 모노머 수준의 해상을 위한 본 발명의 시스템이 다른 분자 수준의 검출, 예를 들면 단일 소분자, 단일 모노머, 올리고머, 또는 기타 다른 나노 스케일의 구조를 검출하는데 사용될 수 있음을 용이하게 인식할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명에서 "프로브"는 통상 연장 물체의 개별적 부분, 예를 들면 RNA 또는 DAN 가닥의 개별 뉴클레오타이드, 연장 물체의 원자기, 연장 물체 내부의 원자 또는 분자기, 원자 및 분자 결합 및 분자 상호작용, 및 공유결합, 수소결합, 이온결합, 및 기타 알려진 상호 작용과 같은 기타 상호 작용력과 상호작용하는데 사용되는 모든 디바이스를 통칭한다. 프로브는 본 명세서에서 다양한 물질 및 구조로 형성될 수 있다.
또한 본 발명에서 "검출가능한 상호작용"은 통상 프로브 및 연장 물체의 부분간의 상호작용을 지칭한다. 검출가능한 상호작용은 연장 물체의 부분의 개별적인 원자, 분자, 또는 원자 또는 분자기, 및 그들의 결합 등을 포함한다. 검출가능한 상호작용은 전기장, 자기장, 광학적 변화, 진동력, 중력, 또는 기타 측정가능한 것의 형태일 수 있다.
본 발명에서 사용되는 프로브는 다양한 물질 및 구조로 형성될 수 있다. 예를 들면, 프로브는 웰(wells), 노즐(nozzles) 또는 깔대기(funnels; 이하에서는 " 중공 프로브"로 지칭함)의 형태일 수 있으며, 이는 물질의 분배 또는 보유(고체, 액체, 가스 및 전이 상을 포함)를 위한 팁을 가지고 있어 시료의 분석을 촉진한다. 또한, 상기 웰 또는 노즐은 석션 또는 유압이 적용되는 시스템 및 구조로 구비될 수 있다. 물지르이 분배를 위해 형성되는 노즐은 측정 및 프로브에 전압 적용을 촉진시키기 위하여 전도성 내벽, 또는 물질 보유 영역내 배치되는 전도성 부재를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 분배되는 물질은 측정 및 프로브에 전압 적용을 촉진시키기 위하여 전도성 매질내에 포함될 수 있다.
도 2에는 연속성 에지 프로브(202)가 연속성 나이프 에지의 형태로 예시되어 있다. 프로브(202)는 특히 바이오폴리머와 같은 연장 물체 시료의 분석에 적당하다. 프로브(202)는 팁(204)의 두께 t, 팁(204)의 폭 w, 높이(미도시)에 의해 특정된다. 중요한 것은, 상기 팁 두께 t가 원하는 해상도의 시스템을 얻을 수 있도록 수치화된다는 것이다. 예를 들면, DNA 가닥의 개별적인 모노머에 관한 정보가 요구되는 경우, 상기 두께 t는 상기 가닥의 뉴클레오타이드 간격(약 0.5nm)보다 더 작아야 한다. 또한, 프로브(202)는 바람직하게 팁의 크기보다 더 크며, 또한 시료의 폭보다 훨씬 큰 폭 크기 w를 갖는다. 일 실시예에서, 팁의 크기보다 훨씬 큰 상기 폭 크기를 가짐으로써 프로브가 시료를 통과할 때 통상적인 프로브 분석 시스템에서 동반되는 랜딩 에러(landing error)가 경감되거나 완전히 제거된다. w 대 t 비율은, 예를 들면, 약 5 : 1. 10:1, 수십 : 1, 100 : 1, 수백 : 1, 1000 : 1, 10,000 : 1, 또는 대상 응용에 따라 그 이상일 수 있다.
이러한 연속성 에지 프로브는 중공의, 고체 또는 반고체일 수 있으며, 부분 적으로 중공일 수 있다.
도시한 바와 같이, 바람직한 실시예에서, 상기 프로브는 팁(204)의 맞은편에 더 큰 말단(206)를 구비하는 형상을 가진다. 이는 예를 들어 상기 말단(206)이 접촉 영역으로서 작용할 때 프로브의 전기적 저항을 감소시킬 수 있다. 또한 상기 더 큰 말단(206)은 프로브가 후술하는 바와 같이, 적합한 물체로 채워진 노즐 형태인 경우, 프로브에서 물질의 도입 및 분배를 촉진시킨다.
도 2B 및 도 2C에서, 불연속성 프로브(222, 242)가 도시된다. 프로브(222, 242)는 예를 들면 컷아웃 또는 불연속성 에지 부분을 갖는 바람직한 크기의 팁을 구비하며 폭이 신장된 구조를 가진다. 본 발명에 따른 일반화된 프로브(222, 242)는 수개의 프로브 섹션(230, 250)이 도 2B 및 도 2C에 도시한 바와 같이 독립적으로 또는 함께 접근될 수 있는 구조로 제조될 수 있다. 실시예에서, 프로브 섹션(230, 250)은 예를 들면 리단던시(redundancy)를 위해 동일한 기능을 수행하거나, 또는 복수의 시료를 병렬적으로 검사할 수 있도록 한다. 다른 실시예에서, 프로브 섹션(230, 250)은 상이한 기능을 한다. 예를 들면, 어떤 응용에서는 시료의 분석 또는 시퀀싱을 위해 서브-프로브(230a)가 사용되고, 인접 섹션(230b)은 물질의 분배 또는 자극에 사용되고, 다른 섹션(230c)은 정렬 마크의 이미징(imaging) 또는 판독에 사용될 수 있다. 다른 예로, 프로브 섹션(250a)는 도시한 바와 같은 신장된 폭을 갖는 에지 형태이고, 반면 프로브 섹션(250b)는 도 2C에 점선으로 도시한 바와 같은 포인트 형상의 프로브일 수 있다. 이러한 프로브 섹션은 테스트 중 시료의 부분을 고도의 정확성으로 인식할 수 있도록 상이하게 기능화할 수 있다. 이러한 불연속성 에지 프로브는 중공의, 고체 또는 반고체일 수 있으며, 부분적으로 중공일 수 있다.
도 3에는 프로브(302)가 도시되어 있다. 프로브(302)는 바이오폴리머와 같은 연장 물체 시료의 분석에 아주 적합하다. 프로브(302)는 팁의 두께 t, 팁이 폭 w, 높이(미도시)에 의해 특정된다. 또한 프로브(302)는 적합한 하부 시스템(308) 내에 위치되어 프로브가 일반적으로 경로 pw를 따라 폭 w 방향으로 움직인다. 프로브 (202)와 유사하게, 팁 두께 t는 원하는 해상도의 시스템을 얻을 수 있도록 수치화된다. 프로브(302)의 폭은 중요하지 않다. 그러나, 경로 폭 pw은 시료의 폭보다 바람직하게 훨씬 크다. 이는 프로브가 시료를 통과할 때 일반적인 프로브 분석 시스템에 동반되는 랜딩 에러가 제거되도록 한다.
본 발명에서의 프로브는 다양한 형상 및 기능을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 프로브는 폐쇄된 연속성 에지를 가진다. 다른 실시예에서 프로브는 폐쇄된 불연속성 에지를 갖는다. 일부 실시예에서, 프로브는 개방된 연속성 에지를 가진다. 다른 실시예에서, 프로브는 개방된 불연속성 에지를 갖는다. 일부 실시예에서, 프로브는 프로브의 폭 w을 따라 폐쇄된 일부 및 프로브의 폭 w을 따라 개방된 일부를 갖는 연속성 에지를 가진다. 다른 실시예에서, 프로브는 프로브의 폭 w을 따라 폐쇄된 일부 및 프로브의 폭 w을 따라 개방된 일부를 갖는 불연속성 에지를 가진다.
본 발명에서 프로브는 프로브의 폭 w을 따라 일정한 단면을 가질 수 있으며, 일부 실시예에서, 프로브의 폭 w을 따라 단면이 다른, 예를 들면 더 넓거나 더 좁 은 중앙 부분을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 프로브는 프로브의 폭 w을 따라 일정한 팁 개구부 또는 팁 활성 구역 크기를 가질 수 있다. 또는, 다른 응용을 위하여, 일부 실시예에서 상기 팁 개구부 또는 팁 활성 구역 크기가 프로브의 폭 w을 따라 다른, 예를 들면 더 작거나 더 큰 팁 개구부 또는 팁 활성 구역 섹션을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 프로브는 일반적으로 불활성 몸체 부분, 및 예를 들면 폐쇄 팁 프로브 또는 팁 개구부의 경우 전도체와 같은 팁 개구부를 형성하는 활성 구역으로 구성될 수 있다. 또는, 몸체 부분은 열적 및 전기적 차폐, 정밀 계측 간격화, 또는 마이크로- 또는 나노- 유체 또는 마이크로- 또는 나노-전기기계적 장치와 같은 다른 부재와 같은 다른 기능을 포함할 수 있다. 추가적인 실시예는 계속하여 기술된다.
본 발명의 프로브는 원하는 팁 특성 및 크기를 구비하도록 상이한 형상으로 형성될 수 있다. 도 3A-3L는 본 프로브의 다양한 형상의 실시예를 도시하며, 일반적으로 폐쇄 팁 형상을 갖고 있다. 그러나, 이러한 형상은 어떠한 구조의 팁에도 적합할 뿐 아니라 본 발명의 어떠한 연속성 에지 또는 불연속성 에지 프로브에도 포함될 수 있다.
도 3A는 삼각형 영역 및 프로브 팁의 맞은 편 말단에 신장된 장방형 부분을 갖는 신장된 팁 적분(elongated tip integral) 형태의 단면을 갖는 프리즘형 프로브를 도시한다.
도 3B는 예를 들면 팁이 평면화된 직각 삼각형의 단면을 갖는 프리즘형 프로브를 도시한다.
도 3C는 사다리꼴의 단면을 갖는 프리즘형 프로브를 도시한다.
도 3D는 직사각형의 단면을 갖는 프리즘형 프로브를 도시한다.
도 3E는 삼각형의 단면을 가지며, 탐침 또는 본 발명의 다른 응용을 위한 팁을 형성하는 삼각형의 긴 변이 마주치는 말단에 팁을 구비하는 프리즘형 프로브를 도시한다.
도 3F는 프로브 팁 말단쪽이 삼각형인 직사각형 단면을 가지며, 탐침 또는 본 발명의 다른 응용을 위한 팁을 형성하는 삼각형의 긴 변이 마주치는 말단에 팁을 구비하는 프리즘형 프로브를 도시한다.
도 3G는 예를 들면 높이 축에 대하여 대칭인 불규칙한 다각형 단면을 가지며, 평면 말단부 및, 도시하는 바와 같이 다각형의 예각의 마주치는 말단에 팁을 구비하는 프리즘형 프로브를 도시한다.
도 3H는 뒤집힌 눈물 방울 형상의 단면을 가지며, 눈물 형상의 포인트에 팁 t을 구비하는 프로브를 도시한다.
도 3I는 신장된 불규칙 형상의 단면을 가지며, 그 신장된 말단에 팁 t를 구비하는 프로브를 도시한다.
도 3J는 타원형 단면을 가지며, 그 신장된 말단의 타원형상의 접점에 팁 t가 있는 프로브를 도시한다.
도 3K는 타원 또는 원형 단면 튜브의 "평평한" 말단과 같은 노즐 형상의 단면을 가지며, 그 "평평한" 말단에 팁 t가 있는 프로브를 도시한다.
도 3L은 V-형 단면을 가지며, V-형상의 포인트에 팁 t가 구비되는 프로브를 도시한다.
도 4A-4E에서, 프로브는 본 발명의 다양한 구현예에 따라 물질을 분배 및/또는 보유하기에 적합한, 팁 개구부 tO를 갖는 다양한 형상으로 도시된다.
도 4A는 삼각형 영역 및 개구부 tO를 갖는 프로브 팁의 맞은 편 말단에 신장된 장방형 부분을 갖는 신장된 중공 팁 적분 형태의 단면을 가지며, 그 내부에 물질의 보유 또는 분배를 촉진하는 채널을 갖는 프리즘형 프로브를 도시한다.
도 4B는 개구부 tO를 갖는 프로브 팁을 형성하는 직사각형 및 절단된 삼각형의 비대칭 단면을 가지며, 그 내부에 물질의 보유 또는 분배를 촉진하는 채널을 갖는 프로브를 도시한다.
도 4C는 개구부 tO를 갖는 프로브 팁을 형성하는 절단된 삼각형의 대칭 단면을 가지며, 그 내부에 물질 보유 또는 분배를 촉진하는 채널을 갖는 프로브를 도시한다.
도 4D는 개구부 tO를 갖는 프로브 팁을 형성하는 각진 구성원의 대칭 단면을 가지며, 그 내부에 물질의 보유 또는 분배를 촉진하는 터널 채널을 갖는 프로브를 도시한다.
도 4E는 개구부 tO를 갖는 프로브 팁을 형성하는 대칭 단면을 가지며, 그 내부에 물질의 보유 또는 분배 촉진을 위한 성형 웰 및 채널을 갖는 프로브를 도시한다.
도 5A-6B을 참조하여, 팁 활성 구역 크기 t인 예컨대 전도성 팁 등의 팁을 갖는 프로브를 도시하며, 팁(510, 610)은 구조의 몸체(520, 620)의 밑에 연장된다. 도 5A-5B에는 대칭적인 프로브가 도시되고, 도 6A-6B에 비대칭 프로브가 도시된다. 일반적으로 도 5A의 크기 a 및 도 6A의 크기 b는 팁 크기 t보다 크며, 바람직하게는 팁 크기 t의 배수이다. 본 구현예는 예를 들면 프로브의 응용에 따라 시료 또는 기판과 프로브 몸체와의 상호작용을 최소화할 수 있도록 충분히 신장된 팁을 제공한다. 이는 정전기적 전하의 축적 및 다른 간섭 효과와 같은 기판 물질의 부정적인 영향을 피할 수 있다. 도 6A-6B의 실시예에 따른 프로브의 예시적인 어레이를 도 7에 도시하였다.
도 8A-8C는 본 발명의 실시예에 따른 불규칙한 내부 채널 표면을 나타내는 개방 팁 프로브를 도시한 것이다. 도 8B는 이러한 프로브 어레이를 도시한 것이다. 도 8C는 도 8A의 일반적인 프로브을 도시한 것이며, 내부 표면의 오직 일 부분에 전극(842)을 가지며, 이는 어떤 응용에 있어 유리하다.
도 9A-9B는 본 발명의 일 실시예에 따른 개방 팁 프로브를 도시한 것이며, 다양한 하부-섹션을 갖는 불규칙한 내부 채널 표면을 나타낸다. 예를 들어, 도 9A에는 하부 섹션(912, 914, 916, 918 및 920)을 포함하는, 채널의 높이를 따라 일반적으로 분할되는 하부섹션을 갖는 프로브를 도시한다. 예를 들어, 하부 섹션(912, 914, 및 920)은 절연 물질로 형성될 수 있으며, 하부 섹션(916)은 전도성 물질, 및 하부 섹션(918)은 반도체 물질로 형성된다. 추가예로서, 도 9B는 하부 섹션(932, 934, 936, 938 및 930)을 포함하는, 채널의 높이를 따라 일반적으로 분할되는 하부 섹션을 갖는 프로브를 도시한다. 예를 들어, 하부 섹션(932 및 936)은 전도성 물질, 하부 섹션(938 및 940)은 절연 물질, 및 하부 섹션(934)는 예를 들면, 프로브 팁의 채널에 수직으로 마이크로-유체 조작 또는 기타 다른 적합한 기능을 제공하는 개방 채널로서 형성될 수 있다.
통상적으로, 다양한 개방 프로브가 제공될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 개방 팁의 크기는 옹스트롬 이하의 정밀도로 조절할 수 있다.
도 10A는 본 발명의 실시예에 따른 가변성 팁 프로브(1010)을 도시하며, 상기 프로브는 고정 섹션(1014) 및 상보적인 이동가능한 섹션(1016)을 갖는 불규칙한 내부 채널 표면을 나타낸다. 상기 이동가능한 섹션(1016)은 바람직하게는 옹스트롬 또는 옹스트롬 이하의 정밀도로 작동하여 프로브 개구부(1012)를 형성할 수 있다. 도 1OB 및 10C는 일 실시예에 따른 프로브 개구부를 도시한 것이며, 도 1OD 및 10E는 다른 실시예에 따른 프로브 개구부를 도시한 것이다.
도 11은 다른 실시예로서 가변성 갭 프로브(1110)를 도시한다. 액츄에이터(1124)는 프로브의 섹션(1116)에 이동성을 부여하며, 이로써 팁 개구부(1112)의 개구 크기를 변경할 수 있다.
도 12A 및 12B는 각각 프로브(1242, 1244, 1246, 및 1248), 및 플랫폼(1228)상의 연장 물체 시료(1250)를 포함하는 프로브 세트(1230)의 등측 확대도 및 측면도를 도시한 것이다. 바람직한 실시예에서, 폴리머 가닥(1250)은 핵산(예, DNA)과 같은 바이오폴리머이다. 도 12C는 프로브(1242, 1244, 1246, 또는 1248) 중 어느 하나의 확대 단면도를 도시한 것이다. 도 12D는 기저부 플랫폼(1228)의 상면도를 도시한 것이며, 예시적인 채널(1252)를 도시한다. 도 12C 및 12D에서 도시한 바와 같이, 어떤 실시예에서, 측정 전압이 각 프로브(1242, 1244, 1246, 1248), 및 플랫폼(1228)에 가해지며, 각각 도면 부호 1254a 및 1254b로 표시되어 있다. 폴리머 가닥(1250)이 활성화된 프로브(즉, 측정 전압이 인가된 프로브) 아래로 통과하면서 검출가능한 상호작용이 일어나며, 이하에서 자세히 설명된다.
도 13A-13D는 본 발명의 실시예에 따라 형성된 프로브 세트(1330)를 도시한 것이다. 프로브 세트는 예를 들어 프로브(1342, 1344, 1346, 1348)의 1 x 4 어레이(이는 어떤 크기의 n x m 노즐로 치수화될 수 있음을 이해하여야 한다)를 포함한다.
어떤 실시예에서, 이들 프로브(1342, 1344, 1346, 1348)는 노즐형이며, 즉 도 13B 및 13C에 도시된 바와 같이 웰(1356)을 수반하는 팁(1354)를 갖는다. 일반적으로 상기 웰은 노즐 팁의 폭보다 더 큰 y 방향의 폭을 갖는다. 도 13D은 노즐 어레이의 단면도를 도시한다.
프로브 세트(1330)는 몸체(1358)에 매립될 수 있다. 프로브 또는 노즐용 물질은 동일하거나 상이할 수 있으며, 비제한적으로 플라스틱 물질(예, 폴리카보네이트), 금속 물질, 반도체 물질, 절연 물질, 모노결정성 물질, 무정형 물질, 비결정성 물질, 생물학적 물질(예, 핵산 또는 폴리펩타이드 기반 물질 또는 필름) 또는 상기 전술한 형태의 물질을 하나 이상으로 포함하는 조합일 수 있다. 예를 들면, 특정 형태의 물질은 실리콘(예, 모노결정성, 다결정성, 비결정성, 폴리실리콘, 및 Si3N4, SiC, SiO2와 같은 유도체), GaAs, InP, CdSe, CdTe, SiGe, GaAsP, GaN, SiC, GaAlAs, InAs, AlGaSb, InGaAs, ZnS, AlN, TiN, 기타 IIIA-VA 그룹 물질, IIB 그룹 물질, VIA 그룹 물질, 사파이어, 석영(크리스탈 또는 유리), 다이아몬드, 실리카 및/또는 실리케이트 기반 물질, 또는 상기 물질 중 적어도 하나를 포함하는 조합을 포함할 수 있다. 물론 다른 타입의 물질을 프로세싱하는 것도 원하는 조성의 프로브 및 몸체를 제공하기 위하여 본 명세서에 기재된 공정으로부터 가능하다.
도 14A 및 14B를 참조하여, 본 명세서 기재의 모든 프로브 및 프로브 세트는 시료에 대하여 다양한 각도에서 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 14A에는 프로브 세트(1430)가 일반적으로 시료(1450)에 대하여 수직(길이 방향)으로 배향된 형태를 도시한다. 또한, 도 14B는 시료(1450)에 대하여 통상 각 θ로 배향된(길이 방향) 프로브 세트(1430)를 도시한다.
도 14C에서 그 복수 프로브 세트(1430)가 시료(1450)에 대하여 다양하게 배향된 시스템(1460)을 도시한다. 대상 시료 물체(1450, 예를 들어 DNA 가닥 내 염기)는 상이한 배향을 가질 수 있기 때문에, 복수의 프로브 세트(1430)로 시퀀싱하는 것이 바람직하다. 상기 복수의 프로브 세트(1430)는 상이한 각 G1, O2, θ3, O4, θ5,... θn (예, 적당한 증가분으로 20° 내지 160°)으로 연속적 또는 랜덤하게 또는 바람직한 배열로 배열된다. 측정하는 동안, 조절기는 어떤 배향의 프로브 세트가 고유 배향의 특정 염기에 대해 최상의 시그널을 산출하는지를 결정한다. 이는어레이 프로브 세트에서 데이타를 측정하고, 특정 염기 또는 염기 그룹에 대한 적정 시그널을 결정할 수 있게 한다.
다른 실시예에서, 도 14D-14F에 도시한 바와 같이, 배향각을 높이 방향으로 다양하게 할 수 있다. 예를 들면, 도 14D에 도시한 바와 같이, 프로브 세트(1430)는 높이 방향으로 시료(1450)에 대하여 통상 수직(90°)으로 배향될 수 있다. 또한, 도 14E에 도시한 바와 같이, 프로브 세트(1430)는 높이 방향으로 시료(1450)에 대하여 통상 각 ω로 배향될 수 있다. 도 14F에 도시한 바와 같이, 시스템(1470)은 복수개의 프로브 세트(1430)들이 시료(1450)에 대하여 높이 방향으로 다양하게 배향될 수 있다. 대상 시료(1450, 예, DNA 가닥 내 염기)는 상이한 배향을 가질 수 있기 때문에, 복수의 프로브 세트(1430)로 시퀀싱하는 것이 바람직하다. 복수의 프로브 세트(1430)는 상이한 각 coi, ω2, C03... ωn (예, 적당한 증가분으로 20° 내지 160°)으로, 연속적 또는 랜덤하게 또는 바람직한 배열로 배열된다.
다른 실시예로서, 도 15A-15B를 참조하면, 본 발명에 따른 프로브는 분석되는 시료의 하나 이상의 부분에 대하여 형성될 수 있으며, 예를 들면 시료의 한 면 이상과 관련되는 연장된 개방 채널 형태로 형성될 수 있다.
현재 이온 전도성의 변화를 측정할 목적으로, DNA 단편이 포어를 통과하도록 유인하는 것은 공지되어 있다. 문제는 홀을 통과하는 움직임의 일관성, 해상력, 및 기타 다른 간섭에 있다. 포어는 종종 이온 유체 시스템의 일 부분이고, 이로써 이온 전도성 차이는 하나 이상의 포어를 갖는 막 및/또는 층으로 분리되는 이온 유체의 영역을 걸쳐 측정된다. 예를 들면 본 발명의 배경설명에 기술된 특허 6,870,361호, 5,795,782호, 6,267,872호, 6,362,002호, 6,627,067호는 이러한 포어들을 기술하고 있다.
그러나 본 발명의 연장된 개방 채널 시스템(1500)에 따르면, 시료(1550)는 연장된 개방 채널(1501)을 통과한다. 각 연장 채널 개구부는 다양한 실시예의 하나 이상에 의하여 형성된 수개의 프로브를 포함한다. 이들 프로브는 개구부의 일면, 또는 개구부의 복수면 위에 형성될 수 있다. 어떤 실시예에서, 하나 이상의 시료면과 관련되는 연장 개방 채널을 사용하여, 정확도를 증강할 수 있고, 시그널을 증대시킨다.
도 16A-16C를 참조하면, 이들 연장된 개방 채널은 2차원 또는 3차원 배열의 어레이로 형성될 수 있으며, 이는 현재 알려진 포어 기반의 시퀀싱 시스템으로는 달성할 수 없는 것이다.
도 16A에서, 시리얼 프로브 어레이(1677)가 도시된다. 이 프로브 어레이는 Q 시리얼 프로브 세트(1630)을 포함한다. 일반적으로 분석되는 연장 물체는 Q 시리얼 프로브 세트(1630)를 통과한다. 상기 Q 시리얼 프로브 세트는 동종이거나 이종일 수 있다.
예를 들어, 동종 프로브 세트(1630)를 사용하여, 각 프로브 세트는 아데닌, 시토신, 구아닌, 및 티민에 대해 적정화된 다양한 개별 프로브를 포함할 수 있다.
또한, 도 16C를 참조하면, 프로브 세트 어레이(1680)는 이종 프로브들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 한 프로브 세트는 아데닌(A), 두번 째는 시토신(C), 세번째는 구아닌(G) 및 네번째는 티민(T)에 적정화될 수 있다.
이러한 시리얼 어레이는 종래 공지 기술, 예를 들면 본 발명의 배경에 기술된 포어 기반 기술로는 불가능하다. 중요한 것은, 본 발명의 시리얼 구성으로 리단던시(redundancy)가 용이하게 달성될 수 있다는 것인데, 상기 시스템이 시리얼 이 종 프로브 세트, 시리얼 동종 프로브 세트, 또는 이들의 조합 등 어떤 것으로 형성되는지 불문한다.
도 16B를 참조하면, 병렬의 시리얼 프로브 어레이(1678)가 도시된다. 상기 프로브 어레이는 Q 시리얼 프로브 세트(1630)의 M x N 채널을 포함한다. 이 프로브 어레이(1678)은 분석 대상 연장 물체의 초고속 병렬 프로세싱에 매우 유용하다. 어레이(1678)내 프로브 세트(1630)는 동종 또는 이종이다. 연장 물체는 동종 또는 이종일 수 있다. 일반적으로 분석 대상 연장 물체는 Q 시리얼 프로브 세트를 통과한다. 동종 또는 이종인 연장 물체의 M x N 어레이는 Q 시리얼 프로브 세트(1630)의 M x N 어레이를 통과한다.
전술한 프로브는 다양한 구조로 사용될 수 있다. 어떤 프로브는 개방 팁 프로브의 형태일 수 있다. 본 명세서 기재의 다양한 개방 팁 프로브가 물질의 분배를 한, 예를 들면 나노 노즐 또는 나노 깔대기로서 사용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재된 다양한 개방 팁 프로브는 시료 또는 작업물질을 광 에너지 또는 자극에 노출되도록 사용될 수 있으며, 이온 또는 입자 빔 조작 등에 대한 나노 노즐 또는 나노 깔대기로 기능할 수 있다.
또한, 본 명세서 기재의 다양한 개방 팁 프로브는 시료 또는 작업 물질에 물질을 노출시키는데 사용할 수 있으며, 이는 a) 프로브의 몸체내, 프로브의 웰내, 또는 프로브내 다른 부재에 의하여 힘을 가하여 물질이 분배되지 않도록 하거나; b) 적당한 온도에서 작동하여 물질이 분배되는 경향성을 줄이거나 또는 방지하거나; 또는 c) 적당한 압력에서 작동하여 물질이 분배되는 경향성을 줄이거나 방지한 다.
어떤 프로브는 검출 가능한 상호작용을 측정하는 나노 전극의 형태일 수 있다. 상기 프로브는 분석 대상 연장 물체와 혼성화(hybridization)될 수 있는 관련 생물학적 물질 시스템과 같이 검출가능한 상호작용을 결과할 수 있는 물질의 형태일 수 있다.
일 실시예에서, 도 17B 및 17C를 참조하여 기초적인 원리를 설명하며, 여기에서 기저부(1728)상의 DNA 사슬(또는 기타 다른 단백질 또는 분석 대상 연장 물체; 1750)이 개방 팁 프로브(1742, 1744, 1746 및 1748)(또는 도 17C에 도시된 노즐 어레이)의 네개의 프로브 아래를 통과한다. 네개의 깔대기 또는 노즐(1742, 1744, 1746 및 1748)이 아데닌, 시토신, 구아닌 및 티민 분자로 각각 채워진다. 아데닌과 티민, 및 구아닌과 시토신의 상보적 구조로 인하여, DNA 사슬상의 뉴클레오티드 및 노즐내의 뉴클레오티드사이에, 맞는 짝이 접촉하는 때, 혼성화가 일어난다. 이러한 혼성화는 낮은 에너지 상태 및 전하 이동을 초래하며, 이를 전류계로 측정할 수 있다. 노즐과 전극 접지판간의 전도성이 영향을 받아 노즐과 접지판사이의 전류를 변화시키기 때문이다. 도 17C은 예를 들면 노이즈를 평균화하고, SNR을 증가시킬 수 있는 예시적인 어레이 셋업을 도시한다. 이러한 특징은 탁월한 SNR을 보증하는데 도움이 된다.
전술한 프로브는 그 내부에 하나 이상의 시그널 검출능을 증강시키는 전도체로 형성될 수 있다. 예를 들면 상기 전도체는 프로브 또는 노즐 웰 및 팁의 내벽 내 또는 그 위에 층상으로 형성될 수 있다.
도 18A는 고체 상태의 뉴클레오타이드 물질로 형성되는 프로브를 갖는 시스템(1800)의 구현예가 도시된다. 각 프로브(1842, 1844, 1846, 1848)가 고상의 뉴클레오타이드, 예를 들면, 아데닌, 시토신, 구아닌, 티민 분자 각각으로 형성되는 프로브 세트(1830)를 도시한다. 고체 상태의 뉴클레오타이드는 박막상에 제조될 수 있으며, 본 명세서 또는 기타 박막 제조 기술에서 개시된 다양한 제조 방법을 사용하여 프로브로서 형성될 수 있다. 바람직하게 이들 SSN는 프로브 팁에 단일 분자 두께를 가짐으로써, 바람직한 모노머 스케일의 해상도를 유지할 수 있다. 이들 필름은 노즐 웰내에, 예를 들면 슬라이싱 전 제조 공정에서 층상화됨으로써 형성될 수 있다. 본 발명의 DNA 시퀀싱 시스템의 바람직한 실시예에서, 상기 노즐은 대응하는 모노머를 해상하기 위하여 약 0.5 나노미터의 팁 크기로 형성된다.
DNA 가닥이 기판상에 응축될 수 있음이 알려져 있다. 본 프로브에서, 단일 종 뉴클레오타이드 가닥이 선 형태 또는 필름 형태로 응축될 수 있다. 도 18B를 참조하면, 이들은 전도성 기판과 같은 기판(M)상에 형성될 수 있으며, 도 18C를 참조하면 응축된 단일 종 뉴클레오타이드 가닥은 기판(M) 사이에 샌드위치화될 수 있다.
도 18B 또는 18C에 도시한 바와 같은 필름은 프로브로서 직접 사용될 수 있다. 또는 이들 필름은 조각화되어(slicing) 금속성 "칼날(knife blades)"에 부착될 수 있다. 또한 이들은 접혀져서(floding) 노출된 응축 단일 종 뉴클레오타이드가 프로브로서 작용할 수도 있다.
도 19를 참조하면, 프로브(1931)로서 금속 전도체를 사용한 시스템(1900)을 도시한다. 이들 프로브는 적합한 전도성 물질로 형성될 수 있다. 또한 노즐형의 프로브가 금속 전도성 물질로 채워지거나 층상화된 형태일 수 있다. 이들 금속은 백금, 금, 또는 기타 적합한 금속 또는 비금속 전도체일 수 있다. 바람직한 DNA 시퀀싱 시스템에서, 상기 전도성 프로브는 대응하는 모노머의 해상을 위하여 약 0.5 나노미터 이하의 팁 크기로 형성될 수 있다.
프로브(1931)를 사용하는 일 방법에서, 자극(예, 전압)은 대상 가닥내 대상 클레오타이드에 적용될 수 있으며, 특징적인 I 대 V 커브를 수득할 수 있다. 예를 들면 도 20은 다양한 모노머 아데닌, 시토신, 구아닌, 및 티민(A,C, G 및 T)에 대한 특징적인 예시적 커브를 나타낸다.
특정 실시예에서, 단일 프로브(1931)가 도 19에 도시된 바와 같이 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 프로브 세트가 사용되어, 예상된 시료 조각 또는 모노머에 대한 감수성을 조절하도록 상이한 전극에 걸쳐 바이어스 파형을 다양하게 변경할 수 있다. 예를 들면, 네개의 프로브 세트가 DNA 가닥과 같은 바이오폴리머의 A,C,T,G 구성요소를 동정하는데 사용될 수 있다. 또한, 동일한 파형을 적용함으로써 복수 프로브를 리단던시를 위해 사용할 수 있다. 이들은 응용에 따라 게이트(gated)되거나 게이트되지 않을 수 있다(un-gated).
도 21을 참조하면, 기능기(2150; FG)가 프로브(2110)상에 마운팅된다. 이 기능기(2150)는 공지 뉴클레오타이드 가닥, 올리고머, 펩타이드, 단일 분자, 또는 기타 공지 종을 포함할 수 있다. 이 기능기(2150)는 공지된 특이적인 감지능, 예를 들면, 정전기적, 자기적, 화학적, 기타 분석 시료와의 상호작용을 갖도록 선택될 수 있다.
도 22를 참조하면, 기능기(2250)는 마이크로미터 직경의 실린더에 부착되고 이후 더 큰 구조에 부착될 수 있다. 상기 실린더는 코팅된 유리, 금속, 또는 유기 또는 무기 물질일 수 있다.
도 23을 참조하면, 복수 기능기(2352, 2354, 2356)가 프로브(2310)상에 마운팅될 수 있다. 이 실시예에서, 프로브 또는 시료의 단계 공정(stepping operations)이 두 방향으로 진행된다. 실질적으로 프로브(2310)의 폭 w 방향 및 실질적으로 프로브(2310)의 폭와 평행 방향으로 단계화함으로써, 분석을 단순화할 수 있다. 예를 들면, 기능기(2352)는 시료와 상호작용하고, 그 관찰을 기록한 후, 프로브가 단계화되여 기능기(2354)가 시료와 상호작용하게 한 후 그 관찰을 기록하고, 또 프로브가 단계화되어 기능기(2356)가 시료와 상호작용한 후 그 관찰을 기록한다. 이런 식으로, 전체 프로브가 실질적으로 프로브(2310)의 폭 w 방향으로 단계화되어 시료의 분석이 계속된다.
도 24A는 프로브의 에지, 특히, 도 2 및 3에 대하여 전술된 "나이프 에지"프로브에 부착된 공지 물질 가닥을 갖는 전도체로 형성된 프로브를 갖는 시스템(2400)의 구현예를 도시한다. 예를 들면, 각 프로브(2442, 2444, 2446, 2448)가 공지 뉴클레오타이드 가닥, 즉 각각 아데노신 가닥, 시토신 가닥, 구아닌 가닥, 티민 가닥을 가지는 프로브 세트(2430)가 도시된다.
바람직한 실시예에서, 단일 가닥/단일 종 뉴클레오타이드 가닥이 제공된다. 이는 신장되어 전도체 프로브의 팁에 부착된다.
공지 뉴클레오타이드 가닥은 다양한 나노 또는 마이크로 조작 수단에 의해 전도체 프로브의 팁에 부착될 수 있다.
일 실시예에서, 조작을 촉진시키기 위하여 "자기 비드"로 지칭되는 자기적으로 활성인 물질이 공지 가닥의 맞은 편 말단에 부착될 수 있다. 프로브 세트에의 부착을 위해 나노-조작 마그넷 시스템이 사용되어 가닥을 신장시킬 수 있다. 예를 들면, 이는 도 24B에 도시되어 있다. 또한, 이러한 구조는 프로브가 시료를 통과할 때, 종래 프로브 분석 시스템에 수반되는 랜딩 에러를 제거할 수 있다.
팁이 프로브 종과 혼성화 짝을 형성할 수 있는 시료 부분 또는 모노머와 만났을 때, 프로브 팁에 부착된 단일 가닥, 단일 종 사슬에 의한 혼성화에 수반되는 결합 에너지가 측정되는 공명 활성을 증강시킨다.
도 25A를 참조하면, 프로브가 개방 웰 또는 깔대기로서 형성된 시스템(2500)이 도시되어 있다. 프로브 세트(2530)는 각 프로브(2542, 2544, 2546, 2548)가 개방 웰 또는 깔대기로서 형성된다. 이 개방 웰 또는 깔대기는 다양한 프로브 활동, 예를 들면 제공원(2582, 2584, 2586, 2588)에 의해 생성되는 다양한 프로브 활동에대한 경로로서 작용할 수 있다.
입자 빔 방출기가 직접 나노 프로브내에 형성될 수 있으며, 또는 깔대기를 통해 간접적으로 형성될 수 있다. 이는 이온 빔 및 전자 빔 방출기를 포함한다.
광자 빔 방출기, 예를 들어, x-레이 방출기, 자외선 방출기, IR 방출기, 가시광선 방출기, 및 테라헤르츠(terahertz) 방출기가 본 명세서에 개시된 프로브 또는 깔대기를 통해 형성될 수 있다. 여기 광자 빔의 파장이 프로브 직경보다 더 큰 경우, 오직 빔(프로브)의 폭 만큼 확장되는 소실성 장이 사용된다.
다른 실시예에서, 전자 빔 방출기가 나노 스케일 해상 빔을 제공하도록 포커싱되고 형성된다. 이들은 에너지가 미세조절될 수 있다. 이러한 미세 조절성은 분석 시료와 직접적으로 상호작용함에 있어서 선택성을 부여한다. 전자 빔은 본 발명의 시스템에 대한 프로브로서 사용될 수 있다.
전기 광학 기술분야에서, 원자 크기 해상력이 SEM, TEM, 및 STEM으로 달성될 수 있음이 알려져 있으며, 이들 빔은 그 자신이 탐침 빔으로서 나노 치수화될 수 있기 때문이다. 바람직한 본 발명의 DNA 시퀀싱 시스템에서, 전자 빔이 대응하는 모노머를 해상하기 위하여 0.5 나노미터 이하의 단면으로 포커싱된다. 전자 빔은 선형 빔(도 2의 프로브와 유사)일 수 있으며, 전자 빔 스캐닝이 채용될 수 있다(도 3과 유사, 깔대기는 이동될 필요가 없으며, 오직 빔이 이동된다는 것은 용이하게 이해될 것이다).
도 25A를 참조하면, 전자 빔은 깔대기를 통해 삽입될 수 있다. 이는 원자 스케일로 직접적인 전자 빔을 형성하는데 요구되는 나노 스케일 해상력 전자 광학에 대한 요구를 최소화한다.
나노 스케일의 해상력을 달성하기 위하여, x-레이, 전자 빔 및 이온 빔을 깔대기 개구부에서 깔대기의 말단으로 전파될 수 있도록 깔대기 벽을 적절히 구축하여야 함이 인식되어야 한다. 전자 빔의 경우, 적절히 배치된 전기장은 이들 빔이 깔대기 팁쪽으로 구부러지도록 한다. 또는 이차 전자 방출이 깔대기 내부 벽면에서 생성되어 깔대기 팁을 나가는 빔을 생성한다.
다른 실시예에서, 본 기술분야에서 나노 스케일 해상력을 갖는 공지된 포커스된 이온 빔 방출기가 시료와 상호작용하는 프로브로서 사용될 수 있다. 이들은 에너지를 미세조절할 수 있다. 이러한 미세조절성은 분석 대상 시료와 직접적으로 상호작용하는데 있어 선택성을 부여한다. 또한 이온 빔은 H+, He+, Ge+, Ga+, 또는 분석되어야 하는 시료와 특이적이고 선택적인 상호작용을 하는 빔으로 형성될 수 있는 물질의 적합한 이온에 기초할 수 있다.
도 25A를 참조하면, 이온 빔은 깔대기를 통하여 삽입될 수 있다. 이는 원자 스케일로 직접적인 전자 빔을 형성하는데 요구되는 나노 스케일 해상력 전자 광학에 대한 요구를 최소화한다.
나노 스케일의 해상력을 달성하기 위하여, x-레이, 전자 빔 및 이온 빔을 깔대기 개구부에서 깔대기의 말단까지 전파될 수 있도록 깔대기 벽을 적절히 구축하여야 함이 인식되어야 한다. 전자 빔의 경우, 적절히 배치된 전기장은 이들 빔이 깔대기 팁쪽으로 구부러지도록 한다. 또는 이차 전자 방출이 깔대기 내부 벽면에서 생성되어 깔대기 팁을 나가는 빔이 생성된다.
x-레이 레이저 빔과 같은 X-레이 빔은 본 발명의 시스템의 프로브로서 사용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 DNA 시퀀싱 시스템의 실시예에서, x-레이 빔은 0.5 나노미터이하의 단면으로 포커싱되어 대응하는 모노머를 분석할 수 있다. 예를 들면, 전술한 전자 빔 시스템을 사용하여 본 기술분야에 공지된 방식에 의해 나노 스케일 x-레이 빔을 생성할 수 있다.
또한, 도 25A를 참조하면, x-레이 빔(직접 또는 간접적으로)은 깔대기를 통 하여 삽입될 수 있다. 이는 원자 스케일로 직접적인 전자 빔을 형성하는데 요구되는 나노 스케일 해상력 x-레이 및 전자 광학에 대한 요구를 최소화한다.
나노 스케일의 해상력을 달성하기 위하여, x-레이, 전자 빔 및 이온 빔이 깔대기 개구부에서 깔대기의 말단까지 전파될 수 있도록 깔대기 벽을 적절히 구축하여야 함이 인식되어야 한다. x-레이의 경우, 깔대기 내부 표면은 간섭 반사를 달성할 수 있도록 복수 표면으로 만들어지거나, 브래그 반사 성질을 사용하여 단일 결정으로 만들어지거나, 광선이 깔대기 말단에 도달할 때까지 입사각 반사를 스쳐지나가게 만들 수 있다.
x-레이가 빗나가 여기 및/또는 측정에 대해 간섭을 일으키거나 노이즈를 증가시키지 않도록, 깔대기의 내부 및 외부 표면은 x-레이 흡수제로 적절히 코팅할 수 있다.
스캐닝 터널링 현미경(STM) 또는 원자력 현미경(AFM) 프로브 팁은 어레이로 배열되어 본 발명의 교시에 따라 사용될 수 있다.
전술한 프로브는 다양한 구조로 사용될 수 있다. 어떤 프로브는 분배 팁을 갖는 웰 형태일 수 있다. 다른 프로브는 나노 노즐의 형태일 수 있다. 다른 프로브는 나노 깔대기 형태일 수 있다. 또 다른 프로브는 리토그라피용 전극의 형태일 수 있다.
예컨대 도 10 및 11에서 개시한 바와 같이, 프로브는 다양한 크기로 제공하거나 또는 작동가능한 팁 개구부를 구비할 수 있다. 이러한 형태의 가변성 갭 프로브는 비제한적 예로서, 물질의 조절 분배, 진공 조절 또는 유체압의 조절, 나노미 터 크기 구조의 조작, 및 다른 응용을 포함한 다양한 응용에 매우 유용하다.
본 발명의 개방 팁 프로브의 다양한 구조는 진공 또는 유압(fluid pressure)에 유용하다. 예를 들면, 어떤 개방 팁 프로브의 일 실시예는 진공 또는 유압을 부여하는데 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 도 26을 참조하면, 프로브(2610)는 복수의 개구부(2612)를 연장된 폭의 프로브 팁의 길이를 따라 구비하며, 다른 영역(2614)은 적절한 플러그 물질로 막을 수 있다. 또한 진공 또는 유체 공급원은 분할되거나, 또는 복수 개구부(2612)가 공통되는 진공 또는 유체 공급원을 공유할 수 있다.
본 발명은 프로브, 나노 프로브 및 프로브 및 나노 프로브의 제조 방법을 개시한다. 개시된 방법으로, 예를 들면 프로브가 개방 팁을 갖는 경우 개구부 크기가 약 0.1 나노미터 내지 10 나노미터, 10 나노미터 내지 약 100 나노미터, 또는 100 나노미터 내지 1000 나노미터인 팁 활성 구역을 갖는 프로브를 제조할 수 있다. 또한 이들 프로브를 정확한 간격으로 배열하고, 부가적인 지지 기능, 예컨대 자극 제공 구조, 계측 구조, 마이크로 및 나노 유체 구조 또는 디바이스, 마이크로 및 나노 전자기계적 구조, 또는 다른 지지 특징들을 갖도록 할 수 있다. 이러한 특징들은 분자수준의 분산, 정밀한 물질 증착, 분자수준의 검출, 및 기타 다른 나노 스케일 공정을 가능하게 한다.
또한, 본 발명에서 개시된 DNA 또는 RNA 가닥 또는 단편과 같은 연장 물체의 시퀀싱을 포함하는 분석 시스템은 예를 들어, 본 명세서에 인용되고 기술된 프로브 및 노즐 제조 방법을 사용하여 팁 크기가 약 5 옹스르롬인 프로브를 제조함으로써 가능하다. 프로브, 프로브 세트 및 프로브 어레이를 생산하는 다양한 방법이 있다. 공동 출원된 미국 출원 10/775,999호(2004년 2월 10일 출원)(및 대응 PCT 출원PCT/US04/03770호: 발명의 명칭; "Micro-Nozzle, Nano Nozzle and Manufacturing Methods Therefor")은 본 발명에 참조로서 포함되며, 프로브를 노즐형 또는 깔대기형으로 제조하는 다양한 기술을 개시한다. 이들 기술들을 변형하여 본 명세서에 기술된 상이한 프로브 구조 또는 프로브 타입을 제조할 수 있다.
또한 특정 실시예에서, 깨끗한 작업 환경에서 각종 가공, 조작 및 조립 단계를 수행하는 것이 바람직하다. 다른 실시예에서, 음압 환경 및/또는 극히 순수한 불활성 기체 환경에서 각종 가공, 조작 및 조립 단계를 수행하는 것이 바람직하다.
통상적으로 본 명세서 기재의 필름 제조의 실시예에서, 프로브 팁 활성 구역은 층상화, 증착 또는 다른 방식으로 프로브 몸체 또는 복수 프로브 사이의 중간 구조상에 형성되는 초박막의 함수인 관련되는 팁 크기를 갖는다(예, 도 2A에 도시된 바와 같은 팁 폭 t).
선행 기술은 어떻게 마이크론 이하 단위의 대상 물체 및 특징이 종래의 광학적, UV, e-beam, X-레이 및 리토그라피에 의해 제조될 수 있는지 교시하고 있다. 이들 도구는 30 나노미터 이하의 크기를 생산하는데 까지 확장될 수 있다. 그러나 이들 도구를 더욱 작은 크기의 물질을 생산하는데 사용할수록, 생산 경비, 풋-프린트 등의 면에서 그 한계는 더욱 더 극명해지고 있다. 실제, 고 전자 및 이온 빔 가속 전압> IOOKV에서, 10nm보다 더 작은 입자 특징들이 개시되었다. 그러나 제조 단계 및 장비의 경비 및 부수 구성요소는 이들 선행 기술의 방법을 성가시게 하고, 느리게 한다.
본 발명은 극히 작은 입자 특징을 제조하기 위하여 리토그라피 기반 광자, 이온 및 전자 빔을 사용하지 않고, 보다 빠르고, 보다 편리하게 유사하거나 더욱 좋은 결과를 얻을 수 있는 방법을 개시한다. 대신, 초박막 필름을 이 목적을 위하여 사용한다.
원자적 정밀성을 가진 필름을 제조하는 방법이 많이 공지되어 있다. 이들은 스퍼터링에 의한 증착, 전자 빔, 이온 빔, 분자 빔 에픽탁시, CVD, MOCVD, 플라즈마, 레이저 증착, 피로리틱(pyrolitic) 증착, 전기화학적, 열적 증발, 스퍼터링, 전자 증착, 분자 빔 에피탁시, 용액에서 흡착, 랑귀미러-블루제트(LB)기술, 자가-조립 및 박막 증착 방법으로 총칭되는 기타 방법을 포함한다. 정확한 계측은 옹스트롬 단위의 정밀성으로 두께를 제조하고 조절할 수 있게 한다. 필링(peeling)에 의한 자유 직립 필름의 제조는 공동출원된 미국 출원 09/950,909호(9/12/2001 출원) 및 미국 출원 10/970,814호(2004년 10월 21일 출원)에 교시된 바와 같이 가능하고, 그 조작은 출원인의 공동 출원인 미국 출원 10/717,220호(2003년 11월 19일 출원됨, 발명의 명칭; "Method of Fabricating Muti Layer Mems and Microfluidic Devices") 및 기타 다른 관련 출원에 교시되어 있다. 이러한 전통적 증착 방법에 의해 생산된 필름은 원자적으로 평활한 기판을 필요로 한다.
스캐닝 터널링 현미경(STM), 원자력 현미경(AFM), 스캐닝 프로브 현미경(SPM) 및 관련 기술의 출현으로 표면 및 구조를 원자적 해상도로 이미징하는 것이 가능해졌다. 이는 의학, 나노테크놀로지, 나노-전자학, 게놈학, 단백질학, 나노 -전자화학 등과 같은 분야에서 수많은 실용적 응용에서 연구되는 많은 물리 화학적 현상에 대한 우리의 이해를 증진시키는데 새로운 지평을 열며, 미래에는 다른 분야에서도 더욱 큰 공헌을 하게 될 것이다.
나노 스케일 해상도 및 나노가공 정확성을 달성하고, 정확하게 물리적, 화학적 현상을 해석하기 위해서, 큰 영역 바람직하게는 수 평방 마이크론 내지 수 평방 센티미터 범위의 영역에 걸친 원자적으로 평탄하고, 원자적으로 매끈한 기판의 사용이 필수적이다. 이러한 기판을 제조하기 위하여, 선행기술은 접착성 테이프를 미카나 그라파이트에 부착하여 그 최상위 표면 원자층을 벗겨내어 신선한 원자적으로 평활한 표면의 미카 또는 그라피아트 조각의 크기 및 테치니스(tetchiness)를 갖도록 하는 극히 비정확한 기술에 의존하였다. 거의 모든 상황에서 상기 원자적 표면이 요망되고, 측면 형상이나 크기 또는 두께는 중요하지 않았다. 선행 기술은 미리 정해진 요망되는 수의 모노-원자의 미카 또는 그라파이트를 갖는 단층 그라파이트(그라펜으로도 지칭) 또는 미카를 갖는 시료를 제조하고, 다루고, 조작하는 방법에 대해서는 교시할 수 없었다.
그라파이트는 매우 잘 알려져 있고, 광범위하게 사용되는 물질이다. 예를 들어, 미국 특허 6,538,892호는 열 싱크의 건축을 위해 그의 양호한 기계적 및 비등방성 열적 성질을 이용한다. 미국 특허 US 6,538,892호에 개시된 바에 따르면 그라파이트는 탄소 원자의 육방정계 배열 또는 네트워크의 면층으로 만들어진다. 이들 육방정계로 배열된 탄소 원자층의 면은 실질적으로 평면이며 도 27에 도시된 바와 같이, 서로에 대하여 실질적으로 평행하며 등거리로 배향되거나 배열되어 있다. 실 질적으로 평면이고, 평행한 등거리의 탄소 원자 시트 또는 층(2710)은 통상 그라펜층 또는 기저 평면으로 지칭되며, 이들은 서로 연결되거나 결합되며, 그들의 기는 결정으로 배열되어 있다. 매우 질서있는 그라파이트는 상당한 크기의 결정으로 이루어져 있다: 미결정은 서로에 대하여 매우 잘 정렬되고 배향되어 있으며, 질서 정연한 탄소층을 갖는다. 환언하면, 고 질서 그라파이트는 고도의 바람직한 미결정 배향을 갖는다. 그라파이트는 비등방성 구조를 가지며 따라서 매우 방향성있는 성질 예를 들면 열적 및 전기적 전도성 및 유체 확산 성질을 나타내거나 가진다.
간략하게, 그라파이트는 탄소의 층상 구조, 즉 약한 반데르발스력(2712)으로 탄소 원자가 서로 결합된 층이 겹쳐져 이루어지는 구조이다. 그라파이트 구조를 고려할 때, 두 축 또는 방향이 주로 표기되며, 예컨대 "c" 축 또는 방향 및 "a"축 또는 방향으로 표시한다. 간단하게 "c" 축 또는 방향은 탄소층에 수직인 방향으로 간주될 수 있고, "a" 축 또는 방향은 탄소층에 평행 방향 또는 "c" 방향에 수직인 방향으로 간주된다. 가요성(flexible) 그라파이트 시트를 제공하기에 적합한 그라파이트는 고도의 배향성을 갖는다.
탄소 원자의 평행 층들을 함께 유지시키는 결합력은 오직 약한 반데르발스력이다. 그라파이트의 탈락으로 지칭되는 단계에서, 자연 그라파이트는 도 27A에서 겹쳐진 탄소층간의 간격 d가 상당히 개방되어 도 27B에 도시하는 바와 같이 Nd로 층에 수직 방향 즉, "c" 방향으로 상당히 팽창되도록 처리되어, 탄소층의 층상 특징이 실질적으로 그대로 유지되는 팽창된 그라파이트 구조를 형성한다. N은 처리 공정에 따라 100 내지 1000 범위에 있을 수 있다. 그라펜층으로도 지칭되는 그라파 이트층은 고온 및 영 모듈러스를 초과하게 보유하면서, 구리를 상회하는 매우 높은 전기적 열적 전도성을 가진다.
최근 맨체스터 대학의 안드레 가임 및 그 동료들은 단일 시트의 그라펜을 분리하고, 구리의 100배 이상의 전도성 및 놀랄만한 퀀텀 홀 효과 행동(Quantum Hall Effect behavior)을 포함하는 놀랄만한 특성을 측정하였다. 이러한 결과 및 기타 결과들은 2006년 1월, Physics Today에 게재되어 있다. 이들 결과는 예전에는 불가능했던 단일 1 옹스트롬 그라펜층의 성공적 분리 후에야 비로소 얻을 수 있었다. 가임의 팀은 랜덤하고 지루하며 예측불가한 방법을 사용하여 단일 그라펜층을 분리하는데 성공했다. Physics Today 기사에 따르면: "그 방법은 놀랄만큼 간단하다: 접착 테이프를 사용하여 그라파이트 결정에서 약하게 결합되어 있는 층들을 벗겨내고, 신선한 층들을 산화 실리콘 표면으로 부드럽게 비빈다. 비결은 거시적 셰이빙 중에서 비교적 드문 모노층 플레이크(flakes)를 찾는 것이다. 플레이크는 광학 현미경하에서는 투명하지만, 상이한 두께로 인해 SiO2상에서 오일상의 짓이긴 흙에 채색된 무늬같은 간섭 패턴이 남는다. 이러한 패턴은 연구자에게 단일 모노층를 찾기 위하여 전자 현미경로 어디를 찾아야 하는지 헌팅정보를 제공한다.
상기 보고는 그라펜이 현저하게, 안정하고, 화학적으로 불활성이며, 주변 조건에서 미결정임을 확인해 주었다.
그라펜에 대한 상기 연구 및 기타 최근의 연구 및 그라파이트 기판의 상업적 공급자로부터, 간편하고, 저경비로, 그리고 빠르게 그라펜 단일층을 분리하는 방법 및 선택된 수의 그라펜층의 예측가능한 스택을 얻는 방법이 요구된다. 또한 비제한 적 예로 미카, 슈퍼 격자 MoS2, NbSe2, Bi2Sr2CaCu2Ox, 그라파이트, 미카, 보론 니트라이드, 디칼코제나이드, 트리칼코제나이드, 트리칼코제나이드, 테트라칼코제나이드, 펜타칼코제나이드 및 하이드로칼사이트-유사 물질을 포함하는 라멜라 또는 복수층 물질로부터 단일층 또는 예측 가능한 수의 층을 분리하는 일반적인 방법이 요구된다.
따라서, 본 발명의 다양한 측면은 라멜라 물질의 단일 또는 복수층의 생산에 관련된다. 본 발명의 많은 진보적 특징 및 실시예는 초박막, 나노스케일의 필름을 제조할 수 있는 능력에 의존한다. 추가적인 실시예에서, 이들 필름은 원자적으로 평면인 필름이 바람직하다. 이는 비제한적 예로 이미징, 분석, 시퀀싱, 나노-리토그라피, 나노 조작 및 다양한 응용과 같은 나노 과학 및 테크놀로지의 첨단을 전진시키는데 필수적인 다양한 기능을 수행하는 모든 프로브 구조의 가공을 가능하게 한다. 전술한 박막 증착 기술은 옹스트롬 단위의 정밀성을 가지고 박막을 제조하는데 사용될 수 있다. 또는 보다 더 정밀하게 형성된 두께가 본 발명에서 개시된 대로 라멜라 물질에서 하나 이상의 예정된 수의 층을 조절된 필링에 의하여 산출될 수 있다. 본 발명에서 개시된 실시예는 그라파이트에 적용되어 그라펜 층을 산출하고, 미카, MoS2 및 라멜라 물질의 층을 제조하는데 적용될 수 있다.
라멜라 물질(2810)로부터 단일 층을 선택적으로 벗겨내는 일 실시예가 도 28에 개시되어 있다. 상기 물질은 라인(2812)을 따라 일정 각도로, 예를 들면 "c"축에 대하여 20도 이상으로 절단된다. 목표는 최상층(2822)에 도달하는 것이며, 도 28B에 따르면 각 층은 연속하여 제거된다. 각 절단에 의하여 노출된 개개의 층이나 층 그룹에 접근하기에 충분히 작은 크기의 팁 개구부를 갖는 전술한 바와 같은 두 개의 나이프 에지 프로브가 필링 과정을 촉진하는데 사용된다. 나이프 에지 프로브(2818)는 제1 기판(2814)에 대해 제2층을 아래로 누르고, 나이프 에지 프로브(2820)은 바람직하게 제1층에 부착되어 있는 제2 기판(2816)에 대해 제1층을 위로 민다. 도 28C는 분리 공정을 촉진시키기 위해 수직으로 당겨지는 기판(2816)에 부착된 제1층의 완전히 분리를 도시한다.
다른 실시예에서, 나이프 에지(2818, 2820)는 느슨하게 있는 제1층의 양면에 수평방향으로 미는 식으로 적용되고, 기판(2816)은 위쪽으로 당겨진다. 이 방법은 도 28D-F에 도시되어 있으며, AFM 및 STM 등과 같이 미리 알려진 이미징 기술에 의하여 층간의 정확한 분리에 대한 지식에 의해 촉진된다. 이 정보는 나이프 에지를 옹스트롬 이하의 정밀도로 움직이는 공지 도구와 같이 사용함으로써 신뢰성있는 층간 분리를 가능하게 한다.
도 29는 신뢰성 있게 단일층을 분리하기 위한 다른 실시예를 도시한다. 이는 도 29A에 도시한 바와 같이 전기 화학적 에칭을 포함한 공지의 에칭 기술에 의해 제1층의 주변 영역을 에칭하여 제2층을 노출시킨다. 여기에서, 전압원(2918)을 전극(2915)에 적용하며, 이들 전극들은 제1층(2922)의 주변 영역(2910)에 접촉하고 있다.
노출된 제2층(2912)을 도 29B에 도시된 바와 같이 민다. 에칭이 완료된 후 전극(2915)은 기판(2914)에 대해 제2층을 아래로 밀고, 상부 기판(2916)은 선택된 제1층(2922)을 위로 당긴다. 따라서, 편리하고 그리고 경제적으로 단일층이 제거되 며 경우에 따라 제3 기판에 전송된다. 기판(2916)은 비제한적인 예로 접착제, 왁스, 진공 등을 포함하는 많은 결합 기술에 의하여 제1층(2922)에 제거가능하게 결합된다. 도 29C에서 마지막 결과는 라멜라 물질의 모든 다른 층에 반복되고, 이는 모든 층이 최소한으로 낭비될 때까지 계속된다. 이 방법은 또한 상기 도 28A-F에 기재된 방법과 결합되어 하나 이상의 단일층을 선택하고 제거할 수 있게 한다. 예를 들어, 그라펜의 경우 그라파이트가 벗겨져 10-1,000의 인자로 층간 간격이 팽창되는가에 따라, 1 Ang의 단일층, 2 Ang의 2층, 복수 Ang의 N층을 갖도록 하는 것이 바람직하다(도 27A 및 27B에 대해 전술한 그라파이트의 박리에 대한 기재를 참조하라).
그라펜 및 금속 코팅된 다른 라멜라 물질의 독특한 성질을 이용한 다른 실시예가 도 30에 도시되어 있다. 특별한 기판(3016)이 제공되고, 필링하고자 하는 제1층(3022)에 제거가능하게 부착되어 있다. 전류원(3012)을 제1 그라펜층(3022) 및 기판(3016)의 상부에 증착된 전극(3024)에 가한다. 전류(3028)는 전극(3024)내로 흘러들어가며 (반대방향으로) 단일층(3022)에서 흘러나와 상부 방향(3018)으로 제1층(3022)만을 선택적으로 미는 자기력(3020)을 생성한다. 추가적으로 기판(3016)에 상부 방향으로 기계적 힘을 가함으로써, 자기력 및 기계적 힘의 조합에 의해 제1 그라펜층(3022)을 쉽게 필링할 수 있다. 상기 힘은 제2층 및 제3층에는 미치지 않으므로, 상기 층들은 그대로 남아 있다. 분리 공정이 3OA-B에 도시된다.
전술한 실시예에서 자기력을 이용하는 대신 도 31A-B에 도시하는 바와 같이 정전기력을 사용할 수 있다. 이경우 전압원(3116)을 기판(3112)에 증착된 전극( 3124) 및 제1층(3122)의 노출부분에 가한다. 전기장(3120)이 가해져 상부 방향(3118)으로 정전기력을 유발하고, 기판에 선택적으로 상부방향으로 잡아당기는 기계적 힘을 가하여, 제1층은 전체 복수층 구조(3110)에서 선택적으로 제거된다.
라멜라 물질의 필링층의 다른 실시예가 도 32A-C에 도시되어 있다. 여기에서, 복수층의 라멜라 구조(3210)는 바닥의 기판(3214)에 부착되고, 상부 시행 기판(3212)이 시료의 상부에 제거 가능하게 부착되어 있다. 상기 기판(3212)는 진공 핸들러(vacuum handler), 접착 테이프 또는 다른 제거 가능한 접착제를 갖는 기타 필름일 수 있다. 제1단계는 기판(3212)를 들어올려 랜덤한 수의 층(3216)을 잡아 당기거나 필링하는 단계이며, 도 32A에 도시되어 있다. 이 단계는 필요한 경우 도 32B에 도시된 바와 같이 층이 거의 남아있지 않을 때까지 반복한다. 도 32C에서 마지막층에서 두번째 층이 드디어 제거되고, 기판(3214)에 결합된 마지막 층(3222)만이 남는다. 이와 같이 기판(3214)에 부착된 랜덤수의 층을 차례로 세이빙하거나 필링하고 상기 공정은 원하는 수의 단일층이 제거될 때까지 반복하여 사용된다.
선택적으로 단일층, 또는 예정된 수의 층을 라멜라로부터 제거하는 방법에 대한 상기 실시예들은 가장 유리하고, 실용적이며 경제적으로 원하는 결과를 얻을 수 있도록 적절하게 결합될 수 있다.
전술한 바와 같이, 박막을 제조하는 방법에 관한 수개의 실시예에서, 프로브 팁 활성 구역은 층상화, 증착 또는 다른 방식으로 프로브 몸체 또는 복수 프로브 사이의 중간 구조상에 형성되는 박막의 함수인 적절한 팁 크기를 갖는다(예, 도 2A에 도시된 바와 같인 팁 폭 t).
본 발명자에 의해 창안되고, 본 명세서에 참조로 삽입된 다양한 필름 프로세싱 기술을 사용하여, 초박막의 물질이 증착되어 층들의 스택을 형성할 수 있다. 이 프로브 구역은 개구부로서 형성될 수 있으며, 일련의 프로브가 절연체 또는 반도체 및 선택적으로 제거가능한 물질 간에 교대하는 스택층을 생성시킴으로써 용이하게 형성될 수 있으며, 선택적으로 제거가능한 물질의 기하학적 구조 및 크기가 개구부의 기하학적 구조 및 크기를 한정한다. 상기 선택적으로 제거가능한 물질은 전도체에 인접하여 또는 한 쌍의 전도체 사이에 위치하여 분배의 조절 또는 기타 다른 기능을 위해 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 프로브 구역은 적합한 전도체일 수 있으며, 일련의 프로브가 절연체 또는 반도체 및 전도성 물질 간에 교대하는 스택층을 생성시킴으로써 용이하게 형성될 수 있으며, 전도성 물질의 기하학적 구조 및 크기가 개구부의 기하학적 구조 및 크기를 한정한다.
프로브, 프로브 세트, 및 프로브 어레이를 제조하는 어떤 방법들은 박막 프로세싱 및 수직적으로 통합된 장치의 생성에 적합한 본 출원인에 의해 발명된 프로세싱 기술 및 다양한 도구를 사용할 수 있다. 다양한 프로브 및 그 구조는 본 출원인의 복수층 제조 방법을 사용하여 제조될 수 있으며, 이는 미국 출원 09/950,909호(2001년 9월 12일 출원, 발명의 명칭;"Thin films and Production Methods Thereof); 10/222,439호(2002년 8월 15일 출원, 발명의 명칭;"MEMs And Method Of Manufacturing MEMs"); 10/017,186호(2001년 12월 7일 출원, 발명의 명칭:"Device And Method For Handling Fragile Objects, And Manufacturing Method Thereof); PCT 출원 PCT/US03/37304호(2003년 11월 20일 출원, 발명의 명칭:"Three Dimensional Device Assembly and Production Methods Thereof); 미국 특허6,857,671호(2005년 4월 5일 등록, 발명의 명칭:"Method of Fabricating Vertical Integrated Circuits"); 미국 출원 10/717,220호(2003년 11월 19일 출원, 발명의 명칭:"Method of Fabricating Muti Layer MEMs and Microfluidic Devices"); 10/719,666호(2003년 11월 20일 출원, 발명의 명칭:"Method and System for Increasing Yield of Vertically Integrated Devices"); 10/719,663호(2003년 11월 20일 출원, 발명의 명칭:"Method of Fabricating Muti Layer Devices on Buried Oxide Layer Substrates";에 개시되어 있으며, 이들은 본 명세서에 참조로 삽입된다. 그러나, 다른 형태의 반도체 및/또는 박막 프로세싱 기술도 채용될 수 있다.
도 33A-33F을 참조하면, 얇은 디바이스막(3320)을 제조하는 방법 및 시스템은 본 발명의 다양한 실시예에 의해 프로브 또는 프로브 전구체로서, 또는 프로브, 프로브 전구체, 프로브 세트 또는 프로브 어레이(일반적으로 "프로브 부재"로 지칭)를 위한 기판를 만드는데 사용될 수 있다. 도 33A는 본 발명의 방법 및 구조를 위한 출발물질로서의 벌크 기판(3302)을 도시한다. 도 33B를 참조하면, 방출유도층(3318)을 벌크 기판(3302)의 상부 표면에 생성시킨다. 이 방출 유도층(3318)은 기공층 또는 복수의 기공층을 포함할 수 있다. 방출 유도층(3318)은 벌크 기판(3302)의 주표면을 하나 이상의 기공층(3318)을 형성하도록 처리함으로써 형성될 수 있다. 또는, 상기 기공층 또는 복수의 기공층 형태의 방출 유도층(3318)은 벌크 기판(3302)에 변형층(strained layer)을 이송하여 제조할 수 있다.
또한, 상기 방출유도층(3318)은, 성장하면서 경계면에 변형을 가할 수 있는 정도로 근접하는 적합한 격자 미스매치를 갖는 변형층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 단일 미결정 실리콘 기판(3302)에 대하여, 변형층 형태의 방출 유도층은 실리콘게르마늄(예를 들면, 실리콘 제네시스사의 미국 특허 6,790,747호는 SOI 형성 배경에서, 실리콘 게르마늄 또는 실리콘 게르마늄 탄소와 같은 실리콘 합금을 사용할 수 있음을 교시하고 있으며; 미국 S.O.I.Tec Silicon on Insulator Technologies SA의 미국 특허 6,953,736호는 격자 미스매치를 사용하여, 의도된 분해 부위에서 약한 결합을 갖는 변형 절연체-상-실리콘 구조를 형성할 수 있음을 개시하고 있다, 이들은 본 명세서에 참조로 삽입된다), 기타 III-V족 화합물, InGaAs, InAl, 인듐포스파이드(indium phosphides), 또는 성장이 가능할 정도로 충분히 근접하는 격자 미스매치를 제공하는 기타 격자 미스매치 물질을 포함한다. 실리콘과 같은 단일 결정 물질이 디바이스층(3320)으로 성장하는 일 실시예에서, 단일 결정 물질은 상기 디바이스층(3320) 내부 또는 그위에 형성되는 프로브 또는 프로브 전구체에 손상을 주지않거나 최소화하면서 방출을 촉진시킬 수 있는 미스매치를 제공한다. 방출 유도층(3318)은 벌크 기판(3302)의 주표면를 적합한 물질로 처리(예, 화학 증기 증착, 물리 증기 증착, 분자 빔 에피탁시 플레이팅, 및 다른 기술과 이들의 조합)하여 디바이스층(3320)에 격자 미스매치를 갖는 변형층(3318)(예, 디바이스층(3320) 및 기판(3302)이 단일 결정 Si인 경우 실리콘 게르마늄)을 형성시킴으로써 제조된다. 방출층 특히, 변형층 형태의 핵심적인 특징 중 하나는, 방출층의 적어도 일 부분이 벌크 기판 및 방출층위에 형성되거나 스택되는 디바이스층과 비교되는 격자 미스매치인 결정 구조를 가진다는 것이다. 또는 변형층 형태의 방출유도층(3318)은 벌크 기판(3302)에 변형층을 이송하여 제조할 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서, 방출유도층은 약한 결합 및 강한 결합의 영역을 갖는 층을 포함한다(이는 본 출원인에 의해 2001년 12월 9일에 출원된 미국 출원 09/950,909호 및 2004년 10월 21일 출원된 10/970,814호에 자세히 기술되어 있으며, 양 특허의 발명의 명칭은 "Thin films and Production Methods Thereof"이며, 본 명세서에 참조로서 삽입되고, 이후 각각 '909 및 '814 출원으로 지칭된다)
또한, 상기 방출유도층은 그 속에 일체화된 공명흡수물질(즉, 특정 여기 주파수를 흡수함)을 갖는 층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 특정 여기 주파수가 탈결합 공정하는 동안 물질에 충돌할 때, 공명력이 그 물질의 가열 및 용융에 의해 국소화되고 조절된 탈결합을 일으킨다.
도 33C를 참조하면, 디바이스층(3320)이 방출층(3318)의 내부 또는 상부에 형성된다. 바람직한 실시예에서, 상기 디바이스층(3320)은 예를 들어 에피탁시 단일 결정 실리콘층과 같이 에피탁시적으로 성장한다. 또는 대체예에서, 디바이스층은 방출층에 부착되어 기판층 또는 벌크 기판(3302)의 상부에 위치될 수 있다. 예를 들면, 적합한 진공 핸들러(본 발명에 참조로서 삽입되는 2001년 12월 7일자로 출원된 10/017,186호(발명의 명칭;"Device And Method For Handling Fragile Objects, And Manufacturing Method Thereof")에 개시된 바와 같은 진공 핸들러 또는 기타 진공 핸들러)가 전술한 바와 같이 박막의 보유 및 이송에 사용될 수 있다.
경우에 따라 매장된 옥사이드층을 디바이스층(3320)아래에 구비할 수 있다. 예를 들어, 도 33B와 관련하여 기술된 단계후에, 방출층(3318)의 일부를 옥사이드층 또는 영역내에 형성시킬 수 있다. 또는 방출층(3318)의 일부분을 처리하여 매장 옥사이드 영역을 형성할 수 있다. 나아가 다른 실시예에서, 도 33C와 관련하여 기술된 단계후에, 일부 방출층(3318)을 적절한 이식 처리에 의해 옥사이드층 또는 옥사이드영역 내에 형성시키거나, 처리하여 매장 옥사이드층을 형성할 수 있다. 다른 대체예에서, 디바이스층이 방출층에 부착되어 있는 경우, 방출층 매개 방출층의 표면을 처리하여 옥사이드층을 형성하거나, 옥사이드층을 방출층 매개 방출층의 표면에 증착할 수 있다.
도 33D를 참조하여, 하나 이상의 프로브 및/또는 프로브 전구체(3322)는 디바이스층의 내부 또는 그 위에 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 디바이스층은 와퍼 스케일을 갖고, 복수 프로브 및/또는 프로브 전구체는 와퍼상에 형성된다. 방출층(3318)은 디바이스층(3320)이 벌크 기판(3302)에 충분히 결합하도록 하여, 프로브 및/또는 프로브 전구체(3322)의 프로세싱동안, 모든 구조적 안정성이 유지되도록 한다.
도 33F을 참조하면, 프로브 및/또는 프로브 전구체(3322)를 내부 또는 위에 갖는 디바이스층(3320)은 벌크 기판(3302)로부터 용이하게 분리될 수 있다. 도 33G에 도시한 바와 같이, 경우에 따라 디바이스층은 방출층의 일부(3318')를 포함할 수 있다. 이는 디바이스층과 같이 보유되며, 선택적 에칭 또는 그라인딩과 같은 전통적 방법으로 제거된다. 이는 본 발명의 실시예에 따른 일부 프로브를 위해 단독으로 사용될 수 있는 매우 얇은 디바이스막을 제공한다. 또는 상기 얇은 디바이스 막은 스택되어 프로브(예, 프로브 전구체가 다른 프로브 전구체와 스택되어 있는 프로브의 일부일 때, 예를 들면 프로브의 스택의 반), 또는 프로브 어레이를 형성할 수 있다. 또한, 남아있는 기판(3302)(방출막 3318'의 일부를 가질 수 있다)는 뒤에 남고, 이들은 필요한 경우 폴리싱된 후, 재순환되거나 동일 또는 유사 공정에서 재사용된다.
따라서, 도 33A-33F과 관련하여 전술된 방출층을 사용한 얇은 디바이스층을 제조하는 방법은 3개의 층 1A, 2 A, 3 A를 갖는 구조 A를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 1A층은 디바이스층, 2A층은 방출층, 3A층은 지지층이다. 이러한 방식으로 1A층은 3A층으로부터 방출가능하다. 하나 이상의 프로브 및/또는 프로브 전구체는 디바이스층 1A 상에 가공된다. 이후, 디바이스층 1A는 지지층 3A로부터 방출될 수 있다. 지지층 3A는 후속 공정, 예를 들면 지지층 또는 디바이스층으로 재사용될 수 있다.
도 33A-33F에 도시된 바와 같이 방출층(3318)은 기공성 Si와 같은 기공 물질층을 포함할 수 있다. 추가적인 대체예에서, 도 34A-34G를 참조하여 설명하면, 유용한 디바이스를 내부 또는 위에 갖는 박막을 제조하는 방법 및 시스템이 제공되고, 여기에서 방출층은 제1 기공 P1의 하부층(3418) 및 제2 기공 P2의 하부층(3426)을 포함한다. 따라서, 방출층은 상대적으로 큰 기공 P1의 하부층 영역이 기판과 가까이 존재하고, 상대적으로 작은 기공 P2의 하부영역이 디바이스층에 가까이 존재하는 기공성 방출층을 포함한다. 일 실시예에서, 하부층 P1은 상기 기판상에 직접 형성되고, 다른 실시예에서 하부층 P2는 상기 하부층 영역 P2상에 성장 한다. 도면은 제1기공 P1의 하부층(3418) 및 제2 기공 P2의 하부층(3426)을 명확히 구별하여 보여주고 있지만, 전체 방출층의 두께에 걸쳐 기공성 구배를 두는 방법도 사용가능하다.
도 34A는 본 발명의 방법 및 구조를 위한 출발 물질로서 벌크 기판(3402)을 도시한다. 도 34B를 참조하여, 기공층 Pl (3418)이 벌크 기판(3402)의 상부 표면에 생성된다.
도 34C를 참조하여, 제2 기공층 P2 (3426)이 제1 기공층 Pl (3418)상에 형성된다. 일 실시예에서, 층(3426)은 층(3418)에 스택되고 결합된다. 다른 실시예에서, 층(3426)는 층(34418) 상에 성장되거나 증착될 수 있다.
도 34D를 참조하여, 디바이스층(3420)는 기공층 P2 (3426)의 상부에 형성된다. 일 실시예에서, 상기 디바이스층(3420)은 에피탁시적으로, 예를 들면 단일 결정 실리콘층으로 성장한다. 또 다른 대체예에서, 상기 디바이스층은 예를 들어 방출층으로 이송되어 부착될 수 있다.
경우에 따라 매장된 옥사이드층을 디바이스층(3420) 하부에 구비할 수 있다. 예를 들면, 도 34B 또는 34C와 관련하여 기술된 단계 후에, 층(3418 또는 3426)의 일부를 옥사이드층 또는 영역내에 형성시킬 수 있다. 또는 층(3418 또는 3426)의 일부를 매장 옥사이드 영역을 형성하도록 처리할 수 있다. 나아가 다른 실시예에서, 도 34D와 관련하여 기술된 단계 후에, 층(3418 또는 3426)의 일부를 적절한 이식 처리에 의해 옥사이드층 또는 영역으로 형성시키거나, 또는 층(3418 또는 3426)의 일부를 처리하여 매장 옥사이드층을 형성할 수 있다. 또는 디바이스층이 층(3426)에 부착되어 있는 경우, 방출층 중간 디바이스층의 표면을 처리하여 옥사이드층을 형성하거나, 옥사이드층을 방출층 중간 디바이스층의 표면에 증착할 수 있다.
도 34E를 참조하여, 하나 이상의 프로브 및/또는 프로브 전구체(3422)가 디바이스층상에 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 디바이스층은 와퍼 스케일을 갖고, 복수 프로브 및/또는 프로브 전구체가 와퍼상에 형성된다. 층(3418 또는 3426)은 디바이스층(3420)이 벌크 기판(3402)에 충분히 결합하도록 하여, 프로브 및/또는 프로브 전구체(3422)의 프로세싱동안, 모든 구조적 안정성이 유지되도록 한다.
도 34F을 참조하면, 프로브 및/또는 프로브 전구체(3422)를 내부 또는 위에 갖는 디바이스층(3420)은 벌크 기판(3402)로부터 용이하게 분리될 수 있다. 도 34G에 도시한 바와 같이, 경우에 따라 디바이스층은 기공층 P2의 일부(3426)를 포함할 수 있다. 이는 디바이스층(3420)과 같이 보존되거나, 선택적 에칭 또는 그라인딩과 같은 전통적 방법으로 제거된다.
33A-33F 및 34A-34G에 도시한 바와 같이, 방출층(3318)은 실리콘-게르마늄(SiGe)층과 같은 변형층을 포함할 수 있다. 예를 들면, SiGe층은 기판층 상에 성장할 수 있다. 게르마늄은 Si보다 큰 격자 상수를 가지므로, SiGe층은 성장함에 따라 압축 변형된다.
도 35A-35F를 참조하여, 하나 이상의 프로브 및/또는 프로브 전구체를 내부 또는 위에 포함하는 박막을 제조하는 다른 방법을 제공한다. 벌크 기판(3502)이 제 공된다(도 35A). 도 35B를 참조하면, 벌크 기판(3502')의 모든 또는 일부 표면(3504)을 처리하여 영역(3506)을 형성한다. 이 실시예에서, 후술하는 바와 같이, 3506 영역은 그 상부에 층을 성장시킬 수 있는 물질 및/또는 특성을 갖는 물질로 형성되며, 방출층의 일부로 기능하고, 영역(3506)은 전술한 바 및 본 출원인의 '909 및 '814출원에 기재된 바와 같은 약한 결합 영역이다. 도 35A-35F로 도시된 실시예는 벌크 기판(3502')의 표면 일부(3504)가 처리됨으로써, 표면(3504)의 다른 부분들(3508)은 원래의 벌크 기판(3502')로 잔여한다(도 35B-35F에서 둘레로 표시하였으나, 출원인의 '909 및 '814 출원에 기술한 바와 같이 다른 패턴으로도 생성될 수 있다). 이 부분은 '909 및 '814 출원에 기술한 바와 같이 강한 결합 영역을 표시한다.
도 35C를 참조하면, 단일 결정 실리콘과 같은 단일 결정 물질층(3510)은 약한 영역 및 강한 영역(3506, 3508)의 상부에 에피탁시적으로 성장된다. 도 35D는 단일 결정 물질층(3510)의 내부 또는 그 위에 가공된 프로브 및/또는 프로브 전구체를 도시한다. 도 35E를 참조하여, 일부 단일 결정 물질층(3510)이 부분 영역(3508)에 대응하여 제거되고, 영역(3508)이 예를 들면, 화학적 에칭, 기계적 제거, 수소 또는 헬륨 이식 및 상기 부분(3508)의 가열 또는 상기 영역(3508)에 공명 흡수제를 포함하는 물질을 제공하고 후속하여 그 물질을 가열 및 용융하여 제거한다. 이로써, 상기 부분(3506)상에 개질된 단일 결정 물질층(3510')이 잔여한다. 도 35F는 부분(3506)이 제거되어 프로브 부재(3512)를 내부 또는 위에 갖는 단일 결정 물질층(3510')이 잔여됨을 도시한다. 또는 프로브 부재(3512)를 내부 또는 위에 갖 는 단일 결정 물질층(3510')은 예를 들어 기계적 분해(층의 면에 평행하여), 필링 또는 기타 적합한 기계적 제거에 의해 상기 부분(3506)으로부터 제거될 수 있으며, 이로써 일부 잔여 영역(3506)은 프로브 부재(3512)를 내부 또는 위에 구비하는 단일결정물질층(3510')의 뒷부분에 남고, 다른 일부 잔여 영역(3506)은 벌크 기판(3502'')의 상부에 잔여한다. 이러한 방식으로 벌크 기판(3502'')은 최소한의 폴리싱 및/또는 그라인딩으로 순환되고 재사용되며, 벌크 기판(3502)의 단일결정물질의 낭비를 최소화할 수 있다. 내부 또는 위에 프로브 부재(3512)를 갖는 단일 결정 물질층(3510')은 그대로 또는 개별적인 디바이스 또는 구조로 절단되어 또는 정렬 및 스택되어(프로브 또는 프로브 어레이 또는 와퍼 상에) 프로브, 프로브 어레이 또는 복수의 프로브 및/또는 프로브 어레이를 형성하는데 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 균일층을 시작물질로 사용하여 강한 본드 부분(3508)을 형성할 수 있다. 예를 들면, 표면(3504)은 실리콘 게르마늄과 같은 변형 물질을 포함한다. 영역 용융(zone melting) 및 스윕핑 기술을 사용하여, 게르마늄을 요망하는 강한 본드 영역(3508)에서 스윕핑한다. 층(3510)이 부분(3506, 3508)을 갖는 층 상에 성장 또는 형성되고, 상기 층(3510)은 부분 영역(3508)에 강력하게 결합되며, 부분 영역(3506)에 비교적 약하게 결합된다.
도 36A-36F를 참조하여, 하나 이상의 유용한 디바이스 또는 구조를 내부 또는 위에 포함하는 박막의 또 다른 제조방법을 제공한다. 벌크 기판(3602)이 제공된다(도 36A). 도 36B을 참조하여, 벌크 기판(3602')의 모든 또는 일부 표면(3604)을 처리하여 기공성 하부 영역(3605 및 3606)을 형성한다. 이 실시예에서, 후술하는 바와 같이, 영역(3606)는 상부에 층을 성장시킬 수 있는 물질 및/또는 특성을 갖는 물질로 형성되며, 이는 방출층의 부분으로서 기능하고, 상기 기공성 하부-영역(3606/3605)은 전술한 '909 및 '814 출원에 자세히 개시된 바와 같은 약한 결합 영역을 표시한다. 도 36A-36F에 도시한 실시예에서, 벌크 기판(3602')의 표면(3604)의 일부분이 처리되고(하부 영역 3605/3606의 형성), 표면(3604)의 다른 부분(3608)은 원래의 벌크 기판 그대로 남는다(도 36B-36F에서 둘레로 표시되고 있지만, 출원인의 '909 및 '814 출원에 기술한 바와 같이 다른 패턴으로도 생성될 수 있다). 이 부분은 '909 및 '814 출원에 기술한 바와 같이 강한 결합 영역을 표시한다.
따라서, 방출층은 하부-영역(3605/3606) 및 부분(3608)을 포함한다. 후술하겠지만 하부 영역(3605)은 기판 가까이 비교적 큰 기공P1을 가지고, 하부 영역(3606)은 디바이스층 가까이 비교적 작은 기공 P2를 갖는다. 일 실시예에서 하부 영역(3605)은 상기 기판상에 직접 형성되고, 하부 영역(3606)은 상기 기판(3605)상에 성장한다. 일 실시예에서, 하부 영역(3606)은 하부 영역(3605)에 스택되고 결합된다. 다른 실시예에서 하부 영역(3606)은 하부 영역(3605)상에 성장하거나 증착된다.
도 36C를 참조하여, 단일 결정 실리콘과 같은 단일 결정 물질층(3610)은 약한 영역 및 강한 영역(3606, 3608)의 상부에 에피탁시적으로 성장된다. 도 36D는 단일 결정 물질층(3610)의 내부 또는 그 위에 가공된 디바이스 및/또는 구조를 도시한다. 도 36E를 참조하여, 단일 결정 물질층(3610)의 일부가 부분 영역(3608)에 대응하여 제거되고, 부분(3608)이 예를 들면, 화학적 에칭, 기계적 제거, 수소 또는 헬륨 이식 및 부분(3608)의 가열 또는 상기 영역(3608)에 공명 흡수제를 포함하는 물질을 제공하고 후속하여 그 물질을 가열 및 용융하여 제거한다. 따라서, 상기 부분(3606)상에 개질된 단일 결정 물질층(3610')이 잔여한다. 도 36E는 예를 들면 나이프 에지 디바이스, 워터 젯, 또는 다른 장치 등 하부 영역(3605 및 3606)사이를 절단하는데 사용된 예시적 절단 디바이스를 도시한다. 도 36F는 제거된 하부 영역(3606)의 바닥 부분(단일 결정 물질층(3610)의 바닥에 잔여하는 하부 영역(3606) 부분과 함께), 및 제거된 하부 영역(3605)의 상부 부분(벌크 기판(3602'')에 잔여하는 하부 영역(3605)의 부분과 함께)을 도시한다. 따라서, 내부 또는 위에 디바이스 또는 구조(3612)를 갖는 단일 결정 물질층(3610')이 남는다. 이러한 방식으로 벌크 기판(3602'')은 최소한의 폴리싱 및/또는 그라인딩으로 순환되고 재사용될 수 있음, 이로써 벌크 기판(3602)의 단일 결정 물질의 낭비를 최소화할 수 있다. 내부 또는 위에 디바이스 또는 구조(3612)를 갖는 단일 결정 물질층(3610')은 그대로 또는 개별적인 디바이스 또는 구조로 절단되어 또는 정렬 및 스택되어(디바이스 또는 구조 또는 와퍼 상에) 수직으로 일체화된 디바이스를 형성하는데 사용될 수 있다.
도 37에 출발 복수층 기판(3700)을 도시한다. 기판(3700)은 바람직한 실시예에서 수천 또는 수백만의 프로브 부재를 프로세싱하기 위한 와퍼일 수 있으며, 또는 프로브 및/또는 프로브 전구체로서 사용되기 위한 초박막을 생산하는데 사용될 수 있다.
복수층 기판(3700)은 강한 결합 영역(3703) 및 약한 결합 영역(3704)를 갖 는, 제2 기판층(3720)에 선택적으로 결합된 제1 디바이스층(3710)을 포함한다. 전술한 특허 출원에 개시한 기술, 또는 기타 적합한 와퍼 프로세싱 및 핸들링 기술을 사용하여, 하나 이상의 프로브 부재를 내부 또는 위에 가지며, 또는 초박막으로서 프로브 또는 프로브 전구체로 사용되는 제1층(3710)을 디바이스층(3710)의 내부 또는 위에 형성된 구조(증착되거나 다른 방식으로 삽입된 물질, 또는 웰 또는 기타 층(3710) 공제물을 포함)를 손상시킴없이 제2 기판층(3720)(디바이스 프로세싱 동안 기계적 지지대로 기능한다)로부터 용이하게 제거할 수 있다.
따라서, 도 33 및 34의 방법에 따라 층상 구조는 일반적으로 내부 또는 위에 형성된 유용한 부재를 방출가능하게 예를 들어 기판과 같은 제2층에 부착하거나 결합시킬 수 있는 제1층을 포함한다. 일반적으로 층상 구조를 형성시키는 방법은 제1층을 제2층에 방출가능하게 부착시키는 것을 포함한다. 또한, 도 35-37의 방법에 따라, 층상 구조는 일반적으로 약한 결합 영역 및 강한 결합 영역으로 내부 또는 위에 형성된 유용한 부재를 방출가능하게 예를 들어 기판과 같은 제2층에 부착하거나 결합시킬 수 있는 제1층을 포함한다. 상기 층상 구조는 본 발명의 프로브 및/또는 프로브 전구체를 포함하는 다양한 디바이스의 제조에 사용될 수 있다. 또한 층상 구조는 하나 이상의 프로브 및/또는 프로브 전구체의 공급원으로서 사용될 수 있으며, 예를 들면, 디바이스층이 프로브로 사용될 때, 거의 또는 전혀 손상없이 제조되고 제거될 수 있는 능력으로 인하여 상기 초박막을 초고해상 프로브로 사용할 수 있다.
예를 들면 도 33E, 34F, 35E 및 36E의 단계에 도시한 분리는 다양한 분리 기술을 포함할 수 있다. 이러한 분리 기술은 본 출원인의 전술한 '909 및 '814 출원에 자세히 기재되어 있는 기술들을 포함하여, 이들은 본 명세서에 참조로 삽입된다. 이러한 분리는 예를 들어 층에 평행한 화학적 에칭에 후속하는 나이프 에지 분리 등과 같이 복수 단계일 수 있다. 분리 단계들은 필링, 분해 전파; 나이프 에지 분리, 워터 젯 분리, 초음파 분리 또는 기타 적합한 기계적 분리 기술과 같은 기계적 분리 기술을 포함할 수 있다. 또한 분리 단계는 화학적 기술, 예를 들어 층에 평행한 화학적 에칭; 층에 대한 정상방향의 화학적 에칭; 기타 적합한 화학적 기술일 수 있다. 또한 상기 분리 기술은 층분리를 유발할 수 있는 이온 주입 및 이온 팽창을 포함할 수 있다.
디바이스층, 방출층 및 기판층으로 사용되는 층 물질은 동일 또는 상이하며, 비제한적으로 전술한 라멜라 물질, 플라스틱(예, 폴리카보네이트), 금속, 반도체, 절연체, 모노결정성, 무정형, 비결정성, 생물학적(예, DNA 기반 필름) 또는 전술한 형태의 물질을 하나 이상 포함하는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
또한, 방출층은 일정량의 알려진 공명에서 여기하는 도펀트를 갖는 물질층을 포함할 수 있다. 공명이 여기되면, 물질은 국부적으로 가열되고 도펀트를 둘러싸는 영역을 용융한다. 이러한 형태의 방출층은 유기물질 및 무기물질을 포함하여 ㄷ다다양한 물질을 프로세싱하는데 사용될 수 있다.
디바이스층 및 기판층은 전술한 박막, 와퍼, 또는 필름 및/기판 구조를 형성하기 위하여 증착된 유체물질을 포함하여 다양한 공급원으로부터 유래될 수 있다. 출발물질이 와퍼 형태인 경우, 전통적인 공정 어떤 것도 디바이스층 및/또는 기판 층을 유도하기 위하여 사용할 수 있다. 예를 들면, 기판층은 와퍼로 구성되고, 디바이스층은 동일 또는 상이한 와퍼 부분을 포함할 수 있다. 디바이스층을 구성하는 와퍼 부분은 기계적인 연마(예를 들면 기계적 그라인딩, 절단, 폴리싱; 화학 기계적인 폴리싱; 폴리시-스톱(polish-stop); 또는 상기 중 하나 이상을 포함하는 이들의 조합), 분해 전파(cleavage propagation), 이온 주입 및 후속하는 기계적 분리(예, 층면에 정상방향의, 층면에 평행하는 방향의, 필링 방향의, 또는 이들의 조합의 분해 전파), 이온 주입후 열, 빛, 및/또는 압력 유발 층분리, 화학적 에칭 등에 의해 제조될 수 있다. 또한, 디바이스층 및 기판층 중 하나 또는 모두는 예를 들면 화학적 증기 증착, 에피탁시적 성장 방법 등에 의해 증착 또는 성장될 수 있다.
디바이스층의 크기는 두께 및 표면적에서 다양하다. 예를 들면, 초고해상도를 갖는 프로브의 가공은 본 발명의 실시예 및 방법으로 부터 혜택을 받을 수 있으며, 이에 의해 프로브는 수십 나노미터 내지 수나노미터의 층 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 방법 및 실시예를 위한 표면적은 다이 스케일(die-scale), 와퍼 스케일 또는 큰 시트 스케일일 수 있다; 따라서, 표면적은 다이 스케일의 나노미터 평방 내지 수마이크론; 와퍼 스케일의 수센티미터 평방; 및 시트 스케일의 센티미터 내지 미터 평방일 수 있다.
도 38A 및 38B는 각각 선택적으로 결합된 기판(3800)의 약한 결합 영역내 형성된 복수의 웰(3830)을 갖는 선택적으로 결합된 기판(3800)의 상면 등방도 및 단면도를 도시한다. 상기 웰은 에칭, 기계적 공제법(mechanical substraction method), 이온 또는 입자 빔 에칭, 또는 기타 적합한 방법으로 형성될 수 있다. 약한 결합 영역 및 강한 결합 영역의 패턴은 '909 및 '814 출원에 개시한 바와 같이 다양할 수 있다. 그러나 바람직한 실시예에서, 모든 웰(3830)은 디바이스층(3810)의 약한 결합 영역에 형성되고 지지층(3820)에 의해 프로세싱동안 지지된다.
도 38C 및 38D은 각각 전술한 디바이스층(3810)에 형성된 단일 웰(3830)의 평면도 및 단면도이다. 도 38C를 참조하여, 점선과 웰(3830)의 벽(3832)사이의 교차 영역은 실시예에서 프로브 부재가 프로세싱되는 영역을 도시하며 이하 후술한다. 다른 실시예에서, 노즐을 프로세싱하기 위해서 오직 하나의 의도된 영역이 존재한다(예, 도 38C 및 38D에서 도시한 바와 같이 왼쪽 또는 오른쪽 면 위).
추가적 실시예에서, 웰은 의도된 프로브 부재 영역, 예를 들면 점선에 의해 도시된 두께를 갖는 장갑 모양에서만 형성된다.
도 39를 참조하면, 웰(3830)은 일반적으로 각을 갖는 벽(3832)을 가지며, 그 기능은 명백하다. 또한 웰 중앙의 우묵한 부분(3834)은 프로브의 저장소 부분이 된다. 각진 벽(3832)의 외측 말단에 인접하는 디바이스층(3810)의 상부 표면에는 플라투(plateau) 영역이며, 이는 최종적으로 본 발명의 프로브의 내벽 부분이 될 수 있다.
도 39를 참조하여, 층(3810) (예를 들면 약 0.1 나노미터 내지 10 나노미터, 10 나노미터 내지 100 나노미터, 100 나노미터 내지 1000 나노미터의 두께를 갖는)은 선택적으로 지지층(3820)에 결합되며, 이는 도 33-37 및 '909 및 '814출원에 도시되어 있다. 저장소 영역(3830)은 에칭되거나 다른 방식으로 약한 결합 영 역(3803)에서 디바이스층 영역으로부터 제거된다. 적당한 나노 스케일 물질 공제 방법이 사용될 수 있다.
도 4OA를 참조하여, 층(3838) (예를 들면 약 0.1 나노미터 내지 10 나노미터, 10 나노미터 내지 100 나노미터, 100 나노미터 내지 1000 나노미터의 두께를 갖는), 바람직하게 에칭이나 다른 공제 방법으로 용이하게 제거될 수 있는 물질층이 와퍼상에 증착된다. 상기 물질은 구리, 실리콘 옥사이드, 알루미늄, 또는 기타 적합한 물질과 같은 전도성 물질이다. 이들 공간은 차후 노즐 개구부가 된다.
도 4OB를 참조하여, 충전물질(3840)이 경우에 따라 삽입될 수 있으며, 상기 물질은 일부 실시예에서 쉽게 제거되는 물질이다. 경우에 따라 프로세싱 및 스택킹 중 웰을 채우는데 사용되는 물질은 플라투에서 사용된 물질(노즐 벽 형성하게 됨)과 동일하거나 상이할 수 있다.
어떤 실시예에서, 적당한 물질로 증착된 에칭된 웰을 포함하는 디바이스층은 일반적으로 복수층 기판(3800)의 약한 결합 영역(3803)상에 위치되므로, 디바이스층(3810)은 지지층(3820)으로부터 쉽게 제거될 수 있다. 예를 들면 강한 결합 영역(3804)은 에칭(예, 강한 결합 영역 근처에 있는 디바이스층의 두께를 통해 표면에 정상적인), 에지 에칭(층 표면에 평행), 이온 주입(바람직하게는 에칭된 웰 및 노즐을 형성하는 증착 물질을 적합하게 차폐하거나 선택적 이온 주입에 의해), 또는 기타 공지된 기술을 사용하여 에칭될 수 있다. 상기 기술은 일반적으로 오직 강한 결합 영역(3804)에서 수행하므로, 에칭된 웰 및 약한 결합 영역(3803)에 증착된 물질은 도 41에 도시한 바와 같이 핸들러(3850) 등으로 쉽게 제거할 수 있다.
도 42를 참조하여, 물질을 증착(3838)한 에칭된 웰(3830)(및 경우에 따라 채움(3840))을 포함하는 수개의 층(3810)은 스택되어 구조(3860)를 형성할 수 있다. 상기 구조(3860)은 추가적으로 예를 들면 도 42에 도시한 바와 같이 최상부 노즐을 위한 벽을 형성하는 고체층(3862)을 포함한다. 일부 실시예에서는 이 점에서 정확한 정렬이 요구되지만, 다른 실시예에서는 이 점에서 이완된 정렬 표준을 사용할 수 있으며, 이는 후술하는 단계에서 볼 때 명백하다.
도 43에 도시하는 바와 같이, 와퍼 스택(3860)은 절단선(3864)을 따라 잘려져 저장소를 노출하며 두 부분을 생성한다. 맞은편에서 이들 디바이스는 선(3866)을 따라 자를 수 있다. 그 말단을 에칭된 저장소와 매우 근접할 때까지, 그러나 원하는 노즐 길이 이하로는 되지 않을 때까지 그라인딩하고 폴리싱한다.
도 44 및 45를 참조하여, 증착 물질(3838)은 에칭되어 에칭된 채널(3868) (예, 물질 증착층이 5 nm인 경우 5 nm 개구부)을 노출시킨다. 물질 저장소(3870)(또는 노즐 구조를 사용하고자 하는 용도에 따라 다른 목적을 위한 영역(3870))이 개구부(3868) 뒤에 남는다. 각 에칭된 채널(3868)은 일반적으로 디바이스층(3810)의 두께 정도로 간격을 가진다. 따라서, 각 영역(3870)에 복수개의 개구부(3868)가 수반되는 노즐 디바이스(10)가 제공된다. 따라서, 제거되는 물질의 두께가 극도로 작은 경우, 즉 0.1 나노미터 내지 10 나노미터, 10 나노미터 내지 100 나노미터, 100 나노미터 내지 1000 나노미터 정도인 경우, 전술한 연장된 에지 프로브 팁이 개구부(3868)에 생성된다.
또는 도 46을 참조하여, 전체 에지의 폭보다 작은 개구부를 형성하기 위해 서, 개구부(3868')를 형성하는 증착 물질(3838)을 에칭하기 전에 외측 부분을 마스킹할 수 있다(3872). 결국 복수 개구부(3868')를 구비하는 노즐 디바이스(3810')가 제공된다. 따라서, 프로브의 폭(즉 도 44-46의 y 방향)은 웰의 폭과 동일하거나 상이할 수 있다. 일 실시예에서 노즐 크기를 되도록이면 작게 유지하면서 웰의 물질 용량을 증가시키기 위하여, 노즐의 폭보다 웰의 폭을 크게 하는 것이 바람직하다.
추가적 실시예에서, 도 47 및 48을 참조하여, 단일층의 노즐 디바이스(3880)(예, 본 명세서에 기재된 것)는 노즐 위치에서 그 내부에 층(3838)을 증착시킨 스택층(3860)에 대하여 약 90°로 회전할 수 있다. 부식제를 회전 노즐 구조(3880)의 저장소에 채우고, 노즐의 개구부(3882)가 형성한다. 이 기술을 사용하여 극히 작은 크기의 거의 동일한 폭 및 높이를 갖는 노즐들을 생성하는 것이 가능하다. 따라서, 복수 개구부(3868")를 갖는 노즐 디바이스(3810")가 제공된다.
도 49 및 50을 참조하여, 매우 작은 폭의 노즐 직경을 형성하는 다른 실시예를 설명한다. 도 44 및 45와 관련하여 개시한 바와 같이 층간 증착 물질은 에칭되어 디바이스층의 두께 정도의 간격으로 존재하는 에칭된 채널을 노출한다.
이들 에칭된 채널(3868)은 이후 부식 가능한 물질로 채워질 수 있다. 예를 들면, 단일 층의 노즐 디바이스(3880)는 노즐 위치에서 에칭되는 물질을 갖는 스택층에 대해 약 90°회전될 수 있다. 부식가능한 물질을 회전 노즐 구조의 저장소에 채우고, 스택층상에서 노즐이 형성되는 영역에 채운다. 이후 층간 주변 영역을 플러그 물질로 채운다. 이후 노즐 영역의 부식가능한 물질을 에칭하여 노즐(3868"")을 노출시킨다. 이 기술을 사용하여 극히 작은 크기의 거의 동일한 폭과 높이를 갖 는 노즐을 생성할 수 있다. 즉 복수 개구부(3868"")를 갖는 노즐 디바이스(3810"")이 제공된다.
에칭 가능한 물질은 부식제에 의해 선택적으로 제거되어야 한다(예, 벌크 물질을 제거하지 않아야 한다).
도 51A 및 51B는 본 발명의 노즐 어레이(5100)을 도시한다. 여기에서 하나 이상의 스페이서층(spacer layers;5102)이 원하는 수의 형성될 채널사이에 예를 들면 웰 구조의 스택킹 도중에 위치될 수 있다.
도 52는 스택층의 확대 단면도로서, 상기 스택층은 시료에 의해 분석될 하부-물체와 같거나 작은, 또는 본 명세서에 개시된 다른 응용을 위한 나노미터 또는 나노미터 이하 크기의 팁 활성 구역을 갖는 팁 부분과 웰을 구비하는 나노 프로브와 같은 프로브를 형성하는데 사용된다. 상기 팁 부분은 또한 원하는 팁 길이를 갖도록 형성된다. 전술한 바와 같이 층(3838)은 선택적으로 내부(웰) 및 위에서(웰의 상부 쉘프)제거가능한(예, 에칭으로) 물질층(3838)의 증착에 의해 프로세싱되어 웰(3830) 및 노즐 팁 영역을 형성한다. 플라투 및/또는 웰을 위해 선택적으로 제거가능한 물질은 동일하거나 상이할 수 있다. 상기 웰과 플라투는 최종적으로 형성되는 노즐 어레이를 특정하는 다양한 크기를 가진다. 상기 노즐은 팁 길이(NL), 팁 개구부 높이(NO), 및 간격(P)를 갖는다.
이러한 노즐의 크기는 원하는 응용에 따라 나노미터 이하 내지 10 또는 수십 나노미터, 10 또는 수십 나노미터 내지 100 또는 수백 나노미터, 또는 0.1 마이크론 또는 수십 마이크론 내지 1 마이크론 또는 수 마이크론일 수 있다. 또한 상기 어레이는 수 나노미터 내지 수 마이크로의 간격으로 존재할 수 있다.
도 53은 마이크로 및 나노 노즐을 형성하는데 사용된 스택층의 확대 단면도를 도시한 것이며, 덮혀있는 그라인드 스탑(5386)이 노즐 길이(NL)의 조절 능력을 향상시키기 위하여 제공된다. 일부 실시예에서는 노즐 길이를 최소화하는 것이 바람직하다. 그라인드 스탑(5386)은 원하는 노즐 길이와 가깝게 제공된다. 그라인드 스탑은 웰이 프로세싱되는 동안 디바이스층 상에 제공될 수 있다. 또한 그라인드 스탑은 본 명세서에 참조로 삽입되는 전술한 미국 특허출원 10/717,220호에 개시된 바와 같이 정렬 마커로서 또한 기능할 수 있다.
도 54A 및 54B는 각각 마이크로 및 나노 프로브를 형성하는데 사용되는 스택층의 확대 단면도, 및 프로브의 개방 팁의 확대 전면도를 도시한 것이다. 일부 실시예에서, 상기 웰(5470)은 노즐 팁(5468)보다 더 넓은 폭(y 방향)을 가진다.
본 명세서에 기재된 구조와 수반되는 어떠한 프로브 부재도 구비될 수 있다. 예를 들면 일 실시예에서, 하나 이상의 전극이 물질의 방전, 검출능 등을 촉진시키기 위해 구비될 수 있다. 또한 하나 이상의 프로세서, 마이크로 또는 나노 유체 대바이스, 마이크로 또는 나노 전기기계적 디바이스, 또는 이들 디바이스들을 포함하는 조합이 노즐 디바이스 내 포함될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 전극은 노즐 개구부 및/또는 웰에 구비되고, 전극 조절기 및/또는 마이크로 유체 디바이스(예, 노즐에서 물질을 제거하거나 공급하는)가 노즐 어레이에 수반될 수 있다.
또한, 도 55A-55D는 개방 팁과 다양한 전도체(예, 전극으로 기능)을 프로브 몸체내 개방 영역내 구비하는 예시적인 프로브 제조 방법을 도시한다. 도 55A는 출 발 복수층 기판 섹션을 도시한 것으로서, 이는 전술한 바와 같은 층(5510 및 5520)을 갖고 있다. 통상 웰(5530)은 각진 벽(5532) 및 중앙의 움푹한 부분(5534)을 가지나, 다른 모양도 가능하다. 플라투 영역(5536)은 개방 벽 또는 지지대를 형성한다.
전도성 물질층(5538)을 와퍼에 증착한다. 층화를 촉진하기 위해 웰내 제거 가능한 충전 물질(5540)이 구비될 수 있다. 도 55B를 참조하면, 제거가능한 충전층(5542)이 전도층(5538) 및 경우에 따라 충전 물질(5540)을 갖는 표면상에 구비된다. 이 실시예에서, 프로브의 개구부는 충전층(5542)에 형성될 것이다. 또한 전도층(5544)은 충전층(5542)상에 증착 또는 층상화되어 노즐 하부-구조(5550)를 형성한다.
도 55 C를 참조하면, 복수의 노즐 하부 구조(5550)가 정렬되고 스택되어 있다(예, 도 42에서 설명된 바와 같이). 도 55D를 참조하면 노즐 개구부(5560)는 예를 들어 도 44-50와 관련하여 기술한 방법 중 어느 하나, 또는 다른 리토그라피 또는 산화 방법에 따라 형성된다. 플러그 물질은 전도성 또는 절연성이며 이는 프로브의 요망되는 성질에 따라 결정된다.
도 56은 노즐 구조의 확대도(5600)를 도시한 것이며, 노즐 개구부(5602)를 나타낸다. 노즐 개구부(5602)는 일반적으로 노즐층 상에 상부 부분 "A" 및 바닥 부분 "B"사이에 위치된다(여기에서 상부와 바닥은 오직 본 명세서를 기술하는 목적으로만 사용된 것이다). 가능한 구조의 다양한 실시예를 기술하기 위하여, 기술적 섹션 즉 N, A 및 B로 나누었다. 이러한 기술적 섹션은 실제 구분되는 상이한 물질 영 역일 수 있거나 일부 실시예에서는 기술적 섹션이 동일한 물질로 되어 실제로는 균일한 영역일 수 있으며, 이는 본 발명의 여러 실시예로부터 명확하게 인식된다.
AA 및 BB는 절연체 또는 반도체와 같은 동일 또는 상이한 물질일 수 있으며, 노즐의 구조(200), 전기적으로 서로에 대해 절연인 노즐 개구부, 서로로부터 유체적으로 봉인된 개구부 또는 다른 기능을 제공한다.
일 실시예에서, 기술적 섹션 AL, AC, AR, NL, NR, BL, BC 및 BR은 모두 AA 및 BB와 동일한 물질이다.
AL, AC, AR, NL, NR, BL, BC 및/또는 BR의 모든 조합이 전도체의 형태로 제공될 수 있다. 예를 들면 다시 도 46을 참조하여, 노즐 개구부를 에칭한 후에 마스크를 제거하면 AA 및 BB와 동일한 물질의 AL, AC, AR5 BL, BC 및 BR, 및 전도성 물질의 NL, NR을 갖는 구조가 제공된다.
또한 하나 이상의 전도체(예, 전극)가 프로브내에 포함되어, 노즐 개구부에 장(field)이 생성될 수 있다. 예를 들면, NL 및 NR, AC 및 BC, AL 및 BR, AR 및 BL, AL 및 AR, BL 및 BR은 모두 원하는 기능을 제공하는 전극 쌍일 수 있다. 또한, 예를 들면 물질을 움직이게 하는 전기운동력을 제공하기 위하여 웰 영역내에 하나 이상의 전도성 전극이 존재할 수 있다.
도 57A-57C는 본 명세서 기재의 노즐의 제조 방법의 일 예를 도시하며, 각 층(5710)을 형성하는 복수의 하부층(5702)을 도시한다. 웰(5730)은 도 57B에 도시된 바와 같이 층(5710)으로 프로세싱된다. 도 57C은 주변에 복수개의 하부층(5702)을 갖는 노즐 개구부(5760)를 보여준다. 이들 하부층은 예를 들면 정확한 계측이 요망될 때 매우 유용하다.
예를 들어, 일 실시예에서, 하부층(5702)은 매우 정밀한 허용치로, 예를 들면 0.1 내지 5 나노미터의 두께를 가지도록 형성된다. 이러한 하부층(5702)이 상이한 물질(예, 절연체 및 반도체, 반도체 및 전도체, 또는 전도체 및 절연체 사이를 교대하는 식)로 형성되는 경우, 정밀한 단계 동작이 알려진 크기의 노즐 하부층에 기반한 노즐 구조에서 가능하다.
종래의 리토그라피 도구, 예컨대 전자 빔, 입자빔, UV, X-레이 등을 사용하여 본 발명의 특정 특징을 구현하는 것도 가능하나, 이들 기술들을 나노 크기까지 확대 적용하는 것은 매우 힘들고 고비용이 소요된다. 본 발명에서 어떤 실시예는, 본 명세서에 참조로 삽입되는 출원인이 2005년 3월 10일 출원한 미국 출원 11/077,542호(발명의 명칭:"Nanolithography and Microlithography Devices and Method of Manufacturing Such Devices")에서 개시된 나노리토그라피 도구를 사용할 수 있다. 사용이 용이하고 저렴한 도구가 회사에 많은 유익을 줌이 입증되었다. 또한 전술한 미국 출원 11/077,542호에 개시된 출원인 나노리토그라피 도구의 사용은 옹스트롬까지의 극소 미래 입자를 제공하는데 유용하다.
다양한 프로브 및 그 구조가 출원인의 마이크로리토그라피 및 나노리토그라피 도구 및 방법을 사용하여 제조될 수 있으며, 이는 미국 출원 11/077,542호(2005년 3월 10일 출원, 발명의 명칭: "Nanolithography and Microlithography Devices and Method of Manufacturing Such Devices")에 개시되어 있다.
본 발명의 일부 실시예에서 초박막을 접어서 접힌각의 외측 일점을 노출시킴 으로써, 물질 이하 수준(예, DNA 또는 RNA 가닥 또는 단편의 뉴클레오타이드 수준)의 시료에 대한 초고해상 분석을 포함하여 본 명세서에 제공된 다양한 응용에 적합한, 극소 활성 구역을 갖는 프로브 팁을 생성함으로써 프로브를 형성한다.
예를 들어, 도 58-60은 프로브(5802)의 제조방법을 도시한다. 도 58A는 기저층(5806)의 제1면(5808)에 결합된 초박막층(5804)을 보인다. 기저층(5806)은 예를 들면 프로브 몸체 부분을 형성하거나, 부가적 특징 및/또는 기능을 위해 추가적으로 프로세싱되는 적합 물질을 포함할 수 있다. 초박막층(5804)은 기저층(5806)의 표면(5808)에 증착, 라미네이트 또는 다른 방식으로 형성되는 적합한 물질을 포함한다.
도 58B를 참조하면, 적합한 기하학적 구조의 웰(5812)이 에칭되거나 다른 방식으로 기저층(5806)의 표면(5810) 상에 생성된다. 일부 실시예에서, 웰의 가장 깊은 부분이 박막(5804)에 매우 근접하도록 웰을 형성하는 것이 바람직하다. 다른 실시예에서, 상기 웰은 가장 깊은 곳이 박막(5804)의 뒷면(즉, 기저층(5806)의 표면(5808)에 부착된 표면)을 노출하도록 형성되는 것이 바람직하다.
도 58C를 참조하면, 표면(5810)은 경우에 따라 가요성 특성을 갖는 물질로 형성되는 굴곡층(5814)으로 코팅될 수 있으며, 상기 물질은 비 제한적 예로 폴리비닐알콜, 실리콘, 또는 기타 적합한 가요성의 신축가능한 폴리머 또는 기타 물질이다.
도 58D를 참조하여, 층(5804) 및 기저층(5806)의 복합체는 접혀서 웰(5812)의 마주보는 각진 부분으로 분기된다. 도 59A 및 59B에 도시한 바와 같이, 프로브 전구체 구조(5802')가 제공될 때까지 접는다. 도시된 바대로, 프로브 전구체 구조(5802')는 실질적으로 삼각형이 직다각형에 인접한 모양을 닮은 오각형의 단면을 가진다. 물론, 이 모양은 웰(5812)의 모양을 변경함으로써 바꿀 수 있다. 또한, 상기 모양은 도시된 대로 대칭적일 수 있고, 또는 비대칭적일 수 있다. 이러한 폴딩 기술의 장점 중 하나는 특정 정렬 요구조건을 만족시켜 줄 수 있다는 것이다.
굴곡층(5814)는 제거될 수 있다. 또한, 프로브 팁 활성 구역(5820)을 노출시키기 위하여 구조(5802')의 팁 에지(5816)를 그라인딩하거나, 폴리싱하거나, 또는 다른 방식으로 제거하여 접힌 박막 물질을 노출시킬 수 있다. 프로브 팁 활성 구역(5820)의 크기는 층(5804)의 두께 배수, 이 경우 2t로 한정된다.
전술한 박막 제조 및 조작 방법으로, 극히 작은 팁 크기의 프로브 팁 활성 구역이 가능하다. 예를 들면, 층(5804)이 단일 이차원 그라펜 층인 경우, 도 60에서 도시한바와 같이 팁 크기 2t는 2 옹스트롬이며, 고전도성이다.
또는, 층(5804)는 선택적으로 제거(전체 또는 부분적으로)되어 채널 또는 경로를 개방할 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 그러나 어떤 경우에도, 팁 활성 ㄱ구(5820)의 팁 크기는 기저층(5806)상에 증착, 층상화, 또는 다른 방식으로 형성된 층(5804) 두께의 배수이다.
도 61A-61J는 또 다른 실시예 프로브(6102, 6102' 또는 6102")의 제조 방법을 도시한 것이다. 도 61A 및 61B는 기저층(6106)의 표면(6110)상에 에칭되거나 다른 방식으로 생성된 적합한 구조의 웰(6112)을 구비하는 기저층(6106)을 도시한다. 일부 실시예에서, 웰은 그 가장 깊은 부분이 하기 박막에 매우 근접하도록 형성하 는 것이 바람직하다. 다른 실시예에서, 상기 웰은 가장 깊은 부분이 하기 박막의 뒷면(예, 기저층(6106)의 표면(61808)에 부착된 표면)을 노출하도록 형성되는 것이 바람직하다.
기저층(6106)은 예를 들면 프로브 몸체를 구성하거나 부가적인 특징 및/또는 기능을 위하여 추가적으로 프로세싱되는 적합한 물질을 포함할 수 있다.
도 61C을 참조하여, 부분(6124)은 기저층(6106), 통상 옆면(6108)으로부터 제거된다. 도 61D를 참조하면, 부분(6124)은 적합한 물질(6126)로 충전된다. 이 물질(6126)은 절연성 또는 전도성 플러그 물질(도 61H 또는 61I 구조의 프로브가 요망되는 경우)일 수 있고, 또는 상기 물질(6126)은 제거가능한 물질(도 61J 형상의 프로브가 요망되는 경우)을 포함할 수 있다.
도 61E를 참조하면, 물질 부분(6126)을 갖는 기저층(6106)의 표면(6108)에 결합된 초박막층(6104)이 평탄면을 형성한다. 물질 부분(6126)을 갖는 기저층(6106)의 양 표면(6108)에 의해 형성된 표면을 평활하게 하기 위하여 공지 기술을 사용할 수 있다. 또는 전술한 바 있는 원자적으로 평탄면을 형성하는 방법을 사용할 수 있다.
초박막층(5804)은 기저층(5806)의 표면(5808)에 증착, 라미네이트 또는 다른 방식으로 형성되는 적합한 물질들을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따라 형성된 필름이 사용된다.
전술한 바와 같은 박막을 제조 및 조작하는 방법을 사용하여, 프로브 팁 활성 구역에 사용되는 팁을 극히 작은 크기로 할 수 있다. 예를 들면, 막(6104)이 단 일 이차원 그라펜인 경우, 팁 크기는 도 60에 도시한 바와 같이 2t이다.
또는 층(6104)은 선택적으로 제거(전체 또는 부분적으로)되어 채널 또는 경로를 개방할 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 그러나 어떤 경우에도, 팁 활성 구역(6120)의 팁 크기는 기저층(5806)상에 증착, 층상화, 또는 다른 방식으로 형성된 층(6104) 두께의 함수이다.
도 61F를 참조하면, 표면(6110)은 경우에 따라 가요성 특성을 갖는 물질로 형성되는 굴곡층(6114)으로 코팅될 수 있으며, 상기 물질은 비 제한적 예로 폴리비닐알콜, 또는 기타 적합한 폴리머 또는 가요성 금속 물질을 포함한다.
층(6104) 및 물질 부분(6126)을 갖는 기저층(6106)의 복합체는 접혀서 도 58과 관련하여 개시된 웰의 마주보는 각진 부분으로 분기된다. 프로브 또는 프로브 전구체 구조(6102)는 도 61H에 도시되어 있다(도 61G에 도시된 바와 같은 선택적인 굴곡층(6114)의 물질이 제거된 후). 프로브(6102')가 요망되는 경우, 선택적으로 제거가능한 물질이 층(6104)물질로 사용되며, 이 단계에서 제거되어 갭(6128)이 형성된다. 또한 프로브(6102")가 요망되는 경우, 선택적으로 제거가능한 물질이 물질(6126)로 사용되고, 이 단계에서 제거됨으로써 공동(cavity; 6140)이 생성된다.
도 62A-62B을 참조하여, 다양한 구조 및 크기의 공동(6240', 6240")이 도 61A-61J와 연관되어 기술된 부분(6124)의 구조 및 크기를 변화시킴으로써 생성할 수 있다.
도 63A-63D는 다양성 및 기능을 추가적으로 구비한 본 발명의 각종 프로브를 제조하는 다른 방법을 도시한다. 이 경우 웰(6312)을 구비한 기저층(6306) 상에 박 막(6304)을 갖는 구조가 박막(6304)이 마주보는 표면에서 접혀 웰(6312)의 각진 부분이 모이게 된다. 이 굴곡층 또는 물질(6314)은 제거되어 팁(6340)을 갖는 프로브(6302)가 산출된다.
도 64를 참조하면, 본 발명의 다양한 측면으로 형성된 프로브(6410)는 폴딩을 보조하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 프로브(6410)는 웰 내부와 접촉하는데 사용되어, 기계력이 폴딩 과정에 조력한다. 추가적인 실시예에서, 진공 석션이 프로브(6410)를 통해 가해져 폴딩 공정을 도울 수 있다.
도 65를 참조하면, 복수의 프로브(5802)가 정렬되고 스택될 수 있으며, 예를 들어 플랫폼(6530)상에 쌓고 프로브의 팁(5802)을 정렬 디바이스(6534)에 인접하여 정렬하여 쌓거나, 또는 프로브(5802)를 쌓고 튀어나온 프로브(5802)를 정렬 디바이스(6534)로 정렬내로 밀어넣어 프로브 세트 또는 프로브 어레이를 형성한다. 바람직한 실시에의 경우, 정렬 디바이스(6534)는 팁과 접촉하는 면을 가지며 옹스트롬 이하의 해상 움직임을 제공하여 프로브의 팁이 어레이 또는 프로브 세트내에 정확히 위치되고 정렬되게 한다. 특히 팁과의 접촉면은 원자적으로 평면이고 매끄러운 것이 바람직하며, 전술한 다양한 방법에 의해 제조될 수 있다.
도 66A-66D 및 도 67A-67E는 본 발명의 특히 개방 팁 프로브의 또 다른 제조방법을 도시한다. 특히, 팁 개구부 크기 t는 기판에 배치되었을 때 정확히 한정된 높이를 가지는 입자, 튜브, 구, 분자, 또는 기타 구조와 같은 스페이서의 사용으로 한정한다. 이들 스페이서는 0.1 나노미터 내지 10 나노미터, 10 나노미터 내지 100 나노미터, 및 100 나노미터 내지 1000 나노미터와 같이 극히 작은 한정된 크기를 가진다(예, 구나 튜브의 직경이 높이가 될 수 있다).
일 실시예에서, 도 66A-66D를 참조하면, 복수 스페이서(6614)가 기판(6610)표면상에 질서있게 배치된다. 도 66A에 도시한 바와 같이, 스페이서(6614)는 예를 들면 x 방향을 따라 그룹으로 정렬되고 서로에 대해 y 방향으로 간격을 두고 존재할 수 있다. 또는 스페이스(6614)는 연속 형태로 존재할 수 있다.
도 66B를 참조하면, 슈퍼스트레이트(6620)가 스페이서(6614)상에 제공되어 개구부(6624)를 한정함으로써 프로브 또는 프로브 전구체가 완성된다. 또는 도 66C 및 66D을 참조하면, 도 66C에서 점선으로 도시하는 바와 같이 프로브는 절단되어 세그먼트로 될 수 있다.
다른 실시예로서, 도 67A-67B을 참조하면, 복수의 스페이서(6714)가 기판(6710)의 표면상에 통상 랜덤하게 배치된다. 도 67B을 참조하면, 슈퍼스트레이트(6720)가 스페이서(6714)상에 제공되어 개구부(6724)를 한정함으로써 프로브 또는 프로브 전구체가 완성된다.
도 1은 본 발명의 연장 물체 시료를 분석하기 위한 시스템을 전체적으로 도식화한 것이다. 시스템(100)은 통상 시료 플랫폼(128), 프로브 세트(130) 및 검출 하부-시스템(132)을 포함한다. 플랫폼(128)은 플랫폼의 움직임을 조절하기 위한 모션 컨트롤러(138)와 작동 가능하게 연결되어 있다. 또는 시료가 플랫폼내에서 이동될 수 있다. 추가적인 대체예에서, 프로브 세트(및 경우에 따라 수반되는 검출 하부 시스템)가 시료와 함께 플랫폼에 대해 이동될 수 있다. 또한, 시스템(100)은 필드 적용 및 경우에 따라 다른 자극(기저부 및 프로브간에 인가된 전압)의 조절을 위해 바이어스 하부-시스템(136)을 포함할 수 있다. 본 명세서 기재 시스템 중 어떤 시스템은 혼성화가 일어난 경우, 전류에 있어 측정가능한 증가가 검출된다.
일부 실시예에서 저 검출 전압이 프로브 세트 및 플랫폼에 일정하게 적용될수 있다. 그러나 바이어스된(biased) 전압을 적용함으로써 노이즈를 최소화하거나 제거할 수 있다.
프로세서 하부-시스템(134)에 의해 시료에 관한 데이타가 수집, 프로세싱되며, 이는 출력 하부-시스템(140)과 연결되어 있다(즉, 디스플레이, 데이타포트 등)
작동시, 단일 가닥 폴리머(예, 변성된 DNA 가닥)과 같은 시료는 경로나 채널을 통해 플랫폼내로 들어간다. 프로브 세트는 폴리머 시료의 특징, 바람직하게는 시료 폴리머내 연속되는 각 모노머에 대한 특징을 검출한다. 시료는 조절된 방식, 예를 들면 단계 동작으로 프로브 세트에 대해 이동되어 프로브 세트가 각 모노머 또는 모노머 그룹에 대한 특징적인 정보를 수득할 수 있게 한다. 서열정보가 수집되고 프로세싱되며 출력된다.
일 실시예에서, 고해상도는 팁크기 또는 활성 팁 구역이 DNA 또는 RNA 가닥 또는 단편내 핵산과 같이, 연장 물체의 특징적인 하위 대상 물체와 같거나 더 적은 크기의 프로브를 사용함으로써 가능하다. 다른 실시예에서 프로브의 폭 크기는 연장물체의 두께의 폭보다 더 크며, 예를 들면 전형적인 DNA 가닥 또는 단편과 같은 시료를 분석하기 위하여 약 10 나노미터 내지 100 나노미터, 100 나노미터 내지 1000 나노미터, 또는 수마이크론의 두께 w를 갖는 프로브를 사용한다. 또한 시료의 채널 경로 및/또는 신장 공정을 위하여 부가적인 허용치를 제공하기 위해서는, 팁 또는 활성 구역에 비하여 폭이 확대되는 것이 유용하다.
도 68을 참조하여, 초고속 DNA 시퀀싱 시스템(6800)을 도시한다. 상기 시퀀싱 시스템은 본 명세서 기재의 노즐 어레이(6810)를 포함한다. 또한 상기 시퀀싱 시스템은 변성 DNA 가닥을 노즐 어레이내 개별적인 노즐사이로 정확하게 가이드하기 위해 나노-계측 시스템(6820)을 사용한다.
도 69를 참조하여, 초고속 DNA 시퀀싱 시스템(6800)의 주 구성요소를 설명한다. 게이트된 바이어스 어레이 컨트롤(6836)에 의해 적용된 바이어스에 의해 유발된 혼성화 순간을 결정하기 위하여, 통상 N-채널 시료 어레이 플랫폼(6828) 상의 나노 노즐 세트 어레이 플랫폼(6830)은 프로세서(6834)와 수반되는 검출 어레이(6832)에 작동 가능하게 연결된다. DNA 시료는 단계화된 동작 조절(6838)로 어레이와 관련하여 위치되고 유지되며, 이는 프로세서(6834)와 작동 가능하게 연결된다. 어레이 플랫폼(6828)은 약 0.1 내지 1 cm/s의 속도로 움직일 수 있다. 바람직하게는, 도시한 바와 같이 단계적으로 움직인다. 시퀀싱 결과는 서열 디스플레이(6840)에 나타난다.
단계화된 동작은 바람직한 실시예에서 매우 중요한데, 움직임 및 단계의 회수가 ssDNA상에서의 위치, 종국적으로 혼성화의 위치에 대한 정보를 유지하는데 도움이 되기 때문이다. 이러한 단계화된 움직임은 노즐 개구부 크기의 약 5% 내지 100% 바람직하게는 약 10% 내지 25%이다.
게이팅(gating) 또한 바람직한 실시예에서 중요한데, 극도로 동기화(synchronized)된 전류 측정, 바이어스(bias), 단계 동작, 또는 다른 여 기(excitation)들이 초고속 리얼 타임 DNA 시퀀싱에는 필수적이기 때문이다.
도 70은 초고속 DNA 시퀀싱 시스템(6800)의 상면도를 도시한 것이다. DNA 시료는 변성되고 채널(6844)내 유지된다.
도 71A-B (도 22A는 도 70의 A-A선에 따른 단면이다)를 참조하면, 각 채널(6844)은 DNA 시료에 전압을 적용하기 위한 바이어스 시스템을 포함한다. 혼성화는 나노노즐 세트 어레이 플랫폼내의 각 나노노즐간에 측정가능한 전류 변화를 유발한다. 나노노즐과 채널간의 정렬이 매우 정밀한 것이 바람직하다.
도 72A-C를 참조하면, 일련의 프로브 세트(7230)를 포함하는 시스템(7200)이 도시되고, 노즐 또는 프로브(7242, 7244, 7246 및 7248)를 포함하는 프로브 세트(7230) 및 프로브(7248)의 확대도가 도시된다. 나노노즐 세트 어레이 플랫폼(7200)은 웰 또는 A, C, T 및 G 분자의 뉴클레오타이드 저장소와 함께 나노노즐을 포함한다. 가닥들은 채널을 따라 움직이며, 뉴클레오타이드 저장소로부터의 분자는 노즐을 통해 가닥의 분자와 상호작용한다. 이들 분자는 다른 분자와 혼성화한다(예를 들면, A 와 T, C 와 G). 통상 혼성화(예, 도 72C에 도시한 바와 같은)는 측정가능하고 검출가능한 전류 펄스를 산출하며, 이로써 분자의 동정이 가능하다.
도 73는 혼성화를 상세히 도시한다. 개시된 검출 도식에서, 나노노즐에서의 혼성화는 측정가능한 전류 펄스를 산출한다.
도 74는 A,T,G 및 C의 모든 가능한 16개의 조합에서, 오직 네개의 조합만이 혼성화에 의해 요망되는 전류 펄스를 산출하는 것을 보여준다
전술한 바와 같이, 혼성화는 노즐에서 검출가능한(나노세컨드)전류 펄스를 산출한다. 적정한 작동을 위해 하기 원칙이 적용된다.
● 모든 여기 공급원, 검출기 및 단계화된 동작은 동기화된다.
● 동기화된 단계들은 노즐 개구부 크기의 부분(fraction)이어야 한다(예, 5 나노미터)
● 노즐 위치는 알려진 기준 위치에 대하여 나노미터 또는 나노미터 이하의 정밀도로 알려져야 한다.
● 나노미터 정렬이 적정 공정을 위하여 매우 중요하다.
● 진동 및 다른 애지테이션(agitations)은 최소화되어야 한다.
● 매우 낮은 진폭 나노세컨드 펄스를 측정하기 위해 하부-시스템이 구비된다.
● 백만, 또는 수억의 염기쌍을 연속적인 실시간 측정을 위하여, 넓은 동적 범위의 하부-나노미터 스텝퍼(stepper)가 바람직하다.
● 시스템을 검증하기 위해 기지 샘플의 사용이 요망된다.
바람직한 실시예에서, 전극 전도체 및/다른 자극 형태의 프로브가 게이트 방식으로 적용된다. 이는 노이즈대시그널을 감소시키며, 이로써 민감성의 증가 및 시료 시퀀스의 해상력을 증가시킬 수 있다.
혼성화의 검출은 일부 실시예에서 공명 용량(resonant capacitance)의 변화를 관찰함으로써 성취될 수 있다. 예를 들면, AC 바이어스가 프로브 및 접지 플랫폼에 부과된다(또는 AC 바이어스는 플랫폼에 부과되고, 순차적으로 프로브가 접지될 수 있다). 상기 AC 바이어스는 시료를 교대로 고갈 및 축적시킨다. 용량의 변화 △C는 예를 들어 록인(lock-in) 기술을 사용하여 기록된다. 큰 AC 전압이 사용된 경우에 측정된 값△C은 전체 C-V 커브가 지나는 값이 되고, 작은 AC 바이어스 전압이 사용된 경우에는 측정된 값△C은 미분 용량 dC/dV이다. 시료에 대한 로드(load)의 변화가 폴리머 가닥상의 모노머와 같이 분석되어야 하는 시료 부분의 성질에 기인되어 발생되고, 또는 프로브가 혼성화 상대방 짝을 포함한 경우 혼성화의 발생에 기인되어 발생된다. 이러한 로드 변화는 시스템의 공명 주파수를 변경시킨다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프로브로서 전기 전도체는 도 2 및 도 3에 관하여 전술한 바와 같이 제조되며(예, 뒤쪽 말단에 비해 매우 세밀한 팁을 갖는 형상, 또는 "나이프 에지"), 이는 또한 전도체의 저항을 낮추는 역할을 한다.
자극 적용은 다양한 방식으로 가능하다. 1)전압만; 2) 전압과 빛(및 게이트)(빛은 노이즈 감소 수단이다); 3) 게이팅, 펄스화된 전압, 빛, 및 전류 게이트와의 동기화는 실질적으로 노이즈를 감소시킨다; 3a) 조절된 단계화; 3b) 전압 및 빛(및 게이트)의 적용-상이한 파장의 빛은 비탄성 터널링 전류를 증강시킨다; 3c) 전류 게이트를 적용한다(전류계로 측정); 4) kT(열에너지)는 예를 들면 4 내지 100K의 저온 작동 조건에서 감소될 수 있다.
게이트된 검출은 노이즈를 최소화시키고 연장 물체의 정밀한 분석을 가능하게 한다. 노이즈 존재하에서 핌코암페아 수준의 전류를 검출을 보증하는데 있어, 게이트된 검출은 필수적이다. 효과적인 전략중 하나는 모든 자극을 적절한 순서로, 펄스 형태로 적용하는 것이다. 펄스 폭 및 높이는 적정한 결과를 얻기 위하여 조절된다. 전압 수준은 수십 밀리볼트 내지 1 볼트이다. 펄스 지속기간은 약 1 나노세 컨드 내지 1000 나노세컨드이며, 필요한 경우 더 길다.
게이트된 검출에 대한 프로토콜은 하기 단계로 기술된다: 1) 펄스를 적용하여 시료를 플랫폼에 대해서 시료의 부분 또는 뉴클레오타이드를 측정하기 위한 위치로 단계화시키는 단계; 2) 후속적으로 전기장을 적용하여 시료와 프로브를 접촉시키는 단계; 3) 경우에 따라 레이저 펄스를 적용하는 단계; 4) 터널링 디바이스 전압 펄스를 적용하는 단계; 5) 펄스를 적용하여 전류 측정 장치의 스위치를 개방하는 단계; 6) 1-5 단계를 반복하여 시료의 후속 부분 또는 시퀀싱되어야 하는 뉴클레오타이드를 측정하는 단계. 상기 1-5 단계는 마스터 시계에 동기화된, 동기화된 펄스이다. 입자 빔, 또는 강화제(intensifier)가 적용되는 경우, 이들은 적절하게 여기 펄스를 적용하여 이들을 활성화시켜 상기 시계에 동기화시킨다. 이들 게이트되고 동기화된 방법은 높은 시그널대노이즈 비율로 검출가능한 상호작용을 측정할 수 있다.
예를 들면, 도 77는 일련의 동기화된 여기의 샘플링 기간(7700)을 시계 시그널(7710)에 대한 플롯(7702)를 차트화한 것이다. 단계화 기간은 가로축(7720) 에 표시된 특정시간에 시작되는 짧은 펄스로서(예를 들면 시퀀스의 시작) 도시된다. 접촉 기간은 가로축(7730)에 표시된 바와 같이, 단계화 기간이 끝나면서 시작되어 측정 및/또는 프로세싱 및 보관 기간 동안 및 후에 끝난다. 광자 기간은 가로축 (7740)에 도시한 바와 같이 접촉 기간의 시작 후 진폭이 증가하고, 접촉 기간의 종말 가까이에서 끝난다. 전압 바이어스 기간은 가로축에 (7750)으로 표시한 바와 같이 광자 기간 중에 시작되고, 접촉 기간의 종말 가까이에서 끝난다. 전류 검출 기 간은 가로축(7760)에 표시한 바와 같이 광자 기간 및 전압 바이어스 기간 중에 시작되고, 접촉 기간의 종말 가까이에서 끝난다. 프로세싱 및 보관기간은 가로축 (7770)에 표시한 바와 같이 광자, 전압 바이어스 및 전류 검출 기간의 종말 가까이 시작되고, 접촉 기간의 종말 후에 끝난다.
검사 대상 시료의 부분에 대한 검출은 다양한 기여(contribution)에 의해 발생할 수 있다. 통상적으로 검출 계획은 사슬내 모노머의 분자 수준의 동정(또는 분석 대상 연장 물체내 하나 이상의 모노머, 모노머 그룹의 검출)을 가능하게 한다.
혼성화를 유발하는 프로브를 구비하는 단일 가닥 시료 분석 시스템에서, 검출 기여는 탄성 터널링, 비탄성 터널링, 공명 증강 터널링, 및/또는 용량(capacitance)을 포함한다. 도 80은 전형적인 왓슨 앤 크릭의 염기쌍 모델이다. 도 81을 참조하면, 시스템(8105)은 도식적으로 프로브(8110) 및 상부에 시료(8130)를 갖는 기판(20)을 포함한다. 프로브는 도시된 바와 같이 웰내 상보적 시료를 포함하거나 또는 다른 구조에 의해 기판 상에 혼성화를 유도하도록 디자인되어 있다. 예를 들면, 혼성화 중에 형성된 N-H 결합 및 O-H 결합에 대응하는 전압 바이어스가 인가된다.
혼성화를 유발하는 프로브를 구비하는 시스템내 탄성 터널링 기여는 일반적으로 혼성화된 종 간의 거리때문에 발생하는 터널링 상호작용의 변화에 기인한다. 혼성화가 발생된 때, 혼성화된 모노머(뉴클레오타이드)간의 거리는 결합이 생성될 때 조절된다. 터널링 배리어 두께가 줄어듬에 따라, 터널링 가능성이 증가하고, 이로써 터널링 기여가 증가된다. 이는 혼성화 결합의 전류-전압 특성에서 측정되는 전도도의 증가로 발현된다. 혼성화가 일어나지 않을 때, 혼성화를 유발할 수 있는 프로브와 시료 뉴클레오타이드간의 거리는 상대적으로 큰 상태로 존재하며, 따라서 탄성 터널링 기여는 상대적으로 낮다.
도 82는 탄성 터널링 기여를 나타내는 시스템(8202)을 도시하고 있다. 결합이 형성되면, H-결합에에 대해 상대적으로 짧은 거리가 생성된다(얇은 터널링 배리어). 이는 그 자체로 전도도의 증가, 따라서 더 높은 전류로 명백히 발현된다. 통상 이러한 탄성 터널링 기여는 공명의 여기를 포함하지 않는다.
혼성화를 유발하는 프로브를 구비하는 시스템내 비탄성 터널링 기여는 증가된 결합 에너지, 특히 수소 결합에너지의 증가에 기반한다. 혼성화 동안 전자 터널로서, 전자는 혼성화의 결과로 생성되는 수소 결합을 여기함에 따라 에너지를 소실한다. 이는 결합 에너지와 관련되는 전압에 터널링 기여를 초래한다. 혼성화가 일어나지 않는 경우, 수소 결합이 생성되지 않고, 따라서 이러한 결합을 여기하는 비탄성 터널링이 없으며, 따라서 아무런 전도도 기여가 관찰되지 않는다.
도 83은 비탄성 터널링 기여를 나타내는 시스템(_05)을 도시하고 있다. 전술한 탄성 터널링 기여로 인한 전류 증가 이외에, H-결합의 공명 여기에서 결과된 비탄성 터널링 기여로 인한 다른 증가가 검출될 것이다.
전술한 사항은 결합 주파수에 미세조절된 공급원을 적용함으로써 증강되며, 따라서 광학적으로 증강된 비탄성 터널링 기여를 제공한다. 예를 들면, 도 28과 관련하여 기술한 바와 같이, 미세조절 광원이 측정 바이어스와 조합하여 적용될 수 있다. 이러한 광학적으로 증강된 비탄성 터널링 구성요소는 "및"게이트로 작용하여 노이즈 효과를 최소화하는데 기여할 수 있고, 광학 시그널 "및" 바이어스 전압(양자가 공명에 미세조절되어 있다)이 동기화되어 적용될 때, 이러한 전류 시그널 검출이 일차적이다.
도 79를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있다. 시료 부분(7910)은 프로브 시스템(7920)내에 있으며, 상기 시스템은 제1 프로브(7930) 및 광 노즐(light nozzle; 7950)을 포함한다. 광 노즐(7950) 및 제1 프로브(7930)가 순서적으로, 또는 동시에 또는 시간에 있어 오버래핑되는 식으로 활성화되어 전류 검출, 측정, 또는 전술한 바와 같은 다른 검출 기여 효과의 충격을 촉진시킨다. 제1 프로브(7930)는 상기 인용한 형태의 프로브 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 또는 하나 이상의 프로브가 예를 들면 광자 적용(photonic application), 전류 측정, 전압 바이어스 또는 전술한 바와 같은 다른 기능을 위한 냉각 방울 공급 노즐(2740)과 함께 사용될 수 있다.
혼성화를 유발하는 프로브를 구비하는 시스템내 공명 증강 터널링 기여는 여기된 결합 에너지, 특히 수소 결합의 측정에 기반한다. 빛과 같은 자극이 적용된다. 적합하게 미세조절된 파장을 갖는 레이저와 같은 광원이 혼성화에 의해 생성된 수소 결합을 여기할 때, 공명성으로 증강된 터널링 기여가 관찰된다. 혼성화에서 기인되는 수소 결합은 레이저 빔을 결합과 동일한 에너지로 미세조절함으로써 여기될 수 있다. 이는 탄성 및 비탄성 터널링 기여 양지의 검출을 증강시킬 뿐 아니라 측정 전류에 공명성으로 증강된 터널링 기여를 추가한다. 또한 레이저 광원의 펄스화된 적용이 측정 전류 센서의 개방 동안 전압의 적용과 동기화되기 때문에, 전술 한 바와 같은 적합한 게이팅으로 노이즈는 최소화된다. 이러한 동시적인 상호작용은 논리적인 "및" 게이트 효과를 가진다.
혼성화를 유발하는 프로브를 구비하는 시스템내 용량 기여는 증강된 허용성(permittivity)에 기초한다. 터널링 면적이 매우 협소하기 때문에, 결합 에너지 또는 그와 근사하게 미세조절된 레이저 빔의 적용은 혼성화된 쌍에 공명 증강된 허용성을 생성한다. 이는 효과에 있어서 퀀텀 용량과 유사하다. 이러한 퀀텀 용량은 특별한 유도성 인자, RF 공명 회로(resonant circuit), 또는 RF 공명 공동(resonant cavity)에 더해져, 혼성화가 일어날 때 결과된다. 예를 들면, 유도성 인자, RF 공명 회로, 또는 RF 공명 공동이 여기되고 매우 큰 시그널을 산출한다. RF 주파수는 DC 전압보다 더 큰 주파수로 존재하므로, 그 영역에 낮은 노이즈가 존재하게 된다(1/F 노이즈를 피함).
도 84는 퀀텀 용량 기여를 나타내는 시스템(_06)을 도시하고 있다. 퀀텀 용량 기여는 O-H 또는 N-H 결합을 포함하는 적합한 공명의 여기, 및 추가적인 회전, 진동, 및 전기적 여기에 의해 분자의 분극성을 증가시킨 결과이다. 이들은 도 84에서 공명 hωl, hω2, 및 hω3로 도시된다. 에너지는 Eqc = 1/2 (Cq V2)로 표시된다.
RF 측정은 "퀀텀 용량"을 포함하는 특별한 공명 회로를 사용하여 수행되며, 이는 O-H 또는 N-H 공명이 이들 공명에 미세 조절된 외부 방사선에 의해 여기될 때 증강된다. 이는 용량이 프로브(_10) 및 시료(_30) 사이의 상호작용의 허용성과 관련되기 때문에 예측된다. 이러한 허용성은 차례로 분자 수준에서 분극성에 의해 주 어지는 감수성 구성요소를 갖는다. 이러한 분극성 값은 많은 공명성 기여를 갖는데, 진동, 회전 및 전기적 기여를 포함한다. 이들 공명성-진동, 회전, 또는 전기적-중 어느 하나가 여기되면, 비록 특정 결합에서 떨어진 곳이라도, 분극성에 있어 상당한 증가가 일어나며, 따라서 용량의 증가가 결과된다는 것은 공지의 사실이다. 예를 들면 마이크로파장 또는 밀리미터 파장의 적정 탱크 회로가 여기되며 검출된다. 이들은 높은 주파수를 가지므로, 1/f 노이즈 레지멘(1/f noise regime)으로부터 상당한 거리를 갖게 되고, 따라서, 시그널대노이즈 비율도 크다.
혼성화를 유발하지 않는 프로브를 갖는 단일 가닥 시료 분석 시스템에 있어서, 검출 기여는 비탄성 터널링, 공명적으로 증강된 터널링, 및/또는 용량을 포함한다.
탄성 터널링 기여에 기초한 검출은 혼성화를 유발하지 않는 프로브가 없이는 효과적이지 않다. 프로브(혼성화를 유발하지 않는 시스템내)와 시료 뉴클레오타이드 간의 거리가 비교적 크게 존재하므로, 탄성 터널링 기여는 모든 뉴클레오타이드에 대해 비교적 낮다. 따라서, 혼성화를 유발하지 않는 프로브를 사용하는 경우, 탄성 터널링 기여는 측정 검출 시스템으로 적합하지 않다.
그러나, 비탄성 터널링 기여로 인한 전류 측정 변화의 검출이 사용될 수 있다. 혼성화가 일어나지 않음으로(즉, 프로브가 혼성화를 유발하지 않는 전도체 또는 다른 형태로 형성된 경우), 분석될 각 뉴클레오타이드 고유의 공명에 의존한다.
또한 광원(예, 레이저 파장)이 분석될 각 뉴클레오타이드의 본래의 고유 공명에 미세조절된 경우, 공명 증강 터널링 기여가 적합하다. 분석 대상 뉴클레오타 이드는 그 고유 공명에 레이저 빔을 미세조절하여 여기되고, 이는 비탄성 터널링 기여 및 전류 측정에 대한 다른 기여의 검출을 증강시킨다. 또한 레이저 광원의 적용이 측정 전류 센서의 개방 동안 전압 적용과 동기화되므로, 노이즈는 본 명세서 기재의 적합한 게이팅으로 최소화된다. 이러한 동시적 상호작용은 논리적인 "및" 게이트 효과를 가진다.
혼성화를 유발하는 프로브를 갖지 않는 시스템내 용량 기여도 역시 증강된 허용성 분석에 기초한다. 터널링 면적이 매우 협소하므로, 본래의 고유 공명 에너지 및 이에 근사하게 미세조절된 레이저 빔의 적용은 시그니쳐(signature)의 공명 증강된 허용성을 생성한다. 이러한 효과는 퀀텀 용량과 유사하다. 이러한 퀀텀 용량은 특별한 유도성 인자, RF 공명 회로, 또는 RF 공명성 공동에 더해져, 시그니쳐 에너지가 발생할 때 결과된다. 예를 들면, 유도성 인자, RF 공명성 회로, 또는 RF 공명성 공동이 여기되고 매우 큰 시그널을 산출한다. RF 주파수는 DC 전압보다 더 큰 주파수로 존재하므로, 그 영역에 낮은 노이즈가 존재하게 된다(1/F 노이즈를 피함).
본 발명의 다른 실시예에서, 측정 전류 변화를 대신하여 또는 함께 사용한다.
프로브를 사용하고, 시료에 공지 거리로 가까이 위치시키면, 인력이 검출될 것이다. 이를 통과하는 전류를 검출 하는 것이라기보다 인력 또는 척력 운동을 검출한다.
나이프 에지 AFM 프로브는 시료와 접촉하고, 인력 또는 척력을 측정한다.
원자력현미경(AFM)이 나노 구조를 원자 스케일로 분석하는데 사용된다는 것은 잘 알려져 있다. AFM을 성공적으로 사용할 수 있게 하는 핵심은 칸티레버(cantilever)에 나노팁을 부착하는 것인데, 나노팁이 나노팁과 분석 대상 구조간의 상호력을 측정할 때 칸티레버가 디플렉트되도록 제조되어 있다. 칸티레버에서 반사되는 레이저빔이 나노팁이 구조를 스캔할 때 힘의 변화를 측정한다.
본 명세서에 교시한 발명 실시예를 사용함으로써, 터널링 전류와 함께 또는 이를 대체하여 AFM에서 힘을 측정함으로써 DNA 서열과 같은 연장 물체를 분석할 수 있다. 이는 도 88(AFMl)에 도시되어 있다. 혼성화의 결과로 A가 T와 결합하고 C가 G와 결합할 때 생성되는 인력은 특정 종을 검출하는데 의존한다. 시퀀싱의 특이성은 예를 들어 폴리-A, 폴리-T, 폴리-C, 및 폴리-G 올리고머를 본 명세서에 기재한 바와 같은 나노-에지 프로브에 부착시키는 것에 의하여, 특정 종을 잡아 당기는 특성을 갖는 프로브를 사용함으로써 달성된다. 각 4 나노-에지 프로브들은 상이한 칸티레버에 부착된다. 검출기는 에지 또는 팁 나노 프로브 및 분석 대상 시료간의 상호력에 반응하는 상이한 파장의 레이저 빔의 반사를 조절하는 상이한 각각의 칸티레버의 디플렉션을 측정한다.
상기 AFM 시퀀싱 프로세스와 시스템은 하기에서 더 설명된다. 단일 가닥 DNA(SSDNA)와 같은 연장 물체는 신장되고 기판에 고정화된다. 옹스트롬 이하의 해상 번역 스테이지가 시료를 이지-나노 프로브 세트에 대해 이동시킨다.
폴리-A가 부착된 에지 나노 프로브는 T 염기를 갖는 시료에 근접하거나 랜딩 할 때 인력을 발생한다. 이 힘은 칸티레버에 의한 파장 λA 의 레이저 빔의 반사를 조절한다. 이 조절된 반사 빔은 검출기 및 프로세싱 전자기구의 도움에 의해 그 위치에 T가 존재함을 알린다.
폴리-T가 부착된 에지 나노 프로브는 A 염기를 갖는 시료에 근접하거나 랜딩할 때 인력을 발생한다. 이 힘은 칸티레버에 의한 파장 λT 의 레이저 빔의 반사를 조절한다. 이 조절된 반사 빔은 검출기 및 프로세싱 전자기구의 도움에 의해 그 위치에 A가 존재함을 알린다.에지 나노 프로브 by the cantilever.
폴리-C가 부착된 에지 나노 프로브는 G 염기를 갖는 시료에 근접하거나 랜딩할 때 인력을 발생한다. 이 힘은 칸티레버에 의한 파장 λC 의 레이저 빔의 반사를 조절한다. 이 조절된 반사 빔은 검출기 및 프로세싱 전자기구의 도움에 의해 그 위치에 G가 존재함을 알린다.
폴리-G가 부착된 에지 나노 프로브는 C 염기를 갖는 시료에 근접하거나 랜딩할 때 인력을 발생한다. 이 힘은 칸티레버에 의한 파장 λG 의 레이저 빔의 반사를 조절한다. 이 조절된 반사 빔은 검출기 및 프로세싱 전자기구의 도움에 의해 그 위치에 C가 존재함을 알린다.
폴리 -A , 폴리-T, 폴리-C, 또는 폴리-G를 갖는 에지 나노 프로브는 예를 들어 A 상에 A, T 상에 T, C 상에 C, G 상에 G, C 상의 A, G 상의 A, C 상의 T 또는 G 상의 T와 같은 비상보적인 염기가 존재할 때 약한 힘(힘이 없거나 척력)을 경험하게 된다. 이러한 경우 칸티레버에서 반사된 빔은 작은 힘 조절을 갖는다.
각각 특정 위치에서 상이한 칸티레버에 포커싱되는 4개의 빔-렛(beam- lets)으로 분리되는 단일 레이저빔을 사용하여 간섭을 최소화할 수 있다. 이 검출기는 특히 빔-렛의 위치를 해상하여 차별화하고 특이성을 보증한다.
보조 레이저 빔이 경우에 따라 시료에 포커싱될 수 있으며, 예를 들면 시료와 상호작용하는 특정 주파수로 미세조절된다. 이는 특이성을 증강시키고, 모호성에서 기인하는 에러를 경감시킨다.
각각이 고유의 레이저 빔 또는 빔-렛을 반사하는 4개의 병렬적인 나노-프로브를 사용하는 대신, 연속적으로 삽입되거나 활성화될 수 있는 나노 프로브를 가질 수 있다. 예를 들면, 이러한 시스템에 관한 실시예가 도 89(AFM2)에 도시되어 있ㄷ다. 여기에서 프로브를 시료에 한번에 노출시키도록 회전되는 회전 기구(예, "데이지 휠 형태(daisy wheel style)")에 프로브를 부착한다. DNA 시료를 시퀀싱하기 위하여, 폴리-A 올리고머로 기능화된 프로브를 삽입하고(넣고 회전시킴), 시료를 스캔한다. 이후 폴리-T를 삽입하여 A 뉴클레오타이드의 위치를 기록한다. 이후 C 및 G 뉴클레오타이드에 대해 반복하여, 전체 시료가 4개의 프로브에 대해 스캔되고 시퀀싱이 완결된다. 도 90(AFM3)에 도시한 바와 같이, 이 장치는 상이한 형상, 나이프 에지, 싱글 포인트, 복수 팁, 상이한 종을 인식할 수 있는 상이한 기능기, 및 특정 물질을 조사하고 위치하도록 디자인된 특정 조성물의 나노 결정을 갖는 복수의 프로브를 데이지 휠에 부착시킴으로써 보다 일반적이며 가변적으로 제조될 수 있다. 이러한 가변성은 특히 유용한데 이 시스템을 먼저 일반적인 AFM에서와 같이 이미징 도구로 사용한 후 이후 시퀀싱 도구 또는 보다 일반적인 화학 분석 도구로 시스템을 활용할 수 있게 하기 때문이다.
데이지 휠 장치 대신 다른 보다 유용한 장치를 사용할 수 있음은 용이하게 인식될 수 있다. 프로브가 연속적으로 삽입되는 이들 장치를 올바르게 작동할 수 있도록, 정밀한 정렬 하부 시스템이 정밀공간기준점에 위치되도록 요구될 수 있으며, 이들에 대한 모든 공간 정보가 기록된다. 이는 에러와 모호성을 최소화시킨다. 부가적인 나노 프로브를 부착하여 인위적으로 기판상에 기록된 정렬 마크의 위치자로서 기능하게 하게 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 2d 또는 3d 어레이내 프로브 세트 어레이는 동일 시료를 측정하고 재측정할 수 있다. 이는 본 기술이 저경비가 소요되기 때문이다. 또한 병렬 시스템을 위한 복수 채널도 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 도 104(DD1)를 참조하면, 시스템은 서열 판독시 에러를 최소화하기 위해 미분 검출(differential detection)을 사용하도록 제공되어 있다. 나노프로브/노즐의 어레이는 노이즈를 최소화하기 위해 측정을 반복할 수 있는 기회를 저렴한 비용으로 제공한다. 예를 들면 상이한 검출 전략이 사용되어 시스템 노이즈가 실시간으로 차감될 수 있도록 한다.
하나 이상의 프로브 또는 프로브 세트는 시료 및 기지 샘플 A, C, T, G를 판독한다. 정확성은 미분 검출을 시행함으로써 증가되며, 이로써 노이즈가 결정되고 시료 판독에서 노이즈를 차감된다. 예를 들면 기지 샘플(예, A, C, T, 및 G의 어레이)의 시료 분석 전류의 시너님(synonym)을 읽는다. 이는 노이즈와 특정 순간에서의 T의 기여를 산출한다. 동일 순간에 T가 시료의 염기로 명백히 결정되면, 상기 노이즈는 용이하게 차감될 수 있으며 T의 판독 정확성을 확인한다.
따라서, 하기 식이 적용된다:
전류 (기지샘플) = 노이즈 + T의 기여 (양 펄스 적용)
전류(시료)= 노이즈 - T의 기여 (음 펄스 적용)
시그널의 기여는 특정 조절 주파수에서 검출되며, 반면 노이즈는 랜덤이다.
AAA, GGG, TTT, CCC 는 기지 AGAGAGAG일 수 있으며, 알려진 한도내에서, TCTCTCTC일 수 있다.
혼성화를 결정하는 많은 감지 기술은 탄성 퀀텀 기계적 터널링; 비탄성 퀀텀 기계적 터널링; 공명 증강 터널링; 혼성화의 시그널을 부스트(boost)하는 탱크 회로내의 공명 증강 퀀텀 용량; 노이즈를 감소시키는 급냉 기술(예를 들면 액체 He 또는 액체 N2 방울 냉각을 이용한 시스템); 이온 전도성; 퀀텀 기계적 터널링 전자 방출; 광자 중복 테크닉으로 증폭가능한 광자 방출(photon emission) 등을 포함한다. 이들 기술의 하나 이상이 전술한 고도의 공간 해상력(예, 뉴클레오타이드 모노머 수준의 해상력) 프로브, 프로브 세트 또는 프로브 어레이와 함께 신규한 직접적인 시퀀싱 시스템으로 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 급냉 기술이 사용된다. 예를 들어 도 78에 도시한 바와 같이, 시료 부분(7810)이 제1 프로브(7830) 및 냉각 방울 공급 노즐(7840)을 포함하는 프로브 시스템(7820) 내에 존재한다. 이 냉각 방울 공급 노즐(7840)은 액체 He, 액체 N2, 또는 기타 다른 적합한 급냉 응용을 위한 냉각제를 포함할 수 있다. 상기 제1 프로브는 전술한 어떤 형태의 프로브도 포함할 수 있다. 또는 하나 이상의 프로브가 냉각 방울 공급 노즐(7840)과 함께, 예를 들면 광자적 응용, 전류 측정, 전압 바이어스, 또는 전술한 다른 기능을 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 에러를 최소화하기 위한 다른 측면은 도 2 및 도 3과 관련하여 기술한 바와 같은 연장된 구조(예, "나이프 에지")이다.
본 명세서의 시스템에서 금속 접촉 또는 프로브가 전류 및 전압을 시료의 모노머와 같은 작은 구조에서 측정할 때, 네개의 프로브 터널링 디바이스가 사용되어(예, 도 17A에 도시된 바와 같은) 접촉을 최소화하고 저항을 일으킨다. 또한, 예를 들면 도 2와 관련하여 도시한 바와 같은 팁의 대향하는 큰 말단을 갖는 바람직한 프로브 구조가 제공된다. 또한 모든 접촉 프로브가 바람직하게 팁보다 훨씬 크다. 이는 예를 들면 말단이 접촉 영역으로 기능할 때, 프로브의 전기적 저항성을 감소시킨다.
적정 시료 해상력 및 속도는 검출시스템을 측정가능한 시그널을 증가시킴으로써, 즉 충분한 전자를 포함하도록 보증하고, 주변 노이즈를 최소화시키도록 적정화함으로써 달성될 수 있다. 터널링 전류 밀도는 이러한 작은 터널링 영역(예, .5 평방 나노 미터)에 포함되어 수십개의 전자 및 수십개의 피코엠프(picoamps)를 포함한다. 이는 각 뉴클레오타이드의 여기 및 검출을 1 - 1000 나노세컨드의 애퍼튜어 시간(time aperture)내 함으로써 달성된다. 이는 3 x 109 염기쌍의 모든 인간 게놈을 단지 1초 또는 수분내에 시퀀싱하는 결과를 성취할 수 있다.
보다 빠른 속도로 그리고 보다 적은 수의 전자가 관여하도록 하기 위하여, 강화/증폭 하부-시스템을 사용하여 보다 적은 수의 전자 또는 광자를 측정 가능한 시그널로 강화시킨다.
본 발명에서 게이트된 전자 기술이 노이즈를 최소화시키도록 보증하는 펄스 프로토콜과 같이 사용된다. 이는 노이즈 존재하에 핌코엠프 레벨의 전류를 검출하는 것을 보증한다. 한 효과적인 전략은 모든 자극을 적절한 순서로, 펄스의 형태로 적용하는 것이다. 펄스 폭과 높이는 적정 결과를 성취하도록 조절된다. 전압 수준은 수십 밀리볼트에서 약 1 볼트의 범위내이다. 펄스 지속시간은 약 1 나노세컨드 내지 1000 나노세컨드, 필요한 경우 그 이상이다.
노이즈를 최소화시키는 게이트 검출을 위한 프로토콜은 이하의 단계로 기술된다: 1) 펄스를 적용하여 시료를 플랫폼에 대해서 시료의 부분 또는 뉴클레오타이드를 측정하기 위한 위치로 단계화시키는 단계; 2) 후속적으로 전기장을 적용하여 시료와 프로브를 접촉시키는 단계; 3) 경우에 따라 레이저 펄스를 적용하는 단계; 4) 터널링 디바이스 전압 펄스를 적용하는 단계; 5) 펄스를 적용하여 전류 측정 장치의 스위치를 개방하는 단계; 6) 1-5 단계를 반복하여 시료의 후속 부분 또는 시퀀싱되어야 하는 뉴클레오타이드를 측정하는 단계. 상기 1-5 단계는 마스터 시계에 동기화된, 동기화된 펄스이다. 입자 빔, 또는 강화제가 적용되는 경우, 적절하게 여기 펄스를 적용하여 이들을 활성화시키고, 상기 시계에 동기화된다. 이들 게이트되고 동기화된 방법은 높은 시그널대노이즈 비율로 검출가능한 상호작용을 측정할 수 있다.
다른 실시예에서, 도 8C를 참조하면, 복수의 나노 프로브 세트가 제공되고, 여기에서 각 나노 프로브 세트는 특정 종(예, 뉴클레오타이드)에 특이적이다. 시료는 수회 측정되며(프로브 세트내 각 프로브에 의하여) 제 1 단일 종 프로브 세트에 의해 보관된다. 이후 시료는 제2 단일 종 프로브 세트에 의해, 제3 단일종 프로브 세트, 및 제4 단일종 프로브 세트로 연속하여 측정되어 각 그룹의 프로브 세트로부터 데이타를 수득하고 하나 이상의 혼성화 또는 다른 검출 이벤트, 바람직하게는 측정의 정확성을 보증할 수 있는 이중 이벤트를 수득한다. 각 프로브 세트 및 컴퓨터 분석은 평균 또는 다른 적합한 통계적 분석 후에 종의 동일성에 대한 합의를 제공한다. 각 종은 한 그룹에 의해 수회 측정되며, 이후 다른 그룹, 이후 제3 그룹, 이후 제4그룹에 의해 수회 측정된다. 예를 들면, 프로브 세트가 T 종과의 이벤트를 검출하도록 적정화된 경우, 후속하는 검출 결과는 그 염기에 대한 프로브 세트에서 결정될 수 있다: TTCT. 시료 및 특정 염기가 4 프로브 세트 어레이 A/T/C/G를 걸쳐 이동되면, 하기와 같은 검출 결과가 그 염기에 대한 그 프로브 어레이에서 결정될 수 있다: TTCT/- -G -/C- - -/- - A -. 따라서, 세트내 일부 개별적인 프로브는 잘못된 결과(예, 처음 TTCT내의 C, 제2 그룹내 G, 제3 그룹내 C 및 제4 그룹내 A)를 제공할 수 있으며, 통계적 분석이 그 특정 염기가 실제 T 염기인지를 결정한다. 4개보다 많거나 적은 수의 프로브가 각 프로브 세트내에 존재할 수 있다. 또한 다양한 정도의 리단던시로 제공될 수 있으며, 이는 프로브 세트내 상이한 수의 프로브, 동종 및 이종 프로브 세트의 조합, 다양한 검출 가능한 상호작용을 위한 프로브 형태의 조합(예, 웰에 충전된 뉴클레오타이드, 고형 뉴클레오타이드, 금속 전도체, 금속 플러스 기지 뉴클레오타이드 가닥, 입자 빔용 개방 웰 또는 깔대기, 전자 빔 방출,이온 빔, x-레이 등, 또는 가요성 막 프로브 등)을 포함한다.
에러를 경감시키기 위한 이들 방법 및 전략의 중요한 인자 중 하나는 충분한 시그널대노이즈 비율을 얻는 것이다. 시스템은 바람직하게는 게이트되고 동기화되어, 전류계는 뉴클레오타이드가 노즐 바로 아래에 있을 때에만 시그널을 검출한다. 적용된 바이어스는 양성, 음성, 또는 교대일 수 있어 전도성의 변화를 최대화한다. 냉각을 통해 열적 노이즈를 경감하는 것이 바람직하다. 또는 각 DNA 또는 단백질 가닥이 수개의 노즐 어레이 아래로 통과하여, 노이즈를 평균화시킨다. 어떤 실시예는 어레이 구조를 나타내며, 이로써 노이즈를 평균화하고 SNR을 증가시킬 수 있다. 이러한 특징은 우수한 SNR을 보증할 수 있다.
그러나 1 볼트의 인가하에서 10 피코앰프 전류 변화 및 검출을 위한 10 나노세컨드를 가정하면, 시그널은 실온에서 조차도 열적 노이즈보다 훨씬 크다. 시퀀싱 속도는 매우 빠르다. 한 뉴클레오타이드에서 다음 뉴클레오타이드로 노즐을 이동시키는데 30 나노세컨드가 걸리면(약 1 cm/sec의 속도), 한 염기쌍을 시퀀싱하는데 오직 40 나노세컨드가 소요되며, 이는 15억 염기쌍에 1분이 소요되는 것에 상당한다.
어떤 실시예에서, 급냉 기술이 사용된다. 예를 들어 도 27에서 도시한 바와 같이 시료 부분(2710)은 제1 시료(2730) 및 냉각 방울 공급 노즐(2740)을 포함하는 프로브 시스템(2720) 내에 존재한다.
상기 냉각 방울 공급 노즐(2740)은 액체 He, 액체 N2, 또는 기타 다른 적합한 급냉 응용을 위한 냉각제를 포함할 수 있다. 상기 제1 프로브는 전술한 어떤 형태의 프로브도 포함할 수 있다. 또는 하나 이상의 프로브가 냉각 방울 공급 노즐(2740)과 함께, 예를 들면 광자적 응용, 전류 측정, 전압 바이어스, 또는 전술한 다른 기능을 위해 사용될 수 있다.
도 28을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 시료 부분(2810)은 제1 프로브(2830) 및 광 노즐(2850)을 포함하는 프로브 시스템(2820) 내에 존재한다. 광 노즐(2850) 및 제1 프로브(2830)는 연속적으로, 동시에 또는 시간에 있어 오버래핑되어 활성화되어 전류 검출, 측정 또는 전술한 바와 같은 검출 기여 효과를 갖는 다른 충격을 촉진한다. 제1 프로브(2830)는 전술한 형태의 프로브 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 광노즐(2850)은 다양한 형태의 광자에너지, 예를 들면, 가시광선, UV, X-레이, THZ, IR, 또는 FRIR를 제공할 수 있다.
도 6A-6F를 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예를 설명하면, 상기 프로브는 시료에 대하여 다양한 각도로 배향될 수 있다. 도 6A 및 6B를 참조하면, 여기에 기재된 모든 프로브 및 프로브 세트가 시료에 대하여 다양한 각도로 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 6A를 참조하여, 프로브 세트(630)은 일반적으로 시료(650)에 대하여 수직(길이 방향으로)으로 배향된다. 또한 도 6B를 참조하면, 프로브 세트(630)는 시료(650)에 대하여 일반적으로 각 θ로 배향될 수 있다(길이방향으로). 도 6C를 참조하면, 시스템(660)은 복수 프로브 세트(630)가 시료(650)에 대하여 다양하게 배향된다. 시료(650)의 물체(예, DNA 가닥내 염기)가 상이한 배향을 가질 수 있기 때문에, 복수 프로브 세트(630)로 시퀀싱하는 것이 바람직하다. 복수의 프로브 세트(630)는 상이한 각 G1, G2, G3, G4, G5,... Gn (예, 적당한 증가분으로 20°내지 160°)으로, 연속적으로 배열되거나, 랜덤하게 또는 다른 바람직한 배열로 된다. 측정되는 동안, 조절기는 어떤 배향의 프로브 세트가 고유 배향에서 특정 염기에 대해 최상의 시그널을 산출하는지를 결정한다. 이는 어레이 프로브 세트에서 데이타를 측정할 수 있게 하고, 특정 염기 또는 염기 그룹에 대한 적정 시그널을 결정할 수 있게 한다. 다른 실시예에서, 도 6D-6F를 참조하면, 배향의 각도가 높이 방향에서 변경될 수 있다. 예를 들면, 도 6D를 참조하면, 프로브 세트(630)은 시료(650)에 대하여 일반적으로 높이 방향으로 수직(90°)으로 배향될 수 있다. 또한 도 6E에 도시한 바와 같이, 프로브 세트(630)는 높이 방향으로 시료(650)에 대하여 각 ω로 배향될 수 있다. 도 6F를 참조하여, 시스템(670)은 복수 프로브 세트(630)가 시료(650)에 대하여 높이 방향으로 다양하게 배치된다. 시료(650)의 물체(예, DNA 가닥내 염기)가 상이한 배향을 가질 수 있기 때문에, 복수 프로브 세트(630)으로 시퀀싱하는 것이 바람직하다. 복수의 프로브 세트(630)는 상이한 각 ωl, ω2, ω3... ωn (예, 적당한 증가분으로 20°내지 160°)로 연속적으로 또는 랜덤하게, 또는 다른 바람직한 배열로 배열될 수 있다. 이러한 다양한 각도에서 측정함으로써 에러 및 잘못된 판독을 최소화하거나 제거할 수 있다.
다른 실시예에서, 도 85(PFM A 및 PFM B)에는, 나노 크기 프로브가 부착된 구부러질 수 있는 막 물질(PFM 10)이 도시된다. 이 나노 크기 프로브(PFM 12)는 기 지 뉴클레오타이드 가닥, 기능화된 기, 또는 기타 분자 프로브와 같은 전술한 프로브 중 하나일 수 있다. 바람직하게 구부러질 수 있는 물질(PFM 10)은 전류 측정을 촉진하기 위하여 프로브(PFM 12)가 부착된 금속 표면을 포함한다. 적합한 MEMS 장치 또는 기타 플런저(PFM 20)를 사용하여, 가요성 금속 막(PFM 16)을 펄스화시켜 시료(PFM 40)와 접촉시키고, 시료를 분석한다.
본 명세서 기재의 기타 프로브 형태와 마찬가지로, 2D 또는 3D 어레이가 제공될 수 있다. 또한 이들 어레이는 동종 또는 이종의 프로브 형태를 포함할 수 있다.
또한, 통상적으로 프로브는 옴스트롱 또는 옴스트롱 이하의 정밀 액츄에이터, MEMs 장치, 또는 다른 기계적 장치와 같은 공지 장치의 조력으로 접촉할 수 있다.
도 99(TS1)를 참조하면, DNA 단편, RNA 분자, 단백질 또는 기타 폴리머 구조와 같은 폴리머 구조를 끌어당기고 수송하는 것을 촉진하는 구조(TSl 05)가 도시되어 있다. 기판(TS1 10)은 하나 이상의 유인선(coaxing lines; TS1 20)이 구비되어 있다. 이 유인선 또는 유인영역은 채널의 형태로 될 수 있으며, 상기 채널은 적합한 유인 물질, 적합한 유인 물질로 처리한 기판(TS1 10) 표면의 라인 또는 영역, 또는 적합한 유인 물질로 처리한 하나 이상의 유인선(TS1 20)을 구획하는 융선(ridge) 또는 기타 돌출부를 포함한다. 유인 물질은 아미노 실란, 비오틴, 또는 백금, 금 또는 기타 적합한 물질과 같은 전도성 물질로 전하를 갖는 기타 결합 물질을 포함할 수 있다.
통상적으로, 시료는 마그네틱 부분, 또는 적합한 크로모포어(chromophores) 또는 플루오로포어(fluorophores)을 포함할 수 있으며, 이들은 시료의 안내 또는 조작을 도운다.
기판(TS 1 10)은 예컨대 1-2 cm x 3-5 cm 크기의 글라스 슬라이드 형태일 수 있다. 또는 기판(TSl 1O)은 디스크 또는 와퍼의 형태일 수 있다. 슬라이드의 형태 인자는 일반적으로 시료와의 작업에 사용되는 분석 도구 및/또는 조작 도구에 따른다.
구조(TSl 05)는 예를 들면 본 명세서에 참조로 삽입되는 미국 특허 출원 10/775,999호(2004년 2월 10일 출원, 발명의 명칭; "Micro-Nozzle, Nano Nozzle and Manufacturing Methods Therefor"), 미국 가출원 60/669,029호(2005년 4월 7일 출원, 발명의 명칭; "DNA Sequencing Method and System"), 및 미국 가출원 60/699,619호(2004년 7월 15일 출원, 발명의 명칭; "Molecular Analysis Probe, Systems and Methods, including DNA Sequencing")에 기재된 DNA 시퀀싱 도구과 함께 사용될 수 있다.
또한, 이들 구조(TSl 05)는 광학적 이미징 도구과 같은 다른 다양한 형태의 분석 도구과 함께 사용될 수 있다. 본 구조(TSl 05)를 사용함으로써 혜택을 받을 수 있는 유용한 광학적 이미징 도구는 본 명세서에 참조로 삽입되는 미국 출원 10/800,148호(2004년 3월 12일 출원, 발명의 명칭; "MicroChannel Plates And Biochip Arrays, And Methods Of Making Same") 및 미국 가출원 60/674,012호(2005년 4월 22일 출원, 발명의 명칭; "MicroChannel Plate And Method Of Making MicroChannel Plate")에 개시되어 있다.
도 100(TS2)을 참조하여, DNA 단편, RNA 분자, 단백질 또는 기타 폴리머 구조와 같은 폴리머 구조의 끌어당김 또는 수송을 촉진하는 구조(TS2 05)가 도시된다. 기판(TS2 10)은 복수의 유인 선(TS2 20)이 구비된다.
도 101(TS3)를 참조하여, DNA 단편, RNA 분자, 단백질 또는 기타 폴리머 구조와 같은 폴리머 구조의 끌어당김 또는 수송을 촉진하는 구조(TS3 05)가 도시된다. 기판(TS3 10)은 복수 전극(TS3 30)에 의해 구획되는 하나 이상의 가상 유인선(TS3 25)를 구비한다. 이들 가상 유인선 또는 영역은 적합한 전극(TS3 30), 적합한 전극(TS3 30)을 갖는 기판(TS3 10) 표면상의 가상 선 또는 영역, 또는 적합한 전극(TS3 30)을 갖는 하나 이상의 가상 유인선(TS3 20)을 구획하는 융선(ridge) 또는 기타 돌출부를 구비하는 채널 형태일 수 있다. 따라서 복수의 불연속 전극(TS3 30)으로 가상 유인선(TS3 20)이 구획된다. 이 실시예에서의 전극은 미리 전하를 띤 입자를 포함할 수 있으며, 온-보드 전지(on-board battery)를 포함하며, 또는 시스템 판독기를 구비한 적합한 장치에 의해 활성화되는 전극을 포함한다.
도 102(TS4)를 참조하여, DNA 단편, RNA 분자, 단백질 또는 기타 폴리머 구조와 같은 폴리머 구조를 끌어당기거나 또는 수송을 촉진하는 구조(TS4 05)가 도시된다. 기판(TS4 10)은 복수 전극(TS4 30)을 갖는 하나 이상의 유인선(TS4 25)을 구비한다. 이들 유인선 또는 영역은 적합한 유인 물질, 적합한 유인물질로 처리된 기판(TS4 10)의 표면상의 선 또는 영역, 또는 적합한 유인물질로 처리된 하나 이상의 유인선(TS4 20)을 구획하는 융선 또는 기타 돌출부를 포함하는 채널의 형태일 수 있으며, 상기 유인 물질은 전술한 바와 같은 물질들이거나, 또는 전극(TS4 30)에 의해 생성되는 전기장에 처리될 때 인력을 갖는 물질을 포함할 수 있다.
어떤 실시예에서, 전기장은 구조(TS4 05)상의 원하는 출발 위치(TS4 40)에 적용될 수 있다. 또한, 시료의 인력 및 수송을 촉진시키는 다양한 구조 실시예에서, 다양한 특징이 본 명세서에 개시된 다른 시스템 특징과 같이 정렬될 수 있다.
예를 들어, 도 103A-103G(TS5 A-TS5 G)는, 가닥을 구조(TSl 05, TS2 05, TS3 05 또는 TS4 05)상에 유인하는 방법이 도시되어 있다. 구조(TS5 05)를 DNA 가닥 또는 단편과 같은 하나 이상의 폴리머 구조를 포함하는 용액내에 삽입한다. 하나 이상의 단편이 도 103C(TS5 C)에 화살표로 도시한 바와 같이 상기 구조(TS5 05)에 부착된다. 도 103D-F(TS5 D-F)를 참조하여, 하나 이상의 폴리머 가닥이 부착된 구조(TS05 05)를 이후 액체로부터 꺼낸다. 바람직하게, 구조(TS05 05)는 유인선의 축을 따르는 방향으로 제거되어 액체 흐름 방향 및 중력이 유인선의 인력에 기여한다. 따라서, 유체가 힘을 흐르게 하므로, 중력 및 유인선에 의한 기여는 실질적으로 동일 방향이며, 가닥은 유인되어 정렬된다. 어떤 실시예에서, 전기장이 구조(TS05 05)상의 원하는 출발 위치에 인가될 수 있다.
정밀한 단계적 동작과 함께 변성을 보조하기 위하여, DNA 가닥은 다양한 방법으로 직선화될 수 있다. 한 실시예에서, 정전기적 장을 사용하여 음전하 가닥을 끌어당긴다. 다른 실시예에서, 자기적으로 끌어당기는 비드를 DNA 가닥의 말단에 적용하여, 자기력으로 가닥을 당길 수 있다. 다른 실시예에서, 점도를 적정하게 하여, 가닥을 액체를 통해 채널 내 또는 가까이에 드래깅하면서, 적정 드래깅 속도 및 유체 점도 조건에 의해 가닥을 직선화시킨다. 또한 친수성을 사용하여, 예를 들면 노즐 및 채널 벽 또는 그 내부에 적합한 물질을 처리하여 뉴클레오타이드를 끌어당길 수 있다. 다른 실시예에서 친유성을 사용할 수 있는데, 예를 들면 노즐 및 채널 벽 또는 그 내부에 적합한 물질을 처리하여 유체를 채널내에 유지시킨다.
도 96(CS 1)을 참조하면, 개략적인 셔틀 시스템(shuttle system; CSl 10)이 도시되어 있다. 시스템(CSl 10)은 연장 물체(CS1 20)의 이동을 촉진하며, 특히 DNA 또는 RNA 가닥 또는 단편과 같은 연장 물체(CS1 20)를 두 면(CSl 30, CSl 40)사이의 경로(CS1 14; 이는 채널일 수 있으며 또는 기판 표면을 따라 존재한다)를 통해 이동하게 하거나 신장시키는 기능을 한다.
통상적으로 각 면(CS1 30, CS1 40)은 상기 경로(CS1 14)를 따라 배열되는 복수의 전극 쌍을 가진다. 예를 들면, 도 96(CS 1)에 도시한 바와 같이, 채널(14)은 넓은 개구부 영역(CS1 16)을 포함하며, 이는 예를 들면 연장 물체(CSl 20)가 채널(CS1 14)과 마주치는 가능성을 증가시키기 위함이다. 전극쌍(CS1 31, CS1 41 내지 CS1 38, CS1 48)은 상기 면(CSl 30, CS1 40)상에 배열된다. 연장 물체(CS1 20)가 DNA 가닥과 같이 음전하 연장 물체인 경우, 양전하가 상기 전극 쌍(CS1 31, CS1 41 내지 CS1 38, CS1 48)에 인가되며, 이로써 연장 물체(CSl 20)가 경로(CS1 14)를 통해 상기 경로내로 유인된다.
경로(CS1 14)는 예를 들면 오목한 그루브(concave groove), V-형 그루브, U-형 그루브, 또는 기타 적합한 형태와 같이 부분적으로 봉입된 벽을 갖는 채널의 형태일 수 있다. 또는 경로(CS1 14)는 전술한 바와 같이 적합한 표면 처리에 의해 구 획될 수 있다. 또는 경로(CS1 14)는 분자 셔틀에 대해 도시된 면들을 따라 또는 경로(CS1 14)의 길이의 전체 또는 부분을 따라 전극으로 처리한 상승된 융선(ridge)일 수 있다.
도 86A-C(NS 1 A-C)는 예를 들면 연장 물체(NS1 12)을 미세하게 이동시키기 위한 분자 셔틀(NSl 07)을 도시한다. 통상, 분자 셔틀(NSl 07)은 예를 들어 제1 위치(NS 1 16)로부터 제2 위치(NS 1 18)로, 제3 위치(NSl 20) 등으로 연장 물체(NS1 12)를 조절 가능하게 위치시키기 위해 사용된다. DNA 단편, RNA 분자, 단백질 분자, 또는 기타 폴리머와 같은 연장 물체(NS1 12)는 통상 전하를 갖고, 이 경우 음전하로 도시되어 있다. 분자 셔틀(NSl 07)은 경로(NS 1 30)를 그 사이에 형성하는 기판상 또는 기판내 또는 기판 영역(26, 28)에 복수의 공간적으로 마주보는 프로브(NS1 22, NS1 24)를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 이들 프로브(NS1 22, NS1 24)는 전술한 바와 같이 프로브로서 형성된다. 도 86A(NS1 A)에 도시한 바와 같이, 연장 물체(NS1 12)는 경로(NSl 30)의 외부에 있다. 프로브(NS1 22, NS1 24), 분자 셔틀(NSl 07)의 말단에 양전하를 인가함으로써(도 86A(NS1 A)에 "+"기호로 표시), 연장 물체(NS 1 12)는 경로(NSl 30)의 개구부(NS1 32)로 이끌린다.
도 86B(NS1 B)를 참조하여, 다른 양전하가 선(NS 1 18)으로 표시한 지점에 프로브(NS1 22, NS1 24)를 통해 인가될 때, 프로브 또는 위치(NS 1 18)간의 전극에 의해 제공되는 음전하 및 개구부(NS1 32)에서 양전하에 의해, 연장 물체(NS1 12)는 채널 경로(NS1 30)내의 위치(NS1 18)로 끌려간다. 도 86C(NS1 C)를 참조하여, 상기 과정은 연장 물체(NS1 12)가 예를 들면 경로(NS1 30)내의 위치(NS1 20)로 셔틀(왕 복)될 때까지 계속된다.
도 87A-D(NS2 A-NS2 D)를 참조하면, 분자 셔틀(NS2 07)은 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 비제한적인 예시로 만곡 또는 반원형 채널(도 87A(NS2 A)), Y-형 채널(도 87B((NS2 B)), 또는 중심점으로 또는 중심점에서 방사형으로 향하는 일련의 채널(도 87C(NS2 C)), 또는 T-형(도 87D(NS2 D))을 포함한다.
경로(NS1 30)는 예를 들면 오목한 그루브, V-형 그루브, U-형 그루브, 또는 기타 적합한 형태와 같이 부분적으로 봉입된 벽을 갖는 채널의 형태일 수 있다. 또는 경로(NS1 30)는 전술한 바와 같이 적합한 표면 처리에 의해 구획될 수 있다. 또는 경로(NS1 30)는 분자 셔틀에 대해 도시된 면들을 따라 또는 경로(NS1 30)의 길이의 전체 또는 부분을 따라 전극으로 처리된 상승된 융선일 수 있다.
도 26을 참조하면, 기준 위치 및 정밀 나노미터 계측 시스템이 도시된다. 기준 위치 프로브(RPP)는 예를 들면 백금 또는 기타 적합한 물질로 형성되며, 또는 나노-광 가이드(nano-light guide)의 형태, 또는 기타 여기 프로브 구조 프로브 세트 또는 나노노즐 어레이 세트내에 포함된다. RPP에 대한 각 프로브 또는 나노노즐의 위치는 알려져 있다. 이 기준 위치 프로브는 정밀한 측정을 위해 시퀀싱을 개시할 때 기지 출발점을 제공한다.
도 75를 참조하면, ssDNA의 단계 동작이 RPP의 기지 위치에 대해 도시된다.
일부 실시예에서, 시료는 기저부의 채널 내에 존재할 수 있다. 채널은 적합한 유체를 포함할 수 있으며, 또는 시료는 유체가 거의 없는 채널을 통해 유인될 수 있다.
다른 실시예에서, 시료는 기저부, 예를 들면 바이오칩내에 매립되어 있을 수 있다.
일 실시예에서, 마이크로-채널 강화제와 같은 전자 또는 광자 강화제가 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 16D 및 16E는 이러한 실시예를 도시하고 있다.
도 16D를 참조하면, 프로브 방출기는 시료와 탄성 또는 비탄성 방식으로 상호작용하여 에너지를 잃고, 분자 또는 모노머의 성질을 지표하는 특정 에너지를 갖는 광자나 전자를 방출하게 된다. 이러한 전자 또는 광자는 너무 소량이어서 직접적으로 측정할 수 없다. 따라서, 나이트 비젼 고글 또는 광-배율기와 같은 본 기술분야에 알려져 있는 마이크로-채널 플레이트 강화제와 같은 강화 또는 증폭 하부 시스템을 제공한다.
도 16E를 참조하면, 프로브가 금속 및/또는 분자 프로브이고, 시료와의 상호작용은 비탄성 터널링 전류를 통해 이루어진다. 이 터널링 전류를 직접 측정하기 보다, 광자 또는 전자가 방출되도록 허용하는 하부 시스템을 제공하는 것이 가능하다. 광자 또는 전자의 방출은 혼성화시 발생되거나, 또는 시료의 스펙트라를 표시하는 비탄성 전자를 방출하는 적합한 전압 에너지를 인가함으로써 일어난다. 이 전자는 또한 도 16D에 대하여 전술한 강화/증폭 하부 시스템에 의해 검출된다.
도 16F를 참조하면, 도 16D 또는 도 16E와 관련하여 기재된 바와 같은 강화/증폭 하부 시스템 어레이가 제공된다. 예를 들면, 여기 프로브 빔 또는 다른 프로브 형태는, 방출된 전자 또는 광자가 검출할 뉴클레오타이드의 각 형태의 시그니쳐가 되도록, 예를 들어 DNA 시퀀싱 시스템내 특정 모노머, A, T, C, G로부터 미세조 절되거나 적정화될 수 있다.
연장 물체의 시퀀싱은 비제한적으로 DNA, RNA, 일반적인 단백질, 다른 폴리머, 올리고머, 및 기타 나노 크기 구조를 포함한다. 따라서, 전술된 바와 같이 나노 노즐 및 나노 노즐 어레이를 포함하는 본 발명의 시스템은 초고속 실시간 DNA 시퀀싱 작동에 매우 적합하다.
DNA 가닥 또는 단편을 시퀀싱하거나 분석하는 이외에도, 본 발명에 따른 프로브나 시스템은 다양한 형태의 연장 물체를 위해 사용되며, 이들은 비제한적으로 DNA, RNA, 일반적인 단백질, 다른 폴리머, 올리고머, 및 기타 나노 크기 구조를 포함한다.
도 25B(MANl)를 참조하여, 극히 작은 팁 크기 t를 갖는 프로브(MAN1 02)(또는 그러한 프로브 세트 또는 어레이)가 분자 또는 원자 수준의 물질을 조작하는 일반 용도 조작기로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 프로브(MAN1 02)를 사용하여, 그 대칭성에 일부 기인하는 고 필드 강도(high field strength)를 제공할 수 있다. 이러한 고 필드는 작은 프로브 크기 때문에 유리하게 국소화되므로, DNA 가닥, 단백질, 그라펜층, 나노입자, 기타 분자, 모노-분자층, 또는 N과 같은 층들을 끌어당길 수 있다
도 98(LITH1)을 참조하여, 초고해상 나노리토그라피용 프로브를 사용한 일반 시스템을 도시한다. 프로브 세트는 예를 들면, 각 프로브가 동일 또는 상이한 물질을 포함한다. 다른 실시예에서, 이 프로브를 사용하여 3차원 나노구조를 가공한다.
도 86A-C(NS 1 A-C)는 분자 셔틀(NS1 07)의 일 실시예를 도시한다. 일반적으 로 분자 셔틀(NS1 07)은 연장 물체(NS1 12)를 예를 들면 제1 위치(NS1 16)에서 제2 위치(NS1 18)로, 제3 위치(NSl 20) 등으로 조절가능하게 이동시키는데 사용된다. 연장 물체(NS1 12), 즉 DNA 가닥, DNA 단편, RNA 분자, 단백질 분자, 또는 기타 다양한 형태의 폴리머 및 연장 물체는 통상 전하를 가지며, 이 경우 음전하로 도시되어 있다. 분자 셔틀(NS1 07)은 채널(NS1 30)을 그 사이에 형성하는 기판상 또는 기판내 또는 기판 영역(26, 28)에 복수의 공간적으로 마주보는 프로브(NS1 22, NS1 24)를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 이들 프로브(NS1 22, NS1 24)는 전술한 바와 같은 프로브로서 형성된다. 도 86A(NS1 A)에 도시한 바와 같이, 연장 물체(NS1 12)는 채너널(30)의 외부에 있다. 프로브(NS1 22, NS1 24), 분자 셔틀(NSl 07)의 말단에 양전하를 인가함으로써(도 86A(NS1 A)에 "+"기호로 표시), 연장 물체(NS1 12)는 채널의 개구부(NS1 32)로 이끌린다.
도 86B(NS1 B)를 참조하여, 다른 양전하가 선(NS1 18)으로 표시한 지점에 프로브(NS1 22, NS1 24)를 통해 인가될 때, 프로브 또는 위치(NS1 18)간의 전극에 의해 제공되는 음전하 및 개구부(NS1 32)에서 양전하에 의해, 연장 물체(NS1 12)는 채널내의 위치(NS1 18)로 끌려간다. 도 86C(NS1 C)를 참조하여, 상기 과정은 계속되어 연장 물체(NS1 12)는 예를 들면 채널내 위치(NS1 20)로 왕복한다.
도 87A-D(NS2 A-NS2 D)를 참조하면, 분자 셔틀(NS2 07)은 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 비제한적인 예시로 만곡 또는 반원형 채널(도 87A(NS2 A)), Y-형 채널(도 87B((NS2 B)), 또는 중심점으로 또는 중심점에서 방사형으로 향하는 일련의 채널(도 87C(NS2 C)), 또는 T-형(도 87D(NS2 D))을 포함한다.
도 97(AS 1)을 참조하여, 본 발명에 따른 프로브를 원자적으로 평탄한 표면을 생성하는 데 사용하는 방법을 도시한다. 예를 들면 전압원을 부착한 프로브(ASl 10)가 표면(ASl 50)상을 스위핑(sweep)한다. 도 97(AS 1)에 도시된 바와 같은 프로브의 형상에서, 프로브는 매우 높은 국소화된 필드 강도를 산출한다. 이 필드는 표면을 스윕하는데 사용되어, 표면을 원자적으로 평활하게 만든다.
본 발명의 다른 실시예는 본 발명의 도 31B에 교시한 바와 같은 원자적으로 평탄한 초박막 필름을 제조하는 능력을 사용한다. 이들 필름은 미지 시료를 시퀀싱하거나 분석하기 위한 가요성 기판로서 사용될 수 있다. 도 91(AFTMl)에 도시한 바와 같이, 이 가요성 막은 도 88-도 90(AFM1-AFM3)에서의 가요성 칸티레버를 대체할 수 있다. 도 91(AFTMl)은 시스템(AFTMl 10), 지지부(AFTM1 14)사이의 막(AFTM1 12)을 도시한다. 시료(AFTMl 30)가 프로브(AFTMl 20) 아래를 통과할 때, 원자 상호작용이 발생되며, 이는 통상 도 88-도 90(AFM1-AFM3)에 도시한 바와 같다. 그러나, 프로브(AFTMl 20)가 고정되어, 막(AFTMl 12)은 이 원자력에 의해 디플렉트된다. 원자력에 반응하여 막(AFTMl 12)이 디플렉트되는 것은 막(AFTMl 12)상에 입사되는 레이저 빔(AFTMl 40)의 반사를 측정함으로써 검출된다. 프로브에서 디플렉션을 분리함으로써, 보다 일반적 목적의 장치는 소위 하나의 디바이스내에 시컨싱 도구 뿐 아니라 STM 이미징 및 AFM 성능까지 모두 결합할 수 있다. 도 91(AFTMl)에 도시한 바와 같이, 하나 이상의 프로브(AFTMl 20)가 적합한 전압원 및 지지부(AFTM 14)에 연결된다. 다른 자극 또한 스캐닝 터널링 다른 시퀀싱 기능과 같은 특정 응용을 위해 제공될 수 있다. 특이성을 위하여, 상기 프로브는 특이적으로 형성된 프로브, 예를 들면 전술한 바와 같은 뉴클레오타이드 특이적 프로브일 수 있다. 특히 DNA 가닥을 시퀀싱하는데 적합한 장치는 적어도 4개의 프로브 세트를 포함하는 것이며, 예를 들어 도 89(AFM2)와 관련하여 기재한 구조에서, A, C, T 및 G를 위한 뉴클레오타이드 특이적 프로브를 포함하며, 가요성 막(AFTMl 12)을 갖는다.
이러한 막 디플렉트 장치는 적절한 거리로 분리된 막 아래에 직접적으로 존재하는 병렬 전도판으로 레이저 빔을 대체할 수 있게 한다. 도 92A-92B(AFTM2A-AFTM2B)에 도시한 바와 같이, 이는 막의 디플레트에 따라 변하는 용량을 형성한다. 도 92A-92B(AFTM2A-AFTM2B)는 상이한 프로브 위치에서 힘에 반응하는 기판 막의 디플렉트를 도시한다. 따라서 용량값 변동 또는 조절은 막이 경험하는 원자력과 관련될 수 있다. 이는 프로브를 지지하는 고정장치가 실질적으로 고정됨으로써 오직 막만이 힘에 대해 반응하게 할 수 있기 때문이다.
용량 값은 0.1 내지 10 나노 패러드(nano-Farad)의 범위내 있도록 디자인되어 1O KHz 내지 1 MHZ 또는 1 MHz 내지 수 GHz의 범위내의 주파수에서 진동하는 유도기를 포함하는, 도 92 C(AFTM2 C)의 공명 회로의 일 부분이 될 수 있다. 미세조절가능한 스윕 오실레이터(sweep oscillator)와 연결함으로써, 시스템이 흡수한 힘을 주파수 함수로 모니터할 수 있다.
도 92 D(AFTM2 D)는 상이한 프로브 위치에 대한 강도를 도시한 것이며, Iω는 주파수 함수 ω = (LC)1/2로 플롯될 수 있다, 주파수 이동의 측정은 상이한 위치에서의 다양한 힘 Fω에서 기인되는 용량 변화와 관련될 수 있다. 도 92 E(AFTM2 E)는 인력 및 척력에 대한 주파수에 대한 Fω의 의존성을 도시한다. 제1 위치에서, 프로브는 척력을 경험하며, 이는 용량을 감소시키고 주파수를 ω1으로 이동시킨다. 제2 및 제3 프로브 위치에서, 힘은 인력이며, 각각 ω2 및 ω3로 윗방향으로 이동시킨다.
도 93A(AFTM3 A)는 또한 본 발명의 다른 실시예를 도시하며, 이는 DNA, RNA 시퀀싱과 같은 특정 응용을 포함하는 시료 분석 도구로 사용되며, 원자력 이미징이 구비된다. 본 발명의 교시에 따른 프로브가 가요성 막 또는 칸티레버에 부착된다. 도 93B(AFTM3 B)의 분해도에 따르면, 제1 박막 플랫 축전기에 연결된 제1 박막 유도기가 프로브 맞은 편 표면상의 가요성 막에 증착된다. 제2 박막 플랫 축전기에 연결된 제2 박막 유도기가 가요성 막에 접하는 표면상의 단단한 부재에 증착된다. 상기 단단한 부재와 가요성 막은 원하는 용량 값을 결정하는 두께를 갖는 적합한 스페이서에 의해 서로 부착된다. 상기 스페이서는 프로브와 시료의 상호작용에서 기인하는 시그널을 프로세싱 및/또는 분석하는 통합 회로를 포함할 수 있다. 상기 시그널은 막의 디플렉트를 유발하는 힘의 결과로서 용량의 변화로 발현된다. 도 93A(AFTM3 A)는 분석 및 프로세싱용 회로 모델을 도시한다. 도 92A(AFTM2 A)내지 92E(AFTM2 E)에 기재한 장치에 사용된 것과 유사한 검출원리가 적용된다.
이 통합된 원자력 프로브는 시퀀싱에 사용될 수 있을 뿐 아니라 종래의 ATM 모드에서 사용될 수 있다. 시퀀싱은 상이한 뉴클레오타이드를 특정하기 위해 기능화된 상이한 통합 프로브를 연속적으로 삽입함으로써 달성된다. 또는 도 94(AFTM4)에 도시한 바와 같이 시퀀싱 및 분석 기능을 병렬적으로 수행하기 위해 단일 구조 내에 수개의 용량성 프로브를 통합하는 것이 바람직하다. 이러한 완전히 통합된 시스템은 상이한 모양 및 미리 정해진 특정 시료를 인식하도록 기능화된 프로브를 가지는 유연성을 허용한다. 이 시스템은 많은 모드 중 하나를 선택하도록 주소화될 수 있으며, 상기 모드는 비제한적으로 STM, AFM, 시퀀싱, 마그네틱 분석, 또는 기타 적합한 기능을 포함하며, 이는 고유한 활성화/불활성화 특징을 갖기 때문이다. 이는 불활성화되도록 선택된 축전기판에 DC 전압을 공급하는 통합 회로에 의해 수행된다. 이는 가요성 막이 상부의 단단한 판에 부착되도록 할 수 있다. DC 전압의 제거는 막을 방출하며, 막과 그 활성화용 프로브를 선택한다.
도 95(AFTM5)는 도 94(AFTM4)의 시스템에 특히 DNA 시료의 이미징, 분석 및 시퀀싱에 적합한 특이성을 증가시키기 위한 뉴클레오타이드 프로브를 추가적으로 포함하는, 시스템을 도시한다.
도 93-도 95(AFTM3 - AFTM5)에 도시된 완전 통합 프로브는 본 출원인의 복수층 제조방법에 기재된 방법 및 시스템으로 용이하게 제조될 수 있으며, 상기 본 출원인의 복수층 제조방법은 미국 출원 09/950,909호(2001년 9월 12일 출원, 발명의 명칭;"Thin films and Production Methods Thereof), 10/222,439호(2002년 8월 15일 출원, 발명의 명칭; "MEMs And Method Of Manufacturing MEMs"); 10/017,186호(2001년 12월 7일, 발명의 명칭; "Device And Method For Handling Fragile Objects, And Manufacturing Method Thereof); PCT 출원 PCT/US03/37304호(2003년 11월 20 출원, 발명의 명칭; "Three Dimensional Device Assembly and Production Methods Thereof); 미국 특허 6,857,671호(2005년 4월 5일 등록, 발명의 명칭; "Method of Fabricating Vertical Integrated Circuits"); 미국 출원 10/717,220호(2003년 11월 19일 출원, 발명의 명칭; "Method of Fabricating Muti Layer MEMs and Microfluidic Devices"); 10/719,666호(2003년 11월 20일 출원, 발명의 명칭; "Method and System for Increasing Yield of Vertically Integrated Devices"); 10/719,663호(2003년 11월 20일 출원, 발명의 명칭; "Method of Fabricating Muti Layer Devices on Buried Oxide Layer Substrates")(이들 모두는 본 발명에 참조로서 삽입된다)에 잘 개시되어 있다. 그러나 다른 타입의 반도체 및/또는 박막 프로세싱 방법도 채용될 수 있다.
상기 실시예가 DNA 시퀀싱에 적용되고 있지만, 상기 프로브는 정밀한 특이성으로 기타 다른 화합물을 인식하는 능력을 갖도록 기능화될 수 있으며, 이들 방법이 미지의 화합물에 대한 인식 및 분석에 사용될 수 있는 보다 일반적인 방법으로 될 수 있음은 용이하게 인식될 것이다. 또한 과학적인 도구로서 뿐 아니라 의학적 도구 및 위험 물질을 감지하는 도구로 사용될 수 있다.
DNA 복제와 전사에 있어 두 가닥을 분리하여 복제되거나 전사되어야 할 단일 가닥의 염기 서열을 밝히는 과정이 관여되어 있음은 잘 알려져 있다. 이는 헬리카제 효소에 의해 수행되며, 상기 효소는 상보적 가닥을 제1 위치에서 분리하여 전사 또는 복제 과정을 완결하도록 한다. 이것이 끝나면, 두 상보적인 가닥은 다시 결합하고, 헬리카제는 제2의 인접 위치에서 이들을 다시 분리하며 상기 과정을 반복한다. 이는 복제 또는 전사가 끝날 때까지 전체 DNA 길이를 따라 반복된다.
일반적인 연장 물체의 분석 및 특히 단일 DNA 가닥 시퀀싱을 교시하는 본 발 명의 방법은 이중 가닥 시료의 시퀀싱에 확대되어 사용될 수 있다. 이는 DNA 가닥 또는 단편의 나선 구조의 주 그루브 및 부 그루브내의 뉴클레오타이드 염기와 나노 프로브를 상호작용하게 함으로써 본 발명의 실시예에 따라 수행될 수 있다. 이 과정은 경우에 따라 추가적으로 헬리카제와 같은 적합한 촉매 또는 효소를 사용하여 상보적 가닥의 국소 분리를 유발하여 시퀀싱될 염기를 노출시키고 이들이 나노 프로브와 적정하게 상호작용하게 함으로써 촉진될 수 있다. 상기 촉매 또는 효소는 분석 나노 프로브에 부착 또는 이들로부터 분배되거나, 또는 분석 나노 프로브에 매우 가까이 있는 보조 나노 프로브 또는 나노 깔대기에 부착 또는 이들로부터 분배된다. 촉매를 사용하는 이 추가적인 단계를 제외하고, 이중 가닥 DNA를 분석하는 과정은 단일 가닥 DNA를 분석하는 본 명세서에 교시된 실시예를 사용하여 수행된다.
바람직한 실시예가 도시되고, 기재되었으나, 다양한 변경과 치환이 본 발명의 정신과 범위내에서 만들어질 수 있다. 따라서, 이들은 예시로서 기재된 것이고 본 발명을 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (33)

  1. 몸체 부분상에 두께 크기 t를 갖는 층을 형성 또는 적용하는 단계; 및
    층을 노출하는 단계를 포함하고,
    상기 노출된 층이 프로브의 활성 부분을 포함하며,
    상기 활성 부분이 t의 함수인 탐침 크기 p를 갖는 것인 프로브 제조방법.
  2. 제1 몸체 부분상에 두께 크기 t를 갖는 층을 형성 또는 적용하는 단계;
    상기 층 상에 제2 몸체 부분을 형성 또는 적용하는 단계;
    상기 층을 제거하여 t의 함수인 개구부 두께 크기 o를 갖는 공간(void)을 형성하는 단계; 및
    개구부를 노출하는 단계;를 포함하고,
    상기 노출된 개구부가 프로브의 활성 부분을 포함하며, 상기 활성 부분이 t의 함수인 탐침 크기 p를 갖는 것인 프로브 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 층의 노출 방법이 슬라이싱, 폴딩, 마이크로 기계가공 또는 에칭을 포함하는 것인 프로브 제조방법.
  4. 기판을 제공하는 단계; 상기 기판상에 층을 형성하는 단계; 및 상기 층의 일 영역을 프로브 물질을 갖는 프로브 구조로 프로세싱하는 단계;를 포함하는 프로브 전구체 형성 방법.
  5. 제1 영역을 프로브 물질을 갖는 프로브 구조로 프로세싱한 제1 층을 제공하는 단계; 기판을 제공하는 단계; 상기 기판상에 제2층을 형성하는 단계; 상기 제2층의 일 영역을 프로브 물질을 갖는 프로브 구조로 프로세싱하는 단계; 상기 제2층을 상기 기판에서 제거하는 단계; 및 상기 제1층과 제2층을 쌓는 단계;를 포함하는 프로브 어레이 전구체 형성방법.
  6. 기판을 제공하는 단계; 상기 기판상에 층을 형성하는 단계; 상기 층의 일 영역을 프로브 물질을 갖는 프로브 구조로 프로세싱하는 단계; 상기 프로세싱된 영역을 갖는 층을 제거하는 단계; 및 상기 프로세싱된 영역의 프로브 구역을 노출시키는 단계;를 포함하는 프로브 형성 방법.
  7. 제1 영역을 프로브 물질을 갖는 프로브 구조로 프로세싱한 제1층을 제공하는 단계; 기판을 제공하는 단계; 상기 기판상에 제2층을 형성하는 단계; 상기 제2층의 일 영역을 프로브 물질을 갖는 프로브 구조로 프로세싱하는 단계; 제2층을 상기 기판에서 제거하는 단계; 상기 제1층과 제2층을 쌓는 단계; 및 상기 제1층 및 제2층 중 적어도 한 층의 프로세싱된 영역에 프로브 구역을 노출시키는 단계;를 포함하는 프로브 어레이 형성방법.
  8. 기판을 제공하는 단계; 상기 기판상에 층을 형성하는 단계; 및 상기 층의 일 영역을 제거가능한 물질을 갖는 프로브 구조로 프로세싱하는 단계;를 포함하는 프로브 전구체 형성 방법.
  9. 제1 영역을 제거가능한 물질을 갖는 프로브 구조로 프로세싱한 제1층을 제공하는 단계; 기판을 제공하는 단계; 상기 기판상에 제2층을 형성하는 단계; 상기 제2층의 일 영역을 제거가능한 물질을 갖는 프로브 형상으로 프로세싱하는 단계; 제2층을 상기 기판에서 제거하는 단계; 및 상기 제1층과 제2층을 쌓는 단계;를 포함하는 프로브 어레이 전구체 형성방법.
  10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층(또는 제2층)이 강한 결합 영역 및 약한 결합 영역을 갖는 상기 기판에 선택적으로 결합되고, 상기 층(또는 제2층)의 영역의 프로세싱은 약한 결합 영역에서 일어나고, 추가적으로 제2층을 상기 기판에서 제거하는 단계는 강한 결합 영역에서의 탈결합을 포함하는 것인 방법.
  11. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세싱된 프로브 물질 또는 제거가능한 물질이 프로브의 팁 크기에 관련된 두께를 갖는 것인 방법.
  12. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로브 물질 또는 제거가능한 물질이 프로브의 팁 크기에 관련된 두께를 갖고, 상기 두께는 약 0.1 나노미터 내지 10 나노미터인 방법.
  13. 복수 하위-물체를 갖는 연장 물체의 분석용 프로브로서, 상기 프로브는 에지를 갖는 몸체를 포함하고, 상기 에지는 그 두께가 상기 하위 물체 중 하나의 두께보다 더 작고, 그 길이가 상기 하위 물체 중 하나의 길이보다 실질적으로 더 큰 것인 프로브.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수 하위 물체의 적어도 하나의 알려진 하위 물체와 혼성화하는 물질을 포함하는 프로브.
  15. 물체 분석용 프로브로서, 상기 프로브는 분석 영역을 갖는 몸체를 포함하며, 상기 분석 영역은 상기 물체중 하나 이상의 관련된 크기보다 더 작은 크기를 가지며, 폭은 실질적으로 상기 물체 중 하나의 관련된 크기보다 더 큰 것인 프로브.
  16. 복수의 하위 물체를 갖는 연장 물체 분석용 프로브로서, 상기 프로브는 액체로 채워진 노즐, 입자 빔, 전자 빔, x-레이 빔, 광 빔, 금속으로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 프로브는 분석 영역을 포함하며, 상기 분석 영역은 상기 하위 물체중 하나 이상의 관련된 크기보다 더 작은 크기를 가지며, 폭 또는 경로 폭은 실질적으로 상기 물체 중 하나의 관련된 크기보다 더 큰 것인 프로브.
  17. 물체 분석용 프로브로서, 프로브 빔의 공급원을 포함하며, 상기 프로브 빔은 상기 물체의 하나 이상의 관련된 크기보다 더 작은 분석 크기를 가지며, 폭 또는 경로 폭은 실질적으로 상기 물체 중 하나의 관련된 크기보다 더 큰 프로브.
  18. 몸체 부분 및 활성 부분을 포함하며, 상기 활성 부분이 층의 두께 함수인 탐침 크기를 갖는 프로브.
  19. 제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 프로브;
    연장 물체를 지지하는 기저부;
    프로브 및 기저부에 자극을 적용하기 위한 하위시스템을 포함하며, 상기 프로브 및 기저부 사이에 연장 물체가 통과할 때 검출가능한 상호작용이 발생 되는, 검출 시스템.
  20. 제13항 내지 제18항 중 어느 한 항의 프로브 하나 이상을 포함하며, 상기 프로브는 분석될 연장 물체 부분을 여기(excitation)하는 것인 연장 물체 분석용 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 분석될 연장 물체의 부분이 폴리머 사슬내의 모노머인 연장 물체 분석용 장치.
  22. 제20항에 있어서, 상기 여기가 전기장을 포함하는 것인 연장 물체 분석용 장치.
  23. 제20항에 있어서, 상기 여기가 연장 물체의 부분과 프로브의 부분 사이에 혼성화를 유발하는 전기장을 포함하는 것인 연장 물체 분석용 장치.
  24. 제20항에 있어서, 상기 여기가 전기장 및 광원을 포함하는 것인 연장 물체 분석용 장치.
  25. 하나 이상의 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 프로브;
    연장 물체를 조종하기 위한 조종 하부 시스템;
    연장 물체와 프로브 어레이의 상대적 위치를 단계화하기 위한 단계화 하부 시스템; 및
    상기 하나 이상의 프로브와 하나 이상의 연장 물체내 하위 물체 사이의 혼성화가 존재할 때, 측정가능한 전류 펄스를 확인하기 위한 전류 측정 장치;를 포함하는 장치.
  26. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항의 프로브 하나 이상;
    하나 이상의 상기 프로브와 하나 이상의 연장 물체내 하위 물체 사이의 혼성화가 존재할 때, 측정가능한 전류 펄스를 확인하기 위한 전류 측정 장치;를 포함하는 장치.
  27. 제26항에 있어서, 상기 측정 가능한 전류 펄스는 탄성 터널링, 비탄성 터널링, 공명 증강 터널링, 용량, 또는 이들의 조합에 기초한 것인 장치.
  28. 하나 이상의 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 프로브;
    상기 하나 이상의 프로브와 하나 이상의 연장 물체 사이의 측정가능한 전류 펄스를 확인하기 위한 전류 측정 장치;를 포함하는 장치.
  29. 하나 이상의 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 프로브;
    연장 물체를 조종하기 위한 조종 하부 시스템;
    연장 물체와 프로브 어레이의 상대적 위치를 단계화하기 위한 단계화 하부 시스템; 및
    상기 하나 이상의 프로브와 하나 이상의 연장 물체내 하위 물체 사이의 혼성화가 존재할 때, 측정가능한 전류 펄스를 확인하기 위한 전류 측정 장치;를 포함하는 장치.
  30. 제28항 또는 제29항에 있어서,
    상기 측정 가능한 전류 펄스는 비탄성 터널링, 공명 증강 터널링, 용량, 또는 이들의 조합에 기초한 것인 장치.
  31. 제26항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    자극 적용 및 검출 측정이 동기적으로 적용되는 장치.
  32. 제31항에 있어서, 상기 펄스가 적용되어 시료를 시료 부분을 측정하기 위한 위치로 단계화하고; 전기장이 적용되어 시료와 프로브를 접촉시키고, 터널링 장치 펄스를 적용하고; 및 펄스의 적용에 의해 전류 측정 장치의 스위치를 개방하는 장치.
  33. 제32항에 있어서, 전류 측정 장치에 대한 스위치를 개방하기 전에 광원이 동기적으로 적용되는 장치.
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Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080197408A1 (en) * 2002-08-14 2008-08-21 Advanced Analogic Technologies, Inc. Isolated quasi-vertical DMOS transistor
KR101265321B1 (ko) * 2005-11-14 2013-05-20 엘지디스플레이 주식회사 스탬프 제조 방법, 그를 이용한 박막트랜지스터 및액정표시장치의 제조 방법
WO2008143829A2 (en) * 2007-05-14 2008-11-27 Northwestern University Graphene oxide sheet laminate and method
US20110057156A1 (en) * 2007-10-11 2011-03-10 Det Selvejende Institut Cismi (Fond) Method for delaminating/exfoliating layered materials
US20090121133A1 (en) * 2007-11-14 2009-05-14 University Of Washington Identification of nucleic acids using inelastic/elastic electron tunneling spectroscopy
FI20085113A0 (fi) * 2008-02-08 2008-02-08 Valtion Teknillinen Menetelmä grafiinirakenteiden valmistamiseksi alustoille
US9991391B2 (en) * 2008-07-25 2018-06-05 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Pristine and functionalized graphene materials
US8487296B2 (en) * 2008-11-26 2013-07-16 New Jersey Institute Of Technology Graphene deposition and graphenated substrates
GB0900406D0 (en) * 2009-01-12 2009-02-11 Delphi Tech Inc Method of poling ferroelectric materials
US8266718B2 (en) * 2009-02-20 2012-09-11 The Board Of Trustees Of Leland Stanford Junior University Modulated microwave microscopy and probes used therewith
US20110200787A1 (en) * 2010-01-26 2011-08-18 The Regents Of The University Of California Suspended Thin Film Structures
KR101813614B1 (ko) * 2011-03-31 2018-01-02 삼성디스플레이 주식회사 2차원/3차원 무안경식 디스플레이 용 렌티큘러 장치
US20120273255A1 (en) * 2011-04-26 2012-11-01 Tyco Electronics Corporation Electrical Conductors Having Organic Compound Coatings
US9685295B2 (en) * 2011-07-28 2017-06-20 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Electron emission device
US20130214875A1 (en) 2012-02-16 2013-08-22 Elwha Llc Graphene sheet and nanomechanical resonator
EP3186836B1 (en) 2014-08-28 2019-04-17 Konica Minolta Laboratory U.S.A., Inc. Two dimensional layered material quantum well junction devices
TWI613442B (zh) * 2016-02-23 2018-02-01 國立清華大學 組織辨識方法以及用於組織辨識的生物感測器
US11110682B2 (en) 2016-05-13 2021-09-07 The Regents Of The University Of California Solid-gap multilayers for thermal insulation and management
US10261108B2 (en) * 2016-07-12 2019-04-16 International Business Machines Corporation Low force wafer test probe with variable geometry
US10444260B2 (en) 2016-07-12 2019-10-15 International Business Machines Corporation Low force wafer test probe
CN111695738B (zh) * 2020-06-15 2020-12-18 佛山市顺德区飞友自动化技术有限公司 一种pc耐力板生产工艺的优化方法及其多功能涂层综合性能检测装置
CN113394113B (zh) * 2021-05-17 2023-04-18 北京师范大学 一种制备低维材料堆叠结构的转移方法与装置

Family Cites Families (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5270214A (en) * 1990-05-30 1993-12-14 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Method for sequencing DNA base pairs
US5372930A (en) * 1992-09-16 1994-12-13 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Sensor for ultra-low concentration molecular recognition
US5314829A (en) * 1992-12-18 1994-05-24 California Institute Of Technology Method for imaging informational biological molecules on a semiconductor substrate
US5461907A (en) * 1993-03-23 1995-10-31 Regents Of The University Of California Imaging, cutting, and collecting instrument and method
US5508627A (en) * 1994-05-11 1996-04-16 Patterson; Joseph M. Photon assisted sub-tunneling electrical probe, probe tip, and probing method
US6520005B2 (en) * 1994-12-22 2003-02-18 Kla-Tencor Corporation System for sensing a sample
US5601982A (en) * 1995-02-07 1997-02-11 Sargent; Jeannine P. Method and apparatus for determining the sequence of polynucleotides
US5609744A (en) * 1995-03-16 1997-03-11 International Business Machines Corporation Assembly suitable for identifying a code sequence of a biomolecule in a gel embodiment
US5874668A (en) * 1995-10-24 1999-02-23 Arch Development Corporation Atomic force microscope for biological specimens
US5965218A (en) * 1997-03-18 1999-10-12 Vlsi Technology, Inc. Process for manufacturing ultra-sharp atomic force microscope (AFM) and scanning tunneling microscope (STM) tips
US5936243A (en) * 1997-06-09 1999-08-10 Ian Hardcastle Conductive micro-probe and memory device
WO2000033052A1 (en) * 1998-12-03 2000-06-08 Daiken Chemical Co., Ltd. Electronic device surface signal control probe and method of manufacturing the probe
US6159742A (en) * 1998-06-05 2000-12-12 President And Fellows Of Harvard College Nanometer-scale microscopy probes
US20030186311A1 (en) * 1999-05-21 2003-10-02 Bioforce Nanosciences, Inc. Parallel analysis of molecular interactions
CN1187596C (zh) * 2000-09-21 2005-02-02 松下电器产业株式会社 扫描探针显微镜,及其探针和制造方法,及使用其的分子加工法
JP3809342B2 (ja) * 2001-02-13 2006-08-16 喜萬 中山 受発光プローブ及び受発光プローブ装置
JP3578098B2 (ja) * 2001-03-16 2004-10-20 富士ゼロックス株式会社 電気接続体の製造方法、電気接続体および電気配線方法
US20020168810A1 (en) * 2001-03-30 2002-11-14 The Penn State Research Foundation Lateral nanostructures by vertical processing
US6740403B2 (en) * 2001-04-02 2004-05-25 Toyo Tanso Co., Ltd. Graphitic polyhederal crystals in the form of nanotubes, whiskers and nanorods, methods for their production and uses thereof
JP3948223B2 (ja) * 2001-05-30 2007-07-25 株式会社日立製作所 遺伝子配列の読み取り装置
JP3557459B2 (ja) * 2001-06-26 2004-08-25 北海道大学長 走査型プローブ顕微鏡
AU2002354929A1 (en) * 2001-07-16 2003-03-03 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Antibodies specific for nanotubes and related methods and compositions
US7765607B2 (en) * 2001-09-12 2010-07-27 Faris Sadeg M Probes and methods of making probes using folding techniques
CA2462833C (en) * 2001-10-02 2012-07-03 Northwestern University Protein and peptide nanoarrays
JP4051440B2 (ja) * 2002-03-06 2008-02-27 独立行政法人産業技術総合研究所 細胞操作装置及び方法
AU2003300257A1 (en) * 2002-05-21 2004-05-04 Northwestern University Peptide and protein arrays and direct-write lithographic printing of peptides and proteins
JP2004150839A (ja) * 2002-10-29 2004-05-27 Olympus Corp Ｓｐｍ用カンチレバー及びその製造方法
JP3873911B2 (ja) * 2003-03-06 2007-01-31 トヨタ自動車株式会社 走査プローブ顕微鏡用探針の製造方法、検査方法、使用方法
WO2005008450A2 (en) * 2003-03-28 2005-01-27 The Regents Of The University Of California Method and apparatus for nanogap device and array
US7474602B2 (en) * 2003-06-19 2009-01-06 International Business Machines Corporation Data storage device comprising write head with carbon element
US7091517B2 (en) * 2003-07-11 2006-08-15 Purdue Research Foundation Patterned functionalized silicon surfaces
EP1516665A1 (en) * 2003-09-18 2005-03-23 Sony International (Europe) GmbH A method of immobilizing and stretching a nucleic acid on a substrate
JP4652679B2 (ja) * 2003-10-03 2011-03-16 エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 ナノメータスケールの構造物の作製方法
US8029503B2 (en) * 2003-10-11 2011-10-04 The Regents Of The University Of California Nerve repair by selective surgical repair of axons
US7151256B2 (en) * 2003-11-19 2006-12-19 Ut-Battelle, Llc Vertically aligned nanostructure scanning probe microscope tips
WO2005103646A1 (ja) * 2004-04-23 2005-11-03 Japan Science And Technology Agency 走査プローブ顕微鏡探針及びその製造方法並びに走査プローブ顕微鏡及びその使用方法並びに針状体及びその製造方法並びに電子素子及びその製造方法並びに電荷密度波量子位相顕微鏡並びに電荷密度波量子干渉計
KR100635546B1 (ko) * 2004-12-24 2006-10-17 학교법인 포항공과대학교 전계 효과 트랜지스터 채널 구조를 갖는 스캐닝 프로브마이크로 스코프의 탐침 및 그 제조 방법
US7368712B2 (en) * 2005-12-06 2008-05-06 International Business Machines Corporation Y-shaped carbon nanotubes as AFM probe for analyzing substrates with angled topography

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