KR20180104127A - 대량 병렬 ｄｎａ 시퀀싱 장치 - Google Patents

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KR20180104127A
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철민 최
성호 진
폴 더블유 몰라
배리 엘 메리먼
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로스웰 바이오테크놀로지스 인코포레이티드
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Abstract

DNA 또는 게놈 시퀀싱 구조체가 개시되어 있다. 구조체는 전극 쌍으로서, 각각의 전극은 팁-형상 단부를 가지고, 전극들은 대면하는 팁-형상 단부들에 의해 정의된 나노갭에 의해 분리되는, 상기 전극 쌍; 각각의 팁-형상 단부에서 또는 각각의 팁-형상 단부 근처에서 퇴적된 적어도 하나의 전도성 아일랜드; 및 2 개의 단부들을 가지는 바이오분자로서, 각각의 단부는 하나의 바이오분자가 전극 쌍에서의 나노갭 상에서 브릿징하도록, 전극 쌍에서의 전도성 아일랜드들에 부착되는, 상기 바이오분자를 포함하고, 바이오분자와의 뉴클레오티드 상호작용들은 형광 엘리먼트의 이용 없이 DNA 또는 게놈 시퀀싱의 전자 모니터링을 제공한다.

Description

대량 병렬 ＤＮＡ 시퀀싱 장치
관련된 출원들에 대한 상호-참조
이 출원은, 그 개시물이 참조로 본원에 편입되는, "MASSIVELY PARALLEL DNA SEQUENCING APPARATUS COMPRISING STRONGLY ADHERED CONDUCTOR NANOTIPS AND NANOPILLARS, METHOD OF FABRICATION, AND APPLICATIONS THEREOF"라는 명칭으로 2016 년 1 월 28 일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 62/288,364 호에 대한 우선권을 주장한다.
이 개시물은 일반적으로 나노기술 (nanotechnology), 나노제조 (nanofabrication), 및 나노전자 (nanoelectronics) 에 관한 것으로, 더 상세하게는, DNA 및 단백질 (protein) 들을 포함하는 개별적인 바이오분자 (biomolecule) 들의 전자 감지 및 분석을 위한 시스템들, 디바이스들, 및 프로세스들에 관한 것이다.
DNA 의 발견 이후로, 구성 화학적 염기들의 서열 (sequence) 들을 실제로 실험적으로 측정하기 위한 수단을 개발하기 위한 혼신의 노력이 있었다. DNA 를 체계적으로 시퀀싱하기 위한 첫 번째 방법은 1978 년에 Sanger 에 의해 도입되었다.
이 기본적인 방법은 1980 년대의 후반에 상업적인 도구 플랫폼에서 자동화되었다. 이 노력의 성공은 인간 게놈 (human genome) 을 시퀀싱하기 위하여 요구된 비용 및 시간을 극적으로 감소시키는 목표와 함께, 다수의 "대량 병렬 (massively parallel)" 시퀀싱 플랫폼들의 개발에 영감을 주었다. 그것들은 일반적으로, 매우 소형화된 미세유체 포맷 (microfluidic format) 들에서, 수 백만 내지 수 십억 개의 반응들을 동시에 프로세싱하는 것에 의존한다.
다양한 다른 관련된 기법들 및 상업적인 플랫폼들이 이것에 후행하였다. 현재 상태로는, 시퀀싱의 품질 및 정확도에서의 추가의 개선들 뿐만 아니라, 비용 및 시간에서의 감소들이 여전히 매우 바람직하다. 이것은 정밀 의약에서의 폭넓은 이용을 위하여 실용적인 게놈 시퀀싱을 만들기 위하여 특히 타당하고, 여기서, 품질의 임상적인 등급으로 수 백만 명의 개인들의 게놈들을 시퀀싱하는 것이 바람직하다.
많은 DNA 시퀀싱 기법들은 형광 보고자 (fluorescence reporter) 들을 갖는 광학적 수단을 사용하지만, 이러한 방법들은 번거로울 수 있고, 검출 속력에 있어서 느릴 수 있고, 대량 생산하고 비용들을 감소시키기가 어려울 수 있다. 무-라벨 (label-free) DNA 또는 게놈 시퀀싱 접근법들은, 특히, 급속하게 그리고 염가의 방법으로 달성될 수 있는 전자 신호 검출과 조합될 때, 형광 타입 라벨링 프로세스들 및 연관된 광학적 시스템들을 이용할 필요가 없는 장점들을 가진다.
본 개시물의 양태들은 전자 DNA 시퀀싱 시스템들에서 이용가능한 나노-전극 시스템 (nano-electrode system) 들을 위한 제조의 조성물들 및 수단들을 제공한다. 이러한 나노-전극 시스템들은 또한, 나노-전극들이 바이오분자 감지 타겟들과 상호작용하기 위하여 어떻게 기능화 (functionalize) 되는지에 따라, 단백질들과 같은 다른 타입들의 바이오분자들을 분석할 시에 이용될 수도 있다. 일반적으로, 본원에서 개시된 나노-전극 시스템들은 이러한 바이오분자 분석을 위한 시스템의 일부일 수도 있고, 여기서, 나노-전극 시스템은 바이오분자 타겟을 감지하고 특징화하는 것에 대한 특정 응용, 특히, DNA 분자, 또는 전체 게놈을 구성하는 이러한 분자들의 집합의 시퀀싱에 대한 응용들을 가지는 분자 전자 센서를 구성하기 위하여 바이오분자들에 커플링된다.
본 개시물의 다양한 실시형태들에서, DNA 또는 게놈 시퀀싱을 위하여 이용가능한 것과 같은 시퀀싱 구조체는: (a) 전극 쌍으로서, 각각의 전극은 팁-형상 단부 (tip-shaped end) 를 가지고, 전극들은 서로 대면하는 팁-형상 단부들에 의해 정의된 나노갭 (nanogap) 에 의해 분리되는, 상기 전극 쌍; (b) 각각의 전극의 팁-형상 단부에서 또는 팁-형상 단부 근처에서 퇴적된 적어도 하나의 전도성 아일랜드 (conductive island); 및 (c) 2 개의 단부들을 가지는 바이오분자로서, 각각의 단부는 하나의 바이오분자가 나노갭을 브릿징 (bridge) 하도록, 각각의 전극 상의 적어도 하나의 전도성 아일랜드에 부착되는, 상기 바이오분자를 포함하고, 여기서, 바이오분자와의 뉴클레오티드 상호작용들은 형광 엘리먼트 (fluorescing element) 의 이용 없이 DNA 또는 게놈 시퀀싱의 전자 모니터링을 제공한다. 다양한 양태들에서, 전극 쌍은 백금 (platinum; Pt), 팔라듐 (palladium; Pd), 로듐 (rhodium; Rh), 금 (gold; Au), 또는 티타늄 (titanium; Ti) 일 수도 있고, 적어도 하나의 전도성 아일랜드는 금 (Au) 일 수도 있다. 다양한 예들에서, 바이오분자의 각각의 단부는 항체-항원 커플링 (antibody-antigen coupling) 또는 스트렙트아비딘-비오틴 커플링 (streptavidin-biotin coupling) 을 통해 적어도 하나의 전도성 아일랜드에 부착된다. 다른 예들에서, 바이오분자는 티올 (thiol) - 금 (Au) 바인딩 또는 금 바인딩 단백질들을 통해 적어도 하나의 전도성 아일랜드에 부착된다.
다양한 실시형태들에서, 적어도 하나의 전도성 아일랜드는 각각의 전극의 각각의 팁-형상 단부에서 또는 각각의 팁-형상 단부 근처에서의 금 (Au) 의 전착 (electrodeposition) 과, 임의적으로, 그 다음으로, 포스트-퇴적 어닐링 (post-deposition annealing) 에 의해 획득된 금 (Au) 기반 나노-팁 (nano-tip) 들을 포함할 수도 있다. 적어도 하나의 전도성 아일랜드는 전착 프로세스를 통해 각각의 전극 상에서 성장된 필러 (pillar) 의 형상일 수도 있고, 이 필러들의 각각은 직경에서의 20 nm 미만 및 높이에서의 25 nm 미만, 또는 다른 실시형태들에서, 직경에서의 7 nm 미만 및 높이에서의 10 nm 미만을 측정할 수도 있다. 다른 실시형태들에서, 적어도 하나의 전도성 아일랜드는 20 nm 미만을 측정하는, 바이오분자 바인딩을 위한 것과 같은 노출된 치수를 가지는 나노-팁 형상 또는 나노-필러 형상 전도성 아일랜드를 형성하기 위하여, Au 와 같은, 전착된 또는 무전해 퇴적된 금속을 포함할 수도 있다.
본 개시물의 다양한 실시형태들에서, 전착된 또는 무전해 퇴적된 Au 나노-팁들 또는 나노-필러들과 같은 전도성 아일랜드들은 팁 또는 필러의 표면적을 증가시키도록 개질될 수도 있다. 예를 들어, 나노-팁 또는 나노-필러는 전착 또는 무전해 퇴적 (electroless deposition) 후의 나노-팁 또는 나노-필러 구조체와 비교하여, 적어도 10 % 만큼 나노-팁 또는 나노-필러의 노출된 표면의 표면적을 증가시키기 위하여 적어도 30 % 의 공극률 (porosity) 을 가지는 분지된 또는 다공성 표면을 포함하도록 개질될 수도 있다.
본 개시물의 다양한 실시형태들에서, 전극 쌍들의 복수의 층들은 3 차원 어레이들로 배열될 수도 있다. 또한, 전극 쌍들은 각각의 쌍으로부터의 하나의 전극이 공통 리드 배선 (lead wire) 에 의해 함께 편성 (gang) 되고 각각의 쌍에서의 다른 전극들의 각각이 서로 비접속된 상태로 되도록 서로에게 접속될 수도 있어서, 각각의 전극 쌍의 독립적인 및 순차적인 인터로게이션 (interrogation) 을 가능하게 할 수도 있다.
본 개시물의 다양한 실시형태들에서는, 게놈 또는 DNA 시퀀싱 시스템이 개시되어 있다. 시스템은 본원에서 설명된 바와 같은 DNA 또는 게놈 시퀀싱 구조체; 및 구조체를 인케이싱하고 바이오분자들, 뉴클레오티드들, PBS, 또는 수용액들을 전극 쌍에 공급하기 위하여 이용가능한 미세유체 서브시스템을 정의하는 챔버를 포함한다.
본 개시물의 다양한 실시형태들에서는, 게놈 또는 DNA 시퀀싱 디바이스를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 방법은 (a) 기판 상에서 전극 쌍들의 어레이를 배치하는 단계로서, 전극들의 소정의 쌍 내의 각각의 전극은 팁-형상 단부를 가지고, 각각의 쌍에서의 전극들은 서로 대면하는 팁-형상 단부들에 의해 정의된 나노갭에 의해 분리되는, 상기 전극 쌍들의 어레이를 배치하는 단계; (b) 전압을 전극 쌍에 인가함으로써 각각의 팁-형상 단부에서 금 (Au) 을 전착하는 단계로서, 상기 단계에 의하여, 각각의 전극의 각각의 팁-형상 단부의 영역에서의 높은 전류 밀도는 각각의 전극 상에서 금 (Au) 나노-팁을 형성하기 위하여 금 (Au) 의 우선적인 전착을 각각의 팁-형상 단부로 지향시키는, 상기 금 (Au) 을 전착하는 단계; 및 (c) 하나의 바이오분자가 각각의 전극 쌍에서의 각각의 나노갭 상에서 브릿징하도록, 2 개의 단부들을 가지는 바이오분자의 각각의 단부를 금 (Au) 나노-팁들에 부착하는 단계를 포함한다. 전극 쌍들은 백금 (Pt), 팔라듐 (Pd), 또는 로듐 (Rh) 을 포함할 수도 있고, 기판은 SiO2 절연체 표면을 갖는 실리콘 (silicon; Si) 을 포함할 수도 있다. 방법은 금속 전극들로의 금 (Au) 의 추가적인 확산 본딩을 유도하기 위하여 약 200 으로부터 약 800 ℃ 까지에서 단계 (b) 후에 전극 쌍들의 어레이를 열 처리하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 다른 예들에서, 방법은 전극들의 팁-형상 단부들에서 또는 전극들의 팁-형상 단부들 근처에서 이외의 로케이션들에서 존재하는 비희망된 Au 퇴적부들을 커버하기 위하여, 단계 (c) 이전에, 전극 쌍들의 어레이 상에서 패시베이션 층 (passivation layer) 을 패턴화하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
본 개시물의 다양한 양태들에서는, 게놈 또는 DNA 시퀀싱 디바이스를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 방법은 (a) 기판 상에서 전극 쌍들의 어레이를 배치하는 단계로서, 전극들의 소정의 쌍 내의 각각의 전극은 단부를 가지고, 각각의 쌍에서의 전극들은 서로 대면하는 전극들의 단부들에 의해 정의된 나노갭에 의해 분리되는, 상기 기판 상에서 전극 쌍들의 어레이를 배치하는 단계; (b) 전극들 상에서 마스크 레지스트 층 (mask resist layer) 을 배치하는 단계; (c) 개구부들, 전극 당 하나의 개구부를 형성하기 위하여 마스크 레지스트 층을 나노-패턴화하는 단계로서, 각각의 개구부는 각각의 나노갭에 있거나 각각의 나노갭 근처에 있는, 상기 마스크 레지스트 층을 나노-패턴화하는 단계; (d) 금 (Au) 나노-필러들을 형성하기 위하여 각각의 개구부를 통해 각각의 전극 상에서 금 (Au) 을 전착하는 단계; 및 (e) 하나의 바이오분자가 각각의 전극 쌍에서의 각각의 나노갭 상에서 브릿징하도록, 2 개의 단부들을 가지는 바이오분자의 각각의 단부를 금 (Au) 나노-필러들에 부착하는 단계를 포함한다. 전극 쌍들은 백금 (Pt), 팔라듐 (Pd), 또는 로듐 (Rh) 을 포함할 수도 있고, 기판은 SiO2 절연체 표면을 갖는 실리콘 (Si) 을 포함할 수도 있다. 이 방법에서 이용된 레지스트 층은 PMMA 또는 수소 실세스퀴옥산 (hydrogen silsesquioxane; HSQ) 일 수도 있다. 이러한 방법으로, 각각의 개구부가 금 (Au) 의 전착에 의해 충전될 때, 금 (Au) 나노-필러들은 각각의 개구부 내에서 성장한다.
본 개시물의 발명 요지는 명세서의 결론 부분에서 특히 지적되고 명백하게 청구된다. 그러나, 본 개시물의 더 완전한 이해는 도면의 도면들과 관련하여 고려될 때에 상세한 설명 및 청구항들을 참조함으로써 최상으로 획득될 수도 있다.
도 1 (a) 내지 (d) 는 5 내지 20 nm 나노-갭을 포함하는 구조체를 가지는 게놈 시퀀싱 호환가능한 전극들을 예시하고, 한 쌍의 Au 아일랜드들은 전기적 측정들을 통한 뉴클레오티드 부착 (nucleotide attachment) 들의 무-형광 (fluorescence-free)(즉, 무-라벨) 검출의 목적을 위한 단백질 또는 프래그먼트화된 (fragmented) DNA 와 같은 그 상의 바이오분자들을 부착하거나 고정시키기 위한 것이다;
도 2 (a) 내지 (c) 는 나노-임프린트 리소그래피 (nano-imprint lithography), 전자-빔 리소그래피 (e-beam lithography), 또는 다른 방법들에 의해 생성된 바와 같은 상이한 형상들을 가지는 나노-전극 기하구조들의 평면도를 예시한다. SiO2 표면 절연체를 갖는 Si 와 같은 기저 기판 재료는 도시되지 않는다;
도 2 (d) 내지 (f) 는 팁 로케이션에서의 우선적인 퇴적을 위한 더 높은 전류 밀도를 갖는 예리한 포인트를 사용함으로써 대량 병렬 전착된 Au 아일랜드들 또는 다른 전도성 아일랜드들을 예시한다;
도 3 (a) 는 전극 표면 상의 우연한 Au 아일랜드들을 갖는 Au-팁 도금된 전극 어레이 (예컨대, Pt, Pd, 또는 Rh) 를 예시한다. SiO2 표면 절연체를 갖는 Si 와 같은 기판 재료는 도시되지 않는다;
도 3 (b) 는 전극 표면 상의 원하지 않는 바이오분자 부착들을 제거하기 위하여 우연한 Au 아일랜드 퇴적을 마스킹하는 구조체를 예시한다;
도 4 는 마스킹된 전착을 이용하는 대량 병렬 돌출하는 Au 전극 어레이를 예시한다;
도 5 는 전자 감지에서의 감소된-에러 레이트를 위하여 더 강력한 증대된 바이오분자 접착을 위한 분지된 또는 다공성 Au 팁을 예시한다;
도 6 은 뉴클레오티드 부착 또는 탈착 이벤트들의 대량 병렬 무-라벨 검출을 위한 Au 나노-팁 전극 쌍들의 어레이를 예시한다 (예컨대, 100 x 100 디바이스 어레이 또는 1,000 x 1,000 어레이);
도 7 은 어레이의 하나의 측부 상에서의 공통 리드 배선을 이용함으로써 전극들의 순차적인 인터로게이션을 예시한다;
도 8 은 분자 전자 게놈-시퀀싱 플랫폼의 3 차원 어레이를 예시한다;
도 9 는 나노-전극 시스템, 및 특정 컨택들 및 재료 바인딩 속성들을 이용하여 상기 전극에 적절하게 부착된 바이오분자 컴포넌트들을 포함하는, 발명에 따른 게놈 또는 DNA 시퀀싱 시스템을 예시한다;
도 10 은 브릿지 및 프로브 분자를 포함하는, DNA 시퀀스 분석에 대한 실험 작업을 위하여 이용된 분자 구조체를 예시한다;
도 11 은 분자 센서들 상의 전기적 측정들을 위한 예시적인 테스트 셋업 (test set-up) 을 예시한다. 상단에서의 구조체는 전극-기판 구조체, 및 브릿지 분자를 통해 전압들을 인가하고 전류들을 측정하기 위한 분석기로의 부착의 단면 예시이다. 하단에서의 구조체는 브릿징 회로들을 위한 전극 어레이의 사시도이다;
도 12 (a) 는 브릿지 바인딩을 위한 금 금속 도트 컨택들을 갖는 전극들의 전자 현미경 이미지를 제공한다. 전극들은 실리콘 기판 상에 있고 전자-빔 리소그래피를 통해 생성된다. 이미지는 금 도트 컨택들을 갖는 티타늄 전극들의 어레이에 대한 것이다;
도 12 (b) 는 브릿지 바인딩을 위한 금 금속 도트 컨택들을 갖는 전극들의 전자 현미경 이미지를 제공한다. 전극들은 실리콘 기판 상에 있고 전자-빔 리소그래피를 통해 생성된다. 이미지는 15 nm 금-대-금 간격을 가지는 금 도트 컨택들을 갖는 7 nm 의 전극 갭을 도시하는 도 12 (a) 에서의 어레이의 클로즈업 (close-up) 이다;
도 12 (c) 는 브릿지 바인딩을 위한 금 금속 도트 컨택들을 갖는 전극들의 전자 현미경 이미지를 제공한다. 전극들은 실리콘 기판 상에 있고 전자-빔 리소그래피를 통해 생성된다. 이미지는 전극들의 팁들에서의 대략 10 nm 금 도트들을 도시하는 도 12 (b) 에서의 어레이의 클로즈업이다;
도 13 은 금-도트 컨택 전극들 상으로의 분자 센서 자체-조립의 다양한 상들의 전자 모니터링을 예시한다;
도 14 는 도 13 에서 도시되고 모니터링된 국면들의 완료 시에 최종적인 자체-조립된 구조체의 EM 이미징을 제공한다;
도 15 는 예시적인 센서를 이용하여 편입 신호들의 측정을 예시한다;
도 16 은 Au-도트 아일랜드 컨택 포인트들을 갖는 제조된 전극들의 이미지들을 제공한다;
도 17 은 Au 전착으로부터의 Au 아일랜드들을 갖는 제조된 예리한-팁 (a) 및 테이퍼링된 팁 (b) 의 이미지들을 제공한다;
도 18 은 금으로의 분자 자체-조립 바인딩을 위한 전극들의 중요한 영역들만을 노출하기 위하여 전극 표면들의 패시베이션 (passivation) 을 도시하는 전자 마이크로그래프 (electron micrograph) 를 제공한다;
도 19 는 제조된 멀티-금-비드 전극들의 실시형태를 입증하는 전자 마이크로그래프를 제공한다;
도 20 은 제조된 멀티-금-비드 전극들의 또 다른 예를 입증하는 전자 마이크로그래프를 제공한다;
도 21 은 감지 응용들에서의 이용을 위한 패시베이션 층의 추가를 도시하는 전자 마이크로그래프를 제공한다; 그리고
도 22 는 Au 아일랜드들을 퇴적시키는 단계 후와 같은, Au 의 프레시 표면을 제공하기 위한 다양한 접근법들을 도시하는 흐름도를 제공한다.
도면들은 발명의 개념들을 예시하는 목적들을 위한 것이고 축척에 맞지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
본원에서의 예시적인 실시형태들의 상세한 설명은 예시 및 그 최상의 모드로서 예시적인 실시형태들을 도시하는 동반된 도면들을 참조한다. 이 예시적인 실시형태들은 당해 분야의 당업자들이 발명을 실시하게 하는 것을 가능하게 하기 위하여 충분히 상세하게 설명되어 있지만, 다른 실시형태들이 실현될 수도 있고, 논리적, 화학적, 및 기계적 변화들이 발명들의 사상 및 범위로부터 이탈하지 않으면서 행해질 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 이에 따라, 본원에서의 상세한 설명은 제한이 아니라, 오직 예시의 목적들을 위하여 제시된다. 예를 들어, 이와 다르게 언급되지 않으면, 방법 또는 프로세스 설명들 중의 임의의 것에서 인용된 단계들은 임의의 순서로 실행될 수도 있고, 제시된 순서로 반드시 제한되지는 않는다. 또한, 단수에 대한 임의의 참조는 복수의 실시형태들을 포함하고, 하나를 초과하는 컴포넌트 또는 단계에 대한 임의의 참조는 단수 실시형태 또는 단계를 포함할 수도 있다. 또한, 부착된, 고정된, 접속된 등에 대한 임의의 참조는 영구적, 분리가능한, 임시적, 부분적, 전체적, 및/또는 임의의 다른 가능한 부착 옵션을 포함할 수도 있다. 추가적으로, 컨택 없음 (또는 유사한 어구들) 에 대한 임의의 참조는 또한, 감소된 컨택 또는 최소의 컨택을 포함할 수도 있다.
본 개시물은 일반적으로, DNA 또는 게놈 시퀀싱 디바이스, 이러한 디바이스들을 제조하는 방법들, 및 이용 방법들을 설명한다. 본 개시물의 다양한 양태들에서, DNA 또는 게놈 시퀀싱 디바이스는 다음을 포함하는 구조체를 가진다: (a) 전극 쌍으로서, 여기서, 쌍에서의 각각의 전극은 팁-형상 단부로 만들어지고, 쌍에서의 전극들은 서로 대면하는 각각의 전극의 팁-형상 단부에 의해 정의된 나노갭에 의해 분리되는, 상기 전극 쌍; (b) 각각의 전극의 각각의 팁-형상 단부에서 또는 각각의 팁-형상 단부 근처에서 퇴적된 적어도 하나의 전도성 아일랜드; 및 (c) 2 개의 단부들을 가지는, 이중 가닥형 (double stranded) DNA 분자와 같은 바이오분자로서, 각각의 단부는 하나의 바이오분자가 나노갭을 브릿징하도록 각각의 전극 상의 전도성 아일랜드에 부착되는, 상기 바이오분자. 이에 따라, 각각의 디바이스는 한 쌍의 전극들 및 하나의 브릿징 바이오분자를 포함하고, 바이오분자는 그 단부들의 각각에서, 각각의 전극의 전도성 아일랜드 부분에 바인딩된다. 다양한 양태들에서, 이러한 디바이스는 바이오분자와의 뉴클레오티드 상호작용들을 전자적으로 모니터링함으로써 DNA 또는 게놈 시퀀싱에서 이용될 수도 있다. 바이오분자는 바이오분자에 결합된 프로브 분자 (probe molecule) 를 더 포함할 수도 있고, 여기서, 폴리메라아제 효소 (polymerase enzyme) 와 같은 프로브 분자는 감지되는 전자 이벤트들을 생성하기 위하여 뉴클레오티드들을 바인딩한다. 이러한 방법으로, DNA 또는 게놈 시퀀싱은 형광 엘리먼트의 이용 없이 수행된다.
다양한 실시형태들에서, 각각의 전극은 예를 들어, 백금 (Pt), 팔라듐 (Pd), 로듐 (Rh), 금 (Au), 또는 티타늄 (Ti) 과 같은 전도 금속으로 구성된다. 또한, 전극 쌍들은 실리콘 (Si) 과 같은 기판 상에서 배치된다. 기판은 실리콘 디옥사이드 (silicon dioxide) (SiO2) 와 같은 절연 층을 더 포함할 수도 있다. 게이트 전극 (즉, 제 3 전극) 은 각각의 나노갭 하부에 또는 각각의 나노갭에 인접하게 배치될 수도 있고, 여기서, 각각의 디바이스는 3 전극 구조체를 포함하고, 3 개의 전극들은 분자 바인딩의 전자 모니터링 및 브릿지 바이오분자를 수반하는 상호작용들을 위하여 이용된 회로를 포함한다. 복수의 디바이스들은 많은 디바이스들 (예컨대, 수 백 내지 수 억에까지 이름) 을 포함하는 어레이에서 배치될 수도 있다. 다양한 양태들에서, 디바이스들의 어레이들은 2 차원 또는 3 차원일 수도 있고, 후자의 경우에, 어레이 아키텍처를 형성하는 복수의 층들을 포함할 수도 있다.
디바이스들의 어레이들에서, 전극 쌍들은 각각의 쌍으로부터의 하나의 전극이 공통 리드 배선에 의해 전기적으로 함께 접속 ("함께 편성") 되고 각각의 쌍으로부터의 다른 전극들의 각각이 서로 비접속된 상태로 되도록 서로에게 접속될 수도 있어서, 각각의 전극 쌍의 독립적인 및 순차적인 인터로게이션을 가능하게 할 수도 있다.
개시물의 다양한 양태들에서, 디바이스의 전극들의 각각 상에서 퇴적된 전도성 아일랜드들은 금 (Au) 을 포함할 수도 있다. 본원에서 설명된 바와 같이, 금 (Au) 은 전착 및 "무전해" 퇴적 프로세스들에 따르고, 강한 금 (Au) - 황 (sulfur; S) 결합들을 통한 것과 같은, 유기 분자들을 본딩할 시에 유용하다. Au 아일랜드로의 바인딩을 위한 황 치환기는 바이오분자의 각각의 단부에서 또는 바이오분자의 각각의 단부 근처에서 존재하는 티올 (-SH) 치환기의 일부, 또는 바인딩을 위한 2 개의 -SH 기들로 환원되는 바이오분자에서의 디설파이드 결합 (disulfide linkage) 일 수도 있다. 다양한 양태들에서, 하나의 Au 아일랜드는 전극 당 퇴적된다. 다른 양태들에서는, 적어도 하나의 Au 아일랜드가 전극 당 퇴적된다.
다양한 실시형태들에서, 바이오분자의 각각의 단부는 항체-항원 커플링, 스트렙트아비딘-비오틴 커플링, 티올-Au 바인딩을 통해, 또는 금 바인딩 단백질들에 의해 적어도 하나의 전도성 아일랜드에 부착될 수도 있다.
다양한 실시형태들에서, 적어도 하나의 전도성 아일랜드는 각각의 전극의 각각의 팁-형상 단부에서 또는 각각의 팁-형상 단부 근처에서의 금 (Au) 의 전착에 의해 획득된 금 (Au) 기반 나노-팁들을 포함할 수도 있다. 또한, 적어도 하나의 전도성 아일랜드는 각각의 전극의 각각의 팁-형상 단부에서 또는 각각의 팁-형상 단부 근처에서의 금 (Au) 의 전착과, 그 다음으로, 포스트-전착 어닐링에 의해 획득된 Au 기반 나노-팁들을 포함할 수도 있다. 또한, Au 아일랜드들은 무전해 퇴적될 수도 있고, 결과적인 아일랜드들은 포스트-무전해 퇴적 (post-electroless deposition) 어닐링될 수도 있다. 여기에서 논의된 바와 같이, 어닐링은 전극 상에서의 Au 와 같은 아일랜드의 접촉 면적을 증가시킬 수 있고, Au 아일랜드와 전극 사이의 본딩 강도를 증가시킬 수 있다.
다양한 예들에서, 적어도 하나의 전도성 아일랜드는 필러 (pillar) 의 형상일 수도 있고, 여기서, 필러는 전착 프로세스를 통해 각각의 전극 상에서 성장된다. 이러한 필러들은 각각 직경에서의 20 nm 미만 및 높이에서의 25 nm 미만; 각각 직경에서의 15 nm 미만 및 높이에서의 20 nm 미만; 각각 직경에서의 10 nm 미만 및 높이에서의 15 nm 미만; 또는 각각 직경에서의 7 nm 미만 및 높이에서의 10 nm 미만; 또는 그 미만을 측정할 수도 있다.
본원에서의 임의의 형상의 전도성 아일랜드에 대하여, 전도성 아일랜드와 전극 표면 사이의 접촉 면적은 적어도 약 50 %, 그리고 바람직하게는, 아일랜드 직경 (또는 아일랜드 단면 치수) 의 최대로 100 % 일 수도 있다. 이에 따라, 원통형 형상의 (즉, 반구형 단면적을 가지는) 필러 형상 전도성 아일랜드는 필러의 전체 하단에서, 즉, 전체 단면적에 걸쳐 전극과 접촉할 수도 있다. 도트 또는 구형 형상의 전도성 아일랜드에 대하여, 접촉 면적은 구의 직경의 최대로 100 % 일 수도 있고 구의 직경의 100 % 를 포함하고 있을 수도 있어서, 이것은 전도성 아일랜드가 반구 형상을 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수도 있다. 일부 사례들에서, 어닐링은 지시된 전극의 단부와 같은 팁-형상 전극의 단부 상에서 Au 금속화된 팁인 것으로 보이는 것을 형성할 수도 있다.
본 개시물의 다양한 실시형태들에서, 전도성 아일랜드의 표면적은 표면을 손상시킴으로써, 표면의 부분들을 제거함으로써, 또는 그렇지 않을 경우에 표면을 더 다공성으로 함으로써 중의 어느 하나로 증가될 수 있다. 어떤 사례들에서, 나노-팁 또는 나노-필러는 각각의 전극 상에서의 전착 또는 무전해 퇴적 후의 나노-팁 또는 나노-필러 구조체와 비교하여, 적어도 10 % 만큼 나노-팁 또는 나노-필러의 노출된 표면의 표면적을 증가시키기 위하여 적어도 30 % 의 공극률을 가지는 분지된 또는 다공성 표면을 포함할 수도 있다. 금 아일랜드들은 간단한 Au 나노-필러 구조체와 비교하여, 적어도 10 % 만큼, 바람직하게는 적어도 20 % 만큼, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 60 % 만큼 금 엘리먼트 상단 표면의 표면적을 증가시키도록 적어도 30 %, 바람직하게는 적어도 50 % 의 공극률을 생성하기 위하여, 예컨대, Au 와, Co, Ni, Fe, Cu, Zn, Al, Si, Mo, V 와 같은 포함된 금속성 나노입자들, 또는 CoO 또는 Co2O3, NiO, Fe2O3 또는 Fe3O4, CuO, ZnO, Al2O3, MoO2, V2O5, SiO2 와 같은 세라믹 나노입자들로 구성되는 나노컴포지트 (nanocomposite) 를 준비함으로써, 그리고 이 금속성 또는 세라믹 또는 폴리머 나노입자들 또는 나노 섬유들을 우선적으로 에칭 제거함으로써 표면적을 증가시키도록 개질될 수도 있다. 다른 예들에서, 나노컴포지트는 Au 와, 탄소 나노튜브 (carbon nanotube) 들, 그래핀 나노-플레이크 (graphene nano-flake) 들, 폴리머 나노입자들, 및 나노섬유들 중의 적어도 하나와의 혼합물을 포함할 수도 있다. 이 비-Au 재료들 중의 임의의 것은 Au 전착으로부터 획득된 바와 같은 오직 미개질된 (unmodified) Au 를 포함하는 Au 나노-필러의 공극률에 대하여, 적어도 3 %, 적어도 5 %, 적어도 10 %, 적어도 20 %, 적어도 30 %, 적어도 40 %, 적어도 50 %, 또는 적어도 60 % 만큼 금 아일랜드의 상단 표면의 표면적을 증가시키기 위하여, 적어도 10 %, 적어도 20 %, 적어도 30 %, 적어도 40 %, 또는 바람직하게는 적어도 50 % 의 Au 에서의 공극률을 생성하도록 추후에 연소될 수도 있다.
다양한 실시형태들에서, DNA 또는 게놈 시퀀싱 시스템은 (디바이스들의 어레이와 같은) 본원에서 설명된 바와 같은 디바이스들 중의 적어도 하나, 및 바이오분자들, 뉴클레오티드들, PBS, 또는 수용액들을 하나 이상의 디바이스들에 공급하기 위하여 용액들이 관리될 수 있는 미세유체 서브시스템을 제공하기 위한 것과 같은, 디바이스 (들) 를 인케이싱하는 챔버를 포함할 수도 있다. 이러한 시스템들은 분자들의 다양한 용액들로의 전극 쌍들의 편리하고 제어된 노출을 허용한다.
본 개시물의 다양한 실시형태들에서는, 게놈 또는 DNA 시퀀싱 디바이스를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 방법은 기판 상에서 전극 쌍들의 어레이를 배치하는 단계로서, 전극들의 소정의 쌍 내의 각각의 전극은 팁-형상 단부를 가지고, 각각의 쌍에서의 전극들은 서로 대면하는 팁-형상 단부들에 의해 정의된 나노갭에 의해 분리되는, 상기 전극 쌍들의 어레이를 배치하는 단계; 전압을 전극 쌍에 인가함으로써 각각의 팁-형상 단부에서 금 (Au) 을 전착하는 단계로서, 상기 단계에 의하여, 각각의 전극의 각각의 팁-형상 단부의 영역에서의 높은 전류 밀도는 각각의 전극 상에서 금 (Au) 나노-팁을 형성하기 위하여 금 (Au) 의 우선적인 전착을 각각의 팁-형상 단부로 지향시키는, 상기 금 (Au) 을 전착하는 단계; 및 하나의 바이오분자가 각각의 전극 쌍에서의 각각의 나노갭 상에서 브릿징하도록, 2 개의 단부들을 가지는 바이오분자의 각각의 단부를 금 (Au) 나노-팁들에 부착하는 단계를 포함한다. 전극 쌍 내의 전극들은 백금 (Pt), 팔라듐 (Pd), 또는 로듐 (Rh) 을 포함할 수도 있고, 기판은 SiO2 절연체 표면을 갖는 실리콘 (Si) 을 포함할 수도 있다. 이 방법들은 금속 전극들로의 Au 의 추가적인 확산 본딩을 유도하기 위하여 약 200 으로부터 약 800 ℃ 까지에서 금을 퇴적시킨 후에 전극 쌍들의 어레이를 열 처리하는 것을 더 포함할 수도 있다. 또한, 방법들은 전극들의 팁-형상 단부들 위 또는 팁-형상 단부들 근처 이외의 로케이션들에서 나타난 희망되지 않은 Au 퇴적부들을 커버하기 위하여 바이오분자를 각각의 쌍에 부착하기 이전에 전극 쌍들의 어레이 상에서 패시베이션 층을 패턴화하는 것을 포함할 수도 있다.
본 개시물의 다른 실시형태들에서는, 게놈 또는 DNA 시퀀싱 디바이스를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 방법은 기판 상에서 전극 쌍들의 어레이를 배치하는 단계로서, 전극들의 소정의 쌍 내의 각각의 전극은 단부를 가지고, 각각의 쌍에서의 전극들은 서로 대면하는 전극들의 단부들에 의해 정의된 나노갭에 의해 분리되는, 상기 기판 상에서 전극 쌍들의 어레이를 배치하는 단계; 전극들 상에서 마스크 레지스트 층 (mask resist layer) 을 배치하는 단계; 개구부들, 전극 당 하나의 개구부를 형성하기 위하여 마스크 레지스트 층을 나노-패턴화하는 단계로서, 각각의 개구부는 각각의 나노갭에 있거나 각각의 나노갭 근처에 있는, 상기 마스크 레지스트 층을 나노-패턴화하는 단계; 금 (Au) 나노-필러들을 형성하기 위하여 각각의 개구부를 통해 각각의 전극 상에서 금 (Au) 을 전착하는 단계; 및 하나의 바이오분자가 각각의 전극 쌍에서의 각각의 나노갭 상에서 브릿징하도록, 2 개의 단부들을 가지는 바이오분자의 각각의 단부를 금 (Au) 나노-필러들에 부착하는 단계를 포함한다. 각각의 전극은 백금 (Pt), 팔라듐 (Pd), 또는 금 (Au) 을 포함할 수도 있고, 기판은 SiO2 절연체 표면을 갖는 실리콘 (Si) 을 포함할 수도 있다. 이 방법들에서, 레지스트 층은 PMMA 또는 수소 실세스퀴옥산 (hydrogen silsesquioxane; HSQ) 을 포함할 수도 있다. 금 (Au) 나노-필러들은 각각의 개구부 내에서 성장하고, 각각의 개구부는 전착에 의해 각각의 국한된 공간 내에서 층 대 층으로 충전된다.
도면들 및 다양한 이미징은 본원에서 개시된 나노-센서 개념들의 제조 뿐만 아니라, DNA 시퀀스 분석에서의 이러한 타입들의 나노-전극들을 이용하는 실시형태들을 도시한다. 이 개시물을 지원하는 도면들 및 이미지들은 다음을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는다: DNA 시퀀스 분석을 위한 분자 센서; 나노-전극 분자 센서들을 위한 테스트 측정 셋업; 분자 센서 작업에서 이용된 금 컨택 아일랜드들을 갖는 나노-전극들; 나노-전극들 상에서의 자체-조립의 전기적 모니터링; 분자 전자 나노-전극 센서로부터의 DNA 시퀀싱 신호들; 제조된 금 아일랜드 나노-전극들; 제조된 금-전기도금된 나노-전극들; 제조된 나노-전극들의 패시베이션; 및 제조된 멀티-금-비드 선형 볼-업 (multi-gold-bead linear ball-up) 어레이 전극들.
도면들을 지금부터 참조하면, 도 1 (a) 내지 (d) 는 그 사이에서 5 내지 20 nm 나노-갭을 갖는 게놈 시퀀싱 호환가능한 전극들을 개략적으로 예시하고, 갭이 형성된 전극들의 각각의 쌍은 전극 쌍들에 걸쳐 브릿지들로서, 단백질들 또는 프래그먼트화된 DNA 와 같은 바이오분자들을 부착하거나 고정시키기 위한 한 쌍의 Au 아일랜드들을 가진다. 이러한 바이오분자 브릿징된 전극 구조체는 전기적 측정들을 통한 뉴클레오티드 부착들 또는 다른 분자 상호작용들의 무-형광 (즉, 무-라벨) 검출에서 이용가능하다. 더 상세하게, 도 1 (a) 는 약 5 로부터 약 20 nm 까지의 나노-갭에 의해 분리된 단일 쌍의 전극들의 실시형태의 평면도를 예시한다. 도 1 (b) 는 절연체 표면을 갖는 기판 상의 전극들의 예시적인 쌍의 측면도를 예시한다. 이 예에서, 기판은 Si 이고, 절연체 층은 SiO2 이다. 이러한 전극 쌍들은 전자 컨덕턴스 측정들을 통한 게놈/DNA 시퀀싱을 위한 디바이스 내에서 이용가능한 것으로서 본원에서 개시되어 있다. 전극들의 각각의 쌍은 바람직하게는, 안정적 및 비활성 특성들을 가지는 높은 전도성의 금속으로 이루어진다. 예를 들어, 금 (Au) 은 전극 재료로서 가장 폭넓게 이용된다. 그러나, 본 발명의 범위 내에서, Pt, Pd, 또는 Rh 와 같은 대안적인 금속들은 전극 표면 상에서의 바이오분자들 (예컨대, 단백질들 또는 DNA 들) 의 비-특정 무작위적 부착을 방지하기 위하여 사용된다. Pt 베이스 전극을 이용함으로써, 바이오분자들은 Pt 표면 상에서 직접적으로 부착하는 경향이 훨씬 더 적다. 이에 따라, 수 나노미터 레짐 크기 (regime size) 의 한 쌍의 Au 아일랜드들의 추가로, 바이오분자들, 특히, 하나의 전극 당 단지 단일 바이오분자의 부착 부위는 Au 가 없는 전극 표면의 영역들이 아니라, Au 아일랜드로 국한될 수 있다.
불운하게도, ~ 5 nm 직경 레짐 금 나노입자들과 같은 작은 나노입자들은 전극 표면 상에서 위치시키고 배치하기가 어렵다. 원자력 현미경법 (Atomic Force Microscopy; AFM) 은 개별적인 Au 나노입자를 픽업 (pick-up) 하고 전극 표면으로 이동시키고, 그 위에서 그것을 퇴적시키기 위하여 이용될 수도 있음으로써, 반 데르 발스 힘 (van der Walls force) 들은 나노입자를 그 의도된 로케이션에서 유지한다 (예를 들어, 2014 년 2 월 20 일자로 공표된 Huang 등, 미국 특허 출원 제 2014/0048776 호 참조). 그러나, 예를 들어, 도 1 (c) 에서 예시된 구조체로 귀착되는 나노입자들의 이러한 정교한 이동 및 배치는 전극 표면 상으로 특히 양호하게 접착되지 않은 Au 나노입자들로 귀착될 수 있다.
나노입자들이 전극 표면들에 강하게 접착되지 않은 이 구조체들 (도 1 (c)) 은 높은 접촉 저항 및 감소된 전기적 전도성을 나타낼 것이다. 또한, 이러한 열악하게 부착된 Au 나노입자들은 세척 (washing), 바이오분자들의 미세유체 프로세싱, 또는 다른 핸들링 동안에 상이한 로케이션으로 횡방향으로 용이하게 이동될 수 있거나 영구적으로 탈착될 수 있다. 하나씩의 나노입자의 이러한 AFM 안내된 배치는 힘들고, 시간 소비적이고, 저비용 제조를 따르지 않는다. 그러므로, 본 발명에 따르면, Au 나노입자는 종래 기술 (도 1 (c)) 의 경우에서와 같이 전극 표면 상에서 단지 물리적으로 퇴적되는 것이 아니라, 오히려, 전극 표면과의 본딩에서 이용된 Au 입자의 접촉 면적이 Au 입자 직경의 적어도 20 %, 적어도 30 %, 적어도 40 %, 적어도 50 %, 적어도 60 %, 적어도 70 %, 바람직하게는 적어도 80 %, 그리고 훨씬 더 바람직하게는 최대로 100 % 를 포함하도록, 전극 표면 상으로 더 강하게 본딩된다. 도해적으로, Au 입자들과 전극 표면 사이의 이 강한 본딩은 도 1 (d) 의 2 개의 예들에서 예시되어 있다.
단백질 분석 또는 DNA/게놈 시퀀싱을 위하여 이용가능한 것들을 포함하는 분자 전자 디바이스들에 대하여, 복수의 전극 쌍 디바이스들을 포함하는 어레이를 이용한 병렬 전자 감지는 매우 바람직하다. 소정의 공간 내에서 더 많은 전기적 측정 디바이스들 및 회로들을 패키징하기 위하여, 전극 치수들은 마이크로- 또는 나노-스케일로 감소되어야 한다. 예를 들어, 병렬 배열에서의 전극 쌍들을 포함하는 나노-전극 기하구조의 어레이가 사용될 수 있다. 이러한 어레이는 나노-임프린트 리소그래피와 같은 편리하고 스케일링가능한 프로세싱 방법들을 이용함으로써 만들어질 수 있다. 전자-빔 리소그래피, 자체-조립, 및 다른 수단과 같은 대안적인 방법들이 또한 사용될 수도 있다.
도면들을 다시 참조하면, 도 2 는 전극 어레이가 캐소드 (cathode) 및 애노드 (anode) 에 전기적으로 접속되는 동안에 전착을 채용함으로써, 염가의 대량 병렬 방법으로 전극들 상에서 신뢰성 있는 Au 아일랜드들을 생성하기 위한 실시형태들 중의 하나를 설명한다. 전착은 다른 것이 아니라 하나의 전극 상에서 발생하므로, 좌측 Pt (또는 Pd 또는 Rh) 전극 팁은 먼저 Au 로 전착되고, 그 다음으로, 우측 팁은 전착 동안의 캐소드 대 애노드 역할이 반전될 때에 도금된다. 도 2 (a) 내지 (c) 에서의 Pt 전극 팁들과 같은, 전도성 객체의 예리한 에지 (edge) 들, 코너들, 팁들, 또는 돌출하는 부분들은 전착 동안에 매우 집중된 전기적 전류를 가지는 경향이 있다. 이 때문에, 예리하게 되지도, 팁 형성되지도, 도출하고 있지도 않은 Pt 전극들의 다른 파트들이 아니라, 전극 팁들이 Au 로 우선적으로 도금된다. 형상이 이루어진 전극들 상에서의 전착을 위하여, 예시적인 전기도금 용액은 칼륨 금 시아나이드 (potassium gold cyanide) (KAu(CN)2) 기반 용액을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는다. 일 예의 배쓰 조성물 (bath composition) 은, (예컨대, KOH 로) 3.6 내지 4.7 로 pH 조절되고, 40 내지 65 ℃ 의 배쓰 온도를 갖는, 12 내지 15 g/리터 (liter) KAu(CN)2, 90 내지 115 g/리터 시트르산 (citric acid), 0.07 내지 0.1 g/리터 코발트 (아세테이트 (acetate) 또는 설페이트 (sulfate) 로서 추가됨) 를 포함한다 (예를 들어, Y. Okinaka, F. B. Koch, C. Wolowodiuk, 및 D. R. Blessington, J. Electrochem. Soc., 125, 1745 (1978) 참조). 비-시아나이드 전기도금 배쓰들이 또한 본원에서 이용가능하다 (예를 들어, Mordechay Schlesinger 및 Milan Paunovic 에 의해 편집된, Modern Electroplating, 5th Ed, Chapter 4, Paul A. Kohl 에 의한 "Electrodeposition of Gold", ISBN: 978-0-470-16778-6 December 2014, John Wiley & Sons, Inc. 참조). 직류 (DC) 전착 또는 펄스 퇴적이 이용될 수도 있고, 후자는 전착된 금의 크기를 정확하게 제어할 시에 더 편리할 수도 있다.
본 개시물에 따르면, 전극 팁에서의 퇴적된 Au 영역은 나노입자가 아니라, 그 대신에, 전착에 의해 전극에 강하게 접착된 전극 구조체의 일체부이다. Au 의 전착을 위하여 적당한 전극 기하구조들의 예들은 도 2 (a) 내지 (c) 에서 설명되어 있다. 도 2 (a) 내지 (c) 는 상이한 형상들을 갖는 나노-전극 쌍 기하구조의 평면도들을 예시한다. 이 형상들은 예를 들어, 스케일링-업 (scaled-up) 제조를 위한 나노-임프린트 리소그래피, 전자-빔 리소그래피, 또는 다른 알려진 방법들에 의해 만들어진다. 각각의 전극 쌍의 하부에 존재하는, SiO2 표면 절연체를 갖는 Si 와 같은 기판 재료는 명확함을 위하여 도시되지 않는다. 도 2 (d) 내지 (f) 는 그 로케이션들에서의 더 높은 전류 밀도가 우선적인 퇴적을 지시하는 전극의 예리한 포인트, 팁, 또는 다른 돌출부를 사용함으로써, 전도성 아일랜드들로서 Au 또는 다른 금속으로 전착된 다양하게 형상이 이루어진 전극 팁들을 예시한다. 더 양호한 결과들을 위하여, 베이스 전극 상의 임의의 비희망된 예리한 에지들 또는 불규칙성 (irregularity) 들은 바람직하게는, 희망된 로케이션들에 추가하여 이 불규칙성들에서의 Au 의 우연한 전착을 회피하기 위하여 제거된다. 도 2 (e) 의 전극 쌍의 테이퍼링되고 더 평탄한 면 기하구조는 전극 팁들에서 이외의 로케이션들에서의 바람직하지 않은 Au 퇴적을 최소화하기 위한 하나의 설계이다. 도 2 (f) 에서는, 약간 라운딩된 팁 설계가 개시되어 있고, 이것은 또한, 약간 더 큰 크기 Au 팁 퇴적이 희망될 때에 유용하다.
특히, 전극 쌍들이 대량 병렬 방식으로 반응될 때의 Au 또는 다른 전도성 팁들의 전착은 원자력 현미경법 (AFM) 팁에 의한 개별적인 Au 나노입자들의 이동 및 배치와 같은 종래 기술의 방법들과 비교하여 편리하고 매우 실용적이다. 많은 디바이스들 (예컨대, 1000 내지 1000 만 개의 게놈 시퀀싱 전극 디바이스들) 이 동시에 프로세싱될 수 있다. Au 접착을 증대시키기 위한 전극 퇴적의 포스트-어닐링은 임의적인 프로세스이다. 전체 전극 디바이스 어레이의 열처리는 진공에서 또는 비활성 분위기에서 약 10 분 내지 12 시간 동안, 공기 중에서의 약 200 내지 약 800 ℃ 의 온도들에서 달성될 수 있고, 이것은 기판 금속 전극으로의 Au 의 추가적인 확산 본딩을 유도한다. 본 발명에 따라 전착에 의해 프로세싱된 Au 팁은 베이스 전극 금속에 강하게 부착되고, 여기서, 전극 표면에 본딩된 Au 의 접촉 면적은 Au 입자 직경의 적어도 20 %, 적어도 30 %, 적어도 40 %, 적어도 50 %, 적어도 60 %, 적어도 70 %, 바람직하게는 적어도 80 %, 그리고 훨씬 더 바람직하게는 최대로 100 % 를 포함한다.
지시된 전극의 예리한 팁 영역은 전착 동안에 Au 로 우선적으로 코팅되고, 이 때문에, 전극 상의 다른 로케이션들에서의 Au 의 퇴적은 이에 대응하여 희귀하지만, 일부 사례들에서, 비희망된 로케이션들에서의 Au 의 퇴적이 있을 수 있다. (예컨대, 도 2 (d) 내지 (f) 에서 예시된 바와 같이) 희망된 팁 로케이션 이외의 전극 표면의 다른 파트들 상의 임의의 형상에서 Au 의 일부 우연한 퇴적이 있을 경우, 팁 영역을 제외한 영역들에서의 전극들의 패턴화된 코팅의 추가적인 단계는 도 3 (a) 및 도 3 (b) 에서 예시된 바와 같이 수행될 수도 있다.
도 3 (a) 는 우연한 Au 아일랜드들이 전극 표면들 상의 다양한 비희망된 로케이션들에서 전착되었던 Au 팁 형성된 전극 어레이를 도해적으로 예시한다. 언급된 바와 같이, 패턴화된 코팅은 이 비희망된 아일랜드들을 커버하기 위하여 그 후에 전극들 상에서 퇴적될 수도 있다. 도 3 (b) 는 전극들이 바이오분자들에 노출될 때에 이 잘못된 로케이션들에서의 전극 표면 상으로의 원하지 않는 바이오분자 부착들을 제거하기 위하여 우연한 Au 아일랜드 퇴적들을 마스킹하는 예시적인 패턴화된 코팅을 예시한다.
본 발명의 다양한 실시형태들에서, 나노-크기의 금은 전극들 상에서 선택된 개별적인 로케이션들 상의 마스킹된 전착을 이용하여, Au 전극들 상의 돌출하는 Au 나노-필러들과 같은 다른 구성들에서 전착될 수 있다. 이 프로세스에서, Au 나노-필러들은 선택된 비-마스킹된 로케이션들에서 성장된다. 프로세스의 제 1 단계는 Au 전극 표면들 상에서 예를 들어, PMMA 또는 수소 실세스퀴옥산 (HSQ) 과 같은 마스크 층을 배치하고, 그 다음으로, 노출된 개구부들 또는 "홀 (hole) 들" 을 형성하기 위하여 마스크 레지스트 층을 나노-패턴화하는 것이다. 다음 단계에서, 돌출하는 필러들의 형태인 Au 의 대량 병렬 전착은 마스킹된 패턴에 의해 보조된 위치-선택된 전착에 의해 성장될 수 있다. 마스크 레지스트에서 패턴화된 홀들은 전형적으로, 직경에 있어서 4 내지 20 nm, 그리고 바람직하게는 6 내지 10 nm 이고, 그것은 도 4 (a) 내지 (e)의 스텝별 프로세스에 의해 도시된 바와 같이, 금이 전착되는 이 패턴화된 홀들의 각각을 통한 것이다.
도 4 (a) 에서의 예시적인 Au 전극 어레이의 단면도에서 예시된 바와 같이, Au 전극들의 큰-면적들은 바이오분자들의 무작위적인 바람직하지 않은 복수들이 큰 노출된 Au 표면들로 인해 각각의 전극 상으로 부착될 가능성이 있으므로, 전기적 인터로게이션을 위하여 단일 바이오분자, DNA 프래그먼트, 또는 뉴클레오티드를 끌어당기기 위한 디바이스의 부분들로서 신뢰성 있게 역할을 하지 않을 것이다. 그러므로, 각각의 전극 상에서 오직 단일 나노-정의된 필러를 가지는 것이 필수적이다. 용어 "필러" 는 반구형, 정사각형, 직사각형, 또는 임의의 다른 단면 형상을 갖는 3 차원 구조체들을 지칭하기 위하여 본원에서 널리 이용된다. 이러한 필러들은 도 4 (b) 및 도 4 (c) 의 단계들에서 예시된 바와 같이, 모두 마스킹된 둘러싸는 영역들을 갖는 홀들에서 형성된다. 전자-빔 또는 나노-임프린트 리소그래피에 의해 코팅된 포지티브 레지스트 (예컨대, PMMA) 또는 네거티브 레지스트 (예컨대, HSQ, SU-8) 는 홀 어레이를 생성하기 위한 나노-패턴화를 위하여 사용될 수도 있다. 나노-임프린팅은 큰 수의 디바이스들, 예를 들어, 10,000 개를 초과하는 디바이스들의 동시 제조를 용이하게 한다.
Au 또는 다른 전도 전극들 상에서의 거대한 수들의 Au 나노-필러들의 효율적이고 동시적인 생성을 위하여, 좌측 전극들 상의 모든 리드 배선들에 대한 전기적 단자들, 및 도 4 (c) 에서 예시된 것과 같은 반복된 전극 패턴 디바이스를 갖는 디바이스 어레이의 우측 상의 모든 리드 배선들은 2 개의 별도의 공통 전기적인 경로들에 각각 일시적으로 전기적으로 접속되어, 전착은 모든 전극들 상에서 동시에 수행될 수 있다. 이것은 더 용이한 저비용의 대량 제조 프로세스를 위한 Au 필러들의 대량 병렬 전착을 허용한다. 이와 같이 설명된 프로세스에 따라 동시에 생성될 수 있는 (전극 쌍 디바이스들의 수의 두 배와 동일한) Au 필러들의 수는 적어도 100 개의 디바이스들, 바람직하게는 적어도 10,000 개의 디바이스들, 그리고 더 바람직하게는 적어도 백만 개의 디바이스들이다.
도 4 (d) 의 돌출하는 금 필러는 필러 직경 (또는 원통형이 아닐 경우에 다른 단면 폭) 에 필적하는 양호한 접촉 면적을 가지므로, 전기적 접촉 저항은 바람직하게는 매우 작다. 이것은 종래 기술의 나노입자 부착들 (예컨대, AFM 프로브 팁에 의해 이동되고 퇴적된 Au 나노-입자들) 의 높은 접촉 저항 상황과는 다르다. 또한, 이와 같이 성장된 Au 필러는 이제 금 컨택들 상의 금을 갖는 Au 전극 베이스의 일부이어서, 오직 단일 금속이 있기 때문에, 매우 강한 접착이 보장된다. 본원에서 설명된 Au 나노-필러 구조체의 이 바람직한 특성들은 예컨대, 게놈 시퀀싱 동안에 전기적 신호에서 잡음을 최소화할 시에 유리하다. 도 4 (a) 내지 (d) 에서 예시된 방법에 의해 준비된 Au 나노-필러 단면 치수 (예컨대, 직경) 는 20 nm 미만, 15 nm 미만, 10 nm 미만, 또는 7 nm 미만이다. Au 필러의 높이는 25 nm 미만, 20 nm 미만, 15 nm 미만, 또는 10 nm 미만이다.
도 4 (e) 는 발명의 추가의 양태에 따라, 분자 전자 디바이스들을 위한 Au 필러 구조체의 예시적인 이용을 예시한다. 이러한 Au 필러 구조체는 DNA 및 게놈 시퀀싱 뿐만 아니라, 단백질 분석을 위하여 유용하다. 도 4 (e) 는 분자 상호작용, 예컨대, 예를 들어, 바이오분자로의 뉴클레오티드 부착 동안에 전기적 인터로게이션을 위하여 Au 필러 표면 상으로 부착된 단일 바이오분자 (예컨대, 단백질, DNA 세그먼트 등) 를 도시한다. Au 필러의 표면으로의 바이오분자 부착은 다양한 기능화 및 타겟화 부착들에 의해 가능하게 된다. 이것은 항체-항원 끌어당김 (antibody-antigen attraction) 또는 비오틴-스트렙트아비딘 접합 (biotin-streptavidin conjugation), 티올-Au 본딩, Au-바인딩 펩티드들, 또는 등을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는다.
무-라벨 전자 검출 뿐만 아니라, 일반적으로 분자 전자 디바이스들을 이용하는 DNA 시퀀싱 및 게놈 시퀀싱에서는, 바이오분자들의 강하고 신뢰성 있는 부착은 재현가능한 잡음-감소된 방식으로 강한 신호들을 회득하기 위하여 필수적이다. 센서 디바이스들에서의 바이오분자들의 부착은 바이오분자가 바인딩하기 위한 기판의 표면이 상당히 더 큰 표면적을 나타내도록 개질될 경우에 증대될 수 있다. 이미 나노-치수 (예컨대, 5 내지 10 nm 영역) 구조체들인 것 상에서 추가의 분지된 또는 다공성 구조체들을 만드는 것은 어렵다. 그러나, 본 개시물에 따르면, 이러한 어려움이 극복되었다. 도 5 (b) 및 도 5 (c) 의 2 개의 예들에서 예시된 바와 같이, 바이오분자들의 증대된 부착을 위한 추가의 하위분할된 나노구조체들은 (예컨대, 도 5 (a) 에서 예시된 바와 같은) Au 필러들 상에서, 또는 일부 다른 나노-치수 표면들 상에서 가능하다. 도 5 (b) 및 도 5 (c) 에서, 분지된 및 다공성 Au 퇴적부들은 Au 컨택으로의 더 강력하고 증대된 바이오분자 또는 결합자 분자 (linker molecule) 부착을 각각 제공한다.
도 5 (b) 에서 도시된 바와 같은 분지된-팁 (branched-tip) Au 필러들은 Au 컴포지트에서 희생 재료들을 이용함으로써, 그리고 비-Au 재료의 약 1 %, 3 %, 5 %, 8 %, 10 %, 12 %, 14 %, 16 %, 18 %, 또는 20 % 용적의 선택적인 에칭 또는 연소에 의해 획득될 수 있다. 다른 양태들에서, 비-Au 재료의 용적에 의해 약 5 % 로부터 약 20 % 까지는 Au 컴포지트로부터 선택적으로 에칭 제거되거나 연소된다. 희생 재료들은 탄소 나노튜브들, 그래핀, 폴리머, 또는 전착 동안에 추가된 금속성 또는 세라믹 상 나노입자들을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는다. 대안적으로, 분지된-팁 Au 필러들은 (전기적 전류 없이) Au 의 표준 퇴적에 의해, 그리고 컴포지트 재료를 형성하기 위하여 그 안에서 포획되는 나노입자들을 분산시킴으로써 형성될 수도 있다. 그 다음으로, Co, Ni, Fe, Cu, Zn, Al, Si, Mo, V 와 같은 금속성 나노입자들, 또는 CoO 또는 Co2O3, NiO, Fe2O3 또는 Fe3O4, CuO, ZnO, Al2O3, MoO2, V2O5, SiO2 와 같은 세라믹 나노입자들은 강한 산 (그러나, 1:3 비율로 질산 및 염산을 가지는 왕수 용액 (aqua regia solution) 과 같은 금 에천트 (gold etchant) 만큼 강하지 않음) 을 이용하여 에칭 제거될 수 있다. 에천트는 왕수 용액에서 이용된 산 컴포넌트의 1/2 미만, 그리고 바람직하게는, 왕수 용액에서 이용된 산 컴포넌트의 1/4 미만의 농도를 갖는, 희산 (dilute acid) 또는 알칼리 (예컨대, 에칭 제거되어야 할 알루미늄 입자들의 경우) 일 수 있다. 이 금속들 및 세라믹들이 에칭 제거될 때, 남아 있는 Au 는 분지된 또는 다공성 나노구조체 표면을 포함하는 더 큰 표면적을 나타내고, 이것은 단백질들 또는 DNA 와 같은 바이오분자들을 포함하는 그 상의 바이오분자들의 더 강한 바인딩을 위하여 바람직하다. 금속성, 세라믹, 또는 폴리머 희생 나노입자들의 바람직한 치수는 평균 직경에 있어서, 10 nm 미만, 바람직하게는 5 nm 미만, 훨씬 더 바람직하게는 2 nm 미만이다. Au 컴포지트 내로 편입되어야 할 희생 탄소 나노튜브들 또는 그래핀 나노-플레이크들의 바람직한 치수는 두께에 있어서, 8 nm 미만, 바람직하게는 3 nm 미만, 훨씬 더 바람직하게는 1 nm 미만이다. Au 컴포지트 매트릭스에서의 탄소 나노튜브들, 그래핀 나노-플레이크들, 또는 폴리머 나노입자들은 약 200 내지 약 500 ℃ 의 온도로의 가열에 의해, 또는 폴리머 나노입자들의 경우에서와 같이, 용매에서 용해시킴으로써 연소될 수 있다.
다공성 Au 필러들을 제공하는 대안적인 방법은 도 5 (c) 에서 개시되어 있다. Au 필러들 또는 Au 나노-아일랜드들은, 이 경우에, 합금 컴포넌트들, 예컨대, 전기도금될 수 있거나 무전해 도금될 수 있는 Au-Ag, Au-Cu, 또는 다른 Au-기반 합금들을 함유하는 Au 필러들 또는 아일랜드들을 먼저 퇴적시키는 것을 포함하는 탈합금화 방법 (de-alloying method) 을 이용함으로써 다공성으로 될 수 있다. 그 다음으로, 합금을 포함하는 나노-필러들은 합금으로부터 비-Au 금속 (들) 을 선택적으로 제거하거나 Au 를 뒤에 남기기 위하여 강한 산 (또는 Al 또는 Mg 타입 함금화의 경우에 알칼리) 에서 화학적으로 또는 전기화학적으로 에칭된다. Ag, Cu, 및/또는 다른 금속성 원소들과의 Au 의 합금화의 희망된 양은 약 10 내지 약 70 % 용적의 범위, 그리고 바람직하게는 약 30 % 내지 약 60 % 용적의 범위에 있다. 합금화할 수 있는 원소, 또는 합금을 형성할 수 없는 비혼합 원소의 어느 하나는 Au 에 추가될 수 있고, 그 다음으로, 탈합금화 또는 우선적인 에칭의 단계는 나노구조화된 Au 로 귀착될 것이다. 이와 같이 형성된 Au 팁, Au 필러, 또는 Au 아일랜드에서의 공극률의 희망된 % 용적은 적어도 10 %, 적어도 20 %, 적어도 30 %, 적어도 40 %, 또는 바람직하게는 적어도 50 % 이다. 나노컴포지트 루트에 의해 달성된 도 5 (b) 및 도 5 (c) 에서 예시된 구조체들에서의 표면적에서의 증가는 Au 전착 및 개질 없음 (no modification) 으로부터 획득된 Au 팁, Au 필러, 또는 Au 아일랜드의 공극률에 대하여, 적어도 3 %, 적어도 5 %, 적어도 10 %, 적어도 20 %, 적어도 30 %, 적어도 40 %, 적어도 50 %, 또는 적어도 60 % 만큼이다.
Au 필러 개질의 또 다른 실시형태는 나노스케일 샌드 블래스팅 (nanoscale sand blasting), 마스킹된 화학적 에칭, 이온 주입, 또는 그것을 대략적으로 및/또는 다공성으로 하기 위하여 Au 필러의 표면을 의도적으로 손상시키기 위한 다른 적당한 방법을 적용하기 위한 것이다. 손상된 표면 및/또는 다공성 Au 로의 바인딩의 이 사례들에서, 바이오분자들의 접착 강도는 미개질된 Au 필러 구조체로의 바이오분자의 접착에 대하여, 적어도 10 %, 적어도 20 %, 적어도 25 %, 적어도 35 %, 적어도 40 %, 적어도 50 %, 적어도 60 %, 또는 적어도 70 % 배만큼 개선된다.
다른 실시형태들에서, Au 필러들은 어닐링에 의해 치수적으로 변화될 수도 있다. 예를 들어, Au 필러들은 Au 의 용융 온도보다 더 높지만, 디바이스의 다른 컴포넌트들 (예컨대, 전극들) 이 용융될 수도 있거나 그렇지 않을 경우에 손상될 수도 있는 온도들보다 더 낮은 온도들과 같은 상승된 온도들에서 어닐링함으로써, 상대적으로 원통형 필러 형상들로부터 구형-볼 형상들로 변환될 수 있다.
도 5 (d) 는 바이오분자 (예컨대, 단백질, DNA, 또는 다른 바이오분자) 가 도 5 (b) 및 도 5 (c) 의 Au 필러들에서 존재하는 나노구조체 및 더 큰 표면적으로 인해 증대된 접착/본딩을 가지는 전극들의 Au 부분들에 부착되는 예시적인 디바이스를 예시한다. 이에 따라, 전극 쌍들을 포함하는 디바이스의 제조 시에, 바이오분자는 쌍에서의 2 개의 전극들 사이에서 나노갭을 브릿징하기 위하여 한 쌍의 전극들에서의 전극들의 각각의 하나 상의 컨택 포인트들에 부착된다. 위에서 논의된 바와 같이, 이 컨택 포인트들은 각각의 나노-필러의 표면적 및 바인딩 능력들을 증가시키기 위하여 합금화/탈합금화 또는 다른 방법들에 의해 임의적으로 개질된 Au 나노-필러들을 포함할 수도 있다.
표면적을 증가시키고 바이오분자 본딩을 증대시키기 위한 이 새로운 방법들은 도 2 및 도 3 에서 예시되고 위에서 논의된 것들과 같은 다른 실시형태들에 대하여 또한 적용가능하다는 것이 주목되어야 한다.
본 개시물의 다양한 양태들에서는, 대량 병렬 전극 어레이들이 생성될 수 있고, 어레이들은 디바이스 어레이에서 적어도 1,000 개, 바람직하게는 적어도 10,000 개, 그리고 훨씬 더 바람직하게는 적어도 1 백만 개의 전극 쌍 디바이스들을 가진다. 도 6 은 뉴클레오티드 또는 다른 분자 부착 또는 탈착 이벤트들의 대량 병렬 무-라벨 검출을 위하여 이용가능한 Au 나노-팁 구조화된 전극 쌍들의 예시적인 어레이를 예시한다. 이러한 어레이들은 100 x 100 디바이스들 또는 1,000 x 1,000 디바이스들 또는 등을 포함할 수도 있고, 각각의 디바이스는 (예를 들어, Pt, Pd, 또는 Rh 를 포함하는) 예리한 팁 형성된 전극들, 전극 팁 영역에서 또는 전극 팁 영역 근처에서 전착되거나 무전해 퇴적된 Au 나노-팁, 및 Au 또는 다른 전도체 리드 배선들 (예컨대, Ag, Cu, Pt, Pd, Rh) 을 갖는 전극 쌍을 포함할 수도 있다. Au 리드 배선이 이용될 경우, Au 리드들의 표면은 리드들 상에서의 바람직하지 않은 바이오분자들 접착을 방지하기 위하여 PMMA 와 같은 마스크로 커버될 수 있다.
도 6 에서 예시된 실시형태와 같은 어레이로, 뉴클레오티드 부착의 인터로게이션은 실시간으로 수행될 수 있다. 전자 신호 인터로게이션의 대안적인 실시형태는 모든 리드 배선들의 하나의 측을 단락시킴으로써, 그리고 한 번에 하나씩, 예컨대, 도 7 에서 도시된 구성에서와 같이 매 밀리초 (millisecond) 에서 좌측 전기적 리드 배선들과 교대함으로써 순차적인 인터로게이션을 수행하기 위한 것이다. 도 7 에서, 71 은 뉴클레오티드 부착 또는 탈착의 무-라벨 검출을 위한 예시적인 전극 쌍이고 (여기서, 전극 쌍은 갭을 브릿징하는 바이오분자 및 프로브 분자를 더 포함할 것임), 72 는 그 상에서의 단백질 또는 다른 바이오분자 접착을 방지하기 위하여 표면 절연될 수 있거나 코팅될 수 있는 Au 리드 배선과 같은 리드 배선의 실시형태이다. 도 7 을 계속 참조하면, 엘리먼트 73 은 우측 전극들의 전부를 접속하는 공통 접속 리드 배선이고, 엘리먼트 74 는 어레이의 우측 상에서 필요한 단지 하나의 공통 리드 배선이다. 좌측 전극들, Y1, Y2 ... Y10 은 한 번에 하나씩 순차적으로 인터로게이팅된다. 이 배선 구성 및 순차적인 인터로게이션 방법은 수 천 개의 병렬 신호들의 동시 핸들링과 비교하여 더 적은 전자 측정 문제들로 귀착된다.
훨씬 더 큰 데이터 취득들은 도 6 또는 도 7 타입 나노-팁 또는 나노-필러 구조체가 각각의 적층체에 대한 동반되는 미세유체 챔버 (도면에서의 상단 좌측)와 함께, 또는 하나 이상의 공통 미세유체 챔버들 (도면에서의 상단 우측) 과 함께, 도 8 에서 도시된 바와 같이, 3 차원으로 적층될 경우에 획득될 수 있다. 이러한 3D 구성들에서는, 적어도 약 1 백만 내지 약 10 억 개의 디바이스들이 극도로 급속한 DNA 또는 게놈 시퀀싱을 위하여 동시에 동작될 수 있다. 다른 실시형태들에서는, 돌출하는 Au 필러 어레이들을 갖는 더 복잡한 마이크로-배선 또는 마이크로-리본 어레이가 훨씬 더 높은 밀도의 바이오분자 감지를 위하여 이용된다.
발명에 따른 게놈 또는 DNA 시퀀싱 구조체들, 시스템들, 및 방법들의 양태들은 도 9 에서 요약된다. 적절한 소프트웨어 및 컴퓨터 시스템이 편입되고, 미세유체 시스템은 대량 병렬 전자 검출 시스템에 접속된다. 바이오분자들 및 커플링 제재 (coupling agent) 들은 시퀀싱되어야 할 뉴클레오티드들과 함께 미세유체 챔버 (들) 로 전달된다.
도 10 은 브릿지 및 프로브 분자 구조체를 포함하는, DNA 시퀀스 분석을 위하여 이용된 분자 구조체의 실시형태를 예시한다. 이 예시된 예에서, 브릿지 바이오분자는 금속 전극들 상에서 제공된 Au 컨택 포인트들로의 커플링을 위한 분자의 양쪽 5' 단부들에서 티올 기들을 갖는, 길이에 있어서 20 nm (60 염기들) 인 합성 이중 가닥형 DNA 올리고 분자 (oligo molecule) 를 포함한다. 이러한 방법으로, 하나의 브릿지 분자는 각각의 전극 쌍에서의 전극들 사이의 ~ 10 nm 나노-갭을 브릿징한다. 각각의 전극 쌍의 Au 컨택 포인트들은 예를 들어, 전극들의 예리한 단부들 상에서 전착된 Au 도트들, 또는 전극들의 팁들 근처의 비마스킹된 영역들로의 Au 의 전착에 의해 성장된 Au 필러들, 및 등과 같은, 위의 본원에서 논의된 Au 구조체들 중의 임의의 것을 포함할 수도 있다. 금속 전극들은 백금 (Pt), 팔라듐 (Pd), 로듐 (Rh), 또는 금 (Au) 을 포함할 수도 있다. Au 의 후자의 경우, 컨택 포인트들 및 전극들은 동일한 금속, 즉, Au 의 인터로게이션을 포함한다. 도 10 을 계속 참조하면, 프로브 분자는 합성 DNA 올리고 시퀀스 내에서 제공된 비오틴화된 뉴클레오티드 (biotinylated nucleotide) 에서 브릿지 분자에 궁극적으로 커플링되는 스트렙트아비딘 단백질에 화학적으로 교차결합되는 폴리메라아제, 예를 들어, E. coli Pol I 를 포함한다. 도면은 분자들 및 원자들의 크기들에 관하여 축척에 맞게 도시되어 있다.
도 11 은 분자 센서들 상의 전기적 측정들을 위하여 이용가능한 예시적인 테스트 셋업을 예시한다. 상단에서 예시된 것은 전극-기판 구조체, 및 브릿지 분자를 통해 전압들을 인가하고 전류들을 측정하기 위한 분석기로의 부착의 단면 도시이다. 하단에서의 구조체는 브릿징 회로들을 위한 전극 어레이의 사시도이다. 전극들의 각각의 쌍은 금속-1 전극들 상의 금속-2 컨택 포인트들을 포함하는 것으로서 예시되어 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 금속-1 전극들은 Pt, Pd, Rh, 또는 Au 를 포함할 수도 있고, 금속-2 컨택 포인트들은 Au 를 포함한다. 다양한 실시형태들에서, 금속-1 및 금속-2 는 Au 필러들이 Au 전극들의 비마스킹된 영역들 상에서 성장될 때와 같이, 양자 모두 Au 이다. 제시된 예에서, Au 팁들 또는 필러들은 강한 티올-Au 바인딩을 이용함으로써 정위치에서 티올화된 분자들의 자체-조립을 지원한다.
도 12 (a) 내지 (c) 는 Au 컨택 포인트들을 포함하는 성공적으로 구성된 전극 쌍들의 전자 마이크로그래프들을 설명한다. 도 12 (a) 는 브릿지 분자 바인딩을 위한 Au 도트 컨택들을 포함하는 Ti 전극들의 전자 현미경 이미지이다. 이 예에서, Au 도트들은 Ti 전극들의 단부들에서 또는 단부들 근처에서 전착되었다. 전극들은 전자-빔 리소그래피를 통해 생성된 실리콘 기판 상에서 배치된다. 도 12 (b) 는 더 높은 해상도에서의 전자 마이크로그래프이다. 이미지는 15 nm Au-대-Au 간격을 가지는 Au 도트 컨택들을 갖는 7 nm 의 전극 갭을 도시하는 도 12 (a) 에서의 어레이의 클로즈업이다. 도 12 (c) 는 훨씬 더 높은 해상도에서의 전자 마이크로그래프이다. 이미지는 전극들의 팁들에서 퇴적된 대략 10 nm Au 도트들을 도시하는 도 12 (b) 에서의 어레이의 클로즈업이다.
도 13 을 지금부터 참조하면, 금-도트 컨택 전극들로의 분자 센서 자체-조립의 프로세스는 전자적으로 모니터링되는 것으로 도시되어 있다. 전류 대 시간 측정들은 브릿지 및 분자 센서 복합체의 자체-조립을 모니터링하기 위하여 이용된다. 상부 좌측에서의 도표는 자체-조립의 국면 1 을 도시하고, 여기서, 5' 단부들 상에서 티올 기들을 갖는 이중 가닥형 DNA 브릿지는 전류에서의 점프에 의해 증명된 바와 같이, 전극 금 컨택 포인트 상으로 조립된다. 상부 우측에서의 도표는 자체-조립 프로세스의 국면 2 를 도시하고, 여기서, 폴리메라아제-스트렙트아비딘 복합체는 전류에서의 또 다른 점프에 의해 증명된 바와 같이, dsDNA 브릿지 상의 비오틴화된 부위에 바인딩된다. 하부 좌측에서의 도표는 자체-조립 프로세스의 국면 3 을 도시하고, 여기서, 프라임 (prime) 표시된 단일-가닥형 DNA 템플릿 (template) 은 전류 대 시간에서의 또 다른 스파이크 (spike) 에 의해 증명된 바와 같이, 복합체를 완성하기 위하여 폴리메라아제에 바인딩된다.
도 14 는 도 13 에서 도시되고 모니터링되고 본원에서 논의된 국면들의 완료 시에 최종적인 자체-조립된 구조체의 전자 현미경 이미징을 제공한다. 이 전자 마이크로그래프에서, 브릿지-복합체는 라벨링 없이 직접적으로 가시적이고, 전극 쌍을 병합하는 약간 흐릿한 더 높은 콘트라스트 영역으로서 보여질 수 있다 (그리고 우측에서의 더 높은 배율 이미지에서 백색 화살표에 의해 표시됨). 좌측에서의 더 낮은 배율 이미지에서는, 쌍에서의 2 개의 전극들의 더 좁은 부분들이 약 20 nm 의 폭, 및 약 7 nm 의 전극들 사이의 나노갭을 가진다. 좌측에서의 이미지는 전극들의 쌍들의 어레이 외부의 한 쌍의 전극들 상에서 포커싱한다. 좌측에서의 더 낮은 배율 이미지 및 우측에서의 더 높은 배율 이미지의 양자에서 보여진, 각각의 전극의 팁들에서의 하얀 부분들은 바이오분자가 바인딩되는 금 (Au) 아일랜드들이다. 우측에서의 더 높은 배율 마이크로그래프에서 명백한 바와 같이, 바이오분자 (전극 팁들 사이의 하얀 더 높은 콘트라스트 블러 (contrast blur) 는 나노갭에 걸쳐 하나의 팁으로부터 또 다른 것까지 인접한 것으로 보여진다. 이에 따라, 이 마이크로그래프들로부터, 바이오분자는 쌍에서의 각각의 전극 상으로 자체-조립되었고, 바이오분자의 각각의 단부는 각각의 전극에 부착되고 나노갭에 걸쳐 브릿지를 형성한다는 것이 명백하다.
도 15 를 지금부터 참조하면, 센서를 이용한 편입 신호들의 측정이 입증된다. 도 15 에서의 도표들은 센서가 편입 및 폴리머화를 위한 다양한 프라임 표시된 단일 가닥형 DNA 시퀀싱 템플릿들 및 dNTP 들을 공급받는 것으로부터 기인하는 전류 신호들을 도시한다. 각각의 경우, 주요한 신호 스파이크들은 개별 편입 이벤트들로부터 기인하는 신호들을 나타내고, 여기서, 폴리메라아제 효소는 또 다른 염기를 확장 가닥에 추가한다. 상부 좌측에서의 도표에서, 템플릿은 20 T 염기들이다. 상부 우측에서의 도표에서, 템플릿은 20 G 염기들이다. 하부 좌측에서의 도표에서, 템플릿은 20 A 염기들이다. 마지막으로, 하부 우측에서의 도표에서, 템플릿은 20 C 염기들이다. 관찰된 편입의 근사 레이트는 레이트 제한 인자들 (예컨대, 더 낮은 dNTP 농도) 로 인해 추정된 초 당 ~ 1 염기의 더 낮은 레이트를 제외하고는, 표준 효소 동역학 (standard enzyme kinetics) 와 부합하는 초 당 약 10 내지 20 염기들이다.
도 16 을 지금부터 참조하면, 각각이 Au-도크 아일랜드 컨택 포인트들을 포함하는, 2 개의 별도의 제조된 전극 쌍들을 도시하는 전자 마이크로그래프 이미지들이 제공된다. 마이크로그래프들 위의 예시는 이 전극들 및 컨택 포인트들이 측면도에서 어떻게 될 것인지를 도해적으로 도시한다. 마이크로그래프들에서 증명된 바와 같이, DNA 시퀀싱을 위하여 이용가능한 이 전극 쌍들은 각각의 나노-갭 상에서 하나의 분자씩 브릿징될, 단백질 또는 프래그먼트화된 DNA 와 같은 바이오분자들을 부착하거나 고정시키기 위한 전극들의 단부들에서 5 내지 20 나노-갭 및 한 쌍의 Au 아일랜드들을 가진다. 브릿징 바이오분자들을 갖는 전극 쌍들을 포함하는 디바이스들은 전기적 측정들을 통한 DNA 시퀀싱의 무-형광 (무-라벨) 검출에서 유용하다. 이 마이크로그래프들에서 성공적인 것으로서 증명된 예에서, 구조체들은 2-단계 전자-빔 리소그래피 패턴화와, 그 다음으로, 금속 퇴적 및 리프트-오프 (lift-off) 프로세스에 의해 만들어졌다. 이 경우, Au 필러들은 전극 팁들 상에서 퇴적되었고, 추후에, 상승된 온도에서 전극들을 어닐링함으로써 구형-볼 Au 아일랜드들로 변환되었다.
도 17 은 2 개의 구체화된 전극 쌍 구조체들 (a) 및 (b) 를 설명한다. 각각의 실시형태의 상단에서의 예시는 전극 구조체의 도해적 표현이고, 아래의 전자 마이크로그래프는 성공적인 실시형태를 도시한다. 양자의 (a) 및 (b) 이미지들은, 각각이 스케일링-업 제조를 위한 나노-임프린트 리소그래피 또는 전자-빔 리소그래피에 의해 생성된, 상이한 형상들을 갖는 나노-전극 기하구조들의 평면도들이다. (a) 실시형태에서, 지시된 단부를 포함하는 예리한-팁 전극들은 전착을 이용하여 Au 아일랜드들과 함께 퇴적되었다. (b) 실시형태에서, 예리한-팁 전극들은 Au 가 우선적으로 퇴적되는 전극의 좁은 부분들로 되는 곡률로 제공된다. (b) 실시형태에서는, Au 아일랜드들이 또한 전착되었다. 양자의 (a) 및 (b) 실시형태들에서, 전극들의 예리한 단부들에서 퇴적시키기 위한 Au 에 대한 선호도는 명백하다. 위에서 논의된 바와 같이, 전극들의 예리한 단부들은 전착 동안에 더 높은 전하 밀도를 경험하고, Au 는 더 높은 전하 밀도를 가지는 이 부위들에서 우선적으로 퇴적된다. 오직 한 쌍의 전극들이 실시형태들 (a) 및 (b) 에서 이미징되지만, 대량 병렬 동작들이 실행되고, 여기서, Au 아일랜드들은 전극 팁들에서 또는 전극 팁들 근처에서의 우선적인 퇴적을 위한 더 높은 전류 밀도를 유도하기 위하여 예리한 또는 테이퍼링된 포인트들을 사용함으로써 전극 팁들에서 국소화된 복수의 전극들 상에서 전착된다.
도 18 을 지금부터 참조하면, 패시베이션 층의 추가 및 이용이 예시된다. 논의된 바와 같이, Au 퇴적은 전극 팁들에서 또는 전극 팁들 근처에서 이외의 전극들 상의 부위들에서 발생할 수도 있고, 이 잘못된 퇴적부들은 바이오분자들과의 원하지 않는 바인딩으로 진입할 수 있을 것이다. 이에 따라, 다양한 실시형태들에서, 이 우연한 Au 퇴적부들은 전극들의 오직 중요한 영역들, 즉, 팁들이 바이오분자들과의 자체-조립 바인딩에 참여하기 위하여 노출되고 이용가능한 것으로 유지되도록, 패시베이션으로 커버될 수 있다. 도 18 의 상단에서는, 패시베이션 층들이 전극 쌍과 관련하여 어디에 위치되는지를 도해적으로 도시하기 위한 예시가 제공된다. 전자 마이크로그래프는 전극 쌍 상부의 정위치에서패시베이션 층을 성공적으로 도시한다. 전자-빔 리소그래피 패턴화에 의해 이 경우에 추가된, 마이크로그래프에서 도시된 패시베이션 층은 전극 표면 상에서의 잘못된 퇴적부들로서 존재하는 임의의 다른 Au 로의 원하지 않는 바이오분자 부착을 방지한다. 게다가, 이러한 패시베이션 층은 용액들로의 화학적 노출로부터 전극들을 보호하고, 원하지 않는 누설 전류가 다양한 용액들을 통해 흐르는 것을 방지한다. 여기에서 구체화된 패시베이션 층은 SiO2 이지만, 폴리머 레지스트들 (예컨대, PMMA, SU8 등), 또는 실리콘 나이트라이드와 같은 반도체-기반 재료들과 같은, 리소그래픽 방법들과 호환가능한 다양한 다른 절연 재료들이 이용될 수 있다. 또한, 전자-빔 리소그래피 외에도, 다른 나노-리소그래피 패턴화가 전극들 상에서 패시베이션 층을 추가하기 위하여 이용될 수 있다.
도 19 는 제조된 멀티-Au-비드 전극들을 입증하는 전자 마이크로그래프를 설명한다. 이 예에서, 얇은 금 막은 Ti 전극들 상에서 퇴적되었고, 그 다음으로, 퇴적된 막은 어닐링되었다. 마이크로그래프에서 증명된 바와 같은 결과들은 전극들의 중심선을 따라 배열된 균일한 크기이고 이격된 Au 비드들의 행 (row) 들이다.
도 20 은 제조된 멀티-금-비드 전극들의 또 다른 실시형태를 입증하는 전자 마이크로그래프를 제공한다. 이것은 전극들의 중심선을 따라 배열된 균일한 크기이고 이격된 Au 비드들의 행들을 생성하는, 기저 Ti 전극 상에서 퇴적된 얇은 Au 막을 어닐링한 결과를 예시한다.
도 21 은 전극들의 팁들 근처에서의 오직 영역을 개방한 채로 남겨두는, 감지 응용들에서의 이용을 위한 패시베이션 층의 성공적인 추가를 입증하는 전자 마이크로그래프를 제공한다. 이러한 방법으로, 오직 한 쌍 (또는 최대한으로 몇 개의) Au 비드들은 타겟화된 분자 브릿지 바인딩을 위한 컨택 포인트들로서 노출된 채로 남겨진다. 이 예에서, 패시베이션 층은 SiO2 이고, 이것은 (파선 원 영역에 의해 표시된) 팁들 근처에서의 100 nm 폭 영역을 개방한 채로 남겨둔다.
본 개시물의 다양한 실시형태들에서는, 바이오분자가 Au 아일랜드 쌍 상으로 부착할 확률을 증대시키는 것이 바람직할 수도 있다. 이 목적을 위하여, 예컨대, Au 아일랜드로의 바이오분자의 더 용이하고 이에 따라 더욱 가능성 있는 접착/부착을 보장하고, 게놈 시퀀싱을 위한 신뢰성 있고 강인한 분자 전자 브릿지를 보장하기 위하여, Au 아일랜드의 표면은 가능한 한 프레시하게 되도록 될 수 있다. Au 표면은 유기 또는 무기 오염물들의 미량 (trace amount) 들로 오염되게 될 수도 있다. 이러한 오염물의 예는 Au 아일랜드들을 갖는 전극이 공기 중에서 남겨졌거나 확장된 시간의 주기 동안 수용 용액 또는 용매와 접촉할 때에 발생하는 탄소질 코팅 (carbonaceous coating) 이다.
본 개시물에 따르면, 몇몇 신규한 접근법들이 Au 아일랜드들 상의 프레시한 Au 표면을 보장하기 위하여 이용된다. 이 접근법들은 (1) 차감 프로세스; (2) 첨가 프로세스; (3) 열적 또는 방사상 표면 클리닝 프로세스; 및 (4) Au 표준 조성물의 개질을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는다. 이 접근법들은 이하의 본원에서 상세하게 설명된다. 도 22 는 이 4 개의 상이한 접근법들을 도시하는 플로우차트를 예시하고, 여기서, 이 방법들은 타이밍 시퀀스에 있어서, 무-라벨 시퀀싱 분석 디바이스를 만들기 위하여 이용된 다른 단계들에 맞춘다. 흐름도에서 예시된 바와 같이, 이 4 개의 방법들 중의 임의의 하나 이상은 전극 기판들 상에서의 Au 아일랜드 형성 후에 수행된다. 즉, Au 아일랜드들은 나노-전극들 (예컨대, Pt, Pd, Rh, Ti, 또는 Au) 상으로 먼저 퇴적될 것이다. 그 다음으로, 일부 잘못된 오염이 그 후에 발생할 경우, 이 접근법들 중의 적어도 하나는 그 다음으로, Au 아일랜드들의 Au 표면들을 리프레시 (refresh) 하기 위하여 이용될 수 있다. 다른 실시형태들에서, 이 4 개의 프로세스들 중의 임의의 하나 이상은 또한, Au 아일랜드들의 퇴적 이전에 Au 나노-전극들의 표면을 프레시 (freshen) 하기 위하여 Au 나노-전극들 상에서 이용될 수 있다. 그 후에, Au 나노-전극들 상에서 퇴적된 Au 아일랜드들은 오염을 진전시켰을 수도 있고, 4 개의 프로세스들 중의 하나 이상은, 이번에는 Au 아일랜드들의 표면들을 리프레시하기 위하여 다시 반복될 수 있다. 어느 하나의 시나리오에서, Au 아일랜드들이 이 4 개의 프로세스들 중의 적어도 하나를 수행함으로써 프레시된 후, 그 다음으로, 나노-전극 어레이는 미세유체 환경에서 인케이싱되고, 수용 용액과 같은 바이오분자 공급부를 거치게 된다. 도 22 의 플로우차트에서 표시된 바와 같이, Au 아일랜드들로의 바이오분자들의 강인한 부착은 Au 아일랜드들 상의 프레시한 Au 표면들로 인해 발생할 것이다. 그 후에, 디바이스들은 각각의 나노-전극 쌍에 걸친 분자 브릿지들의 이용에 의해 무-라벨 시퀀싱 분석을 위하여 이용될 수 있다.
차감 프로세스:
프레시한 Au 표면을 노출하기 위하여, Au 아일랜드 쌍들은 스퍼터 에칭 또는 이온 에칭을 거치게 된다. 제거된 Au 의 양은 최소이어야 하므로, 제거된 Au 원자들은 근처의 영역들 상으로 퇴적되는 것으로 되지 않고, 그래서, 바이오분자들은 우연히 부착할 수도 있다. 다양한 실시형태들에서, 제거되어야 할 Au 의 양은 평균적으로 Au 의 최대한으로 10 개의 원자 층들과 동등한 것을 포함한다. 다른 실시형태들에서, 제거되어야 할 Au 의 양은 Au 의 최대한으로 5 개의 원자 층들과 동등한 것을 포함한다. 다른 실시형태들에서, 제거되어야 할 Au 의 양은 Au 의 최대한으로 평균 2 개의 원자 층들과 동등한 것을 포함한다.
첨가 프로세스:
새로운 Au 원자들의 매우 얇은 층은 현존하는 Au 아일랜드들의 표면 상으로 추가될 수 있다. 스퍼터 퇴적, 증발, 무전해 퇴적, 전기도금, 또는 이온 주입은 Au 의 프레시한 양을 추가하기 위하여 수행될 수 있다. 새롭게 추가된 Au 의 양은 근처의 영역들 상에서 Au 를 퇴적시키지 않도록 최소이어야 하고, 이것은 이 근처의 영역들로의 바이오분자들의 원하지 않는 본딩을 유도할 수도 있다. 다양한 실시형태들에서, 이러한 또는 다른 방법들에 의해 추가되어야 할 Au 의 양은 평균적으로 Au 의 최대한으로 5 개의 원자 층들과 동등하다. 다른 실시형태들에서, 추가되어야 할 Au 의 양은 Au 의 최대한으로 3 개의 원자 층들, 또는 Au 의 최대한으로 1 개의 원자 층과 동등하다.
열적 또는 방사상 표면 클리닝:
분자 브릿지 형성을 위한 한 쌍의 Au 아일랜드들을 포함하는 디바이스 구조체는 예컨대, 공기, 질소, 또는 아르곤에서, 또는 임의의 다른 비활성 분위기에서 약 0.01 로부터 약 10,000 분까지의 총 시간 주기 동안에, Au 아일랜드 함유 디바이스를 약 100 ℃ 로부터 약 500 ℃ 까지, 그리고 바람직하게는 약 200 ℃ 로부터 약 400 ℃ 까지의 온도에 노출시킴으로써, 열적 어닐링 프로세스를 거치게 될 수 있다. 이하에서 주어진 예는 리프레시된 Au 아일랜드들로의 더 강이한 바이오분자 부착을 입증한다.
온도-감지 반도체 컴포넌트들을 포함하는 전자 센서 디바이스들에 대하여, 약 200 ℃ 보다 더 높은 온도들에 대한 노출은 바람직하지 않다. 이러한 경우, 단펄스 (short pulse) 타입 가열, 또는 선택적인 국소화된 가열 방법 중의 어느 하나가 본 개시물에 따라 사용될 수 있다. 발명에 따른 방사 처리의 다양한 방법들에 대한 더 상세한 설명들은 이하에서 제공된다:
단펄스 가열 (즉, 열적 방사) 의 다양한 실시형태들에서는, 하부의 전자 디바이스 영역들로의 열 전파가 최소화되도록, 적외선 (IR) 또는 레이저 광의 높은 세기이지만 넓혀진 면적 빔이 펄스 모드 가열 (예컨대, 분 당 10 보다 더 빈번한 펄스들) 에서와 같이, 디바이스 표면 상으로 방사될 수 있다.
대안적인 실시형태들에서, 고도로 포커싱된 레이저 빔 또는 적외선 광 빔은 예컨대, 100 μm 미만, 바람직하게는 2 μm 미만, 그리고 훨씬 더 바람직하게는 0.1 μm 미만의 빔 직경으로, Au 아일랜드들 근처의 영역들을 국소적으로 가열하도록 채용될 수 있다. 어떤 양태들에서, 이것은 빔 포커싱 도파관의 이용에 의해 달성될 수 있다.
다른 양태들에서, Au 와 같은 금속성 아일랜드들의 선택적인 가열은 반복하는 펄스 모드 가열/냉각 사이클들을 이용하는 것에 의한 것과 같이, 마이크로파 가열을 이용하여 가능하게 될 수 있다. 예를 들어, 이 RF 주파수 범위는 오직 전도성 컴포넌트들을 우선적으로 그리고 선택적으로 가열하는 경향이 있으므로, 예컨대, 5 KHz 내지 500 KHz 주파수에서의 라디오 주파수 (radio frequency; RF) 방사가 사용될 수 있다. 이것은 금속성 뿐만 아니라 비-금속성 컴포넌트들, 유기/단백질 재료들, 및 물이 방상에 의해 모두 가열되는 기가헤르쯔 (gigahertz; GHz) 범위에서의 마이크로파 방사와 대조적이다.
Au 아일랜드 표면 화학적 개질들:
생물학적 디바이스들에서의 Au 표면이 황-함유 화학적 컴포넌트들 (예컨대, Au 표면들에 본딩하기 위한 티올 기능화된 화학물질들) 과 조합하여 이용될 수도 있으므로, Au 표면의 활성도는 황 원자들이 의도적으로 추가될 경우에 증대될 수 있다. 추가된 황 원자들을 갖는 Au 표면들의 이러한 개질은 황 원자들이 예컨대, 약 5 로부터 약 200 KV 까지의 가속 전압에서, 그리고 약 105 내지 1016 이온들/cm2 의 도우즈 (dose) 로, 예컨대, 이온 주입될 경우에 정밀하게 제어된 방식으로 달성될 수 있다. 주입된 이온들은 그것들이 기계적으로 강인하게 유지되는 금속 표면으로 박힌다.
본원에서의 또 다른 실험 관찰은 Au 퇴적 및 추후의 어닐링 이전에 퇴적된 접착 층의 타입이 바이오분자 부착이 Au 아일랜드들에 대해 얼마나 강인하게 영향을 주는 것인지이다. 예를 들어, 접착 층 재료가 티타늄 (Ti), 지르코늄 (Zr), 또는 탄탈륨 (Ta) 막이 아니라, 기판 표면 (예컨대, SiO2) 상의 크롬 (Cr) 막일 때, Au 아일랜드들의 형성 및 바인딩 성능이 개선된다.
높은 온도에서 (예컨대, 400 ℃ 에서) 의 Au 아일랜드들의 어닐링 후, 아일랜드들에서의 Au 와의 Cr 또는 Ti 의 일부 부분적인 확산 합금화가 발생할 수도 있다. 이 경우, 내화 금속 원소들의 Ti, Zr, Ta, Hf, 또는 V 타입 접착 층을 이용하는 것과 비교하여, Cr 은 Cr 하부 층과의 증대된 접착으로 Au 아일랜드들을 더 반구형으로 (즉, 덜 구형으로) 만들 것이므로, Au 와의 더 큰 고체 상 용해도를 가지는 Cr 이 유익할 수도 있다.
위에서 설명된 실시형태들은 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니라, 본 발명을 오직 예시하기 위한 것이다. 본 발명의 사상에 따른 임의의 동등한 수정 또는 변형은 본 발명의 범위 내에서 또한 포함되어야 한다.

Claims (25)

  1. DNA 또는 게놈 시퀀싱 구조체로서,
    (a) 전극 쌍으로서, 각각의 전극은 팁-형상 단부를 가지고, 상기 전극들은 서로 대면하는 상기 팁-형상 단부들에 의해 정의된 나노갭 (nanogap) 에 의해 분리되는, 상기 전극 쌍;
    (b) 각각의 전극의 각각의 팁-형상 단부에서 또는 각각의 팁-형상 단부 근처에서 퇴적된 적어도 하나의 전도성 아일랜드 (conductive island); 및
    (c) 2 개의 단부들을 가지는 바이오분자 (biomolecule) 로서, 각각의 단부는 하나의 바이오분자가 상기 나노갭을 브릿징하도록, 각각의 전극 상의 상기 적어도 하나의 전도성 아일랜드에 부착되는, 상기 바이오분자를 포함하고,
    상기 바이오분자와의 뉴클레오티드 상호작용들은 형광 엘리먼트의 이용 없이 DNA 또는 게놈 시퀀싱의 전자 모니터링을 제공하는, DNA 또는 게놈 시퀀싱 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 쌍은 백금 (Pt), 팔라듐 (Pd), 로듐 (Rh), 금 (Au), 또는 티타늄 (Ti) 으로 구성되는, DNA 또는 게놈 시퀀싱 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전도성 아일랜드는 금 (Au) 을 포함하는, DNA 또는 게놈 시퀀싱 구조체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전도성 아일랜드는 각각의 전극의 각각의 팁-형상 단부에서 또는 각각의 팁-형상 단부 근처에서의 금 (Au) 의 전착 (electrodeposition) 에 의해 획득된 금 (Au) 기반 나노-팁들을 포함하는, DNA 또는 게놈 시퀀싱 구조체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전도성 아일랜드는 각각의 전극의 각각의 팁-형상 단부에서 또는 각각의 팁-형상 단부 근처에서의 금 (Au) 의 전착과, 그 다음으로, 포스트-전착 어닐링 (post-electrodeposition annealing) 에 의해 획득된 금 (Au) 기반 나노-팁들을 포함하는, DNA 또는 게놈 시퀀싱 구조체.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전도성 아일랜드는 필러 (pillar) 의 형상이고, 상기 필러는 전착 프로세스를 통해 각각의 전극 상에서 성장되는, DNA 또는 게놈 시퀀싱 구조체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 필러는 직경에서의 20 nm 미만 및 높이에서의 25 nm 미만을 측정하는, DNA 또는 게놈 시퀀싱 구조체.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 필러는 직경에서의 7 nm 미만 및 높이에서의 10 nm 미만을 측정하는, DNA 또는 게놈 시퀀싱 구조체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전도성 아일랜드는 20 nm 미만의 노출된 치수를 가지는 나노-팁 형상 또는 나노-필러 형상 전도성 아일랜드를 형성하기 위한 전착된 또는 무전해 퇴적 (electroless deposite) 된 금속을 포함하는, DNA 또는 게놈 시퀀싱 구조체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 나노-팁 또는 나노-필러는 각각의 전극 상에서의 전착 또는 무전해 퇴적 (electroless deposition) 후의 상기 나노-팁 또는 나노-필러 구조체와 비교하여, 적어도 10 % 만큼 상기 나노-팁 또는 나노-필러의 노출된 표면의 표면적을 증가시키기 위하여 적어도 30 % 의 공극률을 가지는 분지된 또는 다공성 표면을 포함하는, DNA 또는 게놈 시퀀싱 구조체.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 구조체는 3 차원 어레이를 형성하기 위하여 복수의 전극 쌍들의 층들을 포함하는, DNA 또는 게놈 시퀀싱 구조체.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전극 쌍들은 각각의 쌍으로부터의 하나의 전극이 공통 리드 배선에 의해 함께 편성되고 각각의 쌍에서의 다른 전극들의 각각이 서로 비접속된 상태로 남겨지도록 서로에게 접속되어, 각각의 전극 쌍의 독립적인 및 순차적인 인터로게이션 (interrogation) 을 가능하게 하는, DNA 또는 게놈 시퀀싱 구조체.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이오분자의 각각의 단부는 항체-항원 커플링 (antibody-antigen coupling) 또는 스트렙트아비딘-비오틴 커플링 (streptavidin-biotin coupling) 을 통해 상기 적어도 하나의 전도성 아일랜드에 부착되는, DNA 또는 게놈 시퀀싱 구조체.
  14. 제 3 항에 있어서,
    상기 바이오분자의 각각의 단부는 티올-금 (Au) 바인딩 또는 금 바인딩 단백질들을 통해 상기 적어도 하나의 전도성 아일랜드에 부착되는, DNA 또는 게놈 시퀀싱 구조체.
  15. 게놈 또는 DNA 시퀀싱 시스템으로서,
    (a) 제 1 항의 상기 DNA 또는 게놈 시퀀싱 구조체; 및
    (b) 상기 구조체를 인케이싱하고, 바이오분자들, 뉴클레오티드들, PBS, 또는 수용액들을 전극 쌍에 공급하기 위하여 이용가능한 미세유체 서브시스템을 정의하는 챔버를 포함하는, 게놈 또는 DNA 시퀀싱 시스템.
  16. 게놈 또는 DNA 시퀀싱 디바이스를 제조하는 방법으로서,
    (a) 기판 상에서 전극 쌍들의 어레이를 배치하는 단계로서, 전극들의 소정의 쌍 내의 각각의 전극은 팁-형상 단부를 가지고, 각각의 쌍에서의 상기 전극들은 서로 대면하는 팁-형상 단부들에 의해 정의된 나노갭에 의해 분리되는, 상기 기판 상에서 전극 쌍들의 어레이를 배치하는 단계;
    (b) 전압을 상기 전극 쌍에 인가함으로써 각각의 팁-형상 단부에서 금 (Au) 을 전착하는 단계로서, 상기 단계에 의하여, 각각의 전극의 각각의 팁-형상 단부의 영역에서의 높은 전류 밀도는 각각의 전극 상에서 금 (Au) 나노-팁을 형성하기 위하여 금 (Au) 의 우선적인 전착을 각각의 팁-형상 단부로 지향시키는, 상기 금 (Au) 을 전착하는 단계; 및
    (c) 하나의 바이오분자가 각각의 전극 쌍에서의 각각의 나노갭 상에서 브릿징하도록, 2 개의 단부들을 가지는 바이오분자의 각각의 단부를 상기 금 (Au) 나노-팁들에 부착하는 단계를 포함하는, 게놈 또는 DNA 시퀀싱 디바이스를 제조하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 전극 쌍들은 백금 (Pt), 팔라듐 (Pd), 또는 로듐 (Rh) 을 포함하는, 게놈 또는 DNA 시퀀싱 디바이스를 제조하는 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 기판은 SiO2 절연체 표면을 갖는 실리콘 (Si) 을 포함하는, 게놈 또는 DNA 시퀀싱 디바이스를 제조하는 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    금속 전극들로의 금 (Au) 의 추가적인 확산 본딩을 유도하기 위하여 약 200 내지 약 800 ℃ 에서 단계 (b) 후에 전극 쌍들의 상기 어레이를 열 처리하는 단계를 더 포함하는, 게놈 또는 DNA 시퀀싱 디바이스를 제조하는 방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 전극들의 상기 팁-형상 단부들 이외의 로케이션들에서 원하지 않는 잘못된 Au 퇴적부들을 커버하기 위하여, 단계 (c) 이전에, 전극 쌍들의 상기 어레이 상에서 패시베이션 층을 패턴화하는 단계를 더 포함하는, 게놈 또는 DNA 시퀀싱 디바이스를 제조하는 방법.
  21. 게놈 또는 DNA 시퀀싱 디바이스를 제조하는 방법으로서,
    (a) 기판 상에서 전극 쌍들의 어레이를 배치하는 단계로서, 전극들의 소정의 쌍 내의 각각의 전극은 단부를 가지고, 각각의 쌍에서의 상기 전극들은 서로 대면하는 상기 전극들의 상기 단부들에 의해 정의된 나노갭에 의해 분리되는, 상기 기판 상에서 전극 쌍들의 어레이를 배치하는 단계;
    (b) 상기 전극들 상에서 마스크 레지스트 층을 배치하는 단계;
    (c) 개구부들, 전극 당 하나의 개구부를 형성하기 위하여 상기 마스크 레지스트 층을 나노-패턴화하는 단계로서, 각각의 개구부는 각각의 나노갭에 있거나 각각의 나노갭 근처에 있는, 상기 마스크 레지스트 층을 나노-패턴화하는 단계;
    (d) 금 (Au) 나노-필러들을 형성하기 위하여 각각의 개구부를 통해 각각의 전극 상에서 금 (Au) 을 전착하는 단계; 및
    (e) 하나의 바이오분자가 각각의 전극 쌍에서의 각각의 나노갭 상에서 브릿징하도록, 2 개의 단부들을 가지는 바이오분자의 각각의 단부를 상기 금 (Au) 나노-필러들에 부착하는 단계를 포함하는, 게놈 또는 DNA 시퀀싱 디바이스를 제조하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 전극 쌍들은 백금 (Pt), 팔라듐 (Pd), 또는 금 (Au) 을 포함하는, 게놈 또는 DNA 시퀀싱 디바이스를 제조하는 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 기판은 SiO2 절연체 표면을 갖는 실리콘 (Si) 을 포함하는, 게놈 또는 DNA 시퀀싱 디바이스를 제조하는 방법.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 레지스트 층은 PMMA 또는 수소 실세스퀴옥산 (hydrogen silsesquioxane; HSQ) 을 포함하는, 게놈 또는 DNA 시퀀싱 디바이스를 제조하는 방법.
  25. 제 21 항에 있어서,
    상기 금 (Au) 나노-필러들은 각각의 개구부 내에서 성장하고, 각각의 개구부는 금 (Au) 의 상기 전착에 의해 충전되는, 게놈 또는 DNA 시퀀싱 디바이스를 제조하는 방법.
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