KR20180108920A - 분자의 분석 및 식별을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

분자의 분석 및 식별을 위한 방법 및 장치

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KR20180108920A
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Abstract

분자의 분석 및 식별을 수행하기 위한 장치 및 방법이 제공된다. 1실시예에 있어서, 휴대가능 분자 분석기는 샘플을 받아들는 샘플 입력/출력 연결부와, 실질적으로 실시간으로 샘플 상에서 분석을 수행하는 나노포어 기반 염기서열결정 칩, 및 분석의 결과를 출력하는 출력 인터페이스를 포함한다.

Description

분자의 분석 및 식별을 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR THE ANALYSIS AND IDENTIFICATION OF MOLECULES}
본 발명은 일반적으로 분자(molecules)의 분석 및 식별에 관한 것으로, 특히 실시간, 휴대가능, 나노포어 기반 분자 분석 장치(real-time, portable, nanopore-based molecule analysis apparatus)를 제공에 관한 것이다.
핵산(nucleic acids), DNA(deoxyribonucleic acid), 및/또는 RNA(ribose nucleic acid)가 존재하고, 모든 살아있는 유기체(living organism)에서는 고유한 염기서열(unique sequences)을 갖는다. 이는 다양한 바이오 약품(bio-agents)을 위한 한정적인 식별로서 자연스럽게 그 자체를 빌려 준다. 따라서, 여기서 게놈 분석(genomic analysis)으로 널리 언급되는, 핵산, DNA 및/또는 RNA의 분석은 살아있는 유기체를 연구하는데 매우 유용하다. 그러나, 마이크로어레이(microarray), 파이로시퀀싱(pyrosequencing), 합성에 의한 염기서열결정(sequencing by synthesis), 및 라이게이션에 의한 염기서열결정(sequencing by ligation)과 같은, 현재 시판되고 있는 핵산 염기서열결정 기술(nucleic acid sequencing technologies)은 다양한 측면에서 매우 제한된다. 예컨대, 이들 기술의 몇몇 또는 전부는 실시간 분석을 할 수 없고, (중합효소연쇄반응(polymerase chain reaction)과 같은) 긴 샘플 핵산 증폭 공정 및 프로토콜을 요구하며, (전형적으로 샘플 핵산의 작은 조각을 분석하는데 약 몇 일 내지 몇 주가 걸리는) 긴 총 처리 시간을 갖고, 높은 동작 비용을 갖으며(이들 몇몇은 고가의 화학물질 시약을 이용함), 높은 거짓-양성 에러율(high false-positive error rates)을 갖고, 그리고 휴대를 할 수 없다.
현재의 핵산 염기서열결정 기술의 상기한 제한 때문에, 의학 전문가(medical professionals), 안전 요원(security personnel), 과학자(scientists) 등과 같은, 필드에서 일하고 있는 사람들은 현장에서 국소적으로 게놈 분석을 실행할 수가 없다. 오히려, 필드 작업자들은, 샘플에 존재하는 핵산을 식별하기 위해, 몇 일 동안 또는 몇 주까지 분석되어지는 특정 연구소로 샘플을 수집하여 운반해야만 한다. 미국에서의 구제역, 아시아에서의 SARS(Severe Acute Respiratory Syndrome) 창궐, 및 최근의 멕시코 및 미국에서의 HlNl 플루(또한 통상적으로 돼지 독감으로 알려진) 창궐과 같은, 특히 전염병 대유행 창궐 동안, 이러한 긴 지루한 공정은 게놈 분석을 위한 오늘날의 요구에 거의 부합될 수 없다. 현재의 핵산 염기서열결정 기술을 이용하면, 비록 불가능하지는 않지만, 당국이 사회에 막대한 안전성 및 경제적 충격을 가질 수 있는 빠르게 정보에 근거한 결정을 공식화하는 것은 어렵다.
상기 핵산 염기서열결정 기술의 부족에 대처하기 위해, 과학자들은 다양한 나노포어 기반 염기서열결정 기술(nanopore-based sequencing technologies)을 개발하였다. 최근, 옥스포드 대학교의 하간 베이리 교수(Professor Hagan Bayley)와 그 동료는 바이오-나노포어(bio-nanopore) 실험에서 α-헤모리신(α-haemolysin)을 이용해서 99.8% 정확도를 갖는 긴 판독(long read)을 증명하였다. 확립된 검출 속도를 기초로, 256×256 나노포어의 어레이가 약 30분 내에 그 전체에서 인간 게놈을 분석하는데 일반적으로 충분하다. 성공적으로 바이오-나노포어 어레이를 실현할 수 있다면, 이는 중대한 시기의 승리로 된다. 그러나, 바이오-나노포어에 대한 하나의 결점은, 전형적으로 몇 시간 내지 몇 일인, 바이오-나노포어를 형성하는데 이용된 단백질(proteins) 및 효소(enzymes)의 비교적 짧은 수명이다.
고체 나노포어의 구성에 포함된 바이오-시약(bio-reagent)이 존재하지 않으므로, 고체 나노포오(solid state nanopores)는 바이오-나노포어에 대한 더욱 확고한 대안이다. 그러나, 반도체 산업에서 채택된 통상적인 리소그래피 기술은 고체 나노포어 기반 염기서열결정 기술에 의해 요구된 2nm 형상 크기를 정의하는 것이 가능하지 않다. 따라서, 더욱 다른 제조 기술, 예컨대 전자/이온 밀링(electron/ion milling)이 차례로 나노포어를 연속적으로 새기는데 이용되고 있다. 그러나, 이들 기술들은 적당한 비용 및 합리적 생산 시간을 갖는 256×256 어레이를 생산하는데 어림잡을 수 없다.
본 발명은 실시간, 휴대가능, 나노포어 기반 분자 분석 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 실시간, 휴대가능, 나노포어 기반 분자 분석 장치를 제공한다.
도 1은 나노포어 기반 염기서열기(nanopore-based sequencer) 및 관련 나노포어 기반 염기서열결정 바이오칩(nanopore-based sequencing biochip)의 1실시예를 나타낸다.
도 2a는 나노포어 기반 핵산 염기서열결정의 검출 및 분석 동안 분자의 전위 과정(translocation process)의 1실시예를 나타낸다.
도 2b는 빈 기공(empty pore)의 배경 신호(background signal)와의 비교로서 핵산 염기서열의 대응하는 예시적 전기적 판독을 나타낸다.
도 3은 에칭(etch) 및 퇴적(deposition) 양쪽을 위한 나노전사법(nanopantography)에서 이용된 아인젤 렌즈(Einzel lens)의 1실시예의 측면도 및 상면도이다.
도 4a 내지 도 4e는 나노포어 및/또는 나노포어 어레이를 제조하기 위한 감산 방법(subtractive method)의 1실시예를 나타낸다.
도 5a 내지 도 5i는 나노포어 및/또는 나노포어 어레이를 제조하기 위한 가산 방법(additive method)의 1실시예를 나타낸다.
도 6은 나노링(nanoring)의 1실시예 및 나노슬릿(nanoslit)의 1실시예를 나타낸다.
도 7은 측정 챔버(measurement chamber)의 바닥 공동(bottom cavity)을 형성하기 위한 본딩된(bonded) 나노포어 어레이 웨이퍼(nanopore array wafer) 및 집적회로 웨이퍼의 1실시예를 나타낸다.
도 8은 측정 챔버의 상부 공동(top cavity)을 형성하기 위한 본딩된 상부 웨이퍼(top wafer) 및 복합재 웨이퍼(composite wafer)의 1실시예를 나타낸다.
도 9는 나노포어 기반 염기서열기(nanopore-based sequencer)와 함께 동작할 수 있는 전류 감지 회로(current sensing circuit) 및 전압 바이어싱 구조(voltage biasing scheme)의 1실시예를 나타낸다.
도 10a는 나노포어 기반 염기서열기의 1실시예를 나타낸다.
도 10b는 다중 측정 챔버의 1실시예를 나타낸다.
도 11은 측정 챔버를 통한, 마이크로유체 채널(microfluidic channel) 및 나노유체 채널(nanofluidic channel)에 따라, 샘플 입구로부터 샘플 출구까지의 선택된 경로를 따르는 나노포어 기반 염기서열기의 1실시예의 단면도를 나타낸다.
도 12는 매립된 전극을 갖는 3층 바이오칩 구성(trilayer biochip structure)의 1실시예를 나타낸다.
도 13a는 나노포어 검출을 위한 바이어싱 및 감지 구조의 1실시예를 나타낸다.
도 13b는 평면 전극 구현(planar electrode implementation)의 1실시예를 나타낸다.
도 13c는 평면 전극 구현에서 감지 전극(sensing electrodes) 및 나노슬릿(nanoslit)의 1실시예의 상면도를 나타낸다.
도 14는 나노포어 기반 염기서열기의 1실시예의 하이-레벨 하드웨어 구조를 나타낸다.
도 15는 나노포어 기반 염기서열기의 1실시예에서의 게놈 분석 소프트웨어와 동작 시스템을 위한 소프트웨어 및 관련 하드웨어의 하이-레벨 구조를 나타낸다.
이하의 설명에 있어서, 본 발명의 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해 다양한 특정 상세가 특정 구성요소, 장치, 방법 등의 예와 같이 설명된다. 그러나, 이들 특정 상세는 본 발명의 실제 실시예에 채택될 필요가 없음이 당업자에게는 명백하게 된다. 다른 예에 있어서, 잘 알려진 재료 또는 방법은 본 발명의 실시예를 불필요하게 불분명하게 하는 것을 회피하기 위해 상세하게 설명하지 않는다.
핵산(nucleic acids), 아미노산(amino acids), 펩타이드(peptides), 단백질(proteins) 및 폴리머(polymers), 그리고 카본 나보튜브(carbon nanotubes), 실리콘 나노막대(silicon nanorods) 및 코팅된/비코팅된 금 나노입자(coated/uncoated gold nanoparticles)와 같은 나노미터 크기 입자(nanometer sized particles)와 같은 분자의 분석 및 식별을 수행하기 위한 장치 및 방법의 다양한 실시예가 이하 설명된다. 이하의 논의는, 개념을 설명하기 위해, 분자 분석의 한의 예, 즉 게놈 분석에 촛점이 맞추어져 있음을 주지해야 한다. 종래 기술 중 하나는 여기에 개시된 기술이 일반적으로 분자를 분석 및 식별하는데 적용가능함이 용이하게 인식되어진다. 1실시예에 있어서, 나노포어 기반 염기서열기(nanopore-based sequencer)는 휴대가능 게놈 분석 시스템(portable genomic analysis system)이다. 도 1은 휴대가능 나노포어 기반 염기서열기(110) 및 관련된 나노포어 기반 염기서열결정 바이오칩(120)의 실시예를 나타낸다. 도 2a에 나타낸 바와 같이, 검출 및 분석 동안, 테스트 하의 샘플에서의 분자는 나노-치수 기공(nano-scale pore)(또한 나노포어(nanopore)로서 칭해짐)을 통해 용액(solution)에서 전기영동적으로(electrophoretically) 구동된다. 몇몇 실시예에서, 나노포어의 크기는 약 2nm이다. 나노포어의 크기는 다른 실시예에서는 변할 수 있음을 주지해야 한다. 예컨대, 몇몇 실시예에서는 나노포어가 고정된 동일한 크기이다. 몇몇 다른 실시예에 있어서, 나노포어는 다른 크기이다. 더욱이, 나노포어의 형상은, 원(circles), 타원(ovals), 길게 늘어진 슬릿(elongated slits) 등과 같이, 동일한 실시예 또는 다른 실시예에서 또한 변할 수 있다. 나노포어 내로 한정된 공간에서 분자의 상대 크기 및 이동 속도(travelling speed)를 조건으로 하여, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 다른 진폭 및 구간의 전류 펄스와 같은, 다양한 전기적 특성이 분자를 식별하기 위해 관찰되어 이용될 수 있다. 결과적으로, 핵산 염기서열의 직접 판독이 테스트 하에서 분자를 파괴시키는 것 없이 달성될 수 있다. 즉, 측정이 핵산 염기서열 온전성을 유지하면서 핵산 염기서열에 대해 만들어질 수 있게 된다.
다중 제조 기술은, 기본적인 제한없이 몇몇 실시예에서 약 2nm 기공의 어레이를 포함하는, 나노포어 어레이를 대량으로 제조하는데 이용될 수 있다. 몇몇 예시적 제조 기술의 상세가 개념을 설명하기 위해 이하 상세하게 설명된다. 종래 기술 중 하나는 이들 기술에 대해 다른 비교가능 제조 기술 또는 변화가 나노포어 어레이를 제조하는데 채택될 수 있음이 인지된다. 마이크로-/나노-유체 채널(micro-/nano-fluidic channels)의 네트워크에 통합함으로써, 나노포어 기반 염기서열기는 전례가 없는 속도로 사람의 개입 없이 게놈을 정확하게 해독할 수 있다.
게놈 분석에서 작은 폼-팩터(form-factor) 및 속도 외에, 나노포어 기반 염기서열기의 몇몇 실시예는 다음의 추가적인 이점을 제공한다. 하나의 이점은 바이오 약품(bio-agents)의 어떠한 돌연변이에 대해 미래에도 경쟁력을 갖춘 준비된 생산이다. 나노포어 기반 염기서열기는 결과들이 테스트 하에서 게놈의 이전 지식을 요구하지 않는 직접 판독 기술이기 때문에, 이는 가능하다. 더욱이, 전체 분석 공정 동안 나노포어가 나노포어 기반 염기서열결정 바이오칩 내부에 항상 에워싸여져 소정의 원하지 않은 외부 물질에 노출되지 않음에 따라 중성(sterility) 및 청결(cleanliness)이 나노포어에 대해 항상 보증되기 때문에, 나노포어 기반 염기서열기의 몇몇 실시예는 극단적 상태 및 불결한 환경에서 동작할 수 있다.
포켓용 휴대가능 장치로서, 나노포어 기반 염기서열기의 몇몇 실시예는 많은 다른 산업 및 과학에서의 진보를 가속시킬 수 있다. 예컨대, 상업뿐만 아니라 연구 개발에 있어서, 나노포어 기반 염기서열기의 몇몇 실시예는 기본 연구, 약리유전체학(pharmacogenomics), 박테리아 진단, 병원균 검출, 농업, 식품 산업, 생물 연료 등에서 유용할 수 있다. 다른 예로서, 나노포어 기반 염기서열기의 몇몇 실시예는 빠른 DNA 법의학, 통관항 바이오-스크리닝(port-of-entry bio-screening) 등에서 유용할 수 있다.
나노포어 기반 염기서열결정을 위한 나노포어 어레이
1970년대에 컬터 카운터(Coulter Counter)의 저항성 펄스 기술(resistive-pulse technique)을 토대로, 디브로이스(DeBlois) 및 동료는 그 크기 및 전기영동 이동성(electrophoretic mobility)에 의해 입자를 특징화함에 있어 단일 서브미크론 직경 기공(single submicron diameter pores)의 이용을 성공적으로 증명하였다. 계속해서, 딤머(Deamer)는 유전자 염기서열결정(gene sequencing)을 위해 나노미터 크기 기공을 이용하는 아이디어를 제안하였다. 그 및 그의 동료는 ssDNA(single-stranded DNA) 및 RNA 분자가 기공-형성 단백질(pore-forming protein)을 통해 구동되고 이 나노포어를 통한 이온 전류(ionic current) 상의 그들의 효과에 의해 검출될 수 있음을 증명하였다. 최근에 증명된 높은 염기서열결정 속도를 감안할 때, 나노포어 기반 염기서열결정의 진보는 급속한 게놈 분석을 위한 나노포어의 큰 어레이를 생성하는데 저가이고 병렬 쓰기 제조 공정(parallel-write fabrication process)의 결여에 의해 방해된다. 대부분의 통상적인 리소그래피 방법, 전자 밀링, 이온 밀링, 및 실리콘 에치 백(silicon etch back)은 실시간 게놈 분석을 위해 요구된 나노포어 어레이를 제조하는데에는 실용적인 수단이 아니다. 최근까지 휴스톤 유니버시티의 도넬리(Donnelly)와 동료는 많은 제한 없이 2nm 나노포어 어레이를 대량으로 제조할 수 있는 나노전사법(nanopantography)의 몇몇 실시예를 개발하였다. 그들의 시뮬레이션 결과에 따르면, 나노전사법은 1nm 만큼 작은 크기를 갖는 홀(holes) 또는 도트(dots)를 정의할 수 있다. 마이크로-/나노-유체의 기술을 통합하는 것에 의해, 나노전사법은 실시간 또는 실시간에 가까운 게놈 분석 시스템을 달성하는 가능성을 열었다.
나노전사법에 있어서, 넓은, 시준된, 단색에너지 이온 빔(broad, collimated, monoenergetic ion beam)이, 도전성 기판, 예컨대 도우프된 실리콘(Si) 기판 상에 제조된 서브미크론 직경 정전 렌즈(submicron-diameter electrostatic lenses)(도 3에 도시된 바와 같이, 아인젤 렌즈로서 또한 언급됨)의 어레이에 대해 향하게 된다. 렌즈 전극에 대해 적절한 전압을 인가함으로써, 렌즈로 들어가는 "빔렛(beamlets)"은 렌즈의 직경 보다 100배 더 작을 수 있는 스폿(spots)에 대해 촛점지워진다. 이는 1nm 형상이 100nm 렌즈에 의해 정의될 수 있음을 의미하고, 이는 현재의 반도체 프로세싱에서 이용된 포토리소그래피 기술에 의해 처리될 수 있다. 또한, 각 렌즈는 기판 상에 그 자신의 나노미터 형상을 쓰고, 따라서 나노전사법은 병렬-쓰기 프로세스(parallel-write process)이며, 촛점지워진 전자 빔 또는 이온빔의 순차적 쓰기(sequential writing)와는 매우 다르다. 렌즈 어레이는 기판의 일부이기 때문에, 방법은 진동 또는 열 팽창에 의해 야기된 오정렬에 대해 실질적으로 안전하다. 나노미터 형상의 크기는, 직경이 동일하거나 다를 수 있는, 미리 정의된 렌즈의 크기에 의해 제어되고, 예컨대 동일하거나 다른 나노미터 형상의 어레이가 실질적으로 동시에 처리될 수 있다. Cl2 가스의 존재에서 Ar+ 빔을 이용함에 따라, 10nm 직경, 100nm 깊이로 에칭된 Si 홀(holes)이 증명되었다. 에칭은 이온 빔이 촛점지워지도록 상부 금속에 대해 전압이 인가되는 홀에서만 야기될 수 있다. 홀의 나머지는 상부 금속층에 인가되는 전압을 갖지 않게 되고, 빔렛은 촛점지워지지 않게 되며, 전류 밀도는 소정의 적절한 에칭을 야기시키기에는 너무 작게 된다.
나노전사법에 따라, 게놈분석을 위한 나노포어를 제조하기 위한, 2가지 방법, 즉 감산 방법(subtractive method) 및 가산 방법(additive method)이 있다. 직접 에칭 방법(direct etch method)의 하나의 실시예가 이하 먼저 논의되고, 이어 간접 에칭 방법(indirect etch method)의 1실시예의 논의가 이어진다.
A. 나노포어 및/또는 나노포어 어레이를
제조하기 위한 감산 방법의 1실시예
도 4a 내지 도 4e는 나노포어 및/또는 나노포어 어레이를 제조하기 위한 감산 방법의 1실시예를 나타낸다. 도 4a를 참조하면, 질화물(420)이 Si (100) 웨이퍼(410) 상에 퇴적된다. 도 4b에 있어서, 실리콘 또는 금속이 도우프된, 바닥 도전재(422; bottom conducting material)가 퇴적되고, 유전체 스페이서(424; dielectric spacer) 및 상부 금속층(426; top metal layer)이 퇴적된다. 이어, 다수의 아인젤 렌즈(Einzel lenses)가 정의된다. 도 4c를 참조하면, 나노전사법 에칭(nanopantographic etch)이 나노미터 홀(430)을 정의하도록 도전재(422) 상에서 수행되고, 이는 질화물 층(420)에서 나노포어 에칭을 위한 하드마스크(hardmask)로서 이용된다. 도 4d에 있어서, 아인젤 렌즈가 제거된다. 이어 나노포어(430)가 보호를 위해 산화물(435; oxide)로 코팅된다. 마지막으로, 도 4e에 있어서, 측정 챔버의 바닥 공동(440; bottom cavity)이 실리콘 기판(410)의 이면 상에 CMP(chemical mechanical polishing), 리소그래픽 기술 및 수산화칼륨 에칭(potassium hydroxide (KOH) etch)에 의해 형성된다. 이어, 산화물 층(435)이 나노포어(430)를 드러내도록 제거된다.
B. 나노포어 및/또는 나노포어 어레이를
제조하기 위한 가산 방법의 1실시예
도 5a 내지 도 5i는 나노포어 및/또는 나노포어 어레이를 제조하기 위한 가산 방법의 1실시예를 나타낸다. 도 5a를 참조하면, 질화물(520)이 Si (100) 웨이퍼(510) 상에 퇴적된다. 도 5b에 있어서, 실리콘 또는 금속이 도우프된, 바닥 도전재(522), 유전체 스페이서(524) 및 상부 금속층(526)이 퇴적된다. 이어, 아인젤 렌즈가 정의된다. 도 5c에 있어서, 나노막대(nanorod) 또는 나노튜브(nanotube) 성장을 위한 나노-시드(530; nano-seed)가 퇴적된다. 도 5d에서, 나노막대 또는 나노튜브(535)가 성장된다. 도 5e에 있어서, 산화물(540)이 퇴적된다. 도 5f에 있어서, 나노로드 또는 나노튜브(535)가 제거된다. 나머지 산화물 나노미터 홀(550)이 도전층 및 질화물층을 위한 하드마스크로서 이용된다. 도 5g에 있어서, 패턴이 산화물층(540)으로부터 도전층(522), 이어 질화물층(520)으로 전송된다. 도 5h에 있어서, 아인젤 렌즈가 제거되고, 산화물층(540)의 제거가 이어진다. 나노포어는 보호를 위해 산화물(552)로 코팅된다. 마지막으로, 도 5i에 있어서, 측정 챔버의 바닥 공동(560)이 실리콘 기판(510)의 이면 상에 CMP, 리소그래픽 기술 및 KOH 에칭에 의해 형성된다. 이어 산화물층(552)이 나노포어(565)를 드러내도록 제거된다.
도 6은 발명의 몇몇 실시예에서 이용할 수 있는 나노슬릿(nanoslit)의 1실시예 및 나노링(nanoring)의 1실시예를 나타낸다. 연장된 나노-크기의 나노슬릿(610) 및 나노링(620)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 각각 직사각형 및 반원의 형상으로 개구를 갖는 (상기에서 논의된) 아인젤 렌즈에 따른 감산 방법의 몇몇 실시예에 의해 정의될 수 있다. 여기서 이루어진 개시를 토대로, 소정의 2차원 형상이 유사한 패터닝 기술을 이용해서 정의될 수 있음이 당업자에게는 명백하다. 몇몇 실시예에서 전체 공정 동안 웨이퍼 스테이지가 실질적으로 고정이므로, 이 비-원형 패터닝 방법(non-circular patterning method)은 웨이퍼 스테이지를 경사지게 하는 통상적인 방법에 의해 직면된 적어도 3가지의 주요한 기술적 문제를 해결한다. 첫째로, 웨이퍼 스테이지의 속도 및 경사각의 정밀한 제어가 필요 없다. 둘째로, 이온의 도입 빔(incoming beam)에 관하여 웨이퍼를 경사지게 함으로써 유도된 라인-폭 비-균일성(line-width non-uniformity) 및 라인-넓힘 효과(line-broadening effect)를 일반적으로 극복한다. 셋째로, 거의 동시에 정의되어지는 패턴의 다른 형상 및 크기를 허용한다.
나노포어 기반 염기서열결정 바이오칩
나노포어 어레이가 감산 또는 가산 방법에 따라 형성된 후, 도 7에 도시된 바와 같이, 나노포어 어레이 웨이퍼(750)가 미리 제조된 집적회로(720; pre-fabricated integrated circuits) 및 마이크로유체 채널(730; microfluidics channels)을 갖는 웨이퍼 상에 본딩될 수 있다. 이는 측정 챔버의 바닥 공동의 형성을 완성한다. 핵산 샘플은 원한다면 바닥 웨이퍼 상의 마이크로유체 채널을 통해 바이오칩의 외부로 추출해낼 수 있다.
마찬가지로, 몇몇 실시예에 있어서, 측정 챔버의 상부 공동(top cavity)은 본딩된 나노포어 웨이퍼(840) 및 바닥 웨이퍼(850)를 포함하는, 복합재 웨이퍼(composite wafer) 상으로 집적회로(820) 및/또는 유체 채널(830)을 갖는 상부 웨이퍼(810)를 본딩함으로써 형성된다. 이 3층 웨이퍼 구성(800)이 도 8에 도시된다. 전압 바이어싱 구조(910) 및 전류 감지 회로(920)의 1실시예가 도 9에 도시된다. 최소 불감-부피(minimal dead-volume)를 갖는 것과 같은, 적절한 유체 I/O 연결(fluid I/O connections)에 따르면, 이때 3층 복합재 웨이퍼(800)는 와이어 본딩(wire bonding) 또는 벨 그리드 와이어 본딩(bell grid wire bonding)을 위한 지지 프레임(supporting frame) 상에 실장된다. 전형적인 패키징 기술, 예컨대 에폭시 인캡슐레이션(epoxy encapsulation) 및 세라믹 패키징(ceramic packaging)은 나노포어 기반 염기서열결정 바이오칩을 형성하도록 전체 어셈블리를 에워싸는데 이용될 수 있다.
한편, 감지 및 바이어싱과 관련된 것과 같은, 집적회로는 나노포어 웨이퍼(840) 상에 제조될 수 있고, 이는 집적회로를 갖춘 다른 웨이퍼 대신 블랭크 기판(blank substrate)에 본딩될 수 있다.
더욱이, 몇몇 실시예에서는, 도 10a 및 도 11에 도시된 바와 같이, 상부 웨이퍼(810) 상에 매립된 2 이상의 형상, 즉 측정 챔버(1030)로 이르게 하는 마이크로유체 채널(1010) 및 나노유체 채널(1013; nanofluidic channel)을 따르는 샘플 안내 전극(1015; sample guiding electrodes)이 있다. 나노포어 기반 염기서열결정 바이오칩을 통한 샘플의 흐름을 더욱 나타내도록 하기 위해, 하나의 예가 이하 상세히 논의된다.
버퍼 입구(buffer intake)(1025) 및 버퍼 출구(buffer outlet)(1027)는 검출용 샘플을 받아들이기 전에 마이크로유체 채널(1010), 나노유체 채널(1013) 및 측정 챔버(1030)의 네트워크를 미리 적시고 미리 채우기(pre-wet and pre-fill) 위한 것이다. 검출 동안, 마이크로유체 채널에서의 유체 흐름은 온-칩(on-chip) 또는 오프-칩(off-chip) 마이크로펌프(micropumps) 및 마이크로밸브(microvalves)를 이용해서 버퍼 입구 및 출구의 흐름 비율에 의해 조정될 수 있다.
1실시예에 있어서, 단일 가닥 핵산 분자(single strand nucleic acid molecule)의 인산-당 결합(phosphate-deoxyribose backbone)은 각 베이스 세그먼트(base segment)를 위한 네가티브 전하(negative charge)로 충전되고, 분자의 5'-종단(5'-end of the molecule)에 2개의 네가티브 전하가 있다. 샘플 입구 코넥터(1023)를 통한 수용 저장소(receptive reservoir)(1020)로부터 예정된 측정 챔버(1030)까지의 샘플 안내 전극 체인(1015)을 따르는 포지티브 전압 맥동(positive voltage pulsating)은 수용 저장소(1020)로부터 핵산 분자를 추출하고 미리 할당된 측정 챔버(1030)에 대해 분자를 전달할 수 있다. 마찬가지로, 샘플 안내 전극(1017) 또한 유사한 방법으로 나노포어 기반 염기서열결정 바이오칩의 외부로 샘플을 추출하기 위한 마이크로유체 채널(1010)을 따라 바닥 웨이퍼 상에 매립된다.
유체 채널의 네트워크를 따르는 샘플 안내 전극의 유사한 구조를 이용하면, 1 이상으로 측정 챔버(1040)의 수를 확장할 수 있다. 트리 구조로 배열된 측정 챔버의 예가 도 10b에 도시된다. 다중 독립 분석을 수행하는 능력 이외에, 그들이 샘플 수용 저장소(1020)로부터 추출됨에 따라 DNA 단편(fragments)의 순서는 몇몇 실시예에서 각 측정 챔버에 대해 미리 할당된다(pre-assigned). 도 10b에 도시된 바와 같이, 측정 챔버(1040)는 2-디지트 수로 라벨이 붙여진다. 제1디지트는 가지 번호(branch number)를 나타내고 제2디지트는 가지에서 측정 챔버의 위치를 지시한다. 측정 챔버(1040)의 할당 순서는 간단히 오름차순으로 될 수 있고, 예컨대 최하위 번호를 갖는 챔버가 먼저 이용되고 이어 다음의 더 높은 번호를 갖는 챔버가 이용될 수 있다. 이러한 방법에 있어서, 가지의 모든 측정 챔버는 다음의 가지로 이동하기 전에 이용될 수 있다. 한편, 샘플은 최하위 가지 번호가 먼저 이용됨에 따라 각 가지에서 최하위 번호를 갖는 챔버에 대해 할당될 수 있고, 예컨대 현재의 샘플에서 11, 21, 31, 41 이어 12, 22, 32, 42 등등이다. 이 할당 접근에 따르면, 중앙 마이크로유체 채널로부터 가장 먼 거리를 갖는 각 가지의 측정 챔버가 먼저 할당될 수 있고, 이어 각 가지의 다음의 하나가 할당될 수 있다. 이 접근은 측정된 신호 상으로 중앙 마이크로유체 채널에서의 샘플 안내 전극의 전기적 신호의 간섭을 감소시킬 수 있다. 전체 측정이 완료될 때, 전체 DNA 샘플의 염기서열은 단편의 추출 순서에 따라 시스템적으로 조립될 수 있다. 이는 하이브리디제이션 프로세스(hybridization process)가 샘플의 원래의 염기서열을 랜덤화하고 연산 강도(computation intensive) 및 에러 경향 후 검출 분석(error-prone post-detection analysis)이 적절한 염기서열을 조각 되돌림(piece back)하도록 요구되는, 마이크로어레이와 같은, 다른 종래 염기서열결정 기술에 의해 요구된 시간이 소모되는 후 검출 분석을 생략할 수 있다. 더욱이, 단편의 추출 순서가 기록되므로, 단편은 원래의 DNA 샘플을 형성하도록 재결합(recombined)될 수 있다. 다른 종래의 염기서열결정 기술에 대해, 원래의 샘플은 전형적으로 파괴되고 미래의 이용을 위해 검색(retrieved)될 수 없다
도 10a로 돌아가서 참조하면, 상부 및 복합재 웨이퍼의 웨이퍼 본딩에 의해 형성된 나노유체 채널(1013)은 필터, 샘플 흐름율 콘트롤러 뿐만 아니라 분자 신장기(molecule stretcher)로서 기능할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 나노유체 채널은 상부 웨이퍼 상의 상부 전극을 턴 온 및 턴 오프시키는 것에 의해 필터로서 기능하고, 마이크로유체 채널로부터 샘플에서 선택적으로 끌어당길 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 나노유체 채널은 상부 및 바닥 전극의 전압을 조정하는 것에 의해 샘플 흐름율 콘트롤러로서 기능하고, 나노유체 채널을 통한 샘플의 흐름율을 제어할 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 나노유체 채널(1013)을 통해 지나갈때, 단일 가닥 핵산 분자(1101)는 자연적 말려진 상태(natural curl up state)로부터 외부로 신장될 수 있기 때문에, 나노유체 채널(1013)은 또한 분자 신장기로서 기능할 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 나노유체 채널의 속도 제어 특성은 분자의 더욱 정확한 분석을 허용하도록 활용된다. 도 12에 도시된 바와 같이, 감지 전극(1205)은 나노포어(1225)에 매립되고, 이는 나노포어(1225)를 통한 분자의 흐름을 제어함에 있어 마이크로-/나노-채널 네트워크의 없어서는 안 될 부분으로 된다. 나노유체 채널에 부가하여, 인가된 DC 전압은 나노포어(1225)를 통한 이동(translocating) 시, 분자의 속도 및 방향을 미세하게 조정하도록 설계된다. 상부 및 바닥 구동 전극(1230, 1235) 각각 및 매립된 감지 전극(1205)에 인가된 DC 바이어싱 전압의 크기를 교대시키는 것에 의해, 통계적 에러를 제거하는 것에 의해 분자를 식별함에 있어서의 정확도를 증가시키기 위해, 예컨대 거짓-양성 에러율(false-positive error rate)이 감소될 수 있는, 테스트 하의 분자가 반복된 분석을 위해 앞뒤로 여러 번 나노포어(1225)를 통해 끌어당겨질 수 있다.
몇몇 종래의 접근과는 달리, 감지 전극이 나노포어에 집적되는 곳에서는 나노포어를 통해 이동하도록 DNA에서의 각 베이스를 위해 수 나노초(nanoseconds)만이 취해진다. 이러한 천이 시간(transit time)은 어떠한 의미있는 측정을 위해 너무 짧다. 이 결점의 관점에서, 다른 종래의 접근은 나노포어를 통한 분자의 이동의 속도를 줄이도록 개발되었다. 하나의 종래의 접근은 나노포어로 여분의 전극을 매립하는 것에 의해 분자의 속도를 제어하도록 전압 트랩핑 구성(voltage trapping scheme)을 제안한다. 서로의 상부에 적층된, 도전 전극 사이에서 유전체 재료를 사이에 끼움으로써 서로로부터 전기적으로 절연된 4개 이상의 도전 전극을 요구하므로, 제안된 전압 트랩핑 구성은 구현하기가 어렵다. 이 다층 막 상에 형성되는 요구된 2-3nm 나노포어는 30:1 이상의 애스팩트 비(aspect ratio)를 갖을 수 있는데, 현재의 집적회로 제조 기술과 함께 달성하기 위해서는, 비록 불가능하지는 않을지라도, 이는 어렵다.
도 13a에 도시된 바와 같이, 인가된 AC 감지 전압(1310)은 나노포어(1325)를 통해 이동하는 동안 분자를 심문(interrogating)하기 위한 것이다. 결과적으로, 다양한 감지 메카니즘이 분자, 예컨대 저항 변화, 캐패시턴스 변화, 위상 변화 및/또는 터널링 전류를 식별하는데 채택될 수 있다. 테스트 하의 분자 및 매립된 감지 전극(1305)의 인접에 기인하여, 신호 대 잡음 비(signal-to-noise ratio)가 개선될 수 있다.
상기한 예시적 샘플 전달 및 필터링 메카니즘은 나노포어 측정 챔버의 어레이가 어떻게 구현될 수 있는가를 설명하기 위한 예로서 기능한다. 당업자는 상기한 전달 및 필터링 메카니즘에 대한 변형이 다른 실시예에서 채택될 수 있음을 인식하게 된다. 더욱이, 다른 크기를 갖는 기공의 어레이는 도시된 방법을 이용해서 실현될 수 있다. α-헤모리신과 같은 단백질 기공, 그리고 상기한 고체 나노포어의 어레이와 함께, 바이오-나노포어의 어레이가 또한 실현될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 양 감지 전극이, 상기한 다른 도전층 상의 적층된 전극 대신, 동일한 도전층 상에 위치할 수 있다. 도 13b는 평면 전극 구현의 1실시예를 나타낸다. 이 평면 전극 구현에 있어서, 양 감지 전극(1307)은, 감지 전극(1307) 사이에서 정의된 나노슬릿(1327)과 함께, 동일한 도전층 상에 위치한다. 감지 전극(1307)과 나노슬릿(1327)의 상면도가 도 13c에 도시된다. 상기한 바와 같이, 나노포어 및 나노슬릿 양쪽은 나노전사법을 이용해서 정의될 수 있다.
실질적으로 실시간으로 분자 검출을 수행하는 능력, 선-검출 샘플 증폭(pre-detection sample amplification) 없이 단일 분자 검출을 수행하는 능력, 다중 및 실질적으로 동시 검출을 수행하는 능력, 다중-통과 검출(multi-pass detection)을 하는 능력, 연산 강도 후-검출 분석(computation intensive post-detection analysis) 없이 샘플을 식별하는 능력, 및/또는 미래 이용을 위한 검출 후 샘플을 유지하는 능력은, 예컨대 단일 뉴클레오티드 다형성(single nucleotide polymorphism)을 인식하는, 몇몇 실시예에서 저비용, 고속 및 정확한 게놈 분석을 제공하는데 결정적이다.
나노포어 기반 염기서열기(Nanopore-based Sequencer)
나노포어 기반 염기서열기는 휴대가능 게놈 검출 및 분석 시스템을 제공한다. 몇몇 실시예에 있어서, 나노포어 기반 염기서열기는 12가지 주요한 구성요소, 즉 하드웨어 및 소프트웨어를 포함한다. 하이 레벨 구조(high level architectures) 및 서브유닛(subunits)의 몇몇 실시예가 이하 논의된다.
A. 하드웨어 시스템
몇몇 실시예에 있어서, 나노포어 기반 염기서열기의 하드웨어 시스템은 2가지 주요한 유닛, 즉 연산, 통신 및 제어 유닛 및 나노포어 기반 염기서열결정 바이오칩 인테페이스 유닛과, 다양한 모듈을 포함한다. 하이 레벨 구조의 1실시예가 도 14에 도시된다. 다양한 부품의 상세가 이하 더 설명된다.
I. 연산, 통신 및 제어 유닛(Computing, Communication, and Control Unit)
1실시예에 있어서, 하드웨어 시스템(1400)은 디스플레이 장치를 갖는 휴대가능 연산 시스템(1410)을 포함한다. 이는 태블릿(tablet), 노트북, 넷북(netbook), 올인원(all-in-one) 데스크탑 컴퓨터, 스마트폰, PDA(personal digital assistant) 또는 소정의 포켓용 연산 장치 등을 이용하여 구현될 수 있다. 이는 OS(operating system)를 실행시키고, 데이터 분석 소프트웨어를 실행시키며, 데이터를 저장하고, 나노포어 기반 염기서열결정 바이오칩의 동작을 제어하며, 나노포어 기반 염기서열결정 바이오칩으로부터 데이터를 수집하기 위한 중앙 유닛으로서 기능한다.
1실시예에 있어서, 하드웨어 시스템(1400)은 네트워크 통신 모듈(1420)을 더 포함한다. 네트워크 통신 모듈(1420)은 하나 이상의 WiFi, WiMAX, 이더넷(Ethernet), 블루투스(Bluetooth), 전화 성능(telephone capability), 위성 링크, 및 GPS(Global Positioning System) 등을 포함한다. 네트워크 통신 모듈(1420)은, 데이터 공유, 프로그램 갱신, 데이터 분석 등을 위한 중앙 연산 시스템과의 통신, 데이터가 공유될 수 있고 데이터 분석이 다중 연산 장치에서 병렬로 실행될 수 있는 다른 연산 장치와의 통신, 데이터 공유, 프로그램 갱신 등, 및 GPS 신호를 송신 및 수신하는 다른 블루투스 가능 장치(예컨대, 셀룰러 전화, 프린터 등)와의 통신을 위한 통신 허브로서 기능한다.
1실시예에 있어서, 하드웨어 시스템(1400)은 입력 장치(1430)를 더 포함한다. 입력 장치(1430)는 하나 이상의 키보드, 터치 스크린, 마우스, 트랙볼, 적외선 포인팅 장치(infrared (IR) pointing device), 및 음성 인식 장치 등을 포함할 수 있다. 입력 장치(1430)는 명령 엔트리(command entry) 및 데이터 엔트리(data entry)를 위한 휴먼 인터페이스(human interface)로서 기능한다.
1실시예에 있어서, 하드웨어 시스템(1400)은, 플래시 메모리 카드 인터페이스, IEEE 1394 인터페이스, 및 USB(Universal Serial Bus) 인터페이스 등을 포함할 수 있는, 입출력 포트(input/output (I/O) port)(1440)를 더 포함한다. I/O 포트(1440)는 다른 전자 장치, 2차 데이터 저장 인터페이스, 및 나노포어 기반 염기서열결정 바이오칩을 위한 측정 데이터 I/O와의 직렬 인터페이스로서 기능한다.
II. 나노포어 기반 염기서열결정 바이오칩 인터페이스 유닛(Nanopore-based Sequencing Biochip Interface Unit)
몇몇 실시예에 있어서, 나노포어 기반 염기서열결정(nanopore-based sequencing(nSeq)) 바이오칩 인터페이스 유닛(1450)은 nSeq 전자 모듈(1460), 유체 제어 모듈(1470), 화학물질 저장기 및 유체 I/O 연결 모듈(1480), 및 nSeq 유체 제어 및 샘플 I/O 연결 모듈(1490)에 결합된다. nSeq 전자 모듈(1460)은 핵산 모듈의 분배, 나노유체 채널의 흐름율 제어, 수집 측정 데이터, 및 연산, 통신 및 제어 유닛에 대한 출력 데이터를 제어한다.
몇몇 실시예에 있어서, 유체 제어 모듈(1470)은 버퍼 입구/출구 코넥터(buffer intake / outlet connectors)를 매개로 nSeq 바이오칩과 화학물질 저장기 사이의 유체 흐름과, 온-칩(on-chip) 또는 오프-칩(off-chip) 마이크로펌프 및 마이크로밸브의 이용을 제어한다. 화학물질 저장기 및 유체 I/O 연결 모듈(1480)은, 필요하다면, nSeq 바이오칩에 대해 화학물질(chemical)을 제공할 수 있고, 또한 화학물질 및/또는 바이오-폐기물 저장기(bio-waste storage)로서 기능한다. nSeq 유체 제어 및 샘플 I/O 연결 모듈(1490)은 nSeq 바이오칩에서의 유체 및 샘플 흐름을 제어할 뿐만 아니라 nSeq 바이오칩의 샘플 받아들임 및 내보냄(sample intake and outlet)을 제어한다 예컨대, 도 10b로 되돌아가서 참조하면, 측정 챔버 #11에서 검출을 수행하기를 원한다면, 가지 #1을 위한 버퍼 출구는 모든 다른 버퍼 출구가 폐쇄된 동안 개방되게 된다. 결과적으로, 유체는 가지 #1을 향해 샘플 입구로부터 흐르게 되고 측정 챔버 #11에 대해 샘플을 전달하도록 마이크로유체 채널을 따라 샘플 안내 전극과 동시에 작용한다.
B. 소프트웨어 구조(Software Architecture)
도 15는 나노포어 기반 염기서열기의 1실시예에서의 게놈 분석 소프트웨어와 동작 시스템(operating system)을 위한 소프트웨어 및 관련 하드웨어의 하이-레벨 구조를 나타낸다. 도시된 소프트웨어 구조에서의 다양한 논리 처리 모듈은 컴퓨터 판독가능 매체에 내장된 명령을 실행하는 (도 14에서 휴대가능 연산장치(1410)와 같은) 처리 장치에 의해 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터(예컨대, 서버, 퍼스널 컴퓨터, 네트워크 장치, PDA, 제조 기구, 하나 이상의 프로세서의 세트를 갖는 소정의 장치 등)에 의해 접근가능한 형태의 정보를 제공(예컨대, 저장 및/또는 전송)하는 소정의 메카니즘을 포함한다. 예컨대, 컴퓨터 판독가능 매체는 기록가능/비-기록가능 매체(예컨대, ROM; RAM; 자기 디스크 저장 매체; 광학 저장 매체; 플래시 메모리 장치; 등) 등을 포함한다.
상기한 바와 같이, 동작 시스템(1510)은 연산, 통신 및 제어 유닛에 설치된다. 동작 시스템(1510)은 윈도우, 리눅스, 또는 연산 장치를 위해 적절한 소정의 동작 시스템을 포함할 수 있다. 연산, 통신 및 제어 유닛에 설치된 동작 시스템(1510)과는 별도로, 게놈 분석 소프트웨어는 5개의 처리 모듈, 즉 GUI(graphical user interface)(1520), 데이터 관찰기(data viewer)(1530), 게놈 데이터 분석기 인터페이스(genomic data analyzer interface)(1540), 게놈 데이터 분석기(1550), 및 게놈 데이터베이스(1560)를 더 포함한다. 동작 시스템(1510), 상기한 처리 모듈(1520∼1560), 및 다른 하드웨어 구성요소 사이의 상호작용의 몇몇 실시예가 도 15를 참조하여 이하 설명된다.
몇몇 실시예에 있어서, 게놈 데이터 분석기 인터페이스(1540)는 게놈 분석 소프트웨어 구조에서 데이터 흐름 제어 유닛으로서 작용한다. 입력 장치로부터 명령 및/또는 입력 데이터를 얻은 후, 동작 시스템(1510)은 게놈 데이터 분석기 인터페이스(1540)를 통해 게놈 데이터 분석기(1550)로 정보를 전송한다. 따라서, 이어 게놈 데이터 분석기(1550)가 작용한다. 적절한 명령(예컨대, GET, ADD 등)에 따라, 게놈 데이터 분석기 인터페이스(1540)는 I/O 포트(1570) 및 게놈 데이터베이스(1560) 사이의 데이터 흐름을 제어하고, 데이터베이스(1560)에 저장된 데이터는 외부로 보내지거나 갱신될 수 있다. 마찬가지로, 분석기 소프트웨어는 I/O 포트(1570) 및/또는 입력 장치(1580)를 매개로 주기적으로 갱신될 수 있다. 게놈 데이터 분석기 인터페이스(1540)는 또한 nSeq 바이오칩을 모니터하기 위해 nSeq 바이오칩 인터페이스(1590)에 결합된다. nSeq 바이오칩의 상태가 모니터되고 분석기 인터페이스(1540)를 매개로 (도 14에서 휴대가능 연산 시스템(1410)의 디스플레이 장치와 같은) 디스플레이 유닛에 나타낸다. 게놈 데이터 분석기 인터페이스(1540)는 또한 게놈 데이터 분석기(1550)로부터 결과를 취하고 디스플레이 유닛에 그들을 나타낸다.
몇몇 실시예에 있어서, 게놈 데이터 분석기(1550)는 게놈 분석 소프트웨어의 주 데이터 분석 유닛이다. 이는 nSeq 바이오칩으로부터 측정을 얻고, 분석을 수행하며, 이어 그 결과를 바이오-약제(bio-agents)를 식별하기 위해 데이터베이스(1560)에 저장된 데이터와 비교한다. 분석 결과는 디스플레이 유닛에서 보여질 수 있고, 장래의 참조를 위해 데이터베이스(1560)에 저장된다.
게놈 데이터베이스(1560)는 현존하는 바이오-약제와 새롭게 발견된 핵산 염기서열을 저장하기 위한 데이터 저장소이다. 데이터 관찰기(1530)는 다른 유닛의 몇몇 또는 전부로부터 데이터 및 정보를 취하고 디스플레이 장치 상에서 그들을 보여주는 소프트웨어 루틴을 포함한다.
따라서, 분자의 휴대가능 실시간 분석 및 식별을 위한 방법 및 장치가 설명되었다. 본 발명의 태양은, 소프트웨어에서, 적어도 부분적으로, 구체화될 수 있음이 앞의 설명으로부터 명백해지게 된다. 즉, 기술은 메모리에 포함된 명령의 시퀀스를 실행하는 그 프로세서에 응답하여 컴퓨터 시스템 또는 다른 데이터 처리 시스템에서 수행될 수 있다. 다양한 실시예에 있어서, 하드웨어에 내장된 회로는 본 발명을 구현하기 위해 소프트웨어 명령과의 조합에 이용될 수 있다. 따라서, 기술은 하드웨어 회로 및 소프트웨어의 소정의 특정 조합 또는 데이터 처리 시스템에 의해 실행된 명령을 위한 소정의 특정 소스로 한정되는 것은 아니다. 더욱이, 모든 이러한 설명, 다양한 기능 및 동작은 설명을 간단화하기 위해 소프트웨어 코드에 의해 수행되거나 야기되는 것과 같이 설명될 수 있다. 그러나, 당업자는 이러한 표현이 프로세서나 콘트롤러에 의한 코드의 실행으로부터 초래되는 기능이라는 것에 의해 무엇이 의미되는지를 인식하게 된다.
"하나의 실시예 또는 "실시예"에 대한 이 명세서 전반에 걸친 참조는 실시예와 관련하여 설명된 특정 형상, 구조 또는 특징이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다는 것이 명백하다. 따라서, 이는 본 명세서의 다양한 부분에서 2 이상의 "몇몇 실시예" 또는 "하나의 실시예" 또는 "다른 실시예"는 동일한 실시예에 대해 모두 언급될 필요가 없다는 것이 강조되고 이해되어야 한다. 더욱이, 특정 형상, 구조 또는 특징은 본 발명의 하나 이상의 실시예에서 적절한 것으로서 결합될 수 있다. 더욱이, 본 발명이 여러 실시예에 대해 설명되었을지라도, 당업자라면 본 발명은 설명된 실시예로 한정되지 않음을 인식하게 된다. 본 발명의 실시예는 청구항의 범위 내에서 변경 또는 변형으로 실시될 수 있다. 따라서, 명세서 및 도면은 발명을 제한하는 대신 설명으로서 간주되어진다.

Claims (21)

  1. 측정 챔버를 향해 샘플을 안내하는, 하나 이상의 샘플 안내 전극의 제1 세트와;
    측정 챔버로부터 떨어져 샘플을 안내하는, 하나 이상의 샘플 안내 전극의 제2 세트;
    다수의 나노포어를 구비하는 나노포어 어레이 웨이퍼;
    나노포어 어레이 웨이퍼의 상부 측에 본딩된 상부 웨이퍼;
    나노포어 어레이 웨이퍼의 바닥 측에 본딩된 바닥 웨이퍼;
    상부 웨이퍼 및 나노포어 어레이 웨이퍼에 의해 정의된 하나 이상의 나노유체 채널;
    바닥 웨이퍼 및 나노포어 어레이 웨이퍼에에 의해 정의된 하나 이상의 마이크로유체 채널; 및
    다수의 측정 챔버;를 구비하여 구성되고,
    각 다수의 측정 챔버가 나노포어, 상부 구동 전극 및 바닥 구동 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 나노포어 기반 염기서열결정 칩.
  2. 제1항에 있어서,
    다수의 나노포어 각각이 고정된 동일한 크기인 것을 특징으로 하는 나노포어 기반 염기서열결정 칩.
  3. 제1항에 있어서,
    상부 웨이퍼 상에 제조된 제1 세트의 감지 및 바이어싱 회로로서, 다수의 측정 챔버의 각각에서 상부 구동 전극이 제1 세트의 감지 및 바이어싱 회로에 전기적으로 결합된, 제1 세트의 감지 및 바이어싱 회로; 및
    바닥 웨이퍼 상에 제조된 제2 세트의 감지 및 바이어싱 회로로서, 다수의 측정 챔버의 각각에서 바닥 구동 전극이 제2 세트의 감지 및 바이어싱 회로에 전기적으로 결합된, 제2 세트의 감지 및 바이어싱 회로;를 더 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 나노포어 기반 염기서열결정 칩.
  4. 제1항에 있어서,
    제2 상부 구동 전극과 제2 바닥 구동 전극이 상기 각 다수의 나노포어 내에 매립되는 것을 특징으로 하는 나노포어 기반 염기서열결정 칩.
  5. 제1항에 있어서,
    나노포어 어레이 웨이퍼 내에 매립된 다수의 감지 전극을 더 구비하여 구성되고, 다수의 감지 전극의 각각이 다수의 나노포어 중 하나에 인접하는 것을 특징으로 하는 나노포어 기반 염기서열결정 칩.
  6. 제5항에 있어서,
    다수의 감지 전극의 각각이 저항 변화, 캐패시턴스 변화, 위상 변화 및 터널링 전류로 구성되는 그룹으로부터 선택된 신호를 감지하는 것을 특징으로 하는 나노포어 기반 염기서열결정 칩.
  7. 제1항에 있어서,
    다수의 나노포어의 각각이 바이오-나노포어인 것을 특징으로 하는 나노포어 기반 염기서열결정 칩.
  8. 제7항에 있어서,
    바이오-나노포어가 단백질 기공(protein pore)인 것을 특징으로 하는 나노포어 기반 염기서열결정 칩.
  9. 제1항에 있어서,
    나노포어가 고체 나노포어인 것을 특징으로 하는 나노포어 기반 염기서열결정 칩.
  10. 제1항에 있어서,
    다수의 측정 챔버의 각각이 독립 분석을 수행하는 것을 특징으로 하는 나노포어 기반 염기서열결정 칩.
  11. 유전체 재료의 층을 사이에 끼우는 도전 재료의 2개의 층과 나노포어 어레이 웨이퍼의 두께를 가로질러 절개되는 다수의 나노포어를 구비하는 나노포어 어레이 웨이퍼와;
    나노포어 어레이 웨이퍼의 상부 측에 본딩된 상부 웨이퍼;
    나노포어 어레이 웨이퍼의 바닥 측에 본딩된 바닥 웨이퍼;
    상부 웨이퍼 및 나노포어 어레이 웨이퍼에 의해 정의된 하나 이상의 나노유체 채널; 및
    바닥 웨이퍼 및 나노포어 어레이 웨이퍼에 의해 정의된 하나 이상의 마이크로유체 채널;을 구비하여 구성되고,
    AC 감지 전류가 상기 다수의 나노포어를 통해 이동하는 분자를 심문(interrogate)하도록 상기 도전 재료의 2개의 층을 가로질러 인가되는 것을 특징으로 하는 나노포어 기반 염기서열결정 칩.
  12. 제11항에 있어서,
    다수의 나노포어 각각이 고정된 동일한 크기인 것을 특징으로 하는 나노포어 기반 염기서열결정 칩.
  13. 제11항에 있어서,
    상부 웨이퍼의 바닥 측에 결합된 상부 구동 전극과;
    바닥 웨이퍼의 상부 측에 결합된 바닥 구동 전극;을 더 구비하여 구성되고,
    상부 구동 전극이 제1 세트의 감지 및 바이어싱 회로에 전기적으로 결합되고, 바닥 구동 전극이 제2 세트의 감지 및 바이어싱 회로에 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 나노포어 기반 염기서열결정 칩.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 나노포어 어레이 웨이퍼가 한 쌍의 구동 전극을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 나노포어 기반 염기서열결정 칩.
  15. 휴대가능 분자 분석기에 이용가능한 나노포어 기반 염기서열결정 칩을 제조하는 방법으로,
    바닥 도전층을 형성하기 위해 막 층 상에 제1 도전 재료의 층을 퇴적하는 단계와;
    유전체 스페이서를 형성하기 위해 바닥 도전층 상에 유전체 재료를 퇴적하는 단계;
    상부 도전층을 형성하기 위해 유전체 스페이서 상에 제2 도전 재료의 층을 퇴적하는 단계;
    상부 도전층 및 유전체 스페이서를 통해 다수의 아인젤 렌즈(Einzel lenses)를 형성하는 단계;
    나노포어 어레이 웨이퍼 상에 다수의 나노포어를 정의하기 위해 나노포어 어레이 웨이퍼의 실리콘 기판 상에 퇴적된 막 층 상에 나노전사법 에칭(nanopantographic etch)을 적용하는 단계;
    나노전사법 에칭을 적용한 후 다수의 아인젤 렌즈를 제거하는 단계;
    다수의 나노포어를 보호하기 위해 막 층 상에 보호층을 형성하는 단계;
    CMP(chemical mechanical polishing) 공정, 리소그래픽 공정, 및 수산화칼륨 (potassium hydroxide) 공정 중 적어도 하나를 이용해서, 막 층이 형성된 실리콘 기판의 정면에 대향하는 실리콘 기판의 이면 상에 다수의 나노포어의 각각을 위한 공동을 형성하는 단계;
    실리콘 기판의 이면의 공동이 형성된 후 다수의 나노포어를 드러내도록 보호층을 제거하는 단계;
    나노포어 어레이 웨이퍼와 상부 웨이퍼 사이에 하나 이상의 나노유체 채널을 정의하도록 상부 웨이퍼의 바닥 측에 나노포어 어레이 웨이퍼를 본딩하는 단계;
    나노포어 어레이 웨이퍼와 바닥 웨이퍼 사이에 하나 이상의 마이크로유체 채널을 정의하도록 바닥 웨이퍼의 상부 측에 나노포어 어레이 웨이퍼를 본딩하는 단계로서, 각 나노유체 채널이 분자의 특징을 측정하기 위해 나노포어를 매개로 분자가 나노유체 채널에서 마이크로유체 채널로 이동할 수 있도록 대응하는 나노포어를 매개로 마이크로유체 채널의 대응하는 하나에 연결되는, 단계; 및
    나노포어 어레이 웨이퍼에 상부 웨이퍼를 본딩하기 전에 상부 웨이퍼 상에 감지 및 바이어싱 회로의 세트 및 상부 구동 전극을 제조하는 단계;를 갖추어 이루어지고,
    나노전사법 에칭을 적용하는 단계는 다수의 나노포어가 다수의 나노미터 형상이 정의되는 곳에 형성되도록 다수의 나노미터 형상이 정의되는 바닥 도전층 상에 전압을 인가하는 단계를 갖는 것을 특징으로 하는 휴대가능 분자 분석기에 이용가능한 나노포어 기반 염기서열결정 칩을 제조하는 방법.
  16. 휴대가능 분자 분석기에 이용가능한 나노포어 기반 염기서열결정 칩을 제조하는 방법으로,
    나노포어 어레이 웨이퍼 상에 다수의 나노포어를 정의하도록 나노포어 어레이 웨이퍼의 실리콘 기판 상에 퇴적된 도전 재료의 막 층 상에 나노전사법 에칭을 적용하는 단계로서, 막 층이 각 나노포어를 따라 배열되고 유전체의 층 사이에 끼워지는 2 이상의 도전 전극을 갖춘 복합재 막을 구비하는, 단계;
    나노포어 어레이 웨이퍼와 상부 웨이퍼 사이에 하나 이상의 나노유체 채널을 정의하도록 상부 웨이퍼의 바닥 측에 나노포어 어레이 웨이퍼를 본딩하는 단계;
    나노포어 어레이 웨이퍼와 바닥 웨이퍼 사이에 하나 이상의 마이크로유체 채널을 정의하도록 바닥 웨이퍼의 상부 측에 나노포어 어레이 웨이퍼를 본딩하는 단계로서, 각 나노유체 채널이 분자의 특징을 측정하기 위해 나노포어를 매개로 분자가 나노유체 채널에서 마이크로유체 채널로 이동할 수 있도록 대응하는 나노포어를 매개로 마이크로유체 채널의 대응하는 하나에 연결되는, 단계; 및
    나노포어 어레이 웨이퍼에 상부 웨이퍼를 본딩하기 전에 상부 웨이퍼 상에 감지 및 바이어싱 회로의 세트 및 상부 구동 전극을 제조하는 단계;를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 휴대가능 분자 분석기에 이용가능한 나노포어 기반 염기서열결정 칩을 제조하는 방법.
  17. 휴대가능 분자 분석기에 이용가능한 나노포어 기반 염기서열결정 칩을 제조하는 방법으로,
    나노포어 어레이 웨이퍼 상에 다수의 나노포어를 정의하도록 나노포어 어레이 웨이퍼의 실리콘 기판 상에 퇴적된 도전 재료의 막 층 상에 나노전사법 에칭을 적용하는 단계로서, 막 층이 각 나노포어를 가로질러 배열되고 유전체의 2개의 층 사이에 끼워지는 2 이상의 도전 전극을 갖는 복합재 막을 구비하는, 단계;
    나노포어 어레이 웨이퍼와 상부 웨이퍼 사이에 하나 이상의 나노유체 채널을 정의하도록 상부 웨이퍼의 바닥 측에 나노포어 어레이 웨이퍼를 본딩하는 단계;
    나노포어 어레이 웨이퍼와 바닥 웨이퍼 사이에 하나 이상의 마이크로유체 채널을 정의하도록 바닥 웨이퍼의 상부 측에 나노포어 어레이 웨이퍼를 본딩하는 단계로서, 각 나노유체 채널이 분자의 특징을 측정하기 위해 나노포어를 매개로 분자가 나노유체 채널에서 마이크로유체 채널로 이동할 수 있도록 대응하는 나노포어를 매개로 마이크로유체 채널의 대응하는 하나에 연결되는, 단계; 및
    나노포어 어레이 웨이퍼에 상부 웨이퍼를 본딩하기 전에 상부 웨이퍼 상에 감지 및 바이어싱 회로의 세트 및 상부 구동 전극을 제조하는 단계;를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 휴대가능 분자 분석기에 이용가능한 나노포어 기반 염기서열결정 칩을 제조하는 방법.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    다수의 나노포어 각각이 고정된 동일한 크기인 것을 특징으로 하는 휴대가능 분자 분석기에 이용가능한 나노포어 기반 염기서열결정 칩을 제조하는 방법.
  19. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    다수의 나노포어 내의 각 나노포어의 크기가 1nm 내지 200nm의 범위 내인 것을 특징으로 하는 휴대가능 분자 분석기에 이용가능한 나노포어 기반 염기서열결정 칩을 제조하는 방법.
  20. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    다수의 나노포어가 원형, 타원, 또는 슬릿-형상인 것을 특징으로 하는 휴대가능 분자 분석기에 이용가능한 나노포어 기반 염기서열결정 칩을 제조하는 방법.
  21. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    나노포어 어레이 웨이퍼의 실리콘 기판 상의 막 층 상에 다수의 나노미터 특징으로 정의하도록 서브미크론 직경 정전 렌즈(submicron-diameter electrostatic lenses)의 어레이에 시준된 단색에너지 이온 빔(collimated monoenergetic ion beam)을 향하게 하는 단계를 더 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 휴대가능 분자 분석기에 이용가능한 나노포어 기반 염기서열결정 칩을 제조하는 방법.
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