KR20220054242A - 바이오폴리머 확인을 위한 나노갭 디바이스 - Google Patents

바이오폴리머 확인을 위한 나노갭 디바이스 Download PDF

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밍 레이
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유니버셜 시퀀싱 테크놀로지 코퍼레이션
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Abstract

본 발명은 바이오폴리머의 전자적인 서열결정 및 확인을 위한 디바이스를 제공한다.

Description

바이오폴리머 확인을 위한 나노갭 디바이스
본 발명의 실시양태는 바이오폴리머의 전자적 감지 및 확인을 위한 나노갭 디바이스에 관한 것이다. 본 발명에서 바이오폴리머는 천연 또는 합성의 DNA, RNA, 올리고뉴클레오타이드, 단백질, 펩타이드, 다당류, 그들의 유사체 등이나, 이들로 제한되는 것은 아니다. 후술하는 개시내용에서, DNA는 본 발명의 필수적인 프레임워크를 예시하기 위한 물질로서 사용된다.
두 전극 사이에 걸치는 나노갭은 새로운 DNA 서열결정 기술의 개발에서 사용하기 위해 많은 주목을 받고 있다. 이는 잠재적으로 분자 표지 없이 단일 분자 레벨에서 생물학적 상호작용 및 생화학적 반응을 감지하기 위한 전자적 방법을 제공하는데, 이는 태그로서 염료 분자를 필요로 하는 형광 검출에 비해 유리하다. 나노갭은 반도체 기술을 이용하여 제조될 수 있고, 저비용으로 대량 생산될 수 있다. 그 이외에, 그의 작은 크기는 현장 진단에서 사용될 수 있는 휴대용 디바이스를 보장한다.
DNA 분자는 전압 바이어스 하에서 2개의 예리한 전극 사이의 나노갭을 통해 통과하기 때문에, 그의 각각의 뉴클레오타이드는 갭을 가로지르는 터널링 전류를 변조한다. 따라서, 개별적인 핵염기를 특징으로 하는 터널링 전류의 변화를 추적함으로써, DNA 분자의 서열이 판독될 수 있다. 전자 터널링은 지수적으로 붕괴되기 때문에, 나노갭은 효과적인 전자 수송을 위해 3 nm보다 더 작아야 한다. 나조제작 기술의 현 상황을 감안하면, 그러한 소규모의 나노미터 크기의 갭을 높은 수율과 품질로 또한 산업적인 규모로 제조하는 것은 어려운 일이다.
본 발명에서, 나노갭은 전도성 나노와이어 구조체를 이용하여 이를 브리지(bridge)함으로써 3 nm보다 더 크게 제조될 수 있는데, 그의 형태는 그의 주변 변화에 민감하다. 이는 부착된 감지 분자와 함께 신호 전달자로서 기능한다. 따라서, 본 발명은 화학적 및 생물학적 감지를 위한 기능성 나노갭 디바이스를 제공한다. 특히, 본 발명은 DNA 폴리머라아제가 나노와이어에 부착되는 경우 DNA 서열결정을 위한 나노갭 디바이스를 제공한다. 단일 DNA 분자의 서열은 주형으로서 타겟 DNA를 이용하여 프라이머에 대한 뉴클레오타이드의 혼입에 의해 야기된 전기 신호를 기록함으로써 실시간으로 판독될 수 있다. 나노갭 DNA 서열결정기는 수십만개의 나노갭의 어레이로 구성될 수 있고, 이는 인간 게놈의 저비용(< $100) 및 고 처리량 실시간(∼1 시간) 서열결정을 가능하게 한다.
나노와이어 구조체의 전도도를 추가로 개선하기 위해, 나노갭 제작을 용이하게 하고 신호 품질을 개선하기 위해 나노갭이 훨씬 더 크게 제작될 수 있도록 새로운 차원의 게이트 전극이 본 발명에 도입된다. 상기 게이트 전극의 도입은 나노갭을 필수적으로 FET(field effect transistor, 전계 효과 트랜지스터) 디바이스로 만든다.
전계 효과 트랜지스터는 그들의 바이오센서 적용을 위해 집중적으로 연구되었는데, 그 이유는 그들이 휴대용 전자 디바이스에 자연스럽게 집적될 수 있기 때문이고, 또한 전계 효과가 캐퍼시턴스 관련이기 때문인데, 이는 표면 변화에 매우 민감한 것으로 공지되어 있다. 전해질 용액 내에서 정전기적 상호작용은 최대 디바이 차폐 길이(Debye's screening length λ)로 확장되는 것으로 공지되어 있다. 이는 하전된 전해질이 검출기 계면에서 전기적으로 탐침될 수 있는 길이 규모를 규정하고; 실제로, 전하가 λ 값보다 더 먼 거리에 존재하는 경우, 이는 전해질 용액의 이온에 의해 차폐된다. 몇몇 보고는 디바이 길이의 값이 인식 이벤트가 일어나는 거리의 디바이 길이의 값 미만인 경우, 유기 FET(PFET) 및 나노와이어 FET(NWFET) 센서가 어떻게 타겟 분자(분석물)에 대해 "블라인드(blind)" 되는지를 나타낸다.1,2 일반적으로, 이들 기여는 FET 검출이 λ가 분석물 크기보다 더 크게 되는 충분히 낮은 염 농도에서만 가능하다는 것을 의미한다.
종래의 MOSFET 센서에서, 게이트 전극은 절연층에 의해 커버된다. 절연 물질을 게이트 전극을 커버하는 전해질로 대체함으로써, 게이트 전극은 전해질 용액 중의 화학 전위의 변조에 민감하게 된다.4 전해질 게이트된 FET(EGFET)에서, FET 채널 및 게이트 전극은 전해질과 직접 접촉된다. 따라서, 2개의 전기화학적 이중층( electrochemical double layer, EDL)이 형성된다: 하나는 반도체/전해질 계면에 존재하고, 다른 하나(제2)는 게이트 전극/전해질 계면에 존재한다. 그 결과, 채널 전위의 변조는 축전식 공정에 기인하여 발생한다.5 이는 EDFET와, 반도체 물질의 도핑이 트랜지스터의 온/오프 스위칭 특성을 담당하는 고전적인 MOSFET 및 OFET와의 중요한 차이점이다.4 EGFET의 중요한 장점 중 하나는 그의 비교적 낮은 운전 전위(< 1 V)인데, 이는 바람직하지 않은 레독스 반응 또는 심지어 물 분할(water splitting)도 방지하고, 따라서 생물학적 샘플에 중요한 분석물의 검출을 위해 확실히 중요한 수성 환경에서의 적용을 가능하게 한다. 최근, Nakatsuka et al.은 전해질 게이팅을 이용하여 DNA 압타머로 변형된, 프린팅된 극박 금속 옥사이드 전계 효과 트랜지스터 어레이를 이용하여 생리적으로 높은 이온 강도 조건 하에서 소분자를 검출하였다.6 또한, 전해질 게이팅은 소분자 전도도를 측정하기 위해 사용되었다.7
적요: 본 명세서에서 모든 도면은 단지 예시적인 목적을 위한 것이다. 그들의 치수는 일정한 비율로 작성된 것이 아니며, 그들 중 부재 및 연결부의 형상은 모두 예시적인 것이고, 실물을 나타내는 것은 아니다.
도 1: 게이트 전극을 보유하지 않는 조정 가능한 나노구조체를 이용하는 나노갭 분자 감지 디바이스.
도 2: 절연된 게이트 전극을 보유하는 나노갭 분자 감지 디바이스(종래의 FET 디바이스).
도 3: 베어(bare) 게이트 전극을 보유하는 나노갭 분자 감지 디바이스(전해질 게이팅된 FET(EGFET) 디바이스).
도 4: (a) 상부에 커버된 감지 전극을 보유하는; (b) 상부에 부분적으로 노출된 감지 전극을 보유하는; (c) 절연된 게이트 전극 및 부분적인 상부 노출된 감지 전극을 보유하는 사다리꼴 나노갭.
도 5: 하나 초과의 금속, (a) 2개의 금속, (b) 3개의 금속으로 제조된 감지 전극, 이때 금속(2) 및 금속(3)은 동일하거나 상이할 수 있다.
도 6: 전도성 DNA 오리가미 나노구조체에 부착된 DNA 폴리머라아제에 의한 DNA 서열결정을 위한 나노갭 디바이스의 모식도.
도 7: DNA 나노구조체 상에 집적된 유니버셜 염기 분자 트위저를 이용하는 DNA 폴리머라아제에 의한 DNA 서열결정을 위한 나노갭 디바이스의 모식도.
도 8: DNA 나노구조체 상에 집적된 핵염기 인식 분자 트위저를 이용하는 DNA 헬리카아제에 의한 DNA 서열결정을 위한 나노갭 디바이스의 모식도.
도 9: 전통적인 염기 쌍, 변형된 아데닌과 티민 사이의 염기 쌍의 화학 구조, 계산된 DFT 구조(B3LYP/6-311+G(2df,2p)), 및 분자 오비탈(본 DFT 연구에서, 뉴클레오사이드의 모든 당 모이어티는 계산을 단순화하기 위해 메틸기로 대체된다).
도 10: 도 9에 기재된 바와 동일한 방식으로 DFT에 의해 계산된 AT 염기 쌍의 HOMO 에너지 레벨에 대한 아데닌에서 치환기의 효과.
발명의 개요
본 발명은 바이오폴리머의 전자적 확인 및/또는 서열결정뿐만 아니라 생화학적 반응 및 생물학적 상호작용의 처리 기록을 위한 나노갭 분자 감지 디바이스를 제공한다. 한 실시양태에서, 나노갭은 절연층(예를 들어, 실리콘 니트라이드 또는 실리콘 다이옥사이드)에 의해 탑핑된 비전도성 기판(예를 들어, 실리콘 기판) 상의 두 전극 사이가 약 10 nm 크기이다. 전극은 (유전체) 절연층에 의해, 또는 화학적 부동태화 단일층에 의해 완전히 커버된다. 전극은 금속, 바람직하게는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 텅스텐(W), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti) 및 티타늄 니트라이드(TiN), 또는 탄소 나노튜브 또는 그래핀과 같은 전도성 탄소 물질, 또는 바람직하게는 MOX2(X = S, Se, Te) 형태의 전이 금속 디칼코게나이드, 또는 도핑된 실리콘으로 제조된다. 전자적 측정을 위한 기능성 나노갭 디바이스를 제조하기 위해, 감지 분자 모이어티를 보유하는 상응하는 크기의 전도성 나노구조체는 나노갭을 브리지하기 위해 사용된다. 본 발명에서, 조정 가능한 전도성 DNA 나노구조체, 예를 들어 US 가출원 62/794,096 및 62/812,736에 개시된 것은 상기 2개의 가출원에 개시된 동일한 부착 방법을 이용하여 갭을 브리지하기 위해 적합하다. DNA 폴리머라아제, 예를 들어 Φ29 DNA 폴리머라아제는 DNA 나노구조체 상에 고정화된다. 서열결정을 위해, 타겟 DNA(주형)는 디바이스 내에서 폴리머라아제에 의해 복제된다. 복제 과정 중에, 뉴클레오타이드는 DNA 폴리머라아제에 의해 신장되는 DNA 프라이머 내로 혼입된다. 기계적으로, DNA 내로의 뉴클레오타이드의 혼입은 폴리머라아제의 형태 변화가 수반되고, 이는 DNA 나노구조체의 형태를 교란시킨다. 이러한 처리는 상이한 뉴클레오타이드의 혼입을 확인하기 위한 서명으로서 사용될 수 있는 전류의 요동을 초래하는데, 그 이유는 DNA 분자의 전도도는 그의 형태와 관련되어 있기 때문이다. 대안적으로, DNA 나노구조체는 탄소 나노튜브에 의해 대체될 수 있고, 그들 분자 와이어는 이중 스트랜드 DNA, 폴리펩타이드, 또는 다른 전도성 폴리머로 간단히 제조된다.
본 발명의 몇몇 실시양태에서, 나노갭은 종래의 FET 개념을 이용하여 형성된다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 게이트 전극층은 나노갭 하부에 구성되고, 감지 전극 중 하나는 소스로 작용하고, 다른 하나는 드레인으로 작용한다(이들은 상호 교환 가능하다). 알려진 바에 따르면, 게이트 전극의 첨가는 나노갭 디바이스의 전도도를 증가시키는데2,3,11, 이는 이전 실시양태에서 언급된 게이트 전극 없는 나노갭보다 더 높은 신호 강도를 가능하게 한다.
본 발명의 몇몇 실시양태에서, 나노갭 디바이스 성능을 위한 추가의 개선으로서, 도 2에 나타낸 바와 같은 상기 언급된 게이트 전극은 도 3에 나타낸 바와 같이 거기에서 절연층을 제거함으로써 나노갭에서 전해질 버퍼에 노출된다. 이 방법은 EGFET 타입 나노갭 디바이스를 생성한다.
예시적인 목적을 위해, 후술하는 내용은 나노제작 기술을 이용하여 어떻게 EGFET 나노갭 디바이스를 구성하는지에 대한 예이다:
P1. 기판 제조
반도체 또는 절연(예를 들어, 유리) 기판
P2. 인슐레이터 2 증착
화학 기상 증착(CVD), 원자 층 증착(ALD), 물리적 기상 증착(PVD), 분자 기상 증착(MVD), 전기도금, 또는 스핀 코팅 등에 의해 제조된 SiNx, SiOx, 또는 다른 유전 물질. 바람직한 방법은 플라즈마 증강 CVD(PECVD) 또는 저압 CVD(LPCVD)이다. 이 층의 두께는 일반적으로 1 nm - 10 pm 또는 더 두꺼운데, 바람직하게는 2 nm - 100 nm이다. 상기 기판이 절연성 또는 비전도성인 경우, 이 단계는 생략될 수 있다.
P3. 게이트 전극 증착
이 층은 귀금속, 예를 들어 Au, Pt, Pd, W, Ti, Ta, TiNx, TaNx, Al, Ag, Cr, Cu, 및 다른 금속 및/또는 반도체에서 사용된 통상의 HK/MG 물질, 바람직하게는 브리지 나노구조체 부착의 더 좋은 제어를 위해 감지 전극과는 상이한 귀금속을 포함한다. 바람직한 방법은 스퍼터링 또는 증발 PVD이다. 이 층의 두께는 일반적으로 2 nm - 1 pm 또는 더 큰데, 바람직하게는 3 nm - 50 nm이다.
P4. 인슐레이터 1 증착
SiNx, SiOx, 또는 다른 유전 물질은 이 층을 제조하기 위해, 바람직하게는 화학 기상 증착(CVD), 원자 층 증착(ALD), 물리적 기상 증착(PVD), 분자 기상 증착(MVD), 전기도금, 또는 스핀 코팅 등에 의해 제조하기 위해 사용된다. 바람직한 방법은 플라즈마 증강 CVD(PECVD) 또는 저압 CVD(LPCVD)이다. 이 층의 치수는 인슐레이터 2와 유사하다.
P5. 감지 전극 증착
통상적인 금속성의 전도성 층, 예를 들어 Au, Pt, Pd, W, Ti, Ta, Cr, TiNx, TaNx, Al, Ag, 및 다른 금속 및/또는 반도체에서 사용된 통상적인 HK/MG 물질, 바람직하게는 Pt, Pd, Au, Ti, 및 TiN. 이는 P2에 언급된 방법에 의해 제조될 수 있지만, 가장 바람직한 방법은 스퍼터링 또는 증발 PVD이다. 이 층의 두께는 브리지 나노구조체 및 감지 분자에 의해 결정되고, 일반적으로 2 nm - 1 pm 또는 더 두꺼운데, 바람직하게는 3 nm - 30 nm이다.
P6. 감지 전극 라인 패터닝
P6.1 선량 10,000~900,000 uC/cm2을 이용하는 EBL(전자 빔 리소그패피) 또는 EUV(극자외선 리소그래피)
P6.2 라인 에칭: 인슐레이터 1 층 상에서 또는 내에서 정지된 PDE(플라즈마 건식 에칭) 또는 IBE(이온 빔 에칭) 또는 ALE(원자 층 에칭)
나노갭에서 라인 폭은 일반적으로 5 nm - 1 pm 또는 더 넓은데, 바람직하게는 5 nm - 30 nm이다.
P7. 캡 유전체 증착
SiNx, SiOx, 또는 다른 유전 물질은 이 층을 제조하기 위해, 바람직하게는 화학 기상 증착(CVD), 원자 층 증착(ALD), 물리적 기상 증착(PVD), 분자 기상 증착(MVD), 전기도금, 또는 스핀 코팅 등에 의해 제조하기 위해 사용된다. 바람직한 방법은 ALD이다. 유전층의 두께는 일반적으로 1 nm - 1000 nm, 바람직하게는 3 nm - 20 nm이다.
P8. 나노갭 패터닝
P8.1 선량 10,000~900,000 uC/cm2을 이용하는 EBL 또는 EUV
P8.2 갭 에칭: 게이트 전극층 상에서 또는 내에서 정지하고, 이어서 갭 부분에서 절연층 1을 세정하는 PDE(플라즈마 건식 에칭) 또는 IBE(이온 빔 에칭) 또는 ALE(원자 층 에칭)
P9. 상호연결 및 패드 패터닝
이는 리프트-오프(Lift-off)뿐만 아니라 수직 리소-에칭 공정(normal litho-etch process)에 대한 첨가를 이용하여 처리된다.
종래의 FET 나노갭 디바이스(도 2)의 구성의 경우, 게이트 전극 대신에 인슐레이터 1 상에서 정지하기 위해 단계 P8.2에서 나노갭 에칭을 변경한다. 게이트 전극이 없는 나노갭 디바이스(도 1)의 구성의 경우, 단지 단순하게 단계 P2 및 P3를 생략한다.
본 발명의 몇몇 실시양태에서, 나노갭 개구는 하부보다 더 넓게 제작되어 도 4(a), (b) 및 (c)에 나타낸 바와 같이 사다리꼴 갭 형상을 형성한다. 갭의 상부에서 확장된 나노갭 개구는 나노갭 내의 감지 전극 상에 DNA 나노구조체의 부착 및 폴리머라아제에 의한 타겟 DNA의 포획 및 복제를 용이하게 한다. 확장된 개구를 제조하기 위해, 나노갭 제작 단계 8.2에서 표면 수직보다 10° 이상 더 작은 각도에서 나노갭을 에칭한다.
본 발명의 몇몇 실시양태에서, 감지 전극은 하나 초과의 금속 층으로 제조되는데(도 5 참조), 이는 더 좋은 전극 제작 및/또는 더 좋은 전기적 특성뿐만 아니라 더 유연한 화학적 부착 특성을 위한 양호한 접착을 제공한다. 도 5a에 나타내는 2개의 금속 층은 각각 1 nm 내지 1 pm 범위의 동일한 두께 또는 상이한 두께로 제조될 수 있고, 3 nm 내지 20 nm의 금속 층이 바람직하다. 도 5b에 나타낸 3개의 금속 샌드위치 감지 전극은, 중심 금속이 보호될 필요가 있거나 또는 임의의 절연 물질에 부착되기 매우 어려운 경우, 필요할 수 있다. 3개의 금속 샌드위치에서, 금속(2) 및 금속(3)은 동일한 물질 또는 상이한 물질일 수 있고, 접착층으로서 작용하기 위해 매우 얇게(0.5 내지 3 nm) 제조될 수 있다. 일반적으로, 각 층의 두께뿐만 아니라 전체적인 전극 두께는 3 nm 내지 30 nm 범위이다. 몇몇 경우에서 이는 수 마이크로미터 또는 더 두꺼울 수 있다.
한 실시양태에서, 5 내지 20 nm 범위의 크기를 보유하는 나노갭이 제작된다(도 6 참조). DNA 오리가미 구조체는 DNA 폴리머라아제가 고정화된 나노갭을 브리지하기 위해 두 전극에 부착된다. DNA 구조체 및 전극에의 부착에 대한 모든 관련 방법은 미국 가출원 62/812,736에 개시되어 있다. DNA 폴리머라아제는 파이29(Φ29) DNA 폴리머라아제, T7 DNA 폴리머라아제, Taq 폴리머라아제, DNA 폴리머라아제 Y, DNA 폴리머라아제 Pol I, Pol II, Pol III, Pol IV 및 Pol V, Pol α(알파), Pol β(베타), Pol σ(시그마), Pol λ(람다), Pol δ(델타), Pol ε(엡실론), Pol μ(뮤), Pol Ι(아이오타), Pol κ(카파), Pol η(에타), 말단 데옥시뉴클레오티딜 트랜스퍼라아제, 텔로머라아제 등의 군에서 선택되는데, 이들은 천연, 돌연변이된 또는 합성된 것들이다. DNA는 나노갭 디바이스 내에서 폴리머라아제 복제를 통해 서열결정된다. 대안적으로, DNA 나노구조체는 이중 스트랜드 DNA, 폴리펩타이드, 및 다른 전도성 폴리머로 제조된 분자 와이어에 의해 대체될 수 있거나, 또는 더 복잡한 DNA 나노구조체에 의해 대체될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시양태에서, 게이트 전극 상의 절연층(인슐레이터 1)은 고 유전 상수(k > 10)를 가진 물질이고, 탄탈륨 옥사이드, 스트론튬 옥사이드, 하프늄 옥사이드, 하프늄 실리콘 옥사이드, 지르코늄 옥사이드를 포함하고, 하프늄 옥사이드가 바람직하다. 또한, 상기 절연층은 2 nm 내지 1 pm 또는 더 두꺼운 범위의 두께, 바람직하게는 2 내지 100 nm의 두께를 보유한다.
본 발명의 몇몇 실시양태에서, 나노갭은 2 nm 내지 1 pm 범위의 폭, 2 nm 내지 1 pm 범위의 길이, 및 2 nm 내지 1 pm 범위의 깊이의 치수를 보유한다.
본 발명의 몇몇 실시양태에서, 전도성 나노와이어는 상기 나노갭을 브리지하기 위해 소스 및 드레인 전극 둘 다에 부착된다. 상기 나노와이어는 개별적인 감지 분자가 나노와이어 상에 완전히 위치될 수 있도록 하면서 감지 분자들이 동시에 나노와이어의 표면 상에 위치되지 못하도록 하기 위해 감지 분자들의 직경과 일치하는 그의 폭으로 하나의 감지 분자 또는 다수의 감지 분자들을 수용하기 위한 조정 가능한 치수를 보유한다.
상기 나노와이어는 천연 발생하는 핵산, 합성 핵산, 또는 그들의 하이브리드; 비천연 아미노산을 함유하는 단백질로 구성된 나노구조체이다. 이들 나노구조체는 한 부위 또는 다수의 부위들을 통해 감지 분자의 고정화를 위한 미리규정된 기능을 보유한다. 또한, 이들 나노구조체는 그들이 하나의 부착 부위 또는 다수의 부위를 통해 각각의 전극에 부착되는 직교 기능(orthogonal function)을 포함한다.
상기 감지 분자는 핵산 프로브, 효소, 수용체, 항체를 포함하는 다양한 인식 분자이다. 이들 모든 분자는 그들의 타겟과 특이적으로 상호작용하고, 이는 나노와이어의 구조를 교란시켜 측정 가능한 전류의 변화를 초래한다.
몇몇 실시양태에서, 본 발명은 나노갭 DNA 서열결정 디바이스를 제공한다. 도 7에 나타낸 바와 같이, DNA 서열결정 디바이스는 분자 와이어로서 기능하는 DNA 타일 나노구조체에 의해 브리지되는 2개의 전극 사이에 걸치는 나노갭 상에 구축되는데, DNA 폴리머라아제는 그 위에 DNA 서열 판독기로서 고정화된다. 서열결정을 위해, 효소는 주형으로서 타겟 DNA를 이용하는 프라이머에 뉴클레오타이드를 혼입하고, 이에 따라 형태 변화가 동반되고, 이는 하부 DNA 나노구조체를 교란하여 전류 흐름의 요동을 초래한다. 상기 변화를 추가로 증폭하기 위해, 유니버셜 염기는 DNA 타일 상의 DNA 폴리머라아제에 근접하게 위치되고, 이는 자연 발생하는 핵염기와 염기 쌍을 균등하게 형성할 수 있다. 따라서, DNA 폴리머라아제가 DNA 분자를 이동시키는 경우, 이는 또한 유니버셜 염기와 쌍을 형성하는 핵염기를 교란하고, 결과적으로 DNA 나노구조체의 더 많은 변화를 초래하고 더 큰 전기적 반응을 일으킨다.
몇몇 다른 실시양태에서, DNA 서열결정 디바이스는 DNA 헬리카아제 및 핵염기 인식 분자 트위저를 포함하는데, 이들 둘 다는 미리규정된 위치에서 DNA 나노구조체 상에 고정화된다(도 8). 단일 스트랜드 DNA가 DNA 헬리카아제에 의해 나노갭을 통해 통과하는 경우, 핵염기는 분자 트위저에 의해 연속적으로 포획된다. 핵염기와 분자 트위저 사이의 상호작용은 디자인에 의해 자연 발생하는 핵염기 중에서 상이하고, 따라서 그들은 상이한 전기적 반응을 일으킨다. 따라서, DNA 서열은 전기적 신호로부터 추론될 수 있다.
몇몇 실시양태에서, DNA 나노구조체는 상이한 GC/TA 비율을 포함한다. GC 염기 쌍이 TA 염기 쌍보다 더 전도성이라는 것은 널리 공지되어 있다.8 따라서, DNA 나노구조체의 전도도는 GC 함량을 변화시킴으로써 조정될 수 있다. GC 염기 쌍이 TA에 비해 더 강성이기 때문에, DNA 나노구조체의 유연성은 TA 함량을 증가시킴으로써 증가될 수 있는데, 이는 화학적 또는 생물학적 이벤트에 더 반응성인 DNA 나노구조체를 생성한다. DNA 나노구조체의 더 좋은 전도도의 경우, 50% 내지 95%, 바람직하게는 60% 내지 80%의 GC 함량이 필요하다.
몇몇 실시양태에서, DNA 나노구조체는 변형된 아데닌 또는 아데닌들을 함유하는데, 이는 DNA 나노구조체의 유연성을 유지하면서 그들의 전도도를 개선시키기 위해 사용된다(도 9). GC 염기 쌍은 수용액 중에서 B-형 형태에서 AT 염기 쌍보다 ∼3배 초과의 전도성인 것으로 측정되었다.8 GC 서열의 전도도는 그들의 길이에 따라 선형적으로 붕괴되지만, TA 서열의 전도도는 그들의 길이에 따라 지수적으로 붕괴된다.9 이들은 이들 염기 쌍의 분자 구조에 의해 설명될 수 있다. GC 염기 쌍(2, 도 9)은 AT 염기 쌍(1, 도 9)과 비교하여 그의 LUMO와 HOMO 사이에서 더 적은 에너지 갭을 보유한다. 따라서, AT 염기 쌍은 DNA에서 전자 전달의 베리어가 된다. 전자는 전극-DNA-전극 결합(junction)을 통해 전달되기 때문에, 상기 방법은 금속 전극의 페르미 레벨(EF) 근처에서 가장 효율적인 방법이다. 따라서, 전극의 페르미 레벨과 가장 가까운 에너지 레벨을 보유하는 분자 오비탈(molecular orbital, MO)은 분자 컨덕턴스에 대해 중요한 기여를 담당한다.10 GC 염기 쌍의 LUMO와 비교하여, 그의 HOMO는 금 전극의 페르미 레벨(-5.5 eV)에 더 가깝고, 따라서 DNA 분자는 HOMO가 위치하는 염기 G를 통해 전도된다(2, 도 9). DNA 분자의 전도도를 개선하기 위해, 본 발명은 자연 발생하는 아데닌보다 금속 전극의 HOMO 에너지 레벨에 더 가까운 HOMO 에너지 레벨을 보유하는 변형된 아데닌을 제공한다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 변형은 아데닌의 위치 7 및 8에서 일어나는데(레이블링을 위한 도 9에서 AT 염기 쌍 참조), 이는 티민(T)과의 전통적인 왓슨-크릭 염기 쌍을 형성하기 위해 변형된 아데닌에 영향을 미치지 않는다. 본 발명은 공액 구조(conjugated structure)를 형성하기 위해 이중 결합 및 삼중 결합을 함유하는 유기 기를 이용하여 아데닌 또는 7-다자아데닌을 변형한다. 이들 분자는 상이한 정도로 GC 염기 쌍 중 하나에 더 가까운 그들의 HOMO와의 수소 결합(도 9의 (3, 4, 5, 6)을 통해 T와 염기 쌍을 형성할 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 본 발명은 DNA의 전도도를 조정하기 위해 DNA 염기 쌍의 HOMO 레벨을 조정하는 방법을 제공한다. AT 염기 쌍(1)(도 9)과 염기 쌍(7)(도 10)을 비교함으로써, CH에 의해 위치 7에서 N을 대체하는 것은 염기 쌍의 HOMO 레벨 에너지 레벨을 -6.03 eV로부터 -5.65 eV로 상승시킨다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 전자 공여기(electron donor group, EDG) 메틸기(CH3)에 의해 CH의 수소를 대체하는 것은 염기 쌍의 HOMO 레벨 에너지 레벨을 -5.65 eV로부터 -5.485 eV로 추가로 증가시키는 반면, 전자 끄는기(electron withdrawing group, EWG) 불소(F)에 의해 CH의 수소를 대체하는 것은 염기 쌍의 HOMO 레벨 에너지 레벨을 -5.65 eV로부터 -5.73 eV로 감소시킨다. 따라서, DNA 나노구조체의 전도도는 그들의 전통적인 염기 쌍에 EDG 또는 EWG를 도입함으로써 조정될 수 있다. EDG 및 EWG 둘 다는 HOMO 에너지 레벨을 조정하여 결과적으로 DNA의 전도도를 조정할 수 있는 임의의 치환기일 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 본 발명은 DNA 나노구조체 상에 고정화된 DNA 폴리머라아제와 동시에 유니버셜 염기를 보유하는 디바이스를 제공한다. 유니버셜 염기는 자연 발생하는 핵 염기와 일률적으로 염기 쌍을 형성할 수 있다. 이는 단일 스트랜드 DNA와 상호작용하여 균일한 합성 공정을 위해 DNA 폴리머라아제를 통한 그의 전위를 둔화시킨다. 유니버셜 염기는 자연 발생하는 핵염기와의 수소 결합 상호작용을 위한 트리아졸-카르복사미드 및 자연 발생하는 핵염기와의 중첩 상호작용을 위한 5-니트로인돌과 같은 화합물이다.
다른 실시양태에서, 본 발명은 DNA 나노구조체 상에 고정화된 DNA 헬리카아제와 함께 분자 트위저(US 가출원 62/772,837에 개시된 것들로부터 선택됨)를 보유하는 디바이스를 제공한다. 헬리카아제는 핵염기를 판독하기 위해 DNA를 분자 트위저로 전위시킨다.
몇몇 실시양태에서, 상기 언급된 나노갭 DNA 서열결정 디바이스 및 방법은 RNA 및 단백질도 서열결정하기 위해 적용될 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 100개 내지 1억개, 바람직하게는 1,000개 내지 1백만개 사이의 나노갭의 어레이를 함유하는 나노칩은 바이오폴리머 감지 또는 서열결정의 처리량 요구를 만족시키기 위해 제작된다.
몇몇 실시양태에서, 하나의 칩 상의 나노갭 디바이스의 어레이는 다수의 영역 또는 모듈로 분할되고, 신호는 단일 기록 유닛의 샘플링 빈도 한계 및 밴드폭을 극복하기 위해 별도의 신호 기록 유닛에 의해 한 영역으로부터 다른 영역으로 별도로 판독된다.
일반 적요
본 출원에서 언급된 모든 간행물, 특허, 및 기타 문헌은 그 전체 내용이 참고로 인용된다.
달리 규정하지 않으면, 본 출원에서 사용된 모든 기술 용어 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술자에 의해 통상적으로 이해되는 것들과 동일한 의미를 보유한다. 본 발명은 다양한 실시양태의 설명에 의해 예시되었고 이들 실시양태는 매우 상세히 기술되었지만, 이는 본 출원의 범위를 어떠한 방식으로든 제한하고자 하는 출원인의 의도는 아니다. 추가적인 이점 및 변형은 통상의 기술자에게 용이하게 인식될 것이다. 따라서, 더 넓은 관점에서 본 발명은 구체적인 상세한 설명, 대표적인 디바이스, 장치 및 방법, 및 나타내고 기재된 예시적인 예로 제한되지 않는다. 따라서, 출발은 출원인의 일반적인 발명 개념의 정신을 벗어나지 않으면서 그러한 상세한 설명으로부터 이루어질 수 있다.
참고 문헌
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Claims (62)

  1. a. 기판;
    b. 기판 상에서 서로 옆에 위치된 제1 전극 및 제2 전극에 의해 형성된 나노갭;
    c. 대략 나노갭의 크기이거나 또는 나노갭의 크기에 상응하는 치수를 갖도록 구성되고 화학 결합을 통해 한 단부를 제1 전극에 부착하고 다른 단부를 제2 전극에 부착함으로써 나노갭을 브리지(bridge)하도록 구성된 나노구조체;
    d. 바이오폴리머와 상호작용하고 생화학적 반응을 수행하도록 구성된 나노구조체에 부착된 감지 분자;
    e. 나노갭과 기판 사이에 위치된 게이트 전극; 및
    f. 제1 전극 및 제2 전극과 함께 게이트 전극과 나노갭을 분리하는 제1 절연층
    을 포함하는, 바이오폴리머의 확인, 특성화, 및/또는 서열결정을 위한 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    a. 게이트 전극과 기판을 분리하는 제2 절연층으로서, 제2 절연층은 기판이 비전도성이거나 또는 비전도성 물질로 코팅된 경우 선택적인 제2 절연층; 및
    b. 제1 및 제2 전극을 커버하는 캡 유전층
    을 추가로 포함하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    a. 제1 전극과 제2 전극 사이에 인가되는 바이어스 전압;
    b. 게이트 전극에 인가되는 레퍼런스 전압;
    c. 감지 분자에 의해 개시된 형태 변화에 의해 유발된 나노구조체 내의 왜곡에 기인하는 나노구조체를 통한 전류 요동을 기록하도록 구성된 디바이스; 및
    d. 바이오폴리머 또는 바이오폴리머의 서브유닛을 확인, 특성화, 및/또는 서열결정하도록 구성된 데이터 분석을 위한 소프트웨어
    를 추가로 포함하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 바이오폴리머는 DNA, RNA, 올리고뉴클레오타이드, 단백질, 펩타이드, 다당류, 상기 언급된 바이오폴리머 중 어느 것의 천연(natural), 변형된, 또는 합성된 바이오폴리머, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 감지 분자는 비변성(native), 돌연변이된, 발현된, 또는 합성된 핵산 프로브, 효소, 수용체, 및 항체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 효소는 DNA 폴리머라아제, RNA 폴리머라아제, DNA 헬리카아제, DNA 리가아제, DNA 엑소뉴클레아제, 역전사효소, 말단 데옥시뉴클레오티딜 트랜스퍼라아제, 텔로머라아제, RNA 프리마아제, 리보솜, 수크라아제, 락타아제, 상기 언급된 효소 중 어느 것의 비변성, 돌연변이된, 발현된, 또는 합성된 효소, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 시스템.
  7. 제6항에 있어서, DNA 폴리머라아제는 Φ29 DNA 폴리머라아제, T7 DNA 폴리머라아제, Taq 폴리머라아제, DNA 폴리머라아제 Y, DNA 폴리머라아제 Pol I, Pol II, Pol III, Pol IV 및 Pol V, Pol α(알파), Pol β(베타), Pol σ(시그마), Pol λ(람다), Pol δ(델타), Pol ε(엡실론), Pol μ(뮤), Pol Ι(아이오타), Pol κ(카파), Pol η(에타), 상기 언급된 효소 중 어느 것의 비변성, 돌연변이된, 발현된, 또는 합성된 효소, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 나노구조체는 천연, 변형된, 또는 합성 핵산을 포함하고, 이중 스트랜드 DNA, DNA/RNA 이중체, DNA 오리가미 구조체, 임의 형상의 DNA 나노구조체, 또는 이들의 조합을 포함하는 전도성 DNA 구조체 및 전도성 RNA 구조체를 포함하는 시스템.
  9. 제8항에 있어서, DNA 또는 RNA 구조체는 실질적으로 일률적으로(indiscriminately) 천연 핵염기와 염기 쌍을 형성하도록 구성된 유니버셜 염기를 포함하고, 유니버셜 염기는 수소 결합 또는 염기 중첩을 통해 천연 핵염기와 상호작용하는 시스템.
  10. 제8항에 있어서, DNA 또는 RNA 구조체는 약 50% 내지 약 95%의 GC 함량을 포함하는 시스템.
  11. 제8항에 있어서, DNA 또는 RNA 구조체는 약 60% 내지 약 80%의 GC 함량을 포함하는 시스템.
  12. 제8항에 있어서, DNA 또는 RNA 구조체는 AT 염기 쌍 형성에 실질적으로 영향을 미치지 않으면서 나노구조체의 전도도를 개선시키는 변형된 아데닌을 포함하는 시스템.
  13. 제8항에 있어서, DNA 또는 RNA 구조체의 전도도는 (1) 위치 7에서 N을 CH로 대체함으로써; (2) CH의 수소를 메틸기 CH3를 포함하는 전자 공여기 또는 불소 F를 포함하는 전자 끄는기로 추가로 대체함으로써; (3) 위치 7 또는 8에서 CH의 수소를 알켄기 또는 알킨기로 추가로 대체함으로써, AT 염기 쌍의 아데닌을 변형시켜 조정 가능하도록 구성되는 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 나노구조체는 천연, 변형된, 또는 합성 아미노산으로 제조된 전도성 폴리펩타이드 또는 폴리펩타이드 구조체, 또는 임의의 전도성 폴리머, 또는 이들의 조합인 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 감지 분자 옆의 나노구조체에 부착되도록 구성되고, 바이오폴리머의 확인, 특성화 및/또는 서열결정에 조력하도록 구성된 분자 트위저(tweezer)를 추가로 포함하는 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 감지 분자는 DNA 헬리카아제를 포함하는 시스템.
  17. 제2항에 있어서, 캡 유전층의 상부에 화학적 부동태화층을 추가로 포함하는 시스템.
  18. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 전극의 상부에 화학적 부동태화층을 추가로 포함하는 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 제1 절연층은 하기 구성 중 하나를 포함하는 시스템:
    a. 그 하부의 갭 전극을 커버하는, 나노갭을 가로지르는 실질적으로 연속적인 커버리지(coverage), 및
    b. 나노갭 부위에서 그 하부의 갭 전극을 노출하는, 나노갭을 가로지르는 실질적으로 불연속적인 커버리지.
  20. 제1항에 있어서, 제1 절연층은 스트론튬 티타늄 옥사이드, 하프늄 옥사이드, 하프늄 실리콘 옥사이드, 지르코늄 옥사이드, 또는 이들의 조합을 포함하는 약 10보다 더 큰 유전 상수를 보유하는 유전 물질을 포함하는 시스템.
  21. 제1항에 있어서, 제1 전극 및 제2 전극은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 텅스텐(W), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 티타늄 니트라이드(TiNx), 또는 탄탈륨 니트라이드(TaNx), 또는 탄소 나노튜브 또는 그래핀과 같은 전도성 탄소 물질, 또는 MOX2(X = S, Se, Te) 형태의 전이 금속 디칼코게나이드, 또는 도핑된 실리콘, 또는 이들의 조합을 포함하는 귀금속을 포함하는 시스템.
  22. 제1항에 있어서, 게이트 전극은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 티타늄 니트라이드(TiNx), 탄탈륨 니트라이드(TaNx), 알루미늄(Al), 은(Ag), 크롬(Cr), 구리(Cu), 또는 통상적인 반도체 HK/MG 물질, 및 이들의 조합을 포함하나 이들로 제한되는 것은 아닌 통상적인 금속 물질로 제조되는 시스템.
  23. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    a. 나노갭은 약 2 nm 내지 약 1000 nm 범위의 폭, 약 2 nm 내지 약 1000 nm의 길이, 및 약 2 nm 내지 약 1000 nm의 깊이를 포함하고;
    b. 제1 및 제2 전극은 나노갭의 깊이와 실질적으로 동일한 두께 및 나노갭의 폭과 실질적으로 동일한 폭을 포함하고;
    c. 갭 전극은 약 2 nm 내지 약 1000 nm의 두께를 포함하고;
    d. 캡 유전층은 약 1 nm 내지 약 1000 nm의 두께를 포함하고; 및/또는
    e. 제1 절연층 및 제2 절연층은 각각 약 1 nm 내지 약 1000 nm의 두께를 포함하는 시스템.
  24. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    a. 나노갭은 약 5 nm 내지 약 30 nm 범위의 폭, 약 5 nm 내지 약 20 nm의 길이, 및 약 3 nm 내지 약 30 nm의 깊이를 포함하고;
    b. 제1 및 제2 전극은 나노갭의 깊이와 실질적으로 동일한 두께 및 나노갭에서의 나노갭의 폭과 실질적으로 동일한 폭을 포함하고;
    c. 갭 전극은 약 3 nm 내지 약 50 nm의 두께를 포함하고;
    d. 캡 유전층은 약 3 nm 내지 약 20 nm의 두께를 포함하고; 및/또는
    e. 제1 절연층 및 제2 절연층은 각각 약 2 nm 내지 약 100 nm의 두께를 포함하는 시스템.
  25. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 전극은 나노갭의 깊이와 실질적으로 동일한 조합 두께를 보유하고, 동일하거나 상이한 물질의 2개 이상의 금속 층을 포함하는 시스템.
  26. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 전극은 상부층 및 하부층과는 상이한 물질 및 약 0.5 nm 내지 약 3 nm 범위의 상부 및 하부층의 두께를 포함하는 중간층을 보유하는 3개의 금속 샌드위치 층을 포함하고, 총 두께는 나노갭의 깊이와 실질적으로 동일한 시스템.
  27. 제1항에 있어서, 나노갭의 벽은 나노갭의 개구가 하부보다 더 넓게 테이퍼링된(tapered) 시스템.
  28. 제27항에 있어서, 나노갭의 벽의 테이퍼링은 기판 표면의 법선에 대해 약 10° 이상을 포함하는 시스템.
  29. 제1항, 제2항, 제3항, 제15항, 제17항 및 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 나노갭이 단일 나노갭과 관련된 모든 구성요소 및 임의의 특징을 포함하는 복수의 나노갭을 포함하는 시스템.
  30. 제29항에 있어서, 복수의 나노갭은 약 100개 내지 약 1억개의 나노갭, 바람직하게는 약 10,000개 내지 거의 1백만개의 나노갭의 어레이를 포함하는 시스템.
  31. 제15항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 나노구조체는 탄소 나노튜브를 포함하는 시스템.
  32. a. 기판을 제공하는 단계;
    b. 기판 상에 제2 절연층을 구축하는 단계로서, 제2 절연층은 기판이 비전도성이거나 또는 비전도성 물질로 코팅되는 경우 선택적인 단계;
    c. 제2 절연층 상에, 또는 제2 절연층이 없는 경우 기판 상에 직접 게이트 전극층을 구축하는 단계;
    d. 게이트 전극층의 상부에 제1 절연층을 구축하는 단계;
    e. 제1 절연층 상에 제1 전극 및 제2 전극을 구축하고 이들을 서로 실질적으로 옆에 위치시켜 나노갭을 형성하는 단계;
    f. 나노갭에 실질적으로 상응하는 치수를 포함하고 화학 결합을 통해 한 단부를 제1 전극에 부착하고 다른 단부를 제2 전극에 부착함으로써 나노갭을 브리지하도록 구성되는 나노구조체를 제공하는 단계; 및
    g. 바이오폴리머와 상호작용하고 생화학 반응을 수행하도록 구성된 감지 분자를 제공하고, 감지 분자를 미리규정된 위치에서 나노구조체에 부착하는 단계
    를 포함하는, 바이오폴리머의 확인, 특성화, 및/또는 서열결정을 위한 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    a. 제1 전극과 제2 전극 사이에 바이어스 전압을 인가하는 단계;
    b. 게이트 전극에 레퍼런스 전압을 인가하는 단계;
    c. 나노구조체에 부착된 감지 분자에 의해 개시된 형태 변화에 의해 유발된 나노구조체 내의 왜곡에 기인하는 나노구조체를 통한 전류 요동을 기록하도록 구성된 디바이스를 제공하는 단계; 및
    d. 바이오폴리머 또는 바이오폴리머의 서브유닛을 확인, 특성화, 및/또는 서열결정하도록 구성된 데이터 분석을 위한 소프트웨어를 제공하는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  34. 제32항에 있어서, 바이오폴리머는 DNA, RNA, 올리고뉴클레오타이드, 단백질, 펩타이드, 다당류, 상기 언급된 바이오폴리머 중 어느 것의 천연, 변형된, 또는 합성된 바이오폴리머, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 방법.
  35. 제32항에 있어서, 감지 분자는 비변성, 돌연변이된, 발현된, 또는 합성된 핵산 프로브, 효소, 수용체, 및 항체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 방법.
  36. 제35항에 있어서, 효소는 DNA 폴리머라아제, RNA 폴리머라아제, DNA 헬리카아제, DNA 리가아제, DNA 엑소뉴클레아제, 역전사효소, RNA 프리마아제, 말단 데옥시뉴클레오티딜 트랜스퍼라아제, 텔로머라아제, 리보솜, 수크라아제, 락타아제, 상기 언급된 효소 중 어느 것의 비변성, 돌연변이된, 발현된, 또는 합성된 효소, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 방법.
  37. 제36항에 있어서, DNA 폴리머라아제는 Φ29 DNA 폴리머라아제, T7 DNA 폴리머라아제, Taq 폴리머라아제, DNA 폴리머라아제 Y, DNA 폴리머라아제 Pol I, Pol II, Pol III, Pol IV 및 Pol V, Pol α(알파), Pol β(베타), Pol σ(시그마), Pol λ(람다), Pol δ(델타), Pol ε(엡실론), Pol μ(뮤), Pol Ι(아이오타), Pol κ(카파), Pol η(에타), 상기 언급된 효소 중 어느 것의 비변성, 돌연변이된, 발현된, 또는 합성된 효소, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 방법.
  38. 제32항에 있어서, 나노구조체는 천연, 변형된, 또는 합성 핵산으로 제조되고, 이중 스트랜드 DNA, DNA/RNA 이중체, DNA 오리가미 구조체, 임의 형상의 DNA 나노구조체, 또는 이들의 조합을 포함하는 전도성 DNA 구조체 및 전도성 RNA 구조체인 방법.
  39. 제38항에 있어서, DNA 또는 RNA 구조체는 실질적으로 일률적으로 천연 핵염기와 염기 쌍을 형성하도록 구성된 유니버셜 염기를 포함하고, 유니버셜 염기는 수소 결합 또는 염기 중첩을 통해 천연 핵염기와 상호작용하는 방법.
  40. 제38항에 있어서, DNA 또는 RNA 구조체는 약 50% 내지 약 95%의 GC 함량을 포함하는 방법.
  41. 제38항에 있어서, DNA 또는 RNA 구조체는 약 60% 내지 약 80%의 GC 함량을 포함하는 방법.
  42. 제38항에 있어서, DNA 또는 RNA 구조체는 AT 염기 쌍 형성에 실질적으로 영향을 미치지 않으면서 나노구조체의 전도도를 개선시키도록 구성된 변형된 아데닌을 포함하는 방법.
  43. 제38항에 있어서, DNA 또는 RNA 구조체의 전도도는 (1) 위치 7에서 N을 CH로 대체함으로써; (2) CH의 수소를 메틸기 CH3를 포함하는 전자 공여기 또는 불소 F를 포함하는 전자 끄는기로 추가로 대체함으로써; (3) 위치 7 또는 8에서 CH의 수소를 알켄기 또는 알킨기로 추가로 대체함으로써, AT 염기 쌍의 아데닌을 변형시켜 조정 가능하도록 구성되는 방법.
  44. 제32항에 있어서, 나노구조체는 천연, 변형된, 또는 합성 아미노산으로 제조된 전도성 폴리펩타이드 또는 폴리펩타이드 구조체, 또는 임의의 전도성 폴리머, 또는 이들의 조합을 포함하는 방법.
  45. 제32항에 있어서, 분자 트위저를 제공하고, 이를 미리규정된 위치에서 나노구조체에 부착하고 바이오폴리머의 확인, 특성화 및/또는 서열결정에 조력하도록 구성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  46. 제45항에 있어서, 감지 분자는 DNA 헬리카아제인 방법.
  47. 제32항에 있어서, 나노갭에서 노출되는 전극의 단부와 함께 캡 유전층을 이용하여 제1 및 제2 전극을 커버하는 단계, 또는 대안적으로 화학적 부동태화층을 이용하여 제1 및 제2 전극을 커버하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  48. 제47항에 있어서, 화학적 부동태화층을 이용하여 캡 유전층을 커버하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  49. 제32항에 있어서, 제1 절연층은 하기 구성 중 하나를 포함하는 방법:
    a. 그 하부의 갭 전극을 커버하는, 나노갭을 가로지르는 실질적으로 연속적인 커버리지, 및
    b. 나노갭 부위에서 그 하부의 갭 전극을 노출하는, 나노갭을 가로지르는 실질적으로 불연속적인 커버리지.
  50. 제32항에 있어서, 제1 절연층은 탄탈륨 옥사이드, 스트론튬 티타늄 옥사이드, 하프늄 옥사이드, 하프늄 실리콘 옥사이드, 지르코늄 옥사이드, 또는 이들의 조합을 포함하는 약 10보다 더 큰 유전 상수를 보유하는 유전 물질을 포함하는 방법.
  51. 제32항에 있어서, 제1 전극 및 제2 전극은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 텅스텐(W), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 티타늄 니트라이드(TiNx), 또는 탄탈륨 니트라이드(TaNx), 또는 탄소 나노튜브 또는 그래핀과 같은 전도성 탄소 물질, 또는 MOX2(X = S, Se, Te) 형태의 전이 금속 디칼코게나이드, 또는 도핑된 실리콘, 또는 이들의 조합을 포함하는 귀금속을 포함하는 방법.
  52. 제32항에 있어서, 게이트 전극은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 티타늄 니트라이드(TiNx), 탄탈륨 니트라이드(TaNx), 알루미늄(Al), 은(Ag), 크롬(Cr), 구리(Cu), 또는 통상적인 반도체 HK/MG 물질, 및 이들의 조합을 포함하는 통상적인 금속 물질을 포함하는 방법.
  53. 제32항 또는 제47항에 있어서, 나노갭의 부위에서
    a. 나노갭은 약 2 nm 내지 약 1000 nm 범위의 폭, 약 2 nm 내지 약 1000 nm의 길이, 및 약 2 nm 내지 약 1000 nm의 깊이를 포함하고;
    b. 제1 및 제2 전극은 나노갭의 깊이와 실질적으로 동일한 두께 및 나노갭의 폭과 실질적으로 동일한 폭을 포함하고;
    c. 갭 전극은 나노갭에서 약 2 nm 내지 약 1000 nm의 두께를 포함하고;
    d. 캡 유전층은 약 1 nm 내지 약 1000 nm의 두께를 포함하고; 및/또는
    e. 제1 절연층 및 제2 절연층은 각각 약 1 nm 내지 약 1000 nm의 두께를 포함하는 방법.
  54. 제32항 또는 제47항에 있어서, 나노갭의 부위에서
    a. 나노갭은 약 5 nm 내지 약 30 nm 범위의 폭, 약 5 nm 내지 약 20 nm의 길이, 및 약 3 nm 내지 약 30 nm의 깊이를 포함하고;
    b. 제1 및 제2 전극은 나노갭의 깊이와 실질적으로 동일한 두께 및 나노갭의 폭과 실질적으로 동일한 폭을 포함하고;
    c. 갭 전극은 약 3 nm 내지 약 50 nm의 두께를 포함하고;
    d. 캡 유전층은 약 3 nm 내지 약 20 nm의 두께를 포함하고; 및/또는
    e. 제1 절연층 및 제2 절연층은 각각 약 2 nm 내지 약 100 nm의 두께를 포함하는 방법.
  55. 제32항에 있어서, 제1 및 제2 전극은 나노갭의 깊이와 실질적으로 동일한 조합 두께를 보유하는, 동일하거나 상이한 물질의 2개 이상의 금속 층을 포함하는 방법.
  56. 제32항에 있어서, 제1 및 제2 전극은 상부층 및 하부층과는 상이한 물질 및 약 0.5 nm 내지 약 3 nm 범위의 상부 및 하부층의 두께를 포함하는 중간층을 보유하는 3개의 금속 샌드위치 층으로 제조되고, 총 두께는 나노갭의 깊이와 실질적으로 동일한 방법.
  57. 제32항에 있어서, 나노갭의 벽은 나노갭의 개구가 하부보다 더 넓게 실질적으로 테이퍼링된 방법.
  58. 제57항에 있어서, 나노갭의 벽의 테이퍼링은 기판 표면의 법선에 대해 약 10° 이상인 방법.
  59. 제32항에 있어서, 절연층 및 전극층 각각은 화학 기상 증착(CVD), 원자 층 증착(ALD), 물리적 기상 증착(PVD), 분자 기상 증착(MVD), 전기도금, 또는 스핀 코팅, 또는 이들의 조합을 포함하는 반도체 물질 증착 방법을 이용하여 별도로 제작되는 방법.
  60. 제32항에 있어서, 절연층은 플라즈마 증강 CVD(PECVD) 또는 저압 CVD(LPCVD) 방법을 이용하여 제작되는 방법.
  61. 제32항에 있어서, 전극은 스퍼터링법을 이용하여 제작되는 방법.
  62. 제32항에 있어서, 제1 및 제2 전극 및 나노갭은 EBL(전자 빔 리소그래피) 또는 EUV(극자외선 리소그래피), 또는 PDE(플라즈마 건식 에칭) 또는 IBE(이온 빔 에칭) 또는 ALE(원자 층 에칭)을 이용하여 제작되는 방법.
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