(57)【要約】トンネル接合部でのトンネル認識により、分子を分析する（例えば、核酸分子の配列を決定する）ことができる。本発明の実施形態は、個々のヌクレオチドの検出およびトンネル接合部を用いた核酸分子の配列決定を可能にし得る。特定のヌクレオチドを部分で標識することにより、トンネル接合部は、適切な信号対雑音比の信号を生成し得る。トンネル認識では、主にヌクレオチドまたは目的分子の一部を通過するのではなく、主に部分を通過するトンネル電流を使用する。部分を通過するトンネル電流から生じた、適切な信号対雑音比を有する信号を用いて単一のヌクレオチドを検出できるので、本発明の実施形態は、トンネル電流を使用した高速なヌクレオチド検出を可能にし得る。【選択図】図２Ａ
2021528065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配列決定デバイスを使用して核酸の配列を決定する方法であって、
前記配列決定デバイスにヌクレオチドの集団を付加することであって、
前記ヌクレオチドの集団の各ヌクレオチドは、部分を含む標識化合物と結合し、
前記配列決定デバイスは、トンネル接合部を含み、
前記トンネル接合部は、絶縁層で分離された第１の導体と第２の導体とを含む、前記ヌクレオチドの集団を付加することと、
前記トンネル接合部と結合し配列決定対象の鋳型親鎖に接続したポリメラーゼを使用して、新生鎖を伸長させることであって、
前記伸長させることは、前記鋳型親鎖へのハイブリダイゼーションを通じて、前記ヌクレオチドの集団のうちの第１のヌクレオチドを前記新生鎖に組み込む前記ポリメラーゼを含む、前記新生鎖を伸長させることと、
前記第１の導体と、前記第１のヌクレオチドに結合した第１の標識化合物の第１の部分と、前記第２の導体とを通じて、電気特性または磁気特性の値を測定することと、
前記第１のヌクレオチドが前記鋳型親鎖にハイブリダイズしていることを、前記電気特性または前記磁気特性の前記値を使用して検出することと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記第１の導体は、第１の電極であり、
前記第２の導体は、第２の電極であり、
前記電気特性または前記磁気特性の前記値を測定することは、前記電気特性の前記値を測定することを含み、
前記第１のヌクレオチドが前記鋳型親鎖にハイブリダイズしていることを検出することは、前記電気特性の前記値を使用することを含み、
前記方法は、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加することをさらに含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記電気特性の前記値に基づいて、前記第１のヌクレオチドが前記鋳型親鎖にハイブリダイズしていることを検出することは、
前記電気特性の前記値を前記電気特性の基準値と比較することと、
前記値が前記基準値を超えていると判断することと、
を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記基準値は、前記第１の電極と前記第２の電極とを通過し、かつ前記部分を通過しないバックグラウンドトンネル電流の値である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記電気特性は電流であり、前記値は１０ｎＡ超である、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記部分は、有機金属化合物、ナノ粒子、共役芳香族、および導電性有機分子からなる群より選択される、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記標識化合物は、前記新生鎖のさらなる伸長を防止するように構成されたターミネーターを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記ヌクレオチドの集団の各ヌクレオチドは、同じ種類のヌクレオチドであり、
前記ヌクレオチドの集団の各ヌクレオチドに結合した各標識化合物の各部分は、同じ種類の部分である、
請求項２に記載の方法。
【請求項９】
前記ヌクレオチドの集団は、第２の部分を含む第２の標識化合物に結合した第２のヌクレオチドを含み、
前記電気特性の前記値に基づいて、前記第１のヌクレオチドが前記鋳型親鎖にハイブリダイズしていることを検出することは、
前記電気特性の前記値を前記電気特性の第１の基準値と比較することを含み、
前記方法は、
前記電気特性の前記値を前記電気特性の第２の基準値と比較することにより、前記電気特性の前記値に基づいて、前記第２のヌクレオチドが前記鋳型鎖にハイブリダイズしていないと判断することをさらに含む、
請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
前記配列決定デバイスは、複数のトンネル接合部を含み、
各トンネル接合部は、それぞれの第１の電極と、それぞれの第２の電極と、それぞれの絶縁層とを含み、
各それぞれのトンネル接合部は、それぞれのポリメラーゼと結合し、
前記方法は、
前記複数のトンネル接合部の各トンネル接合部ごとに、
前記それぞれのトンネル接合部と結合し配列決定対象のそれぞれの鋳型親鎖に接続した前記それぞれのポリメラーゼを使用して、それぞれの新生鎖を伸長させることであって、
前記伸長させることは、前記それぞれの鋳型親鎖へのハイブリダイゼーションを通じて、前記ヌクレオチドの集団のうちのそれぞれのヌクレオチドを前記それぞれの新生鎖に組み込む前記それぞれのポリメラーゼを含む、前記新生鎖を伸長させることと、
前記それぞれのトンネル接合部の前記それぞれの第１の電極と前記それぞれの第２の電極との間に、それぞれの電圧を印加することと、
前記それぞれの第１の電極と、前記それぞれのヌクレオチドに結合したそれぞれの標識化合物の前記それぞれの部分と、前記それぞれの第２の電極とを通じて、前記電気特性のそれぞれの値を測定することと、
前記それぞれのヌクレオチドが前記それぞれの鋳型親鎖にハイブリダイズしていることを、前記電気特性の前記それぞれの値を用いて検出することと、
を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１１】
前記方法は、新生鎖に組み込まれなかった前記ヌクレオチドの集団の残りのヌクレオチドを除去することをさらに含み、
前記ヌクレオチドの集団を除去することは、前記電気特性の前記値を測定する前に発生する、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の導体は、第１の強磁性体を含み、
前記第２の導体は、第２の強磁性体を含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
核酸分子を分析するためのシステムであって、
絶縁層で分離された第１の導体と第２の導体とを含むトンネル接合部と、
前記トンネル接合部と結合し鋳型親鎖に接続したポリメラーゼであって、前記鋳型親鎖にハイブリダイズする新生鎖を伸長させるように構成されたポリメラーゼと、
前記第１の導体と前記第２の導体のうちの少なくとも一方と電気的に連通している電源と、
ヌクレオチドの集団であって、前記ヌクレオチドの集団の各ヌクレオチドが、部分を含む標識化合物と結合している、ヌクレオチドの集団と、
前記部分を介して前記第１の導体と前記第２の導体とを通じて特性の値を測定するように構成されたメーター装置であって、前記特性は電気特性または磁気特性である、メーター装置と、
複数の命令を格納する非一時的なコンピュータ可読媒体であって、前記複数の命令は、プロセッサによって実行されると、前記プロセッサに対し、
前記第１の導体と前記第２の導体とを通じて前記特性の前記値を測定させ、
前記特性の前記値を前記特性の基準値と比較させ、
前記値が前記基準値を超えていると判断したら、ヌクレオチドが前記鋳型親鎖にハイブリダイズしていることを検出させる、
非一時的なコンピュータ可読媒体と、
を含む、システム。
【請求項１４】
前記第１の導体は、第１の電極であり、
前記第２の導体は、第２の電極であり、
前記トンネル接合部は、基板の表面に設けられ、
前記絶縁層は、前記基板の前記表面と平行な表面を有し、
前記特性は、前記電気特性である、
請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記ポリメラーゼは、前記基板に平行な前記表面における前記絶縁層の位置で前記トンネル接合部と結合する、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第１の導体は、第１の強磁性体を含み、
前記第２の導体は、第２の強磁性体を含む、
請求項１３に記載のシステム。
【請求項１７】
前記ポリメラーゼは、前記絶縁層の位置で前記トンネル接合部と結合する、請求項１６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
単一分子（例えば、核酸）を分析する技術の１つとして、２つの導電層の間にサブ分子サイズのギャップを有するトンネル接合デバイスがある。トンネル接合部では、トンネル認識を使用する。トンネル認識は、導電層の間に分子または分子の一部（例えば、核酸のヌクレオチド）を配置することに基づく。分子または分子の一部が両方の層に接触するか充分に近接すると、分子または分子の一部の軌道により、電子が一方の層から他方の層へ移動できるようになり、トンネル電流が発生する。トンネル電流を分析することにより、分子または分子の一部を同定できる。
【０００２】
ヌクレオチドのような分子の一部を同定するには、ギャップの寸法は通常、２ｎｍ未満、さらにはサブナノメートルといった、ナノメートルのオーダーとなる。このような小サイズのギャップを作製するには、精密で高価な技術が必要とされる。トンネル接合部の寸法を小さくすると、分子との接触の頻度が低下し、持続時間が短くなる可能性もある。さらに、このような小サイズのギャップは短絡を引き起こす可能性があり、バックグラウンドトンネル電流の上昇を招くおそれがある。
【０００３】
したがって、トンネル接合デバイスを伴う化学的検出、生物学的検出、および工程において使用される、トンネル接合部の設計および製造性の改善が今もなお必要とされている。設計および製造性の改善は、正確で精密な分析を犠牲にして行われるべきではない。本明細書に記載の技術は、上記およびその他の問題に対処するものである。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の実施形態は、トンネル接合部でのトンネル認識により、分子の分析（例えば、核酸分子の配列決定）を可能にし得る。トンネル接合部は、電気トンネル接合部または磁気トンネル接合部であり得る。本発明の実施形態により、個々のヌクレオチドの検出が可能になるため、トンネル接合部を用いた正確な核酸配列決定が達成され得る。特定のヌクレオチドを部分で標識することによって、トンネル接合部は、適切な信号対雑音比で明瞭な二値信号を生成し得る。トンネル認識では、主にヌクレオチドまたは目的分子の一部を通過するのではなく、主に部分を通過するトンネル電流を使用する。
【０００５】
トンネル接合デバイスは、一度に単一のヌクレオチドを読み取ることに集中できる。ＤＮＡ分子の鋳型鎖に結合したポリメラーゼが、トンネル接合部の誘電体に係留し得る。ポリメラーゼにより、鋳型鎖を用いて二本鎖ＤＮＡ分子が合成される。単一種類のヌクレオチド（例えば、Ａヌクレオチド）が部分で標識されて、デバイスに導入され得る。現在位置でヌクレオチドが鋳型鎖に対して相補的である場合、当該ヌクレオチドはＤＮＡ分子に組み込まれる。デバイスは、それぞれが個別のポリメラーゼ−ＤＮＡ複合体を有する多くのトンネル接合部を含み得る。デバイスを洗浄して過剰な遊離ヌクレオチドを除去することができる。ヌクレオチドがＤＮＡ分子に付加されると、部分がトンネル接合部に電流信号を発生させ得る。ヌクレオチドがＤＮＡ分子に付加されなければ、電流はほぼゼロであり得る。その後、当該部分を除去してよい。標識された次の種類のヌクレオチドをデバイスに導入することができ、この工程を繰り返すことができる。ヌクレオチド自体を通るバックグラウンド電流と比べて、部分により生成される電流信号の方が高くなり得る。
【０００６】
部分を通過するトンネル電流から生じた、適切な信号対雑音比を有する信号を用いて単一のヌクレオチドを検出できるので、本発明の実施形態は、トンネル電流を使用した高速なヌクレオチド検出を可能にし得る。ヌクレオチド自体ではなく部分を通る電流を検出することによって、トンネル接合部の誘電体を、単一のヌクレオチドのサイズよりも厚くすることができる。したがって、トンネル接合部を、より容易、安価、かつ迅速に製造することができる。
【０００７】
トンネル接合デバイスは、半導体処理技術を使用して製造することができる。ヌクレオチドを検出するための読み取り時間は、フラッシュドライブの読み取り時間に近づくか、同等になり得る。単一の配列決定デバイスに複数のトンネル接合部を組み込むことにより、多重化が可能になる。本発明の実施形態により、フラッシュドライブにおけるトンネル接合部の数と同様の多数のトンネル接合部が可能になる。言い換えれば、フラッシュドライブのサイズ（平方センチメートルのオーダーの面積）のデバイスに、何十億ものトンネル接合部が組み込まれ得る。高度に多重化されたシステムにより、迅速で正確な配列決定が可能になり得る。
【０００８】
以下の詳細な説明および添付の図面を参照することにより、本発明の実施形態の性質および利点をよりよく理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係るランダムテレグラフィックノイズ（ＲＴＮ）のグラフを示す図である。
【図２Ａ】図２Ａおよび図２Ｂは、本発明の実施形態に係る部分を有するヌクレオチドと有さないヌクレオチドを通るトンネル電流の図である。
【図２Ｂ】図２Ａおよび図２Ｂは、本発明の実施形態に係る部分を有するヌクレオチドと有さないヌクレオチドを通るトンネル電流の図である。
【図３Ａ】図３Ａおよび図３Ｂは、本発明の実施形態に係る部分を有するヌクレオチドと有さないヌクレオチドに対するトンネル電流応答を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ａおよび図３Ｂは、本発明の実施形態に係る部分を有するヌクレオチドと有さないヌクレオチドに対するトンネル電流応答を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃは、本発明の実施形態に係る有機金属部分（ＯＭ）で標識された修飾ヌクレオチドである化合物の例を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃは、本発明の実施形態に係る有機金属部分（ＯＭ）で標識された修飾ヌクレオチドである化合物の例を示す図である。
【図４Ｃ】図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃは、本発明の実施形態に係る有機金属部分（ＯＭ）で標識された修飾ヌクレオチドである化合物の例を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃは、本発明の実施形態に係る適切な部分の同定に使用できる構成を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃは、本発明の実施形態に係る適切な部分の同定に使用できる構成を示す図である。
【図５Ｃ】図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃは、本発明の実施形態に係る適切な部分の同定に使用できる構成を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る核酸配列決定方法を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る電気トンネル接合部を用いた核酸配列決定のステップを示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る磁気トンネル接合部を用いた核酸配列決定のステップを示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係る電気トンネル接合部を用いたシステムの例を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る磁気トンネル接合部を用いたシステムの例を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る複数の磁気トンネル接合部を製造するための処理段階を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る製造済み縦型電気トンネル接合部の構成を示す図である。
【図１３Ａ】図１３Ａおよび図１３Ｂは、本発明の実施形態に係る縦型トンネル接合部の試験から得られた電気関連結果を示す図である。
【図１３Ｂ】図１３Ａおよび図１３Ｂは、本発明の実施形態に係る縦型トンネル接合部の試験から得られた電気関連結果を示す図である。
【図１４Ａ】図１４Ａおよび図１４Ｂは、本発明の実施形態に係る横型電気トンネル接合部を表す図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａおよび図１４Ｂは、本発明の実施形態に係る横型電気トンネル接合部を表す図である。
【図１５Ａ】図１５Ａ、図１５Ｂ、図１５Ｃ、および図１５Ｄは、本発明の実施形態に係る横型電気トンネル接合部の試験から得られた電気関連結果を示す図である。
【図１５Ｂ】図１５Ａ、図１５Ｂ、図１５Ｃ、および図１５Ｄは、本発明の実施形態に係る横型電気トンネル接合部の試験から得られた電気関連結果を示す図である。
【図１５Ｃ】図１５Ａ、図１５Ｂ、図１５Ｃ、および図１５Ｄは、本発明の実施形態に係る横型電気トンネル接合部の試験から得られた電気関連結果を示す図である。
【図１５Ｄ】図１５Ａ、図１５Ｂ、図１５Ｃ、および図１５Ｄは、本発明の実施形態に係る横型電気トンネル接合部の試験から得られた電気関連結果を示す図である。
【図１６】本発明の実施形態に係る分析システムを示す図である。
【図１７】本発明の実施形態に係るコンピュータシステムを示す図である。
【図１８】本発明の実施形態に係るコンピュータシステムを示す図である。
【００１０】
用語
「接触する」という用語は、電子が一方の物体から他方の物体へとトンネリングすることができるように、一方の物体を他方の物体に近接させることを指し得る。原子より小サイズのレベルでは、物体内の電子雲からの反発力により物体同士がより近くに接近できない場合があるので、２つの物体が物理的に互いに接触しないことがある。
【００１１】
「核酸」という用語は、一本鎖または二本鎖の形態のデオキシリボヌクレオチドまたはリボヌクレオチドおよびこれらのポリマーを指し得る。この用語は、既知のヌクレオチド類似体または修飾された主鎖残基もしくは連鎖を含む、合成、天然、非天然の核酸であって、参照核酸と類似の結合特性を有する核酸を包含し得る。このような類似体の例としては、ホスホロチオエート、ホスホロアミデート、メチルホスホネート、２−Ｏ−メチルリボヌクレオチド、ロックド核酸（ＬＮＡ）、ペプチド核酸（ＰＮＡ）が挙げられるが、これらに限定されない。
【００１２】
別段の指示がない限り、特定の核酸配列は、明示的に示される配列のほかに、保存的に修飾された変異体（例えば、縮重コドン置換物）および相補的配列も暗黙的に包含する。具体的には、縮重コドン置換物は、１つ以上の選択された（またはすべての）コドンの第三位が混合塩基および／またはデオキシイノシン残基で置換される配列を生成することによって達成され得る（Ｂａｔｚｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，Ｎｕｃｌｅｉｃ  Ａｃｉｄ  Ｒｅｓ．１９：５０８１（１９９１）；Ｏｈｔｓｕｋａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｂｉｏｌ．Ｃｈｅｍ．２６０：２６０５−２６０８（１９８５）；Ｒｏｓｓｏｌｉｎｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｍｏｌ．Ｃｅｌｌ．Ｐｒｏｂｅｓ  ８：９１−９８（１９９４））。核酸という用語は、遺伝子、ｃＤＮＡ、ｍＲＮＡ、オリゴヌクレオチド、およびポリヌクレオチドと交換可能に使用される。
【００１３】
「ヌクレオチド」という用語は、天然に存在するリボヌクレオチドまたはデオキシリボヌクレオチドのモノマーを指すことに加えて、文脈上別段の明確な指示がない限り、ヌクレオチドが使用されている特定の状況（例えば、相補的塩基とのハイブリダイゼーション）に関して機能的に同等な、関連する構造的変異体（誘導体および類似体を含む）を指すと理解され得る。
【００１４】
「振動する」という用語は、ブラウン運動または他の力の結果としての流体内での物体の動きを指し得る。物体は、人や機械による能動的介入なしに振動し得る。場合によっては、物体は、印加された電場または圧力により駆動された流れの結果として振動し得る。
【００１５】
「部分」（ｍｏｉｅｔｙ）という用語は、化学において使用される技術用語であるため、官能基を含む場合がある。さらに、「部分」という用語は、より大きな化合物の一部を形成し得る、単一原子または結合した原子団を指す場合もある。部分には、磁性ナノ粒子が含まれ得る。
【００１６】
半導体処理層および半導体処理ステップの「上」、「上部」のような方向を示す用語は、基板表面により画定される平面からさらに離れた位置を指定するための基準座標系を使用し得る。「底部」は、基板の下面、または基板の下方であり得る。当業者であれば、基板が上下逆に処理されても、層の「底部」が、基板の下面または基板の非処理側に最も近い層の側を指し得ることを理解するであろう。
【００１７】
「電気特性」という用語は、電気回路に関連する任意の特性を指すと理解され得る。電気特性は、電圧、電流、抵抗、インピーダンス、インダクタンス、またはキャパシタンス、およびこれらの時間変化（例えば、電流周波数）を指し得る。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
トンネル認識は、分子または分子の一部分（例えば、核酸）を同定するために使用される技術である。トンネル接合部には、電気トンネル接合部または磁気トンネル接合部が含まれ得る。電気トンネル接合部には、絶縁層をはさむ２つの導体が含まれ得る。分子または分子の一部分が両方の導体に接触するか、または両方の導体に充分接近しているとき、一方の導体から他方の導体にトンネリングする電流が変化する。分子または分子の一部分は、直接伝導またはトラップ支援トンネリングを誘発することによって、電流の振幅を変化させ得る。
【００１９】
磁気トンネル接合部には、絶縁層をはさむ２つの強磁性体が含まれ得る。磁性ナノ粒子が強磁性体の近くにあるとき、磁区の相対的な向きが変化し、一方の導体から他方の導体へとトンネリングする電流が変化する。トンネル電流の量は、強磁性体の磁化の向き（すなわちスピン）に依存する。同一スピン（すなわち平行）の強磁性体は、逆スピン（すなわち逆平行）の２つの強磁性体よりも電流が高い。
【００２０】
どちらの接合部でも、トンネル電流は、両方の導体に接触する分子または分子の一部分の固有性によって異なり、また、導体に接触する状態と接触していない状態の間で分子がどれだけ振動するかによって異なる。核酸のうちの単一のヌクレオチドのみを流れる電流を測定する場合、絶縁層をはさむ両方の導体にヌクレオチドが接触できるように、絶縁層は通常、ヌクレオチドよりもサイズが小さくなければならない。
【００２１】
しかしながら、１ｎｍという厚さであっても、ヌクレオチド３個程度の大きさであり、単一ヌクレオチドの検出には問題が生じる可能性がある。絶縁層の厚さが１〜２ｎｍのオーダーであっても、やはり製造が困難であり、薄い絶縁層を通るバックグラウンドトンネル電流が大きすぎるため、ヌクレオチドからの信号を検出できない可能性がある。あるいは、このような薄い絶縁層では短絡を防止できない可能性がある。絶縁層の厚さを増やせば製造が容易になり得るが、その場合、測定可能なトンネル電流が、さらに多くのヌクレオチドを通過する必要がある。複数のヌクレオチドを通過する信号の場合、個々のヌクレオチドを同定するには、より複雑な信号分析を伴うことになる。
【００２２】
本技術の実施形態は、電流信号のノイズを低減でき、１〜２ｎｍのオーダーの薄い絶縁層を必要としない。トンネル接合デバイスは、一度に単一のヌクレオチドを読み取ることに集中できる。ポリメラーゼは、トンネル接合部（例えば絶縁層）に係留され得る。鋳型親鎖から、ポリメラーゼにより二本鎖ＤＮＡ分子が合成され得る。同一デバイス上に多くのトンネル接合部が設けられた実施形態もあり、高度な多重化が可能である。
【００２３】
いくつかの実施形態では、単一種類のヌクレオチド集団（例えば、Ａヌクレオチド）を部分で標識して、デバイスに導入する。これらのヌクレオチドが鋳型親鎖に対して相補的なタイプである場合、新生鎖に付加され得る。この時点で、または、追加の標識ヌクレオチドを導入した後のサイクルの後半で、デバイスを洗浄して過剰な遊離ヌクレオチドを除去してよい。ヌクレオチドがＤＮＡ分子に付加されると、部分がトンネル接合部に電流信号を発生させる。ヌクレオチドがＤＮＡ分子に付加されなければ、電流はほぼゼロであり得る。その後、当該部分を除去してよい。標識された次の種類のヌクレオチドをデバイスに導入し、工程を繰り返してよい。これにより、特定のヌクレオチドが各位置に組み込まれているかどうかを検出することができる。ヌクレオチド自体を通るバックグラウンド電流と比べて、部分を通る電流信号の方が高くなり得るため、ノイズの少ない信号が提供される。
【００２４】
Ｉ．ランダムテレグラフィックノイズ（ＲＴＮ）の使用
１つまたは複数のヌクレオチド自体を通るトンネル電流は、適切な信号対雑音比を有する充分に高い電流信号を生成しない可能性がある。ヌクレオチドが導体と接触している時間が短く、異なるヌクレオチド間またはヌクレオチド配列間のトンネル電流の差が小さい場合がある。したがって、より強力で、より容易に検出可能な信号が求められている。
【００２５】
Ａ．ＲＴＮ
適切な信号対雑音比を有する電流信号を生成する目的で、本発明の実施形態の電流信号は、以前はトンネル接合部において不要な電流信号を有する問題と称されていたランダムテレグラフィックノイズ（ＲＴＮ）を模倣し得る。特定の理論に拘束されることを意図するものではないが、ＲＴＮの説明の１つに、不純物が不要な電流信号を発生させるということがある。不純物が電荷をトラップしていることがあり、かなりの期間に渡って、より高い電流を維持している可能性がある。不純物は、電荷トラップのように作用するトンネル接合部の酸化物における欠陥であり得る。このような不純物には、酸化物中の酸素空孔、金属酸化物マトリックスにトラップされたイオン、および置換イオン（例えばドーパント）が含まれ得る。不純物がトラップされなくなった後は、電荷または不純物が残って電流が低下する。本発明の実施形態のデバイスは、標識されたヌクレオチドのタグを用いて、このＲＴＮ現象を意図的に再現する。
【００２６】
図１に、電流対時間のプロットにおけるＲＴＮのグラフ１００を示す。このグラフは、電流が比較的高い領域（例えば、領域１０２）、および比較的低く、ゼロ付近の領域（例えば、領域１０４）を示している。電流が比較的高い領域は、トラップされた電荷を有している可能性があり、一方、電流が比較的低い領域は、トラップされた電荷を有していない可能性がある。電荷がトラップされている可能性があるか否かを分析する場合、この分析は、バックグラウンド電流よりも高い電流が存在する場所を識別することに依存し得る。
【００２７】
Ｂ．部分の使用
ＲＴＮを意図的に模倣するために、ＲＴＮを生成する部分を、目的の分子に結合することができる。例えば、分析対象の分子が核酸である場合、伸長中の核酸鎖に組み込まれるヌクレオチドに部分を結合することができる。
【００２８】
図２Ａおよび図２Ｂに、部分を用いて電流信号を生成し得る方法を示す。ＤＮＡポリメラーゼ２０２は、鋳型親鎖２０６にハイブリダイズしている新生鎖２０４を伸長させている。図２Ａにおいて、新生鎖２０４に付加された最終ヌクレオチドは、部分２０８を含む。部分２０８は、電子が第１の導体２１０から第２の導体２１２へとトンネリングすることを可能にする。トンネリング電子は、グラフ２２０のように経時変化する電流信号を生成し得る。電流信号のランダム性は、トラップされた電荷の捕捉と放出の状態および／または容量効果（すなわち充放電）の結果であり得る。容量効果の原因は、トラップされた電子がトンネル接合部周辺の電荷分布を変化させ、トンネリング障壁の高さを変化させたことであり得る。接合部を流れる電流の振幅は、障壁の高さに指数関数的に依存し得る。トラップ状態のランダムな充放電により障壁の高さが少し変化しただけでも、トンネル電流が大きく変化することがあり、このことは図２Ａにおいて明らかである。
【００２９】
図２Ｂにおいて、部分が存在しない場合、電子は、第１の導体２１０から第２の導体２１２へとトンネリングすることができない。図２Ｂでは、グラフ２２２のように、トンネル電流はゼロ付近またはバックグラウンドトンネル電流の付近となる。したがって、ゼロまたはバックグラウンドトンネル電流を上回るトンネル電流を測定することにより、部分２０８を検出でき、よってヌクレオチドを検出することができる。
【００３０】
部分は、ある特定の印加電位に基づいてトンネル電流の通過を可能にする実体であるべきである。図３Ａに、部分がヌクレオチドに結合していない場合のトンネル電流応答を示す。ポリメラーゼ３０２はトンネル接合部３０４に結合している。ポリメラーゼ３０２は、鋳型親鎖３０６をハイブリダイズさせている。部分は存在せず、電荷はトラップされない。トンネル接合部はオフ共振トラップ状態３０８にあり、電流は、一方の導体から他方の導体へとトンネリングすることができない。その結果が電流対時間のグラフ３１０であり、電流はゼロ付近でありバックグラウンドレベルにある。
【００３１】
図３Ｂに、部分がヌクレオチドに結合している場合のトンネル電流応答を示す。ポリメラーゼ３１２はトンネル接合部３１４に結合している。ポリメラーゼ３１２は、鋳型親鎖３１６をハイブリダイズさせている。付加されたヌクレオチドは部分３１８を有する。部分３１８は、電子移動周波数で電荷をトラップする。トンネル接合部はオン共振トラップ状態３２０にある。電流は、一方の導体から部分を通って他方の導体へとトンネリングすることができる。その結果が電流対時間のグラフ３２２であり、電流は非ゼロ電流となりバックグラウンドレベルより高い電流に達している。
【００３２】
ＩＩ．部分を有する標識化合物
使用される部分は、単独の当該部分よりも多くの成分を含む標識化合物の一部であってよい。本明細書に記載の方法およびシステムで使用される化合物は、ヌクレオチド、切断可能リンカー、および部分を含み得る。ヌクレオチドは、アデニン（Ａ）、チミン（Ｔ）、グアニン（Ｇ）、およびシトシン（Ｃ）を含む４つのＤＮＡヌクレオチドのいずれかを含み得る。ヌクレオチドはまた、アデニン、ウラシル（Ｕ）、グアニン、およびシトシンを含む４つのＲＮＡヌクレオチドを含み得る。ヌクレオチドが鋳型親鎖にハイブリダイズされているとき、部分がトンネル接合部と接触できるように、標識化合物は充分な長さを持っていてよい。
【００３３】
Ａ．組成
電気トンネル接合部の場合、部分は、有機金属基、ナノ粒子、共役芳香族基、および導電性有機分子からなる群より選択されてよい。導電性有機分子は、バンドギャップを有さなくてよく、絶縁体または半導体でなくてよい。有機金属基の例として、フェロセン、金属フタロシアニン、ルテニウム、オスミウム、および遷移金属有機金属化合物が挙げられる。ナノ粒子の例として、金、銀、白金、マグネシウム、または窒化チタンのナノ粒子が挙げられる。ナノ粒子は、１〜５ｎｍおよび５〜１０ｎｍを含む１〜１０ｎｍの特性サイズを有する、任意の粒子を含んでよい。ナノ粒子が球体である場合、上記特性サイズはナノ粒子の直径であってよい。しかしながら、ナノ粒子が球体でない場合でも、上記特性サイズは、非球形のナノ粒子と同じ体積を有する球の直径であってよい。場合によっては、上記特性サイズは、ナノ粒子の幅、長さ、または高さの最小値であってよい。共役芳香族基としては、ベンゼン環を数個有する化合物が挙げられ、これには、ベンゼン環を２〜９個有する化合物、アントラセン、フェナントレン、テトラセン、クリセン、トリフェニレン、ピレン、ペンタセン、ベンゾピレン、コラヌレン、ベンゾペリレン、コロネン、オバレン、およびベンゾフルオレンが含まれる。上記共役芳香族基は、ベンゼン環が線状構造に配置された化合物を含んでよい。導電性有機分子の例として、ポリピロールおよびポリアニリンを含む短いポリマーが挙げられる。
【００３４】
上記のように、部分は、オン共振トラップ状態で電荷を保持することによってトンネル電流を可能にし得る。いくつかの実施形態では、同じ部分を４つのヌクレオチドに結合してよい。他の実施形態では、複数の異なる部分を複数の異なるヌクレオチドに使用してよく、この場合、各部分は、印加電圧ごとに異なるトンネル電流を生成する。部分は、複数の有機金属基などの複数の基を含んでよい。
【００３５】
磁気トンネル接合部の場合、部分は、強磁性体または超常磁性体からなる群より選択されてよい。材料には、磁性ナノ粒子（例えば、ＦｅＰｔ、ＦｅＣｕＰｔ、Ｆｅ２Ｏ３）が含まれてよい。ナノ粒子は、１μｍ未満、５００ｎｍ未満、１００ｎｍ未満、または１０ｎｍ未満の直径または特性サイズを有してよい。
【００３６】
化合物は、Ｎ−Ｘ−Ｓ−Ｍで表される構造を有してよく、ここで、Ｎはヌクレオチドであり、Ｘは切断可能リンカーであり、Ｓはスペーサーであり、Ｍは部分である。ヌクレオチドは、切断可能リンカーに向けて結合されてよい。
【００３７】
切断可能リンカーを使用することにより、検出後、組み込まれたヌクレオチドから標識化合物を切断することが可能になり得る。切断可能リンカーは当技術分野において公知であり、例えば、米国特許第７，０５７，０２６号、第７，４１４，１１６号、ならびにその継続および改良に記載されている。いくつかの実施形態では、標識は、アリル基またはアジド基を含むリンカーを介して、ピリミジンの５位またはプリンの７位に結合される。他の実施形態では、リンカーは、ジスルフィド基、インドール基、またはシーバー基を含む。リンカーはさらに、アルキル基（Ｃ１−６）またはアルコキシ基（Ｃ１−６）、ニトロ基、シアノ基、フルオロ基、または類似の特性を有する基から選択される１つ以上の置換基を含有してよい。簡単に言えば、水溶性ホスフィンまたはホスフィン系遷移金属含有触媒によってリンカーを切断することができる。他のリンカーおよびリンカー切断機構は、当技術分野において公知である。例えば、トリチル、ｐ−アルコキシベンジルエステルおよびｐ−アルコキシベンジルアミド、ならびにｔｅｒｔ−ブチルオキシカルボニル（Ｂｏｃ）基、ならびにアセタール系を含むリンカーは、酸性条件下でプロトン放出開裂剤により切断され得る。チオアセタールまたは他の硫黄含有リンカーは、ニッケル、銀、水銀などのチオフィリック金属を使用して切断することができる。適切なリンカー分子を調製する上で、切断保護基を考慮することもできる。エステル含有およびジスルフィド含有のリンカーは、還元条件下で切断することができる。トリイソプロピルシラン（ＴＩＰＳ）またはｔ−ブチルジメチルシラン（ＴＢＤＭＳ）を含有するリンカーは、Ｆイオンの存在下で切断することができる。反応混合物の他の成分に影響を与えない波長によって切断される光切断可能リンカーとしては、Ｏ−ニトロベンジル基を含むリンカーが挙げられる。ベンジルオキシカルボニル基を含むリンカーは、Ｐｄ系触媒によって切断することができる。
【００３８】
例として、切断可能リンカーＸは、金属触媒（例えば、アリル基）、酵素（例えば、プロテアーゼ切断部位、タバコエッチウイルス［ＴＥＶ］切断部位）、光（例えば、ニトロベンゼン）、還元（例えば、ジスルフィド）、酸（例えば、アセタール、メトキシメチル、または保護されたアセタール［例えば、Ｏ−ＣＨ２−Ｎ３または-Ｏ−ＣＨ（Ｎ３）−］）、塩基（例えば、コハク酸、アセチル）、酸化（例えば、隣接ジオール）、またはホスファターゼ（例えば、リン酸）によって切断可能であり得る。切断可能リンカーには、亜硝酸塩で切断され得る−Ｏ−ＮＨ２も含まれる。
【００３９】
スペーサーの例として、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、アルキルもしくはアリールスペーサー、ペプチド、カチオン性スペーサー（例えば、スペルミン）、核酸、炭水化物、またはこれらの組み合わせが挙げられる。
【００４０】
図４Ａに化合物の例を示す。図４Ａでは、リンカー−スペーサー−部分がデオキシリボース糖の３’ＯＨ基に結合している。ヌクレオチドは、Ｘ、切断可能リンカー、スペーサー、有機金属（ＯＭ）部分の順に連結されている。３’−ＯＨ基を遮断することにより、ポリメラーゼ反応を自動的に終結させることができる。しかしながら、嵩高化合物を有する３’−ＯＨは、ポリメラーゼに容易に受容されない可能性がある。
【００４１】
図４Ｂに別の化合物の例を示す。リンカー−スペーサー−部分は、ヌクレオチドの塩基に結合している。通常、塩基の修飾はポリメラーゼに充分に受け入れられる。しかしながら、３’−ＯＨ基が遮断されないので、図４Ｂの化合物では終結が１００％未満になる可能性がある。
【００４２】
図４Ｃに化合物のさらに別の例を示す。塩基と３’ＯＨ基の両方を切断可能リンカーＸに結合させることができる。塩基と結合するリンカーＸは、３’ＯＨ基と結合するＸと同じリンカーであってよい。しかしながら、いくつかの実施形態では、２つのリンカーは異なる化合物であってよい。図４Ｃの化合物は、図４Ａの化合物と図４Ｂの化合物の両方の利点を組み込んだものであり得る。３’−ＯＨ基に小さな切断可能ターミネーター基を付加することにより、組み込み後に確実に停止させることができる。大きなＸ−Ｓ−Ｍ化合物を塩基に結合しても、ポリメラーゼを過剰に妨害しない可能性がある。しかしながら、図４Ｃでは、１部位だけでなく２つの部位で切断される必要があり得る。
【００４３】
上記リンカー−スペーサー−部分は、ライトニングターミネーターの働きができ（Ｓｔｕｐｉ，Ｂ．Ｐ．ｅｔ  ａｌ．，“Ｓｔｅｒｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ｏｆ  ｂｅｎｚｙｌｉｃ  ｃａｒｂｏｎ  ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｗｉｔｈ  ｒｉｎｇ  ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ２−ｎｉｔｒｏｂｅｎｚｙｌ  ｇｒｏｕｐｓ  ａｓ  ｋｅｙ  ｄｅｔｅｒｍｉｎａｎｔｓ  ｆｏｒ  ｆａｓｔ−ｃｌｅａｖｉｎｇ  ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ  ｔｅｒｍｉｎａｔｏｒｓ，”Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．，５１，１７２４−１７２７（２０１２）。ｏｎｌｉｎｅｌｉｂｒａｒｙ．ｗｉｌｅｙ．ｃｏｍ／ｄｏｉ／ｅｐｄｆ／１０．１００２／ａｎｉｅ．２０１１０６５１６で入手可能）、また、仮想ターミネーターの働きができる（Ｂｏｗｅｒｓ，Ｊ．ｅｔ  ａｌ．，“Ｖｉｒｔｕａｌ  ｔｅｒｍｉｎａｔｏｒ  ｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅｓ  ｆｏｒ  ｎｅｘｔ−ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ＤＮＡ  ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ，”Ｎａｔｕｒｅ  Ｍｅｔｈｏｄｓ，６，５９３−５９５（２００９）。ｗｗｗ．ｎａｔｕｒｅ．ｃｏｍ／ａｒｔｉｃｌｅｓ／ｎｍｅｔｈ．１３５４．ｐｄｆで入手可能。関連の補足情報をｍｅｄｉａ．ｎａｔｕｒｅ．ｃｏｍ／ｏｒｉｇｉｎａｌ／ｎａｔｕｒｅ−ａｓｓｅｔｓ／ｎｍｅｔｈ／ｊｏｕｒｎａｌ／ｖ６／ｎ８／ｅｘｔｒｅｆ／ｎｍｅｔｈ．１３５４−Ｓ１．ｐｄｆで入手可能）。
【００４４】
上記化合物はターミネーターを含んでもよい。ターミネーターは重合工程を停止し得る。例えばポリメラーゼが存在する場合、ターミネーターは、ターミネーターが除去されるまで、ポリメラーゼがヌクレオチドを付加するのを停止できる。リンカー、スペーサー、部分、またはこれらの組み合わせは、ターミネーターの働きをし得る。図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃの標識化合物は、それぞれターミネーターを含んでよい。
【００４５】
分析対象分子が核酸でない場合、それに応じて化合物を適合させてよい。生体ポリマーの単一単位に標識化合物を結合させてよい。例えば、分析対象の化合物がタンパク質である場合、ヌクレオチドの代わりにアミノ酸に標識化合物を結合させてよい。
【００４６】
Ｂ．部分の特性評価
図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃに、適切な部分を特定するのに使用可能な構成を示す。図５Ａは、第１の電極５０２、第２の電極５０４、および絶縁層５０６を有する電気トンネル接合部を示す図である。第１の電極５０２は電源５０８に接続され、第２の電極５０４は電流計５１０に接続されている。これらの電極は導体である。絶縁層５０６に隣接するどちらの電極も、幅は、約５０ｎｍ、４５ｎｍ〜５５ｎｍ、４０ｎｍ〜６０ｎｍ、または３５ｎｍ〜６５ｎｍであり得る。どちらの電極も、高さは、２０ｎｍ、１５ｎｍ〜２５ｎｍ、または１０ｎｍ〜３０ｎｍであり得る。接合面積（すなわち、絶縁層５０６と各電極の間の界面の面積）は、１０３ｎｍ２または１０２ｎｍ２のオーダーであり得る。感知面積（すなわち、感知される部分その他の化合物と接触するために露出する絶縁層の面積）は、約２０ｎｍ２である。
【００４７】
図５Ｂは、絶縁層５０６に結合したテザー化合物５２０を示す図である。テザー化合物５２０は、ヒドロキノンＳｐｙＴａｇであり得る。ＳｐｙＴａｇは、そのタンパク質パートナーであるＳｐｙＣａｔｃｈｅｒに遭遇するとイソペプチド結合を形成する短いペプチドである（Ｒｅｄｄｉｎｇｔｏｎ，Ｓ．Ｃ．ｅｔ  ａｌ．，“Ｓｅｃｒｅｔｓ  ｏｆ  ａ  ｃｏｖａｌｅｎｔ  ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ  ａｎｄ  ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：ＳｐｙＴａｇ  ａｎｄ  ＳｐｙＣａｔｃｈｅｒ，”  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｏｐｉｎｉｏｎ  ｉｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｂｉｏｌｏｇｙ，２０１５，２９：９４−９９。ｄｘ．ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１０１６／ｊ．ｃｂｐａ．２０１５．１０．００２で入手可能）。
【００４８】
図５Ｃは、部分５３２を有する化合物５３０を示す図である。化合物５３０はテザー化合物５２０に結合している。化合物５３０はＳｐｙＣａｔｃｈｅｒを含み得る。部分５３２は、本明細書に記載の使用可能な種類のいずれであってもよい。部分５３２を通るトンネル電流は、電流の大きさその他の特性について特性を明らかにできる。さらに別の種類の部分も試験することができる。振幅、持続時間を含め最良の信号強度を生成する部分に基づいて、最高の性能を発揮する部分が選択されることになる。異なる複数の部分のデータから、適切な種類の部分を選択できる。強力で安定した電流信号が得られるように部分を選択し得る。いくつかの実施形態では、それぞれが他と異なる独自の電流信号を有する複数種の部分を特定してよい。複数種の部分を使用することにより、複数の異なる種類のヌクレオチドを標識することができる。
【００４９】
ＩＩＩ．分子を分析する方法
トンネル接合部は、電気トンネル接合部または磁気トンネル接合部であり得る。どちらの種類のトンネル接合部も、方法とシステムに共通点がある。どちらのトンネル接合部を使用しても、配列決定デバイスを用いて核酸の配列を決定することができる。上記方法は、配列決定デバイスにヌクレオチド集団を付加することを含み得る。ヌクレオチド集団の各ヌクレオチドが、標識化合物に結合され得る。標識化合物は、部分を含み得る。配列決定デバイスは、接合部を含み得る。接合部は、絶縁層で分離された第１の導体と第２の導体とを含み得る。
【００５０】
方法は、トンネル接合部に結合し配列決定対象の鋳型親鎖に接続したポリメラーゼを使用して、新生鎖を伸長させることをさらに含み得る。伸長させることは、鋳型親鎖へのハイブリダイゼーションを介して、ヌクレオチド集団の第１のヌクレオチドを新生鎖に組み込むポリメラーゼを含み得る。
【００５１】
方法は、第１の導体、第１のヌクレオチドに結合した第１の標識化合物の第１の部分、および第２の導体を通じて、電気特性または磁気特性の値を測定することを含み得る。方法は、第１のヌクレオチドが鋳型親鎖にハイブリダイズしていることを、電気特性または磁気特性の値を使用して検出することを含み得る。
【００５２】
電気トンネル接合部および磁気トンネル接合部に固有の方法について、以下に説明する。
【００５３】
Ａ．電気トンネル接合部の構成
図６に、核酸配列の決定に使用される構成を示す。構成６００において、ポリメラーゼ６０２はトンネル接合部６０４に結合している。トンネル接合部６０４は、電気トンネル接合部である。トンネル接合部６０４は、第１の電極６０６、第２の電極６０８、および絶縁層６１０を含み得る。第１の電極６０６および第２の電極６０８は、トンネル接合部に関して説明した導体の例である。絶縁層６１０は、第１の電極６０６と第２の電極６０８を分離し得る。トンネル接合部６０４は、本明細書に記載されるいずれのトンネル接合部であってもよく、以下に詳しく論じる通りである。
【００５４】
構成６２０において、ポリメラーゼ６０２が新生鎖６２２を伸長させ、新生鎖６２２は、鋳型親鎖６２４にハイブリダイズして二本鎖核酸分子を形成する。
【００５５】
構成６４０は、第１のヌクレオチド６４２および複数の第２のヌクレオチドを有する第１の液体がトンネル接合部６０４と接触した後のシステムを示している。第１の部分６４４を有する第１のヌクレオチド６４２が、新生鎖６２２に付加される。第１のヌクレオチド６４２は、ポリメラーゼ６０２の近くにあり得る。電子が第１の部分６４４を通って電極間をトンネリングできるように、第１の部分６４４は、トンネル接合部６０４に接触してよく、または第１の電極６０６および第２の電極６０８に充分に近接してよい。第２の部分６４８を有する第２のヌクレオチド６４６など、第２の部分を有する複数の第２のヌクレオチドは、トンネル接合部６０４の近くの液体中に残留し得る。
【００５６】
構成６６０は、複数の第２のヌクレオチドが除去された後、第１の部分６４４を通るトンネル電流６６２を測定しているトンネル接合部６０４を示している。構成６６０に示すように、電流がバックグラウンドトンネル電流よりも高い場合、二値信号１を生成して、第１のヌクレオチドが存在することを示すことができる。電流がバックグラウンドトンネル電流を超えていない場合、信号０を生成して、第１のヌクレオチドが存在しないことを示すことができる。いくつかの実施形態では、電流信号は二値信号ではなく、代わりに、特定の種類の第１の部分６４４によって生成される電流の大きさに依存する信号であってよい。
【００５７】
ポリメラーゼによって新生鎖に組み込まれた第１のヌクレオチドは、鋳型親鎖上のヌクレオチドに対して相補的であるため、鋳型親鎖上の相補的ヌクレオチドも同定され得る。例えば、図６では、第１のヌクレオチド６４２を同定でき、その結果、鋳型親鎖６２４上の相補的ヌクレオチドも同定し得る。どちらのヌクレオチドも、本明細書に記載の方法によって決定される核酸配列の一部であり得る。
【００５８】
第１のヌクレオチド６４２はターミネーターと結合してもよく、これにより、新生鎖６２２のさらなる伸長が防止される。ターミネーターと結合した第１のヌクレオチド６４２および第１の部分６４４を除去することにより、システムが構成６２０と同様の構成に戻る。ただし、新生鎖６２２が第１のヌクレオチド６４２を含む点が異なる。
【００５９】
Ｂ．電気トンネル接合部を用いた方法の例
図７に、本技術の実施形態に係る配列決定デバイスを使用して核酸配列を決定する方法７００を示す。配列決定デバイスは、電気トンネル接合部、電源、およびメーター装置を含み得る。トンネル接合部は、絶縁層で分離された第１の電極と第２の電極とを含む。
【００６０】
方法７００は、鋳型親鎖をトンネル接合部に導入することを含み得る。鋳型親鎖をトンネル接合部に導入するには、流体注入システムを用いてよい。鋳型親鎖は生体試料から取得できる。
【００６１】
ブロック７０２において、ヌクレオチド集団が配列決定デバイスに付加され得る。ヌクレオチド集団の各ヌクレオチドが、部分を含む標識化合物に結合され得る。配列決定デバイスに接触する液体にヌクレオチド集団を含めることにより、ヌクレオチド集団を配列決定デバイスに付加してよい。上記液体はイオン性液体であってよい。上記部分は、有機金属化合物、ナノ粒子、および共役芳香族からなる群から選択されてよく、または本明細書に記載のいかなる部分であってもよい。ヌクレオチド集団の各ヌクレオチドを、それぞれの部分を含むそれぞれの標識化合物に結合してよい。いくつかの実施形態では、ヌクレオチド集団の各ヌクレオチドは、同じ種類のヌクレオチドであり得る。例えば、ヌクレオチド集団の各ヌクレオチドは、Ｇヌクレオチドであり得る。各標識化合物の各部分は、同じ種類の部分であり得る。他の実施形態では、ヌクレオチド集団に２種類、３種類、または４種類のヌクレオチドが含まれていてよい。このような実施形態では、個々のヌクレオチドは、それぞれ異なる種類の部分と結合してよい。ヌクレオチド集団を有する液体をリザーバー内に貯蔵し、注入システムによりトンネル接合部に導入してよい。
【００６２】
ブロック７０４において、トンネル接合部に結合し配列決定対象の鋳型親鎖に接続したポリメラーゼにより、新生鎖が伸長され得る。新生鎖は、一本鎖核酸分子であり得る。鎖を伸長させることは、鋳型親鎖へのハイブリダイゼーションを通じて、ヌクレオチド集団のうちの第１のヌクレオチドを新生鎖に組み込むことを含み得る。新生鎖および鋳型親鎖は、一緒になって二本鎖核酸分子の一部分を形成し得る。
【００６３】
標識化合物は、新生鎖のさらなる伸長を防止するように構成されたターミネーターを含み得る。従来のトンネル接合部の配列決定における問題は、分析対象分子が接合部を極度に速く通過して流れ、電極と接触する時間が短くなることであり得る。その場合、電流信号が短すぎて特性評価が困難になる可能性がある。加えて、ブロック７０４において１種類のヌクレオチドのみを付加する場合であっても、鋳型親鎖の特定の配列に同じ種類のヌクレオチドが複数回、連続して含まれる場合がある。その後、核酸分子は、１回の導入から同じ種類の複数のヌクレオチドを付加する可能性がある。結果として、複数のヌクレオチドが付加された場合でも、デバイスは、１つのヌクレオチドに対して１つの信号しか生成できない可能性がある。ターミネーターは、ターミネーターが除去されるまでポリメラーゼ作用を停止させ得る。このようにして、一度に１つだけヌクレオチドを付加することができ、電流信号を測定するのに充分な時間が確保される。
【００６４】
第１のヌクレオチドを除くヌクレオチド集団は、トンネル接合部との接触対象から除去されてよい。当該ヌクレオチドを除去することは、トンネル接合部を水ですすぐことを含み得る。トンネル接合部をすすぐために使用される液体は、水、またはヌクレオチドを有さないイオン性液体であり得る。このすすぎ液は、リザーバーに貯蔵され、注入システムを用いてトンネル接合部に導入されてよい。ヌクレオチド集団の除去は、電気特性の値を測定する前に行われてよい。他の実施形態では、ヌクレオチド集団は、電気特性の値を測定する前に除去されなくてもよい。
【００６５】
ブロック７０６において、配列決定デバイスの第１の電極と第２の電極の間に電圧が印加されてよい。上記電圧は、トンネル接合部に接触する実体を介してトンネル電流を生成するのに適した任意の電圧であってよい。第１のヌクレオチドを除くヌクレオチド集団を除去した後（例えば、すすぎ後）、電圧を印加してよい。いくつかの実施形態では、すすぎ前、伸長中（例えば、ブロック７０４）、またはヌクレオチド集団の付加中（ブロック７０２）を含む比較的長い時間に渡って、電圧が印加されてよい。いくつかの実施形態では、上記方法の全体に渡って定電圧が印加されてよい。
【００６６】
ブロック７０８において、第１の電極、部分、および第２の電極を通じて電気特性の値を測定してよい。上記電気特性は、電流、電圧、抵抗、インダクタンス、またはパルス幅であり得る。値は、平均（平均値、中央値、最頻値、二乗平均平方根）、極大値もしくは最大値、または瞬時測定値であり得る。値は、１０ｎＡ超、１００ｎＡ超、または１μＡ超であり得る。
【００６７】
ブロック７１０において、第１のヌクレオチドが鋳型親鎖にハイブリダイズしていることを、電気特性の値を用いて検出し得る。ブロック７１２、７１４は、第１のヌクレオチドの検出の仕方を説明したものである。
【００６８】
ブロック７１２において、電気特性の値が電気特性の基準値と比較され得る。基準値は、第１の電極および第２の電極を通過し、かつ部分を通過しないバックグラウンドトンネル電流の値であり得る。基準値は、バックグラウンドトンネル電流に基づく値であり得る。例えば、基準値を、バックグラウンドトンネル電流の最大レベルに設定してよく、また、バックグラウンド電気特性と統計的に異なる値に設定してもよい。例えば、基準値を、平均バックグラウンドトンネル電流から１つ、２つ、または３つの標準偏差に設定してよい。いくつかの実施形態では、基準値はゼロであり得る。
【００６９】
ブロック７１４において、値が基準値を超えていると判断され得る。例えば、値がバックグラウンドトンネル電流よりも大きいと判断され得る。値が基準値を超えていると判断された場合、電流信号を二値信号１に変換してよい。
【００７０】
方法７００は、第１のヌクレオチドから第１の標識化合物を切断することを含み得る。第１の標識化合物を切断するとターミネーターが除去され、ポリメラーゼは、新生鎖を他のヌクレオチドで伸長させることができるようになる。第１の標識化合物の切断は光切断を伴ってよく、この光切断は、第１の標識化合物の感光性部分に影響を与える特定の波長または波長範囲で光を点滅させることを含み得る。いくつかの実施形態では、第１の標識化合物の切断は、切断剤を導入することにより化学的に切断することを含んでよく、切断剤としてはｐＨ調整剤（例えば、酸または塩基）、酵素、または化学試薬が挙げられる。いくつかの実施形態では、切断は、金属（例えば、パラジウム）触媒作用、還元、酸化、求核性、または求電子性であってもよい。
【００７１】
１．別のヌクレオチドを用いた反復測定
方法７００は、第１の標識化合物を切断した後、別のヌクレオチドで測定と検出とを繰り返すことをさらに含み得る。方法７００は、配列決定デバイスに付加される第２のヌクレオチド集団を含み得る。第２のヌクレオチド集団の各ヌクレオチドを、第２の部分を含む第２の標識化合物に結合してよい。第２のヌクレオチド集団の各ヌクレオチドは、第１のヌクレオチドとは異なる種類のヌクレオチドである。各第２の標識化合物は、第１の標識化合物と同じであり得る。各第２の部分は、第１の部分と同じ種類の部分であり得る。
【００７２】
第１のヌクレオチドを組み込むことで新生鎖を伸長させた後、新生鎖は、伸長した新生鎖（すなわち、第１のヌクレオチドが付加された新生鎖）となり得る。方法７００は、伸長した新生鎖を、ポリメラーゼによりさらに伸長させることを含み得る。第２の部分を含む第２の標識化合物には第２のヌクレオチド集団の第２のヌクレオチドが結合しており、酸性ポリメラーゼは、第２のヌクレオチドを組み込むことができる。
【００７３】
第１の電極、第２の部分、および第２の電極を通じて、電気特性の第２の値を測定してよい。電気特性の第２の値に基づいて、第２のヌクレオチドが鋳型親鎖にハイブリダイズしていることを検出し得る。測定および検出については、第１のヌクレオチドで説明されている測定および検出と同じであってよい。ポリメラーゼが第２のヌクレオチドも第２のヌクレオチド集団のいかなるヌクレオチドも組み込まない実施形態では、電気特性の第２の値を、基準値と統計的に同等であると判断してよく、さらなるヌクレオチドが存在していないと判断される。
【００７４】
２．ヌクレオチド集団内の複数種類のヌクレオチド
いくつかの実施形態では、ブロック７０４において付加されるヌクレオチド集団には、２種類以上のヌクレオチドが含まれていてよい。ヌクレオチド集団は、第２の部分を含む第２の標識化合物に結合した第２のヌクレオチドを含み得る。ブロック７１０において第１のヌクレオチドがハイブリダイズしていると検出することは、ブロック７１２において電気特性の値を比較することを含み得る。方法７００において、電気特性の値を電気特性の第２の基準値と比較することにより、電気特性の値に基づき、第２のヌクレオチドが鋳型鎖にハイブリダイズしていないと判断され得る。第２の基準値は、第１の基準値と同じ値でも異なる値でもよい。
【００７５】
第１の部分から生成される電気特性値は、ある特定の範囲内にあるか、ある特定の値より上または下の値であり得る。第２の部分から生成される電気特性値は、ある別の範囲内にあるか、ある特定の値より上または下の値であり得る。電気特性の測定値を複数の異なる範囲または値と比較して、電気特性値がどの部分を示しているか、すなわちどのヌクレオチドを示しているかを判断できる。第１の基準値および第２の基準値は、第１の部分または第２の部分に対する値範囲の終点であってよい。
【００７６】
３．複数のトンネル接合部
方法７００は、複数のトンネル接合部を用いて核酸配列を決定することを含み得る。各トンネル接合部は、それぞれの第１の電極、それぞれの第２の電極、およびそれぞれの絶縁層を含み得る。各トンネル接合部は、それぞれのポリメラーゼと結合する。
【００７７】
方法７００は、複数のトンネル接合部をなす各トンネル接合部ごとのステップを含み得る。それぞれの第１の電極とそれぞれの第２の電極との間に、それぞれの電圧が印加されてよい。それぞれのトンネル接合部に結合し配列決定対象のそれぞれの親鎖に接続したそれぞれのポリメラーゼを用いて、それぞれの新生鎖を伸長させてよい。伸長させることは、それぞれの鋳型親鎖へのハイブリダイゼーションを介して、ヌクレオチド集団のうちのそれぞれのヌクレオチドをそれぞれの新生鎖に組み込むそれぞれのポリメラーゼを含み得る。それぞれの第１の電極、それぞれのヌクレオチドに結合したそれぞれの標識化合物のそれぞれの部分、およびそれぞれの第２の電極を通じて、それぞれの電気特性値が測定され得る。それぞれのヌクレオチドがそれぞれの鋳型親鎖にハイブリダイズしていることを、それぞれの電気特性値を用いて検出し得る。
【００７８】
複数のトンネル接合部をなす各トンネル接合部により、鋳型親鎖にハイブリダイズしているヌクレオチドの有無が判断され得る。上記複数の接合部の数は、約１平方センチメートルであり得る単一のデバイス内において数千、数百万、または数十億であり得る。検出は、０または１の二値信号を識別することを伴うので、トンネル接合部の読み取り時間は、フラッシュドライブの読み取り時間と同様であり得る。フラッシュドライブを基準にすると、トンネル接合部の読み取り時間は、８０メガビット／秒（すなわち、毎秒約８，０００万の接合部）〜５ギガビット／秒（すなわち、毎秒約５０億の接合部）、またはそれ以上に高速になり得る。数百億のトンネル接合部がある場合、すべてのトンネル接合部の読み取り時間は秒のオーダーとなり得る。トンネル接合部の洗浄サイクルは、読み取り時間よりも短い１００μｓのオーダーであり得る。
【００７９】
いくつかの実施形態では、第２のヌクレオチド集団が付加される前に、第１のヌクレオチド集団が除去される。他の実施形態では、第２のヌクレオチド集団が付加される前に、第１のヌクレオチド集団が除去（例えばすすぎ工程により除去）されなくてもよい。このようにして、ある特定のトンネル接合部において、第２のヌクレオチドが親鋳型鎖にハイブリダイズされ得る。電流信号を有するトンネル接合部の総数は、第１のヌクレオチド集団からのヌクレオチドまたは第２のヌクレオチド集団からのヌクレオチドを有する親鎖から得られる。ヌクレオチドの付加は連続的に行われるので、第１のヌクレオチド集団を付加して現れなかった信号を基に、第２のヌクレオチド集団からのヌクレオチドを有する接合部を推定できる。残りのヌクレオチドでもこの工程を繰り返すことができる。そして、複数のヌクレオチド集団を導入した後に洗浄を行うことができる。
【００８０】
いくつかの実施形態では、複数のトンネル接合部を用いて、単一のヌクレオチドでなく２種類のヌクレオチドを一度に導入し得る。測定を行うことにより、２種類の標識化合物を有する２種類のヌクレオチドのうちのいずれかを包含したトンネル接合部がどれであるかを確認できる。次に、ヌクレオチドに特異的な除去工程を用いて第１の種類のヌクレオチドを除去する。例えば、第１の種類のヌクレオチドを有する標識化合物を、ある特定の波長の光で除去し、他方、第２の種類のヌクレオチドを有する標識化合物は、新生鎖から除去しなくてよい。除去後、別の測定を行うことにより、第２の種類のヌクレオチドを有するトンネル接合部を特定する。この手法の結果として、第１の種類のヌクレオチドを組み込んだトンネル接合部と、第２の種類のヌクレオチドを組み込んだトンネル接合部とを判別することができる。ヌクレオチドの種類別の標識化合物が選択的に除去できる限り、この手法は、３種類以上のヌクレオチドにも使用できる。
【００８１】
方法７００は、核酸配列以外の分子の分析に適合され得る。例えば、アミノ酸配列を知るためにタンパク質を分析する場合、ポリメラーゼをリボソームに置き換えてよい。ヌクレオチドの代わりにアミノ酸が標識されることになる。分析対象分子に応じて、ポリメラーゼを他の酵素と共にヘリカーゼ、エキソヌクレアーゼに置き換えてもよい。
【００８２】
Ｃ．磁気トンネル接合部の構成
図８に、本技術の実施形態に係る配列決定デバイスを使用して核酸配列を決定する方法８００を示す。配列決定デバイスは、磁気トンネル接合部、電源、およびメーター装置を含み得る。トンネル接合部は、絶縁層で分離された第１の強磁性層と第２の強磁性層とを含む。強磁性層および第２の強磁性層は、トンネル接合部に関して説明した導体の例である。
【００８３】
方法８００は、鋳型親鎖をトンネル接合部に導入することを含み得る。鋳型親鎖をトンネル接合部に導入するには、流体注入システムを用いてよい。鋳型親鎖は生体試料から取得できる。
【００８４】
ブロック８０２において、ヌクレオチド集団が配列決定デバイスに付加され得る。ヌクレオチド集団の各ヌクレオチドが、部分を含む標識化合物に結合され得る。配列決定デバイスに接触する液体にヌクレオチド集団を含めることにより、ヌクレオチド集団を配列決定デバイスに付加してよい。上記液体はイオン性液体であってよい。部分は、強磁性体または超常磁性体からなる群より選択されてよい。材料には、磁性ナノ粒子（例えば、ＦｅＰｔ、ＦｅＣｕＰｔ、Ｆｅ２Ｏ３）、または本明細書に記載のいずれかの部分が含まれてよい。ヌクレオチド集団の各ヌクレオチドを、それぞれの部分を含むそれぞれの標識化合物に結合してよい。いくつかの実施形態では、ヌクレオチド集団の各ヌクレオチドは、同じ種類のヌクレオチドであり得る。例えば、ヌクレオチド集団の各ヌクレオチドは、Ｇヌクレオチドであり得る。各標識化合物の各部分は、同じ種類の部分であり得る。他の実施形態では、ヌクレオチド集団に２種類、３種類、または４種類のヌクレオチドが含まれていてよい。このような実施形態では、個々のヌクレオチドは、それぞれ異なる種類の部分と結合してよい。ヌクレオチド集団を有する液体をリザーバー内に貯蔵し、注入システムによりトンネル接合部に導入してよい。
【００８５】
ブロック８０４において、トンネル接合部に結合し配列決定対象の鋳型親鎖に接続したポリメラーゼにより、新生鎖が伸長され得る。新生鎖は、一本鎖核酸分子であり得る。鎖を伸長させることは、鋳型親鎖へのハイブリダイゼーションを通じて、ヌクレオチド集団のうちの第１のヌクレオチドを新生鎖に組み込むことを含み得る。新生鎖および鋳型親鎖は、一緒になって二本鎖核酸分子の一部分を形成し得る。
【００８６】
標識化合物は、新生鎖のさらなる伸長を防止するように構成されたターミネーターを含み得る。電気トンネル接合部で使用される標識化合物と同様に、磁気トンネル接合部で使用される標識化合物は、ターミネーターを含むことによって、より長い信号を可能にするように構成される。
【００８７】
第１のヌクレオチドを除くヌクレオチド集団は、トンネル接合部との接触対象から除去されてよい。当該ヌクレオチドを除去することは、トンネル接合部を水ですすぐことを含み得る。トンネル接合部をすすぐために使用される液体は、水、またはヌクレオチドを有さないイオン性液体であり得る。このすすぎ液は、リザーバーに貯蔵され、注入システムを用いてトンネル接合部に導入されてよい。ヌクレオチド集団の除去は、電気特性の値を測定する前に行われてよい。他の実施形態では、ヌクレオチド集団は、電気特性の値を測定する前に除去されなくてもよい。
【００８８】
ブロック８０６において、磁場を印加して第２の強磁性層の極性を設定してよい。第１の強磁性層は永久磁石であってよく、第１の極性を有し得る。第２の強磁性層に磁場を印加して、極性を、第１の極性に対して逆平行である第２の極性に設定してよい。外部磁石により磁場を印加してよい。第１のヌクレオチドを除くヌクレオチド集団を除去した後（例えば、すすぎ後）、磁場を印加してよい。いくつかの実施形態では、すすぎ前、伸長中（例えば、ブロック８０４）、またはヌクレオチド集団の付加中（ブロック８０２）を含む比較的長い時間に渡って、電圧が印加されてよい。いくつかの実施形態では、上記方法の全体に渡って定磁場が印加されてよい。
【００８９】
ブロック８０８において、第１の強磁性層、部分、および第２の強磁性層を通じて電気特性または磁気特性の値を測定してよい。上記電気特性は、電流、電圧、抵抗、インダクタンス、またはパルス幅であり得る。値は、平均（平均値、中央値、最頻値、二乗平均平方根）、極大値もしくは最大値、または瞬時測定値であり得る。値は、１０ｎＡ超、１００ｎＡ超、または１μＡ超であり得る。磁気特性は、磁気ナノ粒子によって引き起こされ磁気センサによって測定される磁場摂動であり得る。
【００９０】
ブロック８１０において、第１のヌクレオチドが鋳型親鎖にハイブリダイズしていることを、電気特性または磁気特性の値を用いて検出し得る。ブロック８１２、８１４は、第１のヌクレオチドの検出の仕方を説明したものである。
【００９１】
ブロック８１２において、電気特性または磁気特性の値が電気特性または磁気特性の基準値と比較され得る。基準値は、第１の強磁性層および第２の強磁性層を通過し、かつ部分を通過しないバックグラウンドトンネル電流、抵抗、その他の電気特性の値であってよい。基準値は、バックグラウンドトンネル電流に基づく値であり得る。例えば、基準値を、バックグラウンドトンネル電流の最大レベルに設定してよく、また、バックグラウンド電気特性と統計的に異なる値に設定してもよい。例えば、基準値を、平均バックグラウンドトンネル電流から１つ、２つ、または３つの標準偏差に設定してよい。いくつかの実施形態では、基準値はゼロであり得る。
【００９２】
ブロック８１４において、値が基準値を超えていると判断され得る。例えば、値がバックグラウンドトンネル電流よりも大きいと判断され得る。値が基準値を超えていると判断された場合、電流信号を二値信号１に変換してよい。
【００９３】
方法８００は、第１のヌクレオチドから第１の標識化合物を切断することを含み得る。第１の標識化合物を切断するとターミネーターが除去され、ポリメラーゼは、新生鎖を他のヌクレオチドで伸長させることができるようになる。第１の標識化合物の切断は光切断を伴ってよく、この光切断は、第１の標識化合物の感光性部分に影響を与える特定の波長または波長範囲で光を点滅させることを含み得る。いくつかの実施形態では、第１の標識化合物の切断は、切断剤を導入することにより化学的に切断することを含んでよく、切断剤としてはｐＨ調整剤（例えば、酸または塩基）、酵素、または化学試薬が挙げられる。いくつかの実施形態では、切断は、金属（例えば、パラジウム）触媒作用、還元、酸化、求核性、または求電子性であってもよい。
【００９４】
方法８００は、別のヌクレオチド、ヌクレオチド集団内の複数種類のヌクレオチド、および／または電気トンネル接合部で説明したものと同様の複数のトンネル接合部を用いた反復測定を含み得る。方法７００と同様に、方法８００は核酸配列以外の分子の分析に適合され得る。
【００９５】
ＩＶ．分析システム
核酸配列の決定方法は、トンネル接合部を有するシステムを使用することを含み得る。トンネル接合部は、絶縁層で分離された第１の導体と第２の導体とを含み得る。導体は、電極または強磁性層であり得る。ポリメラーゼを接合部に結合させ、鋳型親鎖に接続してよい。ポリメラーゼは、鋳型親鎖にハイブリダイズする新生鎖を伸長させるように構成されてよい。電源は、第１の導体と第２の導体のうちの少なくとも一方と電気的に連通してよい。システムは、ヌクレオチド集団を含み得る。ヌクレオチド集団の各ヌクレオチドが、標識化合物に結合され得る。標識化合物は、部分を含み得る。システムは、部分を介して第１の導体と第２の導体とを通じて電気特性の値を測定するように構成されたメーター装置をさらに含み得る。
【００９６】
システムは、複数の命令を記憶するコンピュータ可読媒体を含み得る。プロセッサが上記複数の命令を実行することにより、プロセッサは、第１の導体および第２の導体を通じて電気特性の値を測定することができる。また、上記命令により、プロセッサは、電気特性の値を電気特性の基準値と比較することができる。値が基準値を超えていると判断されると、上記命令により、プロセッサは、ヌクレオチドが鋳型親鎖にハイブリダイズしていることを検出することができる。
【００９７】
電気トンネル接合部および磁気トンネル接合部に固有のシステムについて、以下に説明する。
【００９８】
Ａ．電気トンネル接合部のシステム
図９に、例示的なシステム９００を示す。システム９００は、トンネル接合部を含み得る。トンネル接合部は、第１の電極９０４、第２の電極９０８、および絶縁層９１２を含む。電極材料として、金、銀、白金、またはパラジウムが挙げられる。電極は、分析対象分子の媒体として使用される水溶液中で化学的に安定な金属酸化物を有する任意の金属を含んでよい。他の金属としては、タンタル、ニッケル、クロム、チタン、および銅が挙げられる。
【００９９】
絶縁層９１２は誘電材料を含んでよく、この誘電材料としてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ハフニア（ＨｆＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、ガラス、石英、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、または二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）が挙げられる。絶縁層９１２の厚さは、２ｎｍ超であり得る。上記厚さは、第１の電極９０４と第２の電極９０８との間の距離であり得る。トンネル接合部の操作は、核酸分子の単一または複数のヌクレオチドが両方の電極に接触することを必要としないので、絶縁層の幅は、単一または複数のヌクレオチドのサイズより大きくてもよい。また、絶縁層の幅は部分のサイズより大きくてもよい。その理由は、当該部分が電極間のギャップより小さい場合でもトンネリングが発生し得るからである。
【０１００】
トンネル接合部の向きは、トンネリング方向が第１の電極と第２の電極とに接触する基板の表面に実質的に平行になるように、横方向であってよい。新生鎖の伸長方向は、基板の表面に平行であってよい。絶縁層は、基板に直交する縦軸を有してよい。横方向の向きのトンネル接合部の例は、米国特許出願公開第２０１８／００３１５２３号明細書に記載されており、その内容は、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
【０１０１】
核酸ポリメラーゼ９１６をトンネル接合部に結合するには、テザー化合物９１３と化合物９１４とにより形成されたテザー化合物を用いてよい。テザー化合物９１３はＳｐｙＴａｇを含んでよく、化合物９１４はＳｐｙＣａｔｃｈｅｒを含んでよい。核酸ポリメラーゼ９１６を、絶縁層９１２の位置でトンネル接合部に結合してよい。また、核酸ポリメラーゼ９１６を、第１の電極９０４または第２の電極９０８の位置でトンネル接合部に結合してもよい。核酸ポリメラーゼ９１６は、図６で説明した構成６４０のようにヌクレオチドを付加するように構成されてよい。１つまたは複数の化合物が、核酸ポリメラーゼ９１６を絶縁層９１２に係留し得る。例えば、ヒドロキノン、ＳｐｙＴａｇ、またはＳｐｙＣａｔｃｈｅｒを用いて、核酸ポリメラーゼ９１６を絶縁層９１２に係留することができる。核酸ポリメラーゼ９１６は、新生鎖を伸長させるように構成されてよい。新生鎖は、鋳型親鎖にハイブリダイズし得る。
【０１０２】
システム９００は、電源９２０を含み得る。電源９２０は、第１の電極９０４と第２の電極９０８のうちの少なくとも一方と電気的に連通してよい。電源９２０は、第１の電極９０４および第２の電極９８０に電圧を印加し得る。電源９２０は、所望の電流または所望の電圧を維持するように構成されてよい。電源９２０は、１０ｍＶ〜１００ｍＶ、１００ｍＶ〜２００ｍＶ、２００ｍＶ〜３００ｍＶ、３００ｍＶ〜５００ｍＶ、または５００ｍＶ〜１Ｖを含む、０〜１Ｖの電圧を供給し得る。いくつかの実施形態では、電源９２０は、１ｐＡ〜１０ｐＡ、１０ｐＡ〜１００ｐＡ、１００ｐＡ〜１ｎＡ、１ｎＡ〜１０ｎＡ、または１０ｎＡ〜３０ｎＡを含む、０〜３０ｎＡの電流を供給し得る。
【０１０３】
システム９００は、メーター装置９２４も含み得る。メーター装置９２４は、第１の電極９０４および第２の電極９０８を通じて電気特性の値を測定するように構成されてよい。メーター装置９２４は、電流計、電圧計、またはオシロスコープであり得る。電気特性は電流または電圧であり得る。
【０１０４】
システム９００は、コンピュータシステム９３０を含み得る。コンピュータシステム９２８は、電源９２０およびメーター装置９２４と通信していてよい。コンピュータシステム９２８は、トンネル接合部に流体を送達する制御システムとも通信していてよい。コンピュータシステム９２８は、プロセッサおよびコンピュータ可読媒体を含み得る。コンピュータ可読媒体は、複数の命令を記憶し得る。複数の命令は、処理により実行されることにより、プロセッサに対し、本明細書に記載のいずれかの方法を実行させることができる。例えば、複数の命令が実行されることにより、プロセッサに対し、第１の電極および第２の電極を通じて電気特性の値を測定させることができる。また、プロセッサに対し、電気特性の値を電気特性の基準値と比較させることができる。値が基準値を超えていると判断されると、さらにプロセッサに対し、ヌクレオチドが鋳型親鎖にハイブリダイズしていることを検出させることができる。値が基準値を超えていないと判断されると、さらにプロセッサに対し、鋳型親鎖にハイブリダイズしているヌクレオチドが存在しないことを検出させることができる。コンピュータシステム９２８については、以下でより詳細に説明する。
【０１０５】
システム９００は、標識化合物９３６に結合したヌクレオチド９３２を含み得る。標識化合物９３６は、部分を含み得る。標識化合物９３６は、本明細書に記載のいずれの標識化合物であってもよい。部分は、本明細書に記載のいずれの部分であってもよい。
【０１０６】
システム９００は、リザーバー９４０を含み得る。リザーバー９４０は、トンネル接合部と流体連通していてよい。リザーバー９４０からトンネル接合部へと液体を送達するように、注入システムが構成されてよい。リザーバー９４０は、標識化合物９３６に結合したヌクレオチド９３２を含み得る。リザーバー９４０は、水を含み得る。いくつかの実施形態では、システム９００は、複数のリザーバーを含み得る。各リザーバーは、トンネル接合部に注入される液体を含み、液体はリザーバーごとに異なっていてよい。例えば、４種類のヌクレオチドのそれぞれに対して、異なるリザーバーを使用してよい。トンネル接合部からヌクレオチドを洗い落とすための水を送達する、追加のリザーバーが含まれていてよい。
【０１０７】
システム９００は、複数のトンネル接合部を含み得る。上記複数のトンネル接合部の数は、１平方センチメートルあたり数千、数百万、または数十億であり得る。各トンネル接合部は、同じ基板の表面に存在してよい。基板は、シリコンウェハ、シリコン・オン・インシュレータ・ウェハ等の半導体ウェハを含み得る。各トンネル接合部は、半導体処理技術を使用して製造されてよい。各トンネル接合部は同一であってもよい。電源９２０は、上記複数のトンネル接合部と電気的に連通していてよい。メーター装置９２４または複数のメーター装置は、上記複数のトンネル接合部と電気的に連通していてよい。
【０１０８】
Ｂ．磁気トンネル接合システム
１．単一の磁気トンネル接合部
図１０に、例示的なシステム１０００を示す。システム１０００は、トンネル接合部を含み得る。トンネル接合部は、第１の強磁性層１００４と、第２の強磁性層１００８と、絶縁層１０１２とを含む。強磁性層の材料として、コバルト、Ｃｏ／Ｉ／Ｌａ２／３Ｓｒ１／３ＭｎＯ３（ＬＳＭＯ）（ここで、ＩはＳｒＴｉＯ３（ＳＴＯ）、Ｃｅ０．６９Ｌａ０．３１、またはＯ１．８４５（ＣＬＯ））、ＣｏＧｄ、ＣｏＰｔ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＴｂ、鉄、Ｆｅ２Ｏ３、ＦｅＯＦｅ２Ｏ３、ＮｉＯＦｅ２Ｏ３、ＣｕＯＦｅ２Ｏ３、ＭｇＯＦｅ２Ｏ３、ＭｎＢｉ、Ｎｉ、ＭｎＳｂ、ＭｎＯＦｅ２Ｏ３、Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２、ＭｎＡｓ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＥｕＯが挙げられる。２つの強磁性層の材料は同じであっても異なっていてもよい。一方の強磁性層は、１つの極性を有する永久磁石であり得る。他方の強磁性層は、印加される磁場によってその極性が設定されてよい。
【０１０９】
絶縁層１０１２は誘電材料を含んでよく、この誘電材料としてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ハフニア（ＨｆＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、ガラス、石英、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、または二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）が挙げられる。絶縁層１０１２の厚さは、２ｎｍ超であり得る。上記厚さは、第１の強磁性層１００４と第２の強磁性層１００８との間の距離であり得る。トンネル接合部の操作は、核酸分子の単一または複数のヌクレオチドが両方の強磁性層に接触することを必要としないので、絶縁層の幅は、単一または複数のヌクレオチドのサイズより大きくてもよい。また、絶縁層の幅は部分のサイズより大きくてもよい。その理由は、当該部分が強磁性層間のギャップより小さい場合でもトンネリングが発生し得るからである。
【０１１０】
トンネル接合部の向きは、トンネリング方向が第１の電極と第２の電極とに接触する基板の表面に実質的に平行になるように、横方向であってよい。新生鎖の伸長方向は、基板の表面に平行であってよい。絶縁層は、基板に直交する縦軸を有してよい。横方向の向きのトンネル接合部の例は、米国特許出願公開第２０１８／００３１５２３号明細書に記載されており、その内容は、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
【０１１１】
核酸ポリメラーゼ１０１６をトンネル接合部に結合してよい。核酸ポリメラーゼ１０１６を、絶縁層１０１２の位置でトンネル接合部に結合してよい。１つまたは複数の化合物が、核酸ポリメラーゼ１０１６を絶縁層１０１２に係留し得る。例えば、ヒドロキノン、ＳｐｙＴａｇ、またはＳｐｙＣａｔｃｈｅｒを用いて、核酸ポリメラーゼ１０１６を絶縁層１０１２に係留することができる。核酸ポリメラーゼ１０１６は、新生鎖を伸長させるように構成されてよい。新生鎖は、鋳型親鎖にハイブリダイズし得る。
【０１１２】
しかしながら、核酸ポリメラーゼ１０１６は、トンネル接合部に結合していなくてもよい。磁気トンネル接合部の場合、部分からの磁場が空間と共に材料を通って移動できるので、部分がトンネル接合部のいずれかの箇所と接触する必要はない。磁気トンネル接合部は、核酸ポリメラーゼ１０１６と結合し得る非強磁性体に埋め込まれてよい。
【０１１３】
システム１０００は、電源１０２０を含み得る。電源１０２０は、第１の強磁性層１００４と第２の強磁性層１００８のうちの少なくとも一方と電気的に連通していてよい。電源１０２０は、第１の強磁性層１００４および第２の強磁性層１００８に電圧を印加し得る。電源１０２０は、所望の電流または所望の電圧を維持するように構成されてよい。電源１０２０は、１０ｍＶ〜１００ｍＶ、１００ｍＶ〜２００ｍＶ、２００ｍＶ〜３００ｍＶ、３００ｍＶ〜５００ｍＶ、５００ｍＶ〜１Ｖ、１Ｖ〜２Ｖ、または２Ｖ〜３Ｖを含む、０〜３Ｖの電圧を供給し得る。いくつかの実施形態では、電源１０２０は、１ｐＡ〜１０ｐＡ、１０ｐＡ〜１００ｐＡ、１００ｐＡ〜１ｎＡ、１ｎＡ〜１０ｎＡ、１０ｎＡ〜３０ｎＡ、３０ｎＡ〜１００ｎＡ、１００ｎＡ〜５００ｎＡ、５００ｎＡ〜１μＡ、または１μＡ〜１０μＡを含む、０〜１０μＡの電流を供給し得る。
【０１１４】
システム１０００は、メーター装置１０２４も含み得る。メーター装置１０２４は、第１の強磁性層１００４および第２の強磁性層１００８を通じて電気特性または磁気特性の値を測定するように構成されてよい。メーター装置１０２４は、電流計、電圧計、またはオシロスコープであり得る。電気特性は電流または電圧であり得る。メーター装置１０２４は、磁場を測定する磁気センサであり得る。
【０１１５】
システム１０００は、コンピュータシステム１０２８を含み得る。コンピュータシステム１０２８は、電源１０２０およびメーター装置１０２４と通信していてよい。コンピュータシステム１０２８は、トンネル接合部に流体を送達する制御システムとも通信していてよい。コンピュータシステム１０２８は、プロセッサおよびコンピュータ可読媒体を含み得る。コンピュータ可読媒体は、複数の命令を記憶し得る。複数の命令は、処理により実行されることにより、プロセッサに対し、本明細書に記載のいずれかの方法を実行させることができる。例えば、複数の命令が実行されることにより、プロセッサに対し、第１の強磁性層および第２の強磁性層を通じて電気特性の値を測定させることができる。また、プロセッサに対し、電気特性の値を電気特性の基準値と比較させることができる。値が基準値を超えていると判断されると、さらにプロセッサに対し、ヌクレオチドが鋳型親鎖にハイブリダイズしていることを検出させることができる。値が基準値を超えていないと判断されると、さらにプロセッサに対し、鋳型親鎖にハイブリダイズしているヌクレオチドが存在しないことを検出させることができる。コンピュータシステム１０２８については、以下でより詳細に説明する。
【０１１６】
システム１０００は、標識化合物１０３６に結合したヌクレオチド１０３２を含み得る。標識化合物１０３６は、部分を含み得る。標識化合物１０３６は、本明細書に記載のいずれの標識化合物であってもよい。部分は、本明細書に記載のいずれの部分であってもよい。
【０１１７】
システム１０００は、リザーバー１０４０を含み得る。リザーバー１０４０は、トンネル接合部と流体連通していてよい。リザーバー１０４０からトンネル接合部へと液体を送達するように、注入システムが構成されてよい。リザーバー１０４０は、標識化合物１０３６に結合したヌクレオチド１０３２を含み得る。リザーバー１０４０は、水を含み得る。いくつかの実施形態では、システム１０００は、複数のリザーバーを含み得る。各リザーバーは、トンネル接合部に注入される液体を含み、液体はリザーバーごとに異なっていてよい。例えば、４種類のヌクレオチドのそれぞれに対して、異なるリザーバーを使用してよい。トンネル接合部からヌクレオチドを洗い落とすための水を送達する、追加のリザーバーが含まれていてよい。
【０１１８】
２．複数のトンネル接合部
システム１０００は、複数のトンネル接合部を含み得る。上記複数のトンネル接合部の数は、１平方センチメートルあたり数千、数百万、または数十億であり得る。各トンネル接合部は、同じ基板の表面に存在してよい。基板は、シリコンウェハ、シリコン・オン・インシュレータ・ウェハ等の半導体ウェハを含み得る。各トンネル接合部は、半導体処理技術を使用して製造されてよい。各トンネル接合部は同一であってもよい。電源１０２０は、上記複数のトンネル接合部と電気的に連通していてよい。メーター装置１０２４または複数のメーター装置は、上記複数のトンネル接合部と電気的に連通していてよい。
【０１１９】
図１１に、複数の磁気トンネル接合部を製造するための処理段階を示す。段階１１１０において、導電性材料が基板１１１４上に堆積され、ライン１１１２へとパターニングされる。完成したデバイスでは、ライン１１１２は、従来のメモリシステムにおけるワード線またはビット線に類似し得る。
【０１２０】
段階１１２０において、第１の強磁性体１１２２、絶縁材料１１２４、および第２の強磁性体１１２６が、ライン１１１２の上に層として堆積される。
【０１２１】
段階１１３０において、第１の強磁性体１１２２、絶縁材料１１２４、および第２の強磁性体１１２６がパターニングされて、トンネル接合部１１３２を含む複数のトンネル接合部を形成する。トンネル接合部１１３２は円筒の形に表示されている。しかしながら、トンネル接合部１１３２は、直方体、立方体、円錐を含む他の形状を含み得る。
【０１２２】
段階１１４０において、絶縁材料１１４２が堆積される。絶縁材料１１４２は、トンネル接合部１１３２と同じ高さに堆積され得る。絶縁材料１１４２は、第２の強磁性体１１２６を露出させたまま、トンネル接合部間の空間を充填し得る。
【０１２３】
段階１１５０において、導電性材料が絶縁材料１１４２上に堆積され、ライン１１５２へとパターニングされる。ライン１１５２は、複数のトンネル接合部のうちの第２の強磁性体１１２６に接触する。ライン１１５２は、ライン１１１２とは別の種類のラインとして、従来のメモリシステムにおけるワード線またはビット線に類似し得る。
【０１２４】
段階１１６０において、絶縁材料１１４２は、ライン１１１２を露出させるようにパターニングされる。このパターニングにより、ライン１１５２の下に、ライン１１５２および絶縁材料１１４２により画定されるチャネル１１６２が形成される。チャネル１１６２は、トンネル接合部へのヌクレオチドおよび流体の流れを促進し得る。
【０１２５】
図１１７０は、トンネル接合部１１７２の拡大図である。トンネル接合部１１７２は、絶縁材料１１７４のブロック内に埋め込まれてよい。トンネル接合部１１７２は、部分１１７６がトンネル接合部１１７２の近くにあるが、部分１１７６がトンネル接合部１１７２に接触しないとき、基準値を上回るトンネル電流を生成し得る。部分１１７６は、絶縁材料１１７４に接触してよい。ライン１１７８およびライン１１８０を用いて、トンネル接合部１１７２を通るトンネル電流を検出することができる。
【実施例】
【０１２６】
Ｖ．実施例
Ａ．縦型電気トンネル接合部の製造
縦型電気トンネル接合部を製造し、様々な厚さの絶縁層、様々な絶縁材料、および様々な印加電圧でトンネル電流を試験した。
【０１２７】
図１２に、材料の特性評価に使用した、製造済み垂直電気トンネル接合部の構成を示す。トンネル接合部は、絶縁層１２１２によって分離された第１の白金層１２０４および第２の白金層１２０８である。絶縁層１２１２の材料は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ハフニア（ＨｆＯ２）、または酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である。
【０１２８】
二酸化ケイ素１２１６が堆積されパターニングされて、接点１２２０、１２２４、および１２２８を電気的に絶縁する。接点１２２０、１２２４、および１２２８は金である。トンネル接合部は、電源１２４０および電流計１２４４に接続され得る。
【０１２９】
Ｂ．縦型電気トンネル接合部から得られた電気関連結果
図１３Ａおよび図１３Ｂに、図１２に示す構成と同様の構成を有する縦型トンネル接合部を試験して得られた電気関連の結果を示す。縦型トンネル接合部は、正方形ではなく円形に製造されている。Ｒ７およびＲ８は、接合径が５００ｎｍのデバイスを表す。Ｒ９およびＲ１０は、接合径が７５０ｎｍのデバイスを表す。Ｒ１１およびＲ１２は、接合径が１μｍのデバイスを表す。図１３Ａは、デバイスの電流対電圧を示す図である。デバイスは、トンネリングによる電子伝達を示す整流挙動を示している。図１３Ｂは、各デバイスについて、電流を電圧の二乗で割った量の自然対数と、電圧で割った電流を示す図である。グラフは、直接的トンネリングからファウラーノルドハイムトンネリングへの遷移を示しており、トンネリングによる電子伝達が確認される。これらの図は、製造された縦型トンネル接合部がトラップ支援トンネリングでなく量子トンネリングで表されることを示しており、ＲＴＮの証拠を示していると考えられる。
【０１３０】
Ｃ．横型電気トンネル接合部の製造
横型電気トンネル接合部を製造し、様々な厚さの絶縁層、様々な絶縁材料、および様々な印加電圧でトンネル電流を試験した。
【０１３１】
図１４Ａは、製造済みの横型トンネル接合デバイス１４００の構成を示す図である。第１の電極１４０４および第２の電極１４０８は、絶縁層１４１２で分離されている。第１の電極１４０４および第２の電極１４０８は、いずれも白金である。絶縁層１４１２の材料は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ハフニア（ＨｆＯ２）、または酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である。第１の電極１４０４および第２の電極１４０８は、電源１４１６および電流計１４２０と電気的に連通していてよい。第１の電極１４０４、第２の電極１４０８、および絶縁層１４１２の各々の厚さは、２０ｎｍである。第１の電極１４０４、第２の電極１４０８、および絶縁層１４１２のうち、電極が絶縁層１４１２と接触している部分の幅は、５０ｎｍである。接合面積は１，０００ｎｍ２である。検知面積は２０ｎｍ２である。
【０１３２】
図１４Ｂは、製造済みの横型トンネル接合部の図である。絶縁面１４２４は、第１の電極１４０４、第２の電極１４０８、および絶縁層１４１２の上に配置されている。絶縁面１４２４は二酸化ケイ素であってよく、接合領域がＣＭＰにより画定された後に堆積されてよい。接点１４２８、１４３２により、トンネル接合部との電気的連通が可能になる。横型トンネル接合部は基板１４３６の上にある。マーク１４４０は、電極の高さを判定するために使用される計測マークであり、デバイスの機能に必要とされるものではない。
【０１３３】
Ｄ．横型トンネル接合部から得られた電気関連結果
図１５Ａ、図１５Ｂ、図１５Ｃ、および図１５Ｄに、図１４Ｂに示す構成を有する横型電気トンネル接合部を試験して得られた電気関連の結果を示す。
【０１３４】
図１５Ａは、様々な厚さのＡｌ２Ｏ３絶縁層の電流対電圧を示す図である。試験した厚さは、１．０４ｎｍ、２．５４ｎｍ、３．４９ｎｍ、および４．２３ｎｍであった。絶縁層が厚いほど、様々な電圧でトンネル電流が低い。
【０１３５】
図１５Ｂは、厚さ２．５３ｎｍの絶縁層の電流対電圧を示す図である。複数の異なる線は、接合幅４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、７００ｎｍ、８００ｎｍ、および１，３００ｎｍを表す。ＩＶ曲線は、トンネリングによる電子伝達を示す整流挙動を示している。電流の変動は、製造工程時に導入された電荷トラップに起因するＲＴＮの証拠を示している。
【０１３６】
図１５Ｃは、厚さ２．５３ｎｍの絶縁層を有するデバイスについて、電流を電圧の二乗で割った量の自然対数と、電圧で割った電流を示す図である。
【０１３７】
図１５Ｄは、厚さ３．４９ｎｍの絶縁層の電流対電圧を示す図である。複数の異なる線は、接合幅４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、７００ｎｍ、８００ｎｍ、および１，３００ｎｍを表す。ＩＶ曲線は、トンネリングによる電子伝達を示す整流挙動を示している。電流の変動は、製造工程時に導入された電荷トラップに起因するＲＴＮの証拠を示している。
【０１３８】
ＶＩ．システム例
図１６は、例示的な分析システムを示す図である。図１６に示すシステムは、分析装置１６０２と、コンピュータシステム１６０６の一部であるインテリジェンスモジュール１６０４とを備える。分析装置１６０２は、システム９００、システム１０００、または本明細書に記載のいずれかのシステムを含み得る。コンピュータシステム１６０６は、コンピュータシステム１０の一部または全部を含み得る。ネットワーク接続または直接接続により、データセット（電気特性データセット）が分析装置１６０２からインテリジェンスモジュール１６０４へ、またはその逆方向に転送される。データセットは、例えばヌクレオチドを同定するために処理され得る。同定ステップは、コンピュータシステム１６０６のハードウェアに記憶されたソフトウェアによって実現され得る。インテリジェンスモジュールの記憶装置に記憶されているコンピュータコードをプロセッサが実行することによりデータセットを処理し、処理の後、データセットを分析モジュールの記憶装置に戻し、修正後のデータを表示装置に表示してよい。いくつかの実施形態では、インテリジェンスモジュールは分析装置に実装されてもよい。
【０１３９】
図１７は、コンピュータシステム１７００が印加手段１７１０を含み得ることを示す図であり、印加手段１７１０は、例えば、絶縁層で分離された第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加することを含み得る。コンピュータシステム１７００は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）コンピュータであり得る。コンピュータシステム１７００は測定手段１７２０を含んでもよく、測定手段１７２０は、第１の電極および第２の電極を通じて電気特性の値を測定することを含み得る。コンピュータシステム１７００は受信手段をさらに含んでもよく、この受信手段は、分析システムから電気特性の値を受信することを含み得る。コンピュータシステム１７００は検出手段を含んでもよく、この検出手段は、例えば、ヌクレオチドが鋳型親鎖にハイブリダイズしていることを、電気特性の値を用いて検出することを含み得る。
【０１４０】
本明細書に記載のいずれのコンピュータシステムも、任意の適切な数のサブシステムを利用してよい。このようなサブシステムの例が、図１８のコンピュータシステム１０に示されている。いくつかの実施形態では、コンピュータシステムは単一のコンピュータ装置を含み、この場合、サブシステムはコンピュータ装置の構成要素であり得る。他の実施形態では、コンピュータシステムは複数のコンピュータ装置を含んでよく、この場合、各コンピュータ装置が、内部の構成要素を有するサブシステムである。コンピュータシステムは、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、タブレット、携帯電話、および他のモバイルデバイスを含み得る。コンピュータシステム１０は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）コンピュータであり得る。
【０１４１】
図１８に示すサブシステムは、システムバス７５を介して相互接続している。プリンタ７４、キーボード７８、記憶装置７９、ディスプレイアダプタ８２に接続したモニタ７６などの追加のサブシステムも示されている。Ｉ／Ｏコントローラ７１に接続する周辺機器および入出力（Ｉ／Ｏ）デバイスは、入出力（Ｉ／Ｏ）ポート７７などの当技術分野で知られている任意の数の手段によってコンピュータシステムに接続することができる（例えば、ＵＳＢ、ＦｉｒｅＷｉｒｅ（登録商標）、Ｔｈｕｎｄｅｒｂｏｌｔ）。例えば、Ｉ／Ｏポート７７や外部インターフェース８１（例えば、イーサネット、Ｗｉ−Ｆｉなど）を用いて、コンピュータシステム１０を、インターネットなどの広域ネットワーク、マウス入力デバイス、またはスキャナに接続することができる。システムバス７５を介した相互接続により、中央処理装置７３は、各サブシステムと通信でき、システムメモリ７２または記憶装置７９（例えば、ハードドライブなどの固定ディスク、または光ディスク）からの命令の実行を制御でき、サブシステム間の情報交換を制御することができる。システムメモリ７２および／または記憶装置７９は、コンピュータ可読媒体を具体化したものであり得る。別のサブシステムとして、カメラ、マイク、加速度計などのデータ収集装置８５がある。本明細書に記載のいずれのデータも、ある構成要素から別の構成要素に出力でき、ユーザーに対して出力できる。
【０１４２】
コンピュータシステムは、例えば外部インターフェース８１または内部インターフェースによって一緒に接続された、複数の同一の構成要素またはサブシステムを含み得る。いくつかの実施形態では、コンピュータシステム、サブシステム、または装置は、ネットワークを介して通信することができる。このような場合、ある１台のコンピュータをクライアントとみなし、別のコンピュータをサーバとみなすことができ、各々が同一のコンピュータシステムの一部であり得る。クライアントとサーバはそれぞれ、複数のシステム、サブシステム、または構成要素を含み得る。
【０１４３】
本発明の実施形態のいずれも、ハードウェア（例えば、特定用途向け集積回路またはフィールドプログラマブルゲートアレイ）を用いた制御ロジックの形で実現でき、かつ／または汎用プログラマブルプロセッサを伴うコンピュータソフトウェアを用いてモジュール式または統合的に実現できることを理解すべきである。本明細書で使用するプロセッサは、シングルコアプロセッサ、同じ集積チップ上のマルチコアプロセッサ、または単一回路基板上にあるかネットワーク化された複数の処理装置を含む。当業者であれば、本明細書で提供される開示および教示に基づいて、ハードウェアおよびハードウェアとソフトウェアとの組み合わせを使用して本発明の実施形態を実施するための他の方法および／または方法を知り理解するであろう。
【０１４４】
本願に記載のソフトウェアコンポーネントまたは機能のいずれも、Ｊａｖａ、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ−Ｃ、Ｓｗｉｆｔなどの任意の適切なコンピュータ言語またはＰｅｒｌ、Ｐｙｔｈｏｎなどのスクリプト言語を用いてプロセッサにより実行されるソフトウェアコードとして、例えば従来の手法またはオブジェクト指向の手法を使用して実装され得る。ソフトウェアコードは、記憶および／または送信のために、コンピュータ可読媒体上に一連の命令またはコマンドとして記憶され得る。適切な非一時的コンピュータ可読媒体として、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ハードドライブまたはフロッピーディスクなどの磁気媒体、コンパクトディスク（ＣＤ）またはＤＶＤ（デジタル多用途ディスク）などの光媒体、フラッシュメモリなどが挙げられる。コンピュータ可読媒体は、このような記憶装置または送信装置の任意の組み合わせであり得る。
【０１４５】
このようなプログラムはまた、符号化されて、インターネットをはじめ、様々なプロトコルに準拠した有線、光、および／または無線のネットワークを介した送信に適合した搬送波信号を用いて送信されてもよい。したがって、このようなプログラムと共に符号化されたデータ信号を使用して、本発明の実施形態に係るコンピュータ可読媒体を作成してもよい。プログラムコードで符号化されたコンピュータ可読媒体は、互換性のあるデバイスと一緒にパッケージ化されてもよいし、他のデバイスとは別個に（例えば、インターネットダウンロードを介して）提供されてもよい。このようなコンピュータ可読媒体は、単一のコンピュータ製品（例えば、ハードドライブ、ＣＤ、またはコンピュータシステム全体）に常駐してもよく、システムまたはネットワーク内の複数の異なるコンピュータ製品に存在してもよい。コンピュータシステムは、本明細書に記載の結果をユーザーに提供するためのモニタ、プリンタ、または他の適切なディスプレイを含み得る。
【０１４６】
本明細書に記載のいずれの方法も、ステップを実行するように構成可能な１つ以上のプロセッサを含むコンピュータシステムを用いて、全体的または部分的に実行され得る。したがって、本明細書に記載のいずれかの方法のステップを実行するように構成されたコンピュータシステムを実施形態の対象とすることができ、潜在的には、複数の異なる構成要素が各ステップまたは各ステップ群を実行する。ステップに番号を付けて提示しているが、本明細書における方法のステップは、同時に、または異なる順序で実行することができる。加えて、これらのステップの一部を、他の方法の他のステップの一部と共に使用してもよい。また、あるステップの全部または一部分は任意であり得る。さらに、いずれの方法のいずれのステップも、モジュール、ユニット、回路、またはこれらのステップを実行するための他の手段を用いて実行することができる。
【０１４７】
本発明の実施形態の趣旨および範囲から逸脱することなく、特定の実施形態の具体的な詳細を、任意の適切な方法で組み合わせてよい。しかしながら、本発明の他の実施形態は、個別の各態様または各態様の具体的組み合わせに関連する具体的な実施形態であり得る。
【０１４８】
本発明の上記の実施形態例の説明は、例示および説明のために提示されたものである。網羅的であることも、記載されている厳密な形態に本発明を限定することも意図しておらず、上記の教示に照らして多くの修正および変更が可能である。
【０１４９】
前述の説明では、説明の目的で、本技術の様々な実施形態を理解させるために多くの詳細を示した。しかしながら、ある特定の実施形態がこれらの詳細のうちの一部をなくして、または追加の詳細を用いて実施され得ることは、当業者には明らかであろう。
【０１５０】
いくつかの実施形態を説明したが、当業者であれば、本発明の趣旨から逸脱することなく、様々な修正、代替構造、および均等物が使用され得ることを認識するであろう。さらに、本発明を不必要に曖昧にすることを避けるために、いくつかの周知の工程および要素は説明していない。加えて、特定の実施形態の詳細は、当該実施形態の変形例に存在していなくてもよく、他の実施形態に追加されてもよい。
【０１５１】
値の範囲が提示される場合、文脈が別途明確に指示しない限り、当該範囲の上限と下限との間の下限の単位の１０分の１までの各介在値も、具体的に開示されていると理解される。指定範囲内の任意の指定値または介在値と、当該指定範囲内の他の指定値または介在値との間に渡る、指定範囲より小さい各範囲も包含される。これらのより小さい範囲の上限および下限は、それぞれ独立して、指定範囲に含まれるか指定範囲から除外され、これらのより小さい範囲に上下限の一方または両方が含まれるか、どちらも含まれない各範囲も、指定範囲において具体的に除外される上下限を除き、本発明の範囲内に包含される。上下限の一方または両方が指定範囲に含まれる場合、当該上下限の一方または両方を除外した範囲も含まれる。
【０１５２】
本明細書および添付の特許請求の範囲で使用されるとき、単数形「ａ（１つの）」、「ａｎ（１つの）」、および「ｔｈｅ（その）」は、文脈が別途明確に指示しない限り、複数の指示対象を含む。したがって、例えば、「ａ  ｍｅｔｈｏｄ（方法）」に言及している場合、複数の当該方法を含み、「ｔｈｅ  ｍｏｉｅｔｙ（部分）」に言及している場合、１つ以上の部分および当業者に知られている当該部分の均等物を含む。明瞭さと理解のために本発明を詳細に説明した。しかしながら、添付の特許請求の範囲内で、何らかの変更および修正を実施してよいことが理解されるであろう。
【図１】
2021528065.tif 000003
【図２Ａ】
2021528065.tif 000004
【図２Ｂ】
2021528065.tif 000005
【図３Ａ】
2021528065.tif 000006
【図３Ｂ】
2021528065.tif 000007
【図４Ａ】
2021528065.tif 000008
【図４Ｂ】
2021528065.tif 000009
【図４Ｃ】
2021528065.tif 000010
【図５Ａ】
2021528065.tif 000011
【図５Ｂ】
2021528065.tif 000012
【図５Ｃ】
2021528065.tif 000013
【図６】
2021528065.tif 000014
【図７】
2021528065.tif 000015
【図８】
2021528065.tif 000016
【図９】
2021528065.tif 000017
【図１０】
2021528065.tif 000018
【図１１】
2021528065.tif 000019
【図１２】
2021528065.tif 000020
【図１３Ａ】
2021528065.tif 000021
【図１３Ｂ】
2021528065.tif 000022
【図１４Ａ】
2021528065.tif 000023
【図１４Ｂ】
2021528065.tif 000024
【図１５Ａ】
2021528065.tif 000025
【図１５Ｂ】
2021528065.tif 000026
【図１５Ｃ】
2021528065.tif 000027
【図１５Ｄ】
2021528065.tif 000028
【図１６】
2021528065.tif 000029
【図１７】
2021528065.tif 000030
【図１８】
2021528065.tif 000031
【国際調査報告】
2021528065.tif 000032
2021528065.tif 000033
2021528065.tif 000034