(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を有する基板、及び、
前記基板の表面上に配置されるトランスデューサ、
を含む装置であって、
前記トランスデューサは、
第１の電極及び第２の電極であり、前記第１又は第２の電極は導電性ダイヤモンドで構成され、前記第１及び第２の電極はそれぞれ導電線に結合され、該導電線を介して、独立して前記第１及び第２の電極に電圧を加えることができ、さらに、独立して前記第１及び第２の電極のそれぞれからの電流を測定することができ、前記第１の電極は表面を有し、さらに、前記第２の電極は表面を有し、前記第１の電極の前記表面が、１０ｎｍから２００ｎｍの距離分、前記第２の電極の前記表面から離される、第１の電極及び第２の電極、
前記第１の電極の表面と前記第２の電極の表面の間で流体を含有する能力を持つ空洞、並びに、
流体が前記空洞に入る及び前記空洞を離れるのを可能にする能力を持つ、前記第２の電極を通るアクセスホール、
を含み、
前記基板は集積回路チップである、装置。
【請求項２】
表面を有する基板、及び、
前記基板の表面上に配置されるトランスデューサ、
を含む装置であって、
前記トランスデューサは、
第１の電極及び第２の電極であり、前記第１又は第２の電極は導電性ダイヤモンドで構成され、前記第１及び第２の電極はそれぞれ導電線に結合され、該導電線を介して、独立して前記第１及び第２の電極に電圧を加えることができ、さらに、独立して前記第１及び第２の電極のそれぞれからの電流を測定することができ、前記第１の電極は表面を有し、さらに、前記第２の電極は表面を有し、前記第１の電極の前記表面が、５００ｎｍ未満の距離分、前記第２の電極の前記表面から離される、第１の電極及び第２の電極、
前記第１の電極の表面と前記第２の電極の表面の間で流体を含有する能力を持つ空洞、並びに、
流体が前記空洞に入る及び前記空洞を離れるのを可能にする能力を持つ、前記第２の電極を通るアクセスホール、
を含み、
前記基板が集積回路チップであり、さらに、前記第１の電極及び前記第２の電極が、前記導電線を介して前記集積回路チップ内の電子機器に独立して電気的に結合される、装置。
【請求項３】
前記第１の電極の表面が、１０ｎｍから２００ｎｍの距離分、前記第２の電極の表面から離される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記導電性ダイヤモンドが、ナノ結晶性ダイヤモンドである、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記導電性ダイヤモンドが、ホウ素ドープダイヤモンドである、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の電極も前記第２の電極も、導電性ダイヤモンドで構成される、請求項２に記載の装置。
【請求項７】
前記第１の電極が導電性ダイヤモンドで構成され、さらに、前記第１の電極の高さが３００ｎｍから１０００ｎｍである、請求項２に記載の装置。
【請求項８】
前記第１又は第２の電極が、金又はプラチナで構成される、請求項２に記載の装置。
【請求項９】
表面を有する集積回路チップ、及び、
前記集積回路チップの表面上に配置されるトランスデューサのアレイであり、少なくとも１０００のトランスデューサを含み、さらに、該トランスデューサの少なくとも８５％が機能的なトランスデューサであり、当該アレイを構成するトランスデューサは、前記集積回路チップ内の電子機器に電気的に結合され、さらに、該電子機器を介して個々に処理可能である、アレイ、
を含む装置であって、
トランスデューサは、
第１の電極及び第２の電極であり、前記第１又は第２の電極は導電性ダイヤモンドで構成され、前記第１及び第２の電極は前記集積回路チップに独立して結合され、該集積回路チップを介して、独立して、前記第１及び第２の電極に電圧を加えることができ、さらに、前記第１及び第２の電極のそれぞれからの電流を測定することができ、前記第１の電極は表面を有し、さらに、前記第２の電極は表面を有し、前記第１の電極の前記表面が、５００ｎｍ未満の距離分、前記第２の電極の前記表面から離される、第１の電極及び第２の電極、
前記第１の電極の表面と前記第２の電極の表面の間で流体を含有する能力を持つ空洞、並びに、
流体が前記空洞に入る及び前記空洞を離れるのを可能にする能力を持つ、前記第２の電極を通るアクセスホール、
を含む、装置。
【請求項１０】
前記第１の電極の表面が、１０ｎｍから２００ｎｍの距離分、前記第２の電極の表面から離される、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記導電性ダイヤモンドが、ナノ結晶性ダイヤモンドである、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記導電性ダイヤモンドが、ホウ素ドープダイヤモンドである、請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１の電極も前記第２の電極も、導電性ダイヤモンドで構成される、請求項９に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１の電極が導電性ダイヤモンドで構成され、さらに、前記第１の電極の高さが３００ｎｍから１０００ｎｍである、請求項９に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１又は第２の電極が、金又はプラチナで構成される、請求項９に記載の装置。
【請求項１６】
集積回路チップに動作可能に結合されるコンピュータであり、前記集積回路チップが、前記集積回路チップの表面上に配置されるトランスデューサのアレイを含む、コンピュータ、
前記トランスデューサのアレイを含む前記集積回路チップの表面に流体を供給する能力を持つ流体システムであり、前記アレイを構成するトランスデューサは、前記集積回路チップ内の電子機器に電気的に結合され、さらに、該電子機器を介して個々に処理可能である、流体システム、
を含むシステムであって、
トランスデューサは、
第１の電極及び第２の電極であり、前記第１又は第２の電極は導電性ダイヤモンドで構成され、前記第１及び第２の電極は前記集積回路チップに独立して結合され、該集積回路チップを介して、独立して、前記第１及び第２の電極に電圧を加えることができ、さらに、前記第１及び第２の電極のそれぞれからの電流を測定することができ、前記第１の電極は表面を有し、さらに、前記第２の電極は表面を有し、前記第１の電極の前記表面が、５００ｎｍ未満の距離分、前記第２の電極の前記表面から離される、第１の電極及び第２の電極、
前記第１の電極の表面と前記第２の電極の表面の間で流体を含有する能力を持つ空洞、並びに、
流体が前記空洞に入る及び前記空洞を離れるのを可能にする能力を持つ、前記第２の電極を通るアクセスホール、
を含む、システム。
【請求項１７】
前記第１の電極の表面が、１０ｎｍから２００ｎｍの距離分、前記第２の電極の表面から離される、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記アレイが、少なくとも１０００のトランスデューサを含み、さらに、該トランスデューサの少なくとも９０％が機能的なトランスデューサである、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
前記導電性ダイヤモンドが、ナノ結晶性ダイヤモンドである、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２０】
前記導電性ダイヤモンドが、ホウ素ドープダイヤモンドである、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２１】
前記第１の電極も前記第２の電極も、導電性ダイヤモンドで構成される、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２２】
前記第１又は第２の電極が、金又はプラチナで構成される、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２３】
前記コンピュータが、前記第１又は第２の電極のうちの１つからの電流測定値を使用してデータ分析を行うように構成され、前記電流が測定される前記第１又は第２の電極のうちの１つは、導電性ダイヤモンドで構成される、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２４】
前記第２の電極は、少なくとも、前記第１の電極の前記表面の一部及び前記第１の電極の側面を取り囲む、請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般に、トランスデューサ、ナノギャップトランスデューサ、電子センシング、電気化学、酸化還元サイクリング及び生体分子検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
増加した精度及び／若しくは頑強さ、分析試料に対する減少した要求、並びに／又は、ハイスループットを提供する分析装置は、価値のある分析的及び生物医学的ツールである。加えて、小型化され且つ大量に製造可能な分子検出プラットフォームは、手ごろな疾患検出の利用を、そのような利用が過去において可能ではなかった場所及び状況にいる多くの人々に対して与える。手ごろな分子診断装置が利用可能なことによって、利用可能な医療のコストが減り、さらに、利用可能な医療の質が改善される。加えて、持ち運び可能な分子検出装置は、セキュリティー及び危険検出並びに改善の分野において適用され、さらに、認めたセキュリティー又は偶然の生物学的若しくは化学的危険に対して適切にすぐ反応する能力を供する。
【０００３】
生きている生物における遺伝情報は、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）及びリボ核酸（ＲＮＡ）等の非常に長い核酸分子の形で含有されている。自然発生のＤＮＡ及びＲＮＡ分子は、典型的に、ヌクレオチドと呼ばれる反復する化学的構成要素で構成される。例えば、ヒトゲノムは、約３０億ヌクレオチドのＤＮＡ配列、及び、推定２０，０００から２５，０００の遺伝子を含有する。
【０００４】
ヒトゲノムの３０億ヌクレオチド配列全体の決定は、癌、嚢胞性線維症及び鎌状赤血球貧血等、多くの疾患の遺伝的根拠を同定するための基礎を提供してきた。個体のゲノム又はゲノムの切片を配列決定することによって、医学的処置を個別化する機会が提供される。核酸配列情報の必要性は、研究、環境保護、食品安全性、生体防御、及び、例えば病原体検出、すなわち、病原体及び／又はその遺伝的変異体の有無の検出等、臨床適用にも存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
超低い濃度にて生物学的反応及び分子を検出する能力は、例えば、分子検出及び分析、分子診断、疾患診断、物質同定、並びに、ＤＮＡ検出及び配列決定に対する適用可能性を有する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態は、生物学的反応及び分子を検出する能力を持つ、さらに、高い感度、極度に減少した設置面積、及び、高度の製造可能性を示す電子センサを提供する。本発明の実施形態によるナノギャップトランスデューサは、ナノギャップトランスデューサの大きなアレイの形であり得る。トランスデューサの５０％以上、７５％以上、８５％以上、９０％以上、９５％以上又は９８％以上が機能しているセンサである、例えば、１０００から１０００万又は１００万から１００億のトランスデューサを含むナノギャップトランスデューサのアレイが提供される。
【０００７】
本発明の実施形態は、電子センサ及び酸化還元サイクリングセンサとして機能する能力を持つトランスデューサを提供する。一般に、酸化還元サイクリングは、可逆的に酸化及び／又は還元することができる分子（すなわち、酸化還元活性のある分子）が少なくとも２つの電極間を移動する電気化学的方法であり、前記少なくとも２つの電極は、独立してバイアスがかけられる。すなわち、検出されている酸化還元活性のある分子に対して、１つの電極は還元電位未満であり、さらに、もう１つの電極は酸化電位を超え、独立してバイアスがかけられた電極間で電子を往復して運ぶ（すなわち、電極にバイアスがかけられた箇所での分子及び電位に応じて、分子が第１の電極にて酸化され、次に、第２の電極まで拡散し、そこで還元され、又は、逆も同様であり、分子は第一に還元され、次に還元される）。酸化還元サイクリングにおいて、同じ分子が、従って、記録される電流に複数の電子を与えることができ、信号の正味の増幅を生じる。
【０００８】
本発明の実施形態によるナノギャップトランスデューサは、集積回路製造用途において典型的に使用される例えばチップ又はシリコンウェハー等、単一のプラットフォーム上へのセンサユニット（及び、任意で運転電子機器）の密な統合を可能にするＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）適合性の様式で確実に製作することができる。本発明の実施形態によって提供されるナノギャップトランスデューサは、非常に小さく且つ非常に感度が高いため、大規模並列処理の様式で超低い濃度にて分子及び生体分子を検出する能力を提供する。個々のナノギャップトランスデューサは、例えば、アレイ又は他のチップ表面上の０．５μｍ２ほどを占めることができる。他の実施形態において、個々のナノギャップトランスデューサは、アレイ又は他のチップ表面上の０．５μｍ２から５０μｍ２まで、又は、０．５μｍ２から１００μｍ２の領域を占める。非常に感度の高い様式で分子を検出する能力は、診断、プロテオミクス、ゲノミクス、セキュリティー並びに化学的及び生物学的危険検出の分野において適用される。
【０００９】
本願は、“Ｎａｎｏｇａｐ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｅｎｓｏｒｓ”と題され、２００９年１２月３１日に出願し、係属中である米国出願第１２／６５５，５７８号、“Ｓｅｎｓｏｒ  Ａｒｒａｙｓ  ａｎｄ  Ｎｕｃｌｅｉｃ  Ａｃｉｄ  Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”と題され、２００５年９月１３日に出願し、係属中であり、“Ｓｅｎｓｏｒ  Ａｒｒａｙｓ  ａｎｄ  Ｎｕｃｌｅｉｃ  Ａｃｉｄ  Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”と題され、２００５年３月４日に出願した米国特許出願第１１／０７３，１６０号に基づく優先権を主張するものである一部継続出願の米国特許出願第１１／２２６，６９６号、及び、“Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｓｅｎｓｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｎｕｃｌｅｉｃ  Ａｃｉｄ  Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ”と題され、２００７年１２月３１日に出願し、係属中である米国特許出願第１１／９６７，６００号に関し、その全内容を本願に援用する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ナノギャップトランスデューサを例示した概略図である。
【図２】図１のナノギャップトランスデューサの２−２に沿った図を例示した概略図である。
【図３Ａ】導電性ダイヤモンド材料を含む１つ又は２つの電極を有するナノギャップトランスデューサを作製するための方法を示した図である。
【図３Ｂ】導電性ダイヤモンド材料を含む１つ又は２つの電極を有するナノギャップトランスデューサを作製するための方法を示した図である。
【図４Ａ】導電性ダイヤモンド電極を有するナノギャップトランスデューサに対するサイクリックボルタンメトリー測定を示したグラフである。
【図４Ｂ】導電性ダイヤモンド電極を有するナノギャップトランスデューサに対するサイクリックボルタンメトリー測定を示したグラフである。
【図５】核酸分子の配列を決定するための方法の流れ図である。
【図６】酸化還元活性のある種の酸化還元反応の検出を介して核酸分子を配列決定するための方法を示した反応スキームである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、電子センサとして機能する、酸化還元分子を検出する、及び／又は、酸化還元サイクリングセンサとして機能する能力を持つナノギャップトランスデューサを例示している。図１において、基板１０５は、誘電体層１１０及び第１の電極１１５を有する。第２の電極１２０は、高さｈ１を有するギャップによって第１の電極から離されている。本発明の実施形態において、ギャップの高さｈ１は、５００ｎｍ未満であるか、又は、１０から２００ｎｍまで、１０から１５０ｎｍまで、若しくは、２５から１５０ｎｍまでである。誘電体層１１０を通るビア（ｖｉａ）等の任意の電子相互接続１２５及び１３０は、基板１０５内に収容された任意の電子機器（図示せず）に接続される。本発明の実施形態において、基板１０５は、集積回路（ＩＣ）チップであり、さらに、例えば、電極１１５及び１２０を駆動する、信号読み出し、信号増幅及び／又はデータ出力のための電子機器を含む。基板は、例えばガラス、不動態化した金属、ポリマー、半導体、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）及び／又は柔軟なエラストマー物質等、他の材料でもあり得る。基板が電子機器を収容しない実施形態において、他の構成も可能であるけれども、電極１１５及び１２０への電気接続は、絶縁層１１０の表面に沿って又は基板１０５を通って延び得る。絶縁層１３５は、第２の電極１２０に近接している。絶縁層１３５は、例えば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、又は、ポリイミド等のポリマーで構成され得る。絶縁層１３５に対する他の誘電体材料も可能である。
【００１２】
電極１１５及び１２０は、例えばダイヤモンド、プラチナ及び／又は金等、導電性材料で構成される。本発明の実施形態において、少なくとも１つの電極１１５又は１２０は、導電性ダイヤモンド材料で構成される。本発明の実施形態において、電極１１５は、導電性ダイヤモンドで構成される。本発明のさらなる実施形態において、電極１１５も１２０も、導電性ダイヤモンド材料で構成される。ダイヤモンドは、例えばドープ処理することによって電気を伝えるように作製することができる。ドーパントは、例えば、ホウ素、窒素及び亜リン酸を含む。本発明の一実施形態において、ドーパントはホウ素である。ホウ素ドープダイヤモンド材料に対するドーピング濃度は、１０２０原子／ｃｍ３を超え且つ１０２２原子／ｃｍ３未満の濃度を含む。本発明の実施形態において、第１の電極１１５が導電性ダイヤモンド材料で構成される場合に、電極の高さｈ２は、２００から１０００ｎｍである。別の実施形態において、導電性ダイヤモンド電極の高さｈ２は、５から２５ｎｍである。本発明の実施形態において、導電性ダイヤモンド膜は、ミクロ結晶性又はナノ結晶性ダイヤモンドである。本発明のさらなる実施形態において、任意選択で、導電性ダイヤモンドの第１電極１１５は、近接している誘電体領域１１７を有する。誘電体材料は、例えば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、又は、製造プロセスと矛盾しない他の電気化学的に非反応性の材料であり得る。作動中、典型的には、参照電極（図示せず）もナノギャップトランスデューサと共に使用される。参照電極は、測定されている溶液と接触しているが、ナノギャップ内に置かれる必要はない。
【００１３】
図２は、図１のナノギャップトランスデューサの２−２に沿った図である。図２の特徴は、図１に関して記載されたものと同じである。手短に言えば、第１の電極１１５、誘電体層１１０、第２の電極１２０及び絶縁層１３５が描かれている。例えば楕円形、正方形、長方形、三角形又は他の多角形等、他の形状も電極１１５及び１２０に対して可能である。任意の誘電体領域１１７は、図２において示されていないが、１１０でラベルされた領域に置かれるであろう。
【００１４】
図３Ａ〜Ｂは、導電性ダイヤモンド材料で構成される第１の電極、及び、任意で、導電性ダイヤモンド材料で構成される第１の電極も第２の電極も有するナノギャップトランスデューサを作製するための方法を例示している。図３Ａにおいて、構造（ｉ）は、基板３０５、誘電体層３１０、導電性ダイヤモンド材料で構成される第１の電極層３１５、及び、ハードマスク層３２０を含む。導電性ダイヤモンド材料は、例えば、熱フィラメントＣＶＤ（化学蒸着）法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、又は、急燃焼フレームアシストＣＶＤプロセスを使用して堆積され得る。導電性ダイヤモンド材料は、シード層上に堆積することができ、シード層は、例えば、ダイヤモンド粒子を含む溶液内に基板を浸す、及び、超音波処理を使用して表面に粒子を付着させることによって、又は、基板表面上へ回転させられる材料においてダイヤモンド粒子を懸濁させることによって堆積される。本発明の実施形態において、導電性ダイヤモンド材料は、ホウ素ドープダイヤモンドである。本発明の実施形態において、導電性ダイヤモンド材料は、１０２０原子／ｃｍ３を超え且つ１０２２原子／ｃｍ３未満のホウ素ドーピング濃度で堆積される。本発明の実施形態において、ハードマスク層３２０は、例えば、クロム又は二酸化ケイ素で構成される。本発明の実施形態において、基板３０５は、例えば、電極を駆動する、信号検出、信号増幅及び／又はデータ出力のための電子機器を含むＩＣチップである。任意選択で、基板３０５に収容された任意の電子機器と電極とを相互接続する導電性ビア３２５及び３３０が、誘電体層３１０を通って基板３０５まで提供される。他の材料も、基板３０５に対して可能である。
【００１５】
本発明の実施形態において、第１の電極３１５が導電性ダイヤモンド材料で構成される場合に、第１の電極の厚さを最小限にして、頂部及び底部の電極間でショートする確率を最小限にすることが望ましくあり得るということが分かった。第１の電極に対する高いアスペクト比は、電極の端の犠牲的な絶縁保護コーティングの菲薄化を引き起こすと分かった。しかし、第１の電極に対する最低限の電極の高さが、過度の表面粗さを回避するためにミクロ結晶性のダイヤモンド材料には必要であることも分かった。第１の電極の過度の表面粗さも、犠牲的な絶縁保護コーティング内の穴、及び、第１及び第２の電極間のショートを引き起こし得るということが分かった。第１の電極の高さは、第１の電極が導電性ダイヤモンドで構成される場合に、本発明の実施形態において、高さの最小化と表面粗さの考慮との平衡を保つために３００から１０００ｎｍまで、３００から８００ｎｍまで、３５０から７００ｎｍまでであり得る。
【００１６】
図３Ａの構造（ｉｉ）は、ハードマスク層３２０をパターン形成し、不必要な領域のハードマスク層３２０を除去し、さらに、曝露されたダイヤモンド電極層３１５をエッチングすることによって作ることができる。曝露されたダイヤモンド電極層３１５は、例えば、酸素プラズマを使用してエッチングすることができる。７０から１００Ｃ等の上昇した温度は、酸素プラズマエッチングを促進することができる。従って、ハードマスク層３２０は取り除かれ、さらに、任意選択で、第１の電極３１５の表面が、例えば二酸化ケイ素又は窒化ケイ素等の誘電体層を堆積し、さらに、第１の電極表面３１５に対して化学的機械的研磨（ＣＭＰ）を行うことによって平らにされる。任意のＣＭＰプロセスによって、電極３１５の表面が平らにされ、さらに、次の層の絶縁保護コーティング特性を改善することができる。
【００１７】
犠牲的な材料の絶縁保護膜３３５が堆積且つパターン形成され、図３Ａの構造（ｉｉｉ）を作っている。犠牲的な材料の絶縁保護膜３３５は、第一にフォトレジストを堆積し、そのフォトレジストをパターン形成し、例えばスパッタリング又は原子層蒸着（ＡＬＤ）によって犠牲的な材料を堆積し、さらに、フォトレジストを剥離して、所望の領域において犠牲的な材料の絶縁保護膜を画定すること（リフトオフプロセス）によってパターン形成することができる。本発明の実施形態において、犠牲的な材料は、クロム又はタングステンを含む。犠牲的な材料の絶縁保護膜３３５を、例えばスパッタリング又は原子層蒸着（ＡＬＤ）によって堆積して、底部の電極３１５の周囲を包む膜を得ることができる。本発明の実施形態において、犠牲的な材料の薄膜３３５は、５００ｎｍ未満、又は、１０から２００ｎｍまで、１０から１５０ｎｍまで、若しくは、２５から１５０ｎｍまでの厚さを有する。誘電体層が堆積されさらにＣＭＰが行われる本発明の実施形態において、任意の誘電体領域３３２が構造内に残る。誘電体層が堆積されない実施形態において、図３Ａの構造（ｉｉｉ）における領域３３２は、犠牲的な材料の絶縁保護膜３３５を含む。
【００１８】
第２の電極材料３４０が、犠牲的な材料の絶縁保護層３３５上に堆積且つパターン形成され、図３Ａの構造（ｉｖ）を作っている。第２の電極材料３４０は、リフトオフプロセスを使用して石版印刷でパターン形成することができる。本発明の実施形態において、第２の電極材料は導電性ダイヤモンドである。導電性ダイヤモンドは、例えば、シーディング、次に、熱フィラメントＣＶＤ法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、又は、急燃焼フレームアシストＣＶＤプロセスを使用して層を堆積させることによって堆積され得る。本発明の実施形態において、第２の電極３４０材料がダイヤモンドである場合に、犠牲的な材料の絶縁保護膜３３５はタングステンを含む。本発明のさらなる実施形態において、第２の電極３４０は、プラチナ又は金で構成される。プラチナ電極は、例えば、粘着層として（約１０ｎｍ厚であり得る）クロムの薄い層をスパッタリングし、次に、プラチナの層をスパッタリングすることによって堆積され得る。金の電極材料は、例えば、スパッタリング、蒸着、電着又は無電解メッキプロセスによって堆積され得る。本発明の実施形態において、第２の電極３４０が金で構成される場合に、犠牲的な材料３３５はタングステンである。
【００１９】
誘電体層３４５が、次に、図３Ａの構造（ｉｖ）上に堆積され、図３Ｂの構造（ｖ）を生じている。誘電体材料は、他の材料も可能であるけれども、例えば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム又はポリマーであり得る。アクセスホール３５０が、誘電体層３４５及び第２の電極３４０を通って作られる。アクセスホール３５０は、フォトレジストマスクを使用し、次に、穴を作製するためにドライエッチングプロセスを使用して、石版印刷で穴を画定することによって作られる。犠牲的な材料３３５が取り除かれ、第１の電極３１５と第２の電極３４０との間にギャップを作っている。犠牲的な材料３３５は、例えば、犠牲的な材料３３５がタングステン又はクロムである実施形態において、ウェットエッチングを使用して取り除くことができる。結果として生じる構造が、図３Ｂ（ｖｉ）において示されている。本発明の実施形態において、ギャップの高さｈ１は、５００ｎｍ未満であるか、又は、１０から２００ｎｍまで、１０から１５０ｎｍまで、若しくは、２５から１５０ｎｍまでである。第１の電極３１５を平らにするためにＣＭＰプロセスを使用した実施形態において、領域３３２は、二酸化ケイ素等の誘電体材料を含み、さらに、誘電体蒸着及びＣＭＰを使用しなかった実施形態において、領域３３２は空である。
【００２０】
誘電体材料は、例えば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、炭素ドープ酸化物（ＣＤＯ）、炭化ケイ素、ペルフルオロシクロブタン若しくはポリテトラフルオロエチレン等の有機ポリマー、フルオロケイ酸塩ガラス（ＦＳＧ）、及び／又は、シルセスキオキサン、シロキサン、若しくはオルガノシリケートガラス等のオルガノシリケートも含む。誘電体材料は、例えばポリイミド等のポリマーも含み得る。
【００２１】
図４Ａ〜Ｂは、本発明の実施形態による導電性ダイヤモンドの第１の電極、及び、プラチナの第２の電極を有するナノギャップトランスデューサに対するサイクリックボルタンメトリーグラフを例示している。第１−第２電極のショートを示さないダイヤモンド電極を有する操作可能なナノギャップトランスデューサを作製することが可能であるということが図４Ａ〜Ｂからわかる。図４Ａにおいて、約０．２４０Ｖにて酸化還元電位を有するモデル化合物（フェロセン）を使用して、電極電流が、電極電位の関数としてプロットされている。リン酸緩衝生理食塩水溶液対銀線参照電極（Ａｇ擬参照電極（ＱＲＥ：ｑｕａｓｉ−ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ））において測定を行った。大きなバックグラウンド電流がプラチナ電極を用いて観察されるけれども、有利に、導電性ダイヤモンド電極を用いたバックグラウンド電流は最小であることが分かった。図４Ｂは、ナノギャップトランスデューサを用い、緩衝液を使用したサイクリックボルタンメトリー測定を例示している。プラチナ電極と比較したダイヤモンド電極のより大きな操作電圧ウィンドウ（ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｗｉｎｄｏｗ）及び有意に減少したバックグラウンド電流を、図４Ｂから見ることができる（ダイヤモンド電極はほぼゼロの電流を示すが一方、プラチナ電極は、バックグラウンド電流によりオフセット電流を有している）。
【００２２】
導電性ダイヤモンド電極を用いたバックグラウンド電流は小さいため、２つの作動している電極のうち１つのみを使用した少数の分子に対する測定値を記録することが可能である。測定値は、わずか１つの分子に対してさえも記録することができる。別の実施形態において、両方の電極にて記録された測定値は、信号を発するために使用される。ナノギャップトランスデューサにおける電極電位並びに電流の流れを測定及び記録するためのシステムは、例えば、バイポテンショスタットを含む。バイポテンショスタットを使用して、両方の電極の電位対溶液の電位が制御され、さらに、電極を通って流れる電流が測定される。電極を駆動させる、並びに、電流の流れを測定及び記録するためのシステムの部分のうち一部又は全てを、集積回路（ＩＣ）チップ内に置くことができ、ＩＣチップは、ＩＣチップ上に収容された個々に処理可能なナノギャップトランスデューサのアレイに電気的に結合される。本発明の実施形態において、個々に処理可能なナノギャップトランスデューサのアレイと付随するコンピュータシステムは、導電性ダイヤモンドで構成される電極１つのみからの測定値を使用して電極電位並びに電流値を測定及び記録するためのソフトウェアを含む。別の実施形態において、コンピュータシステムは、２つの電極並びに／又は２つの電極両方及び１つの電極からの電極電位を測定及び記録するためのソフトウェアを含む。電気化学的な相関分光法等の技術を使用して、ナノギャップ装置内の２つの逆にバイアスがかけられた電極からの測定値から信号を生成することができる。
【００２３】
一般に、ナノギャップトランスデューサ等の電極を利用する電子センサは、電極の表面上又はその付近に置かれた材料のインピーダンス、抵抗、キャパシタンス及び／又は酸化還元電位を測定する能力を持つ。ナノギャップトランスデューサが置いてある基板は、検出及び／若しくは駆動回路、スイッチングのためのロジック、ラッチ、メモリ、並びに／又は、入力／出力装置を含んでもよい。任意選択で、電極を感知及び駆動する、及び、データを記録するための電子機器の一部又は全てが、ナノギャップトランスデューサのアレイを収容する基板の一部である集積回路である。入力及び出力制御を提供する電子機器は、任意選択で、集積回路チップ内等、基板内に収容されるか、又は、基板の外の回路部品を介して提供される。ナノギャップトランスデューサのアレイには、任意選択で、電極を個々に処理する、選択した電圧にて電極を駆動するための回路部品、電極に供給されることになる電圧電流情報を記憶するためのメモリ、電極特徴を測定するためのメモリ及びマイクロプロセッサ、差動増幅器、（ＣＭＯＳイメージセンサにおいて使用される回路の変形を含む）電流検出回路、並びに／又は、電界効果トランジスタ（ダイレクト及びフローティングゲート）が備え付けられる。或いは、これらの機能のうち１つ又は複数を、外部の器具及び／又は付属の１つ又は複数のコンピュータシステムによって行うことができる。
【００２４】
酸化還元サイクリング測定において、逆にバイアスがかけられた電極を使用して、溶液内の酸化還元活性のある分子の電荷状態が繰返しひっくり返され、各酸化還元活性のある分子が多数の酸化還元反応に関与し、その結果、多数の電子を測定される電流値に与えるのを可能にしている。酸化還元サイクリング測定において、電極間のギャップの高さは、ナノメートルの尺度である。２つの電極間の空洞内の酸化還元活性のある分子は、電極間で多数の電子を往復して運び、測定される電気化学的電流の増幅をもたらす。酸化還元活性のある種からの信号は、酸化還元種の安定性、及び、センシング領域から拡散する酸化還元種の能力等の因子に応じて、１００倍を超えて強力に増幅することができる。
【００２５】
本発明の実施形態において、ナノギャップトランスデューサ内の電極は、検出されることになる酸化還元種の酸化及び還元電位にて独立してバイアスがかけられる。酸化還元種は電荷のシャトルとして作用し、さらに、１つの電極からもう１つの電極までの分子の拡散は、酸化還元分子の還元及び酸化、並びに、正味の電荷移動を生じる。どちらかの電極を通る電流の大きさは、空洞内の分析物（酸化還元種）濃度と比例している。電極間のギャップは、任意選択で、空洞からの酸化還元活性のある種の拡散を防ぐためにビーズで密封され、その結果、酸化還元種の効果的な濃度を上げる。空洞の密封によって、センサ測定の間の空洞からの酸化還元種の漏れを防ぐことができる。
【００２６】
一般に、酸化還元活性のある種は、酸化及び／又は還元の状態を複数回可逆的に循環する能力を持つ分子である。
【００２７】
本発明の実施形態において、ナノギャップトランスデューサは、個々に処理可能なナノギャップトランスデューサのアレイであり得る。アレイは、ナノギャップトランスデューサの種々の寸法及び数を有して構築される。ナノギャップトランスデューサの数の設定の選択は、例えば検出されることになる分析物のタイプ及び数、センシング領域のサイズ、及び、アレイの製造に関係するコスト等の因子によってその情報が与えられる。例えば、ナノギャップトランスデューサのアレイは、１０×１０、１００×１００、１，０００×１，０００、１０５×１０５及び１０６×１０６である。非常に高密度、高密度、中程度の密度、低密度又は非常に低密度のアレイを作製することができる。非常に高密度のアレイに対するいくつかの範囲は、１つのアレイあたり約１００，０００，０００から約１，０００，０００，０００のセンサである。高密度のアレイは、約１，０００，０００から約１００，０００，０００のセンサに及ぶ。中程度の密度のアレイは、約１０，０００から約１００，０００のセンサに及ぶ。低密度のアレイは、一般的に、１０，０００未満の空洞である。非常に低密度のアレイは、１，０００未満のセンサである。
【００２８】
個々に処理可能なナノギャップトランスデューサのアレイは、ＩＣチップ上に収容する、及び、ＩＣチップに電気的に結合させることができる。ＩＣチップは、典型的に、さいの目に切られて個々のＩＣチップを生じる半導体ウェハー等の半導体基板の上に構築される。ＩＣチップが構築されるベース基板は、本発明の実施形態は使用される基板のタイプに依存しないけれども、典型的にはシリコンウェハーである。基板は、ゲルマニウム、アンチモン化インジウム、テルル化鉛、ひ化インジウム、リン化インジウム、ひ化ガリウム、アンチモン化ガリウム、及び／又は、他のＩＩＩ〜Ｖ族の材料単独、或いは、シリコン若しくは二酸化シリコン又は他の絶縁材料と組み合わせて構成することもできる。層、及び、装置を含む層も、本発明の実施形態が収容されるか又は製作される基板又は基板の一部として記載することができる。
【００２９】
ナノギャップトランスデューサアレイは、他の使用も可能であるけれども、例えば、多数の固定化されるＤＮＡ分子が同時に配列決定されるのを可能にする。固定化されるＤＮＡ分子は、配列決定される試料であり得るか、又は、既知の配列の捕獲ＤＮＡプローブを第一に固定化することができ、次に、配列決定される試料を、固定化したプローブとハイブリッド形成させることができる。捕獲プローブは、試料ＤＮＡの切片とハイブリッド形成するように設計された配列を有する。本発明の実施形態において、固定化されることになるＤＮＡ断片（又は捕獲プローブ）は、統計的に各センサが１つの固定化されるＤＮＡ分子を有するように希釈される。配列情報は、単一の固定化されるＤＮＡ分子を有するナノギャップトランスデューサから集められる。あいまいな結果を示すナノギャップトランスデューサからの情報は、無視することができる。
【００３０】
核酸を配列決定するための方法が提供されており、当該方法において、核酸試料の増幅（すなわち、試料内の核酸分子のコピー数の増加）は、任意選択で、発生しなくてもよい。図５は、核酸分子の配列決定、ＳＮＰ（一塩基多型）検出及び遺伝子発現検出に有用である方法を記載した流れ図を提供している。図５において、核酸分子は、電子センサ内部の表面に付着する。溶液が、核酸標的の切片に相補的なプライマーを含有するセンサの空洞に提供される。プライマーＤＮＡ分子は、空洞の内部に付着したＤＮＡ分子の切片とハイブリッド形成し、さらに、ＤＮＡの相補鎖の合成のために、付着したＤＮＡ分子を刺激する。空洞内部のＤＮＡの配列が未知である場合、プライマーは、センサ内部のＤＮＡ鎖に提供されるランダムな配列を有する多くのプライマーのうちの１つであってもよい。プライマーは、ヌクレアーゼ耐性ヌクレオチドで終結させることができる。プライマーが、空洞内部のＤＮＡ分子とハイブリッド形成するのを可能にされた後、ＤＮＡポリメラーゼ酵素、及び、酸化還元中心で修飾された（ｒｅｄｏｘ−ｃｅｎｔｅｒ  ｍｏｄｉｆｉｅｄ）ヌクレオチド三リン酸（ＮＴＰ又はｄＮＴＰ）を含有する溶液が添加される。ｄＮＴＰは、レドックスで修飾されたデオキシアデノシン三リン酸（ｄＡＴＰ）、デオキシシチジン三リン酸（ｄＣＴＰ）、デオキシグアノシン三リン酸（ｄＧＴＰ）、デオキシチミジン三リン酸（ｄＴＴＰ）又はウリジン三リン酸（ＵＴＰ）を含有する。例えば、レドックスで修飾されたｄＡＴＰが提供され、チミジンが配列において次の相補的な核酸である場合、レドックスで修飾されたｄＡＴＰは、増加するＤＮＡ鎖に組み込まれる。配列決定されることになる鎖上にシトシンがある場合、グアニンが組み込まれ、チミジンがある場合、アデノシンが組み込まれ、さらに逆もまた同様である。ｄＡＴＰが次の相補的な核酸でない場合、化学的反応はセンサ空洞の内部で生じない。反応の産物が次に検出される。反応が生じなかった場合、酸化還元中心で修飾された反応産物は検出されない。このように、陽性結果（酸化還元中心で修飾された反応産物の検出）は、（この実施例における）ｄＡＴＰが、増加する鎖における次の相補的な核酸であることを示している。陰性結果が見られた場合、この方法は、次に、陽性結果が達成されて相補的な塩基の同定が決定されるまで、３つの残りの酸化還元中心で修飾されたヌクレオチドに対して繰り返される。ヌクレオチドの同定が決定された後、相補的なＤＮＡの増加する鎖は、ヌクレアーゼ耐性ヌクレオチドで終結させることができる。
【００３１】
図６は、ヌクレオチド塩基が、配列決定されている鋳型鎖によって提供される塩基に相補的である場合に、得られた酸化還元信号を化学的に増幅することを介してＤＮＡ分子を配列決定するための方法を例示している。図６の方法は、相補的な塩基が増加する相補鎖に組み込まれる場合の信号の化学的増幅を定めている。刺激された増加するＤＮＡ分子は、ポリメラーゼ酵素の作用を介してヌクレアーゼ耐性塩基で終結される。この実施例において、レドックス標識ＮＴＰは、γ−アミノフェニル−アデニン−三リン酸（ｄＡＴＰ）である。増加する鎖への相補的なレドックス標識ヌクレオチドの組み込みによって、レドックス標識ピロリン酸（ＰＰｉ）基が溶液内に放出される。ホスファターゼ酵素の作用によって、酸化還元分子からピロリン酸が取り除かれる。有用なホスファターゼ酵素は、例えば、アルカリホスファターゼ、酸性ホスファターゼ、プロテインホスファターゼ、ポリリン酸ホスファターゼ、糖ホスファターゼ及びピロホスファターゼを含む。この実施例において、酸化還元活性のある種は、ｐ−アミノフェノール（ｐＡＰ）とキノンイミンの対である。溶液内に放出されるｐ−アミノフェノール分子の数は、レドックス標識ＮＴＰ組み込み及び切除反応のサイクリングを介して増幅される。特に、相補的なレドックス標識ヌクレオチドが組み込まれ、エキソヌクレアーゼ酵素が、組み込まれた相補的なヌクレオチドを取り除き、次に、ＤＮＡポリメラーゼが、第２のレドックス標識相補的ヌクレオチドを組み込み、さらに、第２のレドックス標識ピロリン酸基が溶液内に放出される。これらの繰り返される組み込み及び除去のサイクルを介して、酸化還元活性のある種の濃度は溶液内で増加する。この方法で、増加する相補鎖への相補的な塩基の組み込みから生じる信号が増幅される。リン酸基の除去は、酸化還元活性のある種を活性化する。リン酸基がない酸化還元活性のある種の存在は、電気化学的に検出される。酸化還元活性のある種を、ナノギャップトランスデューサの２つの電極間で再循環させて、さらに酸化還元サイクリング反応を介して信号を増幅することができる。本明細書においてより完全に記載されるように、電極間で酸化還元活性のある種を循環させる信号増幅技術は、酸化還元サイクリングと呼ばれる。ナノギャップトランスデューサの電極間で移動することによって、各酸化還元活性のある種は、測定される電流に多数の電子を与え、その結果、測定される電流を増幅する。反応に供給されるヌクレオチドが、増加するＤＮＡ鎖に相補的ではない場合、遊離の酸化還元活性のある種は検出されない。ヌクレオチドの組み込みが検出されると、増加する鎖には、配列決定されている鋳型ＤＮＡ分子内の次のスペースに相補的なヌクレアーゼ耐性塩基が提供される。
【００３２】
レドキシジェニック（ｒｅｄｏｘｉｇｅｎｉｃ）ヌクレオチドは、酸化還元活性のある種を、ヌクレオシドのγ−リン酸基に付着させた。レドキシジェニックヌクレオチドに対する塩基は、Ａ、Ｇ、Ｃ又はＴであり得る。酸化還元活性のある種は、例えば、アミノフェニル、ヒドロキシフェニル及び／又はナフチル基を含む。酸化還元活性のある種は、ヌクレオチド塩基に付着させてもよい。塩基は、Ａ、Ｇ、Ｃ又はＴであってもよく、さらに、酸化還元活性のある種は、例えば、フェロセン、アントラキノン又はメチレンブルー分子であってもよい。第３の酸化還元活性のある基の付着モチーフは、酸化還元活性の基がヌクレオチド塩基の糖の基に付着されるものを含む。糖が付着したレドックスで修飾されたヌクレオチドに対して、塩基は、Ａ、Ｇ、Ｃ又はＴであってもよく、酸化還元活性のある種は、例えば、フェロセン、アントラキノン又はメチレンブルー分子であってもよい。
【００３３】
例えば、商業的に入手可能なＴｈｅｒｍｉｎａｔｏｒ  ＤＮＡポリメラーゼ（Ｎｅｗ  Ｅｎｇｌａｎｄ  Ｂｉｏｌａｂｓ社、Ｂｅｖｅｒｌｙ、ＭＡから入手可能）、又は、遺伝子改変ＤＮＡポリメラーゼ等、リボヌクレオチド又は修飾されたヌクレオチドをＤＮＡに組み込むことができるポリメラーゼが入手可能である。例えば、ＤｅＬｕｃｉａ，Ａ．Ｍ．、Ｇｒｉｎｄｌｅｙ，Ｎ．Ｄ．Ｆ．、Ｊｏｙｃｅ，Ｃ．Ｍ．、Ｎｕｃｌｅｉｃ  Ａｃｉｄｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ、３１：１４、４１２９〜４１３７（２００３）、及び、Ｇａｏ，Ｇ．、Ｏｒｌｏｖａ，Ｍ．、Ｇｅｏｒｇｉａｄｉｓ，Ｍ．Ｍ．、Ｈｅｎｄｒｉｃｋｓｏｎ，Ｗ．Ａ．、Ｇｏｆｆ，Ｓ．Ｐ．、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ａｃａｄｅｍｙ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ、９４、４０７〜４１１（１９９７）も参照されたい。ヌクレアーゼ耐性ヌクレオチドは、リボヌクレオチド又は他の修飾されたヌクレオチドであり得る。増加するＤＮＡ鎖に組み込むことができるが、（３′から５′エキソヌクレアーゼ活性ＤＮＡポリメラーゼ又はエキソヌクレアーゼＩ及びＩＩＩ等の）エキソヌクレアーゼによる消化に耐性である例証的なヌクレアーゼ耐性塩基は、アルファホスホロチオエートヌクレオチド（Ｔｒｉｌｉｎｋ  Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社、Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ、ＣＡから入手可能）を含む。加えて、Ｔｈｅｒｍｉｎａｔｏｒ  ＤＮＡポリメラーゼ又は他の遺伝子改変若しくは変異されたポリメラーゼによって、リボヌクレオチドを、増加するＤＮＡ鎖に組み込むことができるが、リボヌクレオチド塩基は、エキソヌクレアーゼＩ又はエキソヌクレアーゼＩＩＩ（Ｎｅｗ  Ｅｎｇｌａｎｄ  Ｂｉｏｌａｂｓから入手可能）等のエキソヌクレアーゼによる消化に耐性である。これらの耐性塩基を消化することができない例証的なヌクレアーゼは、エキソヌクレアーゼＩ、ヌクレアーゼＩＩＩ、及び、３′から５′エキソヌクレアーゼ活性ＤＮＡポリメラーゼを含む。
【００３４】
本発明の実施形態において、配列決定されることになる単一の核酸分子は、ナノギャップトランスデューサ内部の表面に付着される。核酸は、ヌクレアーゼ耐性ヌクレオチドで終結される相補鎖で刺激される。相補的なレドックスで修飾されたｄＮＴＰ分子は、ナノギャップトランスデューサの空洞内の溶液に存在するＤＮＡポリメラーゼ酵素の作用を介して、増加する鎖に組み込まれる。ナノギャップトランスデューサの電極は、酸化還元種の酸化還元電位にて逆にバイアスがかけられ、さらに、酸化還元種が存在する場合に、電流の流れが電極表面にて検出される。ポリメラーゼ反応からの過剰なレドックスで修飾されたｄＮＴＰは、反応部位から洗い流される。いかなる組み込まれたｄＮＭＰも、次に、電極の空洞内の溶液に存在するヌクレアーゼ酵素の作用を介して、増加する相補ＤＮＡ鎖から切除される。この方法は、次に、任意選択で、他の３つのヌクレオチドに対して繰り返される。次の相補的なヌクレオチドが決定されると、増加する相補核酸鎖は、相補的なヌクレアーゼ耐性塩基で終結させることができ、さらに、次の相補的な塩基を決定することができる。
【００３５】
別の実施形態において、配列決定されることになる核酸分子の２つ以上のコピーが、電極の空洞内に付着される。配列決定されることになる核酸の複数のコピーの付着は、相補的なヌクレオチド三リン酸が空洞に提供される場合に検出された信号を増幅する。検出された信号は、次に、任意選択で、酸化還元サイクリング技術を介してさらに増幅することができる。
【００３６】
核酸配列決定は、個々に処理可能なナノギャップトランスデューサのアレイを使用した大規模並列処理の様式で行うことができる。核酸分子を含む試料が、統計的に１つの反応空洞あたり１つの核酸分子を生じる様式でアレイに与えられる。反応空洞に結合される電子機器は、空洞内の核酸の組み込みを検出する。一貫性のない空洞からのデータは捨てることができる。空洞内の各核酸に対する配列情報は、多数の反応サイクルを介して確立される。
【００３７】
ナノギャップトランスデューサの１つ又は複数の表面は、任意選択で、例えば、アミン基、アルデヒド基、エポキシ基、チオール基のうちの１つ又はその組み合わせで官能性を持たせることができ、さらに、付着されることになる分子は、（カルボキシ、エポキシ及び／又はアルデヒドの官能基を有する表面に対して）アミン、（アミン基を有する表面に対して）カルボキシル、（金の表面に対して）チオールで官能性を持たせ、分子の付着を促進する。種々の結合化学的作用（例えば、アミン−カルボキシルに対してＥＤＣ）が、官能基を連結させるために利用可能である。基板表面上の分子の濃度は、例えば、表面の官能基の密度を制限することによって、又は、付着されることになる分子の量を制限することによって等、いくつかの方法で制御される。ＤＮＡは、例えば、チオール基で修飾された表面に付着するアクリダイトで修飾された（ａｃｒｙｄｉｔｅ−ｍｏｄｉｆｉｅｄ）ＤＮＡ断片を使用することによって、表面上で固定化される。アミンで修飾されたＤＮＡ断片は、エポキシ又はアルデヒドで修飾された表面に付着させることができる。
【００３８】
ナノギャップトランスデューサの１つ又は複数のアレイ（ＩＣ装置表面上のナノギャップトランスデューサのアレイ等）を含むセンサシステム、トランスデューサを駆動させる及び測定値を記録するための電子機器、並びに、分析データを記録するためのコンピュータは、ナノギャップトランスデューサまで流体を運搬する能力を持つ流体運搬システムも含み得る。流体システムは、試薬に対する貯蔵容器、ポンプ及び混合チャンバ、洗浄液、廃棄物チャンバ、並びに、ナノギャップトランスデューサのアレイの表面まで流体を運搬する流体運搬システムを含み得る。
【００３９】
一般に、配列決定することができる核酸のタイプは、ホスホジエステル結合によって共に連結されたデオキシリボヌクレオチド（ＤＮＡ）又はリボヌクレオチド（ＲＮＡ）及びその類似体のポリマーを含む。ポリヌクレオチドは、ゲノムの切片、遺伝子若しくはその一部、ｃＤＮＡ、又は、合成ポリデオキシリボ核酸配列であり得る。オリゴヌクレオチド（例えば、プローブ又はプライマー）を含むポリヌクレオチドは、ヌクレオシド若しくはヌクレオチド類似体、又は、ホスホジエステル結合以外の骨格結合を含有し得る。一般に、ポリヌクレオチドを含むヌクレオチドは、自然発生する２′−デオキシリボースに連結されるアデニン、シトシン、グアニン若しくはチミン等のデオキシリボヌクレオチド、又は、リボースに連結されるアデニン、シトシン、グアニン若しくはウラシル等のリボヌクレオチドである。しかし、ポリヌクレオチド又はオリゴヌクレオチドは、自然発生しない合成ヌクレオチド又は修飾された自然発生のヌクレオチドを含むヌクレオチド類似体も含有し得る。
【００４０】
センサからのデータは、以下のように分析することができる。ナノギャップトランスデューサがその空洞内に２つ以上のＤＮＡ分子を付着させた場合、配列決定された位置のうち少なくとも１つからの２つ以上の可能な読取りが存在することになる。従って、ナノギャップトランスデューサの空洞（効果的なセンサ）内に１つの分子を付着させたそれらのナノギャップトランスデューサからのデータのみが、配列分析に使用される。効果的なセンサの配列は、コンピュータプログラムによって調整される。配列情報は、新規の配列決定情報又は参照配列決定情報として使用することができる。さらなる分析が、データの質及び配列決定課題の目的に応じて行われる。
【００４１】
加えて、本発明の実施形態によるナノギャップトランスデューサは、種々の生物学的に重要な検出を行う能力を持ち、該検出は、本明細書に記載されるものに限定されない。例えば、ナノギャップトランスデューサは、ＤＮＡにおける変異を検出する、及び、ＤＮＡ配列決定反応を介して病原体を同定する能力を持つ。加えて、電子センサを使用し、代謝酵素の作用をアッセイすることを介して疾患が診断される。ピロリン酸は、代謝経路及びシグナル伝達経路の一部である多くの酵素反応の副産物である。実施形態によるナノギャップトランスデューサには、標的分析物に対する認識及び結合部位を提供することができる。ナノギャップトランスデューサは、関心のある認識及び結合部位を有して作られ、テストが、バイオセンサ装置の分析物結合領域に試料溶液を曝露させて、いかなる特異的に認識された関心のある生体分子の結合を可能にすることによって、試料溶液に対して行われる。１つ又は複数のナノギャップトランスデューサは、濾過及び試料精製機能を提供するマイクロ又はナノ流体システムに統合することができる。このように、官能性がテストされることになる酵素は電子バイオセンサ内で結合され、さらに、反応産物が酸化還元中心でＰＰｉ標識される反応溶液が提供される。例えば、バイオセンサ装置は、アデニル化する酵素の官能性を探索し、該酵素は、脂肪酸をアシルアデニル酸に変え、さらに、関心のあるアデニル化する酵素をバイオセンサ装置内で結合させる、及び、脂肪酸基質並びにＡＴＰを反応溶液内に提供することによって、ＰＰｉを産生する。さらなる例は、カテコールを含む。さらなる実施例において、生きている微生物が、バイオセンサに特異的に結合される。微生物は、任意選択で、微生物上の表面抗原を特異的に認識する抗体を介してセンシング装置内で結合される。抗体サンドイッチアッセイが行われる。抗体サンドイッチアッセイにおいて、検出されることになる分子に特異的な抗体を有する電子センサが提供され、センサは、検出されることになる分子に曝露され、さらに、検出されることになる分子の異なるエピトープに特異的な第２の抗体が、検出されることになる分子に結合される。第２の抗体は、酸化還元標識されたＡＴＰを酸化還元標識されたＰＰｉに変える能力を持つ付着した分子を有する。酸化還元標識ＰＰｉは、酸化還元サイクリングを介して検出される。酸化還元標識は、例えば、フェロセン、アントラキノン及びメチレンブルー分子、並びに、アミノフェニル、ヒドロキシフェニル及び／又はナフチル基を含む。
【００４２】
コンピュータ又はコンピュータシステムは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、シリアルアドバンスドテクノロジーアタッチメント（ＳＡＴＡ）又は小型コンピュータシステムインタフェース（ＳＣＳＩ）ハードドライブ等の大容量記憶装置、並びに／又は、フロッピー（登録商標）ディスク、光記憶装置、テープ、フラッシュメモリ、メモリスティック、ＣＤ−ＲＯＭ及び／若しくはデジタルビデオディスク（ＤＶＤ）等の媒体にアクセスする能力を持つ装置等、１つ又は複数の揮発性又は不揮発性のデータ記憶装置に通信結合する１つ又は複数のプロセッサを含む処理システムを含む。ＲＯＭという用語は、消去プログラム可能ＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去書込み可能ＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュＲＯＭ及び／又はフラッシュメモリ等、不揮発性メモリ装置を意味する。プロセッサは、作図制御装置、メモリインタフェースハブ、ＳＣＳＩ（小型コンピュータシステムインタフェース）制御装置、ネットワーク制御装置、ネットワークインタフェース、及び、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）制御装置等、さらなる構成要素にも通信結合させることができる。コンピュータシステムの要素、さらなるプロセッサ、並びに／又は、外部のコンピュータ及びコンピュータネットワーク間の通信の一部又は全てが、ＵＳＢ、ＷＬＡＮ（無線地域ネットワーク）、無線周波数（ＲＦ）、衛星、マイクロ波、電気電子学会（ＩＥＥＥ）８０２．１１、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、光学、光ファイバ、赤外線ケーブル及びレーザーを含む種々の有線及び／又は無線の近距離プロトコルを使用しても生じ得る。典型的に、コンピュータシステムは、例えば、表示スクリーン、キーボード、トラックパッド、マウス等、他の入力／出力装置にも結合される。
【００４３】
当業者は、示され且つ記載された種々の構成要素に対する代用であるように、本開示を通じて修正及び異形が可能であるということを正しく理解する。本明細書を通じて、「一実施形態」又は「実施形態」への言及は、実施形態に関して記載される特定の特色、構造、材料又は特徴が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれるが、必ずしも、それらが全ての実施形態に存在しているということを示しているのではないということを意味する。さらに、実施形態において開示された特定の特色、構造、材料又は特徴は、１つ又は複数の実施形態において、いかなる適した様式において組み合わせてもよい。種々のさらなる層及び／又は構造を含んでもよく、及び／又は、記載された特色は、他の実施形態において省いてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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