(57)【要約】【課題】  高精度の配列決定を実行すること。【解決手段】  本開示は、核酸分子を配列決定する装置、システム、及び方法を提供する。核酸分子の配列は、センサのアレイを含むチップを使用して高精度で識別し得、個々の各センサは少なくとも１つのナノギャップ電極対を含み、ナノギャップ電極対は、核酸分子がナノギャップ電極対の少なくとも１つのナノギャップを通って又はその近傍を流れる際、電気信号を生成するように構成される。【選択図】  図１
2018533935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
核酸分子を配列決定する方法であって、
ａ．個々のセンサのアレイを含むチップを提供することであって、前記アレイの個々の各センサは、少なくとも１つのナノギャップを有する固体膜を含み、前記少なくとも１つのナノギャップは、前記核酸分子又はその一部が前記少なくとも１つのナノギャップを通って流れる際、前記核酸分子又はその一部の検出を支援する電気信号を生成するように構成された電極を含む、前記チップを提供することと、
ｂ．前記核酸分子又はその一部を前記少なくとも１つのナノギャップを通るように又は前記少なくとも１つのナノギャップの近傍に向けることと、
ｃ．少なくとも約９７％の精度で前記核酸分子又はその一部の核酸配列を識別することと
を含む、方法。
【請求項２】
前記核酸分子又はその一部の前記核酸配列は、前記核酸分子の少なくとも約１００個の連続核酸塩基の広がりにわたり少なくとも約９７％の精度で特定される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記核酸分子又はその一部の前記核酸配列は、前記核酸分子又はその一部の再度配列解析がない状態で、少なくとも約９７％の精度で特定される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記電極は電気回路に結合される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記センサは、前記電気信号を処理する集積回路に結合される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記センサは前記チップの一部である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記センサのアレイは、１ｍｍ２当たり約５００個以上の個々のセンサの密度で個々のセンサを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記個々のセンサのそれぞれは独立してアドレス指定可能である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記核酸分子は、デオキシリボ核酸又はリボ核酸を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記固体膜は、金属材料及び半導体材料からなる群から選択される少なくとも１つの材料で少なくとも部分的に形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記固体膜は、窒化ケイ素、シリカ、及びアルミナからなる群から選択される少なくとも１つの材料で少なくとも部分的に形成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記固体膜は、約１０ナノメートル（ｎｍ）〜約１ミリメートル（ｍｍ）の範囲の厚さを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記固体膜は、約０．１ピコファラッド（ｐＦ）未満の電極間容量を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記精度は少なくとも約９９．５％である、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記精度は、前記核酸分子又はその一部の５個までの核酸塩基を識別する場合、少なくとも約９７％である、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記精度は、前記核酸分子又はその一部の３個までの核酸塩基を識別する場合、少なくとも約９７％である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記精度は、前記核酸分子又はその一部の単一の核酸塩基を識別する場合、少なくとも約９７％である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
少なくとも約９７％の前記精度は、前記核酸分子又はその一部が前記少なくとも１つのナノギャップを最大限でも２０回通過することから収集されるデータを結合することにより達成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
少なくとも約９７％の前記精度は、前記核酸分子又はその一部が前記少なくとも１つのナノギャップを最大限でも５回通過することから収集されるデータを結合することにより達成される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
少なくとも約９７％の前記精度は、前記核酸分子又はその一部が前記少なくとも１つのナノギャップを１回通過することから収集されるデータを結合することにより達成される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記核酸分子又はその一部の前記核酸配列は、前記核酸分子又はその一部が前記少なくとも１つのナノギャップを少なくとも１０回通過することから収集されるデータを結合することにより識別される、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記核酸分子又はその一部の前記核酸配列は、前記核酸分子又はその一部が前記少なくとも１つのナノギャップを少なくとも２０回通過することから収集されるデータを結合することにより識別される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記電気信号は電流を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記核酸分子は、少なくとも約１ピコアンペアの電流レベル、少なくとも約１ナノアンペアの背景電流レベル、及び少なくとも約１〜２の信号対雑音比において、少なくとも約０．５キロヘルツ（ＫＨｚ）の転位率で前記少なくとも１つのナノギャップを通るように向けられる、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記電極はトンネル電極を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
前記電気信号はトンネル電流を含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記核酸分子又はその一部の前記核酸配列は、約０．１キロヘルツ（ＫＨｚ）〜約１００ＫＨｚの周波数で識別される、請求項１に記載の方法。
【請求項２８】
前記電極は、前記核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜約５倍の間隔を有するギャップにより離間される、請求項１に記載の方法。
【請求項２９】
前記電極は、前記核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜約２倍の間隔を有するギャップにより離間される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記電極は、前記核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜分子直径以下の間隔を有するギャップにより離間される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記識別することは、少なくとも約８０％の未処理精度を生成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３２】
前記識別することは、コンセンサス配列を生成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３３】
前記核酸分子又はその一部の前記核酸配列は、少なくとも約８０％の単一通過精度で識別される、請求項１に記載の方法。
【請求項３４】
核酸分子を配列決定する方法であって、
ａ．個々のセンサのアレイを含むチップを提供することであって、前記アレイの個々の各センサは、少なくとも１つのナノギャップを有する固体膜を含み、前記少なくとも１つのナノギャップは、前記核酸分子又はその一部が前記少なくとも１つのナノギャップを通って流れる際、前記核酸分子又はその一部の検出を支援する電気信号を生成するように構成された電極を含む、前記チップを提供することと、
ｂ．分子モータがない状態で、前記核酸分子又はその一部を前記少なくとも１つのナノギャップを通るように又は前記少なくとも１つのナノギャップの近傍に向けることと、
ｃ．複数の時点で前記電気信号を検出することにより、前記核酸分子を配列決定することと
を含む、方法。
【請求項３５】
前記電極は電気回路に結合される、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記センサは、前記電気信号を処理する集積回路に結合される、請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
前記センサは前記チップの一部である、請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
前記センサのアレイは、１ｍｍ２当たり約５００個以上の個々のセンサの密度で個々のセンサを含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３９】
前記個々のセンサのそれぞれは独立してアドレス指定可能である、請求項３４に記載の方法。
【請求項４０】
前記核酸分子は、デオキシリボ核酸又はリボ核酸を含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項４１】
前記固体膜は、金属材料及び半導体材料からなる群から選択される少なくとも１つの材料で形成される、請求項３４に記載の方法。
【請求項４２】
前記固体膜は、窒化ケイ素、シリカ、及びアルミナからなる群から選択される少なくとも１つの材料で形成される、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記固体膜は、約１０ナノメートル（ｎｍ）〜約１ミリメートル（ｍｍ）の範囲の厚さを有する、請求項３４に記載の方法。
【請求項４４】
前記固体膜は、約０．１ピコファラッド（ｐＦ）未満の容量を有する、請求項３４に記載の方法。
【請求項４５】
前記核酸分子は、少なくとも約９５％の精度で配列決定される、請求項３４に記載の方法。
【請求項４６】
前記電気信号は電流を含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項４７】
前記電極はトンネル電極を含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項４８】
前記電気信号はトンネル電流を含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記核酸分子は、前記核酸分子又はその一部が前記少なくとも１つのナノギャップを通って流れる際、前記核酸分子の１つ又は複数の核酸サブユニットを検出することにより配列決定される、請求項３４に記載の方法。
【請求項５０】
前記１つ又は複数の核酸サブユニットは、少なくとも約１０：１の信号対雑音比で検出される、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記核酸分子の個々のサブユニットは、最長でも約１ミリ秒の時間期間中に検出される、請求項４９に記載の方法。
【請求項５２】
前記電極は、前記核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜約５倍の間隔を有するギャップにより離間される、請求項３４に記載の方法。
【請求項５３】
前記電極は、前記核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜約２倍の間隔を有するギャップにより離間される、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記電極は、前記核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜分子直径以下の間隔を有するギャップにより離間される、請求項５２に記載の方法。
【請求項５５】
核酸分子を配列決定するシステムであって、
ａ．個々のセンサのアレイを含むチップであって、前記アレイの個々の各センサは、少なくとも１つのナノギャップを有するように構成される固体膜を含み、前記少なくとも１つのナノギャップは、前記核酸分子又はその一部が前記少なくとも１つのナノギャップを通って流れる際、前記核酸分子又はその一部の検出を支援する電気信号を生成するように構成された電気回路に結合される電極を含む、チップと、
ｂ．前記チップに結合されるコンピュータプロセッサであって、前記コンピュータプロセッサは、少なくとも約９７％の精度で、前記個々のセンサのアレイから受信される前記電気信号に基づいて、前記核酸分子又はその前記一部の核酸配列を特徴付けるのを支援するようにプログラムされる、コンピュータプロセッサと
を含む、システム。
【請求項５６】
前記核酸分子又はその一部の前記核酸配列は、前記核酸分子の少なくとも約１００個の連続核酸塩基の広がりにわたり少なくとも約９７％の精度で特定される、請求項５５に記載のシステム。
【請求項５７】
前記核酸分子又はその一部の前記核酸配列は、前記核酸分子又はその一部の再度配列解析がない状態で、少なくとも約９７％の精度で特定される、請求項５５に記載のシステム。
【請求項５８】
前記個々のセンサのアレイは、１ｍｍ２当たり少なくとも約５００個の個々のセンサの密度である、請求項５５に記載のシステム。
【請求項５９】
前記個々のセンサのそれぞれは独立してアドレス指定可能である、請求項５５に記載のシステム。
【請求項６０】
前記核酸分子は、デオキシリボ核酸又はリボ核酸を含む、請求項５５に記載のシステム。
【請求項６１】
前記固体膜は、金属材料及び半導体材料からなる群から選択される少なくとも１つの材料で形成される、請求項５５に記載のシステム。
【請求項６２】
前記固体膜は、窒化ケイ素、シリカ、及びアルミナからなる群から選択される少なくとも１つの材料で形成される、請求項５５に記載のシステム。
【請求項６３】
前記固体膜は、約１０ナノメートル（ｎｍ）〜約１ミリメートル（ｍｍ）の範囲の厚さを有する、請求項５５に記載のシステム。
【請求項６４】
前記固体膜は、約０．１ピコファラッド（ｐＦ）未満の容量を有する、請求項５５に記載のシステム。
【請求項６５】
前記電気信号は電流を含む、請求項５５に記載のシステム。
【請求項６６】
前記電極はトンネル電極を含む、請求項５５に記載のシステム。
【請求項６７】
前記電気信号はトンネル電流を含む、請求項６６に記載のシステム。
【請求項６８】
前記電極は、前記核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜約５倍の間隔を有するギャップにより離間される、請求項５５に記載のシステム。
【請求項６９】
前記電極は、前記核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜約２倍の間隔を有するギャップにより離間される、請求項６８に記載のシステム。
【請求項７０】
前記電極は、前記核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜分子直径以下の間隔を有するギャップにより離間される、請求項６８に記載のシステム。
【請求項７１】
前記コンピュータプロセッサに動作可能に結合されるトランスインピーダンス増幅器を更に含む、請求項５５に記載のシステム。
【請求項７２】
核酸分子を配列決定するシステムであって、
ａ．個々のセンサのアレイを含むチップであって、前記アレイの個々の各センサは、少なくとも１つのナノギャップを有するように構成される固体膜を含み、前記少なくとも１つのナノギャップは、前記核酸分子又はその一部が前記少なくとも１つのナノギャップを通って流れる際、前記核酸分子又はその一部の検出を支援する電気信号を生成するように構成された電気回路に結合される電極を含み、前記個々のセンサのそれぞれは独立してアドレス指定可能である、チップと、
ｂ．前記チップに結合されるコンピュータプロセッサであって、前記コンピュータプロセッサは、複数の時点で前記電気信号を検出することにより、前記核酸分子又はその一部の核酸配列を特徴付けることを支援するようにプログラムされる、コンピュータプロセッサと
を含む、システム。
【請求項７３】
前記核酸分子又はその一部の前記流れは、分子モータを使用せずに促進される、請求項７２に記載のシステム。
【請求項７４】
前記個々のセンサのアレイは、１ｍｍ２当たり少なくとも約５００個の個々のセンサの密度である、請求項７２に記載のシステム。
【請求項７５】
前記核酸分子は、デオキシリボ核酸又はリボ核酸を含む、請求項７２に記載のシステム。
【請求項７６】
前記固体膜は、金属材料及び半導体材料からなる群から選択される少なくとも１つの材料で形成される、請求項７２に記載のシステム。
【請求項７７】
前記固体膜は、窒化ケイ素、シリカ、及びアルミナからなる群から選択される少なくとも１つの材料で形成される、請求項７２に記載のシステム。
【請求項７８】
前記固体膜は、約１０ナノメートル（ｎｍ）〜約１ミリメートル（ｍｍ）の範囲の厚さを有する、請求項７２に記載のシステム。
【請求項７９】
前記固体膜は、約０．１ピコファラッド（ｐＦ）未満の容量を有する、請求項７２に記載のシステム。
【請求項８０】
前記電気信号は電流を含む、請求項７２に記載のシステム。
【請求項８１】
前記電極はトンネル電極を含む、請求項７２に記載のシステム。
【請求項８２】
前記電気信号はトンネル電流を含む、請求項８１に記載のシステム。
【請求項８３】
前記核酸分子は、少なくとも約９５％の精度で配列決定される、請求項７２に記載のシステム。
【請求項８４】
前記電極は、前記核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜約５倍の間隔を有するギャップにより離間される、請求項７２に記載のシステム。
【請求項８５】
前記電極は、前記核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜約２倍の間隔を有するギャップにより離間される、請求項８４に記載のシステム。
【請求項８６】
前記電極は、前記核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜分子直径以下の間隔を有するギャップにより離間される、請求項８４に記載のシステム。
【請求項８７】
核酸分子を配列決定する方法であって、
ａ．個々のセンサのアレイを含むチップをアクティブ化することであって、前記アレイの個々の各センサは、少なくとも１つのナノギャップを有する固体膜を含み、前記少なくとも１つのナノギャップは、前記核酸分子又はその一部が前記少なくとも１つのナノギャップを通って流れる際、前記核酸分子又はその一部の検出を支援する電気信号を生成するように構成された電極を含み、前記電極は、前記核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜約５倍の間隔を有するギャップにより離間される、前記チップをアクティブ化することと、
ｂ．前記核酸分子又はその一部を前記少なくとも１つのナノギャップを通るように又は前記少なくとも１つのナノギャップの近傍に向けることと、
ｃ．前記核酸分子又はその一部の核酸配列を識別することと
を含む、方法。
【請求項８８】
前記核酸分子又はその一部の前記核酸配列は、前記核酸分子の少なくとも約１００個の連続核酸塩基の広がりにわたり少なくとも約９７％の精度で特定される、請求項８７に記載の方法。
【請求項８９】
前記核酸分子又はその一部の前記核酸配列は、前記核酸分子又はその一部の再度配列解析がない状態で、少なくとも約９７％の精度で特定される、請求項８７に記載の方法。
【請求項９０】
前記電極は電気回路に結合される、請求項８７に記載の方法。
【請求項９１】
前記センサは、前記電気信号を処理する集積回路に結合される、請求項８７に記載の方法。
【請求項９２】
前記センサは前記チップの一部である、請求項８７に記載の方法。
【請求項９３】
前記センサのアレイは、１ｍｍ２当たり約５００個以上の個々のセンサの密度で個々のセンサを含む、請求項８７に記載の方法。
【請求項９４】
前記核酸分子は、少なくとも約０．５キロヘルツ（ＫＨｚ）の転位率で前記少なくとも１つのナノギャップを通るように向けられる、請求項８７に記載の方法。
【請求項９５】
前記核酸分子又はその一部の前記核酸配列は、前記核酸分子又はその一部が前記少なくとも１つのナノギャップを少なくとも１０回通過することから収集されるデータを結合することにより識別される、請求項８７に記載の方法。
【請求項９６】
前記核酸分子又はその一部の前記核酸配列は、前記核酸分子又はその一部が前記少なくとも１つのナノギャップを少なくとも２０回通過することから収集されるデータを結合することにより識別される、請求項９５に記載の方法。
【請求項９７】
前記電極は、前記核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜約２倍の間隔を有するギャップにより離間される、請求項８７に記載の方法。
【請求項９８】
前記電極は、前記核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜分子直径未満の間隔を有するギャップにより離間される、請求項９７に記載の方法。
【請求項９９】
前記識別することは、コンセンサス配列を生成することを含む、請求項８７に記載の方法。
【請求項１００】
核酸分子を配列決定するシステムであって、
ａ．個々のセンサのアレイを含むチップであって、前記アレイの個々の各センサは、少なくとも１つのナノギャップを有する固体膜を含み、前記少なくとも１つのナノギャップは、前記核酸分子又はその一部が少なくとも約０．５キロヘルツ（ＫＨｚ）の転位率で前記少なくとも１つのナノギャップを通って流れる際、前記核酸分子又はその一部の検出を支援する、少なくとも約１ピコアンペアの電流レベルにおける電気信号を生成するように構成される電極を含み、前記電極は、前記核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜約５倍の間隔を有するギャップにより離間される、チップと、
ｂ．前記チップに結合されるコンピュータプロセッサであって、前記コンピュータプロセッサは、前記電流を検出することにより前記核酸分子又はその一部の核酸配列を特徴付けることを支援するようにプログラムされる、コンピュータプロセッサと
を含む、システム。
【請求項１０１】
前記核酸分子又はその一部の前記流れは、分子モータを使用せずに促進される、請求項１００に記載のシステム。
【請求項１０２】
前記核酸分子又はその一部の前記核酸配列は、複数の時点で前記電気信号を検出することにより特徴付けられる、請求項１００に記載のシステム。
【請求項１０３】
前記個々のセンサのアレイは、１ｍｍ２当たり少なくとも約５００個の個々のセンサの密度である、請求項１００に記載のシステム。
【請求項１０４】
前記核酸分子は、デオキシリボ核酸又はリボ核酸を含む、請求項１００に記載のシステム。
【請求項１０５】
前記固体膜は、金属材料及び半導体材料からなる群から選択される材料から製造される、請求項１００に記載のシステム。
【請求項１０６】
前記固体膜は、窒化ケイ素、シリカ、及びアルミナからなる群から選択される材料で形成される、請求項１００に記載のシステム。
【請求項１０７】
前記固体膜は、約１０ナノメートル（ｎｍ）〜約１ミリメートル（ｍｍ）の範囲の厚さを有する、請求項１００に記載のシステム。
【請求項１０８】
前記固体膜は、約０．１ピコファラッド（ｐＦ）未満の容量を有する、請求項１００に記載のシステム。
【請求項１０９】
前記電極はトンネル電極を含む、請求項１００に記載のシステム。
【請求項１１０】
前記電流はトンネル電流を含む、請求項１０９に記載のシステム。
【請求項１１１】
前記核酸分子は、少なくとも約９５％の精度で配列決定される、請求項１００に記載のシステム。
【請求項１１２】
前記電極は、前記核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜約２倍の間隔を有するギャップにより離間される、請求項１００に記載のシステム。
【請求項１１３】
前記電極は、前記核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜分子直径以下の間隔を有するギャップにより離間される、請求項１００に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
相互参照
本願は、２０１５年１０月８日出願の米国仮特許出願第６２／２３９，１７１号の利益を主張するものであり、この米国仮特許出願を全体的に参照により本明細書に援用する。
【背景技術】
【０００２】
背景技術
核酸配列決定とは、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）又はリボ核酸（ＲＮＡ）等の核酸分子内のヌクレオチドの順序を特定するプロセスである。核酸分子の配列の特定は、被験者の診断及び／又は治療の支援等の様々な利点を提供し得る。例えば、被験者の核酸配列を使用して、遺伝子疾患を識別し、診断し、潜在的に治療を開発し得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
発明の概要
核酸配列決定方法及びシステムが現在、利用可能であるが、ここでは、そのようなシステムに関連する様々な限界が認識されており、例えば、高価であったり、又は被験者の診断及び／又は治療に必要とされ得る時間期間内に必要とされ得る精度で十分な配列情報を提供しなかったりすることがある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本開示は、種の識別及び／又は核酸配列決定に有用であり得る方法、システム、及びコンピュータプログラムを提供する。そのような方法及びシステムは、標準化し得る高感度信号を使用して、核酸分子（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ、又はその変異体）を独立して又は並行して配列決定することにより、高精度の配列決定を実行することが可能であり得る。
【０００５】
本開示の態様は核酸分子を配列決定する方法を提供し、本方法は、（ａ）個々のセンサのアレイを含むチップを提供することであって、アレイの個々の各センサは、少なくとも１つのナノギャップを有する固体膜を含み、少なくとも１つのナノギャップは、核酸分子又はその一部が少なくとも１つのナノギャップを通って流れる際、核酸分子又はその一部の検出を支援する電気信号を生成するように構成された電極を含む、提供することと、（ｂ）核酸分子又はその一部を少なくとも１つのナノギャップを通るように又は少なくとも１つのナノギャップの近傍に向けることと、（ｃ）少なくとも約９７％の精度で核酸分子又はその一部の核酸配列を識別することとを含む。
【０００６】
本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子又はその一部の核酸配列は、核酸分子の少なくとも約１００個の連続核酸塩基の広がりにわたり少なくとも約９７％の精度で特定される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子又はその一部の核酸配列は、核酸分子又はその一部の再度配列解析がない状態で、少なくとも約９７％の精度で特定される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電極は電気回路に結合される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、センサは、電気信号を処理する集積回路に結合される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、センサはチップの一部である。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、センサのアレイは、１ｍｍ２当たり約５０個又は約５００個以上の個々のセンサの密度で個々のセンサを含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、個々のセンサのそれぞれは独立してアドレス指定可能である。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子は、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）及び／又はリボ核酸（ＲＮＡ）を含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、固体膜は、金属材料及び半導体材料からなる群から選択される少なくとも１つの材料で少なくとも部分的に形成される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、固体膜は、窒化ケイ素、シリカ、及びアルミナからなる群から選択される材料で少なくとも部分的に形成される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、固体膜は、約１０ナノメートル（ｎｍ）〜約１ミリメートル（ｍｍ）の範囲の厚さを有する。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、固体膜は、約０．１ピコファラッド（ｐＦ）未満の電極間容量を有する。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、精度は少なくとも約９９．５％である。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、精度は、核酸分子又はその一部の５個までの核酸塩基を識別する場合、少なくとも約９７％である。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、精度は、核酸分子又はその一部の３個までの核酸塩基を識別する場合、少なくとも約９７％である。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、精度は、核酸分子又はその一部の単一の核酸塩基を識別する場合、少なくとも約９７％である。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、少なくとも約９７％の精度は、核酸分子又はその一部が少なくとも１つのナノギャップを最大限でも２０回通過することから収集されるデータを結合することにより達成される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、少なくとも約９７％の精度は、核酸分子又はその一部が少なくとも１つのナノギャップを最大限でも５回通過することから収集されるデータを結合することにより達成される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、少なくとも約９７％の精度は、核酸分子又はその一部が少なくとも１つのナノギャップを１回通過することから収集されるデータを結合することにより達成される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子又はその一部の核酸配列は、核酸分子又はその一部が少なくとも１つのナノギャップを少なくとも１０回通過することから収集されるデータを結合することにより識別される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子又はその一部の核酸配列は、核酸分子又はその一部が少なくとも１つのナノギャップを少なくとも２０回通過することから収集されるデータを結合することにより識別される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電気信号は電流を含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子は、少なくとも約１ピコアンペアの電流レベル、少なくとも約１ナノアンペアの背景電流レベル、及び少なくとも約１〜２の信号対雑音比において、少なくとも約０．５キロヘルツ（ＫＨｚ）の転位率で少なくとも１つのナノギャップを通るように向けられる。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電極はトンネル電極を含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電気信号はトンネル電流を含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子又はその一部の核酸配列は、約０．１キロヘルツ（ＫＨｚ）〜約１００ＫＨｚの周波数で識別される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電極は、核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜約５倍の間隔を有するギャップにより離間される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電極は、核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜約２倍の間隔を有するギャップにより離間される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電極は、核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜分子直径以下の間隔を有するギャップにより離間される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、識別することは、少なくとも約８０％の未処理精度を生成することを含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、識別することは、コンセンサス配列を生成することを含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子又はその一部の核酸配列は、少なくとも約８０％の単一通過精度で識別される。
【０００７】
本開示の別の態様は、核酸分子を配列決定する方法を提供し、本方法は、（ａ）個々のセンサのアレイを含むチップを提供することであって、アレイの個々の各センサは、少なくとも１つのナノギャップを有する固体膜を含み、少なくとも１つのナノギャップは、核酸分子又はその一部が少なくとも１つのナノギャップを通って流れる際、核酸分子又はその一部の検出を支援する電気信号を生成するように構成された電極を含む、提供することと、（ｂ）分子モータがない状態で、核酸分子又はその一部を少なくとも１つのナノギャップを通るように又は少なくとも１つのナノギャップの近傍に向けることと、（ｃ）複数の時点で電気信号を検出することにより、核酸分子を配列決定することとを含む。
【０００８】
本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電極は電気回路に結合される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、センサは、電気信号を処理する集積回路に結合される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、センサはチップの一部である。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、センサのアレイは、１ｍｍ２当たり約５００個以上の個々のセンサの密度で個々のセンサを含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、個々のセンサのそれぞれは独立してアドレス指定可能である。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子は、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）及び／又はリボ核酸（ＲＮＡ）を含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、固体膜は、金属材料及び半導体材料からなる群から選択される少なくとも１つの材料で形成される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、固体膜は、窒化ケイ素、シリカ、及びアルミナからなる群から選択される材料で形成される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、固体膜は、約１０ナノメートル（ｎｍ）〜約１ミリメートル（ｍｍ）の範囲の厚さを有する。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、固体膜は、約０．１ピコファラッド（ｐＦ）未満の容量を有する。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子は、少なくとも約９５％の精度で配列決定される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電気信号は電流を含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電極はトンネル電極を含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電気信号はトンネル電流を含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子は、核酸分子又はその一部が少なくとも１つのナノギャップを通って流れる際、核酸分子の１つ又は複数の核酸サブユニットを検出することにより配列決定される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、１つ又は複数の核酸サブユニットは、少なくとも約１０：１、少なくとも約５０：１、又は少なくとも約１００：１の信号対雑音比で検出される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子の個々のサブユニットは、最長でも約１マイクロ秒又は最長でも約１ミリ秒の時間期間中に検出される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電極は、核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜約５倍の間隔を有するギャップにより離間される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電極は、核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜約２倍の間隔を有するギャップにより離間される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電極は、核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜分子直径以下の間隔を有するギャップにより離間される。
【０００９】
本開示の別の態様は、核酸分子を配列決定するシステムを提供し、本システムは、（ａ）個々のセンサのアレイを含むチップであって、アレイの個々の各センサは、少なくとも１つのナノギャップを有するように構成される固体膜を含み、少なくとも１つのナノギャップは、核酸分子又はその一部が少なくとも１つのナノギャップを通って流れる際、核酸分子又はその一部の検出を支援する電気信号を生成するように構成された電気回路に結合される電極を含む、チップと、（ｂ）チップに結合されるコンピュータプロセッサであって、コンピュータプロセッサは、少なくとも約９７％の精度で、個々のセンサのアレイから受信される電気信号に基づいて、核酸分子又はその一部の核酸配列を特徴付けるのを支援するようにプログラムされる、コンピュータプロセッサとを含む。
【００１０】
本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子又はその一部の核酸配列は、核酸分子の少なくとも約１００個の連続核酸塩基の広がりにわたり少なくとも約９７％の精度で特定される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子又はその一部の核酸配列は、核酸分子又はその一部の再度配列解析がない状態で、少なくとも約９７％の精度で特定される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、個々のセンサのアレイは、１ｍｍ２当たり少なくとも約５００個の個々のセンサの密度である。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、個々のセンサのそれぞれは独立してアドレス指定可能である。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子は、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）及び／又はリボ核酸（ＲＮＡ）を含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、固体膜は、金属材料及び半導体材料からなる群から選択される少なくとも１つの材料で形成される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、固体膜は、窒化ケイ素、シリカ、及びアルミナからなる群から選択される材料で形成される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、固体膜は、約１０ナノメートル（ｎｍ）〜約１ミリメートル（ｍｍ）の範囲の厚さを有する。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、固体膜は、約０．１ピコファラッド（ｐＦ）未満の容量を有する。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電気信号は電流を含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電極はトンネル電極を含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電気信号はトンネル電流を含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電極は、核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜約５倍の間隔を有するギャップにより離間される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電極は、核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜約２倍の間隔を有するギャップにより離間される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電極は、核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜分子直径以下の間隔を有するギャップにより離間される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、本システムは、コンピュータプロセッサに動作可能に結合されるトランスインピーダンス増幅器を更に含む。
【００１１】
本開示の別の態様は、核酸分子を配列決定するシステムを提供し、本システムは、（ａ）個々のセンサのアレイを含むチップであって、アレイの個々の各センサは、少なくとも１つのナノギャップを有するように構成される固体膜を含み、少なくとも１つのナノギャップは、核酸分子又はその一部が少なくとも１つのナノギャップを通って流れる際、核酸分子又はその一部の検出を支援する電気信号を生成するように構成された電気回路に結合される電極を含み、個々のセンサのそれぞれは独立してアドレス指定可能である、チップと、（ｂ）チップに結合されるコンピュータプロセッサであって、コンピュータプロセッサは、複数の時点で電気信号を検出することにより、核酸分子又はその一部の核酸配列を特徴付けることを支援するようにプログラムされる、コンピュータプロセッサとを含む。
【００１２】
本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子又はその一部の流れは、分子モータを使用せずに促進される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、個々のセンサのアレイは、１ｍｍ２当たり少なくとも約５００個の個々のセンサの密度である。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子は、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）及び／又はリボ核酸（ＲＮＡ）を含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、固体膜は、金属材料及び半導体材料からなる群から選択される少なくとも１つの材料で形成される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、固体膜は、窒化ケイ素、シリカ、及びアルミナからなる群から選択される少なくとも１つの材料で形成される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、固体膜は、約１０ナノメートル（ｎｍ）〜約１ミリメートル（ｍｍ）の範囲の厚さを有する。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、固体膜は、約０．１ピコファラッド（ｐＦ）未満の容量を有する。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電気信号は電流を含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電極はトンネル電極を含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電気信号はトンネル電流を含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子は、少なくとも約９５％の精度で配列決定される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電極は、核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜約５倍の間隔を有するギャップにより離間される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電極は、核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜約２倍の間隔を有するギャップにより離間される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電極は、核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜分子直径以下の間隔を有するギャップにより離間される。
【００１３】
本開示の別の態様は、核酸分子を配列決定する方法を提供し、本方法は、（ａ）個々のセンサのアレイを含むチップをアクティブ化することであって、アレイの個々の各センサは、少なくとも１つのナノギャップを有する固体膜を含み、少なくとも１つのナノギャップは、核酸分子又はその一部が少なくとも１つのナノギャップを通って流れる際、核酸分子又はその一部の検出を支援する電気信号を生成するように構成された電極を含み、電極は、核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜約５倍の間隔を有するギャップにより離間される、アクティブ化することと、（ｂ）核酸分子又はその一部を少なくとも１つのナノギャップを通るように又は少なくとも１つのナノギャップの近傍に向けることと、（ｃ）核酸分子又はその一部の核酸配列を識別することとを含む。
【００１４】
本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子又はその一部の核酸配列は、核酸分子の少なくとも約１００個の連続核酸塩基の広がりにわたり少なくとも約９７％の精度で特定される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子又はその一部の核酸配列は、核酸分子又はその一部の再度配列解析がない状態で、少なくとも約９７％の精度で特定される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電極は電気回路に結合される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、センサは、電気信号を処理する集積回路に結合される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、センサはチップの一部である。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、センサのアレイは、１ｍｍ２当たり約５０個又は約５００個以上の個々のセンサの密度で個々のセンサを含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子は、少なくとも約０．５キロヘルツ（ＫＨｚ）の転位率で少なくとも１つのナノギャップを通るように向けられる。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子又はその一部の核酸配列は、核酸分子又はその一部が少なくとも１つのナノギャップを少なくとも１０回通過することから収集されるデータを結合することにより識別される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子又はその一部の核酸配列は、核酸分子又はその一部が少なくとも１つのナノギャップを少なくとも２０回通過することから収集されるデータを結合することにより識別される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電極は、核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜約２倍の間隔を有するギャップにより離間される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電極は、核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜分子直径未満の間隔を有するギャップにより離間される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、識別することは、コンセンサス配列を生成することを含む。
【００１５】
本開示の別の態様は、核酸分子を配列決定するシステムを提供し、本システムは、（ａ）個々のセンサのアレイを含むチップであって、アレイの個々の各センサは、少なくとも１つのナノギャップを有する固体膜を含み、少なくとも１つのナノギャップは、核酸分子又はその一部が少なくとも約０．５キロヘルツ（ＫＨｚ）の転位率で少なくとも１つのナノギャップを通って流れる際、核酸分子又はその一部の検出を支援する、少なくとも約１ピコアンペアの電流レベルにおける電気信号を生成するように構成される電極を含み、電極は、核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約０．５倍〜約５倍の間隔を有するギャップにより離間される、チップと、（ｂ）チップに結合されるコンピュータプロセッサであって、コンピュータプロセッサは、電流を検出することにより核酸分子又はその一部の核酸配列を特徴付けることを支援するようにプログラムされる、コンピュータプロセッサとを含む。
【００１６】
本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子又はその一部の流れは、分子モータを使用せずに促進される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子又はその一部の核酸配列は、複数の時点で電気信号を検出することにより特徴付けられる。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、個々のセンサのアレイは、１ｍｍ２当たり少なくとも約５００個の個々のセンサの密度である。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子は、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）及び／又はリボ核酸（ＲＮＡ）を含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、固体膜は、金属材料及び半導体材料からなる群から選択される材料から製造される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、固体膜は、窒化ケイ素、シリカ、及びアルミナからなる群から選択される材料で形成される。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、固体膜は、約１０ナノメートル（ｎｍ）〜約１ミリメートル（ｍｍ）の範囲の厚さを有する。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、固体膜は、約０．１ピコファラッド（ｐＦ）未満の容量を有する。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電極はトンネル電極を含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、電流はトンネル電流を含む。本明細書に提供される態様の幾つかの実施形態では、核酸分子は、少なくとも約９５％の精度で配列決定される。
【００１７】
本開示の追加の態様及び利点は、本開示の説明のための実施形態のみが示され説明される以下の詳細な説明から当業者に容易に明白になる。認識されるように、本開示は他の異なる実施形態が可能であり、その幾つかの詳細は様々な明白な点で変更が可能であり、これらは全て本開示から逸脱しない。したがって、図面及び説明は、限定ではなく例示的な性質のものであると見なされるべきである。
【００１８】
本発明の新規の特徴は、特に添付の特許請求の範囲に記載される。本発明の特徴及び利点のよりよい理解は、本発明の原理が利用される説明のための実施形態を記載する以下の詳細な説明及び添付図面（本明細書では「図（figure）」及び図（FIG.）とも）を参照することにより得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】核酸配列決定の全体的なワークフローを示す。
【図２】センサアレイを有するテストチップ及びナノギャップ電極を含むセンサの構成の一例を概略的に示す。
【図３】ナノギャップを通過している核酸分子を示す。
【図４】センサにより測定された、時間に伴う信号のプロットを示す。
【図５】本開示の装置、システム、及び方法を実施するようにプログラム又は他の方法で構成されるコンピュータシステムを概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
実施形態の説明
本発明の様々な実施形態を本明細書で示し説明したが、そのような実施形態が単なる例として提供されることが当業者には明らかである。本発明から逸脱せずに、多くの変形、変更、及び置換を当業者は思い付くであろう。本明細書に記載される本発明の実施形態への様々な代替が利用可能なことを理解されたい。
【００２１】
本明細書で使用される用語「ギャップ」は一般に、材料に又は電極間に形成されるか又は他の方法で設けられる孔、溝、又は通路を指す。材料は、基板等の固体材料であり得る。ギャップは、検知回路又は検知回路に結合される電極に隣接して又は近傍に配置し得る。幾つかの例では、ギャップは、０．１ナノメートル（ｎｍ）〜約１０００ｎｍのオーダの特徴的な幅又は直径を有する。ナノメートルのオーダの幅を有するギャップは、「ナノギャップ（nano-gap）」と（本明細書では「ナノギャップ（nano-gap）」とも）呼ばれ得る。幾つかの状況では、ナノギャップは、約０．１ナノメートル（ｎｍ）〜約５０ｎｍ、０．５ｎｍ〜３０ｎｍ、若しくは０．５ｎｍ〜１０ｎｍ、０．５ｎｍ〜５ｎｍ、若しくは０．５ｎｍ〜２ｎｍ、又は約２ｎｍ以下、１ｎｍ以下、０．９ｎｍ、０．８ｎｍ以下、０．７ｎｍ以下、０．６ｎｍ以下、若しくは０．５ｎｍ以下の幅を有する。幾つかの場合、ナノギャップは、少なくとも約０．５ｎｍ、少なくとも約０．６ｎｍ、少なくとも約０．７ｎｍ、少なくとも約０．８ｎｍ、少なくとも約０．９ｎｍ、少なくとも約１ｎｍ、少なくとも約２ｎｍ、少なくとも約３ｎｍ、少なくとも約４ｎｍ、又は少なくとも約５ｎｍの幅を有する。幾つかの場合、ナノギャップの幅は、生体分子の直径未満又は生体分子のサブユニット（例えば、モノマー）未満であることができる。
【００２２】
本明細書で使用される用語「ナノ細孔」は一般に、ナノメートルのオーダの最小直径を有し、基板を貫通する孔又は穴を指す。ナノ細孔は、サイズを変更することができ、約１ナノメートル（ｎｍ）〜約数百ナノメートルの範囲（例えば、３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、７００ｎｍ、８００ｎｍ、９００ｎｍ）又はより大きな直径であることができる。幾つかの場合、効果的なナノ細孔は概ね約１．５ｎｍ〜３０ｎｍの直径を有していた。ナノ細孔が貫通する基板の厚さは、約１ｎｍ〜約１マイクロメートル（μｍ）の範囲であることができる。本明細書で使用される用語「ナノギャップ」及び「ナノ細孔」は同義である。
【００２３】
本明細書で使用される用語「電極」は一般に、電流の測定に使用することができる材料又は部品を指す。電極（又は電極部品）は、別の電極への又はからの電流の測定に使用することができる。幾つかの状況では、電極は溝（例えば、ナノギャップ）に配置することができ、溝を横切る電流を測定することができる。電流はトンネル電流であることができる。そのような電流は、例えば、生体分子（例えば、タンパク質）がナノギャップを通って流れる際又はナノギャップに生体分子若しくはその一部が存在若しくは不在の際、検出することができる。幾つかの場合、電極に結合される検知回路は、電極にわたり印加電圧を提供して、電流を生成する。これに対する代替又は追加として、電極を使用して、生体分子（例えば、アミノ酸サブユニット又はタンパク質のモノマー）に関連する電気伝導度を測定及び／又は識別することができる。そのような場合、トンネル電流は電気伝導度に関連することができる。
【００２４】
本明細書で使用される用語「生体分子」又は「生体高分子」は一般に、ナノギャップ電極を横切る電気パラメータ（例えば、電流、電圧、差動インピーダンス、トンネル電流、抵抗、容量、及び／又は伝導度）を用いて調べることができる任意の生体材料を指す。生体分子は核酸分子、タンパク質、又は炭水化物であることができる。生体分子は、ヌクレオチド又はアミノ酸等の１つ又は複数のサブユニットを含むことができる。
【００２５】
本明細書で使用される用語「転位」又は「転位する」は一般に、基板のある側から別の側へのナノギャップ又はナノ細孔を通る生体分子の移動を指す。移動は、定義された方向又はランダムな方向で生じることができる。ナノギャップ又はナノ細孔を通る生体分子の転位に関して、「における（in）」という用語は、生体分子全体が「内（within）」にある状況及び／又は生体分子の一部がナノギャップ又はナノ細孔の外部にあり得る状況を含む。例えば、ナノギャップ又はナノ細孔「における」生体分子は、生体分子全体がナノギャップ若しくはナノ細孔の開口部内にあること又はその小さな部分のみがナノ細孔内部にあり、大部分がナノギャップ若しくはナノ細孔外部にあることを意味する。
【００２６】
本明細書で使用される用語「核酸」は一般に、１つ又は複数の核酸サブユニットを含む分子を指す。核酸は、例えば、アバシック塩基（abasic base）を含む任意の自然発生するか又は自然発生しない（例えば、修飾又は組み換えられる）後成的に修飾されたデオキシヌクレオチド又はリボヌクレオチドを含め、アデノシン（Ａ）、シトシン（Ｃ）、グアニン（Ｇ）、チミン（Ｔ）、ウラシル（Ｕ）、又はその変異体から選択される１つ又は複数のサブユニットを含み得る。ヌクレオチドはＡ、Ｃ、Ｇ、Ｔ、若しくはＵ、又はその変異体を含むことができる。ヌクレオチドは、成長中の核酸鎖に組み入れることが可能な任意のサブユニットを含むことができる。そのようなサブユニットは、Ａ、Ｃ、Ｇ、Ｔ、若しくはＵ、又は１つ又は複数の相補的Ａ、Ｃ、Ｇ、Ｔ、若しくはＵに固有であるか、若しくはプリンに相補的（すなわち、Ａ若しくはＧ、又はその変異体）若しくはピリミジンに相補的（すなわち、Ｃ、Ｔ、若しくはＵ、又はその変異体）な任意の他のサブユニットであることができる。サブユニットは、個々の核酸塩基又は塩基群（例えば、ＡＡ、ＴＡ、ＡＴ、ＧＣ、ＣＧ、ＣＴ、ＴＣ、ＧＴ、ＴＧ、ＡＣ、ＣＡ、又はそのウラシル相手方）を分解できるようにすることができる。幾つかの例では、核酸は、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、リボ核酸（ＲＮＡ）、又はその誘導体である。核酸は一本鎖又は二本鎖であり得る。
【００２７】
本明細書で使用される用語「タンパク質」は一般に、１つ又は複数のアミノ酸モノマー、サブユニット、又は残基を有する生体分子又は高分子を指す。例えば、５０以下のアミノ酸を含むタンパク質は、「ペプチド」と呼ばれ得る。アミノ酸モノマーは、例えば、２０、２１、又は２２の自然発生アミノ酸等の任意の自然発生アミノ酸モノマー及び／又は合成アミノ酸モノマーから選択することができる。幾つかの場合、２０のアミノ酸が被験者の遺伝子コードにおいてコードされる。幾つかのタンパク質は、約５００の自然発生アミノ酸及び非自然発生アミノ酸から選択されるアミノ酸を含み得る。幾つかの状況では、タンパク質は、イソロイシン、ロイシン、リジン、メチオニン、フェニルアラニン、トレオニン、トリプトファン、バリン、アルギニン、ヒスチジン、アラニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン、グルタミン酸、グリシン、プロリン、セリン、及びチロシンから選択される１つ又は複数のアミノ酸を含むことができる。
【００２８】
本明細書で使用される用語「隣接」又は「〜に隣接」は、「〜の隣」、「隣り合う」、「〜に接触する」、又は「〜の近傍」を含む。幾つかの場合、構成要素に隣接は、１つ又は複数の介在層で互いから隔てられる。例えば、１つ又は複数の介在層は、約１０マイクロメートル（「μｍ」）未満、約１μｍ未満、約５００ナノメートル（「ｎｍ」）未満、約１００ｎｍ未満、約５０ｎｍ未満、約１０ｎｍ未満、約１ｎｍ未満、又はそれよりも薄い厚さを有することができる。ある例では、第１の層が第２の層に直接接触する場合、第１の層は第２の層に隣接する。別の例では、第１の層が第２の層から第３の層で隔てられる場合、第１の層は第２の層に隣接する。
【００２９】
概説
本開示は、例えば、タンパク質、多糖類、脂質、及び核酸分子等の生体分子を検知又は識別する装置、システム、及び方法を提供する。核酸分子は、ＤＮＡ、ＲＮＡ、及びその変異体を含むことができる。核酸分子は、一本鎖又は二本鎖であることができる。本開示の装置及びシステムは、センサアレイを有するチップを含み得、センサアレイは１つ又は複数のナノギャップ電極対を更に含み得る。個々の各ナノギャップ電極対は、特定のタイプの分子、例えば、ｄｓＤＮＡ又はｓｓＤＮＡの配列決定に使用することができるような特定の電極間空間（又はナノギャップ幅）を有するように構成し得る。
【００３０】
図１は、本明細書において提供される方法の全体的なワークフローを示す。第１の動作１０１において、試料（例えば、核酸分子）を配列決定に向けて準備し得る。任意の物質が試料源であることができる。物質は流体、例えば生物学的流体であり得る。流体物質は、血液（例えば、全血、血漿）、臍帯血、唾液、尿、汗、血清、精液、膣液、及び胃液、消化液、髄液、胎盤液、体腔液、眼液、血清、母乳、リンパ液、又はそれらの組み合わせを含み得るが、これに限定されない。
【００３１】
物質は固体、例えば生体組織であり得る。物質は健常組織を含み得る。組織は様々なタイプの臓器に関連し得る。臓器の非限定的な例としては、脳、乳房、肝臓、肺、腎臓、前立腺、卵巣、脾臓、リンパ節（扁桃腺を含む）、甲状腺、膵臓、心臓、骨格筋、腸、喉頭、食道、胃、又はそれらの組み合わせを挙げ得る。
【００３２】
物質は腫瘍を含み得る。腫瘍は良性（非がん）又は悪性（がん）を含み得る。腫瘍の非限定的な例としては、線維肉腫、粘液肉腫、脂肪肉腫、軟骨肉腫、骨肉腫、脊索腫、血管肉腫、内皮肉腫（endotheliosarcoma）、リンパ管肉腫、リンパ管内皮肉腫（lymphangioendotheliosarcoma）、滑膜腫、中皮腫、ユーイング腫瘍、平滑筋肉腫、横紋筋肉腫、胃腸系癌腫、結腸癌、膵癌、乳癌、泌尿生殖器系癌腫、卵巣癌、前立腺癌、扁平上皮癌、基底細胞癌、腺癌、汗腺癌、脂腺癌、乳頭癌、乳頭状腺癌、嚢胞腺癌、髄様癌、気管支原性肺癌、腎細胞癌、肝細胞腫、胆管癌、絨毛癌、精上皮腫、胚性癌腫、ウィルムス腫瘍、子宮頸癌、内分泌系癌腫、精巣腫瘍、肺癌、小細胞肺癌、非小細胞肺癌、膀胱癌、上皮癌、神経膠腫、星状膠細胞腫、髄芽細胞腫、頭蓋咽頭腫、上衣腫、松果体腫、血管芽細胞腫、聴神経腫瘍、乏突起膠腫、髄膜腫、黒色腫、神経芽細胞腫、網膜芽細胞腫、又はこれらの組み合わせを挙げ得る。腫瘍は様々なタイプの臓器に関連し得る。臓器の非限定的な例としては、脳、乳房、肝臓、肺、腎臓、前立腺、卵巣、脾臓、リンパ節（扁桃腺を含む）、甲状腺、膵臓、心臓、骨格筋、腸、喉頭、食道、胃、又はそれらの組み合わせを挙げ得る。
【００３３】
試料は、任意の適する方法又は技法を用いてソース物質から分離することができる。幾つかの場合、試料は、処理済みソース物質（例えば、分離された核酸分子）を核酸増幅状況下に更に置き、１つ又は複数の増幅産物（又は単位複製配列）を生成することにより得られる。
【００３４】
次に、試料が準備されると、第２の動作１０２において、準備された試料に関連する１つ又は複数の信号を検出及び／又は測定し得る。信号はデータとして記憶し得る。例えば、準備された試料は、本明細書において提供されるチップのセンサアレイに含まれる１つ又は複数のナノギャップ電極対を流れるように又はその近傍に向けることができる。ナノギャップ電極対の電極は、試料分子の各モノマー又はサブユニットがナノギャップを通って流れる際、信号を生成するように構成することができる。
【００３５】
次に、第３の動作１０３において、検出又は測定された信号を処理して、試料分子の配列等の試料分子の特定／識別を支援し得る。次に、第４の動作１０４において、試料特定／識別の結果（例えば、試料分子の配列）を受取人（例えば、人物又はコンピュータ可読媒体及びを記憶する１つ若しくは複数のコンピュータ及び／又は１つ若しくは複数のコンピュータサーバ等の電子システム）に出力又は送出することができる。
【００３６】
幾つかの場合、試料分子の１つ又は複数のモノマー又はサブユニットは、標識（例えば、トンネリング標識（tunneling label）、フープ標識（hooping label）、又は電流遮断標識（current blocking label））を含み得、又は標識で修飾し得る。様々な標識が同じ又は異なる信号を生成し得る。標識は、試料分子又はその一部の転位率を変えることができ得る。標識は、ナノギャップを通る試料分子の転位中、明確で検出可能な信号を生成するように構成し得る。幾つかの場合、試料分子のモノマー又はサブユニットの少なくとも約１％、少なくとも約５％、少なくとも約１０％、少なくとも約２０％、少なくとも約３０％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、又はそれよりも多くが標識される。幾つかの場合、試料分子のモノマー又はサブユニットの約１００％未満、約８０％未満、約６０％未満、約４０％未満、約２０％未満、約１０％未満、又は約５％未満が標識される。モノマーが、それぞれが異なる信号を生成する標識で修飾される場合、そのように標識されたモノマー又はサブユニットはそれぞれ、試料分子がナノギャップを通過する際、別様に検出することができる。したがって、試料分子は、少なくとも部分的に標識に起因する信号又は信号変化を検出することにより特定することができる。例えば、導体、半導体、磁性材料、有機材料、無機材料、又はそれらの組み合わせを含む様々な材料を標識として利用し得る。例えば、モノマーは、直径約１００ｎｍ以下の金属、金属合金、及びそれらの酸化物、例えば、金、銀、銅、錫、チタン、鉄、コバルト、クロム、モリブデン、バナジウム、アルミニウム、亜鉛、ビスマス、ジルコニア、タングステンカーバイド、マグネシウム、セリウムを含むがこれに限定されない共振トンネル電流を変調する標識を用いて修飾することができる。
【００３７】
核酸分子を配列決定する方法
本開示の態様は、個々のセンサのアレイを含むチップを提供することを含む、核酸分子を配列決定する方法を提供する。アレイの個々の各センサは、少なくとも１つのナノギャップを有する固体膜を含むことができる。幾つかの場合、個々の各センサは複数のナノギャップを含むことができる。少なくとも１つのナノギャップは、核酸分子又はその一部が少なくとも１つのナノギャップを通って流れる際、核酸分子又はその一部の検出を支援する電気信号を生成するように構成された電極を含むことができる。
【００３８】
続けて、少なくとも１つのナノギャップを通るように又は少なくとも１つのナノギャップの近傍に、核酸分子又はその一部を向けることができる。例えば、核酸分子は、核酸分子の個々のサブユニットがナノギャップを通って流れることができるようなフロースルーを受けることができる。
【００３９】
次に、核酸分子又はその一部の核酸配列を識別することができる。核酸配列は、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約８５％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、少なくとも約９５．５％、少なくとも約９６％、少なくとも約９６．５％、少なくとも約９７％、少なくとも約９７．５％、少なくとも約９８％、少なくとも約９８．５％、少なくとも約９９％、少なくとも約９９．５％、少なくとも約９９．９％、又は少なくとも約９９．９９％の精度で識別することができる。幾つかの場合、核酸配列は、本明細書に記載される任意の２つの値の間、例えば、約９４％の精度で特定／識別することができる。幾つかの場合、所定の精度がユーザにより指定され、システムは、１つ又は複数のパラメータ、例えば、ナノギャップを通過する分子又はその一部の回数、分子の転位率、電極に印加される電圧、又は調べる長さを変更して、所望又は所定の精度に達し得る。
【００４０】
追加又は代替として、本開示の別の態様では、核酸分子を配列決定する方法は、個々のセンサのアレイを含むチップをアクティブ化することを含むことができる。アレイの個々の各センサは、少なくとも１つのナノギャップを有する固体膜を含むことができる。少なくとも１つのナノギャップは、核酸分子又はその一部が少なくとも１つのナノギャップを通って流れる際、核酸分子又はその一部の検出を支援する電気信号を生成するように構成された電極を含むことができる。電極は、核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の少なくとも約０．０１倍、少なくとも約０．０５倍、少なくとも約０．１倍、少なくとも約０．２倍、少なくとも約０．３倍、少なくとも約０．４倍、少なくとも約０．５倍、少なくとも約０．６倍、少なくとも約０．７倍、少なくとも約０．８倍、少なくとも約０．９倍、少なくとも約１倍、少なくとも約１．５倍、少なくとも約２倍、少なくとも約２．５倍、少なくとも約３倍、少なくとも約３．５倍、少なくとも約４倍、少なくとも約４．５倍、又は少なくとも約５倍のギャップにより離間することができる。幾つかの場合、電極は、核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の約１００倍以下、約９０倍以下、約８０倍以下、約７０倍以下、約６０倍以下、約５０倍以下、約４０倍以下、約３０倍以下、約２０倍以下、約１５倍以下、約１０倍以下、約９倍以下、約８倍以下、約７倍以下、約６倍以下、約５倍以下、約４倍以下、約３倍以下、約２倍以下、約１倍以下、約０．８倍以下、約０．６倍以下、約０．４倍以下、約０．２倍以下、又は約０．１倍以下のギャップにより離間することができる。幾つかの場合、電極は、核酸分子の所与の核酸サブユニットの分子直径の本明細書に記載される任意の２つの値の間のギャップ、例えば、約０．５倍〜約５倍のギャップにより離間することができる。
【００４１】
次に、核酸分子又はその一部を少なくとも１つのナノギャップを通るように又はその近傍に向けることができ、生成された電気信号に基づいて核酸分子又はその一部を識別することができる。
【００４２】
核酸配列は、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約８５％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、少なくとも約９５．５％、少なくとも約９６％、少なくとも約９６．５％、少なくとも約９７％、少なくとも約９７．５％、少なくとも約９８％、少なくとも約９８．５％、少なくとも約９９％、少なくとも約９９．５％、少なくとも約９９．９％、又は少なくとも約９９．９９％の精度で識別することができる。幾つかの場合、核酸配列は、本明細書に記載される任意の２つの値の間の精度で特定／識別することができる。幾つかの例では、上記核酸分子又はその一部の核酸配列は、核酸分子の少なくとも約５個、少なくとも約１０個、少なくとも約２０個、少なくとも約３０個、少なくとも約４０個、少なくとも約５０個、少なくとも約６０個、少なくとも約７０個、少なくとも約８０個、少なくとも約９０個、少なくとも約１００個、少なくとも約２００個、少なくとも約３００個、少なくとも約４００個、少なくとも約５００個、少なくとも約６００個、少なくとも約７００個、少なくとも約８００個、少なくとも約９００個、少なくとも約１，０００個、少なくとも約２，０００個、又は少なくとも約３，０００個の連続核酸塩基の広がりにわたり少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約８５％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、少なくとも約９５．５％、少なくとも約９６％、少なくとも約９６．５％、少なくとも約９７％、少なくとも約９７．５％、少なくとも約９８％、少なくとも約９８．５％、少なくとも約９９％、少なくとも約９９．５％、少なくとも約９９．９％、又は少なくとも約９９．９９％の精度で特定される。
【００４３】
幾つかの場合、高精度は、核酸分子又はその一部の再度配列解析がない状態で達成される。幾つかの場合、核酸配列の高精度識別は、複数の通過（すなわち、例えば核酸分子又はその一部を少なくとも１組の電極に数回、通し、分子又はその一部が電極対の少なくとも１つのナノギャップを通過する都度、核酸配列を特定することによる複数回の核酸分子又はその一部の配列決定）を実行することにより達成される。通過の回数は任意の数、整数、又は非整数であることができる。幾つかの場合、核酸配列は、少なくとも約２回、少なくとも約３回、少なくとも約４回、少なくとも約５回、少なくとも約６回、少なくとも約７回、少なくとも約８回、少なくとも約９回、少なくとも約１０回、少なくとも約１２回、少なくとも約１４回、少なくとも約１６回、少なくとも約１８回、少なくとも約２０回、少なくとも約２５回、少なくとも約３０回、少なくとも約３５回、少なくとも約４０回、少なくとも約４５回、少なくとも約５０回、少なくとも約６０回、少なくとも約７０回、少なくとも約８０回、少なくとも約９０回、少なくとも約１００回、少なくとも約２５０回、少なくとも約５００回、又はそれより多く、同じ核酸分子又はその一部を配列決定することにより高精度で識別される。幾つかの場合、核酸分子又はその一部は、多くとも１０００回、多くとも７５０回、多くとも５００回、多くとも２５０回、多くとも１００回、多くとも７５回、多くとも５０回、多くとも４０回、多くとも３０回、多くとも２５回、多くとも２０回、多くとも１５回、多くとも１０回、多くとも９回、多くとも８回、多くとも７回、多くとも６回、多くとも５回、多くとも４回、多くとも３回、多くとも２回、多くとも１回、又はそれ未満の回数、配列決定される。幾つかの場合、通過の回数又は複数の配列決定は、本明細書に記載される任意の２つの値の間にあり、例えば１１回である。
【００４４】
複数の通過が利用される場合、複数の通過は、単一対（又は組）の電極又は複数の組の電極で生じることができ、複数の通過からのデータを結合することができる。例えば、核酸配列は、合計で約５回の通過、約１０回の通過、約５０回の通過、又は間の任意の通過回数により高精度で特定することができる。幾つかの例では、高精度（例えば、少なくとも約９７％）は、多くとも約１００回の通過、多くとも約８０回の通過、多くとも約６０回の通過、多くとも約５０回の通過、多くとも約４０回の通過、多くとも約３０回の通過、多くとも約２０回の通過、多くとも約１０回の通過、多くとも約９回の通過、多くとも約８回の通過、多くとも約７回の通過、多くとも約６回の通過、多くとも約５回の通過、多くとも約４回の通過、多くとも約３回の通過、多くとも約２回の通過、又は多くとも約１回の通過から収集されるデータを結合することにより達成される。幾つかの場合、複数の通過又は結合は、単一のデータ取得内で結合される。
【００４５】
核酸配列を識別すると、コンセンサス配列を生成し得る。コンセンサス配列は、複数の配列決定読み取り値の位置合わせで生成することができる。コンセンサス配列は、核酸分子を１回又は複数回、配列決定し再度配列決定することにより生成することができる。核酸分子の同じ配列を複数回、配列決定することができる。
【００４６】
幾つかの状況では、核酸塩基の１つ又は複数の群が、本開示の方法を使用して識別される。例えば、３つの核酸塩基の組み合わせが、ナノギャップにおいて生成される電気信号への特徴的影響により特定される。そのような場合、約１個以上、約２個以上、約３個以上、約４個以上、約５個以上、約６個以上、約７個以上、又は約８個以上の核酸塩基を（すなわち、群として）識別するとき、高精度（例えば、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、少なくとも約９７％、又は少なくとも約９９％）が達成される。代替又は追加として、核酸配列決定の精度は、最高で約１０個、最高で約９個、最高で約８個、最高で約７個、最高で約６個、最高で約５個、最高で約４個、最高で約３個、又は最高で約２個の核酸塩基を識別する場合、高い。幾つかの場合、精度は、核酸分子又はその一部の単一の核酸塩基を識別する場合、高い（例えば、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、少なくとも約９７％、又は少なくとも約９９％）。
【００４７】
上述され、本明細書の他の箇所に説明されるように、核酸分子は、様々なソースからのものであることができ、例えば、１つ又は複数の核酸分子を含む生体試料であることができる。生体試料は、被験者の身体試料、例えば、体液から取得（例えば、抽出又は分離）することができる。身体試料は、血液（例えば、全血）、血漿、血清、尿、唾液、粘膜排泄物、痰、大便、及び涙から選択することができる。身体試料は、被験者の流体又は組織試料（例えば、皮膚試料）であることができる。幾つかの例では、試料は、全血等の被験者の無細胞体液から取得される。そのような場合、試料は無細胞ＤＮＡ及び／又は無細胞ＲＮＡを含むことができる。幾つかの他の例では、試料は環境試料（例えば、土、水、周囲空気等）、産業試料（例えば、任意の産業プロセスからの試料）、及び食品試料（例えば、乳製品、野菜製品、及び肉製品）である。
【００４８】
膜はデバイスであることができる。例えば、膜は、少なくとも１つのナノギャップを有する固体状態デバイスである。膜は、複数の固体状態サブユニットで形成することができる。膜は、様々な材料、例えば、生体材料、非生体材料、有機材料、無機材料、半導体材料、絶縁材料、磁性材料、又は金属材料で形成することができる（例えば、少なくとも部分的に）。材料の非限定的な例としては、炭素、シリカ、ケイ素、アルミナ、プラスチック、ガラス、金属、合金、ポリマー、ナイロン、重合ラングミュア・ブロジェット膜、官能化ガラス、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｇａｐ、ＳｉＮ４、変性ケイ素、又は（ポリ）テトラフルオロエチレン、（ポリ）ビニリデンジフルオリド、ポリスチレン、ポリカーボネート、若しくはこれらの組み合わせ等の多種多様なゲル若しくはポリマーの任意の１つを挙げ得る。膜は、粒子、ストランド、沈殿物、ゲル、シート、管、球体、容器、毛細管、パッド、スライス、薄膜、プレート、スライド等の形態として存在することができる。膜は、任意の表面構成（例えば、平坦又は非平坦）をとることができる。例えば、基板は、少なくとも一対の電極の製造又は堆積を行い得る隆起領域又は陥没領域を含み得る。
【００４９】
固体膜の厚さは様々であり得る。幾つかの場合、固体膜は、約０．０１ナノメートル（ｎｍ）以上、約０．０５ｎｍ以上、約０．０７５ｎｍ以上、約０．１ｎｍ以上、約０．２５ｎｍ以上、約０．５ｎｍ以上、約０．７５ｎｍ以上、約１ｎｍ以上、約２．５ｎｍ以上、約５ｎｍ以上、約７．５ｎｍ以上、約１０ｎｍ以上、約２５ｎｍ以上、約５０ｎｍ以上、約７５ｎｍ以上、約１００ｎｍ以上、約２５０ｎｍ以上、約５００ｎｍ以上、約７５０ｎｍ以上、約１マイクロメートル（μｍ）以上、約５μｍ以上、約１０μｍ以上、約２５μｍ以上、約５０μｍ以上、約７５μｍ以上、約１００μｍ以上、約２５０μｍ以上、約５００μｍ以上、約７５０μｍ以上、約１ミリメートル（ｍｍ）以上、約５ｍｍ以上、約１０ｍｍ以上、約２０ｍｍ以上、約３０ｍｍ以上、約４０ｍｍ以上、約５０ｍｍ以上、又はそれよりも大きな厚さを有し得る。幾つかの場合、固体膜の厚さは、約１００ｍｍ以下、約５０ｍｍ以下、約２５ｍｍ以下、約１０ｍｍ以下、約５ｍｍ以下、約１ｍｍ以下、約９００μｍ以下、約８００μｍ以下、約７００μｍ以下、約６００μｍ以下、約５００μｍ以下、約４００μｍ以下、約３００μｍ以下、約２００μｍ以下、約１００μｍ以下、約８０μｍ以下、約６０μｍ以下、約４０μｍ以下、約２０μｍ以下、約１０μｍ以下、約９μｍ以下、約８μｍ以下、約７μｍ以下、約６μｍ以下、約５μｍ以下、約４μｍ以下、約３μｍ以下、約２μｍ以下、約１μｍ以下、約８００ｎｍ以下、約６００ｎｍ以下、約４００ｎｍ以下、約２００ｎｍ以下、約１００ｎｍ以下、約８０ｎｍ以下、約６０ｎｍ以下、約４０ｎｍ以下、約２０ｎｍ以下、約１０ｎｍ以下、約５ｎｍ以下、約１ｎｍ以下、約０．５ｎｍ以下、約０．１ｎｍ以下、又はそれよりも薄い厚さであることができる。幾つかの場合、固体膜の厚さは、上述した任意の２つの値の間、例えば約１０ｎｍ〜約１ｍｍであることができる。
【００５０】
膜は機能的であることができ、抵抗、容量、及び／又は伝導度等の特定の電気特性を有し得る。例えば、膜は、約１０ピコファラッド（ｐＦ）以下、約９ｐＦ以下、約８ｐＦ以下、約７ｐＦ以下、約６ｐＦ以下、約５ｐＦ以下、約４ｐＦ以下、約３ｐＦ以下、約２ｐＦ以下、約１ｐＦ以下、約０．９ｐＦ以下、約０．８ｐＦ以下、約０．７ｐＦ以下、約０．６ｐＦ以下、約０．５ｐＦ以下、約０．４ｐＦ以下、約０．３ｐＦ以下、約０．２ｐＦ以下、約０．１ｐＦ以下、約０．０７５ｐＦ以下、約０．０５ｐＦ以下、約０．０２５ｐＦ以下、約０．０１ｐＦ以下、約０．００５ｐＦ以下、約０．００１ｐＦ以下、又は本明細書に記載される任意の２つの値の間の容量を有することができる。
【００５１】
さらに、膜は、特定の電極間容量（すなわち、電極間の容量）を有することができる。幾つかの場合、電極間容量は、約０．１フェムトファラッド（ｆＦ）以上、約０．２５ｆＦ以上、約０．５ｆＦ以上、約０．７５ｆＦ以上、約１ｆＦ以上、約２．５ｆＦ以上、約５ｆＦ以上、約７．５ｆＦ以上、約１０ｆＦ以上、約２０ｆＦ以上、約３０ｆＦ以上、約４０ｆＦ以上、約５０ｆＦ以上、約６０ｆＦ以上、約７０ｆＦ以上、約８０ｆＦ以上、約９０ｆＦ以上、約１００ｆＦ以上、約２００ｆＦ以上、約３００ｆＦ以上、約４００ｆＦ以上、約５００ｆＦ以上、約６００ｆＦ以上、約７００ｆＦ以上、約８００ｆＦ以上、約９００ｆＦ以上、約１，０００ｆＦ以上、又はそれよりも大きい値であることができる。幾つかの場合、電極間容量は、約２０００ｆＦ以下、約１５００ｆＦ以下、約１０００ｆＦ以下、約８００ｆＦ以下、約６００ｆＦ以下、約４００ｆＦ以下、約２００ｆＦ以下、約１００ｆＦ以下、約８０ｆＦ以下、約６０ｆＦ以下、約４０ｆＦ以下、約２０ｆＦ以下、約１０ｆＦ以下、約９ｆＦ以下、約８ｆＦ以下、約７ｆＦ以下、約６ｆＦ以下、約５ｆＦ以下、約４ｆＦ以下、約３ｆＦ以下、約２ｆＦ以下、約１ｆＦ以下、約０．５ｆＦ以下、約０．１ｆＦ以下、又はそれよりも小さい値であることができる。
【００５２】
図２は、ｎ×ｍ（例えば、４×４）センサアレイを含むチップ例を示し、ここで、「ｎ」及び「ｍ」は１以上の整数であり得、図２は、各センサに含まれる例示的なナノギャップ電極対１の構成も示す。図２に示されるように、ナノギャップ電極対１では、対向する電極５及び６が基板２に配置される。ナノスケール（例えば、１０００ナノメートル以下）の幅Ｗ１を有するナノギャップＮＧが、電極５と電極６との間に形成される。幅Ｗ１は、０．１ナノメートル（ｎｍ）と１，０００ｎｍとの間又は約５００ｎｍ未満、約４００ｎｍ未満、約３００ｎｍ未満、約２００ｎｍ未満、約１００ｎｍ未満、約８０ｎｍ未満、約６０ｎｍ未満、約４０ｎｍ未満、約２０ｎｍ未満、約１０ｎｍ未満、約９ｎｍ未満、約８ｎｍ未満、約７ｎｍ未満、約６ｎｍ未満、約５ｎｍ未満、約４ｎｍ未満、約３ｎｍ未満、約２ｎｍ未満、約１ｎｍ未満、約０．９ｎｍ未満、約０．８ｎｍ未満、約０．７ｎｍ未満、約０．６ｎｍ未満、若しくは約０．５ｎｍ未満、又は本明細書に記載される任意の他の幅であり得る。幾つかの場合、電極は、核酸分子の所与の核酸サブユニット（又は核酸サブユニットの組み合わせ）の分子直径の約０．１倍以上、約０．２倍以上、約０．３倍以上、約０．４倍以上、約０．５倍以上、約０．６倍以上、約０．７倍以上、約０．８倍以上、約０．９倍以上、約１倍以上、約２倍以上、約３倍以上、約４倍以上、約５倍以上、約６倍以上、約７倍以上、約８倍以上、約９倍以上、約１０倍以上、約１５倍以上、約２０倍以上、約４０倍以上、約６０倍以上、約８０倍以上、又は約１００倍以上のナノギャップ幅で離間される。幾つかの場合、電極は、ナノギャップ幅が核酸分子の所与の核酸サブユニット（又は核酸サブユニットの組み合わせ）の分子直径の約２０倍以下、約１５倍以下、約１０倍以下、約８倍以下、約６倍以下、約４倍以下、約２倍以下、約１倍以下、約０．５倍以下、約０．２５倍以下、又は約０．１倍以下であるように離間される。幾つかの場合、ナノギャップ幅は、上述した任意の２つの値の間の範囲にあり、例えば、所与の核酸サブユニットの一分子直径の約０．５倍〜約５倍、約０．５倍〜約２倍、又は約０．５倍〜１倍未満である。
【００５３】
基板２は、例えば、シリコン基板３及びその上に形成される酸化ケイ素層４で構成し得る。代替として、基板２は、その酸化物を含むゲルマニウム又はヒ化ガリウム等のＩＶ属又はＩＩＩ−Ｖ属半導体を含め、他の半導体材料を含み得る。基板２は、対を形成する２つの電極５及び６を酸化ケイ素層４上に形成し得る構成を有することができる。各電極５及び６は、例えば、金属及び金属ケイ化物を含む材料から形成し得、幾つかの場合、基板２上のナノギャップＮＧにわたり略左右対称に形成し得る。電極形成材料の非限定的な例としては、白金、銅、銀、金、合金、窒化チタン（ＴｉＮ）、ケイ化チタン、ケイ化モリブデン、ケイ化白金、ケイ化ニッケル、ケイ化コバルト、ケイ化パラジウム、ケイ化ニオブ、他の材料（例えば、カーボンナノチューブ又はグラフェン等）とのケイ化物との合金、半導体のドープに適する様々な材料がドープされたケイ化物、又はこれらの組み合わせを挙げ得る。
【００５４】
幾つかの場合、電極５及び６は、略同じ構成を有し、ナノギャップＮＧを形成する電極先端縁部５ｂ及び６ｂで構成し得、ベース部５ａ及び６ａは電極先端縁部５ｂ及び６ｂの根の部分と一体形成し得る。電極先端縁部５ｂ及び６ｂは、例えば、矩形中実体を含み得、その長手方向はｙ方向に延び得、電極先端縁部５ｂ及び６ｂの先端面が互いに面するように配置し得、先端縁部５ｂ及び６ｂは湾曲を有し得る（図示せず）。
【００５５】
ベース部５ａ及び６ａは、中央先端部に突出部を有し得、それにより、電極先端縁部５ｂ及び６ｂを形成し得る。中央先端部を中央にして、緩く湾曲した表面を各ベース部５ａ及び６ｂの両側に向けて形成し得る。したがって、ベース部５ａ及び６ｂは湾曲形に形成し得、電極先端縁部５ｂ及び６ｂは頂点に位置する。なお、電極５及び６は、例えば、一本鎖ＤＮＡを含む溶液が、電極５及び６の長手方向であり得るｙ方向並びに電極５及び６の垂直方向であり得、このｙ方向と直角で交差し得るｚ方向に直交するｘ方向から供給されるとき、溶液をベース部５ａ及び６ａの湾曲面に沿って電極先端縁部５ｂ及び６ｂに導いて、溶液がナノギャップＮＧを容易に通過できるようにし得るように構成し得る。
【００５６】
さらに、上述したように構成されたナノギャップ電極対１では、電流を例えば電源（図示せず）から電極５及び６に供給することができ、電極５及び６にわたり流れる電流の値は、電流計（図示せず）を用いて測定することができる。したがって、ナノギャップ電極対１により、例えば、一本鎖ＤＮＡ等の核酸分子を電極５と電極６との間のナノギャップＮＧにｘ方向から通すことができ、一本鎖ＤＮＡの塩基（例えば、修飾塩基）が電極５と電極６との間のナノギャップＮＧを通るとき、電流計が電極５及び６にわたって流れる電流の値を測定できるようにし、相関付けられた電流値に基づいて、一本鎖ＤＮＡを構成する塩基を特定し得る。
【００５７】
上述し、本明細書の他の箇所に記載されるように、センサアレイの個々の各センサは、用途に応じて同じ又は異なる構成（例えば、ギャップ幅Ｗ１、電極の形状、電極間距離、基板材料、及び電極材料等）を有する１つ又は複数のナノギャップ電極対を含み得る。ナノギャップ電極の設計、製造、構成、及び適用については、例えば、ＰＣＴ国際特許である国際公開第２０１５／０５７８７０号及びＰＣＴ出願である国際公開第２０１５／０２８８８６号に記載されるようなものであり得、これらのＰＣＴ出願のそれぞれを全体的に参照により本明細書に援用する。
【００５８】
図３は、核酸分子がナノギャップを通過する間、ナノギャップ電極を有するセンサを使用して核酸配列を検出及び／又は識別することを概略的に示す。図３を参照すると、一本鎖核酸分子の核酸塩基は電極５と電極６との間のナノギャップをｘ方向（図２に示される）において通過するように向けられる。ナノギャップを通る核酸分子の流れ又は動きは、分子モータ（例えば、酵素）を用いて若しくは用いずに、又は電気刺激（例えば、特定の方向に沿って核酸分子の流れを向ける電場を提供することができる電極間の電位（Ｖ））を適用して促進することができる。ナノギャップを通る核酸分子の流れが分子モータを用いて促進される場合、分子モータは、生体内の運動の基本作用因子である生物分子機械又はある形態のエネルギーを消費し、それを運動若しくは機械的仕事に変化する装置であることができる。例えば、多くのタンパク質ベースの分子モータは、ＡＴＰの加水分解により解放される化学的なフリーエネルギーを利用して、機械的仕事を実行する。分子モータの非限定的な例としては、ＲＮＡポリメラーゼ、ＤＮＡポリメラーゼ、ＲＮＡ依存性ポリメラーゼ、ＤＮＡ依存性ポリメラーゼ、ヘリカーゼ、トポイソメラーゼ、クロマチン構造再構成（ＲＳＣ）複合体、ＳＷＩ／ＳＮＦ等のヌクレオソーム再構成複合体、染色体構造維持（ＳＭＣ：structural maintenance of chromosome）タンパク質、ウィルスＤＮＡパッケージングモータ、合成分子モータ、及び染色体を凝縮するタンパク質等が挙げられる。
【００５９】
核酸分子が少なくとも１つのナノギャップを通る転位率は、例えば、生成される電気信号、背景信号のレベル、核酸分子のサイズ、形状、構造、及び／又は組成、ナノギャップ電極対の構成、分子モータの有無、外部刺激（例えば、電位）の有無、並びに／或いは所望の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）に応じて可変である。例えば、核酸分子は、少なくとも約０．１ピコアンペア（ｐＡ）、少なくとも約０．５ｐＡ、少なくとも約１ｐＡ、少なくとも約５ｐＡ、少なくとも約１０ｐＡ、少なくとも約５０ｐＡ、少なくとも約１００ｐＡ、少なくとも約２００ｐＡ、少なくとも約３００ｐＡ、少なくとも約４００ｐＡ、少なくとも約５００ｐＡ、少なくとも約６００ｐＡ、少なくとも約７００ｐＡ、少なくとも約８００ｐＡ、少なくとも約９００ｐＡ、少なくとも約１，０００ｐＡ、少なくとも約１．５ナノアンペア（ｎＡ）、少なくとも約２ｎＡ、少なくとも約２．５ｎＡ、少なくとも約３ｎＡ、少なくとも約３．５ｎＡ、少なくとも約４ｎＡ、少なくとも約４．５ｎＡ、又は少なくとも約５ｎＡの電流レベル、約５ｎＡ以下、約４．５ｎＡ以下、約４ｎＡ以下、約３．５ｎＡ以下、約３ｎＡ以下、約２．５ｎＡ以下、約２ｎＡ以下、約１．５ｎＡ以下、約１ｎＡ以下、約０．９ｎＡ以下、約０．８ｎＡ以下、約０．７ｎＡ以下、約０．６ｎＡ以下、約０．５ｎＡ以下、約０．４ｎＡ以下、約０．３ｎＡ以下、約０．２ｎＡ以下、又は約０．１ｎＡ以下の背景電流レベル、及び少なくとも約１、少なくとも約２、少なくとも約３、少なくとも約４、少なくとも約５、少なくとも約６、少なくとも約７、少なくとも約８、少なくとも約９、少なくとも約１０、又はそれよりも高い信号対雑音比において、少なくとも約０．１ＫＨｚ、少なくとも約０．２ＫＨｚ、少なくとも約０．３ＫＨｚ、少なくとも約０．４ＫＨｚ、少なくとも約０．５ＫＨｚ、少なくとも約０．６ＫＨｚ、少なくとも約０．７ＫＨｚ、少なくとも約０．８ＫＨｚ、少なくとも約０．９ＫＨｚ、少なくとも約１ＫＨｚ、少なくとも約２ＫＨｚ、少なくとも約３ＫＨｚ、少なくとも約４ＫＨｚ、又は少なくとも約５ＫＨｚの転位率で少なくとも１つのナノギャップを通過するように向けることができる。
【００６０】
ナノギャップ電極対の２つの電極は、モノマー（すなわち、配列決定すべき核酸分子の各核酸塩基）又は核酸サブユニットの組み合わせ（例えば、アデニン、シトシン、及びチミン等の核酸塩基の群）がナノギャップを通過する都度、１つの電気信号が生成されるようなナノギャップ幅Ｗ１を有するように離間し得る。次に、生成された信号又は信号変化を検出（又は測定）することができ、各タイプのモノマー又はサブユニットに対応する検出信号（図４に示される）に基づいて、核酸配列を識別することができる。幾つかの場合、電気信号の検出又は測定は、１つ又は複数の基準分子に対する核酸分子の電気信号の変化を測定することを含むことができ、電気信号と基準信号との間の相対値を使用して、核酸分子の核酸配列を特定することができる。
【００６１】
信号は、核酸分子が１つ又は複数のナノギャップを通過する際に個々の各センサで生成される任意のタイプの電気信号、例えば、電圧、電流、伝導度等であることができる。電気信号は、トンネル電極が利用される場合、トンネル電流を含むことができ、測定装置を利用して、核酸サブユニットがナノギャップを通過する際に生成されるトンネル電極を測定することができる。幾つかの場合、信号を測定する測定装置（又は測定ユニット）を提供し得る。測定装置は、電流計、電流ミラー、又はアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）、デルタシグマＡＤＣ、フラッシュＡＤＣ、デュアルスロープＡＤＣ、逐次近似ＡＤＣ、積分ＡＤＣ、若しくは任意の他の適切なタイプのＡＤＣを含み得る任意の他の電流測定若しくは増幅手法及び電流を定量化する手法を含み得る。ＡＤＣは、出力と入力との間に線形関係を有してもよく、又は塩基、予期される修飾塩基、及びナノギャップ電極対に利用される金属の特定の組み合わせで予期し得る特定の電流レベルに調整された出力を有してもよい。応答は固定されてもよく、又は調整可能であってもよく、特に、異なる核酸塩基及び／又は利用し得る核酸塩基修飾に関連する異なる出力と併せて調整可能であり得る。
【００６２】
さらに、測定されたトンネル電流に基づいて、伝導度を取得して、伝導度−時間プロファイルを生成し得、次にこれを使用して、核酸配列を特定又は識別し得る。伝導度は、トンネル電流の値をナノギャップ電極対の電極に印加される電圧Ｖで割ることにより計算することができる。伝導度を使用する場合、印加電圧が測定間で変化又は変動するときであっても、統一された基準を有するプロファイルを取得し得る。
【００６３】
追加又は代替として、電流増幅器を使用して、電流計により測定される電流を増幅することができる。そのような電流増幅器は、チップ外部にあってもよく、チップに部分的に組み込まれてもよく、又はチップに完全に組み込まれてもよい。電流増幅器の使用で、測定電流の値を増幅することができ、より高い感度及び精度で信号を測定することができる。
【００６４】
幾つかの状況では、信号は、雑音信号で少なくとも部分的に曖昧になる。信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比は、核酸配列を高精度で識別することができる任意の適する高値であることができる。幾つかの場合、１つ又は複数の核酸サブユニットは、約１：１以上、約２：１以上、約３：１以上、約４：１以上、約５：１以上、約６：１以上、約７：１以上、約８：１以上、約９：１以上、約１０：１以上、約２０：１以上、約５０：１以上、約７５：１以上、約１００：１以上、約２５０：１以上、約５００：１以上、約７５０：１以上、約１０００：１以上、約１００００：１以上、又はそれを超えるＳ／Ｎ比で検出することができる。幾つかの場合、１つ又は複数の核酸サブユニットは、上述した任意の２つの値の間である、例えば約１〜２であるＳ／Ｎ比で検出することができる。
【００６５】
電気信号の測定又は個々の核酸サブユニットの特定に利用される時間は限定されないが、利用される時間期間は、約１分（ｍｉｎ）以下、約５０秒（ｓ）以下、約４０ｓ以下、約３０ｓ以下、約２０ｓ以下、約１０ｓ以下、約５ｓ以下、約１ｓ以下、約８００ミリ秒（ｍｓ）以下、約６００ｍｓ以下、約４００ｍｓ以下、約２００ｍｓ以下、約１００ｍｓ以下、約８０ｍｓ以下、約６０ｍｓ以下、約４０ｍｓ以下、約２０ｍｓ以下、約１０ｍｓ以下、約９ｍｓ以下、約８ｍｓ以下、約７ｍｓ以下、約６ｍｓ以下、約５ｍｓ以下、約４ｍｓ以下、約３ｍｓ以下、約２ｍｓ以下、約１ｍｓ以下、約９００マイクロ秒（μｓ）以下、約８００μｓ以下、約７００μｓ以下、約６００μｓ以下、約５００μｓ以下、約４００μｓ以下、約３００μｓ以下、約２００μｓ以下、約１００μｓ以下、約８０μｓ以下、約６０μｓ以下、約４０μｓ以下、約２０μｓ以下、約１０μｓ以下、約５μｓ以下、約１μｓ以下、又はそれ未満であり得る。幾つかの場合、個々の核酸サブユニットを検出する時間期間は、少なくとも約０．１μｓ、少なくとも約０．５μｓ、少なくとも約１μｓ、少なくとも約１０μｓ、少なくとも約５０μｓ、少なくとも約１００μｓ、少なくとも約２５０μｓ、少なくとも約５００μｓ、少なくとも約７５０μｓ、少なくとも１ｍｓ、少なくとも約５ｍｓ、少なくとも約１０ｍｓ、少なくとも約２５ｍｓ、少なくとも約５０ｍｓ、少なくとも約７５ｍｓ、少なくとも約１００ｍｓ、少なくとも約２５０ｍｓ、少なくとも約５００ｍｓ、少なくとも約７５０ｍｓ、少なくとも約１ｓ、又はそれよりも長い。幾つかの場合、個々の核酸サブユニットを検出する時間期間は、上述した任意の２つの値の間、例えば、１μｓ〜１ｍｓである。
【００６６】
核酸分子又はその一部の核酸配列は、特定の周波数（すなわち、配列検出率）で識別することができる。幾つかの場合、核酸配列は、約５００ＫＨｚ（１／秒）以下、約４００ＫＨｚ以下、約３００ＫＨｚ以下、約２００ＫＨｚ以下、約１５０ＫＨｚ以下、約１００ＫＨｚ以下、約８０ＫＨｚ以下、約６０ＫＨｚ以下、約４０ＫＨｚ以下、約２０ＫＨｚ以下、約１０ＫＨｚ以下、約５ＫＨｚ以下、約１ＫＨｚ以下、約０．９ＫＨｚ以下、約０．８ＫＨｚ以下、約０．７ＫＨｚ以下、約０．６ＫＨｚ以下、約０．５ＫＨｚ以下、約０．４ＫＨｚ以下、約０．３ＫＨｚ以下、約０．２ＫＨｚ以下、約０．１ＫＨｚ以下、約０．０５ＫＨｚ以下、約０．０１ＫＨｚ以下、又はそれ未満の周波数で識別することができる。幾つかの場合、核配列は、約０．００１ＫＨｚ以上、約０．０１ＫＨｚ以上、約０．１ＫＨｚ以上、約０．５ＫＨｚ以上、約１ＫＨｚ以上、約１０ＫＨｚ以上、約３０ＫＨｚ以上、約５０ＫＨｚ以上、約７０ＫＨｚ以上、約９０ＫＨｚ以上、約１００ＫＨｚ以上、約２００ＫＨｚ以上、約２５０ＫＨｚ以上、約３００ＫＨｚ以上、又はそれを超える周波数で識別することができる。幾つかの場合、核配列は、上述した任意の２つの値の間、例えば、約０．１ＫＨｚ〜約１００ＫＨｚの周波数で識別することができる。
【００６７】
核酸分子を配列決定するシステム
本開示の別の態様では、核酸分子を配列決定するシステムは、個々のセンサのアレイを含むチップを含む。アレイの個々の各センサは、少なくとも１つのナノギャップを有するように構成される固体膜を含むことができる。少なくとも１つのナノギャップは、電気回路に結合される電極を含むことができ、電気回路は、核酸分子又はその一部が少なくとも１つのナノギャップを通って流れる際、核酸分子又はその一部の検出を支援する電気信号を生成するように構成される。
【００６８】
本開示のシステムは、チップに結合されるコンピュータプロセッサを更に含むことができる。コンピュータプロセッサは、個々のセンサのアレイから受信される電気信号に基づいて、核酸分子又はその一部の核酸配列を特徴付けるのを支援するようにプログラムすることができる。電気信号は、電圧、電流、伝導度、又は抵抗等の測定可能な任意の信号を含むことができる。電気信号は、複数の時点で検出し、又はリアルタイムで監視することができる。検出された信号を用いて、核酸配列の特定又は識別に使用し得る信号−時間プロファイルを生成することができる。
【００６９】
核酸分子又はその一部の核酸配列は、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約８５％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、少なくとも約９５．５％、少なくとも約９６％、少なくとも約９６．５％、少なくとも約９７％、少なくとも約９７．５％、少なくとも約９８％、少なくとも約９８．５％、少なくとも約９９％、少なくとも約９９．５％、少なくとも約９９．９％、少なくとも約９９．９９％、又はそれよりも高い精度で特徴付けることができる。そのような高精度は、核酸分子又はその一部の再度配列解析がない状態で達成することができる。幾つかの場合、高精度は、核酸分子又はその一部の単一通過を実行することにより達成される。幾つかの場合、高精度は、複数の通過を実行し（すなわち、例えば、複数回、核酸分子を１つ又は複数のナノギャップに通すか、又はその近傍に通し、核酸分子の核酸塩基を配列決定することにより、核酸分子を複数回、配列決定し）、幾つか又は全ての通過から収集されたデータを結合することにより達成される。
【００７０】
電極は電気回路に結合することができ、電気回路は、ナノギャップ電極対の電極にわたり電圧を印加するように構成される。幾つかの場合、異なるナノギャップ電極対にわたる電圧は異なり得、特に、特定の電極対に関連するナノギャップ間隔の関数として異なることができる。幾つかの状況では、電気信号を収集し処理するセンサが集積回路に結合される。幾つかの場合、センサは複数の集積センサに結合され、各センサには、独立してアドレス指定可能な個々の集積回路が関連付けられる（すなわち、各集積回路は、関連付けられたセンサを独立して制御し、信号を送信し、データを収集するように構成される）。幾つかの場合、センサは異なる群にソートされ、センサの各群は、独立してアドレス指定可能な集積回路に接続される。集積回路はチップの一部であることができる。幾つかの状況では、センサはチップの一部であることができる。幾つかの場合、システムはトランスインピーダンス増幅器を更に含み得る。トランスインピーダンス増幅器は、コンピュータプロセッサに動作可能に結合することができる。幾つかの場合、システムは、離散時間モード又は連続モードのいずれかで使用される電荷感応増幅器を更に含み得る。
【００７１】
理解されるように、幾つかの場合、高密度（すなわち、単位面積当たりの個々のセンサ数）の個々のセンサを有するセンサアレイを有するチップを提供することが有利であることができる。例えば、高密度の個々のセンサを有するチップは、ポータブルであり、コストがより低いより小さなフットプリントを有する装置の製造に役立ち得る。所与の表面面積で、高密度の個々のセンサを有するチップは、高スループット及び／又は低コスト配列決定（すなわち、より多数の核酸分子を並行して配列決定すること）を可能にする。
【００７２】
チップは、適し得る任意の密度（例えば、所定の感度及び／又は精度で核配列決定するのに適する密度）でセンサアレイを含むことができる。幾つかの場合、センサアレイは、１ｍｍ２当たり約１０個以上、約５０個以上、約１００個以上、約２００個以上、約３００個以上、約４００個以上、約５００個以上、約６００個以上、約７００個以上、約８００個以上、約９００個以上、約１，０００個以上、約２，０００個以上、約３，０００個以上、約４，０００個以上、約５，０００個以上、約６，０００個以上、約７，０００個以上、約８，０００個以上、約９，０００個以上、約１０，０００個以上、約２０，０００個以上、約３０，０００個以上、約４０，０００個以上、約５０，０００個以上、約６０，０００個以上、約７０，０００個以上、約８０，０００個以上、約９０，０００個以上、約１００，０００個以上、約２００，０００個以上、約３００，０００個以上、約４００，０００個以上、約５００，０００個以上、約７５０，０００個以上、約１，０００，０００個以上、約２，０００，０００個以上、約３，０００，０００個以上、約４，０００，０００個以上、約５，０００，０００個以上、約６，０００，０００個以上、約７，０００，０００個以上、約８，０００，０００個以上、約９，０００，０００個以上、約１０，０００，０００個以上、約２０，０００，０００個以上、約３０，０００，０００個以上、約４０，０００，０００個以上、約５０，０００，０００個以上、約６０，０００，０００個以上、約７０，０００，０００個以上、約８０，０００，０００個以上、約９０，０００，０００個以上、約１００，０００，０００個以上、約２００，０００，０００個以上、約３００，０００，０００個以上、約４００，０００，０００個以上、約５００，０００，０００個以上、又はそれを超える個数の個々のセンサという密度で個々のセンサを含む。幾つかの場合、センサアレイは、１ｍｍ２当たり約１，０００，０００，０００個以下、約８００，０００，０００個以下、約６００，０００，０００個以下、約４００，０００，０００個以下、約１００，０００，０００個以下、約８０，０００，０００個以下、約６０，０００，０００個以下、約４０，０００，０００個以下、約１０，０００，０００個以下、約８，０００，０００個以下、約６，０００，０００個以下、約４，０００，０００個以下、約２，０００，０００個以下、約１，０００，０００個以下、約８００，０００個以下、約６００，０００個以下、約４００，０００個以下、約２００，０００個以下、約１００，０００個以下、約８０，０００個以下、約６０，０００個以下、約４０，０００個以下、約２０，０００個以下、約１０，０００個以下、約８，０００個以下、約６，０００個以下、約５，０００個以下、約４，０００個以下、約２，０００個以下、約１，０００個以下、約８００個以下、約６００個以下、約４００個以下、約２００個以下、約１００個以下、約５０個以下、又はそれ未満の個数の個々のセンサという密度で個々のセンサを含む。幾つかの場合、個々のセンサの密度は、上述した任意の２つの値の間にあり、例えば、１ｍｍ２当たり約５，５００個、３７，５００個、又は２５０，０００個の個々のセンサである。
【００７３】
センサは独立して又は個々にアドレス指定可能であることができる。独立して又は個々にアドレス指定可能なセンサは、個々に又は別個に制御され（例えば、バイアス電圧の印加により）、アドレス指定され、処理され、及び／又はデータを読み取られることができる。代替的には、個々のセンサは異なる群にソートすることができ、センサの各群は独立してアドレス指定することができる。各群に含まれるセンサは同じであってもよく、又は同じでなくてもよい。センサの各群は、例えば、約１個以上、約５個以上、約１０個以上、約２５個以上、約５０個以上、約７５個以上、約１００個以上、約２００個以上、約４００個以上、約６００個以上、約８００個以上、約１，０００個以上、約２，０００個以上、約３，０００個以上、約４，０００個以上、又は約５，０００個以上のセンサを含み得る。幾つかの場合、センサの各群は、約５０，０００個以下、約２５，０００個以下、約１０，０００個以下、約８，０００個以下、約６，０００個以下、約４，０００個以下、約２，０００個以下、約１，０００個以下、約７５０個以下、約５００個以下、約２５０個以下、約１００個以下、約７５個以下、約５０個以下、約２５個以下、又は約１０個以下のセンサを含み得る。幾つかの場合、各群に含まれるセンサの数は、上述した任意の２つの値の間、例えば１群当たり５個〜５００個のセンサであり得る。
【００７４】
コンピュータシステム
本開示は、本開示のセンサの較正等の本明細書に提供される方法を実施するようにプログラム又は他の方法で構成されるコンピュータ制御システムを提供する。図５は、中央演算処理装置（ＣＰＵ、本明細書では「プロセッサ」及び「コンピュータプロセッサとも）５０５を含むコンピュータシステム５０１を示し、ＣＰＵ５０５は、シングルコア若しくはマルチコアプロセッサ又は並行処理のための複数のプロセッサであることができる。コンピュータシステム５０１は、メモリ又はメモリロケーション５１０（例えば、ランダムアクセスメモリ、読み取り専用メモリ、フラッシュメモリ）、電子記憶ユニット５１５（例えば、ハードディスク）、１つ又は複数の他のシステムと通信するための通信インターフェース５２０（例えば、ネットワークアダプタ）、及びキャッシュ、他のメモリ、データ記憶装置、及び／又は電子ディスプレイアダプタ等の周辺機器５２５も含む。メモリ５１０、記憶ユニット５１５、インターフェース５２０、及び周辺機器５２５は、マザーボード等の通信バス（実線）を通してＣＰＵ５０５と通信する。記憶ユニット５１５は、データを記憶するデータ記憶ユニット(又はデータリポジトリ）であることができる。コンピュータシステム５０１は、通信インターフェース５２０を用いてコンピュータネットワーク（「ネットワーク」）５３０に動作可能に結合することができる。ネットワーク５３０は、インターネット、インターネット及び／又はエクストラネット、又はイントラネット及び／又はインターネットと通信するエクストラネットであることができる。幾つかの場合、ネットワーク５３０は、電気通信ネットワーク及び／又はデータネットワークである。ネットワーク５３０は、クラウド計算等の分散計算を可能にすることができる１つ又は複数のコンピュータサーバを含むことができる。ネットワーク５３０は、幾つかの場合、コンピュータシステム５０１を用いて、ピアツーピアネットワークを実施することができ、これにより、コンピュータシステム５０１に結合されたデバイスがクライアント又はサーバとして挙動できるようにし得る。 
【００７５】
ＣＰＵ５０５は、機械可読命令シーケンスを実行することができ、命令シーケンスはプログラム又はソフトウェアで実施することができる。命令は、メモリ５１０等のメモリロケーションに記憶し得る。命令はＣＰＵ５０５に向けることができ、命令は続けて、本開示の方法を実施するようにＣＰＵ５０５をプログラム又は他の方法で構成することができる。ＣＰＵ５０５により実行される動作の例としては、フェッチ、デコード、実行、及びライトバックを挙げることができる。 
【００７６】
ＣＰＵ５０５は、集積回路等の回路の一部であることができる。システム５０１の１つ又は複数の他の構成要素を回路に含むことができる。幾つかの場合、回路は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）である。
【００７７】
記憶ユニット５１５は、ドライバ、ライブラリ、及び保存されたプログラム等のファイルを記憶することができる。記憶ユニット５１５は、ユーザデータ、例えば、ユーザプリファレンス及びユーザプログラムを記憶することができる。コンピュータシステム５０１は、幾つかの場合、イントラネット又はインターネットを通してコンピュータシステム５０１と通信するリモートサーバに配置される等のコンピュータシステム５０１の外部にある１つ又は複数の追加のデータ記憶ユニットを含むことができる。コンピュータシステム５０１は、ネットワーク５３０を通して１つ又は複数のリモートコンピュータシステムと通信することができる。
【００７８】
本明細書に記載される方法は、例えば、メモリ５１０又は電子記憶ユニット５１５等のコンピュータシステム５０１の電子記憶ロケーションに記憶される機械（例えば、コンピュータプロセッサ）実行可能コードによって実施することができる。機械実行可能又は機械可読コードは、ソフトウェアの形態で提供することができる。使用中、コードはプロセッサ５０５によって実行することができる。幾つかの場合、コードは、記憶ユニット５１５から検索され、プロセッサ５０５による容易なアクセスのためにメモリ５１０に記憶することができる。幾つかの状況では、電子記憶ユニット５１５をなくすことができ、機械実行可能命令はメモリ５１０に記憶される。 
【００７９】
コードは、コードを実行するように構成されたプロセッサを有する機械と併用されるように事前にコンパイルされ構成してもよく、又は実行時中にコンパイルしてもよい。コードは、予めコンパイルされるか、又は実行時にコンパイルされてコードを実行できるようにするように選択することができるプログラミング言語で供給することができる。
【００８０】
コンピュータシステム５０１は、ナノギャップ電極対の電極にわたり印加される電圧、温度、核酸分子の流量、及び信号取得の時間期間等の１つ又は複数のパラメータを調整するようにプログラム又は他の方法で構成することができる。
【００８１】
コンピュータシステム５０１等の本明細書に提供されるシステム及び方法の態様は、プログラミングで実施することができる。本技術の様々な態様は、通常、一種の機械可読媒体で運ばれるか、又は一種の機械可読媒体内で実施される機械（又はプロセッサ）実行可能コード及び／又は関連するデータの形態の「製品」又は「製造物」として考えられ得る。機械実行可能コードは、メモリ（例えば、読み取り専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、フラッシュメモリ）等の電子記憶ユニット又はハードディスクに記憶することができる。「記憶」型媒体は、コンピュータ、プロセッサ等のありとあらゆる有形メモリ又は様々な半導体メモリ、テープドライブ、ディスクドライブ等のそれに関連付けられたモジュールを含むことができ、これらは非一時的記憶をソフトウェアプログラミングに随時提供し得る。ソフトウェアの全て又は部分とは、時折、インターネット又は様々な他の電気通信ネットワークを通して通信し得る。そのような通信は、例えば、あるコンピュータ又はプロセッサから別のコンピュータ又はプロセッサに、例えば、管理サーバ又はホストコンピュータからアプリケーションサーバのコンピュータプラットフォームにソフトウェアをロードできるようにし得る。したがって、ソフトウェア要素を運び得る別のタイプの媒体としては、ローカルデバイス間の物理的インターフェースにわたり、有線及び光学陸線網を通して、並びに様々なエアリンクを介して使用される等の光波、電波、及び電磁波が挙げられる。有線又は無線リンク、光学リンク等のそのような波を搬送する物理的要素も、ソフトウェアを運ぶ媒体として見なし得る。本明細書で使用される場合、非一時的有形「記憶」媒体に限定されない限り、コンピュータ又は機械「可読媒体」等の用語は、実行のために命令をプロセッサに提供することに参加する任意の媒体を指す。
【００８２】
したがって、コンピュータ実行可能コード等の機械可読媒体は、有形記憶媒体、搬送波媒体、又は物理的伝送媒体を含むが、これに限定されない多くの形態をとり得る。不揮発性記憶媒体は、例えば、図面に示されるデータベース等の実施に使用し得る等の任意のコンピュータ内等の任意の記憶デバイス等の光ディスク又は磁気ディスクを含む。揮発性記憶媒体は、そのようなコンピュータプラットフォームのメインメモリ等のダイナミックメモリを含む。有形伝送媒体は、コンピュータシステム内のバスを構成するワイヤを含め、同軸ケーブル、銅線、及び光ファイバを含む。搬送波伝送媒体は、無線周波数（ＲＦ）及び赤外線（ＩＲ）データ通信中に生成される等の電気信号、電磁信号、音響波、又は光波の形態をとり得る。したがって、一般的な形態のコンピュータ可読媒体は、例えば、フロッピーディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、任意の他の磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、若しくはＤＶＤ−ＲＯＭ、任意の他の光学媒体、パンチカード紙テープ、穴のパターンを有する任意の他の物理的記憶媒体、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、フラッシュＥＰＲＯＭ、任意の他のメモリチップ若しくはカートリッジ、データ若しくは命令を運ぶ搬送波、そのような搬送波を運ぶケーブル若しくはリンク、又はコンピュータがプログラミングコード及び／又はデータを読み取り得る任意の他の媒体を含む。これらの形態のコンピュータ可読媒体の多くは、１つ又は複数の命令の１つ又は複数のシーケンスを実行のためにプロセッサに搬送することに関わり得る。 
【００８３】
コンピュータシステム５０１は、例えば、時間と共にチップから信号を提供するユーザインターフェース（ＵＩ）５４０を含む電子ディスプレイ５３５を含むか、又は通信することができる。ＵＩの例としては、限定ではなく、グラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）及びウェブベースのユーザインターフェースが挙げられる。
【００８４】
本開示の方法及びシステムは、１つ又は複数のアルゴリズムにより実施することができる。アルゴリズムは、中央演算処理装置５０５による実行時にソフトウェアにより実施することができる。
【００８５】
本開示の装置、システム、及び方法は、例えば、ＰＣＴ特許出願である国際公開第２０１５／０５７８７０号及びＰＣＴ出願である国際公開第２０１５／０２８８８６号に記載される等の他の装置、システム、又は方法と組み合わせ及び／又は変更し得、これらのＰＣＴ出願のそれぞれを全体的に参照により本明細書に援用する。
【００８６】
本発明の好ましい実施形態を本明細書において示し説明したが、そのような実施形態が単なる例として提供されることが当業者には明らかである。本発明が本明細書内で提供される特定の例により限定されることは意図されない。本発明について上述した本明細書を参照して説明したが、本明細書における実施形態の説明及び例示は、限定の意味で解釈されることを意図されない。ここで、本発明から逸脱せずに、当業者は多くの変形、変更、及び置換を思い付くであろう。さらに、本発明の全ての態様が、多種多様な状況及び変数に依存する、本明細書に記載される特定の図、構成、又は相対的な割合に限定されないことが理解されるものとする。本発明を実施するに当たり、本明細書に記載される本発明の実施形態への様々な代替を利用し得ることを理解されたい。したがって、本発明が任意のそのような代替、変更、変形、又は均等物も包含することが意図される。以下の特許請求の範囲が本発明の範囲を規定し、これらの特許請求の範囲内の方法及び構造並びにそれらの均等物がそれにより包含されることが意図される。
【図１】
2018533935.tif 000003
【図２】
2018533935.tif 000004
【図３】
2018533935.tif 000005
【図４】
2018533935.tif 000006
【図５】
2018533935.tif 000007
【国際調査報告】
2018533935.tif 000008
2018533935.tif 000009