JP2011045944A - Nanoribbon and manufacturing method thereof, fet using nanoribbon and manufacturing method thereof, and base sequence determination method using nanoribbon and apparatus for the same - Google Patents
Nanoribbon and manufacturing method thereof, fet using nanoribbon and manufacturing method thereof, and base sequence determination method using nanoribbon and apparatus for the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011045944A JP2011045944A JP2009194892A JP2009194892A JP2011045944A JP 2011045944 A JP2011045944 A JP 2011045944A JP 2009194892 A JP2009194892 A JP 2009194892A JP 2009194892 A JP2009194892 A JP 2009194892A JP 2011045944 A JP2011045944 A JP 2011045944A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- nanoribbon
- nucleic acid
- cross
- electric field
- base
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
- Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
Abstract
【課題】DNAなどの配列決定を、高速に、また配列長の制限なしでかつ簡単な構成で実現する。
【解決手段】一方の貯留部412に入っているssDNA415を、電気泳動電界をかけることで引き伸ばしながらナノチャネル411中を通って移動させる。ssDNAの個々の塩基がナノチャネル中に置かれたサンドイッチ構造のナノリボン401〜403中の活性材料と相互作用することで、塩基の種類により異なる検出信号が得られる。この検出信号からssDNA上の塩基配列を同定する。
【選択図】図4The present invention realizes sequencing of DNA and the like at high speed and without any limitation on the sequence length and with a simple configuration.
SOLUTION: The ssDNA 415 contained in one reservoir 412 is moved through the nanochannel 411 while being stretched by applying an electrophoretic electric field. Each base of ssDNA interacts with the active material in the nanoribbons 401 to 403 having a sandwich structure placed in the nanochannel, so that a detection signal that varies depending on the type of base is obtained. From this detection signal, the base sequence on the ssDNA is identified.
[Selection] Figure 4
Description
本発明はナノリボンとその製造方法、ナノリボンを用いたFETとその製造方法、またナノリボンを用いて分子、特に核酸を解析するための方法及び装置に関する。本発明のナノリボンは、特に、グラフェン等の単一層、二重層あるいは数層の層状体あるいは複数層材料でできている。また、本発明のナノリボンを用いた方法及び装置はとりわけ、ナノチャネル(nanofluidic channel)中でDNAあるいはRNA分子を引き伸ばして駆動し、制御された態様でこのようなDNAあるいはRNA分子をナノリボンの活性領域と相互作用させることで、塩基毎にリアルタイムで直接的に配列決定を行う。遺伝子配列情報は、ヌクレオチド塩基とナノリボンの縁との間での個々の塩基毎の塩基固有の相互作用を検出することによって得られる。核酸分子がナノリボンの縁を通り過ぎるときにこの相互作用が起こる。 The present invention relates to a nanoribbon and a method for producing the same, an FET using the nanoribbon and a method for producing the same, and a method and apparatus for analyzing molecules, particularly nucleic acids, using the nanoribbon. The nanoribbon of the present invention is made of a single layer, a double layer, several layers, or a multilayer material such as graphene. In addition, the method and apparatus using the nanoribbon of the present invention, in particular, stretches and drives a DNA or RNA molecule in a nanochannel and drives such DNA or RNA molecule in a controlled manner in the active region of the nanoribbon. Sequencing directly in real time for each base by interacting with. Gene sequence information is obtained by detecting base-specific interactions for each individual base between the nucleotide base and the edge of the nanoribbon. This interaction occurs when the nucleic acid molecule passes the edge of the nanoribbon.
デオキシリボ核酸(DNA)に例をとって説明すれば、生物体の遺伝子は4種類の有機塩基が二重螺旋構造に沿って対になって配置されているDNAによって構成されている。ここで、4種類の塩基とはアデニン(A)、グアニン(G)、シトシン(C)及びチミン(T)である。具体的な遺伝子情報を得るためには、この構造に沿った塩基対の特定の順序を判定することが必須である。
Sanger DNA配列決定技術は30年間程にわたって配列決定産業の主力であった。今日においても、Sanger DNA配列決定法は配列決定のための、高信頼性かつ高精度の方法であり、1000塩基対以上の長さで99.999%までの塩基対を読み取ることができる。しかしながら、Sanger配列決定法はDNA中の塩基G、C、A及びTを読み取るために化学的な方法に依拠しており、個々人の遺伝子情報を読み取るという目的には、本技術の多大な改良にもかかわらず依然としてスピードが遅くまた費用のかかる方法である。本方法では一人の人間の遺伝子配列の決定には約1,000万〜2,500万米ドル、細菌の遺伝子配列の決定でも約2万〜5万米ドルを要する。
たとえば非特許文献1で解説されているように、ここ数年間、費用低減と配列決定スピードの向上を狙って、DNA配列決定のための別のいくつかの方法が開発されてきた。これらの開発結果により、配列決定コストの著しい低減、またそれと同時にDNA配列決定スピードの向上がもたらされた。しかし、これらの新規な配列決定技術は、これまでのデータと比較してもまたお互いに比較しても、多様な読み取り長、多様な誤り率及び多様な誤りプロファイルを呈する(非特許文献2を参照のこと)。このことはこれらの技術の応用に大きな影響を与える。
新しいDNA配列決定技術の開発に対する強い要求があり、ナノ細孔(nanopore)配列決定技術のような新たな技術の開発がなされてきた。ナノ細孔配列決定技術が基づいている原理は、単鎖DNA(single−stranded DNA, ssDNA)分子は電気泳動によって駆動されて、ナノスケールの細孔(1.5〜5nm)を、厳密に直列の順番で通り抜けることである(非特許文献3を参照のこと)。イオン電流遮断(ionic current blockage)、横方向トンネル電流(transverse tunneling current)、キャパシタンスなどの電気信号の変化を記録して、DNA配列を識別する。しかしながら、この技術には、ナノ細孔を通過している間のDNAの速度と方向の制御、細孔中でのナノ粒子の捕捉が起こりえること、電気信号中の大きな雑音、埋め込まれかつ正確に整列された導電性があり強固なプローブ対を持つ適切なナノ細孔を作成することなどの大きな課題が残されている。
具体的には、特許文献1として挙げた米国公開特許2006/024497には、単層カーボン・ナノチューブ(single−walled carbon nanotube, SWCNT)のような、直径が0.7nm未満の個別のナノワイヤやナノチューブを使用することで製造されるナノトランジスタに基づく単一分子配列決定方法が開示されている。この方法では、DNA分子とSWCNTの間の電荷移動に従って、塩基によって異なる電流が測定される。単一塩基分解能を得るため、この方法ではナノワイヤやナノチューブの直径は0.7nm未満である必要がある。この方法における重大な困難性は、このようなナノワイヤ/ナノチューブ・ナノトランジスタの作り方に根差している。カーボン・ナノチューブもそれ以外のナノワイヤ/ナノチューブも、多様なサイズ及び構造を持つものとして供給され、またこれらの電気的性質はカイラリティ(chirality)及び直径に依存する。現在のところ、たとえば単一のタイプのカーボン・ナノチューブなどのナノ構造を製造して、ここで問題としているDNA配列決定装置に必要な素子プロセスのために個々のナノワイヤ/ナノチューブを簡単に位置決めすることは不可能である。従って、安価で高速のDNA配列決定のための改良されたシステム及び実現可能な方法が望まれる。
Taking deoxyribonucleic acid (DNA) as an example, a gene in an organism is composed of DNA in which four types of organic bases are arranged in pairs along a double helix structure. Here, the four types of bases are adenine (A), guanine (G), cytosine (C) and thymine (T). In order to obtain specific genetic information, it is essential to determine the specific order of base pairs along this structure.
Sanger DNA sequencing technology has been the mainstay of the sequencing industry for about 30 years. Even today, Sanger DNA sequencing is a reliable and accurate method for sequencing and can read up to 99.999% of base pairs in lengths of 1000 base pairs or more. However, the Sanger sequencing method relies on chemical methods to read the bases G, C, A, and T in DNA, and for the purpose of reading individual genetic information, it is a great improvement on this technology. Nevertheless, it is still slow and expensive. In this method, it takes about 10 million to 25 million US dollars for determination of a single human gene sequence, and about 20,000 to 50,000 US dollars for determination of a bacterial gene sequence.
For example, as explained in Non-Patent Document 1, several other methods for DNA sequencing have been developed over the past few years with the aim of reducing costs and increasing sequencing speed. These development results have led to a significant reduction in sequencing costs and at the same time increased DNA sequencing speed. However, these novel sequencing techniques exhibit various reading lengths, various error rates, and various error profiles, both compared to previous data and compared to each other (see Non-Patent Document 2). See This has a great impact on the application of these technologies.
There is a strong demand for the development of new DNA sequencing technologies, and new technologies such as nanopore sequencing technologies have been developed. The principle on which nanopore sequencing technology is based is that single-strand DNA (ssDNA) molecules are driven by electrophoresis, and nanoscale pores (1.5-5 nm) are strictly in series. (See Non-Patent Document 3). Changes in electrical signals such as ionic current block, transverse tunneling current, capacitance, etc. are recorded to identify DNA sequences. However, this technique does control the speed and direction of DNA while passing through the nanopore, that nanoparticles can be trapped in the pore, large noise in the electrical signal, embedded and accurate Great challenges remain, such as creating suitable nanopores with electrically conductive and robust probe pairs aligned to each other.
Specifically, US Patent Publication No. 2006/024497 cited as Patent Document 1 discloses individual nanowires and nanotubes having a diameter of less than 0.7 nm, such as single-walled carbon nanotubes (SWCNT). A single molecule sequencing method based on a nanotransistor fabricated by using the method is disclosed. In this method, different currents are measured for each base according to the charge transfer between the DNA molecule and the SWCNT. In order to obtain single base resolution, this method requires the nanowire or nanotube diameter to be less than 0.7 nm. Significant difficulties in this method are rooted in how to make such nanowire / nanotube nanotransistors. Both carbon nanotubes and other nanowires / nanotubes are provided as having various sizes and structures, and their electrical properties depend on chirality and diameter. Currently, nanostructures such as a single type of carbon nanotubes can be manufactured to easily position individual nanowires / nanotubes for the elemental processes required for the DNA sequencing device in question. Is impossible. Therefore, an improved system and feasible method for inexpensive and fast DNA sequencing is desired.
本発明の課題は、配列決定に関する上述した従来技術を改良する新規な方法及び装置を提供することにある。更に詳細には、本発明の課題は、DNAなどの配列決定を、高速に、また配列長の制限なしでかつ簡単な構成で実現することにある。本発明の課題はまたこのような配列決定に使用されるナノリボン及びナノFET並びにその製造方法を提供することにある。 It is an object of the present invention to provide a novel method and apparatus that improves upon the prior art described above for sequencing. More specifically, an object of the present invention is to realize sequencing of DNA and the like at high speed and without any limitation on the sequence length. It is also an object of the present invention to provide a nanoribbon and nanoFET used for such sequencing and a method for producing the same.
本発明の一側面による配列決定用検出器においては、その検出機構はナノリボンの活性領域との塩基固有の相互作用に基づく。このようなナノリボンは電界効果ナノトランジスタ(ナノFET)(field−effect nano−transistor (NanoFET))構造に組み込まれてもよい。たとえば、ナノFETのチャネルコンダクタンスは、当該ナノFETが単鎖DNA上の単一の塩基と相互作用している際に変化する。この変化は更にゲート電極電界によって変調することができる。ナノ構造ベースのバイオセンサはDNA分子中の塩基ミスマッチを検出できることが実験的に示されている(非特許文献4を参照のこと)。この結果は、ナノトランジスタを使用して塩基固有の相互作用を検出することにより、DNAの配列決定を行うことができる可能性を示唆している。更に、グラフェン(graphene)との塩基固有の相互作用が理論的に示されている(非特許文献5を参照のこと)。
この配列決定用検出器には、単層、二層、数層(3〜10層)あるいは多層(10層よりも多い)の材料で作られた電気的あるいは光学的検出器としてのナノリボンあるいは電界効果トランジスタ(FET)とナノ流体系が設けられる。グラフェン(厚さが0.335nm程度)のナノリボンのような単層、二層、数層あるいは多層の層状材料をナノリボンあるいはナノFETの活性部材として使用することが本発明の重要な事項であり、これにより個々の塩基に対応する分解能が達成される。塩基固有の相互作用は、活性材料シートの原子面で起こるのではなく、単層、二層、数層あるいは多層の層状材料である、たとえばグラフェン・シートなどの活性材料シートの断面がナノリボンの表面に現れている部分(本願では、ナノリボンの表面に現れる、絶縁材料に挟み込まれたこの活性材料シート断面を「ナノリボンの活性領域」と称する)で起こる。
本発明の他の側面によれば、単一または複数の層である、たとえばグラフェンであってよい材料を絶縁体で挟み込んだ構造のナノリボン及びその製造方法が与えられる。ここで、単一または複数の層の材料は、厚さが0.1nmから10nmの範囲の断面として(つまり、ナノリボンの活性領域として)ナノリボンの表面に現れている。
本発明の他の側面によれば、このようなナノリボンの縁を活性材料として使用するナノFETの簡単な製造方法が与えられる。
信頼性の高い検出は、ナノチャネル中でのDNAの運動およびナノリボンの縁あるいはナノFETの活性材料とこのDNAとの相互作用を精密に制御することにかかっている。本発明の更に他の側面によれば、このような運動の動力学的な制御はプログラム可能で互いに垂直な電界を使用することによって達成される。このような電界はたとえば、それぞれの貯留部に設けられた電極間にかけられた電気泳動電界及びゲート電極とその下あるいはナノチャネルにある電極との間にかけられた保持電界である。
本発明の更に他の側面によれば、電気泳動電界は単鎖DNA(もちろん、他の核酸についても同様)を直線状に伸ばして駆動する。適切な極性の保持電界は負に帯電した燐酸鎖をナノリボンの活性領域から離間させ、また、塩基識別のため、そのヌクレオチドがナノリボンの活性領域に近接して相互作用するように向けることができる。保持電界はまた測定中に単鎖DNAが漂流していかないようにする。従って、ナノチャネル中の運動の動力学はこれらの電界の印加時間と振幅によって精密に制御される。
本発明の更に他の側面によれば、ナノチャネルの側壁間の反発電界を使用して、負に帯電した単鎖DNAをナノチャネルの壁から排斥する。
単鎖DNA分子をナノチャネルを通って移動させると、たとえばソース電極とドレイン電極の間の電流を測定できるように、保持パルス電界の下に、この分子はナノリボンあるいはナノFETの活性材料の縁に一塩基ずつ接触する(図3中に示すナノFETなどではナノリボンの表面が絶縁層などで覆われているため、このような場合は厳密に言えば塩基はナノリボンの活性領域に直接接触していない。しかし、検出可能な相互作用を起こす程度まで接近することまで含めて本願では「接触する」と称する)。ソース電極とドレイン電極の間のこの電流は、活性材料との塩基固有の相互作用により、塩基毎に異なる。更に、繰り返し測定と比較のため、ナノリボンあるいはナノFETアレイを並列あるいは直接に簡単に集積することができる。原理的には、この配列決定方法は読み取り長に制限がなく、また資料の準備が単純で高速に配列決定できるというような卓越した利点を持っている。
In sequencing detectors according to one aspect of the invention, the detection mechanism is based on base-specific interactions with the active region of the nanoribbon. Such nanoribbons may be incorporated into field-effect nano-transistor (NanoFET) structures. For example, the channel conductance of a nanoFET changes when the nanoFET interacts with a single base on single stranded DNA. This change can be further modulated by the gate electrode field. It has been experimentally shown that nanostructure-based biosensors can detect base mismatches in DNA molecules (see Non-Patent Document 4). This result suggests the possibility of sequencing DNA by detecting base-specific interactions using nanotransistors. Furthermore, a base-specific interaction with graphene has been shown theoretically (see Non-Patent Document 5).
This detector for sequencing includes nanoribbons or electric fields as electrical or optical detectors made of single-layer, double-layer, several-layer (3-10 layers) or multilayer (more than 10 layers) materials. An effect transistor (FET) and a nanofluidic system are provided. It is an important matter of the present invention to use a layered material of monolayer, bilayer, several layers or multiple layers such as nanoribbon of graphene (thickness of about 0.335 nm) as an active member of nanoribbon or nanoFET, This achieves resolution corresponding to the individual bases. The base-specific interaction does not take place at the atomic plane of the active material sheet, but is a monolayer, bilayer, several layers or multi-layered material, for example, the cross section of an active material sheet such as a graphene sheet is the surface of the nanoribbon (In this application, this cross section of the active material sheet sandwiched between the insulating materials that appears on the surface of the nanoribbon is referred to as “the active region of the nanoribbon”).
According to another aspect of the present invention, there is provided a nanoribbon having a structure in which a material which may be a single layer or a plurality of layers, for example, graphene, is sandwiched between insulators, and a method for manufacturing the nanoribbon. Here, the material of the single or multiple layers appears on the surface of the nanoribbon as a cross-section with a thickness ranging from 0.1 nm to 10 nm (ie, as the active region of the nanoribbon).
According to another aspect of the present invention, a simple method for manufacturing a nanoFET using the edge of such a nanoribbon as an active material is provided.
Reliable detection relies on precise control of the movement of DNA in the nanochannel and the interaction of the DNA with the edge of the nanoribbon or the active material of the nanoFET. According to yet another aspect of the present invention, such dynamic control of motion is achieved by using programmable and mutually perpendicular electric fields. Such an electric field is, for example, an electrophoretic electric field applied between the electrodes provided in each reservoir, and a holding electric field applied between the gate electrode and an electrode below or in the nanochannel.
According to yet another aspect of the present invention, the electrophoretic field is driven by linearly stretching single-stranded DNA (and of course for other nucleic acids). An appropriately polar holding field can direct the negatively charged phosphate chain away from the active region of the nanoribbon and direct its nucleotides to interact in close proximity to the active region of the nanoribbon for base discrimination. The holding field also prevents single-stranded DNA from drifting during the measurement. Thus, the dynamics of motion in the nanochannel is precisely controlled by the application time and amplitude of these electric fields.
According to yet another aspect of the invention, the repulsive electric field between the nanochannel sidewalls is used to reject negatively charged single-stranded DNA from the nanochannel walls.
When a single-stranded DNA molecule is moved through a nanochannel, it can be placed on the edge of the active material of a nanoribbon or nanoFET, for example, under a holding pulse electric field so that the current between the source and drain electrodes can be measured. Each base contacts (the nano-FET shown in FIG. 3 has the surface of the nanoribbon covered with an insulating layer, so strictly speaking, in this case, the base is not in direct contact with the active region of the nanoribbon. However, it is referred to herein as “contact”, including close enough to cause a detectable interaction). This current between the source and drain electrodes varies from base to base due to base-specific interactions with the active material. Furthermore, nanoribbons or nanoFET arrays can be easily integrated in parallel or directly for repeated measurement and comparison. In principle, this sequencing method has the advantages of unlimited reading length and simple preparation of the material and high speed sequencing.
本発明によれば、核酸塩基配列決定を高速かつ配列長に制限なく行うことができる。また、そのような配列決定に使用できるナノリボン及びナノFETを容易に作成することができる。 According to the present invention, nucleobase sequencing can be performed at high speed and without limitation on the sequence length. Also, nanoribbons and nanoFETs that can be used for such sequencing can be easily created.
上述した本発明の概要及び以下に述べる実施形態の詳細な説明は、添付の図面を参照することによって更によく理解される。本発明を説明するという目的のため、以下の説明及び図面においては、現在のところ好ましいものであると考えられるものを提示した。しかしながら、本発明はここで開示された特定の方法、構成、装置及びその厳密な配列などに限定されるものではないことを理解しなければならない。更に、これらの図面は必ずしも一定の縮尺で作図されていないことを注意しておく。
本発明は核酸(DNAあるいはRNA)の配列決定を単一の分子上で行うための装置及び方法に関するものである。更に特定的には、本発明はDNA分子あるいはRNA分子を塩基毎に直接読み取ることによって遺伝子配列情報を得ることに関する。以下の説明及び図面においては、説明をわかりやすくするため、往々にして本発明にかかわる技術や機構をひとつだけ使うものとした記述がなされている。しかしながら、明示がない限り、技法を繰り返し使用することや機構を複数個用いることが可能でありまた好ましい場合があることに注意しなければならない。
以下では、単一分子のDNAあるいはRNAの配列決定を行うための装置及び方法が説明される。そのような装置は分析センサ用のナノリボンあるいはナノFET、個別DNAあるいはRNA分子の直線化と駆動のためのナノ流体機構、及びDNAあるいはRNA移動動力学の制御のためのプログラム可能な勾配電界を有している。
ヌクレオチドのサイズ及び引き伸ばされあるいは引き伸ばされていないDNA分子中のヌクレオチドの分離を考慮して、本発明のナノリボンは、単層、二層、数層(3〜10層)、あるいは多層(10層よりも多くの層)材料を使用して作成される。層の材料は、これに限定されるものではないが、たとえばグラファイト、超格子MoS2、NbSe2、Bi2Sr2CaCu2Ox、窒化ホウ素、ジカルコゲニド(dichalcogenides)、トリカルコゲニド(trichalcogenides)、テトラカルコゲニド(tetrachalcogenides)材料などであり、ここで層状材料の厚さは0.1nm〜10nmの範囲、特にほぼ0.1nm〜2nmの範囲、更に好ましくはほぼ0.1nm〜1nmの範囲である。好ましくは、層状材料は単層グラフェン、二重層グラフェン、あるいは数層(3〜10層)グラフェンである。sp2結合された炭素原子の2次元の蜂の巣状格子であるグラフェンは理論上の厚さが約0.335nmの単層グラファイトである。更に、本発明では、単層、二層、数層あるいは多層の層状材料を含むナノリボンを作成する新規で単純な方法、及びそのようなナノリボンを用いたナノFETの構造が提供される。
図1において、機械的な剥離(mechanical exfoliation)、酸化グラフェン、化学気相成長(CVD)などの各種の方法によって合成された、修飾されたあるいは修飾なしのグラフェン・シート2をSiO2のような絶縁基板3上に転写し(transfer)、次にポリマのような他の絶縁層1によって被覆する。実質的には、これらの絶縁層の厚さには制限がない。より厚くなった複数層構成のこのようなサンドイッチ構造を扱うのは比較的容易であることをここに注意しておく。このサンドイッチ構造は、リソグラフィー、収束イオンビーム、反応性イオンエッチング、プラズマエッチングなどの各種の技術により、グラフェン・シート2の表面にほぼ垂直な方向などに切断した形状であるリボンに加工される。このようにして作成されたナノリボンは、中央にグラフェン・シート2のごく薄い断面が現れ、この断面の両側に絶縁体でできた部分が存在する形状になっている。このリボンの幅には制限がないことを注意しておく。このリボンの幅は100nmから2mmの広い範囲であり、従って、リボンを取り扱いまた位置決めするのは簡単である。このようなサンドイッチ構造により、ナノリボン活性領域は長いDNAストランドの配列決定を高い信頼性をもって行うことができるようになる。もちろん、グラフェン・シートの代わりに上に例示した、あるいはそれ以外の材料の層を使用してもよい。
図2は、CVD技術を使用してNi表面に成長させたグラフェンのAFM像(a)及びオージェ電子スペクトル(b)を示す。なお、図2(b)中でオージェ電子スペクトルが2本図示されているのは、サンプル上の異なる2つの箇所で測定を行った結果を示しているからである。
この技術を使用すれば、Ni層をエッチングすることにより非常に大きな自立構造のグラフェンを簡単に得て、それをSiO2のような任意の種類の基板上に転写することができる。転写先の基板は、グラフェンがこうむる可能性のある欠陥を低減するため、原子レベルで平坦な基板が好ましい。
図3に、ナノリボンを使用して電界効果トランジスタを製造する基本的なステップの例を示す。この製造ステップは、(a)ナノリボンを基板4の上に転写すること、(b)ソース電極5とドレイン電極6をパターン形成すること、(c)絶縁層7を作成すること、及び(d)ゲート電極8をパターン形成すること、を含む。
本発明の配列決定のメカニズムは、グラフェンのような単層、二層、数層あるいは多層の層状材料の原子面ではなく、そのようなナノリボンの端とヌクレオチド塩基との間の塩基固有の相互作用にある。DNA分子に沿った電荷移動は酸化あるいは還元化学反応を促進することが観察された(非特許文献6を参照のこと)。この現象は、DNA塩基とグラフェンのような他の材料との間で電荷転送が起こりえることを暗示している。ナノ構造ベースのバイオセンサはDNA分子中の塩基ミスマッチを検出することできることが実験的に示されている(非特許文献4を参照のこと)。この結果は、ナノトランジスタを使用してコンダクタンス変化を検出することで、DNA配列決定を電気的に行えることを示唆している。更に、グラフェンとのヌクレオチド塩基固有の相互作用は理論的に示されていた(非特許文献5を参照のこと)。従って、ナノチャネル中でナノリボンと相互作用している夫々のヌクレオチド塩基についての電気信号あるいは光学的信号の差異を検出することにより、核酸分子中の配列を決定することができる。
The foregoing summary, as well as the following detailed description of the embodiments, will be better understood with reference to the following drawings. For the purpose of illustrating the invention, the following description and drawings are presented as presently preferred. However, it should be understood that the invention is not limited to the specific methods, configurations, apparatus, and exact arrangements disclosed herein. Furthermore, it should be noted that these drawings are not necessarily drawn to scale.
The present invention relates to an apparatus and method for performing sequencing of nucleic acids (DNA or RNA) on a single molecule. More specifically, the present invention relates to obtaining gene sequence information by directly reading DNA molecules or RNA molecules for each base. In the following description and drawings, there is often a description that only one technique or mechanism according to the present invention is used for easy understanding. However, it should be noted that it is possible and preferred to use the technique repeatedly and to use multiple mechanisms unless explicitly stated.
In the following, an apparatus and method for sequencing single molecule DNA or RNA is described. Such devices have nanoribbons or nanoFETs for analytical sensors, nanofluidic mechanisms for linearization and drive of individual DNA or RNA molecules, and programmable gradient electric fields for control of DNA or RNA movement dynamics. is doing.
Considering the size of nucleotides and the separation of nucleotides in stretched or unstretched DNA molecules, the nanoribbons of the present invention can be single layer, double layer, several layers (3-10 layers), or multiple layers (from 10 layers). Even many layers are created using materials). The material of the layer is not limited to this, for example, graphite, superlattice MoS 2 , NbSe 2 , Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O x , boron nitride, dichalcogenides, trichalcogenides, Tetrachalcogenides materials, where the thickness of the layered material is in the range of 0.1 nm to 10 nm, in particular in the range of approximately 0.1 nm to 2 nm, more preferably in the range of approximately 0.1 nm to 1 nm. Preferably, the layered material is single layer graphene, double layer graphene, or several layers (3-10 layers) graphene. Graphene, a two-dimensional honeycomb lattice of sp 2 bonded carbon atoms, is a single layer graphite with a theoretical thickness of about 0.335 nm. Furthermore, the present invention provides a new and simple method for making nanoribbons comprising single-layer, bilayer, several-layer or multi-layer layered materials, and the structure of nanoFETs using such nanoribbons.
In FIG. 1, a modified or unmodified graphene sheet 2 synthesized by various methods such as mechanical exfoliation, graphene oxide, and chemical vapor deposition (CVD) is used as SiO 2 . It is transferred onto an insulating substrate 3 and then covered with another insulating layer 1 such as a polymer. There is virtually no limit to the thickness of these insulating layers. It should be noted here that it is relatively easy to handle such a thicker sandwich structure. This sandwich structure is processed into a ribbon having a shape cut in a direction substantially perpendicular to the surface of the graphene sheet 2 by various techniques such as lithography, focused ion beam, reactive ion etching, and plasma etching. The nanoribbon thus produced has a shape in which a very thin cross section of the graphene sheet 2 appears in the center, and there are portions made of an insulator on both sides of the cross section. Note that there is no limit on the width of this ribbon. The ribbon has a wide range of 100 nm to 2 mm, so it is easy to handle and position the ribbon. Such a sandwich structure enables the nanoribbon active region to reliably sequence long DNA strands. Of course, instead of the graphene sheet, a layer of a material exemplified above or other than that may be used.
FIG. 2 shows an AFM image (a) and Auger electron spectrum (b) of graphene grown on a Ni surface using CVD techniques. The reason why two Auger electron spectra are shown in FIG. 2B is that the results of measurement at two different locations on the sample are shown.
Using this technique, it is possible to easily obtain very large free-standing graphene by etching the Ni layer and transfer it onto any kind of substrate such as SiO 2 . The transfer destination substrate is preferably a flat substrate at the atomic level in order to reduce defects that may cause graphene.
FIG. 3 shows an example of the basic steps for manufacturing a field effect transistor using nanoribbons. This manufacturing step includes (a) transferring the nanoribbon onto the substrate 4, (b) patterning the source electrode 5 and the drain electrode 6, (c) creating the insulating layer 7, and (d) Patterning the gate electrode 8.
The sequencing mechanism of the present invention is not the atomic facet of monolayer, bilayer, several layers or multilayer layered materials such as graphene, but base-specific interactions between the ends of such nanoribbons and nucleotide bases. It is in. It has been observed that charge transfer along DNA molecules promotes oxidation or reduction chemical reactions (see Non-Patent Document 6). This phenomenon implies that charge transfer can occur between the DNA base and other materials such as graphene. It has been experimentally shown that nanostructure-based biosensors can detect base mismatches in DNA molecules (see Non-Patent Document 4). This result suggests that DNA sequencing can be performed electrically by detecting conductance changes using nanotransistors. Furthermore, the interaction unique to nucleotide bases with graphene has been shown theoretically (see Non-Patent Document 5). Thus, the sequence in the nucleic acid molecule can be determined by detecting the difference in electrical or optical signal for each nucleotide base that interacts with the nanoribbon in the nanochannel.
[実施例1]
図4に本発明の第1の実施例の単一分子配列決定装置を示す。本実施例は、ナノFET及びナノ流体系を含む。ナノFETは基板404、ゲート電極408、誘電体層407、サンドイッチ状のナノリボン活性領域などのナノリボン構造401、402、403、ソース電極405、ドレイン電極406、及び個々のナノFETと平坦化層(planarization layer)とを分離するための絶縁層416を含む。これらのナノFETの構成要素のための機能材料には幅も厚みも制限がないことに注意されたい。この段階で、ナノリボンの幅は、もし必要なら各種の技法により狭くすることができ、またナノリボンの活性領域の状態は、O2及び水素のプラズマ、NH3あるいは他の化学物質などの各種の技法により、特定の特性を持つべく再構成あるいは修飾することができる。ナノ流体系は、個々の単鎖DNA(ssDNA)分子を装填し、直線化し、給送するため、絶縁層410、貯留部412、ナノチャネル411、電気泳動電極413、414を含む。ナノチャネル411の幅は2nmから500nmの範囲であり、深さには制限がない。ナノチャネル411はssDNA415を装填し、引き伸ばし(つまり、直線化し)、給送するという機能を実現するのに適切な絶縁材料からできている。導電性の電極409はナノチャネル411及びナノFET上に整列されている。電極409とゲート電極408にプログラマブルなバイアスを印加することにより、保持電界が生成される。適切な極性、振幅、継続時間を与えることにより、プログラマブルな電気泳動電界及び保持電界がナノチャネル411中でのssDNAの運動動力学を精密に制御する。
DNAは負に帯電した燐酸基のチェインを持っているので、ssDNAは電気泳動電界の影響下でアノードへ向かって移動する。ssDNAの歩進の距離は電気泳動パルスの継続時間と振幅によって制御される。適切な大きさと極性を持つ保持電界は、ssDNA分子を、塩基検出のために望まれるごとく、当該ssDNAのヌクレオチドがナノFETを向き、またその負に帯電した燐酸基がナノFETから遠くのほうを向いた状態で保持することができる。保持電界はまた検出中にDNA分子が漂流するのを防止することができる。ナノFETが個々の塩基を検出するのに十分な時間と安定性を与えるべく、これら両電界は給送及び検出を推進するために適切にプログラムされる。本発明の好ましい実施に当たって、これら2つの電界の動作及び相互作用と検出のプロセスは同期され、きわめて高速の配列決定を達成するために調整されている。ssDNA分子をナノチャネルを通って移動させるとき、この分子が、保持パルス電界により1回に1分子ずつグラフェン・ナノリボンの活性領域に接触して、ソース電極とドレイン電極の間の電流を測定できるようにする。この電流は、ナノリボンの活性領域との塩基固有の相互作用によって、各種の塩基の間で変化する。更に、繰り返し測定及び比較を行うために、複数のグラフェン・ナノリボン・ナノトランジスタ・アレイは並列及びまたは直列の態様で、ナノ流体系に容易に集積できる。
[実施例2]
図5は、本発明の配列決定装置の別実施例を示す。図5の実施例においては、ナノFETは基板504上に形成されたナノ流体系の上に集積されている。ナノ流体系は、個々のssDNA515の分子を装填し、直線化し、給送するための絶縁層510、貯留部512、ナノチャネル511及び電気泳動電極513、514を含む。DNA塩基とナノリボンの縁との有効な相互作用を達成するため、ナノチャネル511の深さは20nm未満が好ましい。ナノFETはゲート電極508、誘電体層507、アクティブなナノリボン構造、すなわちナノリボン501、502、503、ソース電極505及びドレイン電極506を有する。導電性の電極509はこれらのナノチャネル及びナノFETの直下に整列されている。電極509とゲート電極508にプログラマブルなバイアスを印加することによって、保持電界が生成される。電気泳動電極513と514の間にバイアスを印加することによって、電気泳動電界が生成される。なお、分離、封入、その他のための要素は本実施例では省略されていることに注意されたい。
[実施例3]
図6は、本発明の配列決定装置の更に別の実施例を示す。図6に示すように、ナノチャネル611はその全体が、あるいは一部がナノFETを貫通するように作成されてもよい。ナノFETはサンドイッチ状のナノリボン構造であるナノリボン構造601、602、603、基板604、ソース電極605、ドレイン電極606、誘電体層607、ゲート電極608、及び個々のナノFETを分離するための絶縁層616を有している。ナノ流体系は貯留部612、ナノチャネル611、及び電気泳動電極613、614を有する。絶縁層610はナノチャネル611の上にあり、更にその上には導電性の電極609が設けられている。電極613と電極614の間、また導電性の電極609とゲート電極608の間には傾斜電界が生成される。これらの傾斜電界はssDNAの運動の動力学及びナノFETとの相互作用を制御するために使用される。本構成では、DNA塩基とナノリボン活性領域との相互作用の領域は大きく、従って塩基の向きが検出信号に与える影響は除去される。
[実施例4]
図7には、エネルギー移動分光法(energy transfer spectroscopy)、吸収(absorption)、発光分光法(light−emission spectroscopy)などの光学技術を使用した光学検出システムにより、サンドイッチ式のナノリボン構造701、702、703の縁との塩基固有の相互作用を検出する配列決定装置が与えられる。本配列決定装置は基板704の上に作られる。サンドイッチ式のナノリボン構造はナノ流体系上に統合される。ナノ流体系は、個々の単鎖DNA711の分子を装填し、直線化し、給送するため、絶縁層706、貯留部707、ナノチャネル708、電気泳動電極709、710を有している。DNA塩基とナノリボンの縁との効率的な相互作用を得て、それが光学検出システム713によって検出されるようにするため、ナノチャネルの深さは20nm未満であることが好ましい。導電性の電極705はナノチャネル及びナノリボンの下に整列させられている。電極705及び電極712へプログラマブルなバイアスを印加することにより、保持電界が生成される。電気泳動電界は電極709と710の間にバイアスを印加することによって生成される。
[実施例5]
図8に示されるような更に他の実施例では、光信号は、バイアスを電極814と電極815の間にかけることによる電気刺激により、増大させることができる。サンドイッチ型のナノリボン構造はナノチャネル上に統合されている。ナノ流体系は、個々のssDNA811の分子を装填し、直線化し、給送するために、絶縁層805、貯留部807、ナノチャネル808、及び電気泳動電極809、810を有する。DNA塩基とナノリボンの活性領域との効率的な相互作用を得て、それが光検出システム813で検出されるようにするため、ナノチャネルの深さは20nm未満であることが好ましい。導電性の電極805はナノチャネル及びナノFETの直下に整列させられる。プログラマブルなバイアスを電極805及び電極812に与えることにより、保持電界が生成される。電気泳動電界は、バイアスを電気泳動電極713と714の間に印加することによって生成される。なお、このような刺激としては、上のような電界以外に、磁界などの他の刺激であってもよい。
[実施例6]
図9に示されるような更に他の実施例では、光信号は、バイアスをソース電極914とドレイン電極915の間に印加し、更にゲート電極912を介してゲート電界で変調することで増幅することができる。本配列解析装置は基板904の上に作成される。ナノFETはナノ流体系の上に統合される。ナノFETはサンドイッチ式のナノリボン構造901、902、903、ソース電極914、ドレイン電極915、絶縁層915、ゲート電極912を含む。ナノ流体系は、個々のssDNA911の分子を装填し、直線化し、給送するために、絶縁層906、貯留部907、ナノチャネル908、電気泳動電極909、910を含む。DNA塩基とナノリボンの活性領域との効率的な相互作用を得て、それが光検出システム913で検出されるようにするため、ナノチャネルの深さは20nm未満であることが好ましい。導電性電極905はナノチャネル及びナノリボンの直下に整列させられている。プログラマブルなバイアスを電極905及び電極912に印加することによって、保持電界が生成される。バイアスを電気泳動電極909と910の間に印加することによって、電気泳動電界が生成される。
実施例のある側面では、ナノチャネルの両側壁の間の反発電界を使って、負に帯電したssDNAをナノチャネルの側壁から排斥する。ナノチャネルは直線状、S字状、枝分かれ状、その他の任意の形状とすることができる。実施例のある側面では、信号検出の便宜を図るため、使用材料は透明なものを使用する。
協調動作プロセスを達成するため、上述した配列決定装置における塩基検出プロセスは、図10に示すように、プログラムされた電気泳動電界及び保持電界の動作と同期している。図10には、それぞれ電気泳動電界と保持電界を生成するための電気泳動パルスと保持パルス、更に塩基とナノリボン活性領域の間の相互作用を検出するタイミングである相互作用検出タイミング信号、塩基固有相互作用検出結果が、時間軸を一致させて図示されている。また、塩基固有相互作用検出結果上には個々の塩基の同定結果(A、G、C、T)も示してある。
図10において、電気泳動パルスのタイミングE1、E2、・・・、EnでDNAを1塩基分歩進させ、その後、電気泳動パルスと相補的な保持パルスのタイミングH1、H2、・・・、Hnでは歩進したDNAが漂流、つまりそれ以上動かないように保持する。このようにして歩進されたDNAが保持されている間に、DNA上の塩基とナノリボン活性領域の間の塩基固有の相互作用をタイミングD1、D2、・・・、Dnにおいて検出する。この検出は具体的には検出出力(実施例1〜実施例3ではナノFETのソース電流あるいはドレイン電流、実施例4〜実施例6では光学検出システムの出力)を図示しない回路などで測定することにより行われる。コンピュータ化されたシステム制御及びデータ取り込みを使うことで、既知のDNA分子のヌクレオチドを参照することにより、4種の異なるDNA塩基の各々についての相互作用信号の特徴プロファイルを、検出技術の全てのあるいは任意の組み合わせによって求めることができる。これらの特徴信号プロファイルを使って、DNA塩基配列を同定することができる。
塩基同定性能の最適化を達成するため、これまで説明してきたようなサンドイッチ状のナノ構造に基づく検出器を複数個、ナノ流体系と直列及び/または並列に統合し、これにより、測定結果の相互比較と訂正による精度の向上を達成することができる。
なお、上述の実施例はDNAの配列決定についてのものであるが、本発明は他の種類の核酸の配列決定も包含することは言うまでもない。
以上、現在のところ好適であると考えられる本発明の実施例を開示し説明したが、当業者にとっては、特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から外れることなく多様な変更及び修正が可能であることは明らかであろう。
[Example 1]
FIG. 4 shows a single molecule sequencing apparatus according to the first embodiment of the present invention. This example includes nanoFETs and nanofluidic systems. NanoFETs include a substrate 404, a gate electrode 408, a dielectric layer 407, nanoribbon structures 401, 402, 403 such as sandwiched nanoribbon active regions, a source electrode 405, a drain electrode 406, and individual nanoFETs and planarization layers. an insulating layer 416 for separating the layer). Note that the functional materials for these nanoFET components are not limited in width or thickness. At this stage, the nanoribbon width can be reduced by various techniques if necessary, and the active state of the nanoribbon can be varied by various techniques such as O 2 and hydrogen plasma, NH 3 or other chemicals. Can be reconfigured or modified to have specific characteristics. The nanofluidic system includes an insulating layer 410, a reservoir 412, a nanochannel 411, and electrophoretic electrodes 413, 414 for loading, linearizing, and feeding individual single-stranded DNA (ssDNA) molecules. The width of the nanochannel 411 is in the range of 2 nm to 500 nm, and the depth is not limited. The nanochannel 411 is made of an insulating material suitable for implementing the functions of loading, stretching (ie, linearizing), and feeding the ssDNA 415. A conductive electrode 409 is aligned on the nanochannel 411 and the nanoFET. By applying a programmable bias to the electrode 409 and the gate electrode 408, a holding electric field is generated. By providing appropriate polarity, amplitude, and duration, programmable electrophoretic and holding electric fields precisely control ssDNA kinetics in the nanochannel 411.
Since the DNA has a chain of negatively charged phosphate groups, the ssDNA moves toward the anode under the influence of the electrophoretic field. The distance of the ssDNA step is controlled by the duration and amplitude of the electrophoresis pulse. A holding electric field of appropriate magnitude and polarity ensures that the ssDNA molecule is directed toward the nanoFET and the negatively charged phosphate group is further away from the nanoFET as desired for base detection. It can be kept facing. The holding electric field can also prevent DNA molecules from drifting during detection. Both fields are appropriately programmed to drive delivery and detection to provide sufficient time and stability for the nanoFET to detect individual bases. In the preferred practice of the invention, the operation and interaction and detection processes of these two electric fields are synchronized and coordinated to achieve extremely fast sequencing. As the ssDNA molecule moves through the nanochannel, it can contact the active region of the graphene nanoribbon one molecule at a time by the holding pulse electric field and measure the current between the source and drain electrodes To. This current varies between the various bases due to base-specific interactions with the active region of the nanoribbon. Furthermore, for repeated measurements and comparisons, multiple graphene nanoribbon nanotransistor arrays can be easily integrated into a nanofluidic system in parallel and / or in series.
[Example 2]
FIG. 5 shows another embodiment of the sequencing apparatus of the present invention. In the embodiment of FIG. 5, nanoFETs are integrated on a nanofluidic system formed on a substrate 504. The nanofluidic system includes an insulating layer 510, a reservoir 512, a nanochannel 511, and electrophoretic electrodes 513, 514 for loading, linearizing and delivering individual ssDNA 515 molecules. In order to achieve an effective interaction between the DNA base and the edge of the nanoribbon, the depth of the nanochannel 511 is preferably less than 20 nm. The nanoFET has a gate electrode 508, a dielectric layer 507, an active nanoribbon structure, that is, nanoribbons 501, 502, 503, a source electrode 505 and a drain electrode 506. Conductive electrodes 509 are aligned directly under these nanochannels and nanoFETs. By applying a programmable bias to the electrode 509 and the gate electrode 508, a holding electric field is generated. An electrophoretic electric field is generated by applying a bias between the electrophoretic electrodes 513 and 514. It should be noted that elements for separation, encapsulation, etc. are omitted in this embodiment.
[Example 3]
FIG. 6 shows yet another embodiment of the sequencing apparatus of the present invention. As shown in FIG. 6, the nanochannel 611 may be formed so that the whole or a part of the nanochannel 611 penetrates the nanoFET. The nanoFET is a nanoribbon structure 601, 602, 603, a substrate 604, a source electrode 605, a drain electrode 606, a dielectric layer 607, a gate electrode 608, and an insulating layer for separating individual nanoFETs. 616. The nanofluidic system includes a reservoir 612, a nanochannel 611, and electrophoresis electrodes 613 and 614. The insulating layer 610 is on the nanochannel 611, and a conductive electrode 609 is provided thereon. A gradient electric field is generated between the electrodes 613 and 614 and between the conductive electrode 609 and the gate electrode 608. These gradient fields are used to control the dynamics of ssDNA motion and interaction with the nanoFET. In this configuration, the interaction region between the DNA base and the nanoribbon active region is large, and therefore the influence of the base direction on the detection signal is eliminated.
[Example 4]
FIG. 7 shows sandwich-type nanoribbon structures 701 and 702 by an optical detection system using an optical technique such as energy transfer spectroscopy, absorption, and emission-emission spectroscopy. A sequencing device is provided that detects base-specific interactions with the 703 edge. The sequencing device is made on a substrate 704. Sandwich-type nanoribbon structures are integrated on a nanofluidic system. The nanofluidic system has an insulating layer 706, a reservoir 707, a nanochannel 708, and electrophoresis electrodes 709 and 710 for loading, linearizing, and feeding individual single-stranded DNA 711 molecules. In order to obtain efficient interaction between the DNA base and the edge of the nanoribbon so that it can be detected by the optical detection system 713, the nanochannel depth is preferably less than 20 nm. Conductive electrodes 705 are aligned under the nanochannels and nanoribbons. By applying a programmable bias to the electrode 705 and the electrode 712, a holding electric field is generated. The electrophoretic field is generated by applying a bias between electrodes 709 and 710.
[Example 5]
In yet another embodiment, as shown in FIG. 8, the optical signal can be increased by electrical stimulation by applying a bias between electrodes 814 and 815. Sandwich-type nanoribbon structures are integrated on the nanochannel. The nanofluidic system has an insulating layer 805, a reservoir 807, a nanochannel 808, and electrophoretic electrodes 809, 810 for loading, linearizing, and feeding individual ssDNA811 molecules. In order to obtain efficient interaction between the DNA base and the active region of the nanoribbon so that it can be detected by the light detection system 813, the nanochannel depth is preferably less than 20 nm. The conductive electrode 805 is aligned directly under the nanochannel and nanoFET. By applying a programmable bias to electrode 805 and electrode 812, a holding electric field is generated. The electrophoretic field is generated by applying a bias between the electrophoretic electrodes 713 and 714. Such a stimulus may be other stimuli such as a magnetic field in addition to the above electric field.
[Example 6]
In yet another embodiment, such as that shown in FIG. 9, the optical signal is amplified by applying a bias between the source electrode 914 and the drain electrode 915 and then modulating the gate signal via the gate electrode 912. Can do. This sequence analyzer is created on a substrate 904. NanoFETs are integrated on top of nanofluidic systems. The nanoFET includes sandwich nanoribbon structures 901, 902, and 903, a source electrode 914, a drain electrode 915, an insulating layer 915, and a gate electrode 912. The nanofluidic system includes an insulating layer 906, a reservoir 907, a nanochannel 908, and electrophoretic electrodes 909, 910 for loading, linearizing, and feeding individual ssDNA 911 molecules. In order to obtain an efficient interaction between the DNA base and the active region of the nanoribbon so that it can be detected by the light detection system 913, the nanochannel depth is preferably less than 20 nm. The conductive electrode 905 is aligned directly below the nanochannel and nanoribbon. By applying a programmable bias to electrode 905 and electrode 912, a holding electric field is generated. By applying a bias between electrophoretic electrodes 909 and 910, an electrophoretic electric field is generated.
In one aspect of the embodiment, the repulsive electric field between the side walls of the nanochannel is used to reject negatively charged ssDNA from the sidewalls of the nanochannel. The nanochannel can be linear, S-shaped, branched, or any other shape. In one aspect of the embodiment, a transparent material is used for the convenience of signal detection.
In order to achieve a cooperative operation process, the base detection process in the sequencing apparatus described above is synchronized with the programmed electrophoretic and holding electric field operations, as shown in FIG. FIG. 10 shows an electrophoresis pulse and a holding pulse for generating an electrophoretic electric field and a holding electric field, an interaction detection timing signal that is a timing for detecting an interaction between the base and the nanoribbon active region, and a base-specific mutual signal. The action detection results are illustrated with the time axes aligned. In addition, identification results (A, G, C, T) of individual bases are also shown on the detection results of base-specific interactions.
In FIG. 10, the DNA is stepped by one base at the timing E1, E2,..., En of the electrophoresis pulse, and thereafter, the timing H1, H2,. Then, the DNA that has advanced is drifting, that is, kept so as not to move any further. While the DNA thus advanced is held, the base-specific interaction between the base on the DNA and the nanoribbon active region is detected at timings D1, D2,..., Dn. Specifically, this detection is performed by measuring a detection output (a source current or drain current of a nano-FET in Examples 1 to 3 and an output of an optical detection system in Examples 4 to 6) with a circuit (not shown). Is done. By using computerized system control and data acquisition, the characteristic profile of the interaction signal for each of the four different DNA bases can be determined for all or any of the detection techniques by referring to the nucleotides of a known DNA molecule. It can be determined by any combination. These feature signal profiles can be used to identify DNA base sequences.
In order to achieve the optimization of the base identification performance, a plurality of detectors based on sandwich-like nanostructures as described above are integrated in series and / or in parallel with the nanofluidic system. An improvement in accuracy can be achieved by mutual comparison and correction.
While the above examples are for DNA sequencing, it will be appreciated that the present invention encompasses other types of nucleic acid sequencing.
While the presently preferred embodiments of the invention have been disclosed and described above, various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the scope of the invention as defined in the claims. It will be clear that this is possible.
本発明は、DNA分子などの配列決定をきわめて高速に、しかも長さの制限なしにかつ簡単な構成で実現できるので、産業上の広い分野で利用性が大である。 Since the present invention can realize sequencing of DNA molecules etc. at a very high speed and without any restriction on the length, it can be used in a wide range of industrial fields.
1 絶縁層
2 グラフェン・シート
3 絶縁基板
4 基板
5 ソース電極
6 ドレイン電極
7 絶縁層
8 ゲート電極
401、402、403、501、502、503、601、602、603、701、702、703、801、802、803、901、902、903 ナノリボン構造
404、504、604、704、804、904 基板
405、505、605、914 ソース電極
406、506、606、915 ドレイン電極
407、507、607、916 誘電体層
408、508、608、912 ゲート電極
409、509、609、705、712、805、812、814、815、905 電極
410、416、510、610、616、706、806、906 絶縁層
411、511、611、708、808、908 ナノチャネル
412、512、612、707、807、907 貯留部
413、414、513、514、613、614、709、710、809、810、909、910 電気泳動電極
415、515、615、711、811、911 ssDNA
713、813、913 光学検出システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Insulating layer 2 Graphene sheet 3 Insulating substrate 4 Substrate 5 Source electrode 6 Drain electrode 7 Insulating layer 8 Gate electrode 401, 402, 403, 501, 502, 503, 601, 602, 603, 701, 702, 703, 801, 802, 803, 901, 902, 903 Nano ribbon structure 404, 504, 604, 704, 804, 904 Substrate 405, 505, 605, 914 Source electrode 406, 506, 606, 915 Drain electrode 407, 507, 607, 916 Dielectric Layers 408, 508, 608, 912 Gate electrodes 409, 509, 609, 705, 712, 805, 812, 814, 815, 905 Electrodes 410, 416, 510, 610, 616, 706, 806, 906 Insulating layers 411, 511 611, 708, 808, 908 Channels 412, 512, 612, 707, 807, 907 Reservoirs 413, 414, 513, 514, 613, 614, 709, 710, 809, 810, 909, 910 Electrophoretic electrodes 415, 515, 615, 711, 811, 911 ssDNA
713, 813, 913 Optical detection system
Claims (29)
(a) 第1の部分を設ける。
(b) 絶縁性を有し、前記第1の部分を間に挟みこむ第2の部分及び第3の部分を設ける。
(c) 前記第1の部分は単一または複数の層であり、前記単一または複数の層の断面は、前記ナノリボンの表面上に、0.1nmから10nmの範囲の幅で当該表面の一部として現れる。 A nanoribbon having the following features (a) to (c).
(A) A first part is provided.
(B) A second portion and a third portion that have insulating properties and sandwich the first portion therebetween are provided.
(C) The first portion is a single layer or a plurality of layers, and the cross section of the single layer or the plurality of layers is formed on the surface of the nanoribbon with a width of 0.1 nm to 10 nm. Appears as a part.
(a) 断面の幅が0.1nmから10nmの範囲にある材料のシートを準備する。
(b) 前記シートを第1の絶縁層に配置する。
(c) 前記シートを第2の絶縁層で覆う。
(d) 前記第1の絶縁層、前記シート及び前記第2の絶縁層を有するナノリボンであって、表面には前記第1の絶縁層及び前記第2の絶縁層の断面で挟まれた前記シートの断面が現れているナノリボンを得る。 The nanoribbon manufacturing method provided with the following steps (a) to (d).
(A) A sheet of material having a cross-sectional width in the range of 0.1 nm to 10 nm is prepared.
(B) The sheet is disposed on the first insulating layer.
(C) Cover the sheet with a second insulating layer.
(D) The nanoribbon having the first insulating layer, the sheet, and the second insulating layer, and the sheet sandwiched between the first insulating layer and the second insulating layer on a surface thereof A nanoribbon with a cross section appears.
(a) 基板上に設けられた請求項1から請求項5のいずれかに記載のナノリボン。
(b) 前記ナノリボンの一端に接触するように設置されたソース電極。
(c) 前記ナノリボンの他端に接触するように設置されたドレイン電極。
(d) 前記ナノリボンを覆うように設置された誘電体層。
(e) 前記誘電体層に設置されたゲート電極。 NanoFET provided with the following (a) to (e).
(A) The nanoribbon according to any one of claims 1 to 5, which is provided on a substrate.
(B) A source electrode placed in contact with one end of the nanoribbon.
(C) A drain electrode installed to come into contact with the other end of the nanoribbon.
(D) A dielectric layer installed so as to cover the nanoribbons.
(E) A gate electrode disposed on the dielectric layer.
(a) 請求項6から請求項9のいずれかのナノリボンを用意する。
(b) 前記ナノリボンを基板に転写する。
(c) 前記ナノリボンのそれぞれの端部に接触するようにソース電極及びドレイン電極をパターン形成する。
(d) 前記ナノリボンを覆う誘電体層を設ける。
(e) 前記誘電体層にゲート電極をパターン形成する。 A nano-FET manufacturing method provided with the steps (a) to (e).
(A) The nanoribbon according to any one of claims 6 to 9 is prepared.
(B) The nanoribbon is transferred to a substrate.
(C) A source electrode and a drain electrode are patterned so as to be in contact with each end of the nanoribbon.
(D) A dielectric layer covering the nanoribbon is provided.
(E) A gate electrode is patterned on the dielectric layer.
(a) 請求項1から請求項5のいずれかに記載のナノリボン。
(b) その中で核酸を移動させて、前記ナノリボンの表面に現れる前記断面を横切って前記核酸が移動して前記断面と相互作用し、もって前記核酸の個別の塩基を同定する検出信号を提供するナノ流体系。 A nucleic acid sequencing apparatus provided with the following (a) and (b).
(A) The nanoribbon according to any one of claims 1 to 5.
(B) moving the nucleic acid therein to provide a detection signal for identifying the individual base of the nucleic acid by moving the nucleic acid across the cross section appearing on the surface of the nanoribbon and interacting with the cross section; Nanofluid system.
(b−1) 前記核酸が通って移動するナノチャネル。
(b−2) 前記核酸を引き伸ばして駆動し、もって前記核酸を前記ナノリボンの表面上に現れている前記断面を横切って移動させる電界を印加する手段。 The device according to claim 12, wherein the nanofluidic system includes the following (b-1) and (b-2).
(B-1) A nanochannel through which the nucleic acid moves.
(B-2) Means for applying an electric field that drives the nucleic acid by stretching it, thereby moving the nucleic acid across the cross section appearing on the surface of the nanoribbon.
(a) その中を核酸を通して駆動させるナノ流体系を設ける。
(b) 前記ナノ流体系に請求項1から請求項5のいずれかに記載のナノリボンを設ける。
(c) 前記核酸を前記ナノ流体系を通って移動させ、前記核酸をして前記ナノリボンの表面上に現れている前記断面を横切って移動して前記断面と相互作用せしめ、もって前記核酸の個々の塩基を同定する検出信号を生成させる。 A nucleic acid sequencing apparatus provided with the following steps (a) to (c).
(A) A nanofluid system is provided that is driven through nucleic acids.
(B) The nanoribbon according to any one of claims 1 to 5 is provided in the nanofluid system.
(C) moving the nucleic acid through the nanofluidic system, moving the nucleic acid across the cross-section appearing on the surface of the nanoribbon to interact with the cross-section, and A detection signal for identifying the base of is generated.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2009194892A JP5586001B2 (en) | 2009-08-26 | 2009-08-26 | Nanoribbon and manufacturing method thereof, FET using nanoribbon and manufacturing method thereof, base sequence determination method using nanoribbon and apparatus thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2009194892A JP5586001B2 (en) | 2009-08-26 | 2009-08-26 | Nanoribbon and manufacturing method thereof, FET using nanoribbon and manufacturing method thereof, base sequence determination method using nanoribbon and apparatus thereof |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2011045944A true JP2011045944A (en) | 2011-03-10 |
| JP5586001B2 JP5586001B2 (en) | 2014-09-10 |
Family
ID=43832781
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2009194892A Expired - Fee Related JP5586001B2 (en) | 2009-08-26 | 2009-08-26 | Nanoribbon and manufacturing method thereof, FET using nanoribbon and manufacturing method thereof, base sequence determination method using nanoribbon and apparatus thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5586001B2 (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101339426B1 (en) * | 2011-11-07 | 2013-12-10 | 삼성전자주식회사 | Graphene nano-ribbon, method of fabricating the graphene nano-ribbon, and electronic device using the graphene nano-ribbon |
| JP2015528282A (en) * | 2012-08-06 | 2015-09-28 | クワンタムディーエックス・グループ・リミテッド | Methods and kits for nucleic acid sequencing |
| JP2015190980A (en) * | 2014-03-27 | 2015-11-02 | ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド | Magnetic stimulus of isfet-based sensor to enable trimming and self-compensation of sensor measurement errors |
| JP2016506495A (en) * | 2012-11-30 | 2016-03-03 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーションInternational Business Machines Corporation | Methods and systems for manipulating molecules |
| JP2016508616A (en) * | 2013-02-28 | 2016-03-22 | ザ ユニバーシティ オブ ノース カロライナ アット チャペル ヒルThe University Of North Carolina At Chapel Hill | Nanofluidic device with integrated components for controlled capture, capture and transport of macromolecules and associated analytical methods |
| WO2017024049A1 (en) * | 2015-08-06 | 2017-02-09 | Pacific Biosciences Of California, Inc. | Single-molecule nanofet sequencing systems and methods |
| JP2017173331A (en) * | 2016-03-25 | 2017-09-28 | 本田技研工業株式会社 | Chemical sensors based on layered nanoribbons |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6249625A (en) * | 1985-08-28 | 1987-03-04 | Mitsubishi Electric Corp | Manufacturing method of semiconductor device |
| JPH01238114A (en) * | 1988-03-18 | 1989-09-22 | Rikagaku Kenkyusho | Semiconductor quantum wire creation method |
| JPH02146722A (en) * | 1988-11-28 | 1990-06-05 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Quantum wire manufacturing method |
| JP2003533676A (en) * | 2000-04-24 | 2003-11-11 | イーグル リサーチ アンド ディベロップメント,リミティッド ライアビリティー カンパニー | Field-effect transistor device for ultrafast nucleic acid sequencing |
| JP2004018342A (en) * | 2002-06-19 | 2004-01-22 | Fujitsu Ltd | Carbon nanotube, method for producing the same, and catalyst for producing carbon nanotube |
| JP2006503277A (en) * | 2002-10-12 | 2006-01-26 | 富士通株式会社 | Molecular electronics and semiconductor device for biosensor device based on molecular electronics and manufacturing method thereof |
| JP2007204301A (en) * | 2006-01-31 | 2007-08-16 | Kaneka Corp | Graphite film |
| WO2008108383A1 (en) * | 2007-03-02 | 2008-09-12 | Nec Corporation | Semiconductor device employing graphene and method for fabricating the same |
| WO2010025547A1 (en) * | 2008-09-02 | 2010-03-11 | The Governing Council Of The University Of Toronto | Nanostructured microelectrodes and biosensing devices incorporating the same |
| WO2010041875A2 (en) * | 2008-10-10 | 2010-04-15 | 충북대학교산학협력단 | Ultra high speed and high sensitivity base sequence analysis system and analysis method for same |
-
2009
- 2009-08-26 JP JP2009194892A patent/JP5586001B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6249625A (en) * | 1985-08-28 | 1987-03-04 | Mitsubishi Electric Corp | Manufacturing method of semiconductor device |
| JPH01238114A (en) * | 1988-03-18 | 1989-09-22 | Rikagaku Kenkyusho | Semiconductor quantum wire creation method |
| JPH02146722A (en) * | 1988-11-28 | 1990-06-05 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Quantum wire manufacturing method |
| JP2003533676A (en) * | 2000-04-24 | 2003-11-11 | イーグル リサーチ アンド ディベロップメント,リミティッド ライアビリティー カンパニー | Field-effect transistor device for ultrafast nucleic acid sequencing |
| JP2004018342A (en) * | 2002-06-19 | 2004-01-22 | Fujitsu Ltd | Carbon nanotube, method for producing the same, and catalyst for producing carbon nanotube |
| JP2006503277A (en) * | 2002-10-12 | 2006-01-26 | 富士通株式会社 | Molecular electronics and semiconductor device for biosensor device based on molecular electronics and manufacturing method thereof |
| JP2007204301A (en) * | 2006-01-31 | 2007-08-16 | Kaneka Corp | Graphite film |
| WO2008108383A1 (en) * | 2007-03-02 | 2008-09-12 | Nec Corporation | Semiconductor device employing graphene and method for fabricating the same |
| WO2010025547A1 (en) * | 2008-09-02 | 2010-03-11 | The Governing Council Of The University Of Toronto | Nanostructured microelectrodes and biosensing devices incorporating the same |
| WO2010041875A2 (en) * | 2008-10-10 | 2010-04-15 | 충북대학교산학협력단 | Ultra high speed and high sensitivity base sequence analysis system and analysis method for same |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| BARBAROS OZYILMAZ ET AL.: ""Electronic transport and quantum Hall effect in bipolar graphene p-n-p junctions"", ARXIV, vol. arXiv:0705.3044, JPN6013054565, 11 September 2007 (2007-09-11), ISSN: 0002845950 * |
| HENK W.CH. POSTMA: ""Rapid Sequencing of Individual DNA Molecules in Graphene Nanogaps"", ARXIV, vol. arXiv:0810.3035 [physics.bio-ph], JPN6013054559, 17 October 2008 (2008-10-17), ISSN: 0002845948 * |
| NIKLAS ELFSTRO'M ET AL.: ""Nanoribbon biomolecule detection"", INTERNET, JPN6013054567, 16 May 2008 (2008-05-16), ISSN: 0002845951 * |
| S.GOWTHAM ET AL.: ""Physisorption of Nucleobases on Graphene"", ARXIV, vol. arXiv:0704.1316, JPN6013054562, 11 April 2007 (2007-04-11), ISSN: 0002845949 * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101339426B1 (en) * | 2011-11-07 | 2013-12-10 | 삼성전자주식회사 | Graphene nano-ribbon, method of fabricating the graphene nano-ribbon, and electronic device using the graphene nano-ribbon |
| JP2015528282A (en) * | 2012-08-06 | 2015-09-28 | クワンタムディーエックス・グループ・リミテッド | Methods and kits for nucleic acid sequencing |
| JP2016506495A (en) * | 2012-11-30 | 2016-03-03 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーションInternational Business Machines Corporation | Methods and systems for manipulating molecules |
| GB2519904B (en) * | 2012-11-30 | 2018-12-19 | Ibm | Field-effect nanosensor for biopolymer manipulation and detection |
| JP2016508616A (en) * | 2013-02-28 | 2016-03-22 | ザ ユニバーシティ オブ ノース カロライナ アット チャペル ヒルThe University Of North Carolina At Chapel Hill | Nanofluidic device with integrated components for controlled capture, capture and transport of macromolecules and associated analytical methods |
| JP2015190980A (en) * | 2014-03-27 | 2015-11-02 | ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド | Magnetic stimulus of isfet-based sensor to enable trimming and self-compensation of sensor measurement errors |
| WO2017024049A1 (en) * | 2015-08-06 | 2017-02-09 | Pacific Biosciences Of California, Inc. | Single-molecule nanofet sequencing systems and methods |
| JP2017173331A (en) * | 2016-03-25 | 2017-09-28 | 本田技研工業株式会社 | Chemical sensors based on layered nanoribbons |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP5586001B2 (en) | 2014-09-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Arjmandi-Tash et al. | Single molecule detection with graphene and other two-dimensional materials: nanopores and beyond | |
| JP5586001B2 (en) | Nanoribbon and manufacturing method thereof, FET using nanoribbon and manufacturing method thereof, base sequence determination method using nanoribbon and apparatus thereof | |
| Schneider et al. | DNA translocation through graphene nanopores | |
| Heerema et al. | Graphene nanodevices for DNA sequencing | |
| Venkatesan et al. | Stacked graphene-Al2O3 nanopore sensors for sensitive detection of DNA and DNA–protein complexes | |
| Fu et al. | Sensing at the surface of graphene field‐effect transistors | |
| CN107533045B (en) | Nanopore sensors including fluidic channels | |
| Zhan et al. | Graphene field‐effect transistor and its application for electronic sensing | |
| KR102023754B1 (en) | Nanopore sensors for biomolecular characterization | |
| Prasongkit et al. | Theoretical study of electronic transport through DNA nucleotides in a double-functionalized graphene nanogap | |
| CN108051578B (en) | Nanopore Sensing by Local Potential Measurements | |
| Kumawat et al. | Electronic transport through DNA nucleotides in atomically thin phosphorene electrodes for rapid DNA sequencing | |
| CN106461584B (en) | Methods and systems for detection of translocation events using graphene-based nanopore assemblies | |
| Fyta | Threading DNA through nanopores for biosensing applications | |
| Kim et al. | DNA sensors based on CNT-FET with floating electrodes | |
| US9234882B2 (en) | Translocation and nucleotide reading mechanisms for sequencing nanodevices | |
| Sadeghi et al. | Graphene sculpturene nanopores for DNA nucleobase sensing | |
| WO2011004136A1 (en) | Graphene biosensor | |
| JP2013090576A (en) | Nucleic acid analyzing device and nucleic acid analyzer using the same | |
| KR20130001614A (en) | Nano-sensor and method of detecting a target molecule by using the same | |
| Kumawat et al. | Advancement of next‐generation DNA sequencing through ionic blockade and transverse tunneling current methods | |
| de Souza et al. | Controlled current confinement in interfaced 2D nanosensor for electrical identification of DNA | |
| Yu et al. | Creation of reduced graphene oxide based field effect transistors and their utilization in the detection and discrimination of nucleoside triphosphates | |
| Puczkarski et al. | Graphene nanoelectrodes for biomolecular sensing | |
| Wei et al. | Nanopore-based sensors for DNA sequencing: a review |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20120628 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20131105 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20131226 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20140701 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20140716 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5586001 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |