增加的到納米孔中的分子捕獲率的制作方法
【專利摘要】提供一種用于捕獲分子的機(jī)構(gòu)。納米孔通過將第一腔與第二腔分開的膜，并且所述納米孔、所述第一腔和所述第二腔填充有離子緩沖物。窄頸部處于所述第一腔的中間區(qū)域，并且所述窄頸部被對(duì)準(zhǔn)到所述納米孔的入口。與具有低強(qiáng)度電場(chǎng)的所述第一腔的其它區(qū)域相比，所述窄頸部具有高強(qiáng)度電場(chǎng)。在對(duì)準(zhǔn)到所述納米孔的所述入口的中間區(qū)域處，具有高強(qiáng)度電場(chǎng)的所述窄頸部集中所述分子。施加在所述第一腔和所述第二腔之間的電壓驅(qū)動(dòng)被集中在所述納米孔的所述入口處的所述分子通過所述納米孔。
【專利說(shuō)明】増加的到納米孔中的分子捕獲率

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及增加分子的捕獲率，并且更具體地，涉及通過介電泳增加在納米孔中分子捕獲率。

【背景技術(shù)】
[0002]納米孔測(cè)序是用于確定核苷酸在脫氧核糖核酸(0嫩)的鏈上出現(xiàn)的順序的方法。納米孔(也被稱為孔、納米通道、洞等)可以為內(nèi)徑大約若干納米的小洞。納米孔測(cè)序背后的理論是關(guān)于當(dāng)納米孔浸入導(dǎo)電流體(例如，離子緩沖物)并且跨納米孔施加電位(電壓)時(shí)出現(xiàn)了什么的理論。在這些條件下，可以測(cè)量通過納米孔的源自于離子傳導(dǎo)的輕微電流，并且電流的量對(duì)于納米孔的尺寸和形狀非常敏感。如果0嫩的單堿基或者鏈通過(或者0嫩分子的部分通過)納米孔，這可以產(chǎn)生通過納米孔的電流的幅值的變化。也可以在納米孔周圍放置其它電或者光傳感器，以便當(dāng)0嫩通過納米孔時(shí)，可以區(qū)別0嫩堿基。
[0003]通過使用各種方法，可以將0嫩驅(qū)動(dòng)通過納米孔。例如，電場(chǎng)將0嫩朝向納米孔吸引，并且其可最終通過納米孔。納米孔的規(guī)模具有這樣的影響，0嫩被強(qiáng)制作為長(zhǎng)串通過洞，一次一個(gè)堿基，像線通過針眼。近來(lái)，應(yīng)用納米孔作為用于諸如脫氧核糖核酸(0嫩)、核糖核酸(1^4)、蛋白質(zhì)等的生物分子的快速分析的傳感器的興趣越來(lái)越大。由于此技術(shù)有望將測(cè)序成本減少到$1000/人類基因組以下，對(duì)納米孔的0嫩測(cè)序應(yīng)用已經(jīng)給予了特別重視。納米孔0嫩測(cè)序中的兩個(gè)問題是控制通過納米孔的0嫩的易位和區(qū)分單獨(dú)的0嫩堿基。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)實(shí)施例，提供用于增加到納米孔中的分子的捕獲率的方法。所述方法包括提供通過將第一腔和第二腔分開的膜的納米孔。所述納米孔、所述第一腔和所述第二腔填充有離子緩沖物(^打虹)。所述方法包括在所述第一腔的中間區(qū)域處提供窄頸部，其中在所述中間區(qū)域的所述窄頸部被對(duì)準(zhǔn)到所述納米孔的入口。另外，所述方法包括配置所述窄頸部，以與具有低強(qiáng)度電場(chǎng)的所述第一腔的其它區(qū)域相比，所述窄頸部具有高強(qiáng)度電場(chǎng)，以及配置所述窄頸部，以具有用于在對(duì)準(zhǔn)到所述納米孔的所述入口的中間區(qū)域處集中分子的所述高強(qiáng)度電場(chǎng)。在所述第一腔和所述第二腔之間施加的電壓驅(qū)動(dòng)被集中在所述納米孔的所述入口處的所述分子通過所述納米孔。
[0005]根據(jù)實(shí)施例，提供用于捕獲分子的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括通過將第一腔和第二腔分開的膜的納米孔。所述納米孔、所述第一腔和所述第二腔填充有離子緩沖物。所述系統(tǒng)包括在所述第一腔的中間區(qū)域處的窄頸部，其中在所述中間區(qū)域處的所述窄頸部被對(duì)準(zhǔn)到所述納米孔的入口。與具有低強(qiáng)度電場(chǎng)的所述第一腔的其它區(qū)域相比，所述窄頸部具有高強(qiáng)度電場(chǎng)。具有高強(qiáng)度電場(chǎng)的所述窄頸部在對(duì)準(zhǔn)到所述納米孔的所述入口的中間區(qū)域處集中分子。在所述第一腔和所述第二腔之間施加的電壓驅(qū)動(dòng)被集中在所述納米孔的所述入口處的所述分子通過所述納米孔。
[0006]通過本發(fā)明的技術(shù)實(shí)現(xiàn)另外的特征和優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的其它實(shí)施例和方面在本文中被詳細(xì)描述并且被視為本發(fā)明要求保護(hù)的一部分。為了更好的理解本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征，請(qǐng)參考說(shuō)明書和附圖。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0007]在對(duì)說(shuō)明書結(jié)論處的權(quán)利要求中具體地指出并清楚地要求保護(hù)被認(rèn)為是發(fā)明的主題。從下述詳細(xì)描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明的上述和其它特征、優(yōu)點(diǎn)將顯而易見。
[0008]圖1為根據(jù)實(shí)施例的使用介電泳以增加到納米孔中的分子的捕獲率的系統(tǒng)的示意圖。
[0009]圖2為根據(jù)實(shí)施例的使用介電泳以增加分子的捕獲率的系統(tǒng)的截面視圖的示意圖。
[0010]圖3示出根據(jù)實(shí)施例的系統(tǒng)中的微流體通道的細(xì)節(jié)。
[0011]圖4為根據(jù)實(shí)施例的用于在微流體腔的窄頸部處集中分子并且在納米孔中捕獲分子的方法。
[0012]圖5示出可包括在實(shí)施例中的具有功能的計(jì)算機(jī)的實(shí)例。

【具體實(shí)施方式】
[0013]本公開采用稱為介電泳的方法以在納米孔入口處集中分子，來(lái)增加到納米孔中的分子的捕獲率，用于超低濃度的表征。
[0014]在現(xiàn)有納米孔測(cè)序的狀態(tài)下，因?yàn)橛捎谠诩{米孔中的離子緩沖物的電阻比納米孔外部的離子緩沖物的電阻大幾個(gè)數(shù)量級(jí)這一事實(shí)，跨納米孔的電場(chǎng)僅存在于納米孔中和納米孔的入口附近，DNA通過熱運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散到納米孔的入口，并且然后被納米孔內(nèi)部的電場(chǎng)捕獲到納米孔中。從而需要高濃度DNA(和/或任何類型的分子)以給予合理的捕獲率，例如，到納米孔中的每秒I ( 一個(gè))DNA的捕獲。為了進(jìn)一步降低DNA測(cè)序成本，必須解決DNA樣品的超低濃度。
[0015]實(shí)施例使用介電泳，其為使用交流電(AC)電場(chǎng)來(lái)在非帶電顆粒和/或帶電介電顆粒上生成電偶極子并然后使用非均勻電場(chǎng)以作為偶極子操控這些顆粒(例如，非帶電和/或帶電分子)的技術(shù)。偶極子經(jīng)受由電場(chǎng)梯度施加的力，并且相應(yīng)地在具有最高電場(chǎng)的位置處(例如這里討論的具有最高電場(chǎng)強(qiáng)度315的區(qū)域108)集中。本公開利用介電泳技術(shù)(在分子上)以在納米孔的入口處集中分子，以增加到納米孔中的分子的捕獲率。
[0016]現(xiàn)在參考附圖，圖1為根據(jù)實(shí)施例的使用介電泳以增加到納米孔中的DNA分子的捕獲率的系統(tǒng)100的示意圖。根據(jù)實(shí)施例，圖1為系統(tǒng)100的頂視圖，并且圖2為系統(tǒng)100的截面圖。
[0017]圖1中，系統(tǒng)100包括具有微流體通道102的裝置101。微流體通道102填充有離子緩沖物115和DNA分子119。通過裝置101形成納米孔103，其入口在微流體通道102的最窄部分(即，窄頸部160)。以在頂部/頂端連接的兩個(gè)三角形的形狀形成微流體通道102。三角形的底為(約)lmm (毫米)，其被表示為寬度W。微流體通道102的最窄部分(窄頸部160)為(約)I或2微米，其被以寬度Ψ表示。微流體通道102的長(zhǎng)度為(約)I或2mm(毫米)，其被表示為長(zhǎng)度L。注意這僅是一個(gè)實(shí)施例，原則上，根據(jù)這里所公開的教導(dǎo)，任何在納米孔103的入口處具有最窄部的其它形狀的微流體通道102將可以適用。
[0018]在微流體通道102的兩個(gè)相對(duì)端，諸如Ag/AgCl電極的兩個(gè)電化學(xué)電極105和106被浸到離子緩沖物115中。在兩個(gè)電極105和106之間施加電壓源107的AC電壓，以生成電場(chǎng)。電壓源的AC電壓(可以為DC電壓)生成從微流體通道102的一個(gè)端到另一端的電場(chǎng)。
[0019]分子119的任何帶電顆粒和/或非帶電顆粒在此AC電場(chǎng)下，通過顆粒和其反離子(counter 1n)的分離(對(duì)于帶電顆粒)和/或通過顆粒本身的極化(對(duì)于非帶電顆粒)而被極化。此極化產(chǎn)生有效電偶極子，并且偶極子經(jīng)受由電場(chǎng)梯度產(chǎn)生的力。于是，這些顆粒將集中在具有最高電場(chǎng)強(qiáng)度的區(qū)域。圖1中，如區(qū)域/位置108所示，微流體通道102的最窄部分具有最高電場(chǎng)(即，圖3示出的最高有效電場(chǎng)強(qiáng)度315)，從而DNA分子119集中在區(qū)域108內(nèi)部。區(qū)域108為納米孔103的入口所在的位置，并且分子119的此集中(通過窄頸部160中的最高電場(chǎng)強(qiáng)度315)增強(qiáng)/改善到納米孔103中的DNA分子119的捕獲率。對(duì)于上文提及的實(shí)施例，如果在毫米尺寸通道102中的全部DNA分子119被集中在2μπιΧ2μπι區(qū)域，在納米孔103的入口的DNA分子119的濃度將增加到2.5x10s倍(作為一個(gè)實(shí)例)。因?yàn)镈NA的捕獲率和納米孔103的入口的DNA分子119的濃度成比例，到納米孔103中的DNA分子119的捕獲率將增加到2.5x10s倍。
[0020]圖2示出根據(jù)實(shí)施例的，裝置101和用于通過納米孔103的分子119(和/或DNA)的易位的實(shí)驗(yàn)裝置的截面圖。從圖2進(jìn)一步看出，裝置101包括許多層。層110為諸如Si的襯底。層109和111為諸如Si3N4的電絕緣材料?？梢杂霉饪?，通過層109而打開窗口，并且可以使用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)和諸如TMAH (四甲基氫氧化銨)或者KOH (氫氧化鉀)的濕法刻蝕來(lái)通過襯底110而打開窗口，以產(chǎn)生層111的自支撐膜(free-standing membrane)(而沒有刻蝕層111)。層112為具有對(duì)層111的材料的(不同的)刻蝕選擇性另一電絕緣材料，以便可以將微流體通道102刻蝕到層112中且停在層111上。圖2中，在層112中說(shuō)明微流體通道102。
[0021]用透射電子顯微鏡、聚焦離子束鉆孔或反應(yīng)離子刻蝕，通過層(膜)111，產(chǎn)生納米孔103 (直徑從亞nm至10nm)。層113為由諸如PDMS (聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane))的任何電絕緣材料制成的蓋，以密封微流體通道102。為了不模糊圖1，圖1中未示出層113。圖1示出已經(jīng)剝離了層113的頂視圖，但是要理解存在有層113 (但是視覺上沒有示出)。
[0022]流體基元(fluidic cell) 114在晶片的背側(cè)(即，在襯底110的背側(cè))并且填充有與前側(cè)上的微流體通道102相同的離子緩沖物115。諸如Ag/AgCl電極的兩個(gè)電化學(xué)電極116和117分別在前側(cè)微流體通道102和背側(cè)流體基元114處被浸到離子緩沖物115中。在兩個(gè)電極116和117之間施加電壓源118的電壓，以驅(qū)動(dòng)分子119通過納米孔103。還利用電壓源118的電壓，以生成由電流表125測(cè)量的通過納米孔103的離子電流，并且使用測(cè)量的離子電流(通過電流表125)，表征在納米孔103中時(shí)的分子119。由電流表25測(cè)量的離子電流流出，通過電極117，通過離子緩沖物115，通過納米孔103(其中納米孔103中的分子119改變/影響離子電流)，回到電極116，并且然后回到電壓源118中。
[0023]注意有兩種方法來(lái)避免由電壓源107的電壓產(chǎn)生的AC場(chǎng)和由電壓源118的電壓產(chǎn)生的離子電流(流經(jīng)電流表125并且被其測(cè)量)的交叉串?dāng)_(cross-talking):
[0024]情況(I)中，在DNA分子119被集中到納米孔103的入口之后即刻電壓源107的八￠:場(chǎng)(被關(guān)閉)關(guān)閉時(shí)，可以測(cè)量離子電流(由電流表125測(cè)量)；
[0025]情況⑵中，當(dāng)離子電流(由電流表125測(cè)量)采用100紐2的低通濾波器時(shí)，來(lái)自電壓源107的化場(chǎng)可以為高頻率(例如冊(cè)12)。
[0026]如上面所提及，分子119將集中在納米孔103的入口所位于的區(qū)域108內(nèi)部。這將增強(qiáng)到納米孔103中的分子119的捕獲率。例如，通常采用約10=1(納摩爾)的0嫩分子濃度(例如，高濃度)，以獲得約1/秒的0嫩分子捕獲率(每秒10嫩分子)。如先前在實(shí)施例中提及的，如果在微流體納米通道102中施加…場(chǎng)(通過電壓源107),在納米孔103的入口的0嫩分子119的濃度增加到2.51105倍。從而，加載到納米通道102中的0嫩分子的原始濃度可以低至(例如，低濃度)40^1(豪微微摩爾或者4x10—14摩爾)。
[0027]下面提供對(duì)非帶電分子119和帶電分子119的進(jìn)一步討論。電偶極子為正和負(fù)電荷/顆粒的分離。其最簡(jiǎn)單實(shí)例是一對(duì)幅值相等但是符號(hào)相反且通過一定(通常較小)距離分離的電荷(如下所示，其在分子119上出現(xiàn)
[0028]對(duì)于非帶電分子119，由電壓源107(通過電極105和106)施加的(…)電壓極化非帶電分子119，導(dǎo)致在非帶電分子119上的偶極子。由電壓源107的電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)在非帶電分子119上產(chǎn)生偶極子，以便高強(qiáng)度電場(chǎng)在區(qū)域108中集中分子119(通過其各自的偶極子
[0029]對(duì)于帶電分子119，離子緩沖物115(例如溶液)具有傾向于屏蔽帶電分子119的可移動(dòng)離子。這些屏蔽離子被稱為反離子。由于通過在反離子上的熱攪動(dòng)使其分隔一些距離，帶電分子119上的原始電荷和反離子形成電雙層。此相反電荷組成的電雙層實(shí)際上是偶極子。此外，帶電分子119自身的極化還添加了附加的偶極矩。另外，由電壓源107的電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)產(chǎn)生高強(qiáng)度電場(chǎng)，以在區(qū)域108中集中分子119(通過其各自的偶極子)
[0030]這樣，系統(tǒng)100中的非帶電分子119和帶電分子119為偶極子。微流體通道102的中間的變窄的形狀(即，窄頸部160)導(dǎo)致，當(dāng)施加電壓源107的電壓時(shí)，分子119(即，具有偶極子的帶電和非帶電的分子119)在區(qū)域108(即，納米孔103的入口)中集中。然后通過由跨納米孔103的電壓源118的電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)，將集中的分子119驅(qū)動(dòng)(捕獲)到納米孔103中。因?yàn)榧{米孔103中的離子緩沖物115的電阻比納米孔103外部的離子緩沖物115的大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，幾乎電壓源118的全部電壓落在納米孔103內(nèi)部的離子緩沖物115上，并且在納米孔103外部有(存在)少量(例如，少得多的)電場(chǎng)。因此，0嫩分子119做/履行布朗運(yùn)動(dòng)，直到其達(dá)到納米孔103的入口，并且然后納米孔103內(nèi)部的電場(chǎng)(通過電壓電源118)能夠?qū)?嫩分子119捕獲到納米孔103中。因此，這解釋了為什么到納米孔中的0嫩分子的捕獲率與0嫩濃度成比例，并且為什么需要增加在納米孔入口的0嫩的集中。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，布朗運(yùn)動(dòng)指的是懸浮在流體(液體或者氣體)中的顆粒的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，其由于氣體或者液體中的快速運(yùn)動(dòng)的原子或者分子的轟擊所導(dǎo)致。
[0031]轉(zhuǎn)到圖3，示出根據(jù)實(shí)施例的微流體通道102(在系統(tǒng)100中)的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。盡管為清楚起見，省略系統(tǒng)100的一些元件，應(yīng)理解系統(tǒng)100還包括圖1和2中所討論的元件。
[0032]圖3中，微流體通道102被示出具有下面所示的相應(yīng)的電流密度分布305。例如，當(dāng)施加電壓源107的電壓時(shí)，在微電流通道102中出現(xiàn)微電流通道102的實(shí)例電流密度分布305。電流密度分布305為電極105和106之間的在微電流通道102中的電流流動(dòng)。例如，取決于交流電流⑷的方向，出現(xiàn)通過微電流通道102的下列電流流動(dòng)(對(duì)于相反電流流動(dòng)反向，反之亦然)。
[0033]當(dāng)施加電壓源107時(shí)，電(離子)流從電極105流到微流體通道102的左(三角形)腔322中的離子緩沖物115中，(密集地)通過(在區(qū)域108處)窄頸部160，通過右(三角形)腔324，通過電極106出來(lái)，并且回到電壓源107中。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，當(dāng)電流交替時(shí)，電流以相反方向流動(dòng)。因?yàn)閺募{米通道102的一端到另一端的總電流是恒定的，微流體通道102的中間的變窄的形狀(例如，區(qū)域108內(nèi)的窄頸部160)導(dǎo)致電流密度在區(qū)域108增加。對(duì)于前面提到的情況，納米通道102的寬度從一端處(例如，右和左腔322和324的最寬距離)的lmm(例如，W)縮至中央處(窄頸部160)的2ym(例如，W，)，并且從一端到納米通道102的中央的電流密度增加為500倍。電流密度分布305中的最高電流密度的位置被指定為310。因?yàn)殡妶?chǎng)與電流密度成線性比例，所以，跨微流體通道102/在微流體通道102中的電場(chǎng)在位置315處(其在窄頸部160內(nèi))為最高/最強(qiáng)。低電場(chǎng)位置332和334在窄頸部160的任一側(cè)。
[0034]要注意，盡管電流密度分布305、最高電流密度310位置、低電場(chǎng)位置332和334以及最高電場(chǎng)315密度被示為與微流體通道102分離，(電流流動(dòng)的)電流密度分布305和(具有最高電場(chǎng)位置315和低電場(chǎng)位置332和334的)電場(chǎng)實(shí)際上在微流體通道102內(nèi)(并且流經(jīng)微流體通道102)。
[0035]通過具有帶有在中間收窄的形狀的微流體通道102，最高電場(chǎng)強(qiáng)度位置315導(dǎo)致分子119(由于其各自的偶極子)集中/被吸引到納米孔103所位于的區(qū)域108，使得通過電壓源118的電壓將分子119拉到納米孔103中。在區(qū)域108處的分子119的高濃度(由微流體通道102的窄頸部160導(dǎo)致，該窄頸部160引起導(dǎo)致最高電場(chǎng)強(qiáng)度位置310的高電流密度位置310)高于任何由離子緩沖物115中的分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的分子119的濃度。這樣，在微流體通道102中的離子緩沖物115中，相比于現(xiàn)有技術(shù)中(基于分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng))所需的高濃度的分子119，可以使用超低濃度的分子119。
[0036]圖4為根據(jù)實(shí)施例的用于在微流體通道102中的窄頸部160處集中分子119并且在納米孔103中捕獲分子119的方法400?？梢詤⒖紙D1、2和3。
[0037]在塊405，納米孔103通過將第一腔(S卩，微流體腔)與第二腔(即，流體通道114)分開的膜(即，層111)，并且納米孔103、第一腔和第二腔填充有離子緩沖物115。
[0038]在塊410，在第一腔的中間區(qū)域提供/形成窄頸部160 (在左腔322和右腔324之間的區(qū)域)，并且在中間區(qū)域處的窄頸部160被對(duì)準(zhǔn)到納米孔103的入口(頂部)。微流體通道102包括如本文討論的要進(jìn)入并且經(jīng)過納米孔103的分子119。
[0039]在塊415，與包括低強(qiáng)度電場(chǎng)(位置)332和334的第一腔的其它區(qū)域(不在窄頸部160處，例如左腔322和右腔324)相比，窄頸部160被配置為包括高強(qiáng)度電場(chǎng)(位置315)。由于窄頸部160具有最高(電流流動(dòng)的)電流密度310，高強(qiáng)度電場(chǎng)315處于微流體通道102中(例如，在微流體通道102中輻射)，并且由電壓源107的(AC)電壓導(dǎo)致。
[0040]在塊420，包括高強(qiáng)度電場(chǎng)315的窄頸部160在對(duì)準(zhǔn)到納米孔103的入口的中間區(qū)域(例如，由微流體通道102中的區(qū)域108所指定)處集中分子119。
[0041]在塊425，在第一腔(微流體通道102)和第二腔(流體基元114)之間施加的(電壓源118的)電壓驅(qū)動(dòng)集中在納米孔103的入口處(例如，在區(qū)域108內(nèi))的分子119通過納米孔103。
[0042]進(jìn)一步，該方法包括:第一腔(微流體通道102)包含在窄頸部160兩側(cè)的左部分(例如，左腔322)和右部分(例如，右腔324)。該方法包括:窄頸部160接合第一腔的左部分(例如，左腔322)和右部分(例如，右腔324)。
[0043]該方法包括當(dāng)左部分和右部分接近窄頸部160時(shí)，左部分和右部分尺寸減少(例如，以便形成微流體通道102的蝶形形狀)。該方法包括:第一腔的窄頸部160包括比第一腔(微流體通道102)的在左部分(例如，在左腔322中流動(dòng)的電流(的密度))中和右部分(例如，在右腔324中流動(dòng)的電流(的密度))中的低電流密度(在最高電流密度310的左右側(cè))高的電流密度(例如，最高電流密度310)。該方法包括:窄頸部160中的較高電流密度(例如，最高電流密度310)對(duì)應(yīng)于(導(dǎo)致)中間區(qū)域(例如，區(qū)域108)處的窄頸部160中的高強(qiáng)度電場(chǎng)(最高丨最強(qiáng)電場(chǎng)315)，以導(dǎo)致在納米孔103的入口處集中分子119。
[0044]該方法包括:分子119被初始填充(例如，通過注射器或其它機(jī)構(gòu))在第一腔的左部分(即，左腔322)和/或右部分(即，右腔324)中，以在納米孔103中被捕獲。該方法包括，由于如本文所討論的，在帶電和非帶電分子119上均有偶極子，高強(qiáng)度電場(chǎng)315(在區(qū)域108處)導(dǎo)致分子119被吸引到與納米孔103對(duì)準(zhǔn)的窄頸部。
[0045]窄頸部160的尺寸被配置/設(shè)計(jì)為(僅)包括單納米孔130。窄頸部160的寬度胃’小于(左部分和右部分的)寬度I的一半(例如，1/3、1/4、1/5、1/6….1/10)。左部分和右部分的寬度以一角度減少，以形成窄頸部160的寬度。
[0046]圖5示出具有功能的計(jì)算機(jī)500的實(shí)例(例如，作為用于測(cè)試和分析的計(jì)算機(jī)裝置的部分)，其可被包括在示例性實(shí)施例中。本文所討論的各種方法、程序、模塊、流程圖、工具、應(yīng)用、電路、元件和技術(shù)也可并入和/或利用計(jì)算機(jī)500的功能。再者，利用計(jì)算機(jī)500的功能以實(shí)施本文所討論的示例性實(shí)施例的特征。利用計(jì)算機(jī)500的一個(gè)或多個(gè)功能，以實(shí)施、連接至、和/或支持本文圖1-4中所討論的任何元件(如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的)。例如，計(jì)算機(jī)500可為任何類型的技術(shù)裝置和/或測(cè)試裝置(包括電流表、電壓源、連接器等)。計(jì)算機(jī)500的輸入丨輸出裝置570 (具有恰當(dāng)?shù)能浖陀布?包括和丨或通過電纜、插頭、線、電極等被耦合至本文所討論的納米裝置。另外，如本文所討論的，輸入/輸出裝置570的通信接口包括硬件和軟件，該硬件和軟件用于通信到、可操作地連接至、讀取和/或控制電壓源、電流表、離子電流、電場(chǎng)等。例如，輸入/輸出裝置570的用戶界面包括跟蹤球、鼠標(biāo)、指點(diǎn)裝置、鍵盤、觸摸屏等，用于與計(jì)算機(jī)500交互，例如對(duì)于每個(gè)堿基、分子、生物分子等，輸入信息、做出選擇、獨(dú)立地控制不同電壓源和/或顯示、查看和記錄離子電流。
[0047]通常地，就硬件結(jié)構(gòu)而言，計(jì)算機(jī)500包括一個(gè)或多個(gè)處理器510、計(jì)算可讀存儲(chǔ)存儲(chǔ)器和通過本地接口通信地耦合的一個(gè)或多個(gè)輸入/輸出裝置(1/0)57(^如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，本地接口可以為，例如但是不限于，一個(gè)或多個(gè)總線或者其它有線或無(wú)線連接。本地接口具有另外的元件，例如控制器、緩沖器(緩存)、驅(qū)動(dòng)器、中繼器和接收器，以能夠通信。進(jìn)一步，本地接口包括地址、控制和/或數(shù)據(jù)連接以能夠在上述組件之間恰當(dāng)通信。
[0048]處理器510為用于執(zhí)行可以存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器520中的軟件的硬件裝置。處理器510幾乎可以為任何定制或者市售的處理器、中央處理單元(⑶扔、數(shù)據(jù)信號(hào)處理器(039)或者與計(jì)算機(jī)500關(guān)聯(lián)的若干處理器中的輔助處理器。
[0049]計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器520可以包括易失存儲(chǔ)器元件(例如，諸如動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器①狀的、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(狀的)和非易失存儲(chǔ)器元件(例如，如1、可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器、電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器、可編程只讀存儲(chǔ)器$801)、帶、光盤只讀存儲(chǔ)器(0)-801)、磁盤、軟盤、帶盒、盒式錄音帶等等)中的任何一個(gè)或組合。再者，存儲(chǔ)器520包含電子、磁性、光學(xué)和/或其它類型的存儲(chǔ)器介質(zhì)。注意，存儲(chǔ)器520可以具有分布式結(jié)構(gòu)，其中各種部件彼此遠(yuǎn)離，但是可以被處理器510存取。
[0050]計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器520中的軟件包括一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的程序，每個(gè)均包括用于實(shí)施邏輯功能的可執(zhí)行指令的有序列表。存儲(chǔ)器520中的軟件包括合適的操作系統(tǒng)(0/3) 550、編譯器540、源代碼530和示例性實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用。如所示，應(yīng)用560包括用于實(shí)施所述示例性實(shí)施例的特征、處理、方法、功能和操作的眾多功能部件。如本文所討論，計(jì)算機(jī)500的應(yīng)用560代表眾多應(yīng)用、代理、軟件部件、模塊、接口、控制器等，但是應(yīng)用560不旨在限制。應(yīng)用560為源程序、可執(zhí)行程序(目標(biāo)代碼〉、腳本或者包括要被進(jìn)行的一組指令的任何其它實(shí)體。
[0051]1/0裝置570包括輸入裝置(或者外圍裝置)，例如但不限制于，鼠標(biāo)、鍵盤、掃描儀、麥克風(fēng)、相機(jī)等。再者，1/0裝置570還包括輸出裝置(或者外圍裝置)，例如但不限制于，打印機(jī)、顯示器等。最后，1/0裝置570進(jìn)一步包括通信輸入和輸出的裝置，例如但不限制于，犯或者調(diào)制器/解調(diào)器(用于訪問遠(yuǎn)程設(shè)備、其它文件、裝置、系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)〉、射頻(即)或其它收發(fā)器、電話接口、橋接器、路由器等。1/0裝置570還包括用于通過諸如因特網(wǎng)或內(nèi)聯(lián)網(wǎng)的各種網(wǎng)絡(luò)來(lái)通信的部件。利用藍(lán)牙連接和電纜(通過，例如，通用串行總線⑴38)端口、串行端口、并行端口、火線、!1011 (高清晰度多媒體接口)等)，1/0裝置570被連接至處理器510和丨或與處理器510通信。
[0052]應(yīng)用560可以被包括在任何計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)520中，以被指令執(zhí)行系統(tǒng)、設(shè)備、月艮務(wù)器或者裝置使用或者與其連接，例如基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)、包含處理器的系統(tǒng)或者可以從指令執(zhí)行系統(tǒng)、設(shè)備或者裝置取出指令并且執(zhí)行指令的其它系統(tǒng)。在本文檔的上下文中，“計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)”可以為可以存儲(chǔ)、讀取、寫入、通信或者傳輸程序以被指令執(zhí)行系統(tǒng)、設(shè)備或者裝置使用或與其連接的任何裝置。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以為，例如但不限制于，電子、磁性、光學(xué)或者半導(dǎo)體系統(tǒng)、設(shè)備或裝置。
[0053]要理解，計(jì)算機(jī)500包括被包括在本文所討論的各種裝置、服務(wù)器和系統(tǒng)中的軟件和硬件部件的非限制性實(shí)例，并且要理解，另外的軟件和硬件部件可被包括在示例性實(shí)施例中所討論的各種裝置和系統(tǒng)中。
[0054]本文所使用的術(shù)語(yǔ)僅用于描述特定的實(shí)施例的目的，不旨在限制本發(fā)明。如本文所用的單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”、“所述”也旨在包括復(fù)數(shù)形式，除非文中另有明確說(shuō)明。要進(jìn)一步理解，在本說(shuō)明書中使用的用語(yǔ)“包括”和/或“包含”詳述所述特征、整數(shù)(106860)、步驟、操作、元素和/或部件的存在，但不排除一個(gè)或者多個(gè)其它特征、總體、步驟、操作、元素部件和/或其組合。
[0055]下面權(quán)利要求中的相應(yīng)的結(jié)構(gòu)、材料、作用及所有裝置或步驟加功能元件的等價(jià)物，均旨在包括用于與其它具體要求保護(hù)的要求權(quán)利的元素相結(jié)合執(zhí)行功能的任何結(jié)構(gòu)、材料或者作用。已經(jīng)介紹的本發(fā)明的描述用于說(shuō)明和描述目的，并非旨在窮盡的或限制于所公開形式的發(fā)明。在不脫離本發(fā)明的范圍和精神下的很多修改和變化對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。選取和描述實(shí)施例以便最佳解釋本發(fā)明的原理和實(shí)際應(yīng)用，以及使得本領(lǐng)域技術(shù)人員理解本發(fā)明針對(duì)所想到的適于特定應(yīng)用的各種修改的各種實(shí)施例。
[0056]這里所描繪的流程圖僅是一個(gè)實(shí)例。在不脫離本發(fā)明的精神下，有很多對(duì)該圖或者步驟(或者操作)的變化。例如，可以不同的順序進(jìn)行這些步驟或者添加、刪除或修改步驟。所有這些變化被認(rèn)為是所要求保護(hù)的發(fā)明的一部分。
[0057]已經(jīng)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，將要理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員，現(xiàn)在或者將來(lái)，可以進(jìn)行落入所附權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)的各種改進(jìn)和提高。這些權(quán)利要求將被解釋為保持對(duì)首次描述的本發(fā)明的合適保護(hù)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于捕獲分子的方法，所述方法包括: 提供通過將第一腔和第二腔分開的膜的納米孔，所述納米孔、所述第一腔和所述第二腔填充有離子緩沖物； 在所述第一腔的中間區(qū)域處提供窄頸部，在所述中間區(qū)域處的所述窄頸部被對(duì)準(zhǔn)到所述納米孔的入口； 將所述窄頸部配置為，與包括低強(qiáng)度電場(chǎng)的所述第一腔的其它區(qū)域相比，所述窄頸部包括高強(qiáng)度電場(chǎng)；以及 將所述窄頸部配置為包括所述高強(qiáng)度電場(chǎng)，所述高強(qiáng)度電場(chǎng)在對(duì)準(zhǔn)到所述納米孔的所述入口的所述中間區(qū)域處集中分子； 其中，在所述第一腔和所述第二腔之間施加的電壓驅(qū)動(dòng)被集中在所述納米孔的所述入口處的所述分子通過所述納米孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一腔包括在所述窄頸部的一側(cè)上的左部分和在所述窄頸部的另一側(cè)上的右部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述窄頸部接合所述第一腔的左部分和右部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，當(dāng)所述左部分和所述右部分接近所述窄頸部時(shí)，所述左部分和所述右部分的尺寸減少。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，與所述第一腔的所述左部分和所述右部分中的低電流密度相比，所述第一腔的所述窄頸部包括較高電流密度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述窄頸部中的所述較高電流密度對(duì)應(yīng)于在所述中間區(qū)域處的所述窄頸部中的所述高強(qiáng)度電場(chǎng)，以在所述納米孔的所述入口處集中所述分子。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述分子被初始填充在所述第一腔的所述左部分和所述右部分中的至少一個(gè)中，以被捕獲在所述納米孔中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述高強(qiáng)度電場(chǎng)導(dǎo)致所述分子被吸引到與所述納米孔對(duì)準(zhǔn)的所述窄頸部。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述窄頸部的寬度為I微米。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述窄頸部的寬度為2微米。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述窄頸部的尺寸被配置為包含單納米孔。
12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述窄頸部的寬度小于所述左部分和所述右部分的寬度的一半。
13.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述左部分和所述右部分的寬度以一角度減少，以形成所述窄頸部的寬度。
14.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述左部分包括低強(qiáng)度電場(chǎng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述右部分包括低強(qiáng)度電場(chǎng)。
16.一種用于捕獲分子的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 通過將第一腔和第二腔分開的膜的納米孔，所述納米孔、所述第一腔和所述第二腔填充有離子緩沖物； 在所述第一腔的中間區(qū)域處的窄頸部，在所述中間區(qū)域處的所述窄頸部被對(duì)準(zhǔn)到所述納米孔的入口； 所述窄頸部包括與包括低強(qiáng)度電場(chǎng)的所述第一腔的其它區(qū)域相比的高強(qiáng)度電場(chǎng)；以及 所述窄頸部包括在對(duì)準(zhǔn)到所述納米孔的所述入口的所述中間區(qū)域處集中分子的所述高強(qiáng)度電場(chǎng)； 其中，在所述第一腔和所述第二腔之間施加的電壓驅(qū)動(dòng)被集中在所述納米孔的所述入口處的所述分子通過所述納米孔。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述第一腔包括在所述窄頸部的一側(cè)上的左部分和在所述窄頸部的另一側(cè)上的右部分。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述窄頸部接合所述第一腔的所述左部分和所述右部分。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，當(dāng)所述左部分和所述右部分接近所述窄頸部時(shí)，所述左部分和所述右部分的尺寸減少。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，與所述第一腔的所述左部分和所述右部分中的低電流密度相比，所述第一腔的所述窄頸部包括較高電流密度。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中，所述窄頸部中的所述較高電流密度對(duì)應(yīng)于在所述中間區(qū)域處的所述窄頸部中的所述高強(qiáng)度電場(chǎng)，以在所述納米孔的所述入口處集中所述分子。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述分子被初始填充在所述第一腔的所述左部分和所述右部分中的至少一個(gè)中，以被捕獲在所述納米孔中。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中，所述高強(qiáng)度電場(chǎng)導(dǎo)致所述分子被吸引到與所述納米孔對(duì)準(zhǔn)的所述窄頸部。
24.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述窄頸部的寬度為I微米。
25.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述窄頸部的寬度為2微米。
26.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述窄頸部的尺寸被配置為包含單納米孔。
27.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述窄頸部的寬度小于所述左部分和所述右部分的寬度的一半。
28.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述左部分和所述右部分的寬度以一角度減少，以形成所述窄頸部的寬度。
29.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中，所述左部分包括低強(qiáng)度電場(chǎng)。
30.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中，所述右部分包括低強(qiáng)度電場(chǎng)。
【文檔編號(hào)】G01N27/447GK104487836SQ201380038979
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2013年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月27日
【發(fā)明者】彭紅波, G·A·斯托洛維茨基, 王德強(qiáng) 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司