特許 7038147 二重細孔制御およびセンサデバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-09

(45)【発行日】2022-03-17

(54)【発明の名称】二重細孔制御およびセンサデバイス

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/00 20060101AFI20220310BHJP

   G01N 33/50 20060101ALI20220310BHJP

   C12Q 1/6869 20180101ALI20220310BHJP

【ＦＩ】

G01N27/00 Z

G01N33/50 P

C12Q1/6869 Z

【請求項の数】 20

(21)【出願番号】P 2019571035

(86)(22)【出願日】2018-06-14

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-08-20

(86)【国際出願番号】 US2018037634

(87)【国際公開番号】W WO2018236673

(87)【国際公開日】2018-12-27

【審査請求日】2021-05-17

(31)【優先権主張番号】62/523,228

(32)【優先日】2017-06-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】321000071

【氏名又は名称】ヌーマ バイオ インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110001243

【氏名又は名称】特許業務法人 谷・阿部特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】レト スタム

(72)【発明者】

【氏名】マイケル サマーズ

(72)【発明者】

【氏名】エリック ソーン

(72)【発明者】

【氏名】ウィリアム ビー．ダンバー

【審査官】村田 顕一郎

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１４－５２９２９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５１５１３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１５４３３７（ＷＯ，Ａ２）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０３１８９６４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／００９９７２６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／００－２７／１０

Ｇ０１Ｎ ２７／１４－２７／２４

Ｇ０１Ｎ ３３／５０

Ｃ１２Ｑ １／６８６９

Ｃ１２Ｍ １／００

Ｃ１２Ｎ １５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

２細孔デバイスであって、
上方チャンバ、中間チャンバ、および下方チャンバであって、前記上方チャンバは、第１のナノ細孔を通して、前記中間チャンバと連通しており、前記中間チャンバは、第２のナノ細孔を通して、前記下方チャンバと連通している、該上方チャンバ、該中間チャンバ、および該下方チャンバと、
前記第１のナノ細孔および前記第２のナノ細孔の各々のための、センシング回路、制御回路、および前記センシング回路、前記制御回路の接続を制御するスイッチであって、
各センシング回路は、対応するスイッチに接続されるとき、対応するナノ細孔の間に定電圧を印加するように構成され、また前記対応するナノ細孔を通り抜けるセンシング電流を測定するようにさらに構成され、
各制御回路は、対応するスイッチに接続されるとき、前記対応するナノ細孔の間に動的電圧を印加するように構成され、前記印加された動的電圧は、前記第１のナノ細孔および前記第２のナノ細孔を横断する荷電されたポリマの制御された動きを決定し、前記印加された動的電圧は、直流バイアス交流電源を使用して印加され、
該センシング回路、該制御回路、および該スイッチと
を備え、
前記センシング電流は、前記制御された動き中に、前記荷電されたポリマから導出されることを特徴とする２細孔デバイス。

【請求項2】

各センシング回路は、トランスインピーダンス増幅器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の２細孔デバイス。

【請求項3】

前記トランスインピーダンス増幅器は、パッチクランプまたは電圧クランプ増幅器のうちの一方であることを特徴とする請求項２に記載の２細孔デバイス。

【請求項4】

各制御回路は、位相ロックループ（ＰＬＬ）を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の２細孔デバイス。

【請求項5】

前記第１のナノ細孔の前記制御回路は、前記第２のナノ細孔の前記センシング回路からのフィードバックに基づいて、振動電圧出力を発生させるように構成されたことを特徴とする請求項４に記載の２細孔デバイス。

【請求項6】

前記振動電圧出力の周波数と前記センシング回路の周波数との間の位相差は、時間とともに固定されることを特徴とする請求項５に記載の２細孔デバイス。

【請求項7】

前記振動電圧出力は、前記第２のナノ細孔の間に前記動的電圧を印加する電圧制御増幅器（ＶＣＡ）に提供されることを特徴とする請求項５または６に記載の２細孔デバイス。

【請求項8】

前記中間チャンバは、前記第１のナノ細孔または前記第２のナノ細孔の少なくとも１つの前記センシング回路および前記制御回路の両方について電気的接続として結合されたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の２細孔デバイス。

【請求項9】

２細孔デバイスであって、
上方チャンバおよび下方チャンバであって、前記上方チャンバは、第１のナノ細孔および第２のナノ細孔を通して、前記下方チャンバと連通している、該上方チャンバおよび該下方チャンバと、
前記第１のナノ細孔および前記第２のナノ細孔の各々のための、センシング回路、制御回路、および前記センシング回路、前記制御回路の接続を制御するスイッチであって、
各センシング回路は、対応するナノ細孔に関連するスイッチに接続されるとき、対応するナノ細孔の間に定電圧を印加するように構成され、また前記対応するナノ細孔を通り抜けるセンシング電流を測定するようにさらに構成され、
各制御回路は、対応するナノ細孔に関連するスイッチに接続されるとき、前記対応するナノ細孔の間に動的電圧を印加するように構成され、前記印加された動的電圧は、前記第１のナノ細孔および前記第２のナノ細孔を横断する荷電されたポリマの制御された動きを決定し、前記印加された動的電圧は、直流バイアス交流電源を使用して印加され、
該センシング回路、該制御回路、および該スイッチと
を備え、
前記センシング電流は、前記制御された動き中に、前記荷電されたポリマから導出されることを特徴とする２細孔デバイス。

【請求項10】

当該デバイスは、前記第１のナノ細孔を含む第１の膜層、前記第２のナノ細孔を含む第２の膜層、および、前記第１の膜層と前記第２の膜層との間の導電性中間層をさらに備えたことを特徴とする請求項９に記載の２細孔デバイス。

【請求項11】

前記導電性中間層は、前記第１のナノ細孔または前記第２のナノ細孔の少なくとも１つの前記センシング回路および前記制御回路の両方について電気的接続として結合されたことを特徴とする請求項１０に記載の２細孔デバイス。

【請求項12】

ポリヌクレオチドをシーケンスするための方法であって、
請求項１に記載の２細孔デバイスの第１のチャンバ内に前記ポリヌクレオチドを含むサンプルをロードするステップと、
第１のナノ細孔の間に第１の電圧を印加するため、前記第１のナノ細孔のセンシング回路を使用することによって前記第１のナノ細孔を通じて前記ポリヌクレオチドを転位させるステップと、
第２のナノ細孔の間に第２の電圧を印加するため、前記第２のナノ細孔のセンシング回路を使用することによって前記第２のナノ細孔を通じて前記ポリヌクレオチドを転位させるステップと、
前記第１のナノ細孔の前記センシング回路によって印加された前記第１の電圧の極性を反転させることによって、前記第１のナノ細孔の間に印加された前記第１の電圧を調整するステップと、
前記第２のナノ細孔に関連するスイッチを前記第２のナノ細孔の前記センシング回路から切り離し、前記スイッチを前記第２のナノ細孔の制御回路に接続することによって、前記第２のナノ細孔の間の前記第２の電圧を調整するステップであって、前記調整された第２の電圧は、前記調整された第１の電圧によって生成された電気力とは反対の電気力を生成し、前記調整された第２の電圧は、直流バイアス交流電源を使用して印加される、該ステップと、
前記ポリヌクレオチドのヌクレオチドを識別するステップと
を備えたことを特徴とする方法。

【請求項13】

前記調整された第２の電圧は、発振制御回路の電圧であり、前記ポリヌクレオチドのヌクレオチドを識別するステップは、
前記印加された発振電圧の初期発振について、前記ポリヌクレオチドのヌクレオチドの第１の転位に対応する前記第１のナノ細孔の間のイオン電流における第１の変化を検出するステップと、
前記印加された発振電圧の継続発振について、前記ポリヌクレオチドのヌクレオチドの第２の転位に対応する前記第１のナノ細孔の間のイオン電流における第２の変化を検出するステップと
を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記調整された第２の電圧は、前記第１のナノ細孔の前記センシング回路によって捕獲されたフィードバック信号に基づいて印加されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記フィードバック信号は、前記第１のナノ細孔の間で測定された電流であり、前記電流は、前記第１のナノ細孔の間のポリヌクレオチドの動きの測定であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記ポリヌクレオチドの動きの測定は、ポリヌクレオチドの位置、速度、又は加速度の１つの測定であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記フィードバック信号は、フィードフォワード又はフィードバックの１つを使用することによって、周波数領域又は時間領域のいずれかにおいて設計されたことを特徴とする請求項１４に記載の方法。

【請求項18】

前記フィードバック信号は、電流の分子誘起された変化を推定するために設計された推定器およびコントローラを使用することによって、設計されたことを特徴とする請求項１４に記載の方法。

【請求項19】

前記調整された第２の電圧は、０．００１Ｈｚと１００ＭＨｚとの間の周波数範囲、および、０．００１ｍＶと１０Ｖとの間の電圧範囲で印加されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。

【請求項20】

前記第１のナノ細孔の前記スイッチが、前記第１のナノ細孔の前記センシング回路に接続され、前記第２のナノ細孔の前記スイッチが、前記第２のナノ細孔の前記センシング回路に接続された、第１の動作モードを含むことを特徴とする請求項１に記載の２細孔デバイス。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

本発明は、二重細孔制御およびセンサデバイスに関する。

【0002】

関連出願の相互参照
本出願は、その全体がこの参照によって本明細書に組み込まれる、２０１７年６月２１日に出願された米国特許仮出願第６２／５２３２２８号明細書の利益を主張する。

【0003】

ナノ細孔は、脂質膜においてタンパク質チャネルとして自然に形成される（生物学的細孔）、または固体基板において開口を穿孔もしくは食刻することによって工作される（固体細孔）、ナノスケール管路である。そのようなナノ細孔が、ナノ細孔によって隔てられた２つのチャンバを備えるナノデバイス内に組み込まれるとき、膜貫通電圧を印加し、細孔を通り抜けるイオン電流を測定するために、パッチクランプまたは電圧クランプシステムなどのセンシングデバイスが、使用されることができる。

【0004】

ナノ細孔は、安価な全ゲノムＤＮＡ塩基配列決定に対するきわめて明るい見通しを提供する。ナノ細孔配列決定に対する２つの障害は、（１）デノボシーケンシングのために核酸内の各ヌクレオチドのアイデンティティを正確に決定するのに十分な感度の不足（単一ヌクレオチド感度の不足）、ならびに（２）センシング中にナノ細孔を通り抜ける各ヌクレオチド単位の配送レートを規制および制御する能力である。配送レートを規制する能力がないことは、単一ヌクレオチド感度の不足と関連付けられることができる、その原因となる問題の１つであるので、これら２つの障害は、しばしば相互に関係する。言い換えると、ＤＮＡが、あまりにも速くセンサを横断して通過していく場合、センサの機能は、損なわれ得る。酵素または光学素子の使用を必要としない、障害２に対処するための既存の方法は、存在せず、それらはともに、特化されたナノ細孔技法だけにおいて機能し、そのことが、電気的方法と比較して、より高い複雑さおよびコストを招く。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【文献】ＩＤＴ ８Ｔ４９Ｎ１０１２

【図面の簡単な説明】

【0006】

開示される実施形態は、詳細な説明、添付の特許請求の範囲、および添付の図（または図面）からより容易に明らかになる、利点および特徴を有する。図についての簡潔な予備解説は、以下の通りである。

【0007】

【図1】一実施形態に従った、２つのナノ細孔を有する例示的なナノ細孔デバイスを示す図である。

【図2A】一実施形態に従った、例示的なナノ細孔デバイスの２つのナノ細孔を組み込んだ例示的な回路を示す図である。

【図2B】一実施形態に従った、例示的なナノ細孔デバイスの２つのナノ細孔を組み込んだ例示的な回路を示す図である。

【図3】一実施形態に従った、各細孔のためのセンシング回路と制御回路からなる選択肢、および各細孔のための２つの選択肢を切り換えるスイッチを有する、例示的な２ナノ細孔デバイスを示す図である。

【図4A】一実施形態に従った、第１の構成における例示的な２ナノ細孔デバイスを示す図である。

【図4B】一実施形態に従った、第２の構成における例示的な２ナノ細孔デバイスを示す図である。

【図5】一実施形態に従った、ポリヌクレオチドなどの分子の配列決定を行うためのフロープロセスを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

概要
本開示は、２つのナノ細孔の各々が、切り換え可能な２つの回路からなる選択肢内に組み込まれた、２ナノ細孔デバイスについて説明する。これ以降、センサ回路と呼ばれる、ナノ細孔を組み込んだ第１の回路は、センシング電圧クランプまたはパッチクランプ増幅器回路を備える。ナノ細孔を組み込んだ第１の回路が、使用されるとき、ナノ細孔は、「イオン電流センシング」ナノ細孔として機能する。これ以降、制御回路と呼ばれる、第２の回路は、第２の回路内に組み込まれたナノ細孔を横断する場の力の大きさおよび方向を制御する、カスタマイズされた回路を備える。様々な実施形態において、制御回路は、位相ロックループ（ＰＬＬ）、または他の何らかの周期的電圧制御波形を備える。制御回路は、また、フィードバック電圧制御のために使用されることができる、第１の回路からの情報（例えば、測定された電流）にアクセスする。この構成においては、センシング回路は、第１のナノ細孔に適用され、一方、最適な細孔通過電圧制御のために設計された、制御回路は、第２のナノ細孔に適用される。２つの回路種類間の切り換えは、任意の時に行われることができる。言い換えると、センサ回路は、第２のナノ細孔に適用されることができ、一方、制御回路は、第１のナノ細孔に適用される。一般に、一方のナノ細孔における制御回路は、他方のナノ細孔を通り抜ける分子の動きに影響を与えるために使用され、それによって、反対のナノ細孔のセンシング回路を使用した、分子の複数の再読を可能にする。様々な実施形態において、２つの異なるナノ細孔において動作させられる制御回路とセンシング回路の組合せは、制御された配送およびセンシング中に、分子を、それがナノ細孔を通り抜けて転位するときに、低速化することによって、上で説明された障害２に対処するために使用されることができる。

【0009】

例示的な２ナノ細孔デバイスは、２つのナノ細孔に入る個々の分子を一度に捕捉するために、およびセンシング回路を使用して、１つのナノ細孔を通り抜ける分子の転位を測定するために、使用されることができる。２細孔デバイスについて説明するそのような実施形態は、第１のチャンバを第２のチャンバと流体的に接続する第１のナノ細孔を備える、第１の膜層と、第２のチャンバを第３のチャンバと流体的に接続する第２のナノ細孔を備える、第２の膜層とを備えることができ、第１のナノ細孔は、第１のナノ細孔の間に定電圧を印加し、第１のナノ細孔を通り抜ける電流を測定する、センサ回路内において接続され、第２のナノ細孔は、第２のナノ細孔の間に動的電圧を印加する、制御回路内において接続される。代替的実施形態においては、第１の細孔は、制御回路に接続され、第２の細孔は、センシング回路に接続される。

【0010】

各ナノ細孔の第１の回路を参照すると、組み込まれた回路は、パッチクランプまたは電圧クランプ増幅器の一方であることができる。第１の回路のＴＩＡは、電圧が一定に設定されたとき、ナノ細孔を横断する一定の場の力を提供し、ナノ細孔を通り抜ける測定された電流は、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質などの分子、およびこれらの分子の任意の組合せ（高分子）の存在および通過を検出する、センシング信号として機能する。これに関して、ＴＩＡ（パッチクランプ、電圧クランプ）は、ナノ細孔分析において使用される、「センシング回路」回路の例である。電圧は、センシング中、一定に設定され、したがって、ナノ細孔において、いずれの通過分子に対する直接的な制御も提供しないが、場の力の影響が及ぶ範囲において、ナノ細孔の通過前、通過中、および通過後に、分子に作用する場の力を印加する。様々な実施形態において、パッチクランプは、電圧作動メカニズムとしてではなく、最適なセンシングのために設計される。

【0011】

各ナノ細孔の第２の回路を参照すると、ＤＮＡ動き制御のために最適化された、制御回路選択肢は、各ナノ細孔において実施されることができ、第１の回路からの測定（例えば、測定された電流）を、捕捉された分子のフィードバック動き制御のためのフィードバック信号として使用することができる。様々な実施形態において、制御回路によって印加される電圧は、第１の回路からのフィードバック信号に依存する、振動電圧信号である。例えば、制御回路によって印加される電圧は、望ましいときは、センサ回路によって集められたフィードバックデータの関数として、調整されることができる。データは、周波数、振幅、位相、イベント持続時間、量、および転位イベント、もしくは転位イベントのシーケンス、または転位イベント内におけるパターン（例えば、イベント内における信号深度の変化として登録するシーケンス固有の署名）に関する他の比較関係を含む。例として、様々な実施形態において、制御回路は、直流バイアスの交流信号源を使用して、動的電圧を印加する。動的電圧は、潜在的には０．００１Ｈｚから１００ＭＨｚの間の広い周波数範囲、および０．００１Ｖから１０Ｖの間の変化する振幅範囲を有し、制御回路によって印加されることができる。他の実施形態においては、印加される電圧および周波数は、他の範囲にあることができる。

【0012】

様々な実施形態において、例えば、電圧変化は、各細孔を備える膜の容量を含む、細孔間のいずれの共有容量も高めるので、センシング回路によって検出される測定された電流は、制御回路によって印加される電圧の変化によって影響される。そのため、センシング信号上に重ね合わされた、電流の分子誘起された変化を推定するために、拡張されたカルマンフィルタ実施を含む、フィルタと推定器が、設計または協調設計されることができる。

【0013】

本明細書においては、荷電されたポリペプチド、ポリヌクレオチド、リン脂質、多糖類、およびポリケチド、または別の種類の分子の１つなどの分子の配列を決定するための方法も、提供される。分子の配列決定を行う方法は、ａ）上述の実施形態のいずれかのデバイスの第１または第２のチャンバの一方に、ポリヌクレオチドを含む試料を入れるステップであって、デバイスは、第１のチャンバと中間層との間に配置された第１のナノ細孔の間に第１の電圧を、また中間層と第２のチャンバとの間に配置された第２のナノ細孔の間に第２の電圧を提供するための、電圧クランプまたはパッチクランプシステムなどの、センサ回路に接続される、ステップと、（ｂ）ポリヌクレオチドがチャンバを通り抜けて移動するように、初期の第１の電圧および初期の第２の電圧を設定し、それによって、ポリヌクレオチドを第１および第２のナノ細孔の両方を横断して配置するステップと、（ｃ）第１の電圧および第２の電圧を調整するステップであって、ポリヌクレオチドが、一方向に、制御された方式で、第１および第２のナノ細孔を通り抜けて移動するように、２つの電圧は、制御された状態の下において、大きさが異なる、ステップと、（ｄ）第１の細孔または第２の細孔において、センシング回路から制御回路に切り換え、その細孔において、まだセンシング回路を使用している他方の細孔（「センシングナノ細孔」）を通り抜けるポリヌクレオチドの高度化された制御された配送のために、制御回路を利用するステップと、（ｅ）センシングナノ細孔を通過するポリヌクレオチドの各ヌクレオチドを識別するステップとを含む。

【0014】

例示的なナノ細孔デバイス
様々な実施形態において、２ナノ細孔１センサ構成を利用するための例示的なナノ細孔デバイス１００は、多チャンバ２細孔デバイスである。図１を参照すると、例示的なナノ細孔デバイス１００は、第１のチャンバ１０５と、第２のチャンバ１１０と、第３のチャンバ１１５とを含む。様々な実施形態において、第１のチャンバ１０５は、ガラスなどの絶縁素材から構成されてよいカバー１７０内に配置される。第３のチャンバ１１５は、ガラスなどの絶縁素材から構成される絶縁層１６０の表面上に生成される。チャンバは、様々な実施形態において、いくつかの選択肢から選択される素材から構成された、２つの膜（１２０ａ、１２０ｂ）によって隔てられる。固体製作プロセスにおいて、膜素材は、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、グラフェン、これらの任意の組合せ、または当技術分野において知られた他の任意の固体素材であることができる。代替物は、生物学的ナノ細孔が挿入されたポリマ膜である。各膜層１２０ａ、１２０ｂは、これ以降、第１のナノ細孔１２５および第２のナノ細孔１３０と呼ばれる、別個のナノ細孔を含む。第１のナノ細孔１２５は、固体ナノ細孔、生物学的ナノ細孔、または電界効果ナノ細孔トランジスタ（ＦＥＮＴ）であってよい。第２のナノ細孔１３０は、それらのシステムのいずれか、またははるかに大きいマイクロ細孔（μｍスケール）であってよい。第１のナノ細孔１２５は、第１のチャンバ１０５と流体的に接続しており、第２のナノ細孔１３０は、第３のチャンバ１１５と流体的に接続している。

【0015】

図１における第１、第２、および第３のチャンバの描写は、一例として示されており、例えば、第１のチャンバが、第２もしくは第３のチャンバの上方に配置されること、またはその反対であることを示していない。２つのナノ細孔１２５、１３０は、それらが、チャンバ間における流体連通を可能にする限り、任意の位置に配置されることができる。また、一態様においては、ナノ細孔は、図１に示されるように、アライメントされる。

【0016】

様々な実施形態において、２ナノ細孔１センサ構成を利用するための例示的なナノ細孔デバイス１００は、２チャンバ２細孔デバイスである。例として、２チャンバ２細孔デバイスは、各々が、それぞれ、第１のナノ細孔１２５および第２のナノ細孔１３０と流体連通している、第１のチャンバと、第２のチャンバとを含むことができる。複数の層が、２つのチャンバを分離することができる。例えば、複数の層は、第１の層と、第２の層と、第１の層と第２の層との間に配置された導電性中間層とを含む。この２チャンバ２細孔デバイスにおいては、第１のナノ細孔１２５と第２のナノ細孔１３０は、導電性中間層内に配置されたチャネルを通して、互いに接続されてよい。チャネルとは、第１のナノ細孔１２５と第２のナノ細孔１３０との間の流体フローを可能にする任意の流体経路のことである。

【0017】

例示的な２細孔１センサ
本開示においては、電圧クランプまたはパッチクランプなどのＴＩＡを含む、センサ回路は、定電圧を印加し、ナノ細孔を横断するイオンの変化を検出するために使用される。加えて、制御回路が、分子の動きを制御するために、ナノ細孔において使用される。図２Ａないし図２Ｂは、各々、２つの実施形態に従った、例示的なナノ細孔デバイスの第１のナノ細孔１２５および第２のナノ細孔１３０を組み込んだ例示的な回路を示している。

【0018】

具体的には、図２Ａは、第１のチャンバ１０５と、第２のチャンバ１１０と、第３のチャンバ１１５とを含む、例示的な多チャンバ２細孔デバイス（図１参照）の回路を示している。この実施形態においては、分子のセンシングおよび制御は、分子の少なくとも一部が第２のチャンバ１１０内に存在する間、生じることができる。加えて、図２Ｂは、第１のチャンバ１０５と、第２のチャンバ１１０と、第１のナノ細孔１２５と第２のナノ細孔１３０との間に配置されたチャネル１５０とを含む、２チャンバ２細孔デバイス１００を示している。この実施形態においては、分子のセンシングおよび制御は、分子の少なくとも一部がチャネル１５０内に存在する間、生じることができる。

【0019】

この実施形態は、２つのナノ細孔を示しているが、回路設計は、３つ以上のナノ細孔に適用されることができる。加えて、図２Ａおよび図２Ｂに示される実施形態に示されるように、例示的な回路は、第１のナノ細孔１２５を組み込んだセンサ回路２２５と、第２のナノ細孔１３０を組み込んだ制御回路２４０とを含む。他の実施形態においては、センサ回路２２５は、代わりに、第２のナノ細孔１３０を組み込んでよく、一方、制御回路２４０は、第１のナノ細孔１２５を組み込む。さらなる実施形態においては、第１のナノ細孔１２５および第２のナノ細孔１３０の各々は、センサ回路と制御回路との間で切り換え可能な回路内に組み込まれてよい。したがって、分子のセンシングおよび制御は、第１のナノ細孔１２５および第２のナノ細孔１３０の両方において、実行されることができる。

【0020】

センサ回路
図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、センサ回路２２５は、１）第２のナノ細孔１３０の間に静的電圧を印加し、２）分子が第２のナノ細孔１３０を通過するときに、センサデータをキャプチャする電圧クランプまたはパッチクランプのうちの一方であってよい。

【0021】

ナノ細孔デバイスは、第１のナノ細孔１２５およびセンサ回路２２５における第２のナノ細孔１３０のための共通電圧を含むことができる。例えば、図２Ａに示される実施形態においては、ナノ細孔デバイスの中間チャンバ１１０は、第１のナノ細孔１２５および第２のナノ細孔１３０のための共通電圧として機能することができる。図２Ｂに示される実施形態においては、２チャンバ２細孔デバイスは、共通電圧として機能することができる、中間導電性層２８０を含んでよい。様々な実施形態において、中間チャンバ１１０の電気的接続は、２つのナノ細孔１２５および１３０の間の２つの膜層１２０ａおよび１２０ｂ内に配置された、金属電極を通して達成される。いくつかの実施形態においては、電気的接続は、中間チャンバ１１０の外部の金属電極への物理的接続を通して達成される。共通電圧ポテンシャルとは、外部システムによって設定された基準電圧のことであることができる。いくつかの実施形態においては、共通電圧は、第１のナノ細孔１２５および第２のナノ細孔１３０のための共通接地である。

【0022】

センサ回路２２５は、第２のナノ細孔１３０を横断して転位する分子（例えば、ＤＮＡなどのポリヌクレオチド）に対応する、センサデータのキャプチャを可能にするようにさらに構成されることができる。一態様においては、センサ回路２２５は、センサデータをキャプチャするための１つまたは複数のセンサをさらに含む。一態様においては、分子、特に、ポリヌクレオチドが通り抜けて転位するときに、第２のナノ細孔１３０を横断するイオン電流を測定するために、センサは、第２のナノ細孔１３０の両側に配置された電極のペアを含む。

【0023】

第２のナノ細孔１３０を横断する測定されたイオン電流は、第２のナノ細孔１３０の形状に依存する。例えば、第２のナノ細孔１３０は、センサ回路２２５内の抵抗Ｒ２を所有する。抵抗Ｒ２は、第２のナノ細孔１３０の形状（例えば、直径）に依存する。抵抗Ｒ２は、第２のナノ細孔１３０を通り抜ける分子の転位をセンスするための、センサ回路２２５によって測定される動的細孔コンダクタンスを表す。

【0024】

いくつかの態様においては、センサは、第２のナノ細孔１３０において、トンネルギャップを形成するように構成され、それは、分子の検出を、トンネルギャップを通り抜けて転位するときに可能にする。分子が、トンネルギャップを通り抜けて移動するとき、センサは、そのとき、分子の個々の構成要素（例えば、ヌクレオチド）を識別することができる。いくつかの実施形態においては、センサは、各ヌクレオチド塩基と異なる非共有結合を形成する試薬を用いて、官能基化される。官能基化されたセンサを用いるトンネルセンシングは、「認識トンネリング」と呼ばれる。認識トンネリングを用いる走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を使用して、短いＤＮＡオリゴマにおいて他の塩基が脇側に位置するＤＮＡ塩基が、識別されることができる。認識トンネリングは、４つのＤＮＡ塩基（Ａ、Ｃ、Ｇ、Ｔ）の各々に、また後成的修飾のせいで自然に発生している塩基５－メチルシトシン（ｍＣ）にも一意的な配向で水素結合するように設計された、「汎用リーダ」も提供することができる。

【0025】

制御回路
制御回路は、同時に、第１のナノ細孔と第２のナノ細孔の両方の中に捕捉された分子（例えば、ＤＮＡポリヌクレオチドおよびタンパク質など）の動きを制御する。一般に、制御回路は、第２のナノ細孔１３０においてセンサ回路によって印加された電圧から生じる場の力とは反対向きの方向性のある場の力を印加する。制御回路は、電圧クランプまたはパッチクランプ回路を組み込まない。代わりに、制御回路は、電圧制御要素を利用する。これらの電圧制御要素は、電圧クランプまたはパッチクランプ増幅器回路（例えば、センサ回路）を用いた場合に可能なものを上回る制御についての性能を提供する。特に、そのような制御要素は、２つのナノ細孔内における分子の動きを正確に制御するように特に構成されることができる、多種多様な波形を提供することができる。さらに、第２のナノ細孔１３０におけるセンサ回路によって検出された電流の測定は、リアルタイムに、制御回路の制御要素のためのフィードバックとして機能することができる。

【0026】

図２Ａまたは図２Ｂのいずれかにおける制御回路２４０を参照すると、それは、電流と電圧の両方を制御するための様々な方法を含むことができる。制御方法は、別々にまたは組み合わされて機能する、電圧制御増幅器（ＶＣＡ）、デジタル制御増幅器（ＤＣＡ）、パルス幅変調器（ＰＷＭ）、振幅制御、または位相ループロック（ＰＬＬ）を含むことができるが、それらに限定されない。一般に、制御回路２４０は、１）第１のナノ細孔１２５の間に動的電圧を印加し、２）第２のナノ細孔１３０を通り抜ける分子の動きを制御する。制御回路２４０は、第１のナノ細孔１２５の間に動的電圧を印加する。印加された動的電圧は、センサ回路２２５によって発生させられた静的力によって与えられる力とは反対向きの分子に作用する力を与え、反対向きの力の強さは、センシング細孔に向かう分子運動のための静的力の強さよりも小さく、または反対向きの力の強さは、制御細孔に向かう分子運動のための静的力の強さよりも大きい。したがって、動的電圧を変化させることは、第２のナノ細孔１３０を通り抜ける分子の動きの方向、および分子の動きのレート（例えば、速度）に対する制御を可能にする。

【0027】

制御回路は、直流（ＤＣ）源または交流（ＡＣ）源と関連付けられた電場を提供するようにも構成されることができる。１つの適用例においては、関連付けられた周波数を有するＡＣ電場による駆動力の印加は、システムのナノ細孔のうちの１つまたは複数における、それらを通り抜ける、またはそれらの間における、ターゲットの位置、速度、および／または加速度を制御するために使用されることができる。

【0028】

制御回路は、動的電圧を印加するために使用されることができる、フィードバックデータを受信することができる。例として、フィードバックデータ（例えば、センサ回路２２５に組み込まれたナノ細孔を通り抜ける測定された電流）は、センサ回路２２５によって検出されることができる。一実施形態においては、フィードバックデータは、センサ回路２２５によってキャプチャされたセンサデータから導出される、分子が第２のナノ細孔１３０を繰り返し前後に通過する周波数（例えば、周期）であってよい。したがって、印加される動的電圧は、分子が、センシング回路２２５によって組み込まれた第２のナノ細孔１３０を前後に通過し続けることを保証することができる。

【0029】

動的電圧を発生させるために、制御回路２４０のＰＬＬは、センシング回路２２５によって検出された測定された電流に対応することができる、フィードバックデータを受信する。誤差信号（例えば、基準信号と周波数データとの間の差）を生成するために、測定された電流は、フィルタリングされ、基準信号と比較されることができる。加えて、リアルタイムに制御電圧信号を調整するために、誤差信号の他のフィルタリングされたバージョンが、使用されることができる。比例誤差項に加えて、誤差信号の１次およびより高次の微分、ならびに／または誤差信号の積分が、フィードバック計算において使用されることができる。基準信号は、事前実験において行われたデータ収集および学習に基づいて、事前に知られていることができ、またはそれは、適応もしくはリアルタイム学習プロセス、もしくはそれらの組合せを通して、実験中に生成されることができる。

【0030】

様々な実施形態において、分子がＤＮＡ分子である場合、例示的な基準信号は、二本鎖ＤＮＡ（ｄｓＤＮＡ）スカフォード上の知られた部位に結合された知られた配列固有のペイロードに一致する、ＤＮＡ信号内の減衰パルスであることができ、各ペイロードは、ペイロードを有さないｄｓＤＮＡ信号レベルに対して、それがナノ細孔を通過するときに、パルスを発生させる。その例においては、望ましい基準パルス周波数は、ナノ細孔を通り抜ける知られたＤＮＡレートに対応することができる。別の基準信号は、フィードバックデータ内の測定された信号の望ましい変化率、すなわち、存在することが事前に知られているかどうかにかかわらず、測定された信号内のイベントを変化させるステップの検出をスピードアップまたはスローダウンさせる変化率に基づくことができる。別の基準信号は、位相ロックループコントローラ回路において使用されることができる、周波数データの望ましい位相に基づく。

【0031】

制御回路２４０は、フィードフォワードまたはフィードバック方向のどちらかにおいて、制御電圧信号をそれの基準信号に対して安定させるように構成された、フィードバックコントローラを含んでよい。様々な実施形態において、フィードバックおよびフィードフォワード制御システムは、例えば、システム識別ツールを使用して識別される、全システムの十分に詳細なモデルを用いて設計および実施されることができる。フィードバックは、（例えば、測定された信号が、定義された基準信号に一致するように）誤差をゼロに近づける。不確実性が存在しても、フィードフォワードは、基準追跡および攪乱排除に役立ち、全システム性能を改善する。フィードバックまたはフィードフォワード信号は、周波数領域（例えば、周波数）または時間領域（例えば、周期）のどちらかにおいて、設計されることができる。

【0032】

図２Ａおよび図２Ｂに示されるものなど、様々な実施形態において、基準信号は、フィードバックデータの位相を決定するために、処理される。位相検出器の出力電圧は、電圧制御発振器（ＶＣＯ）によって出力された電圧信号の位相と、基準信号の位相との間の位相差が、一定に保たれ、それによって、それをネガティブフィードバックシステムにするように、ＶＣＯを制御するために使用される。様々な実施形態において、図２Ａ／図２Ｂに示されるように、フィードバックループは、Ｎによる除算関数など、Ｎ分の１合成器を組み込む。これは、ＶＣＯからの出力が、基準周波数の有理数倍であり、指定された周波数解像度における比較を可能にすることができることを保証する。

【0033】

ＰＬＬからの電圧出力は、振幅制御に基づいて、電圧制御増幅器（ＶＣＡ）によって増幅される。ＶＣＡは、第１のナノ細孔１２５の間に印加されるピーク電圧の制御を提供する。第１のナノ細孔１２５は、第１のナノ細孔１２５の形状（例えば、直径）に依存する、抵抗Ｒ１を所有する。抵抗Ｒ１は、ＰＬＬおよびＶＣＡ出力に対する負荷として機能する、動的細孔コンダクタンスを表す。

【0034】

要するに、第１のナノ細孔１２５を組み込んだ制御回路２４０は、電磁気力回路として機能する。言い換えると、第１のナノ細孔１２５の間に印加される電圧は、中間チャンバ１１０において膜層１２０ａおよび１２０ｂの間に配置された分子と相互作用する、電磁場の力を生成する。印加される力は、第２のナノ細孔１３０の間に印加される電圧の大きさに対する、第１のナノ細孔１２５の間に印加される電圧の大きさの選択を通して、分子をどちらかの方向に（例えば、第２のナノ細孔１３０から離れて、第１のナノ細孔１２５の方に、または第１のナノ細孔１２５から離れて、第２のナノ細孔１３０の方に）向かわせる。制御中、電圧の極性は、細孔の間の中間チャンバからＤＮＡを引き離すように設定され、制御回路の電圧の大きさは、どちらかの方向においてＤＮＡの正味の動きを達成するように、センシング回路によって印加される電圧に対して調整される。したがって、分子と相互作用する電磁場の力を変更する動的電圧の印加は、第２のナノ細孔１３０を通り抜けて繰り返し前後への分子の動きを可能にする。

【0035】

様々な実施形態において、制御回路２４０は、直流（ＤＣ）バイアスのＡＣ信号源を使用して、第１のナノ細孔１２５の間に印加される周期的な電圧の制御メカニズムを利用する。この信号源は、第１のナノ細孔１２５における印加される電圧および結果の電場／電気力の動的調整を可能にする少なくとも２つのパラメータ、すなわち、１）信号源の振幅（または利得）、および２）信号源の周期（または周波数）を調整することができる。

【0036】

デューティサイクル、波形状（正弦、方形、鋸歯）、および停止周期などの、入力電圧信号の他のパラメータも、同様に信号源に適用されてよい。様々な実施形態において、信号源は、ＡＤ９１０２デジタル－アナログ変換器および波形発生器などの、単一のデバイスであってよい。そのようなデバイスは、利得、周期、デューティサイクル、および波形状を制御しながら、広範な（例えば、０．００１Ｈｚから１００ＭＨｚの周波数範囲の）波形を容易に生成することができる。いくつかの実施形態においては、入力電圧信号の波形の広い周波数範囲は、図２Ａ／図２Ｂに示されるような、可変周波数出力位相ロックループ（ＰＬＬ）（または他のクロック発生器）を利用することによって、達成されることができる。ＰＬＬは、可変利得増幅器と直列に配置されることができる。ＰＬＬは、固定周波数であること、またはある範囲（例えば、８ｋＨｚないし２５０ＭＨｚ、非特許文献１参照）を有する可変であることができる。様々な実施形態において、より広い周波数範囲を達成するために、複数のＰＬＬが、直列で制御回路２４０内に含まれることができる。

【0037】

交換可能なセンシングおよび制御回路
様々な実施形態において、２つの細孔の各々において、センサと制御回路からなる選択肢が、利用可能である。図３は、一実施形態に従った、各ナノ細孔ごとのセンシング回路２２５と制御回路２４０からなる選択肢と、各細孔ごとの２つの選択肢を切り換えるスイッチ３１０とを有する、例示的な２ナノ細孔デバイスを示している。特に、第１のナノ細孔１２５は、センシング回路２２５Ａと制御回路２４０Ａの両方からなる第１のセットを含む、第１の全体回路３５０Ａに組み込まれる。加えて、第２のナノ細孔１３０は、センシング回路２２５Ｂと制御回路２４０Ｂの両方からなる第２のセットを含む、第２の全体回路３５０Ｂに組み込まれる。各全体回路３５０は、各全体回路３５０のセンシング回路２２５と制御回路２４０との間の切り換えを可能にする、スイッチ３１０Ａ、３１０Ｂを含む。一実施形態においては、各スイッチ３１０を設定することは、第１のナノ細孔１２５にわたるセンシングと、第２のナノ細孔１３０における制御、またはそれの反対を可能にすることができる。様々な実施形態において、スイッチ３１０Ａ、３１０Ｂは、図３に表示されたのとは異なるように、具体化されてよい。例えば、あるハードウェアコンポーネントは、センシング回路２２５と制御回路２４０との間で共用されてよく、したがって、各スイッチ３１０は、（必要なハードウェアコンポーネントを含む）各回路の機能が、望まれるときに、適切に有効化にされるように、構成されることができる。これらの実施形態は、以下の図４Ａおよび図４Ｂにおいて、さらに詳細に説明される。

【0038】

これらの実施形態においては、第１のナノ細孔１２５および第２のナノ細孔１３０の各々は、１）分子の動きを制御するために動的電圧を印加すること、および２）ナノ細孔を横断する転位イベントに対応するイオン測定を検出することという二重の役割をもって、全体回路３５０内に組み込まれることができる。各全体回路３５０のスイッチ３１０Ａ、３１０Ｂは、各全体回路３５０Ａ、３５０Ｂの役割を設定するために使用される。

【0039】

図３に示されるように、各センシング回路２２５は、センサデータを提供し、一方、各制御回路２４０は、フィードバックデータを受信する。各センシング回路２２５からのセンサデータは、構成選択および信号マルチプレクサによって、受信および処理されることができる。様々な実施形態において、マルチプレクサは、各センシング回路２２５からのセンサデータを受信およびフィルタリングすることができる。例えば、マルチプレクサは、各センサデータからノイズを取り除く。マルチプレクサは、センサデータを、フィードバックデータとして、反対側の全体回路３５０に向かわせる。例えば、センサデータが、第１の全体回路３５０Ａのセンシング回路２２５Ａによって生成された場合、マルチプレクサは、センサデータを、フィードバックデータとして、第２の全体回路３５０Ｂの制御回路２４０Ｂに向かわせる。

【0040】

今から、一実施形態に従って、例示的な２ナノ細孔デバイスを第１および第２の構成でそれぞれ示す、図４Ａおよび図４Ｂを参照する。第１および第２の構成においては、スイッチ３１０は、１つのセンシング回路２２５および１つの制御回路２４０への接続性を制御する。特に、閉じられた回路（ならびに対応するセンサデータおよびフィードバックデータ）は、白いボックスで示され、一方、接続されていない回路（例えば、開いた回路）、ならびに対応するセンサデータおよびフィードバックデータは、影付きボックスで示される。

【0041】

図４Ａを参照すると、２ナノ細孔デバイスの第１の構成とは、第１のスイッチ３１０Ａが、第１の全体回路３５０Ａのセンシング回路２２５Ａを接続しており、第２のスイッチ３１０Ｂが、第２の全体回路３５０Ｂの制御回路２４０Ｂを接続していることである。したがって、第１の全体回路３５０Ａのセンシング回路２２５Ａは、第１のナノ細孔１２５を通り抜ける分子の転位を検出するために使用される。加えて、第２の全体回路３５０Ｂの制御回路２４０Ｂは、分子の動きを制御するために使用される。

【0042】

図４Ｂを参照すると、２ナノ細孔デバイスの第２の構成とは、第１のスイッチ３１０Ａが、第１の全体回路３５０Ａの制御回路２４０Ａを接続しており、第２のスイッチ３１０Ｂが、第２の全体回路３５０Ｂのセンシング回路２２５Ｂを接続していることである。したがって、第１の全体回路３５０Ａの制御回路２４０Ａは、分子の動きを制御するために使用され、一方、第２の全体回路３５０Ｂのセンシング回路は、第２のナノ細孔１３０を通り抜ける分子の転位を検出するために使用される。

【0043】

様々な実施形態において、２ナノ細孔デバイスは、追加の構成で配置されてよい。例えば、第３の構成は、それぞれスイッチ３１０Ａ、３１０Ｂを通して、センシング回路２２５Ａ、２２５Ｂの両方を接続することを含む。したがって、ナノ細孔１２５、１３０それぞれの間にセンシング回路２２５Ａ、２２５Ｂによって印加される静的電圧は、ナノ細孔のうちの一方を通して、２つのナノ細孔の間に配置された中間チャンバ１１０またはチャネル１５０の中に、分子を引き寄せるために使用されることができる。様々な実施形態において、２ナノ細孔デバイスの第３の構成は、分子が、２ナノ細孔デバイスのチャンバ（例えば、第１のチャンバ１０５）内に最初に入れられた後、実施される。

【0044】

別の例として、追加の構成は、それぞれスイッチ３１０Ａ、３１０Ｂを通して、制御回路２４０Ａ、２４０Ｂの両方を接続することを含む。この構成は、ナノ細孔を通り抜ける分子転位をセンシングする追加の方法と併せて、利用されることができる。例として、光学的にタグ付けされてよい分子を光学的に撮像するために、光学補助センサが、実施されることができる。したがって、追加の構成の２つの制御回路２４０Ａ、２４０Ｂは、一方または両方のナノ細孔を通り抜ける分子運動に対するより精細な制御を可能にすることができる。

【0045】

２細孔１センサの動作
一般に、図２Ａ／図２Ｂに示されるような制御回路２４０とセンサ回路２２５、または図３／図４Ａ／図４Ｂに示されるような複数の制御回路２４０Ａ／２４０Ｂとセンサ回路２２５Ａ／２２５Ｂは、センシングおよびデータ収集のために、ＤＮＡセグメントなどの分子の動きを制御するために、２細孔１センサデバイスにおいて一緒に利用されることができる。以降の説明は、第２の構成状態（例えば、第２のナノ細孔１３０を組み込んだセンシング回路２２５Ｂと、第１のナノ細孔１２５を組み込んだ制御回路２４０Ａ）における、２ナノ細孔デバイスを参照するが、説明は、追加の構成状態（例えば、第１の構成状態）に同様に適用されることができる。

【0046】

例えば、図２Ａおよび図２Ｂに示された２細孔デバイスにおいては、制御回路２４０は、センサ回路２２５によって第２のナノ細孔１３０の間に印加された静的電圧によって発生させられた力と反対方向の力を発生させる、動的に変更される電圧を、第１のナノ細孔１２５の間に印加し、動的な大きさは、どちらかの方向における分子の制御された動きという結果となる。特に、第１のナノ細孔１２５の間に制御回路２４０によって印加された電圧は、大きさが、センサ回路２２５によって第２のナノ細孔１３０に印加される電圧から導出される静的力よりも大きい、それに等しい、またはそれよりも小さい、変化する場の力の強さを発生させることによって、分子の動きを導くことができる。したがって、第２のナノ細孔１３０における静的な場の力に対する、第１のナノ細孔１２５における電圧場の力の動的な調整は、中間チャンバ１１０内またはチャネル１５０内のどちらかにおいて、ナノ細孔１２５と１３０の両方の間に配置された分子の動きの正味の方向、および分子の動きのレート（例えば、速度）に対する制御を可能にする。

【0047】

関連する例においては、図２Ａおよび図２Ｂに示される２細孔デバイスにおいて、制御回路２４０は、関連付けられたＡＣ周波数を有するＡＣ電場を使用して、駆動力を印加する。ＡＣ周波数の制御もしくは選択（または駆動力を印加するＡＣ電場の別の態様）は、センサ回路２２５からの情報に基づくことができる。例えば、周波数（例えば、ターゲットがナノ細孔を前後に通過する周波数）、信号の振幅、信号の位相、（例えば、細孔におけるターゲット運動と関連付けられた）イベント持続時間、ターゲットの量、および／またはセンサ回路２２５からの電気信号の他の任意の適切な特徴のうちの１つまたは複数が、制御回路２４０の駆動力を印加するＡＣ電場の態様を動的に調整するために、使用されることができる。したがって、一方のナノ細孔（例えば、第２のナノ細孔１３０）におけるＡＣ源からの駆動力は、ナノ細孔１２５、１３０の間に配置された分子の動きの正味の方向、および分子の動きのレート（例えば、速度）に対する制御を可能にすることができる。

【0048】

特に、制御回路２４０によって印加される動的電圧は、センサ回路２２５によって集められたセンサデータの位相と比較してシフトさせられた、位相を有することができる。したがって、分子が、第１の方向において、第２のナノ細孔１３０を通過するとき、動的電圧によって与えられる力のような、印加される動的電圧の変化は、分子の動きの方向を反対向きにする。分子は、その後、方向を変化させ、（例えば、第１の方向と反対の）第２の方向において、第２のナノ細孔１３０を通過する。ここで、分子の動きの第２の方向を反対向きにするために、動的電圧が、再び変化する。このプロセスは、分子のセグメントの十分な測定が獲得されるまで、分子が前後に第２のナノ細孔１３０を通過することを可能にするために、繰り返されることができる。

【0049】

第２のナノ細孔１３０における静的力と比較して、より小さくなったり、またはより大きくなったりするように、第１のナノ細孔１２５における力を振動させることによって、分子に第２のナノ細孔１３０を繰り返し通過させることによって、分子のセグメントは、センサ回路２２５Ｂによって何回もセンスされることができる。そうすることは、第２のナノ細孔１３０を横断する分子の転位に対応する、検出されるイオン変化の信号を改善することができ、それは、様々な信号処理目的にとって、例えば、ＤＮＡなどの分子の配列決定を改善するために、有益である。ポリヌクレオチドなどの分子が第２のナノ細孔１３０を前後に繰り返し通過することは、ポリヌクレオチドの「フロッシング」と呼ばれる。特に、第２のナノ細孔１３０を通り抜けるＤＮＡセグメント（またはＤＮＡセグメントの一部）のフロッシングは、印加された力（例えば、印加された電圧から導出される電気力）に応答したものであり、第２のナノ細孔１３０を通り抜けるＤＮＡセグメントの転位のレートに対応する、周波数データをさらに含むことができる。例として、周波数データは、初期位置において開始し、第１の方向において第２のナノ細孔１３０を横断して転位し（例えば、中間チャンバ１１０に入り、または中間チャンバ１１０から出て行き）、第１の方向とは反対の方向において、第２のナノ細孔１３０を横断して転位し、初期位置に戻る、単一のヌクレオチド塩基の周期である。

【0050】

図５は、実施形態に従った、ポリヌクレオチドなどの分子の配列決定を行うためのフロープロセスを示している。具体的には、５０５において、ポリヌクレオチドを含む試料が、ナノ細孔デバイス１００の第１のチャンバ１０５内に入れられる。いくつかの実施形態においては、ポリヌクレオチドは、異なるチャンバ（例えば、図２Ａに示されるような第３のチャンバ１１５、または図２Ｂにおける第２のチャンバ１１０）に入れられることができる。５１０において、２ナノ細孔デバイスは、第１のナノ細孔１２５の間に第１の電圧を、また第２のナノ細孔１３０の間に第２の電圧を印加する。様々な実施形態において、これは、２ナノ細孔デバイスを第３の構成状態に配置する（例えば、第１のナノ細孔１２５と第２のナノ細孔１３０の両方が、それぞれ、センシング回路２２５Ａ、２２５Ｂに組み込まれる）ことによって、達成されることができる。したがって、第１および第２の電圧は、各々、センシング回路２２５によって印加される。５１５において、ポリヌクレオチドは、第１のチャンバ１０５から、第１のナノ細孔１２５を通り抜けて、転位する。具体的には、第１のナノ細孔１２５のセンシング回路２２５Ａは、第１のナノ細孔１２５を通り抜けるようにポリヌクレオチドを引き寄せる電気力を発生させる定電圧を、第１のナノ細孔１２５の間に印加することができる。センサ回路２２５は、第１のナノ細孔１２５を通り抜けるイオン電流の変化を測定するように構成されてよい。したがって、ポリヌクレオチドが、第１のナノ細孔１２５を通り抜けて転位したとき、センサ回路は、イオン電流の検出された変化に基づいて、転位イベントを検出する。加えて、５２０において、ポリヌクレオチドは、センサ回路２２５Ｂによって印加された電圧のせいで、第２のナノ細孔１３０を通り抜けて転位する。

【0051】

２ナノ細孔デバイスは、分子の動きの方向を反対向きにする、異なる構成に切り換わってよい。例えば、２ナノ細孔デバイスは、分子の方向性のある動きに応じて、第３の構成状態から第１の構成状態または第２の構成状態に切り換わる。分子が、最初に、第１のチャンバ１０５に入れられた場合、分子は、方向性をもって、第１のチャンバ１０５から退出し、第２のチャンバ１１０または第３のチャンバ１１５に向かって移動していく。したがって、分子の動きを反対向きにするために、２ナノ細孔デバイスは、第３の構成から第１の構成状態（例えば、図４Ａ参照）に切り換わることができる。いくつかの実施形態においては、分子が、最初に、下部チャンバ（例えば、図２Ａおける第３のチャンバ１１５、または図２Ｂおける第２のチャンバ１１０）に入れられた場合、分子は、方向性をもって、第１のチャンバ１０５に向かって移動していく。したがって、分子の動きを反対向きにするために、２ナノ細孔デバイスは、第３の構成から、第２の構成状態（例えば、図４Ｂ参照）に切り換わることができる。

【0052】

以降の説明は、２ナノ細孔デバイスを第１の構成状態に切り換えることを参照するが、第２の構成状態への切り換えに対しても適用されることができる。様々な実施形態において、５２５において、第１のナノ細孔１２５を組み込んだ回路によって印加される第１の電圧が、調整される。具体的には、センシング回路２２５Ａの極性は、それが分子の動きを反対向きにするように、設定される。例えば、センシング回路２２５Ａの極性は、第１の構成状態においては、第３の構成状態における第１の極性から、第１の極性の反対に反転されることができる。加えて、５３０において、第２のナノ細孔１３０を組み込んだ回路によって印加される第２の電圧も、調整される。具体的には、第２の全体回路３５０Ｂの制御回路２４０Ｂは、ポリヌクレオチドが第１のナノ細孔１２５を通り抜けて転位したことを検出したのに応答して、調整された第２の電圧を第２のナノ細孔１３０の間に印加する３２０。一般に、制御回路２４０によって印加された調整された第２の電圧の大きさは、調整された第２の電圧のせいで生じた電気力が、調整された第１の電圧から生じた静的力と反対向きであることができるように、動的に変化している（例えば、振動電圧）。制御回路２４０によって印加される第２の電圧は、ポリヌクレオチドが、第１のナノ細孔１２５を前後に通り抜けて、同様に振動する（例えば、フロッシングする）ことができるように、（例えば、特定の周波数における振幅／大きさを変化させる）特定の波形を有する。ポリヌクレオチドが、振動するとき、センサ回路２２５Ａは、ポリヌクレオチドのヌクレオチド塩基の転位に対応する、第１のナノ細孔１２５を通り抜けるイオン電流の変化を検出することができる。各ヌクレオチド塩基は、ポリヌクレオチドが、第１のナノ細孔１２５を前後に通り抜けてフロッシングするとき、何回も読み取られることができ、それによって、５３５において、ポリヌクレオチドの個々のヌクレオチドのより正確な識別を可能にする。

【0053】

ポリヌクレオチドからの単一のヌクレオチド塩基が、十分に読み取られたとき、ＤＮＡセグメント増加を可能にするために、印加された第２の電圧におけるポリヌクレオチド退出状態が、制御回路２４０Ｂによって適用されることができる。言い換えると、第２の電圧は、一時的に調整されて、後続のヌクレオチド塩基対が、第１のナノ細孔１２５を通り抜けて転位することを可能にすることができ、その時点において、第２の電圧は、元に戻され、後続のヌクレオチド塩基対に第１のナノ細孔１２５を前後に通り抜けてフロッシングさせることができる。制御回路２４０Ｂによって第２のナノ細孔１３０の間に印加された第２の電圧の大きさおよび周波数は、センサ回路２２５Ａによって検出されたイオン電流の測定に対応する周波数情報に従って、適合させることができる。

【0054】

様々な実施形態において、（例えば、フィードバック制御と協力する状態機械または機械学習アルゴリズムを使用する）自動化された機能回路は、センスされたデータを継続的に監視するために、センサ回路２２５Ａおよび制御回路２４０Ｂの両方を制御することができる。したがって、ＤＮＡのセクションは、最適性能のために読み取られることができる。例えば、第１のナノ細孔１２５を通り抜けるＤＮＡ転位イベントに対応するイオン電流が、解消されない場合、制御回路２４０は、第２のナノ細孔１３０の間に印加される電圧の段階的な増加を実行することができる。そうすることは、センサ回路２２５によって印加された静的力に対抗する力を増加させ、それによって、ＤＮＡセグメントの動きを、それが第１のナノ細孔１２５を通り抜けて転位するときに、低速化する。これは、望ましい性能（例えば、信号解像度）が達成されるまで、第１のナノ細孔１２５を横断する各ＤＮＡ転位についての信号対雑音比を改善する。

【0055】

ＤＮＡセグメントをフロッシングし、センシング回路を使用してセグメントを何回もセンスすることは、信号誤差を許容可能なレベルまで低減させることを可能にする。許容可能な正確性を有するコンセンサス配列を達成するために、信号のアライメントが、使用されることができる。いくつかの実施形態においては、後でヌクレオチド塩基対を識別するために使用されることができる、コンセンサス信号を生成するために、複数のＤＮＡ転位に対応する複数の読み取りが、使用されることができる。

【0056】

追加の検討事項
２細孔デバイスを用いて実施される、２細孔デバイスおよび方法の実施形態、変形、および例が、上で説明されたが、説明された本発明の代替的実施形態、変形、および例は、非２細孔デバイスを含むことができる。例えば、変形においては、第２のチャンバ１１０（およびそれの説明された変形）は、単一細孔デバイスの導電性チャネルであることができ、単一細孔デバイスは、（例えば、ゲート電圧による）制御回路と、（例えば、ソース－ドレーン電流フローに関連する）センシング回路とを有し、制御回路とセンシング回路との間で切り換えを行う能力を有する。そのような単一細孔デバイスは、リソグラフィプロセス、穿孔プロセス、または素材の層を貫通するチャネルもしくはチャンバを生成する他の任意の適切なプロセスを用いて、製造されることができる。

【0057】

本発明が、上述の実施形態との関連において説明されたが、上述の説明および例は、本発明の範囲を示すことが意図されており、本発明の範囲を限定しないことが理解されるべきである。本発明の範囲内の他の態様、利点、および変更は、本発明に関係する当業者に明らかである。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】