專利名稱:可編程分子操縱處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及用于與分子相互作用的、具有原子尺度精度的近似探針 (proximal probes)的使用。
背景技術(shù)：
研究發(fā)現(xiàn)繼續(xù)推進(jìn)了對納米技術(shù)的認(rèn)識(shí)?？茖W(xué)家正冒險(xiǎn)進(jìn)入幾乎無法形容的微小 的領(lǐng)域。在納米技術(shù)中，每件事物都可以依據(jù)原子相互作用來描述。在這些尺度上，生物學(xué) 和物理學(xué)之間的區(qū)別是模糊的，這增加了納米技術(shù)的難度，這是因?yàn)?，盡管有許多進(jìn)步，但 是相應(yīng)學(xué)科的科學(xué)家正在侵入彼此的研究領(lǐng)域。例如，為了構(gòu)造微小的電子電路，一些物理 學(xué)家已經(jīng)試圖通過使無生命的物質(zhì)以類似于生物學(xué)過程的方式組合自己來模仿自然界。
在原子級別上對物質(zhì)進(jìn)行的操縱不是新的。在1981年，瑞士蘇黎士的IBM研究工 作實(shí)驗(yàn)室(IBM Research Laboratory)的GerdBinnig和Heinrich Rohrer發(fā)明了掃描隧道 顯微鏡(scanning tunnelingmicroscope, STM)并且被授予該專利(美國專利4，343，993， 通過引用將其整個(gè)包括在此用于任何目的)，該掃描隧道顯微鏡大大推進(jìn)了在原子級別上 理解微觀世界的能力。STM的關(guān)鍵部件是由諸如鎢之類的金屬制成的非常尖的尖端(tip)， 該尖端安裝在于三維空間中控制該尖端位置的壓電元件陣列上。STM可以依照諸如相對于 表面的納米量級來非常精確地空間控制該尖端。在這樣微小的距離處，電流可以在尖端和 表面之間隧道穿過。在尖端越過樣本的表面移動(dòng)時(shí)，調(diào)整其高度以便將隧道效應(yīng)電流保持 為恒定量，從而使得STM可以對樣本中的表面原子的電子云進(jìn)行成像。利用諸如金屬和半 導(dǎo)體之類的無機(jī)材料表面的圖片，STM給予了科學(xué)家他們對納米世界的第一印象。這個(gè)工 作為Binnig和Rohrer在1986年贏得了諾貝爾獎(jiǎng)。
盡管它的性能很強(qiáng)，但是STM局限于對導(dǎo)電材料成像。為了克服這個(gè)限制，Birmig 及其他人開發(fā)了被稱為原子力顯微鏡(AFM)的、與STM相關(guān)的設(shè)備。這個(gè)現(xiàn)在眾所周知的 設(shè)備使用安裝在極小的、微型制造的懸臂末端的微小尖端來感測樣本的外形。不是使用隧 道效應(yīng)電流，而是通過使尖端和樣本表面實(shí)際接觸來掃描樣本，而且在納米級尖的尖端和 樣本表面之間的原子力相互作用使懸臂產(chǎn)生樞軸偏轉(zhuǎn)。AFM測量為保持恒定接觸力所需要 的微小的向上和向下偏轉(zhuǎn)。因?yàn)锳FM依賴于接觸力，所以它可用于對諸如有機(jī)或者絕緣材 料之類的不導(dǎo)電材料進(jìn)行成像。
已經(jīng)開發(fā)了 STM和AFM的其它變體。這些設(shè)備可以在分子級探測材料的其它方面， 諸如磁和靜電力、范德瓦爾斯(van der Waals)相互作用、溫度變化、光學(xué)吸收、近場光學(xué)和 聲學(xué)。這些設(shè)備被集體稱為“近似探針”；在Science第247卷第634-636頁(1990)上由 Pool所著的“Children of the STM”中描述了各種這樣的探針。
一旦科學(xué)家看得見單個(gè)原子，他們就禁不住要操作它們。近似探針設(shè)備已經(jīng)被 用于實(shí)質(zhì)上通過用掃描尖端拾取它們?nèi)缓笠苿?dòng)它們來操縱原子和分子；例如，參見Nature 第 344 卷第 524-526 頁(1990)上由 D. M. Eigler 和 E. K. Schweizer 所著的 “Positioning Single Atomswith a Scanning Tunneling Microscope”,其描述了在銀基板上定位氣原子以形成大寫字母“IBM”。其它STM圖像可以在Physics Today第46卷第11期第17-19頁 (1993)上的 “STM Rounds Up Electronffaves at the QM Corral” 中找到。
IBM等已經(jīng)開發(fā)了近似探針技術(shù)的新應(yīng)用。Birmig和蘇黎士的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在“千足 蟲(millipede) ”存儲(chǔ)系統(tǒng)中創(chuàng)建了具有超過一千個(gè)的微小尖端的納米刷，其中每個(gè)尖端都 在它自己的懸臂上。使用加熱器懸臂，在聚合材料中構(gòu)造凹部；這樣的熱機(jī)械記錄已經(jīng)表明 具有每平方英寸400千兆字節(jié)的存儲(chǔ)密度。尖端同樣用于讀取凹部；已經(jīng)表明了有每秒幾 兆字節(jié)讀取和每秒100千字節(jié)寫入的數(shù)據(jù)速率，如Birmig及其他人在“Ultrahigh-density Atomic Force Microscopy Datastorage with Erase Capability，， (Applied Physics Letter,第74卷第9期第1329-1331頁，1999年3月1日)和Vettinger及其他人在 “TheMillipede—More Than One Thousand Tips for Future AFM Datastorage，， (IBM Journal of Research&Development，第 44 卷第 3 期第 323-340 頁，2000 年 5 月)中所述的 那樣。在 Allenspach 及其他人的美國專利 6,680,808 "Magnetic Millipede for Ultra High DensityMagnetic Storage”中描述了使用磁基板的磁千足蟲，該專利通過引用整個(gè) 包括在此用于任何目的。
雖然Birmig的大多數(shù)工作已經(jīng)基于力學(xué)原理，但是其他人正使用自然過程來領(lǐng) 會(huì)如何操縱物質(zhì)。得克薩斯大學(xué)(the University ofTexas)的Angela Belcher已經(jīng)使 用了蛋白質(zhì)來構(gòu)造新的半導(dǎo)體材料。例如，她研究了鮑魚殼，鮑魚殼盡管由兩種白堊構(gòu)成， 但是強(qiáng)度卻是巖石中發(fā)現(xiàn)的白堊的3000倍；由鮑魚的RNA產(chǎn)生的蛋白質(zhì)確定了如何最佳 地排列白堊分子。使用這個(gè)理解，她已經(jīng)組合了一組蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)以各種方式控制 晶體生長。這個(gè)研究中的一些在"Selectionof Peptides with Semiconductor Binding Specificity for DirectedNanocrystal Assembly，，(Nature 第 405 卷第 666-668 頁，2000 年6月8日)中描述了。
類似于 Belcher,如美國專利 5，605，662 "Active ProgrammableElectronic Devices for Molecular Biological Analysis and Diagnosis，，中所述，Heller 等人已經(jīng) 使用了化學(xué)鏈來和其他分子進(jìn)行相互作用。在Heller等人中，由微位置(比單個(gè)分子的大 小大很多)陣列將鏈保持在適當(dāng)位置，其中該微位置被設(shè)置為在每個(gè)點(diǎn)上保持不同的化學(xué) 試劑，而化學(xué)試劑隨后又綁定到所關(guān)注的分子上。雖然這允許關(guān)注在哪個(gè)區(qū)域內(nèi)集中什么 分子的可編程性，但是它不能單個(gè)地操縱分子而是成塊地進(jìn)行操縱。Belcher和Heller等 人沒有直接地操縱分子，而是使用分析物、蛋白質(zhì)或者它們的等效物來間接地影響分子。
研究人員還提出了把有機(jī)分子的選擇質(zhì)量和近似探針的定位精度相結(jié)合。Eric Drexler ^ Nanosvstems :Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation (1992 年Wiley Interscience出版)中提出了這樣的AFM，其在探針表面上具有多個(gè)包含有機(jī) 分子的珠狀束縛工作點(diǎn)(bead bound worksites)。康奈爾大學(xué)(Cornell University)的 Harold Craighead和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將抗體附著于懸臂上的近似探針上。利用這個(gè)設(shè)備，他 們可以檢測具體細(xì)菌的存在。如果存在細(xì)菌，則抗體與細(xì)菌結(jié)合；隨著探針由于細(xì)菌的累積 而過重，振動(dòng)懸臂的共振頻率改變了。
在生物中，大多數(shù)的操縱由DNA、RNA、和特殊蛋白質(zhì)所驅(qū)動(dòng)，它們根據(jù)這樣的 原理工作，即，創(chuàng)建與要被操縱的分子上的電荷的互補(bǔ)模式緊密匹配的電荷的靜電模式 (electrostatic pattern)，由此允許恰當(dāng)?shù)姆肿颖桓街诿?、催化劑、或者其它操縱分子
8上。提供使用近似探針技術(shù)執(zhí)行類似類型的分子操縱的能力，將會(huì)是有利的。
發(fā)明內(nèi)容
給出了一種用于使用近似探針集操縱分子的方法、設(shè)備、系統(tǒng)、和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn) 品，其中這些近似探針諸如為在原子力顯微鏡、靜電力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡等中使用的 近似探針。將靜電模式放置到該近似探針集中的兩個(gè)或更多近似探針構(gòu)成的子集上，以便 使該近似探針子集中的每個(gè)近似探針的端部分施加靜電力。使用由靜電模式施加的靜電力 捕獲分子，在這之后，在分子保持由該近似探針集捕獲的同時(shí)，可以操縱該分子。修改該靜 電模式，以便在該近似探針集中的兩個(gè)或更多近似探針構(gòu)成的不同子集上創(chuàng)建不同的靜電 模式，從而使得在分子保持由該近似探針集捕獲的同時(shí)分子在該近似探針集上移動(dòng)和/或 旋轉(zhuǎn)。在分子保持由該近似探針集捕獲的同時(shí)，靜電模式可用于彎曲或者拆分分子，由此允 許系統(tǒng)使分子參與化學(xué)反應(yīng)，例如，起到合成催化劑或者合成酶的作用。
還可以作為整體機(jī)械和/或電學(xué)地操縱一個(gè)或多個(gè)近似探針集。在操縱近似探針 集時(shí)，所捕獲的分子與該近似探針集一起移動(dòng)，由此可通過機(jī)械作用或者通過化學(xué)反應(yīng)修 改所捕獲的分子。
在所附的權(quán)利要求
書中闡述了被認(rèn)為是本發(fā)明特性的新穎特征。通過參考結(jié)合附 圖閱讀的下列詳細(xì)說明，將最好地理解發(fā)明本身、其進(jìn)一步的目標(biāo)及優(yōu)點(diǎn)，在附圖中
圖1描述了示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、用于控制近似探針陣列塊的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 的框圖；
圖2描述了示出用于在本發(fā)明的分子操縱系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式中的使用的、具有導(dǎo)電 微尖端的近似探針的圖示；
圖3描述了示出用于形成在本發(fā)明的分子操縱系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式中使用的、具有導(dǎo) 電微尖端的玻璃絕緣的近似探針的方式的圖示；
圖4描述了示出用于在本發(fā)明的分子操縱系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式中使用的、具有包含導(dǎo) 電微尖端的懸臂的近似探針的圖示；
圖5描述了示出被組合在一起以形成根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的近似探針陣列塊的一 組近似探針的框圖；
圖6描述了示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、給出面對所捕獲分子的電子云的靜電模式 的一維近似探針陣列的圖示；
圖7描述了示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一維近似探針陣列塊的正面且邊緣上 (edge-on)的視圖的圖示；
圖8描述了示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、可以給出試圖捕獲目標(biāo)分子的靜電模式的 二維近似探針陣列的圖示，其中該目標(biāo)分子呈現(xiàn)出包含偏振位置的電子云；
圖9描述了示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的二維近似探針陣列塊的正面且邊緣上 (edge-on)的視圖的圖示；
圖10描述了示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、給出面對所捕獲分子的電子云的靜電模 式的二維近似探針陣列中的單個(gè)行的圖示；[0025]圖11描述了示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、可用于捕獲目標(biāo)分子的一對并列的二維 近似探針陣列塊的圖示；
圖12描述了示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、可用于捕獲目標(biāo)分子的一對相對的二維 近似探針陣列塊的圖示；
圖13描述了示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、用于使用近似探針陣列來操縱分子的處 理的流程圖；
圖14描述了示出試圖捕獲和保持作為薄膜沉積在表面上的一組目標(biāo)分子之一的 近似探針陣列塊的圖示；
圖15A-15C描述了這樣一組圖示，其示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、使用近似探針 陣列來在短時(shí)間段上轉(zhuǎn)換靜電模式的方法；
圖16A描述了示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、使用近似探針陣列塊來移動(dòng)目標(biāo)分子的 方法的圖示；
圖16B描述了示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、使用近似探針陣列塊來彎曲或者撓曲 (flex)目標(biāo)分子的方法的圖示；
圖16C描述了示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、使用近似探針陣列塊來扭曲或者轉(zhuǎn)動(dòng) (pivot) 一部分目標(biāo)分子的方法的圖示；
圖16D描述了示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、使用近似探針陣列塊來破壞目標(biāo)分子的 方法的圖示；
圖17描述了示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、使用近似探針陣列通過結(jié)合兩個(gè)目標(biāo)分 子來創(chuàng)建分子的方法的圖示；
圖18描述了示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、使用多個(gè)近似探針陣列通過結(jié)合兩個(gè)目 標(biāo)分子來創(chuàng)建分子的方法的圖示；
圖19描述了示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、在近似探針陣列中的近似探針端部上的 一對懸臂尖端的圖示，其中撓曲(flex)該尖端以拆分所捕獲的分子；
圖20描述了示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一對并列的近似探針陣列塊的圖示，其 中移動(dòng)近似探針陣列塊來拆分所捕獲的分子；
圖21描述了示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一對相對的近似探針陣列塊的圖示，其 中移動(dòng)近似探針陣列塊來拆分所捕獲的分子；
圖22描述了示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一對相對的近似探針陣列塊的圖示，其中 移動(dòng)近似探針陣列塊之一來撓曲所捕獲的分子；
圖23描述了示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、使用近似探針陣列塊來操縱目標(biāo)分子的 方法的圖示，其中近似探針陣列塊具有自包含的修改機(jī)制；以及
圖24A-24I描述了示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、使用近似探針陣列塊進(jìn)行的多個(gè)分 子操縱的一組圖示。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在參考圖1，該框圖描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、用于控制近似探針陣列塊的數(shù) 據(jù)處理系統(tǒng)。與現(xiàn)有技術(shù)中近似探針的使用相反，本發(fā)明在可編程分子操縱系統(tǒng)100中采 用了兩個(gè)或更多近似探針構(gòu)成的集合；近似探針的排列被稱為“近似探針陣列”。在優(yōu)選實(shí)施例中，近似探針集以規(guī)則或者統(tǒng)一的方式排列，以便形成近似探針陣列；在替換實(shí)施例 中，近似探針集可以具有不規(guī)則的間距或者探針間(iner-probe)間隙。此處的示范性附圖 將近似探針描述為四面體，但是本發(fā)明可以使用具有不同形狀和大小的近似探針來實(shí)現(xiàn)。 例如,在Bayer等人的于2000年7月18日公布的美國專利6，091，124 "Micromechanical sensor for AFM/STM profilometry”中，公開了一種類型的近似探針，該專利通過引用 被整個(gè)包括在此用于任何目的；在Doezema等人的于2001年3月6日公布的美國專利 6, 198, 300 "Silicided silicon microtips for scanning probe microscopy，，中，公開了 一種不同類型的近似探針，該專利通過引用被整個(gè)包括在此用于任何目的。作為另一個(gè)示 例，每個(gè)近似探針可以包含至少一個(gè)由碳形成的巴基管(buckytube)或者納米管、硅納米 管、或者由某些其他元素構(gòu)成的納米管，以及聚合物。
近似探針102的組合體形成了近似探針陣列塊(一個(gè)或多個(gè))104，其除了包括近 似探針本身之外，還可以包含支撐結(jié)構(gòu)和/或支持電路；本發(fā)明的實(shí)施例可以采用多個(gè)近 似探針陣列塊，每個(gè)塊與一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器/伺服機(jī)構(gòu)106相關(guān)聯(lián)，以便使近似探針陣列塊 可以在至少一個(gè)空間維度(但是優(yōu)選為三個(gè)空間維度)上平移，以及沿著三個(gè)空間軸旋轉(zhuǎn)。 應(yīng)當(dāng)注意到，此處描述的附圖不是按比例繪制的。
計(jì)算機(jī)108將命令發(fā)送到致動(dòng)器控制器110，其控制陣列塊致動(dòng)器(一個(gè)或多 個(gè))106。計(jì)算機(jī)108具有人機(jī)接口，其具有顯示監(jiān)視器和輸入設(shè)備以便允許用戶操作該分 子操縱系統(tǒng)100 ；用戶還可以調(diào)用在計(jì)算機(jī)108上執(zhí)行的專用軟件應(yīng)用，以便使分子操縱系 統(tǒng)100的使用自動(dòng)化。本發(fā)明可以使用不同類型的致動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)、或者壓電控制器 (它們允許可能利用激光幫助的引導(dǎo)來管理在原子尺度上的移動(dòng))來實(shí)現(xiàn)。例如，在Mamin 等人的于1999年1月5日公布的美國專利5,856,967 "Atomic force microscopy data storage system withtracking servo from lateral force-sensing cantilever，，中，公 開了 一種類型的伺服控制器，該專利通過弓I用被整個(gè)包括在此用于任何目的。
除了通過移動(dòng)其中組合了近似探針的近似探針陣列塊來移動(dòng)近似探針之外，如下 文中更詳細(xì)描述的那樣，近似探針還可以被實(shí)現(xiàn)為包含懸臂。如果這樣包括了懸臂，則通過 可以由計(jì)算機(jī)108命令控制的懸臂控制器112來控制與近似探針相關(guān)聯(lián)的每個(gè)懸臂。
本發(fā)明的可編程分子操縱系統(tǒng)采用經(jīng)由近似探針的靜電力以便操縱分子。也可以 由計(jì)算機(jī)108命令控制的靜電控制器114控制由每個(gè)近似探針經(jīng)受的電壓量(可能還包括 其他物理量，諸如電流)，由此如下文中更詳細(xì)描述的那樣，控制由每個(gè)近似探針的尖端給 出的靜電力。此外，計(jì)算機(jī)108可以與其它控制器元件一起工作。靜電控制器114或者某 個(gè)其它的控制器還可以提供對分子的磁操縱，以便主要通過靜電力幫助操縱分子或者直接 操縱分子；例如，近似探針可以包含導(dǎo)電材料的小型回路，其攜帶電流以便向分子給出小型 磁場。
現(xiàn)在參考圖2，該圖描述了在本發(fā)明的分子操縱系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式中使用的、具有導(dǎo) 電微尖端的近似探針。如上所述，本發(fā)明的近似探針可以用各種形式實(shí)現(xiàn)。圖2描述了不 包含懸臂的近似探針的尖端，而圖4描述了包含懸臂的近似探針的尖端；在所有情況下，近 似探針的尖端是指近似探針中的、顯現(xiàn)靜電電荷以便向分子給予靜電力的部分。然而，在下 文中對附圖的描述可能簡單地描述了近似探針顯現(xiàn)靜電電荷，而不涉及在近似探針末端的 尖端。參見圖2，尖端200包含形成原子級尖銳的微尖端的導(dǎo)電線/引線202 ；導(dǎo)電引線202
11位于絕緣材料或者半導(dǎo)體材料204內(nèi)的中心。在圖2中，為了說明的目的，已經(jīng)截?cái)嗔思舛?200 ；圖2示出了尖端200的側(cè)視圖或者尖端200的中心切圖。
現(xiàn)在參考圖3，該圖描述了用于形成在本發(fā)明的分子操縱系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式中使用 的、具有導(dǎo)電微尖端的玻璃絕緣的近似探針的方式。玻璃棒300包含位于玻璃棒300內(nèi)的 中心的導(dǎo)電引線/線302。在區(qū)域304中加熱玻璃棒300以使它變軟和易彎曲，并且拉伸 它以伸長區(qū)域304，由此使得玻璃棒300和它的導(dǎo)電引線/線302在區(qū)域304中變薄很多。 可以在區(qū)域304內(nèi)剪切玻璃棒300，以便形成微尖端，其中，例如類似于圖2所示的那樣，僅 僅露出導(dǎo)電線302的微小部分。關(guān)于圖3描述的處理可以同時(shí)在多個(gè)玻璃棒上執(zhí)行，以便 更有效地制造多個(gè)近似探針的組合體；換句話說，如上所述，可以在一次操作中制造近似探 針陣列塊。
現(xiàn)在參考圖4，該圖描述了在本發(fā)明的分子操縱系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式中使用的、具有帶 有導(dǎo)電微尖端的懸臂的近似探針。尖端400包含在懸臂404的末端形成原子級尖銳的微尖 端的導(dǎo)電引線402 ；導(dǎo)電線/引線402包含在懸臂404的絕緣材料或者半導(dǎo)體材料內(nèi)。在 圖4中，為了說明的目的，已經(jīng)截?cái)嗔思舛?00 ；圖4示出了尖端400的側(cè)視圖或者尖端400 的中心切圖。懸臂基座406包含用于移動(dòng)懸臂404的結(jié)構(gòu)，其可以用各種不同的方式實(shí)現(xiàn)。 在Itoh等人的于2003年1月14日公布的美國專利6，507，197 "Electrostatic force detector withcantilever for an electrostatic force microscope，，中，公開了用于靜 電近似探針上的懸臂的信息，該專利通過引用被整個(gè)包括在此用于任何目的；在上面引用 的美國專利5，856，967中公開了涉及用于近似探針的懸臂結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步詳細(xì)細(xì)節(jié)。
參考圖5，該框圖描述了被組合在一起以形成根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的近似探針陣列 塊的一組近似探針。圖5還說明了其中圖2和圖4所述的近似探針可以組在一起以形成如 圖1所述的近似探針陣列塊的方式。近似探針502被組合起來以形成近似探針陣列塊504。 然而，應(yīng)當(dāng)注意到，近似探針陣列塊不一定是通過各個(gè)近似探針的聚集而形成的。此外，近 似探針陣列塊可以使用光刻法、氣體沉積、激光燒蝕、或者某種其它技術(shù)制造。
來自每個(gè)近似探針的導(dǎo)電線/引線連接到支持電路；圖5描述了近似探針陣列 塊504內(nèi)的支持電路506，但是支持電路可以位于近似探針陣列塊的外部，以便使得僅僅導(dǎo) 電連接位于近似探針陣列塊內(nèi)部。導(dǎo)電線/引線可以包含用于在近似探針的尖端處放置 (艮P，應(yīng)用或者引起)靜電勢的導(dǎo)線、用于控制近似探針的懸臂的導(dǎo)線、用于傳感器的導(dǎo)線、 用于近似探針結(jié)構(gòu)的操縱控制的導(dǎo)線、用于近似探針陣列塊中的一部分基板的操作控制的 導(dǎo)線、和/或用于其它目的的導(dǎo)線。支持電路506將根據(jù)需要連接到較高級的控制器，諸如 圖1所示的那些控制器。近似探針502被并置，這可能意味著它們彼此接觸或者它們之間 具有間距，這是因?yàn)?，它們被嵌入到可以包含各種類型材料的材料層、塊、或者基板內(nèi)，附著 于其上，或者由其保持；在任何情況中，都可以假定每個(gè)近似探針中的導(dǎo)電線與其他近似探 針中的導(dǎo)電線電絕緣，而不管近似探針是否彼此接觸。
近似探針陣列塊504可以這樣制造，以便使近似探針502和/或近似探針502之 間的間距根據(jù)要使用近似探針陣列塊504操縱的分子的幾何形狀的需要來定位。此外，該 附圖將近似探針描述為具有相等的長度或者高度，但是在任何近似探針陣列塊中的近似探 針可以酌情具有不相等的長度或者高度以適合于目標(biāo)分子的幾何形狀。
該附圖還將近似探針陣列塊的基板描述為是平面的，但是近似探針陣列塊可以具有非平面的表面，以便使近似探針陣列塊具有實(shí)質(zhì)上凹陷、凸起、或者更復(fù)雜的形狀。近似 探針陣列塊的基板還可以包含這樣的結(jié)構(gòu)，其如下面進(jìn)一步闡述和說明的那樣，可以被控 制以便增加或者減小在近似探針陣列塊中的近似探針子集之間的間距，或者增加或減小近 似探針的子集距離近似探針陣列塊基板的長度或者高度。近似探針陣列塊的基板不一定由 單個(gè)材料構(gòu)成，而且該基板可以包含由不同材料構(gòu)成的不同部分。
現(xiàn)在參見圖6，該圖描述了在本發(fā)明的分子操縱系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式內(nèi)、給出面對所捕 獲分子的電子云的靜電模式的一維近似探針陣列。如上所述，本發(fā)明的可編程分子操縱系 統(tǒng)采用經(jīng)由近似探針的靜電力來實(shí)現(xiàn)對分子的操縱。然而，在可以操縱分子之前，將分子吸 引到近似探針陣列并且由近似探針陣列捕獲該分子；針對圖6中的圖示描述了在由近似探 針陣列操縱分子之前將分子吸引到近似探針陣列的基礎(chǔ)。
近似探針陣列塊602包含一組近似探針。在某一時(shí)間點(diǎn)上，例如，使用圖1所示的 部件，有目的地對一些近似探針靜電充電。通過例如使用圖5所示的并且最終由諸如圖1 所示的計(jì)算機(jī)108之類的設(shè)備控制的支持電路506，將電壓應(yīng)用、施加、或者引入到近似探 針尖端上的導(dǎo)電材料上，將靜電電荷引入或者顯現(xiàn)(即，展現(xiàn))或者暴露給外部實(shí)體。在每 個(gè)近似探針上應(yīng)用的電勢的極性確定了由每個(gè)近似探針暴露的靜電電荷的極性；一些近似 探針保持中性，是因?yàn)槲磳㈦妷菏┘拥侥切┙铺结樕?。因此，?dāng)將電勢施加到該組近似探 針上時(shí)，由該組近似探針給出靜電模式604。
近似探針陣列塊602以某種方式暴露于一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)分子。例如，近似探針陣 列塊602可以被插入到反應(yīng)容器中，該反應(yīng)容器可以是保持低溫、低壓氣體的簡易容器。作 為選擇，該容器保持液態(tài)形式的目標(biāo)分子，或者優(yōu)選為通過使用呈現(xiàn)出比水更低的偶極矩 的溶劑，將目標(biāo)分子懸浮在液體溶液內(nèi)；在Gemma等人的于1994年7月12公布的美國專利 5，329，236 "Apparatus for estimating charged andpolarized states of functional groups in a solution”中，描述了靜電力顯微鏡在液體溶液內(nèi)的使用，該專利通過引用被 整個(gè)包括在此用于任何目的。在另一個(gè)替換方案中，目標(biāo)分子作為薄膜或者層保持在可以 是容器表面的基板上；在1992年3月19日的Nature第356卷第266-267頁上由Houston 等人所著的“The Interfacial-Force Microscope”中，公開了表面張力顯微鏡相對于薄膜 的使用，該文章通過引用被整個(gè)包括在此用于任何目的。優(yōu)選為，支撐目標(biāo)分子薄膜的基板 將相對于目標(biāo)分子呈現(xiàn)出相對小的吸引力，以便近似探針陣列可以捕獲目標(biāo)分子，而不用 采用顯著的力來克服基板的吸引力。
近似探針陣列的使用可以分為如下的時(shí)間段首先是其中由近似探針陣列捕獲目 標(biāo)分子的捕獲階段或者操作方式；其次是其中由近似探針陣列操縱目標(biāo)分子的操縱階段； 第三是其中從近似探針陣列中釋放附著于近似探針陣列的一個(gè)或者多個(gè)分子的釋放階段。
捕獲階段的目標(biāo)是通過靜電力將目標(biāo)分子吸引到近似探針陣列。通常，假定目標(biāo) 分子具有恰當(dāng)?shù)亩ㄏ颍萜鲀?nèi)的目標(biāo)分子將被吸引到由近似探針陣列所顯現(xiàn)的靜電模式 上，這是因?yàn)?，如下文所述，目?biāo)分子的某些位置將具有與由近似探針陣列所顯現(xiàn)的靜電電 荷相反的極性；換句話說，目標(biāo)分子將因?yàn)橄铝性蚨晃浇铺结橁嚵械撵o電模式。
不同元素中的原子具有不同的吸引電子的能力；當(dāng)原子參與到化學(xué)鍵中時(shí)，原子 呈現(xiàn)出電負(fù)性，即，對化學(xué)鍵中電子的吸引。如果化學(xué)鍵中兩個(gè)原子的電負(fù)性不同，則與圍 繞較少電負(fù)性的原子相比，電子將會(huì)花費(fèi)更多的時(shí)間圍繞具有更多電負(fù)性的原子，由此使得化學(xué)鍵中的一個(gè)原子看起來好像獲取了稍微負(fù)的電荷，而另一個(gè)原子看起來好像獲取了 稍微正的電荷。這個(gè)電荷的分離構(gòu)成了偶極，而且許多分子在它們電子云周圍呈現(xiàn)出許多 具有不同程度的偏振的區(qū)域或者位置。強(qiáng)極性的分子將被強(qiáng)烈地吸引到由靜電充電的近似 探針陣列所呈現(xiàn)的靜電模式，而非極性的分子則不會(huì)被吸引。
再次參見圖6，反應(yīng)容器內(nèi)的分子具有分子電子云606，其內(nèi)在地具有呈現(xiàn)出偏振 的位置，以便該分子呈現(xiàn)靜電模式608。在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，分子會(huì)被吸引到近似探針陣列塊 602，以便使相應(yīng)的靜電模式對準(zhǔn)。呈現(xiàn)出具有與由近似探針陣列所呈現(xiàn)的靜電電荷模式相 反的極性的點(diǎn)或者位置的匹配模式的分子，被認(rèn)為具有與近似探針陣列的靜電模式互補(bǔ)的 靜電模式。在當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)上由近似探針陣列呈現(xiàn)的靜電模式被稱為“當(dāng)前靜電模式”。具有 與當(dāng)前靜電模式互補(bǔ)的靜電模式的分子被稱為“目標(biāo)分子”。當(dāng)近似探針陣列的靜電模式與 目標(biāo)分子的互補(bǔ)靜電模式對準(zhǔn)時(shí)，將該目標(biāo)分子稱為“所捕獲分子”;所捕獲分子可能受到 吸引力，以便在對準(zhǔn)的點(diǎn)之間的靜電力可以使目標(biāo)分子由近似探針陣列在短時(shí)間段內(nèi)所保 持。
目標(biāo)分子可以具有在它的電子云周圍的大量偏振位置。應(yīng)當(dāng)注意到，可以這樣使 用近似探針陣列上的靜電模式，以便使每個(gè)近似探針指向目標(biāo)分子上的單個(gè)唯一偏振位 置；這是優(yōu)選的缺省情況，其中在近似探針和目標(biāo)分子的偏振位置之間存在一一對應(yīng)關(guān)系。 然而，可以這樣使用近似探針陣列上的靜電模式，以便例如通過在近似探針上使用更強(qiáng)的 電勢以使它影響多個(gè)偏振位置，來使單個(gè)唯一的近似探針指向目標(biāo)分子上的多個(gè)唯一偏振 位置，這是因?yàn)?，和近似探針的大小相比，偏振位置是相對接近的。此外，可以這樣使用近似 探針陣列上的靜電模式，以便例如在給定目標(biāo)分子的幾何形狀、偏振位置的極性程度、和近 似探針陣列的幾何形狀的情況下，使多個(gè)近似探針指向目標(biāo)分子上的單個(gè)唯一偏振位置。 可以在近似探針陣列上的單個(gè)靜電模式內(nèi)同時(shí)采用上述情況中的每一個(gè)。
考慮到目標(biāo)分子可能具有大量偏振位置這一事實(shí)，還應(yīng)注意到，在近似探針陣列 上的靜電模式可能僅僅以目標(biāo)分子上的偏振位置的子集為目標(biāo)。在一些情況下，可以認(rèn)為 目標(biāo)分子的偏振位置的子集對于捕獲目標(biāo)分子而言是足夠的；在其它情況下，目標(biāo)分子的 幾何形狀可能禁止對目標(biāo)分子的一些偏振位置的實(shí)際吸引。在下文中，將被指定為由近似 探針陣列上的靜電模式吸引的點(diǎn)的、目標(biāo)分子上的偏振位置集中的每個(gè)偏振位置被稱為該 目標(biāo)分子的“捕獲點(diǎn)”。
現(xiàn)在參考圖7，該圖描述了在本發(fā)明的分子操縱系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式內(nèi)的一維近似探 針陣列塊的正面且邊緣上的視圖。在這個(gè)圖示中，未示出近似探針陣列塊中的近似探針的 尖端；作為替代，每個(gè)近似探針由在每個(gè)近似探針的相應(yīng)尖端上應(yīng)用的靜電電荷所表示。用 這樣的方式，近似探針陣列被認(rèn)為是呈現(xiàn)出與所應(yīng)用的電勢相對應(yīng)的靜電電荷模式，例如 靜電模式702。
現(xiàn)在參考圖8，該圖描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的二維近似探針陣列，該二維近似 探針陣列可以呈現(xiàn)出用于試圖捕獲目標(biāo)分子的靜電模式，其中該目標(biāo)分子呈現(xiàn)出包含偏振 位置的電子云。圖8示出了分子電子云802是呈現(xiàn)出偏振位置的三維排列的三維實(shí)體。與 圖6中的具有實(shí)質(zhì)上線性排列的近似探針的一維近似探針陣列塊不同，二維近似探針陣列 塊804包含在一個(gè)區(qū)域上排列的近似探針，由此部分地解決了捕獲分子的難題，所有這些 近似探針都是具有復(fù)雜電子云的三維實(shí)體。在優(yōu)選實(shí)施例中，近似探針在該區(qū)域上等距離
14布置，且在近似探針之間具有均勻大小的間距，但是近似探針陣列塊可以這樣制造，以便除 了可能具有用于近似探針陣列塊基板的復(fù)雜形狀之外，還在具有可變間隙大小的各個(gè)位置 上在一個(gè)區(qū)域內(nèi)排列近似探針，以便適應(yīng)于目標(biāo)分子的幾何形狀。在圖8內(nèi)說明的本發(fā)明 的示范性實(shí)施例中，諸如傳感器探針806之類的傳感器散置在近似探針陣列塊804中的近 似探針之中；下文中會(huì)更詳細(xì)地描述這些傳感器。應(yīng)當(dāng)注意到，在一維近似探針陣列塊內(nèi)也 可以采用傳感器探針；然而，本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例可以或者不一定包含傳感器探針。
還應(yīng)當(dāng)注意到，近似探針可以起到它自己的檢測器的作用；在捕獲了目標(biāo)分子之 后，目標(biāo)分子的捕獲點(diǎn)應(yīng)當(dāng)影響近似探針的尖端的電特性。通過例如在捕獲目標(biāo)分子之前、 期間、和之后分析經(jīng)過給定近似探針的導(dǎo)電線/引線的電流，或者分析由導(dǎo)電線/引線受到 的電壓和/或電流的波動(dòng)，人們可以辨別出在捕獲了目標(biāo)分子之后近似探針的尖端是否與 捕獲分子接近，或者是否優(yōu)選為與目標(biāo)分子的捕獲點(diǎn)相接近。
現(xiàn)在參考圖9，該圖描述了在本發(fā)明的分子操縱系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式內(nèi)的二維近似探 針陣列塊的正面且邊緣上的視圖。以類似于圖7所示的方式，未示出近似探針陣列塊中的 近似探針的尖端；作為替代，每個(gè)近似探針由在每個(gè)近似探針的相應(yīng)尖端上應(yīng)用的靜電電 荷所表示。與示出了一維近似探針陣列塊的圖7不同，圖9描述了呈現(xiàn)靜電模式902的二 維近似探針陣列塊。
在圖9所示的示范性實(shí)施例中，二維近似探針陣列塊內(nèi)的近似探針的均勻排列由 圖9內(nèi)表示的靜電模式的均勻排列所反映。在圖9所示的示例中，二維近似探針陣列中的每 個(gè)行可以被認(rèn)為是一維近似探針陣列；圖9中的二維近似探針包含行904、906、908、和910。 在這個(gè)示例中，沿著與一維近似探針陣列的軸不同的軸對齊的一組一維近似探針陣列構(gòu)成 了二維近似探針陣列；例如，二維近似探針陣列可以通過一組一維近似探針陣列的堆疊而 形成。
然而，二維近似探針陣列中的每個(gè)一維近似探針陣列不一定共享相同的幾何形 狀；例如，不同的近似探針陣列可以具有不同的探針間間隙或者間距。此外，如上文中所述， 近似探針可以在具有可變間隙大小的各種位置上排列在一個(gè)區(qū)域內(nèi)以適應(yīng)于目標(biāo)分子的 幾何形狀，而且二維近似探針陣列可以具有不同的幾何形狀。在這些替換實(shí)施例中，二維近 似探針陣列塊內(nèi)的近似探針的不均勻排列可以由靜電模式的不均勻排列所反映，其未在圖 9中示出。
現(xiàn)在參見圖10，該圖描述了在本發(fā)明的分子操縱系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式內(nèi)、呈現(xiàn)出面對 所捕獲分子的電子云的靜電模式的二維近似探針陣列中的單個(gè)行。圖10類似于圖6，但是 圖10不同于圖6之處在于，所描述的一維近似探針陣列塊僅僅是共同組成二維近似探針陣 列塊的一組一維近似探針陣列塊中的一行；換句話說，圖10說明了諸如圖8所示那樣的二 維近似探針陣列塊中的單個(gè)行1002的水平截面片段或者視圖。更具體而言，二維近似探針 陣列中的單個(gè)行1002對應(yīng)于圖9中所示的行906。分子電子云1004表示諸如圖8所示的 分子電子云806之類的、三維分子電子云的水平截面片段或者視圖。
參見圖11，該圖示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、可用于捕獲目標(biāo)分子的一對并列的 二維近似探針陣列塊。圖1中的描述提及了可以在單個(gè)可編程分子操縱系統(tǒng)內(nèi)采用多個(gè)近 似探針陣列塊。圖11和圖12描述了使用多個(gè)近似探針陣列塊的兩個(gè)不同配置；圖11說明 了并列的近似探針陣列塊，而圖12說明了相對或者面對的近似探針陣列塊。不論是哪種情況，分子操縱系統(tǒng)都可以被描述為具有近似探針的三維排列；可以使用更大量的近似探針 陣列塊實(shí)現(xiàn)近似探針的更大、更復(fù)雜的三維配置。然而，還應(yīng)當(dāng)注意到，分子操縱系統(tǒng)可以 包含被配置為與至少一個(gè)近似探針陣列塊一起使用的一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的近似探針；這些單 獨(dú)的近似探針也可以在相對于近似探針陣列塊的相對或者并列的位置處被單個(gè)地操縱。
圖11描述了一對并列的二維近似探針陣列塊1102和1104，它們由塊間間隙1106 分隔開來。塊間間隙1106的大小可以發(fā)生變化，并且可以由操作者例如使用圖1所示的控 制機(jī)構(gòu)加以調(diào)整；特別地，每個(gè)近似探針陣列塊1102和1104可以唯一地與致動(dòng)器機(jī)構(gòu)相關(guān) 聯(lián)，以便使近似探針陣列塊1102和1104可以獨(dú)立于其他近似探針陣列塊移動(dòng)。單個(gè)靜電 模式可以由每個(gè)近似探針陣列共享，或者可以使用兩個(gè)靜電模式，以便每個(gè)近似探針陣列 可以呈現(xiàn)出唯一的靜電模式?？梢詫铺结橁嚵袎K1102和1104進(jìn)行操作，以捕獲單個(gè) 目標(biāo)分子、捕獲兩個(gè)唯一的目標(biāo)分子、或者捕獲兩個(gè)相同的目標(biāo)分子。
參見圖12，該圖示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、可用于捕獲目標(biāo)分子的一對相對的 二維近似探針陣列塊。圖12描述了由塊間間隙1206分隔開來的一對相對的二維近似探針 陣列塊1202和1204中的每一個(gè)中的一行；可以假定圖12以圖10中所示的方式說明了兩 個(gè)完正的二維近似探針陣列塊的俯視圖或者水平剖視圖或者片段。塊間間隙1206的大小 可以發(fā)生變化，并且可以由操作者例如使用圖1所示的控制機(jī)構(gòu)加以調(diào)整；特別地，每個(gè)近 似探針陣列塊1202和1204可以唯一地與致動(dòng)器機(jī)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，以便使近似探針陣列塊1202 和1204可以獨(dú)立于其他近似探針陣列塊移動(dòng)。單個(gè)靜電模式可以由每個(gè)近似探針陣列共 享，或者可以使用兩個(gè)靜電模式，以便使每個(gè)近似探針陣列可以呈現(xiàn)出唯一的靜電模式?？?以對近似探針陣列塊1202和1204進(jìn)行操作，以捕獲單個(gè)目標(biāo)分子、捕獲兩個(gè)唯一的目標(biāo)分 子、或者捕獲兩個(gè)相同的目標(biāo)分子。在圖12所示的示例中，單個(gè)捕獲的分子由分子電子云 1208的俯視圖或者水平剖視圖或者片段所表示。
現(xiàn)在參見圖13，該流程圖出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、使用近似探針陣列來操縱分 子的處理的流程圖。先前附圖中的描述僅僅提及了分子可以被操縱，但是附圖中的描述主 要集中于闡述近似探針陣列可以用來捕獲一個(gè)或者多個(gè)目標(biāo)分子的方式。圖13內(nèi)說明的 處理提供了用于描述可以被執(zhí)行的不同類型的分子操縱的基礎(chǔ)，這些不同類型的分子操縱 會(huì)在下文中更詳細(xì)地描述。
處理從為一個(gè)或者多個(gè)近似探針陣列選擇靜電模式開始(步驟1302)。選擇可以 根據(jù)來自分子操縱系統(tǒng)的用戶的輸入而執(zhí)行，或者選擇可以優(yōu)選為根據(jù)指導(dǎo)操縱過程操作 的配置參數(shù)來自動(dòng)和可編程地執(zhí)行，其中一個(gè)或多個(gè)配置參數(shù)可能已經(jīng)由用戶選擇了。
然后，通過如與每個(gè)近似探針相對應(yīng)的靜電模式中的位置所指示的那樣、在近似 探針陣列中的每個(gè)近似探針上應(yīng)用或者不應(yīng)用電勢，來根據(jù)所選擇的靜電模式使近似探針 陣列上電(步驟1304)。靜電模式可以在分子操縱系統(tǒng)中硬布線，或者可以通過將靜電模式 作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或者存儲(chǔ)器中而以軟件形式管理靜電模式。例如，靜 電模式數(shù)據(jù)庫可以由圖1所示的計(jì)算機(jī)108所訪問。
在簡單的情況下，每個(gè)近似探針可以由表示靜電模式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的數(shù)據(jù)標(biāo)記所 表示；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的數(shù)據(jù)標(biāo)記的位置以一一對應(yīng)的關(guān)系對應(yīng)于近似探針陣列中的近似探針 的位置。數(shù)據(jù)標(biāo)記可以使用允許下述四個(gè)值的兩個(gè)二進(jìn)制位來實(shí)現(xiàn)，其中第一個(gè)值表示應(yīng) 該將正電勢施加到對應(yīng)的近似探針上；第二個(gè)值表示應(yīng)該將負(fù)電勢施加到對應(yīng)的近似探針上；第三個(gè)值表示對應(yīng)的近似探針應(yīng)該沒有電勢，即，接地；而第四個(gè)值可能表示一個(gè)不關(guān) 注的值，其中施加到近似探針上的電勢可以具有正電勢或者負(fù)電勢。必要時(shí)，例如通過使用 圖1所示的靜電控制器114，將數(shù)據(jù)標(biāo)記映射到要施加到對應(yīng)近似探針上的電壓。
作為選擇，每個(gè)近似探針可以由存儲(chǔ)在一個(gè)或者多個(gè)存儲(chǔ)器內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù) 庫文件內(nèi)的記錄所表示。每個(gè)數(shù)據(jù)庫文件可以表示靜電模式，其中每個(gè)記錄包含用于各個(gè) 參數(shù)的多個(gè)字段，而這些參數(shù)用于單獨(dú)控制與每個(gè)近似探針相關(guān)聯(lián)的各個(gè)物理特性或者物 理變量。例如，根據(jù)被不同的近似探針作為目標(biāo)的不同捕獲點(diǎn)，在不同的近似探針上施加不 同的電壓，可能是有利的，而且電壓值將被存儲(chǔ)為相應(yīng)記錄內(nèi)的僅僅一個(gè)參數(shù)。在這種類型 的數(shù)據(jù)庫文件內(nèi)的記錄的位置可以用一一對應(yīng)的關(guān)系對應(yīng)于近似探針在近似探針陣列中 的位置；作為選擇，該記錄可以包含用于指示該記錄所對應(yīng)的近似探針的相對位置的標(biāo)識(shí) 坐標(biāo)。必要時(shí)，例如經(jīng)由圖1所示的靜電控制器114，將記錄映射到要施加到對應(yīng)近似探針 上的電壓和/或其它類型的物理變量。
在使近似探針陣列上電了之后，將近似探針陣列塊呈現(xiàn)給反應(yīng)容器內(nèi)的目標(biāo)分 子，該目標(biāo)分子為包含氣態(tài)的目標(biāo)分子的大量低溫低壓氣體；包含液態(tài)的目標(biāo)分子的反 應(yīng)室或者容器中的大量液體；或者包含目標(biāo)分子的薄膜或者層，其中該薄膜或者層已經(jīng)被 沉積在表面或者基板上了。一組一個(gè)或者多個(gè)近似探針會(huì)把靜電電荷模式呈現(xiàn)給目標(biāo)分 子，而且靜電電荷會(huì)吸引目標(biāo)分子上的偏振位置或者捕獲點(diǎn)。
在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，分子將由近似探針陣列捕獲(步驟1306)，并且可以進(jìn)行可選的 檢查，以確保所捕獲的分子是操作者期望操縱的目標(biāo)分子(步驟1308)?？梢允褂貌⑷朐?近似探針陣列中和/或連接到近似探針陣列的感測檢測器來可選地檢測對分子的捕獲；此 外，可以可選地將所捕獲分子驗(yàn)證為是目標(biāo)分子的實(shí)例而不是剛好由近似探針陣列捕獲的 任意分子。再次參見圖8，近似探針陣列塊802描述了散布在近似探針當(dāng)中的傳感器。傳感 器未必具有與近似探針相同的形式或者結(jié)構(gòu)，而且各種傳感器類型都可以被并入到近似探 針陣列塊中；例如，上面包括的美國專利6，507，197中公開了靜電力檢測器結(jié)合靜電力顯 微鏡的使用?？梢允褂闷渌夹g(shù)，諸如，對來自對準(zhǔn)所捕獲分子的激光束的反射光使用光譜 技術(shù)，來檢測對目標(biāo)分子的捕獲。此外，如上所述，近似探針可以起到它自己的檢測器的作 用。
再次參見圖13，如果已經(jīng)捕獲了目標(biāo)分子，則執(zhí)行編程好的過程或者手動(dòng)操作， 以便可能通過使用多個(gè)近似探針陣列塊和/或多個(gè)捕獲的分子來操縱所捕獲的分子(步 驟1310)。在執(zhí)行了該操縱之后，或者如果在步驟1308中所捕獲的分子不是目標(biāo)分子， 則例如通過取消到先前被充電/上電的近似探針的外加電壓，使近似探針陣列塊去電 (de-energize)，以便釋放所捕獲的一個(gè)或者多個(gè)分子(步驟1312)；如下面更詳細(xì)所述，如 果期望進(jìn)行后續(xù)的分子操縱，則可以通過省略步驟1312而由近似探針陣列塊可選地保持 所操縱的分子。進(jìn)行有關(guān)是否要執(zhí)行另一個(gè)操縱過程的確定(步驟1314)，而且如果要執(zhí) 行，則該處理分支返回到步驟1302，以捕獲和操縱另一個(gè)分子；如果不執(zhí)行的話，則結(jié)束該 處理。
現(xiàn)在參見圖14，該圖描述了正試圖捕獲和保持作為薄膜沉積在表面上的一組目標(biāo) 分子之一的近似探針陣列塊。表面/基板1402支撐由它們的分子電子云1404-1410所代 表的目標(biāo)分子薄膜。近似探針陣列塊1412移入到目標(biāo)分子薄膜之上的一個(gè)位置，以試圖捕
17獲由分子電子云1408所代表的目標(biāo)分子。當(dāng)近似探針陣列塊1412和目標(biāo)分子之間的間隙 低于某個(gè)值時(shí)，目標(biāo)分子會(huì)被靜電力吸引到近似探針陣列塊，其中該靜電力大于目標(biāo)分子 和該薄膜內(nèi)的其它分子之間的吸引力，而且大于用于將目標(biāo)分子拉向在其下面的表面的重 力。該目標(biāo)分子然后能夠被描述為由近似探針陣列塊所捕獲，近似探針陣列塊會(huì)保持所捕 獲的分子，直到它被近似探針陣列釋放為止，或者直到所捕獲的分子已經(jīng)經(jīng)受了可以導(dǎo)致 所捕獲分子的釋放的事件為止，該事件諸如為與氣態(tài)的、起到從近似探針陣列中撞擊所捕 獲的分子的作用的相對高能分子的沖突。
先前描述的
了可以用來根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例捕獲和操縱分子的各種結(jié) 構(gòu)示例。圖13說明了使用這些結(jié)構(gòu)來操縱分子的處理；步驟1310用于這樣的處理步驟，通 過該步驟，執(zhí)行已編程的過程或者手動(dòng)操作來操縱所捕獲的分子。然而，先前描述的附圖還 沒有說明可以根據(jù)本發(fā)明的分子操縱系統(tǒng)對分子進(jìn)行操縱的各種方法的細(xì)節(jié)，將在下文中 關(guān)于剩余的附圖對這些細(xì)節(jié)進(jìn)行更詳細(xì)的描述。應(yīng)當(dāng)注意到，術(shù)語“操縱”可能涉及許多不 同類型的動(dòng)作，其中包含但不局限于拉伸、壓迫、剪切、修改、彎曲、扭曲、結(jié)合、綁定、熔化、 聯(lián)合、裂開、破壞、呈現(xiàn)或者任何其它與可能在一個(gè)分子上但也可能在兩個(gè)或更多分子上進(jìn) 行的物理變換相關(guān)的動(dòng)作。
現(xiàn)在參見圖15A-15C，這一組附圖描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、使用近似探針陣列 來在短時(shí)間段上轉(zhuǎn)換靜電模式的方法。如上所述，通過將由靜電模式生成的靜電力保持在 近似探針陣列上，將近似探針陣列上的所捕獲分子保持在適當(dāng)位置。作為使用近似探針陣 列操縱捕獲分子的技術(shù)之一，通過修改靜電模式，那些用于保持所捕獲分子的相同靜電力 也被用于移動(dòng)所捕獲的分子。
靜電模式1502類似于圖7所示的靜電模式702。在相對短的時(shí)間段上，可以將靜 電模式1502修改為靜電模式1504;修改時(shí)間段的時(shí)長可以是可配置的參數(shù)，例如，可經(jīng)由 正在如圖1所示的計(jì)算機(jī)108上執(zhí)行的軟件應(yīng)用進(jìn)行配置。
對靜電模式的修改可能以各種方式出現(xiàn)；不應(yīng)該假定此處提供的示例包含了詳盡 列表。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，以與計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中的移位類似的方式，在修改時(shí)間段期間 轉(zhuǎn)換靜電模式，其中如圖15B所示，使用一系列較小的移位操作、優(yōu)選為單個(gè)移位來在一系 列較短的時(shí)間段上出現(xiàn)完全的移位操作。在這些較短時(shí)間段之一期間，在近似探針的第一 子集中的每個(gè)近似探針(其可能或者未必處于上電狀態(tài)，即，可能或者未必呈現(xiàn)出靜電電 荷)接受相鄰近似探針的狀態(tài)；同時(shí)，可能或者未必處于上電狀態(tài)的近似探針的第二子集 接受相鄰近似探針的狀態(tài)。然后，根據(jù)需要重復(fù)該較短的轉(zhuǎn)換操作多次，以完成導(dǎo)致靜電模 式修改的總的移位操作。
另一種修改靜電模式的方法類似于一系列較小的、如上所述的相鄰轉(zhuǎn)換，但是在 這個(gè)替換示例中，該較小的轉(zhuǎn)換操作被認(rèn)為是更像模擬操作而不是像離散的數(shù)字操作。在 這個(gè)第二示例中，以類似于如上所述的方式空間地改變近似探針的狀態(tài)；在修改第一近似 探針集的狀態(tài)的同時(shí)，也修改第二近似探針集的狀態(tài)，其中第二近似探針集中的每個(gè)近似 探針鄰近于第一近似探針集中的近似探針。作為選擇，近似探針的狀態(tài)不一定是鄰近的，而 是相對接近的，其中距離也是可配置的。
然而，在這個(gè)第二示例中，近似探針的狀態(tài)以不同的方式隨時(shí)間轉(zhuǎn)換。在這個(gè)第 二示例中，例如圖15C中的函數(shù)1506所示，近似探針的狀態(tài)根據(jù)一個(gè)函數(shù)逐漸地轉(zhuǎn)換而不是以離散方式突然轉(zhuǎn)換；該函數(shù)可以是由操作者手動(dòng)選擇或者由分子操縱系統(tǒng)可編程地選 擇的可配置參數(shù)，而且用于該函數(shù)的參數(shù)也可以是可配置的。因此，在這些較小的時(shí)間段之 一期間，在一些近似探針上的電勢逐漸地減小，而在其它近似探針上的電勢逐漸地增加。例 如，圖15C中的函數(shù)1506可以表示第一近似探針上的電壓，而圖15D中的函數(shù)1508可以表 示鄰近于第一近似探針的第二近似探針上的電壓。圖15C和圖15D表示相同的時(shí)間段；隨 著第一近似探針上的電壓在減小，第二近似探針上的電壓在增加。然后，根據(jù)需要重復(fù)該較 短的變換操作多次，以完成導(dǎo)致靜電模式修改的總的移位操作。
如上所述，存在不同類型的操縱?？梢酝ㄟ^以不同的方法修改靜電模式來實(shí)現(xiàn)這 些不同類型的操縱。
現(xiàn)在參見圖16A，該圖描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、使用近似探針陣列塊來移動(dòng)目 標(biāo)分子的方法。圖16A描述了這樣的示例，其中，可以例如通過使用上面關(guān)于圖15A-15C所 討論的示例來轉(zhuǎn)換近似探針陣列塊上的整個(gè)靜電模式，以便實(shí)現(xiàn)作為多種分子操縱類型之 一的移動(dòng)操作。當(dāng)轉(zhuǎn)換整個(gè)靜電模式時(shí)，也轉(zhuǎn)換靜電力的整個(gè)模式。假定所捕獲的分子具有 受正在施加靜電力的近似探針?biāo)钠裎恢?、即捕獲點(diǎn)，則在轉(zhuǎn)換操作期間捕獲點(diǎn)保 持被吸引到這些近似探針，而且捕獲點(diǎn)也在轉(zhuǎn)換操作期間移動(dòng)。因此，通過轉(zhuǎn)換靜電模式， 所捕獲的分子可以整體上圍繞近似探針陣列移動(dòng)。
以類似于圖6所示的方式，近似探針陣列塊1602包含這樣一組近似探針，它們已 經(jīng)利用電勢上電了，以便使這些近似探針呈現(xiàn)出靜電模式1604。所捕獲的分子具有分子電 子云1606，其具有顯現(xiàn)出偏振的內(nèi)在捕獲點(diǎn)，以便使分子呈現(xiàn)出靜電模式1608。例如，如關(guān) 于圖14所述的那樣，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，分子會(huì)被吸引到近似探針陣列塊1602，以便使相應(yīng) 的靜電模式對準(zhǔn)，而且分子會(huì)被近似探針陣列塊1602所捕獲。
在某個(gè)后續(xù)的時(shí)間點(diǎn)上，轉(zhuǎn)換近似探針陣列塊1602上的部分靜電模式，以便創(chuàng) 建靜電模式1610。分子電子云1606中的由靜電模式1608所代表的捕獲點(diǎn)遵循靜電模式 1610，以便當(dāng)轉(zhuǎn)換近似探針陣列塊上的靜電模式時(shí)，也轉(zhuǎn)換所捕獲的分子。
現(xiàn)在參見圖16B，該圖描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、使用近似探針陣列塊來彎曲或 者撓曲目標(biāo)分子的方法。圖16B描述了這樣的示例，其中，可以轉(zhuǎn)換近似探針陣列塊上的一 部分靜電模式，以便實(shí)現(xiàn)作為多種分子操縱類型之一的彎曲或者撓曲操作。當(dāng)轉(zhuǎn)換整個(gè)靜 電模式的僅僅一部分時(shí)，也轉(zhuǎn)換了僅僅一部分的靜電力。在轉(zhuǎn)換操作期間，所捕獲分子的捕 獲點(diǎn)保持被吸引到它們相應(yīng)的近似探針；在轉(zhuǎn)換操作期間捕獲點(diǎn)的一部分移動(dòng)，而其余的 捕獲點(diǎn)保持被吸引到固定位置。因此，利用靜電模式的部分轉(zhuǎn)換，所捕獲分子發(fā)生了彎曲或 者撓曲。
圖16B類似于圖16A ；相同的參考數(shù)字表示相同的單元。近似探針陣列塊1602顯 現(xiàn)出靜電模式1604，其已經(jīng)捕獲了具有分子電子云1606的分子，其中該分子電子云1606包 含由靜電模式1608所代表的捕獲點(diǎn)。
在某個(gè)后續(xù)的時(shí)間點(diǎn)上，轉(zhuǎn)換近似探針陣列塊1602上的部分靜電模式，以便創(chuàng) 建靜電模式1612。分子電子云1606中的由靜電模式1614所代表的捕獲點(diǎn)遵循靜電模式 1612，以便當(dāng)轉(zhuǎn)換近似探針陣列塊上的靜電模式時(shí)，拉伸或者伸長所捕獲的分子。所捕獲的 分子可以被彎曲或者撓曲的程度多少取決于分子的類型。
現(xiàn)在參見圖16C，該圖描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、使用近似探針陣列塊來扭曲或者轉(zhuǎn)動(dòng)一部分目標(biāo)分子的方法。圖16C描述了這樣的示例，其中，可以轉(zhuǎn)換和圍繞點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng) 近似探針陣列塊上的一部分靜電模式，以便實(shí)現(xiàn)作為多種操縱類型之一的扭曲或者轉(zhuǎn)矩操 作。如上所述，當(dāng)僅僅轉(zhuǎn)換整個(gè)靜電模式的一部分時(shí)，也僅僅轉(zhuǎn)換了一部分的靜電力，而且 利用靜電模式的部分轉(zhuǎn)換，所捕獲的分子發(fā)生彎曲或者撓曲。然而，并不是以簡單的線性方 式轉(zhuǎn)換靜電模式，而是該靜電模式可以沿軸旋轉(zhuǎn)。再次地，在轉(zhuǎn)換操作期間，所捕獲分子的 捕獲點(diǎn)保持被吸引到它們相應(yīng)的近似探針，而且在轉(zhuǎn)換操作期間捕獲點(diǎn)的一部分旋轉(zhuǎn)，而 其余的捕獲點(diǎn)保持被吸引到固定位置。因此，利用靜電模式的部分轉(zhuǎn)換，所捕獲的分子發(fā)生 扭曲。
圖16C類似于圖9 ；每一個(gè)都描述了近似探針陣列塊上的二維靜電模式。圖16C中 的靜電模式包含部分1616和部分1618。在某個(gè)后續(xù)的時(shí)間點(diǎn)上，靜電模式中的部分1616 順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)九十度，以形成靜電模式中的部分1620，而部分1618保持未改變。假定該 靜電模式先前已經(jīng)捕獲了一個(gè)分子，所捕獲分子上的捕獲點(diǎn)的子集會(huì)隨著靜電模式的轉(zhuǎn)換 而遵循靜電模式1616，以便當(dāng)近似探針陣列塊上的靜電模式轉(zhuǎn)換時(shí)，扭曲所捕獲的分子的 一部分。
作為選擇，靜電模式可能先前已經(jīng)捕獲了兩個(gè)分子第一分子可以由靜電模式中 的部分1616所保持，而第二分子可以由靜電模式中的部分1618所保持。在某個(gè)后續(xù)的時(shí) 間點(diǎn)上，轉(zhuǎn)換靜電模式中的部分1616以形成靜電模式中的部分1620，將會(huì)旋轉(zhuǎn)第一分子； 因?yàn)椴糠?618保持不被轉(zhuǎn)換，所以第二分子將保持不移動(dòng)。
現(xiàn)在參見圖16D，該圖描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、使用近似探針陣列塊來破壞目 標(biāo)分子的方法。圖16D描述了這樣的操作，其中，靜電模式的第一部分可以被轉(zhuǎn)換，而靜電 模式的第二部分沿相反或者不同的方向被轉(zhuǎn)換；這個(gè)操作類似于圖15A或者圖15B中說明 的操作。再次地，在轉(zhuǎn)換操作期間，所捕獲分子的捕獲點(diǎn)保持被吸引到它們相應(yīng)的近似探 針。捕獲點(diǎn)的第一子集與靜電模式的第一部分一起轉(zhuǎn)換，而近似探針的第二子集與靜電模 式的第二部分一起轉(zhuǎn)換。因此，利用靜電模式的轉(zhuǎn)換部分，所捕獲分子發(fā)生彎曲或者撓曲， 而且如果在分子內(nèi)的原子之間的化學(xué)鍵上的應(yīng)力足夠大，則化學(xué)鍵將會(huì)遭到破壞。
圖16D類似于圖16A;相同的參考數(shù)字表示相同的單元。近似探針陣列塊1602 包含這樣一組近似探針，它們已經(jīng)利用電勢上電了，以便使這些近似探針呈現(xiàn)出靜電模式 1604。所捕獲分子具有分子電子云1606，其具有顯現(xiàn)出偏振的內(nèi)在捕獲點(diǎn)，以便使分子呈現(xiàn) 出靜電模式1608。在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，分子會(huì)被吸引到近似探針陣列塊1602，以便使相應(yīng)的 靜電模式對準(zhǔn)，而且分子會(huì)被近似探針陣列塊1602所捕獲。
在某個(gè)后續(xù)的時(shí)間點(diǎn)上，近似探針陣列塊1602上的部分靜電模式發(fā)生轉(zhuǎn)換，以創(chuàng) 建靜電模式1622，而且利用靜電模式的轉(zhuǎn)換部分，所捕獲的分子發(fā)生彎曲或者撓曲。如果 在分子內(nèi)的原子之間的化學(xué)鍵上的應(yīng)力足夠大，則化學(xué)鍵將會(huì)遭到破壞，由此將所捕獲的 分子拆分或者斷裂為兩個(gè)不同的分子，它們由分子電子云1624和分子電子云1626所表示。 然后，可以通過停止恰當(dāng)近似探針上的電壓來使近似探針陣列去電，并且將釋放所捕獲的 分子。
應(yīng)當(dāng)注意到，因?yàn)椴鸱值姆肿涌赡芫哂泻驮蟹肿拥慕M成部分非常不同的結(jié)構(gòu)， 所以拆分的分子上的偏振位置可能不同于原有分子上的偏振位置，由此生成不同的偶極 矩。因此，在拆分操作之后靜電模式1622立即排斥分子電子云1624和分子電子云1626，是有可能的。
將靜電模式1604分成用于轉(zhuǎn)換操作的分離部分的方式可以被控制作為配置參 數(shù)，由此允許分子操縱系統(tǒng)以所捕獲分子內(nèi)的特定化學(xué)鍵為目標(biāo)。假定化學(xué)鍵上的應(yīng)力隨 著所捕獲分子被彎曲或者撓曲到更大的距離而增加，則應(yīng)當(dāng)注意到，通過將靜電模式中的 僅僅一部分轉(zhuǎn)換到更大的距離，可以獲得類似的結(jié)果。
現(xiàn)在參見圖17，該圖描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、使用近似探針陣列塊通過結(jié)合 兩個(gè)目標(biāo)分子來創(chuàng)建分子的方法。圖16D說明了拆分操作，而圖17說明了結(jié)合操作；因此， 除了時(shí)間方面是相反的之外，圖17類似于圖16D。
近似探針陣列塊1702包含這樣一組近似探針，它們已經(jīng)利用電勢上電了，以便使 這些近似探針呈現(xiàn)出靜電模式1704。兩個(gè)唯一的所捕獲分子由分子電子云1706和分子電 子云1708所表示。所捕獲分子可以是不同的；但是，所捕獲分子也可以是相同的，這是因 為，雖然分子電子云1706和分子電子云1708被圖示為是不同的，但是可能沒有示出整個(gè)電子云。
在某個(gè)后續(xù)的時(shí)間點(diǎn)上，近似探針陣列塊1704上的部分靜電模式發(fā)生轉(zhuǎn)換，以創(chuàng) 建靜電模式1710，而且當(dāng)所捕獲的分子利用靜電模式的轉(zhuǎn)換部分移動(dòng)時(shí)，所捕獲的分子進(jìn) 入緊密的靠近。假定所捕獲的分子彼此間具有一定程度的化學(xué)親合性，則在所捕獲分子之 間構(gòu)造化學(xué)鍵以便使它們形成由分子電子云1712所表示的單個(gè)所捕獲分子。然后，可以通 過停止恰當(dāng)近似探針上的電壓來使近似探針陣列去電，并且將釋放所捕獲的分子。
應(yīng)當(dāng)注意到，因?yàn)樗鶆?chuàng)建的分子可能具有與原有分子的組成結(jié)構(gòu)完全不同的結(jié) 構(gòu)，所以所創(chuàng)建分子上的偏振位置可能不同于原有分子上的偏振位置，由此在所創(chuàng)建分子 中生成完全不同的偶極矩。因此，在結(jié)合操作之后靜電模式1710立即排斥分子電子云 1712，是有可能的。
現(xiàn)在參見圖18，該圖描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、使用多個(gè)近似探針陣列塊通過 結(jié)合兩個(gè)目標(biāo)分子來創(chuàng)建分子的方法。圖17說明了使用一個(gè)近似探針陣列塊的結(jié)合操作， 而圖18說明了使用兩個(gè)近似探針陣列塊的結(jié)合操作。近似探針陣列塊1802和1804已經(jīng)利 用靜電模式上電了。兩個(gè)唯一的捕獲分子由分子電子云1806和分子電子云1808所表示。
在某個(gè)后續(xù)的時(shí)間點(diǎn)上，例如，通過轉(zhuǎn)換原有的靜電模式，近似探針陣列塊1804 上的部分靜電模式被修改以創(chuàng)建靜電模式1710，而且當(dāng)所捕獲分子1808利用靜電模式的 轉(zhuǎn)換部分移動(dòng)時(shí)，所捕獲分子進(jìn)入緊密的靠近。假定所捕獲分子彼此間具有一定程度的化 學(xué)親合性，則在所捕獲分子之間構(gòu)造化學(xué)鍵，以便使它們形成由分子電子云1810所表示的 單個(gè)所捕獲分子。然后，可以通過停止恰當(dāng)近似探針上的電壓來使近似探針陣列去電，并且 將釋放所捕獲的分子。
關(guān)于圖15-18所描述的分子操縱操作僅僅通過電學(xué)方式實(shí)現(xiàn)；更具體而言，分子 操縱操作僅僅通過修改近似探針陣列上的靜電模式來實(shí)現(xiàn)。然而，其它分子操縱操作可以 通過機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)；更具體而言，如下面關(guān)于剩余附圖更詳細(xì)描述的那樣，可以通過移動(dòng)近 似探針的尖端和/或移動(dòng)近似探針陣列塊來實(shí)現(xiàn)其它分子操縱操作。
現(xiàn)在參見圖19，該圖描述了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的、在近似探針陣列上的近似探針 的端部處的一對懸臂尖端，其中這些尖端被撓曲以拆分所捕獲的分子。尖端1902是與近似 探針陣列中的其它近似探針組合的近似探針的端部；尖端1904是相鄰近似探針的端部。近
21似探針陣列塊早已捕獲了由分子電子云1906所表示的一個(gè)分子。尖端1902和1904正在 所捕獲分子的捕獲點(diǎn)上施加靜電力。
在后續(xù)的時(shí)間點(diǎn)上，通過電子電路控制尖端1902和1904的懸臂部分以便沿橫向 但相反的方向撓曲。在撓曲操作期間，所捕獲分子的捕獲點(diǎn)保持被吸引到它們的相應(yīng)尖端， 而所捕獲分子利用撓曲的尖端發(fā)生彎曲或者撓曲。如果在分子內(nèi)的原子之間的化學(xué)鍵上的 應(yīng)力足夠大，則化學(xué)鍵將會(huì)遭到破壞，這導(dǎo)致從所捕獲的分子中形成兩個(gè)分子，它們由分子 電子云1908和1910表示。然后，可以通過停止恰當(dāng)近似探針上的電壓來使尖端去電，并且 將釋放所捕獲的分子。用這樣的方式，諸如圖19所示的拆分操作之類的各種分子操縱操作 可以通過一組近似探針的懸臂尖端的移動(dòng)而實(shí)現(xiàn)；可以按照這個(gè)方式使用的近似探針的數(shù) 目可以隨著所捕獲分子的幾何形狀而改變。
現(xiàn)在參見圖20，該圖描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一對并列的近似探針陣列塊， 其中移動(dòng)近似探針陣列塊來拆分所捕獲的分子。如上所述，多個(gè)近似探針陣列塊可以用來 同時(shí)操縱一個(gè)或多個(gè)分子。以類似于圖11所示的方式，近似探針陣列塊2002和2004由塊 間間隙2006分離開來。近似探針陣列塊2002和2004早已捕獲了由分子電子云2008所表 示的單個(gè)分子。
在后續(xù)的時(shí)間點(diǎn)上，通過電子電路控制近似探針陣列塊2002和2004，以沿橫向但 是相反的方向移動(dòng)，這擴(kuò)大了被顯示為塊間間隙2010的、位于近似探針陣列塊2002和2004 之間的塊間間隙；作為選擇，近似探針陣列塊可以被平移并且以各種方向旋轉(zhuǎn)。在移動(dòng)操 作期間，所捕獲分子的捕獲點(diǎn)保持被吸引到吸引它們的近似探針，而且所捕獲分子利用移 動(dòng)的近似探針進(jìn)行拉伸。如果在分子內(nèi)的原子之間的化學(xué)鍵上的應(yīng)力足夠大，則化學(xué)鍵將 會(huì)遭到破壞，這導(dǎo)致從所捕獲的分子中形成兩個(gè)分子，它們由分子電子云2012和2014表 示。然后，可以通過停止恰當(dāng)近似探針上的電壓來使近似探針去電，并且將釋放所捕獲的分 子。用這樣的方式，例如拆分那樣的分子操縱操作可以通過一組近似探針陣列塊的移動(dòng)而 實(shí)現(xiàn)；可以依照這個(gè)方式使用的近似探針陣列塊的數(shù)目可以隨著所捕獲分子的幾何形狀而 改變。
現(xiàn)在參見圖21，該圖描述了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一對相對的近似探針陣列塊，其 中移動(dòng)近似探針陣列塊來拆分所捕獲的分子。以類似于圖20所示的方式，一對探針陣列塊 正在保持單個(gè)所捕獲的分子。以類似于圖12所示的方式，近似探針陣列塊2102和2104由 塊間間隙2006分離開來。近似探針陣列塊2102和2104早已捕獲了由分子電子云2106所 表示的單個(gè)分子。圖20描述了可以被描述為撕裂所捕獲分子的分子操縱操作，而圖21描 述了可以被描述為更像對所捕獲分子的剪切操作的分子操縱操作。
在后續(xù)的時(shí)間點(diǎn)上，通過電子電路控制近似探針陣列塊2102和2104以沿橫向但 是相反的方向移動(dòng)；作為選擇，近似探針陣列塊可以被平移并且以各種方向旋轉(zhuǎn)。在移動(dòng) 操作期間，所捕獲分子的捕獲點(diǎn)保持被吸引到吸引它們的近似探針，而且所捕獲分子利用 移動(dòng)的近似探針進(jìn)行拉伸。如果在分子內(nèi)的原子之間的化學(xué)鍵上的應(yīng)力足夠大，則化學(xué)鍵 將會(huì)遭到破壞，這導(dǎo)致從所捕獲的分子中形成兩個(gè)分子，它們由分子電子云2110和2112表 示。然后，可以通過停止恰當(dāng)近似探針上的電壓來使近似探針去電，并且將釋放所捕獲的分 子。用這樣的方式，例如剪切那樣的分子操縱操作可以通過一組近似探針陣列塊的移動(dòng)而 實(shí)現(xiàn)；可以依照這個(gè)方式使用的近似探針陣列塊的數(shù)目可以隨著所捕獲分子的幾何形狀而改變。
現(xiàn)在參見圖22，該圖描述了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一對相對的近似探針陣列塊，其 中移動(dòng)近似探針陣列塊之一來撓曲所捕獲的分子。以類似于圖21所示的方式，一對探針陣 列塊正在保持單個(gè)捕獲分子。以類似于圖12所示的方式，近似探針陣列塊2202和2204由 塊間間隙分離開來。近似探針陣列塊2202和2204早已捕獲了由分子電子云2206所表示 的單個(gè)分子。
在后續(xù)的時(shí)間點(diǎn)上，通過電子電路來控制近似探針陣列塊2204以進(jìn)行平移和旋 轉(zhuǎn)。在操縱操作期間，所捕獲分子的捕獲點(diǎn)保持被吸引到吸引它們的近似探針，而且所捕獲 分子利用移動(dòng)的近似探針進(jìn)行拉伸，由此給予所捕獲分子不同的形狀。
在使近似探針去電之前，可以執(zhí)行各種其它操作。例如，可以將保持不同捕獲分子 的另一個(gè)近似探針陣列塊帶入與處于撓曲形狀的分子電子云2206的緊密靠近，由此允許 在這兩個(gè)所捕獲的分子之間出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，其中這些分子在保持它們的正常形狀而處于緊 密靠近時(shí)是不會(huì)出現(xiàn)該化學(xué)反應(yīng)的。
在所捕獲分子具有其撓曲形狀的同時(shí)，可以執(zhí)行的另一個(gè)操作是從近似探針陣列 中快速地釋放所捕獲的分子。在給定釋放時(shí)的撓曲形狀的情況下，所捕獲的分子可以改變 它的結(jié)構(gòu)，以便使它的靜止形狀不同于當(dāng)它先前被捕獲時(shí)所具有的靜止形狀。然后，可以研 究新形成的分子的屬性。例如，在釋放蛋白質(zhì)分子之后可以將該分子折疊成不同的形狀，并 且可以研究新生成的蛋白質(zhì)的屬性。
現(xiàn)在參見圖23，該圖描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、使用近似探針陣列塊來操縱目 標(biāo)分子的方法，其中該近似探針陣列塊具有自包含的修改元件。圖23在下列方式方面類似 于圖16B。近似探針陣列塊2302顯現(xiàn)出靜電模式2304，其已經(jīng)捕獲了一個(gè)具有分子電子云 2306的分子，其中該分子電子云2306包含由靜電模式2308所代表的捕獲點(diǎn)。在某個(gè)后續(xù) 的時(shí)間點(diǎn)上，修改近似探針陣列塊2302上的靜電模式以便創(chuàng)建靜電模式2310。分子電子云 2306中的由靜電模式2312所代表的捕獲點(diǎn)遵循靜電模式2310，以便當(dāng)修改近似探針陣列 塊上的靜電模式時(shí)，拉伸或者伸長所捕獲的分子。
然而，圖23在下列方式方面不同于圖16B。圖16B描述了這樣的圖示，其中，通 過轉(zhuǎn)換由近似探針呈現(xiàn)的靜電電荷的模式來修改近似探針陣列塊上顯現(xiàn)的靜電模式；而圖 23說明了這樣的示例，其中，修改近似探針陣列塊的結(jié)構(gòu)或者形狀，以便修改由近似探針陣 列塊所呈現(xiàn)的靜電模式。在圖23所示的示例中，近似探針陣列塊2302具有自包含的元件 2314，其可以由例如圖1所示的部件控制，以改變近似探針陣列塊2302的形狀或者結(jié)構(gòu)。如 上所述，近似探針陣列塊上的近似探針之間的探針間間隙或者間距可以發(fā)生改變。在這個(gè) 示例中，在一組近似探針之間的間距或者間隙的一部分由自包含的元件2314所占據(jù)。當(dāng)元 件2314被控制這樣做時(shí)，元件2314擴(kuò)張或者收縮，由此增加或者減少與元件2314并列的 近似探針集之間的探針間間隙或者間距。隨著元件2314的擴(kuò)張，并列的近似探針被移動(dòng)， 而且修改了由這些探針呈現(xiàn)的靜電模式；在這個(gè)示例中，一部分的靜電模式橫向移動(dòng)。在探 針移動(dòng)時(shí)，操縱所捕獲的分子。
元件2314可以是響應(yīng)于電子控制的微機(jī)械結(jié)構(gòu)、納米機(jī)械結(jié)構(gòu)、或者某個(gè)其它結(jié) 構(gòu)。作為選擇，假定到近似探針的導(dǎo)電線/引線在近似探針陣列塊內(nèi)被隔離了，則元件2314 可以包含電活性聚合物或者其它電活性材料，它們通過將電流施加到該電活性材料上而拉伸、收縮、或者改變形狀或顯現(xiàn)出形狀記憶。隨著電活性材料的擴(kuò)張或者收縮，探針間間隙 或者間距被放大或者縮小，由此提供了基板內(nèi)的靈活性以匹配目標(biāo)分子的結(jié)構(gòu)，以便捕獲 目標(biāo)分子或者進(jìn)行對所捕獲分子的期望操縱。在一個(gè)實(shí)施例中，近似探針陣列塊的基板的 多個(gè)部分可以包含電活性材料，以便可以單獨(dú)地控制不同部分。
現(xiàn)在參見圖24A-24I，這一組附圖描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、使用近似探針陣列 塊進(jìn)行的多個(gè)分子操縱。雖然圖13描述這樣的流程圖，其中，通過該流程圖的單個(gè)循環(huán)表 示用于操縱單個(gè)分子的處理，但是多個(gè)操縱構(gòu)成的序列可以串聯(lián)執(zhí)行；可以通過重復(fù)圖13 所示的步驟1302-1310執(zhí)行操縱序列，有時(shí)當(dāng)不期望釋放所產(chǎn)生的分子時(shí)可以根據(jù)需要省 略步驟1312。圖24A-24I描述了一系列分子操縱的示例，其中時(shí)間從圖24A所示的開始狀 態(tài)進(jìn)展到圖241所示的結(jié)束狀態(tài)。在圖24A-24I內(nèi)沒有表示各個(gè)近似探針或者它們的相應(yīng) 區(qū)域。
圖24A描述了近似探針陣列塊2402的開始狀態(tài)；近似探針陣列塊2402上的靜電 模式2404由近似探針子集的輪廓所表示，其中的一些近似探針呈現(xiàn)出用于捕獲目標(biāo)分子 的正負(fù)靜電電荷?？梢约俣o電模式2404已經(jīng)捕獲了將在后續(xù)的圖中被操縱的第一目標(biāo) 分子。
圖24B描述了在某個(gè)稍后的時(shí)間點(diǎn)上的近似探針陣列塊2402 ；近似探針陣列塊 2402上的靜電模式2406表示另一個(gè)近似探針子集的輪廓，可以假定該靜電模式已經(jīng)捕獲 了將在后續(xù)的圖中被操縱的第二目標(biāo)分子。
圖24C描述了在某個(gè)稍后的時(shí)間點(diǎn)上的近似探針陣列塊2402 ；近似探針陣列塊 2402上的靜電模式2408表示另一個(gè)近似探針子集的輪廓。在這種情況下，靜電模式2406 已經(jīng)被轉(zhuǎn)換為接近于靜電模式2404，以便導(dǎo)致在相應(yīng)的第一和第二捕獲分子之間進(jìn)行化學(xué) 反應(yīng)以形成第三捕獲分子；采用靜電模式2408來保持該第三捕獲分子。
圖24D描述了在某個(gè)稍后的時(shí)間點(diǎn)上的近似探針陣列塊2402 ；近似探針陣列塊 2402上的靜電模式2410表示另一個(gè)近似探針子集的輪廓，可以假定該靜電模式已經(jīng)捕獲 了將在后續(xù)的圖中被操縱的第四分子。圖24E描述了在某個(gè)稍后的時(shí)間點(diǎn)上的近似探針陣 列塊2402 ；近似探針陣列塊2402上的靜電模式2410已經(jīng)被移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)為接近于靜電模式 2408，以便導(dǎo)致在相應(yīng)的第三和第四捕獲分子之間進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)以形成第五捕獲分子，其 如圖24F所示，其中采用了靜電模式2412來保持第四捕獲分子。
圖24G描述了在某個(gè)稍后的時(shí)間點(diǎn)上的近似探針陣列塊2402 ；如圖24F所示的靜 電模式2412的一部分已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)換以形成圖24G所示的靜電模式2414。在這樣做時(shí)，假 定第四捕獲分子在被近似探針陣列塊2402保持的同時(shí)被扭曲到某種程度。圖24H描述了 在某個(gè)稍后的時(shí)間點(diǎn)上的近似探針陣列塊2402 ；如圖24G所示的靜電模式2414的一部分 已經(jīng)被拆分以形成圖24H所示的靜電模式2416，以便準(zhǔn)備好進(jìn)行圖241中的稍后時(shí)間點(diǎn)處 所示的下一次分子操縱。圖241描述了靜電模式2418，其是已經(jīng)被轉(zhuǎn)換和旋轉(zhuǎn)的靜電模式 2416的剩余部分；可以假定圖24G-24I所示的操作已經(jīng)在某個(gè)期望的位置上拆分了第四捕 獲分子以形成第五捕獲分子。近似探針陣列塊2402可以保持第五捕獲分子長達(dá)某個(gè)可配 置的時(shí)間段；第五捕獲分子可以在近似探針陣列塊2402上的后續(xù)分子操縱中使用，或者第 五捕獲分子可以在可利用近似探針陣列塊2402上的檢測器觀測到的同時(shí)、經(jīng)歷與包含近 似探針陣列塊2402的反應(yīng)室內(nèi)的未被捕獲的分子的化學(xué)反應(yīng)。[0129]因此，圖24A-24I說明了導(dǎo)致創(chuàng)建復(fù)雜分子的、在不同時(shí)間點(diǎn)上操縱多個(gè)所捕獲 的分子的操縱序列，由此構(gòu)造出在通常的反應(yīng)室中使用利用自由散播試劑的通?；瘜W(xué)作用 不可能構(gòu)造出的復(fù)雜分子。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠構(gòu)造出在通常的反應(yīng)室中很少被觀 察或者很難被觀察到的分子。在某些情況下，有可能在通常的反應(yīng)室中創(chuàng)建所關(guān)注的分子， 但是因?yàn)榉浅５偷姆磻?yīng)速度，一旦所關(guān)注的分子在反應(yīng)室內(nèi)自由散播，則其可能非常難以 作為后續(xù)反應(yīng)的目標(biāo)。利用本發(fā)明，可以構(gòu)造所關(guān)注的分子，然后將其保持為所捕獲分子， 以便觀察后續(xù)反應(yīng)或者觀察它的一般化學(xué)性質(zhì)。
按照相反的方式，可以對分子執(zhí)行分子操縱序列，以便分解分子而不是如圖 24A-24I所示的那樣組合分子。在分解過程中的每個(gè)步驟中，可能借助于通過分子操縱而 與所捕獲分子接觸的一個(gè)或多個(gè)所捕獲的催化劑分子的幫助，可以除去所捕獲分子的一部 分。
本發(fā)明在分析大分子的組成部分方面也可能是有用的。例如，可以使用圖24A-24I 所示的組合處理在近似探針陣列塊上創(chuàng)建大分子。然而，在該過程結(jié)束時(shí)，所捕獲分子的 結(jié)構(gòu)可能是未知的；即使所捕獲分子的確切結(jié)構(gòu)和它的捕獲點(diǎn)可能是未知的，也可以由近 似探針陣列塊使用大的、通過經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的靜電模式來保持所捕獲的分子。通過使大的捕獲 分子經(jīng)受一系列分子操縱，可以順序地除去大的捕獲分子中的較小組成部分用于后續(xù)的分 析。然后，轉(zhuǎn)換或者將組成部分移到近似探針陣列塊的分離部分或者另一個(gè)近似探針陣列 塊，借此可能通過使用附加的分子操縱來更容易地分析組成部分。在確定了組成部分的結(jié) 構(gòu)之后，可以分辨出更大的初始分子的結(jié)構(gòu)。
雖然這些附圖描述了就好像反應(yīng)室僅僅包含一個(gè)這樣的近似探針陣列塊排列那 樣、用于實(shí)現(xiàn)分子操縱或者分子操縱序列的一個(gè)或者多個(gè)近似探針陣列塊的單個(gè)排列，但 是應(yīng)當(dāng)注意到，多個(gè)近似探針陣列塊排列(很可能是近似探針陣列塊的相同排列)可以并 行地執(zhí)行分子操縱序列，由此生成一個(gè)或者多個(gè)期望分子的多個(gè)拷貝。如果可以實(shí)現(xiàn)大量 這樣的近似探針陣列塊的排列，則可以制造出大量期望的分子。然后，能夠?yàn)橹T如研究、工 業(yè)用途、或者醫(yī)學(xué)用途之類的各種目的在傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)內(nèi)使用大量期望的分子。
此外，本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例可以有利地用于生成足夠數(shù)量的分子，其中這些分子 利用傳統(tǒng)的化學(xué)作用僅僅可少量生成。本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例在下述這樣的情況下會(huì)是特別 有利的，在這些情況下，量太小而不能用于例如研究包含該分子的反應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特性。此外， 本發(fā)明對于生成足夠數(shù)量的某些有價(jià)值的分子而言可能是成本有效的，其中這些有價(jià)值的 分子由傳統(tǒng)的化學(xué)作用生成時(shí)成本過高。
考慮到上面已經(jīng)提供的詳細(xì)說明，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)該是顯而易見的?？梢酝ㄟ^分 別按照一維、二維、或者三維維度配置近似探針，來制造線性、平面、或者立體的近似探針陣 列塊。近似探針陣列塊可以用于實(shí)現(xiàn)使用傳統(tǒng)技術(shù)不可能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜化學(xué)作用或者生物技 術(shù)。
例如，科學(xué)家可能期望在特定點(diǎn)上剪切長鏈分子?？茖W(xué)家可以這樣以該鏈?zhǔn)椒肿?為目標(biāo)，即，通過編程本發(fā)明中的系統(tǒng)，以便使近似探針陣列塊顯現(xiàn)出施加吸引該分子的靜 電屬性的靜電力的靜電模式，其中該分子的靜電屬性由其分子電子云內(nèi)在地表示。然后將 該近似探針陣列塊暴露于包含目標(biāo)分子的液體溶液中。目標(biāo)分子之一最終通過熱運(yùn)動(dòng)移動(dòng) 到接近該近似探針陣列塊，而且在目標(biāo)分子上的互補(bǔ)的靜電電荷被吸引到該近似探針，由此使得該目標(biāo)分子被近似探針陣列所捕獲。近似探針陣列塊上的傳感器可以檢測所捕獲分 子的存在，而且近似探針陣列塊可用于以各種操縱動(dòng)作中的一個(gè)或多個(gè)來操縱所捕獲的分 子。例如，可以轉(zhuǎn)換和/或旋轉(zhuǎn)近似探針上的部分靜電模式，由此在所捕獲分子內(nèi)的特定化 學(xué)鍵處撕裂所捕獲的分子并產(chǎn)生兩個(gè)捕獲分子。
以類似的方式，可以編程近似探針陣列的不同部分以捕獲目標(biāo)分子。隨后在近似 陣列上將所捕獲分子轉(zhuǎn)換和旋轉(zhuǎn)到特定的位置和定向，以便使所捕獲的分子足夠靠近以參 與形成新的較大分子的化學(xué)反應(yīng)，然后將其釋放回到液體溶液中。用這樣的方式，可以利用 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制造的設(shè)備執(zhí)行特殊的化學(xué)操縱。
還可以利用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)特殊的生物學(xué)操縱。在活體中，大多數(shù)的生物進(jìn)程由DNA、 RNA、其它基因分子、和特殊蛋白質(zhì)驅(qū)動(dòng)；它們?nèi)慷几鶕?jù)創(chuàng)建與要被操縱的分子上的互補(bǔ) 電荷模式緊密匹配的電荷靜電模式的原理來工作。這使得恰當(dāng)?shù)姆肿痈街诿?、催化劑、?者其它分子上。在有些情況下，通過將分子保持在一起或者通過將分子分開彎曲，來剪切分 子或者將分子附著于其它分子上。在過去，必須利用許多已知的催化劑、酶等進(jìn)行非常艱 巨的實(shí)驗(yàn)，以發(fā)現(xiàn)執(zhí)行期望的分子操縱的過程，這可能需要進(jìn)行許多年的工作。此外，遺傳 技術(shù)已經(jīng)用于發(fā)現(xiàn)其代碼用于特定分子變換或功能的基因，在這之后利用這些基因監(jiān)造疫 苗，以產(chǎn)生執(zhí)行期望的分子變換或功能的化學(xué)制品；這也是非常艱巨的工作。
本發(fā)明提供了用于實(shí)現(xiàn)類似的生物學(xué)活動(dòng)的可編程處理和可編程結(jié)構(gòu)；例如，在 所捕獲分子保持由近似探針陣列捕獲的同時(shí)，該分子可以起到酶或者催化劑的作用?？茖W(xué) 家可以經(jīng)由電子硬件來編程期望的分子操縱，這可以潛在地消除非常艱巨的工作。此外，本 發(fā)明對于檢驗(yàn)疾病、使人們易于遭遇某些問題的基因、藥品、污染物、病毒、疫苗、或者血液 或其它體液中的其它物質(zhì)的存在可能是有用的。可以制造引起疾病的分子的失活或者無 威脅的版本，并且將其引回到身體中，以便免疫系統(tǒng)可以創(chuàng)建針對原有有害分子的抗體。此 外，本發(fā)明可以用來實(shí)現(xiàn)折疊分子、特別是諸如蛋白質(zhì)之類的生物分子的分子操縱。例如， 由DNA編碼的氨基酸鏈可以按照許多不同的方式折疊它們本身，而且有機(jī)體通常具有用于 破壞或者解開錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)的機(jī)制。然而，使用這個(gè)設(shè)備，人們將能夠強(qiáng)制將這樣的分 子折疊為特定形狀，以便研究這樣折疊的效果或者獲得通過自然的生物進(jìn)程太難或者不可 能獲得的分子。
重要的是要注意到雖然已經(jīng)這樣描述了本發(fā)明以便使它可以是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的 一部分；但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)理解，本發(fā)明中的一些處理能夠以計(jì)算機(jī)可讀介 質(zhì)中的指令的形式以及各種其它形式進(jìn)行分發(fā)；而與實(shí)際上用于執(zhí)行該分發(fā)的信號(hào)承載介 質(zhì)的特定類型無關(guān)。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的示例包含諸如EPR0M、R0M、磁帶、紙張、軟盤、硬盤驅(qū) 動(dòng)器、RAM、和CD-ROM之類的介質(zhì)，以及諸如數(shù)字和模擬通信系統(tǒng)鏈接之類的傳輸類型的介 質(zhì)。
通常將方法設(shè)想為是導(dǎo)致期望結(jié)果的步驟的自相一致的序列。這些步驟需要對物 理量的物理操縱。盡管不是必需的，但是通常這些物理量采取能夠被存儲(chǔ)、傳輸、組合、比 較、否則被操作的電或者磁信號(hào)的形式。主要因?yàn)橥ǔＪ褂玫脑?，有時(shí)將這些信號(hào)稱為 位、值、參數(shù)、項(xiàng)、單元、對象、符號(hào)、字符、術(shù)語、數(shù)字等是便利的。然而，應(yīng)當(dāng)注意，所有這些 術(shù)語和類似的術(shù)語與恰當(dāng)?shù)奈锢砹肯嚓P(guān)聯(lián)，并且僅僅是應(yīng)用到這些量上的適當(dāng)標(biāo)記。
已經(jīng)為了說明的目的而給出了對本發(fā)明的描述，但其不是窮舉的，并且也打算局限于所公開的實(shí)施例。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，許多修改和變化將會(huì)是顯而易見 的。選擇了這些實(shí)施例來闡述本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，并使得本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 能夠理解本發(fā)明，以便利用可能適合于其它所考慮的用途的各種修改來實(shí)現(xiàn)各種實(shí)施例。
權(quán)利要求
一種用于操縱分子的方法，所述方法包含將靜電模式置于近似探針集中的兩個(gè)或更多近似探針構(gòu)成的子集上；使用由所述靜電模式施加的靜電力捕獲分子；修改所述靜電模式，以便在所述近似探針集中的兩個(gè)或更多近似探針構(gòu)成的不同子集上創(chuàng)建不同的靜電模式；以及在所述分子保持由所述近似探針集捕獲的同時(shí)操縱所述分子。
2.如權(quán)利要求
1所述的方法，還包含將電勢施加到所述近似探針子集中的每個(gè)近似探針的導(dǎo)電材料上，以便使該近似探針 子集中的每個(gè)近似探針的端部施加靜電力。
3.如權(quán)利要求
1所述的方法，還包含獨(dú)立地控制所述近似探針子集中的每個(gè)近似探針，以便使所述近似探針子集中的每個(gè) 近似探針能夠施加在該近似探針子集當(dāng)中唯一的靜電力強(qiáng)度。
4.如權(quán)利要求
1所述的方法，還包含修改所述靜電模式，以便在所述分子保持由所述近似探針集捕獲的同時(shí)彎曲所述分子。
5.如權(quán)利要求
1所述的方法，還包含修改所述靜電模式，以便將所述分子拆分為第一分子和第二分子。
6.如權(quán)利要求
5所述的方法，還包含繼續(xù)由所述近似探針集保持第一分子或者第二分子；以及 利用所述近似探針集來操縱第一分子或者第二分子。
7.如權(quán)利要求
1所述的方法，還包含修改所述靜電模式，以便在所述近似探針集中的兩個(gè)或更多近似探針構(gòu)成的第一子集 上創(chuàng)建第一靜電模式，并且在所述近似探針集中的兩個(gè)或更多近似探針構(gòu)成的第二子集上 創(chuàng)建第二靜電模式。
8.如權(quán)利要求
7所述的方法，還包含 獨(dú)立地操縱第一靜電模式和第二靜電模式。
9.如權(quán)利要求
7所述的方法，還包含獨(dú)立地利用第一靜電模式在所述分子的第一部分上進(jìn)行作用以及利用第二靜電模式 在所述分子的第二部分上進(jìn)行作用。
10.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中，近似探針集中的兩個(gè)或更多近似探針構(gòu)成的所述 子集表示近似探針的第一子集，其中所述靜電模式表示第一靜電模式，以及其中所述分子 表示第一分子，所述方法還包含將靜電模式置于所述近似探針集中的兩個(gè)或更多近似探針構(gòu)成的第二子集上，其中所 述第一子集和第二子集不相交；使用由第二靜電模式施加的靜電力捕獲第二分子；以及 在第二分子保持由所述近似探針集捕獲的同時(shí)操縱第二分子。
11.如權(quán)利要求
10所述的方法，還包含在第一分子和第二分子保持由所述近似探針集捕獲的同時(shí)，獨(dú)立地操縱第一分子和第二分子。
12.如權(quán)利要求
10所述的方法，還包含在第一分子和第二分子保持由所述近似探針集捕獲的同時(shí)，將第一分子移動(dòng)到與第二 分子緊密接近；以及使第一分子和第二分子之間進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。
13.如權(quán)利要求
12所述的方法，還包含從第一分子的至少一部分和第二分子的至少一部分中形成第三分子。
14.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中，所述近似探針集中的兩個(gè)或更多近似探針包含懸臂結(jié)構(gòu)。
15.如權(quán)利要求
14所述的方法，其中，所述近似探針子集中的每個(gè)近似探針包含懸臂 結(jié)構(gòu)，所述方法還包含獨(dú)立地?fù)锨鼋铺结樧蛹械闹辽賰蓚€(gè)近似探針，以便在所述分子保持由所述近 似探針集捕獲的同時(shí)彎曲所述分子。
16.如權(quán)利要求
14所述的方法，其中，所述近似探針子集中的每個(gè)近似探針包含懸臂 結(jié)構(gòu)，所述方法還包含獨(dú)立地?fù)锨鼋铺结樧蛹械闹辽賰蓚€(gè)近似探針，以便將所述分子拆分為第一分 子和第二分子。
17.如權(quán)利要求
16所述的方法，還包含繼續(xù)由所述近似探針集保持第一分子或者第二分子；以及 利用所述近似探針集來操縱第一分子或者第二分子。
18.如權(quán)利要求
1所述的方法，還包含在所述分子保持由所述近似探針集捕獲的同時(shí)，在化學(xué)反應(yīng)中使用所述分子。
19.如權(quán)利要求
1所述的方法，還包含在所述分子保持由所述近似探針集捕獲的同時(shí)，在化學(xué)反應(yīng)中將所述分子用作催化劑。
20.如權(quán)利要求
1所述的方法，還包含在所述分子保持由所述近似探針集捕獲的同時(shí)，在生物反應(yīng)中將所述分子用作酶。
21.如權(quán)利要求
10所述的方法，其中，所述近似探針的第一子集被物理地連接作為第 一實(shí)體，并且所述近似探針的第二子集被物理地連接作為第二實(shí)體，以便可以獨(dú)立地操縱 第一實(shí)體和第二實(shí)體。
22.如權(quán)利要求
21所述的方法，還包含 由第一實(shí)體和第二實(shí)體同時(shí)保持所捕獲的分子。
23.如權(quán)利要求
22所述的方法，還包含 在第二實(shí)體保持不動(dòng)的同時(shí)操縱第一實(shí)體。
24.如權(quán)利要求
23所述的方法，還包含在所述分子保持由所述近似探針集捕獲的同時(shí)彎曲所述分子。
25.如權(quán)利要求
23所述的方法，還包含 將所述分子拆分為第一分子和第二分子。
26.如權(quán)利要求
1所述的方法，還包含在所述分子的至少一部分保持由所述近似探針集捕獲的同時(shí)，重復(fù)地操縱所述分子的至少一部分。
27.如權(quán)利要求
26所述的方法，還包含通過操縱包含所述分子的所述部分的操縱序列來創(chuàng)建包含所述分子的所述部分的新 分子。
28.如權(quán)利要求
27所述的方法，還包含通過將其它分子的部分添加到所述分子的所述部分上來組合新分子。
29.如權(quán)利要求
27所述的方法，還包含 通過除去所述分子的部分來分解所述分子。
30.如權(quán)利要求
1所述的方法，還包含 操縱所述分子以便折疊所述分子。
31.如權(quán)利要求
30所述的方法，其中，所述分子是蛋白質(zhì)。
32.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中，所述分子是一段脫氧核糖核酸分子。
33.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中，所述分子是基因分子。
34.一種用于操縱分子的設(shè)備，所述設(shè)備包含用于將靜電模式置于近似探針集中的兩個(gè)或更多近似探針構(gòu)成的子集上的裝置； 用于使用由所述靜電模式施加的靜電力捕獲分子的裝置；用于修改所述靜電模式、以便在所述近似探針集中的兩個(gè)或更多近似探針構(gòu)成的不同 子集上創(chuàng)建不同的靜電模式的裝置；以及用于在所述分子保持由所述近似探針集捕獲的同時(shí)操縱所述分子的裝置。
35.如權(quán)利要求
34所述的設(shè)備，還包含用于將電勢施加到所述近似探針子集中的每個(gè)近似探針的導(dǎo)電材料上、以便該近似探 針子集中的每個(gè)近似探針的端部施加靜電力的裝置。
36.如權(quán)利要求
34所述的設(shè)備，還包含用于獨(dú)立地控制所述近似探針子集中的每個(gè)近似探針、以便所述近似探針子集中的每 個(gè)近似探針能夠施加在所述近似探針子集當(dāng)中唯一的靜電力強(qiáng)度的裝置。
37.如權(quán)利要求
34所述的設(shè)備，還包含用于修改所述靜電模式、以便在所述分子保持由所述近似探針集捕獲的同時(shí)彎曲所述 分子的裝置。
38.如權(quán)利要求
34所述的設(shè)備，還包含用于修改所述靜電模式、以便將所述分子拆分為第一分子和第二分子的裝置。
39.如權(quán)利要求
38所述的設(shè)備，還包含用于繼續(xù)由所述近似探針集保持第一分子或者第二分子的裝置；以及 用于利用所述近似探針集來操縱第一分子或者第二分子的裝置。
40.如權(quán)利要求
34所述的設(shè)備，還包含用于修改所述靜電模式、以便在所述近似探針集中的兩個(gè)或更多近似探針構(gòu)成的第一 子集上創(chuàng)建第一靜電模式并且在所述近似探針集中的兩個(gè)或更多近似探針構(gòu)成的第二子 集上創(chuàng)建第二靜電模式的裝置。
41.如權(quán)利要求
40所述的設(shè)備，還包含用于獨(dú)立地操縱第一靜電模式和第二靜電模式的裝置。
42.如權(quán)利要求
40所述的設(shè)備，還包含用于獨(dú)立地利用第一靜電模式在所述分子的第一部分上進(jìn)行作用以及利用第二靜電 模式在所述分子的第二部分上進(jìn)行作用的裝置。
43.如權(quán)利要求
34所述的設(shè)備，其中，近似探針集中的兩個(gè)或更多近似探針構(gòu)成的所 述子集表示近似探針的第一子集，其中所述靜電模式表示第一靜電模式，以及其中所述分 子表示第一分子，所述設(shè)備還包含用于將靜電模式置于所述近似探針集中的兩個(gè)或更多近似探針構(gòu)成的第二子集上的 裝置，其中所述第一子集和第二子集不相交；用于使用由第二靜電模式施加的靜電力捕獲第二分子的裝置；以及用于在第二分子保持由所述近似探針集捕獲的同時(shí)操縱第二分子的裝置。
44.如權(quán)利要求
43所述的設(shè)備，還包含用于在第一分子和第二分子保持由所述近似探針集捕獲的同時(shí)、獨(dú)立地操縱第一分子 和第二分子的裝置。
45.如權(quán)利要求
43所述的設(shè)備，還包含用于在第一分子和第二分子保持由所述近似探針集捕獲的同時(shí)、將第一分子移動(dòng)到與 第二分子緊密接近的裝置；以及用于使第一分子和第二分子之間進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的裝置。
46.如權(quán)利要求
45所述的設(shè)備，還包含用于從第一分子的至少一部分和第二分子的至少一部分中形成第三分子的裝置。
47.如權(quán)利要求
34所述的設(shè)備，其中，所述近似探針集中的兩個(gè)或更多近似探針包含 懸臂結(jié)構(gòu)。
48.如權(quán)利要求
47所述的設(shè)備，其中，所述近似探針子集中的每個(gè)近似探針包含懸臂 結(jié)構(gòu)，所述設(shè)備還包含用于獨(dú)立地?fù)锨鼋铺结樧蛹械闹辽賰蓚€(gè)近似探針、以便在所述分子保持由所 述近似探針集捕獲的同時(shí)彎曲所述分子的裝置。
49.如權(quán)利要求
47所述的設(shè)備，其中，所述近似探針子集中的每個(gè)近似探針包含懸臂 結(jié)構(gòu)，所述設(shè)備還包含用于獨(dú)立地?fù)锨鼋铺结樧蛹械闹辽賰蓚€(gè)近似探針、以便將所述分子拆分為第 一分子和第二分子的裝置。
50.如權(quán)利要求
49所述的設(shè)備，還包含用于繼續(xù)由所述近似探針集保持第一分子或者第二分子的裝置；以及用于利用所述近似探針集來操縱第一分子或者第二分子的裝置。
51.如權(quán)利要求
34所述的設(shè)備，還包含用于在所述分子保持由所述近似探針集捕獲的同時(shí)、在化學(xué)反應(yīng)中使用所述分子的裝置。
52.如權(quán)利要求
34所述的設(shè)備，還包含用于在所述分子保持由所述近似探針集捕獲的同時(shí)、在化學(xué)反應(yīng)中將所述分子用作催 化劑的裝置。
53.如權(quán)利要求
34所述的設(shè)備，還包含用于在所述分子保持由所述近似探針集捕獲的同時(shí)、在生物反應(yīng)中將所述分子用作酶 的裝置。
54.如權(quán)利要求
43所述的設(shè)備，其中，所述近似探針的第一子集被物理地連接作為第 一實(shí)體，并且所述近似探針的第二子集被物理地連接作為第二實(shí)體，以便可以獨(dú)立地操縱 第一實(shí)體和第二實(shí)體。
55.如權(quán)利要求
54所述的設(shè)備，還包含用于由第一實(shí)體和第二實(shí)體同時(shí)保持所捕獲的分子的裝置。
56.如權(quán)利要求
55所述的設(shè)備，還包含用于在第二實(shí)體保持不動(dòng)的同時(shí)操縱第一實(shí)體的裝置。
57.如權(quán)利要求
56所述的設(shè)備，還包含用于在所述分子保持由所述近似探針集捕獲的同時(shí)彎曲所述分子的裝置。
58.如權(quán)利要求
56所述的設(shè)備，還包含用于將所述分子拆分為第一分子和第二分子的裝置。
59.如權(quán)利要求
34所述的設(shè)備，還包含用于在所述分子的至少一部分保持由所述近似探針集捕獲的同時(shí)、重復(fù)地操縱所述分 子的至少一部分的裝置。
60.如權(quán)利要求
59所述的設(shè)備，還包含用于通過包含所述分子的所述部分的操縱序列來創(chuàng)建包含所述分子的所述部分的新 分子的裝置。
61.如權(quán)利要求
60所述的設(shè)備，還包含用于通過將其它分子的部分添加到所述分子的所述部分上來組合新分子的裝置。
62.如權(quán)利要求
60所述的設(shè)備，還包含用于通過除去所述分子的部分來分解所述分子的裝置。
63.如權(quán)利要求
34所述的設(shè)備，其中，所述用于操縱分子的裝置包含用于折疊分子的直o
64.如權(quán)利要求
34所述的設(shè)備，其中，所述分子是蛋白質(zhì)。
65.如權(quán)利要求
34所述的設(shè)備，其中，所述分子是一段脫氧核糖核酸分子。
專利摘要
公開了一種使用諸如原子力顯微鏡中使用的近似探針之類的近似探針集來操縱分子的系統(tǒng)。將靜電模式置于近似探針集上以便每個(gè)近似探針可以施加靜電力。分子使用那些靜電力捕獲，在這之后，可以在分子保持由近似探針捕獲的同時(shí)操縱該分子?？梢孕薷撵o電模式，以便在分子保持由近似探針集捕獲的同時(shí)在該近似探針集上移動(dòng)和/或旋轉(zhuǎn)分子。在分子保持由近似探針集捕獲的同時(shí)，該靜電模式可用于彎曲或者拆分分子，由此允許系統(tǒng)使分子參加化學(xué)反應(yīng)，以例如起合成催化劑或者合成酶的作用。
文檔編號(hào)G01Q80/00GKCN101039870 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 200580034980
公開日2010年12月22日 申請日期2005年9月23日
發(fā)明者維克托斯·伯斯蒂斯 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (6),