(57)【要約】【課題】検体の解析方法を提供すること。【解決手段】検体の解析方法であって、少なくとも１つのナノファンネルであって、対応するナノチャネルに結合する少なくとも１つのナノファンネル有するチップを提供するステップと、第１の電圧を印加して、検体をナノファンネルに流入させるステップと、その後、第２のより低い電圧を印加して、前記検体を対応するナノチャネルに流入させるステップと、前記ナノファンネル及び／又は前記ナノチャネル中の分子を電子的に解析するステップと、を含む方法。【選択図】図１
2020043874.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検体の解析方法であって、
少なくとも１つのナノファンネルであって、対応するナノチャネルに結合する少なくとも１つのナノファンネル有するチップを提供するステップと、
第１の電圧を印加して、検体をナノファンネルに流入させるステップと、
その後、第２のより低い電圧を印加して、前記検体を対応するナノチャネルに流入させるステップと、
前記ナノファンネル及び／又は前記ナノチャネル中の分子を電子的に解析するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記解析するステップのデータに基づき、前記検体の分子同定、前記検体の長さ又は局所的な官能基マッピングを決定するステップ、
を含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記印加するステップが、前記ナノチャネルにおける流れが０．１ｍｍ／ｓ未満の低速となるように実施される、
請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記解析するステップが、ＤＮＡ配列情報を決定するステップを含む、
請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１つのナノファンネルは、それぞれの幅と深さの寸法が、各部分の全長にわたって定義された幾何学的関係で変化する連結された一連の部分により構成されており、
各部分の幅と深さは、異なる幾何学的関数によって定義されており、
隣接する部分とシームレスに又は不連続に接続されている、
請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも１つのナノファンネルが、
放物線輪郭、
凸面状輪郭、
凹面状輪郭、又は
一定の傾きで内側に傾斜した壁、
の少なくとも１つを有する少なくとも一部分を含む、
請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つのナノファンネルが、
各々が約１μｍ〜約１００μｍの長さを有する複数のナノファンネルを有する、
請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記ナノファンネルの幅と深さの寸法が、選択的に定義された幾何学的関係で、前記ナノファンネルの全長に渡り変化することにより、前記ファンネルの断面サイズが幅広端部から幅狭端部にかけて少なくとも２倍変わる、
請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記ナノチャネルが一定の幅及び深さ寸法を有し、前記ナノファンネルの幅狭端部が、対応する整列したナノチャネルの幅及び深さ寸法と一致する幅及び深さ寸法を有する、
請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１２年２月１０日に出願された米国仮特許出願第６１／５９７，３６４号明細書の利益及びそれに対する優先権を主張し、その内容は、全体が本明細書に記載されたものとして本明細書によって参照により援用される。
【０００２】
連邦政府の支援に関する記載
本発明は、国立ヒトゲノム研究所の提供による補助金交付番号第Ｒ０１−ＨＧ０２６４７号に基づく連邦政府の支援を受けて行われた。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
【０００３】
本発明は、流体工学及びマイクロ電子装置に関する。
【背景技術】
【０００４】
ラボ・オン・チップ流体装置におけるナノスケール構成要素の組込みが、近年大きな関心となっている。この関心の端緒は、マイクロスケールからナノスケールに移行することの幾つかの利点（及び有利には利用し得る違い）である。これらの違いとしては、例えば、二重層の重なり（ｄｏｕｂｌｅ−ｌａｙｅｒ  ｏｖｅｒｌａｐ：ＤＬＯ）並びに電気浸透及び電荷選択透過性に対するその効果、電界の限局的な増強、高い表面積対体積比、大型の合成及び生体高分子に対する閉じ込め効果、並びにエントロピー効果の新たな重要性のうちの１つ以上を挙げることができる。例えば、（非特許文献１）；（非特許文献２）；及び（非特許文献３）を参照のこと。
【０００５】
ナノチャネルは、単分子検出及び同定、生体高分子の閉じ込め及び操作、生物学的アッセイ、ポリヌクレオチドの制限酵素マッピング、ＤＮＡサイジング、物理的ゲノム配列決定方法、及び閉じ込めの物理学の基礎研究を含む多くの用途に良く適している。例えば、（非特許文献４）；（非特許文献５）；及び（非特許文献６）を参照のこと。少なくとも一部の潜在的用途の実現を成功させるには、分子輸送速度及びナノチャネルを通じて検体分子が駆動される頻度を含め、ナノチャネル内での分子動力学を慎重に制御する必要があることが予想される。巨大分子を巨視的及び微視的リザーバから分子の回転半径より小さいナノ流体導管を通じて輸送するには、駆動力（例えば、流体力学力、静電力、重力）を加えてエネルギー障壁を乗り越えることが必要となり得る。この障壁は主にエントロピー的性質のものであり、自由溶液から閉じ込めナノチャネルに移る際の分子の構造自由度の低下に由来し得る。（非特許文献７）を参照のこと。加えて、輸送事象の成功確率は、分子が通り抜けるのに有利な形態でナノ流体導管の入口に突き当たる可能性に比例し得る。（非特許文献８）を参照のこと。これらの基礎的条件は、有限の閾値駆動力が加わるまで分子輸送が起こらないということを実質的に意味している。必要な力が相当な大きさである為、ナノチャネルを通じた検体の輸送は高速となり得る。エネルギー障壁は、ナノチャネルを通じた低速での検体分子の輸送の成功を妨害又は抑制し得るが、多くの応用では、そのような低い検体速度が望まれ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国仮特許出願第６１／３８４，７３８号明細書
【特許文献２】ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０５２１２７号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】ユアン（Ｙｕａｎ）ら著、エレクトロフォレーシス（Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ）、２００７年、第２８巻、５９５〜６１０頁
【非特許文献２】ショッホ（Ｓｃｈｏｃｈ）ら著、現代物理学展望（Ｒｅｖ．Ｍｏｄ．Ｐｈｙｓ．）、２００８年、第８０巻、８３９〜８８３頁
【非特許文献３】コヴァルジーク（Ｋｏｖａｒｉｋ）ら著、アナリティカル・ケミストリー（Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．）、２００９年、第８１巻、７１３３〜７１４０頁
【非特許文献４】リーン（Ｒｉｅｈｎ）ら著、「ナノ流体装置における制限酵素マッピング（Ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ  ｍａｐｐｉｎｇ  ｉｎ  ｎａｎｏｆｌｕｉｄｉｃ  ｄｅｖｉｃｅｓ）」、米国科学アカデミー紀要（Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ）、２００５年、第１０２巻、１００１２頁
【非特許文献５】レキアス（Ｒｅｃｃｉｕｓ）ら著、「ナノチャネルにおける電気力学的に引き延ばしたＤＮＡの構造、長さ、及び速度計測（Ｃｏｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｌｅｎｇｔｈ，ａｎｄ  ｓｐｅｅｄ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｏｆ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ  ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ  ＤＮＡ  ｉｎ  ｎａｎｏｃｈａｎｎｅｌｓ）」、バイオフィジカル・ジャーナル（Ｂｉｏｐｈｙｓ．Ｊ．）、２００８年、第９５巻、２７３頁
【非特許文献６】シプリアニー（Ｃｉｐｒｉａｎｙ）ら著、「ナノ流体チャネルにおける単分子エピジェネティック解析（Ｓｉｎｇｌｅ  ｍｏｌｅｃｕｌｅ  ｅｐｉｇｅｎｅｔｉｃ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｉｎ  ａ  ｎａｎｏｆｌｕｉｄｉｃ  ｃｈａｎｎｅｌ）」、アナリティカル・ケミストリー（Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．）、２０１０年、第８２巻、２４８０頁
【非特許文献７】ブロシャール（Ｂｒｏｃｈａｒｄ）ら著、「閉じ込められた高分子鎖の動力学（Ｄｙｎａｍｉｃｓ  ｏｆ  ｃｏｎｆｉｎｅｄ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｃｈａｉｎｓ）」、ジャーナル・オブ・ケミカル・フィジックス（Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．）、１９７７年、第６７巻、５２頁
【非特許文献８】クマー（Ｋｕｍａｒ）ら著、「高分子電解質鎖の移動障壁の原因（Ｏｒｉｇｉｎ  ｏｆ  ｔｒａｎｓｌｏｃａｔｉｏｎ  ｂａｒｒｉｅｒｓ  ｆｏｒ  ｐｏｌｙｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  ｃｈａｉｎｓ）」、ジャーナル・オブ・ケミカル・フィジックス（Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．）、２００９年、第１３１巻、１９４９０３頁
【非特許文献９】Ｓ．Ｊ．ランドルフ（Ｓ．Ｊ．Ｒａｎｄｏｌｐｈ）ら著、クリティカル・レビューズ・イン・ソリッド・ステート・アンド・マテリアルズ・サイエンシーズ（Ｃｒｉｔ．Ｒｅｖ．Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｍａｔ．Ｓｃｉ．）、２００６年、第３１巻、５５〜８９頁
【非特許文献１０】レビー（Ｌｅｖｙ）ら著、ケミカル・ソサエティ・レビューズ（Ｃｈｅｍ  Ｓｏｃ  Ｒｅｖ）第３９巻、２０１０年、１１３３頁
【非特許文献１１】ラゲルクヴィスト（Ｌａｇｅｒｑｖｉｓｔ）ら著、ナノ・レターズ（Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔ）、第６巻、２００６年、７７９頁
【非特許文献１２】メナード，Ｌ．Ｄ．（Ｍｅｎａｒｄ，Ｌ．Ｄ．）；ラムゼー，Ｊ．Ｍ．（Ｒａｍｓｅｙ，Ｊ．Ｍ．）、「集束イオンビームミリングを使用した絶縁基板における５ｎｍ未満のナノチャネルの製造（Ｔｈｅ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｕｂ−５−ｎｍ  ｎａｎｏｃｈａｎｎｅｌｓ  ｉｎ  ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ｆｏｃｕｓｅｄ  ｉｏｎ  ｂｅａｍ  ｍｉｌｌｉｎｇ）」、ナノ・レターズ（Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔ．）、２０１１年、第１１巻、５１２頁
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態は、少なくとも１つのナノファンネルを備える流体解析装置、この装置及び解析システムの関連する製造、使用方法に関する。
【０００９】
一部の実施形態は、流体チャネルを有するチップの形成方法に関する。この方法は、（ａ）幅広端部と幅狭端部とを有する少なくとも１つのナノファンネルを平面基板内に形成するステップであって、ナノファンネルは長さを有し、その長さに渡り幅及び深さ寸法が両方共に変化する、ステップと；（ｂ）少なくとも１つのナノチャネル及び／又はマイクロチャネルを、平面基板内におけるナノファンネルの幅狭端部に隣接する接合部に形成するステップとを含む。
【００１０】
形成するステップは、所望の寸法を含む電子パターニングファイル、例えば、ビットマップ、ストリームファイル、又は他のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）フォーマットを使用して実施できるナノファンネルをミリングするステップを含むことができ、及び／又はそのような電子パターニングファイルを定義するステップを含むことができる。ミリングするステップは、集束イオンビーム（ＦＩＢ）ミリングを用いて実施することができる。
【００１１】
少なくとも１つのナノファンネル及び少なくとも１つのナノチャネル及び／又はマイクロチャネルを形成するステップは、何れも、一つのミリング工程の間に、ＦＩＢミリング装置及び定義された電子パターニングファイル、例えば、ビットマップ、ストリームファイル、又は他のＣＡＤフォーマットを使用してナノチャネルをナノファンネルの幅狭端部にシームレスに結合することにより実施することができる。
【００１２】
ナノファンネルの幅及び深さ寸法は、ナノチャネルの略全長に対して定義された幾何学的関係で変化するように形成することができ（例えば、放物線状、凸面状、凹面状、直線状、連結型ファンネル）、これによりファンネルの断面サイズが幅広端部から幅狭端部にかけて変化する。このサイズ変化は少なくとも２倍であってもよく、及び少なくとも１桁変化してもよい。
【００１３】
定義された幾何形状は、電子パターニングファイル、例えば、ビットマップ、ストリームファイル、又は他のＣＡＤフォーマットを使用したユーザー定義の形状であってよい。
【００１４】
少なくとも１つのナノチャネルは略一定の幅及び深さを有することができ、ナノファンネルの幅狭端部は、整列した対応するナノチャネルのそれぞれ幅及び深さ寸法と略一致する幅及び深さ寸法を有し得る。
【００１５】
ナノファンネルは（約）約１μｍ〜約１００μｍの長さを有し得る。
【００１６】
この方法は、生体高分子（例えばＤＮＡ分子及び／又はタンパク質が含まれ得る）などの分子の解析用に構成されたナノ流体チップを画定する為基板をフラットカバーで密閉するステップを更に含み得る。
【００１７】
他の実施形態は、核酸又は他の分子の解析用装置に関する。この装置は、複数のナノファンネルを含むナノ流体チップを含む。ナノファンネルは平滑な内表面を有する。各ナノファンネルは幅広端部と幅狭端部とを有し、その長さに沿って深さ及び幅が（典型的には漸進的に）変化する。ナノファンネルは、各々がそれぞれのナノチャネル及び／又はマイクロチャネルに結合され得る。
【００１８】
ナノファンネルは、ＦＩＢミリングによって形成される場合、ナノファンネル内表面に打ち込まれた少なくとも痕跡量のミリングビーム入射粒子物質を有し得る。
【００１９】
ナノファンネルは、それぞれのナノチャネルの略全長に対して（例えばユーザー定義の）幾何学的関係で共に変化する幅及び深さ寸法を有してもよく（例えば、放物線状、凸面状、凹面状、直線状、連結型ファンネル）、これによりファンネルの断面サイズが幅広端部から幅狭端部にかけて少なくとも１桁変化し得る。
【００２０】
ナノチャネルは略一定の幅及び深さを有することができ、ナノファンネルの幅狭端部は、対応するナノチャネルのそれぞれ幅及び深さ寸法と略一致する幅及び深さ寸法を有する。
【００２１】
ナノファンネルを形成するステップは、ミリングにより実施することができる。この方法は、ナノファンネルをミリングする前に、定義されたＸ及びＹ座標での滞留時間を定義してナノファンネル長さに渡るナノファンネルの幅及び深さ寸法を作成する電子パターニングファイルを提供するステップを含み得る。この提供するステップの実施により、冪乗則（幅，深さ〜ｘα）（式中、ｘは軸座標であり、αは正の数である）により定義される関連する指数「α」を含む寸法のナノファンネル形態を作成することができる。
【００２２】
ナノファンネルは、軸方向位置ｘの関数として構成される（ここではｙ〜ｘα（ｘ）である）冪乗則指数αを含む形状を有し得る。ここで「ｙ」は、幅又は深さの何れかの寸法を表すものと理解される。一部の実施形態では、幅及び深さを定義するｘの関数は同じであってもよく、その全長に沿ったアスペクト比（深さ：幅）が１のナノファンネルが得られる。他の実施形態において、幅及び深さを定義するｘの関数は異なってもよく、その全長に沿ったアスペクト比が１以外（例えば、０．１、０．２、０．５、２、４）であるか、又はアスペクト比がナノファンネルの長さに沿って変化するナノファンネルが得られる。
【００２３】
これらの冪乗則は様々な幾何学的関係の例示であり、ナノファンネルのパターニング及び形成を定義する唯一の関数というわけではない。
【００２４】
ナノファンネルは、関数（ｙ１、ｙ２、ｙ３、…）の連結により定義される形状を有し得る（ここでナノファンネルの幅及び深さは、軸座標ｘ０〜ｘ１はｙ１、軸座標ｘ１〜ｘ２はｙ２、軸座標ｘ２〜ｘ３はｙ３によるなどして定義される）。ナノファンネルの各セグメントは、その隣接するセグメントとシームレスに又は不連続に結合されることができ、ナノファンネルの幅狭端部は、対応する整列したナノチャネル又はマイクロチャネルとシームレスに結合され得る。連結されたナノファンネルは、一部の実施形態では２〜１０個のセグメントから成ってもよく、又は他の実施形態において１０〜１００個又は更には最大数百個若しくは数千個のセグメントから成る長い流体導管を形成してもよい。
【００２５】
更に他の実施形態は、検体の解析方法に関する。この方法は、（ａ）対応するナノチャネルに合流する少なくとも１つのナノファンネルを有するチップを提供するステップと；（ｂ）第１の電圧を印加するステップであって、それにより検体を流体ナノファンネルに流入させるステップと；次に（ｃ）第２のより低い電圧を印加するステップであって、それにより検体を対応するナノチャネルに流入させるステップと；（ｄ）ナノファンネル及び／又はナノチャネル中の分子を電子的又は光学的に解析するステップとを含み得る。
【００２６】
この方法はまた、解析するステップのデータに基づき検体の分子同定、検体の長さ又は局所的な官能基マッピングを決定するステップも含み得る。
【００２７】
印加するステップは、ナノチャネルにおける流れが低速となるように実施することができる。
【００２８】
更に他の実施形態は、（単一）分子の解析用流体解析システムに関する。このシステムは、（ａ）複数のナノファンネルを含む流体チップであって、各ファンネルが少なくとも１つのそれぞれのナノチャネルに合流する、流体チップと；（ｂ）チップと通信している制御回路であって、（ｉ）第１の定義された輸送電圧を印加することにより分子を少なくとも１つのナノファンネルに入れ、次に（ｉｉ）第１の定義された輸送電圧より低い定義された第２の輸送電圧を印加することにより分子を対応するナノチャネルに流入させるように構成された制御回路とを含む。
【００２９】
ナノファンネルの幅及び深さ寸法はナノチャネルの略全長に対して放物線関係で変化し、これによりファンネルの断面サイズが幅広端部から幅狭端部にかけて少なくとも１桁変化し得る。
【００３０】
ナノチャネルの少なくとも一部は略一定の幅及び深さを有することができ、ナノファンネルの幅狭端部は、整列したナノチャネルのそれぞれ幅及び深さ寸法と略一致する幅及び深さ寸法を有することができる。
【００３１】
解析システムの制御回路は、ナノチャネルにおける分子の流れが低速となる第２の輸送電圧を印加するように構成され得る。
【００３２】
本発明の実施形態は、輸送を低速で駆動することを可能にするように構成され得る。
【００３３】
本発明の実施形態は、分子の解析方法に関する。この方法は、（ａ）少なくとも１つのナノファンネルを有する装置を提供するステップと；（ｂ）標的分子をナノファンネルに流動自在に導入するステップと；（ｃ）検体分子の空間位置を特定する間、標的分子をナノファンネルに捕獲するステップと；（ｄ）ナノファンネル中の検体分子を解析するステップとを含む。
【００３４】
検体には、単一ＤＮＡ分子が含まれ得る。低電界（Ｅ＜Ｅｍｉｎ）は、ＤＮＡ分子を瞬間的に捕獲することができるが、それがナノファンネルから抜け出てナノチャネルから離れる拡散による散逸を防ぐには不十分である。中間の電界（Ｅ＞Ｅｍｉｎ、Ｅ＜Ｅｃ）はＤＮＡをナノファンネルに安定に捕獲しておくことができ、ＤＮＡ分子の位置（ｘｉ及びｘｆ）は電界の大きさに依存する。高電界（Ｅ＞Ｅｃ）は、ＤＮＡをナノチャネルの中へとそこを通じて輸送することができる。電界強度Ｅｍｉｎ及びＥｃの値は、ナノファンネルの形及びサイズ並びにＤＮＡ分子のサイズに依存する。
【００３５】
本発明の実施形態は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）ミリングシステムに関する。このシステムは、標的基板にナノファンネルを作成するように構成された少なくとも１つの電子パターニングファイルと通信しているか又はそれを含むＦＩＢミリング機器を備える。
【００３６】
ＦＩＢミリング機器は、ここに説明及び／又は特許請求されるナノファンネル形状の何れか、幾つか又は全てを作成するように構成される。
【００３７】
本発明の実施形態は、ＤＮＡを評価する為に実施することができる。この方法は、約０．５ｎｍ〜約１０ｎｍ、典型的には約１ｎｍ〜約５ｎｍ（例えば約３ｎｍ）の深さ寸法を有するナノチャネル内へとナノファンネルから送り込まれた、蛍光染色されたλファージＤＮＡの単分子の時系列画像を取得するステップを含む。
【００３８】
一実施形態に関連して記載される本発明の態様が、異なる実施形態に（それに関連する具体的な記載がなくとも）取り込まれ得ることが注記される。即ち、全ての実施形態及び／又は任意の実施形態の特徴を、任意の方法及び／又は組み合わせで組み合わせることができる。本出願者は、任意の出願当初のクレームを変更し及び／又はそれに応じて任意の新クレームを提出する権利を、任意の出願当初のクレームを補正することにより、当初そのような形では特許請求されなかったとしても任意の他の１つ又は複数のクレームの任意の特徴に従属させる及び／又はそれを導入する権利を含め、留保する。本発明のこれらの及び他の目的及び／又は態様は、以下に示す本明細書に詳細に説明される。本発明のさらなる特徴、利点及び詳細は、以下に続く好ましい実施形態の図及び詳細な説明を読むことにより（かかる説明は、単に本発明の例示に過ぎないが）、当業者には理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態に係る、一端でナノチャネルに至り、他端が試料導入に用いられるマイクロチャネルと交差又は接触しているファンネル形入口を有する流体解析装置の概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る、複数の離間されたナノチャネルとそれぞれのファンネル形入口とを有する流体解析装置の概略図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態に係る、ファンネルのパターニングに使用されるグレースケールビットマップ画像である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態に係る、図３Ａに示されるビットマップを使用して石英基板にミリング加工したファンネル及びナノチャネルの上面図ＳＥＭ画像である。
【図３Ｃ】図３Ｂに示すファンネル及びナノチャネルの傾斜した端面斜視（約５２度）図であり、ファンネルがナノチャネルに近付くに従いファンネルのサイズ（幅及び深さ）が減少し得ることを示す。
【図４Ａ】乃至
【図４Ｃ】先行技術のナノチャネルを使用したサイジング、マッピング及びシークエンシングの概略図である。
【図５Ａ】乃至
【図５Ｂ】ナノチャネルへのＤＮＡ輸送について、本発明の実施形態に係るファンネルを使用する場合（図５Ｂ）と使用しない場合（図５Ａ）とを比較する概略図である。
【図６Ａ】本発明の実施形態に係る流体解析装置を製造する為のエッチング、ミリング及びボンディングを含む製造手順の概略図である。
【図６Ｂ】本発明の実施形態に係る積層基板を備える装置の概略分解図による説明図である。
【図７Ａ】乃至
【図７Ｃ】本発明の実施形態に係る、異なる例示的幾何形状のファンネル輪郭の、対応する（ＳＥＭ）画像との対での概略図である。
【図８Ａ】本発明の実施形態に係る、ＦＩＢミリングモードを備えるミリング機器の正面図であり、ここでは画素毎に、イオンビームを基板上のどこに、及びどれくらいの時間滞留させるかが定義される。
【図８Ｂ】本発明の実施形態に係る、ナノファンネルの作製に用い得る基板中でのイオンビームの実深さ（ｎｍ）の対滞留時間グラフである。
【図９Ａ】本発明の実施形態に係る、ナノチャネルを通じた流体動電輸送の為染色したＤＮＡをリザーバに加えた蛍光顕微鏡の正面斜視図であり、蛍光顕微鏡法を用いて輸送事象を観察することができる（丸で囲んだ差込み図は、ナノチャネルアレイの拡大図を示す）。
【図９Ｂ】本発明の実施形態に係る、ファンネル状入口を有する単一のナノチャネルを通じた蛍光染色したλ−ＤＮＡ分子の輸送を示す一連のフレームの画像である。
【図１０Ａ】乃至
【図１０Ｃ】本発明の実施形態に係る、ナノファンネル及び異なる電界強度でのＤＮＡ輸送の概略図である。
【図１１Ａ】本発明の実施形態に係る、様々な幾何形状について輸送又は捕獲に好適な電界を評価する為の対称軸及び寸法パラメータを含むナノファンネルの概略図である。
【図１１Ｂ】本発明の実施形態に係る、関連する「α」特性が０〜４の異なるファンネル幾何形状の概略図である。
【図１１Ｃ】乃至
【図１１Ｄ】本発明の実施形態に係る、α＜０．５（図１１Ｃ）及びα＞０．５（図１１Ｄ）についてのｌｎ  ｘに対するｌｎ  Ｖのグラフである。
【図１１Ｅ】本発明の実施形態に係る、指数「α」それ自体が軸方向位置ｘの関数である比例関係ｙ〜ｘα（ｘ）により定義される寸法を有するナノファンネルの概略図である。
【図１１Ｆ】乃至
【図１１Ｇ】複数のセグメント（複数の部分とも称される）を有するナノファンネルの概略図であり、ここで各セグメント又は部分の寸法は異なる幾何学的関係により定義され、隣接するセグメント又は部分はシームレスに結合されるか（図１１Ｆ）又は不連続に結合される（図１１Ｇ）。
【図１２Ａ】乃至
【図１２Ｂ】本発明の実施形態に係る、α＜０．５（図１２Ａ）及びα＞０．５（図１２Ｂ）についてのｌｎ  ｘに対するｌｎ  ｃのグラフと、ＤＮＡを保持している関連する例示的なそれぞれのナノファンネルである。
【図１３Ａ】本発明の実施形態に係る、２つの異なるＤＮＡ分子長さについての印加電圧（ナノチャネルにおける電界の大きさＥ０に比例する）の関数としてのＤＮＡ分子の前端の位置（ｘｉ）を表す理論（線）及びシミュレーション結果（マーカー）のｑＥｏＤ／ｋＴに対するｘｉ／ｂのグラフであり、値は正規化し、無次元変数としてプロットしている（式中、ｂは固有ＤＮＡ  Ｋｕｈｎ長さであり、ｑはＤＮＡ上の電荷であり、Ｄはナノチャネル幅及び深さの幾何平均であり、ｋはボルツマン定数であり、及びＴは温度である）。
【図１３Ｂ】本発明の実施形態に係る、図１３Ａに示すグラフと同様の、但し後端（ｘｆ）を示すグラフである。
【図１４】本発明の実施形態に係る、ナノチャネルを通じた輸送の駆動に必要な臨界電界の、冪乗則指数αに対する依存性を表す理論とシミュレーションとのグラフによる比較である。プロット縦軸の無次元変数は、ファンネルのないナノチャネルを通じて輸送を駆動するのに必要な臨界電界Ｅｃにより正規化した、ナノファンネルが有る場合の臨界電界Ｅｃｆである。
【図１５Ａ】本発明の実施形態に係る、ＤＮＡの捕獲実験に使用される例示的ナノファンネルの明視野光学像である。
【図１５Ｂ】図１５Ａに示される例示的ナノファンネルに安定に捕獲される染色したＤＮＡ分子の蛍光像である。
【図１５Ｃ】図１５Ｂの蛍光像から作成した、ＤＮＡ分子の位置決定に使用されるｘ（μｍ）に対する強度のスペクトル線プロファイルのグラフである。
【図１５Ｄ】本発明の実施形態に係る、図１５Ｂに示されるものと同様の一連のフレームを編集した画像であり、ここでは各実験条件（例えば、電圧、ＤＮＡ長さ、ファンネル形状）につき２０分より長いデータを記録し、解析プログラムを使用して位置及び長さ情報を得た。
【図１６】本発明の実施形態に係る、ナノファンネル中にあるＤＮＡの添付画像により示される通り実験的に決定したＤＮＡの位置ｘｏの対電圧（Ｖ）グラフである。
【図１７】本発明の実施形態に係る、ＰＶＰ（ポリビニルピロリドン）有り及び無しでのラムダ（λ）及びＴ４  ＤＮＡについて実験的に決定したＤＮＡの位置ｘｏの対電圧（Ｖ）グラフである。
【図１８】本発明の実施形態に係る、ＰＶＰ有り及び無しでのラムダ及びＴ４  ＤＮＡについて様々な電圧で実験的に決定した長さの変化（長さ対ｘｏ）のグラフである。
【図１９】本発明の実施形態に係る、ナノチャネルに合流するナノファンネルとＤＮＡ並びに２つの代替的な駆動方向及び事象頻度の概略図である。
【図２０】本発明の実施形態に係る、実験的に決定した事象頻度（ｍｉｎ−１）の対電圧（Ｖ）グラフであり、参照し易いように一部分を分解しており、駆動方向（ファンネル側及びチャネル側）の概略図を添付している。
【図２１】本発明の実施形態に係る、エネルギー障壁未満の電圧をある期間に渡り印加したときの（Ｖ＝０．５Ｖ、約１．５時間後）、ナノチャネル入口でのＤＮＡ及びその濃度を示すナノチャネルの画像である。
【図２２Ａ】本発明の実施形態に係る、ナノチャネルに接合するファンネルの原子間力顕微鏡像であり、ここでナノファンネル深さは、その座標が幅及び長さに対応する各位置で計測している。
【図２２Ｂ】本発明の実施形態に係る、寸法（深さ、幅及び面積）対長さのグラフである。ファンネルの計測は、図２２Ａの画像を使用して行うことができ、ファンネルの断面積はその長さに沿って線形に変化し得る。
【図２３Ａ】本発明の実施形態に係る、α＝０．５のファンネルのＡＦＭ（原子間力顕微鏡法）画像である。
【図２３Ｂ】図２３Ａに示される接合部のパターニングに使用されるビットマップ（ＢＭＰ）画像である。
【図２３Ｃ】図２３Ａに示される接合部のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）画像である。
【図２４】本発明の実施形態に係る、例示的ファンネル幾何形状の深さ、幅（μｍ）対長さｘ（μｍ）のグラフである。
【図２５】本発明の実施形態に係る、異なるα値を有するファンネルについての一組のＡＦＭ画像である。
【図２６Ａ】本発明の実施形態に係る、捕獲されたλファージＤＮＡ分子の前端及び後端の計算上（理論上）の位置と実験的に決定した位置との間の比較を示すグラフである。
【図２６Ｂ】本発明の実施形態に係る、捕獲されたＴ４ファージＤＮＡ分子の前端及び後端の計算上（理論上）の位置と実験的に決定した位置との間の比較を示す同様のグラフである。
【図２７】本発明の実施形態に係る、少なくとも１つの流体ナノファンネルと関連するチャネルとを有する基板を使用した解析装置／システムの概略図である。
【図２８】本発明の実施形態に係る、所望のナノファンネル構造を形成する為の電子パターニングファイルと通信しているか及び／又はそれを含むミリング機器の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
ここで、本発明の実施形態が示される添付の図を参照して、以下に本発明を更に詳しく記載する。しかしながら、本発明は多くの異なる形で具体化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものと解釈されてはならない。全体を通じて同様の符号は同様の要素を指す。図中において、特定の層、構成要素又は特徴は、明確にする為強調表示されることがあり、別段指定のない限り、破線は任意選択の特徴又は動作を示す。加えて、動作（又はステップ）の順序は、別段具体的に指示されない限り、図及び／又は特許請求の範囲に提示される順序に限定されない。図面では、線、層、特徴、構成要素及び／又は範囲の厚さは、明確にする為強調表示されることがあり、別段指示されない限り、破線は任意選択の特徴又は動作を示す。幾つかの概略図において、ナノファンネル形状を明確に示す為、ナノファンネルは二次元投影として図示され得る。幅及び深さ寸法は両方共にナノファンネルの長さに渡り変化し得ることが理解されなければならない。
【００４１】
本明細書で使用される用語法は、特定の実施形態を記載することを目的としているに過ぎず、本発明の限定を意図するものではない。本明細書で使用されるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈上特に明確に指示されない限り、複数形も同様に含むことを意図する。更に、用語「〜を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「〜を含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「〜を備える（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、及び／又は「〜を備えている（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、本明細書で使用されるとき、記載される特徴、範囲、ステップ、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、範囲、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はそれらの群の存在又は追加を除外しないことが理解されるであろう。本明細書で使用されるとき、用語「及び／又は」は、関連する列挙項目の１つ以上のあらゆる組み合わせを含む。本明細書で使用されるとき、「ＸとＹとの間」及び「約ＸとＹとの間」などの語句は、Ｘ及びＹを含むものと解釈されるべきである。本明細書で使用されるとき、「約ＸとＹとの間」などの語句は「約Ｘと約Ｙとの間」を意味する。本明細書で使用されるとき、「約ＸからＹまで」などの語句は「約Ｘから約Ｙまで」を意味する。
【００４２】
特徴、例えば層、範囲又は基板が、別の特徴又は要素「の上に」あると言及されるとき、それは他の特徴又は要素の直接上にあっても、又は介在する特徴及び／又は要素が存在してもよいことは理解されるであろう。対照的に、要素が別の特徴又は要素「の直接上に」あると言及されるとき、介在要素は存在しない。また、特徴又は要素が別の特徴又は要素と「結合されている」、「取り付けられている」又は「連結されている」と言及されるとき、それは、他の要素と直接結合、取付け又は連結されていてもよく、又は介在要素が存在してもよいことが理解されるであろう。対照的に、特徴又は要素が別の要素と「直接結合されている」、「直接取り付けられている」又は「直接連結されている」と言及されるとき、介在要素は存在しない。一実施形態に関連して説明又は図示されるが、そのように説明又は図示される特徴は他の実施形態に適用することができる。
【００４３】
特に定義しない限り、本明細書で使用される全ての用語（科学技術用語を含む）は、本発明が属する技術分野の当業者が一般的に理解するのと同じ意味を有する。更に、一般的に使用される辞書に定義されるような用語は、本願及び関連技術の文脈におけるそれらの意味と一致する意味を有するものと解釈されるべきであり、本明細書で明示的にそのように定義されない限り、理想的な又は過剰に形式的な意味で解釈されてはならないことが理解されるであろう。簡潔さ及び／又は明確さの為、周知の機能又は構造については詳細に説明しないこともある。
【００４４】
本明細書では、説明を容易にする為、空間に関連する用語、例えば「〜の下方」、「〜の下側」、「〜より下」、「〜の上」、「〜の上方」などが、図に示される通りのある要素又は特徴と別の１つ以上の要素又は１つ以上の特徴の関係を説明するのに用いられ得る。空間に関連する用語は、図に示される向きに加えて、使用中又は動作中の装置の異なる向きを包含するよう意図されることは理解されるであろう。例えば、図中の装置が反転している場合、他の要素又は特徴の「下方」又は「下」と記載される要素は、このときその他の要素又は特徴の「上」に位置することになる。従って、例示的な用語「〜の上方」は、上及び下の両方の向きを包含し得る。装置は他の向きであってもよく（９０度回転しているか又は他の向きにあってもよい）、本明細書で使用される空間に関連する記述語は、それに従い解釈される。同様に、用語「上方に」、「下方に」、「垂直な」、「水平な」などは、別段具体的に指示されない限り、本明細書ではあくまでも説明の為に用いられるに過ぎない。
【００４５】
本明細書では、様々な要素、構成要素、範囲、層及び／又は断面を記載するのに第１、第２等の用語が用いられ得るが、これらの要素、構成要素、範囲、層及び／又は断面がこれらの用語によって限定されてはならないことは理解されるであろう。これらの用語は、ある要素、構成要素、範囲、層又は断面を別の範囲、層又は断面と区別する為に用いられるに過ぎない。従って、以下で考察される第１の要素、構成要素、範囲、層又は断面は、本発明の教示から逸脱することなく第２の要素、構成要素、範囲、層又は断面と呼ぶことができる。
【００４６】
用語「約」は、関連する寸法又は他のパラメータ値又は数に近いが丁度ではない、典型的には当該の寸法又は他のパラメータ値又は数の約±２０％以下、例えば約±１０％以下の範囲内である寸法又は他のパラメータを指す。
【００４７】
一部の特定の実施形態に係るそれぞれのナノファンネルの形状の変化に関連して、用語「漸進的に」は、内側に向かってより小さいサイズに縮径する形状を指す。
【００４８】
概説するならば、本願の実施形態は、ミリングを使用した一次（「臨界」と記載されることもある）寸法を有するナノファンネル、及び場合によりナノチャネルの製造技法を提供する。用語「ミリング」は、１つ又は複数の荷電粒子を使用してチャネルを形成する任意の方法を指す。従って、本明細書で一部の例は集束イオンビーム（ＦＩＢ）ミリング法に関連して記載されるが、Ａｒ＋イオンビーム、陽子ビーム、Ｈｅ＋イオンビーム、Ｇａ＋、Ｉｎ＋、Ｃ６０＋、及び電子ビームミリングを用いるものを含め、他のミリング法を使用してもよい。用語「打込み入射粒子」は、ミリング法に応じた（ナノチャネルの形成に使用されるビームの種類に基づく）基板ナノファンネル又はナノチャネルに打ち込まれる粒子を指す。一部の実施形態では、（流体）試料の解析に使用される装置は、微量（ＳＥＭ又は他の評価方法で検出可能）に存在するか、より多量に存在するか、又は（例えば公知の後続の加工技術によって）除去されていてもよい打込み入射粒子を含み得る。ミリングは、荷電粒子ミリングが、ミリングプロセスの間にマスキング材料を再堆積させる荷電粒子誘起堆積プロセスと交互に行われるように実施することができる。マスキング材料の再堆積は、エッチングプロセスの間にマスキング材料を再生させることができる為、より高いアスペクト比のナノチャネルの作製が可能となり得る。集束粒子ビーム及び揮発性前駆体分子を使用した固相材料の堆積は、十分に確立された技法である（（非特許文献９）（その内容は、本明細書に全て記載されたものとして本明細書により参照によって援用される）を参照のこと）。Ｃｒ、Ｐｔ、Ｓｉ及び／又はＳｉＯ２を含め、これらの技法を用いて広範な金属、不導体、及び半導体材料を堆積させることができる。再堆積プロセスは、最も細い高アスペクト比のファンネル及び／又はチャネルのミリング時に特に重要であり得る。こうしたファンネル及び／又はチャネルは、ある面積に渡って及び／又はある線に沿って荷電粒子ビームをラスタリングすることによりミリングされ得る。ビームラスタリングの間、堆積材料の前駆体ガスを適切な間隔で注入することにより、所望のナノチャネル寸法を実現することができる。
【００４９】
用語「電子パターニングファイル」は、ミリング機器のミリングモードなど製造装置に用いられ得る目標ナノファンネル形成パターン又は画像を定義する為の、典型的には１つのファイルに保持されるが、２つ以上のファイルに、且つローカル又はリモートコンピュータ上に分散してもよい電子的な（プログラムによる）命令を指す。電子パターニングファイルは、イオンビームの滞留時間及び強度などに関するミリング機器命令／制御を含む１つ以上のＣＡＤ（コンピュータ支援設計）ファイルを含み得る。用語「ビットマップ」は、ミリング機器、例えばＦＩＢミリング機器のミリングモード用の所望のミリングパターン又は画像のコンピュータ実装命令を指し、ここでは各画素が、イオンビームを標的基板上のどこに、及びどれくらいの時間滞留させるかを定義する。用語「ストリームファイル」は、ファイルに列挙される通りの、一組のｘ、ｙ座標（画素）の各々についてイオンビーム滞留時間を定義するＡＳＣＩＩテキスト又はバイナリファイルを指す。当業者は認識するであろう通り、ビットマップ及びストリームファイルの機能は同じであるが、ビットマップは行列である一方、ストリームファイルはリストであり、機器によるそれぞれのファイルからのパターニング方法に僅かな違いがあり得る。
【００５０】
以下の例は、ミリング、特にＦＩＢミリングを使用したナノファンネルの形成について記載するが、ナノファンネル及び／又はナノチャネル（又はマイクロチャネル）は、例えばミリング、エッチング、成形、及びエンボス加工又は異なる製造技法の組み合わせを含めた、任意の好適な機器又は製造技法を用いて形成され得ることが注記される。例えば、第１の補完的特徴部が標的基板上／基板内に形成、例えばエッチング又はミリングされてもよく、次にファンネル構造が、その補完的特徴部を覆って又はその周りに成形又はエンボス加工によって形成されてもよい。
【００５１】
用語「冪乗則」は、指数因子「アルファ」により特徴付けられるナノファンネル形状及び寸法の数学的モデルを指し、ここでナノチャネル幅（ｗ）及び深さ（ｄ）は、ナノファンネルの長手方向軸（ｘ）に沿った位置に伴い冪乗則ｗ，ｄ〜ｘαにより変化する。この冪乗則はｙ〜ｘαと表されることもあり、ここで「ｙ」はナノファンネルの幅及び／又は深さを表すものと理解される。幅及び深さを定義するｘの関数は同じであってもよく、その全長に沿ったアスペクト比（深さ：幅）が１のナノファンネルが得られる。幅及び深さを定義するｘの関数は異なってもよく、その全長に沿ったアスペクト比が１以外（例えば、０．１、０．２、０．５、２、４）であるか、又はアスペクト比がナノファンネルの長さに沿って変化するナノファンネルが得られる。本明細書に記載される冪乗則は、様々な幾何学的関係の例示であり、ナノファンネルのパターニング及び形成を定義する唯一の関数というわけではない。
【００５２】
用語「ナノファンネル」は、２つの対向する端部を含む三次元ファンネル形状を有する流体チャネルを指し、一方の端部がより広い開口の幅広端部を有し、且つ他方の対向する幅狭端部がより狭い開口を有し、幅狭端部は、ナノメートルサイズの少なくとも１つの主寸法（幅及び／又は深さ）を有する。ファンネル形状は、略円錐形又は円錐台形、凹面状又は凸面状であってよいが、典型的には１つ又は２つの覆い重なる協働する平坦な基板に、ファンネル深さ及び幅が内側に向けて縮径することで一方向（この方向は流れ方向又は流れと逆方向であってよい）に沿って幅が狭まり、また深さも浅くなるように形成される。一部の実施形態では、ファンネル形状は、断面サイズが通過経路に沿って少なくとも１桁だけ漸減し、最小寸法が、それとシームレスに一体化され得る（及びそれが合流し得る）ナノチャネルの寸法に略等しくなるように構成され得る。単数形での用語「主寸法」は幅及び／又は深さ寸法を指し、この用語が複数形で使用されると幅及び深さ寸法の両方が含まれる。ナノファンネルの幅狭端部における主寸法は、何れも典型的には約５０ｎｍ未満であり、例えば約２５ｎｍ以下（平均して又は最大で）、例えば約１ｎｍ〜約２５ｎｍ及びこれらの間の任意の値、例えば約５ｎｍ、約１０ｎｍ、約１５ｎｍ、約２０ｎｍ及び約２５ｎｍである。ナノファンネルの長さは、典型的には最終用途によって異なり得る。そのような用途としては、例えば、限定はされないが、ナノチャネルに合流するナノファンネルを備える装置、ナノチャネルをマイクロチャネルと結合するナノファンネルを備える装置、２つの近接して離間されたマイクロチャネルをつなぎ合わせるナノファンネルを有する装置、又はマイクロリザーバと流体連通しているナノファンネルを有する装置を挙げることができる。
【００５３】
用語「ナノチャネル」は、「トレンチ」と称されることもある、側壁と床面とを有する細長いチャネルを指す。用語「マイクロチャネル」は、細いもののナノチャネルよりは太いチャネルを指す。ナノチャネルの主寸法は、何れも典型的には約１０ｎｍ未満であり、例えば約５ｎｍ以下（平均して又は最大で）である。一部の実施形態では、深さ及び／又は幅は約３ｎｍ以下、例えば約１ｎｍであってもよい。一部の実施形態では、深さが約１ｎｍ〜約１０ｎｍ（平均して又は最大で）であり、幅は深さ寸法と同じか又はそれより大きい（例えば、約２〜１０倍大きい）（ここでもまた平均して計測されるか、或いは最大で計測される）。他の実施形態において、ナノチャネルは最大約１００ｎｍまでの主寸法を有し得る。ナノチャネルの長さは、典型的には最終用途によって異なり得る。しかしながら、一部の実施形態では、ナノチャネルは約１００ｎｍなどの比較的短い長さを有してもよく、しかしながら典型的には約１０ミクロン〜１００ミクロンである。他の実施形態において、ナノチャネルはより長く、例えば約０．５〜１２インチ（特にステッチングか、又は連続的な精密に制御された試料ステージの動きをミリング中に使用する場合）であってもよいが、より典型的には約０．５〜２インチである。ナノチャネルは直線状であってもよく、又は軸に沿って螺旋状、蛇行状若しくは他の曲線パターンで延在してもよい。
【００５４】
ナノファンネル、及び使用される場合にナノチャネルは、少なくとも１つの中実の平面基板に、開放している上面と閉じた底面とを有すると共に、それらの間に側壁が延在するように形成することができる。カバーを使用して、ナノファンネル及びナノチャネルの上面を密閉するか又は他の方法で閉鎖してもよい。ナノチャネルは、約１のアスペクト比（ＡＲ）で構成され得る（例えば、平均幅及び平均深さが略同じであるか、又は約２０％より大きくは異ならない）が、また他のアスペクト比を有してもよく、典型的には幅寸法が深さ寸法より２〜１０倍大きく、例えば約１：３（Ｈ（深さ寸法）：Ｗ）のＡＲである。一部の実施形態では、ナノチャネルは１より大きく１０より小さいアスペクトを含み得る。
【００５５】
用語「低速」は、約０．０１ｃｍ／ｓ未満の速度でのナノチャネルを通じた試料、例えば単分子の動きに関する速度を指す。用語「低電圧駆動力」は、それぞれのナノファンネル及び／又はナノチャネルの中への及び／又はそこを通じた試料、例えば分子の輸送を駆動する為、流れ通過チャネルと連通している電極を使用して印加される電圧を指す。低電圧駆動力は、絶対単位で表すことも、又は流体チャネル、例えばナノチャネル若しくはナノファンネルの長さの単位で表すこともできる。ナノファンネルの低電圧駆動力は、使用される場合には、約５Ｖ未満、典型的には約１Ｖ未満であってよく、ナノチャネルについてはより低い、例えば約５００ｍＶ以下であってよい。典型的には、１つの駆動電圧、典型的には約１〜５Ｖが印加されることにより試料がそれぞれのナノファンネル内へと駆動され、次により低い第２の電圧が印加されることにより試料がナノチャネル内へと動かされてもよく、この第２の電圧は典型的には、約５００ｍＶ未満、例えば約３００ｍＶ〜約２００ｍＶである。
【００５６】
ここで図を見ると、図１は、装置１０の一実施形態の概略図である。図示される通り、装置１０は、マイクロチャネル１５とナノファンネル２０とナノチャネル３０とを有する平面基板１０ｐを有する。図示される実施形態において、ナノファンネル２０は幅狭端部２０ｎを有し、これは、それぞれの整列したナノチャネル３０に入るファンネル形入口を画定する。ファンネルの幅広端部２０ｗは、流体試料の導入に使用されるマイクロチャネルの近くにある。ナノチャネル３０は、ファンネル２０の長さよりはるかに大きい長さを有することができ、典型的には少なくとも３倍大きく、より典型的には約５倍、６倍、７倍、８倍、９倍、１０倍大きく、又は更にはそれより大きい長さである。一部の実施形態では、ナノファンネル２０は比較的短い長さ、例えば約１００μｍ又はそれ未満、典型的には約１００ｎｍ〜約５０μｍ、例えば約７５μｍ、約５０μｍ、約２５μｍ、約１５μｍ、約１０μｍ、約１μｍ、約５００ｎｍ、及び約１００ｎｍ又はこれらの間の任意の数値を有し得る。一部の実施形態では、この長さは１００ｎｍ未満、例えば約７５ｎｍ、約５０ｎｍ、約２５ｎｍ又はそれ未満及びこれらの間の任意の数値であってもよい。
【００５７】
図２に関連して、装置１０は少なくとも１つのナノファンネル２０を備え得るが、典型的には複数の離間されたナノファンネル２０を備える。２つの離間されたナノファンネル２０１、２０２として図示されるが、装置１０は２つより多いナノファンネルを備え得る。図示される通り、各ナノファンネル２０１、２０２はそれぞれのナノチャネル３０１、３０２に合流し得るか、又は他の流体構造に結合し得る。
【００５８】
ナノファンネル２０は、幅及び深さ（「高さ」とも記載される）の両方が通過経路に沿って少なくとも１桁以上漸減する寸法を有するように構成され得る。一部の実施形態では、最小寸法の幅狭端部２０ｎは、それが（シームレスに）一体化し得る対応するナノチャネル３０の寸法と略等しく、それと整列してもよい。
【００５９】
図３Ａは、その長さ２０ｌに渡り漸進的に変化する幅及び深さを有するファンネルのパターニングに使用されるグレースケールビットマップ画像である。図３Ｂは、図３Ａに示されるビットマップ２０ｂｍを使用して石英基板にミリングされたファンネル２０及び対応するナノチャネル３０の第１の端部の上面図ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）画像である。図３Ｃは、図３Ｂに示されるファンネル及びナノチャネルの上端面斜視図（５２度傾斜）であり、深さの（長さ方向における）変化を示す。この実施形態において、ファンネル２０は、サイズが約１．５μｍ×約１．５μｍ（幅×深さ）から約２５ｎｍ×約２５ｎｍ（幅×深さ）に減少する。しかしながら、他のファンネル幾何形状及び寸法を使用してもよい。
【００６０】
一部の実施形態では、ファンネル２０は、輸送を駆動するのに必要な閾値力を低下させるように構成され得る。これは、検体分子がファンネル２０の長さに沿って動くときに受ける閉じ込めの程度を漸増させることにより達成し得る。この効果は、一部にはファンネルの幾何形状に起因し得る力の勾配と相まって、有効に検体分子の「条件を予め整える」ことができ、それがナノチャネル３０内へと通り抜ける助けとなる立体構造となる。
【００６１】
図４Ａ〜図４Ｃ及び図５Ａは、検体４０（ＤＮＡ）を含む流体リザーバ６０を備えた、且つファンネル２０を有しないナノチャネル３０を示し、これはＤＮＡのマッピング、サイジング及びシークエンシングに使用することができる。（非特許文献１０）；（非特許文献１１）、及び２０１０年９月２１日に出願された（特許文献１）（及び対応する係属中の（特許文献２））（これらの内容は、本明細書に全て記載されたものとして参照によって援用される）も参照のこと。図５Ｂは、検体４０の進入経路を提供し得るナノファンネル２０を有する装置１０を示す。
【００６２】
図６Ａは、ミリング、典型的にはＦＩＢミリングを使用した少なくとも１つのファンネル２０を備える装置１０の形成に用いられ得る一連の工程（Ａ〜Ｃ）を示す。Ａ及びＢの順序は逆にしてもよいことが注記される。装置１０の平面基板１０ｐに、ファンネル２０が、標準的なフォトリソグラフィ法及びエッチング法又は他の技法を使用して調製することのできる１つ以上のマイクロ流体チャネル１５を含むように加工され得る（工程「Ａ」）。次に、ＦＩＢミリングを使用して、基板１０ｐにファンネル２０及びナノチャネル３０との接合部を形成することができる。ファンネル２０及びナノチャネル３０はシームレスであってよく、チャネル１５に結合することによりチャネル１５及びリザーバ６０と流体連通し得る（工程「Ｂ」）。
【００６３】
装置１０は、複数のナノファンネル２０及びナノチャネル３０並びに１つ以上の関連するリザーバ６０を備えたコンパクトな「チップ」状装置であってよい。リザーバ６０は短い円筒形態又は他の形態を有してもよく、外部から接触できるものであってよい（図６Ａ）。用語「チップ」は、一体化した流体構造を有する略平坦でコンパクトな物体を指す。チップは任意の幾何形状であってよいが、典型的には多角形、例えば略正方形又は略矩形である。チップは種々のサイズであり得るが、典型的には約１０ｉｎ２（例えば、約２５ｍｍ×２５ｍｍ）未満の面積を有する。
【００６４】
図６Ａはまた、装置１０に対し、典型的には正及び負の極性で、離間されたそれぞれのリザーバ６０に電極７０が取り付けられ得ることも示し、これにより周知の通り流体構造を通じた流体検体（例えば分子）の輸送が駆動される。
【００６５】
一部の実施形態では、装置１０は、分子、例えば核酸を解析するように構成され得る。装置１０は、それぞれのナノチャネル２０に各々結合された複数のナノファンネル２０を含むナノ流体チップであってもよい。ナノファンネル２０及びナノチャネル３０は、（基板内へのミリング加工から）平滑な内表面を有し得る。ナノファンネル２０及びナノチャネル３０は、ナノファンネル２０及びナノチャネル３０の形成に使用したミリングビームからの少なくとも痕跡量の打ち込まれたミリング入射粒子を含み得る。それぞれのナノファンネル２０とチャネル３０との間の接合部は、ファンネル２０の幅狭端部がナノチャネル３０と同じ寸法を有し得る点で、シームレスであってよい。ナノチャネル３０は、その長さの少なくとも主要な部分に渡り、及び典型的にはその全長に渡り、一定の幅及び深さを有し得る。ナノチャネル３０は、一つのミリング工程の間に、ナノファンネル２０の形成に使用されるミリング加工の続きとして形成することができ、又は逆も然りである（例えば、初めにナノチャネルを形成することができ、ナノファンネルが、その加工の続きであってもよい）。用語「シームレス」は、２つの特徴部を接合する継ぎ目がないことを意味する。
【００６６】
装置１０は、様々な基板材料の平面基板１０ｐを有することができ、ガラス、石英、シリコン、セラミック、金属、プラスチック等における装置の製造が可能となる。電気的に絶縁性の基板材料の場合、ＦＩＢミリングは、基板の上面に堆積させた比較的厚い（＞１００ｎｍ）高品質金属膜によって実施することができる。この金属膜はミリング加工中の帯電を防ぎ、好適な公差で特徴部をミリングすることを可能にし、臨界寸法を５ｎｍ未満の延在とすることを可能とし得る。例えば、２０１０年９月２１日に出願された（特許文献１）及び対応する係属中の（特許文献２）、並びに（非特許文献１２）（これらの内容は、本明細書に全て記載されたものとして参照によって援用される）を参照のこと。
【００６７】
図７Ａ〜図７Ｃは、種々の例示的幾何形状のファンネル輪郭２０ｃを示す。図７Ａは、ナノファンネル２０が凸面状の輪郭２０ｃｖを有することを示す。図７Ｂは、ファンネル２０が直線のテーパを有し、壁が（略）一定の傾きで縮径していることを示す。図７Ｃは、凹面状の輪郭２０ｃｏｎを有するナノファンネル２０を示す。図２３は、ナノファンネル２０が略放物線関係／形状を有し得ることを示す。
【００６８】
「Ｂ」において、略一定の深さのナノチャネル３０は、ある矩形範囲に渡り又はある線に沿ってイオンビームをラスタリングすることにより製造することができ、その矩形又は線の各点は同じイオン線量に曝露される。より高いイオン線量を定義することにより、より深い（ファンネル）チャネルをミリングすることができる一方、より低いイオン線量を使用してより浅いチャネルをミリングすることができる。図８Ａは、ＢＭＰミリングモードを備えるＦＩＢミリング装置の例を示し、ここでは画素毎に、イオンビームを基板１０ｐ上のどこに及びどれくらいの時間滞留させるかが定義され得る。図８Ｂは、滞留時間（典型的には画素当たり約１μｓ〜約１０ｍｓ）により設定することのできる深さ（ｎｍ）の例を示し、添付のグレースケール目盛りの滞留時間グラフが深さの増加をもたらす。ＦＩＢミリングは直接書き込むプロセスである為、以下に記載する通り、比較的複雑な特徴部をパターニングすることができる。ＦＩＢミリング及び基板からの金属膜（用いる場合）の除去後、幾つかの可能な方法のうちの一つ、例えば融着、陽極、又は接着ボンディングを使用して基板の上面にカバープレート５０をボンディングすることにより、ファンネル２０を含む流体ネットワークを密閉し得る（工程「Ｃ」）。
【００６９】
図６Ａに示される実施形態では、２つの平面的な協働する基板を使用することにより、ファンネルを底面基板１０ｐにのみ形成することで、基板１０ｐにミリングされる幾何形状に関わらず、ファンネル２０に対する平坦な上蓋面が得られる。図６Ｂは、幅及び深さの両方が漸進的に且つファンネル２０の長軸に関して対称に変化するようにしてファンネル２０が構成され得る実施形態を示す。この構成は、同一のファンネル特徴部及び場合によりナノチャネル３０の一部分又は全てを上面基板５０及び底面基板１０ｐの両方にミリングし、続いてそれらの２つの基板を正確に位置合わせしてボンディングすることにより、製造することができる。
【００７０】
マイクロ流体及びナノ流体装置に対する石英の適合性の理由から、装置１０のプロトタイプが石英基板に製造されたことが注記される。しかしながら、ナノ流体構造のＦＩＢミリングは、２０１０年９月２１日に出願された（特許文献１）及び対応する係属中の（特許文献２）（これらは参照によって援用されている）に記載される通りの様々な硬質及び軟質材料にまで及び得る。硬質材料の例としては、限定はされないが、ガラス、石英、シリコン、及び窒化シリコンの１つ又は組み合わせを含む基板が挙げられる。軟質材料は低ヤング率値を有し得る。例えば、エラストマー及びより硬質のプラスチック及び／又はポリマーは、約０．１〜３０００ＭＰａの範囲を有し得る。軟質材料の例としては、限定はされないが、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、及びポリウレタンが挙げられる。
【００７１】
図８Ａに示す通り、ミリング機器２００は、基板１０にナノファンネル２０の所望の形状を作り出すように構成され得る。ミリング機器２００に保持され得る電子パターニングファイル２００ｆ（例えば、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）、アプリケーション（「ＡＰＰ」）、コントローラ又はデジタルシグナルプロセッサのモジュール及び／又はサブディレクトリファイルのうちの１つ以上によることを含め、数多くの方法で提供することができる）又はミリング機器２００。或いは、機器２００は、基板１０に所望のファンネル形状を作り出すことのできる電子パターニングファイル２００ｆを有するプロセッサなどの少なくとも１つの外部（ローカル又はリモート）装置により制御されるか、又はそれにアクセスを有してもよい。電子パターニングファイル２００ｆはまた、様々な構成要素及び位置に渡り分散していてもよい。電子パターニングファイル２００ｆは、Ｘ、Ｙ座標又は他の定義された座標系に対するミリングビーム２００ｂの画素当たりの滞留時間を定義し（図８Ｂ）、それにより定義されたナノファンネル形状を作り出すことができる。電子パターニングファイル２００ｆは、以下の１つ以上と関係付けられる選択可能な種々のパターニング命令として構成され得る：（ｉ）種々の基板材料；（ｉｉ）種々のナノファンネル形状及び／又は寸法；又は（ｉｉｉ）種々の標的検体。
【００７２】
ミリング機器２００は制御回路２００ｃを備えてもよく、これは、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、広域ネットワーク（ＷＡＮ）を介するか、又はグローバルコンピュータネットワーク、例えばインターネットを介して少なくとも１つのリモート又はローカルプロセッサと通信することにより、電子パターニングファイル２００ｆを取得又は使用することができる。ミリング機器２００はＦＩＢミリング機器であってもよい。
【００７３】
図２８に示す通り、製造システム２０１は機器２００を含むことができ、制御モジュール又は回路２００ｃを備えることができ、これは機器に搭載されていても、又は少なくとも部分的に機器から遠隔にあってもよい。後者の場合、制御モジュール又は回路２００ｃは、完全に又は部分的にサーバ２２５上にあってもよい（図２８）。サーバ２２５はクラウドコンピューティングを使用して提供されてもよく、クラウドコンピューティングは、コンピュータネットワークを介したオンデマンドでのコンピュータリソースの提供を含むものである。
【００７４】
図８Ａ及び図８Ｂを参照すると、一部の実施形態によれば、ＦＩＢミリングは、Ｈｅｌｉｏｓ  ＮａｎｏＬａｂ  ＤｕａｌＢｅａｍ機器（ＦＥＩ  Ｃｏｍｐａｎｙ）を使用して、Ｇａ＋イオン源により約３０ｋＶで作動させて実施することができる。この機器は、ミリングパターンを定義するのにビットマップ画像ファイル（２０ｂｍ、図５Ａ〜図７Ｃ）を使用することが可能である。画像のｘ及びｙ座標により、走査中にイオンビームがどこに滞留するかが定義され、これによりミリングが実現され、及び画素のグレースケール値（０〜２５５）により、画素に対応する試料領域にイオンビームが滞留する時間の長さが定義される。機器２００及び／又は電子パターニングファイル２００ｆの操作者又はデフォルト設定が、最大滞留時間ｔｍａｘを定義することができる。白色画素（グレースケール値が２５５に等しい）はｔｍａｘのミリング時間に渡り曝露され得る一方、黒色画素（グレースケール値が０に等しい）はイオンビームに曝露されず、従ってミリングされない。グレースケールで中間の値の画素はｔｍａｘのある割合分だけミリングされることができ、ここでその曝露長さはグレースケール値に線形依存する（例えば、グレースケール値が１２５のある画素における滞留時間は、１２５／２５５＊ｔｍａｘ＝０．４９＊ｔｍａｘ）。将来はカラースケール画素が用いられ得る。
【００７５】
図３Ｂ〜図３Ｃは、ナノ流体チャネルに接合している様々な深さ及び幅のファンネルの代表的な走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）画像を示す。上記に考察した通り、図３Ａは、図３Ｂ及び図３Ｃに示すファンネル及びチャネル特徴部のミリングに使用した元のビットマップファイル２０ｂｍの画像である。
【００７６】
２５ｎｍナノチャネルにおけるＤＮＡの電気泳動移動度の計測
２５ｎｍ×２５ｎｍ（幅×深さ）の寸法を有する５０μｍ長さのチャネルを通じた二本鎖ＤＮＡの電気泳動移動度を測定する一連の実験を行った。これらの実験は、ナノチャネルアレイを通じて１つのマイクロ流体リザーバから別のリザーバに動電学的に駆動する単一のλファージＤＮＡ分子からなった（図９Ａ）。図９Ａは、実験セットアップを示す概略図であり、ここでは染色したＤＮＡ溶液を装置リザーバ６０に加え、ＤＮＡを電極及び電界によってナノチャネル３０を通じて動電学的に駆動し、顕微鏡２３０を使用した蛍光顕微鏡法を用いて輸送事象を観察する。差込み図は、ナノチャネルアレイの拡大図を示す。ＤＮＡはインターカレーション蛍光色素（ＹＯＹＯ−１、Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）により、塩基対と色素分子との比を５：１として染色した。蛍光は、励起フィルタ及び１００倍油浸プランアポクロマート対物レンズを通過する水銀アークランプの光で励起した。単分子からの蛍光を１００倍レンズを通して収集し、電子増倍ＣＣＤカメラ（Ｃａｓｃａｄｅ  ＩＩ、Ｐｈｏｔｏｍｅｔｒｉｃｓ）を使用して画像化した。この高感度カメラは、最大毎秒４００フレームのフレームレートで画像を収集することができる。個々のタイムスタンプ付きフレームを画像解析することにより、分子の引き伸ばし及び輸送速度などの単分子動態に関する情報が得られた。
【００７７】
しかしながら、このサイズのナノチャネルを通じたＤＮＡ分子の移動を開始させるには、ナノチャネルにおいて少なくとも１０００Ｖ／ｃｍの電界強度が必要であることが分かった。実際には、統計的に有意な分子サンプルの解析に十分な頻度で事象を駆動するのに、３０００Ｖ／ｃｍを超える電界強度が必要であった。これは〜０．９ｃｍ／ｓの速度に対応し、つまり分子が５０μｍ長さのナノチャネルを通って移動する間にキャプチャされたフレームが３フレームより少なかったことになる。この限られたデータが、有限であるλ−ＤＮＡ分子の長さ（染色時に〜２０μｍ）及び速い分子速度によって画像アーチファクトが引き起こされる可能性と併せて、電気泳動移動度の測定を妨げた。
【００７８】
単一ＤＮＡ分子が約２５ｎｍ×２５ｎｍチャネルに通し込まれ始める閾値電界強度を低下させる為、臨界寸法は同一でありながらファンネル状入口を備えるナノチャネルを含む装置を製造した。ファンネル断面は、約５μｍの長さに渡り約３５０ｎｍ×３５０ｎｍから２５ｎｍ×２５ｎｍまでサイズが漸減した。幅及び深さの変化は放物線関数により定義することができる（図７Ｃ）。これらのナノチャネル入口の１つのＳＥＭ画像を図９Ｂの差込み図に示す（図の右上）。この装置においてナノチャネルを通じたＤＮＡの移動を駆動するのに必要な閾値電界強度（ナノチャネルにおける）は約３５０Ｖ／ｃｍであり、即ちファンネル状入口を有しない装置と比べて３倍低かった。結果的に、１つの移動事象に対してより多いフレーム数を記録し、それらのフレームを解析して輸送動態を決定することが可能であった。ファンネル状入口を有する２５ｎｍナノチャネルの１つを通じた輸送を示す代表的な一連のフレームを、図９Ｂに示す。ここでは、ＤＮＡ分子がファンネルに入り、そこでゆっくりと引き伸ばされた形態で、次に２５ｎｍナノチャネルに通し込まれることが明らかである。この閉じ込めファンネルがなければ、同等の電界強度では、この通し込むプロセスは恐らく進行が遅過ぎる為に、移動が確実とならないうちにＤＮＡ分子がナノチャネル入口から遠く離れて拡散するものと思われる。
【００７９】
図９Ｂは、ファンネル状入口を有する単一の２５ｎｍナノチャネルを通じた蛍光染色したλ−ＤＮＡ分子の輸送を示す一連のフレームを示す。差込みＳＥＭ画像は、このナノチャネルの入口を示す。垂直方向の破線が、左から右に、入口からファンネル、ファンネルからナノチャネル接合部、及びナノチャネル３０の他方の端部を示す。
【００８０】
閾値低下及び安定なＤＮＡ捕捉
ＦＩＢミリング法では、装置１０上のマイクロ流体及びナノ流体構成要素の接合に使用することのできるファンネル２０の形状及び寸法に大幅な柔軟性がもたらされる。加わる力を最小限に抑えて低速輸送を可能にするようにファンネル幾何形状を選択し得ることが考えられる。これは、ファンネルにおける分子の漸進的閉じ込めのエントロピー力が、印加電圧、圧力、又は重力場により供給されるファンネルにおける駆動力と平衡する条件下で、ナノチャネル中のＤＮＡ分子に加わる力を計算することにより達成され得る。加えて、２つの対抗する力が存在することにより、様々な範囲の印加電圧、圧力、又は向心力を生じさせることができ、適切なファンネル幾何形状が用いられる場合には、その範囲でＤＮＡ分子を無限にファンネルに捕獲し得る。
【００８１】
最適なナノファンネル幾何形状は、適切なエントロピー力及び駆動力に供されるＤＮＡ分子の理論モデリングにより決定することができる。以下の例では、印加電圧を使用してＤＮＡ分子がナノファンネル及びナノチャネルの中へとそこを通じて駆動される。駆動力が例えば加えられる圧力又は向心力であった同様のモデリングも、容易に実施することができた。図１０Ａ〜図１０Ｃは、これらの理論計算から得ることのできる情報を示す。所与のファンネル幾何形状に関して、ＤＮＡ分子をナノファンネル２０に押し込む為に加えなければならない最小電界強度（Ｅｍｉｎ）がある。この電界強度より高いと、ナノファンネル幾何形状によっては、ＤＮＡ分子をナノファンネル２０に安定に捕獲することができる。電圧が増加する程、分子の平均位置がナノチャネル３０の方に動く。電界強度が臨界値（Ｅｃ）を超えると、ＤＮＡ分子は捕獲から押し出され、ナノチャネル３０を通じて輸送される。理論モデリングは、安定な捕獲レジームを定義する固有電界強度（Ｅｍｉｎ、Ｅｃ）、捕獲されたＤＮＡ分子の平均位置（ｘｉ、ｘｆ）、その引き伸ばし長さ（ｘｆ−ｘｉ）、及びナノチャネルを通じた輸送を駆動する為に加えなければならない臨界電圧（Ｅｃ）を決定することができる。
【００８２】
低電界（Ｅ＜Ｅｍｉｎ）はＤＮＡ分子を瞬間的に捕獲することができるが、それがナノファンネル２０から抜け出てナノチャネル３０から離れる拡散による散逸を防ぐには不十分である。中間の電界（Ｅ＞Ｅｍｉｎ、Ｅ＜Ｅｃ）は、ＤＮＡをナノファンネル２０に安定に捕獲することができ、ＤＮＡ分子の位置（ｘｉ及びｘｆ）は電界の大きさに依存する。高電界（Ｅ＞Ｅｃ）はＤＮＡをナノチャネル３０の中へとそこを通じて輸送することができる。電界強度Ｅｍｉｎ及びＥｃの値は、ナノファンネルの形及びサイズ並びにＤＮＡ分子のサイズに依存する。この為、本発明の実施形態に係るナノファンネル内でのＤＮＡ挙動の理論的理解は、先験的にこれらの値を確立するのに重要であり得る。
【００８３】
種々の機能に最適となるように、異なるナノファンネル形状を構成することができる。例えば、あるナノファンネルは、その関連するナノチャネルへの輸送を駆動するのに必要な電圧を著しく低減し、低速のＤＮＡ輸送をもたらし得る。同ナノファンネルは、ＤＮＡ分子を安定に捕獲する電圧の範囲が極めて限られたものとなり得る。対照的に、第２のナノファンネルを、ナノファンネルにおける捕獲が安定する電圧の範囲が広くなるように最適化することができる。しかしながらこの第２のナノファンネルは、ナノチャネルを通じたＤＮＡ輸送を開始させるのにより高い臨界電圧を必要とし得る。図１１Ａ〜図１１Ｄは、ナノファンネル形状についての研究を行った幾つかの要素を示す。ナノチャネル幅（ｗ）及び深さ（ｄ）は、ナノファンネルの長手方向軸に沿った位置（ｘ）に伴い、冪乗則ｗ，ｄ〜ｘαによって変化する。
【００８４】
一部の特定の実施形態では、式１を使用することにより、ここでもまた所望のナノファンネル動作特性に基づき、指数「α」乗されるナノファンネルに沿った位置の関数としてナノファンネル幅及び深さがどのように変化するかを定義することができる。式１では、幅及び深さは単一の変数「Ｄ」により表され（図１１Ａに示される）、これは、ナノファンネルの幅狭端部の有効直径であり（ナノチャネル断面寸法に等しい）、ｙは、長手（ｘ）軸（対称軸又は長手中心線軸としても知られる）上の位置ｘにおけるナノファンネルの幅又は深さである。変数ｘ０はナノファンネル頂点の座標を示し、これはまた、ナノファンネルの幅狭端部とナノチャネルの交点でもある。ｘ＝ｘ０のとき、ナノファンネル臨界寸法はナノチャネルの臨界寸法と等しい為、従って式１は、ナノファンネルがナノチャネルとシームレスに接合することを反映している。
【数１】
2020043874.tif 000003
【００８５】
しかしながら、同じアルファを維持しながらナノファンネルを伸縮させるように用い得る同様の形式の他の式がある為、式１は例示として提供されるに過ぎないことが注記される。従って、任意の好適な冪乗則式を使用することにより、比例関係：ｙ〜ｘαに基づき、どのような挙動又は分子を解析の対象とするかに応じた異なる所望の指数（α）についての寸法を選択することができる。ここで「ｙ」は、幅又は深さの何れかの寸法を表すものと理解される。一部の実施形態では、幅及び深さを定義するｘの関数が同じであってもよく、その全長に沿ったアスペクト比（深さ：幅）が１のナノファンネルが得られる。他の実施形態では、幅及び深さを定義するｘの関数が異なってもよく、その全長に沿ったアスペクト比が１以外（例えば、０．１、０．２、０．５、２、４）であるか、又はアスペクト比がナノファンネルの長さに沿って変化するナノファンネルが得られる。
【００８６】
ここでもまた、図１１Ｇ及び図１１Ｆによって示される通り、ナノファンネル２０は、連結関数（ｙ１，ｙ２，ｙ３，…）により定義される形状を有することができ、ここでナノファンネルの幅及び深さは、軸座標ｘ０〜ｘ１はｙ１、軸座標ｘ１〜ｘ２はｙ２、軸座標ｘ２〜ｘ３はｙ３によるなどして定義される。ナノファンネルの各セグメントは、その隣接するセグメントとシームレスに又は不連続に結合されてもよく、ナノファンネルの幅狭端部は、対応する整列したナノチャネル又はマイクロチャネルとシームレスに結合され得る。連結されたナノファンネルは、一部の実施形態では２〜１０個のセグメントからなってもよく、又は他の実施形態では最大数百個若しくは数千個のセグメントからなる長い流体導管を形成してもよい。
【００８７】
図１１Ｅに示す通り、ファンネル２０は、指数αそれ自体が軸方向位置ｘの関数であってよい構成を有し得る。これにより、より複雑なファンネル形状を作り出すことができる。図１１Ｅは、指数アルファがｘの関数である例示的関数を含む単純な例を示す。比例関係ｙ〜ｘα（ｘ）を使用して定義されるファンネル形状を有することにより、様々なスケーリング係数及び定数を使用してファンネル寸法を調整することができる。この例では、ｙ〜ｘ（０．０１５ｘ＋１）（即ち、α（ｘ）＝０．０１５ｘ＋１）であるが、ｙ寸法がｘ寸法に比例するものとして他のスケーリング係数及び乗数を使用してもよい。更に、図１１Ｆ及び図１１Ｇに示される通り、ナノファンネルをセグメントの連なりとして構成することができ、ここで各セグメントの寸法は異なる幾何学的関係により定義され、且つセグメントはシームレスに（図１１Ｆ）又は不連続に（図１１Ｇ）結合される。図１１Ａは、理想円筒形ファンネルを座標軸上に位置付けて関数式ｙ〜ｘαを示す。ファンネルは、α＜１では凸面状であり、一方α＞１では凹面状である。図１１Ｂは、異なるα指数値を有する一連のファンネル形状を示す。冪乗則関数により、１つのパラメータを変化させることで種々のナノファンネル形状を研究することができるが、それが理論的に製造又は評価することのできる唯一の一組のファンネル幾何形状であるものと解釈されてはならない。図１１Ｃ、図１１Ｄは、α＜０．５（図１１Ｃ）の場合、及びα＞０．５（図１１Ｄ）の場合に、電圧Ｖがナノファンネルの長さに沿ってどのように変化するかを示す。これらのプロットでは、曲線の傾きが大きい程、位置ｘにおける電界がより高いことに対応する。α＜０．５（図１１Ｃ）の場合、電圧はナノファンネルの全長に沿って線形に増加し、無限にそのように増加し得る。α＞０．５（図１１Ｄ）の場合、電圧はナノファンネル内で、それ以上電圧が増加することのない最大値Ｖ∞に達し得る。明確に言えば、アルファ＜０．５の場合とアルファ＞０．５の場合とでは、ナノファンネル２０内の電圧プロファイル（図１１Ｃ及び図１１Ｄ、下側プロット）及びナノファンネル内での単量体密度プロファイル（図１２Ａ及び図１２Ｂ、下側プロット）を含め、ナノファンネル挙動に違いが現れる。
【００８８】
図１１Ｃに示されるナノファンネルはアルファ＝０．３の値を有する一方、図１１Ｄに示されるナノファンネルはアルファ＝０．７を有し、ファンネルそれ自体の凸面又は凹面の性質ではない、指摘した挙動の違いを示している。形状制御される力場の理解に加え、ＤＮＡ挙動の理論的予測から、ＤＮＡ分子の特性、具体的にはその剛性及び長さを考慮し得る。図１２は、ＤＮＡの特性が任意選択の捕獲及び臨界輸送電圧パラメータに影響を及ぼし得る一つの重要な形を示す。α＜０．５のナノファンネルでの電圧プロファイルに起因して、ＤＮＡ分子の後端における静電力がピストンのように働き、分子の前端を圧迫してそれをナノチャネル入口の方に押し、輸送の駆動に必要な臨界電圧は低下する。この圧迫により、ナノファンネルにおける位置の関数としての単量体濃度ｃのプロットに、プラトー域が生じる（図１２Ａ）。α＞０．５のナノファンネルでは、ほとんどの静電力が分子の前端にあり、ピストン効果はない。この場合、単量体濃度は圧迫されたプラトー域を呈しない（図１２Ｂ）。
【００８９】
ナノファンネルにおけるＤＮＡ分子挙動を記述する為に開発した理論を使用して、分子の位置、その長さ、及びナノチャネルを通じた輸送の駆動に必要な臨界電界の傾向を予測した。理論的予測をシミュレーション及び実験結果と比較する。図１３Ａは、印加電圧（ナノチャネルにおける電界の大きさＥ０に比例する）の関数としてのＤＮＡ分子の前端の位置（ｘｉ）を表す理論（線）及びシミュレーション結果（マーカー）を比較する。理論高分子物理学における標準プロトコルに従いこれらの値を正規化し、無次元変数としてプロットする（式中、ｂは固有ＤＮＡ  Ｋｕｈｎ長さであり、ｑはＤＮＡにおける電荷であり、Ｄはナノチャネル幅及び深さの幾何平均であり、ｋはボルツマン定数であり、及びＴは温度である）。結果は、２００（菱形）及び６００（円形）Ｋｕｈｎ長、即ちそれぞれ約２０及び６０μｍであるＤＮＡ分子についてプロットする。図１３Ｂは、印加電圧の関数としてＤＮＡ分子の後端の位置（ｘｆ）を示す。ＤＮＡ分子の平衡長さは、差ｘｆ−ｘｉにより決定することができる。図１４は、ナノチャネルを通じた輸送の駆動に必要な臨界電界の、冪乗則指数αに対する依存性を表す理論及びシミュレーションの比較を示す。プロット縦軸の無次元変数は、ナノファンネルが有る場合の臨界電界Ｅｃｆを、ファンネルなしにナノチャネルを通じて輸送を駆動するのに必要な臨界電界Ｅｃにより正規化したものである。
【００９０】
ナノファンネルにおけるＤＮＡ分子の挙動を決定する実験的研究を実施した。理論的試行と同様に、計測したパラメータには、安定な捕獲の電圧範囲、捕獲されたＤＮＡ分子の位置、その平衡長さ、及びナノチャネルを通じた輸送が起こる臨界電界が含まれた。蛍光染色したλファージ及びＴ４ファージＤＮＡ分子を、Ｅｍｉｎより高い電界強度でファンネル内へと動電学的に駆動した。ナノファンネル内における分子の位置を、典型的には３０分以上に渡りモニタし、時間の関数としてプロットした。このデータ収集プロトコルを安定な捕獲レジームの範囲内の種々の電圧で繰り返し、分子の位置及び長さの印加電圧に対する依存性を決定した。図１５は、捕獲実験のグラフ及び画像である。ＤＮＡ分子は、図１５Ａに示されるナノファンネルに捕獲した。蛍光像を記録し（図１５Ｂ）、ＤＮＡ長さ及び位置を特徴付ける強度プロファイル（図１５Ｃ）に変換した。図１５Ｄはこれらのフレームの時系列を示し、分子の長さ及び位置における熱変動を明らかにする。図１６及び図１７は、電気泳動緩衝液中の、及び場合によっては、示される通り、２重量％の低分子量ポリマーであるポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）を含有する、異なる輪郭長さ（λファージ、〜２０μｍ長、及びＴ４ファージＤＮＡ、〜７０μｍ長）の２つのＤＮＡ分子についての、捕獲位置の電圧依存性のグラフである。図１８は、ＤＮＡ長さの電位依存特性と捕獲位置との間の関係を示す関連グラフである。ＤＮＡ分子がファンネルの奥深くまで駆動されるに従いＤＮＡ分子が受ける閉じ込めが大きくなる程、引き伸ばしが大きくなる為、これらの２つの値は相関している。これらのパラメータの分散が、熱変動に対する捕獲安定性の尺度を提供する。図１６〜図１８の各データ点は、約３０分間に渡り収集した２０，０００を超える計測値の平均を表す。
【００９１】
適切な形状及びサイズのファンネル２０を使用することにより、分子の回転半径より小さい臨界寸法を有するナノチャネル３０を通じた巨大分子の捕捉、捕獲、及び輸送を促進し得ると考えられる。移動を駆動するのに必要な閾値力を低下させることにより、分子輸送動態のより高い制御を実現し得る。幅及び深さがナノスケール寸法のチャネル３０は、これらの寸法の何れにおける巨大分子の閉じ込めも、エントロピーエネルギー障壁の為不利である。従って、最適なファンネル幾何形状が、両寸法における閉じ込めの漸増を提供し得る。これは、ＦＩＢミリングを使用してファンネルをパターニングすることにより実現することができ、ＦＩＢミリングでは、ファンネルの横方向の寸法及び形状は、ビームをラスタリングするパターンによって制御される。ファンネルの深さは、イオンビームの滞留時間を変えることにより制御され、ファンネル口ではより深い特徴部がミリングされ、ファンネルとナノチャネルとの交点に向かって漸進的に浅い特徴部がミリングされる。ナノチャネルへの入口にこのようなファンネルを導入すると、二本鎖ＤＮＡを長いＦＩＢミリングされたナノチャネルを通じて動電学的に駆動する為に加えなければならない電圧が低下することが、理論的に予測されており、且つ実験的に検証されている。加えて、適切なファンネル幾何形状及び捕捉力を所与とすれば、単分子を安定に捕獲して、所望の時間長さに渡り調べることができる。
【００９２】
装置１０及び／又はナノファンネル２０は、ＤＮＡ分子、タンパク質、蛍光染色分子の分析用に構成することができ、場合により検体分子は、それぞれのナノチャネル２０における分子の分析を提供又は増進するように何らかの形で修飾されていてもよい。
【００９３】
ＦＩＢミリングを使用して３つ全ての寸法を制御しながら特徴部を製造することにより、ファンネル設計に究極の柔軟度がもたらされる。巨大分子を、ＦＩＢミリングされたファンネルから直接ナノチャネルの中へと漸進的に駆動して、閉じ込められていない状態から高度に閉じ込められた状態へと移行させることができる。このように漸進的に移行することで、分子の移動が低速で行われ、分子を折り畳みをほどいて引き伸ばした状態でナノチャネルに選択的に進入させることができる。
【００９４】
ファンネルを使用して巨大分子をナノチャネルに通し込むのを促進すると、移動の駆動に必要な閾値力が低下する為、従って輸送速度が低下し、これは、単一の閉じ込められた分子に関するより精密な光学的及び電気的計測を可能にするものと予想される。一例は、対向するトンネルプローブに接合されたナノチャネルにおけるＤＮＡ分子のシークエンシングであり、ここでは個々のヌクレオチドを通る固有のトンネル電流を計測することによりベースコールが達成される。かかるファンネルはまた、（それを長いナノチャネルに接合することなく）２つのマイクロチャネル間の導管として単独で使用して、確率的センサとして機能させることもできる。ファンネルを通じた移動は、光学的にモニタすることも（例えば蛍光染色分子）、及び／又は電気的にモニタすることもできる（例えば、軸方向イオン電流）。この幾何形状の潜在的な利点は、マイクロ流体チャネルとナノ多孔性膜とを一体化した積層装置とは対照的な、単層装置におけるマイクロ流体及びナノ流体構成要素のシームレスな一体化である。幅及び深さの両方が漸進的に変化するファンネル２０はまた、柔軟性のある又は変形可能な巨大分子の物理的特性を研究する為の好適で潜在的に理想的なプラットフォームであると考えられる。ＦＩＢミリングされるナノチャネル及びナノファンネルは、単一のチップ上で他の流体構成要素と容易に接合することができる為、それらの使用を、フローインジェクション、マイクロ流体チャネルにおける分離、及び単細胞溶解などの他の技術と統合することができる。
【００９５】
記載したナノ製造方法及び装置は、マイクロエレクトロニクス及びナノ流体工学技術に応用性がある。これらの臨界寸法及び品質のナノチャネルによるナノ流体実装は、単分子検出及び同定、生体高分子の閉じ込め及び操作、生物学的アッセイ、ポリヌクレオチドの制限酵素マッピング、ＤＮＡサイジング、物理的ゲノム配列決定方法、及び閉じ込めの物理学の基礎的研究を含む多くの用途に良く適している。
【００９６】
図１９は、ナノチャネルを通じてファンネル側から（図１９において右から左に）又はチャネル側から（図１９において左から右に）動電学的に駆動されるＤＮＡ分子の移動事象頻度の実験的評価を示す概略図である。図２０は、図１９に示す２つの実験の実験結果を示す。印加電圧が高電圧になる程移動事象頻度が線形増加するのは、その範囲の電圧がエントロピー障壁値を超えていることを示す。チャネル側から生じる移動の場合、低電圧で認められる指数関数的なデータ範囲が、エントロピー障壁の存在を示している。ファンネル側から生じる移動では、この障壁は観察されない。図２１は、チャネル側からの移動に対するエネルギー障壁の存在のさらなる証拠を示す蛍光顕微鏡像である。閾値未満の電圧（０．５Ｖ）を長時間（１．５時間）印加することにより、ＤＮＡ分子はナノチャネル入口へと電気泳動的に駆動されたが、分子に対する力は、移動を駆動するには不十分であった。この条件は、ナノチャネル側でのＤＮＡ濃縮をもたらす。種々のナノファンネル幾何形状及びＤＮＡ試料について、ナノチャネルの中へのそこを通じたＤＮＡ輸送を駆動する為の臨界電界Ｅｃを、以下の表に提供する。何れのナノファンネルも同じ長さを有し、且つ幅×深さがナノチャネル端部における約１００ｎｍ×約１００ｎｍ（ナノチャネル幅×深さに等しい）から、マイクロチャネルに接合したナノファンネル入口における約１．５μｍ×約１．５μｍへと増加する。ナノファンネルは、その形状を定義する指数αが異なる。
【００９７】
【表１】
2020043874.tif 000004
【００９８】
これらの実験における異なるファンネル幾何形状の比較の為、及び実験結果と理論的予測の比較の為、ファンネル及びナノチャネルにおける電界を比較することができる。これらの電界を測定する為、例えば、原子間力顕微鏡法（図２２Ａ、図２２Ｂ）、ＳＥＭイメージング（図３Ｂ、図３Ｃ、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図２３）、及びイオンビーム断層撮影法を用いて、ナノチャネル及びナノファンネル形状（幅及び深さ）を正確に測定することができる。異なる物理的特性を有する巨大分子、異なる高分子−溶媒分子間相互作用を有する系、及び異なる流れ特性での駆動力によって最適形状が変化してもよく、全てのパラメータは理論的に研究することができる。
【００９９】
図２３は、長さ約２２μｍの対応するＦＩＢミリングされたファンネル２０及びナノチャネル３０（ＳＥＭ画像）の作成に用いられるビットマップ画像２０ｂｍ、及び幅（μｍ）対長さ（μｍ）のＡＦＭ（原子間力顕微鏡法）画像のグラフを示す。
【０１００】
図２４は、本発明の一部の実施形態に係るナノファンネル２０の長さに対する深さ及び幅の放物線関係を示すグラフである。即ち、本発明の一部の実施形態によれば、ナノファンネル２０は、幅及び深さの両方の寸法がその長さに対して放物線状、直線状に変化するように構成することができる。
【０１０１】
図２５は、α値が０、０．５、及び１の冪乗則関数により定義されるナノファンネルのＡＦＭ像を示す。上記の表に示した結果は、かかるナノファンネルを組み込んだ装置を使用して決定した。図の右側の「深さ（μｍ）」と表示されたグレースケール又はカラースケールが、図の左側のナノファンネルプロファイルの強度がどのようにナノファンネル深さに対応するかを示す。
【０１０２】
ナノファンネル寸法をこのように特徴付けることにより、ナノチャネル／ナノファンネル導管を通る電界強度の正確な測定がもたらされる為、実験結果と理論的予測との間の直接比較を行うことができる。図２６Ａは、捕獲されたλファージＤＮＡ分子の前端及び後端の実験的に決定した位置の比較を示す。図２６Ｂは、捕獲されたＴ４ファージＤＮＡ分子の前端及び後端の実験的に決定した位置の比較を示す。図２７は、少なくとも１つのナノファンネル２０を備える少なくとも１つの装置１０と、電極７０と、ファンネル印加電圧モード及びチャネル印加電圧モードを含む（ファンネルモードはチャネルモードより大きい電圧を印加するように構成される）制御回路１０１とを含む解析システム１００の概略図である。
【０１０３】
図２８は、ミリング機器２００と、機器２００に完全に搭載されるか、機器２００に部分的に搭載されるか、又は１つ以上のサーバ２２５にあるなど機器から遠隔にあってよいナノファンネルパターニングファイル２００ｆを含む回路２００ｃとを含む製造システム２０１の概略図である。
【０１０４】
上記は本発明の例示であり、それを限定するものとして解釈されてはならない。本発明の幾つかの例示的実施形態を記載したが、当業者は、それらの例示的実施形態において、本発明の新規教示及び利点から実質的に逸脱することなく多くの変形例が可能であることを容易に理解するであろう。従って、かかる変形例は全て、特許請求の範囲に定義される通りの本発明の範囲内に包含されることが意図される。本発明は以下の特許請求の範囲により定義され、ここで特許請求の範囲の均等物は特許請求の範囲に包含されるものとする。
〔付記１〕
流体チャネルを有するチップの形成方法において、
幅広端部と幅狭端部とを有する少なくとも１つのナノファンネルを平面基板内に形成するステップであって、前記ナノファンネルは長さを有し、その長さに渡り幅及び深さ寸法が両方共に変化する、ステップと；
少なくとも１つのナノチャネル又はマイクロチャネルを、前記平面基板内における前記ナノファンネルの前記幅狭端部に隣接する接合部に形成するステップと
を含む方法。
〔付記２〕
前記少なくとも１つのナノファンネルを形成するステップが、前記ナノファンネルのその長さに渡る幅及び深さ寸法を作成する為の定義されたＸ及びＹ座標における定義された滞留時間を有するミリングを指図するように構成された電子パターニングファイルによって指図されるミリングを使用して行われる、付記１に記載の方法。
〔付記３〕
前記形成するステップが、集束イオンビーム（ＦＩＢ）ミリングを使用して行われる、付記１に記載の方法。
〔付記４〕
前記少なくとも１つのナノファンネルを形成するステップ及び前記少なくとも１つのナノチャネル又はマイクロチャネルの対応する整列した１つを形成するステップが、両方共一つのミリング工程の間に、ＦＩＢビームを前記基板へと送出する集束イオンビーム（ＦＩＢ）ミリング装置と、Ｘ及びＹ座標における前記ＦＩＢビームの滞留時間を制御する電子パターニングファイルとを使用して、前記ナノチャネル又はマイクロチャネルを前記ナノファンネルの前記幅狭端部とシームレスに結合することにより行われる、付記１に記載の方法。
〔付記５〕
前記少なくとも１つのナノファンネルの幅及び深さ寸法が、前記それぞれのナノファンネルの略全長に渡って定義された幾何学的関係で変化することにより、前記ファンネルの断面サイズが前記幅広端部から前記幅狭端部にかけて少なくとも２倍変化する、付記１に記載の方法。
〔付記６〕
前記少なくとも１つのナノファンネルが連結された一連の部分から構成され、ここではそれぞれ幅及び深さ寸法が各部分の全長に渡って定義された幾何学的関係で変化し、各部分の前記幅及び深さは異なる幾何関数により定義され、且つ隣接する部分はシームレスに結合されるか又は不連続に結合される、付記１に記載の方法。
〔付記７〕
前記ナノファンネルが、略放物線輪郭を備える少なくとも一部分を含む、付記１に記載の方法。
〔付記８〕
前記ナノファンネルが、略凸面状輪郭を備える少なくとも一部分を含む、付記１に記載の方法。
〔付記９〕
前記ナノファンネルが、略凹面状輪郭を備える少なくとも一部分を含む、付記１に記載の方法。
〔付記１０〕
前記ナノファンネルが、一定の傾きで内側に傾斜した壁を有する、付記１に記載の方法。
〔付記１１〕
前記少なくとも１つのナノチャネル又はマイクロチャネルが略一定の幅及び深さを有し、且つそれぞれのナノファンネルの前記幅狭端部が、整列した対応するナノチャネル又はマイクロチャネルのそれぞれ幅及び深さ寸法と略一致する幅及び深さ寸法を有する、付記１に記載の方法。
〔付記１２〕
前記ナノファンネルを形成するステップがミリングにより実施され、且つ前記方法が、前記ナノファンネルをミリングする前に、定義されたＸ及びＹ座標での滞留時間を定義して前記ナノファンネル長さに渡る前記ナノファンネルの幅及び深さ寸法を作成する電子パターニングファイルを提供するステップを更に含み、前記提供するステップが、冪乗則（幅，深さ〜ｘα）（式中、ｘは軸座標であり、αは正の数である）により定義される関連する指数「α」を含む寸法のナノファンネル形態を作成するように実施される、付記１に記載の方法。
〔付記１３〕
前記ナノファンネルが、軸方向位置ｘの関数として構成される（ここではｙ〜ｘα（ｘ）である）冪乗則指数αを含む形状を有する、付記１に記載の方法。
〔付記１４〕
前記少なくとも１つのナノファンネルが複数のナノファンネルであり、各々が約１μｍ〜約１００μｍの長さを有する、付記１に記載の方法。
〔付記１５〕
フラットカバーで前記基板を密閉してナノ流体チップを画定するステップを更に含む、付記１に記載の方法。
〔付記１６〕
前記ナノ流体チップが、ＤＮＡ、タンパク質又は他の高分子材料の分子を解析するように構成される、付記１５に記載の方法。
〔付記１７〕
核酸などの分子の解析装置において、
複数のナノファンネルを含むナノ流体チップを含み、各ナノファンネルは幅広端部及び幅狭端部並びに長さを有し、且つ前記長さに沿って深さ及び幅が変化する、装置。
〔付記１８〕
前記ナノファンネルがそれぞれのナノチャネルに結合され、前記ナノファンネル及びナノチャネルが平滑な内表面を有する、付記１７に記載の装置。
〔付記１９〕
前記ナノファンネル及び／又はナノチャネルが、解析されるＤＮＡ、タンパク質、又は他の高分子材料のそれぞれの単分子を含む、付記１８に記載の装置。
〔付記２０〕
前記ナノファンネルが、前記ナノファンネルの略全長に渡り定義された幾何学的関係で共に変化する幅及び深さ寸法を有することにより、前記ナノファンネルの断面サイズが前記幅広端部から前記幅狭端部にかけて少なくとも２倍変わる、付記１７に記載の装置。
〔付記２１〕
前記幅及び深さ寸法が、前記幅広端部から前記幅狭端部にかけて約１桁又はそれ以上変化する、付記１７に記載の装置。
〔付記２２〕
前記ナノチャネルの少なくとも一部が略一定の幅及び深さを有し、且つ前記ナノファンネルの前記幅狭端部が、対応する整列したナノチャネルのそれぞれ幅及び深さ寸法と略一致する幅及び深さ寸法を有する、付記１８に記載の装置。
〔付記２３〕
前記ナノファンネルが、略放物線輪郭を備える少なくとも一部分を含む、付記１７に記載の装置。
〔付記２４〕
前記ナノファンネルが、略凸面状輪郭を備える少なくとも一部分を含む、付記１７に記載の装置。
〔付記２５〕
前記ナノファンネルが、略凹面状輪郭を備える少なくとも一部分を含む、付記１７に記載の装置。
〔付記２６〕
前記ナノファンネルが、一定の傾きで内側に傾斜した壁を有する、付記１７に記載の装置。
〔付記２７〕
前記ナノファンネルが、冪乗則（幅，深さ〜ｘα）（式中、ｘは軸座標であり、αは正の数である）により定義される関連する指数「α」を含む寸法を有する、付記１７に記載の装置。
〔付記２８〕
前記ナノファンネルが、冪乗則指数αに関連する寸法を有し、ここでαは、ｙ〜ｘα（ｘ）となるように軸方向位置ｘの関数として構成される、付記１７に記載の装置。
〔付記２９〕
検体の解析方法において、
対応するナノチャネルに合流する少なくとも１つのナノファンネルを有するチップを提供するステップ；
第１の電圧を印加するステップであって、それにより前記検体を流体ナノファンネルに流入させるステップ；次に
第２のより低い電圧を印加するステップであって、それにより前記検体を対応するナノチャネルに流入させるステップ；及び
前記ナノファンネル及び／又はナノチャネル中の分子を電子的に解析するステップ
を含む方法。
〔付記３０〕
前記解析するステップのデータに基づき前記検体の分子同定、前記検体の長さ又は局所的な官能基マッピングを決定するステップを更に含む、付記２９に記載の方法。
〔付記３１〕
前記印加するステップが、前記ナノチャネルにおける流れが低速となるように実施される、付記２９に記載の方法。
〔付記３２〕
前記解析するステップが、ＤＮＡ配列情報を決定するステップを含み得る、付記２９に記載の方法。
〔付記３３〕
前記ナノファンネル形状が冪乗則（幅，深さ〜ｘα）により定義され（式中、ｘは軸座標であり、且つアルファ（α）は正の数である）、且つ幅、深さ及び／又はアルファが、以下：（ｉ）前記ナノファンネルに単一のＤＮＡ、タンパク質、又は他のポリマー分子を安定に捕獲すること；又は（ｉｉ）前記単一のＤＮＡ、タンパク質、又は他のポリマー分子を前記ナノファンネルを通じて低速で輸送すること、のうちの少なくとも１つを実施するように選択される、付記２９に記載の方法。
〔付記３４〕
ナノファンネル形状を数学的にモデリングするステップであって、それにより所望の散逸、捕獲又は輸送挙動に対応する正の値を有する冪乗則指数「アルファ」及び解析作業用の関連する電界を求めるステップを更に含む、付記２９に記載の方法。
〔付記３５〕
前記検体が、単一のＤＮＡ、タンパク質又はポリマー分子を含み、低電界（Ｅ＜Ｅｍｉｎ）は、検体分子を瞬間的に捕獲することができるが、それが前記ナノファンネルから抜け出て前記ナノチャネルから離れる拡散による散逸を防ぐには不十分であり、中間の電界（Ｅ＞Ｅｍｉｎ、Ｅ＜Ｅｃ）は、前記検体を前記ナノファンネルに安定に捕獲することができ、前記検体分子の位置（ｘｉ及びｘｆ）は前記電界の大きさに依存し、及び高電界（Ｅ＞Ｅｃ）は、前記検体を前記ナノチャネルの中へとそこを通じて輸送することができ、ここで前記電界強度Ｅｍｉｎ及びＥｃの値は、前記ナノファンネルの形及びサイズ並びに前記検体分子のサイズに依存する、付記２９に記載の方法。
〔付記３６〕
分子の解析用流体解析システムにおいて、
複数のナノファンネルを含む流体チップであって、各ファンネルが少なくとも１つのそれぞれのナノチャネルに合流する、流体チップと；
前記チップと通信している制御回路であって、（ｉ）第１の定義された輸送電圧を印加することにより分子を少なくとも１つのナノファンネルに侵入させて、次に（ｉｉ）前記第１の定義された輸送電圧より低い定義された第２の輸送電圧を印加することにより前記分子を対応するナノチャネルに流入させるように構成された制御回路と
を含むシステム。
〔付記３７〕
それぞれのナノファンネルの幅及び深さ寸法が、両方共に前記ナノファンネルの略全長に渡り変化することにより、前記ファンネルの断面サイズが前記幅広端部から前記幅狭端部にかけて少なくとも２倍変わる、付記３６に記載のシステム。
〔付記３８〕
前記ナノファンネルの断面サイズが前記幅広端部から前記幅狭端部にかけて少なくとも１桁減少する、付記３６に記載のシステム。
〔付記３９〕
前記ナノファンネルが、定義された幾何学的輪郭を有する、付記３６に記載のシステム。
〔付記４０〕
前記ナノファンネルが、放物線輪郭、凸面状輪郭、凹面状輪郭又は一定の傾きで内側に傾斜した壁を有する輪郭のうちの１つを有する、付記３６に記載のシステム。
〔付記４１〕
前記ナノチャネルの少なくとも一部が略一定の幅及び深さを有し、且つ前記ナノファンネルの前記幅狭端部が、整列したナノチャネルのそれぞれ幅及び深さ寸法と略一致する幅及び深さ寸法を有する、付記３６に記載のシステム。
〔付記４２〕
前記制御回路が、前記分子がそれぞれのナノチャネルにおいて低速の流れを有するような前記第２の輸送電圧を印加するように構成される、付記４１に記載のシステム。
〔付記４３〕
前記ナノファンネルの少なくとも一部が、冪乗則（幅，深さ〜ｘα）（式中、ｘは軸座標であり、αは正の数である）により定義される関連する指数「α」を含む寸法で構成される、付記３６に記載のシステム。
〔付記４４〕
前記ナノファンネルが、ｙ〜ｘα（ｘ）により定義される軸方向位置ｘの関数として構成される冪乗則指数αを含む形状を有する、付記３６に記載のシステム。
〔付記４５〕
分子の解析方法において、
少なくとも１つのナノファンネルを有する装置を提供するステップ；
標的分子を前記ナノファンネルに流動自在に導入するステップ；
前記検体分子の空間位置を特定する間、前記標的分子を前記ナノファンネルに捕獲するステップ；及び
前記ナノファンネル中の前記検体分子を解析するステップ
を含む方法。
〔付記４６〕
前記少なくとも１つのナノファンネルが、正の値である関連する冪乗則指数「α」を有する寸法を含む形状を有し、α＜１であるそれぞれのナノファンネルが凸面状であり、一方、α＞１であるそれぞれのナノファンネルが凹面状である、付記４５に記載の方法。
〔付記４７〕
前記検体分子を前記ナノファンネルから低速でナノチャネル内へと輸送するステップを更に含む、付記４５に記載の方法。
〔付記４８〕
前記検体分子が、単一のＤＮＡ、タンパク質、又は他のポリマー分子である、付記４５に記載の方法。
〔付記４９〕
低電界（Ｅ＜Ｅｍｉｎ）が、ＤＮＡ、タンパク質、又は他のポリマー分子を瞬間的に捕獲することができるが、それが前記ナノファンネルから抜け出て前記ナノチャネルから離れる拡散による散逸を防ぐには不十分であり、中間の電界（Ｅ＞Ｅｍｉｎ、Ｅ＜Ｅｃ）が、前記検体を前記ナノファンネルに安定に捕獲することができ、前記検体分子の位置（ｘｉ及びｘｆ）は前記電界の大きさに依存し、及び高電界（Ｅ＞Ｅｃ）が、前記検体を前記ナノチャネルの中へとそこを通じて輸送することができ、ここで前記電界強度Ｅｍｉｎ及びＥｃの値は、前記ナノファンネルの形及びサイズ並びに前記検体分子のサイズに依存する、付記４５に記載の方法。
〔付記５０〕
標的基板にナノファンネルを作成するように構成された少なくとも１つの電子パターニングファイルと通信しているか又はそれを含むＦＩＢミリング機器
を含む集束イオンビーム（ＦＩＢ）ミリングシステム。
〔付記５１〕
前記ＦＩＢミリング機器が、付記５〜１３の何れか一項に記載のナノファンネル形状の何れかを作成するように構成される、付記５０に記載のＦＩＢミリングシステム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１１Ｆ】
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【図１１Ｇ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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