(57)【要約】【課題】ナノチューブをナノ細孔内に埋め込む技術を提供すること。【解決手段】膜が槽を第１の槽部と第２の槽部とに分離しており、ナノ細孔が、第１の槽部と第２の槽部とを接続するように、膜を貫通して形成されている。イオン流体がナノ細孔、第１の槽部、および第２の槽部を満たしている。第１の電極が第１の槽部内に浸漬されており、第２の電極が第２の槽部内に浸漬されている。ナノチューブをナノ細孔内に移送することにより、ナノ細孔の内面が、有機被膜を介してナノチューブの外面との共有結合を形成し、ナノチューブの内面が、生体分子がナノチューブを通って転座する間にそれらを分析するための超平滑表面を備えた新しいナノ細孔となる。【選択図】図２
2014531580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノチューブをナノ細孔内に埋め込んだ装置であって、
槽を第１の槽部と第２の槽部とに分離する膜であり、前記ナノ細孔は、前記第１の槽部と前記第２の槽部とを接続するように、前記膜を貫通して形成されている、前記膜と、
前記ナノ細孔、前記第１の槽部、および前記第２の槽部を満たすイオン流体と、
前記第１の槽部内に浸漬されている第１の電極と、
前記第２の槽部内に浸漬されている第２の電極と
を含み、
前記ナノチューブは、前記第１の電極および前記第２の電極に印加される電圧バイアスにより前記ナノ細孔内に移送され、それにより、前記ナノ細孔の内面が有機被膜を介して前記ナノチューブの外面との共有結合を形成する、
装置。
【請求項２】
前記ナノ細孔の前記内面は、前記有機被膜で被覆されており、前記ナノチューブの前記外面との前記共有結合を形成する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ナノチューブの前記外面は、前記有機被膜で被覆されており、前記ナノ細孔の前記内面との前記共有結合を形成する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記ナノ細孔の前記内面は前記有機被膜で被覆されており、前記ナノチューブの前記外面は前記有機被膜で被覆されており、したがって、前記ナノチューブを前記ナノ細孔内に移送することに応答して前記共有結合を引き起こす、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記ナノ細孔の前記内面および前記ナノチューブの前記外面は異なる有機被膜で被覆されており、
前記ナノ細孔の前記内面上の前記有機被膜および前記ナノチューブの前記外面上の前記異なる有機被膜は、前記ナノチューブを前記ナノ細孔内に移送することに応答して前記共有結合を引き起こす、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記有機被膜を介した前記共有結合により、前記ナノチューブは前記膜の前記ナノ細孔に取り付けられる、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記膜の両側で、前記ナノチューブの高さが前記膜の層の高さに対応するように処理される、請求項１ないし６に記載の装置。
【請求項８】
ナノチューブをナノ細孔内に埋め込む方法であって、
槽を第１の槽部と第２の槽部とに分離する膜を含む前記槽を構成し、前記ナノ細孔は、前記第１の槽部と前記第２の槽部とを接続するように、前記膜を貫通して形成される、ステップと、
前記ナノ細孔、前記第１の槽部、および前記第２の槽部をイオン流体で満たすステップと、
前記第１の槽部内に浸漬されている第１の電極を設けるステップと、
前記第２の槽部内に浸漬されている第２の電極を設けるステップと、
前記第１の電極および前記第２の電極に印加される電圧バイアスにより前記ナノチューブを前記ナノ細孔内に移送して、前記ナノ細孔の内面が、有機被膜を介して前記ナノチューブの外面との共有結合を形成するステップと
を含む、方法。
【請求項９】
前記ナノ細孔の前記内面を前記有機被膜で被覆して、前記ナノチューブの前記外面との前記共有結合を形成するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記ナノチューブの前記外面を前記有機被膜で被覆して、前記ナノ細孔の前記内面との前記共有結合を形成するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記ナノ細孔の前記内面を前記有機被膜で被覆するステップと、
前記ナノチューブの前記外面を前記有機被膜で被覆するステップと
をさらに含み、
前記ナノ細孔の前記内面上の前記有機被膜と前記ナノチューブの前記外面上の前記有機被膜とは、前記ナノチューブを前記ナノ細孔内に移送するステップに応答して前記共有結合を引き起こす、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記ナノ細孔の前記内面と前記ナノチューブの前記外面とを異なる有機被膜で被覆するステップ
をさらに含み、
前記ナノ細孔の前記内面上の前記有機被膜と前記ナノチューブの前記外面上の前記異なる有機被膜は、前記ナノチューブが前記ナノ細孔内に移送されたときに前記共有結合を形成する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記有機被膜を介した前記共有結合により、前記ナノチューブは前記膜の前記ナノ細孔に取り付けられる、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記ナノチューブの高さが前記膜の層の高さに対応するように、前記膜の両側を処理するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ナノチューブを前記ナノ細孔内に移送する前記ステップは、前記膜の両側の流体圧の差により補助される、請求項８ないし１４に記載の方法。
【請求項１６】
ナノチューブをナノ細孔内に埋め込んだシステムであって、
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の装置と、
前記ナノチューブの外面が前記ナノ細孔の内面と接触して有機被膜を介して共有結合を形成するように、第１の電極および第２の電極に電圧バイアスを印加して、前記ナノチューブを前記ナノ細孔内に移送するように構成されている電圧源と
を含む、システム。
【請求項１７】
ナノチューブをナノ細孔内に埋め込む方法であって、
槽を第１の槽部と第２の槽部とに分離する膜を含む前記槽を構成し、前記ナノ細孔は、前記第１の槽部と前記第２の槽部とを接続するように、前記膜を貫通して形成される、ステップと、
前記ナノ細孔、前記第１の槽部、および前記第２の槽部をイオン流体で満たすステップと、
前記第１の槽部内に浸漬されている第１の電極を設けるステップと、
前記第２の槽部内に浸漬されている第２の電極を設けるステップと、
前記膜の両側の流体圧の差により前記ナノチューブを前記ナノ細孔内に移送して、前記ナノ細孔の内面が、有機被膜を介して前記ナノチューブの外面との共有結合を形成するステップと
を含む、方法。
【請求項１８】
前記膜の一方の側が正の流体圧を有し、前記膜のもう一方の側が負の流体圧を有する、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的にナノデバイスに関し、より詳細には、ナノチューブをナノ細孔内に埋め込むことに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、リボ核酸（ＲＮＡ）、タンパク質等の生体分子（例えば、ポリマー）の迅速な分析のために、ナノ細孔をセンサとして利用することに関心が高まってきている。この技術は、シークエンシングのコストを１０００ドル／ヒトゲノム未満に低減することが期待できるので、ＤＮＡシークエンシングのためのナノ細孔の利用が重要視されてきている。
【０００３】
ナノ細孔シークエンシングは、ＤＮＡ鎖上にヌクレオチドが発現する順序を決定する技術である。ナノ細孔は、単なる内径数ナノメートル程度の小孔である。ナノ細孔シークエンシングの背後にある理論は、ナノ細孔を通るイオン伝導による極僅かな電流を測定することができかつ総電流がナノ細孔のサイズおよび形状に非常に影響されやすいという条件下で、ナノ細孔が導電性流体中に浸漬されかつ電位（電圧）がその全体に亘って印加された場合に起こることに関係している。単一塩基または一本鎖のＤＮＡがナノ細孔を通過する（またはＤＮＡ分子の一部が通過する）場合、このことにより、ナノ細孔を通過する電流の大きさに変化が生じ得る。また、他の電気センサまたは光学センサをナノ細孔の周辺に置くことで、ＤＮＡがナノ細孔を通過する間にＤＮＡ塩基を識別することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＤＮＡシークエンシングにおけるある問題が、ナノ細孔を通したＤＮＡの転座を制御することである。ナノ細孔の表面粗さおよびナノ細孔の表面上のダングリング・ボンドは、ＤＮＡシークエンシングにとって問題となる可能性がある。電子ビームを使用して固体ナノ細孔をドリルで穿孔した後、細孔表面は、ナノメートル規模のコルゲーション（例えば、ひだ、しわ、溝等）を呈する可能性がある。自己アフィンな粗面のスケーリング挙動と同様に、ナノ細孔が小さいほど、細孔内面が粗い。さらに、同一手順を用いてドリルで穿孔されたナノ細孔は異なる表面粗さを有しており、各細孔を特有のものとする可能性がある。このように、ＤＮＡとナノ細孔の内面との間の予測不可能な相互作用のため、粗い表面またはダングリング・ボンドあるいはその両方を有するナノ細孔を使用して実施される実験が、一貫性のない結果を示す可能性がある。例えば、シミュレーションにより、同じサイズに作製されたナノ細孔の表面粗さが異なる場合、ＤＮＡ上の有効な電気的駆動力が異なることが示される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
例示的実施形態では、ナノ細孔の内面にカーボン・ナノチューブを取り付けかつカーボン・ナノチューブの内面の滑らかさを活用するように構成されている。本手法は、ＤＮＡとナノ細孔の内面との間の予測不可能な相互作用の源である、ナノ細孔の内面の物理的表面粗さおよびダングリング・ボンドを除去することができる。さらに、カーボン・ナノチューブの化学的不活性は、ナノ細孔の内面に使用されている金属電極を保護することなどにより、潜在的な利益をもたらすであろう。
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、ナノチューブをナノ細孔内に埋め込んだ装置が提供される。該装置は、槽を第１の槽部と第２の槽部とに分離する膜を含み、ナノ細孔は、第１の槽部と第２の槽部とを接続するように、該膜を貫通して形成されている。イオン流体がナノ細孔、第１の槽部、および第２の槽部を満たしている。第１の電極が第１の槽部内に浸漬されており、第２の電極が第２の槽部内に浸漬されている。電圧バイアスが第１の電極および第２の電極に印加されて、ナノチューブをナノ細孔内に移送され、ナノ細孔の内面が有機被膜を介してナノチューブの外面との共有結合を形成する。
【０００７】
本発明の第２の態様によれば、ナノチューブをナノ細孔内に埋め込む方法が提供される。本方法は、槽を第１の槽部と第２の槽部とに分離する膜を含む槽を構成し、ナノ細孔は、第１の槽部と第２の槽部とを接続するように、該膜を貫通して形成される、ステップを含む。本方法は、ナノ細孔、第１の槽部、および第２の槽部をイオン流体で満たし、第１の電極が第１の槽部内に浸漬され、第２の電極が第２の槽部内に浸漬される、ステップを含む。また、本方法は、第１の電極および第２の電極に印加される電圧バイアスを用いてナノチューブをナノ細孔内に移送して、ナノ細孔の内面が、有機被膜を介してナノチューブの外面との共有結合を形成するステップを含む。
【０００８】
本発明の第３の態様によれば、ナノチューブをナノ細孔内に埋め込んだシステムが提供される。該システムは、槽を第１の槽部と第２の槽部とに分離する膜を含む装置を含み、ナノ細孔は、第１の槽部と第２の槽部とを接続するように、該膜を貫通して形成されている。イオン流体が、ナノ細孔、第１の槽部、および第２の槽部を満たしている。第１の電極が第１の槽部内に浸漬されており、第２の電極が第２の槽部内に浸漬されている。また、該システムは、ナノチューブをナノ細孔内に移送するように構成されている電圧源を含み、ナノ細孔の内面が有機被膜を介してナノチューブの外面との共有結合を形成する。
【０００９】
本発明の第４の態様によれば、ナノチューブをナノ細孔内に埋め込んだ装置が提供される。該装置は、槽を第１の槽部と第２の槽部とに分離する膜を含み、該ナノ細孔は、第１の槽部と第２の槽部とを接続するように、該膜を貫通して形成されている。イオン流体が、ナノ細孔、第１の槽部、および第２の槽部を満たしている。第１の電極が第１の槽部内に浸漬されており、第２の電極が第２の槽部内に浸漬されている。膜の２つの側の流体圧の差によってナノチューブがナノ細孔内に移送されることにより、ナノ細孔の内面が、有機被膜を介してナノチューブの外面との共有結合を形成する。
【００１０】
さらなる特徴が本開示の技術を通して実現される。他の実施形態による他のシステム、方法、装置、またはコンピュータ・プログラム製品あるいはそれら全てが、本明細書に詳細に記載されており、特許請求されている発明の一部と考えられる。例示的実施形態および特徴をより良く理解するために、説明および図面を参照する。
【００１１】
ここで、本発明の実施形態が、単に例として、添付図面を参照して記載される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】例示的実施形態による、カーボン・ナノチューブを埋め込まれたナノ細孔を有するナノデバイスの横断面概略図である。
【図２】例示的実施形態による、カーボン・ナノチューブをナノデバイスのナノ細孔内に埋め込む手法の図である。
【図３】例示的実施形態による、ナノ細孔の内部に取り付けられ、または結合されているカーボン・ナノチューブの図である。
【図４】例示的実施形態による、処理後にナノ細孔の内部に取り付けられているカーボン・ナノチューブの図である。
【図５】例示的実施形態による、カーボン・ナノチューブをナノデバイスのナノ細孔の内部に埋め込む別の手法の図である。
【図６】例示的実施形態による、ナノ細孔の内部に取り付けられ、または結合されているカーボン・ナノチューブの図である。
【図７】例示的実施形態による、処理後にナノ細孔の内部に取り付けられているカーボン・ナノチューブの図である。
【図８】例示的実施形態による、カーボン・ナノチューブをナノデバイスのナノ細孔の内部に埋め込む付加的手法の図である。
【図９】例示的実施形態による、ナノ細孔の内部に取り付けられ、または結合されているカーボン・ナノチューブの図である。
【図１０】例示的実施形態による、処理後にナノ細孔の内部に取り付けられているカーボン・ナノチューブの図である。
【図１１】例示的実施形態による、ナノチューブをナノ細孔の内部に埋め込む方法の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明のナノデバイスは、ナノ細孔の内面にカーボン・ナノチューブを取り付けて、カーボン・ナノチューブの内面の滑らかさを活用するように構成されている。
【００１４】
ここで図を参照すると、図１は、例示的実施形態による、カーボン・ナノチューブが埋め込まれたナノ細孔を有するナノデバイス１００の横断面概略図を示す。ナノデバイス１００はＤＮＡ転座装置を示す。膜１５０は、絶縁膜１０１を貫通して形成されているナノ細孔１０３を有する１つまたは複数の絶縁膜１０１で作製されている。カーボン・ナノチューブ１０２がナノ細孔１０３の内面に埋め込まれている。膜１５０の絶縁膜１０１は、槽１０４を２つの槽部に区切っており、それらは槽部１０５および槽部１０６である。（槽部１０５および槽部１０６を含む）槽１０４ならびにナノ細孔１０３は、次いで、（例えば導電性流体などの）イオン緩衝液１０７またはイオン流体１０７で満たされる。
【００１５】
ＤＮＡ分子（単数または複数）などのポリマー１０８が、２つの電気化学的電極１１０および１１１によりナノ細孔１０３全体に亘って印加される、電圧源１０９の電圧バイアスにより、ナノ細孔１０３内に装填される。電極１１０および１１１はそれぞれ、槽１０４内の槽部１０５および槽部１０６のイオン緩衝液１０７中に浸漬されている。
【００１６】
ＤＮＡ塩基を検出しＤＮＡの動きを制御する様々な最先端技術があるが、通常の（最先端の）ナノ細孔における粗さおよびダングリング・ボンドは、潜在的な問題を引き起こす可能性がある。しかし、ナノチューブ１０２の滑らかな内面は、ポリマー１０８の特性解析（characterization）（すなわち、ＤＮＡのナノ細孔シークエンシング）および動きに対する、ダングリング・ボンドを有さない（非常に）滑らかな内面を実現するであろう。
【００１７】
図１に示されるナノデバイス１００を作製するのに利用することができる多数の異なる材料を用いた多くの技術が存在する可能性がある。例示的実施形態によれば、図２、図３、図４は、チップなどのナノデバイス２００のカーボン・ナノチューブをナノ細孔の内部に埋め込む１つの手法を示す。図２、図３、図４はナノデバイス２００の横断面概略図を示す。図２では、膜２５０が、膜部２０２と膜部２０３との間に（例えばシリコンなどの）基板２０１を含む。膜部２０２および２０３は、基板２０１に対する高いエッチング選択比を有する（Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）などの）材料で作製されていてもよい。また、膜部２０２は、任意の所望の用途のために金属層等の他の材料層を含んでいてもよい。窓２５５が、例えば反応性イオン・エッチングを用いて膜部２０３に開かれており、基板２０１は、膜部２０２まで貫通してエッチングされ、膜部２０３の窓２５５を貫通しかつ基板２０１を貫通してエッチングすることにより、膜部２０２の独立膜部２６０を形成する。基板２０１用のシリコン基板の場合には、腐食液は８０℃のＫＯＨ（水酸化カリウム）またはＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）とすることができるであろう。ナノ細孔２０７が、膜部２０２の独立膜部２６０を貫通して作製されているかまたは形成されているあるいはその両方である。（独立膜部２６０を含む）膜２５０は、槽２０８を槽部２０９と槽部２１０とに区切っている。（槽部２０９および２１０を含む）槽２０８ならびに膜部２０２を貫通して形成されているナノ細孔２０７は、（次いで）イオン緩衝液２１１またはイオン流体２１１あるいはその両方で満たされる。ナノ細孔２０７は、例えば膜部２０２の独立膜部２６０に形成されている小開口部である。
【００１８】
図２に示される通り、カーボン・ナノチューブ２０４の外面は、有機被膜２０５で被覆することができる。該有機被膜２０５は、ナノ細孔２０７の内面に共有結合されるように構成されている。有機被膜２０５またはカーボン・ナノチューブ２０４あるいはその両方は、電極１１０および１１１に電圧バイアスを印加する電圧源１０９により、カーボン・ナノチューブ２０４をナノ細孔２０７内に移送するかまたは移送するあるいはその両方をすることができ、次いで、図３に示される通り、カーボン・ナノチューブ２０４をナノ細孔２０７の内面に共有結合することができるように、（イオン緩衝液２１１のｐＨを調整することにより）装填される。代替として、または追加として、あるいはその両方として、１つの実施態様では、流体圧調節デバイス２８０をポート２８２を介して槽部２１０に通信可能に接続することができ、流体圧調節デバイス２８５を別のポート２８４を介して槽部２０９に通信可能に接続することができる。（装填することができるかまたは装填することができない）カーボン・ナノチューブ２０４をナノ細孔２０７内に移送するために、流体圧調節デバイス２８０は、槽部２１０に正の流体圧をかけるように構成されているか、または流体圧調節デバイス２８５は、槽部２０９に負の流体圧をかけるように構成されているか、あるいはその両方である。カーボン・ナノチューブ２０４は、流体圧調節デバイス２８０および２８５により生じる膜２５０の両側の流体圧の差により、ナノ細孔２０７内に移送される。また、カーボン・ナノチューブ２０４を、流体圧調節デバイス２８０単独の正の流体圧によりまたは流体圧調節デバイス２８５単独の負の流体圧により、ナノ細孔２０７内に移送することができる。流体圧調節デバイス２８０および２８５はそれぞれ、ポート２８２を介して槽部２１０に、ポート２８４を介して槽部２０９に連結されており、所望の圧力をかけるポンプまたは注射器であってもよい。
【００１９】
槽１０４および２０８内のイオン緩衝液１０７および２１１は、用途に応じて任意のｐＨを有する任意の溶媒（水または有機溶媒）中に溶解されている任意の塩とすることができる。イオン緩衝液１０７および２１１の一例には、ＤＮＡ転座のための６から９のｐＨ領域を有するＫＣＬ（塩化カリウム）水溶液が含まれる。したがって、電極１１０および１１１は、塩と溶媒とを適合させる電気化学反応のための任意の電極とすることができる。例えば、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極が、ＫＣＬ水溶液に適当であろう。
【００２０】
以下にさらに検討されている通り、有機被膜２０５は、（カーボン・ナノチューブ２０４に施されている）有機被膜２０５をナノ細孔２０７の内面材料に共有結合させる化学的特性を有する材料である。共有結合の結果として、カーボン・ナノチューブ２０４は、ナノ細孔２０７にしっかりと取り付けられる。
【００２１】
カーボン・ナノチューブ２０４がナノ細孔２０７の内面に取り付けられると、（取り付けられたナノチューブ２０４を含む）膜２５０の両側（例えば、最上部および底部）は、図４に示される通り、Ｏ２（酸素）プラズマを使用した処理またはエッチングを施して、ナノ細孔２０７の外側に延出しているカーボン・ナノチューブ２０４の部分を調整する（例えば、除去する）ことができる。図４では、カーボン・ナノチューブ２０４の高さ（例えば、最上部および底部）は、Ｏ２プラズマ処理後、膜部２０２の高さに揃えられている。（図１に示される）ポリマー１０８は、ナノ細孔シーケンサー（図示せず）によるシークエンシングのために、ナノ細孔２０７に取り付けられているカーボン・ナノチューブ２０４内に移送されてもよく、当業者には明らかなように、シークエンシングは、（カーボン・ナノチューブ２０４により形成されている）ナノ細孔２０７内で起こる。
【００２２】
酸素プラズマ・エッチングが、集積回路を製造するのに用いられるプラズマ処理の一形態である。当業者には明らかなように、酸素プラズマ・エッチングは、膜２５０などのサンプルに（パルス状に）発射される、適切な気体混合物の高速グロー放電（プラズマ）流を含む。プラズマ・エッチングが記載されているが、当業者には明らかなように、他の種類のエッチングが利用されてもよいと考えられる。
【００２３】
図５、図６、および図７は、例示的実施形態による、ナノ細孔の内部にカーボン・ナノチューブを埋め込む別の手法を示す。図５、図６、および図７はナノデバイス３００の横断面概略図を示す。
【００２４】
図５、図６、および図７では、ナノ細孔２０７の内面は、カーボン・ナノチューブ２０４に結合することができる有機被膜２１５で被覆されている。図５、図６、および図７に関する記載は、被覆がカーボン・ナノチューブ２０４（自体の）上の代わりにナノ細孔２０７の内面に施されているため、カーボン・ナノチューブ２０４が最初は被覆されていないことを除いて、図２、図３、および図４に関するものと同一である。１つの実施態様では、図５、図６、および図７の有機被膜２１５は、図２、図３、および図４の有機被膜２０５と同一の材料であってもよく、別の実施態様では、異なる材料であってもよい。
【００２５】
図５では、膜２５０は、膜部２０２と膜部２０３との間に基板２０１を含み、窓２５５が、基板２０１を貫通して膜部２０２まで膜部２０３に開かれているかまたはエッチングされているあるいはその両方であり、前段で検討された通り、膜部２０２の独立膜部２６０を形成している。ナノ細孔２０７は、独立膜部２６０を貫通して作製または形成されている。（自立膜部２６０を含む）膜２５０は、槽２０８を槽部２０９と槽部２１０とに区切っている。（槽部２０９と槽部２１０とを含む）槽２０８、および膜部２０２を貫通して形成されているナノ細孔２０７は、次いで、上述した通り、イオン緩衝液２１１またはイオン流体２１１で満たされる。
【００２６】
図２とは異なり、カーボン・ナノチューブ２０４の外面は、図５では有機被膜２０５で被覆されていない。代わりに、ナノ細孔２０７の内面は有機被膜２１５で被覆されている。有機被膜２１５は、被覆されていないカーボン・ナノチューブ２０４の外面に共有結合するように構成されている。（槽２０８を満たすイオン緩衝液２１１のｐＨを調整することにより）カーボン・ナノチューブ２０４が装填された場合、該カーボン・ナノチューブ２０４を、電圧源１０９によって電極１１０および１１１に印加される電圧バイアスにより、ナノ細孔２０７内に移送することができる。また、カーボン・ナノチューブ２０４は、流体圧調節デバイス２８０および２８５により正の圧力および負の圧力がかけられ、膜２０５の両側の流体圧の差により、ナノ細孔２０７内へ移送することができる。カーボン・ナノチューブ２０４がナノ細孔２０７内へ移送されると、図６に示される通り、カーボン・ナノチューブ２０４は、有機被膜２１５を介してナノ細孔２０７の内面に共有結合することができる。有機被膜２１５は、（ナノ細孔２０７に施されている）有機被膜２１５が被覆されていないカーボン・ナノチューブ２０４の外面材料に共有結合する化学的特性を有する材料である。この共有結合の結果として、カーボン・ナノチューブ２０４は、ナノ細孔２０７にしっかりと取り付けられる。
【００２７】
カーボン・ナノチューブ２０４がナノ細孔２０７の内面に取り付けられると、図７に示される通り、（取り付けられたナノチューブ２０４を含む）膜２５０の両側をＯ２プラズマで処理して、カーボン・ナノチューブ２０４のナノ細孔２０７の外側に延出している延出部分を調整する（例えば、除去する）ことができる。図７では、カーボン・ナノチューブ２０４の高さは、Ｏ２プラズマ処理後に膜部２０２の高さに揃えられている。（図１に示される）ポリマー１０８は、当業者には明らかなように、シークエンシングのためにナノ細孔２０７に取り付けられているカーボン・ナノチューブ２０４内に移送されてもよい。
【００２８】
図８、図９、および図１０は、例示的実施形態による、カーボン・ナノチューブをナノ細孔の内部に埋め込む付加的手法を示す。図８、図９、および図１０は、図２、図３、図４、図５、図６、および図７において検討されている手法の組合せを示す、ナノデバイス４００の横断面概略図を示す。
【００２９】
図８、図９、および図１０では、ナノ細孔２０７の内面は有機被膜２０６で被覆されており、一方、カーボン・ナノチューブ２０４の外面は有機被膜２０５で被覆されている。有機被膜２０５は、有機被膜２０６に共有結合するように化学的に構成されている。さらに、有機被膜２０５は、カーボン・ナノチューブ２０４に結合するように化学的に構成されており、有機被膜２０６は、ナノ細孔２０７の内面に結合するように化学的に構成されている。有機被膜２０５は、１つの実施態様では有機被膜２０６とは異なる。別の実施態様では、有機被膜２０５は、有機被膜２０６と同一材料とすることができる。
【００３０】
（イオン緩衝液のｐＨを調整することにより）有機被膜２０５またはカーボン・ナノチューブ２０４あるいはその両方が装填された場合、カーボン・ナノチューブ２０４を、電圧源１０９により電極１１０および１１１に印加される電圧バイアスにより、ナノ細孔２０７内に移送することができる。また、カーボン・ナノチューブ２０４を、流体圧調節デバイス２８０および２８５による正の圧力および負の圧力がかけられ、膜２５０の両側の流体圧の差により、ナノ細孔２０７内に移送することができる。有機被膜２０５で被覆されたカーボン・ナノチューブ２０４が有機被膜２０６で被覆されたナノ細孔２０７内に移送されると、図９に示される通り、カーボン・ナノチューブ２０４は、有機被膜２０５、２０６を介してナノ細孔２０７の内面に共有結合することができる。有機被膜２０５は、（カーボン・ナノチューブ２０４に施されている）有機被膜２０５をカーボン・ナノチューブ２０４の外面材料および有機被膜２０６に共有結合させる化学的特性を有する材料である。同様に、有機被膜２０６は、（ナノ細孔２０７に施されている）有機被膜２０６をカーボン・ナノチューブ２０４の外面材料および有機被膜２０５に共有結合させる化学的特性を有する材料である。共有結合の結果として、カーボン・ナノチューブ２０４は、ナノ細孔２０７にしっかりと取り付けられる。
【００３１】
上記の通り、カーボン・ナノチューブ２０４がナノ細孔２０７の内面に取り付けられると、（取り付けられたナノチューブ２０４を含む）膜２５０の両側をＯ２プラズマで処理して、図１０に示されるように、カーボン・ナノチューブ２０４のナノ細孔２０７の外側に延出する延出部分を調整する（例えば、除去する）ことができる。図１０では、カーボン・ナノチューブ２０４の高さは、Ｏ２プラズマ処理後に膜部２０２の高さに揃えられている。１つの実施態様では、カーボン・ナノチューブ２０４の高さは、Ｏ２プラズマ処理の所望の精度に基づいて、（ナノ細孔２０７を形成している）膜部２０２の高さより若干低く、若干高く、または概ね同じであってもよい。（図１に示される）ポリマー１０８は、当業者には明らかなように、シークエンシングのために、ナノ細孔２０７に取り付けられているカーボン・ナノチューブ２０４内に移送される。
【００３２】
前述の例示的実施形態はカーボン・ナノチューブに関するが、当然のことながら、本開示は、カーボン・ナノチューブを有するナノ細孔に限定されない。むしろ、例示的実施形態が、本明細書で検討されている技術を利用して、他の種類のナノチューブをナノ細孔の内面に取り付けることに適用可能であってもよい。さらに、例示的実施形態が、ナノチューブをナノ細孔内に埋め込むことに限定されず、当業者には明らかなように、ナノチューブはバイア、ナノチャネル等の他の構造体内に埋め込まれてもよい。
【００３３】
図１１は、例示的実施形態による、ナノチューブをナノ細孔内に埋め込む方法５００を示す。図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９、および図１０を参照する可能性がある。
【００３４】
ブロック５０５において、槽（例えば、槽１０４、２０８）が、該槽を第１の槽部（例えば、槽部１０５、２１０）と第２の槽部（例えば、槽部１０６、２０９）とに分離する膜（例えば、膜１５０、２５０）を含むように構成され、該膜には、ナノ細孔（例えば、ナノ細孔１０３、２０７）が、第１の槽部と第２の槽部とを接続するように、該膜を貫通して形成される。
【００３５】
ブロック５１０において、ナノ細孔、第１の槽部、および第２の槽部は、イオン流体（例えば、イオン流体１０７、２１１）で満たされる。ブロック５１５において、第１の電極（例えば、電極１１０）が第１の槽部内に浸漬され、ブロック５２０において、第２の電極（例えば、電極１１１）が第２の槽部内に浸漬される。
【００３６】
ブロック５２５において、第１の電極および第２の電極（例えば、電極１１０および１１１）に（例えば、電圧源１０９により）印加される電圧バイアスに応答して、ナノチューブはナノ細孔内に移送され、ナノ細孔（例えば、ナノ細孔１０３、２０７）の内面が、有機被膜（例えば、有機被膜２０５、２０６、２１５）を介してナノチューブ（例えば、ナノチューブ１０２、２０４）の外面との共有結合を形成する。また、カーボン・ナノチューブ２０４を、流体圧調節デバイス２８０および２８５により正の圧力および負の圧力がかけられ、膜２５０の両側の流体圧の差により、ナノ細孔２０７内に移送することができる。
【００３７】
ナノ細孔２０７の内面は、有機被膜（例えば、図５の有機被膜２１５または図８の有機被膜２０６）で被覆されて、ナノチューブ２０４の外面への共有結合を形成してもよい。また、ナノチューブ２０４の外面は、有機被膜２０５で被覆されて、ナノ細孔２０７の内面への共有結合を形成してもよい。
【００３８】
１つの場合には、ナノ細孔２０７の内面およびナノチューブ２０４の外面はどちらも有機被膜で被覆されており（例えば、有機被膜２０５および２０６は、図８、図９、および図１０において同一材料であってもよい）、電圧源１０９がナノチューブ２０４をナノ細孔２０７内に移送するのに応答して、ナノ細孔２０７の内面上の有機被膜およびナノチューブ２０４の外面上の有機被膜が共有結合を引き起こす。
【００３９】
別の場合には、ナノ細孔２０７の内面は有機被膜で被覆されており、ナノチューブの外面は別の有機被膜で被覆されており（例えば、有機被膜２０５および２０６は、図８、図９、および図１０において異なる材料であってもよい）、電圧源１０９がナノチューブをナノ細孔内に移送するのに応答して、ナノ細孔の内面上の有機被膜およびナノチューブの外面上のその他の有機被膜が共有結合を引き起こす。
【００４０】
有機被膜の媒介による共有結合により、ナノチューブ１０２、２０４は、膜１５０、２５０に形成されているナノ細孔１０３、２０７に物理的に取り付けられ、膜１５０、２５０の両側（例えば、最上部および底部）は、図４、図７、図１０に示されるようにナノチューブの高さが膜２５０の層（例えば、膜部２０２）の高さに対応するように処理される。
【００４１】
説明目的で、有機被膜２０５、２０６、および２１５の種々の例が以下に検討されている。当然のことながら、以下に検討されている有機被膜２０５、２０６、および２１５の化学分子に限定しようとする意図はない。
【００４２】
有機被膜２０５は、カーボン・ナノチューブ２０４とのアリールジアゾニウム塩の反応により調製することができる。この反応では、カーボン・ナノチューブ２０４からジアゾニウム塩への電子移動によりジアゾニウム塩が還元され、窒素１分子の排除ならびにアリール化合物とカーボン・ナノチューブ２０４との間の炭素−炭素結合の形成が生じる。主に、反応の単純化およびそれらの対応するアリールアミン類により入手可能な広範なアリールジアゾニウム塩のため、これは、様々なアリール化合物を用いたカーボン・ナノチューブの機能化に関して広く用いられている反応である。カーボン・ナノチューブ２０４とのアリールジアゾニウム塩の反応は、水溶液中またはジクロロエタン、クロロホルム、トルエン、ジメチルホルムアミド等のような有機溶媒中のどちらかで生じる。カーボン・ナノチューブ２０４とのアリールジアゾニウム塩の反応は非常に速く（例えば、数分で完了し）、室温で生じる。好適であるが必須ではないジアゾニウム塩は、ナノ細孔２０７の内部で金属酸化物または金属窒化物との強い結合を形成し得る付加的官能基を有するものである。（ナノ細孔２０７の内部で金属酸化物または金属窒化物との強い結合を形成する）該付加的官能基は、カルボン酸（−ＣＯ２Ｈ）、ヒドロキサム酸（−ＣＯＮＨＯＨ）、またはホスホン酸（−ＰＯ３Ｈ２）から選択することができる。
【００４３】
図５、図６、および図７では、有機被膜２１５は、１つの官能基がジアゾニウム塩であり、他方の官能基をヒドロキサム酸またはホスホン酸から選択することができる二官能性化合物または二官能性分子あるいはその両方である。金属酸化物または金属窒化物の内壁を有するナノ細孔２０７がこの二官能性化合物または二官能性分子あるいはその両方の溶液中に浸漬された場合、ナノ細孔２０７の内面は、ヒドロキサム酸またはホスホン酸の官能化によりこの二官能性化合物または二官能性分子であるいはその両方の自己組織化単分子層で被覆され、ジアゾニウム官能基を露出する。（図６および図７に示される通り）ジアゾニウム官能基は被覆されていないカーボン・ナノチューブ２０４と反応して、共有結合を形成することができ、したがって、カーボン・ナノチューブ２０４をナノ細孔２０７の内側に固定する。
【００４４】
図８、図９、および図１０では、カーボン・ナノチューブ２０４およびナノ細孔２０７はどちらも、有機単層（すなわち、有機被膜２０５および２０６それぞれ）で被覆されている。カーボン・ナノチューブ２０４の場合、有機被膜２０５は、アルコール基またはアミン基のどちらかを有する二官能性ジアゾニウム塩とのカーボン・ナノチューブ２０４の反応により達成され、ナノ細孔２０７の内側の有機被膜２０６は、結合をナノ細孔２０７壁の内側で形成する官能基（例えば、ヒドロキサム酸またはホスホン酸）とカーボン・ナノチューブ２０４（例えば、カルボン酸）の露出した官能基との縮合（condensation）により共有結合を形成する第２の露出した官能基を有する二官能性分子である。例えば、ナノ細孔２０７は、水またはアルコール中の４−カルボキシベンジルホスホン酸の希薄（１〜５ｍモル）溶液中でのナノ細孔２０７の浸漬により、４−カルボキシベンジルホスホン酸で被覆することができる。同溶液ですすいだ後、ナノ細孔２０７の内側（ナノ細孔壁の壁または部分は金属酸化物または金属窒化物でなければならない）は、ホスホン酸が金属酸化物または金属窒化物と共有結合を形成し、カルボン酸官能基を露出するように、自己組織化した４−カルボキシベンジルホスホン酸の単層で被覆されている。第２のステップでは、アルコール官能基またはアミン官能基を有する官能化したカーボン・ナノチューブ２０４は、ナノ細孔２０７の内側に引き寄せられ、（塩の溶液中に存在しているはずである）脱水剤の補助で、カルボン酸およびアルコール（またはアミン）の２つの官能基は脱水を経て、カルボン酸エステル（またはカルボキシアミド）を形成し、結果的にカーボン・ナノチューブ２０４の固定をもたらす。（やはり水溶性であり、この環境において使用することができる）脱水剤の例が、Ｎ−（３−ジメチルアミノプロピル）−Ｎ’−エチルカルボジイミド塩酸塩である。図９および図１０では、有機被膜２０５と有機被膜２０６とが互いに反応してエステルまたはアミドを形成した後、該結合した被膜は２７０で示される。
【００４５】
ナノ細孔２０７が被覆されておらずかつカーボン・ナノチューブ２０４が（前段で検討されたように有機被膜２０５で）被覆されている場合の（図２、図３、および図４に対応する）反応では、有機被膜２０５は二官能性アリールジアゾニウム塩の反応により達成される。例えば、４−アミノベンジルホスホン酸がテトラフルオロホウ酸ニトロソニウムで処理されて、対応するジアゾニウム塩を形成する。このジアゾニウム塩の溶液が、少（０．１〜１％）量の界面活性剤（例えば、ドデシル硫酸ナトリウムまたはコール酸ナトリウム）を含有するカーボン・ナノチューブの水分散液中に添加される。室温で３０分間攪拌した後、カーボン・ナノチューブ２０４は、ベンジルホスホン酸で官能化される。前段で得られた０．１％の陰イオン界面活性剤を含有する官能化されたカーボン・ナノチューブ２０４の水溶液が、（図２、図３、図４に示される通り）ナノ細孔２０７内に引き寄せられ、そこで、ホスホン酸官能基は、ナノ細孔２０７の内側で金属酸化物（または金属窒化物）の表面と反応して、共有結合を形成する。
【００４６】
ナノ細孔２０７が（有機被膜２１５で）被覆されておりかつカーボン・ナノチューブ２０４が被覆されていない場合の（図５、図６、および図７に対応する）反応では、ナノ細孔２０７の内側は、（有機被膜２１５で）二官能性アリールアミン、例えばエタノール中のアミンの希薄（１〜５ｍモル）溶液中でのナノ細孔２０７の浸漬による４−アミノフェニルヒドロキサム酸、で被覆されている。しばらく（例えば、１〜２４時間、好ましくは１〜２時間）して、（ナノ細孔２０７を形成している）基板は除去され、エタノールですすがれる。このステップにより、ナノ細孔２０７の金属酸化物（または金属窒化物）とのヒドロキサム酸官能基による共有結合の形成により、結果的にナノ細孔２０７の内壁上に４−アミノフェニルヒドロキサム酸の自己組織化がもたらされ、アリールアミン官能基を露出する。次に、被覆されたナノ細孔２０７は、ニトロソニウムイオンの希薄溶液（例えば、テトラフルオロホウ酸ニトロソニウムまたは希塩酸中の亜硝酸ナトリウムの希薄溶液）で処理され、結果的にアミン基のジアゾニウム塩への変換をもたらす。最後のステップでは、食塩水中の被覆されていないカーボン・ナノチューブ２０４は、被覆されたナノ細孔２０７内に引き寄せられ、自己組織化した単層のジアゾニウム官能基と反応し、炭素−炭素結合を形成して、カーボン・ナノチューブ２０４をナノ細孔２０７の内側に固定する。
【００４７】
本明細書に使用されている専門用語は、単に特定の実施形態を記載するためのものであり、本発明を限定しようとする意図はない。本明細書に使用されている単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、別段の明確な指示がない限り、複数形も含むことが意図されている。さらに当然のことながら、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（含む）」または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む）」あるいはその両方は、本明細書に使用されている場合、明言されている特徴、整数、ステップ、動作、要素、または構成要素あるいはそれら全ての存在を具体的に述べるが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素またはそれらのグループあるいはその両方の存在または付加を除外しない。
【００４８】
添付の特許請求の範囲における対応する構造、材料、作用、および全てのミーンズ・プラス・ファンクションまたはステップ・プラス・ファンクションの均等物は、具体的に特許請求されている他の特許請求されている要素との組合せで機能を果たす任意の構造、材料、または作用を含むことが意図されている。本発明の記載は、例示目的および説明目的で提示されたものであるが、網羅的であることまたは開示される形態での本発明に限定されることを意図していない。多数の修正形態および変形形態が、本発明の範囲を逸脱することなく、当業者に明らかになるであろう。実施形態は、本発明の原理および実際の適用を最も良く説明するために、かつ当業者が、本発明を、企図されている特定の用途に適した種々の修正形態と共に種々の実施形態に関して理解することを可能にするために、選択され、記載された。
【００４９】
本明細書に示される流れ図は単に一例である。本発明の範囲から逸脱することなく本明細書に示される図またはステップ（または動作）に対する多くの変形形態があってもよい。例えば、ステップは異なる順序で実施されてもよいか、またはステップは付加、削除、または修正されてもよい。これらの変形形態の全ては、特許請求されている発明の一部と見なされる。
【００５０】
本発明の例示的実施形態を記載したが、当然のことながら、現在および未来のいずれにおいても、当業者は、添付の特許請求の範囲に含まれる種々の改良および改善を施し得る。これら特許請求の範囲は、最初に記載された本発明の適切な保護を維持すると見なされるべきである。
【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６】
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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１１】
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【国際調査報告】
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