(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
巨大分子が平衡になるか又は低速で移動するように、前記巨大分子を捕獲する為のナノ流体の分析装置であって、
１ｎｍと５００ｎｍとの間の幅又は深さを有する少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルと、
少なくとも１つの流体ナノチャネルの第１及び第２の横断の浅いセグメントが、各流体輸送ナノチャネルの第１上流セグメント及び第２下流セグメントを規定する為に、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの末端部の間の間隔に存在する交差点において、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの対向している側に設けられる、前記少なくとも１つの流体ナノチャネルと、
前記少なくとも１つの流体ナノチャネルの各第１及び第２の横断の浅いセグメントに伝達する第１及び第２電極と、
前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの進入末端部に伝達する第３電極と、
前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの退出末端部に伝達する第４電極と、
制御して巨大分子を注入、獲得、及び輸送する為に、前記第１、第２、第３、及び第４電極の動作を制御するように構成される回路であって、動作中に、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの前記第１上流セグメント及び前記第２下流セグメントは、前記巨大分子が平衡になるか又は低速で移動するように、前記各流体輸送ナノチャネルにおいて、前記巨大分子を捕獲する為にかなり異なる場の強さを有することができる、前記回路と、を備える、
ナノ流体の分析装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の横断の浅いセグメントは、より深いセグメントに併合し、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルに直交し又は並列である、
請求項１のナノ流体の分析装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルにおける、流体分析のチップ及びＤＮＡ、ＲＮＡ、ペプチド、たんぱく質、又は他の生物学の分子、又は合成巨大分子を規定する為に、基材にシールされるカバー、を更に備える、
請求項１又は２の何れかのナノ流体の分析装置。
【請求項４】
少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルと、
前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの第１上流セグメント及び第２下流セグメントを規定する為に、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルにおける対向する第１及び第２末端部の間の間隔に存在する、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルを有する交差点において、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの対向する側に当たっている、第１及び第２横断電極と、
前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの進入末端部に伝達する第３電極と、
前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの退出末端部に伝達する第４電極と、
制御して巨大分子を連続して注入、獲得、及び輸送する為に、前記第１、第２、第３、及び第４電極の動作を制御するように構成される回路であって、動作中に、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの前記第１上流セグメント及び前記第２下流セグメントは、前記巨大分子が平衡になるか又は低速で移動するように、前記巨大分子を捕獲する為にかなり異なる場の強さを有することができる、前記回路と、を備える、
装置。
【請求項５】
前記かなり異なる場の強さを生成し、前記流体輸送ナノチャネル中、及び前記流体輸送ナノチャネルを介して、制御して巨大分子を注入、捕獲、及び輸送する為に、前記第３及び第４電極を用いている前記流体輸送ナノチャネルの前記第１及び第２末端部、及び、前記第１及び第２横断電極に、電圧を選択的に印加するように構成された、基材に少なくとも部分的に存在する、及び／又は前記基材に伝達する回路、を更に備える、請求項４の装置。
【請求項６】
少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルを有している装置であって、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルは、（ｉ）前記流体輸送ナノチャネルを横切って互いに対向する第１及び第２の横断のセグメントを有し、各電極に各々伝達する少なくとも１つの流体ナノチャネル、又は、（ｉｉ）前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの対向している側に当っている２つの横断電極、の一方を有する交差点を有しており、
前記交差点は、前記各流体輸送ナノチャネルの第１上流セグメント及び第２下流セグメントを規定する為に、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルにおける対向する末端部の間の間隔に存在する、前記装置と、
前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルを介して、巨大分子を選択的に捕獲及び輸送する為に、電圧を前記電極に印加するように構成された電源を有する回路と、
を備えるナノ流体分析システム。
【請求項７】
前記装置は、前記流体輸送ナノチャネルのセグメントを横切って互いに対向する前記第１及び第２の横断のセグメントを有しており、前記各電極に各々伝達する、前記少なくとも１つの流体ナノチャネルを備え、前記第１及び第２の横断のセグメントは、浅いセグメントであり、あるいは幅広のセグメントである、
請求項６のナノ流体分析システム。
【請求項８】
前記装置は、前記交差点と組み合う前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルとして複数の並列な流体輸送ナノチャネルを備える、
請求項６又は７の何れかのナノ流体分析システム。
【請求項９】
前記装置は、長軸方向に離れて間隔があいている複数の交差点を有する、少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルを備え、各交差点は、（ｉ）前記流体輸送ナノチャネルを横切って互いに対向する第１及び第２セグメントを有し、各電極に各々伝達する流体ナノチャネル、又は、（ｉｉ）前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの対向している側に当っている２つの横断電極、の一方を有している、
請求項６乃至８の何れかのナノ流体分析システム。
【請求項１０】
前記分析装置は、前記流体輸送ナノチャネルのセグメントを横切って互いに対向する第１及び第２の横断のセグメントを有しており、前記各電極に各々伝達する、前記少なくとも１つの流体ナノチャネルを備え、前記第１及び第２の横断のセグメントは、浅いセグメントであり、あるいは幅広のセグメントである、
請求項１乃至３の何れかのナノ流体の分析装置。
【請求項１１】
前記分析装置は、前記交差点と組み合う前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルとして複数の並列な流体輸送ナノチャネルを備える、
請求項１乃至３の何れかのナノ流体の分析装置。
【請求項１２】
前記分析装置は、長軸方向に離れて間隔があいている複数の交差点を有する、少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルを備え、各交差点は、（ｉ）前記流体輸送ナノチャネルを横切って互いに対向する第１及び第２セグメントを有し、各電極に各々伝達する流体ナノチャネル、又は、（ｉｉ）前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの対向している側に当っている２つの横断電極、の一方を有している、
請求項１乃至３の何れかのナノ流体の分析装置。
【請求項１３】
前記装置は、前記流体輸送ナノチャネルのセグメントを横切って互いに対向する第１及び第２の横断のセグメントを有しており、前記各電極に各々伝達する、前記少なくとも１つの流体ナノチャネルを備え、前記第１及び第２の横断のセグメントは、浅いセグメントであり、あるいは幅広のセグメントである、
請求項４又は５の装置。
【請求項１４】
前記装置は、前記交差点と組み合う前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルとして複数の並列な流体輸送ナノチャネルを備える、
請求項４又は５の装置。
【請求項１５】
前記装置は、長軸方向に離れて間隔があいている複数の交差点を有する、少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルを備え、各交差点は、（ｉ）前記流体輸送ナノチャネルを横切って互いに対向する第１及び第２セグメントを有し、各電極に各々伝達する流体ナノチャネル、又は、（ｉｉ）前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの対向している側に当っている２つの横断電極、の一方を有している、
請求項４又は５の装置。
【請求項１６】
装置に少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルを提供するステップであり、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルは、（ｉ）前記流体輸送ナノチャネルと流体連通する前記流体輸送ナノチャネルを横切って互いに対向する第１及び第２セグメントを有し、各電極に各々伝達する少なくとも１つの流体横断ナノチャネル、又は、（ｉｉ）前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの対向している側に当っている第１及び第２横断電極、の一方を含む交差点を有する、ステップと、
第１に、各流体輸送ナノチャネルにおいて巨大分子を注入又は捕獲する為に、前記少なくとも１つの流体横断ナノチャネルの前記第１及び第２セグメント又は前記第１及び第２横断電極に、電気的にバイアスを印加するステップと、
第２に、全てのバイアスを電気的に取り除くことにより、前記各流体輸送ナノチャネルにて前記巨大分子が平衡な配座において緩むステップと、
第３に、分析のために前記各流体輸送ナノチャネルを介する前記巨大分子の移行を制御する前記各流体輸送ナノチャネルに沿ってのみバイアスを電気的に印加するステップと、
を含む巨大分子の分析方法。
【請求項１７】
前記装置は、前記第１及び第２セグメントを有する前記少なくとも１つの流体横断ナノチャネルを備え、前記第１及び第２セグメントは、幅広、浅いセグメントであり、
あるいは、前記浅いセグメントは、より深いセグメントに併合し、前記各流体輸送ナノチャネルに直交し又は並列である、
請求項１６の巨大分子の分析方法。
【請求項１８】
前記装置は、流体分析のチップであり、前記巨大分子は、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ペプチド、たんぱく質、又は他の生物学の分子、又は合成巨大分子である、
請求項１６又は１７の何れかの巨大分子の分析方法。
【請求項１９】
前記電気的に印加するステップ及び／又は取り除くステップは、前記各流体輸送ナノチャネル内の規定された位置において、検体分子の光学検出によってトリガされる、
請求項１６乃至１８の何れかの巨大分子の分析方法。
【請求項２０】
前記電気的に印加するステップ及び／又は取り除くステップは、前記各流体輸送ナノチャネル内の規定された位置における、イオン電流、トンネル電流、又は電界効果トランジスタの測定値を用いる検体分子の電気的な検出によってトリガされる、
請求項１６乃至１９の何れかの巨大分子の分析方法。
【請求項２１】
分析の為に、前記各流体輸送ナノチャネル中、及び前記流体輸送ナノチャネルを介して、選択的に、各巨大分子を注入、捕獲、及び輸送する為に、前記バイアスを印加すること及び取り除くことの自動化されたサイクルを起こす為に、前記交差点の前に、前記各流体輸送ナノチャネルの第１部分において、検体の通路に関連する電圧チャージを電気的に検出するステップを、更に含む、
請求項１６乃至２０の何れかの巨大分子の分析方法。
【請求項２２】
前記巨大分子の流体力学的なサイズよりも小さな浅いセグメントの幅又は深さに基づいて、前記巨大分子が前記浅いセグメントに入り込むことを防止するステップを含む、
請求項１６乃至２１の何れかの巨大分子の分析方法。
【請求項２３】
前記交差点は、第１上流セグメントと第２下流セグメントとの間の前記各流体輸送ナノチャネルを横切って延びており、前記電気的に印加するステップが実行され、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの前記第２下流セグメントにおける場の強さよりも５０ｘ−１０００ｘ大きい又は小さい、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの前記第１上流セグメントにおける場の強さを生成する、
請求項１６乃至２２の何れかの巨大分子の分析方法。
【請求項２４】
前記回路は、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの前記第１上流セグメントにおける場の強さが、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの前記第２下流セグメントにおける場の強さよりも５０ｘ−１０００ｘ大きく又は小さくなるように、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの前記第１上流セグメントと前記第２下流セグメントとにおけるかなり異なる場の強さを生成するように構成されている、
請求項１のナノ流体の分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本願は、２０１３年２月２８日に出願された米国仮特許出願第６１／７７０，５８６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、国立衛生研究所の提供によるＨＧ００２６４７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、流体工学及びナノチャネルを使用する分子の検出／特徴づけ及び／又は測定に関する。
【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。ナノスケール装置の史的な例は、多孔質体及びクロマトグラフ分離におけるジェル及びナノスケールの孔を有する濾過メンブレンを含む。例えば、非特許文献４；非特許文献５を参照のこと。最近の効果は、しかしながら、流体及び分析物の輸送の為の、幾何学的に明確に定義された導管、及び装置にシームレスに組み込む工学技術にフォーカスされてきた。例えば、非特許文献６；非特許文献７を参照のこと。そのような規則正しい構造の利点は、相対的に単純な圧力及び場の勾配、流体の流れ、及び内部に含まれている分子運動であり、よりねじれたネットワークにおけるこれらの特性と対照的である。例えば、これらのシステムを簡単に定義し、特徴づけ、及び作る能力は、分離メカニズム及び単一の分子物理学のよりよい理解を可能にすることができる。例えば、非特許文献６；非特許文献８；非特許文献９を参照のこと。
【０００５】
最近、ナノ流体の装置を形成する為に、ＦＩＢミリング技術が記載されてきた。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、メナード（Ｍｅｎａｒｄ）ら著、集束イオンビームを使用して絶縁基板におけるサブ５ｎｍのナノチャネルの製造、ナノレット（Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔ）、２０１１年、第１１巻、５１２−５１７頁（２０１０年１２月２０日公開）；及び「ナノチャネルを形成する為の方法、システム及び装置」と題された、（国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０５２１２７号に関連する）、２０１０年９月２１日出願の、米国仮出願第６１／３８４，７３８号を参照のこと。ＦＩＢミリングに加えて、ナノチャネルの生成に適した様々な他の方法を使用することができ、例えば、電子ビーム描画、ナノプリント技術、フォトリソグラフィー、テンプレート又はモールド手法、及び当業者によって知られる他の方法を使用することができる。
【０００６】
単一の分子をセンシングする為の（ナノ又はマイクロスケール）小型電極及び／又は塩基配列と一体型のものを含めて、多数のナノ流体装置が提案されてきた。装置の構成要素としての電極の一体化は、困難な生成を要求し、電極の形状における僅かな誤差が、装置と装置の大きな特異性の結果をもたらす場合がある。追加して、蛍光ベースのシステムは、限られた時間的分解能を有することができ、典型的には、１秒間に４００フレーム以下くらいであり、相対的に大きく及び／又は高価な光の及びイメージングの構成要素を要する場合がある。代替の装置のデザイン及び／又は評価の技術のニーズがある。
【先行技術文献】
【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】ラーマン（Ｌｅｒｍａｎ）ら著、生体高分子（Ｂｉｏｐｏｌｙｍｅｒｓ）、１９８２年、第２１巻、９９５−９９７頁
【非特許文献５】トング（Ｔｏｎｇ）ら著、エム・ナノ・レット（Ｍ．ＮａｎｏＬｅｔｔ）２００４年、第４巻、２８３−２８７頁
【非特許文献６】ヴォルクマス（Ｖｏｌｋｍｕｔｈ）ら著、ネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ）、１９９２年、第３５８巻、６００−６０２頁
【非特許文献７】ストリーマー（Ｓｔｒｉｅｍｅｒ）ら著、ネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ）、２００７年、第４４５巻、７４９−７５３頁
【非特許文献８】リスナー（Ｒｅｉｓｎｅｒ）ら著、フィズ・レヴ・レット（Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｌｅｔｔ）、２００５年、第９４巻、１９６１０１頁
【非特許文献９】サリブ−バグラー（Ｓａｌｉｅｂ−Ｂｅｕｇｅｌａａｒ）ら著、ラボチップ（Ｌａｂ  Ｃｈｉｐ）２００９年、第９巻、２５０８−２５２３頁
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明の実施形態は、分裂の発生を減らしつつ、とても大きな巨大分子の捕捉を可能にする為に、かなり異なる電界の強さのセグメントを有する各ナノチャネルの電気運動現象の制御を使用して、及び／又は、濃度分極を使用して行う分析下で、分子（巨大分子）の回転半径よりも小さい臨界寸法を有するナノチャネルを介する捕捉、捕獲、及び輸送を容易にする装置を提供するように構成されている。
【０００９】
発明の実施形態は、素早く輸送チャネルのナノチャネルの入り口にＤＮＡを駆動して、ナノチャネル内を通り抜けるべく、エントロピー的な障壁を克服する為に、分子に力を十分に付与する装置を提供する。ＤＮＡは、ナノチャネルの第１部分を介して迅速に輸送され得るが、それから横断電極又はナノ流体エレメントを有する交差点において速度の減少を経験し得る。
【００１０】
発明の実施形態は、例えば、分子の識別、長さ決定、局所（プローブ）マッピングなどの関心事の特徴又はパラメータを決定する為に、輸送ナノチャネル及び／又は統合された電極の近傍の、そして、当該電極に流体連通する、浅い領域を有する少なくとも１つのナノチャネルと一緒に、少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルを有する、ＤＮＡ分析の為のチップのような装置を提供する。
【００１１】
発明の実施形態は、ナノ流体の分析装置を教示する。装置は、少なくとも１つの流体輸送ナノチャネル、及び各流体輸送ナノチャネルの第１セグメント及び第２セグメントを規定する為に、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの末端部の間の間隔に存在する交差点において、前記流体輸送ナノチャネルのセグメントの対向している側における２つの浅いセグメントを有する、少なくとも１つの流体ナノチャネルを含む。装置は又、各浅いセグメントに伝達する第１及び第２電極と、前記流体輸送ナノチャネルの進入末端部に伝達する第１電極と、前記流体輸送ナノチャネルの退出末端部に伝達する第２電極と、制御して巨大分子を注入、獲得、及び輸送する為に、前記電極の動作を制御するように構成される回路とを含む。動作中に、前記第１及び第２セグメントは、巨大分子が平衡になるか又は低速で移動するように、前記巨大分子を捕獲する為にかなり異なる場の強さを有することができる。
【００１２】
前記浅いセグメントは、より深いセグメントに併合し、前記流体輸送ナノチャネルに直交し得る。
【００１３】
前記浅いセグメントは、より深いセグメントに併合し、前記流体輸送ナノチャネルに並列であり得る。 
【００１４】
装置は、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルにおける、流体分析のチップ及びＤＮＡ、ＲＮＡ、ペプチド、たんぱく質、又は他の生物学の分子、又は合成巨大分子を規定する為に、基材にシールされるカバーを含み得る。
【００１５】
他の実施形態は、少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルと、前記輸送ナノチャネルの第１セグメント及び第２セグメントを規定する為に、前記少なくとも１つの輸送チャネルにおける対向する第１及び第２末端部の間の間隔に存在する、前記輸送ナノチャネルを有する交差点において、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの対向する側に当たっている、２つの統合された横断電極とを有する装置を教示する。動作中に、前記第１及び第２セグメントは、かなり異なる場の強さを有する。
【００１６】
装置は、前記かなり異なる場の強さを生成し、前記流体輸送ナノチャネル中、及び前記流体輸送ナノチャネルを介して、制御して巨大分子を注入、捕獲、及び輸送する為に、前記流体輸送ナノチャネルの前記第１及び第２末端部、及び、前記横断電極に、電圧を選択的に印加するように構成された、前記基材に少なくとも部分的に存在する、及び／又は前記基材に伝達する回路を含み得る。
【００１７】
更なる他の実施形態は、ナノ流体分析システムを教示する。システムは、少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルを有している装置であって、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルは、（ｉ）前記流体輸送ナノチャネルを横切って互いに対向する第１及び第２セグメントを有し、各電極に各々伝達する少なくとも１つの流体ナノチャネル、又は、（ｉｉ）前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの対向している側に当っている２つの統合された横断電極、の一方を有する交差点を有する。交差点は、前記各流体輸送ナノチャネルの第１セグメント及び第２セグメントを規定する為に、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルにおける対向する末端部の間の間隔に存在する。装置は又、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルを介して、巨大分子を選択的に捕獲及び輸送する為に、電圧を前記電極に印加するように構成された電源を有する回路を含む。
【００１８】
装置は又、前記流体輸送ナノチャネルのセグメントを横切って互いに対向する第１及び第２セグメントを有しており、各電極に各々伝達する、前記少なくとも１つの流体ナノチャネルを含み、前記第１及び第２セグメントは、浅いセグメントであり得る。
【００１９】
前記第１及び第２セグメントは、幅広のセグメントであり得る。
【００２０】
装置は、各交差点と組み合う複数の並列な流体輸送ナノチャネルを含み得る。
【００２１】
装置は、長軸方向に離れて間隔があいている複数の交差点を有する、少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルを含むことができ、各交差点は、（ｉ）前記流体輸送ナノチャネルを横切って互いに対向する第１及び第２セグメントを有し、各電極に各々伝達する流体ナノチャネル、又は、（ｉｉ）前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの対向している側に当っている２つの統合された横断電極、の一方を有している。
【００２２】
更なる他の実施形態は、巨大分子の分析方法を教示する。方法は、（ａ）装置に少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルを提供するステップであり、前記流体輸送ナノチャネルは、（ｉ）前記輸送チャネルと流体連通する前記流体輸送ナノチャネルのセグメントを横切って互いに対向する第１及び第２セグメントを有し、各電極に各々伝達する少なくとも１つの流体ナノチャネル、又は、（ｉｉ）前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの対向している側に当っている第１及び第２の統合された横断電極、の一方を含む交差点を有する、ステップ；（ｂ）前記流体輸送チャネルにおいて巨大分子を注入又は捕獲する為に、前記第１及び第２セグメント又は前記第１及び第２横断電極に、電気的にバイアスを印加するステップ；（ｃ）全てのバイアスを電気的に取り除くことにより、前記巨大分子が平衡な配座において緩むステップ；及び、（ｄ）前記ナノチャネルを介する前記巨大分子の移行を制御する前記輸送ナノチャネルにのみバイアスを電気的に印加するステップを含む。
【００２３】
装置は、前記第１及び第２セグメントを有する前記少なくとも１つの流体ナノチャネルを含んでよく、前記第１及び第２セグメントは、幅広、浅いセグメントである。
【００２４】
浅いセグメントは、より深いセグメントに併合し、前記流体輸送ナノチャネルに直交し得る。
【００２５】
前記浅いセグメントは、前記流体輸送チャネルに並列になっている、より深いセグメントに併合し得る。
【００２６】
装置は、流体分析のチップであり、前記巨大分子は、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ペプチド、たんぱく質、又は他の生物学の分子、又は合成巨大分子であり得る。
【００２７】
電気的に印加するステップ及び取り除くステップは、タイミングアルゴリズム及び／又はタイミング回路の管理下で実行され得る。
【００２８】
電圧ステップは、前記輸送ナノチャネル内の規定された位置において、検体分子の光学検出によってトリガされ得る。
【００２９】
電圧ステップは、前記輸送ナノチャネル内の規定された位置における、イオン電流、トンネル電流、又は電界効果トランジスタの測定値を用いる検体分子の電気的な検出によってトリガされ得る。
【００３０】
方法は、分析の為に、前記流体輸送ナノチャネル中、及び前記流体輸送ナノチャネルを介して、選択的に、各巨大分子を注入、捕獲、及び輸送する為に、前記バイアスを印加すること及び取り除くことの自動化されたサイクルを起こす為に、前記交差点の前に、前記流体輸送ナノチャネルの第１部分において、検体の通路に関連する電圧チャージを電気的に検出するステップを、含み得る。
【００３１】
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】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態による、輸送ナノチャネルの近くに設けられた幅広、浅いナノ流体チャネルを有する装置の概略図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態による、輸送ナノチャネルの、電界の強さ、セグメントにおけるイオン抵抗（Ｒ）、及びセグメントの長さ（Ｌ）を示している図１と同様な装置の概略図である。
【図２Ｂ】本発明の実施形態による輸送ナノチャネルの隣の統合された横断電極を含む、ナノ流体分析装置の代替的な実施形態である。
【図３Ａ】及び
【図３Ｂ】輸送ナノチャネルへの高分子電解質の導入、及びその後の濃度分極を使用して捕獲の為に構成されたナノチャネルを有するナノ流体の装置の概略図である［陽イオン（陰イオンは、白黒コピーの為に陽イオンと区別する為に、Ｘのマーキングにて示される）］。図３Ａは、電圧が印加されていない時の、例示のイオン分布を有する装置を示し、図３Ｂは、正の電圧が輸送チャネルの出口（Ｖ１）及び２つのサイドチャネル（Ｖ２）に印加される時の、イオン分布を示す。
【図４Ａ】乃至
【図４Ｃ】本発明の実施形態による、３つの動作フェーズ（注入（４Ａ）、平衡（４Ｂ）及び輸送（４Ｃ））を有する例示の装置の概略図である。
【図４Ｄ】及び
【図４Ｅ】本発明の実施形態による、横断チャネルを有している及び有していない状態での、ＤＮＡに導入される関係する力の算定と一緒に、ナノチャネル内に引き込まれるＤＮＡの概略図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態による、装置のナノチャネルネットワークに単一の電圧を印加することにより制御され得る、異なる浅いチャネルの形状を有する巨大分子の輸送用の装置の概略図である。
【図５Ｂ】本発明の実施形態による、ナノチャネルを介するイオン抵抗を示している、等価で機器回路の回路図である。
【図５Ｃ】図５Ａ及び５Ｂに関して示される装置の上下ＳＥＭ画像である。
【図５Ｄ】本発明の実施形態による、巨大分子の輸送が、ナノチャネル各々に独立して電圧を印加することにより制御される、装置の概略図である。
【図５Ｅ】図５Ｄの構成に関係する４つのリザーバの装置のＳＥＭ画像である。
【図５Ｆ】及び
【図５Ｇ】輸送ナノチャネルと浅い横断チャネルが、ＦＩＢミリングを用いて完全に製造された、他の例示の装置の上下のＳＥＭ画像である。
【図５Ｈ】図５Ｇに示される装置の原子間力顕微鏡のプロファイルである。
【図６Ａ】本発明の実施形態による、注入／捕獲装置の明視野光学顕微鏡画像を示す。
【図６Ｂ】本発明の実施形態による、ナノチャネルネットワークに４Ｖが印加された時の、０．５Ｘ  ＴＢＥバッファにおけるフルオレセイン色素の、濃度増大及び枯渇を示している、蛍光顕微鏡法の画像である。
【図７】本発明の実施形態による、図５Ａに示されるものと同様な装置を介するλ−ＤＮＡの捕獲、及びその後の輸送を示している、一連のフレームを示す画像である。フレームレートは、２００ｍｓ／フレームである。矢印は、通知される電圧が印加される時を示す。
【図８】本発明の実施形態による、図５Ａに示されるものと同様な装置を介するλ−ＤＮＡの輸送を示している一連のフレームを示している画像である。フレームレートは、４ｍｓ／フレームである。４Ｖのバイアスが、ナノ流体のネットワークに印加された。実験は、ＤＮＡ捕獲を減少させる為に、高いイオン強度のバッファ（１０Ｘ  ＴＢＥ）を用いて行われた。矢印は、時間における速度を示す。
【図９Ａ】本発明の実施形態による、図５Ｄに示される装置と同様な装置介する、λ−ＤＮＡの輸送に対する制御を示している一連のフレームの画像である。フレームレートは、２００ｍｓ／フレームである。ＤＮＡは、停滞して保持され、又は、２０ｎｍ×２０ｎｍ（深さ対幅）の輸送ナノチャネルを介して低速で輸送される。矢印は、通知される電圧が印加される時／場所を示す。
【図９Ｂ】本発明の実施形態によって可能にされる、調整できるスループット及びスピードを示す横断Ｖ及び輸送Ｖの為の様々な電圧を使用している、イベント／ｓ  対  輸送速度（ｃｍ／ｓ）の実験データのグラフである。
【図１０Ａ】乃至
【図１０Ｃ】本発明の実施形態による、各流体分析装置を使用して捕獲、捕捉及び輸送を制御する為の、印加する電圧及び／又は濃度勾配の為の、代替的なナノ流体チャネルの構成の平面概要図である。
【図１１Ａ】乃至
【図１１Ｃ】本発明の実施形態による、各流体装置における、捕獲、捕捉及び輸送を制御する電圧を印加する為の、横断電極の代替的な例示の構成の平面概要図である。
【図１２】本発明の実施形態による、流体分析装置の動作の為の例示の回路の回路図である。
【図１３】本発明の実施形態による、流体分析装置の動作の為の他の例示の回路の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
用語「ナノチャネル」は、ナノスケールにおける臨界寸法を有するチャネル又は溝を参照する。ナノチャネルは、側壁と床を有する。ナノチャネルは、側壁及び底を有する。ナノチャネルは、開いている天面、及び側壁を有しており、それらの間に延びており閉じている底面を有する為に、固体基材に形成され得る。カバーは、ナノチャネルの上面を封止、又はさもなければ閉じる為に使用されてよい。用語「主要寸法」は、幅及び／又は深さ寸法を参照する。流体輸送ナノチャネルの主要寸法は、約１ｎｍ〜約５００ｎｍの間で有り得る。主要（又は、「臨界」として既知の）寸法は、両方とも典型的には、１００ｎｍより短く、約１−７０ｎｍの間を含んでいる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの主要寸法は、（平均又は最大において）約５ｎｍ以下であり得る。
【００４０】
用語「約」は、＋／−１０％のような、＋／−２０％以下の間において変化し得るパラメータを参照し得る。
【００４１】
用語「横断」ナノチャネルは、各流体輸送ナノチャネルを横切る流体ナノチャネルを指す。
【００４２】
用語「流体輸送ナノチャネル」は、検体が分析の為に流れるナノチャネルを参照する。検体は、関心事のいくつかの検体であることでき、例えば、合成及び生体巨大分子を含んでいる単一の検体分子、ナノ粒子、小分子、ＤＮＡ、核酸／多核酸、ペプチド、タンパク質などを含んでいる。ナノチャネルを介する輸送は、電気運動現象、濃度分極及び／又は水圧（付与される圧力又は圧力勾配）を使用して、実行され得る。
【００４３】
用語「浅い」は、輸送ナノチャネルよりも小さい深さを有する、ナノチャネルの深さを参照し、検体の巨大分子の流体力学的サイズよりも小さい。輸送ナノチャネルの深さに関しては、浅いナノチャネルは、典型的には、２−１００Ｘの間のような、少なくとも２のファクタだけ少ない。従って、例えば、浅いナノチャネルセグメントは、１０ｎｍ又はそれよりも小さくでき、典型的には、約０．１ｎｍ及び９ｎｍであり、一方、輸送ナノチャネルは（少なくとも、浅いセグメントの近傍で）、２０−１００ｎｍの間のような、２０ｎｍ又はそれよりも大きい深さを有し得る。
【００４４】
浅いチャネルセグメント３０ｓ（図１、２Ａ、３及び５）は、幅広、より深いナノ流体のチャネルを、輸送ナノチャネルに接続する低イオン抵抗のチャネルであり得る。
【００４５】
用語「幅広」は、分析を行う（例えば、駆動する電圧を供給する）為に組み合う、輸送ナノチャネルの幅の少なくとも２Ｘの幅を有するナノチャネルであり、そして、より典型的には、輸送チャネルと組み合っている近傍の幅の３Ｘ−１００Ｘの間であり、例えば、３Ｘ、４Ｘ、５Ｘ、６Ｘ、７Ｘ、８Ｘ、９Ｘ、約１０Ｘ、約２０Ｘ、約４０Ｘ、約５０Ｘ、約６０Ｘ、約７０Ｘ、約８０Ｘ、約９０Ｘ、又は約１００Ｘであることを意味する。
【００４６】
用語「回路」は、全体的にハードウエアである実施形態、又は、ソフトウエア及びハードウエアの組合せを参照する。
【００４７】
用語「低速」は、巨大分子が、約０．１μｍ／ｓ及び約１００μｍ／ｓの間の速度にて、ナノチャネルを介して移動することを意味する。
【００４８】
用語「かなり異なる場の強さ」は、輸送チャネル２０ｓ１の一方側が、その同じチャネル２０ｓ２の第２セグメントよりも、５０Ｘ−１０００Ｘ、典型的には、１００Ｘ−２００Ｘ大きい又は小さい、電圧／ｃｍの場の強さを有し得ることを意味する。
【００４９】
用語「捕捉」は、マイクロチャネル又は輸送ナノチャネル２０への入り口にアクセスしているリザーバ内に存在する検体分子が、ナノチャネルに成功して導入されることを意味する。
【００５０】
用語「通り抜けること」は、検体分子が、輸送ナノチャネル２０に初めに導入されて、マイクロチャネル又はリザーバ内でランダムなコイル形態からの巨大分子の線形化を提供するプロセスを、意味する。
【００５１】
用語「捕獲」は、電界又は濃度勾配により、又は、物理的な障害により、通常、横断ナノ流体エレメント３０を有する交差点において又は当該交差点の近くで、輸送チャネル２０内の特定の場所において、検体分子が固定化されることを意味する。
【００５２】
一部の特定の実施形態では、流体輸送ナノチャネル２０（図１）は、検体の輪郭の長さに、実質的に、見合う又は超える長さを有する導管として定義され得る。ナノチャネルの幅及び深さが分子の回転半径よりも小さい場合、ナノチャネルにおける分子の閉じ込めは、必然的に、分子の引き伸ばしの結果になる。ナノチャネルの幅及び深さがポリマーの持続長よりも大きい場合（２本鎖ＤＮＡの為の〜５０ｎｍ）、分子の伸ばされた構成は、非浸透性の（ｎｏｎ−ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ）小塊の行列（例えば、凝集）を含むであろう。代わりに、ナノチャネルの臨界寸法が持続長よりも短い場合、分子は、それ自身を折重ねることはできず、反射するロッド形態であると推定し得る。どちらのケースでも、ナノチャネルの長さに沿う巨大分子の引き伸ばしは、単一の分子の特徴づけを促進する。具体的には、ナノチャネルにおけるＤＮＡの閉じ込めは、サイジング、マッピング、分離、及びエピジェネティック解析に役立つと判明した。
【００５３】
概説するならば、発明の実施形態によって提供される装置及びシステムは、ナノ流体のチャネルへの、チャージされた巨大分子（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ，タンパク質、ペプチド、合成ポリマー）の導入の高度な制御を可能にする。このアプローチでは、ナノ流体のチャネルの交差点は、輸送ナノチャネルの分離したセグメントにおける、電界の強さの制御を提供する為に使用される。
【００５４】
単純な具体例として、装置１０の１つの例が図１に示されている。この実施形態では、装置１０は、浅いナノチャネル３０ｓを介して輸送ナノチャネル２０に接続する、横断ナノ流体エレメント３０を含む。輸送ナノチャネル２０は、クロスチャネルの一方側にセグメント２０ｓ１、及び他方側に他のセグメント２０ｓ２を有する。上述のように、チャネル３０１、３０２の各側は、検体である巨大分子の流体力学的なサイズ及び輸送ナノチャネルの深さよりも小さい深さを有するこれらの浅いセグメント３０ｓを有することができる。これは、巨大分子が、適切な動作環境下で横断チャネル３０を介して移動せずに、輸送ナノチャネル２０に残るであろうことを、確実にする。浅いセグメント３０ｓは、約５０ｎｍから約１０μｍ又はより長い長さを有し得る。各ナノチャネル３０の各側３０１、３０２の為の浅いセグメント３０ｓは、同じ深さ及び／又は長さ、又は異なる深さ及び／又は長さを有し得る。
【００５５】
浅いチャネルセグメント３０ｓは、より長く幅広でより深いナノ流体セグメント３０ｗに接続する、低イオン抵抗チャネルになり得る。典型的には、より幅広でより深いナノ流体セグメント３０ｗは、浅いセグメント３０ｓとリザーバ又はマイクロ流体チャネル３０ｍとの間に存在する。より幅広でより深いナノ流体セグメント３０ｗは、輸送ナノチャネル２０の幅及び深さの３〜１００倍にすることができる。
【００５６】
図２Ａ（ノンスケール）は、例示の装置１０において設けられるときの、輸送ナノチャネル２０のセグメントにおける異なる電界の強さを示している。各ナノチャネル３０、２０と流体連通する４個のナノチャネル出口３０ｍ、２０ｍにおいて印加される電圧には、下線が付されている。輸送チャネルのマイクロ流体リザーバ又は出口２０ｍに印加される電圧は各々、０Ｖ及び３Ｖとして示されている。流体ナノチャネル２０、３０を含む装置１０において、電圧は、当業者に既知の対応するナノチャネルにアクセスする各流体リザーバに挿入される、巨視的な電極に印加される。
【００５７】
サイドチャネル３０は、出口３０ｍに各々印加される３．５Ｖを有する。測定されるイオン抵抗であるＲは、チャネルセグメント２０ｓ１、２０ｓ２、及び３０１、３０２の為に示される。これらの値から、交差点「Ｉ」における電圧を算出することができる。最後に、ナノチャネルセグメント２０ｓ１、２０ｓ２の長さであるＬが与えられて、電界の強さＦ１、Ｆ２が決定される。この例では、輸送ナノチャネルの左側のセグメント２０ｓ１における輸送は、右側のセグメント２０ｓ２における輸送よりも、１６５倍速い。
【００５８】
第１セグメント２０ｓ１は、第２セグメント２０ｓ２よりも短くすることができ、典型的には、より長いセグメントの長さの１０−５０％の間である長さを有し、より典型的には、より長いセグメントの長さの１０−２０％の間である長さを有する。
【００５９】
図２Ｂは、同様な機能を有しているが、輸送チャネル２０に当たる横断電極５１、５２によって、横断ナノチャネルが置き換えられる、別様に構成される装置１０を示す。電極５１、５２は、装置の基材に統合されることができ、また、輸送チャネル２０に隣接した装置の基材に取り付けられることができる。横断電極は、約１０μｍから５ｍｍ又は約２ｃｍに至る長さである長さＬを有し、及び／又は、そのほかにおいて、典型的には約１−２０Ｖである適切な電圧を供給する為に構成される。統合される電極５１、５２を使用する装置１０は、電極の汚れ／変質による、限られた寿命を示してよい。これは、電極のコーティングを使用することによって、又は、適切な汚損防止又は防汚の電極材料を使用することによって、減少又最少化されてよい。
【００６０】
これらの装置１０は、捕捉の間の巨大分子への付与される力と共に、検体捕捉率の満足いく制御、及びナノチャネル２０内のそれらの輸送速度の満足いく制御を提供できる。捕捉及び輸送力学のこの制御は、異なるモードにおける装置の動作によって達成されることができ、その本質は、ナノチャネルの寸法及び動作条件によって決定される。電圧分配モードとして記載され得る、１つの動作モードにおいて、各流体経路の抵抗は、相対的なナノチャネルの幅、深さ、及び長さの選択によって設計される。各ナノチャネルにおける場の強さは、各ナノチャネルの出口に印加される電圧によって更に制御される。
【００６１】
図２Ａ及び２Ｂは、高周波にて分子を捕捉する為に、この動作モードの使用が使用されることができるやり方の例を示し、交差点Ｉの左に配置される輸送ナノチャネルの一部における高い場の強さが与えられる。ひとたび、巨大分子が交差点を過ぎて移動すると、その速度は、著しく減少し、これは、図２Ａ及び２Ｂの、交差点の右に配置される輸送ナノチャネルの一部における、より弱い場によって駆動されるからである。電圧分配動作モードは又、横断流体エレメント（図２Ｂ）の代わりに、統合された電極を使用することに達することができる。（金属、伝導性ポリマー、伝導性のセラミック等のような、伝導性の材料からなる）そのような電極５１、５２は、電極／ナノチャネルの交差点Ｉにおける電圧を制御することを供給する。低速の輸送は、巨大分子の「飛行中（ｏｎ−ｔｈｅ−ｆｌｙ）」の特徴づけの為に役立ち、これは、分子が平衡な配座を呈すること、及び、限られた時間分解能での検出方法が、分析の為に使用されることができること、を確実にするからである。
【００６２】
図３Ａ及び３Ｂは、ナノチャネル２０への高分子電解質の導入、そしてその後に濃度分極を使用して捕獲する為に設計される少なくとも１つのナノチャネル２０を含んでいる装置１０の概略図である。陽イオンは、オレンジ色であり、陰イオンは緑色で示されている（白黒バージョンでは、ハッチのマークを有する）。図３Ａは、電圧が装置に印加されていない時の、イオンの分布を模式的に示す。図３Ｂは、正の電圧が、輸送ナノチャネルの出口（Ｖ１）、及び２つのサイドチャネル３０１、３０２（Ｖ２）に印加される時のイオンの分布を示しており、陰イオンの濃縮及び枯渇を示している。
【００６３】
いくつかの例示の動作モードにおいて、ナノチャネルの寸法及びバッファの状態は、ナノチャネルの交差点Ｉにて、濃度分極が発生するように、選択される。負にチャージされている表面を有するナノチャネル（例えば、クォーツの基材及びシラノールグループの表面のｐＫａを超えるバッファｐＨにおいて製造されるナノチャネル）の為に、陽イオンの濃度が枯渇している間、陰イオンの濃度は、交差点Ｉにおいて向上し得る。この状態を認識することは、横断ナノチャネル３０が十分に浅く、及び／又は、これらのナノチャネル内で電気的な二重層の重複を達成する為に、バッファのイオン強度が十分に低い、こと意味する。濃度分極は、図３Ａ及び３Ｂにおいて模式的に示される。この構成における濃度分極によって、ＤＮＡ及びＲＮＡのような、ポリアニオンの巨大分子は、高い場の輸送ナノチャネル内に駆動されることができ、その後にナノチャネルの交差点にて捕獲されることができる。分子が交差点Ｉにて捕獲されているか、又は、交差点を介して通過した後に劇的に遅くなり、任意の速度及び有向性にて、ナノチャネルを介する巨大分子の輸送を正確に制御する為に、動的な変化は、調整される電圧の為の十分な時間を提供する。そのような動作を示す構成の例は、図４Ａ−Ｃに示される。
【００６４】
図３Ａ及び３Ｂに示されるように、浅いチャネルセグメント３０ｓは、重複する電気的な二重層を有し得る。当業者に既知であるように、チャージされた表面（シリカの表面は、ｐＨ＞３にて負にチャージされる）が溶液と接触するとき、それは逆のチャージのイオンをひきつけるであろう（すなわち、ガラスは正のイオンをひきつける）。これらのイオンの存在は、表面のチャージを保護する。チャージされた表面に近づき、逆にチャージされているイオンの層は存在することができ、バルク溶液の中よりも局所的に多くなる濃度を有する。これは、電気的な二重層（ＥＤＬ）と称される。デバイ長（Ｄｅｂｙｅ  ｌｅｎｇｔｈ）と称されるＥＤＬに関係する代表長さ寸法がある。溶液中のイオンが、このデバイ長よりも表面から遠い場合、表面のチャージは、完全に保護される。それがデバイ長よりも表面に接近する場合、イオンは、表面との静電相互作用を経験する（すなわち、逆のチャージである場合に、それは表面にひきつけられ、また、同じチャージである場合に、それは退けられるであろう）。デバイ長は、溶液イオン強度の機能であり、浅いナノチャネルにおける低イオン強度溶液の為に、対向面の二重層が重複する状態が起き得る。それらがナノチャネルの壁と同じ極性のチャージを有している場合、チャージ反発により、ナノチャネルにおけるイオンの濃度を減少させる抑制効果がある。反対に、それらがナノチャネルの壁の反対の極性のチャージを有している場合、チャージ吸着により、ナノチャネルにおけるイオンの濃度を増加させるエンハンスメント効果がある。輸送ナノチャネル２０を横切る浅い横断ナノチャネル３０に電圧が印加されるとき、浅いナノチャネルを介する、反対にチャージされているイオンの輸送レートが異なることにより、「濃度分極」が生じる。負にチャージされるチャネルの壁を有する装置は、（ＤＮＡのような）負にチャージされるイオンが捕獲され得る領域、及び正にチャージされるイオンが除外され得る領域を形成することができる。正にチャージされるチャネルの壁を有する装置は、（いくつかのたんぱく質のような）正にチャージされるイオンが捕獲され得る領域、及び負にチャージされるイオンが除外され得る領域を形成することができる。
【００６５】
図４Ａ乃至４Ｃは、適切なサイズにされたナノチャネル３０の交差点Ｉを有する装置の為の、動作の３つのフェーズを示す。（ポリアニオン性の）巨大分子（「Ｍ」）を含んでいないナノチャネルのリザーバに正バイアスを印加すると、検体注入及び捕獲の結果になる（図４Ａ）。全てのバイアスを取り除くことにより、分子Ｍは、平衡な配座に緩む（図４Ｂ）。輸送ナノチャネルに単独でバイアスを印加することは、ナノチャネルを介する移行を制御する（図４Ｃ）。この輸送ステップは、２つの異なる動作モードを使用することに達し得る。第１のモードでは、浅い横断ナノチャネル内の電極がフロートされる間、輸送ナノチャネル（Ｖ１、Ｖ２）に電圧が印加される（すなわち、電圧が印加されなければ、電極は接地されない）。第２のモードでは、浅い横断ナノチャネル３０１、３０２（Ｖ３、Ｖ４）内の電極が接地される間、輸送ナノチャネル２０（Ｖ１、Ｖ２）に電圧が印加される。
【００６６】
ナノチャネルは、多数の応用に良く適しており、これらの応用は、単一の分子の検出及び識別、生物高分子の閉じ込め及び操作、生物学的検定、ポリヌクレオチドの規制マッピング、ＤＮＡのサイジング、ゲノム配列の物理的な方法、及び閉じ込めの物理学の基礎研究を含んでいる。
【００６７】
これらの応用の多くの成功した実施は、ナノチャネル内での分子ダイナミクスの慎重な制御を要するであろうことが想定され、分子輸送の速度及び検体分子がナノチャネルを介して駆動される周波数を含んでいる。分子の回転半径よりも小さいナノ流体の導管を介する、巨視的及び微視的なリザーバからの巨大分子の輸送は、エネルギ障壁を克服すする為に、（例えば、流体力学的な、静電的な、重力の）駆動力の適用を要する。この障壁は、主に自然においてエントロピー的（ｅｎｔｒｏｐｉｃ）であり、及び自由溶液から閉じ込めているナノチャネルへの移動における、分子の構造的な自由度における減少に由来する。追加的に、成功する輸送イベントの見込みは、通り抜けることに好ましい構造にて、分子がナノ流体の導管の入り口に衝突する可能性に比例する。これらの基本的な状態の実用的な実施は、分子輸送は、有限の閾値の駆動力が適用されるまで発生しないことである。必要な力の大きさはかなりの大きくてよく、高速でのナノチャネルを介する検体の輸送の結果になる。エネルギ障壁は低速での駆動輸送を妨げ、これは多くの応用のために好ましく有り得る。追加的に、大きな巨大分子への大きな力の適用は、捕捉プロセスの間における分裂を引き起こす場合がある。これらの制限の両方は、本明細書に記載のもののようなナノ流体の装置を使用することによって、解決され得る。ナノチャネル内へのそれらの導入の間における、巨大分子において引く全体の力は、ナノチャネルにおける高い場の機能、及び輸送ナノチャネルの高い場のセグメント内に含まれる、多くのチャージされたモノマーの機能である。従って、この力は、印加される電圧、又はナノチャネルの高い場のセグメントの長さを制御することにより、調整され得る。
【００６８】
これは、ゲノムのＤＮＡのような、極めて長い巨大分子のナノチャネルの閉じ込めの為に、特に重要な場合がある。例えば、センチメートル長さ、１００ｎｍ直径のナノチャネルへの、人間の染色体のＤＮＡの導入を考慮されたい。人間の染色体のＤＮＡの長さの中央値は、〜１３０Ｍｂｐ（メガベースペア）である。〜８０μｍの回転半径では、この長さのＤＮＡは、かなり大きな構造的なエントロピーを有する。エントロピー的な障壁を克服して、輸送ナノチャネル内にＤＮＡを引く為に、〜１０ｋＶ／ｃｍの見積閾値の場の強さが要求されるであろう。これは、１−ｃｍ長のナノチャネルに１０ｋＶを印加すること、又は、本明細書に記載のような注入装置の出口において１０−２０Ｖを印加することによって達成され得る。輸送ナノチャネルの高い場のセグメントが１μｍの長さである場合、通り抜けている間にＤＮＡ分子に与えられる合計の力は、（〜５ｋｂｐが、高い場の領域において含まれている）注入装置において１０５倍小さい。これは、ＤＮＡ分裂の可能性を大いに減少させる。図４Ｄ及び４Ｅは、ナノチャネルへのＤＮＡの導入（引き込み）と、各々Ｆ（ｔ，Ｅ）＝λｑＬ（ｔ）Ｅ、及びＦ（ｔ，Ｅ）＝λｑ［ＬＥ＋Ｌ’（ｔ）Ｅ’］である、横断チャネルを有する及び有さない、長いナノチャネルに基づく、ＤＮＡ分子に適用される計算される見積の力とを模式的に示す。方程式の要素は、下記である。
Ｅ＝電界の強さ
Ｆ（ｔ，Ｅ）＝与えられるＥにおける時間ｔでのＤＮＡ分子での力
λｑ＝ＤＮＡの線型電荷密度
Ｌ（ｔ）＝時間ｔにおけるナノチャネル内におけるＤＮＡの長さ
Ｌ＝例示の装置のセグメント１の長さ
Ｅ’＝例示の装置のセグメント２における電界の強さ
Ｌ’（ｔ）＝時間ｔでの例示の装置のセグメント２におけるＤＮＡの長さ
分裂又は切れる前に、ナノチャネル内に引き込まれるＤＮＡの量（長さ）を計算する為に、二重鎖ＤＡＮの引張り強さが、約４８０ｐＮであるものと想定される。ベニズモン（Ｂｅｎｓｉｍｏｎ）ら著、フィズ・レヴ・レット（Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｌｅｔｔ）、１９９５年、第７４巻、４７５４−４７５７頁を参照されたく、これの内容は、本明細書に全てが開示されているように、これによって組み込まれる。例えば、Ｅ＝２００Ｖ／ｃｍ及びＬ＝１０μｍの場合、横断チャネルを有さない（図４Ｄ）、ナノチャネル内に引き込まれ得るＤＮＡの最大限の長さは、約３Ｍｂｐである。対照的に、横断チャネルが装置内に組み込まれている場合（図４Ｅ）、ナノチャネル内に引き込まれ得るＤＮＡの最大限の長さは、約５７７Ｍｂｐであり、即ち、人の染色体１よりも、長さにおいて長い。
【００６９】
例示の装置の構成
図５Ａ及び５Ｄにおいて、２つの装置の構成が示される。これらの構成の為の統一する特性は、様々なナノチャネル２０、３０の寸法である。検体が駆動されるナノチャネルの横の寸法２０は、これらの例では２０−１００ｎｍのオーダで有り得る、そして、１に近い（幅：深さ）のアスペクト比を有し得る。輸送ナノチャネル２０を横切る浅いチャネル３０ｓは、１〜１０ｎｍの間の臨界（深さ）寸法を有することができる。上述のように、２つの考察が、この装置設計のエレメントを通知する。第１に、輸送ナノチャネルの寸法と比較してより小さい寸法は、これらの導管を介して行われる、検体の巨大分子の不必要な輸送を防止する。第２に、これらの寸法は、低いイオン強度のバッファにおける、電気的二重層のデバイ長の特性に見合い、１Ｘ  ＴＢＥ（８９ｍＭ  トリス；８９ｍＭ  ホウ酸；２ｍＭ  エチレンジアミン四酢酸，ＥＤＴＡ）などの、標準的な電気泳動のバッファにおいて濃度分極が引き起こされ得ることを意味している。濃度分極が望まれない場合、より深い横断ナノチャネル３０及びより高いイオン強度のバッファが使用される。
【００７０】
図５Ａに示される装置１０は、それらの相対的な抵抗（図５Ｂ）によって決定される様々なナノチャネルを介する電界の強さにて、単一の印加される電圧Ｖの制御を介して検体の分子を操作し得る。チャネルの寸法は、交差点の前及び後である輸送チャネルの交差点の間における、有効な電圧降下を実現する為に選択される。第２に、よりフレキシブルな装置のデザインが、図５Ｄに示される（これは、図１、２Ａに関して示され記述されたものと同様である）。ここでは、同じ構成要素が存在するが、横切るナノチャネル３０１、３０２は、個別的にアドレス可能であり、巨大分子の精密制御が可能である。
【００７１】
図５Ａは、２つのセグメント（短い２０ｓ１及び長い２０ｓ２）を形成する交差点Ｉにおいて、ナノ流体チャネル３０内に併合するナノチャネル２０を示す。この実施形態では、２つのセグメント３０１、３０２は、実質的に並列であり、長いセグメント２０ｓ２の長さに沿ってのびる。この実施形態では、巨大分子の輸送は、ナノチャネルネットワークに単一の電圧を印加することにより制御され得る。
【００７２】
浅いチャネルセグメント３０ｓは、低いイオン抵抗のチャネルになることができ、このチャネルは、セグメント２０ｓ２と同じ又は実質的に同じ長さであるナノチャネル３０１、３０２の、より長い、幅広、深いナノ流体のセグメント３０ｗを、輸送ナノチャネル２０に対して交差点Ｉにおいて接続する。より幅広で、深いナノチャネル３０ｗは、電圧のほとんどがセグメント２０ｓ１において降下され、セグメント２０ｓ２において、かなり低い電界の強さになる（すなわち、低速又は流れなし（捕獲）のためのＦ２＜＜Ｆ１）。
【００７３】
図５Ｂは、図５Ａのナノチャネルを介するイオン抵抗を示している等価回路の図である。図５Ｃは、図５Ａに示される装置の上下のＳＥＭ画像である。
【００７４】
図５Ｅは、４つのリザーバ装置のＳＥＭ画像である。
【００７５】
流体ナノチャネルは、様々な手法を使用して製造されることができ、この手法は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）ミリング、電子ビーム描画、ナノプリント描画、フォトリソグラフィー、テンプレート又はモールド手法を含んでいる。これらの手法は、ガラス（シリカ）、クォーツ、シリコン、セラミック、金属、プラスチック等における装置製造が可能なる、様々な基材の材料に適用可能である。
【００７６】
発明の例として本明細書に記載の装置１０のケースでは、電子ビーム描画及びＦＩＢミリングの組合せが、ナノ流体のエレメントにパターンをつけるために使用される。まず、マイクロ流体のチャネルは、標準のフォトリソグラフィー及びエッチングの技術を使用して用意される。これらのマイクロチャネルは、パウダーブラスト（ｐｏｗｄｅｒ−ｂｌａｓｔｅｄ）バイアスにてアクセスされる。浅い横断ナノチャネルは、それから電子ビーム描画を使用して特徴部をパターニングすることによって規定される。特徴部は、湿式化学エッチングを使用してクォーツ内に、１−１０ｎｍエッチングされる。代替的に、これらの特徴部は、上に挙げられた様々な方法を使用してパターンが形成され得る。輸送ナノチャネルは、３０ｋＶにて動作するＧａ＋イオンソースを有する、ヘリオスナノラボデュアルビーム器具（ＦＥＩ社）におけるＦＩＢミリオンを使用して製造された。次に、浅いチャネルは、ＦＩＢミリングの大きな（５μｍ幅×２μｍ深さ）、低抵抗のチャネルによって、マイクロ流体のチャネルにインターフェースされる。図５Ｃ及び５Ｅは、これらの構成要素がパターン形成された後の、装置のＳＥＭ画像を示す。最後に、様々なパターニングステップにおいて要する基材表面上のフィルム層が取り除かれて、融着、陽極ボンディング、又は接着結合などのあらゆる可能な方法の一つを用いて、カバーガラスで装置を封止することにより、流体ネットワークは取り囲まれた。図５Ｆは、他の例示の装置のＳＥＭ画像である。装置のチャネルスリットインターフェース（輸送及び浅い横断ナノチャネル）は、ギザ付きチャネルスリットを（電子ビーム描画を要さず）生成する為に、前述のような、他の任意選択的な製造技術である、ＦＩＢミリングを用いて全体的に製造された。図５Ｇは、装置の上下のＳＥＭ画像であり、輸送ナノチャネル及び単一の浅い横断ナノチャネルの両方がＦＩＢミリングのみを使用して製造されている。図５Ｈは、図５Ｇの流体の構成要素の原子間力顕微鏡のプロファイルであり、正確なナノチャネル深さを判断し得る。
【００７７】
注入／捕獲装置における濃度分極の確認
交差しているナノチャネルを有する装置の動作中に、濃度分極が発生していたことを確認する為に、陰イオン蛍光色素、フルオレセインの濃度プロフィールが、図５Ａに示される種類の装置の動作中に測定された。１０μＭのフルオレセインの溶液が、０．５Ｘ  ＴＢＥバッファ（８９ｍＭ  トリス；８９ｍＭ  ホウ酸；２ｍＭ  エチレンジアミン四酢酸，ＥＤＴＡ）において用意された。この溶液は、ナノ流体ネットワークの両側にアクセスしているマイクロチャネルに導入された。装置は、倒立顕微鏡にマウントされ、蛍光画像がナノ流体チャネルについて記録された。電圧は、図６Ａに示されるように、ナノチャネルに印加された。電圧が印加されなかったとき、及び電圧がナノチャネルに印加されて色素が応答できるようになっている後に、画像が収集された。電圧が印加された時に収集された画像から、零バイアスの蛍光画像を差し引くことにより、フルオレセインの濃度増大及び枯渇の領域が明らかになる。図６Ｂは、これらの画像の違いの１つを示しており、濃度分極の存在を明確に示す。
【００７８】
図６Ａは、注入／捕獲装置の明視野光学顕微鏡画像を示す。図６Ｂは、本発明の実施形態によるナノチャネルネットワークに４Ｖが印加された時の、０．５Ｘ  ＴＢＥバッファにおけるフルオレセイン色素の、濃度増大及び枯渇を示している、蛍光顕微鏡法の画像を示す。
【００７９】
注入／捕獲装置におけるＤＮＡ輸送の制御
図５Ａに示されるような単一の電圧制御を有する装置において、図７に示されるように、輸送は、濃度分極を操作することにより、制御され得る。ＤＮＡの注入は、十分に大きな正の電圧を印加することにより発生する。ＤＮＡは、輸送ナノチャネル内に通り抜け、即座に、捕獲されるナノチャネル交差点に移動する。
【００８０】
図７は、図５Ａに示されるものと同様な装置を介するλ−ＤＮＡの捕獲、及びその後の輸送を示している、一連のフレームを示す。濃度分極は、ＤＮＡの強力な捕獲によって明示される存在である。フレームレートは、２００ｍｓ／フレームである。矢印は、通知される電圧が印加される時を示す。
【００８１】
図７において明らかなように、捕獲する力は、分子の圧縮をもたらす。印加されるバイアスを取り除くとすぐに、２つの力が分子に作用し、過渡応答をもたらす。第１は、捕獲中に分子に課される圧縮力の緩和である。第２は、イオンの濃度プロフィールの平衡である。この後者の貢献は、一般的に、ナノチャネルの注入セグメントの反対側における輸送ナノチャネル内へ、ＤＮＡ分子が流れ込むのを確実にする。この点において、小さな負の電圧を印加することは、負の電極へのＤＮＡの輸送をもたらす。この輸送は、負にチャージされたＤＮＡの電気泳動の為の予期される方向と反対である。それは、ナノチャネル交差点からの陰イオン枯渇の前部に沿うＤＮＡ輸送に由来する。
【００８２】
巨大分子輸送の電気泳動駆動のより一層の制御は又、濃度分極の欠乏における図５Ａに示されるような、単一電圧制御を有する装置において、理解され得る。電解質溶液のイオン強度が高く、及び／又は、横切っているナノチャネルが比較的深い時に、この状態は起こり得る。これらの状態は、電気的二重層の重複を防止又は最小にし、弱い又は無視してよい捕獲をもたらす。このシナリオ下では、ナノチャネルネットワーク（図５Ｂ）における抵抗のために、輸送ナノチャネル２０の注入２０ｓ１及び輸送２０ｓ２セグメントにおける電界の強さについてのかなりの差がまだある。従って、ＤＮＡ分子は、ナノチャネル交差点を通過して、輸送ナノチャネルの輸送セグメント内への、それらの速度がかなり低下している間に、高い場の強さにおいて注入され得る。相対的な電界の強さは、装置におけるチャネル寸法、及びナノ流体のネットワークに印加される電圧の大きさによって制御される絶対値を変更することにより、制御され得る。動作のこのモードにおいて制御される移行を記録する蛍光画像は、図８に示される。印加される電圧は、この装置の動作中に、時間に対して一定に保持される。
【００８３】
図８は、図５Ａに示されるものと同様な装置を介するλ−ＤＮＡの輸送を示している一連のフレームを示している。４Ｖのバイアスが、ナノ流体のネットワークに印加された。実験は、ＤＮＡ捕獲を減少させる為に、高いイオン強度のバッファ（１０Ｘ  ＴＢＥ）を使用して行われた。フレームレートは、４ｍｓ／フレームであった。
【００８４】
図５Ｄに示される種類の装置は、ＤＮＡ輸送に対して追加的な制御を提供する。両側のナノチャネルが個々にアドレス可能であるので、ＤＮＡの捕獲する力は、弱いものから強いものに調整され得る。捕獲の後、サイドのナノチャネルへの電圧は取り除かれることができ、装置は、輸送が、電気浸透性又は電気泳動的な力によって決定される、単一のナノチャネルの機能を果たす。これらの力は、位置的に不変の大きさを有し、定電圧の印加が定輸送速度をもたらすことを意味している。従って、この構成は、輸送が濃度勾配の進展に依存する、単一の電圧制御を有する装置よりもすぐれた制御を提供する。この制御は、図９Ａに示されており、消え及び現れ得る単一のＤＮＡ分子の輸送を示している。
【００８５】
図９Ａは、図５Ｄに示される装置と同様に構成された装置によって可能になる輸送の制御を示している一連のフレームである。ＤＮＡは、停滞して保持され、又は、２０ｎｍ×２０ｎｍ（深さ×幅）の輸送ナノチャネルを介して低速で輸送される。フレームレートは、２００ｍｓ／フレームである。図９Ｂは、実験的に決定されるＤＮＡ輸送スループットとスピード（イベント／ｓ  対  輸送速度（ｃｍ／ｓ））のグラフであり、本発明のいくつかの特定の実施形態による、図５Ｄに示される構成を有する装置における、Ｖ横断［Ｖ５＝Ｖ６］／Ｖ輸送［Ｖ２，Ｖ１＝０］の様々な比率を有する制御電圧を使用する、ＤＮＡ輸送の調整できる制御を示している。示される比率は、制御電圧無し（最低のライン）に対する、１、０．７５、及び０．５を含む。
【００８６】
本発明の実施形態は、大きな注入電界を生成するアクティブ装置を提供し、この注入電界は、高周波の輸送イベントを起こし得るが、巨大分子がひとたび輸送ナノチャネル内に閉じ込められると、検体輸送の微調整を可能にしている。これは、本明細書に記載の装置のクラスに固有の能力であると考えられる。濃度分極は、検体予備濃縮の方法としてマイクロ流体の装置において使用されてきたが、単一分子の研究又は本明細書に記載の装置における使用については、報告されていない。本明細書において使用される浅いナノチャネルと同様な周辺の構成要素を有するナノ流体の装置は、圧力駆動流を使用する巨大分子と一緒に、ナノ流体のチャネルのローディングにおいて役立つのが、判明した。電気的な力は、ナノ流体のネットワークを介する圧力よりも、容易にバランスされ及び制御され得る。
【００８７】
本発明の実施形態によって提供される装置、方法及びシステムの潜在的使用は、範囲が広い。輸送を駆動する電界及び捕獲するダイナミクスのより一層の制御により、低速でのナノチャネルを介する巨大分子の輸送が達成され得る。これは、単一の閉じ込められる分子における、正確な光の及び電気の測定を可能にすると見られる。１例は、反対のトンネリングプローブにインターフェースされるナノチャネル内における、ＤＮＡ分子のシーケンス処理であり、ベースコーリング（ｂａｓｅ  ｃａｌｌｉｎｇ）は、個別的なヌクレオチドを介する固有のトンネル電流を測定することにより達成される。制御のレベルは、例えば、どちらの方向における及び様々な速度での輸送、単一分子の多数のパス、及びラチェットのベースバイベース（base-by-base）移動を可能にするであろうことが証明された。記載の装置は又、長い、無傷の巨大分子をナノ流体のチャネルに導入することに役に立つのが、予期される。これの能力は、例えば、ＤＮＡにおける全体の染色体の価値の、エンドツーエンドの特徴付けを可能にするであろう。
【００８８】
図１０Ａ−１０Ｃは、輸送チャネル２０の末端部において電気的バイアスＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、及び横断ナノチャネル３０の末端部においてＶ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８を、選択的に印加するように構成された１つ以上のクロスチャネル３０を有する１つ以上の交差点を有している、流体の分析装置１０の代替的な形状を示している。白いチャネルは、標準のチャネル深さ／サイズを示し、ストライプのあるパターンは、浅いチャネルセグメント３０ｓを示す。
【００８９】
図１１Ａ−１１Ｃは、ナノチャネル２０の末端部において電気的バイアスＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、及び横断電極５１、５２においてＶ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８を選択的に印加する為に、横断電極５１、５２の１つ以上のセットの交差点を有している、流体の分析装置の代替的な形状を示している。
【００９０】
チャネル３０及び横断電極５１、５２と１つ以上の輸送チャネル２０の組合せは、流体分析チップ（不図示）のような、流体装置１０において使用され得る。
【００９１】
ナノチャネルは、同時継続中のＰＣＴ／ＵＳ２０１３／０２５０７８に記載の１つ以上の流体チャネルを一緒に使用されてもよく、記載の内容は、本明細書の全てにおいて公開されているように、参照によって組み込まれる。
【００９２】
図１２及び１３は、例示的な回路５０を示し、この回路５０は、セグメント２０、３０又は横断電極５１、５２に、電気的バイアス、例えば電圧を電気的に印加し得る電源１９０を含み得る。輸送チャネル２０及び／又は流体クロスチャネル３０の末端部の１つ又は両方は、流体（電界物質）のような、流動性の物資を保持するように構成されているリザーバに併合し得る。リザーバ流体は、例えば、高いイオン強度の電解質溶液である、電解質溶液を含み得る。リザーバ及びチャネル３０は、例えば、電解質溶液の同じ濃度、又は、電解質溶液の異なる濃度である、輸送チャネル２０と同じ流体を含み得る。適切な溶液の例は、限定されないが、約３５ｍＭから約１Ｍの濃度の塩化カリウム溶液を含む。代替的に又は追加的に、輸送チャネル２０における溶液に比較して、より高い（又は、より低い）イオン強度の流動性の材料、液体又は溶液は、チャネル３０において使用され得る。各チャネル３０の為に使用され得る他の流体材料は、有機溶剤中の両親媒性電解質、センシングチャネルにおいて形成されるゲル中の電解質溶液、導電性ポリマー、イオン液体、低い溶融温度の材用及び金属（例えば、「液体金属」）を含む。
【００９３】
異なる流動性の材料の組合せが使用されてもよい。輸送チャネル２０が１つ以上のチャネル３０によって横切られているいくつかの実施形態では、各チャネル３０は、異なる流動性の材料又は同じ流動性の材料を含んでよい。いくつかの実施形態では、同じ濃度又は異なる濃度において、各チャネル３０は、他のチャネル３０と同じ電解質溶液を有する。いくつかの実施形態では、流体材料は、チャネル３０に導入された後、固体又は半固体に、変換され得る。例えば、ゲルは交差架橋になることができ、ポリマーは重合されることができ、及び材料は、金属の溶解点の下に装置の動作温度を下げることにより凝固され得る。他の実施形態では、埋められる電極は、当業者に既知のメッキ又は成長法（例えば、金属の電解メッキ又は無電解メッキ）を用いて、横断電極５１、５２の為の輸送チャネルに隣接して成長され得る。
【００９４】
図１２及び１３を参照して、回路５０は、第１及び第２電極２５１、２５２を含むことができ、これらは、各輸送チャネル２０の各側の一方の上の各チャネル３０の末端部３０ｅに、伝達するように、及び、密接に間隔を空けて、又は、離れて間隔をあけて存在する。回路５０は、所望のタイミングアルゴリズム又はタイミング回路９０ｃを有する少なくとも１つのプロセッサ９０ｐの管理下で、電気のバイアスを印加し得る電源１９０（例えば、電圧源及び／又は電流源）を含み得る。回路５０は、分析下の分子の注入、捕捉、又は捕獲、及び輸送の適切な時間において、電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４を印加し得る。
【００９５】
図１２は、電圧チャージの光学的トリガリングを示し、図１３は、電圧チャージの電気的トリガリングを示す。図１３は、回路５０が少なくとも１つのプロセッサ９０ｐ、及び電流計６０を含み得ることを示し、この電流計６０は、チャネル３０を有する交差点Ｉの前に、セグメント２０ｓ１において設けられる横断電極１５１、１５２を通る時に、輸送チャネル２０内の検体に関連するイオン又はトンネル電流の摂動を監視し得る。回路５０の一部又は全部は、装置１０（例えば、チップ又は基板）上に設けることができ、又は、一部は装置１０に（有線又は無線にて）接続される遠隔装置に存在してよい。いくつかの実施形態では、電源１９０は、装置１０に取り外し可能に設けられ得る。
【００９６】
図１２及び１３は、回路５０が回路と一緒にコンピュータ、及び／又は少なくとも１つのプロセッサ９０ｐを含み得ることを示し、このプロセッサ９０ｐは、輸送チャネル２０における検体についての分析データを取得し得る。用語「コンピュータ」は、いくつかの電子装置を含む為に広く使用され、典型的には、１つ以上のデジタル信号プロセッサを備え、制御、及び動作を制御する為に回路５０との通信が可能になっている。コンピュータは、装置１０のローカル又は遠隔に有り得る。
【００９７】
図１３は、回路５０が、デジタイザ８０及びディスプレイを有するコンピュータ９０を含み得ることを示す。これらの構成要素は、組み合わされてよく、又は、ディスクリートの構成要素であってよい。図１２は又、いくつかの実施形態において、回路５０が、検知器２２０及び励起源２０５を有する画像システム２００を含み得ることを示し、この検知器２２０及び励起源２０５は、輸送チャネル２０において検体分子の一連の画像をとることができる。画像システム２００は、いくつかの適切な画像システムであり得る。示されるように、画像システム２００は、（典型的には、蛍光でラベルされた分子を励起する光を生成する）（それは、任意選択的に、ミラー及びレンズ又は他の物を含む）励起光源２０５、及び画像生成装置又は１つ以上のカメラ、光電子増倍管又はフォトダイオードを含み得る。使用される場合は、対物／レンズは、装置１０の基本表面の下又は上に存在し得る。電気入力／出力及び流れ動作は、装置１０の反対側に存在し得る。装置１０は、示されるように実質的に水平面にというよりはむしろ、（直立又は曲がっている平坦な基本面を有する）そのサイドにおいて動作する為に、フリップされてもよい。
【００９８】
いくつかの特定の実施形態においては、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、メナード（Ｍｅｎａｒｄ）ら著、集束イオンビームを使用して絶縁基板におけるサブ５ｎｍのナノチャネルの製造、ナノレット（Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔ）、２０１１年、第１１巻、５１２−５１７頁（２０１０年１２月２０日公開）、及び「ナノチャネルを形成する為の方法、システム及び装置」と題された、２０１０年９月２１日出願の、米国仮出願第６１／３８４，７３８号に記載の方法を使用して、装置１０は、形成され得る。それは、流体分析装置を形成する方法であり、この方法は、：（ａ）薄いオーバレーヤを有する基材を提供すること；（ｂ）基材内のオーバレーヤを介して二分する少なくとも２つのチャネルをミリングすること；（ｃ）オーバレーヤを取り除くこと；及び（ｄ）ミリングするステップ及び取り除くステップに応じて、浅いセグメントのような、少なくとも１つの流体の輸送ナノチャネル、及び基材において浅いセグメントを有する少なくとも１つの流体のナノチャネルを形成すること、又は、かなり異なる場の強さにて動作し得る輸送チャネル長い及び短いセグメントを規定する為に、交差点において輸送チャネルに近接する横断電極を統合することを含み得る。
【００９９】
オーバレーヤに関して用語「厚い」は、（例えば、単一又は多数層構造）オーバレーヤが、少なくとも５０ｎｍ、典型的には約５０ｎｍから約５００ｎｍの間、そしてより典型的には約１００ｎｍから約４００ｎｍの間である、厚さ「ＴＨ」を有し得ることを意味する。オーバレーヤは、単一のモノシリック材料層であることができ、又は、複数の積層付着層であってもよい。オーバレーヤは、導電性であることができ、低いスパッタ率を提供するように構成され得る。低いスパッタ率は、典型的には約１．０μｍ３／ｎＣよりも低く、そしてより典型的には、約０．５μｍ３／ｎＣ又はよりも低く、例えば、約０．１０μｍ３／ｎＣ、約０．２３μｍ３／ｎＣ、及び約０．３０μｍ３／ｎＣなどである。単一のモノシリックなオーバレーヤ構造の為に、オーバレーヤは、アルミニウムを備える層のように金属製で有り得る。オーバレーヤは、基材の上面に対して反応しないように構成され得る。
【０１００】
ＦＩＢミリングは、完全性の為に記述され、ナノチャネルを形成する為に、特に適切であると考えられるが、他の実施形態は、上述の他の形成する技術について教示しており、この技術は、例えば、電子ビーム描画、ナノプリント技術、フォトリソグラフィー、テンプレート又はモールド手法、及び当業者によって知られる他の方法を含んでいる。
【０１０１】
他のチャネルを有するナノ流体の実施は、多数のアプリケーションに適切であり、このアプリケーションは、単一の分子の検出及び識別、生物高分子の閉じ込め及び操作、生物検定、ポリヌクレオチドの制限酵素マッピング、ＤＮＡサイジング、ゲノム配列決定の物理的方法、及び閉じ込めの物理学の基礎研究を含んでいる。
【０１０２】
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〕
少なくとも１つの流体輸送ナノチャネル、及び各流体輸送ナノチャネルの第１セグメント及び第２セグメントを規定する為に、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの末端部の間の間隔に存在する交差点において、前記流体輸送ナノチャネルのセグメントの対向している側における２つの浅いセグメントを有する、少なくとも１つの流体ナノチャネルと、
各浅いセグメントに伝達する第１及び第２電極と、
前記流体輸送ナノチャネルの進入末端部に伝達する第１電極と、
前記流体輸送ナノチャネルの退出末端部に伝達する第２電極と、
制御して巨大分子を注入、獲得、及び輸送する為に、前記電極の動作を制御するように構成される回路であって、動作中に、前記第１及び第２セグメントは、巨大分子が平衡になるか又は低速で移動するように、前記巨大分子を捕獲する為にかなり異なる場の強さを有することができる、前記回路と、を備える、
ナノ流体の分析装置。
〔付記２〕
前記浅いセグメントは、より深いセグメントに併合し、前記流体輸送ナノチャネルに直交する、
付記１のナノ流体の分析装置。
〔付記３〕
前記浅いセグメントは、より深いセグメントに併合し、前記流体輸送ナノチャネルに並列である、
付記１又は２のナノ流体の分析装置。
〔付記４〕
前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルにおける、流体分析のチップ及びＤＮＡ、ＲＮＡ、ペプチド、たんぱく質、又は他の生物学の分子、又は合成巨大分子を規定する為に、基材にシールされるカバー、を更に備える、
付記１乃至３の何れかのナノ流体の分析装置。
〔付記５〕
少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルと、前記輸送ナノチャネルの第１セグメント及び第２セグメントを規定する為に、前記少なくとも１つの輸送チャネルにおける対向する第１及び第２末端部の間の間隔に存在する、前記輸送ナノチャネルを有する交差点において、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの対向する側に当たっている、２つの統合された横断電極とを有しており、動作中に、前記第１及び第２セグメントは、かなり異なる場の強さを有する、装置。
〔付記６〕
前記かなり異なる場の強さを生成し、前記流体輸送ナノチャネル中、及び前記流体輸送ナノチャネルを介して、制御して巨大分子を注入、捕獲、及び輸送する為に、前記流体輸送ナノチャネルの前記第１及び第２末端部、及び、前記横断電極に、電圧を選択的に印加するように構成された、前記基材に少なくとも部分的に存在する、及び／又は前記基材に伝達する回路、を更に備える、付記５の装置。
〔付記７〕
少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルを有している装置であって、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルは、（ｉ）前記流体輸送ナノチャネルを横切って互いに対向する第１及び第２セグメントを有し、各電極に各々伝達する少なくとも１つの流体ナノチャネル、又は、（ｉｉ）前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの対向している側に当っている２つの統合された横断電極、の一方を有する交差点を有しており、
前記交差点は、前記各流体輸送ナノチャネルの第１セグメント及び第２セグメントを規定する為に、前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルにおける対向する末端部の間の間隔に存在する、前記装置と、
前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルを介して、巨大分子を選択的に捕獲及び輸送する為に、電圧を前記電極に印加するように構成された電源を有する回路と、
を備えるナノ流体分析システム。
〔付記８〕
前記装置は、前記流体輸送ナノチャネルのセグメントを横切って互いに対向する第１及び第２セグメントを有しており、各電極に各々伝達する、前記少なくとも１つの流体ナノチャネルを備え、前記第１及び第２セグメントは、浅いセグメントである、
付記７のナノ流体分析システム。
〔付記９〕
前記第１及び第２セグメントは、幅広のセグメントである、
付記８のナノ流体分析システム。
〔付記１０〕
前記装置は、各交差点と組み合う複数の並列な流体輸送ナノチャネルを備える、
付記７乃至９の何れかのナノ流体分析システム。
〔付記１１〕
前記装置は、長軸方向に離れて間隔があいている複数の交差点を有する、少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルを備え、各交差点は、（ｉ）前記流体輸送ナノチャネルを横切って互いに対向する第１及び第２セグメントを有し、各電極に各々伝達する流体ナノチャネル、又は、（ｉｉ）前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの対向している側に当っている２つの統合された横断電極、の一方を有している、
付記７乃至１０の何れかのナノ流体分析システム。
〔付記１２〕
装置に少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルを提供するステップであり、前記流体輸送ナノチャネルは、（ｉ）前記輸送チャネルと流体連通する前記流体輸送ナノチャネルのセグメントを横切って互いに対向する第１及び第２セグメントを有し、各電極に各々伝達する少なくとも１つの流体ナノチャネル、又は、（ｉｉ）前記少なくとも１つの流体輸送ナノチャネルの対向している側に当っている第１及び第２の統合された横断電極、の一方を含む交差点を有する、ステップと、
前記流体輸送チャネルにおいて巨大分子を注入又は捕獲する為に、前記第１及び第２セグメント又は前記第１及び第２横断電極に、電気的にバイアスを印加するステップと、
全てのバイアスを電気的に取り除くことにより、前記巨大分子が平衡な配座において緩むステップと、
前記ナノチャネルを介する前記巨大分子の移行を制御する前記輸送ナノチャネルにのみバイアスを電気的に印加するステップと、
を含む巨大分子の分析方法。
〔付記１３〕
前記装置は、前記第１及び第２セグメントを有する前記少なくとも１つの流体ナノチャネルを備え、前記第１及び第２セグメントは、幅広、浅いセグメントである、
付記１２の巨大分子の分析方法。
〔付記１４〕
前記浅いセグメントは、より深いセグメントに併合し、前記流体輸送ナノチャネルに直交する、
付記１３の巨大分子の分析方法。
〔付記１５〕
前記浅いセグメントは、前記流体輸送チャネルに並列になっている、より深いセグメントに併合し、
付記１３又は１４の巨大分子の分析方法。
〔付記１６〕
前記装置は、流体分析のチップであり、前記巨大分子は、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ペプチド、たんぱく質、又は他の生物学の分子、又は合成巨大分子である、
付記１２乃至１５の何れかの巨大分子の分析方法。
〔付記１７〕
前記電気的に印加するステップ及び取り除くステップは、タイミングアルゴリズム及び／又はタイミング回路の管理下で実行される、
付記１２乃至１６の何れかの巨大分子の分析方法。
〔付記１８〕
前記電気的に印加するステップ及び／又は取り除くステップは、前記輸送ナノチャネル内の規定された位置において、検体分子の光学検出によってトリガされる、
付記１２乃至１７の何れかの巨大分子の分析方法。
〔付記１９〕
前記電気的に印加するステップ及び／又は取り除くステップは、前記輸送ナノチャネル内の規定された位置における、イオン電流、トンネル電流、又は電界効果トランジスタの測定値を用いる検体分子の電気的な検出によってトリガされる、
付記１２乃至１８の何れかの巨大分子の分析方法。
〔付記２０〕
分析の為に、前記流体輸送ナノチャネル中、及び前記流体輸送ナノチャネルを介して、選択的に、各巨大分子を注入、捕獲、及び輸送する為に、前記バイアスを印加すること及び取り除くことの自動化されたサイクルを起こす為に、前記交差点の前に、前記流体輸送ナノチャネルの第１部分において、検体の通路に関連する電圧チャージを電気的に検出するステップを、更に含む、
付記１２乃至１９の何れかの巨大分子の分析方法。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図５Ｈ】
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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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【図１３】
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