(57)【要約】  本発明は、信頼性および耐久性に優れたＤＮＡ搬送制御デバイスおよびそれを用いたＤＮＡシーケンシング装置を提供することを目的とする。本発明により、開孔を有する下地材と、前記下地材の上に形成されたブロック共重合体の薄膜とを有し、前記薄膜は、前記ブロック共重合体の自己組織化により形成された、前記薄膜を貫通する微細ドメインと、その周囲のマトリックスとから構成され、前記ナノポアが、前記下地材の開孔の一つと、単一の前記微細ドメインとから構成されていることを特徴とする、一分子のＤＮＡ鎖のみが通過可能なサイズのナノポアを有するＤＮＡ搬送制御デバイス、およびそれを用いたＤＮＡシーケンシング装置が提供される。
2015068673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一分子のＤＮＡ鎖のみが通過可能なサイズのナノポアを有するＤＮＡ搬送制御デバイスであって、
開孔を有する下地材と、前記下地材の上に形成されたブロック共重合体の薄膜とを有し、
前記薄膜は、前記ブロック共重合体の自己組織化により形成された、前記薄膜を貫通する微細ドメインと、その周囲のマトリックスとから構成され、
前記ナノポアが、前記下地材の開孔の一つと、単一の前記微細ドメインとから構成されていることを特徴とする、前記デバイス。
【請求項２】
ブロック共重合体が親水性高分子鎖と疎水性高分子鎖からなり、微細ドメインが親水性高分子鎖により、その周囲のマトリックスが疎水性高分子鎖によりそれぞれ形成されている、請求項１に記載のＤＮＡ搬送制御デバイス。
【請求項３】
疎水性高分子鎖が液晶性側鎖を有する、請求項２に記載のＤＮＡ搬送制御デバイス。
【請求項４】
微細ドメインがシリンダ状である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＮＡ搬送制御デバイス。
【請求項５】
下地材の開孔の直径Ｄが、シリンダ状微細ドメインの直径ｄよりも大きく、かつシリンダ状微細ドメインの中心間距離Ｌよりも小さい、請求項４に記載のＤＮＡ搬送制御デバイス。
【請求項６】
下地材の開孔の直径Ｄが、シリンダ状微細ドメインの直径ｄよりも小さい、請求項４に記載のＤＮＡ制御デバイス。
【請求項７】
さらに下地材の上に設けられた仕切り部材を有し、微細ドメインが前記仕切り部材の形状に対応する配列を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＮＡ制御デバイス。
【請求項８】
親水性高分子鎖がポリエチレンオキシド、ポリ乳酸、ポリヒドロキシアルキルメタクリレート、または核酸を含む、請求項２または３に記載のＤＮＡ制御デバイス。
【請求項９】
疎水性高分子鎖が、ポリアルキルメタクリレートにおけるアルキル部分が部分的にまたは全て液晶性側鎖に置換された構造を有する、請求項３に記載のＤＮＡ制御デバイス。
【請求項１０】
一分子のＤＮＡ鎖のみが通過可能なサイズのナノポアを有するＤＮＡ搬送制御デバイスであって、
開孔を有する下地材と、前記下地材の上に形成された薄膜とを有し
前記薄膜は、前記薄膜を貫通する微細ドメインと、その周囲のマトリックスとから構成され、
前記微細ドメインには親水性高分子鎖が充填されており、かつ前記親水性高分子鎖は前記微細ドメインとマトリックスの界面に固定されており、
前記ナノポアが、前記下地材の開孔の一つと、単一の前記微細ドメインとから構成されていることを特徴とする、前記デバイス。
【請求項１１】
一分子のＤＮＡ鎖のみが通過可能なサイズのナノポアを有するＤＮＡ搬送制御デバイスの製造方法であって、
開孔を有する下地材を用意する工程、
前記下地材の上にブロック共重合体の薄膜を製膜する工程、および
前記ブロック共重合体を自己組織化させて、前記薄膜を貫通する微細ドメインとその周囲のマトリックスとを形成させることにより、前記下地材の開孔の一つと単一の前記微細ドメインとから構成されるナノポアを形成する工程
を含む、前記方法。
【請求項１２】
ブロック共重合体の自己組織化により形成される微細ドメインがシリンダ状であり、その直径および中心間距離を予め測定し、その値に基づいて下地材の開孔の大きさを決定することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
下地材の上に仕切り部材を設ける工程をさらに含み、仕切り部材に沿って微細ドメインを形成させることにより、下地材の開孔と微細ドメインの位置合わせを行うことを含む、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＮＡ搬送制御デバイスと、前記ＤＮＡ搬送制御デバイスのナノポアを介して連通する二つの溶液セルと、各溶液セルに設けられた前記二つの溶液セルの間に電圧を印加するための電極とを有するＤＮＡシーケンシング装置。
【請求項１５】
ＤＮＡ搬送制御デバイスの内部または近傍にナノポアを通過するＤＮＡ鎖を読み取るためのセンサを有する、請求項１４に記載のＤＮＡシーケンシング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＮＡ鎖の搬送を制御するためのデバイスおよびその製造方法に関する。また、本発明はＤＮＡ鎖の塩基配列を読み取るＤＮＡシーケンシング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
試薬を用いずにデオキシリボ核酸（deoxyribonucleic acid：DNA）の塩基配列を決定する方法として、ＤＮＡと同程度の大きさであるナノメートルサイズの孔（ナノポア）と、その近傍または内部に塩基配列を読み取るセンサを備えたナノポアＤＮＡシーケンシンサが注目されている（非特許文献１）。【０００３】
ナノポアＤＮＡシーケンシンサはＤＮＡ鎖がナノポアを通過する際のＤＮＡ鎖に含まれる個々の塩基種に基づく物理量変化を直接計測することで塩基種を順次同定する。高速解読が可能なことに加えて、鋳型ＤＮＡの酵素による増幅を行わないこと、蛍光体等の標識物を用いないことから、高スループット、低コスト、長塩基長解読につながると期待されている。塩基種に基づく物理量変化として、ナノポアをＤＮＡが通過する際のＤＮＡ鎖を横切るトンネル電流変化、ＤＮＡ鎖の電荷量、ナノポアを通過するイオン電流を計測する方法等が提案されている。【０００４】
ナノポアＤＮＡシーケンシングにおいて、ナノポアは一分子のＤＮＡ鎖の搬送を制御する役割を果たす。その主要課題として以下の２点がある。まず、第一の課題は一分子のＤＮＡ鎖のみが通過するサイズのナノポアを安定的に量産する方法の提供である。また、第二の課題は、ＤＮＡ鎖のナノポア通過速度をＤＮＡの塩基配列を読み取るに十分な速度まで遅延化することである。上記課題を解決する方法として以下の２つのアプローチが提案されている。【０００５】
第一のアプローチは改変タンパク質が形成する微細孔をナノポアとして用いる方法である（バイオナノポア）。一分子のＤＮＡ鎖が選択的に通過する微細なポアを有するタンパク質を作製し、膜タンパク内に担持させることによりＤＮＡの搬送を制御することが可能であることが報告されている（非特許文献２）。第二のアプローチは、半導体微細加工プロセスを用いて固体薄膜にトップダウン的手法によりナノポアを製造する方法である（ソリッドステートナノポア）。代表的な製法の１つとして、非特許文献３にあるように、半導体基板上に薄膜の絶縁膜からなる領域を設け電子ビームを照射してポアを形成する方法がある。電子ビームのエネルギー、照射面積、電流をコントロールすることで１０ｎｍ以下の微細なポアを形成することが出来る。【０００６】
一方、フォトリソグラフィの加工限界以下の極微細なパターンを形成する方法として、ブロック共重合体の自己組織化過程であるミクロ相分離を利用するブロック共重合体リソグラフィ法が次世代半導体リソグラフィ技術として注目を集めている（非特許文献４）。ブロック共重合体の一種であるポリ（スチレン−ｂ−メチルメタクリレート）（ＰＳ−ｂ−ＰＭＭＡ）のミクロ相分離によりシリンダ状やライン／スペース状の微細ドメインを自己組織化により形成させ、ポリメチルメタクリレートからなるドメインをエッチングにより除去することで１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度のパターンを得ることができる。この微細ドメインをマスクとして基板を加工する方法が検討されている。さらに、疎水性高分子鎖と親水性高分子鎖からなるブロック共重合体を用い、ブロック共重合体薄膜を貫通するように親水性高分子鎖からなる微細シリンダを自己組織化により形成させると、色素分子が微細シリンダ中を透過することが示されている（非特許文献５）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Meni Wanune, Physics of Life Reviews (2012) Vol.9, 125-158
【非特許文献２】Tom Z. Butler et al., Proceedings of the National Academy of Sciences (2008) Vol.105, No.52, 20647-20652
【非特許文献３】Diego Krapf et al., Nano Letters (2006) Vol.6, No.1, 105-109
【非特許文献４】Cheolmin Park et al., Polymer (2003) Vol. 44, No. 22, 6725-6760
【非特許文献５】Takashi Yamamoto et al., Advanced Functional Materials (2011) Vol.21, 918-926
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ナノポアの課題を解決するための第一のアプローチであるバイオナノポアは、生体分子を用いているが故に安定性および信頼性に欠け、長時間の繰り返し使用に供することができないという問題が存在する。さらに、高速読み取りのためにナノポアを並列化することも困難である。また、第二のアプローチであるソリッドステートナノポアには、最先端の半導体加工技術を適用しても、ＤＮＡ鎖の通過速度を十分に遅延化するのに必要とされる微細なポア、すなわち直径がシングルナノメータオーダのポアを大量生産することは困難であるという問題がある。さらに、ＤＮＡ鎖の搬送速度分布を小さくするためにはポアの直径を高精度に制御する必要があるが、現在のトップダウン的微細加工技術ではシングルナノメータオーダのサイズを再現性よく加工することは困難である。【０００９】
一方、ナノポア構造を再現性よく大量生産する手法として、ブロック共重合体の自己組織化により得られるシリンダ状微細ドメインを利用することは理にかなった方法であるとは考えられる。しかし、シリンダ状微細ドメインはヘキサゴナル状に密に配列した構造を有するため、ＤＮＡ搬送制御デバイスとして要求される単一のナノポア、あるいは所定の間隔でナノポアが配列したデバイスを得ることはできない。また、シリンダ状ミクロドメインをエッチングで除去して開孔したポアを作製しても、ソリッドステートナノポアと同様にＤＮＡ鎖の搬送速度を十分に遅延化することは困難である。そのため、ＤＮＡ鎖を通過させるナノポアの形成にブロック共重合体の自己組織化を利用した例はこれまで知られていない。【００１０】
本発明は、ブロック共重合体の自己組織化を利用して、均一かつ一分子のＤＮＡ鎖のみが透過可能な微小なサイズを有し、さらに塩基配列の読み取りが可能となる速度までＤＮＡ鎖の搬送速度を遅延化させることができるナノポアを簡便に得る方法を見出し、該方法を用いて信頼性および耐久性に優れたＤＮＡ搬送制御デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、検討の結果、開孔を有する下地材を用意し、その下地材の上にブロック共重合体の薄膜を製膜し自己組織化させることで、自己組織化により形成されたシリンダ状微細ドメインと下地材の開孔から構成されるＤＮＡの通過経路（ナノポア）を形成し、ＤＮＡ搬送制御デバイスを製造することに想到した。【００１２】
本発明のＤＮＡ搬送制御デバイスは、一分子のＤＮＡ鎖のみが通過可能なサイズのナノポアを有するものであり、開孔を有する下地材と、前記下地材の上に形成されたブロック共重合体の薄膜とを有し、前記薄膜は、前記ブロック共重合体の自己組織化により形成された、前記薄膜を貫通する微細ドメインと、その周囲のマトリックスとから構成され、前記ナノポアが、前記下地材の開孔の一つと、単一の前記微細ドメインとから構成されていることを特徴とする。【００１３】
本明細書は本願の優先権の基礎である日本国特許出願２０１３−２３２４７６号の明細書および／または図面に記載される内容を包含する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のＤＮＡ搬送制御デバイスは、塩基配列の読み取りが可能となる速度までＤＮＡ鎖の搬送速度を遅延化させることができるナノポアを有し、その製造方法も簡便である。本発明の技術によれば、高精度のナノポアを安定して製造可能であるため、ＤＮＡシーケンシング装置の製造に非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のＤＮＡ搬送制御デバイス１０を用いたＤＮＡシーケンシング装置の断面構造を示す模式図である。
【図２】ブロック共重合体薄膜２０の構造を示す概略図である。
【図３】ブロック共重合体薄膜２０の構成単位を模式的に拡大した図である。
【図４】シリンダ状微細ドメイン２２の構造を示す模式図である。
【図５】ＤＮＡ搬送制御デバイス１０の断面構造を示す模式図である。
【図６】グラフォエピタキシー効果によりシリンダ状微細ドメイン２２の配列を制御する方法を説明する図である。
【図７】ＰＥＯ−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）薄膜の電子顕微鏡観察像である。
【図８】第一の実施形態によりＤＮＡ搬送制御デバイスを製造するプロセスを模式的に示した図である。
【図９】下地孔のＴＥＭ観察像、および下地孔とシリンダ状微細ドメインのＳＴＥＭ観察によるオーバーレイ像である。
【図１０】ｄｓＤＮＡ鎖を含むバッファー溶液を試料として用いた場合に観察されたイオン電流値を時間に対してプロットした図である。
【図１１】ｄｓＤＮＡ鎖の通過に伴うイオン電流スパイクの拡大図とスパイクの持続時間分布図である。
【図１２】第二の実施形態によりＤＮＡ搬送制御デバイスを製造するプロセスを模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（ＤＮＡシーケンシング装置）
図１は、本発明のＤＮＡ搬送制御デバイスを用いたＤＮＡシーケンシング装置の断面構造を示す模式図である。電解質水溶液３３を含有する２つの溶液セル３０が、ＤＮＡ搬送制御デバイス１０の通過経路１４（ナノポア）を介して連通している。ここで、片方の溶液セル３０には配列を読み取るべき試料であるＤＮＡ鎖３１が含まれている。ＤＮＡ搬送制御デバイス１０のＤＮＡ鎖の通過経路１４は、下地孔１３とシリンダ状微細ドメイン２２から構成される。また、各溶液セル３０には電極３２が設置されており、両極に電圧を印加することにより、ＤＮＡ搬送制御デバイス１０中の通過経路１４をＤＮＡ鎖３１が通過する。
【００１７】
ＤＮＡ鎖３１がＤＮＡ搬送制御デバイス１０の通過経路１４を通過する際に塩基配列を読み取るためにセンサが必要とされる場合、センサはＤＮＡ搬送制御デバイス１０の前後、もしくはその内部に設置される。図１では簡略化のためセンサは省略している。ＤＮＡ配列を読み取る手段、およびそのためのセンサの構成に関しては特に制限はない。ＤＮＡ鎖の通過経路１４をＤＮＡ鎖３１が通過する際に、ＤＮＡ鎖を横切るトンネル電流変化、ＤＮＡ鎖の電荷量、通過経路を通過するイオン電流の封鎖度を計測する方法など、従来提案されている種々の方法を利用できる。通過経路１４を通過するＤＮＡ鎖の化学的組成をラマン散乱や赤外吸収等の分光的手法で計測する方法を用いてもよい。分光的手法を用いる場合には、塩基サイズに相当する空間分解能を得るために、プラズモンなどの局所光増強場による励起法を適用することが好ましい。本発明のデバイスにおいては、各種方法に基づき塩基配列を計測できるセンサを適宜用いればよい。
【００１８】
（ＤＮＡ搬送制御デバイス）
本発明のＤＮＡ搬送制御デバイス１０は、下地孔１３を開孔した下地材１１の上にブロック共重合体薄膜２０が製膜された構造を有する。なお、本明細書において、下地材１１の上にブロック共重合体薄膜２０を有するとは、下地材１１の上面もしくは下面またはその両面の平面上にブロック共重合体薄膜２０が存在する場合のみならず、下地孔１３の中にのみブロック共重合体薄膜２０が存在する場合や、下地材１１の上面もしくは下面または両面の平面上に加えて下地孔１３の中にもブロック共重合体薄膜２０が存在する場合をも含む概念である。ブロック共重合体薄膜２０は、ミクロ相分離により自己組織化することで形成された薄膜を貫通するシリンダ状微細ドメイン２２を有する。なお、微細ドメイン２２の形状は図示するようにシリンダ状であることが望ましいが、薄膜を貫通するように形成されている限りシリンダ状でなくてもよい。
【００１９】
下地材１１には直径Ｄの下地孔１３が開孔されており、直径Ｄは１ｎｍ以上であることが好ましく、さらに３０ｎｍ以下であることが好ましい。特に、後述する第一の実施形態を適用する場合には、直径Ｄは５ｎｍ以上、２５ｎｍ以下であることが好ましい。また、後述する第二の実施形態を適用する場合には、直径Ｄは１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下であることが特に、好ましい。
【００２０】
下地材１１の膜厚は、微細な孔を開孔することができるよう１００ｎｍ以下、特に５０ｎｍ以下であることが好ましく、さらに封鎖電流による配列読取方式に適用する場合は０．３ｎｍ以上、それ以外の場合は十分な強度を有するように１０ｎｍ以上であることが好ましい。
【００２１】
下地材１１の材質は、下地孔１３を開孔できるものであれば特に限定されないが、電解質溶液３３に対して腐食耐性を有し、開孔加工が容易である点から、窒化シリコン（代表的組成としてはＳｉ３Ｎ４）や酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）などが特に好ましい。また、下地材１１はそれ単独で用いてもよいが、図１に示したように、下地材１１の硬度や取り扱い性を向上させるためにサポート基板１２を設けることが好ましい。さらに、下地材１１とブロック共重合体薄膜との親和性を向上するために、下地材１１の表面に高分子鎖やカップリング剤をグラフトし化学的に改質してもよい。
【００２２】
下地孔１３の形状は円形であることが好ましいが、特に真円状であることは必要ではなく、楕円形、多角形、もしくはそれらが歪んだ形状であってもよい。なお、下地孔１３が真円状ではない図形である場合、下地孔１３の直径Ｄは、その図形内の面積を有するように描いた真円の直径を意味する。
【００２３】
下地材１１の製造は、例えば特開平８−２４８１９８号公報に開示されているような既知の方法に従って行うことができる。例えば、サポート基板１２となるシリコンウエハに下地材１１となる窒化シリコンまたは酸化シリコン膜を成膜し、次いで裏面のシリコンウエハをＴＭＡＨ溶液またはＫＯＨ水溶液などを用いる異方エッチング技術により除去してウインドウを開けることにより製造することができる。
【００２４】
下地孔１３の開孔には既知の様々な半導体加工手法を適用することができ、加工サイズや加工時間を考慮して最適な方法を採用すればよい。例えば、ガリウムイオンやヘリウムイオンなどの粒子ビームによる集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工、集束した電子線による電子ビーム（ＥＢ）加工、フォトリソグラフィによる加工などを採用することができる。ＦＩＢ加工やＥＢ加工などの直接加工技術は、単一の下地孔１３を開孔する場合に適している。一方、下地孔１３をアレイ化することで並列読取りが可能なデバイスを製造する場合にはフォトリソグラフィによる加工が、加工に要する時間の点で適している。
【００２５】
（ブロック共重合体薄膜）
図２は、ブロック共重合体薄膜２０の構造を示す概略図である。図２（ａ）および（ｂ）に示すように、ブロック共重合体薄膜２０には、ミクロ相分離により、マトリックス２１（連続相）の中にシリンダ状微細ドメイン２２が形成された構造を有する。ブロック共重合体薄膜は、下地孔１３を有する下地材１１の表面に形成されている。なお、図２（ａ）では、シリンダ状微細ドメイン２２の一部を、下地孔１３とシリンダ状微細ドメイン２２との位置関係を明瞭に示すために省略して図示している。図２（ａ）ではブロック共重合体薄膜２０は下地材１１の表面のみに製膜されているが、後述するように、下地材１１の両面や下地孔１３の内部にブロック共重合体薄膜２０が形成されていてもよい。
【００２６】
シリンダ状微細ドメイン２２は、マトリックス２１中に配列して分布するとともに、ブロック共重合体薄膜２０を貫通する方向に配向している。そして、図２（ｂ）に示すようにシリンダ状微細ドメイン２２は、ブロック共重合体薄膜２０の水平面において、六方最密構造となるように規則的に配列したパターンを形成している。
【００２７】
なお、図１および図２では下地孔１３の直径Ｄがシリンダ状微細ドメイン２２の直径ｄよりも大きく図示されているが、これは、後述する本発明の第一の実施形態に対応する構成を図示したものであり、第二の実施形態においては下地孔１３の直径Ｄがシリンダ状微細ドメイン２２の直径ｄよりも小さい。用いるブロック共重合体によってシリンダ状微細ドメイン２２の直径ｄと中心間間隔Ｌはほぼ定まるといえるため、予めブロック共重合体ごとに直径ｄと中心間間隔Ｌを測定しておくと、その値に基づいて下地孔１３の開孔の大きさを決定したり、あるいは下地孔１３の開孔の大きさから適切なブロック共重合体を選択したりすることができる。
【００２８】
次に、図３を参照してブロック共重合体薄膜２０のミクロ相分離構造について説明する。図３は、ブロック共重合体薄膜２０の構成単位を模式的に拡大した図である。ブロック共重合体薄膜２０はブロック共重合体４０がそれ単独で、またはそれを主成分として形成されている。ブロック共重合体４０の分子は、ジブロック共重合体である場合、図３（ｂ）に示されるように疎水性高分子鎖４１と親水性高分子鎖４２がそれぞれの末端で結合した化学構造を有している。
【００２９】
ブロック共重合体４０における疎水性高分子鎖４１の体積は、親水性高分子鎖４２の体積よりも大きいと、両高分子鎖の結合点が図３（ｃ）に示されるような円柱の側面を形成するようブロック共重合体４０が配列しやすくなり好ましい。そして、疎水性高分子鎖４１と親水性高分子鎖４２との結合部を境界として、疎水性高分子鎖４１を主成分とするマトリックス２１と、親水性高分子鎖４２を主成分とするシリンダ状微細ドメイン２２とが、ミクロ相分離による自己組織化により形成される。
【００３０】
ブロック共重合体４０は適切な方法で合成すればよいが、ミクロ相分離構造の規則性を向上するためには、できる限り分子量分布が小さくなるような合成手法、例えばリビング重合法や原子移動ラジカル重合（ＡＴＲＰ）法を用いることが好ましい。ブロック共重合体４０は、図３（ｂ）のように、疎水性高分子鎖４１と親水性高分子鎖４２が互いの末端で結合したＡＢ型のジブロック共重合体であってもよく、あるいはＡＢＡ型のトリブロック共重合体であってもよい。また、第３の高分子鎖を有し、三種以上の高分子鎖からなるＡＢＣ型ブロック共重合体であってもよい。さらに、上記のような高分子鎖が直列したブロック共重合体の他、各高分子鎖が１点で結合したスター型のブロック共重合体であってもよい。
【００３１】
ブロック共重合体４０を構成する親水性高分子鎖４２としては、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリアクリルアミド（例えばＮ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド）、ポリヒドロキシアルキルメタクリレート（例えばポリヒドロキシエチルメタクリレート（ＰＨＥＭＡ）など）、またはイオン性高分子（例えばポリアクリル酸やポリアクリルメタクリル酸などの不飽和カルボン酸の重合体、核酸、もしくはそれらの塩）を含むもの、特にポリエチレンオキシド、ポリ乳酸またはポリヒドロキシエチルメタクリレートからなるものが挙げられる。
【００３２】
ブロック共重合体４０を構成する疎水性高分子鎖４１としては、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリアルキルメタクリレート（例えばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ））、ポリビニルピリジン、ポリアルキルシロキサン（例えばポリジメチルシロキサン）、ポリアルキルジエン（例えばポリブタジエン）などを含むものが挙げられる。特に、疎水性高分子鎖４１としては、液晶性を発現するためのメソゲン基を有する棒状分子である側鎖（液晶性側鎖）を有するものが好ましい。メソゲン基としては、アゾベンゼン、スチルベン、ベンジリデンアニリン、ビフェニル、ナフタレンまたはシクロヘキサンに基づく骨格を有する基が挙げられる。また、そのような液晶性側鎖において、メソゲン基に結合するスペーサー基としてはアルキル基、アルコキシ基、またはアルコキシアルキル基等が挙げられる。スペーサー基は直鎖状であることが好ましく、その炭素数は４個以上であることが好ましい。特に、疎水性高分子鎖の主鎖とメソゲン基の間に存在するスペーサー基は炭素数が５個以上、特に８個以上、とりわけ１０個以上であることがより好ましい。そのよう側鎖を有する疎水性高分子鎖４１としては、ポリアルキルメタクリレートにおけるアルキル部分が、部分的にまたは全てそのような液晶性側鎖に置換されたものが挙げられる。液晶性側鎖を有する疎水性高分子鎖４１と組み合わせる親水性高分子鎖４２としてはポリエチレンオキシドが特に好ましい。
【００３３】
疎水性高分子鎖４１に液晶性側鎖を導入すると、ブロック共重合体薄膜２０に対してシリンダ状微細ドメイン２２が直立し薄膜を貫通する方向に配向した構造を得ることが容易になる点、およびシリンダ状微細ドメイン２２の中心間間隔Ｌとシリンダ状微細ドメイン２２の直径ｄとの比Ｌ／ｄを大きくすることができる点で有利である。
【００３４】
疎水性高分子鎖４１に液晶性側鎖を導入した液晶性ブロック共重合体では、液晶性部位を有する疎水性高分子鎖４１からなるマトリックス２１が液晶相を発現する。液晶相を発現すると、液晶性側鎖はブロック共重合体薄膜２０の上部表面（すなわち自由表面）に対してホメオトロピックに配向し、その効果によりシリンダ状微細ドメイン２２がブロック共重合体薄膜２０の表面に対して直立し薄膜を貫通する方向に配向しやすくなる。シリンダ状微細ドメイン２２の配向は、ブロック共重合体薄膜２０の膜厚や自己組織化の際のプロセス温度、下地材の表面状態等によっても変化することが多く、その制御には困難を伴う場合がある。液晶性ブロック共重合体を用いることで簡便にシリンダ状微細ドメイン２２がブロック共重合体薄膜２０に対して直立し薄膜を貫通した方向に配向を得ることが可能である。
【００３５】
ブロック共重合体の自己組織化構造は、各ブロックの組成比、すなわちブロック共重合体を構成する各高分子鎖が占有する体積の比により規定される。組成比が０．５から１．０に向けて大きくなるに従い、自己組織化構造、すなわちドメインの形状が、ラメラ（板状）から、シリンダ状、さらに球状へと変化する。一方、シリンダ形状を維持したまま、そのシリンダ形状の中心間間隔Ｌと直径ｄとの比Ｌ／ｄを大きくするためには組成比を大きくする必要がある。上記の組成比とドメイン構造の関係により、単純なブロック共重合体の場合ではＬ／ｄの最大値は約２．５であると考えられており、Ｌ／ｄ値をそれ以上にするために組成比を大きくすると、ドメイン形状はシリンダ状から球状へと変化してしまう。しかし、疎水性高分子鎖に液晶性側鎖を導入した液晶性ブロック共重合体ではこの制限を大幅に緩和させることが可能であり、Ｌ／ｄが１０を超えるシリンダ状ドメインを形成することも可能となる。これは液晶性側鎖を有する疎水性高分子鎖の場合、液晶性部位の配列により高分子鎖が直線状に延伸したコンフォメーションを形成することに由来する。
【００３６】
（ＤＮＡ鎖の搬送速度遅延化）
図３に示したように、ブロック共重合体薄膜２０には親水性高分子鎖４２からなるシリンダ状微細ドメイン２２が、ブロック共重合体薄膜２０を貫通するように配列している。シリンダ状微細ドメイン２２の直径ｄは、用いるブロック共重合体の分子量により、最小で１ｎｍ、最大で１００ｎｍの範囲で制御することが可能である。ブロック共重合体薄膜２０は、疎水性、すなわち水に溶解しないマトリックス２１中に、親水性、すなわち水溶液を含むことができるシリンダ状微細ドメイン２２が配列した構造を有している。
【００３７】
本発明者らは鋭意検討を行い、本発明の第一の効果であるＤＮＡ鎖の搬送速度遅延化効果の発見に至った。すなわち、水溶液に浸漬した状態のシリンダ状微細ドメイン２２中をＤＮＡ鎖が通過すること、また、その通過速度が、親水性高分子鎖が充填されていない微細孔内、もしくはバルク状態の水溶性高分子ゲル中のＤＮＡ鎖の搬送速度と比較して極めて遅いことを見出し、本発明を完成するに至った。
【００３８】
図４に模式的に図示するように、シリンダ状微細ドメイン２２は周囲を疎水性マトリックス２１に包囲され、その内部を充填する親水性高分子鎖４２の末端は、シリンダ状微細ドメイン２２と疎水性マトリックス２１の界面、すなわちシリンダ状微細ドメインのシリンダ形状の側面に固定化された構造を有している。シリンダ状微細ドメイン２２中における親水性高分子鎖４２の密度は、乾燥状態では固体状態とほぼ同等であると考えられる。このような構造を有する薄膜を水溶液中に浸漬すると、親水性であるシリンダ状微細ドメイン２２内部に、水溶液に含まれる水や電解質等の低分子が拡散する。一方、親水性高分子鎖４２はその末端がシリンダ形状の側面に固定点４３で固定されているため大幅に膨潤することなく、シリンダ状微細ドメイン２２中における親水性高分子鎖４２の密度は大きくは低下しない。すなわち、シリンダ状微細ドメイン２２内部は超高密度なゲルで充填された微細空間となると予測される。このような微細空間中に高分子量のＤＮＡ鎖が侵入し、通過することが可能かどうかは全く未知であったが、本発明者らは種々検討を行い、最終的に膜の前後に電位差を設けることでＤＮＡ鎖がシリンダ状微細ドメイン２２内部を通過することを見出した。
【００３９】
ＤＮＡ鎖の搬送速度はシリンダ状微細ドメイン２２の直径ｄ、シリンダ状微細ドメイン２２の高さ、すなわちブロック共重合体薄膜２０の厚み、シリンダ状微細ドメイン２２中の親水性高分子鎖４２の密度等により制御することが可能である。シリンダ状微細ドメイン２２の直径ｄは、後述するように下地孔１３との関係を考慮して制御する必要がある。一方、ブロック共重合体薄膜２０の厚みは任意であるが、シリンダ状微細ドメイン２２が膜を貫通した構造を再現性良く、安定して得るためには、１０ｎｍ以上、特に２０ｎｍ以上、および５００ｎｍ以下、特に１００ｎｍ以下の範囲とすることが望ましい。
【００４０】
なお、微細ドメインの構造としては、シリンダ状であることがＤＮＡ搬送速度の制御の観点から最も好適ではあるが、薄膜を貫通するように配向したラメラ状ミクロドメインや共連続状ドメイン等でも程度の差こそあれＤＮＡ鎖の搬送速度の遅延化効果が得られることが判明しており、それらの構造の適用を除外するものではない。
【００４１】
（ブロック共重合体薄膜の製造方法）
シリンダ状微細ドメイン２２が貫通するように配列したブロック共重合体薄膜２０は以下の方法により製造することができる。
【００４２】
まず、所定の化学構造と組成を有するブロック共重合体４０を合成する。重合反応には前述したようにリビング重合法や原子移動ラジカル重合（ＡＴＲＰ）法を適用することが、分子量、組成、ならびに分子量分布を制御できる点で好適である。ブロック共重合体４０の分子量や、ブロック共重合体を構成する疎水性高分子鎖４１と親水性高分子鎖４２の分子量比により、得られるドメインの形状、サイズ、ドメイン間の距離等が変化するため、所定の構造が自己組織化されるように重合反応を調整することが望ましい。
【００４３】
次に、得られたブロック共重合体４０を溶媒に溶解し、下地孔１３を有する下地材１１の表面に製膜する。ここで、溶媒としてはブロック共重合体が均一に溶解するものであれば特に制限はなく、通常用いられる有機溶媒、例えばトルエンやクロロホルムを用いることができる。ブロック共重合体４０は両親媒性であるため、組み合わせる高分子鎖の化学組成によっては均一に溶解させうる溶媒が存在しない場合もある。その場合は複数の溶媒を混合した混合溶媒を適用すればよい。
【００４４】
ブロック共重合体薄膜２０の製膜にはスピンコートやディップコート等の手法を適宜適用すればよい。後述するように、本発明の実施形態には、下地材１１の両面にブロック共重合体薄膜２０が配置される構成もあるが、そのような場合はディップコート法を適用するのが好適である。ブロック共重合体薄膜２０が所定の膜厚となるように、ブロック共重合体溶液の濃度、溶媒の種類、スピンコートの場合は回転数、ディップコートの場合は引き上げ速度等の製膜条件により制御するとよい。また、下地材１１に設けた下地孔１３内部へのブロック共重合体の充填程度も製膜条件により制御することができる。
【００４５】
上記手法で製膜されたブロック共重合体薄膜２０中におけるブロック共重合体分子４０は、急速な溶媒の蒸発に伴いランダムな状態となっている場合が多い。すなわち、ブロック共重合体のミクロ相分離過程が途中で凍結された状態となっており、薄膜内には目的とするシリンダ状微細ドメインが存在しない場合が多い。そこで、下地材１１に製膜された状態のブロック共重合体薄膜２０をアニール処理することによりミクロ相分離過程を進行させ、ブロック共重合体薄膜中にシリンダ状微細ドメインが均一な状態で規則的に配列した構造を形成させるとよい。
【００４６】
ここでアニール処理とは、ブロック共重合体薄膜２０中においてブロック共重合体４０が運動する状態として保持することで、薄膜の自由エネルギーが最小となるような構造を形成するようにする処理である。アニール処理はブロック共重合体４０を構成する高分子鎖のガラス転移温度以上に加熱処理（熱アニール）、あるいはブロック共重合体薄膜２０を溶媒蒸気に暴露することで膜を膨潤させる処理（溶媒アニール）などの方法で実施することが可能である。
【００４７】
本発明においては、シリンダ状微細ドメイン２２をブロック共重合体薄膜２０を貫通するように自己組織化させる必要があるが、ブロック共重合体の種類によっては、シリンダ状微細ドメイン２２の配向をアニール方法により制御できる場合がある。そのため、ブロック共重合体の種類に応じてアニール方法を注意深く選択することが望ましい。例えば、疎水性高分子鎖４１としてポリスチレン（ＰＳ）を、親水性高分子鎖４２としてポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）を有するブロック共重合体ＰＳ−ｂ−ＰＥＯを用いる場合、溶媒アニールによりＰＥＯからなるシリンダ状微細ドメインをＰＳ−ｂ−ＰＥＯ薄膜を貫通するように自己組織化させることが可能である。
【００４８】
液晶性ブロック共重合体を用いる場合には、液晶の転移温度についても十分に考慮する必要がある。液晶性ブロック共重合体において、液晶性部位は、液晶転移温度以上ではランダムに分散したアイソトロピック相を、液晶転移温度未満では一定方向に配向化することで液晶性を発現する。そのため、液晶性ブロック共重合体を用いる場合、まず液晶転移温度以上に加熱した後に液晶転移温度未満に冷却することで均一なミクロ相分離構造を得ることができる。例えば、アゾベンゼン骨格をメソゲン基として有する液晶性側鎖を有する疎水性高分子鎖４１と、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）からなる親水性高分子鎖とを有するブロック共重合体４０を用いる場合、液晶転移温度である１００℃以上に一旦加熱した後に、液晶転移温度未満であり、かつガラス転移温度以上である９０℃に冷却してアニール処理を行うことが好ましい。
【００４９】
（通過経路（ナノポア）の構成）
図２に模式的に示したように、ブロック共重合体４０が自己組織化することで形成する微細ドメインは多数のドメインが一定周期で配列した周期構造となる。本周期構造はブロック共重合体分子が分子オーダーで相分離するというミクロ相分離の原理に由来している。
【００５０】
一方、ＤＮＡ搬送制御デバイス１０では、ＤＮＡ鎖３１を個別に搬送することが求められる。そのため、ＤＮＡ鎖３１の搬送を制御するためには通過経路１４（ナノポア）は所定の位置に単独で独立して配置されているか、もしくは並行処理に供するためには所定の位置に所定の間隔で配置されている必要がある。
【００５１】
本発明では、以下に述べる第一または第二の実施形態により、所定の位置に単独、もしくは所定の間隔で配列された、下地孔１３およびシリンダ状微細ドメイン２２から構成される通過経路１４を形成する。
【００５２】
（第一の実施形態）
まず、第一の実施形態について図５（ａ）〜（ｄ）を適宜参照しながら説明する。本実施形態によれば、本発明の第一の効果であるＤＮＡ鎖の搬送遅延化に加え、下地孔のサイズより微細な通過経路を得ることができるという第二の効果を同時に得ることができる。
【００５３】
図１、図２（ａ）および図２（ｂ）に模式的に示したように、本発明によるＤＮＡ搬送でデバイス１０は下地孔１３が開孔された下地材１１に前述した特徴を有するブロック共重合体薄膜２０が製膜されてなる。
【００５４】
第一の実施形態では、図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、下地孔１３の直径Ｄはシリンダ状微細ドメイン２２の直径ｄより大きいことを特徴とする。下地孔１３は前述したように半導体微細加工に代表されるトップダウン的手法により加工すればよく、目的の位置に開孔を配置することができる。一方、トップダウン的手法では、得られる下地孔の直径Ｄには加工技術上の制限があり、前述したように直径がシングルナノオーダーの開孔を再現性良く得ることは困難である。しかし、下地孔１３の直径Ｄ、シリンダ状微細ドメイン２２の直径ｄ、およびシリンダ状微細ドメイン２２の中心間隔Ｌを下記の式１の関係とした場合、下地孔１３上もしくはその内部にシリンダ状微細ドメイン２２が自己整合的に配置され、結果、下地孔１３より小さな直径を有する通過経路１４を得ることができる。
式１：  ｄ ＜ Ｄ ＜ Ｌ
【００５５】
式１の関係が成立する場合、下地孔１３上にブロック共重合体薄膜２０を製膜し、自己組織化させてシリンダ状微細ドメイン２２をブロック共重合体薄膜２０を貫通するように形成させると、図５（ａ）に模式的に示す通り、下地孔１３の上にシリンダ状微細ドメイン２２が自己整合的に１つ配置される。この場合、下地孔１３とシリンダ状微細ドメイン２２の中心は必ずしも一致するものではないが、ＤＮＡ鎖はシリンダ状微細ドメイン２２および下地孔１３をから構成される通過経路１４を通過することが可能であり、搬送デバイスとしての動作に問題は生じない。
【００５６】
また、式１の関係が成立する別の構成として図５（ｂ）〜（ｄ）を例示することもできる。図５（ｂ）はブロック共重合体薄膜２０の一部が下地孔１３の内部にも製膜されている状態、図５（ｃ）はブロック共重合体薄膜２０の一部が下地孔１３の両面に製膜されている状態、図５（ｄ）はブロック共重合体薄膜２０が下地孔１３の内部に製膜されている状態を模式的に示している。このような構成を取ると、下地孔１３の周囲壁面の効果によりシリンダ状微細ドメイン２２と下地孔１３の中心が該等しくなりように両者の位置が自己整合される。
【００５７】
この実施形態によれば、下地孔１３の径Ｄよりも小さな径を有する通過経路１４を簡便に得ることができる、通過経路１４の加工はより簡便になり、ＤＮＡ搬送制御デバイスの製造にかかわるコストの低下が期待できる。さらに、通過経路１４のサイズはシリンダ状微細ドメイン２２の直径ｄで規定されるので、その寸法再現性も極めて良好となる。
【００５８】
第一の実施形態を適用する場合、シリンダ状微細ドメイン２２の直径ｄは、シリンダ状微細ドメイン中に一度に複数のＤＮＡ鎖が侵入しないよう２０ｎｍ以下、特に１０ｎｍ以下であることが好ましく、またＤＮＡ鎖が侵入することが困難とならないよう１ｎｍ以上、特に１．４ｎｍ以上であることが好ましい。
【００５９】
下地孔１３の直径Ｄとシリンダ状微細ドメイン２２の直径ｄとの比Ｄ／ｄは、可能な限り大きくすることが好ましい。式１によると、そのためにはシリンダ状微細ドメイン２２の中心間間隔Ｌとシリンダ状微細ドメイン２２の直径ｄとの比Ｌ／ｄを大きくする必要がある。前述したようにＬ／ｄ値の大きさはブロック共重合体のミクロ相分離現象に支配されるが、液晶性ブロック共重合体を適用することにより通常より大きな値とすることができる。
【００６０】
（第二の実施形態）
次に、本発明の第二の実施形態について図５（ｅ）〜（ｇ）を適宜参照しながら説明する。第二の実施形態は、第一の実施形態とは異なり、下地孔１３の直径Ｄがシリンダ状微細ドメイン２２の直径ｄより小さいことを特徴とする。
式２：  ｄ ＞ Ｄ
【００６１】
式２の関係が成立する場合、通過経路１４中を搬送されるＤＮＡ鎖を一分子に制限する機能は下地孔１３が有することとなり、シリンダ状微細ドメイン２２はＤＮＡ鎖の搬送速度を遅延化する機能にのみ寄与する。
【００６２】
本実施形態では、一度に通過するＤＮＡ鎖を一分子に制限することが可能なサイズまで下地孔１３の直径を小さくする必要がある。しかしながら、シリンダ状微細ドメイン２２を有しないソリッドステートナノポアと比較して、ポアの直径の制限は緩和される。すなわち通常のソリッドステートナノポアにおいては、ＤＮＡの搬送速度を遅延化する効果も直径の縮小により得る必要があり、そのためにはポアの直径をＤＮＡ鎖１分子のサイズと同等である１〜２ｎｍとする必要がある。それに対して、本実施形態ではＤＮＡ鎖の遅延化効果はシリンダ状微細ドメイン２２により発現させることができるため、下地孔１３は一度に通過するＤＮＡ鎖の本数を１本に制限できるサイズ、具体的には１０ｎｍ以下、特に３ｎｍ以下にできれば十分である。
【００６３】
本実施形態の特徴として、封鎖電流方式によるＤＮＡの塩基配列の読取りが可能な点が挙げられる。図１に示したように、ＤＮＡ搬送制御デバイスを塩化カリウムに代表される低分子電解質の水溶液に浸漬した状態で電圧を印加すると、電解質がナノポアを通過することによることに由来するイオン電流が流れる。水溶液中にＤＮＡ鎖が含まれていると、ＤＮＡ鎖がナノポアを通過するイベントが発生する。この際のイオン電流を測定すると、その電流値はナノポアを通過している塩基の種類に対応し変化する。この電流変化量から塩基配列を読み取る手法が封鎖電流方式である。封鎖電流方式では配列を読み取るためのセンサを別途準備する必要がない点で優れた方法である。
【００６４】
しかしながら、封鎖電流方式により塩基による電流値の変化を一塩基分が読み取れる解像度で読み取るためには、ナノポアの厚みが一塩基長と同等である必要がある。すなわち、ナノポアはその直径が小さいだけでなく、厚みが数ナノメータ以下である必要がある。なお、ナノポアの直径に厚み方向で分布がある場合、もっとも直径の小さい部分の厚みが数ナノメータ以下である必要がある。そのような極薄膜のナノポアは、下地材としてグラフェン等の素材からなる極薄の下地材を開孔することで製造することが可能である。なお、グラフェン以外であっても下地材の厚みを数ｎｍとすることができる物質であれば同様に用いることができる。また、より厚い下地材であっても加工によりナノポア端部の厚みを同等に薄く加工できるのであればそのようなプロセスを活用することも同様に可能である。
【００６５】
一方、下地材の開口部の厚みが数ｎｍ程度では、たとえその直径をＤＮＡ鎖１分子の径と同等の理想的な径にすることができたとしても、電流値の変化を計測できる速度までＤＮＡ鎖の搬送速度を遅延化させることは困難である。しかし、本発明では、通過経路を下地材１１の下地孔１３とブロック共重合体薄膜２０中のシリンダ状微細ドメイン２２とからなるハイブリッドとすることにより、ＤＮＡ鎖の搬送速度の遅延作用が得られ、かつ一塩基分が読み取れる解像度の電流値変化の検出も可能となる。本実施形態によるＤＮＡ搬送制御デバイスは、封鎖電流方式によるＤＮＡシーケンシング装置に特に有用である。
【００６６】
本実施形態の式２の関係が成立する構成としては、図５（ｅ）〜（ｇ）に模式的に示したものが挙げられる。図５（ｅ）はブロック共重合体薄膜２０が下地孔１３を有する下地材１１の表面に製膜されている状態、図５（ｆ）はブロック共重合体薄膜２０が下地材１１の表面に加えて下地孔１３の内部にも製膜されている状態、図５（ｇ）はブロック共重合体薄膜２０が下地材１１の両面に製膜されている状態を模式的に示している。これらどの構成であっても上記した効果は同様に発現できる。
【００６７】
本実施形態において、シリンダ状微細ドメイン２２の直径ｄは、過度に大きいとシリンダ状微細ドメイン内の親水性高分子鎖が膨潤されやすくなりＤＮＡの搬送遅延効果が十分に発揮されないため５０ｎｍ以下、特に３０ｎｍ以下であることが好ましく、また後述する下地孔１３とシリンダ状微細ドメイン２２の位置合わせを行う上では、直径ｄが５ｎｍ以上、特に１０ｎｍ以上であることが好ましい。
【００６８】
本実施形態では、下地孔１３とシリンダ状微細ドメイン２２を１：１の関係で配置するには工夫が必要である。前述の第一の実施形態の場合、式１を満足することで自己整合的に下地孔１３とシリンダ状微細ドメイン２２を配置することが可能であったが、第二の実施形態の場合、式１を満足するものではないため、自己整合的な位置合わせ機構は発現しない。この問題を解決するための方法として、仕切り部材を用い、グラフォエピタキシーを利用する方法が挙げられる。
【００６９】
図６は、仕切り部材を用い、グラフォエピタキシーによりシリンダ状微細ドメイン２２の配列を制御する方法を説明する図である。グラフォエピタキシーは、ここでは、仕切り部材の壁面のような立体ガイドにより、ブロック共重合体の自己組織化で得られる微細ドメインの配列を制御することを意味する。
【００７０】
図６（ａ）および（ｂ）には、下地材１１の表面に六角形の窪み空間を形成するように仕切り部材１５を配置した例を示す。シリンダ状微細ドメイン２２はヘキサゴナルに配列した状態で自己組織化するが、仕切り部材１５の壁面が存在する場合、仕切り部材１５の壁面の形状に対応して、すなわちシリンダ状微細ドメイン２２が形成する配列格子の最も密な方位が壁面に沿った状態で配列する。これは制限された空間内にシリンダを細密充填した場合に自由エネルギーが最小になる効果に由来する。そのため、図６（ａ）に示すように六角形の空間が存在する場合、シリンダ状微細ドメイン２２は仕切り部材１５の各壁面に沿って配列する。この際、六角形の空間の対向する頂点を結ぶ距離をシリンダ状微細ドメイン２２の中心間間隔Ｌの奇数倍にほぼ等しい距離に設計すると、空間の中心にシリンダ状微細ドメイン２２を配置することができる。すなわち、六角形の空間の中心に下地孔１３を配置すれば、下地孔１３とシリンダ状微細ドメイン２２を１：１で配置することが可能となる。なお、空間の形状は必ずしも六角形に制限されるものではなく、四角形や円形などであってよい。
【００７１】
仕切り部材により形成される空間は、窪みではなく壁面のみであっても同様のグラフォエピタキシー効果が得られる。壁面の配置は、前記と同様に、六角形、四角形や円形などの空間を形成するようにすればよい。また、図６（ｃ）に示すように、一端、もしくは両端が閉じていない壁面とすることも可能である。この場合図６（ｃ）に示したように壁面にノッチ１６を設けることにより、壁面に平行な方向での配置を制御することが可能である。
【００７２】
微細ドメインの配列を制御する他の方法としては、光等の外場を利用する方法や、下地材表面を化学的にパターン化する方法等があり、ＤＮＡ搬送制御デバイスの設計に応じて最適な方法を適用すればよい。上記の配列制御方法は本発明の第一の実施形態と組み合わせて用いることもできる。その場合、下地孔とシリンダ状微細ドメインのより高精度な位置合わせが可能となる。
【００７３】
仕切り部材の製造には、既存の半導体微細加工技術、例えばフォトリソグラフィや各種直接描画手法を適宜用いることができる。また、仕切り部材の材質には特に制限はなく、シリコン等の半導体材料、金やチタン等に代表される金属材料、それらの酸化物や窒化物、さらには、高分子やレジスト等の有機物を適宜用いることができる。
【００７４】
（マルチポアＤＮＡ搬送制御デバイス）
前述したように、本発明の第一の実施形態および第二の実施形態のいずれにおいても、下地孔１３とシリンダ状微細ドメイン２２を１：１で配置することが可能である。この特徴を活用すれば任意の位置にＤＮＡ鎖を搬送する複数の通過経路１４が配置されたマルチポアＤＮＡ搬送制御デバイスを得ることができる。具体的には任意の位置に複数の下地孔１３を設け、その表面にブロック共重合体薄膜を製膜し、シリンダ状微細ドメイン２２が下地孔に対して１：１で配置されるようにする。その際、下地孔１３とシリンダ状微細ドメイン２２の位置合わせには上述した各種方法を適用すればよい。すなわち、本発明の第一の実施形態の場合には自己整合的な位置合わせもしくは仕切り部材を活用したグラフォエピタキシーを利用すればよい。また、第二の実施形態の場合には、仕切り部材を活用したグラフォエピタキシーを利用すればよい。マルチポアＤＮＡ搬送制御デバイスによれば、ＤＮＡ鎖の配列読取の並列処理を実現でき、読取り速度の短縮化に特に効果的である。
【実施例】
【００７５】
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。【００７６】
［実施例１：第一の実施形態］
（１）液晶性ブロック共重合体の合成と評価
ブロック共重合体には、親水性高分子鎖としてＰＥＯを、疎水性高分子鎖としてアゾベンゼンに基づくメソゲン基を有する液晶性側鎖を有するポリメタクリレート誘導体（ＰＭＡ（Ａｚ））からなるＰＥＯ−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）を用いた。その化学式を以下に示す。
【化１】
2015068673.tif 000003
（式中、化学式中のｍおよびｎは自然数でありＰＥＯおよびＰＭＡ（Ａｚ）の重合度を示す）【００７７】
ＰＥＯ−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）はY. Tian et al., Macromolecules 2002, 35, 3739-3747に記載されている方法に従い、原子移動ラジカル重合法により重合した。得られたブロック共重合体の重合度を１Ｈ ＮＭＲおよびＧＰＣにより評価した。重合したＰＥＯ−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）の化学組成は下記の表１に記載のとおりである。【００７８】
得られたＰＥＯ−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）の自己組織化構造を評価した。まず、ＰＥＯ−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）をトルエンに濃度１．５重量％になるように溶解させ、ＳｉＮ薄膜を製膜したＳｉウエハ片に膜厚が約５０ｎｍとなるようにスピンコートした。この際、ＰＥＯ−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）の膜厚は光学式膜厚計（フィルムメトリックス社製Ｆ２０）により計測し、膜厚の調整はスピンコート時の回転数を変化させることにより行った。なお、回転数は約３０００ｒｐｍで目的の膜厚が得られた。【００７９】
次に、得られたサンプルを真空オーブンに導入し、以下の方法で熱アニール処理することでＰＥＯ−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）薄膜を自己組織化させた。まず、サンプルを真空中において１４０℃に加熱した状態で１時間放置した。この温度ではＰＭＡ（Ａｚ）ｎが等方相を形成していることを別途行った偏光顕微鏡観察で確認した。次に、サンプルを９０℃まで冷却し、ＰＭＡ（Ａｚ）ｎを等方相からスメクチック液相へ転移させた。この状態で３時間放置した後に、自然冷却し、自己組織化処理を完了した。【００８０】
得られたサンプルの自己組織化構造を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、日立ハイテクノロジーズ社製Ｓ−４８００）または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ、日立ハイテクノロジーズ社製ＨＦ２２００）で観察した。観察はサンプルをＲｕ蒸気に暴露することでＰＥＯ相を染色した後に実施した。得られた顕微鏡像の例を図７に示す。【００８１】
図７（ａ）はＰＥＯ１１４−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）３４薄膜のＳＥＭ像であり、Ｒｕにより染色されたＰＥＯシリンダ状微細ドメインがＰＭＡ（Ａｚ）からなるマトリックス中で六方細密構造を形成して配列していることがわかった。なお、ＳＥＭによるとＲｕにより染色されたＰＥＯはＰＭＡ（Ａｚ）より多くの二次電子を発生するため、ＰＥＯシリンダ状微細ドメインは白く、マトリックスのＰＭＡ（Ａｚ）は黒く観察される。【００８２】
図７（ｂ）はＰＥＯ４０−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）８４薄膜のＴＥＭ像であり、Ｒｕにより染色されたＰＥＯシリンダ状微細ドメインがＰＭＡ（Ａｚ）からなるマトリックス中で六方細密構造を形成して配列していることがわかった。なお、ＴＥＭによるとＲｕにより染色されたＰＥＯはＰＭＡ（Ａｚ）より電子が透過しづらいため、ＰＥＯシリンダ状微細ドメインは黒く、マトリックスのＰＭＡ（Ａｚ）は白く観察される。【００８３】
他の組成を有するＰＥＯ−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）も同様に評価し、得られた電子顕微鏡像を画像処理することでＰＥＯからなるシリンダ状微細ドメインの直径ｄと中心間距離Ｌを測定した。結果を表１に記載した。
【表１】
2015068673.tif 000004
【００８４】
（２）ＤＮＡ搬送制御デバイスの作製
図８（ａ）〜（ｄ）に模式的に示したプロセスに従ってＤＮＡ搬送制御デバイスを製作した。まず、サポート基板であるＳｉウエハ上に、膜厚が３０ｎｍのＳｉＮ薄膜を製膜し、Ｓｉウエハの一部を異方エッチングにより除去して製造されたＳｉＮメンブレンウインドウを購入し、下地材とした（図８（ａ））。ＳｉＮ薄膜の開口部は２５０μｍ角であった。次に、開口部のＳｉＮメンブレンに下地孔を１つ、以下の方法で開孔した（図８（ｂ））。【００８５】
下地孔の径を１５ｎｍ以上とする場合、開孔には収束イオンビーム加工装置（ＦＩＢ、日立ハイテクノロジーズ社製ＦＢ２２００）を用いた。開孔加工条件は、加工時間とその繰り返し数を変化させ、目的のサイズの孔が安定的に加工できる条件を探索して適用した。開孔形状の確認および開孔径の評価はＴＥＭ観察により実施した。得られた、下地孔の例を図９（ａ）に示す。【００８６】
下地孔の径を１５ｎｍ以下とする場合、開孔は加速電圧２００ｋＶの走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ、日立ハイテクノロジーズ社製ＨＤ２７００）を用いて、ＳｉＮメンブレンにフォーカスした電子線を照射することにより行った。開孔径の調整は電子線の照射時間を変化させ調整した。開孔状況は、加工に用いたＳＴＥＭを用いて明視野像を観察することに確認した。【００８７】
次に、下地孔を開孔した下地材表面にＰＥＯ−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）を製膜した（図８（ｃ））。まず、ＰＥＯ−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）をトルエンに濃度１．５重量％になるように溶解し、ＳｉＮ薄膜を製膜したＳｉウエハ片に膜厚が約４０ｎｍとなるようにスピンコートした。この際、ＰＥＯ−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）の膜厚は光学式膜厚計（フィルムメトリックス社製Ｆ２０）により計測し、膜厚の調整はスピンコート時の回転数を変化させることにより行った。なお、回転数を約３０００ｒｐｍとすることで目的の膜厚が得られた。【００８８】
得られたサンプルを、真空オーブンを用い熱アニール処理することでＰＥＯ−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）薄膜を自己組織化した。まず、サンプルを真空中において１４０℃に加熱した状態で１時間放置し、次いで９０℃まで冷却して、ＰＭＡ（Ａｚ）ｎを等方相からスメクチック液相へ転移させた。この状態で３時間放置した後に、自然冷却し、自己組織化処理を完了した（図８（ｄ））。【００８９】
表２に示した仕様に従ってサンプルＮｏ．１−１〜１−９のＤＮＡ搬送制御デバイスを製造した。得られたＤＮＡ搬送制御デバイスをＳＴＥＭ（日立ハイテクノロジーズ社製ＨＤ２７００）を用いて観察し、下地孔とシリンダ状微細ドメインの配置状態を確認した。ＳＴＥＭを用いると、透過電子検出器による明視野像を観察するのと同時に、二次電子検出器による像も得られ、それらを電子的に重ね合わせた像（オーバーレイ像）を作製することができる。明視野像からは下地孔の情報が、二次電子像からはシリンダ状微細ドメインの配置に関する情報が得られるので、両者を重ね合わせることにより下地孔とシリンダ状微細ドメインの位置合わせの状態を知ることができる。【００９０】
得られたオーバーレイ像の例を図９（ｂ）に示す。この図は表２のサンプルＮｏ１−２の仕様に従って製造したものを観察したものである。得られた像により、下地孔（明瞭化のため点線で表示）の中心にシリンダ状微細ドメインが自己整合的に１：１の関係で配置されている様子が確認された。他のサンプルについても同様に評価し、下地孔とＰＥＯからなるシリンダ状微細ドメインの配置状態を観察し、下地孔とシリンダ状微細ドメインの位置関係および下地孔上に配置されているシリンダ状微細ドメインの数を評価した。【００９１】
得られた結果を表２にまとめた。下地孔の直径Ｄと比較し、ＰＥＯからなるシリンダ状微細ドメインの直径ｄが小さく、また、下地孔の径Ｄと比較してその中心間距離Ｌが大きい関係を有する、すなわち式１のｄ＜Ｄ＜Ｌの関係を満足していたサンプル（サンプルＮｏ．１−１、１−２、１−５、１−６）については下地孔とシリンダ状微細ドメインが自己整合的に１：１の関係で配置されていることがわかった。一方、式１の関係を満足しないサンプル（サンプルＮｏ．１−３、１−４、１−７、１−８、１−９）については、下地孔に対して複数のシリンダ状微細ドメインが配置される結果となった。【００９２】
以上の結果から式１の関係を満足するようにシリンダ状微細ドメインを形成させると、下地孔とシリンダ状微細ドメインを１：１の関係で配置することができ、より微細なＤＮＡ通過経路を有するＤＮＡ搬送制御デバイスを簡便に作製できることが実証された。【００９３】
（３）ＤＮＡ搬送制御デバイスによるＤＮＡ鎖搬送評価
上記方法で作製したＤＮＡ搬送制御デバイスをアクリル樹脂で作製したフローセル内に設置した。フローセルはＤＮＡ搬送制御デバイスの両側に溶液セル（容量９０μｌ）を有し、溶液セル内には内部に液体を導入するための流路を設けた。また、各溶液セルにはＡｇ／ＡｇＣｌ電極を設置した。【００９４】
溶液セルの片側には流路を通してバッファー溶液に溶解した濃度２ｎＭのＤＮＡ試料を導入し、もう一方にはバッファー溶液を導入した。ＤＮＡ試料としては二本鎖ＤＮＡ（ｄｓＤＮＡ、塩基長１ｋ、NoLimits、Fermentas社製）、もしくは一本鎖ＤＮＡ（ｓｓＤＮＡ、塩基長５ｋ、ポリデオキシアデニル酸）を用いた。またバッファーには１Ｍ ＫＣｌ、１０ｍＭ Ｔｒｉｓ−ＨＣｌおよび１ｍＭ ＥＤＴＡ混合溶液をｐＨ７．５に調整して用いた。【００９５】
電極間にパッチクランプアンプ（Axopatch 200B、Axon instruments社製）により電圧を引加し、電極間に流れるイオン電流の時間変化を測定した。信号はローパスフィルタにより高周波成分を除去（カットオフ周波数２ｋＨｚ）した後に、ＡＤコンバータ（NI USB-6281、National instruments社製）を用いてサンプリング周波数５０ｋＨｚでデジタル化し記録した。【００９６】
図１０は、ｄｓＤＮＡ鎖を含むバッファー溶液を試料として用いた場合に観察されたイオン電流値を時間に対してプロットした図である。ＤＮＡ搬送制御デバイスとしては下地孔の直径Ｄ＝２１ｎｍ、シリンダ状微細ドメインの直径ｄ＝９ｎｍであるものを用いた（表２、サンプルＮｏ．１−２）。電極間に引加した電圧は７００ｍＶであった。図１０に示した図には、ベースとして定常的に流れるイオン電流にスパイク状のピークが観察された。このスパイクはｄｓＤＮＡ鎖がＤＮＡ搬送制御デバイスの通過経路を通過した際にイオン電流が変化したことに由来する。【００９７】
時間分解能を上げてイオン電流のスパイクを計測した例を図１１（ａ）に示す。このような測定結果から、個々のスパイクの持続時間を評価し、ＤＮＡ鎖が通過経路を通過するのに要した時間を計測した。持続時間を多数のスパイクにおいて計測して作製した分布図を図１１（ｂ）に示す。図１１（ｂ）より、スパイクの持続時間は正規分布していることがわかった。頻度が最大となる持続時間を求めたところ、その値は１８ｍｓｅｃとなり、ＤＮＡ搬送制御デバイスの通過経路をｄｓＤＮＡ鎖が一本通過するのに要する時間は平均１８ｍｓｅｃであることがわかった。用いたｄｓＤＮＡ鎖は塩基長１ｋであったので、一塩基あたりの通過時間は１８μｓｅｃ/塩基であることがわかった。【００９８】
同様の実験をｓｓＤＮＡ鎖を含むバッファー溶液を試料として行った。その結果、ｓｓＤＮＡ鎖が一本通過するのに要する時間は平均３４ｍｓｅｃであることがわかった。用いたｓｓＤＮＡ鎖は塩基長５ｋであったので、一塩基あたりの通過時間は７μｓｅｃ/塩基であることがわかった。【００９９】
ＤＮＡ搬送制御デバイスとして、下地孔の直径Ｄ＝２１ｎｍ、シリンダ状微細ドメインの直径ｄ＝２ｎｍのもの（表２、サンプルＮｏ．１−６）を用いて、上記方法と同様にｓｓＤＮＡ鎖の通過時間を計測した。その結果、ｓｓＤＮＡ鎖の一塩基あたりの通過時間は１００μｓｅｃ/塩基であった。その他のＤＮＡ搬送制御デバイスについても同様に計測を行い、結果を表２にまとめた。【０１００】
ＤＮＡ通過経路を構成する微細ドメインの数、すなわち下地孔に配置されたシリンダ状微細ドメインの数が１つのサンプルについては、明確にＤＮＡ鎖の通過時間を計測することができた（表２、サンプルＮｏ．１−１、１−２、１−５、１−６）。一方、下地孔に配置されたシリンダ状微細ドメイン数が３個のサンプル（サンプルＮｏ．１−３、１−７、１−９）については、ＤＮＡ鎖の通過時間の評価は可能である場合はあったものの、通過時間の分布が大きく信頼性の高い計測を実施することは困難であった。これは、ＤＮＡの通過経路が複数存在することにより、ＤＮＡ鎖が同時に異なったシリンダ状微細ドメインを通過したためであると考えられる。【０１０１】
下地孔に配置された構成するシリンダ状微細ドメイン数が７個のサンプル（表２、サンプルＮｏ．１−４、１−８）については、イオン電流値計測においてＤＮＡ鎖の通過に伴うスパイク状のピークが観察される頻度が非常に小さくなった。代わって定常的にピーク相当のイオン電流値が連続して観察される状態となり、ＤＮＡ鎖の通過時間の評価は不可能であった。これは、ＤＮＡ鎖の通過経路が多数存在するため、継続的に多数のＤＮＡ鎖がＤＮＡ搬送制御デバイスを通過したためであると考えられる。以上の結果より、ＤＮＡ鎖の搬送を再現性よく制御し、ＤＮＡの通過時間を測定するためには、式１の関係を満たすようにＤＮＡ搬送制御デバイスを作製する必要があることがわかった。【０１０２】
対照として、ＳｉＮからなる薄膜に直径Ｄ＝９ｎｍの孔をＳＴＥＭにより１つ加工して、下地孔（ソリッドステートポア）のみからなりブロック共重合体薄膜層を有しないＤＮＡ搬送制御デバイスを用意し（表２、サンプル２−１）、上記と同様の方法によりＤＮＡ鎖搬送評価を行った。その結果、ｄｓＤＮＡ鎖の一塩基あたりの通過時間は平均０．１μｓｅｃ/塩基、ｓｓＤＮＡ鎖の一塩基あたりの通過時間は平均１．０×１０−４μｓｅｃ/塩基であった。同様に、直径Ｄ＝２ｎｍの孔をＳＴＥＭにより１つ加工した、ソリッドステートポアのみからなりブロック共重合体薄膜層を有しないＤＮＡ搬送制御デバイスを用意し（表２、サンプル２−２）、上記と同様の方法によりＤＮＡ鎖搬送評価を行った。その結果、ｓｓＤＮＡ鎖の一塩基あたりの通過時間は平均０．１μｓｅｃ/塩基であった。【０１０３】
例えば、いずれも直径９ｎｍのＤＮＡ通過経路を有するサンプルＮｏ．１−２（ブロック共重合体により形成されたシリンダ状微細ドメインを一つ有する）とサンプルＮｏ．２−１（ブロック共重合体薄膜層を有しない）を比較すると、ｄｓＤＮＡ鎖の通過時間はそれぞれ１８μｓｅｃ/塩基および０．１μｓｅｃ/塩基であり、シリンダ状微細ドメインを形成させたことによりＤＮＡの通過時間を１８０倍化できたことがわかる。また、ｓｓＤＮＡ鎖の場合にはさらに大きな遅延効果が得られ、ブロック共重合体により形成されたシリンダ状微細ドメインにより、通過時間を４ケタ以上増大できることがわかった。同様の効果は、いずれも直径２ｎｍのＤＮＡ通過経路を有するサンプルＮｏ．１−６（ブロック共重合体により形成されたシリンダ状微細ドメインを一つ有する）とサンプルＮｏ．２−２（ブロック共重合体薄膜層を有しない）を比較することによっても明らかである。【０１０４】
以上の結果から、ブロック共重合体により形成されたシリンダ状微細ドメインを有するＤＮＡ搬送制御デバイスは、ソリッドステートポアのみからなるデバイスと比較して、ＤＮＡ鎖の搬送速度を大幅に遅延できることがわかった。
【表２】
2015068673.tif 000005
【０１０５】
［実施例２：第一の実施形態の別態様］
実施例１（２）と同等の方法で、異なる構造を有するＤＮＡ搬送制御デバイスを作製し、ＤＮＡ鎖搬送評価を行った。【０１０６】
（１）ＤＮＡ搬送制御デバイスの作製
まず、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ’）および（ｄ’）に模式的に示したプロセスに従ってＤＮＡ搬送制御デバイスを製作した。表２のサンプルＮｏ．１−２と同じ下地材（下地孔直径Ｄ＝２１ｎｍ）を用意し（図８（ａ）および（ｂ））、その下地材の上にＰＥＯ１１４−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）３４薄膜を実施例１よりも薄く、５ｎｍの厚さで製膜した（図８（ｃ’））。次に、得られたサンプルを実施例１と同様に熱アニール処理して、ＰＥＯ１１４−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）３４薄膜を自己組織化させ、直径９ｎｍのシリンダ状微細ドメインを形成させた（図８（ｄ’））。【０１０７】
得られたＤＮＡ搬送制御デバイスをＳＥＭとＳＴＥＭにより観察したところ、図８（ｄ’）にも模式的に図示したように、ＰＥＯからなるシリンダ状微細ドメインは下地孔内のみに形成されていることが確認された。また、シリンダ状微細ドメインは下地孔のほぼ中心に１：１で配置されている様子が確認された。なお、周辺部にはＰＥＯ１１４−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）３４の残膜が離散的に存在することが確認されたが、その内部には明瞭な相分離構造は認められなかった。これは、熱アニール過程において、極薄のＰＥＯ１１４−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）３４膜が下地材表面から脱濡れし、一部は下地孔内に流入し、残りは下地材表面に離散的に残存したためであると考えられる。【０１０８】
（２）ＤＮＡ搬送制御デバイスによるＤＮＡ鎖搬送評価
上記のように作製したデバイスを用い、実施例１と同様にＤＮＡ鎖搬送評価を行った。その結果、実施例１と同様に、ｄｓＤＮＡ鎖（塩基長１ｋ）の一塩基あたりの通過時間は１８μｓｅｃ/塩基、ｓｓＤＮＡ鎖（塩基長５ｋ）の一塩基あたりの通過時間は７μｓｅｃ/塩基であり、これらの値はソリッドステートポアのみからなるＤＮＡ搬送制御デバイス（サンプルＮｏ２−１および２−２）と比較して非常に大きな値となった。【０１０９】
以上の結果から、本態様においても、ソリッドステートポアのみからなるデバイスと比較して、ＤＮＡ鎖の搬送測度を大幅に遅延できることがわかった。【０１１０】
［実施例３：第二の実施形態］
第一の実施形態とは異なり、下地孔の直径Ｄがシリンダ状微細ドメインの直径ｄよりも小さい第二の実施形態のＤＮＡ搬送制御デバイスを作製しＤＮＡ鎖搬送評価を行った。【０１１１】
（１）ＤＮＡ搬送制御デバイスの作製
図１２（ａ）〜（ｅ）に模式的に示したプロセスに従ってＤＮＡ搬送制御デバイスを製作した。ＳｉＯ２薄膜（厚み４０ｎｍ）とＳｉＮ薄膜（厚み１０ｎｍ）が積層されたＳｉウエハを準備し、その両面にレジストを製膜しパターニングした。ここで、Ｓｉウエハ裏面側のレジストはＳｉウエハの異方エッチングによりＳｉウエハにウインドウを開孔するために用い、上部ＳｉＯ２表面のレジストはＳｉＯ２をパターニングするために用いた。図１２（ａ）は、レジストを両面にパターニングした後にＫＯＨ水溶液によりＳｉウエハに５０μｍ角のウインドウを開孔した状態の断面図を示している。【０１１２】
次に、図１２（ｂ）に示すように、ＳｉＯ２薄膜を上部のレジストをマスクとしてバッファードフッ酸によりエッチングし、下地材となるＳｉＮ表面にＳｉＯ２からなる仕切り部材を形成した。ここで、仕切り部材の形状は図６（ａ）にも模式的に示したような、一辺が１１０ｎｍ（対向する頂点間距離が２２０ｎｍ）の正六角形とした。加工後、両面に残存していたレジストを除去した。【０１１３】
次いで、図１２（ｃ）に示すように、ＳＴＥＭ（ＨＤ２７００、日立ハイテクノロジーズ社製）を用い、加速電圧２００ｋＶにおいて収束した電子ビームを照射することにより、ＳｉＮ下地材に直径が２ｎｍの下地孔を開孔した。この際の加工条件は、別途用意した同膜厚のＳｉＮメンブレンに照射条件を変化させて最適化することにより決定した。また、下地孔の位置は、仕切り部材の壁面により形成された正六角形の中心の位置とした。【０１１４】
次いで、図１２（ｄ）に示すように、実施例１と同様にしてＰＥＯ−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）をＳｉＮ下地材表面に製膜した。この際、ＰＥＯ−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）には分子量の大きなＰＥＯ２７２−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）９４を用いた。表１に示すように、ＰＥＯ２７２−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）９４は、ＰＭＡ（Ａｚ）からなるマトリックス中に、直径がｄ＝２０ｎｍのＰＥＯからなるシリンダ状ミクロドメインが中心間隔Ｌ＝４４ｎｍで形成させるよう自己組織化する。ＰＥＯ２７２−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）９４の製膜は、仕切り部材であるＳｉＯ２表面上に、膜厚が約２０ｎｍとなるよう、スピンコート法により行った。なお、この際、仕切り部材で囲まれた空間の内部、すなわちＳｉＮ表面における膜厚は３０ｎｍ程度であると考えられた。なお、仕切り部材で囲まれた六角形の空間の対向する頂点間間隔２２０ｎｍはシリンダ状微細ドメインの中心間隔である４４ｎｍの５倍、すなわち奇数倍であった。【０１１５】
さらに、図１２（ｅ）に示すように、実施例１と同様に熱アニール処理を実施し、ＰＥＯ２７２−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）９４を自己組織化させることで、仕切り部材で囲まれた正六角形の空間の内部にシリンダ状微細ドメインを形成させた。【０１１６】
得られたサンプルをＳＥＭとＳＴＥＭで観察したところ、仕切り部材で囲まれた六角形の空間内部には、図６（ａ）に模式的に示したものと同様の構造が形成されていることが確認された。すなわち、六角形の仕切り部材をガイドとするグラフォエピタキシーにより、六角形の一辺にはシリンダ状微細ドメインが３個配列し、六角形の中心に直径ｄ＝２０ｎｍのシリンダ状微細ドメインが正確に配置されており、六角形の空間の中心位置に開孔した直径Ｄ＝２ｎｍの下地孔とシリンダ状微細ドメインが１：１に正確に位置合わせされていることが確認された。【０１１７】
なお、六角形の空間の内部にはＰＥＯ２７２−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）９４が均一に充填している様子が確認された。これはアニール過程において、周辺の仕切り部材表面上からＰＥＯ２７２−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）９４が六角形の空間の内部に流入したためであると考えられ、六角形の空間内部におけるＰＥＯ２７２−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）９４の膜厚はＳｉＯ２の膜厚と同等の約４０ｎｍとなっていた。六角形の空間の周辺における仕切り部材（ＳｉＯ２薄膜）表面ではドロップレット状のＰＥＯ−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）残膜が認められたが、これは仕切り部材表面に残存したＰＥＯ−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）が脱濡れを起こした結果であると予測された。【０１１８】
（２）ＤＮＡ搬送制御デバイスによるＤＮＡ鎖搬送評価
上記方法で作製したデバイスを用い、実施例１および２と同様にＤＮＡ鎖搬送評価を行った。その結果、ｓｓＤＮＡ鎖（塩基長５ｋ）の一塩基あたりの通過時間は９μｓｅｃ/塩基であった。一方、図１２（ｃ）までの手順で得られた下地孔のみからなるサンプルを用いて測定を行ったところ、ｓｓＤＮＡ鎖（塩基長５ｋ）の一塩基あたりの通過時間は１×１０−４μｓｅｃ/塩基であった。すなわち、同一サイズの孔であっても、シリンダ状微細ドメインが１：１で配置されたことにより通過時間を９×１０４倍に大幅に遅延化したことがわかった。【０１１９】
［実施例４：第二の実施形態の別態様］
実施例３（１）と同等の方法で、異なる構造を有するＤＮＡ搬送制御デバイスを作製し、ＤＮＡ鎖搬送評価を行った。【０１２０】
（１）ＤＮＡ搬送制御デバイスの作製
図１２（ａ）〜（ｃ）、（ｄ’）および（ｅ’）に模式的に示したプロセスに従ってＤＮＡ搬送制御デバイスを製作した。図１２（ｃ）までは実施例３と同様にして、直径Ｄ＝２ｎｍの下地孔を厚み１０ｎｍのＳｉＮ薄膜に開孔した。次に、図１２（ｄ’）に示すように、実施例３で同じＰＥＯ２７２−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）９４を、仕切り部材であるＳｉＯ２表面上に、膜厚が実施例３の倍である４０ｎｍとなるようスピンコート法により製膜した。その後、実施例３と同様に熱アニールを実施し、ＰＥＯ１１４−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）３４薄膜を自己組織化させて、直径ｄ＝２０ｎｍのシリンダ状微細ドメインを形成させた。【０１２１】
得られたサンプルをＳＥＭとＳＴＥＭで観察したところ、シリンダ状微細ドメインが、六角形の空間内部のみならず、仕切り部材表面にも均一に配列して形成されている様子が観察された。また、ＳＴＥＭによる透過明視野像と二次電子像のオーバーレイ像から下地孔、仕切り部材壁面とシリンダ状微細ドメインの位置の関係を観察したところ、図１２（ｅ’）の断面像に示すように、シリンダ状微細ドメインの配列が仕切り部材壁面に沿うように拘束されており、六角形の空間の中心位置に下地孔とシリンダ状微細ドメインが１：１で正確に位置合わせされていることが確認された。【０１２２】
（２）ＤＮＡ搬送制御デバイスによるＤＮＡ鎖搬送評価
上記方法で作製したデバイスを用い、実施例１〜３と同様にＤＮＡ鎖搬送評価を行った。その結果、ｓｓＤＮＡ鎖（塩基長５ｋ）の一塩基あたりの通過時間は１２μｓｅｃ/塩基であった。この値は、実施例３のデバイスと比較して若干大きなものとなったが、これは実施例４のデバイス構成では実施例３と比較して通過経路を構成しているシリンダ状微細ドメインの高さが大きく、より大きな遅延効果が得られたためであると考えられる。【０１２３】
以上の結果から、本態様においても、ソリッドステートポアのみからなるデバイスと比較して、ＤＮＡ鎖の搬送測度を大幅に遅延できることがわかった。
【符号の説明】
【０１２４】
１０  ＤＮＡ搬送制御デバイス
１１  下地材
１２  サポート基板
１３  下地孔
１４  通過経路
１５  仕切り部材
１６  ノッチ
２０  ブロック共重合体薄膜
２１  マトリックス
２２  シリンダ状微細ドメイン
３０  溶液セル
３１  ＤＮＡ鎖
３２  電極
３３  電解質溶液
４０  ブロック共重合体
４１  疎水性高分子鎖
４２  親水性高分子鎖
４３  固定点
５１  ＳｉＮ薄膜
５２  シリコンウエハ
５３  ＰＥＯ−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）薄膜
５４  ＰＭＡ（Ａｚ）マトリックス
５５  ＰＥＯシリンダ状微細ドメイン
５６  ＰＥＯ−ｂ−ＰＭＡ（Ａｚ）残膜
５７  ＳｉＯ２薄膜
５８  レジスト【０１２５】
本明細書で引用した全ての刊行物、特許および特許出願をそのまま参考として本明細書にとり入れるものとする。
【図１】
2015068673.tif 000006
【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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【図１２】
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【国際調査報告】
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2015068673.tif 000019
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