(57)【要約】ナノ細孔膜デバイスの調製、特徴付けおよび用途を提供する。ナノ細孔デバイスは、ガラス、溶融シリカ、セラミック、または水晶から調製された薄膜を備え、約２ｎｍ乃至約５００ｎｍの範囲の１つ以上のナノ細孔を含む。ナノ細孔は、鋭利にした金属ワイヤを使用したテンプレート法によって調製され、細孔の開口部のサイズは、電気フィードバック回路によって加工中に制御することができる。ナノ細孔デバイスは、４００ｎｍ未満の半径のナノ粒子の計数および分析に特に有用である。
2010502935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ細孔デバイスであって、
厚さと、第１の側部と、第２の側部とを有する膜であって、該第１の側部が該第２の側部に対向している、膜と、
該膜を通って延在し、したがって該膜の該第１の側部および該第２の側部を接続する少なくとも１つのチャネルを形成するナノ細孔であって、該ナノ細孔は、該膜の該第１の側部へ開口する第１の開口部と、該膜の該第２の側部へ開口する第２の開口部とを有し、該ナノ細孔の該第１の開口部の半径は、約２ｎｍ乃至約５００ｎｍの範囲である、ナノ細孔と
を備え、
該膜の該第１の側部と該第２の側部との間に電界を印加する手段と、
該ナノ細孔を通る電流フローおよび／または該膜の該第１の側部と該第２の側部との間の抵抗を監視する手段と、
観測された電流および／または抵抗を処理して、有用な出力を生成する手段と
を含む、ナノ細孔デバイス。
【請求項２】
前記膜は、ガラス、溶融シリカ、水晶、ケイ酸塩、およびそれらの組み合わせから成る群から選択された材料で構成される、請求項１に記載のナノ細孔デバイス。
【請求項３】
前記ナノ細孔は、円錐形であり、該ナノ細孔の前記第１の開口部は、該ナノ細孔の前記第２の開口部よりも小さい、請求項２に記載のナノ細孔デバイス。
【請求項４】
前記電界を印加する手段は、第１の電極と第２の電極とを備える、請求項３に記載のナノ細孔デバイス。
【請求項５】
前記第１の電極は、前記膜の前記第１の側部上に配置され、前記第２の電極は、該膜の前記第２の側部に配置される、請求項４に記載のナノ細孔デバイス。
【請求項６】
前記第１および／または第２の電極は、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極である、請求項５に記載のナノ細孔デバイス。
【請求項７】
前記膜の厚さは、約２０μｍ乃至７５μｍの範囲である、請求項６に記載のナノ細孔デバイス。
【請求項８】
チャンバであって、前記膜は、該チャンバの一体の部分であり、前記ナノ細孔の前記第１の開口部は、該チャンバの外側に面し、該ナノ細孔の前記第２の開口部は、該チャンバの内側に面する、チャンバと、
該チャンバ内に含まれる電解質溶液であって、該ナノ細孔の該第２の開口部は、該溶液内に浸漬される、電解質溶液と、
該チャンバの外側に配置された第１の電極と、
該チャンバの内側に配置された第２の電極であって、該第２の電極の少なくとも一部は、該電解質溶液に浸漬されている、第２の電極と
をさらに備える、請求項３に記載のナノ細孔デバイス。
【請求項９】
ナノ細孔デバイスを形成する方法であって、該方法は、
厚さと、第１の側部と、第２の側部とを有する膜を提供することであって、該第１の側部は該第２の側部の反対側にある、ことと、
該膜の厚さを超えて該膜を通って延在し、したがって該膜の該第１の側部と該第２の側部とを接続する少なくとも１つのチャネルを形成している少なくとも１つのナノ細孔を提供することであって、該ナノ細孔は、該膜の第１の側部へ開口する第１の開口部と、該膜の第２の側部へ開口する第２の開口部とを有し、さらに、該ナノ細孔の該第１の開口部は、約２ｎｍ乃至約５００ｎｍの範囲である、ことと、
該膜の該第１の側部と該第２の側部との間に電界を印加する手段を提供することと、
該ナノ細孔を通る電流フローまたは該膜の該第１の側部と該第２の側部との間の抵抗を監視する手段を提供することと、
観測された電流および／または抵抗を処理する手段を提供することと
を含む、方法。
【請求項１０】
粒子を計数および分析する方法であって、該方法は、
分析すべき粒子を含有する試料溶液を提供することと、
請求項８に記載の前記ナノ細孔デバイスを該試料溶液と接触させることにより、前記ナノ細孔の前記第１の開口部が該試料溶液に浸漬され、かつ、前記第１の電極の適切な部分が該試料溶液に浸漬される、ことと、
該第１の電極と前記第２の電極との間に適切な電圧を印加することにより、該試料溶液からの該粒子を駆動して該ナノ細孔を通過させる、ことと、
該ナノ細孔の電気抵抗および／または導電率の過渡的変化を監視することと、
該過渡的変化を分析して、該粒子の濃度、粒度、形状、および／または電荷を得ることと
を含む、方法。
【請求項１１】
前記粒子は、細胞、細菌、ウイルス、ポリマー粒子、イオン、分子、およびそれらの混合物から成る群から選択される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記粒子は、約２ｎｍ乃至５００ｎｍの範囲である、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本願は、米国特許出願第１１／７４３，５３６号（２００７年５月２日出願）の優先権を主張し、そして米国仮特許出願第６０／９１９，６６０号（２００７年３月２３日出願）および米国仮特許出願第６０／７９７，８５０号（２００６年５月５日出願）の米国特許法１１９条（ｅ）項の利益を主張するものであり、各出願の全体は、参考として本明細書に援用される。
【０００２】
（連邦政府支援の研究開発に関する記述）
本発明は、防衛推進研究プロジェクト機関（ｔｈｅ  Ｄｅｆｅｎｓｅ  Ａｄｖａｎｃｅ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｐｒｏｊｅｃｔｓ  Ａｇｅｎｃｙ）よって与えられた補助金番号ＦＡ９５５０−０６−Ｃ−００６０の下に、政府支援によってなされた。本発明は、また、国立科学基金によって与えられた補助金ＣＨＥ−０６１６５０５の下に、政府支援によってなされた。米国政府には、本発明に対する特定の権利がある。
【０００３】
（発明の技術分野）
本発明は、ナノテクノロジの分野に関する。具体的には、本発明は、粒子を計数および分析するためのガラスナノ細孔デバイスに関する。
【背景技術】
【０００４】
抵抗パルス計数（または「エレクトロゾーン検出」）に基づいた粒子計数は、粒子分析の基本的な方法であり、市販のＣｏｕｌｔｅｒ  Ｃｏｕｎｔｅｒの基準となっている。１９７０年代、ＤｅＢｌｏｉｓ他は、ナノメートルサイズの粒子（半径４５ｎｍ）の検出において、プラスチック膜内にエッチングしたサブミクロンの円筒状細孔を初めて使用したことを報告した（非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３）。近年、Ｃｒｏｏｋのグループは、個別の多壁カーボンナノチューブ（最大で半径６５ｎｍ）を含む、Ｓｉ３Ｎ４またはＰＤＭＳ担持のエポキシ膜を適用し、異なるサイズおよび表面電荷を有する粒子を同時に分析したことを報告した（非特許文献４、非特許文献５、非特許文献６、非特許文献７、非特許文献８、非特許文献９）。Ｓｏｈｎのグループは、ナノ粒子（半径４３ｎｍの小ささ、最大０．１６ｐＭ）および生体分子の計数、および生体学的相互作用における石英基板／ＰＤＭＳでの微細加工ナノ細孔／チャネルの良好な用途を示した（非特許文献１０、非特許文献１１、非特許文献１２、非特許文献１３）。動的光散乱法（非特許文献１４）、およびフィールドフローフラクショネーション（ＦＦＦ）法（非特許文献１５）のような他の手法は、ナノ粒子の分析において成功裏に適用された。単一タンパク質イオンチャネル（例、α−ヘモリシン）は、単一分子検出のための検知要素としても利用された（非特許文献１６、非特許文献１７、非特許文献１８、非特許文献１９、非特許文献２０、非特許文献２１）。
【非特許文献１】ＤｅＢｌｏｉｓ，Ｒ．Ｗ．ａｎｄ  Ｂｅａｎ，Ｃ．Ｐ．  Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．１９７０，４１，９０９−９１６
【非特許文献２】ＤｅＢｌｏｉｓ，Ｒ．Ｗ．ａｎｄ  Ｗｅｓｌｅｙ，Ｒ．Ｋ．Ａ．Ｊ．Ｖｉｒｏｌ．１９７７，２３，２２７−２３３
【非特許文献３】ＤｅＢｌｏｉｓ，Ｒ．Ｗ．ａｎｄ  Ｂｅａｎ，Ｃ．Ｐ．Ｗｅｓｌｅｙ，Ｒ．Ｋ．Ａ．Ｊ．Ｃｏｌｌｏｉｄ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  Ｓｃｉ．１９７７，６１，３２３−３３５
【非特許文献４】Ｓｕｎ，Ｌ．ａｎｄ  Ｃｒｏｏｋｓ，Ｒ．Ｍ．Ｊ．  Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．２０００，１２２，１２３４０−１２３４５
【非特許文献５】Ｉｔｏ，Ｔ．，Ｓｕｎ，Ｌ．ａｎｄ  Ｃｒｏｏｋｓ，Ｒ．Ｍ．  Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２００３，７５，２３９９−２４０６
【非特許文献６】Ｉｔｏ，Ｔ．，Ｓｕｎ，Ｌ．Ｂｅｖａｎ  ａｎｄ  Ｍ．Ａ．；Ｃｒｏｏｋｓ，Ｒ．Ｍ．Ｌａｎｇｍｕｉｒ．２００４，２０，６９４０−６９４５
【非特許文献７】Ｉｔｏ，Ｔ．，Ｓｕｎ，Ｌ．ａｎｄ  Ｃｒｏｏｋｓ，Ｒ．Ｍ．  Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍ．２００３，１４８２−１４８３
【非特許文献８】Ｈｅｎｒｉｑｕｅｚ，Ｒ．Ｒ．，Ｉｔｏ，Ｔ．，Ｓｕｎ，Ｌ．ａｎｄ  Ｃｒｏｏｋｓ，Ｒ．Ｍ．  Ａｎａｌｙｓｔ．２００４，１２９，４７８−４８２
【非特許文献９】Ｉｔｏ，Ｔ．，Ｓｕｎ，Ｌ．Ｈｅｎｒｉｑｕｅｚ，Ｒ．Ｒ．ａｎｄ  Ｃｒｏｏｋｓ，Ｒ．Ｍ．  Ａｃｃ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．２００４，９３７−９４５
【非特許文献１０】Ｓａｌｅｈ，Ｏ．Ａ．ａｎｄ  Ｓｏｈｎ，Ｌ．Ｌ．Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．２００１，７２，４４４９―４４５１
【非特許文献１１】Ｓａｌｅｈ，Ｏ．Ａ．ａｎｄ  Ｓｏｈｎ，Ｌ．Ｌ．Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．Ｕ．Ｓ．Ａ．２００３，１００，８２０−８２４
【非特許文献１２】Ｓａｌｅｈ，Ｏ．Ａ．ａｎｄ  Ｓｏｈｎ，Ｌ．Ｌ．Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．２００２，７３，４３９６−４３９８
【非特許文献１３】Ｓａｌｅｈ，Ｏ．Ａ．ａｎｄ  Ｓｏｈｎ，Ｌ．Ｌ．Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔ．２００３，３，３７−３８
【非特許文献１４】Ｒｕｓｓｅｌ，Ｗ．Ｂ．，Ｓａｖｉｌｌｅ，Ｄ．Ａ．ａｎｄ  Ｓｃｈｏｗａｌｔｅｒ，Ｗ．Ｒ．Ｃｏｌｌｏｉｄａｌ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｓ，Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，１８９８
【非特許文献１５】Ｇｉｄｄｉｎｇｓ，Ｊ．Ｃ．Ｕｎｉｆｉｅｄ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  Ｓｃｉｅｎｃｅ．Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．１９９１
【非特許文献１６】Ｂｅｚｒｕｋｏｖ，Ｓ．Ｍ．ａｎｄ  Ｋａｓｉａｎｏｗｉｃｚ，Ｊ．Ｊ．Ｅｕｒ．Ｂｉｏｐｈｙｓ．Ｊ．１９９７，２６，４７１−４７６
【非特許文献１７】Ｋａｓｉａｎｏｗｉｃｚ，Ｊ．Ｊ．，Ｂｒａｎｄｉｎ，Ｅ．，Ｂｒａｎｔｏｎ，Ｄ．ａｎｄ  Ｄｅａｍｅｒ，Ｄ．Ｗ．Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ  １９９６，９３，１３７７０−１３７７３
【非特許文献１８】Ｍｅｌｌｅｒ，Ａ．，Ｎｉｖｏｎ，Ｌ．，Ｂｒａｎｄｉｎ，Ｅ．，Ｇｏｌｏｖｃｈｅｎｋｏ，Ｊ．ａｎｄ  Ｂｒａｎｔｏｎ，Ｄ．Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ  ２０００，９７，１０７９−１０８４
【非特許文献１９】Ｄｅａｍｅｒ，Ｄ．Ｗ．ａｎｄ  Ｂｒａｎｔｏｎ，Ｄ．Ａｃｃ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．２００２，３５，８１７−８２５
【非特許文献２０】Ｂａｙｌｅｙ，Ｈ．ａｎｄ  Ｃｒｅｍｅｒ，Ｐ．Ｓ．Ｎａｔｕｒｅ  ２００１，４１３，２２６−２３０
【非特許文献２１】Ｈｏｗｏｒｋａ，Ｓ．，Ｃｈｅｌｅｙ，Ｓ．ａｎｄ  Ｂａｙｌｅｙ，Ｈ．Ｎａｔｕｒｅ  Ｂｉｏｔｅｃｈ．２００１，１９，６３６−６３９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
市販の機器（例えば、Ｂｅｃｋｍａｎ  Ｃｏｕｌｔｅｒ社のＭＵＬＴＩＳＩＺＥＲＴＭ  ３  ＣＯＵＬＴＥＲ  ＣＯＵＮＴＥＲ（登録商標））は、半径２００ｎｍ以上の粒子を検出することが可能である。しかし、基礎研究および応用研究の分野におけるより小さなナノ粒子（例、１００ｎｍ未満）についての用途では、粒度および粒子濃度を簡単かつ正確に検出できるようにする新しい分析手法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ナノ細孔デバイスであって、厚さと、第１の側部と、第２の側部とを有する膜であって、第１の側部が第２の側部に対向している、膜と、膜の厚さを超えて膜を通って延在するナノ細孔とを備える、ナノ細孔デバイスが提供される。一般的に、ナノ細孔を含む膜は、２つの区画に分割され、この２つの区画は、一般的に電解質溶液を収容する。該デバイスは、膜の第１の側部と第２の側部との間に電界を印加するための手段と、ナノ細孔を通る電流フローまたは膜の第１の側部と第２の側部との間の抵抗を監視するための手段と、観測された電流または抵抗を処理して、有用な出力を生成するための手段とをさらに含む。ナノ細孔デバイスの種々の実施形態は、例えばデータ収集および分析のための補助要素を提供する、より大きなデバイス構造に組み込むことができる。
【０００７】
特定の実施形態では、膜は、ガラス、Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、水晶、アルミナ、窒化物、金属、ポリマー、または他の好適な材料で作製することができる。膜は、純物質または複合物のものとするか、または必要に応じて、材料の表面を改質するコーティングを含むものとすることができる。膜の厚さは、一般的に、膜の最小寸法である。膜の厚さは、一般的に、約１０μｍ乃至数百μｍの範囲である。
【０００８】
該デバイスは、チャンバをさらに備えることができ、膜は、該チャンバの、例えば底部または側壁のような、一体の部分である。特定の実施形態では、単一のナノ細孔は、ガラス毛細管の底部側に位置するガラス薄膜内に加工される。
【０００９】
膜は、２つ以上のナノ細孔またはナノ細孔のアレイを含むように構成することができる。個々のナノ細孔は、個々のチャンバ内に収容することができ、このような個々のチャンバは、好適な支持構造体上にアレイ形態で配列することができる。
【００１０】
種々の実施形態では、ナノ細孔は、第１の開口部と第２の開口部とを有する。第１の開口部は膜の第１の側部に開口し、第２の開口部は膜の第２の側部に開口する。２つの開口部は、異なるサイズまたは形状のものとすることができる。第１の開口部は、第２の開口部よりも小さいことが好ましい。特に、ナノ細孔は、およそ円錐台形状のものであり、第１の開口部は、第２の開口部よりも小さい。ナノ細孔の第１の開口部の半径は、約２ｎｍ乃至約５００ｎｍ以上の範囲であることが好ましい。第２の開口部の半径は、約５μｍ乃至２５μｍとすることができる。ナノ細孔は、膜を通って延在し、膜の第１の側部と第２の側部とを接続するので、膜の厚さが膜全体において均一である場合、一般的に、ナノ細孔の厚さは、ナノ細孔の長さまたは深さとなる。ナノ細孔の長さは、ナノ細孔の第１の開口部の半径の２０倍であることが好ましい。ナノ細孔の長さは、約２０μｍ乃至約７５μｍの範囲とすることができる。ナノ細孔の位置は、膜上のあらゆる所定の位置とすることができる。
【００１１】
「電界を印加するための手段」は、一般的に、膜の第１の側部上に配置された第１の電極と、膜の第２の側部上に配置された第２の電極とを備える。第１および第２の電極は、例えばＡｇ／ＡｇＣｌのような、あらゆる好適な材料で作製することができる。第１および第２の電極は、通常、膜の反対側に配置される。しかし、第１および第２の電極の配置は、膜の第１および第２の側部に対して相対的であると理解されたい。例えば、膜の第２の側部がチャンバで囲まれ、膜の第１の側部がそのチャンバの外側にある場合、第１の電極はチャンバの外側に配置されるが、第２の電極はチャンバの内側に配置される。
【００１２】
さらに、本願明細書では、ナノ細孔デバイスを形成する方法であって、厚さと、第１の側部と、第２の側部とを有する膜を提供するステップであって、膜は、膜の厚さを超えて膜を通って延在するナノ細孔を有する、ステップと、膜の第１の側部に配置された第１の電極と、膜の第２の側部に配置された第２の電極とを提供するステップと、ナノ細孔を通る電流フローまたは膜の第１の側部と第２の側部との間の抵抗を監視するための手段を提供するステップと、観測された電流および抵抗を処理して有用な出力を生成する、処理手段を提供するステップとを含む、方法が提供される。
【００１３】
特定の実施形態では、本発明は、ナノ細孔粒子分析器を提供する。ナノ細孔粒子分析器は、膜がチャンバの一体の部分であるチャンバと、膜の厚さを超えて膜を通って延在するナノ細孔と、チャンバの外側に配置された第１の電極と、チャンバの内側に配置された第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に電界を印加するための手段と、ナノ細孔を通る電流フローまたは膜の第１の側部と第２の側部との間の抵抗を監視するための手段と、観測された電流および抵抗を処理して、有用な出力を生成するための処理手段とを備える。特に、チャンバは、チャンバの底部壁としてのガラス膜を備えたガラスチャンバとすることができる。
【００１４】
ナノ細孔は、第１の開口部と第２の開口部とを有する。ナノ細孔は、円錐形状のものであり、第１の開口部が第２の開口部よりも小さいことが好ましい。第１の開口部はチャンバの外側に面し、第２の開口部はチャンバの内側に面する。ナノ細孔の第１の開口部は、約２ｎｍ乃至約５００ｎｍの範囲であることが好ましい。チャンバは、適切な電解質溶液（例、ＫＣｌ、ＮａＣｌ、リン酸緩衝食塩水（「ＰＢＳ」）、その他のあらゆる好適な塩溶液）を含むことができ、第２の開口部は電解質溶液内に潜没され、第２の電極の適切な部分は電解質溶液に浸漬される。
【００１５】
さらに、本願明細書では、本願明細書に開示されたようなナノ細孔粒子分析器を使用した、粒子の計数および分析方法が提供される。該方法は、分析すべき粒子を含有する試料溶液を提供するステップと、ナノ細孔の第１の開口部が試料に浸漬され、第１の電極の適切な部分が試料に浸漬されるように、ナノ細孔粒子分析器と接触させるステップと、試料溶液からの粒子を駆動してナノ細孔を通過させるように、ナノ細孔分析器の第１の電極と第２の電極との間に適切な電圧を印加するステップと、ナノ細孔の電気抵抗および／または導電率の過渡的変化を監視するステップと、該過渡的変化を分析して、粒子の濃度、粒度、形状、および／または電荷を得るステップとを含む。直流または交流電圧は、印加手段を介して電界を印加することができる。標準的な直流電圧は、約１０乃至約５００ｍＶの範囲である。標準的な交流電圧は、約２乃至約２５ｍＶｒｍｓの範囲である。本方法を使用して、細胞、細菌、ウイルス、ポリマー粒子、イオン、および分子を含む、種々の粒子を分析することができるが、これらに限定するものではない。該粒子分析器によって、約２ｎｍ乃至約５００ｎｍの粒子を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（発明を実行するためのモード）
図１は、ガラス薄膜内の円錐形のナノ細孔の断面図である。図１において、通常１００で示されるナノ細孔デバイスは、ガラス毛細管１１０と、ナノ細孔１２０とを備える。ガラス膜１３０は、ガラス毛細管１１０の一体部分である。ガラス膜１３０は、第１の側部１４０と、第２の側部１５０とを有する。ナノ細孔１２０は、ガラス膜１３０を通って延在し、したがって、ガラス膜１３０の第１の側部と第２の側部とを接続するチャネルを形成する。ナノ細孔１２０は、ガラス膜１３０の第１の側部に面する第１の開口部１６０と、ガラス膜１３０の第２の側部に面する第２の開口部１７０とを有する。第１の開口部１６０は、第２の開口部１７０よりも小さい。一般的に、第１の開口部１６０は、２ｎｍ乃至５００ｎｍの範囲であり、第２の開口部は、５μｍ乃至２５μｍの範囲である。ガラス膜１３０の厚さは、ここではナノ細孔１２０の長さも同様に、最大２０乃至７５μｍである。
【００１７】
ナノ細孔は、種々の好適な形状で作製することができるが、円錐形のナノ細孔が好ましい。円錐形の細孔は、２つの利点を伴う。１つは、円筒形の細孔と比較して、円錐形の細孔によって、抵抗を細孔オリフィスに局所化する能力を犠牲にすることなく、より高いイオン伝導性を達成できることである（Ｌｉ，Ｎ．；Ｙｕ，Ｓ．；Ｈａｒｒｅｌｌ，Ｃ．Ｃ．；Ｍａｒｔｉｎ，Ｃ．Ｒ．Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２００４，７６，２０２５）。もう１つは、円錐形の細孔内の定常状態の分子束（すなわち、イオン伝導性）は、小さい方の開口部のオリフィス半径の２０倍を超える長さを有する細孔の場合、細孔の深さに依存しない（Ｚｈａｎｇ，Ｂ．，Ｚｈａｎｇ，Ｙ．ａｎｄ  Ｗｈｉｔｅ，Ｈ．Ｓ．Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２００４，７６，６２２９；Ｚｈａｎｇ，Ｂ．，Ｚｈａｎｇ，Ｙ．ａｎｄ  Ｗｈｉｔｅ，Ｈ．Ｓ．Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２００６，７８，４７７；Ｚｈａｎｇ，Ｙ．，Ｚｈａｎｇ，Ｂ．ａｎｄ  Ｗｈｉｔｅ，Ｈ．Ｓ．Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ  ２００６，１１０，１７６８）。この特徴は、再現可能な性質を呈するナノ細孔の加工において、潜在的に非常に重要である。
【００１８】
図２は、ナノ細孔粒子分析器の概略図である。ガラスのナノ細孔デバイス５１０は、ガラスチャンバ５６０と、電極５４０と、電極５５０とを備える。ガラス膜５８０は、ガラスチャンバ５６０の一体的な部分である。ナノ細孔５７０は、ガラス膜５８０内に含まれる。チャンバ５６０は、電解質溶液５９０を収容する。デバイス５１０は、試料５２０内に配置され、粒子検体５３０を収容する。ナノ細孔５７０は、円錐形であり、ナノ細孔の小さい方の開口部が試料５２０と接触する。ナノ細孔部５７０の小さい方の開口部は、２ｎｍ乃至５００ｎｍの範囲である。電極５４０は、ガラスチャンバ５６０の内側に配置され、電極５４０の適切な部分は、溶液５９０に浸漬される。電極５５０は、試料５２０内に配置され、電極５５０の適切な部分は、溶液５２０に浸漬される。電圧は、電極５４０と電極５５０との間に印加され、ナノ細孔５７０を通ってイオン電流を流す。ナノ細孔５７０を通過する粒子は、ナノ細孔５７０の電気抵抗または導電率の過渡的変化を測定することによって、容易に検出することができる。粒子がナノ細孔を通過するときに、短く一時的な電流の減少が観測される。これらの抵抗パルスの周波数は、粒子濃度と比例し、一方で、パルスの大きさおよび形状は、ナノ粒子の形状およびサイズを提供する。パルスの形状および持続期間を用いて、粒子の形状、サイズ、および／または電荷を測定することができる。パルスの周波数は、粒子濃度を表示し得る。この方法を用いて、粒子濃度、形状、サイズ、および電荷を測定することができる。
【００１９】
ナノ細孔粒子分析器は、５乃至１００ｎｍの範囲の粒子の分析に対して理想的であるが、５ｎｍより小さな粒子、または１００ｎｍより大きな粒子の測定にも使用することができる。これに限定されないが、細胞、細菌、ウイルス、ポリマー粒子、イオン、分子、およびナノ粒子を含む、種々の粒子が、小分子、ペプチド、または巨大分子薬の調製および送達に使用される。ナノ細孔粒子分析器は、環境水の分析に使用すること、および国土安全保障および軍事用途におけるセンサとして使用することもできる。本発明の活用は、ナノ粒子に基づく新技術の爆発的な成長によって、また、環境モニタリングにおける新しい規制によって推進されよう。
【００２０】
本発明を、以下の具体例を用いてさらに説明する。
【００２１】
（ナノ細孔膜の加工）  ナノ細孔膜は、以下の手順によって調製することができる。（１）原子的に鋭い先端を有するテンプレート（好ましくは信号伝達要素）を調製する。（２）テンプレートの先端を基板で封止する。（３）テンプレートの先端を露出させるために、基板を研磨する。（４）テンプレートの露出部分をエッチングして、基板内にナノ細孔を生成する。（５）基板からテンプレートを除去して、基板内にナノ細孔を残す。ガラスナノ細孔のいくつかの加工方法は、Ｚｈａｎｇ，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，２００４，Ｚｈａｎｇ，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，２００６；Ｚｈａｎｇ，ＪＰＣ，２００６，Ｗａｎｇ，ＪＡＣＳ  ２００６，Ｒ．Ｊ．Ｗｈｉｔｅ  ｅｔ  ａｌ．，Ｌａｎｇｍｕｉｒ，２２，１０７７７（２００６）に開示されている。以下にて、ガラスナノ細孔膜を加工する一実施例を提供する。
【００２２】
長さ１ｃｍ、直径２５μｍのＰｔワイヤ（Ａｌｆａ−Ａｅｓａｒ、９９．９５％）が、Ａｇ導電性エポキシ（ＤｕＰｏｎｔ）を使用して、Ｗロッドに電気的に接触させられる。金属ワイヤの端部を、電気化学的にエッチングして原子的に鋭い先端とし、次いで、２０乃至７０μｍの先端部を、Ｈ２炎を使用して、ソーダ石灰ガラス（Ｄａｇａｎ  Ｃｏｒｐ．、ＳＢ１６、外径１．６５ｍｍ、内径０．７５ｍｍ、軟化点＝７００℃）内に封入する。ガラス毛細管を、端部から最大１０ｍｍ離して、Ｐｔ先端部によって炎の中間部を使用して融解する。次いで、先端部を挿入して、物理的に接触させずに融解した端部に接近させる。ガラスを、炎の下方部分を使用して再び加熱する。ガラス毛細管の融解部分に明るい平面を見ることができ、次いで、それを用いてＰｔ先端部の封止を判断する。平面ガラス面へのＰｔ先端部の挿入は、小さな斑点の出現として、容易に認識することができる。次いで、電極を、直ちに炎から遠ざけて、室温で冷却する。次いで、電極を、ナノメートルサイズのＰｔディスクが露出するまで研磨する。ガラスナノ細孔を作製するために、Ｐｔは、交流電圧（最大３Ｖ）を用いて、ＣａＣｌ２溶液内で電気化学的にエッチングする。
【００２３】
円錐形ガラスのナノ細孔の形状寸法は、小さい方の開口部の半径ａ、大きい方の開口部の半径ｒ、半円錐角θ、および細孔の長さＬのパラメータのうちのいずれか３つ乃至４つを使用して完全に記述することができる。
【００２４】
小さい方の細孔の開口部のサイズは、２つの方法によって決定することができる。該サイズは、以下の式を用いて、Ｐｔがエッチングで除去される前の、レドックス種の定常状態限界電流によって測定することができる。
【００２５】
【数１】
2010502935.tif 000003
式中、ｎは、分子あたりの移送された電子の数であり、Ｆは、ファラデー定数であり、ＤおよびＣｂは、それぞれレドックス分子の拡散係数およびバルク濃度である。また、該サイズは、以下の式を用いて、Ｐｔの除去時にジオメトリが変化しないものと仮定して、円錐形の細孔の電気抵抗Ｒから計算することができる。
【００２６】
【数２】
2010502935.tif 000004
式中、κは、ＫＣｌ溶液の伝導率（０．５ＭのＫＣｌに対して最大５．５Ｓ／ｍ）である。角度θは、光学顕微鏡を使用して測定することができ、ＮａＣＮでエッチングした場合は、通常７乃至１２°である。
【００２７】
一例として、図３（Ａ）は、０．１ＭのＫＣｌを含有する１０ｍＭのＲｕ（ＮＨ３）６Ｃｌ３における、半径６２ｎｍのＰｔディスクのボルタンメトリ応答を示す図である。Ｐｔの半径は、式１を用いて、定常状態の限界電流から算出される。図３（Ｂ）は、１０ｍＭの緩衝液（ｐＨ＝７．４）および０．１％のＴｒｉｔｏｎ  Ｘ−１００を含有するＫＣｌ溶液における、同じ電極から作製したガラスのナノ細孔膜のｉ−Ｖ応答を示す図である。ｉ−Ｖ応答は、０．５ＭのＫＣｌでは直線的であるが、０．１ＭのＫＣｌを含有する溶液では非直線的である。電流整流効果は、円錐形の細孔の非対称性、およびガラス壁上の表面電荷に起因するものと考えられる。直流抵抗は、−８°と測定された半円錐角に基づいて、細孔の半径が６１ｎｍとなるように、０．５ＭのＫＣｌにおいて−７．５ＭΩであると測定されるが、式１を用いた電気化学的測定による値と十分に一致している。
【００２８】
図２は、ガラスナノ細孔膜を使用してナノ粒子を検出するための実験的な構成を示す図である。一個の円錐形の細孔を含むガラス毛細管は、ｐＨ７．４で、１０ｍＭのＰＢＳで緩衝された０．１ＭのＫＣｌを含有するセル内に配置される。自社製のマイクロピペットを使用して、同じ溶液をガラス毛細管に同じレベルまで注入して、静液圧勾配を回避する。２つのＡｇ／ＡｇＣｌ電極を各溶液内に配置して、膜全体にわたって電流を流す。
【００２９】
ＣＨＥＭ−ＣＬＡＭＰ（ＣＯＲＮＥＲＳＴＯＮＥ  シリーズ）電流電圧計（Ｖｏｌｔａｍｍｅｔｅｒ−Ａｍｐｅｒｏｍｅｔｅｒ）または他の適切な電気機器を使用して、ガラス毛細管の内側と外側との間に異なる電圧を印加して、得られた電流を測定する。データは、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ＰＣＩ−６２５１  Ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎ  Ｉ／Ｏ＆Ｎｉ−ＤＡＱカード（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）を使用してデジタル化し、ＬａｂＶＩＥＷ６．０（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）と記された社内の仮想機器を使用して、１００ｋＨｚのサンプリング周波数で記録した。３極Ｂｅｓｓｅｌ低域フィルタを１０ＫＨｚのカットオフ周波数で適用した。電圧は、毛細管の外側の電極と内側の電極との間に形成される。
【００３０】
一例として、上述のガラスナノ細孔膜を用いて、負に帯電した半径４５ｎｍのポリスチレン（ＰＳ）粒子（最大４２，０００個の−ＣＯＯＨ基を含む）を検出する。図４（Ａ）は、ポリスチレン粒子を添加する前の、０．１％のＴｒｉｔｏｎ  Ｘ−１００を含有する、ｐＨ７．４で緩衝された０．１ＭのＫＣｌにおける、Ｖａｐｐ＝−３００ｍＶでのガラスナノ細孔のｉ−ｔ線図である。定電流（最大１６．６ｎＡ）が観察されている。図４（Ｂ）は、ＰＳ粒子（２．４×１０９／ｍｌ）の存在下での、同じＫＣｌ溶液における同じガラスナノ細孔の電流−時間応答を示すグラフである。ガラスナノ細孔を通る個々のナノ粒子の移動に対応する電流パルスが観測されている。典型的な拡大した電流パルスを差し込み図に示す。対照実験として、図４（Ｃ）は、正電圧を印加したとき（Ｖａｐｐ＝＋３００ｍＶ、他の実験条件は図３（Ｂ）と同じ）のｉ−ｔの記録を示すグラフである。負に帯電した粒子が細孔オリフィスからはね返されたため、いかなる信号も観測されていない。非対称のナノ細孔（図３（Ｂ））の整流効果により、電流の大きさ（最大３４．８ｎＡ）は、図４（Ｂ）のものよりもはるかに大きい。
【００３１】
円筒形の細孔を使用して得られた典型的な方形波電流パルスとは異なり、ガラスナノ細孔を使用した電流パルスは、ガラスナノ細孔が円錐形であるために、擬似三角形の波形を有する。以前に報告されているように（Ｚｈａｎｇ，Ｂ．；Ｚｈａｎｇ，Ｙ．；Ｗｈｉｔｅ，Ｈ．Ｓ．Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２００４，７６，６２２９−６２３８．Ｚｈａｎｇ，Ｂ．；Ｚｈａｎｇ，Ｙ．；Ｗｈｉｔｅ，Ｈ．Ｓ．Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２００６，７８，４７７−４８３）、円錐形のナノ細孔の内側の質量移動抵抗は、小さな細孔オリフィスに集中する。したがって、ナノ粒子が細孔オリフィスの直近にあるときの抵抗変化（増加）が最も大きい。該粒子が細孔オリフィスを通過したときに、電流が最も減少すると予想される。対照的に、粒子が円筒形の細孔の長さに沿って移動するときの細孔の抵抗の変化は、ほぼ一定となる（ＤｅＢｌｏｉｓ，Ｒ．Ｗ．；Ｂｅａｎ，Ｃ．Ｐ．Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．１９７０，４１，９０９−９１６）。したがって、粒子が移動するときの電流の減少は一定のままであり、ｉ−ｔ応答における方形波パルスに対応する。
【００３２】
円錐形の細孔における平均パルス幅は、この条件で最大８０μｓであり（バイアス電圧３００ｍＶ、粒子半径４５ｎｍ）、同じ条件で円筒形のナノ細孔システムを使用して測定されたパルス幅よりも１〜２桁小さい。このことは、パルス信号の解像度を大幅に高めるので、検出限界を下げることができる。パルス幅をより短くする一因となりうる２つの理由がある。１つは、上述のように、円錐形の細孔を使用するときには、「検出ゾーン」の長さが大幅に短くなることである。換言すれば、「検出ゾーン」も、（円筒形の形状の場合のように、細孔の全長にわたっているのではなく）小さなオリフィスに集中するからである。もう１つは、円錐形の細孔の場合、「検出ゾーン」を通過する粒子の速度が、同じ直径かつ同じ長さの円筒形の細孔の場合よりも速くなり得るからである。数値的シミュレーションでは、円錐形の細孔（「検出ゾーン」において）の場合、ナノ細孔膜全体の電圧降下は、細孔オリフィス付近に集中し、電界が、細孔の内側の他の領域よりもはるかに高い。円筒形の細孔の場合、電圧降下は、はるかに広い「検出ゾーン」に分布する。したがって、電界も、円錐形の細孔の場合よりも小さい。電気泳動速度は、この電界に比例し、
【００３３】
【数３】
2010502935.tif 000005
ここで、ｑは、単一粒子上の電荷であり、Ｅは、局所電界であり、ｆは、単一粒子の摩擦係数であって、流体を通じた抵抗力の大きさを反映する基本パラメータであり、Ｎｅｒｎｓｔ−Ｅｉｎｓｔｅｉｎの式
【００３４】
【数４】
2010502935.tif 000006
によって表すことができ、そして、Ｖは、粒子の速度である。円錐形の細孔の電気泳動速度は、（同じ直径および長さの）円筒形の細孔の速度よりも速い。
【００３５】
移動速度と粒子濃度との間には一次従属性が見られる。図５（Ａ）乃至５（Ｄ）は、異なる濃度の負に帯電した半径４５ｎｍのＰＳ粒子を含有する、ｐＨ＝７．４で緩衝された０．１ＭのＫＣｌおよび１０ｍＭのＰＢＳにおける、半径６２ｎｍのガラスナノ細孔膜のｉ−ｔの記録を示すグラフである。図５（Ｅ）は、粒子濃度の関数として、移動速度の対数プロットである。傾斜は０．９９であり、計数率と粒子濃度との間の良好な一次従属性を示している。最大１０分で０．４１ｐＭという低い濃度の粒子が検出された（最大２２個を検出）。この方法によって、より低い粒子濃度を検出することができる。
【００３６】
図６は、半径６２ｎｍのガラスナノ細孔を使用した、負に帯電した半径４５ｎｍのＰＳナノ粒子を計数するために印加した電圧の関数として、移動速度を示すグラフである。得られた移動速度は、印加電圧が２００ｍＶ未満の場合には印加電圧に比例し、より高い電圧が印加された場合は横ばいになる。下記のシミュレーションに示されるように、移動速度は印加電圧に比例する。こうした矛盾の理由は、ガラスナノ細孔の表面電荷および非対称性にあると考えられる。図３（Ｂ）に示されるように、ｉ−Ｖ応答は整流化される（非線形）。大きい方の細孔の開口部から小さい方の開口部に正電圧を印加（図６に示される検出実験と同じ条件）したときには、電流は、細孔の中での電気二重層における対イオンの再分布によって横ばいになる。イオン電流は、細孔を通るイオン種の流束に比例するので、イオン種の流束も整流化される。
【００３７】
（半径３０ｎｍのポリスチレンナノ粒子の検出）  半径３０ｎｍの正に帯電したＰＳ粒子は、半径６４ｎｍのガラスナノ細孔を使用して検出される。図７（Ａ）は、１０ｍＭの緩衝液（ｐＨ＝７．４）および０．１％のｔｒｉｔｏｎ  Ｘ−１００を含有する０．５ＭのＫＣｌ溶液における、ガラスナノ細孔膜のｉ−Ｖ応答を示すグラフである。直流抵抗により、細孔の半径を６４ｎｍとする。図３（Ｂ）は、半径３０ｎｍの正に帯電したＰＳ粒子の存在下（８×１０１１／ｍｌ）で、０．１％のＴｒｉｔｏｎ  Ｘ−１００を含有する、ｐＨ＝７．４で緩衝された０．５ｍＭのＫＣｌにおける、＋３００ｍＶでのガラスナノ細孔のｉ−ｔ記録を示すグラフである。
【００３８】
印加電圧は、−３００ｍＶから＋３００ｍＶへ切り替え、その後−３００ｍＶに切り替えて、粒子の移動方向に対する電流パルス形状の依存関係を観測する。図８に示されるように、始め、−３００ｍＶのときには、正に帯電した粒子が細孔オリフィスから引き寄せられる。抵抗パルスは、観測されない。＋３００ｍＶを印加すると、細孔内へ電気泳動的に駆動された粒子に対応して、下向きの電流パルスが観測される。＋３００ｍＶの後に−３００ｍＶを印加すると、ガラス毛細管の内側からバルク溶液中に電気泳動的に駆動された粒子に対応して、上向きの電流パルスが観測される。
【００３９】
図９は、図８に由来する２つの典型的な電流パルスを示す図である。図９（Ａ）は、バルク溶液からガラス毛細管内へのナノ粒子の移動に対応する電流パルスを示すグラフである。粒子がバルク溶液から細孔オリフィスへ移動したときには、電流がより急激に減少するのに対して、該粒子が細孔オリフィスからガラス毛細管へ移動したときには、ベースライン電流まで緩やかに増加する。図９（Ｂ）は、電気泳動的にバルク溶液内へ駆動されるナノ粒子に対応する電流パルスを示すグラフである。電流は、始めに、ガラス毛細管から細孔オリフィスへ電気泳動的に駆動された粒子に対応して、最小値まで緩やかに減少する。電流は、オリフィスからバルク溶液へ駆動された粒子に対応して、ベースライン電流まで急速に増加する。ベースライン電流の絶対値は、細孔壁の整流効果により異なる。２つの電流のパルス形状の軌跡は、（逆向きであること以外は）互いにほとんど同じように見える。結果は、電流パルスの形状が、円錐形の細孔の内側／近傍の位置の関数として、質量移動抵抗を実際に反映することを示している。
【００４０】
（ガラスナノ細孔を使用した、ナノ粒子検出の有限要素シミュレーション）  比較実験のために、粒子の検出率および電流パルスの形状を、有限要素シミュレーションを用いてシミュレートする。有限要素シミュレーションは、ナノ細孔膜を使用した実験結果の検証を提供し、特に、測定した移動時間および計数率が、既知の物理的理論と一致していることを実証する。
【００４１】
電気化学セルおよびガラスナノ細孔膜の形状寸法を図１０に示す。ナノ細孔膜は、軸対称の円筒座標系を使用してシミュレートされる。原点（ｚ＝０、ｒ＝０）は、小さい方のオリフィスの中心に対応する。ガラス膜は、図１０の影付きの領域であり、厚さが２０μｍである。この値は、円錐形のナノ細孔が、一定の抵抗を示すのに十分な大きさである（細孔オリフィスの半径よりも最大で３２０倍大きい）。実験の半無限の境界条件を近似するために、境界は、ガラス膜の表面からｚ方向に６０μｍ離れて、また、円錐形の細孔の中心からｒ方向に１００μｍ離れたところに配置される。
【００４２】
赤色の線で示された境界は、絶縁境界に設定される（流束＝０）。黒い破線は、軸対称の境界線である。緑の破線は、細孔を通じて全粒子束を集積化するための内部境界線である。第１の電極は、ガラス毛細管の外側に（小さい方の細孔の開口部に面して）配置され、第２の電極は、ガラス毛細管の内側に（大きい方の細孔の開口部に面して）配置される。モデルは、細孔壁上の表面電荷を考慮しない。したがって、電気二重層の効果は、シミュレーションでは考慮しない。
【００４３】
シミュレーションで使用する流束の式は、Ｎｅｒｎｓｔ−Ｐｌａｎｃｋの式である。簡潔にするため、システム内には、Ｋ＋、Ｃｌ−、およびＰＳ球体しかないものと仮定する。拡散係数は、Ｋ＋に対して１．８×１０−９ｍ２／ｓに、Ｃｌ−に対して２．０×１０−９ｍ２／ｓに設定した。拡散係数は、Ｓｔｏｋｅｓの法則に基づいて、半径４５ｎｍの球体に対して４．５×１０−１２ｍ２／ｓ、半径３０ｎｍの球体に対して７．３３×１０−１２ｍ２／ｓとなるように計算した。半径４５ｎｍの球体上の負の表面電荷の数（最大１５００個）は、表面官能基の総数、および脱プロトン化した−ＣＯＯＨの分数（最大３乃至４％）を用いて推定される。半径３０ｎｍの粒子上の正の表面電荷（最大５０個）は、印加電圧の関数として、移送流束の有限要素シミュレーションによって推定される。
【００４４】
細孔を通る粒子束の計算では、粒子は、点電荷とみなされる。なお、図１１に示されるように、粒子は、有限半径を有するので、細孔の中心の距離ｒ１−ｒｐの範囲内にある粒子だけが、細孔を通って移動することができる。したがって、図４に記載された実験の場合、シミュレーション時の細孔の有効半径が１７ｎｍとなるように設定される。
【００４５】
別個のシミュレーションでは、電流パルスの形状の測定は、細孔から最大１０μｍ離れたところから始めて、小さなステップ（ステップサイズは、細孔オリフィスから粒子までの距離に基づいて、５０ｎｍおよび１００ｎｍ）で、球体（半径３０ｎｍ）を細孔の中心に沿って手動で移動させることによって行われる。ＫＣｌの濃度（０．５Ｍ）および印加電圧（３００ｍＶ）は、シミュレーション全体にわたって一定に保持される。各位置において、電流は、粒子の存在下でシミュレートされる。図１２は、電気化学セル内のシミュレートした電界の分布を示す図である。次いで、ナノ粒子表面の電界を用いて、式３によって電気泳動速度を計算する。
【００４６】
次いで、算出した電気泳動速度を用いて、次の隣接する位置までの時間間隔を計算する。
【００４７】
【数５】
2010502935.tif 000007
式中、ｌは各ステップにおける距離であり、ｔは計算時間である。各位置の電流は、電流パルス信号を発生するまでの時間の関数としてプロットされる。
【００４８】
図１３は、印加電圧の関数として、シミュレートした検出速度を示すグラフである。シミュレートした検出速度は、印加電圧および粒子電荷に比例する。これらの結果は、帯電したＰＳナノ粒子の移動は、電気泳動力によって駆動されることを示唆している（シミュレートした拡散速度は、最大１００ｍＶの電圧の存在下でシミュレートした移送速度よりも最大で４桁低い。したがって、拡散は無視することができる）。しかし、シミュレートした移送速度は、同じ条件で記録された検出速度（図６）よりも最大で４倍大きい。この矛盾の１つの可能な理由は、ＰＳ球体と細孔壁との間の相互作用が、シミュレーションでは考慮されていないことである。これらの相互作用は、負に帯電した粒子と、ナノ粒子の移送速度を低下させ得る負に帯電したガラス壁との間のクーロン相互作用を含む。該シミュレーションは、電気二重層の過剰な電荷を補償しない。上述のように、イオン電荷は、外部電圧の下で再分配され、ナノ粒子を含む荷電種の流束を減少させる。
【００４９】
図１４は、＋０．３Ｖにおいて半径６４ｎｍのガラスナノ細孔膜を通る半径３０ｎｍの粒子の移動に対する、シミュレートした電流パルス（１３ａ）、および実験で記録した典型的な電流パルス（１３ｂ）を示すグラフである。シミュレートした電流パルスは、三角形であり、記録された波形とほとんど同じである。しかし、シミュレートした電流パルスは、記録したパルス（最大２００μｓ、Δｉ／ｉｍａｘ＝１．２％）と比較すると、パルス幅が短く（最大１００μｓ）、パルスサイズが大きい（Δｉ／ｉｍａｘ＝２％）。相互作用および二重層は、シミュレーションには考慮されていないので、シミュレートした粒子の移送速度は、実際の移送速度よりも速く、より短いパルス幅が反映される。ｉ−ｔの軌跡における低下が少ない理由は、シミュレーションでは、ナノ粒子およびガラス細孔壁上の表面電荷が考慮されていることである。これらの表面電荷は、粒子が細孔オリフィスを通って移動するときに、過剰な対イオンをもたらし、細孔内の電解質濃度を増加させる。
【００５０】
（粒子検出の統計）  ガラスナノ細孔膜を通ったＰＳナノ粒子の移動は、ポアソン分布に従うことが分かる。
【００５１】
【数６】
2010502935.tif 000008
式中、λは、平均移動速度（粒子／ｓ）であり、Δｔは、計数の時間間隔であり、ｋは、その時間間隔中に移動した粒子の数であり、Ｐは、その時間間隔中にｋ個の粒子を移動させる確率である。図１５（Ａ）は、半径３０ｎｍのＰＳ粒子を使用した、１０ｍｓの時間間隔中に粒子の移動が観測される確率である。図１５（Ｂ）は、図５（Ａ）のデータに由来する半径４５ｎｍのＰＳ粒子を使用した、１００ｍｓの時間間隔中に粒子の移動が観測される確率である（統計では、各サイズの粒子のうちの１０００乃至１５００のパルスが計数される）。実験と理論との良好な一致は、粒子の移動が確率論的であることを示し、ポアソン分布に従うことを示している。
【００５２】
単一の円錐形のナノ細孔を有するガラス膜を加工して、ポリスチレンのナノ粒子の検出に適用した。このガラス膜のナノ細孔の円錐形は、円筒形のナノ細孔を収容した他の従来の膜と比較して、パルス幅が短く、信号解像度が良好であるといった利点を有する。さらに、ガラス膜は、加工が容易で携帯が容易である。基本的には、機械的な力によって生じる圧力駆動の流れを用いて、上記の項に記載されたものと類似した分析のために、膜全体で中性粒子を含む粒子を駆動することができる。
【００５３】
サブｐＭ乃至ｎＭという低濃度の粒子を使用すると、一次従属性が、ＰＳナノ粒子の検出速度と濃度との間に見出される。低濃度の粒子は、計数時間を長くすることで検出することができる。ナノ粒子の移動は、円錐形のガラスナノ細孔膜を通じたランダムなプロセスであり、ポアソン分布に従う。
【００５４】
本発明を特定の実施形態で説明したが、本発明は、本開示の精神と範囲内でさらに改良することができる。したがって、本出願は、その一般的原則を用いて、本発明のあらゆる変形、用途、または改作に適用されることを意図したものである。さらに、本出願は、本発明が関係し、添付の特許請求の範囲の制限内に該当する、当技術における既知または通例の実行範囲内に当てはまるような、本発明の開示からのそのような逸脱をも対象とすることを意図したものである。
【００５５】
本願明細書で述べられる参考文献は、もっぱら本出願の出願日よりも前に開示されたものが提供される。本願明細書中のいずれも、本発明が先願発明によって当該の開示に先行することに対する権利が与えられないという許可として解釈されない。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図１は、薄いガラス膜内の円錐形ナノ細孔の概略側断面図である。
【図２】図２Ａおよび２Ｂは、ナノ細孔粒子分析器の概略図である。
【図３】図３は、（Ａ）１０ｍＭのＲｕ（ＮＨ３）６Ｃｌ３および０．１ＭのＫＣｌを含有するＨ２Ｏ中における、半径６２ｎｍのＰｔディスク電極のボルタンメトリ応答、（Ｂ）０．５ＭのＫＣｌおよび０．１ＭのＫＣｌにおける対応するナノ細孔膜（Ｐｔ除去）のｉ−Ｖ応答を示す。
【図４】図４は、半径４５ｎｍの負に帯電したポリスチレン粒子の検出を示す図である。図４（Ａ）は、Ｖａｐｐ＝−０．３Ｖにおける、１０ｍＭのＰＢＳ緩衝液を伴う０．１ＭのＫＣｌ（ｐＨ＝７．４）における、半径６２ｎｍのガラスナノ細孔の電流−時間の記録である。図４（Ｂ）は、Ｖａｐｐ＝−０．３Ｖにおける、２．４×１０９／ｍｌの粒子の存在下での、（Ａ）と同じガラスナノ細孔の電流−時間の記録である。そして、図４（Ｃ）はＶａｐｐ＝＋０．３Ｖにおける、２．４×１０９／ｍｌの粒子の存在下での、同じガラスナノ細孔の電流−時間の記録である。
【図５】図５は、異なる濃度（（Ａ）２．４×１０１１／ｍｌ、（Ｂ）２．４×１０１０／ｍｌ、（Ｃ）２．４×１０９／ｍｌ、（Ｄ）２．４×１０８／ｍｌ）について、半径４５ｎｍの粒子の存在下での１０ｍＭのＰＢＳ緩衝液を伴う０．１ＭのＫＣｌ（ｐＨ＝７．４）における、半径６２ｎｍのガラスナノ細孔の電流−時間の記録である。図５（Ｅ）は粒子濃度の関数としての速度の対数プロットである。
【図６】図６は、印加電圧の関数としての半径４５ｎｍの粒子の移送速度を示すグラフである。
【図７】図７は、半径３０ｎｍの正に帯電したポリスチレン粒子の検出を示すグラフである。図７（Ａ）は、Ｖａｐｐ＝０．２Ｖにおける、１０ｍＭのＰＢＳ緩衝液を伴う０．５ＭのＫＣｌ（ｐＨ＝７．４）における、半径６４ｎｍのガラスナノ細孔のｉ−Ｖの記録である。図７（Ｂ）は、Ｖａｐｐ＝０．３Ｖにおける、８×１０１１／ｍｌの粒子の存在下での、図７（Ａ）と同じガラスナノ細孔の電流−時間の記録である。
【図８】図８（Ａ）は、８×１０１１／ｍｌの粒子の存在下での、１０ｍＭのＰＢＳ緩衝液を伴う０．５ＭのＫＣｌ（ｐＨ＝７．４）における、半径６４ｎｍのガラスナノ細孔のｉ−ｔの記録である。電圧は、最初に−０．３Ｖを印加し、次いで、最大２秒間＋０．３Ｖに変更し、その後に−０．３Ｖに戻す。図８（Ｂ）、（Ｃ）および（Ｄ）は、（Ａ）と同じプロットであるが、（Ｂ）は最初の部分のみ、（Ｄ）は中間のみ、（Ｃ）は最後の部分のみを示す。
【図９】図９（Ａ）は、バルク溶液からガラス毛細管内へ移動する粒子に対応する、図８（Ｃ）の標準的なパルスを示す図であり、イラストは、粒子の運動方向を示す。図９Ｂは、ガラス製毛細管から、ガラスナノ細孔を通ってバルク溶液内へ移動する粒子に対応する、図８（Ｄ）の標準的なパルスを示す図であり、イラストは、粒子の運動方向を示す。
【図１０】図１０は、シミュレーションで使用したナノ細孔膜および電気化学セルの形状寸法を示す図である（比例尺に図示せず）。
【図１１】図１１は、ガラスナノ細孔膜と、細孔内のナノ粒子との相対的サイズを示す概略図である。点線の円は、ナノ粒子がｒ１−ｒｐの半径を有する細孔を通って移動することができる領域を示す。
【図１２】図１２は、Ｖａｐｐ＝３００ｍＶにおける、ナノ粒子の非存在下での、電気化学セル内のシミュレートされた電界の分布を示す図である。
【図１３】図１３は、印加電圧および粒子電荷の関数として計算した粒子移送速度を示すグラフである。
【図１４】図１４（Ａ）は、シミュレートした電流パルスを示す図であり、図１４（Ｂ）は図８の実験で記録された標準的な電流パルスを示す図である。
【図１５】図１５は、ナノ粒子の検出がポアソン分布に従うことを示すグラフであって、（Ａ）は、１０ｍｓの計数間隔における正に帯電した半径３０ｎｍの粒子の移送を示す図であり、（Ｂ）は、１００ｍｓの計数間隔における負に帯電した半径４５ｎｍの粒子の移送を示す図である。
【図１】
2010502935.tif 000009
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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