(57)【要約】  本発明は、一般に、溶液中の荷電分子を操作するための方法および装置に関する。より具体的には、本発明は、１つまたは一群の分子に、制御された物理的および／または化学的移動および／または変換を起こさせるように、それらを個別に操作することができる、ナノ流体ＣＣＤアレイを提供する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶液中の分子または分子群を操作する装置であって、
底部が誘電体層で作られたナノ流体キャビティであって、前記ナノ流体キャビティの深さが、前記ナノ流体キャビティを充填している溶液のイオン遮蔽距離と同じオーダーまたはそれ未満である、ナノ流体キャビティと、
前記ナノ流体キャビティを有する前記誘電体層の表面の反対側の誘電体層の表面上に配列された複数の電極であって、前記電極のアレイ中の個々の電極間の間隔が、前記ナノ流体キャビティを充填している溶液のイオン遮蔽距離よりも大幅には長くない、複数の電極と、
外部の電子デバイスに接続するために、前記個々の電極に個別に接続された、複数のビアと
を備える、装置。
【請求項２】
前記電極のアレイが二次元アレイである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記電極のアレイ中の１つまたは複数の電極が、前記外部の電子デバイスによって前記ビアのアレイを通して個別にアドレス可能である、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
１つまたは複数の電極に印加される電位が、前記電極と前記キャビティ内の前記溶液との間に流れる電流が無視できる程度であるように選択される、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記誘電体層が、動作中の電子伝達を限定すると同時に、ゲート電極と前記流体キャビティ内の分子との間の強力な静電結合を可能にするのに十分な厚さ、品質、および材料組成である、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記ナノ流体キャビティの深さが、約１ｎｍを超えて約１０００ｎｍ未満である、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記ナノ流体キャビティの深さが、約１ｎｍを超えて約１５０ｎｍ未満である、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
穴のあるシーリングをさらに備え、この穴は、流体で充填された前記キャビティ内へ穴を通して前記分子が拡散するのを可能にする、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
シーリングの前記誘電体層の上面に配設された電極の第２のアレイと、
前記第２の電極のアレイを前記外部の電子デバイスに接続するために、前記第２の電極のアレイ中の個々の電極に個別に接続されたビアの第２のアレイと
をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記第２の電極のアレイの１つまたは複数の電極が、前記外部の電子デバイスによって前記第２のビアのアレイを通して個別にアドレス可能である、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記外部の電子デバイスが統合されたオンチップ電子機器を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記ナノ流体キャビティを２つ以上の通路または区画に区分する、１つまたは複数の物理的隔壁をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記通路または区画の少なくとも１つによって、他の前記通路または区画にある分子に影響を及ぼすことなく、試料中の１つまたは複数の検体分子または粒子を内部で物理的または生化学的に操作することを可能にする、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記通路または区画の１つまたは複数が、流体チャネルに接続されて、前記キャビティ全体で流体を交換することなく、前記通路または区画間での流体の交換を可能にする、請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記キャビティの一部分が、選択された分子を生化学的または物理的に修飾させるように修正されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
生化学的操作が、酸化還元反応、酵素反応、ヌクレアーゼ消化、蛍光標識反応、親和性に基づく結合、リン酸化もしくは脱リン酸化反応、または共有結合修飾から選択される、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記キャビティの前記修正が、前記キャビティの特定の領域で１つまたは複数のタンパク質またはＤＮＡ分子を固定化することを含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
生化学的操作が、酸化還元反応、酵素反応、ヌクレアーゼ消化、蛍光標識反応、親和性に基づく結合、リン酸化もしくは脱リン酸化反応、または共有結合修飾から選択される、請求項１３に記載の装置。
【請求項１９】
前記誘電体層の厚さが、約３０ナノメートル未満である、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記誘電体層の厚さが、約１５ナノメートル未満である、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
溶液中の分子または分子群を操作する装置であって、
ナノ流体キャビティであって、前記ナノ流体キャビティの深さが、前記ナノ流体キャビティを充填している溶液のイオン遮蔽距離と同じオーダーまたはそれ未満である、ナノ流体キャビティと、
前記ナノ流体キャビティの表面上に配列された電極のアレイであって、前記電極のアレイ中の個々の電極間の間隔が、前記ナノ流体キャビティを充填している溶液のイオン遮蔽距離よりも大幅には長くない、電極のアレイと、
前記電極のアレイを外部の電子デバイスに接続するために、前記電極のアレイ中の前記個々の電極に個別に接続された、ビアのアレイとを備え、
前記アレイ中の前記個々の電極に印加される印加電圧が、電子を前記金属電極から前記溶液中の化学種へと伝達するのに要する過電圧未満である、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［優先権の主張および関連特許出願］
本出願は、２０１１年１２月２８日付けの米国仮出願第６１／５８０，９５２号による優先権の利益を主張し、その開示は本願明細書の一部となすものとする。
【０００２】
［発明の分野］
本発明は、一般に、溶液中の荷電分子を操作するための方法および装置に関する。より詳細には、本発明は、１つもしくは一群の分子または１つもしくは複数のナノ粒子に、制御された物理的および／または化学的移動（ｍｏｖｅｍｅｎｔ）および／または変換(ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ)を起こさせるように、それらを個別に操作することができる、ナノ流体ＣＣＤアレイ（配列）および関連する方法を提供する。
【背景技術】
【０００３】
現在、マイクロ流体デバイスにおいて、様々なマイクロ流体の区画およびチャネル全体にわたって、マイクロメートルまたはサブマイクロメートルの精度で、少数の分子、または理想的には単一分子を制御することが追求されている。現在までに、マイクロ流体デバイスにおける２つの最も広く使用されている作動形態は、動電（電気泳動および電気浸透）流および圧力駆動流である。
【０００４】
動電学的作動では、マイクロ流体のチャネルの端部に位置する流体のリザーバ内の電極を使用することによって、マイクロ流体のチャネルと電気的に接続される。そして、電極間の電圧差によって、デバイス内の動電力が得られる。しかし、チャネルのアレイ、またはチャネルの何らかのネットワークが存在する場合、他のチャネルに影響を及ぼすことなく１つのチャネル内で電界を確立することは非常に困難である。単一のチャネルを電気的に隔離することが現在のところ実現困難であり、２つ以上の分子が単一のチャネル内に存在する場合、分子を個別に制御または操作できないことがある。
【０００５】
圧力駆動流は、マイクロ流体のチャネルのネットワーク内で分子を移動させるための粗野な（ｂｌｕｎｔ）方法と見なされることがある。一般的に、圧力継手は、マイクロ流体のチャネルネットワークと微視的世界との間の界面に固定され、圧力はチャネルの端点で印加される。現在までのその最も複雑な形態では、マイクロ流体の圧力ベースのデバイスは、エラストマー材料から作られ、マイクロ流体ポンプおよびバルブは、流体ネットワーク内の様々な点で結合（ｉｎｔｅｇｒａｔｅ；統合、組み込む）される。これらのデバイスでは、チャネルは互いに隔離されてもよいが、流体素子に対する制御は、ポンプおよびバルブの最小のサイズと密度によって分解能が限定される。マクロスケールのポンプおよびバルブに対する嵩高な接続をなさなければならず、デバイス全体の複雑さおよびサイズがさらに増大し、エラストマー性のマイクロ流体ポンプおよびバルブの密度がさらに限定される。
【０００６】
同様に、従来のナノ流体デバイス内のＤＮＡ分子は、電気泳動、電気浸透流、毛管作用、または圧力駆動流によってバルクで移動させられる。全ての分子は、デバイスの特定の領域と相互作用する等しい機会を有する。例えば、一般的なナノ流体デバイスは、１つの領域に制限消化活性（ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ  ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ  ａｃｔｉｖｉｔｙ）を含んでもよいが、全ての分子は、消化される確率が等しい。したがって、既存のデバイスを用いて、複雑なポンプおよび／またはバルブを使用することなく、１つまたは少数の分子を選択し、それらを、予め選択された変換を行わせるデバイスの特定領域（例えば、消化区域）へと迂回させることは困難ではない。
【０００７】
ナノ流体デバイス内における生化学的活性を精密に局在化することは、依然として難易度が高い。ナノ流体の作製方法は、多くの場合、高温、化学エッチング、真空などを必要とし、また多くの場合、デバイスに組み込まれた酵素または核酸の生物活性を維持することと適合性がない。さらに、作製後にデバイスに酵素が導入される場合、デバイス内への酵素の大きな流れが、酵素を特定範囲に局在化することの妨げになることがある。最後に、デバイスの特定領域に酵素を局在化することが可能な場合であっても、圧力流または電気泳動流による検体の必要な大きな流れが酵素を押しのけて、生化学的変換が無効または不完全になることがある。
【０００８】
したがって、特にＤＮＡ分子などの大型生体分子の場合に、溶液環境中の分子または分子群の個別の移動および制御された操作が可能である、新規なナノ流体装置および方法に対する要望が依然としてある。
【発明の概要】
【０００９】
本発明は、一部には、溶液環境中の分子または分子群の個別の移動および制御された操作が可能である、新規なナノ流体装置および方法の予期しない発見に基づく。本明細書に開示されるナノ流体ＣＣＤアレイ技術の重要な特徴は、分子およびナノ粒子、特にＤＮＡおよび他の大型生体分子を、電気泳動または圧力を使用することなく、個別に操作し、ナノ流体デバイスの空間的に特徴的な部分（例えば、反応ステーション）へと移動させることができる点である。例えば、ナノ流体ＣＣＤのアレイは、アレイの異なる領域が異なる生化学的活性（例えば、ＤＮＡを消化する制限酵素、または標識ヌクレオチドを組み込むポリメラーゼ）を有するようにして構築することができる。本発明の例外的な態様は、大きな流れによってではなく、拡散とナノ流体の電荷結合との組み合わせによって、ＤＮＡ分子などの生体分子を反応ステーション間で容易に移動させることができるというものである。これらのＤＮＡ分子を反応ステーションに留まらせて、予め選択された制御可能な期間の間、生物物理学的または生化学的変換を行わせることができる。したがって、単一のナノ流体デバイス内の異なるＤＮＡ分子に対して、バルブを全く使用することなく、個別にアドレスし処理することができる。
【００１０】
１つの態様では、本発明は、一般に、溶液中の分子または分子群を操作するための装置に関する。装置は、（１）底部が誘電体層で作られたナノ流体キャビティであって、前記ナノ流体キャビティの深さが、ナノ流体キャビティを充填している溶液のイオン遮蔽距離（ｉｏｎｉｃ  ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ  ｌｅｎｇｔｈ）と同じオーダーまたはそれ未満である、ナノ流体キャビティと、（２）ナノ流体キャビティを有する誘電体層の表面の反対側の誘電体層の表面上に配列された複数の電極であって、電極のアレイ中の個々の電極間の間隔が、ナノ流体キャビティを充填している溶液のイオン遮蔽距離よりも大幅には長くない、複数の電極と、（３）外部の電子デバイスに接続するために、個々の電極に個別に接続された、複数のビアとを備える。
【００１１】
別の態様では、本発明は、一般に、溶液中の分子または分子群を操作するための装置に関する。装置は、（１）ナノ流体キャビティであって、前記ナノ流体キャビティの深さが、ナノ流体キャビティを充填している溶液のイオン遮蔽距離と同じオーダーまたはそれ未満である、ナノ流体キャビティと、（２）ナノ流体キャビティの表面上に配列された電極のアレイであって、電極のアレイ中の個々の電極間の間隔が、ナノ流体キャビティを充填している溶液のイオン遮蔽距離よりも大幅には長くない、電極のアレイと、（３）電極のアレイを外部の電子デバイスに接続するために、電極のアレイ中の個々の電極に個別に接続された、ビアとを備える。アレイ中の個々の電極に印加される印加電圧は、電子を金属電極から溶液中の任意の化学種へと伝達するのに要する過電圧未満である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の１つまたは複数の実施形態による装置の基本要素を示す概略図である。
【図２】本発明の１つまたは複数の実施形態による装置を示す概略図である。
【図３】本発明の１つまたは複数の実施形態による装置を示す概略図である。
【図４】本発明の１つまたは複数の実施形態による装置を示す概略図である。
【図５Ａ−５Ｄ】本発明の１つまたは複数の実施形態による装置の１つまたは複数の動作を示す概略図である。
【図６】本発明の１つまたは複数の実施形態による装置の１つまたは複数の動作を示す概略図である。
【図７】本発明の１つまたは複数の実施形態による装置の１つまたは複数の動作を示す概略図である。
【図８】本発明の１つまたは複数の実施形態による装置の製造方法を示す概略図である。
【図９】本発明の１つまたは複数の実施形態による装置の製造方法を示す概略図である。
【図１０】本発明の１つまたは複数の実施形態による装置の製造方法を示す概略図である。
【図１１】本発明の１つまたは複数の実施形態によるフローチャートである。
【図１２】本発明の１つまたは複数の実施形態による装置を示す概略図である。
【図１３】本発明の１つまたは複数の実施形態による装置を示す概略図である。
【図１４】本発明の１つまたは複数の実施形態による装置を示す概略図である。
【図１５Ａ−１５Ｃ】本発明の１つまたは複数の実施形態によるナノ流体ＣＣＤアレイ内の電極素子を示す概略図である。
【図１６】本発明の１つまたは複数の実施形態による、ナノ流体ＣＣＤアレイ内で移動しているＤＮＡ分子の上面を示す概略図である。
【図１７】本発明の１つまたは複数の実施形態による、結合酵素活性（ｂｏｕｎｄ  ｅｎｚｙｍａｔｉｃ  ａｃｔｉｖｉｔｙ）のための特定範囲を備えた、二次元ナノ流体ＣＣＤアレイの発明を示す概略図であり、（Ａ）修正された付着方形区画（ｍｏｄｉｆｉｅｄ  ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ  ｓｑｕａｒｅｓ）（黒）を有する電極パッド（灰色）の上面図であり、（Ｂ）ナノ流体スリット内の電極パッド（灰色）および修正された付着方形区画の上面図である（３次元ビュー）。
【図１８】本発明の１つまたは複数の実施形態による、異なる領域で結合された、２つ以上の酵素活性を有する、ナノ流体ＣＣＤアレイの上面を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の本発明の実施形態の詳細な説明において、本発明のより完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細を記述する。しかし、本発明がこれらの具体的な詳細なしで実施されてもよいことは、当業者には明白となるであろう。他の例では、説明が不必要に複雑になるのを回避するために、周知の特徴を詳細には記載していない。
【００１４】
一般に、本発明の実施形態は、溶液中の分子もしくは分子群または１つもしくは複数のナノ粒子を操作するための装置に関する。より具体的には、本発明の実施形態は、ナノ流体環境中において、単一分子もしくは一群の分子または１つもしくは複数のナノ粒子を個別に作動させるための装置に関する。ナノ流体環境中における単一分子の研究は、例えば、全内容を参照により本明細書の一部となすものとする米国特許出願公開第２０１１０２２７５５８号に示されるように、現在探究されている。
【００１５】
加えて、本発明の実施形態は、溶液中の分子もしくは分子群または１つもしくは複数のナノ粒子を操作するための方法に関する。より具体的には、本発明の実施形態は、１つもしくは一群の分子または１つもしくは複数のナノ粒子に、制御された物理的および／または化学的移動および／または変換を起こさせるように、それらを個別に操作することができる、ナノ流体ＣＣＤアレイに基づく方法を提供する。
【００１６】
電荷結合素子（ｃｈａｒｇｅ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｅｖｉｃｅ;ＣＣＤ）アレイがイメージチップを通して電荷を移し替える（ｓｈｕｆｆｌｅ）やり方と同様に、本発明の実施形態によって、キャビティ（ｃａｖｉｔｙ；空洞）内の溶液中に分散した単一分子または分子群の離散的な移動が可能になる。本発明において、キャビティは、溶液を収容するスリット、チャネル、または同様の空間を指す。キャビティはまた、埋込みゲート電極の近傍にある、浅い深さの特定可能な（ｄｅｆｉｎａｂｌｅ）幅広のチャネルまたはチャンバー（ｃｈａｍｂｅｒ）を指すことがある。いくつかの実施形態では、キャビティはナノキャビティと呼ばれることがある。また、本発明において、ナノ流体キャビティという用語は、１００ナノメートルと同じオーダーまたはそれ未満の少なくとも１つの寸法を有する、流体が充填されたキャビティを指す。「〜と同じオーダー（ｔｈｅ  ｏｒｄｅｒ  ｏｆ）」という語句は、本明細書で使用されるとき、ある量が別の量と同じ桁のものであることを示す。本明細書では、２つの量が、因数１００を超えて互いに異ならない限り、２つの量は同じ桁のものである。
【００１７】
本発明の１つまたは複数の実施形態は、キャビティのすぐ近傍にある、個別にアドレス可能な埋込みゲート電極のアレイを備える。個別にアドレス可能な埋込み電極のアレイは、誘電体によってキャビティ内の分子の溶液から分離されてもよく、または分離されなくてもよい。分子の溶液を収容するキャビティの深さによって、分子の一部またはすべてを、溶液のイオン遮蔽距離と同じオーダーまたはそれ未満である、電極までの距離以内に滞留させる。
【００１８】
したがって、本発明の１つまたは複数の実施形態では、単一の埋込み電極に印加される電圧は、チャネルの深さに比べて大きい距離となる場合を除いて、溶液中の緩衝（ｂｕｆｆｅｒ）イオンによって完全にはシールドされないことがある。そのため、電極のピクセルの上方でチャネルの深さのほぼ全体にわたる静電位（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）が摂動（ｐｅｒｔｕｒｂ）することがある。本発明の実施形態は、ナノ流体の環境中での荷電分子、巨大分子、または荷電分子のパケットの、離散的、個別の、およびプログラム可能な作動を可能にしてもよい。電子の移動は電極と溶液の界面では実際に起こらないので、埋込みゲート電極のアレイによって誘発される分子の運動は、マイクロ流体またはナノ流体の環境中における荷電種の従来の電気泳動の挙動とは区別される。したがって、デバイスを通って流れる直流はなくてもよい。
【００１９】
図１は、本発明の１つまたは複数の実施形態による装置の基本要素を示す概略図である。図１は、キャビティ１０２を含む基本要素１００である。キャビティ１０２の底部は、任意選択で、誘電体層１０４から成ってもよい。キャビティ１０２の頂部は、キャビティを特定（ｄｅｆｉｎｅ）するシーリング材料を備える。例えば、シーリング材料は、誘電体１０６で構成されてもよい。電極１０８は、キャビティ１０２の誘電体層１０４の表面とは反対側の誘電体層１０４の表面上に配列されてもよい。導電性ビア１１０は、電極１０８を、電源などの外部のまたはオンチップの電子デバイスに接続するために、基板１１２内で接続される。
【００２０】
基板１１２、誘電体層１０４、およびシーリング１０６は電気絶縁性である。基板１１２の材料の例としては、シリコンまたは溶融石英が挙げられるが、それらに限定されない。誘電体層１０４およびシーリング１０６の材料の例としては、二酸化シリコン、窒化シリコン、または酸化アルミニウムが挙げられるが、それらに限定されない。電極１０８および導電性ビア１１０は、金属、ポリシリコン、または他の導電性材料で構築されてもよい。
【００２１】
図１のｚ方向におけるキャビティ１０２の深さは、例えば、１０ｎｍ〜５０ｎｍと同じオーダーであってもよい。誘電体層１０４のｚ方向の厚さは、例えば、１０ｎｍ〜１５ｎｍと同じオーダーであってもよい。したがって、誘電体層１０４の厚さとキャビティ１０２の深さの合計は、例えば、６５ｎｍと同じオーダーまたはそれ未満であってもよい。分子の溶液を収容するキャビティ１０２の深さは、溶液のイオン遮蔽距離と同じオーダーまたはそれ未満である、ゲート電極までの距離以内に分子を滞留させるように設計される。したがって、当業者であれば、誘電体層１０４の厚さおよびキャビティ１０２の深さは、上述の値に限定されないことを理解するであろう。溶液のイオン遮蔽距離は、イオン種およびその濃度によって決まってもよい。溶液、誘電体層１０４の厚さ、キャビティ１０２の深さ、および電極１０８に印加される電圧はすべて、特定の所望の結果を達成するように調整されてもよい。
【００２２】
本発明の１つまたは複数の実施形態では、誘電体層１０４は、導電性ビア１１０を通して電極１０８に印加される電圧の範囲内では電気的絶縁破壊が起こらないような、十分な厚さおよび品質のものである。本発明の１つまたは複数の実施形態では、誘電体層１０４は、あらゆる電気化学的反応が電極１０８で起こるのを防ぐ材料で作られる。
【００２３】
本発明の１つまたは複数の実施形態では、誘電体層１０４は省略されてもよい。これらの実施形態では、印加電位は誘電体層がないことを補償（ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ）するように制御される。これらの実施形態では、裸の電極（ｂａｒｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）は、分子または分子群を含有する溶液に電流を流すことがあり、従来マイクロ流体およびナノ流体デバイスでそうであるように、印加電圧が高過ぎた場合に、電気泳動によって分子を移動するのを可能にすることがある。しかし、本開示に照らして、アレイ中の電極に印加される電圧が、電子を電極から溶液中の任意の化学種へと伝達するのに要する過電圧未満である場合、ナノ流体ＣＣＤモードでの分子操作が誘電体層１０４なしで達成されてもよいことが、当業者には理解されるであろう。
【００２４】
キャビティ１０２は、対象の分子が入ることができるのには十分に深く、しかし、流体上の電極１０８における電位によって起こる摂動が、キャビティ１０２の深さのほぼ全体にわたって、または少なくともキャビティの一部の顕著な画分にわたって、可動電荷担体（ｍｏｂｉｌｅ  ｃｈａｒｇｅ  ｃａｒｒｉｅｒ）によって遮蔽されないように、十分に浅いものであってもよい。換言すれば、キャビティの深さは、溶液のイオン遮蔽距離と同じオーダーまたはそれ未満であってもよい。さらに、イオン遮蔽距離に対してキャビティが浅くなるほど、埋込み電極と対象の分子との間の電気的結合は、キャビティの深さ全体にわたってより強固になることがある。それに加えて、上述したように、遮蔽距離は緩衝溶液のイオン強度に応じて決まるので、遮蔽距離は調節可能なパラメータであってもよい。
【００２５】
さらに、イオン遮蔽距離がチャネルの深さのごく一部（例えば、５〜１０％）でしかない場合、ＣＣＤ動作モードにおいてアレイを横切って分子を移動させることが依然として可能であってもよいことに留意されたい。例えば、長いＤＮＡ分子が多数の埋込み電極の上にあるチャネルの一部に及ぶ場合であって、しかし、チャネルの深さがイオン遮蔽距離の１０倍であった場合、デバイスは依然としてＣＣＤ動作モードで使用されてもよい。これらの条件下では、大きな負電位が電極の１つに印加された場合、電極の上方にあるＤＮＡのセグメントは、チャネルの底部部分（チャネル容積の底部の１０分の１）から除外されてもよい。大きな負電位によって、有効に、分子を垂直方向でより堅固に閉じ込めてもよい。かかる閉じ込め（ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）は、図５Ｃに示される分子５１６−３によって示されるように、分子の水平方向の伸張（ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ）をもたらすことがある。
【００２６】
分子の長さに沿った不均一な閉じ込めは、ナノキャビティの水平面におけるエントロピー的な力をもたらすことがあり、それがアレイを横切って分子を移動させるのに使用されてもよい。ナノ流体環境中のＤＮＡ分子に作用する、かかる閉じ込めによって誘発されるエントロピー的な力は、ナノ流体の分野で良く理解されている（例えば、「Ｃｏｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ｓｉｎｇｌｅ  ＤＮＡ  Ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ  Ｕｎｄｅｒ  ｇｏｉｎｇ  Ｅｎｔｒｏｐｉｃａｌｌｙ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｍｏｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｎａｎｏｃｈａｎｎｅｌｓ」、Ｍａｎｎｉｏｎら、２００６年、Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  Ｖｏｌ．９０、４５３８ページを参照）。静電気的な力は、分子をキャビティ内で垂直方向に上方へ押し上げて、分子を部分的にシーリングに押し付けるのに使用されてもよい。垂直方向の圧迫（ｓｑｕｅｅｚｉｎｇ；両側から強く押す）は、水平方向で作用するエントロピー的な力をもたらして、分子を負電極の上方にある空間から隣接した電極の上方にある空間に向かって押し出すことがある。本発明の実施形態は、図１に示される基本構成要素１００の一次元および二次元のアレイを含む。少数の隔離された基本構成要素１００が、キャビティ内の分子のフローを制御するゲートとして使用されてもよいことは、特筆に値する。
【００２７】
図２は、本発明の１つまたは複数の実施形態による、図１に示される基本構成要素１００の一次元アレイを示す概略図である。アレイは、誘電体層２０４によってコーティングされた一連の電極２０８−１…２０８−６を備えたキャビティ、即ちチャネル２０２を含む。電極２０８−１…２０８−６はそれぞれ、電極２０８−１…２０８−６を１つまたは複数の外部のまたはオンチップの電子デバイス（図示なし）に接続するための、基板２１２内にある導電性ビア２１０−１…２１０−６に接続される。本発明の１つまたは複数の実施形態では、電極２０８−１…２０８−６上の誘電体２０４の表面は、電極２０８−１…２０８−６の間の範囲を覆う誘電体２０４の表面と同一平面上（ｃｏｐｌａｎａｒ）であってもよい。その同一平面上の表面は、さらに、分子を電極２０８−１…２０８−６の間の範囲に優先的に滞留させるのを防いでもよい。図２に示されるアレイは、ナノチャネルタイプのキャビティの軸線に沿って通っているゲートの隔離された列の一部分である。図２に示されるアレイはまた、図３を参照して示されるような、より大きな二次元アレイの一部であってもよい。
【００２８】
本発明の１つまたは複数の実施形態では、電極２０８−１…２０８−６はそれぞれ、外部のまたはオンチップの電子機器によって、導電性ビア２１０−１…２１０−６を通して個別にアドレス可能であってもよい。あるいは、１つまたは複数の分子と電極２０８−１…２０８−６との相対的なサイズに応じて、電極２０８−１…２０８−６の２つ以上が一群としてアドレス可能であってもよい。
【００２９】
例えば、図２では、電極２０８−１、２０８−２、２０８−４、２０８−５、および２０８−６は、電気的に浮遊しているものとして示され、一方で電極２０８−３に対する電圧は、ビア２１０−３を通して外部電源によって設定される。電極２０８−３に対する電圧は、誘電体２０４を貫通する、等電位線２１４によって示される電界を作り出す。等電位線２１４によって示される電界は、キャビティ２０２内の１つまたは複数の分子を操作するのに使用される。電子の伝達は誘電体２０４の界面では起こらず、したがって、電気化学的反応は起こらないことがあり、定常状態における直流が電解質中に確立されないことがある。加えて、等電位線２１４によって示される電界は、キャビティ２０２の長さに沿った短い距離しか延在しないことがある。好ましくは、等電位線２１４によって示される電界は、隣接した電極２０８−２および２０８−４の上方の空間をわずかに貫通する。荷電分子をキャビティに沿って移動させるために、ビア２１０−１…２１０−６に印加される電圧は、従来のＣＣＤアレイと同様に切り替え（ｔｏｇｇｌｅ）られてもよい。この切替え方法はまた、例えば蠕動ポンプの作用と同様のものと見なされてもよい。
【００３０】
本発明の１つまたは複数の実施形態では、電極の面積は、対象の１つまたは複数の分子のサイズに相対して設計されてもよい。対象の分子が電極によって覆われる面積よりも小さい場合、隣接した電極間の空間は、イオン遮蔽距離に、および結果としてナノチャネルの深さに、ほぼ等しいか、またはそれ未満であるべきである。したがって、分子が、電極間の「デッドゾーン」に捕捉されないようにすることができる。対象の分子が電極の面積よりも大きな流体力学的な（ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ）面積を覆う場合、アレイのピッチは分子の流体力学的な半径（ｒａｄｉｕｓ）と同じかそれ以下であってもよい。本発明の１つまたは複数の実施形態では、上述の条件が両方とも満たされてもよい。隣接した電極間のサイズおよび間隔が減少するにつれて、装置の空間分解能が増加してもよい。
【００３１】
図３は、本発明の１つまたは複数の実施形態による、図１に示される基本構成要素１００の二次元アレイを示す三次元の斜視図である。二次元アレイの装置３００は、ナノチャンバーキャビティ３０２を利用する。図２に示される装置と同様に、基板３１２は、電極３０８を備えたビア３１０の二次元アレイを含む。キャビティ３０２は、薄い誘電体層３０４とシーリング３０６との間に位置付けられる。図３に示されるように、二次元アレイの装置３００は、均一に並べられた電極のアレイ３０８を有する。しかし、実施形態はそれに限定されない。例えば、電極３０８の相対的なサイズおよび間隔は、均一である必要はない。デバイスの具体的な目標および用途に応じて、電極３０８は異なるサイズで設計されてもよい。さらに、キャビティ３０２は、具体的な用途に応じて、チャンバー、チャネル、およびサブチャネルを含んでもよい。図３によって示される実施形態では、分子の位置だけでなく形状も、電極３０８に対する電極電圧を調節することによって制御されてもよい。
【００３２】
図４は、本発明の１つまたは複数の実施形態による装置を示す概略図である。図４は、（チャネルまたはスリットの）キャビティ４０２の一方の側にある電極４０８−１と、キャビティ４０２の他方の側にある電極４０８−２とを備えた装置４００を含む。当業者であれば、これら電極は必ずしもキャビティ４０２の相対する両側になくてもよく、例えば、キャビティの一方の隣接する側に位置してもよく、またはこれらの両方の構成の組み合わせであってもよいことを理解するであろう。図４に示されるように、電極は互い違いであってもよい。上述したように、ビア４１０−１、４１０−２を通して印加される電圧により発生する等電位線４１４によって、キャビティ４０２内の分子に働くことがある力は、印加電圧、キャビティ４０２の深さ、薄い誘電体層４０４−１、４０４−２の厚さ、および溶液のイオン強度の関数（ｆｕｎｃｔｉｏｎ）である。キャビティ４０２の複数の壁（例えば、頂壁、底壁、または両方の側壁）上に電極４０８−１、４０８−２を配列することによって、上述した分子の力に対する影響が修正されてもよい。例えば、電極４０８−１、４０８−２の数が増加すると、キャビティ４０２の深さを増加させることが可能になってもよく、または誘電体層４０４−１、４０４−２の厚さを増加させてもよい。あるいは、装置４００は、より強いイオン溶液中の分子を操作することができてもよく、または動作させるのに要する印加電圧がより少なくてもよい。
【００３３】
図５Ａ〜５Ｄは、本発明の１つまたは複数の実施形態によって行われてもよい動作のいくつかの例を実証する概略図である。図５Ａでは、分子５１６−１、例えばＤＮＡは、キャビティ内に位置し、電極５０８に対する印加電圧はオフである。分子５１６−１は、静止しており、キャビティ内でその平衡延長長さ（ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ  ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ  ｌｅｎｇｔｈ）まで伸長している。図５Ｂは、本発明の１つまたは複数の実施形態による、図５Ａに示される分子位置に対して右に移動させた分子を示している。分子５１６−１は、電極５０８の全体にわたって正電圧状態を掃引（ｓｗｅｅｐｉｎｇ）することによって、右に移動されてもよい。例えば、図５Ｂに示されるように、分子５１６−２の位置を、図５Ａに示される分子５１６−１の位置に対して、１電極分または１ピクセル分、右にずらすために、わずかに正の電圧が電極５０８−８に印加されてもよい。
【００３４】
図５Ｃは、本発明の１つまたは複数の実施形態による、少し過度に伸ばされている分子を示す。図５Ｃでは、分子５１６−３は、電極５０８−１０に印加される負電圧を用いて分子５１６−３を両側から強く押すことによって、少し過度に伸ばされてもよい。本発明の１つまたは複数の実施形態では、分子５１６−４は、電極５０８−１４に負電圧を印加することによって分子５１６−４を中央で両側から強く押すと共に、電極５０８−１２および５０８−１６に印加される正電圧を用いて分子５１６−４の端部を引っ張ることによって、さらに過度に伸ばされてもよい。図５Ｃにも示されるのは、本発明の１つまたは複数の実施形態による、単一の電極５０８−１８に強い正電圧を印加することによって、単一の電極５０８−１８の上方で圧縮されている分子５１６−６である。
【００３５】
図５Ｄは、本発明の１つまたは複数の実施形態による、圧縮されると共に過度に伸ばされている大型分子を示す。長い分子５１６−２０は、電極５０８−２０および５０８−２４に正電圧を印加することによって、分子５０８−２０の長さのほとんどに沿って圧縮されてもよい。分子５１６−２０の選択された部分は、電極５０８−２２に負電圧を印加することによって、過度に伸ばされてもよい。本発明の１つまたは複数の実施形態では、電極群５０８−２０の中の電極の１つに対する正電荷は、左側から取り去られてもよく、別の正荷電された電極は、電極群５０８−２４の右側に加えられてもよい。その結果、分子５１６−２０全体を右にずらすことができる。さらに、１つまたは複数の実施形態では、分子５１６−２０は、電極群５０８−２２の上方にあるキャビティの領域を通して引っ張られてもよいので、端点に対する分子５１６−２０の位置を追跡しながら、分子５１６−２０の部分を詳細に調査することができる。
【００３６】
本発明の１つまたは複数の実施形態では、分子は、電極電圧が変化した後、かつ溶液中で可動電荷担体の定常状態での再配列に至る前の、短い移行期間の間に移動する。例えば、分子の移動は、密集した流体電極を充電および放電することによって達成される。再配列は迅速に起こるので、アレイの相当の距離にわたって分子を移動させるために、アレイ電極に対する電圧が継続的に切り換えられて、１つの隣接した電極から次の電極へと電荷が移し替えられることがある。これは、標準的な「リザーバ内電極（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ｉｎ  ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）」装置と比べてデバイス動作における卓越した点であり、有利には、ナノ流体試料の取扱いに対する可能性の新しい領域を開くことができる。
【００３７】
本発明の１つまたは複数の実施形態では、特定の検体分子は、大多数の電解質イオンが応答するために要するよりも長い時間スケールにわたって、埋込み電極の電圧の変化に応答してもよい。例えば、大型ＤＮＡ分子は、最初は複数の中性電極の上方の空間を占めることがあり、１つの電極電位が高い負電圧に急に設定されることがある。ＤＮＡ分子は、最終的に、中性電極の上方に滞留するようにその位置をずらしてもよい。しかし、分子が位置をずらす速度は、一部には、チャネルの深さとイオン遮蔽距離との関係に応じて変わる。イオン遮蔽距離がナノキャビティの深さよりも長い場合、ＤＮＡ分子は、垂直方向の強い斥力を受けることがあり、キャビティ内で負電極から離れる方向で上方に移動するだけでなく、負電極の上方の全容積中に電界が存在する結果として、その空間から排除されることがある。しかし、イオン遮蔽距離が比較的短く、例えばチャネル深さの１０分の１である場合、ＤＮＡ分子は、負電極の上方にある流体の容積の底部部分（その容積の底部の１０分の１）からのみ排除されてもよい。ＤＮＡは、強い電気的斥力を受けることなく、その容積の上部９０％に依然として存在してもよい。しかし、電界によって垂直方向でこのようにわずかに圧迫することにより、閉じ込めによって誘発される、水平方向で作用するエントロピー的な力に結び付くことがある。したがって、負の印加電圧に応答して電解質イオンを再配列した後であっても、閉じ込めによって誘発されるエントロピー的な力は、長いＤＮＡ分子などの巨大分子に作用し続けることがある。両方の場合において、ＤＮＡ分子は、電極から電極へと分子を移し替える一連の切替え電圧（ｔｏｇｇｌｅｄ  ｖｏｌｔａｇｅ）によって、電極アレイ全体にわたる長距離を移動してもよい。しかし、第２の場合では、ＤＮＡ分子が変化する電極電圧のペースに遅れをとらないように、電極電圧をより遅いクロック速度で切り替える必要があることがある。同様に、移動している荷電分子が低い電気泳動移動度を有する場合、分子は、電極に対する新しい電圧を設定するのに要する時間量よりも遅く移動してもよい。したがって、電圧を切り替える間、十分に長い遅延期間が提供されてもよい。
【００３８】
本発明の１つまたは複数の実施形態では、ナノ流体チャネルのネットワークは、マクロ流体リザーバに放出されることなく、分子が連続的な形（ｆａｓｈｉｏｎ）で分類されることを可能にしてもよい。このマクロ流体リザーバは、分子が大きな流体容量中で失われることがあるか、または分子が電極表面に直接接触することがある。図６は、主要なキャビティが、チャネルまたはチャンバー６１８−１…６１８−４に分割されている、電極６０８の二次元アレイを示す概略図である。チャンバー６１８−１…６１８−４は、追加の誘電体材料を使用してデバイス内に作製されてもよい。加えて、チャンバー６１８−１…６１８−４は、電極に電圧を印加することによる仮想（ｖｉｒｔｕａｌ）であってもよい。例えば、電極に特定の電圧を印加することによって、荷電された「仮想の」壁、チャンバー６１８−１…６１８−４を形成してもよい。電極のアレイに電圧を印加することによって形成される壁、チャネル、およびチャンバーは、複数の目的のための単一のデバイスを製造することの利点を提供してもよい。さらに、壁は、個別にアドレス可能な電極６０８によって移動または再配置されてもよいので、装置に追加の多用性および能力をもたらす。
【００３９】
例えば、染色体断片６２０−１…６２０−３の集合体は、上方から（例えば、シーリングのアクセスを通して）キャビティ範囲に装填されてもよく、または図６の右側にあるマイクロチャネル（図示なし）から供給されてもよい。染色体断片群６２０−１…６２０−３は、次に解きほぐされてもよく、各染色体断片をその独自のチャネル内へと移し替えることができる。図６に矢印で示されるように、染色体断片６２０−１は、チャンバー（またはチャネル）６１８−１内へと移動されてもよい。同様に、染色体断片６２０−２および染色体断片６２０−３はそれぞれ、チャンバー６１８−３およびチャンバー６１８−４内へと移動されてもよい。各チャンバー６１８−１…６１８−４は、実験用の別個のナノチャネルアレイ装置につながっていてもよい。例えば、分子は、光路長測定、ＰＣＲによる特定の断片の増幅、シークエンシングに向けた断片の選択、ＤＮＡハプロタイプの区分化、単一分子のシークエンシング、または当該分野で知られている他のオンチップ分析もしくは処理のために選択されてもよい。図６に示される実施形態は、個々の分子が連続的な形でチャネルネットワークを通して移動され、次に、誘電体チャネルの壁の表面のみに接触した状態で、１つの場所で濃縮されてもよいことを実証している。
【００４０】
本発明の１つまたは複数の実施形態では、ナノ流体アレイ装置は、溶解した細胞（ｌｙｓｅｄ  ｃｅｌｌ）からの高荷電の分子（例えばＤＮＡ、ＲＮＡ）を、他の細胞内の成分から隔離するために、圧力駆動流と組み合わされてもよい。本発明の１つまたは複数の実施形態では、マイクロ流体溶液の離散的なサンプリングを可能にするために、ナノ流体アレイ装置は、マイクロ流体チャネルに連結されてもよい。図７は、本発明の１つまたは複数の実施形態による装置の動作を示す概略図である。図７では、細胞７２２は、シーリング７０６の頂部上で静止している。矢印７２３によって示されるように、細胞７２２は、化学物質７２４、例えば代謝物質を放出する。化学物質７２４は、シーリング７０６の穴７２６を通してキャビティ７０２内へと拡散してもよい。穴付近の電極７０８−１は、最初は浮遊していてもよいが、化学物質７２４がキャビティ７０２に入ると、電極７０８−１の正電荷と負電荷の組み合わせが化学物質７２４の一部を摘み取り、次に、電極７０８−２を使用して、化学物質７２４の一部をキャビティ７０２の下方へ移し替えてもよい。次に、化学物質７２４は分類されるか、または分析領域へと移動されてもよい。例えば、分析領域は、ＬＣもしくは電気泳動分離カラム、または質量分析計につながる電気スプレーの先端を含んでもよい。本発明の実施形態によって、細胞から放出された化学物質のスナップショットを、時間の関数として分析することを可能にすることができる。加えて、シーリング７０６の上方に位置する特定の細胞に分子を送達するために、デバイスを逆向きに使用することができる。
【００４１】
図８は、本発明の１つまたは複数の実施形態による装置の製造方法を示す概略図である。Ｓ８３０では、既知のフォトリソグラフィ技術にしたがってウェハをパターニングする。パターニングは、ビアの所望の位置によって、したがって装置において結果として得られる電極のサイズおよび位置によって決まる。Ｓ８３２では、例えば反応性イオンのエッチングを使用して、スルーホールを作製して、ウェハに穴を作製する。Ｓ８３４では、フォトレジストを除去した後、上記図面に図示したビアを形成するために、スルーホールを金属または他の導電性材料で充填する。Ｓ８３６では、上記図面に図示した電極を形成するために、既知の技術にしたがって金属または別の導電性材料をさらに成長（または堆積）させる。Ｓ８３８では、隣接した電極間のギャップを充填するために、電極およびウェハの表面を誘電体材料で覆ってもよい。次に、Ｓ８４０では、例えば化学的機械的平坦化（ＣＭＰ）技術を使用して、任意選択で表面を平坦化してもよい。平坦化に続いて、Ｓ８４２では、既知の技術にしたがって、上記図面に図示したような薄い誘電体層を任意選択で堆積させてもよい。結果として得られる構成要素８４４は、デバイスの基板の裏面における電気的接触のためのビアを備えた、個別にアドレス可能な電極のアレイである。
【００４２】
図９および１０は、本発明の１つまたは複数の実施形態による、構成要素８４４をキャビティとインターフェース接続（ｉｎｔｅｒｆａｃｉｎｇ）するための別の方法である。図９を参照すると、Ｓ９４６では、フォトリソグラフィまたはドライエッチングなどの、既知のマイクロ流体および／またはＭＥＭ作製技術にしたがって、ナノスケールの深さを備えたトレンチ９４５を第２のウェハ９４７に作製する。次に、Ｓ９４８では、トレンチ９４５がキャビティ９０２を形成するようにして、第２のウェハ９４７を構成要素９４４と結合する。第２のウェハ９４７を構成要素９４４に結合する際、キャビティ９０２の均一な深さを作り出すように注意すべきである。しかし、本明細書に開示される製造プロセスにおける小さな偏差または欠陥は、電極に対する印加電圧の大きさおよび／または使用される溶液のイオン強度によって補償されてもよい。
【００４３】
図１０は、本発明の実施形態の１つまたは複数を製造する別の方法である。Ｓ１０５０では、薄い犠牲層１０５１を構成要素１０４４の電極側に堆積させる。犠牲層１０５１の厚さによってキャビティの深さが決まる。次に、Ｓ１０５２では、誘電体層または絶縁層１００６を薄い犠牲層１０５１上に堆積させる。犠牲層１０５１および誘電体層または絶縁層１００６は、既知の技術、例えば化学蒸着法（ＣＶＤ）、低圧化学蒸着法（ＬＰＣＶＤ）、スパッタリング、および／または原子層堆積法（ＡＬＤ）にしたがって堆積されてもよい。Ｓ１０５４では、ウェットまたはドライエッチングを使用して、犠牲層１０５１を選択的に除去してもよい。当該分野で知られているように、Ｓ１０５４は、犠牲層１０５１を除去するのに先立ってエッチング穴を提供し、それに続いてかかるエッチング穴をキャッピングすることを含んでもよい。
【００４４】
図１１は、本発明の１つまたは複数の実施形態による方法を要約したフローチャートである。ＳＴ１１００では、例えばフォトリソグラフィを使用して、スルーホールのアレイを基板上にパターニングする。ＳＴ１１１０では、基板にエッチングを施してスルーホール内の材料を除去する。ＳＴ１１２０では、スルーホールを導電性材料で、例えば金属で充填する。ＳＴ１１３０では、導電性材料をさらに堆積または成長させて、電極のアレイを形成する。電極を形成するのに使用される導電性材料は、スルーホールを充填するのに使用されるのと同じ導電材材料であってもよく、または同じでなくてもよい。ＳＴ１１４０では、電極を備える基板の表面を誘電体でコーティングする。ＳＴ１１５０では、電極を備える基板の表面を平坦化する。
【００４５】
上述したように、請求される本発明の実施形態は、装置の裏面にあるビアに対する電気的接触を通して個別にアドレス可能な電極を含んでもよい。ビアは、回路基板を通して外部の電子機器に接続されてもよい。換言すれば、本明細書で言及される外部の電子機器は、ビアに対する接続を容易にする追加の回路基板または構成要素を含んでもよい。図１２は、ビアに対する外部の電子機器の接続を容易にするために回路基板１２５６に接続された装置１２００の概略図である。回路基板１２５６は、装置１２００内のビアそれぞれに接触するように、既知の技術にしたがって製造されてもよい。ビアは、例えば、接触パッドへのワイヤ結合（ｗｉｒｅ  ｂｏｎｄｉｎｇ）によって、またはピンのアレイを提示するプリント回路基板とのインターフェース接続によって接続されてもよい。当該分野で知られているように、装置１２００内の各ビアを個別にアドレス可能にすることができるように、装置１２００を接続し位置合わせするための多数の方法がある。
【００４６】
本発明の１つまたは複数の実施形態では、図１３に示されるように、電気的接点１３５８は、各接点１３５８が個々のビアに接続されるようにして、装置１３００の裏面に堆積されてもよい。接点１３５８は、回路基板、ピンの接点（ｃｏｎｔａｃｔ）、または外部の電子機器によって電圧を印加するための他の手段に対して、装置１３００を電気的に接続するのを容易にするようにパターニングされてもよい。
【００４７】
加えて、本発明の１つまたは複数の実施形態にしたがって、さらなる構成要素が装置に組み込まれてもよい。例えば、図１４は、各ビア１４１０に接続されたＤＲＡＭ回路１４６０の組込みを示す。ＤＲＡＭ回路１４６０は、既知の技術にしたがって装置１４００に組み込まれてもよい。ＤＲＡＭ回路１４６０は、既知のＤＲＡＭまたはＣＭＯＳイメージセンサ設計と同様に、オンチップ逆多重化戦略（ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ  ｓｔｒａｔｅｇｙ）を提供してもよい。
【００４８】
本発明の特定の実施形態では、ナノ流体アレイの特定の領域は金でコーティングされ、それに対して、遊離システイン残留物を有するタンパク質を、金チオラート結合（ｇｏｌｄ-ｔｈｉｏｌａｔｅ  ｂｏｎｄ）を介して結合することができる（Ｕｌｍａｎら、２０１１年、Ｊ  Ｎａｎｏｂｉｏｔｅｃｈ．９：２６「Ｈｉｇｈｌｙ  ａｃｔｉｖｅ  ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ−ｅｎｚｙｍｅ  ｏｒｉｅｎｔｅｄ  ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓ：ｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｓｅｎｓｉｎｇ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」）。図１５Ｂは、ナノ流体ＣＣＤアレイの電極素子を示す概略図であり、電極のうちの１つは誘電体で覆われておらず、その代わりに酵素が上に結合されてもよい表面（例えば、金の表面）を有する。図１５Ｃは、酵素がデバイスのシーリングにある金膜（ｆｉｌｅ）に結合されている別の実施形態を示す。
【００４９】
金の表面は、誘電体をエッチングで除去して金電極を露出させることによって、特定の領域に作製することができる（図１５Ｂ）。あるいは、犠牲材料がチャネルから除去され、金のパターンおよび誘電体層が残る、犠牲的方法によってナノ流体チャネルが作製される場合、ナノ流体チャネルのシーリングに金のパターンを作製することができる。
【００５０】
他の実施形態では、タンパク質の酵素は、修正された表面に結合された抗体に結合することができる。特定の電極の上にある誘電体層が除去された場合（図１５Ｂ）、その電極に電圧を印加して電極表面上で電気化学的作用をさせることができ、この作用を、修飾したタンパク質または核酸との結合か、または電極上へのコーティングに使用することができる。
【００５１】
本発明のデバイスおよび方法は、流体交換、細胞の溶解、または粒子分類のためのナノ流体「バンプアレイ（ｂｕｍｐ  ａｒｒａｙ）」、またはポリマー選別のためのナノ流体チャネルなどの他の機能と共に、マイクロ流体またはナノ流体デバイスに採用することができる。例えば、個々の細菌細胞を溶解し、細胞のゲノムを制限消化ステーション（本発明）に渡し、結果として得られる断片をナノ流体チャネル内で選別する、組み合わされたラボオンチップ（ｌａｂ-ｏｎ-ｃｈｉｐ）デバイスを構築することができる（Ｍｏｒｔｏｎら、２００８年、Ｌａｂ  Ｃｈｉｐ．９：１４４８−５３．「Ｃｒｏｓｓｉｎｇ  ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ  ｓｔｒｅａｍｌｉｎｅｓ  ｔｏ  ｌｙｓｅ，ｌａｂｅｌ  ａｎｄ  ｗａｓｈ  ｃｅｌｌｓ」、Ｅ．ｐｕｂ．２００８年７月２３日；Ｍａｎｎｉｏｎら、２００７年、Ｂｉｏｐｏｌｙｍｅｒｓ  ８５（２）：１３１−４３，「Ｎａｎｏｆｌｕｉｄｉｃ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  ｓｉｎｇｌｅ  ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅ  ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ」）。
【００５２】
図１６は、結合酵素活性のための特定範囲を有する二次元ナノ流体ＣＣＤアレイを概略的に示す。図１６Ａでは、修正された付着方形区画（黒）を有する電極パッド（灰色）の上面図が示される。図１６Ｂは、ナノ流体スリット内の電極パッド（灰色）および修正された付着方形区画の上面図（三次元図）を示す。
【００５３】
図１７は、ナノ流体ＣＣＤアレイ内で移動しているＤＮＡ分子の上面図を概略的に示す。図１８では、異なる領域での２つ以上の酵素活性の結合を有する、ナノ流体ＣＣＤアレイが上面図で示される。デバイスは、１つのサブチャネルのみをアドレスする、副次的（ｓｉｄｅ）な「酵素負荷チャネル（ｅｎｚｙｍｅ  ｌｏａｄｉｎｇ  ｃｈａｎｎｅｌｓ）」を備えて構築されてもよい。したがって、１つのデバイスを１つの取付け方法（例えば、異なるサブチャネルに金をパターニングする）によって構築することができるが、異なる酵素活性をデバイスの別個の領域で結合することができる。すべての入口および出口の圧力を制御することによって、所与の酵素がデバイスの１つの領域のみを流れ、したがって１つの修正された領域にのみ結合するように、酵素のフローを制御することができる。かかるデバイスを使用して、制限酵素による長いＤＮＡの消化を行うことができる。１つの酵素による消化のために特定のＤＮＡ分子を選択し、他のＤＮＡ分子を未消化のままにする（図１７）か、または異なる酵素によって消化させる（図１８）ことができる。
【００５４】
特定の実施形態では、ポリメラーゼは、チップの表面に結合されて、ＤＮＡの切断部または切れ目において標識ヌクレオチドを組み込んでもよい。他の実施形態では、メチル化などのＤＮＡ修飾に対する抗体を使用して、デバイスの１つの領域でメチル化したＤＮＡを保持することができる。あるいは、ＤＮＡアプタマーは、ナノ流体ＣＣＤアレイ技術によって電極に局在化される、結合実体（ｂｏｕｎｄ  ｅｎｔｉｔｉｅｓ）または核酸として、酵素活性を提供することができる。例えば、本発明のデバイスは、特定の領域に結合された酵素活性を有するナノ流体デバイスに、ナノ流体ＣＣＤアレイによって提供される分子の検出および作動能力を提供する。
【００５５】
１つの態様では、本発明は、一般に、溶液中の分子または分子群を操作するための装置に関する。装置は、（１）底部が誘電体層で作られたナノ流体キャビティであって、ナノキャビティの深さがナノ流体キャビティを充填している溶液のイオン遮蔽距離と同じオーダーまたはそれ未満である、ナノ流体キャビティと、（２）ナノ流体キャビティを有する誘電体層の表面とは反対側の誘電体層の表面上に配列された複数の電極であって、電極のアレイ中の個々の電極間の間隔が、ナノ流体キャビティを充填している溶液のイオン遮蔽距離よりも大幅には長くない、複数の電極と、（３）外部の電子デバイスに接続するために、個々の電極に個別に接続された複数のビアとを備える。
【００５６】
本発明の特定の実施形態では、電極のアレイは二次元アレイである。特定の好ましい実施形態では、電極のアレイ中の１つまたは複数の電極は、外部の電子デバイスによってビアのアレイを通して個別にアドレス可能である。１つまたは複数の電極に印加される電位は、電極とキャビティ内の溶液との間に流れる電流が無視できる程度であるように選択される。
【００５７】
特定の好ましい実施形態では、誘電体層は、動作中の電子伝達を限定すると同時に、ゲート電極と流体キャビティ内の分子との間の強力な静電結合を可能にするのに、十分な厚さ、品質、および材料組成のものである。例えば、ナノ流体キャビティの深さは、約１ｎｍを超えて約１，０００ｎｍ未満（例えば、約１ｎｍ〜約９００ｎｍ、約１ｎｍ〜約８００ｎｍ、約１ｎｍ〜約７００ｎｍ、約１ｎｍ〜約６００ｎｍ、約１ｎｍ〜約５００ｎｍ、約１ｎｍ〜約４００ｎｍ、約１ｎｍ〜約３００ｎｍ、約１ｎｍ〜約２００ｎｍ、約１ｎｍ〜約１００ｎｍ、約１００ｎｍ〜約１，０００ｎｍ、約１００ｎｍ〜約９００ｎｍ、約１００ｎｍ〜約８００ｎｍ、約１００ｎｍ〜約７００ｎｍ、約１００ｎｍ〜約６００ｎｍ、約１００ｎｍ〜約５００ｎｍ、約１００ｎｍ〜約４００ｎｍ、約１００ｎｍ〜約３００ｎｍ、約１００ｎｍ〜約２００ｎｍ）であってもよい。いくつかの好ましい実施形態では、ナノ流体キャビティの深さは、約１ｎｍを超えて約１５０ｎｍ未満である。
【００５８】
特定の実施形態では、装置は、穴を通して流体で充填されたキャビティ内へと分子が拡散するのを可能にする、穴のあるシーリングをさらに備える。
【００５９】
特定の実施形態では、装置は、シーリングの誘電体層の上面に配設された電極の第２のアレイと、第２の電極のアレイを外部の電子デバイスに接続するために、第２の電極のアレイ中の個々の電極に個別に接続されたビアの第２のアレイとをさらに備える。第２の電極のアレイのうち１つまたは複数の電極は、外部の電子デバイスによってビアの第２のアレイを通して個別にアドレス可能である。
【００６０】
特定の実施形態では、外部の電子デバイスは、統合されたオンチップ電子機器を含む。
【００６１】
特定の実施形態では、装置は、ナノ流体キャビティを２つ以上の通路または区画に区分する、１つまたは複数の物理的隔壁をさらに備える。いくつかの実施形態では、通路または区画の少なくとも１つによって、他の通路または区画にある分子に影響を及ぼすことなく、試料中の１つまたは複数の検体分子または粒子を内部で物理的あるいは生化学的に操作することを可能にする。いくつかの実施形態では、通路または区画のうち１つまたは複数は流体チャネルに接続されて、キャビティ全体で流体を交換することなく、前記通路または区画間での流体の交換を可能にする。いくつかの実施形態では、キャビティの一部分は、選択された分子を生化学的または物理的に修飾させるように修正されている。いくつかの実施形態では、キャビティの修正は、キャビティの特定の領域で１つまたは複数のタンパク質またはＤＮＡ分子を固定化することを含む。
【００６２】
特定の実施形態では、誘電体層の厚さは、約３０ｎｍ未満（例えば、約２５ｎｍ未満、約２０ｎｍ未満、約１５ｎｍ未満、約１０ｎｍ未満、約５ｎｍ未満）である。いくつかの好ましい実施形態では、誘電体層の厚さは約１５ｎｍ未満である。
【００６３】
特定の実施形態では、生化学的操作は、酸化還元反応、酵素反応、ヌクレアーゼ消化、蛍光標識反応、親和性に基づく結合、リン酸化もしくは脱リン酸化反応、または共有結合修飾から選択される。
【００６４】
特定の実施形態では、生化学的操作は、酸化還元反応、酵素反応、ヌクレアーゼ消化、蛍光標識反応、親和性に基づく結合、リン酸化もしくは脱リン酸化反応、または共有結合修飾から選択される。
【００６５】
別の態様では、本発明は、一般に、溶液中の分子または分子群を操作するための装置に関する。装置は、（１）ナノ流体キャビティであって、ナノ流体キャビティの深さが、ナノ流体キャビティを充填している溶液のイオン遮蔽距離と同じオーダーまたはそれ未満である、ナノ流体キャビティと、（２）ナノ流体キャビティの表面上に配列された電極のアレイであって、電極のアレイ中の個々の電極間の間隔が、ナノ流体キャビティを充填している溶液のイオン遮蔽距離よりも大幅には長くない、電極のアレイと、（３）電極のアレイを外部の電子デバイスに接続するために、電極のアレイ中の個々の電極に個別に接続されたビアとを備える。アレイ中の個々の電極に印加される印加電圧は、電子を金属電極から溶液中の任意の化学種へと伝達するのに要する過電圧未満である。
【００６６】
さらに別の態様では、本発明は、一般に、溶液中の１つまたは複数の検体分子またはナノ粒子を操作するための装置に関する。この装置は、誘電体シーリングおよび床基板によって特定される、約１０ｎｍ〜約１，０００ｎｍの深さを有するナノ流体キャビティと、ナノ流体キャビティを特定する誘電体シーリングの表面とは反対側にある床基板の表面上に配設された複数の電極と、外部の電子デバイスに接続するために、複数の電極のうちの電極に個別にそれぞれ接続された複数のビアとを備える。この装置は、ナノ流体キャビティを２つ以上の通路または区画に区分する、１つまたは複数の隔壁またはゲートをさらに含んでもよく、通路または区画はそれぞれ、試料中の１つまたは複数の検体分子または粒子を内部で物理的または生化学的に操作するのを可能にするように設計されてもよい。この装置は、それに加えて、ナノ流体キャビティ内部および／または外部への拡散を可能にする、誘電体シーリング中の１つまたは複数の開口部を含んでもよい。
【００６７】
さらに別の態様では、本発明は、一般に、１つまたは複数の検体分子または粒子を操作するための方法に関する。この方法は、誘電体シーリングおよび床基板によって特定される、約１０ｎｍ〜約１，０００ｎｍの深さを有するナノ流体キャビティを提供するステップと、ナノ流体キャビティを特定する誘電体シーリングの表面とは反対側にある床基板の表面上に配設された複数の電極を提供するステップと、複数の電極のうちの電極に個別にそれぞれ接続され、それによって各電極が、外部電子制御部に接続されると共にそれによって個別にアドレス可能である、複数のビアを提供するステップと、ナノ流体キャビティ内部で、操作される１つまたは複数の検体分子または粒子を有する溶液を堆積させるステップと、ナノ流体キャビティ内部における試料中の１つまたは複数の検体分子または粒子の空間的移動を誘発するために、複数の電極のうちの電極の１つまたは複数に対して１つまたは複数の電圧または電気信号をアサートするステップとを含む。
【００６８】
本発明の特定の実施形態について、添付図面を参照して詳細に記載している。様々な図面中の同様の要素は、一貫性を保つために同様の参照番号によって表される。さらに、図面中における「Ｆｉｇ．」の使用は、説明における「図面」という用語の使用と同等である。
【００６９】
本明細書および添付の請求項において、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈において特段の明示がない限り、複数形の言及も含む。
【００７０】
特段の定義がない限り、本明細書で使用される技術的および科学的用語はすべて、当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載されるものと同様または同等の任意の方法および材料を、本開示を実施または試験する際に使用することもできるが、好ましい方法および材料を記載している。本明細書に列挙される方法は、開示される特定の順序に加えて、論理上可能である任意の順序で実施されてもよい。
【００７１】
限定された数の実施形態に関して本発明について記載してきたが、本開示の利益を有する当業者であれば、本明細書に開示されるような本発明の範囲から逸脱しない、他の実施形態を考案できることを理解するであろう。したがって、本発明の範囲は添付の請求項によってのみ限定されるべきである。
【００７２】
［参照による組込み］
特許、特許出願、特許公開公報、学術誌、書籍、論文、ウェブコンテンツなど、他の文献に対する参照および引用が、本開示においてなされている。かかる文献はすべて、その全体が参照により本明細書の一部となすものとする。参照により本明細書の一部となすものとすると言われる、しかし、既存の定義、声明、または本明細書に明示的に記述される他の開示材料と相反する、任意の材料またはその一部は、その本明細書の一部となすものとされる材料と本開示の材料との間に相反が生じない程度にのみ一部となす。相反がある場合、その相反は、本開示を好ましい開示として支持して解決されるものである。
【００７３】
［均等物］
本明細書に開示される代表的な例は、本発明を例証する助けとすることを意図し、本発明の範囲を限定することを意図せず、かつそのように解釈すべきでない。実際には、本発明の様々な修正およびその多数のさらなる実施形態は、本明細書に図示され記載されるものに加えて、以下の実施例および本明細書に列挙される科学文献および特許文献の参照を含む本文書の全内容から、当業者には明白となるであろう。以下の実施例は、本発明をその様々な実施形態およびそれらの均等物において実施するのに適合させることができる、重要な追加情報、実例、および指針を含む。
【符号の説明】
【００７４】
１００  基本要素
１０２  キャビティ
１０４  誘電体層
１０６  シーリング
１０８  電極
１１０  導電性ビア
１１２  基板
２０２  キャビティ
２０４  誘電体層
２０８−１〜２０８−６  電極
２１０−１〜２１０−６  導電性ビア
２１２  基板
２１４  等電位線
３００  二次元アレイ装置
３０２  キャビティ
３０４  誘電体層
３０６  シーリング
３０８  電極
３１０  ビア
３１２  基板
４００  装置
４０２  キャビティ
４０４−１、４０４−２  誘電体層
４０８−１、４０８−２  電極
４１０−１、４１０−２  ビア
４１４  等電位線
５０８−８、５０８−１０、５０８−１２、５０８−１４、５０８−１６、５０８−１８、５０８−２０、５０８−２２、５０８−２４  電極
５１６−１〜５１６−４、５１６−６、５１６−２０  分子
６０８  電極
６１８−１〜６１８−４  チャンバー
６２０−１〜６２０−３  染色体断片
７０２  キャビティ
７０６  シーリング
７０８−１、７０８−２  電極
７２２  細胞
７２３  矢印
７２４  化学物質
７２６  シーリングの穴
８４４  構成要素
９０２  キャビティ
９４４  構成要素
９４５  トレンチ
９４７  第２のウェハ
１００６  誘電体層または絶縁層
１０４４  構成要素
１０５１  犠牲層
１２００  装置
１２５６  回路基板
１３００  装置
１３５８  電気的接点
１４００  装置
１４１０  ビア
１４６０  ＤＲＡＭ回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ−５Ｄ】
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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１５Ａ−１５Ｃ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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