CN105531360B - Dna输送控制设备及其制造方法、以及dna测序装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的为，提供可靠性和耐久性优异的DNA输送控制设备以及使用其的DNA测序装置。根据本发明，提供一种具有仅能够使一个分子的DNA链通过的尺寸的纳米孔的DNA输送控制设备、以及使用其的DNA测序装置，DNA输送控制设备的特征在于，具备具有开孔的基底材料和形成于所述基底材料上的嵌段共聚物的薄膜，所述薄膜由通过所述嵌段共聚物的自组织化而形成的、贯通所述薄膜的微细结构域和其周围的基质构成，所述纳米孔由所述基底材料的一个开孔和单一的所述微细结构域构成。

Description

DNA输送控制设备及其制造方法、以及DNA测序装置
技术领域
本发明涉及用于控制DNA链的输送的设备及其制造方法。此外，本发明涉及读取DNA链的碱基序列的DNA测序装置。
背景技术
作为不使用试剂而确定脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid：DNA)的碱基序列的方法，具备与DNA相同程度的大小的纳米尺寸的孔(纳米孔)且在其附近或内部具备读取碱基序列的传感器的纳米孔DNA测序仪引人注目(非专利文献1)。
纳米孔DNA测序仪通过直接测量DNA链通过纳米孔时的、基于DNA链所包含的各碱基种类的物理量变化，从而依次确定碱基种类。由于能够进行高速解读，并且不进行利用模板DNA的酶的扩增、不使用荧光体等标记物，因此人们期待其带来高通量、低成本、长碱基长度的解读。已提出测量DNA通过纳米孔时的横穿DNA链的隧穿电流变化、DNA链的电荷量、通过纳米孔的离子电流作为基于碱基种类的物理量变化的方法等。
在纳米孔DNA测序中，纳米孔发挥控制一个分子的DNA链的输送的作用。作为其主要课题，有以下2点。首先，第一课题为，提供稳定地大量生产仅使一个分子的DNA链通过的尺寸的纳米孔的方法。此外，第二课题为，延迟DNA链的纳米孔通过速度直至足够能读取DNA的碱基序列的速度。作为解决上述课题的方法，提出了以下2个途径。
第一途径为，使用改性蛋白质所形成的微细孔作为纳米孔的方法(生物纳米孔)。报道了通过制作具有选择性地使一个分子的DNA链通过的微细孔的蛋白质，使其担载于膜蛋白内，从而能够控制DNA的输送(非专利文献2)。第二途径为，使用半导体微细加工工艺，通过自上而下的方法在固体薄膜中制造纳米孔的方法(固态纳米孔)。作为代表性的制法之一，如非专利文献3所示，有在半导体基板上设置由薄膜的绝缘膜形成的区域，照射电子束来形成孔的方法。通过控制电子束的能量、照射面积、电流，能够形成10nm以下的微细的孔。
另一方面，就形成光刻的加工极限以下的极其微细的图案的方法而言，利用嵌段共聚物的自组织化过程即微相分离的嵌段共聚物光刻法作为新一代的半导体光刻技术而受到关注(非专利文献4)。利用作为嵌段共聚物的一种的聚(苯乙烯-b-甲基丙烯酸甲酯)(PS-b-PMMA)的微相分离，通过自组织化而形成圆柱状、线/空隙状的微细结构域，利用蚀刻来去除包含聚甲基丙烯酸甲酯的结构域，从而能够得到10nm～100nm左右的图案。正探讨将该微细结构域作为掩模而加工基板的方法。进而，示出了若使用包含疏水性高分子链和亲水性高分子链的嵌段共聚物，以贯通嵌段共聚物薄膜的方式，通过自组织化来形成包含亲水性高分子链的微细圆柱，则色素分子会透过微细圆柱(非专利文献5)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：Meni Wanune,Physics of Life Reviews(2012)Vol.9,125-158
非专利文献2：Tom Z.Butler等人,Proceedings of the National Academy ofSciences(2008)Vol.105,No.52,20647-20652
非专利文献3：Diego Krapf等人,Nano Letters(2006)Vol.6,No.1,105-109
非专利文献4：Cheolmin Park等人,Polymer(2003)Vol.44,No.22,6725-6760
非专利文献5：Takashi Yamamoto等人,Advanced Functional Materials(2011)Vol.21,918-926
发明内容
发明所要解决的课题
作为用来解决纳米孔的课题的第一途径的生物纳米孔存在这样的问题：由于使用了生物分子，因此缺乏稳定性和可靠性，无法经受长时间的反复使用。进而，也难以为了高速读取而将纳米孔并排化。此外，作为第二途径的固态纳米孔存在这样的问题：即使应用最先进的半导体加工技术，也存在难以大量生产为使DNA链的通过速度充分地延迟而所需要的微细的孔、即直径为单纳米级的孔。进而，为了使DNA链的输送速度分布变小，需要高精度地控制孔的直径，但就目前的自上而下的微细加工技术而言，难以重现性良好地加工单纳米级的尺寸。
另一方面认为，作为重现性良好地大量生产纳米孔结构的方法，利用通过嵌段共聚物的自组织化而得到的圆柱状微细结构域是合理的方法。然而，由于圆柱状微细结构域具有以六边形状密集排列的结构，因此无法得到作为DNA输送控制设备所要求的单一的纳米孔、或纳米孔按预定的间隔排列的设备。此外，尽管制作利用蚀刻去除圆柱状微结构域而开孔的孔，但与固态纳米孔同样地，难以使DNA链的输送速度充分地延迟。因此，迄今尚未知晓利用嵌段共聚物的自组织化来形成使DNA链通过的纳米孔的例子。
本发明发现，利用嵌段共聚物的自组织化，简便地获得具有均匀且仅能使一个分子的DNA链透过的微小的尺寸，进而能够使DNA链的输送速度延迟直至可读取碱基序列的速度的纳米孔的方法，其目的在于，使用该方法提供可靠性和耐久性优异的DNA输送控制设备。
用于解决课题的方法
本发明人等进行研究，结果想到了如下方案：准备具有开孔的基底材料，在该基底材料上形成嵌段共聚物的薄膜，使其自组织化，从而形成由通过自组织化形成的圆柱状微细结构域和基底材料的开孔构成的DNA的通过路径(纳米孔)，制造DNA输送控制设备。
本发明的DNA输送控制设备的特征在于，具有仅能够使一个分子的DNA链通过的尺寸的纳米孔，具备具有开孔的基底材料和形成于所述基底材料上的嵌段共聚物的薄膜，所述薄膜由通过所述嵌段共聚物的自组织化而形成的、贯通所述薄膜的微细结构域、以及其周围的基质构成，所述纳米孔由所述基底材料的一个开孔和单一的所述微细结构域构成。
本说明书包含本申请的优先权的基础即日本专利申请2013-232476号的说明书和/或附图中所记载的内容。
发明效果
本发明的DNA输送控制设备具有能够使DNA链的输送速度延迟至能读取碱基序列的速度的纳米孔，其制造方法也简便。根据本发明的技术，能够稳定地制造高精度的纳米孔，因此对DNA测序装置的制造非常有用。
附图说明
图1为表示使用了本发明的DNA输送控制设备10的DNA测序装置的截面结构的示意图。
图2为表示嵌段共聚物薄膜20的结构的概略图。
图3为将嵌段共聚物薄膜20的构成单元示意性地放大的图。
图4为表示圆柱状微细结构域22的结构的示意图。
图5为表示DNA输送控制设备10的截面结构的示意图。
图6为说明利用图形外延(graphoepitaxy)效果来控制圆柱状微细结构域22的排列的方法的图。
图7为PEO-b-PMA(Az)薄膜的电子显微镜观察图像。
图8为示意性地表示利用第一实施方式来制造DNA输送控制设备的工艺的图。
图9为基底孔的TEM观察图像、以及通过STEM观察得到的基底孔与圆柱状微细结构域的重叠图像。
图10为针对时间绘制使用包含dsDNA链的缓冲溶液作为试样时所观察到的离子电流值的图。
图11为伴随dsDNA链的通过而产生的离子电流尖峰的放大图和尖峰的持续时间分布图。
图12为示意性地表示利用第二实施方式来制造DNA输送控制设备的工艺的图。
具体实施方式
(DNA测序装置)
图1为表示使用了本发明的DNA输送控制设备的DNA测序装置的截面结构的示意图。含有电解质水溶液33的2个溶液池30介由DNA输送控制设备10的通过路径14(纳米孔)而连通。在此，一方的溶液池30包含要读取序列的作为试样的DNA链31。DNA输送控制设备10的DNA链的通过路径14由基底孔13和圆柱状微细结构域22构成。此外，各溶液池30中设置有电极32，通过对两个电极施加电压，从而使DNA链31通过DNA输送控制设备10中的通过路径14。
在为了在DNA链31通过DNA输送控制设备10的通过路径14时读取碱基序列而需要传感器的情况下，将传感器设置于DNA输送控制设备10的前后、或其内部。图1中为了简化，因而省略了传感器。对读取DNA序列的方法、以及用于其的传感器的构成没有特别限制。可利用以往提出的各种方法，诸如在DNA链31通过DNA链的通过路径14时，对横穿DNA链的隧穿电流变化、DNA链的电荷量、在通过路径中通过的离子电流的阻塞度进行测量的方法等。也可采用利用拉曼散射、红外吸收等分光方法测量在通过路径14中通过的DNA链的化学组成的方法。在采用分光方法的情况下，为了获得与碱基尺寸相应的空间分辨率，优选应用利用等离激元等局部光增强场的激发法。本发明的设备中，适宜地使用可基于各种方法来测量碱基序列的传感器即可。
(DNA输送控制设备)
本发明的DNA输送控制设备10具备在开孔有基底孔13的基底材料11上形成有嵌段共聚物薄膜20的结构。另外，本说明书中，在基底材料11上具有嵌段共聚物薄膜20是如下概念：不仅包括在基底材料11的上表面或下表面或者这两面的平面上存在嵌段共聚物薄膜20的情况，还包括仅在基底孔13中存在嵌段共聚物薄膜20的情况、除了基底材料11的上表面或下表面或者两面的平面上之外在基底孔13中也存在嵌段共聚物薄膜20的情况。嵌段共聚物薄膜20具有圆柱状微细结构域22，其贯通通过微相分离进行自组织化而形成的薄膜。另外，微细结构域22的形状希望如图所示那样为圆柱状，但只要以贯通薄膜的方式形成，也可以不是圆柱状。
基底材料11中开孔有直径D的基底孔13，直径D优选为1nm以上，进而优选为30nm以下。特别是，在应用后述第一实施方式的情况下，直径D优选为5nm以上、25nm以下。此外，在应用后述第二实施方式的情况下，直径D特别优选为1nm以上、10nm以下。
为了能够开孔微细的孔，基底材料11的膜厚优选为100nm以下，特别优选为50nm以下，进而在应用于利用阻塞电流的序列读取方式的情况下，优选为0.3nm以上，在除此之外的情况下，为了具有充分的强度，优选为10nm以上。
关于基底材料11的材质，只要是能够开孔基底孔13的材质就没有特别限定，但从对电解质溶液33具有腐食耐性并容易进行开孔加工的观点出发，特别优选为氮化硅(作为代表性的组成为Si3N4)、氧化硅(SiO2)、氧化铪(HfO2)等。此外，基底材料11可以单独使用，但如图1所示，为了提高基底材料11的硬度、操作性，优选设置支承基板12。进而，为了提高基底材料11和嵌段共聚物薄膜的亲和性，也可以对基底材料11的表面接枝高分子链、偶联剂，进行化学改性。
基底孔13的形状优选为圆形，但不一定特别需要呈真圆状，也可为椭圆形、多边形或它们扭曲的形状。另外，在基底孔13不呈真圆状的图形的情况下，基底孔13的直径D是指以具有其图形内的面积的方式描绘的真圆的直径。
基底材料11的制造可按照例如在日本特开平8-248198号公报中所公开那样的已知的方法来进行。例如，可通过如下方法制造：在作为支承基板12的硅晶片上形成作为基底材料11的氮化硅或氧化硅膜，接着通过使用TMAH溶液或KOH水溶液等的各向异性蚀刻技术来除去背面的硅晶片以打开窗口。
对基底孔13的开孔，可应用已知的各种半导体加工方法，考虑加工尺寸、加工时间来采用最适合的方法即可。例如，可采用利用镓离子、氦离子等粒子束的聚焦离子束(FIB)加工、利用集束的电子射线的电子束(EB)加工、利用光刻的加工等。FIB加工、EB加工等直接加工技术适合用于开孔单个基底孔13的情况。另一方面，在制造通过使基底孔13阵列化而能够并列读取的设备的情况下，从加工所需要的时间方面来看，适合的是利用光刻的加工。
(嵌段共聚物薄膜)
图2为表示嵌段共聚物薄膜20的结构的概略图。如图2(a)和(b)所示，嵌段共聚物薄膜20中具有通过微相分离而在基质21(连续相)中形成有圆柱状微细结构域22的结构。嵌段共聚物薄膜形成于具有基底孔13的基底材料11的表面。另外，在图2(a)中，为了清楚地表示基底孔13和圆柱状微细结构域22的位置关系，省略圆柱状微细结构域22的一部分而图示。在图2(a)中，嵌段共聚物薄膜20仅形成在基底材料11的表面上，但如后所述，也可在基底材料11的两面、基底孔13的内部形成有嵌段共聚物薄膜20。
圆柱状微细结构域22排列分布于基质21中，并且在贯通嵌段共聚物薄膜20的方向上取向。并且，如图2(b)所示，圆柱状微细结构域22在嵌段共聚物薄膜20的水平面上，形成以成为密排六方结构的方式有规律地排列的图案。
另外，图1和图2中，将基底孔13的直径D图示得大于圆柱状微细结构域22的直径d，但这是图示了与后述本发明的第一实施方式对应的构成的图，在第二实施方式中，基底孔13的直径D小于圆柱状微细结构域22的直径d。可谓圆柱状微细结构域22的直径d和中心间间隔L几乎根据所使用的嵌段共聚物而确定，因此若预先针对每个嵌段共聚物测定好直径d和中心间间隔L，则能够基于其值来决定基底孔13的开孔大小、或根据基底孔13的开孔的大小选择适当的嵌段共聚物。
接着，参照图3对嵌段共聚物薄膜20的微相分离结构进行说明。图3为将嵌段共聚物薄膜20的构成单元示意性地放大的图。嵌段共聚物薄膜20由嵌段共聚物40单独形成，或以嵌段共聚物40为主成分而形成。嵌段共聚物40的分子，在其为二嵌段共聚物的情况下，具有如图3(b)所示那样的疏水性高分子链41和亲水性高分子链42在各自的末端结合的化学结构。
若嵌段共聚物40中的疏水性高分子链41的体积大于亲水性高分子链42的体积，则嵌段共聚物40容易以两个高分子链的结合点形成如图3(c)所示的圆柱的侧面的方式排列，因而优选。并且，以疏水性高分子链41和亲水性高分子链42的结合部为境界，通过利用微相分离的自组织化而形成以疏水性高分子链41为主成分的基质21和以亲水性高分子链42为主成分的圆柱状微细结构域22。
嵌段共聚物40通过适当的方法来合成即可，但为了提高微相分离结构的规则性，优选使用尽量能使分子量分布变小这样的合成方法，例如，活性聚合法、原子转移自由基聚合(ATRP)法。嵌段共聚物40可为如图3(b)那样疏水性高分子链41和亲水性高分子链42在彼此的末端结合的AB型二嵌段共聚物，或也可为ABA型三嵌段共聚物。此外，还可为具有第3高分子链且包含三种以上高分子链的ABC型嵌段共聚物。进而，除了如上所述的高分子链串联的嵌段共聚物之外，也可为各高分子链在1点结合的星型嵌段共聚物。
作为构成嵌段共聚物40的亲水性高分子链42，可举出包含聚氧化乙烯(PEO)、聚乳酸(PLA)、聚丙烯酰胺(例如N,N-二甲基丙烯酰胺)、聚甲基丙烯酸羟烷基酯(例如聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)等)、或离子性高分子(例如聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸等不饱和羧酸的聚合物、核酸、或它们的盐)的物质，特别是可举出包含聚氧化乙烯、聚乳酸或聚甲基丙烯酸羟乙酯的物质。
作为构成嵌段共聚物40的疏水性高分子链41，可举出聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸烷基酯(例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))、聚乙烯吡啶、聚烷基硅氧烷(例如聚二甲基硅氧烷)、聚烷基二烯(例如聚丁二烯)等。特别是，作为疏水性高分子链41，优选具有如下侧链，即，具有用于显示液晶性的介晶基团的、作为棒状分子的侧链(液晶性侧链)。作为介晶基团，可举出具有基于偶氮苯、二苯乙烯、亚苄基苯胺、联苯、萘或环己烷的骨架的基团。此外，在那样的液晶性侧链中，作为与介晶基团结合的间隔基，可举出烷基、烷氧基、或烷氧基烷基等。间隔基优选为直链状，其碳原子数优选为4个以上。特别是，在疏水性高分子链的主链与介晶基团之间存在的间隔基的碳原子数优选为5个以上，特别优选为8个以上，尤其优选为10个以上。作为具有这样的侧链的疏水性高分子链41，可举出聚甲基丙烯酸烷酯中的烷基部分的一部分或全部被这样的液晶性侧链取代的物质。作为与具有液晶性侧链的疏水性高分子链41组合的亲水性高分子链42，特别优选为聚氧化乙烯。
若在疏水性高分子链41中导入液晶性侧链，则在如下方面有利：容易得到圆柱状微细结构域22相对于嵌段共聚物薄膜20直立且在贯通薄膜的方向上取向的结构；以及能够使圆柱状微细结构域22的中心间间隔L与圆柱状微细结构域22的直径d之比L/d变大。
在疏水性高分子链41中导入了液晶性侧链的液晶性嵌段共聚物中，包含具有液晶性部位的疏水性高分子链41的基质21呈现液晶相。若呈现液晶相，则液晶性侧链相对于嵌段共聚物薄膜20的上部表面(即自由表面)垂直取向，由于其效果，圆柱状微细结构域22容易相对于嵌段共聚物薄膜20的表面直立并在贯通薄膜的方向上取向。圆柱状微细结构域22的取向根据嵌段共聚物薄膜20的膜厚、自组织化时的工艺温度、基底材料的表面状态等而变化的情况也多，其控制有时伴随困难。通过使用液晶性嵌段共聚物，能够简便地使圆柱状微细结构域22相对于嵌段共聚物薄膜20直立并在贯通薄膜的方向上取得取向。
嵌段共聚物的自组织化结构根据各嵌段的组成比、即构成嵌段共聚物的各高分子链所占的体积比来规定。伴随组成比从0.5向着1.0变大，自组织化结构、即结构域的形状从层状(板状)向圆柱状变化，进而向球状变化。另一方面，为了在维持圆柱形状的状态下使其圆柱形状的中心间间隔L与直径d之比L/d变大，需要增大组成比。基于上述组成比和结构域结构的关系，在单纯的嵌段共聚物的情况下，L/d的最大值认为是约2.5，若为了使L/d值大于该值而增大组成比，则结构域形状会从圆柱状变化至球状。然而，疏水性高分子链中导入液晶性侧链的液晶性嵌段共聚物能够大幅度地缓和该限制，也能够形成L/d超过10的圆柱状结构域。这是因为，在具有液晶性侧链的疏水性高分子链的情况下，通过液晶性部位的排列，高分子链形成直线状延伸的结构。
(DNA链的输送速度延迟化)
如图3所示，嵌段共聚物薄膜20中，包含亲水性高分子链42的圆柱状微细结构域22以贯通嵌段共聚物薄膜20的方式排列。根据所使用的嵌段共聚物的分子量，可控制圆柱状微细结构域22的直径d在最小1nm、最大100nm的范围。嵌段共聚物薄膜20具有在疏水性的即不溶于水的基质21中排列有亲水性即能够包含水溶液的圆柱状微细结构域22的结构。
本发明人等进行深入研究，以致发现作为本发明的第一效果的DNA链的输送速度延迟化效果。即，发现了DNA链在浸渍于水溶液的状态的圆柱状微细结构域22中通过，此外发现了其通过速度与未填充亲水性高分子链的微细孔内、或块体(bulk)状态的水溶性高分子凝胶中的DNA链的输送速度相比极其慢，以致完成本发明。
如图4中示意性地表示那样，圆柱状微细结构域22具有如下结构：周围由疏水性基质21包围，并且填充其内部的亲水性高分子链42的末端被固定于圆柱状微细结构域22与疏水性基质21的界面、即圆柱状微细结构域的圆柱形状的侧面。关于圆柱状微细结构域22中的亲水性高分子链42的密度，可认为在干燥状态下与固体状态几乎等同。若将具有这样的结构的薄膜浸渍于水溶液中，则水溶液所含的水、电解质等低分子在呈亲水性的圆柱状微细结构域22内部中扩散。另一方面，亲水性高分子链42由于其末端在固定点43被固定于圆柱形状的侧面，因此不会大幅度地溶胀，圆柱状微细结构域22中的亲水性高分子链42的密度不会大幅度降低。即，可预测圆柱状微细结构域22内部将成为由超高密度的凝胶填充的微细空间。高分子量的DNA链能否侵入并通过微细空间中是完全未知的，但本发明人等进行各种研究，最终发现通过在膜的前后设置电位差可使DNA链通过圆柱状微细结构域22内部。
DNA链的输送速度能够根据圆柱状微细结构域22的直径d、圆柱状微细结构域22的高度即嵌段共聚物薄膜20的厚度、圆柱状微细结构域22中的亲水性高分子链42的密度等来控制。圆柱状微细结构域22的直径d需要如后所述那样考虑与基底孔13的关系来进行控制。另一方面，嵌段共聚物薄膜20的厚度是任意的，但为了重现性良好地、稳定地得到圆柱状微细结构域22贯通膜的结构，优选为10nm以上，特别优选为20nm以上，并且优选为500nm以下、特别优选为100nm以下的范围。
另外，作为微细结构域的结构，从控制DNA输送速度的观点出发，最为合适的是圆柱状，但已发现根据以贯通薄膜的方式取向的层状微结构域、共连续状结构域等，虽然有程度上的差异，但也能够得到DNA链的输送速度的延迟化效果，从而不排除这些结构的应用。
(嵌段共聚物薄膜的制造方法)
可通过以下的方法来制造圆柱状微细结构域22以贯通的方式排列的嵌段共聚物薄膜20。
首先，合成具有预定的化学结构和组成的嵌段共聚物40。从能够控制分子量、组成、以及分子量分布的方面来看，优选对聚合反应如前所述那样应用活性聚合法、原子转移自由基聚合(ATRP)法。所得到的结构域的形状、尺寸、结构域间的距离等根据嵌段共聚物40的分子量、构成嵌段共聚物的疏水性高分子链41与亲水性高分子链42的分子量比而变化，因此优选对聚合反应进行调节以使预定的结构自组织化。
接着，将所得到的嵌段共聚物40溶解于溶剂，在具有基底孔13的基底材料11的表面上制膜。在此，作为溶剂，只要嵌段共聚物均匀地溶解的溶剂就没有特别限制，可使用通常所采用的有机溶剂，例如甲苯、氯仿。由于嵌段共聚物40为两亲性，因此根据所组合的高分子链的化学组成的不同，有时不存在能够使其均匀地溶解的溶剂。在该情况下，应用将多种溶剂混合的混合溶剂即可。
形成嵌段共聚物薄膜20时，适宜地应用旋涂、浸涂等方法即可。如后所述，本发明的实施方式中，也有在基底材料11的两面配置有嵌段共聚物薄膜20的构成，但在那样的情况下，适合应用浸涂法。为了使嵌段共聚物薄膜20成为预定的膜厚，根据嵌段共聚物溶液的浓度、溶剂的种类、旋转数(旋涂时)、提拉速度(浸涂时)等制膜条件来控制为佳。此外，对嵌段共聚物在设置于基底材料11的基底孔13内部的填充程度也能够根据制膜条件来控制。
用上述方法制成的嵌段共聚物薄膜20中的嵌段共聚物分子40，伴随急速的溶剂的蒸发，大多情况下处于无序的状态。即，处于嵌段共聚物的微相分离过程在中途冻结的状态，大多情况下在薄膜内不存在目标圆柱状微细结构域。因此，通过对在基底材料11上形成的状态的嵌段共聚物薄膜20进行退火处理，从而推进微相分离过程，在嵌段共聚物薄膜中形成圆柱状微细结构域以均匀的状态有规律地排列的结构为佳。
在此，退火处理为如下处理：将嵌段共聚物40以运动的状态保持于嵌段共聚物薄膜20中，从而形成薄膜的自由能成为最小这样的结构。退火处理可通过加热至构成嵌段共聚物40的高分子链的玻璃化转变温度以上的加热处理(热退火)、或使嵌段共聚物薄膜20暴露于溶剂蒸气而使膜溶胀的处理(溶剂退火)等方法来实施。
本发明中，需要使圆柱状微细结构域22以贯通嵌段共聚物薄膜20的方式自组织化，但根据嵌段共聚物的种类的不同，有时能够利用退火方法来控制圆柱状微细结构域22的取向。因此，希望根据嵌段共聚物的种类而慎重地选择退火方法。例如，在使用聚苯乙烯(PS)作为疏水性高分子链41，使用具有聚氧化乙烯(PEO)的嵌段共聚物PS-b-PEO作为亲水性高分子链42的情况下，能够通过溶剂退火使包含PEO的圆柱状微细结构域以贯通PS-b-PEO薄膜的方式自组织化。
在使用液晶性嵌段共聚物的情况下，还需要充分地考虑液晶的相变温度。在液晶性嵌段共聚物中，液晶性部位通过使在液晶相变温度以上时无序地分散的各向同性相在低于液晶相变温度时取向一定方向来呈现液晶性。因此，在使用液晶性嵌段共聚物的情况下，首先加热至液晶相变温度以上，然后冷却至低于液晶相变温度的温度，从而能够得到均匀的微相分离结构。例如，在使用嵌段共聚物40，其含有具有偶氮苯骨架作为介晶基团的液晶性侧链的疏水性高分子链41、以及包含聚氧化乙烯(PEO)的亲水性高分子链的情况下，优选先加热至作为液晶相变温度的100℃以上，然后冷却至低于液晶相变温度且为玻璃化转变温度以上的90℃来进行退火处理。
(通过路径(纳米孔)的构成)
如在图2中示意性地表示那样，通过使嵌段共聚物40自组织化而形成的微细结构域成为多个结构域以一定周期排列的周期结构。该周期结构来自于嵌段共聚物分子以分子级别发生相分离这样的微相分离的原理。
另一方面，对DNA输送控制设备10要求将DNA链31逐一输送。因此，为了控制DNA链31的输送，通过路径14(纳米孔)需要单独独立地配置于预定的位置，或者为了供并行处理，需要以预定的间隔配置于预定的位置。
本发明中，通过以下所述的第一或第二实施方式，在预定的位置形成单独地或以预定的间隔排列的、由基底孔13和圆柱状微细结构域22构成的通过路径14。
(第一实施方式)
首先，对于第一实施方式，一边适宜地参照图5(a)～(d)一边进行说明。根据本实施方式，除了本发明的第一效果即DNA链的输送延迟化以外，还能够同时得到比基底孔的尺寸更微细的通过路径这样的第二效果。
如图1、图2(a)和图2(b)中示意性地表示那样，基于本发明的DNA输送设备10在开孔有基底孔13的基底材料11上形成具有前述特征的嵌段共聚物薄膜20而成。
第一实施方式的特征在于，如图5(a)～(d)所示，基底孔13的直径D大于圆柱状微细结构域22的直径d。基底孔13如前所述那样通过以半导体微细加工为代表的自上而下的方法来加工即可，能够将开孔配置在目标位置。另一方面，自上而下的方法中，对于所得到的基底孔的直径D，存在加工技术上的限制，难以如前所述那样重现性良好地得到直径为单纳米级的开孔。然而，当将基底孔13的直径D、圆柱状微细结构域22的直径d、以及圆柱状微细结构域22的中心间隔L设为下述式1的关系时，圆柱状微细结构域22在基底孔13上或其内部自对准性地配置，结果能够得到具有比基底孔13小的直径的通过路径14。
式1：d＜D＜L
在式1的关系成立时，若在基底孔13上形成嵌段共聚物薄膜20，使其自组织化，以贯通嵌段共聚物薄膜20的方式形成圆柱状微细结构域22，则如图5(a)中示意性地表示那样，在基底孔13上自对准地配置1个圆柱状微细结构域22。该情况下，基底孔13和圆柱状微细结构域22的中心并不一定一致，但DNA链可通过由圆柱状微细结构域22和基底孔13构成的通过路径14，在作为输送设备的运作上不产生问题。
此外，作为式1的关系所成立的另一构成，还可以例示图5(b)～(d)。图5(b)示意性地表示嵌段共聚物薄膜20的一部分还形成在基底孔13的内部的状态、图5(c)示意性地表示嵌段共聚物薄膜20的一部分形成在基底孔13的两面的状态、图5(d)表示嵌段共聚物薄膜20形成在基底孔13的内部的状态。若采取这样的构成，则根据基底孔13的周围壁面的效果，圆柱状微细结构域22和基底孔13的位置会自动对准以使两者的中心一致。
根据该实施方式，能够简便地得到具有比基底孔13的直径D小的直径的通过路径14，通过路径14的加工变得更加简便，可期待有关DNA输送控制设备制造的成本的降低。进而，通过路径14的尺寸由圆柱状微细结构域22的直径d规定，因此其尺寸重现性也极其良好。
在应用第一实施方式的情况下，为了避免多个DNA链一起侵入圆柱状微细结构域中，圆柱状微细结构域22的直径d优选为20nm以下，特别优选为10nm以下，并且，为了避免DNA链变得难以侵入，优选为1nm以上，特别优选为1.4nm以上。
基底孔13的直径D与圆柱状微细结构域22的直径d之比D/d优选尽量大。为此，基于式1，需要扩大圆柱状微细结构域22的中心间间隔L与圆柱状微细结构域22的直径d之比L/d。如前所述，L/d值的大小根据嵌段共聚物的微相分离现象而决定，但通过应用液晶性嵌段共聚物，能够使其成为大于通常的值。
(第二实施方式)
接着，对于本发明的第二实施方式，一边适宜地参照图5(e)～(g)一边进行说明。第二实施方式与第一实施方式不同，其特征在于，基底孔13的直径D小于圆柱状微细结构域22的直径d。
式2：d＞D
在式2的关系成立时，基底孔13具有将在通过路径14中输送的DNA链限制为一个分子的功能，圆柱状微细结构域22仅参与使DNA链的输送速度延迟化的功能。
本实施方式中，需要缩小基底孔13的直径直至能够将一次中通过的DNA链限制为一个分子的尺寸。然而，与不具有圆柱状微细结构域22的固态纳米孔相比，可缓和孔的直径的限制。即，通常的固态纳米孔中，使DNA的输送速度延迟化的效果也需要由直径的缩小而得到，为此，需要将孔的直径设为与DNA链1个分子的尺寸等同，即1～2nm。相对于此，本实施方式中，DNA链的延迟化效果可通过圆柱状微细结构域22来呈现，因此将基底孔13设为可使在一次中通过的DNA链的条数限制为1条的尺寸，具体地，设为10nm以下，特别是设为3nm以下就足够。
作为本实施方式的特征，可举出能够利用阻塞电流方式来读取DNA的碱基序列这点。如图1所示，若将DNA输送控制设备浸渍于以氯化钾为代表的低分子电解质的水溶液，在该状态下施加电压，则流通因电解质通过纳米孔而产生的离子电流。若水溶液中含有DNA链，则产生DNA链通过纳米孔的情形。若测定此时的离子电流，则其电流值与通过纳米孔的碱基的种类对应地变化。基于该电流变化量读取碱基序列的方法就是阻塞电流方式。从无需另外准备用于读取序列的传感器的方面来看，阻塞电流方式是优异的方法。
然而，为了利用阻塞电流方式以能读取一个碱基的解像度读取由碱基产生的电流值的变化，需要使纳米孔的厚度与一个碱基的长度等同。即，纳米孔不仅需要其直径小，还需要厚度为数纳米以下。另外，纳米孔的直径在厚度方向上具有分布的情况下，需要直径最小的部分的厚度为数纳米以下。这样的极薄膜的纳米孔能够通过对作为基底材料的由石墨烯等材料形成的极薄的基底材料进行开孔来制造。另外，即使是石墨烯以外的材料，只要能够使基底材料的厚度成为数nm的物质就可以同样地使用。此外，即使是更厚的基底材料，只要能够通过加工将纳米孔端部的厚度加工成同等地薄，也同样地可以利用这样的工艺。
另一方面，在基底材料的开口部厚度为数nm程度的情况下，假如能够使其直径成为与DNA链1个分子的直径同等的理想的直径，也难以使DNA链的输送速度延迟化至能够测量电流值的变化的速度。然而，本发明中，通过将通过路径设为包含基底材料11的基底孔13和嵌段共聚物薄膜20中的圆柱状微细结构域22的混合体系(hybrid)，能够得到DNA链的输送速度的延迟作用，且也能够监测在可读取一个碱基的解像度下的电流值变化。基于本实施方式的DNA输送控制设备，在利用阻塞电流方式的DNA测序装置中特别有用。
作为使本实施方式的式2的关系成立的构成，可举出在图5(e)～(g)中示意性地表示的构成。示意性地，图5(e)表示嵌段共聚物薄膜20形成在具有基底孔13的基底材料11的表面上的状态、图5(f)表示嵌段共聚物薄膜20在除了基底材料11的表面上以外，还形成在基底孔13的内部的状态、图5(g)表示嵌段共聚物薄膜20形成在基底材料11的两面上的状态。无论是它们中的任何构成，均能够同样地呈现上述效果。
本实施方式中，关于圆柱状微细结构域22的直径d，若过大则圆柱状微细结构域内的亲水性高分子链容易溶胀，则无法充分地发挥DNA的输送延迟效果，因此优选为50nm以下，特别优选为30nm以下，并且，就对基底孔13和圆柱状微细结构域22进行位置对准的方面而言，直径d优选为5nm以上，特别优选为10nm以上。
本实施方式中，为了以1：1的关系配置基底孔13和圆柱状微细结构域22，需要施加工夫。在前述第一实施方式的情况下，能够通过满足式1来自对准地配置基底孔13和圆柱状微细结构域22，但在第二实施方式的情况下，由于不满足式1，因此不呈现自对准性的位置对准机制。作为用于解决该问题的方法，可举出使用分隔构件，利用图形外延法的方法。
图6是说明使用分隔构件，利用图形外延法来控制圆柱状微细结构域22的排列的方法的图。图形外延法，在此意味着利用如分隔构件的壁面那样的立体引导件来控制通过嵌段共聚物自组织化而得到的微细结构域的排列。
在图6(a)和(b)中，示出以在基底材料11的表面上形成六边形的凹陷空间的方式配置分隔构件15的例子。圆柱状微细结构域22在排列成六边形的状态下自组织化，但在存在分隔构件15的壁面的情况下，与分隔构件15的壁面的形状相符地，即以圆柱状微细结构域22所形成的阵列格子的最密的方位沿着壁面的状态排列。这来自于在受限制的空间内密集填充圆柱时自由能成为最小的效果。因此，在如图6(a)所示那样存在六边形空间的情况下，圆柱状微细结构域22沿着分隔构件15的各壁面而排列。此时，若将六边形空间的对置的顶点相连的距离设计为与圆柱状微细结构域22的中心间间隔L的奇数倍大致相同的距离，则能够在空间的中心配置圆柱状微细结构域22。即，如果在六边形空间的中心配置基底孔13，则能够以1：1的比例配置基底孔13和圆柱状微细结构域22。另外，空间的形状不一定限于六边形，可为四边形、圆形等。
由分隔构件形成的空间，即使不是凹陷而仅是壁面，也能够得到同样的图形外延法效果。关于壁面的配置，与上述同样地，形成六边形、四边形、圆形等的空间即可。此外，也可以如图6(c)所示那样设置成一端、或两端没有闭合的壁面。该情况下，如图6(c)所示那样在壁面设置槽口16，从而能够控制在与壁面平行的方向上的配置。
作为控制微细结构域的排列的另一方法，有利用光等的外场的方法、使基底材料表面化学图案化的方法等，根据DNA输送控制设备的设计应用最适合的方法即可。上述的排列控制方法也可以与本发明的第一实施方式组合使用。在该情况下，能够实现基底孔和圆柱状微细结构域的更高精度的对位。
分隔构件的制造中，可适宜地使用现有的半导体微细加工技术、例如光刻、各种直接描绘方法。此外，对分隔构件的材质没有特别限制，可适宜地使用硅等半导体材料、金、钛等所代表的金属材料、它们的氧化物、氮化物，以及高分子、抗蚀剂等有机物。
(多孔DNA输送控制设备)
如前所述，本发明的第一实施方式和第二实施方式的任一方式中，均能够以1：1配置基底孔13和圆柱状微细结构域22。如果利用该特征，则能够得到在任意位置上配置有输送DNA链的多个通过路径14的多孔DNA输送控制设备。具体地，在任意位置上设置多个基底孔13，在其表面上形成嵌段共聚物薄膜，配置圆柱状微细结构域22以使其相对于基底孔为1：1。此时，对于基底孔13和圆柱状微细结构域22的对位，可应用上述的各种方法即可。即，在本发明的第一实施方式的情况下，利用自对准性对位或应用分隔构件的图形外延法即可。此外，在第二实施方式的情况下，利用应用分隔构件的图形外延法即可。根据多孔DNA输送控制设备，能够实现DNA链的排列读取的并列处理，对读取速度的缩短化特别有效果。
实施例
以下，使用实施例更详细地说明本发明，但本发明不限于这些实施例。
[实施例1：第一实施方式]
(1)液晶性嵌段共聚物的合成和评价
对于嵌段共聚物，使用作为亲水性高分子链的PEO、作为疏水性高分子链的聚甲基丙烯酸酯衍生物(由PMA(Az)形成的PEO-b-PMA(Az))，所述聚甲基丙烯酸酯衍生物具备具有基于偶氮苯的介晶基团的液晶性侧链。其化学式如下所示。
[化1]
(式中，化学式中的m和n为自然数，表示PEO和PMA(Az)的聚合度。)
关于PEO-b-PMA(Az)，按照Y.Tian等人的Macromolecules 2002,35,3739-3747中所记载的方法，通过原子转移自由基聚合法进行聚合。利用1HNMR和GPC来评价所得到的嵌段共聚物的聚合度。聚合后的PEO-b-PMA(Az)的化学组成如下述表1所示。
评价所得到的PEO-b-PMA(Az)的自组织化结构。首先，将PEO-b-PMA(Az)溶解于甲苯使得浓度为1.5重量％，在形成有SiN薄膜的Si晶片上以膜厚成为约50nm的方式进行旋涂。此时，PEO-b-PMA(Az)的膜厚通过光学式膜厚计(Filmetrics公司制的F20)测量，通过改变旋涂时的旋转数来调节膜厚。另外，以约3000rpm的旋转数得到目标膜厚。
接着，将所得到的样品导入至真空烘箱，用以下的方法进行热退火处理，从而使PEO-b-PMA(Az)薄膜自组织化。首先，在真空中将样品加热至140℃，在该状态下放置1小时。通过另外进行的偏光显微镜观察确认到，在该温度下，PMA(Az)n形成各向同性相。接着，将样品冷却至90℃，使PMA(Az)n从各向同性相相变至近晶液晶相。在该状态下放置3小时后，进行自然冷却，完成自组织化处理。
用扫描型电子显微镜(SEM，日立高新技术公司制的S-4800)或透射型电子显微镜(TEM，日立高新技术公司制的HF2200)对所得到的样品的自组织化结构进行观察。通过使样品暴露于Ru蒸气来将PEO相染色后，实施观察。图7表示所得到的显微镜图像的例子。
图7(a)为PEO114-b-PMA(Az)34薄膜的SEM图像，可知由Ru染色的PEO圆柱状微细结构域在包含PMA(Az)的基质中形成密排六方结构而排列。另外，根据SEM，由Ru染色的PEO与PMA(Az)相比产生更多的二次电子，因此观察到，PEO圆柱状微细结构域为白色，基质的PMA(Az)为黑色。
图7(b)为PEO40-b-PMA(Az)84薄膜的TEM图像，可知由Ru染色的PEO圆柱状微细结构域在包含PMA(Az)的基质中形成密排六方结构而排列。另外，根据TEM，由Ru染色的PEO与PMA(Az)相比难以透射电子，因此观察到，PEO圆柱状微细结构域为黑色，基质的PMA(Az)为白色。
对具有其他组成的PEO-b-PMA(Az)也同样地进行评价，通过对所得到的电子显微镜像进行图像处理，从而测定包含PEO的圆柱状微细结构域的直径d和中心间距离L。将结果记载于表1中。
表1
化学组成 结构域的形状 结构域直径d(nm) 结构域的中心间距离L(nm) L/d
PEO40-b-PMA(Az)14 圆柱 3 13 4.3
PEO40-b-PMA(Az)84 圆柱 2 22 11.0
PEO114-b-PMA(Az)34 圆柱 9 23 2.6
PEO272-b-PMA(Az)94 圆柱 20 44 2.2
(2)DNA输送控制设备的制作
按照在图8(a)～(d)中示意性地示出的工艺制作DNA输送控制设备。首先，购入在作为支承基板的Si晶片上形成膜厚为30nm的SiN薄膜，并通过各向异性蚀刻将Si晶片的一部分去除来制造的SiN膜窗口作为基底材料(图8(a))。SiN薄膜的开口部为250μm见方。接着，在开口部的SiN膜，用以下方法打开了一个基底孔(图8(b))。
在将基底孔的直径设为15nm以上的情况下，使用聚焦离子束加工装置(FIB，日立高新技术公司制FB2200)进行开孔。关于开孔加工条件，改变加工时间和其反复次数，探索能够稳定地加工目标尺寸的孔的条件而应用。通过TEM观察来实施开孔形状的确认和开孔径的评价。将所得到的基底孔的例子示于图9(a)。
在将基底孔的径设为15nm以下的情况下，通过使用加速电压200kV的扫描型透射电子显微镜(STEM、日立高新技术公司制的HD2700)，对SiN膜照射聚焦的电子射线来进行开孔。关于开孔径的调节，使电子射线的照射时间变化来进行调节。利用用于加工的STEM来观察明视场图像，从而确认开孔状况。
接着，在开孔有基底孔的基底材料表面上形成PEO-b-PMA(Az)(图8(c))。首先，将PEO-b-PMA(Az)溶解于甲苯，使得浓度成为1.5重量％，在形成有SiN薄膜的Si晶片上以膜厚成为约40nm的方式进行旋涂。此时，通过光学式膜厚计(Filmetrics公司制的F20)测量PEO-b-PMA(Az)的膜厚，通过改变旋涂时的旋转数来进行膜厚的调节。另外，通过将旋转数设为约3000rpm，从而得到目标膜厚。
使用真空烘箱对所得到的样品进行热退火处理，从而使PEO-b-PMA(Az)薄膜自组织化。首先，在真空中将样品加热至140℃，在该状态下放置1小时，接着冷却至90℃，使PMA(Az)n从各向同性相相变至近晶液晶相。在该状态下放置3小时后，进行自然冷却，完成自组织化处理(图8(d))。
按照表2所示的规格制造样品No.1-1～1-9的DNA输送控制设备。使用STEM(日立高新技术公司制的HD2700)对DNA输送控制设备进行观察，确认基底孔和圆柱状微细结构域的配置状态。若使用STEM，则在观察由透射电子检测器带来的明视场图像的同时，还可得到由二次电子检测器带来的图像，能够制作将它们电子地叠合的图像(重叠像)。基于明视场图像可得到基底孔的信息，基于二次电子像可得到关于圆柱状微细结构域的配置的信息，因此，通过将两者重叠，能够知悉基底孔和圆柱状微细结构域的对位状态。
将所得到的重叠像的例子示于图9(b)。该图为对按照表2的样品No.1-2的规格制造的例子进行观察的图。根据所得到的图像，可确认圆柱状微细结构域在基底孔(为了明确化用虚线表示)中心以1：1的关系自对准地配置的情形。对其他样品也同样地进行评价，观察基底孔和包含PEO的圆柱状微细结构域的配置状态，评价基底孔和圆柱状微细结构域的位置关系和在基底孔上配置的圆柱状微细结构域数。
将所得到的结果一并示于表2中。与基底孔的直径D比较，包含PEO的圆柱状微细结构域的直径d小，此外，关于具有与基底孔的径D相比其中心间距离L大的关系、即满足式1的d＜D＜L的关系的样品(样品No.1-1、1-2、1-5、1-6)，可知基底孔和圆柱状微细结构域以1：1的关系自对准地配置。另一方面，关于不满足式1的关系的样品(样品No.1-3、1-4、1-7、1-8、1-9)，其结果是，对基底孔配置有多个圆柱状微细结构域。
由以上结果可证实，若以满足式1的关系的方式形成圆柱状微细结构域，则能够以1：1的关系配置基底孔和圆柱状微细结构域，能够简便地制作具有更微细的DNA通过路径的DNA输送控制设备。
(3)利用DNA输送控制设备的DNA链输送评价
将由上述方法制作的DNA输送控制设备配置于由丙烯酸酯树脂制作的流动池内。流动池在DNA输送控制设备的两侧具有溶液池(容量90μl)，在溶液池内设置了用于向内部导入液体的流路。此外，在各溶液池中设置Ag/AgCl电极。
向溶液池的一方，通过流路导入溶解于缓冲溶液中的浓度2nM的DNA试样，向另一方导入缓冲溶液。作为DNA试样，使用双链DNA(dsDNA，碱基长度1k，NoLimits，Fermentas公司制)，或单链DNA(ssDNA，碱基长度5k、聚脱氧腺苷酸)。此外，对于缓冲液，将1M KCl、10mMTris-HCl和1mM EDTA混合溶液调节成pH7.5来使用。
利用膜片钳放大器(Axopatch 200B，Axon instruments公司制)向电极之间施加电压，测定在电极之间流通的离子电流的时间变化。对于信号，在通过低通滤波器去除高频成分(截止频率2kHz)后，使用AD转换器(NI USB-6281，National instruments公司制)以频率50kHz进行数字化并记录。
图10为针对时间绘制使用包含dsDNA链的缓冲溶液作为试样时观察到的离子电流值的图。作为DNA输送控制设备，使用基底孔的直径D＝21nm、圆柱状微细结构域的直径d＝9nm的设备(表2，样品No.1-2)。在电极之间施加的电压为700mV。图10所示的图中，在作为基础而稳定地流通的离子电流中观察到尖峰状的峰。该尖峰来源于dsDNA链通过DNA输送控制设备的通过路径时离子电流产生的变化。
将提高时间分解能并测量离子电流的尖峰的例子示于图11(a)中。基于由这样的测定结果，评价各尖峰的持续时间，测量DNA链通过通过路径所需要的时间。将针对多个尖峰测量持续时间而制作的分布图示于图11(b)中。由图11(b)可知，尖峰的持续时间呈正态分布。求出频度成为最大的持续时间，结果该值为18msec，可知一条dsDNA链通过DNA输送控制设备的通过路径所需要的时间为平均18msec。所使用的dsDNA链的碱基长度为1k，由此可知每一个碱基的通过时间为18μsec/碱基。
将包含ssDNA链的缓冲溶液作为试样来进行同样的实验。其结果是，可知一条ssDNA链通过所需要的时间为平均34msec。所使用的ssDNA链的碱基长度为5k，由此可知每一个碱基的通过时间为7μsec/碱基。
作为DNA输送控制设备，使用基底孔的直径D＝21nm、圆柱状微细结构域的直径d＝2nm的设备(表2，样品No.1-6)，与上述方法同样地测量ssDNA链的通过时间。其结果是，ssDNA链的每一个碱基的通过时间为100μsec/碱基。对其他DNA输送控制设备也同样地进行测量，将结果一并示于表2中。
关于构成DNA通过路径的微细结构域的数量，即配置于基底孔的圆柱状微细结构域的数量为1个的样品，可明确地测量DNA链的通过时间(表2，样品No.1-1、1-2、1-5、1-6)。另一方面，关于配置于基底孔的圆柱状微细结构域数为3个的样品(样品No.1-3、1-7、1-9)，虽然有时能够对DNA链的通过时间进行评价，但通过时间的分布大，难以实施可靠性高的测量。可认为这是因为，由于存在多个DNA的通过路径，因此DNA链同时通过不同的圆柱状微细结构域。
对于配置于基底孔来构成的圆柱状微细结构域数为7个的样品(表2，样品No.1-4、1-8)，在离子电流值测量中，观察到伴随DNA链的通过而产生的尖峰状的峰的频度变得非常小。取而代之，成为可稳定地连续地观察到相当于峰的离子电流值的状态，无法进行DNA链的通过时间的评价。可认为这是因为，由于存在多个DNA链的通过路径，因此多个DNA链不断地通过DNA输送控制设备。由以上的结果可知，为了重现性良好地控制DNA链的输送，测定DNA的通过时间，需要以满足式1的关系的方式制作DNA输送控制设备。
作为对照，通过STEM，在包含SiN的薄膜上加工1个直径D＝9nm的孔，准备仅由基底孔(固态孔)构成且不具有嵌段共聚物薄膜层的DNA输送控制设备(表2，样品2-1)，通过与上述同样的方法进行DNA链输送评价。其结果是，dsDNA链的每一个碱基的通过时间为平均0.1μsec/碱基，ssDNA链的每一个碱基的通过时间为平均1.0×10-4μsec/碱基。同样地，准备通过STEM加工了一个直径D＝2nm的孔的、仅由固态孔构成且不具有嵌段共聚物薄膜层的DNA输送控制设备(表2，样品2-2)，通过与上述同样的方法进行DNA链输送评价。其结果是，ssDNA链的每一个碱基的通过时间为平均0.1μsec/碱基。
例如，若将均具有直径9nm的DNA通过路径的样品No.1-2(具有一个由嵌段共聚物形成的圆柱状微细结构域)与样品No.2-1(不具有嵌段共聚物薄膜层)进行比较，dsDNA链的通过时间分别为18μsec/碱基和0.1μsec/碱基，可知，通过形成了圆柱状微细结构域，能够将DNA的通过时间180倍化。此外，可知在ssDNA链的情况下，能得到进一步大的延迟效果，通过由嵌段共聚物形成的圆柱状微细结构域，能够使通过时间增大4位数以上。通过将均具有直径2nm的DNA通过路径的样品No.1-6(具有一个由嵌段共聚物形成的圆柱状微细结构域)与样品No.2-2(不具有嵌段共聚物薄膜层)进行比较也可明确同样的效果。
由以上结果可知，具有由嵌段共聚物形成的圆柱状微细结构域的DNA输送控制设备，与仅由固态孔构成的设备，能够大幅度地延迟DNA链的输送速度。
表2
[实施例2：第一实施方式的另一形态]
用与实施例1(2)同等的方法制作具有不同的结构的DNA输送控制设备，进行DNA链输送评价。
(1)DNA输送控制设备的制作
首先，按照在图8(a)、(b)、(c’)和(d’)中示意性地表示的工艺，制作DNA输送控制设备。准备与表2的样品No.1-2相同的基底材料(基底孔直径D＝21nm)(图8(a)和(b))，在该基底材料上以比实施例1薄的5nm的厚度形成PEO114-b-PMA(Az)34薄膜(图8(c’))。接着，对所得到的样品与实施例1同样地进行热退火处理，使PEO114-b-PMA(Az)34薄膜自组织化，形成直径9nm的圆柱状微细结构域(图8(d’))。
通过SEM和STEM对所得到的DNA输送控制设备进行观察，结果确认到在图8(d’)中也示意性地图示那样，包含PEO的圆柱状微细结构域仅在基底孔内形成。此外，确认到圆柱状微细结构域在基底孔的大致中心以1：1配置的情形。另外，确认到在周边部分散性地存在PEO114-b-PMA(Az)34的残膜，但在其内部未见到明确的相分离结构。可认为这是因为在热退火过程中，极薄的PEO114-b-PMA(Az)34膜从基底材料表面脱湿，一部分流入基底孔内，剩余部分在基底材料表面上分散性地残存。
(2)利用DNA输送控制设备的DNA链输送评价
使用如上所述那样制作的设备，与实施例1同样地进行DNA链输送评价。其结果是，与实施例1同样地，dsDNA链(碱基长度1k)的每一个碱基的通过时间为18μsec/碱基、ssDNA链(碱基长度5k)的每一个碱基的通过时间为7μsec/碱基，这些值与仅由固态孔构成的DNA输送控制设备(样品No.2-1和2-2)相比成为非常大的值。
由以上结果可知，在本方式中，也与仅由固态孔构成的设备相比DNA链能够大幅度地延迟输送速度。
[实施例3：第二实施方式]
与第一实施方式不同，制作基底孔的直径D小于圆柱状微细结构域的直径d的第二实施方式的DNA输送控制设备，进行DNA链输送评价。
(1)DNA输送控制设备的制作
按照在图12(a)～(e)中示意性地表示的工艺，制作DNA输送控制设备。准备层叠有SiO2薄膜(厚度40nm)和SiN薄膜(厚度10nm)的Si晶片，在其两面上对抗蚀剂进行制膜，进行图案化。在此，Si晶片背面侧的抗蚀剂用于通过Si晶片的各向异性蚀刻在Si晶片开孔窗口，上部SiO2表面的抗蚀剂用于将SiO2图案化。图12(a)示出，将抗蚀剂在两面图案化后，利用KOH水溶液在Si晶片开孔50μm见方的窗口的状态的截面图。
接着，如图12(b)所示，将上部的抗蚀剂作为掩模，利用缓冲氢氟酸对SiO2薄膜进行蚀刻，在成为基底材料的SiN表面形成包含SiO2的分隔构件。在此，将分隔构件的形状设为在图6(a)中示意性地表示那样一边为110nm(对置的顶点间距离为220nm)的正六边形。加工后，去除残存于两面的抗蚀剂。
其次，如图12(c)所示那样，使用STEM(HD2700，日立高新技术公司制)，通过在加速电压200kV下照射聚焦的电子束，从而对SiN基底材料打开直径为2nm的基底孔。就此时的加工条件而言，通过使对另外准备的膜厚相同的SiN膜的照射条件变化而进行最优化来确定。此外，将基底孔的位置设为由分隔构件的壁面形成的正六边形的中心的位置。
其次，如图12(d)所示，与实施例1同样地操作，在SiN基底材料表面上制膜PEO-b-PMA(Az)。此时，对于PEO-b-PMA(Az)，使用分子量大的PEO272-b-PMA(Az)94。如表1所示，使PEO272-b-PMA(Az)94在包含PMA(Az)的基质中自组织化，以便以中心间隔L＝44nm形成直径为d＝20nm的包含PEO的圆柱状微结构域。通过旋涂法，在作为分隔构件的SiO2表面上进行PEO272-b-PMA(Az)94的制膜，以使膜厚成为约20nm。另外，此时，可认为由分隔构件围绕的空间的内部，即在SiN表面的膜厚为30nm左右。另外，由分隔构件围绕的六边形空间的对置的顶点间间隔220nm为作为圆柱状微细结构域的中心间隔的44nm的5倍、即奇数倍。
进而，如图12(e)中所示，与实施例1同样地实施热退火处理，使PEO272-b-PMA(Az)94自组织化，从而在由分隔构件围绕的正六边形空间内部形成圆柱状微细结构域。
用SEM和STEM对所得到的样品进行观察，结果可确认在由分隔构件围绕的六边形空间内部，形成有与在图6(a)中示意性地表示的结构同样的结构。即，确认到通过将六边形的分隔构件作为引导的图形外延法，在六边形的一边排列3个圆柱状微细结构域，在六边形的中心正确地配置有直径d＝20nm的圆柱状微细结构域，在六边形空间的中心位置开孔的直径D＝2nm的基底孔和圆柱状微细结构域以1：1正确地对位。
另外，确认到在六边形空间的内部均匀地填充有PEO272-b-PMA(Az)94的情形。可认为这是因为在退火过程中，PEO272-b-PMA(Az)94从周边的分隔构件表面上流入六边形空间的内部，六边形空间内部的PEO272-b-PMA(Az)94的膜厚为与SiO2的膜厚等同的约40nm。在六边形空间的周边的分隔构件(SiO2薄膜)表面上，可见到小滴状的PEO-b-PMA(Az)残膜，可预测这是在分隔构件表面上残存的PEO-b-PMA(Az)引起脱湿的结果。
(2)利用DNA输送控制设备的DNA链输送评价
使用由上述方法制作的设备，与实施例1和2同样地进行DNA链输送评价。其结果是，ssDNA链(碱基长度5k)的每一个碱基的通过时间为9μsec/碱基。另一方面，使用仅由在到图12(c)为止的步骤中得到的基底孔构成的样品进行测定，结果ssDNA链(碱基长度5k)的每一个碱基的通过时间为1×10-4μsec/碱基。即，可知尽管是同一尺寸的孔，但由于圆柱状微细结构域以1：1配置，因而使通过时间大幅度地延迟化至9×104倍。
[实施例4：第二实施方式的另一形态]
用与实施例3(1)等同的方法制作具有不同的结构的DNA输送控制设备，进行DNA链输送评价。
(1)DNA输送控制设备的制作
按照在图12(a)～(c)、(d’)和(e’)中示意性地表示的工艺，制作DNA输送控制设备。到图12(c)为止，与实施例3同样地操作，在厚度10nm的SiN薄膜打开了直径D＝2nm的基底孔。接着，如图12(d’)所示，通过旋涂法，在作为分隔构件的SiO2表面上制膜与实施例3相同的PEO272-b-PMA(Az)94，以使膜厚成为实施例3的2倍即40nm。然后，与实施例3同样地实施热退火，使PEO114-b-PMA(Az)34薄膜自组织化，形成直径d＝20nm的圆柱状微细结构域。
用SEM和STEM对所得到的样品进行观察，结果观察到圆柱状微细结构域不仅在六边形的空间内部，在分隔构件表面上也均匀地排列而形成的情形。此外，基于由STEM而得的透射明视场图像和二次电子像的重叠像，对基底孔、分隔构件壁面和圆柱状微细结构域的位置关系进行观察，结果确认到，如图12(e’)的截面图像所示，圆柱状微细结构域的排列以沿着分隔构件壁面的方式被拘束，基底孔和圆柱状微细结构域在六边形的空间的中心位置以1：1正确地对位。
(2)利用DNA输送控制设备的DNA链输送评价
使用由上述方法制作的设备，与实施例1～3同样地进行DNA链输送评价。其结果是，ssDNA链(碱基长度5k)的每一个碱基的通过时间为12μsec/碱基。该值与实施例3的设备相比略大，可认为这是因为在实施例4的设备构成中，与实施例3相比构成通过路径的圆柱状微细结构域高度大，能够得到更大的延迟效果。
由以上结果可知，在本形态中，也与仅由固态孔构成的设备相比，能够大幅度地延迟DNA链的输送速度。
符号说明
10 DNA输送控制设备，11 基底材料，12 支承基板，13 基底孔，14 通过路径，15分隔构件，16 槽口，20 嵌段共聚物薄膜，21 基质，22 圆柱状微细结构域，30 溶液池，31DNA链，32 电极，33 电解质溶液，40 嵌段共聚物，41 疏水性高分子链，42 亲水性高分子链，43 固定点，51 SiN薄膜，52 硅晶片，53 PEO-b-PMA(Az)薄膜，54 PMA(Az)基质，55 PEO圆柱状微细结构域，56 PEO-b-PMA(Az)残膜，57 SiO2薄膜，58 抗蚀剂
将本说明书中所引用的所有的出版物、专利和专利申请直接作为参考合并在本说明书中。

Claims (14)

1.一种DNA输送控制设备，其特征在于，是具有仅能够使一个分子的DNA链通过的尺寸的纳米孔的DNA输送控制设备，
具备具有开孔的基底材料和形成于所述基底材料上的嵌段共聚物的薄膜，
所述薄膜由通过所述嵌段共聚物的自组织化而形成的、贯通所述薄膜且能够包含水溶液的微细结构域、以及其周围的基质构成，
所述纳米孔由所述基底材料的一个开孔和单一的所述微细结构域构成，
所述嵌段共聚物包含亲水性高分子链和疏水性高分子链，微细结构域由亲水性高分子链形成，其周围的基质由疏水性高分子链形成。
2.如权利要求1所述的DNA输送控制设备，疏水性高分子链具有液晶性侧链。
3.如权利要求1或2所述的DNA输送控制设备，微细结构域为圆柱状。
4.如权利要求3所述的DNA输送控制设备，基底材料的开孔的直径D大于圆柱状微细结构域的直径d，且小于圆柱状微细结构域的中心间距离L。
5.如权利要求3所述的DNA输送控制设备，基底材料的开孔的直径D小于圆柱状微细结构域的直径d。
6.如权利要求1或2所述的DNA输送控制设备，进一步具有设置于基底材料上的分隔构件，微细结构域具有与所述分隔构件的形状对应的排列。
7.如权利要求1或2所述的DNA输送控制设备，亲水性高分子链包含聚氧化乙烯、聚乳酸、聚甲基丙烯酸羟烷基酯或核酸。
8.如权利要求2所述的DNA输送控制设备，疏水性高分子链具有聚甲基丙烯酸烷基酯中的烷基部分的一部分或全部被液晶性侧链取代的结构。
9.一种DNA输送控制设备，其特征在于，是具有仅能够使一个分子的DNA链通过的尺寸的纳米孔的DNA输送控制设备，
具备具有开孔的基底材料和形成于所述基底材料上的薄膜，
所述薄膜由贯通所述薄膜且能够包含水溶液的微细结构域和其周围的基质构成，
所述微细结构域中填充有亲水性高分子链，且所述亲水性高分子链被固定于所述微细结构域与基质的界面，所述基质由疏水性高分子链形成，
所述纳米孔由所述基底材料的一个开孔和单一的所述微细结构域构成。
10.一种DNA输送控制设备的制造方法，所述DNA输送控制设备具有仅能够使一个分子的DNA链通过的尺寸的纳米孔，所述DNA输送控制设备的制造方法包括：
准备具有开孔的基底材料的工序；
在所述基底材料上形成嵌段共聚物的薄膜的工序；以及
使所述嵌段共聚物自组织化，形成贯通所述薄膜且能够包含水溶液的微细结构域和其周围的基质，从而形成由所述基底材料的一个开孔和单一的所述微细结构域构成的纳米孔的工序，
所述嵌段共聚物包含亲水性高分子链和疏水性高分子链，微细结构域由亲水性高分子链形成，其周围的基质由疏水性高分子链形成。
11.如权利要求10所述的方法，包括如下操作：通过嵌段共聚物的自组织化而形成的微细结构域为圆柱状，预先测定其直径和中心间距离，基于其值来决定基底材料的开孔的大小。
12.如权利要求10或11所述的方法，进一步包括在基底材料上设置分隔构件的工序，包括如下操作：使微细结构域沿着分隔构件形成，从而进行基底材料的开孔和微细结构域的对位。
13.一种DNA测序装置，具有：权利要求1～3中任一项所述的DNA输送控制设备、介由所述DNA输送控制设备的纳米孔而连通的两个溶液池、以及在各溶液池设置的用于对所述两个溶液池之间施加电压的电极。
14.如权利要求13所述的DNA测序装置，在DNA输送控制设备的内部或附近具有用于读取通过纳米孔的DNA链的传感器。
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order-order and order-disorder transitions in thin film of an amphiphilic liquid crystalline diblock copolymer;Jinhwan Yoon等;《J.Phys.Chem.B》;20080628;第112卷;第8486页摘要及左栏第1段，第8486页右栏第2段 *
Solid-state and biological nanopore for real-time sensing of single chemical and sequencing of DNA;Farzin Haque等;《Nano Today》;20130204;第8卷(第1期);第56摘要，60页右栏第1段，图3及其说明 *

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