JP2011520117A - 流体から生体分子を分離する装置 - Google Patents

Abstract

流体から生体分子を分離する装置は、複数のナノチューブ又はナノワイヤ（９）を支持する壁（２）の少なくとも１つを有する少なくとも１つのマイクロチャネル（１）を備えたマイクロ流体成分を含む。その成分は、ナノチューブ又はナノワイヤ（９）の少なくとも一部に電気的に接続される少なくとも１つの電極（１１）を含み、その装置は、電極と流体との間に電圧を印加する手段（１０）を含む。ナノチューブ又はナノワイヤは、ナノチューブ又はナノワイヤ（９）が異なる密度を有するいくつかのアクティヴ領域（１４）に分割される。

Description

本発明は、複数のナノチューブ又はナノワイヤを支持する壁の少なくとも１つを有する少なくとも１つのマイクロチャネルを備えたマイクロ流体成分（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を含む、流体から生体分子を分離する装置に関し、上記構成要素がナノチューブ又はナノワイヤの少なくとも一部に電気的に接続される少なくとも１つの電極を含み、装置は電極と流体との間に電圧を印加する手段を含む。

小さなサイズの化学的試料又は生物試料に対する分析及び／又は操作を行うためのラボオンチップ（ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ）型のマイクロシステムが存在する。継続的な縮小化により、マイクロエレクトロニクス及びナノエレクトロニクス技術が、ますます多くの機能を単一のマイクロ流体成分に集積可能にしている。従来、これらの機能には、試料を前処理する機能、試料をフィルタにかける機能、試料を分離する機能、試料を検出する機能などがある。

最近の発展がカーボンナノチューブの使用を可能にした。一例として、国際特許出願第ＷＯ−Ａ−２００６／１２２６９７号パンフレットは、図１に図示されるように、流体が流れられるようにする少なくとも１つのチャネルを含むマイクロ流体成分について説明している。チャネル１は、好ましくは、閉チャネル、すなわち、流体の入口及び出口を含み、底壁２、互いに向かい合う両側の側壁３ａ及び３ｂ、並びに上部壁４により描かれる。底壁２、並びに側壁３ａ及び３ｂは、支持物内に、好ましくはシリコン基板内に作られ、上部壁４は、好ましくは基板を密封するカバーにより形成され得る。壁２、３ａ、３ｂの少なくとも１つが複数のナノチューブ９を支持する。チャネル内に（底壁２に平行な）水平のナノチューブを作ることにより、増加した処理面を示す流体成分が得られる。

国際特許出願第ＷＯ０１／６３２７３号パンフレットは、底壁２、並びに両側の側壁３ａ及び３ｂにより描かれるマイクロチャネルを備えたマイクロ流体成分を含む装置（図２）について説明している。マイクロチャネルは、マイクロチャネルの底壁２上に複数のカーボンナノチューブ９を支持する。マイクロチャネル１の各端部が、帯電した分子６を含む流体を受け取るように設計された貯蔵部５ａ、５ｂを含む。マイクロチャネル１の各端部に配置される貯蔵部５ａ及び５ｂは、ベクトルＥを有する電界をマイクロチャネル１に沿って生成できるようにする負端子７及び正端子８をそれぞれ含む。電界は、負端子７の貯蔵部内に存在する負に帯電した分子を電気泳動により正端子８の貯蔵部の方向に移動可能にする。このとき、マイクロチャネルのナノチューブが分子ふるいを形成し、分子ふるいのナノチューブの間隔は分子の種別に従って調節される。そのような装置は異なるふるい密度が生成される必要がある。また、ある種の事例では、分子が、具体的にはＤＮＡ分子が、除去することが困難なトラップを形成するナノチューブの周りに巻きつく可能性がある。

米国特許出願第ＵＳ−２００４／０１７３５０６号明細書は、膜を形成し且つ分子の輸送を制御するナノチューブの使用について説明している。２つのナノファイバを分離する距離が、膜を通過することができる分子の最大サイズを示す。

米国特許出願第ＵＳ２００７／００９００２６号明細書は、生体分子分離の速度及び分解能を改善する従来のマイクロエレクトロニクス技術による２次元ふるい構造の製造について説明している。ふるい構造は、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）技術を用いてシリコン基板内にエッチングにより生成される。ＲＩＥ技術は、制御された微細構造をサブミクロンの精度で得られるようにする。平坦なふるい構造は、幅１μｍ及び深さ５５ｎｍの横方向チャネルにより互いに接続される幅１μｍ及び深さ３００ｎｍの平行な主チャネルを含む。ＤＮＡ分子及びタンパク質分子などの分子は、隣接する第１主チャネル及び第２主チャネルを接続する横方向チャネルを介して第１主チャネルから第２主チャネルまで進むことができる。装置の表面は負に帯電することができる。したがって、負の弱荷電分子（ｗｅａｋｌｙ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｃｈａｒｇｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）が、負の強荷電分子（ｓｔｏｒｏｎｇｌｙ ｎｅｇａｔｉｖｅｌｙ ｃｈａｒｇｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）よりも高い確率である主チャネルから他方の主チャネルに進むことができる。

生体分子を分離するために別の研究で現在提案されている分離装置は、製造するのに費用がかかるので、産業化することが困難であるという重大な欠点を示す。実際に、これらの装置は、関係する分子のサイズに相当する寸法の細孔又はチャネルを生成するのに極めて費用がかかることが分かっているリソグラフィステップをまさに必要とする。

本発明の目的は、従来技術の欠点を示さない、生体分子を流体から分離する装置を提供することである。

この目的は、添付の特許請求の範囲により達成され、より具体的には、ナノチューブ又はナノワイヤが異なる密度を有するいくつかのアクティヴ領域に分割されるという事実により達成される。

改良形態によれば、アクティヴ領域のナノチューブ又はナノワイヤの密度は、流体の流れの方向にある領域から次への領域と増加する。

改良形態によれば、各領域は別個の電極に接続され、装置は異なる電極に異なる電圧を印加する手段を含む。

制限しない例示目的だけのために与えられ、添付の図面で表される本発明の具体的な実施形態の以下の説明から、他の有利な点及び特徴がより一層明確になるであろう。

従来技術のマイクロ流体成分の横断面図。 従来技術の電気泳動により生体分子を分離する装置の概略図。 本発明の装置の上面図。 図３のＡ−Ａに沿った横断面図。 装置のカバーが取り除かれた図３の装置の上面図。 本発明の装置のナノチューブと、帯電した粒子又は帯電していない粒子との相互作用を例示する図。 本発明の装置のナノチューブと、帯電した粒子又は帯電していない粒子との相互作用を例示する図。 本発明の装置のナノチューブと、帯電した粒子又は帯電していない粒子との相互作用を例示する図。 カバーなしの本発明の一実施形態の変形例を示す上面図。 カバーなしの本発明の一実施形態の変形例を示す上面図。 カバーなしの第２実施形態の上面図。 カバーなしの第２実施形態の変形例を示す上面図。

図３〜５に図示される具体的な実施形態によれば、流体から生体分子を分離する装置は、底壁２、並びに互いに向かい合う両側の側壁３ａ及び３ｂにより描かれる少なくとも１つのマイクロチャネル１を備えたマイクロ流体成分を含む。マイクロチャネル１は、閉じたマイクロチャネル（図４）であることが好ましく、流体の通路のための入口１２及び出口１３を含む上部壁４により描かれる。

流体は、装置の入口１２と出口１３との間にたとえば圧力差をかけることにより分離する装置内を流れられるようになる。この圧力差は、たとえばシリンジプッシャ、蠕動ポンプ、又は当業者に既知の任意の別の手段を使用することによりかけられ得る。図３〜５に表されるマイクロチャネルはまっすぐな形状だが、マイクロチャネルは曲線、らせん、円などでもよい。

したがって、マイクロ流体成分は、底壁２、並びに側壁３ａ及び３ｂを形成するためにマイクロチャネルに穴が掘られる基板内で生成され得る。上部壁４は保護カバーにより形成され得るし、好ましくは閉じて完全にしっかり固定したマイクロチャネル１を得るために密閉される。基板は、たとえばシリコンから作られ得る。装置はマイクロ流体成分の電極１１と流体との間に電圧を印加する手段１０をさらに含む。電極１１はシリコン基板の局所的ドーピングにより、又は完全にドープされた基板を使用することにより、マイクロチャネルの一部の上に形成され得る。

マイクロチャネルの壁２、３ａ、３ｂの少なくとも１つが、アレイを形成する複数の導電性のナノチューブ９又はナノワイヤを支持する。ナノチューブ９はアレイを支持する１又は複数の壁に垂直であることが好ましい。流体成分の電極１１は、ナノチューブ９の少なくとも一部に電気的に接続される。ドープされた基板により電極１１が形成される場合、すべてのナノチューブが電極に自動的に接続される。好ましくは調節可能な直流電圧Ｖが、電圧を印加する手段１０を用いて電極１１と流体との間に印加される。図４に図示される具体的な実施形態では、電源が、電極１１を形成する基板と、及び流体出口１３を用いて流体と、に接続される。

ナノチューブ９はたとえば炭素から作られ得る。炭素は伝導性という利点を示す。ナノチューブの表面電位を変化させることにより、ナノチューブの表面が、各ナノチューブ９の静電相互作用の大きさを調節できるようにする。マイクロチャネルを満たす流体は、好ましくは電解液（正イオン及び負イオンを含む水溶液）であり、他の極性の溶剤性流体が考えられる。電位Ｖがナノチューブと、マイクロチャネルを満たす流体との間に印加されると、電位Ｖの符号に従って、ナノチューブは、対イオンのクラウドを寄せ付け、それにより電荷及び局所電界の不均質分布を生成する。これらの対イオンの分布は（この場合、シリンダの周りの）二重静電層という用語で知られている。ナノチューブの表面での電位はＶに等しく、流体の電位の方向に漸近的に減少する。等電位面はナノチューブに集中する円柱形状を有する。電位減少の特性長はデバイ長と呼ばれる。デバイ長は静電ポテンシャルではなく、流体のイオン濃度、又はマイクロチャネルを満たす緩衝液のイオン濃度に依存し、この濃度はまた緩衝液の「イオン強度」と一般に呼ばれる。ナノチューブを分離している距離が、約デバイ長以下である場合、ナノチューブのアレイは等電位線、及び等電位線に垂直な電界線により画定される静電気的バリアを形成する。したがって、帯電した粒子又は分子が、電位が印加されたナノチューブに接近する、すなわち、電気的に帯電すると、ナノチューブの電荷と同符号の電荷を有する粒子又は分子が反発される傾向がある。

分子の電荷に従って分子を分離可能にする現象は、分子の流体力学的径に基づく。流体力学的径（Ｄｈとも表される）は、λ_Ｄと表されるデバイ長の２倍に完全に付加される分子の寸法（又は直径）に相当する。分子が帯電している場合、デバイ長は分子を囲む二重電気層の厚さに相当する。デバイ長は具体的には、分子が帯電し、流体中に含まれる場合に、分子の電荷の平衡を局所的に保つ対イオンのクラウドの厚さに相当する。デバイ長は１又は複数の分子を含む流体の条件に依存し、具体的には存在する１又は複数の電解液の種類及び濃度、並びに温度に依存する。

流体中に含まれる分子の分離は、ナノチューブアレイ、より具体的には２つの隣接するナノチューブにより描かれる通路、により構成されるバリアにより行われる。ナノチューブバリアは、好ましくはマイクロチャネル内の流体の流れの方向に垂直であり、ナノチューブは底壁２、又は側壁３ａ及び３ｂのいずれかにより支持される。代替実施形態によれば、ナノチューブはカバーを形成する上部壁４により支持され得る。

バリアを形成するナノチューブは、好ましくは部分の全体にわたりナノチューブを整列させるように、マイクロチャネルの部分の全体を占める。

２つの隣接するナノチューブ９により描かれる通路は、実際の距離ｄ_ｒに相当する。したがって、図７に図示されるように、制止したままの大きな非帯電分子（ｕｎｃｈａｒｇｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）ＧＭと異なり、ｄ_ｒ未満の直径を有する小さな非帯電分子ＰＭが２つの隣接するナノチューブ間を通ることができる。

図６及び８に図示されるように、ナノチューブと、マイクロチャネルを埋める流体との間に電圧Ｖを印加することにより、制御可能な実効距離ｄ_ｅが２つの隣接するナノチューブ間で得られる。実効距離は以下の公式で定義される。
−ナノチューブのアレイ、及び分子が同符号の電荷により電気的に帯電する場合、ｄ_ｅ＝ｄ_ｒ−２λ_Ｄ（ｄ_ｒは２つの隣接するナノチューブを分離する距離に相当し、λ_Ｄはデバイ長に相当する）である。
−その他の場合、具体的には、ナノチューブのアレイ、及び分子が反対符号である場合、又は図７を参照して前述されるように帯電していない場合、ｄ_ｅ＝ｄ_ｒである。

したがって、図８に図示されるように、ナノチューブ間の実効距離ｄ_ｅは、所望の種類の分子だけが通過させられるように選択され、より具体的には分離されるべき分子の流体力学的径Ｄｈに従って選択される。したがって、図８に図示されるように、ほぼ同様のサイズの分子が分子の電荷に従って分離され得る。弱荷電分子ＭＦＣ（対イオン１５の小さなクラウド）がナノチューブ９のバリアを通ることができるのに対して、強荷電分子ＭＣＥ（対イオン１５の大きなクラウド）がバリアを通ることができない。

例示目的で、２つの隣接するナノチューブ間の実効距離ｄ_ｅが分子の流体力学的径よりも小さい場合、正に帯電したナノチューブアレイが、正に帯電した分子を制止することができる。一方、ナノチューブアレイ及び分子が反対符号の電荷により帯電した場合、分子の流体力学的径がナノチューブアレイの２つの隣接するナノチューブを分離する実際の距離ｄ_ｒよりも大きければ十分である。

電圧を印加する手段１０により、印加される電圧を、ナノチューブを静電気的に帯電させるために制御された方法で調節できるようになり、それにより、分子が通過する確率を増加又は低減することができるようになる。図６は異なる電位１７を有する２列のナノチューブ９を示す。同じ直径のナノチューブを使って、カーボンナノチューブ９の静電相互作用の範囲が調節され得る。

流体内に含まれる分子の静電電荷は、流体を構成する溶液のｐＨにさらに依存する。したがって、分子に必要な電荷に従って溶液のｐＨを調節することができ、これより、分子の通過を増加又は低減させることができる。関係する分子は、一定のｐＨ範囲内の負の弱イオン化塩類（ｗｅａｋ ｎｅｇａｔｉｖｅｌｙ−ｉｏｎｉｚｅｄ ａｃｉｄｓ）を形成する核酸又はタンパク質（アミノ酸の集合体）であることが極めて多い。このとき、これらの分子を含む緩衝液として使用される流体は、塩類で多少帯電した溶液であっても良い。このとき、帯電した分子は、塩類の濃度及び組成に応じて数ｎｍから数１０ｎｍまで変化できる直径を有する対イオンのクラウドを寄せ付ける。

電極１１に接続される導電性ナノチューブ９を使用することにより、ナノチューブ９の電位を能動的に（リアルタイムに）制御できるようになる。これらのナノチューブ９は、数ｎｍだけ分離され、１０ｎｍの距離が想定され得る。２つの隣接するナノチューブを分離する距離は、好ましくは１ｎｍ〜２０ｎｍが含まれる。したがって、電圧がこれらのナノチューブに印加されると、これらのナノチューブは、ナノチューブの電荷と同符号の電荷を有する荷電分子に対して静電気的バリアを形成することができる。流体とナノチューブとの間の電圧を調節することにより、ナノチューブの電位を調節することができ、それにより、静電気的バリアの透過性を調節する。

そのような装置は、ナノチューブ間の距離に従うふるいの役割を果たすだけでなく、及び／又は異なる電荷の分子を制止され、又は通ることが許可され得るようにする。

したがって、そのような装置は分子の濾過分離システムの役割を果たすことができるが、分子を集中可能にするシステムの役割も果たすことができる。そのような装置が分子を集中可能にするシステムの役割を果たす場合、標的分子が、静電気的バリアを形成するのと同時により小さな分子を溶離するナノチューブの部分の前に制止されるだけでよい。次に、一度でもバリアの前に位置する制止領域が標的分子で濃縮されると、バリアに印加された電圧が解放され、標的分子が通れるようになり、標的分子で高度に濃縮された溶離液を収集できるようになる。

好ましくは０．０１Ω・ｃｍの抵抗率を有するドープされたシリコン基板からの前述のマイクロ流体成分の製造は、特許出願第ＷＯ−Ａ−２００６／１２２６９７号パンフレットに説明される方法を使用することができる。

図９に図示される代替実施形態によれば、ナノチューブの密度が類似するいくつかのアクティヴ領域１４にナノチューブ９が分割される。各アクティヴ領域１４のナノチューブ９は、別個の対応する電極（図示せず）に電気的に接続される。したがって、装置はマイクロ流体成分の異なる電極に異なる電圧を印加する手段を含む。各電極に対して別個の電気的アドレッシングを有するそのような装置は、異なる電位が各アクティヴ領域１４のナノチューブのレベルで得られるようにする。したがって、２つの隣接するナノチューブを分離する実効距離ｄ_ｅは、各アクティヴ領域１４でリアルタイムに別々に調節され得る。好ましい実施形態では、この実効距離ｄ_ｅは、最初の領域から最後の領域まで漸進的に減少することができ、その結果、ある領域から他の領域まで分子の漸進的分離をもたらす。したがって、単一の装置を使って異なる種類の分子を分離することができる。

図１０に図示される別の代替実施形態によれば、ナノチューブの密度は、アクティヴ領域１４毎に異なる。たとえば、ナノチューブの密度が、流体内に含まれる分子の流れの方向に従って（図１０では左から右に）領域から領域へ向かって増加する。導電性ナノチューブは、どれも単一の電極（図示せず）に接続され得るし、電極と流体との間に電圧を印加する手段に接続され得る。したがって、ナノチューブは同じ電位を有し、流体中に含まれる生体分子の分離が、ナノチューブの密度、及び流体が通るアクティヴ領域１４の電位に従って漸進的に起こる。

図１０の代替実施形態では、各アクティヴ領域のナノチューブが、別個の電極に電気的に接続される。この場合、装置は各電極に対して異なる可変の電圧を印加する手段を含む。各電極に対して別個のアドレッシングを有するそのような装置は、異なる電位が各領域のナノチューブのレベルで得られるようにし、その結果、ある領域の分子から他の領域の分子まで、リアルタイムで調節可能な漸進的分離をもたらす。

したがって、ナノチューブの密度の変化、及び／又はナノチューブと流体との間に印加される電圧の変化が、２つの隣接するナノチューブを分離する実効距離を画定するのに使用可能であり、その結果、分子のサイズ及び／又は電荷が、それぞれ、これらのナノチューブにより形成されるバリアを通過しやすい、又はこのバリアにより制止されやすくなる。

いくつかのアクティヴ領域を備えたマイクロチャネルを含む装置を製造するために、国際特許出願第ＷＯ−Ａ−２００６／１２２６９７号パンフレットに説明される方法が、局所的にドープされたシリコン基板を使用して、異なる電極を形成することにより修正可能であり、このとき、各電極はナノチューブが形成されるアクティヴ領域１４を形成する。

図１１に図示される別の実施形態によれば、ナノチューブ９が、２つの隣接するナノチャネルを分離し、且つ流体の流れの方向に対して少し斜めに配列されるバリアを形成する列Ｒ（図１１の点線）の形態とすることができる。ナノチューブ９の２つの列を分離する距離は、同じ列の２つの隣接するナノチューブを分離する距離よりも大きい。図１１及び１２に表される具体的な実施形態では、流体の流れの全体的な方向が、この方向に対して斜めに配置されるナノチューブの列の方へ制御される。たとえば図１１及び１２では、流体の入口１２及び出口１３がそれぞれ左下部分及び右上部分に配置され、流体は、入口１２と出口１３との間の圧力下に、すなわち、ナノチューブの列Ｒに対して斜めに、挿入される。同じ列のナノチューブを分離する実効距離ｄ_ｅよりも小さな流体力学的径を有する分子ＭＦＣだけが、これらのナノチューブ、及びナノチューブの電位１７により形成されるバリアを通ることができ、それにより図１１及び１２の最上部のナノチャネルの中に進むことができる。したがって、図１１では、実効距離よりも大きな流体力学的径を有する分子ＭＣＥが、底のナノチャネル内に制止されるのに対して、分子ＭＦＣは最上部のナノチャネルの中に進むことができる。したがって、分子は、分子のサイズ及び／又は電荷により分類可能であり、２つの隣接するナノチャネルは、出口１３の近くに配置されるナノチャネルの端部に異なるサイズ及び／又は電荷の分子を含む。

図１２に図示される代替実施形態によれば、好ましくは底から最上部まで増加する異なる電位１７がナノチューブ９の各列Ｒに印加され、それにより、異なるサイズ及び／又は電荷の分子が分離できるようになる。したがって、図１２では、底の列の実効距離よりも小さいがナノチューブの最上部の列の実効距離ｄ_ｅよりも大きい流体力学的径を有する分子ＭＣＥが中央のナノチャネル内に制止されるのに対して、分子ＭＦＣは最上部のナノチャネルの中に進むことができ、ナノチューブの底の列の実効距離よりも大きな流体力学的径を有する別の分子が底のナノチャネル内に残る。列はまた、分子のサイズ及び電荷因子の両方に作用するように、ナノチューブ間で異なる間隔を有する。

電圧を印加する手段１０は、流体中に浸漬された白金線１６（図４）、又は当業者により適合可能な他の任意の手段を含むことができる。

前述の実施形態は、たとえば核酸の混合物、及び／又はタンパク質の混合物、及び／又はペプチドの混合物などの任意の複雑性の混合物の分子を分離可能にする。この分離はナノチューブに印加される電圧をリアルタイムに調節することにより連続的に行われ得る。

さらに、流体とナノチューブとの間に電圧を印加することにより、具体的にはＤＮＡ分子がナノチューブの周りに巻きつくときに、装置の清掃がより容易になり、ナノチューブに電位を印加することにより、巻きついた分子を除去できるようになる。

装置は、分子の並列処理を可能にする複数のマイクロチャネルを含むことができる。

本発明は前述の実施形態に限定されず、具体的にはナノチューブは、好ましくはドープされたシリコンから作られる導電性ナノワイヤと置換できる。

Claims (7)

1. 複数のナノチューブ又はナノワイヤ（９）を支持する壁（２、３ａ、３ｂ）の少なくとも１つを有する少なくとも１つのマイクロチャネル（１）を備えたマイクロ流体成分を含む流体から生体分子を分離する装置であって、前記成分は、前記ナノチューブ又はナノワイヤ（９）の少なくとも一部に電気的に接続された少なくとも１つの電極（１１）を含み、前記装置は、前記電極と前記流体との間に電圧を印加する手段（１０）を含み、前記ナノチューブ又はナノワイヤ（９）が異なる密度を有するいくつかのアクティヴ領域（１４）に前記ナノチューブ及びナノワイヤが分割されることを特徴とする装置。
2. 各領域（１４）の前記密度が、前記流体の流れの方向にある領域から次の領域に向かって増加することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 各領域（１４）は、別個の電極に接続され、前記装置は、前記異なる電極に異なる電圧を印加する手段（１０）を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記ナノチューブ又はナノワイヤ（９）は、前記マイクロチャネル内の前記流体の流れの前記方向に垂直なバリアを形成することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の装置。
5. 前記ナノチューブ又はナノワイヤ（９）は、前記マイクロチャネル内の前記流体の流れの前記方向に対して斜めのバリアを形成することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の装置。
6. 前記ナノチューブ（９）は、炭素から作られることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の装置。
7. 前記ナノワイヤ（９）は、ドープされたシリコンから作られることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の装置。

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