JP2014158493A - ナノノズル装置アレイ:その作製および高分子分析における利用 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】DNAシーケンシングを含む高分子構造の解析での使用に適した、狭窄ナノチャネル装置。亦、装置を製造する為の方法、及び装置を用いた高分子の解析方法。前記ナノチャネルの少なくとも一部が、高分子の少なくとも一部を物理的に拘束することが可能であり、これにより高分子のその部分を直線形状に保持し、前記ナノチャネルが少なくとも1つの狭窄を有し、前記直線状にする工程と、前記ナノチャネルの少なくとも一部の中に高分子の少なくとも一部を輸送する工程であって、これにより高分子の少なくとも一部が前記狭窄を通過し、前記輸送する工程と、高分子による狭窄の通過に関連して発生する少なくとも1つのシグナルを測定する工程と、前記少なくとも1つのシグナルを、高分子の1若しくはそれ以上の特徴と関連付ける工程とを行うナノチャネル装置。
【選択図】図4
Description
記述した課題を解決するために、第1の態様では、本発明は、高分子の1若しくはそれ以上の特性を特徴付けるための方法であって、ナノチャネル内に少なくとも一部が存在する高分子を直線状にする工程であって、前記ナノチャネルの少なくとも一部が高分子の少なくとも一部を物理的に拘束することが可能であり、これにより前記高分子のその部分を直線形状に保持し、前記ナノチャネルが少なくとも1つの狭窄を含むものである、前記高分子を直線状にする工程と;前記ナノチャネルの少なくとも一部の中を前記高分子の少なくとも一部を輸送する工程であって、これにより前記高分子の少なくとも一部が前記狭窄を通過するものである、前記輸送する工程と;前記高分子による狭窄の通過に関連して発生する少なくとも1つのシグナルを測定する工程と;前記少なくとも1つのシグナルを、前記高分子の1若しくはそれ以上の特徴と関連付ける工程と、を有するものである、前記特性を特徴付けるための方法、を提供する。
本願明細書で用いる場合、「実質的に直線状(substantially linear)」という用語は、これに限定するものではないが例えば200残基の核酸が互いに結合したポリ核酸などの長鎖状分子の少なくとも一部のコンフォーメーションが、自身に対して折れ曲がることがないこと、またはいかなる鋭い屈曲、又は約360度より大きなカーブを含まないこと、を意味する。
有効内径 = 2〔(ナノチャネルの断面積)/π〕1/2
狭窄は適切には、約0.5nm〜約100nmの範囲、または約1〜約80nmの範囲、または約5〜約50nmの範囲、または約8nm〜約30nmの範囲、または約10nm〜約15nmの範囲の、分子の輸送を許可する有効内径または有効寸法を有する。適切な狭窄は、線形高分子が狭窄を通過する際に直線形状を保持することが可能な有効内径を有する。有効内径または寸法は、エッチングの条件の制御によって、または狭窄領域内の犠牲材料の大きさの制御によって、制御することが可能である。
以下は非限定的な実施例および説明のための実施形態であり、必ずしも本発明の範囲を限定するものではない。
Claims (85)
- 高分子の1若しくはそれ以上の特徴を明らかにする方法であって、
ナノチャネルの内部に少なくとも一部が存在する高分子を直線状にする工程であって、
前記ナノチャネルの少なくとも一部が、前記高分子の少なくとも一部を物理的に拘束することが可能であり、これにより前記高分子のその部分を直線形状に保持し、
前記ナノチャネルが少なくとも1つの狭窄を有するものである、前記直線状にする工程と、
前記ナノチャネルの少なくとも一部の中に前記高分子の少なくとも一部を輸送する工程であって、これにより前記高分子の少なくとも一部が前記狭窄を通過するものである、前記輸送する工程と、
前記高分子による狭窄の通過に関連して発生する少なくとも1つのシグナルを測定する工程と、
前記少なくとも1つのシグナルを、前記高分子の1若しくはそれ以上の特徴と関連付ける工程と
を有する方法。 - 請求項1記載の方法において、前記高分子は、ポリヌクレオチド、ポリヌクレオシド、ポリマー、共重合体、デンドリマー、界面活性剤、脂質、炭水化物、ポリペプチド、タンパク質、またはそれらのあらゆる組合せ、を有するものである。
- 請求項1記載の方法において、前記高分子は流体中に存在するものである。
- 請求項1記載の方法において、前記輸送する工程は、前記高分子を勾配に曝露する工程を有するものである。
- 請求項4記載の方法において、前記勾配は、電気浸透の場、電気泳動の場、磁場、電場、電磁場、流動場、放射線場、機械力、電気浸透力、電気泳動力、動電学的な力、温度勾配、圧力勾配、表面性質の勾配、毛細管流動、またはそれらのあらゆる組合せ、を有するものである。
- 請求項4記載の方法において、前記勾配は一定のものである。
- 請求項4記載の方法において、前記勾配は変化するものである。
- 請求項1記載の方法において、前記シグナルは、視覚的シグナル、赤外線シグナル、紫外線シグナル、放射線シグナル、磁気シグナル、電気的シグナル、電磁気的シグナル、またはそれらのあらゆる組合せ、を有するものである。
- 請求項1記載の方法において、前記高分子は1若しくはそれ以上の標識を有するものである。
- 請求項9記載の方法において、前記1若しくはそれ以上の標識は、電子スピン共鳴分子、蛍光分子、化学発光分子、放射性同位体、および酵素基質、ビオチン分子、アビジン分子、荷電輸送分子、半導体ナノ結晶、半導体ナノ粒子、コロイド金ナノ結晶、リガンド、マイクロビーズ、電磁ビーズ、常磁性体粒子、量子ドット、発色基質、親和性分子、タンパク質、ペプチド、核酸、炭水化物、抗原、ハプテン、抗体、抗体断片、脂質、ポリマー、荷電粒子、修飾ヌクレオチド、またはそれらのあらゆる組合せ、を有するものである。
- 請求項8記載の方法において、前記シグナルは前記高分子によって本質的に発せられるものである。
- 請求項8記載の方法において、前記シグナルは前記分子に照射することによって生成するものである。
- 請求項12記載の方法において、前記照射は、可視光、紫外線、赤外線、X線、ガンマ線、電磁放射線、電波、放射性粒子、またはそれらのあらゆる組合せによる、前記高分子の少なくとも一部分の露光、を有するものである。
- 請求項8記載の方法において、前記高分子の特徴は、前記高分子の大きさ、前記高分子の分子組成、前記高分子の分子配列、前記高分子の1若しくはそれ以上の分子の電気的性質、前記高分子の1若しくはそれ以上の分子の化学的性質、前記高分子の1若しくはそれ以上の分子の放射性に関する性質、前記高分子の1若しくはそれ以上の分子の磁性、またはそれらのあらゆる組合せ、を有するものである。
- 請求項9記載の方法において、前記高分子の特徴は、前記高分子の1若しくはそれ以上の標識の位置を有するものである。
- 請求項14記載の方法において、前記高分子の分子組成は、前記高分子の1若しくはそれ以上の分子の位置、DNA多型、DNAコピー数の多型、DNA内の増幅、DNA内の欠失、DNA内の転座、DNA内の特定の遺伝子座の逆位、前記高分子内のメチル基の位置、またはそれらのあらゆる組合せ、を有するものである。
- 請求項15記載の方法において、この方法は、さらに、
薬剤と前記高分子間との結合部位の検出、高分子−薬剤複合体、DNA修復部位、DNA結合部位、DNA切断部位、SiRNA結合部位、アンチセンス結合部位、転写因子結合部位、制御因子結合部位、制限酵素結合部位、制限酵素切断部位、またはそれらのあらゆる組合せ、を有するものである。 - 線形高分子を分析する装置であって、
2若しくはそれ以上の流体タンクと、
狭窄を有するナノチャネルであって、
前記ナノチャネルが少なくとも2つの流体タンクを互いに流体連通するように設置するものである、前記ナノチャネルと
を有する装置。 - 請求項18記載の装置において、前記狭窄は前記ナノチャネルの一方の端に存在するものである。
- 請求項18記載の装置において、前記狭窄は前記ナノチャネルの内部に存在するものである。
- 請求項18記載の装置において、前記ナノチャネルは、少なくとも約10nmの範囲の長さを有するものである。
- 請求項18記載の装置において、前記ナノチャネルは、少なくとも約50nmの範囲の長さを有するものである。
- 請求項18記載の装置において、前記ナノチャネルは、少なくとも約100nmの範囲の長さを有するものである。
- 請求項18記載の装置において、前記ナノチャネルは、少なくとも約500nmの範囲の長さを有するものである。
- 請求項18記載の装置において、前記ナノチャネルは、前記線形高分子の長さと少なくとも等しい長さを有するものである。
- 請求項18記載の装置において、前記ナノチャネルは、約0.5nm〜約1000nmの範囲の有効内径を有するものである。
- 請求項18記載の装置において、前記ナノチャネルは、約10nm〜約500nmの範囲の有効内径を有するものである。
- 請求項18記載の装置において、前記ナノチャネルは、約100nm〜約300nmの範囲の有効内径を有するものである。
- 請求項18記載の装置において、前記ナノチャネルは、約150nm〜約250nmの範囲の有効内径を有するものである。
- 請求項18記載の装置において、前記ナノチャネルは、高分子の少なくとも一部を直線形状に保持するために、前記高分子の少なくとも一部を物理的に拘束することが可能な有効内径を有するものである。
- 請求項18記載の装置において、前記狭窄は、約0.5nm〜約100nmの範囲の有効内径を有するものである。
- 請求項18記載の装置において、前記狭窄は、約10nm〜約50nmの範囲の有効内径を有するものである。
- 請求項18記載の装置において、前記狭窄は、前記狭窄を通過する線形高分子を直線形状に保持することが可能な有効内径を有するものである。
- 請求項18記載の装置において、この装置は、さらに、
勾配を有するものである。 - 請求項34記載の装置において、前記勾配は、電気浸透の場、電気泳動の場、毛細管流動、磁場、電場、放射線場、機械力、電気浸透力、電気泳動力、動電学的な力、温度勾配、圧力勾配、表面性質の勾配、毛細管流動、またはそれらのあらゆる組合せ、を有するものである。
- 請求項34記載の装置において、前記勾配は、前記ナノチャネルの少なくとも一部の中に存在する高分子の少なくとも一部を直線状にすることが可能なものである。
- 請求項34記載の装置において、前記勾配は、前記ナノチャネル内部に位置する高分子の少なくとも一部を、前記ナノチャネルの少なくとも一部に沿って輸送することが可能なものである。
- 請求項34記載の装置において、この装置は、さらに、
勾配発生器を有するものである。 - 請求項38記載の装置において、前記勾配発生器は、電源、磁石、音源、圧力源、またはそれらのあらゆる組合せ、を有するものである。
- 請求項34記載の装置において、前記勾配発生器は、一定の勾配を適用することが可能なものである。
- 請求項34記載の装置において、前記勾配発生器は、可変的な勾配を適用することが可能なものである。
- 請求項18記載の装置において、2若しくはそれ以上の流体タンクは同じ流体を有するものである。
- 請求項18記載の装置において、2若しくはそれ以上の流体タンクは異なる流体を有するものである。
- 請求項18記載の装置において、この装置は、さらに、
前記線形高分子の少なくとも一部による前記狭窄の通過によって発生するシグナルを検出することが可能な検出器を有するものである。 - 請求項44記載の装置において、前記検出器は、電荷結合素子(charge coupled device:CCD)検出システム、相補型金属酸化膜半導体(complementary metal−oxide semiconductor:CMOS)検出システム、光ダイオード検出システム、光電子増倍管検出システム、シンチレーション検出システム、光子計数検出システム、電子スピン共鳴検出システム、蛍光検出システム、光子検出システム、電気的検出システム、写真フィルム検出システム、化学発光検出システム、酵素検出システム、原子間力顕微鏡(atomic force microscopy:AFM)検出システム、走査型トンネル顕微鏡(scanning tunneling microscopy:STM)検出システム、走査型電子顕微鏡(scanning electron microscopy:SEM)検出システム、光学検出システム、核磁気共鳴(nuclear magnetic resonance:NMR)検出システム、近接場(near field)検出システム、全反射(total internal reflection:TIRF)検出システム、パッチクランプ検出システム、電流検出システム、電気増幅検出システム、抵抗測定システム、容量検出システム、またはそれらのあらゆる組合せ、を有するものである。
- 請求項44記載の装置において、前記検出器は、1若しくはそれ以上の流体タンク中の、1若しくはそれ以上の位置を測定することが可能なものである。
- 請求項44記載の装置において、前記検出器はナノチャネル内の位置を測定することが可能なものである。
- 請求項44記載の装置において、前記検出器はナノチャネル端部に近接する位置で測定することが可能なものである。
- 請求項18記載の装置において、この装置は、さらに、
照射器を有するものである。 - 請求項49記載の装置において、前記照射器は、レーザー、可視光の光源、放射性粒子の発生源、磁石、紫外線の発生源、赤外線の発生源、またはそれらのあらゆる組合せ、を有するものである。
- 請求項18記載の装置において、この装置は、さらに、
データ処理器を有するものである。 - 高分子を輸送する方法であって、
少なくとも2つの流体タンクを提供する工程と、
少なくとも部分的に線形の高分子を提供する工程であって、
前記高分子の少なくとも一部がナノチャネル内に存在し、
前記ナノチャネルが少なくとも2つのタンクを互いに流体連通するよう設置し、
前記ナノチャネルが狭窄を有するものである、前記線形の高分子を提供する工程と、
前記高分子に勾配を適用する工程であって、
前記勾配が、前記線形高分子の少なくとも一部が前記ナノチャネルの少なくとも一部の中に輸送されるようにするものである、前記適用する工程と
を有する方法。 - 請求項52記載の方法において、前記ナノチャネルは、約10nm以上の長さを有するものである。
- 請求項52記載の方法において、前記ナノチャネルは、約50nm以上の長さを有するものである。
- 請求項52記載の方法において、前記ナノチャネルは、約100nm以上の長さを有するものである。
- 請求項52記載の方法において、前記ナノチャネルは、約500nm以上の長さを有するものである。
- 請求項52記載の方法において、前記ナノチャネルは、前記線形高分子の長さ以上の長さを有するものである。
- 請求項52記載の方法において、前記勾配は、電気浸透の場、電気泳動の場、毛細管流動、磁場、電場、放射線場、機械力、電気浸透力、電気泳動力、動電学的な力、温度勾配、圧力勾配、表面性質の勾配、毛細管流動、またはそれらのあらゆる組合せ、を有するものである。
- 請求項58記載の方法において、前記勾配は一定のものである。
- 請求項58記載の方法において、前記勾配は変化するものである。
- 狭窄ナノチャネルを製造する方法であって、
ナノチャネルを提供する工程であって、
前記ナノチャネルは約0.5nm〜約1000nmの範囲の内径を有し、
前記ナノチャネルは少なくとも約10nmの長さを有するものである、前記提供する工程と、
前記ナノチャネルの内部の位置または前記ナノチャネルの端部に近接する位置のいずれか、または両方で前記ナノチャネルの内径を縮小させる工程であって、これにより前記ナノチャネルの内部または近接部に狭窄を生じさせ、この狭窄は前記ナノチャネルと流体連通する内径を有するものであり、
前記ナノチャネルは線形高分子をその直線形状に保持することが可能であり、
前記縮小内径は前記線形高分子の少なくとも一部の通過を許容することが可能なものである、前記縮小させる工程と
を有する方法。 - 請求項61記載の方法において、前記ナノチャネルの内径は、1若しくはそれ以上の物質を前記ナノチャネルの内部または外部に付加的に蒸着することにより、縮小されるものである。
- 請求項62記載の方法において、前記付加的な蒸着は、スパッタリング、スプレー、物理蒸着、化学蒸着、またはそれらのあらゆる組合せ、を有するものである。
- 請求項62記載の方法において、前記付加的な蒸着は、前記ナノチャネルが完全に閉塞する前に停止するものである。
- 請求項62記載の方法において、前記付加的な蒸着は、前記ナノチャネルが完全に閉塞した後に停止するものである。
- 請求項65記載の方法において、この方法は、さらに、
蒸着した添加材料の少なくとも一部を除去することによって、密封したナノチャネルに再度穴を開ける工程を有するものである。 - 請求項66記載の方法において、前記除去はエッチングによって成し遂げられるものである。
- 請求項67記載の方法において、前記エッチングは、蒸着した添加材料の一方の側を、前記蒸着した添加材料をエッチング(腐食)させることが可能な第一の種類の物質と接触させる工程を有するものである。
- 請求項68記載の方法において、この方法は、さらに、
前記蒸着した添加材料の他方の側を、前記エッチングする種類の物質の前記腐食活性を前記第一の種類の物質との接触によって妨害することが可能な第二の種類の物質と接触させる工程を有するものである。 - 請求項68記載の方法において、この方法は、さらに、
前記蒸着した添加材料の他方の側を、前記エッチングする種類の物質の前記腐食活性を前記第一の種類の物質との接触によって停止させることが可能な第二の種類の物質と接触させる工程を有するものである。 - 請求項69記載の方法において、この方法は、さらに、
望みの縮小した内径を得るために、前記ナノチャネル内の状態、前記第一および第二の種類の物質の相対的な量、またはそれらのあらゆる組合せを調節する工程を有するものである。 - 請求項61記載の方法において、前記ナノチャネルの内径に影響を与える工程は、(a)前記ナノチャネル内に犠牲材料を設置する工程と、(b)前記犠牲材料に近接して添加材料を蒸着する工程であって、これにより前記ナノチャネルを完全に閉塞させるものである、前記蒸着する工程と、(c)前記犠牲材料の少なくとも一部を選択的に除去する工程であって、これにより前記除去された犠牲材料の寸法にまで縮小した前記ナノチャネルの内径を生じさせるものである、前記除去する工程とを有するものである。
- 高分子を直線状にする方法であって、
高分子をナノチャネル内に設置する工程であって、
前記ナノチャネルの少なくとも一部分は、前記高分子の少なくとも一部分を物理的に拘束することが可能であり、これにより前記高分子のその部分を直線形状に保持するものである、前記設置する工程
を有する方法。 - 請求項73記載の方法において、前記ナノチャネルは狭窄を有するものである。
- 請求項73記載の方法において、この方法は、さらに、
前記高分子の少なくとも一部分が、前記ナノチャネルの狭窄を直線的に通過するように、前記高分子に勾配を適用する工程を有するものである。 - 請求項75記載の方法において、前記勾配は、電気浸透の場、電気泳動の場、毛細管流動、磁場、電場、放射線場、機械力、電気浸透力、電気泳動力、動電学的な力、温度勾配、圧力勾配、表面性質の勾配、毛細管流動、またはそれらの組合せ、を有するものである。
- 請求項73記載の方法において、前記ナノチャネルは、2若しくはそれ以上の流体タンクを、互いに流体連通するように設置するものである。
- 請求項73記載の方法において、前記ナノチャネルは、前記高分子の線形コンフォーメーションの旋回半径の約2倍以下の内径を有するものである。
- 請求項73記載の方法において、前記ナノチャネルは、少なくとも約10nmの長さを有するものである。
- 請求項79記載の方法において、前記ナノチャネルは、少なくとも約50nmの長さを有するものである。
- 請求項79記載の方法において、前記ナノチャネルは、少なくとも約100nmの長さを有するものである。
- 請求項79記載の方法において、前記ナノチャネルは、少なくとも約500nmの長さを有するものである。
- 請求項73記載の方法において、前記ナノチャネルは、約0.5nm〜約1000nmの範囲の内径を有するものである。
- 請求項83記載の方法において、前記ナノチャネルは、約5nm〜約200nmの範囲の内径を有するものである。
- 請求項84記載の方法において、前記ナノチャネルは、約50nm〜約100nmの範囲の内径を有するものである。
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