JP5106116B2 - 粒子および電磁放射線の検出、測定および制御 - Google Patents
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Description
本発明は、一般に、変形可能なアパーチャを含む変形可能な材料を組み込んだ粒子感受性または放射線感受性のデバイス、粒子及び／又は電磁放射線の検出、測定または制御の方法、およびこうした変形可能なアパーチャの製造方法に関する。
粒子を検出または測定する簡単な方法は、人間の視覚を用いることである。しかしながら、人間の眼の解像度は制限があり、直径約０．０５ミリメータ未満の粒子は眼に見えない。光学レンズを組み込んだ顕微鏡検査機器は、約２００ナノメータの横方向解像度を達成できる。光の物理的性質は、使用する光の波長の約半分までに解像度を制限する。集束電子を採用した顕微鏡検査機器は、より小さな粒子を分解し、撮像範囲を拡大するために使用でき、分子スケールの粒子および原子さえも検出または測定することが可能である。
微生物(microbe)、血液細胞、他の組織細胞または、有機物起源や無機物起源の顕微鏡レベルの粒子のレベルでは、光学機器が使用できるが、顕微鏡検査によるこうした粒子の計数は、限界および不利益を有し、他の方法を必要とする。例えば、微生物の数を検査する好ましい方法は、対象となるサンプルの一連の希釈を使用し、各希釈液を固体の微生物培地の上に広げて、培地を培養し、適切に希釈したサンプルによって形成されるコロニーの数を計数することである。
培養サンプルの処理は、単一の微生物を、眼に見えない細胞から肉眼単独で検出可能なコロニーへ増幅するが、こうした処理は不利益および限界を有する。例えば、微生物サンプルを培養するために用いる数多くの容器および材料は、無菌である必要があり、再使用のためのオートクレーブや処分および置換が必要になる。他の不利益は、微生物を、検出するのに充分な数まで培養するのにかかる時間遅延であったり、微生物を培養するための空間およびエネルギー条件であったり、病気を引き起こす病原体(pathogenic)微生物については、サンプルの培養が特別建築の封じ込め施設を必要することである。
生命の生物学的成分の検出および分析は、分子生物学、生化学、バイオテクノロジー、遺伝学、医薬、ナノ(nanometre-scale)テクノロジーの分野で有用性がある。電子顕微鏡検査法は、分子レベルの粒子の検出および分析に適用可能である。しかしながら、分子レベル粒子の電子顕微鏡検査法は、高い真空条件が顕微鏡検査法にとって必要であり、サンプルの乾燥および特殊なサンプル調製法が必要であり、生物粒子は電子ビーム中で充分なコントラストが無く、そのため粒子の細かい詳細をぼかす金属コーティングを必要としたり、集束電子ビームの高いエネルギーが原子を移動させたり、表面を損傷したりするるという悩みがある。
分子レベル粒子を検出し分析する方法は、分離法、最も典型的には、遠心分離、電気泳動またはクロマトグラフィ、に依存している（文献「Alberts et al (1994) “Molecular Biology of the Cell”, Garland publishing, Inc., NY」を参照）。検出方法は、最も典型的には、分子の集団に適用される必要があり、精巧な高解像度の光学機器の使用を必要とする。
多くの技術プロセスは、分子レベル粒子を検出し分析することから利益を得る。例えば、核酸巨大分子のヌクレオチド配列の決定は、最も典型的には、単一のヌクレオチドだけ長さが異なる関連した分子断片のファミリーを生成することによって、短い（１００〜８００）のヌクレオチド断片について達成される。典型的には、これらの分子断片のファミリーは、電気泳動またはクロマトグラフィによって分離され、検出、分析されて、核酸巨大分子の配列構造を明らかにする。
他の例は、制限エンドヌクレアーゼ酵素による核酸巨大分子の配列特異的な切断であり、断片化した巨大分子の集団を生成し、そして電気泳動またはクロマトグラフィによって不連続のバンドに分離され、検出、分析されて、核酸断片のサイズおよび制限エンドヌクレアーゼの切断箇所の相対位置を明らかにする。
同様に、特異的に切断された核酸の断片は、リガーゼ酵素を用いて、連結反応(ligation)と称されるプロセスによって、一緒に接合(spliced)することができる。このプロセスは、電気泳動またはクロマトグラフィを用いて、連結反応した断片の検出および分析によって検証される。
他の例は、酵素的増幅手段によって生成した核酸分子の集団の分離および検出、例えば、米国特許第４６８３２０２号で開示されたポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）などであり、これは、特定の核酸配列の検出目的のために、微量の出発原料から特定の核酸配列を増幅することを可能にする。
しかしながら、分子レベル粒子の集団を電気泳動またはクロマトグラフィによって分析することに対して不利益および限界がある。それは、低解像度の検出方法によって分析するには、かなりの量の分子材料が利用可能である必要があり、分離法のためのふるい分け(sieving)材料が高価であり、分離プロセスが時間を要するためである。そこには、分子スケールの粒子について迅速な検出および分析というニーズが存在する。
単一粒子検出および分析は、走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を用いて達成されている。ＳＰＭは、米国特許第４３４３９９３号で開示された走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ、文献「Binnig et al., “Surface studies by scanning tunnelling microscopy” Phys. Rev. Lett, 40, 57-61, 1982」を参照）と、米国特許第４７２４３１８号の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）とを含む。これらの特許の全体内容は、参照によりここに組み込まれる。
粒子検出に加えて、ＳＰＭは、粒子の操作および制御が可能である。ＳＰＭは、分析サンプルに近接したプローブを用いて動作する近接場(near field)プローブを利用する。プローブ−サンプル分離距離は、プローブの電子雲がサンプルの電子雲と重なり合うように設定され、該分離距離は、プローブ−サンプル相互作用パラメータを測定することによって測定される。サンプル上のプローブのラスター走査は、相互作用パラメータの空間マップをプロットして、表面の「画像」を明らかにすることができる。画像の解像度は、プローブの幾何に依存しており、原子スケールのプローブは、原子スケールの詳細を明らかにするために使用される。
ＳＴＭにおいて、電子回路は、鋭くした金属プローブの頂点と導電性表面との間にある量子力学的なトンネル効果を検知する。プローブは、典型的には、タングステンなどの硬い金属ワイヤで製作され、ワイヤの直径、典型的には、１．０〜０．１ミリメータから、１０ナノメータのオーダーの曲率半径を持つ頂点まで、ほぼテーパーとなった幾何形状を有する。ＳＴＭは、導電性サンプルまたは導電性材料でコートされたサンプルの撮像に必ず制限され、これによりサンプルの分子レベルの詳細をぼかしてしまう。
米国特許第４７２４３１８号の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、導電性サンプルの分析の制限を克服する他のタイプのＳＰＭである。カンチレバーに取り付けられたラスター走査の顕微鏡プローブの機械的な偏差によって、プローブとサンプルの間の原子スケールの変動が検出される。ＡＦＭでの像コントラスト機構は、顕微鏡プローブとサンプルの間の直接の物理接触に依存しているため、導電性のサンプルやプローブを要しない。
最新のＡＦＭは、カンチレバー表面から反射したレーザビームの偏差を測定することによって、カンチレバーの偏差を検出しているが、米国特許第４７２４３１８号のＡＦＭは、圧電素子の形態にあるｚドライブ機構に取り付けられたトンネルチップを利用する。
ＳＴＭは、単一の核酸巨大分子（文献「Guckenberger et al., “Scanning tunneling microscopy of insulators and biological specimens based on lateral conductivity of ultrathin water films” Science, 266, 1538-1540, 1991」を参照）、核酸の部分分子コンポーネント、プリン（文献「Heckl et al “Two-dimensional ordering of the purine base guanine observed by scanning tunneling microscopy” PNAS, 88, 8003-8005, 1991」を参照）、ピリミジン塩基（文献「Sowerby et al., “Scanning tunneling microscopy of uracil monolayers self-assembled at the solid/liquid interface” J. Electroanal. Chem, 433, 85-90, 1997」を参照）を撮像した。
単一分子核酸配列決定のためのＳＴＭ撮像方法が（文献「Heckl et al., “DNA base sequencing” Nonlinear Optics, 1, 53-59, 1992」を参照）、米国特許第５１０６７２９号、米国特許第５２７０２１４号、米国特許第５６２０８５４号に開示されており、これらの全体内容は参照によりここに組み込まれる。
しかしながら、ＳＰＭによる分子の特徴付け(characterization)は、ＳＰＭによる分子解像検出手段に依存しており、そして、ＳＰＭプローブが実質的に短命であり、核酸を吸収するために好ましく使用されるグラファイト基板が、ＤＮＡ構造を偽装する人工物(artefacts)にほぼ富んでいるという不利益に悩まされている（文献「Clemmer et al., “Graphite: a mimic for DNA and other biomolecules in scanning tunnelling microscopy studies” Science, 251, 640-642, 1991」を参照）。
粒子分析に利用可能な他のタイプの装置は、米国特許第２６５６５０８号に開示されているようなコールター(Coulter)カウンタであり、これは、実質的に分離した２つの導電性イオン流体貯留部を備え、導電性イオン流体は、粒子が貯留部間で通過可能な導管のみである小さなアパーチャを含む、実質的に電気絶縁性の障壁(barrier)によって相互に分離している。各貯留部に配置された電極は、電極間の電位差の印加によって、アパーチャを通じてイオン流を生成するための手段を提供する。
アパーチャの実効断面積は、アパーチャを横切るイオン流量(flux)を制限する。アパーチャの長さは、典型的には、アパーチャ直径の７０％〜１００％である。この構成を用いた粒子検知は、抵抗性パルス検知として知られた一般的な原理を利用することによって達成される（文献「Bayley et al., “Resistive Pulse SensingFrom Microbes to Molecules” Chem. Rev., 100, 2575-2594, 2000」を参照）。この原理によれば、アパーチャを通過するイオン流体中に浮遊した粒子の通過は、粒子がアパーチャ内部のイオンを変位させると、アパーチャの電気伝導度で抵抗性パルス信号を生じさせて、粒子がアパーチャを占拠している期間中は、測定した電流密度を減少させる。抵抗性パルス信号の大きさは、アパーチャ内部で粒子によって占拠される体積に比例することが、研究で明らかになった。
これらのデバイスでの下側サイズ検出限界は、粒子サイズが、アパーチャを通るイオン流の背景ノイズから区別できない抵抗性パルス信号を生成する場合に到達する。コールター型デバイスは、アパーチャ直径の２％〜６０％の範囲で粒子を検出することに制限され、アパーチャは特定の粒子サイズについて製造する必要がある。コールター型デバイスは、〜０．４マイクロメータから〜１．０ミリメータの範囲にある粒子を分析し、２０マイクロメータから２ミリメータのサイズ範囲にあるアパーチャを利用するという商業的有用性を見出した。
米国特許第４８５３６１８号は、コールター型粒子分析装置を開示しており、アパーチャは、アパーチャへの挿入体の正確に制御された自動挿入によって変化して、アパーチャへの実効断面積を低減している。
分子スケール粒子のコールター型分析は、生物学起源の分子スケールアパーチャを用いて達成されている。米国特許第５７９５７８２号および米国特許第６０１５７１４号は、迅速な核酸配列決定および分子特徴付けのために、α−溶血素アパーチャを利用する方法を開示する。有望な実験室証拠にも関わらず、蛋白質孔をベースとしたアパーチャは、これらの形成が確率論的な自己組織化プロセスに依存しているため、これらは製作が予測できず困難であり、そのため、構築するための蛋白質および挿入される生体膜は、機能上の寿命が短いという多くの不具合および制限がある。
固体状態のナノメータスケールのアパーチャは、直径１．５ナノメータで、集束イオンビームリソグラフによって窒化シリコン膜に製作され、ＤＮＡセンシング利用を示した（文献「Li et al., “Ion-beam Sculpting at Nanometre Length Scales” Nature, 412 166-169, 2001」を参照）。
米国特許第６４１３７９２号では、固体状態のナノメータスケールのアパーチャが開示され、超高速核酸配列決定方法についての利用が請求されている。米国特許第６７０６２０３号および米国公開第２００３／００８００４２号は、単一の小さなアパーチャを作成するように重なった、２つの摺動する固体状態の結晶またはセラミックの窓アパーチャを備えた、調整可能なナノ孔(nanopore)、ナノトーム(nanotome)およびナノピンセット(nanotweezer)を開示する。しかしながら、こうした固体状態のアパーチャは、構築するのが困難であり、小さな窓サイズに制約されている。
本発明の一態様によれば、粒子または放射線のための経路を提供する変形可能なアパーチャを含む変形可能な弾性材料と、変形可能な弾性材料を変形させて、変形可能なアパーチャによって提供された経路のパラメータの少なくとも１つを変化させるための調整手段と、変形可能な空洞によって提供された経路のパラメータの少なくとも１つを監視し、監視したパラメータを調整手段に提示するフィードバックを提供するための監視手段とを組み込んだ、粒子感受性または放射線感受性のデバイスが提供される。
本発明の他の態様によれば、粒子及び／又は電磁放射線の検出、測定または制御の方法であって、
粒子または放射線のための経路を規定する変形可能なアパーチャを含む変形可能な弾性材料を用意することと、
変形可能な空洞によって提供された経路のパラメータの少なくとも１つを監視し、監視したパラメータを提示するフィードバックを提供することと、
変形可能な弾性材料を変形させることによって、フィードバックに応じて変形可能なアパーチャを調整し、変形可能なアパーチャによって規定された経路のパラメータの少なくとも１つを変化させることと、
検出、測定または制御される粒子または放射線を、変形可能なアパーチャに入れることとを含む。
粒子または放射線のための経路を規定する変形可能なアパーチャを含む変形可能な弾性材料を用意することと、
変形可能な空洞によって提供された経路のパラメータの少なくとも１つを監視し、監視したパラメータを提示するフィードバックを提供することと、
変形可能な弾性材料を変形させることによって、フィードバックに応じて変形可能なアパーチャを調整し、変形可能なアパーチャによって規定された経路のパラメータの少なくとも１つを変化させることと、
検出、測定または制御される粒子または放射線を、変形可能なアパーチャに入れることとを含む。
本発明に係る物体の流量(flux)の検出及び／又は測定及び／又は制御のために用いられるデバイスおよび方法の動作の際、変形可能なアパーチャの調整の制御は、これには限定されないが、変形可能なアパーチャを横切る粒子の流量、変形可能なアパーチャを横切る原子粒子の流量、変形可能なアパーチャを横切る分子粒子の流量、変形可能なアパーチャを横切るイオン粒子の流量、変形可能なアパーチャを横切る溶液中のイオン粒子の流量、変形可能なアパーチャを横切る電流の流量、変形可能なアパーチャを横切るトンネル電流の流量、および変形可能なアパーチャを横切る電磁放射線の流量を含むグループから選択されるパラメータに基づいて実施できる。
変形可能なアパーチャが製作される変形可能な弾性材料の測定可能なパラメータは、これには限定されないが、静電容量、抵抗、導電率、不透明度、透明度、長さ、幅、高さ、体積、熱伝導率、および誘電性を含むグループから選択できる。
変形可能なアパーチャが調整される駆動機構に関連した測定可能なパラメータは、これには限定されないが、静電容量、導電率、アクチュエータ変位、アクチュエータ位置、ステップモータ位置、インダクタンス、モータコイルインダクタンス、抵抗、およびモータコイル抵抗を含むグループから選択できる。
本発明をより完全に理解するために、添付図面を例として参照する。
下記説明は、例として、変形可能な材料としてポリウレタンを利用した本発明の実施形態を参照している。しかしながら、本発明の他の実施形態での変形可能な材料として使用可能な他の材料は、これには限定されないが、天然ゴムと合成ゴム、弾性(elastomeric)材料、天然ポリマー、蛋白質、ポリペプチド、多糖類、プラスチック、ドープした導電プラスチック、炭化水素プラスチック、パーフルオロカーボンプラスチック、ラテックス材料、熱可塑性の変形可能な材料、熱可塑性のポリウレタン（エーテルおよびエステル）変形可能な材料、ポリプロピレン、ポリエチレン、環状オレフィンなどのオレフィンベースの変形可能な材料、スチレンベースの変形可能な材料、ポリアミドベースの変形可能な材料、ポリエステルベースの変形可能な材料、ニトリルベースの変形可能な材料、塩化エチレン共重合体の架橋結合した混合体、シリコーン変形可能材料、シリケート、シリコン、ドープしたシリコン、あるいは他の半導体ベースの材料、金属または金属合金を含む。変形可能な材料は、こうした材料の１つ又はそれ以上の組合せから作られる複合の変形可能な材料で定義することも可能である。
さらに、これには限定されないが、化学修飾または、変形可能なアパーチャへの物質の化学的もしくは物理的結合など、変形可能なアパーチャへの改質が可能であり、それを疎水性、超疎水性、親水性にしたり、特定の物理化学的性質または光学的、磁気的あるいは他の物理的性質を有するようにできる。適切な物質は、これには限定されないが、薬品、シラン誘導体、シリコーンを含む。表面改質はまた、表面パターニングによるアパーチャの変形可能な材料への物理的変更の形態でも可能であり、それを疎水性、超疎水性、親水性にしたり、特定の物理化学的性質を有するようにできる。
変形可能なアパーチャを含む変形可能な材料の表面電荷は、必要に応じて、変形可能な材料が支持されている流体のｐＨを調整することによって変化できる。
本発明の好ましい実施形態は、少なくとも１つの変形可能なアパーチャと、変形可能なアパーチャを通過する粒子を検出し、測定し、制御するための手段を備える。そのため、デバイスは、変形可能な材料における１つの場所から、変形可能な材料を通じて、変形可能な材料における他の場所へ連続した経路が延びている少なくとも１つの変形可能なアパーチャを含む変形可能な材料と、
変形可能な材料の変形を増加及び／又は減少させて、変形可能なアパーチャの幾何を変化させ、これにより変形可能なアパーチャの直径及び／又は経路長を増加及び／又は減少させたり、及び／又は変形可能なアパーチャの形状を変化させるための調整機構と、
変形可能なアパーチャのサイズ及び／又は幾何を、監視し、制御するためのフィードバック機構とを含む。
変形可能なアパーチャのサイズ及び／又は幾何を、監視し、制御するためのフィードバック機構とを含む。
変形可能なアパーチャは、任意の一般的な３次元幾何のものである。図１ａは、ほぼ規則的な略円形の幾何形状を有する、好ましい変形可能なアパーチャ断面１０２を備えた、シート状の変形可能な材料１０１を通る概略的な２次元断面である。図１ｂは、ほぼ規則的な略非円形（即ち、四角形）の幾何形状を有する、好ましい変形可能なアパーチャ断面１０３を備えた、シート状の変形可能な材料１０１を通る２次元断面を概略的に示す。図１ｃは、ほぼ不規則的な略非円形の幾何形状を有する、好ましい変形可能なアパーチャ断面１０４を備えた、シート状の変形可能な材料１０１を通る２次元断面を概略的に示す。図１ａ、図１ｂおよび図１ｃは、異なるアパーチャまたは同じアパーチャの異なる場所を通る断面を例として示している。
図２ａは、変形可能な材料２０２の中に製作された変形可能なアパーチャ２０１の好ましい例２００を概略的に示す。変形可能なアパーチャ２０１が製作されたバルク状の変形可能な材料２０２は、任意の一般的形状のものでよい。図２ａにおいて、たった１つの変形可能なアパーチャ２０１を含む立方体状の変形可能な材料２０２だけを概略的に表現している。
しかしながら、これは、バルク状の変形可能な材料の可能性ある形状または、シート状の変形可能な材料の中に設けられる変形可能なアパーチャの数を制限するものと解釈すべきでなく、シートは、ある範囲の異なる形状を有してもよく（シート形態において等しくなくてもよい）、任意の数のアパーチャをシート中に設けてもよいことは理解されよう。
バルク状の変形可能な材料２０２には、変形可能な材料の一方の面２０３から、変形可能な材料を通って、変形可能な材料の反対の面２０４へ延びる少なくとも１つの変形可能なアパーチャ２０１が製作されている。例２００において、１つの変形可能なアパーチャは、変形可能なアパーチャ２０１の軸に沿って実質的に対称である。
変形可能な材料２０２は、変形可能な材料２０２の境界２０５，２０６，２０７，２０８，２０９，２１０のうちの１つ又はそれ以上に沿って、変形可能な材料に機械的に作用することによって変形することができる。変形可能な材料２０２の機械的変形は、シート状の変形可能な材料２０２に対して垂直に延びる１つ又はそれ以上のマイクロメータねじゲージによって行うことができ、例えば、これには限定すべきでないが、張力、圧縮、ねじり、ひねり、曲げまたは歪みを、変形可能な材料２０２の境界２０５，２０６，２０７，２０８，２０９，２１０のうちの１つ又はそれ以上に印加する。
好ましい例２００において、変形可能なアパーチャ２０１は、任意の形状の変形可能な材料２０２の本体の中に製作されており、本体の３つの空間寸法のうちの１つ又はそれ以上は、１０ミリメータ未満、あるいは１００ミクロン未満、あるいは１０ミクロン未満、あるいは１００ナノメータ未満、あるいは１０ナノメータ未満、あるいは２ナノメータ未満である。
変形可能なアパーチャ２０１は、好ましくは、２ミリメータにほぼ接近したこれ未満の調整可能な直径、あるいは１００ミクロンにほぼ接近したこれ未満の調整可能な直径、あるいは１０ミクロンにほぼ接近したこれ未満の調整可能な直径、あるいは１００ナノメータにほぼ接近したこれ未満の調整可能な直径、あるいは１０ナノメータにほぼ接近したこれ未満の調整可能な直径、あるいは２ナノメータにほぼ接近したこれ未満の調整可能な直径を有する。
変形可能なアパーチャ２０１は、好ましくは、１０ミリメータ未満の経路長、あるいは５ミリメータ未満の経路長、あるいは２ミリメータ未満の経路長、あるいは１００ミクロン未満の経路長、あるいは１００ナノメータ未満の経路長、あるいは１０ナノメータ未満の経路長、あるいは２ナノメータ未満の経路長を有する。
図２ｂは、シート状の変形可能な材料２１３の中に形成された変形可能なアパーチャ２１２の他の例２１１を概略的に示し、これは、実質的に非対称で、上側表面２１５での大きい開口２１４から、変形可能な材料２１３の反対側の表面２１７でのより小さな開口２１６へテーパー状である。こうした変形可能な材料を通って変形可能な材料の片側へのテーパー形成は、０度（図２ａの例２００でのほぼ平行な側面を持つ）から８９．９９度（非平行な側面）の範囲の任意の角度のものとすることができる。
図２ｃは、シート状の変形可能な材料２２０の中に形成された変形可能なアパーチャ２１９の他の例２１８を概略的に示し、これは、２つの非対向表面の間で、一方の表面２２２での開口２２１から、変形可能な材料２２０の第２の非対向表面２２４での開口２２３へ延びている。
図２ｄは、シート状の変形可能な材料２２７の中に形成された変形可能なアパーチャ２２６の他の例２２５を概略的に示し、これは、一方の表面２２９での開口２２８から、変形可能な材料２２７の同一表面２２９での開口２３０へ延びている。
図２ｅは、他の例２３１を概略的に示し、ここでは、変形可能な材料２３３の内部で変形可能なアパーチャ２３２の経路が渦巻き状になっている。
図２ｆは、他の例２３４を概略的に示し、ここでは、変形可能な材料２３６の内部で変形可能なアパーチャ２３５の経路の直径が実質的に不規則である。
上記の例は、これらの範囲に限定するものでなく、本発明の実施形態において上記例の１つ又はそれ以上を組み合わせた変形可能なアパーチャの変形も使用可能であることは理解されよう。
図３ａと図３ｂは、本発明に係るデバイスの好ましい例３００を概略的に示し、ここでは、少なくとも１つの変形可能なアパーチャ３０２を含むシート状の変形可能な材料３０１が、機械３０３によって機械的に変形している。
図３ａはデバイスの断面図であり、図３ｂはデバイスの平面図であり、図３ａの断面は、図３ｂの破線３ａ−３ａに沿ったものである。
図３ａと図３ｂのデバイスは、上側表面３０４と下側表面３０５を有するシート状の変形可能な材料３０１を備える。図３ｂの平面図でよく見えるように、シート状の変形可能な材料３０１は、中央の変形可能なアパーチャ３０２が形成され、十字形の幾何形状をなし、十字形のシートの対向するエッジはクランプ３０６によって堅固に保持される。
変形可能な材料を保持するための他の可能性ある手段は、これには限定されないが、留め金(clasp)、つめ(claw)、つかみ(grip)または接着剤を含む。変形可能な材料はまた、材料内部に製作された取り付け機構を組み込んでもよい。好ましい実施形態は、これには限定されないが、取っ手(lug)、小穴(eyelet)またはフックを含む。
クランプ３０６は、変形可能な材料３０１を、機械３０３の筐体３０８に搭載された機械的アクチュエータ３０７に取り付ける。機械３０３の機械的アクチュエータ３０７は、変形可能な材料３０１の変形を変化させるように作用する。
これにより、機械３０３による変形可能な材料３０１の機械的変形は、変形可能なアパーチャ３０２を調整するように作用する。機械は、０〜５０ミリメータの範囲、または０〜１０ミリメータの範囲、または０〜１ミリメータの範囲、または０〜１００ミクロンの範囲、または０〜１ミクロンの範囲、または０〜１００ナノメータの範囲、または０〜１ナノメータの範囲で機械的変形を行うように適合可能である。
必要な変形の程度に応じて、調整機構は、これには限定されないが、機械的アクチュエータ、電磁アクチュエータ、静電アクチュエータ、圧電アクチュエータ、空気圧アクチュエータ、油圧アクチュエータ、熱機械アクチュエータ、遠心力アクチュエータ、重力アクチュエータ、および音響アクチュエータのうちの１つ又はそれ以上のグループから選択できる。
変形可能な材料は、材料内に製作された変形駆動機構を有してもよい。好ましい例は、れには限定されないが、熱応答性素子、磁気素子を含む。
図３ａの断面は、両矢印３１０で示すように、変形の１つの軸だけを示している。一方、図３ｂの断面は、両矢印３１０で示すように、十字形のシートの対向するエッジで印加される変形を調整することによって、変形可能な材料３０１の変形が２つの相互に直交した軸に沿って実施できる。アクチュエータ３０７の駆動により、変形可能な材料３０１の変形を調整することによって、変形可能なアパーチャ３０２の幾何形状を調整することが可能であることは理解されよう。
機械的アクチュエータ３０７は、変形可能な材料３０１の十字形の幾何形状の２つの軸に対してほぼ平等に変形を印加する動作モードで、ほぼ対称に作用することによって、変形可能な材料３０１に等方的に変形を印加することができ、これにより、変形可能なアパーチャ３０２を均等に開閉することによって、変形可能なアパーチャ３０２のサイズを変化させることができる。
代替として、機械的アクチュエータ３０７は、変形可能な材料３０１の十字形の幾何形状の２つの軸に対して不平等に変形を印加する動作モードで、非対称に作用することによって、変形可能な材料３０１に非等方的に変形を印加することができ、これにより、変形可能なアパーチャ３０２の形状及び／又はサイズを変化させることができる。
本発明に係るデバイスの他の実施形態（不図示）は、三角形のシート状の変形可能な材料を備え、三角形の３つのエッジに対して平等または不平等に変形が印加される。本発明に係るデバイスの他の実施形態（不図示）は、四角形のシート状の変形可能な材料を備え、四角形の１から４つのエッジに対して平等または不平等に変形が印加される。本発明に係るデバイスの他の実施形態（不図示）は、長円形のシート状の変形可能な材料を備え、長円形の円周に対して平等または不平等に変形が印加される。本発明に係るデバイスの他の実施形態（不図示）は、円形のシート状の変形可能な材料を備え、円形の円周に対して平等または不平等に変形が印加される。一般的な例（不図示）では、シート状の変形可能な材料は、ｎ個の辺の多角形とすることができ、多角形の１個からｎ個のエッジに対して平等または不平等に変形が印加される。
図４ａと図４ｂのデバイスは、図３ａのデバイスに全般に類似している、本発明に係る例示のデバイス４００の２つの断面図を概略的に示す。図４ａと図４ｂに示すように、デバイス４００は、中央の変形可能なアパーチャ４０２を組み込んで、上側表面４０４と下側表面４０５を有するシート状の変形可能な材料４０１を備えており、変形可能な材料４０１の対向するエッジは、機械４０３のクランプ４０６によって堅固に保持される。
クランプ４０６は、変形可能な材料４０１を、機械４０３の筐体４０８に搭載された機械的アクチュエータ４０７に取り付ける。機械的アクチュエータ４０７は、変形可能な材料の可変の変形を提供する。図４ａと図４ｂに示すように、変形可能なアパーチャ４０２は、図４ｂに示す調整位置と比べて図４ａに示す調整位置では狭くなり、図４ｂでは、機械的アクチュエータ４０７の作用に起因して、変形可能なアパーチャ４０２は、両矢印４１０で示す方向に開いている。
本発明の実施形態は、単一の変形可能なアパーチャを用いて、イオン溶液、例えば、例として後述するような塩化カリウム電解液に関連して、粒子の検知、計数、特徴付け、クランピング(clamping)、及び／又はゲーティング(gating)のための粒子感受性のデバイスを含む。
これは、感度のある単一チャネル記録測定、および一連の電気回路およびコンビュータによって制御される変形可能な材料の変形を調整するための正確な電気機械的な調整機構と組み合わせられた変形可能なアパーチャを横切る電位差の正確な制御を提供する。
イオン溶液は、これには限定されないが、流体、液体流体、純粋な組成の流体、材料の混合物である流体、水性流体、水、塩、無機塩、有機塩、電解液、化学酸、化学塩基、化学双性イオン、洗剤、緩衝液、蛋白質、アルコール、有機溶媒、および極性溶媒を備えたグループから選択される材料から調整された溶液を含む。
多くの粒子が電界中でそのまま電気活性を示すことにより、変形可能なアパーチャを通る粒子の通過方向およびレートが、変形可能なアパーチャを横切って印加された電位差の大きさおよび極性によって制御できる。イオン溶液中の電気活性は、各粒子の全体電荷によって付与され、電解液のｐＨによって変更できる。
こうして、変形可能なアパーチャを横切って適切な電位差を印加することによって、変形可能なアパーチャに対して所定のレートで、粒子の進入及び／又は横断及び／又は反転及び／又は退出を生じさせることが可能になる。
この例において、変形可能なアパーチャを通るイオン流量の監視は、確立した技術、即ち、単一チャネル記録（文献「Bayley et al., “Resistive Pulse SensingFrom Microbes to Molecules” Chem. Rev., 100, 2575-2594, 2000」を参照）に依拠している。変形可能なアパーチャを含む変形可能な材料を横切って電位差が立ち上がった場合、一様なイオン流が、変形可能な材料の一方の面から変形可能な材料の他方の面へ、変形可能なアパーチャを通過する。一様なイオン流は、従来の単一チャネル記録技術によって測定できる。
我々は、従来の単一チャネル記録技術によって測定されたように、変形可能なアパーチャの最小断面積は、変形可能なアパーチャを通過するイオン流量を部分的に制限して、その結果、変形可能なアパーチャの調整により、変形可能なアパーチャを通過するイオン流量に対する付随した調整が得られることを証明した。
図５は、本発明に係る例示のデバイス５００を概略的に示し、これは、機械５０３によって機械的に変形するように配置された中央の変形可能なアパーチャ５０２を含むシート状の変形可能な材料５０１を組み込んでいる。シート状の変形可能な材料５０１は、上側表面５０４と下側表面５０５を有する。シート状の変形可能な材料５０１の対向するエッジは、クランプ５０６によって堅固に保持される。
クランプ５０６は、変形可能な材料５０１を、機械５０３の筐体５０８に搭載された機械的アクチュエータ５０７に取り付ける。機械的アクチュエータ５０７は、変形可能な材料５０１の変形を変化させるように適合している。機械５０３による変形可能な材料５０１の機械的変形は、両矢印５１０で示すように、変形可能なアパーチャ５０２の可変調整を行う。
この配置は、ある体積のイオン流体５１２、好ましくは、塩化カリウムを含有する水溶液、を保持するための境界５１１からなる変形可能なアパーチャ５０２のサイズを監視するための機構と、電極５１３、好ましくは、流体体積内にある塩化銀、を含む。
電極５１３は、代替として、プラチナ、金、タングステン、または他の導電性または半導電性の物質で製作でき、単一チャネル記録装置５１５への電気コネクタ５１４によって、変形可能なアパーチャ５０２を通るイオン流を監視する能力を付与する。
単一チャネル記録装置５１５は、好ましくは、プログラム可能な論理デバイス５１６を介して、変形可能なアパーチャ５０２のサイズを調整するためのアクチュエータを制御するための機構５１７に接続される。
図５において、変形可能なアパーチャ５０２を通過し、イオン溶液５１２を通るイオン流源は、プログラム可能な論理デバイス５１６上で実行されるソフトウエアアルゴリズム（不図示）により単一チャネル記録装置５１５によって規定された、電極５１３を通じて変形可能なアパーチャ５０２を横切って印加される電圧源である。単一チャネル記録装置５１５内にある電流増幅器は、単一チャネル記録技術により、変形可能なアパーチャ５０２を通過するイオン流量を検出する。
単一チャネル記録技術によって、アパーチャを通るイオン流量の監視は、コールターカウンタの発明以来、広く用いられてきた安価で実現可能な方法である。最新の単一チャネル記録機器は、数マイクロ秒からミリ秒の範囲で発生する単一イオンの移動を検出し記録するのに充分な感度を有するものであり、アパーチャを含む変形可能な材料を横切って、約＋１０００ミリボルトから約−１０００ミリボルトの可変の電圧範囲を印加できる単一チャネル記録器と、極めて低ノイズの電流増幅器と、電流注入器と、データ取り込みソフトウエアおよび電子記録媒体（例えば、コンピュータディスク、磁気テープ）を用いて、デジタル電子コンピュータとインタフェイス接続可能なアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）とを備える。
これらの基準に合う設備は、例えば、アクソン・インストルメント社(Axon Instruments, Union City, California, USA)から（例えば、Axopatch 200B システム、pClamp 9.0 ソフトウエア）が容易に入手できる。
図５に示すように、上述した単一チャネル記録装置５１５、プログラム可能な論理デバイス５１６、アクチュエータ制御機構５１７を用いて、変形可能なアパーチャのサイズを制御するために、フィードバックループが確立される。
アクチュエータ制御機構５１７は、変形可能な材料５０１を機械５０３の筐体５０８に搭載されたアクチュエータ５０７に取り付けたクランプ５０６を通じて、変形可能なアパーチャ５０２の電気機械的な駆動により、変形可能な材料５０１を変形することによって、変形可能なアパーチャ５０２の変形を制御する。
機器は、１ナノメータ未満の横方向精度で０〜５０ミリメータの可変駆動範囲を印加できるものが必要とされ、これは、データ取り込みソフトウエアおよび電子記録媒体（例えば、コンピュータディスク、磁気テープ）を用いて、デジタル電子コンピュータとインタフェイス接続されたデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）を介して電子制御可能である。
これらの基準に合う設備は、例えば、フィジック・インストルメント社(Physik Instrumente, Karlsruhe, Germmany)から（例えば、M-168 High Resolution Stepper Mike Actuators, P-250.20 High Resolution PZT Micrometer Tip; C600 Motor Controller and PZT Drivers、特注ソフトウエア）が容易に入手できる。アパーチャの変形を調整するための調整機構は、コンピュータ制御可能であり、変形の程度はアルゴリズムによって規定することができる。
図６は、図５のデバイスの１つの例示的な動作モードを示すフローチャートである。
規定モード：所定のアルゴリズムに従って、変形可能なアパーチャの少なくとも１つのパラメータを設定することによって動作が行われる。変形可能なアパーチャに対する少なくとも１つの粒子の進入及び／又は横断及び／又は退出から生ずる少なくとも１つの測定パラメータの変化が記録され、解釈のために使用される。
変形可能なアパーチャを完全に横断する少なくとも１つの単一粒子の検知は、統計的に有意な期間または統計的に有意な粒子数が検出され、計数されて、単位体積当たりの粒子数を決定するまでは、少なくとも１つの単一粒子に関して単一の増加計数イベントを提供することは理解されよう。
終了条件も、時間ベースおよびイベントベースのデータ蓄積に関して用意される。図６において、「時間？」は、電流分析時間が、予め定めた分析期間を超えたかどうかをテストする論理条件を示す。図６において、「イベント？」は、数えた計数イベントの電流分析が、予め定めた検出すべき計数イベント数を超えたかどうかをテストする論理条件を示す。
図７は、図５のデバイスの他の例示的な動作モードを示すフローチャートである。
反応モード：変形可能なアパーチャの測定したパラメータのフィードバック信号を印加することによって動作が行われ、少なくとも１つの予め定めた設定点レベルからなる、所定のアルゴリズムに従って予め定めた設定点レベルに設定され、ここでは、変形可能なアパーチャのサイズ及び／又は幾何形状が、測定したパラメータのフィードバック信号に応答して、測定したパラメータの少なくとも１つの予め定めた設定点レベルを維持する。
変形可能なアパーチャのサイズ及び／又は幾何形状、及び／又は、変形可能なアパーチャ及び／又は変形可能なアパーチャを調整する駆動機構の他の測定可能なパラメータでの変化が記録され、解釈のために使用される。
変形可能なアパーチャを完全に横断する少なくとも１つの単一粒子の検知は、統計的に有意な期間または統計的に有意な粒子数が検出され、計数されて、単位体積当たりの粒子数を決定するまでは、少なくとも１つの単一粒子に関して単一の増加計数イベントを提供することは理解されよう。
終了条件も、時間ベースおよびイベントベースのデータ蓄積に関して用意される。図７において、「時間？」は、電流分析時間が、予め定めた分析期間を超えたかどうかをテストする論理条件を示す。図７において、「イベント？」は、数えた計数イベントの電流分析が、予め定めた検出すべき計数イベント数を超えたかどうかをテストする論理条件を示す。
本発明の変形可能なアパーチャは、変形可能な材料の変形を監視するための機構を含む。本発明のデバイスの１つの一般的な例において、変形可能な材料の変形を監視するための機構は、好ましくは、アクチュエータによる駆動の程度を監視する能力を含み、そして、好ましくは、変形可能な材料の変形を調整するための機構と連結して、変形可能な材料の変形を制御するためのフィードバックループを作成する。
フィードバックループは、これには限定されないが、アナログフィードバックループ、電子フィードバックループ、コンピュータ制御フィードバックループを含むグループから選択される。
本発明のデバイスの他の一般的な例において、変形可能な材料の変形を監視するための機構は、好ましくは、変形可能な材料の物理的性質、例えば、これには限定されないが、静電容量、抵抗、導電率、不透明度、透明度、長さ、幅、高さ、体積、熱伝導率、および誘電性を含むグループから選択されるものを監視する能力を含み、そして、好ましくは、変形可能な材料の変形を調整するための機構と連結して、変形可能な材料の変形を制御するためのフィードバックループを作成する。
フィードバックループは、これには限定されないが、アナログフィードバックループ、電子フィードバックループ、コンピュータ制御フィードバックループを含むグループから選択される。
本発明のデバイスの他の一般的な例において、変形可能な材料の変形を監視するための機構は、好ましくは、変形可能な材料の幾何形状を監視する能力を含む。
本発明の１つの特定の例において、変形可能なアパーチャの幾何形状を監視するための機構は、変形可能なアパーチャを通過する粒子及び／又は電磁放射線の流量を監視する能力を含み、好ましくは、変形可能なアパーチャのサイズを調整するための機構と連結して、変形可能なアパーチャのサイズを制御するためのフィードバックループを作成する。
フィードバックループは、これには限定されないが、アナログフィードバックループ、電子フィードバックループ、コンピュータ制御フィードバックループを含むグループから選択される。
少なくとも１つの予め定めた信号を調整機構に印加して、少なくとも１つの所定のタイプの変形を、変形可能なアパーチャへの変形を調整するための調整機構に適用することによって、変形可能なアパーチャは、少なくとも１つの予め定めた幾何形状に設定される。
調整機構に印加される予め定めた信号は、好ましくは、これには限定されないが、機構的デバイス、アナログ電子回路、デジタル電子回路、およびコンピュータ制御の回路を含むグループから選択される。
少なくとも１つの予め定めた期間中に、少なくとも１つの予め定めた信号を調整機構に印加して、少なくとも１つの所定のタイプの変形を、変形可能なアパーチャへの変形を調整するための調整機構に適用することによって、変形可能なアパーチャは、少なくとも１つの予め定めた期間中に、少なくとも１つの予め定めた幾何形状に設定される。
調整機構に印加される予め定めた信号は、好ましくは、これには限定されないが、機構的デバイス、アナログ電子回路、デジタル電子回路、およびコンピュータ制御の回路を含むグループから選択される。
変形可能なアパーチャを調整するための調整機構のサブナノメータの精度は、コンピュータ制御フィードバックループを介して単一チャネル記録器と連結しており、変形可能なアパーチャは、単一イオンの運動を制御、検出、記録できるように調整可能になる。
図８ａ、図８ｂ、図８ｃは、図５に示したデバイス５００と類似するデバイス８００の簡略した概略図を示す。
これらの図において、変形可能なアパーチャ８０１は、シート状の変形可能な材料８０２の内部に製作され、境界８１１は、ある量のイオン流体８１２、例えば、塩化カリウム水溶液を保持するために設けられ、そこには、例えば、塩化銀からなる電極８０５が位置している。
図５と比較すると、変形可能なアパーチャ８０１を通るイオン流を監視する能力は、プログラム可能な論理デバイス（不図示）を介して単一チャネル記録装置（不図示）および変形可能なアパーチャ８０１のサイズを調整するためのアクチュエータ（不図示）を制御するための機構と連結していることは理解されよう。
こうしてコンピュータ制御フィードバックループにより、変形可能なアパーチャ８０１は、変形可能なアパーチャ８０１のコンダクタンスに従って調整可能となり、変形の程度及び／又は変形可能なアパーチャ８０１のコンダクタンスが、特定のアルゴリズムによって規定可能になる。
塩化銀の電極８１３を介して印加される、変形可能なアパーチャ８０１を横切る電圧は、電気コネクタ（不図示）により単一チャネル記録装置（不図示）と接続され、続いて電気コネクタ（不図示）により塩化銀の電極８１３と接続されたプログラム可能な論理デバイス（不図示）のレベルで正確に制御可能であり、特定のイベントまたは刺激に反応して、あるいは少なくとも１つの予め定めたアルゴリズムに従って、設定及び／又は変化可能であることは理解されよう。
図８ａに示すようなデバイス８００は、変形可能なアパーチャを通る１つ又はそれ以上の粒子８２０の流量の検出及び／又は測定及び／又は制御に特に有用である。粒子８２０は、これには限定されないが、無機粒子、有機粒子、磁気粒子、シリカ粒子、セファロース(sepharose)粒子、スチレン粒子、金属粒子、コロイド粒子、分子と共役した粒子、生体分子と共役した粒子、免疫グロブリンと共役した粒子、核酸と共役した粒子、生体粒子、生体細胞、血液細胞、精子、卵母細胞、微生物細胞、バクテリア細胞、真菌細胞、ウイルス、細胞内のオルガネラ、ミトコンドリア、細胞核、葉緑体、リソソーム、リボソーム、原子粒子、イオン粒子、分子粒子を備えるグループから選択される。
一例において、粒子カウンタは、反応動作モードで動作するように設けられる。イオン電流は、少なくとも１つの予め定めた設定ポイントレベルからなる予め定めたアルゴリズムに従って塩化銀の電極８１３を介して印加された、変形可能なアパーチャ８０１を横切る電圧によって、変形可能なアパーチャ８０１を横切る予め定めた設定ポイントレベルに設定される。
印加された電圧は、電解液８１２を閉じ込める境界８１１の内部に電界を生じさせ、電界強度は、アパーチャ８０１を通じて集中する。粒子８２０は、電気泳動的に変形可能なアパーチャ８０１に入って、これを塞ぐようになる。こうしてアパーチャ８０１中の塩化カリウム電解液の体積を減少させて、測定イオン流の流速を制限する。このモードでは、測定イオン流のフィードバック信号を変化させることにより、変形可能なアパーチャ８０１のサイズ及び／又は幾何形状が反応して、イオン流の設定ポイントレベルを維持する。
粒子８２０が変形可能なアパーチャ８０１を出ると、アパーチャ８０１中の塩化カリウム電解液の体積が増加して、測定イオン流の流速が増加する。測定イオン流のフィードバック信号を変化させることにより、変形可能なアパーチャ８０１のサイズ及び／又は幾何形状が反応して、イオン流の設定ポイントレベルを維持する。変形可能なアパーチャ８０１のサイズ及び／又は幾何形状の変化は、記録され、単位体積当りの粒子数を決定するために計数される。
他の例において、粒子カウンタは、規定動作モードで動作するように設けられる。電圧が、塩化銀の電極８１３を通じて、適切なサイズ及び／又は幾何形状にプリセットされた変形可能なアパーチャ８０１を横切って印加される。粒子８２０が変形可能なアパーチャ８０１を塞ぐと、イオン流の信号に変化が生じて、変形可能なアパーチャ８０１内にある塩化カリウム電解液の体積を減少させる。これらの変化は直接に記録され、単位体積当りの粒子数を決定するために計数される。
図８ｂに示すようなデバイス８００は、変形可能なアパーチャを通る１つ又はそれ以上の粒子８２１の流量の検出及び／又は測定及び／又は制御に特に有用である。粒子８２１は、これには限定されないが、ポリマー、核酸およびその化学修飾、デオキシリボース核酸およびその化学修飾、リボース核酸およびその化学修飾、蛋白質ポリマーおよびその化学修飾、炭水化物ポリマーおよびその化学修飾、である粒子を備えるグループから選択される。
図８ｃに示すようなデバイス８００は、変形可能なアパーチャを通る１つ又はそれ以上の粒子８２２の流量の検出及び／又は測定及び／又は制御に特に有用である。粒子８２２は、これには限定されないが、核酸およびその化学修飾、デオキシリボース核酸およびその化学修飾、リボース核酸およびその化学修飾からなる粒子を備えるグループから選択される。
この例では、生体ポリマー、例えば、デオキシリボース核酸（ＤＮＡ）およびその化学修飾、リボース核酸（ＲＮＡ）およびその化学修飾などを特徴付けるための本デバイスの応用を参照しているが、他のポリマーも特徴付けが可能である。
この例は、特に、個々のポリマー分子の特徴付けによく適しており、同じ長さのヘテロポリマー、そして異質な分子混合の均質調製の特徴付けにもよく適しており、ポリマー長さ分布、ポリマーコピー数、ポリマー配列構造に関するポリマー混合物の特徴付けを導く。
本発明の一実施形態は、ＤＮＡ限定消化(digest)によって生成されたＤＮＡの長さ分布およびコピー数を決定するために提供される。ＤＮＡの長さ分布は、鎖当りのモノマーのサブユニットの数および鎖の全体数内でのこれらの分布に関連している。コピー数は、特定のＤＮＡ断片の絶対濃度に関連している。
ゲノム源から導出された精製ＤＮＡまたはクローンＤＮＡは、適切な制限エンドヌクレアーゼを用いて消化され得る。例えば、１００ナノグラムの精製ＤＮＡの消化は、１５０ミリモルのＮａＣｌ、６０ミリモルのトリス塩酸ｐＨ７．９、および５ユニットのＢａｍＨＩ制限エンドヌクレアーゼを含む２０マイクロリットルの緩衝液の中で行われる。
制限エンドヌクレアーゼの消化および熱不活化の後、マングビーン(mung-bean)ヌクレアーゼまたはクレノー(klenow)ＤＮＡポリメラーゼを用いた消化によって凝集性末端が除去されて、多重断片の凝集に関連した、長くなったブロッケード(blockade)イベントを排除する。
変形可能なアパーチャのサイズは、変形可能なアパーチャを変形させることによって、適切な断面積に調整可能であり、ＤＮＡ分析のための標準動作条件下で所定のイオン流量を達成できる（例えば、１モルのＫＣｌ、１０ミリモルのトリス塩酸ｐＨ８．０、１ミリモルのＥＤＴＡ、１２０ミリボルトのバイアス）。
変形可能なアパーチャは、既知の直線ＤＮＡ鎖、例えば、１〜４８キロベース(kilobase)などを用いて、予め較正可能である。そして、制限消化からの断片サイズは、直線転移(translocation)イベントに関する単一チャネル記録の検査により、分析可能である。
本発明の他の実施形態では、ＤＮＡ連結反応によって生成されるＤＮＡの長さ分布およびコピー数を決定するために提供される。ゲノムＤＮＡの制限酵素消化から導出される直線ＤＮＡ断片は、プラスミドベクターＤＮＡに連結反応可能である。
典型的には、５０ミリモルのトリス塩酸ｐＨ７．８、１０ミリモルのＭｇＣｌ２、１０ミリモルのジチオトレイトール、１ミリモルのアデノシン三リン酸、２５マイクログラム／ミリリットルのウシ血清アルブミン、１０ユニットのＴ４ＤＮＡリガーゼを含む緩衝液の中で、５０ナノグラムの脱リン酸化ベクターＤＮＡが１５０ナノグラムのインサートＤＮＡと連結反応可能である。
変形可能なアパーチャは、変形可能なアパーチャを変形させることによって、適切な断面積に調整可能であり、ＤＮＡ分析のための標準動作条件下で所定のイオン流量を達成できる（例えば、１モルのＫＣｌ、１０ミリモルのトリス塩酸ｐＨ８．０、１ミリモルのＥＤＴＡ、１２０ミリボルトのバイアス）。
変形可能なアパーチャは、既知の直線ＤＮＡ鎖、例えば、１〜４８キロベース(kilobase)などを用いて、予め較正可能である。そして、制限消化からの断片サイズは、直線転移イベントに関する単一チャネル記録の検査により、分析可能である。
環状二重鎖ＤＮＡは、２つの平行長さの二重鎖ＤＮＡの転移と等価なブロッケード(blockade)イベントを生成し、連結反応の環状化ＤＮＡ生成物は、ブロッケード(blockade)カレント(current)深さにより前駆直線二重鎖ＤＮＡおよびベクターと区別される。ブロッケードイベントの持続期間は、生成物のサイズを識別し、いずれのベクター環状化をベクター・インサート環状化から区別する。
他の例では、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）によって生成されるＤＮＡの長さ分布およびコピー数を決定するための方法が提供される。ポリメラーゼ連鎖反応は、標準的な条件、例えば、５０ミリモルのＫＣｌ、１０ミリモルのトリス塩酸ｐＨ８．３、ＭｇＣｌ２（１〜２．５ミリモル）、ｄＮＴＰ（２．５ミリモル）、フォワードプライマーおよびリバースプライマー ２．５マイクロモル、テンプレートＤＮＡ １００ナノグラム、Ｔａｑ ＤＮＡポリメラーゼ ０．２５ユニットで、実施できる。
サイクル中の各ステップ（変性、アニール、伸長(extension)）の時間および温度は、個々のプライマーセットに関して最適化できる。サイクルは、１〜１０サイクル、または１〜４０サイクルの範囲である。
変形可能なアパーチャのサイズは、変形可能なアパーチャを変形させることによって、適切な断面積に調整可能であり、ＤＮＡ分析のための標準動作条件下で所定のイオン流量を達成できる（例えば、１モルのＫＣｌ、１０ミリモルのトリス塩酸ｐＨ８．０、１ミリモルのＥＤＴＡ、１２０ミリボルトのバイアス）。
変形可能なアパーチャは、既知の直線ＤＮＡ鎖、例えば、１〜４８キロベース(kilobase)などを用いて、予め較正可能である。そして、制限消化からの断片サイズは、直線転移(translocation)イベントに関する単一チャネル記録の検査により、分析可能である。
ＰＣＲ反応生成物の生成物の特徴付けは、一本鎖プライマー（浅いブロッケードイベント）を二重鎖生成物から区別できる。プライマー二量体は、適正なＰＣＲ生成物よりほぼ小さく、単一チャネル記録測定によって区別可能である。テンプレートＤＮＡの転移は、豊富なＰＣＲ生成物に対して低いコピー数のため、稀である。
本発明のデバイスによって提供される検出感度は、生成物を検出するために、１０サイクルより少ないサイクルしか要しないため、上述した方法は、標準的なＰＣＲ技術に対して重要な利点を提供する。
こうした特徴付けは、これに限定されないが、ＤＮＡエキソヌクレアーゼ消化、逆転写酵素ポリメラーゼ連鎖反応、連鎖停止阻害剤を用いたＤＮＡポリメラーゼ（サンガー(Sanger)配列決定）、化学的消化（マクサム−ギルバート(Maxam-Gilbert)配列決定）などによって生成された核酸断片のＤＮＡ長さ分布およびコピー数を決定するためにも有用である。
該方法の速度および特徴付け可能な分子断片のサイズは、特に有利である。本発明のデバイスは、質量分析、ゲル電気泳動、またはクロマトグラフ法を利用する方法の場合のようなポリマー分離ではなく、個々のＤＮＡ分子についての直接的で高速な特徴付けに依存しているからである。
さらに、本発明の特徴付け方法は、直接的であり、クローンＤＮＡ分子だけでなく、生体組織から直接抽出されたＤＮＡ分子にも適用可能であるため、修飾されたＤＮＡ塩基、例えば、５−メチルシトシン（真核生物細胞タイプにおいて重要かつ規則的な役割を有する）など、の位置を決定することが可能であるという利点を提供する。
他の例では、ポリマー特徴付けは、ＤＮＡの長さ分布、コピー数、およびポリマー配列についての容易かつ実測な決定を提供する。ポリマー配列は、ポリマー鎖を備えた、特定の配列順序のモノマーサブユニット残基に関連している。ポリマーの長さ分布は、鎖当りのモノマーサブユニットの数および鎖の全体数内でのこれらの分布に関連している。コピー数は、特定のＤＮＡ断片の絶対濃度に関連している。
核酸、特に、ＤＮＡに関して、モノマーサブユニット残基は、モノヌクレオチドと称される４つの分子グループのセットを備える。より詳細には、４つのモノヌクレオチドは、デオキシグアノシン・モノヌクレオチド（Ｇ）、デオキシアデノシン・モノヌクレオチド（Ａ）、チミジン・モノヌクレオチド（Ｔ）、デオキシシチジン・モノヌクレオチド（Ｃ）と称される（文献「Alberts et al (1994) “Molecular Biology of the Cell”, Garland publishing, Inc., NY.」を参照）。
上述した、図６で示した規定動作モードにおいて、変形可能なアパーチャは、ＤＮＡ分子および米国特許第６０１５７１４号に開示されたような他のポリマーについての長さ分布及び／又はモノマーサブユニット配列を決定するための手段として機能するように調整可能である。
この方法では、転位するＤＮＡモノマーサブユニットの分子体積は、アパーチャのイオン流量を攪乱する。ＤＮＡモノマーサブユニットの分子体積は相違しており、アパーチャの固定した幾何形状内での連続した転位は、シーケンス依存の方法でアパーチャを塞ぐ。共転位(co-translocating)するイオンに起因した、アパーチャの測定イオン流量での付随した変化により、モノマーサブユニットの配列存在が、好ましくは、電子的手段によって記録可能になり、ＤＮＡの長さ分布、コピー数及び／又は配列構造の解釈に使用可能になる。
上述した、図７で示した反応動作モードでの他の例では、変形可能なアパーチャは、ＤＮＡ分子および他のポリマーについての長さ分布及び／又はモノマーサブユニット配列を決定するための手段として機能するように調整可能である。転位するＤＮＡモノマーサブユニットの配列存在および共転位(co-translocating)するイオンに起因した、アパーチャの測定イオン流量での付随した変化により、変形可能なアパーチャの幾何形状でのフィードバック駆動による変化が、好ましくは、電子的手段によって記録可能になり、ＤＮＡの長さ分布、コピー数及び／又は配列構造の解釈に使用可能になる。
ＤＮＡモノマー配列決定の他の例では、規定動作モードおよび反応動作モードが交替可能に使用できる。例えば、反応モードでは、アパーチャの測定イオン流量での付随した変化によるアパーチャ内でのＤＮＡポリマーの検出は、アパーチャ幾何の変形にとって適切な電子信号を、新しいイオン流量レベルに印加するために使用することができ、アパーチャを横切る際、ＤＮＡポリマーの固定(clamping)を行うことができる。
アパーチャ幾何の変形にとって適切な第２の電子信号を、新しいイオン流量レベルに印加することにより、固定されたＤＮＡポリマーの放出が可能になり、アパーチャを横切るようにできる。変形可能なアパーチャの変形は、正確に制御された敏感な方法で、ＤＮＡポリマーの固定およびその放出のために使用可能である。
さらに、アパーチャの正確な電気機械駆動と関連させて、変形可能なアパーチャを横切って印加される電位差の大きさおよび極性を正確に制御することによって、変形可能なアパーチャを介してＤＮＡポリマーの分流(shunting)および固定(clamping)のサイクルを促進する所定の信号を印加することが可能になる。
分流−固定サイクルの規模により、ＤＮＡポリマーを、変形可能なアパーチャを通じて一方向または反対方向へ徐々に移動させることが可能になる。イオンの付随した転位は、好ましくは電子的手段によって記録可能であって、解釈に使用可能な、イオン流量における検出可能な変化を生じさせる。
変形可能なアパーチャを通じてＤＮＡポリマーのラチェット送り(ratcheting)の固定成分を促進する信号は、変形可能なアパーチャの幾何形状を規定する同じ電気機械的な変形機構によって印加可能である。代替として、それは、アパーチャを直接的に変形させる、例えば、電気機械的手段など、あるいは、アパーチャを間接的に変形させる、例えば、音響的手段など、完全に分離した追加のアクチュエータによって印加可能である。
アパーチャ変形および変形可能なアパーチャを通じてＤＮＡポリマーのラチェット送りを促進する電位差の正確に組み合わせた信号は、変形可能なアパーチャを通して、０．３６〜０．７０ナノメータのＤＮＡ分子の横方向転位に対応した単一モノマーサブユニットと同程度に小さく増加するラチェット送りに設定可能である。
図９は、図８に概略的に示した本発明のデバイスの他の例示的動作モードを描いたフローチャートである。
図１０は、図８に概略的に示した本発明のデバイスの他の例示的動作モードを描いたフローチャートである。
この例では、生体ポリマー、例えば、デオキシリボース核酸（ＤＮＡ）およびその化学修飾、リボース核酸（ＲＮＡ）およびその化学修飾などを特徴付けるための本デバイスの応用を参照しているが、他のポリマーも特徴付けが可能である。
本発明のこの例は、特に、個々のポリマー分子の特徴付けによく適しており、同じ長さのヘテロポリマー、そして異質な分子混合の均質調製の特徴付けにもよく適しており、ポリマー長さ分布、ポリマーコピー数、ポリマー配列構造に関するポリマー混合物の特徴付けを導く。
ラチェット送り機構の正確な制御を用いて、核酸ポリマーについての増加する分流−固定が、特定の分子特性、例えば、モル体積（これは、４つのＤＮＡモノマーサブユニット残基ごとに異なる）などに対して調整可能である。
ラチェット送り機構の正確な制御を用いて、デオキシリボース核酸ポリマーについての増加する分流−固定が、モル体積に基づいてモノマーサブユニット残基をゲート制御するように調整可能である。
こうして、変形可能なアパーチャを通じてＤＮＡポリマーのラチェット送りを促進する組合せ信号は、最小のモノマーサブユニット（Ｃ）、最小の２つのモノマーサブユニット（Ｃ，Ｔ）、最小の３つのモノマーサブユニット（Ｃ，Ｔ，Ａ）または４つ全部のモノマーサブユニット（Ｃ，Ｔ，Ａ，Ｇ）を、増加のラチェット送りを行うように設定可能である。
ＤＮＡポリマー鎖での各モノマーサブユニットに関して、成功したラチェット送りイベントが生ずるまで、次第に増加する変形可能なアパーチャによる増加分流のサイクルは、連続した段階的な方法で各ＤＮＡモノマーサブユニットの識別を生じさせることになる。
他の変形では、高感度の単一チャネル記録技術と関連して、４つの単一核酸モノマーサブユニット残基のうち何れか１つだけ、変形可能なアパーチャを通じた一本鎖の核酸ポリマーの電圧駆動転位を可能にするのに充分な予め定めた幅および持続期間のパルスの印加は、単一モノマーサブユニットの存在を実証することができ、測定した単一チャネル記録での変化に基づいてモノマーサブユニットの識別を可能にする。
異なる振幅及び／又は持続期間の予め定めたパルスの連続した印加により、モノマーサブユニット残基のサブセットが識別可能になり、モノマーサブユニット残基の配列および長さに基づいて核酸ポリマーの更なる特徴付けを導くようになる。予め定めたパルスが、特定のジヌクレオチド結合が、変形可能なアパーチャを転位できるように構成可能であることも理解されよう。予め定めたパルスが、特定のトリヌクレオチド結合が、変形可能なアパーチャを転位できるように構成可能であることも理解されよう。予め定めたパルスが、特定のヌクレオチド・モチーフが、変形可能なアパーチャを転位できるように構成可能であることも理解されよう。
図１１は、ＤＮＡのヌクレオチド配列を決定するための図５のデバイスの他の例示的動作モードを描いたフローチャートである。
本発明の上記実施形態によれば、変形可能なアパーチャが製作される変形可能な材料の他の測定可能なパラメータ、例えば、これに限定されないが、静電容量、抵抗、導電率、不透明度、透明度、長さ、幅、高さ、体積、熱伝導率、および誘電性を含むグループから選択されるものが利用可能であり、あるいは、少なくとも１つの変形可能なアパーチャが調整される駆動機構に関連した測定可能なパラメータ、例えば、これに限定されないが、静電容量、抵抗、導電率、ステッパー位置、モータコイルインダクタンスを含むグループから選択されるものが、少なくとも１つの変形可能なアパーチャのサイズ及び／又は幾何形状での変化を監視する手段として使用可能であることは理解されよう。
少なくとも１つの閉塞粒子がアパーチャを横切る際、これらのパラメータの状態での変化は、少なくとも１つの閉塞粒子の検出及び／又は特徴付け及び／又は制御を行うために用いることができる。
図１２は、変形可能なアパーチャを変形可能な材料に製作するための配置の簡略化した概略図である。
変形可能なアパーチャは、上述したように、シート状の変形可能な材料の中に製作される。１つの好ましい例では、変形可能な材料はポリウレタンである。しかしながら、変形可能な材料は、これに限定されないが、天然ゴムと合成ゴム、天然ポリマー、蛋白質、ポリペプチド、多糖類、プラスチック、ドープした導電プラスチック、炭化水素プラスチック、パーフルオロカーボンプラスチック、ラテックス材料、熱可塑性の変形可能な材料、熱可塑性のポリウレタン（エーテルおよびエステル）変形可能な材料、ポリプロピレン、ポリエチレン、環状オレフィンなどのオレフィンベースの変形可能な材料、スチレンベースの変形可能な材料、ポリアミドベースの変形可能な材料、ポリエステルベースの変形可能な材料、ニトリルベースの変形可能な材料、塩化エチレン共重合体の架橋結合した混合体、シリコーン変形可能材料、シリケート、シリコン、ドープしたシリコン、あるいは他の半導体ベースの材料、金属または金属合金を含むグループから選択される他の何れの材料でもよい。変形可能な材料は、こうした材料の１つ又はそれ以上の組合せからなる複合の変形可能な材料で定義することも可能である。
さらに、変形可能なアパーチャへの改質は、変形可能なアパーチャの表面に化学的または物理的に結合した化学修飾の形態をとることができ、それを疎水性、超疎水性、親水性にしたり、特定の物理化学的性質を有するようにできる。適切な例は、これには限定されないが、薬品、シラン誘導体、シリコーンを含む。表面改質はまた、表面パターニングによるアパーチャの変形可能な材料への物理的変更の形態でも可能であり、それを疎水性、超疎水性、親水性にしたり、特定の物理化学的性質または光学的、磁気的あるいは他の物理的性質を有するようにできる。
変形可能なアパーチャを製作する方法の１つは、シート状の変形可能な材料を貫通させて、変形可能な材料の中に空所(vacancy)を形成することであり、連続した経路がシートの片側から変形可能な材料を通ってシートの反対側へ延びている。
図１２において、デバイス１２００は、機械１２０３によって機械的に変形するようにしたシート状の変形可能な材料１２０１を備える。変形可能な材料１２０１は、上側表面１２０４と下側表面１２０５を有する。変形可能な材料１２０１の対向するエッジは、クランプ１２０６によって堅固に保持される。クランプ１２０６は、変形可能な材料１２０１を、機械１２０３の筐体１２０８に搭載された機械的アクチュエータ１２０７に取り付ける。機械的アクチュエータ１２０７は、変形可能な材料１２０１の変形調整を提供する。機械１２０３は、両矢印１２１０で示すように、変形可能な材料１２０１を機械的に変形させる。
デバイスは、ある体積のイオン流体、好ましくは、塩化カリウムを含有する水溶液１２１２、を保持するための境界１２１１を含み、そこに、塩化銀の電極１２１３が位置している。
電気化学的にエッチングされたタングステン金属プローブ１２１８が、変形可能な材料１２０１の上方に位置決めされ、両矢印１２１９で示すように、位置決め可能な電気機械的アクチュエータ（不図示）を備える。
プローブ１２１８自体は、電極１２１３として機能する。電極１２１３は、電気コネクタ１２１４によって単一チャネル記録装置１２１５に接続されており、これは、プログラム可能な論理デバイス１２１６を介して、変形可能な材料１２０１のサイズおよびプローブ１２１８の位置を調整するためのアクチュエータを制御するための機構１２０７に連結される。
変形可能なアパーチャを形成する動作において、プローブ１２１８は、最初に、変形可能な材料１２０１の表面１２０４の上に位置決めされ、そして、変形可能な材料の表面１２０４を侵入し、変形可能な材料１２０１を通過し、変形可能な材料の反対面１２０５を出る。この動作手順に続いて、変形可能な材料１２０１からのプローブ１２１８の部分的または完全な引き上げが行われ、これにより、少なくとも１つのアパーチャ１２０２を変形可能な材料１２０１の中に作成する。
デバイス１２００は、変形可能なアパーチャ１２０２のサイズを監視するための機構を含み、プローブ１２１８は電極１２１３として機能し、塩化銀の電極１２１３は、単一チャネル記録装置１２１７に接続された電気コネクタ１２１４によって、変形可能なアパーチャ１２０２を通してイオン流を監視する能力を付与する。
記録装置１２１７は、プログラム可能な論理デバイスを介して、変形可能な材料１２０１を通るプローブ１２１０の侵入を調整するためのアクチュエータを制御する機構に連結される。
プローブ１２１８は、これに限定されないが、機械的アクチュエータ、電磁アクチュエータ、静電アクチュエータ、圧電アクチュエータを含むグループから選択されるアクチュエータによって位置決めされる。
プローブは、研削(grinding)および研磨プロセス、成型(molding)プロセス、押出プロセス、電気化学エッチングプロセス、またはリソグラフプロセスによって準備してもよい。プローブは、鋭いポイントを有するタイプのもの、または所定の形状を持つ切断ツール、または走査プローブ顕微鏡プローブ、または走査トンネル顕微鏡プローブ、または原子間力顕微鏡プローブでも構わない。
プローブは、変形可能な材料に関して加熱または冷却してもよく、変形可能な材料を通って押し込んでもよく、これにより変形可能な材料の組織を切断、分離または溶解したり、あるいは変形可能な材料を孔加工したり、アパーチャを作成するように回転したり移動してもよい。
プローブ１２１８による変形可能な材料の侵入の程度は、変形可能なアパーチャ１２０２を通して、プローブ１２１８と、プローブが変形可能な材料１２０１に入った側１２０４に対して変形可能な材料１２０１の反対側１２０５にあるイオン溶液１２１２の導電媒体との間で電流またはトンネル電流の測定によって決定できる。
好ましくは、調整機構は、変形可能なアパーチャのサイズを監視するための機構と連結しており、変形可能なアパーチャのサイズを制御するためのフィードバックループを作成している。フィードバックループは、これに限定されないが、アナログフィードバックループ、電子フィードバックループ、コンピュータ制御フィードバックループを含むグループから選択される。
単一チャネル記録技術によるアパーチャを通したイオン流量の監視は、コールターカウンタの発明以来、広く使用されている安価で実施可能な方法である。
最新の単一チャネル記録機器は、数マイクロ秒〜数ミリ秒の範囲で生ずる単一イオンの移動を検出し記録するのに充分な感度を有するものであり、アパーチャを含む変形可能な材料を横切って、約＋１０００ミリボルトから約−１０００ミリボルトの可変の電圧範囲を印加できる単一チャネル記録器と、極めて低ノイズの電流増幅器と、電流注入器と、データ取り込みソフトウエアおよび電子記録媒体（例えば、コンピュータディスク、磁気テープ）を用いて、デジタル電子コンピュータとインタフェイス接続可能なアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）とを備える。
これらの基準に合う設備は、例えば、アクソン・インストルメント社(Axon Instruments, Union City, California, USA)から（例えば、Axopatch 200B システム、pClamp 9.0 ソフトウエア）が容易に入手できる。
本例では、単一チャネル記録装置１２１５、プログラム可能な論理デバイス１２１６、アクチュエータ制御機構１２１７を用いて、変形可能なアパーチャのサイズを制御するために、フィードバックループが確立される。プローブ１２１８の侵入を調整するための調整機構は、コンピュータ制御可能であり、侵入の程度をアルゴリズムによって規定できる。
調整機構は、変形可能な材料１２０１を調整するために、筐体１２０８に搭載されたアクチュエータ１２０７に変形可能な材料１２０１を取り付けるクランプ１２０６を備え、プローブ１２１８の調整機構（不図示）は、変形可能なアパーチャ１２０２の形成前、形成中および形成後に、変形可能な材料１２０１のコンダクタンスを監視するための機構と電子的に連結している。
図１３は、シート状の変形可能な材料の中に変形可能なアパーチャを作成するため、図１２の１つの例示的動作モードを描いたフローチャートである。
変形可能な材料は、アパーチャの形成前、形成中および形成後に、変形してもよい。
変形可能な材料は、これには限定されないが、張力、圧縮、ねじり、ひねり、曲げまたは歪みを変形可能な材料に印加することを含むグループから選択された方法によって、変形可能な材料の機械的変形によって変形してもよい。
さらに、変形可能な材料は、変形可能な材料の加熱または冷却によって、変形してもよい。
さらに、変形可能な材料の侵入は、同時または順番に動作する１つ又はそれ以上のプローブによるものでもよい。
さらに、変形可能なアパーチャは、変形可能な材料の侵入によって変形可能な材料の中に形成してもよく、変形可能な材料の表面に向けられた粒子ビームまたは電磁放射線ビームが、変形可能な材料の表面を侵入し、変形可能な材料を通って、変形可能な材料の反対面から出るようにしてもよい。
粒子ビームは、これに限定されないが、原子、原子核、電子、イオン、分子、放射性崩壊物を含むグループから選択される粒子を含んでもよい。電磁放射線ビームは、これに限定されないが、光子、コヒーレント光、レーザ光を含むグループから選択される電磁放射線を含んでもよい。
粒子ビームまたは電磁放射線ビームは、光学的、磁気的または電磁的なレンズおよび物理窓によって集束された粒子ビームまたは電磁放射線ビームを含んでもよい。アパーチャのサイズは、粒子ビーム源に対して変形可能な材料の反対側に配置された適切な粒子カウンタを用いて、アパーチャを通して粒子ビーム流量を測定することによって監視できる。
好ましくは、粒子ビームまたは電磁放射線ビームを制御するための手段は、変形可能なアパーチャのサイズを監視するための機構と連結しており、変形可能なアパーチャのサイズを制御するためのフィードバックループを作成している。フィードバックループは、これに限定されないが、アナログフィードバックループ、電子フィードバックループ、コンピュータ制御フィードバックループを含むグループから選択される。
代替として、変形可能なアパーチャは、変形可能な材料の表面に向けられた少なくとも１つの衝撃的(ballistic)な粒子による変形可能な材料の侵入により、変形可能な材料の表面に侵入し、変形可能な材料を通過し、変形可能な材料の反対側を出るようにして、形成してもよい。
さらに、変形可能なアパーチャは、変形可能な材料の電気化学エッチングによって形成または改質してもよい。
さらに、変形可能なアパーチャは、変形可能な材料を機械的に破砕(fracturing)することによって、変形可能な材料の中に形成してもよい。一例では、変形可能な材料は、固体の非変形材料にまで冷却されて、そして、破砕する。
さらに、変形可能なアパーチャは、例えば、これに限定されないが、重合、成型(molding)、鋳造(casting)、射出成形、圧縮成形、真空蒸発、電気化学析出、界面での形成、変形可能な材料のエンボス加工による製作など、１つ又はそれ以上のプロセスを含む変形可能な材料の製造中に、変形可能な材料の中に形成してもよい。
アパーチャを用いて異質粒子のサイズ分布のサンプルを分析した場合、アパーチャ内で障害物が発生して、アパーチャの更なる使用のために障害物を除去する必要があることは普通のことである。変形可能なアパーチャの調整により障害物を除去して、変形可能なアパーチャの障害物清掃を提供することは好都合である。これは、障害物の存在を検出し、次に、変形可能なアパーチャのサイズ及び／又は幾何形状を調整し、必要に応じて、変形可能なアパーチャを通るイオン流の大きさおよび極性を調整して、障害物を除去することによって行うことができる。
上述した本発明の実施形態は、多くの重要な利点を有する。これらは、安価な材料から容易に製作され、コストを低減する。変形可能なアパーチャは、製作後、適切な幾何形状に調整可能である。アパーチャ幾何形状を調整する能力は、異なるサイズの複数の粒子を弁別することを可能にする。幾何形状を調整することによって、障害物を除去することができ、頻繁でコストがかかる装置の分解の必要性を緩和できる。
さらに、上述した実施形態は、新しい動作モードを提供するものであり、特に小型化によく適している。他の利点は、本明細書を読めば明らかとなろう。
上述したような変形可能なアパーチャは、粒子の検出、測定および制御及び／又は電磁放射線の検出、測定および制御を含む複数の応用での有用性を見い出すことが予想される。
Claims (33)
- 粒子または放射線のための経路を提供する変形可能なアパーチャを含む変形可能な弾性材料と、変形可能な弾性材料を変形させて、変形可能なアパーチャによって提供された経路のパラメータの少なくとも１つを変化させるための調整手段と、変形可能な空洞によって提供された経路のパラメータの少なくとも１つを監視し、監視したパラメータを調整手段に提示するフィードバックを提供するための監視手段とを組み込んだ、粒子感受性または放射線感受性のデバイス。
- 調整手段は、変形可能なアパーチャの幾何形状及び／又はサイズを変化させて、変形可能なアパーチャの直径及び／又は経路長を、増加及び／又は減少させるようにした請求項１記載のデバイス。
- 変形可能なアパーチャは、３ｍｍ２未満の最小断面積を有する請求項１または２記載のデバイス。
- 粒子を計数するための粒子カウンタである請求項１〜３のいずれかに記載のデバイス。
- 粒子の構造を特徴付けるための粒子キャラクタライザである請求項１〜３のいずれかに記載のデバイス。
- 粒子への変形可能なアパーチャの閉鎖により、粒子を保持するための粒子クランプである請求項１〜３のいずれかに記載のデバイス。
- 粒子経路を横切る粒子の流量を制御するための粒子ゲートである請求項１〜３のいずれかに記載のデバイス。
- 変形可能なアパーチャは、無機粒子、有機粒子、磁気粒子、シリカ粒子、セファロース粒子、スチレン粒子、金属粒子、コロイド粒子、分子と共役した粒子、生体分子と共役した粒子、免疫グロブリンと共役した粒子、核酸と共役した粒子、生体粒子、生体細胞、血液細胞、精子、卵母細胞、微生物細胞、バクテリア細胞、真菌細胞、ウイルス、細胞内のオルガネラ、ミトコンドリア、細胞核、葉緑体、リソソーム、リボソーム、原子粒子、イオン粒子、分子粒子、そして、ポリマー、核酸およびその化学修飾、デオキシリボース核酸およびその化学修飾、リボース核酸およびその化学修飾、蛋白質ポリマーおよびその化学修飾、炭水化物ポリマーおよびその化学修飾である粒子を備えるグループから選択される粒子とともに使用するようにした請求項１〜７のいずれかに記載のデバイス。
- 粒子及び／又は電磁放射線の検出、測定または制御の方法であって、
粒子または放射線のための経路を規定する変形可能なアパーチャを含む変形可能な弾性材料を用意することと、
変形可能な空洞によって提供された経路のパラメータの少なくとも１つを監視し、監視したパラメータを提示するフィードバックを提供することと、
変形可能な弾性材料を変形させることによって、フィードバックに応じて変形可能なアパーチャを調整し、変形可能なアパーチャによって規定された経路のパラメータの少なくとも１つを変化させることと、
検出、測定または制御される粒子または放射線を、変形可能なアパーチャに入れることとを含む方法。 - 変形可能なアパーチャの幾何形状及び／又はサイズを監視して、こうした監視に応じて、変形可能なアパーチャの幾何形状及び／又はサイズの調整を制御するステップをさらに含む請求項９記載の方法。
- 粒子または放射線を変形可能なアパーチャに入れるステップは、ブラウン運動、拡散、空気圧、油圧、浸透圧、電気浸透、電気泳動または電界誘導、磁界誘導、重力、強い核力、弱い核力または放射性崩壊を利用するようにした請求項９または１０記載の方法。
- 粒子を計数するために、変形可能なアパーチャに入る各粒子が検出され、検出した粒子数についての増加する計数が維持されるようにした請求項９、１０または１１記載の方法。
- 粒子を特徴付けるために、粒子が変形可能なアパーチャを横切るのに要する時間、及び／又は粒子の検知での変化、及び／又は変形可能な弾性材料及び／又は変形可能なアパーチャの測定したパラメータでの変化は、粒子の構造に関する情報を提供するものである請求項９、１０または１１記載の方法。
- 粒子を固定するために、粒子は、変形可能なアパーチャの幾何形状及び／又はサイズでの変化に応じて、粒子への変形可能なアパーチャの閉鎖によって固定されるようにした請求項９、１０または１１記載の方法。
- 粒子をゲート制御するために、変形可能なアパーチャの幾何形状を調整することによって、粒子の流量が変化するようにした請求項９、１０または１１記載の方法。
- 変形可能なアパーチャの調整は、予め定めたアルゴリズムに従って予め定めた設定ポイントに設定された、変形可能なアパーチャの監視パラメータを提示する制御信号を印加して、監視パラメータを予め定めた設定ポイントに維持するように制御されるようにした請求項９〜１５のいずれかに記載の方法。
- 変形可能なアパーチャの調整は、予め定めたアルゴリズムに従って、変形可能なアパーチャの少なくとも１つのパラメータを設定することによって制御されるようにした請求項９〜１５のいずれかに記載の方法。
- 変形可能なアパーチャの調整は、変形可能なアパーチャを横切る粒子の流量、変形可能なアパーチャを横切る溶液中のイオン粒子の流量、変形可能なアパーチャを横切る電流量、変形可能なアパーチャを横切るトンネル電流量、または変形可能なアパーチャを横切る電磁放射線の流量に従って制御されるようにした請求項９〜１７のいずれかに記載の方法。
- 粒子は、変形可能なアパーチャを連続的に通過するイオン溶液の中にあり、粒子は、変形可能なアパーチャを通るイオン流の流れを妨げて、粒子の通過を検知、監視または制御するためにイオン流が監視されるようにした請求項９〜１８のいずれかに記載の方法。
- 変形可能なアパーチャを通る粒子の通過の方向およびレートは、変形可能なアパーチャを横切って印加される電位差によって制御されるようにした請求項９〜１８のいずれかに記載の方法。
- 変形可能なアパーチャを、所望の幾何形状及び／又はサイズに調整することと、
所望の大きさおよび極性のイオン流を、変形可能なアパーチャを通じて確立することと、
監視するイオン流での変化を用いて、変形可能なアパーチャを横切る粒子の存在を検出することとを含む請求項９〜２０のいずれかに記載の方法。 - 変形可能なアパーチャを、所望の初期の幾何形状及び／又はサイズに調整することと、
設定ポイントのイオン流を、変形可能なアパーチャを通じて確立することと、
変形可能なアパーチャが、粒子によって部分的または完全に塞がったとき、監視するイオン流に応じて、変形可能なアパーチャを調整することと、
変形可能なアパーチャの幾何形状及び／又はサイズでの変化を監視することによって、変形可能なアパーチャを横切る粒子の存在を検出することとを含む請求項９〜２０のいずれかに記載の方法。 - 粒子を特徴付けるために、変形可能なアパーチャを、所望の幾何形状及び／又はサイズに調整することと、
所望の大きさおよび極性のイオン流を、変形可能なアパーチャを通じて確立することと、
監視するイオン流での変化を用いて、変形可能なアパーチャを横切る粒子を特徴付けることとを含む請求項９〜２０のいずれかに記載の方法。 - 粒子を特徴付けるために、変形可能なアパーチャを、所望の初期の幾何形状及び／又はサイズに調整することと、
所望の大きさおよび極性の設定ポイントのイオン流を、変形可能なアパーチャを通じて確立することと、
変形可能なアパーチャが、粒子によって部分的または完全に塞がったとき、変形可能なアパーチャの幾何形状及び／又はサイズを調整して、監視するイオン流を、所望の設定ポイントの流れに維持することと、
変形可能なアパーチャの幾何形状及び／又はサイズでの変化を監視することによって、変形可能なアパーチャを横切る粒子を特徴付けることとを含む請求項９〜２０のいずれかに記載の方法。 - 粒子を固定するために、変形可能なアパーチャを、所望の初期の幾何形状及び／又はサイズに調整することと、
所望の大きさおよび極性のイオン流を、変形可能なアパーチャを通じて確立することと、
イオン流での変化を用いて、変形可能なアパーチャを横切る粒子の存在を検出することと、
変形可能なアパーチャの幾何形状及び／又はサイズ、及び／又は変形可能なアパーチャを通るイオン流の大きさおよび極性を調整して、粒子への変形可能なアパーチャの閉鎖を行って、粒子を固定することとを含む請求項９〜２０のいずれかに記載の方法。 - 粒子を固定するために、変形可能なアパーチャを、所望の初期の幾何形状及び／又はサイズに調整することと、
所望の大きさおよび極性のイオン流を、変形可能なアパーチャを通じて確立することと、
イオン流での変化を用いて、変形可能なアパーチャを横切る粒子の存在を検出することと、
変形可能なアパーチャが、粒子によって部分的または完全に塞がったとき、変形可能なアパーチャの幾何形状及び／又はサイズを調整して、監視するイオン流を所望の設定ポイントの流れに維持することと、
変形可能なアパーチャの幾何形状及び／又はサイズ、及び／又は変形可能なアパーチャを通るイオン流の大きさおよび極性を調整して、粒子への変形可能なアパーチャの閉鎖を行って、粒子を固定することとを含む請求項９〜２０のいずれかに記載の方法。 - 粒子の流量を変化させるために、変形可能なアパーチャを、所望の初期の幾何形状及び／又はサイズに調整することと、
所望の大きさおよび極性のイオン流を、変形可能なアパーチャを通じて確立することと、
イオン流での変化を用いて、変形可能なアパーチャを横切る粒子の存在を検出することと、
変形可能なアパーチャの幾何形状及び／又はサイズ、及び／又は変形可能なアパーチャを通るイオン流の大きさおよび極性を調整して、変形可能なアパーチャを通る粒子の流量を制御することとを含む請求項９〜２０のいずれかに記載の方法。 - 粒子の流量を変化させるために、変形可能なアパーチャを、所望の初期の幾何形状及び／又はサイズに調整することと、
所望の大きさおよび極性のイオン流を、変形可能なアパーチャを通じて確立することと、
イオン流での変化を用いて、変形可能なアパーチャを横切る粒子の存在を検出することと、
変形可能なアパーチャが、粒子によって部分的または完全に塞がったとき、変形可能なアパーチャの幾何形状及び／又はサイズを調整して、監視するイオン流を所望の設定ポイントの流れに維持することと、
変形可能なアパーチャの幾何形状及び／又はサイズ、及び／又は変形可能なアパーチャを通るイオン流の大きさおよび極性を調整して、変形可能なアパーチャを通る粒子の流量を制御することとを含む請求項９〜２０のいずれかに記載の方法。 - 変形可能な弾性材料中に、変形可能なアパーチャを製作する方法であって、
変形可能な弾性材料に侵入して、変形可能な弾性材料の中にアパーチャを形成し、連続した経路が変形可能な弾性材料の一方の面から変形可能な弾性材料の他方の面へ延びるようにし、
変形可能な弾性材料は、変形可能な弾性材料に対して等方性または異方性の形態で変形を印加する変形機構によって、変形可能なアパーチャの製造前または製造中に故意に変形されるようにした方法。 - 変形機構は、変形可能な弾性材料の一部を固定するためのクランプ配置を備え、
クランプ配置は、好ましくは、変形可能な弾性材料の侵入の際、変形可能な弾性材料の固定部分に印加されたクランプ力を横外側へ変化させるように、調整可能である請求項２９記載の方法。 - 変形可能な弾性材料は、プローブによって侵入され、プローブは、変形可能な弾性材料を通過し、必要に応じて、変形可能な弾性材料の他方の面から出て、続いて、変形可能な弾性材料からのプローブの部分的または完全な引き上げが行われるようにした請求項２９または３０記載の方法。
- プローブによる変形可能な弾性材料の侵入の程度を監視し、こうした監視に応じて、プローブによる変形可能な弾性材料の侵入の程度の調整を制御するステップをさらに含む請求項３１記載の方法。
- 変形可能な弾性材料中に、変形可能なアパーチャを製作する装置であって、
変形可能な弾性材料に侵入して、変形可能な弾性材料の中にアパーチャを形成し、連続した経路が変形可能な弾性材料の一方の面から変形可能な弾性材料の他方の面へ延びるようにするための侵入装置と、
変形可能な弾性材料に対して等方性または異方性の形態で変形を印加し、変形可能なアパーチャの製造前または製造中に、変形可能な弾性材料を故意に変形するための変形機構とを備える装置。
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