JP6505092B2 - ナノポア構造体内に複数の単一分子レセプタを作製する方法、およびナノポア構造体 - Google Patents

Description

本発明はナノポアに関し、特に、表面が機能化されたナノポアおよび機能化されたナノチャネルに関する。特に、本発明は空間的に隔てられた機能性検知要素を含むナノ流体センサに関する。

分子寸法の固体ナノポアおよびナノチャネルは、例えばデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、タンパク質、および他の生体分子などの分析物の化学的性質に関する情報を提供しうる。固体ナノポアデバイスは、二つの塩溶液を隔てる少なくとも単一の開口すなわち「ナノポア」を有する多層基板を含みうる。ナノポアデバイスの特定の寸法および組成は、所望の応用例に合わせて調整される。

動作時には、電圧を印加することによりナノポアを横断して電位差が生成され、ナノポアを通過するイオン電流が計測される。その後、ナノポアを分析物が通過することにより、計測される開放電流レベルの減少が引き起こされる。検出された減少またはイオン電流の低下は分析物の単一分子によるナノポアの通過を示し、これを転移事象とも呼称することができる。

転移データは、単一分子レベルでポアを横断する分析物についての特性を明らかにしうる。ナノポアまたはナノチャネル内の一つ以上のレセプタ部位に対する分析物の結合等の間接的計測技術は、多くの小さな化学化合物および生化学化合物の化学的性質および生物学的性質についての貴重な情報を提供しうる。

ナノポア構造体内に複数の単一分子レセプタを作製する方法、および複数の単一分子レセプタを含むナノポア構造体を提供する。

一実施形態によれば、ナノポア構造体内に複数の単一分子レセプタを作製する方法は、物理蒸着法（ＰＶＤ）技術によって第一材料および第二材料をナノチャネルの異なる選択された内側表面上へ堆積させ、第一材料、第二材料、または第一および第二材料の両方の表面を、少なくとも二つの官能基を有する化学化合物で機能化するステップを含む。第一および第二材料は同じでも異なってもよく、第一および第二材料は、約１〜約１００ナノメートル（ｎｍ）の直径を有するパッチを形成する。

別の実施形態では、ナノポア構造体内に複数の単一分子レセプタを作製する方法は、ナノポア構造体内のナノチャネルの選択された内側表面上へビームを配置するためにビームに対して第一角度でナノポア構造体を傾けるステップであって、ビームは、ＰＶＤ技術により材料を堆積させるために動作する、ステップと；ナノチャネルの選択された内側表面上へ第一材料を堆積させるためにビームを操作するステップと；ビームに対して第二角度を形成するためにナノポアを再度傾けるステップと；ナノチャネルの別の選択された内側表面上へ第二材料を堆積させて第二パッチを形成するためにビームを操作するステップと；第一パッチ、第二パッチ、または第一および第二パッチの両方の表面を機能化するステップとを含む。第一および第二材料は同じでも異なってもよく、第一材料は、約３〜約１０，０００ｎｍの表面積を有する第一パッチを形成する。

さらに別の実施形態では、複数の単一分子レセプタを含むナノポア構造体は、第一表面と反対側の第二表面とを有する基板と；第一表面から反対側の第二表面まで伸び、内側表面を画成するナノチャネルと；ナノチャネルの内側表面の選択されたエリア上へ配設される第一材料であって、約３〜約１０，０００ｎｍ^２の表面積を有する第一パッチを形成する第一材料と；ナノチャネルの内側表面の異なる選択されたエリア上へ配設される第二材料であって、第二材料は、約３〜約１０，０００ｎｍ^２の表面積を有する第二パッチを形成し、第一材料と第二材料とは同じであるかまたは異なっている、第二材料と；第一および第二材料のうちの少なくとも一つの上へ配設された分析物結合機能性を有する化学化合物とを含む。

本発明の技術を通じて、追加の特徴および利点が実現される。本発明の他の実施形態および態様が本明細書に詳述され、請求された本発明の一部と考えられる。本発明とその利点および特徴についてのより良い理解のために、説明および図面を参照されたい。

本発明とみなされる内容は、明細書の結論部の特許請求の範囲において特に指摘し、明確に請求する。本発明の以上および他の特徴、ならびに利点は、添付の図面に関連して以下の詳細な説明を理解することで明らかになる。

ナノポア構造体内に単一分子レセプタを作製する方法の例示的実施形態を示したブロックダイヤグラムである。 ナノポア構造体内に単一分子レセプタを作製する方法の例示的実施形態を示した部分切り取り側面図である。 図２のナノポア構造体内の単一分子レセプタの例示的実施形態を示した部分切り取り側面図である。 ナノポア構造体内に単一分子レセプタを作製する方法の例示的実施形態を示したブロックダイヤグラムである。 図５Ａ〜Ｈは、ナノポア構造体内の単一分子レセプタの様々な可能な組み合わせの例示的実施形態を示した部分切り取り側面図である。 ナノポア構造体内に複数の単一分子レセプタを作製する方法の例示的実施形態を示したブロックダイヤグラムである。 ナノポア構造体内に複数の単一分子レセプタを作製する方法の例示的実施形態を示したブロックダイヤグラムである。 一つまたは複数の単一分子レセプタを有するナノポア構造体を使用する方法の例示的実施形態を示した部分切り取り側面図である。

ナノポアまたはナノチャネル内に単一分子レセプタを作製する方法を、本明細書に開示される。二つのイオン溶液を隔てるナノポアまたはナノチャネルに電圧を印加すると、分析物の単一分子の転移もしくは結合またはその両方によってイオン電流の計測可能な変化が引き起こされる。したがって、ナノポア内のレセプタへのタンパク質または小さな生化学化合物等の分析物の単一分子の制御された転移もしくは可逆的結合またはその両方により、分析物の物理的特性もしくは化学的特性またはその両方を明らかにすることができる。

ナノポア構造体内に制御された数の埋設された単一結合部位を提供することにより、複数の無制御の結合事象が生じうるシステムと比較して実質的に高い信頼性が提供される。複数の無制御の結合事象の可能性は、データおよび後の解釈の複雑化につながる。それに対して、本開示の方法は、単一の結合事象または制御された限定数の結合事象を分析する手段を提供し、データ分析の信頼性だけでなく容易性を高める。

さらに、本開示の方法およびナノポア構造体は、単一分子結合部位に対する結合が生じるものと結合が生じないものという二つの異なる転移シナリオだけを提供する。このようなシナリオも、データ解釈の容易性を可能にする。

加えて、ナノポアに限定および制御された数の戦略的に置かれた複数の結合部位を作り出す能力によって、貴重な対照実験として使用できる複数の結合部位でのデータ収集および解釈が可能になる。特に、これらの対照を用いて、未知数の結合部位でのナノポアデータを解釈することができる。

ナノチャネル内に制御された数の単一分子結合部位を有するナノポア構造体は、単純化された電流プロファイルを提供する。したがって、結果データがより確実かつ容易に解釈される。さらに、一つのナノポア構造体またはデバイス内の異なる単一分子結合部位によって、一回の計測でのいくつかの分析物の検知および検出が可能になる。

本明細書で使用されるところの「分析物」という用語は、分析対象のまたは検出しようとしている化合物、分子、物質、または化学的構成成分を指す。本開示が特定の分析物に限定されることは意図していない。代表的な分析物には、イオン、糖類、タンパク質、核酸、および核酸配列が含まれる。

本明細書で使用されるところの「単一分子レセプタ」という用語は、目的成分すなわち分析物の単一分子が結合または物理的に相互作用する構造体を指す。本明細書に開示される単一分子レセプタは、ナノポア構造体またはナノチャネルの内側表面上へ堆積される機能化された材料を含む。材料が、ナノメートル寸法のサイズを有する薄膜またはパッチを形成し、機能化された材料は、分析物と物理的に相互作用または結合する官能基すなわち分析物結合基を含む。

本明細書で使用されるところの「ナノポア」および「ナノポア構造体」という用語は、固体基板と基板を通る「ナノチャネル」すなわちナノスケールの通路とを有し、ナノチャネルをイオン電流が流れることができる構造体を指す。ナノポアまたはナノチャネルの内径は、使用意図に応じて大きく変動しうる。

本明細書で使用されるところの「物理蒸着法」、「ＰＶＤ」などの用語は、表面上への材料の薄膜またはコーティングの堆積のための方法を指す。これらの方法は一般に、蒸発させた形の材料の表面上への凝結を含む。ＰＶＤ技術の非限定的な例には、パルスレーザアブレーション、スパッタリング、電子ビーム蒸着、パルス電子蒸着、またはその任意の組み合わせが含まれる。本明細書で使用されるところの「物理蒸着ビーム」、「ＰＶＤビーム」、または「ビーム」という用語は、ＰＶＤ法で使用されるイオンビームまたは電子ビームを指す。

本明細書で使用されるところの「官能基」という用語は、原子、原子の組み合わせ、化学基、生化学基、生化学分子、またはその任意の組み合わせを包含する。官能基は、リンカーと直接連結または結合されることができ、本明細書に記載の化学化合物にその化学反応性を与える、任意の基である。

ここで図を参照すると、図１および２はそれぞれ、ナノポア構造体内に単一分子レセプタを作製する方法の例示的実施形態のブロックダイヤグラムおよび図解である。図３は、分析物と相互作用する図２の単一分子レセプタを有するナノポア構造体の一部を示す。

ナノポア構造体は、チップ、ディスク、ブロック、プレートなどの基板から製作できる。このような基板は、酸化ケイ素、窒化ケイ素を含むシリコン、ガラス、セラミック、ゲルマニウム、ポリマー（例えばポリスチレン）、ガリウム砒素、またはその任意の組み合わせを含むがこれに限定されない様々な材料から作製できる。基板はエッチングされることができ、例えばチップは半導体チップでありうる。基板は、多層基板でありうる。本明細書の目的上、多層基板内の中心材料が外側の材料と同じであることまたは異なることは意図されない。多層基板内の個々の層の厚みだけでなく基板の厚みも、一般的に変動しうる。したがって、ナノポア基板の特定の厚みは限定されない。

ナノポア基板は、化学蒸着（ＣＶＤ）法、プラズマ増強学蒸着（ＰＥＣＶＤ；ｐｕｌｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法、リソグラフィパターニングおよびエッチング法、ならびにエピタキシャル成長プロセスを含むがこれに限定されない任意の適切な製作プロセスを用いて製作できる。その後、電子ビーム穿孔またはイオンビーム穿孔を含むがこれに限定されない任意の適切なプロセスにより基板を通じてナノポア内のナノチャネルが製作されうる。

図１は、ナノポア構造体内に単一分子レセプタを作製する例示的方法１００のブロックダイヤグラムを示す。ブロック１１０では、方法１００は、ＰＶＤ技術によりナノポア構造体の選択された内側表面上へ材料を堆積させるステップを含む。一実施形態では、材料は、約１〜約１００ナノメートル（ｎｍ）の直径を有する材料のパッチを形成する。別の実施形態では、材料は、約９０ｎｍ〜約１，０００ｎｍの直径を有するパッチを形成する。ブロック１２０では、材料の表面が、少なくとも二つの官能基を有する化学化合物で機能化される。材料が機能化されると、機能化された材料が目的分析物に結合しうる。しかし、方法１００は例示的実施形態にすぎない。方法１００の他の実施形態が使用されてもよい。

図２は、ナノポア構造体２３０内に単一分子レセプタ２２４を作製する方法２００の例示的実施形態を示す。方法２００は、ＰＶＤ技術２４０によってナノポア構造体２３０の選択された内側表面上へ材料２２０を堆積させるステップと、その後、化学化合物２２２で材料２２０の表面を機能化するステップとを含む。ナノポア構造体２３０は、第一表面２１０と、反対側の第二表面２１５と、第一表面２１０から反対側の第二表面２１５まで伸び、ナノポア構造体２３０の内側表面２４５を画成する、ナノチャネル２３５とを含む。特に、ナノチャネル２３５の選択された内側表面２４５上へ材料２２０が堆積される。ナノチャネル２３５は、第一表面２１０に開いた第一開口部２１６と、第二表面２１５に開いた第二開口部（図示せず）とを有する。しかし、方法２００は例示的実施形態にすぎない。方法２００の他の実施形態が使用されてもよい。

材料２２０は、ＰＶＤ技術２４０により堆積させうる任意の材料とすることができるが、材料のタイプおよびナノポア構造体２３０の表面特性次第である。一実施形態では、材料は、金属、金属合金、半導体、絶縁体、またはその任意の組み合わせである。好適な材料の非限定的な例には、アルミニウム、非晶質カーボン、クロミウム、コバルト、ダイヤモンド、ガリウム砒素、窒化ガリウム、ゲルマニウム、金、鉄、モリブデン、ニッケル、ニオブ、オスミウム、パラジウム、プラチナ、レニウム、ロジウム、ルテニウム、タングステン、シリコン、窒化ケイ素、酸化ケイ素、銀、酸化チタン、タングステン、またはその任意の組み合わせが含まれる。

図３は、ナノポア構造体内の単一分子レセプタ２２４の一部の拡大図の例示的実施形態を示す。材料２２０の堆積の後、化学化合物２２２で材料２２０が機能化される。化学化合物２２２は、リンカー３３０により任意に接続される少なくとも二つの官能基Ｒ_１およびＲ_２を含む。別の実施形態では、機能化するステップは、化学化合物２２２を材料２２０の表面上へ堆積させるステップを含み、化学化合物２２２は、材料２２０との接触生成物を形成する第一官能基Ｒ_１と、分析物３１０との接触生成物を形成する第二官能基Ｒ_２と、第一官能基Ｒ_１を第二官能基Ｒ_２に接続するリンカー３３０とを含む。化学化合物２２２は、材料２２０の表面または表面の少なくとも一部の上に自己組織化単層（ＳＡＭ；ｓｅｌｆ‐ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）を形成しうる。

一例示的実施形態では、ナノポア構造体は、第一表面と反対側の第二表面とを有する基板と、第一表面から反対側の第二表面まで伸び、内側表面を画成するナノチャネルと、ナノチャネルの内側表面の選択されたエリア上に配設された材料と、機能化された材料を形成するために材料上に配設された化学化合物とを含む。さらに、材料は約３〜約１，０００ｎｍ^２の表面積を有し、機能化された材料が、分析物に結合する単一分子レセプタを形成する。

ナノポア構造体２３０の製作後、材料２２０の堆積もしくは化学化合物２２２による機能化の前または後の任意の時点で、ナノチャネル２３５の内側表面２４５の少なくとも一部の上に任意のＳＡＭを製作しうる。ＳＡＭの組成および特性は一般に変動し、ナノポア基板の組成および特性に依存し、限定されない。一実施形態では、ＳＡＭはシラン基を含む。

化学化合物２２２の第一官能基Ｒ_１は、一般に変動してよく、限定されない。具体的には、第一官能基Ｒ_１は、材料２２０との接触生成物を形成することができる任意の官能基であってよい。第一官能基Ｒ_１は、材料２２０に対して特異的または非特異的親和性を有しうる。例えばチオールは、プラチナおよび金の表面に結合し、接触生成物を形成しうる。加えて、イソニトリルは、プラチナの表面と接触生成物を形成する。第一官能基Ｒ_１の非限定的な例は、ハロゲン化アシル基、アミン基、アミド基、アルコール基、カルボン酸チオール基、ニトリル基、リン酸基、ホスフィン基、シラン基、硫酸基、スルフィド基、亜硫酸基、チオール基、チオレート基、またはその任意の組み合わせである。

一実施形態では、第一官能基Ｒ_１は、材料２２０との可逆的接触生成物を形成する。例えば材料２２０を、あるタイプの第一官能基Ｒ_１を有する第一化学化合物で機能化し、その後、第一化学化合物を除去しうる。その後、材料２２０を、最初の（第一）化学化合物とは異なる第一官能基Ｒ_１を有する第二化学化合物で機能化しうる。このプロセスを繰り返すことができ、このことから機能化されたナノチャネル表面の再利用可能性が示される。

第一官能基Ｒ_１と第二官能基Ｒ_２との間の任意のリンカー３３０は、第一官能基Ｒ_１と第二官能基Ｒ_２との間にリンクを形成できる任意の化学化合物、ポリマーまたはバイオポリマーでありうる。好適なリンカー３３０の非限定的な例には、炭化水素、ペプチド、バイオポリマー、合成ポリマー（例えばポリエチレングリコール（ＰＥＧ；ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ））またはその任意の組み合わせが含まれる。リンカー３３０の長さは、第一および第二官能基Ｒ_１およびＲ_２のそれぞれの同一性ならびにナノチャネル２３５の寸法に依存しうる任意の所望の長さに調節することができる。さらに、リンカー３３０は、直鎖でも分岐していてもよい。

第二官能基Ｒ_２は、分析物３１０の結合部位を形成する。第二官能基Ｒ_２は、所望の分析物３１０との接触生成物を形成することができる任意の官能基でありうる。したがって、第二官能基Ｒ_２の以下の例は、限定を意図するものではない。第二官能基Ｒ_２の適切な例には、小さな化学化合物および生化学化合物、例えばペプチド、タンパク質、炭水化物、脂質が含まれる。さらに、Ｒ_１につき上述した任意の化学化合物をＲ_２に使用しうる。

材料２２０は、公知技術の任意のＰＶＤ技術２４０により、ナノポア２３０の選択された内側表面２４５上へ堆積される。ＰＶＤ技術２４０は、表面上への薄膜蒸着のための方法である。表面上への堆積時に、材料が材料の薄膜すなわちパッチを形成する。パッチの形状、寸法および組成は一般に様々であり、限定されない。一実施形態では、材料２２０は、ナノメートル寸法を有するパッチを形成する。一つ以上の材料の一つの層または複数の層が、一つ以上のＰＶＤ技術２４０を使用して、ナノポア２３０の選択された内側表面２４５上へ堆積されうる。

図４は、ナノポア構造体内に単一分子レセプタを作製する例示的方法４００のブロックダイヤグラムを示す。ブロック４１０では、方法４００は、ナノポア構造体内のナノチャネルの選択された内側表面上へビームを配置するために、ナノポア構造体をビームに対してある角度に傾ける（図２参照）ステップであって、ビームは、ＰＶＤ技術によって材料を堆積させるために動作する、ステップを含む。ブロック４２０では、ナノチャネルの選択された内側表面上へ材料を堆積させるためにビームが操作される。材料は、約３〜約１０，０００ｎｍ^２の間の範囲の表面積を有するパッチを形成する。ブロック４３０では、単一分子レセプタを形成するためにパッチの表面が機能化される。

ＰＶＤ技術２４０は、蒸発させた形の材料２２０の表面上への凝結による、表面上への所望の材料の真空蒸着を含む。ＰＶＤ技術２４０の非限定的な例には、パルスレーザ蒸着／アブレーション蒸着（ＰＬＤ；ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタリング、電子ビーム蒸着、パルス電子蒸着（ＰＥＤ；ｐｕｌｓｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、またはその任意の組み合わせが含まれる。ＰＶＤ技術２４０は、ターゲット材料を蒸発させるための電子ビームまたはイオンビームの使用を含む。一般に、ＰＬＤ技術は、表面上へ堆積させる予定の材料のターゲットに当てるために真空チャンバ内に集束される高出力パルスレーザビームの使用を含む。この材料はターゲットから（プラズマプルームとして）蒸発させられ、それによって材料が、ターゲットに面するまたはターゲット付近の基板または表面上に薄膜として堆積される。このプロセスは、超高真空内またはバックグラウンドガスの存在下で生じうる。酸化物を堆積させる際には、堆積される材料を酸化させるために酸素を使用しうる。

一般に、スパッタリングプロセスは、真空チャンバ内でソースであるターゲットから基板表面上に材料を射出するステップを含む。この効果は、アルゴン等の不活性ガスでありうるイオン化ガスのターゲットに対する衝突により生じる。

一般に、電子ビーム蒸着は、電子ビーム曝露の結果としての電子を介した前駆体分子の分解により、固体材料がターゲット材料上へ堆積されるプロセスである。電子ビームは、高真空下でタングステンフィラメントから放出される。電子ビームにより、導入された蒸気プルームの解離反応が引き起こされ、固体堆積物の薄層が生じる。

一般に、ＰＥＤは、パルス化された高出力電子ビームがターゲット材料を透過し、プラズマ状態への急速な蒸発および変換が生じるプロセスである。それからプラズマ状態のターゲット材料が、表面上へ堆積される。全ての固体状態材料の金属、半導体および絶縁体が、ＰＥＤを用いて薄膜として堆積されうる。

一実施形態では、ＰＶＤ技術２４０は、金属堆積の追加機能を備えた「デュアルビーム」顕微鏡等の複合電子ビームおよび集束イオンビーム（ＦＩＢ；ｆｏｃｕｓｅｄ ｉｏｎ ｂｅａｍ）方法を含みうる。特に、高分解能電界放射走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）および精密集束イオンビーム（ＦＩＢ）エッチングおよび蒸着を組み合わせた顕微鏡（例えばヒルズバラ、オレゴン州Ｆｅｉカンパニー、Ｎｏｖａ Ｄｕａｌ Ｂｅａｍ顕微鏡）を使用できる。

再び図２を参照すると、材料２２０を堆積させるために、ナノポア２３０がＰＶＤビーム２５０に対して傾けられる。例示的実施形態では、ＰＶＤ方法２４０は、デュアルビーム顕微鏡を利用し、ＰＶＤビーム２５０は複合電子ビームおよびＦＩＢである。ナノポア構造体２３０が、顕微鏡ステージ上へ配設されうる。それから、第一表面２１０が水平面２６０に対して角度θ_１を形成するように、顕微鏡ステージしたがってナノポア構造体２３０が傾けられうる。したがって、ナノポア２３０の第一表面２１０は、ＰＶＤビーム２５０に対して角度θ_２を形成する（９０°−θ_１）。ナノポア２３０を傾けると、ＰＶＤビーム２５０が、ナノポア２３０の第一表面２１０の第一開口部２１６を通ってナノチャネル２３５の選択された内側表面２４５上へと導かれる。後述のように、傾きパラメータの調節を用いて、ナノチャネル２３５内の材料パッチの精密な配置を微調整することができる。

角度θ_１は、約１°〜約５２°の間とすることができる。一実施形態では、θ_１は、約１０°〜約４０°の間とすることができる。別の実施形態では、θ_１は、約２０°〜約３５°の間とすることができる。

したがって、９０°−θ_１に等しい角度θ_２は、約３８°〜約８９°の間とすることができる。一実施形態では、θ_２は、約４５°〜約７５°の間とすることができる。別の実施形態では、θ_２は、約５０°〜約６５°の間とすることができる。

所与のナノチャネルの直径ｄに対し、ＰＶＤビーム２５０のアクセス可能直径ｐはｓｉｎ（θ_２）×ｄに等しい。さらに、材料２２０の位置または第一表面２１０からの距離ｘは、ｐ／ｃｏｓ（θ_２）に等しい。例えば、ｄ＝２０ｎｍの直径を有するナノチャネル２３５は、約１２ｎｍのアクセス直径ｐを有し、第一表面２１０から約１６ｎｍ（ｘ）の距離に配置される。したがって、傾き角度θ_１およびθ_２を調節することにより、第一開口部２１６をブロックすることなくナノチャネル２３５内の精密な配置が可能になる。

ナノチャネル２３５の直径ｄは、任意の応用例に合わせて調整されうる。したがって、以下の直径は限定を意図するものではない。一実施形態では、ナノチャネルの直径ｄは、約３０〜約１００ｎｍの間である。別の実施形態では、ナノチャネルの直径ｄは、約１０〜約３０ｎｍの間である。さらに別の実施形態では、ナノチャネルの直径ｄは、約１〜約１０ｎｍの間である。

アクセス可能直径ｐは、上述のようにナノチャネルの直径ｄと角度θ_２とに依存する（ｐ＝ｓｉｎ（θ_２）×ｄ）。したがってアクセス可能直径ｐは、ナノチャネルの直径ｄ、角度θ_２またはその両方を調節することにより、任意の所望の応用例に合わせて調整されうる。アクセス可能直径ｐは一般に様々であるため、以下のアクセス可能直径ｐは限定を意図するものではない。一実施形態では、アクセス可能直径ｐは、約１０〜約１００ｎｍの間である。別の実施形態では、アクセス可能直径ｐは、約２０〜約８０ｎｍの間である。さらに別の実施形態では、アクセス可能直径ｐは、約３０〜約６０ｎｍの間である。

材料２２０がナノチャネル２３５の選択された内側表面２４５上へ堆積された後、材料２２０は、第一表面２１０から距離ｘに配置されたパッチを形成する。上述のように、パッチの正確な位置または第一表面２１０からの距離ｘは、アクセス可能直径ｐとθ_２とに依存する（ｘ＝ｐ／ｃｏｓ（θ_２）＝ｓｉｎ（θ_２）×ｄ／ｃｏｓ（θ_２）＝ｄ／ｔａｎ（θ_２））。したがってパッチ距離ｘは、アクセス可能直径ｐ、角度θ_２または両方を調節することにより、任意の所望の応用例に合わせて調整されうる。例えば、約４１°の角度θ_２で傾けられたｄ＝２０ｎｍを有するナノチャネル２３５は、約１２ｎｍのアクセス直径ｐを有し、第一表面２１０から約１６ｎｍ（ｘ）の距離に配置される。

したがって、以下のナノチャネル２３５内の第一表面２１０からの距離（ｘ）は、限定を意図するものではない。一実施形態では、第一表面２１０からの距離ｘは、約１〜約５０ｎｍの間である。別の実施形態では、第一表面２１０からの距離ｘは、約１０〜約４０ｎｍの間である。さらに別の実施形態では、第一表面２１０からの距離ｘは、約１５〜約３５ｎｍの間である。

パッチのサイズまたはパッチ直径（図示せず）は可変的であり、材料を堆積させるために用いられる器具類に合うよう調節されうる。したがって、以下のパッチ直径は限定を意図するものではない。一実施形態では、パッチ直径は、約１〜約１００ｎｍの間である。別の実施形態では、パッチ直径は、約１０〜約８０ｎｍの間である。さらに別の実施形態では、パッチ直径は、約２０〜約６０ｎｍの間である。

材料２２０は、ナノチャネル２３５の選択された内側表面２４５上へ一つ以上の層において堆積させることができ、一つ以上の層は一つ以上の材料を含むことができる。少なくとも一つの材料２２０のパッチの厚みは、任意のサイズ、厚みまたは形状を有しうる。材料２２０のパッチの形状の非限定的な例には、円形、楕円形、長楕円形、正方形、三角形、長方形、リング形、またはその任意の組み合わが含まれる。一実施形態では、パッチは、ナノチャネル２３５の内周面を取り囲むリングの形状である。

材料２２０のパッチは任意の厚みを有することができ、厚みも所望の応用例に合わせて調整されうる。したがって、以下のパッチ厚は、限定を意図するものではない。一実施形態では、パッチ厚は、材料次第で約０．５〜約１０ｎｍの間である。別の実施形態では、パッチ厚は、約２〜約８ｎｍの間である。さらに別の実施形態では、パッチ厚は、約４〜約６ｎｍの間である。

さらに、材料２２０のパッチの表面積は、応用例に合うよう調節されうる。したがって、以下の表面積は、限定を意図するものではない。一実施形態では、材料２２０のパッチは、約３〜約１，０００ｎｍ^２の間の表面積を有する。別の実施形態では、材料２２０のパッチは、約１００〜約８００ｎｍ^２の間の表面積を有する。さらに別の実施形態では、パッチは、約２５０〜約６００ｎｍ^２の間の表面積を有する。

一実施形態では、ナノポア構造体２３０は、ナノチャネル２３５内に制御された数の単一分子レセプタ２２４を有する（材料の二つ以上のパッチが二つ以上の単一分子レセプタを形成する）。例えばＦＩＢを用いたＰＶＤ技術２４０を使用して、材料２２０の一つ以上のパッチが、ナノチャネル２３５の表面２４５上へ堆積されうる。材料２２０の複数のパッチを上述のように堆積させることができる、パッチは同じでも異なってもよい。さらに、材料２２０の一つ以上のパッチを、任意の種類のパッチ配列に設けうるが、この点は以下に詳述する。

一実施形態では、ナノポア２３０は、材料２２０の第一パッチと同じでも異なってもよい、材料２２０の少なくとも第二パッチを含みうる。したがって、第一材料２２０を堆積させた後に、ナノポア構造体２３０を再度傾けて、ＰＶＤビーム２５０（θ_２）に対して約３８°〜約８９°の間の第二角度を形成しうる。それから、ビーム２５０を操作して、ナノチャネル２３５の異なる選択された内側表面２４５上へ、第一材料２２０と同じでも異なってもよい材料２２０を堆積させうる。その後、材料の第二パッチ、第三パッチまたは第ｎパッチを、第一パッチと同じまたは異なる機能性を含みうる化学化合物により機能化しうる。一実施形態では、ｎは、約２〜約１０の間の数に等しい。別の実施形態では、ｎは、約３〜約８の間の数に等しい。別の実施形態では、ｎは、約２〜約５の間の数に等しい。

図５Ａ〜Ｈは、様々な形状、位置、タイプ、配列および機能性を含む、ナノポア構造体内の単一分子レセプタの様々な可能な組み合わせの例示的実施形態を示した部分切り取り側面図である。図５Ａおよび５Ｂは、異なるサイズおよび形状を有する材料２２０のパッチの例示的実施形態を示す。特に、図５Ａは円形または正方形の形状を有する材料２２０のパッチを示し、図５Ｂは長円形または長方形の形状を有する材料２２０のパッチを示す。様々なサイズおよび形状のパッチが、検出される分析物の特性に合わせて調整されうる。例えば長パッチは、急速に転位する分析物の結合確率を高める。対して、ゆっくり転位する分析物には、より小直径のパッチで足りる。材料２２０の形状の任意の組み合わせを用いて、制御された数の単一分子結合部位を提供することができる。

図５Ｃおよび５Ｄは、様々な位置または第一表面２１０からの距離ｘの材料２２０のパッチの例示的実施形態を示す。図５Ｃは、第一表面２１０の近くに配置されたパッチを示す。図５Ｄは、ナノチャネル２３５の中央領域に向かって、図５Ｃより大きい距離ｘに配置されたパッチを示す。パッチ位置または距離ｘの任意の組み合わせを用いて、複数の単一分子結合部位を提供することができる。

図５Ｅは、異なる材料２２０の二つのパッチの組み合わせの例示的実施形態を示す。しかし、一実施形態では、ナノチャネル２３５は、同じ材料２２０の二つのパッチを含む（図示せず）。図５Ａ〜Ｅに示されるパッチの様々な組み合わせを用いて、限りない数のカスタマイズされたナノポアデザインを提供することができる。材料パッチサイズ、形状、位置および材料２２０の任意の組み合わせを用いることができる。

材料２２０を堆積させて図Ａ〜Ｅに示したパッチの任意の組み合わせを形成した後、パッチ（パッチの少なくとも一つ以上）の表面が機能化されて、単一分子結合部位が形成される。図５Ｆ〜Ｈは、機能化された材料２２０のパッチの例示的実施形態を示す。図５Ｆに示すように、材料２２０の任意の一つ以上のパッチを、分析物との接触生成物を形成する官能基を有する化学化合物で機能化しうる。あるいは、材料２２０のパッチの二つ以上または全てを、分析物との接触生成物を形成する官能基を有する化学化合物で機能化しうる。

図５Ｇに示すように、パッチを形成する材料２２０が一つ以上のパッチで同じであるとき、機能性は同じ（図示せず）でも異なってもよい。したがって、同一材料のパッチが、異なる分析物と結合しうる異なる官能基（第二官能基Ｒ_２）で機能化されてもよい。あるいは、図５Ｈに示すように、異なる材料のパッチが、同じ（図示せず）または異なる機能性を有する異なる化学化合物で機能化されてもよい。図５Ａ〜Ｈは、例示的実施形態にすぎないことに注意しなければならない。パッチ位置、サイズ、形状、材料および機能性の組み合わせの他の実施形態が使用されてもよい。

材料２２０のパッチの位置を変更することにより、ナノポアを通る電流の理解が可能になり、単一分子レセプタ２２４の間の交互作用をナノチャネル２３５の外側の近くまたは遠くで生じさせることが可能になる。異なる材料２２０に対して適切な機能化または化学化合物２２２を選択することにより、同時に検出できる異なるターゲット分析物３１０の結合および検出が可能になる。サイズまたはナノチャネル２３５内の場所の違いにより、異なる分析物３１０を区別することができる。

一例示的実施形態では、複数の単一分子レセプタを有するナノポア構造体は、第一表面と反対側の第二表面とを有する基板と、第一表面から反対側の第二表面まで伸び、内側表面を画成するナノチャネルと、ナノチャネルの内側表面の選択されたエリア上へ配設される第一材料と、ナノチャネルの内側表面の異なる選択されたエリア上へ配設される第二材料と、第一および第二材料上へ配設されて複数の単一分子レセプタを形成する分析物結合機能性を有する化学化合物とを含む。さらに、第一材料および第二材料は、それぞれ約３〜約１０，０００ｎｍ^２の表面積を有する第一および第二パッチを形成する。第一および第二材料は、同じまたは異なる第一および第二分析物との接触生成物を形成する官能基（Ｒ_２）を含みうる。さらに、第一および第二パッチは、第一表面から距離ｘ_１およびｘ_２に配置することができ、距離ｘ_１およびｘ_２は同じであるかまたは異なる。

図６は、ナノポア構造体内に複数の単一分子レセプタを作製する方法６００の例示的実施形態のブロックダイヤグラムを示す。ブロック６１０では、ＰＶＤ技術により第一材料および第二材料がナノチャネルの異なる選択された内側表面上へ堆積される。第一および第二材料は同じでも異なってもよく、それぞれが約１〜約１００ｎｍの直径を有するパッチを形成する。ブロック６２０では、第一材料、第二材料、または第一および第二材料の両方の表面が、少なくとも二つの官能基を有する化学化合物で機能化される。第一材料、第二材料、または第一および第二材料の両方は、上述の材料２２０のいずれであってもよい。しかし、方法６００は例示的実施形態にすぎない。方法６００の他の実施形態が使用されてもよい。

図７は、ナノポア構造体内に複数の単一分子レセプタを作製する方法７００の例示的実施形態のブロックダイヤグラムを示す。ブロック７１０では、ナノポア構造体内のナノチャネルの選択された内側表面上へビームを配置するために、ナノポア構造体がビームに対して第一角度で傾けられる。ビームは、ＰＶＤ技術により材料を堆積させるために動作する。ブロック７２０では、ナノチャネルの選択された内側表面上へ第一材料を堆積させるためにビームが操作される。第一材料は、約３〜約１０，０００ｎｍ^２の表面積を有する第一パッチを形成する。ブロック７３０では、ビームに対して第二角度を形成するためにナノポアが再度傾けられる。ブロック７４０では、第二材料をナノチャネルの別の選択された内側表面上へ堆積させて第二パッチを形成するためにビームが操作される。ブロック７５０では、第一パッチ、第二パッチ、または第一および第二パッチの両方の表面が機能化される。第一材料、第二材料、または第一および第二材料の両方は、上述の材料２２０のいずれであってもよい。しかし、方法７００は例示的実施形態にすぎない。方法７００の他の実施形態が使用されてもよい。

図８は、一つ以上の単一分子結合部位２２４を有するナノポア構造体２３０を使用する方法８００の例示的実施形態を示す。分析物３１０の分析中には、電流変動の適切な計測値を提供するために、印加された電場下でナノポアが十分に大きいイオン電流を可能にしなければならない。一つ以上の単一分子レセプタ２２４に対する分析物３１０の結合および分離もしくはナノチャネル２３５を通じた分析物３１０の転移またはその全てにより、電流変動が引き起こされる。したがって、分析物３１０の単一分子が単一分子レセプタ２２４に結合する際に電流変動を計測できる。これらの電流変動により、分析物３１０についての化学的情報および生化学的情報が提供される。

ナノポア構造体２３０は、第一セル部８０８と第二セル部８１０とを有する流体セルを画成する。特に、ナノポア構造体２３０は、第一セル部８０８と第二セル部８１０との間に配設される。ナノポア構造体２３０は、ナノチャネル２３５の内側表面の選択されたエリア上へ配設された、単一分子レセプタ２２４を形成する機能化された材料のパッチを含む。

第一シール部８１２が、第一セル部８０８とナノポア構造体２３０の第一表面２１０との間に密封係合される。第二シール部８１４が、ナノポア構造体２３０の第二表面２１５と第二セル部８１０との間に密封係合される。第一および第二シール部８１２および８１４は、例えばシリコンで作られたＯリングガスケットであってもよい。第一セル部８０８は、ナノポア構造体２３０内のナノチャネル２３５と流体連通する第一ポート８１８および第二ポート８２０を画成する。第二セル部８１０は、ナノポア構造体２３０内のナノチャネル２３５と流体連通する第三ポート８２２および第四ポート（図示せず）を画成する。

第二ポート８２０および第三ポート８２２に配設された電極８０１および８０３が設けられた、電圧源８０２が示される。電流検知デバイス８０４は、電極８０１および８０３の間の電流の変化を検出するために動作する。電流検知デバイス８０４は、動作ソフトウェアを通じてパーソナルコンピュータにより制御されうる。電流は、ナノポア構造体２３０内にナノチャネル２３５により画成された電流経路を有する。

分析物３１０の分析の前に、まず緩衝化塩溶液がナノチャネル２３５に導入される。緩衝化塩溶液は、第一ポート８１８および第三ポート８２２を介して導入される。緩衝化塩溶液が、第二ポート８２０および第四ポート（図示せず）を介してナノチャネル２３５から流されうる。しかし、代替的実施形態では、ポートの役割を逆にしてもよい。電極８０１および８０３は、緩衝化塩溶液と連通する。電流はナノチャネル２３５により画成された電流経路を有し、単一分子レセプタ２２４結合するもしくはナノチャネル２３５を通過する分析物３１０またはその両方により電流が影響される。分析物３１０をナノチャネル２３５に導入すると、分析物３１０が単一分子レセプタ２２４と結合しまたは接触生成物を形成する。その結果は、イオン電流出力の検出可能な変化である。

緩衝化塩溶液は一般に様々であり、特定の分析物および応用例に依存する。緩衝化塩溶液は、任意の所望の電解質、イオン、バッファまたは成分を含みうる。

電流経路のイオン電流は、検知した電流値を処理し、ユーザに対しディスプレイ上に論理的結果を出力するために動作する例えばコンピュータプロセッサおよびディスプレイを含みうる処理およびディスプレイデバイス６０６に接続されうる電流検知デバイス８０４により計測される。上述のように、通過および単一分子レセプタ２２４に結合する分析物３１０により、電流が影響される。したがって、所望の任意のバッファ、溶液または溶媒中で、第一ポート８１８を介して分析物３１０がナノチャネル２３５に導入されうる。しかし、方法８００は例示的実施形態にすぎない。方法８００の他の実施形態が使用されてもよい。

本明細書に用いられる用語は、特定の実施形態の説明を目的としたものにすぎず、本発明を限定することを意図したものではない。本明細書で用いられるところの、単数形「一つの（ａ）」、「一つの（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈から別段の明示がない限り、複数形も含むことを意図する。さらに当然のことながら、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」もしくは「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語またはその両方は、本明細書において用いられるときには、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素もしくは成分またはその全ての存在を指定するが、一つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素成分もしくはその群またはその全ての存在または追加を排除するものではない。

以下の特許請求の範囲における全てのミーンズまたはステッププラスファンクション要素の対応する構造、材料、行為、および等価物は、特に請求した他の請求された要素と組み合わせて機能を実行するための任意の構造、材料、または行為を含むことを意図したものである。本発明の記載は、例示および説明の目的のために提示されているが、網羅的であることまたは本発明を開示された形態に限定することは意図していない。通常の技術を有する当業者には、本発明の範囲および精神から逸脱することのない多くの修正および変形例が明らかとなる。実施形態は、本発明の原理および実際の応用例を最もよく説明するため、および通常の技術を有する当業者が想定された具体的用途に適した様々な修正を含む様々な実施形態に関して本発明を理解することを可能にするために選択し、記載したものである。

本明細書に記載したフローダイヤグラムは、一例にすぎない。このダイヤグラムに対する、またはダイヤグラムに記載されたステップ（または動作）に対する、本発明の精神から逸脱することのない多くの変形例が存在しうる。例えば、ステップが異なる順序で実行されてもよいし、またはステップが追加、削除または修正されてもよい。これらの全ての変形例が、請求された本発明の一部と考えられる。

本発明の好ましい実施形態を記載しているが、当然のことながら、通常の技術を有する当業者は、現在および将来にわたり、以下の特許請求の範囲に含まれる様々な改良および強化を行うことができる。これらの特許請求の範囲は、最初に記載された本発明の適切な保護を維持するものと解釈しなければならない。

Claims (17)

1. ナノポア構造体内に複数の単一分子レセプタを作製する方法であって、
   物理蒸着法技術により、第一材料および第二材料をナノチャネルの異なる選択された内側表面上へ堆積させるステップであって、第一材料をナノチャネル内表面に堆積させるためにナノチャネルを第一角度傾けて、前記ステップは第一材料を堆積させた後に、第二材料を堆積させるためにナノチャネルを第二角度傾けて、第二材料を堆積させ、前記第一および第二材料は、同じであるかまたは異なり、１〜１００ｎｍの直径を有するパッチを形成するステップと、
   前記第一材料、前記第二材料、または前記第一および第二材料の両方の表面を、少なくとも二つの官能基を有する化学化合物であって、端部に材料表面に結合するための官能基を有し、かつ、他端には分析物と相互作用するための官能基を有しているリンカーである前記化合物で機能化するステップと、
   を含む方法。
2. 前記第一材料、前記第二材料、または前記第一材料および前記第二材料の両方は、金属、金属合金、半導体、絶縁体、またはその任意の組み合わせである、請求項１に記載の方法。
3. 前記第一材料、前記第二材料、または前記第一材料および前記第二材料の両方は、アルミニウム、プラチナ、タングステン、金、銀、ニッケル、パラジウム、カーボン、コバルト、またはその任意の組み合わせである、請求項２に記載の方法。
4. 前記物理蒸着法技術は、パルスレーザ蒸着／アブレーション、スパッタリング、電子ビーム蒸着、パルス電子蒸着、集束イオンビーム蒸着、またはその任意の組み合わせである、請求項１に記載の方法。
5. 前記少なくとも二つの官能基のうちの一つは、前記材料との接触生成物を形成する基であり、ハロゲン化アシル基、アミン基、アミド基、アルコール基、カルボン酸チオール基、ニトリル基、リン酸基、ホスフィン基、シラン基、硫酸基、スルフィド基、亜硫酸基、チオール基、チオレート基、またはその任意の組み合わせである、請求項１に記載の方法。
6. ナノポア構造体内に複数の単一分子レセプタを作製する方法であって、
   前記ナノポア構造体内のナノチャネルの選択された内側表面上へビームを配置するために、前記ナノポア構造体を前記ビームに対して第一角度で傾けるステップであって、前記ビームは、ＰＶＤ技術により材料を堆積させるために動作する、ステップと；
   第一材料を前記ナノチャネルの選択された内側表面上へ堆積させるために前記ビームを操作するステップであって、前記第一材料は、３〜１０，０００ｎｍ^２の表面積を有する第一パッチを形成する、ステップと；
   前記ビームに対して第二角度を形成するために前記ナノポアを再度傾けるステップと；
   第二材料を前記ナノチャネルの別の選択された内側表面上へ堆積させて第二パッチを形成するために前記ビームを操作するステップであって、前記第一材料および前記第二材料は、同じであるかまたは異なる、ステップと；
   前記第一パッチ、前記第二パッチ、または前記第一および第二パッチの両方の表面を、少なくとも二つの官能基を有する化学化合物であって、端部に材料表面に結合するための官能基を有し、かつ、他端には分析物と相互作用するための官能基を有しているリンカーである前記化合物で機能化するステップと
   を含む、方法。
7. 機能化するステップは、表面上へ化学化合物を堆積させるステップであり、前記化学化合物は、前記表面との接触生成物を形成する第一官能基と、分析物との接触生成物を形成する第二官能基とを含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記第一パッチ上へ堆積される前記化学化合物は、前記第二パッチ上へ堆積される前記化学化合物と異なる、請求項７に記載の方法。
9. 前記第一官能基は、ハロゲン化アシル基、アミン基、アミド基、アルコール基、カルボン酸チオール基、ニトリル基、リン酸基、ホスフィン基、シラン基、硫酸基、スルフィド基、亜硫酸基、チオール基、チオレート基、またはその任意の組み合わせである、請求項７に記載の方法。
10. 前記第一官能基は、前記表面との可逆的接触生成物を形成する、請求項７に記載の方法。
11. 前記ビームは、電子ビーム、イオンビーム、またはその組み合わせである、請求項６に記載の方法。
12. 前記第一および第二角度は、それぞれ３８°〜８９°の間である、請求項６に記載の方法。
13. 前記ナノチャネルの直径は、３０〜１００ｎｍである、請求項６に記載の方法。
14. 前記第一パッチ、前記第二パッチ、または前記第一および第二パッチの両方は、円形、楕円形、正方形、三角形、長方形、リング形、またはその任意の組み合わせの形状である、請求項６に記載の方法。
15. 複数の単一分子レセプタを含むナノポア構造体であって、
    第一表面と反対側の第二表面とを有する基板と、
    前記第一表面から前記反対側の第二表面まで伸び、内側表面を画成する、ナノチャネルと、
    前記ナノチャネルの前記内側表面の選択されたエリア上へ配設される第一材料であって、３〜１０，０００ｎｍ^２の表面積を有する第一パッチを形成する第一材料と、
    前記ナノチャネルの前記内側表面の異なる選択されたエリア上へ配設される第二材料であって、前記第二材料は、３〜１０，０００ｎｍ^２の表面積を有する第二パッチを形成し、前記第一材料および前記第二材料は、同じであるかまたは異なる、第二材料と、
    前記第一および第二材料のうちの少なくとも一つの上へ配設された分析物結合機能性を有する化学化合物であって、端部に材料表面に結合するための官能基を有し、かつ、他端には分析物と相互作用するための官能基を有しているリンカーである前記化合物と、を含む、ナノポア構造体。
16. 前記第一材料、前記第二材料、または前記第一および第二材料の両方は、アルミニウム、プラチナ、タングステン、金、銀、ニッケル、パラジウム、カーボン、コバルト、またはその任意の組み合わせである、請求項１５に記載のナノポア構造体。
17. 前記第一および第二材料は、同じであるかまたは異なる第一および第二分析物との接触生成物を形成する官能基を含む、請求項１５に記載のナノポア構造体。
    

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