JP6510984B2 - 巨大分子の制御される捕捉、捕獲、及び輸送の為の統合された構成要素を有するナノ流体の装置、及び関連する分析方法 - Google Patents
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Description
本願は、2013年2月28日に出願された米国仮特許出願第61/770,586号明細書の利益及びそれに対する優先権を主張し、その内容は、全体が本明細書に記載されたものとして本明細書によって参照により援用される。
本発明は、国立衛生研究所の提供によるHG002647号に基づく連邦政府の支援を受けて行われた。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
E=電界の強さ
F(t,E)=与えられるEにおける時間tでのDNA分子での力
λq=DNAの線型電荷密度
L(t)=時間tにおけるナノチャネル内におけるDNAの長さ
L=例示の装置のセグメント1の長さ
E’=例示の装置のセグメント2における電界の強さ
L’(t)=時間tでの例示の装置のセグメント2におけるDNAの長さ
分裂又は切れる前に、ナノチャネル内に引き込まれるDNAの量(長さ)を計算する為に、二重鎖DANの引張り強さが、約480pNであるものと想定される。ベニズモン(Bensimon)ら著、フィズ・レヴ・レット(Phys. Rev. Lett)、1995年、第74巻、4754−4757頁を参照されたく、これの内容は、本明細書に全てが開示されているように、これによって組み込まれる。例えば、E=200V/cm及びL=10μmの場合、横断チャネルを有さない(図4D)、ナノチャネル内に引き込まれ得るDNAの最大限の長さは、約3Mbpである。対照的に、横断チャネルが装置内に組み込まれている場合(図4E)、ナノチャネル内に引き込まれ得るDNAの最大限の長さは、約577Mbpであり、即ち、人の染色体1よりも、長さにおいて長い。
図5A及び5Dにおいて、2つの装置の構成が示される。これらの構成の為の統一する特性は、様々なナノチャネル20、30の寸法である。検体が駆動されるナノチャネルの横の寸法20は、これらの例では20−100nmのオーダで有り得る、そして、1に近い(幅:深さ)のアスペクト比を有し得る。輸送ナノチャネル20を横切る浅いチャネル30sは、1〜10nmの間の臨界(深さ)寸法を有することができる。上述のように、2つの考察が、この装置設計のエレメントを通知する。第1に、輸送ナノチャネルの寸法と比較してより小さい寸法は、これらの導管を介して行われる、検体の巨大分子の不必要な輸送を防止する。第2に、これらの寸法は、低いイオン強度のバッファにおける、電気的二重層のデバイ長の特性に見合い、1X TBE(89mM トリス;89mM ホウ酸;2mM エチレンジアミン四酢酸,EDTA)などの、標準的な電気泳動のバッファにおいて濃度分極が引き起こされ得ることを意味している。濃度分極が望まれない場合、より深い横断ナノチャネル30及びより高いイオン強度のバッファが使用される。
交差しているナノチャネルを有する装置の動作中に、濃度分極が発生していたことを確認する為に、陰イオン蛍光色素、フルオレセインの濃度プロフィールが、図5Aに示される種類の装置の動作中に測定された。10μMのフルオレセインの溶液が、0.5X TBEバッファ(89mM トリス;89mM ホウ酸;2mM エチレンジアミン四酢酸,EDTA)において用意された。この溶液は、ナノ流体ネットワークの両側にアクセスしているマイクロチャネルに導入された。装置は、倒立顕微鏡にマウントされ、蛍光画像がナノ流体チャネルについて記録された。電圧は、図6Aに示されるように、ナノチャネルに印加された。電圧が印加されなかったとき、及び電圧がナノチャネルに印加されて色素が応答できるようになっている後に、画像が収集された。電圧が印加された時に収集された画像から、零バイアスの蛍光画像を差し引くことにより、フルオレセインの濃度増大及び枯渇の領域が明らかになる。図6Bは、これらの画像の違いの1つを示しており、濃度分極の存在を明確に示す。
図5Aに示されるような単一の電圧制御を有する装置において、図7に示されるように、輸送は、濃度分極を操作することにより、制御され得る。DNAの注入は、十分に大きな正の電圧を印加することにより発生する。DNAは、輸送ナノチャネル内に通り抜け、即座に、捕獲されるナノチャネル交差点に移動する。
〔付記1〕
少なくとも1つの流体輸送ナノチャネル、及び各流体輸送ナノチャネルの第1セグメント及び第2セグメントを規定する為に、前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの末端部の間の間隔に存在する交差点において、前記流体輸送ナノチャネルのセグメントの対向している側における2つの浅いセグメントを有する、少なくとも1つの流体ナノチャネルと、
各浅いセグメントに伝達する第1及び第2電極と、
前記流体輸送ナノチャネルの進入末端部に伝達する第1電極と、
前記流体輸送ナノチャネルの退出末端部に伝達する第2電極と、
制御して巨大分子を注入、獲得、及び輸送する為に、前記電極の動作を制御するように構成される回路であって、動作中に、前記第1及び第2セグメントは、巨大分子が平衡になるか又は低速で移動するように、前記巨大分子を捕獲する為にかなり異なる場の強さを有することができる、前記回路と、を備える、
ナノ流体の分析装置。
〔付記2〕
前記浅いセグメントは、より深いセグメントに併合し、前記流体輸送ナノチャネルに直交する、
付記1のナノ流体の分析装置。
〔付記3〕
前記浅いセグメントは、より深いセグメントに併合し、前記流体輸送ナノチャネルに並列である、
付記1又は2のナノ流体の分析装置。
〔付記4〕
前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルにおける、流体分析のチップ及びDNA、RNA、ペプチド、たんぱく質、又は他の生物学の分子、又は合成巨大分子を規定する為に、基材にシールされるカバー、を更に備える、
付記1乃至3の何れかのナノ流体の分析装置。
〔付記5〕
少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルと、前記輸送ナノチャネルの第1セグメント及び第2セグメントを規定する為に、前記少なくとも1つの輸送チャネルにおける対向する第1及び第2末端部の間の間隔に存在する、前記輸送ナノチャネルを有する交差点において、前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの対向する側に当たっている、2つの統合された横断電極とを有しており、動作中に、前記第1及び第2セグメントは、かなり異なる場の強さを有する、装置。
〔付記6〕
前記かなり異なる場の強さを生成し、前記流体輸送ナノチャネル中、及び前記流体輸送ナノチャネルを介して、制御して巨大分子を注入、捕獲、及び輸送する為に、前記流体輸送ナノチャネルの前記第1及び第2末端部、及び、前記横断電極に、電圧を選択的に印加するように構成された、前記基材に少なくとも部分的に存在する、及び/又は前記基材に伝達する回路、を更に備える、付記5の装置。
〔付記7〕
少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルを有している装置であって、前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルは、(i)前記流体輸送ナノチャネルを横切って互いに対向する第1及び第2セグメントを有し、各電極に各々伝達する少なくとも1つの流体ナノチャネル、又は、(ii)前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの対向している側に当っている2つの統合された横断電極、の一方を有する交差点を有しており、
前記交差点は、前記各流体輸送ナノチャネルの第1セグメント及び第2セグメントを規定する為に、前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルにおける対向する末端部の間の間隔に存在する、前記装置と、
前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルを介して、巨大分子を選択的に捕獲及び輸送する為に、電圧を前記電極に印加するように構成された電源を有する回路と、
を備えるナノ流体分析システム。
〔付記8〕
前記装置は、前記流体輸送ナノチャネルのセグメントを横切って互いに対向する第1及び第2セグメントを有しており、各電極に各々伝達する、前記少なくとも1つの流体ナノチャネルを備え、前記第1及び第2セグメントは、浅いセグメントである、
付記7のナノ流体分析システム。
〔付記9〕
前記第1及び第2セグメントは、幅広のセグメントである、
付記8のナノ流体分析システム。
〔付記10〕
前記装置は、各交差点と組み合う複数の並列な流体輸送ナノチャネルを備える、
付記7乃至9の何れかのナノ流体分析システム。
〔付記11〕
前記装置は、長軸方向に離れて間隔があいている複数の交差点を有する、少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルを備え、各交差点は、(i)前記流体輸送ナノチャネルを横切って互いに対向する第1及び第2セグメントを有し、各電極に各々伝達する流体ナノチャネル、又は、(ii)前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの対向している側に当っている2つの統合された横断電極、の一方を有している、
付記7乃至10の何れかのナノ流体分析システム。
〔付記12〕
装置に少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルを提供するステップであり、前記流体輸送ナノチャネルは、(i)前記輸送チャネルと流体連通する前記流体輸送ナノチャネルのセグメントを横切って互いに対向する第1及び第2セグメントを有し、各電極に各々伝達する少なくとも1つの流体ナノチャネル、又は、(ii)前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの対向している側に当っている第1及び第2の統合された横断電極、の一方を含む交差点を有する、ステップと、
前記流体輸送チャネルにおいて巨大分子を注入又は捕獲する為に、前記第1及び第2セグメント又は前記第1及び第2横断電極に、電気的にバイアスを印加するステップと、
全てのバイアスを電気的に取り除くことにより、前記巨大分子が平衡な配座において緩むステップと、
前記ナノチャネルを介する前記巨大分子の移行を制御する前記輸送ナノチャネルにのみバイアスを電気的に印加するステップと、
を含む巨大分子の分析方法。
〔付記13〕
前記装置は、前記第1及び第2セグメントを有する前記少なくとも1つの流体ナノチャネルを備え、前記第1及び第2セグメントは、幅広、浅いセグメントである、
付記12の巨大分子の分析方法。
〔付記14〕
前記浅いセグメントは、より深いセグメントに併合し、前記流体輸送ナノチャネルに直交する、
付記13の巨大分子の分析方法。
〔付記15〕
前記浅いセグメントは、前記流体輸送チャネルに並列になっている、より深いセグメントに併合し、
付記13又は14の巨大分子の分析方法。
〔付記16〕
前記装置は、流体分析のチップであり、前記巨大分子は、DNA、RNA、ペプチド、たんぱく質、又は他の生物学の分子、又は合成巨大分子である、
付記12乃至15の何れかの巨大分子の分析方法。
〔付記17〕
前記電気的に印加するステップ及び取り除くステップは、タイミングアルゴリズム及び/又はタイミング回路の管理下で実行される、
付記12乃至16の何れかの巨大分子の分析方法。
〔付記18〕
前記電気的に印加するステップ及び/又は取り除くステップは、前記輸送ナノチャネル内の規定された位置において、検体分子の光学検出によってトリガされる、
付記12乃至17の何れかの巨大分子の分析方法。
〔付記19〕
前記電気的に印加するステップ及び/又は取り除くステップは、前記輸送ナノチャネル内の規定された位置における、イオン電流、トンネル電流、又は電界効果トランジスタの測定値を用いる検体分子の電気的な検出によってトリガされる、
付記12乃至18の何れかの巨大分子の分析方法。
〔付記20〕
分析の為に、前記流体輸送ナノチャネル中、及び前記流体輸送ナノチャネルを介して、選択的に、各巨大分子を注入、捕獲、及び輸送する為に、前記バイアスを印加すること及び取り除くことの自動化されたサイクルを起こす為に、前記交差点の前に、前記流体輸送ナノチャネルの第1部分において、検体の通路に関連する電圧チャージを電気的に検出するステップを、更に含む、
付記12乃至19の何れかの巨大分子の分析方法。
Claims (24)
- 巨大分子が平衡になるか又は低速で移動するように、前記巨大分子を捕獲する為のナノ流体の分析装置であって、
1nmと500nmとの間の幅又は深さを有する少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルと、
少なくとも1つの流体ナノチャネルの第1及び第2の横断の浅いセグメントが、各流体輸送ナノチャネルの第1上流セグメント及び第2下流セグメントを規定する為に、前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの末端部の間の間隔に存在する交差点において、前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの対向している側に設けられる、前記少なくとも1つの流体ナノチャネルと、
前記少なくとも1つの流体ナノチャネルの各第1及び第2の横断の浅いセグメントに伝達する第1及び第2電極と、
前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの進入末端部に伝達する第3電極と、
前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの退出末端部に伝達する第4電極と、
制御して巨大分子を注入、獲得、及び輸送する為に、前記第1、第2、第3、及び第4電極の動作を制御するように構成される回路であって、動作中に、前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの前記第1上流セグメント及び前記第2下流セグメントは、前記巨大分子が平衡になるか又は低速で移動するように、前記各流体輸送ナノチャネルにおいて、前記巨大分子を捕獲する為にかなり異なる場の強さを有することができる、前記回路と、を備える、
ナノ流体の分析装置。 - 前記第1及び第2の横断の浅いセグメントは、より深いセグメントに併合し、前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルに直交し又は並列である、
請求項1のナノ流体の分析装置。 - 前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルにおける、流体分析のチップ及びDNA、RNA、ペプチド、たんぱく質、又は他の生物学の分子、又は合成巨大分子を規定する為に、基材にシールされるカバー、を更に備える、
請求項1又は2の何れかのナノ流体の分析装置。 - 少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルと、
前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの第1上流セグメント及び第2下流セグメントを規定する為に、前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルにおける対向する第1及び第2末端部の間の間隔に存在する、前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルを有する交差点において、前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの対向する側に当たっている、第1及び第2横断電極と、
前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの進入末端部に伝達する第3電極と、
前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの退出末端部に伝達する第4電極と、
制御して巨大分子を連続して注入、獲得、及び輸送する為に、前記第1、第2、第3、及び第4電極の動作を制御するように構成される回路であって、動作中に、前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの前記第1上流セグメント及び前記第2下流セグメントは、前記巨大分子が平衡になるか又は低速で移動するように、前記巨大分子を捕獲する為にかなり異なる場の強さを有することができる、前記回路と、を備える、
装置。 - 前記かなり異なる場の強さを生成し、前記流体輸送ナノチャネル中、及び前記流体輸送ナノチャネルを介して、制御して巨大分子を注入、捕獲、及び輸送する為に、前記第3及び第4電極を用いている前記流体輸送ナノチャネルの前記第1及び第2末端部、及び、前記第1及び第2横断電極に、電圧を選択的に印加するように構成された、基材に少なくとも部分的に存在する、及び/又は前記基材に伝達する回路、を更に備える、請求項4の装置。
- 少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルを有している装置であって、前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルは、(i)前記流体輸送ナノチャネルを横切って互いに対向する第1及び第2の横断のセグメントを有し、各電極に各々伝達する少なくとも1つの流体ナノチャネル、又は、(ii)前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの対向している側に当っている2つの横断電極、の一方を有する交差点を有しており、
前記交差点は、前記各流体輸送ナノチャネルの第1上流セグメント及び第2下流セグメントを規定する為に、前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルにおける対向する末端部の間の間隔に存在する、前記装置と、
前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルを介して、巨大分子を選択的に捕獲及び輸送する為に、電圧を前記電極に印加するように構成された電源を有する回路と、
を備えるナノ流体分析システム。 - 前記装置は、前記流体輸送ナノチャネルのセグメントを横切って互いに対向する前記第1及び第2の横断のセグメントを有しており、前記各電極に各々伝達する、前記少なくとも1つの流体ナノチャネルを備え、前記第1及び第2の横断のセグメントは、浅いセグメントであり、あるいは幅広のセグメントである、
請求項6のナノ流体分析システム。 - 前記装置は、前記交差点と組み合う前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルとして複数の並列な流体輸送ナノチャネルを備える、
請求項6又は7の何れかのナノ流体分析システム。 - 前記装置は、長軸方向に離れて間隔があいている複数の交差点を有する、少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルを備え、各交差点は、(i)前記流体輸送ナノチャネルを横切って互いに対向する第1及び第2セグメントを有し、各電極に各々伝達する流体ナノチャネル、又は、(ii)前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの対向している側に当っている2つの横断電極、の一方を有している、
請求項6乃至8の何れかのナノ流体分析システム。 - 前記分析装置は、前記流体輸送ナノチャネルのセグメントを横切って互いに対向する第1及び第2の横断のセグメントを有しており、前記各電極に各々伝達する、前記少なくとも1つの流体ナノチャネルを備え、前記第1及び第2の横断のセグメントは、浅いセグメントであり、あるいは幅広のセグメントである、
請求項1乃至3の何れかのナノ流体の分析装置。 - 前記分析装置は、前記交差点と組み合う前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルとして複数の並列な流体輸送ナノチャネルを備える、
請求項1乃至3の何れかのナノ流体の分析装置。 - 前記分析装置は、長軸方向に離れて間隔があいている複数の交差点を有する、少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルを備え、各交差点は、(i)前記流体輸送ナノチャネルを横切って互いに対向する第1及び第2セグメントを有し、各電極に各々伝達する流体ナノチャネル、又は、(ii)前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの対向している側に当っている2つの横断電極、の一方を有している、
請求項1乃至3の何れかのナノ流体の分析装置。 - 前記装置は、前記流体輸送ナノチャネルのセグメントを横切って互いに対向する第1及び第2の横断のセグメントを有しており、前記各電極に各々伝達する、前記少なくとも1つの流体ナノチャネルを備え、前記第1及び第2の横断のセグメントは、浅いセグメントであり、あるいは幅広のセグメントである、
請求項4又は5の装置。 - 前記装置は、前記交差点と組み合う前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルとして複数の並列な流体輸送ナノチャネルを備える、
請求項4又は5の装置。 - 前記装置は、長軸方向に離れて間隔があいている複数の交差点を有する、少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルを備え、各交差点は、(i)前記流体輸送ナノチャネルを横切って互いに対向する第1及び第2セグメントを有し、各電極に各々伝達する流体ナノチャネル、又は、(ii)前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの対向している側に当っている2つの横断電極、の一方を有している、
請求項4又は5の装置。 - 装置に少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルを提供するステップであり、前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルは、(i)前記流体輸送ナノチャネルと流体連通する前記流体輸送ナノチャネルを横切って互いに対向する第1及び第2セグメントを有し、各電極に各々伝達する少なくとも1つの流体横断ナノチャネル、又は、(ii)前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの対向している側に当っている第1及び第2横断電極、の一方を含む交差点を有する、ステップと、
第1に、各流体輸送ナノチャネルにおいて巨大分子を注入又は捕獲する為に、前記少なくとも1つの流体横断ナノチャネルの前記第1及び第2セグメント又は前記第1及び第2横断電極に、電気的にバイアスを印加するステップと、
第2に、全てのバイアスを電気的に取り除くことにより、前記各流体輸送ナノチャネルにて前記巨大分子が平衡な配座において緩むステップと、
第3に、分析のために前記各流体輸送ナノチャネルを介する前記巨大分子の移行を制御する前記各流体輸送ナノチャネルに沿ってのみバイアスを電気的に印加するステップと、
を含む巨大分子の分析方法。 - 前記装置は、前記第1及び第2セグメントを有する前記少なくとも1つの流体横断ナノチャネルを備え、前記第1及び第2セグメントは、幅広、浅いセグメントであり、
あるいは、前記浅いセグメントは、より深いセグメントに併合し、前記各流体輸送ナノチャネルに直交し又は並列である、
請求項16の巨大分子の分析方法。 - 前記装置は、流体分析のチップであり、前記巨大分子は、DNA、RNA、ペプチド、たんぱく質、又は他の生物学の分子、又は合成巨大分子である、
請求項16又は17の何れかの巨大分子の分析方法。 - 前記電気的に印加するステップ及び/又は取り除くステップは、前記各流体輸送ナノチャネル内の規定された位置において、検体分子の光学検出によってトリガされる、
請求項16乃至18の何れかの巨大分子の分析方法。 - 前記電気的に印加するステップ及び/又は取り除くステップは、前記各流体輸送ナノチャネル内の規定された位置における、イオン電流、トンネル電流、又は電界効果トランジスタの測定値を用いる検体分子の電気的な検出によってトリガされる、
請求項16乃至19の何れかの巨大分子の分析方法。 - 分析の為に、前記各流体輸送ナノチャネル中、及び前記流体輸送ナノチャネルを介して、選択的に、各巨大分子を注入、捕獲、及び輸送する為に、前記バイアスを印加すること及び取り除くことの自動化されたサイクルを起こす為に、前記交差点の前に、前記各流体輸送ナノチャネルの第1部分において、検体の通路に関連する電圧チャージを電気的に検出するステップを、更に含む、
請求項16乃至20の何れかの巨大分子の分析方法。 - 前記巨大分子の流体力学的なサイズよりも小さな浅いセグメントの幅又は深さに基づいて、前記巨大分子が前記浅いセグメントに入り込むことを防止するステップを含む、
請求項16乃至21の何れかの巨大分子の分析方法。 - 前記交差点は、第1上流セグメントと第2下流セグメントとの間の前記各流体輸送ナノチャネルを横切って延びており、前記電気的に印加するステップが実行され、前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの前記第2下流セグメントにおける場の強さよりも50x−1000x大きい又は小さい、前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの前記第1上流セグメントにおける場の強さを生成する、
請求項16乃至22の何れかの巨大分子の分析方法。 - 前記回路は、前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの前記第1上流セグメントにおける場の強さが、前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの前記第2下流セグメントにおける場の強さよりも50x−1000x大きく又は小さくなるように、前記少なくとも1つの流体輸送ナノチャネルの前記第1上流セグメントと前記第2下流セグメントとにおけるかなり異なる場の強さを生成するように構成されている、
請求項1のナノ流体の分析装置。
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