JP7124136B2 - 制御破壊を用いた複数のマイクロ流体チャネルアレイにおけるナノポアセンサの一体化 - Google Patents
制御破壊を用いた複数のマイクロ流体チャネルアレイにおけるナノポアセンサの一体化 Download PDFInfo
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Description
本出願は、2014年12月19日に出願された米国仮出願第62/094,669号の優先権の利益を主張する。上記出願の開示内容全体を、本明細書に援用する。
バイスに十分に役立つ。マイクロ流体デバイスに固有の先進的なサンプルハンドリング・処理能力を、その場でのナノポア作製と組み合わせることにより、一体化に伴う様々な問題の緩和と、センシングプラットフォームの応用範囲拡大が期待される。この作製技術に関するさらなる詳細については、発明の名称が「Fabrication of Nanopores using High Electric Fields」であり、内容全体が本明細書に援用される、米国特許出願公開第2015/0108808号から明らかである。
と向かい合うようにして中間層上に配置された第2の基板と、膜の表裏に配置された一対の電極と、を含む。一対の電極は、膜の両側に電位差を発生させる。中間層の1つ以上のビアは、1本以上のマイクロ流体チャネルを膜の露出面と流体的に連結し、ビアの中と周囲で均一な電場を発生させるように構成されている。いくつかの実施形態では、膜の両側の電位差が、0.1ボルト/ナノメートルより大きい値を有する電場を生じる。
板15との間に配置された支持体16からなる。支持体16は、対向する平面13を画定する誘電薄膜12を保持するように構成されている。例示目的で、上側の基板14には単一のマイクロ流体チャネル4が形成され、これより大きな共通に使用されるマイクロ流体チャネル5が、下側の基板15に形成されている。電圧源18に電気的に連結された1対の電極17を使用し、マイクロ流体チャネル4、5の各々に1つずつ電極をおいて、膜の両側に電位差を発生させる。以下でさらに説明するように、電極を異なる配置にして装置に上述したよりも多くのマイクロ流体チャネルを設けてもよい。
Inc. SN100-A20Q05)を有する市販のシリコンチップ(例えば、フレームサイズ3mm)が支持体16として機能し、これをアーキテクチャの異なる複数のマイクロ流体チャネルアレイ間に実装した。図2Aを参照すると、本明細書に提示された装置10’は、独立して扱うことが可能な5本のマイクロ流体チャネル21を膜12の片側に含む形状を利用し、膜12の反対側には、1本の共通に使用されるマイクロチャネル22で通じていた。具体的には、装置10’は、図2Bで最もよくわかる、膜12で幅15μmまで次第に細くなる幅200μmの太いチャネル(高さ50μm)である独立した5本のマイクロ流体チャネル21からなるアレイを含んでいた。独立した5本のチャネル21は各々、互いに25μmずつ離れている。この実施形態では、独立した5本のマイクロ流体チャネルを示したが、他の実施形態では、これよりも多いまたは少ない数のマイクロ流体チャネルを形成してもよいことは、容易に理解できよう。
て膜12の両側に電位差を発生させる。一組の電極30は、膜の下に位置する基準電極33と、膜の上に位置する2つ以上の追加の電極32とを含む。具体的には、2つの電極32は、上側の基板のマイクロ流体チャネルに配置されるのに対し、基準電極33は、下側の基板の共通に使用されるマイクロ流体チャネルに配置される。2つの追加の電極32は、膜全体の電場が均一になるように膜に対して配置される。例えば、追加の電極32のうち一方が膜の上流に配置され、追加の電極32のうち他方は膜の下流に配置されてもよい。2つの追加の電極の他の配置も、本開示によって企図される。
膜の中央に局在化させ、イオン溶液に曝露される膜の面積を最小化することによって高周波電気ノイズをさらに低減するように設計された。この第2の構成では、幅が15μmと一定で長さが40μmから120μmまで変化する矩形の開口がアレイ状に設けられた厚さ200μmのPDMS層を使用して、膜の中心を覆う十分に画定された領域にマイクロ流体チャネルを連結するマイクロ流体ビアを形成した。独立したチャネルを接着できる薄い(200μm)マイクロ流体ビア層を作製するために、脱気したPDMSをそのマスターモールドにスピンコートし(500rpmで5秒、続いて800rpmで10秒間)、ホットプレートに直接置いて80℃で30分間、硬化させた。SiN膜の上にマイクロ流体ビアと独立したチャネル層を正確に配置するために、すべてのアライメントステップを、OAI DUV/NUVマスクアライナー(モデル206)を用いて行った。次に、この層を初期設計と同様に独立した5本のPDMSマイクロ流体チャネルのアレイに接着した。上述の点を除いて、装置10’’の第2の実施形態を、図3A~図3Cとの関連で説明した方法と同じ方法で作製した。
Modeling SoftwareのElectric Currentsモジュールにおけるコンピュータ上の研究を使用して、電場をモデル化した。両方の形状を、最初に完全な膜(すなわち膜に水溶液の流通がない)で調べ、次いでナノポアあり(膜に20nmの流体導管がある状態)で調べた。
電流および応答時間を変化させ、破壊イベントに続いて所望の結果として得られるナノポアサイズを達成することができるが、本明細書で説明するサイズは、典型的には直径2nm未満(タイトなカット条件)であった。次に、このプロセスを、上側の流体的に分離された各マイクロチャネルで繰り返し、単一の膜上であるが異なるマイクロ流体チャネルにおいて、独立して扱うことが可能なナノポアを形成する。ナノポアの作製後、Axopatch 200B(Molecular Devices)低雑音電流増幅器を用いて、電気的キャラクタリゼーションと単一分子センシングのセンシティブな測定を行った。
露出領域の量に起因するという議論と一致する。しかしながら、5チャネルデバイスの最小のマイクロビア(40×15μm2)を使用して、膜の露出領域が350分の1の約6×102μm2まで小さくなると、高周波ノイズが大幅に低減される。このノイズ低減は、図8Bに示す電圧を印加しない各デバイスのベースラインのイオン電流トレースによってさらに際立つが、ここで、100kHz帯域幅でのピークツーピークノイズは、マイクロビアのある構成では2分の1に減少(帯域幅10kHzで5)し、RMSノイズは10kHzで7分の1、100kHzの帯域幅では2分の1に減少する。
り入れるために、スクリューバルブ、空気圧バルブ、ソレノイドバルブなどの様々な手法を使用することができる。
作製と生体分子センシング用の可変の流体抵抗および電気抵抗器を含むという点で、デバイスのスケーラビリティと機能性のために必要である。また、バルブおよびチャネルの断面の疎水性を保持することは、作製とセンシング時に膜全体の電場の大きさと均一性を制御するのに使用される高抵抗シールを得るために重要であることにも留意されたい。これは、組み立て前にデバイスの各層を化学処理することで達成され、バルブ断面を親水性のままにするコンタミナントを除去するために膜をプラズマ処理する必要がなくなる。
され」、「直接的に接続され」または「直接的に連結され」といわれる場合、介在する要素または層は存在しない。要素間の関係を記述するために使用される他の単語は、同様のやり方で解釈されるべきである(例えば、「間」と「直接」、「隣接」と「直接隣接」など)。本明細書で使用する場合、「および/または」という語は、関連する列挙された項目の1つまたは複数の任意のおよびすべての組み合わせを含む。
Claims (20)
- 膜に1つ以上のナノポアを作製するための装置であって、
共通に使用されるマイクロチャネルが露出面に形成された第1の基板であって、前記露出面に前記膜が配置されるとともに対向する平面を画定する、前記第1の基板と、
内側の面に1本以上のマイクロ流体チャネルが形成された第2の基板であって、前記1本以上のマイクロ流体チャネルが前記膜によって前記共通に使用されるマイクロチャネルから流体的に分離されるように前記内側の面が前記膜と向かい合うようにして前記膜の上に配置された前記第2の基板と、
前記膜の表裏に配置されて前記膜の両側に電位差を発生させるように動作する一組の電極と、を備え、
前記1本以上のマイクロ流体チャネルは、前記膜に隣接して通り、前記膜の領域全体に前記膜の前記平面に垂直な面を挟んで対称に電場を形成するように構成され、
前記一組の電極は、前記共通に使用されるマイクロチャネルに配置された第1の電極と、前記1本以上のマイクロ流体チャネルに配置された第2の電極とを含み、
前記マイクロ流体チャネルに、電解質溶液を通すことが可能であり、
前記1本以上のマイクロ流体チャネルは、前記膜の上を通る複数本のマイクロ流体チャネルとして形成され、前記複数本のマイクロ流体チャネルは、前記膜に隣接する領域において互いに対称に配置されている、
装置。 - 前記一組の電極のうちの第1の電極が前記1本以上のマイクロ流体チャネルに配置され、前記1本以上のマイクロ流体チャネルが前記電極よりも下流でループを形成し、前記ループの一部が前記膜の上を通っている、請求項1に記載の装置。
- 前記マイクロ流体チャネルは、前記膜に隣接する領域において実質的にまっすぐかつ互いに平行である、請求項1に記載の装置。
- 前記1本以上のマイクロ流体チャネルに配置され、前記1本以上のマイクロ流体チャネルを通る流体流の量を制御するように動作する制御バルブをさらに備える、請求項1に記載の装置。
- 前記1本以上のマイクロ流体チャネルに配置され、前記1本以上のマイクロ流体チャネルを通る電流の量を制御するように動作する制御バルブをさらに備える、請求項1に記載の装置。
- 前記制御バルブは、空気圧源と流体的に連結され、前記空気圧源によって作動されるエラストマーポリマーとして形成される、請求項4に記載の装置。
- 前記第2の基板には、前記内側の面にマイクロ流体チャネルのアレイが形成され、前記マイクロ流体チャネルのアレイの各マイクロ流体チャネルは、前記膜の一部を通過し、少なくとも2つの制御バルブが内部に配置され、一方のバルブは前記膜よりも上流に配置され、他方のバルブは前記膜よりも下流に配置されている、請求項1に記載の装置。
- 前記一組の電極における前記電極のうちの1つに電気的に接続され、前記1本以上のマイクロ流体チャネルのうちの1本と前記共通に使用されるマイクロチャネルとの間を流れる電流を測定するように動作可能な電流センサと、
前記電流センサとインタフェースされたコントローラと、をさらに備え、
前記コントローラは、前記膜を貫通するポアの形成を示す前記測定された電流の急な増加を検出し、前記測定された電流の前記急な増加の検出に応答して、前記膜の両側に発生させた電位差を消失させる、請求項1に記載の装置。 - 前記1本以上のマイクロ流体チャネルは、寸法がミクロンのオーダーである、請求項1に記載の装置。
- 前記1本以上のマイクロ流体チャネルは、寸法がナノメートルのオーダーである、請求項1に記載の装置。
- 対向する平面を画定し、少なくとも1つの誘電体層で構成される膜に、1つ以上のナノポアを作製するための装置であって、
共通に使用されるマイクロチャネルが露出面に形成された第1の基板と、
前記第1の基板の前記露出面上に配置され、膜を保持するように構成された支持体と、
内側の面に1本以上のマイクロ流体チャネルが形成された第2の基板であって、前記1本以上のマイクロ流体チャネルが前記膜によって前記共通に使用されるマイクロチャネルから流体的に分離されるように、前記内側の面が前記支持体と向かい合うようにして前記支持体の上に配置された前記第2の基板と、
前記膜の表裏に配置された一対の電極と、を備え、
前記一対の電極は、前記膜の両側に電位差を発生させ、前記1本以上のマイクロ流体チャネルは、前記膜に隣接して通り、前記膜の領域全体に前記膜の前記平面に垂直な面を挟んで対称に電場を形成するように構成され、
前記一対の電極は、前記共通に使用されるマイクロチャネルに配置された第1の電極と、前記1本以上のマイクロ流体チャネルに配置された第2の電極とを含み、
前記マイクロ流体チャネルに、電解質溶液を通すことが可能であり、
前記1本以上のマイクロ流体チャネルは、前記膜の上を通る複数本のマイクロ流体チャネルとして形成され、前記複数本のマイクロ流体チャネルは、前記膜に隣接する領域において互いに対称に配置されている、
装置。 - 前記一対の電極のうち前記一方が前記1本以上のマイクロ流体チャネルに配置され、前記1本以上のマイクロ流体チャネルが前記電極よりも下流でループを形成し、前記ループの一部が前記膜の上を通っている、請求項11に記載の装置。
- 前記1本以上のマイクロ流体チャネルは、前記膜の上を通る複数本のマイクロ流体チャネルとして形成され、前記マイクロ流体チャネルは、前記膜に隣接する領域において実質的にまっすぐかつ互いに平行である、請求項11に記載の装置。
- 前記1本以上のマイクロ流体チャネルに配置され、前記1本以上のマイクロ流体チャネルを通る流体流の量を制御するように動作する制御バルブをさらに備える、請求項11に記載の装置。
- 前記1本以上のマイクロ流体チャネルに配置され、前記1本以上のマイクロ流体チャネルを通る電流の量を制御するように動作する制御バルブをさらに備える、請求項11に記載の装置。
- 前記制御バルブは、空気圧源と流体的に連結され、前記空気圧源によって作動されるエラストマーポリマーとして形成される、請求項15に記載の装置。
- 前記第2の基板には、前記内側の面にマイクロ流体チャネルのアレイが形成され、前記マイクロ流体チャネルのアレイの各マイクロ流体チャネルは、前記膜の一部を通過し、少なくとも2つの制御バルブが内部に配置され、一方のバルブは前記膜よりも上流に配置され、他方のバルブは前記膜よりも下流に配置されている、請求項11に記載の装置。
- 前記電極のうちの1つに電気的に接続され、前記1本以上のマイクロ流体チャネルのうちの1本と前記共通に使用されるマイクロチャネルとの間を流れる電流を測定するように動作可能な電流センサと、
前記電流センサとインタフェースされたコントローラと、をさらに備え、
前記コントローラは、前記膜を貫通するポアの形成を示す前記測定された電流の急な増加を検出し、前記測定された電流の前記急な増加の検出に応答して、前記膜の両側に発生させた電位差を消失させる、請求項11に記載の装置。 - 前記1本以上のマイクロ流体チャネルは、寸法がミクロンのオーダーである、請求項11に記載の装置。
- 前記1本以上のマイクロ流体チャネルは、寸法がナノメートルのオーダーである、請求項11に記載の装置。
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