KR20150132125A - 거대분자의 통제된 포획, 고정, 및 전달을 위한 통합된 부품을 가진 나노유체 장치 및 관련 분석 방법 - Google Patents

거대분자의 통제된 포획, 고정, 및 전달을 위한 통합된 부품을 가진 나노유체 장치 및 관련 분석 방법 Download PDF

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존 마이클 램지
로랭 메나드
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더 유니버시티 오브 노쓰 캐롤라이나 엣 채플 힐
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Abstract

거대분자 포획, 고정, 및 전달의 통제를 위한 장치는 분자 전달 역학의 미세 통제를 가능하게 하고 관심 있는 분석, 예를 들어, 분자 확인, 길이 결정, 국지화된 (탐침) 매핑 등을 용이하게 하는 (얕은) 구역을 가진 하나 이상의 횡단 나노채널 및/또는 통합된 횡단 전극과 교차하고 유체 소통하는 하나 이상의 유체 전달 나노채널을 포함한다.

Description

거대분자의 통제된 포획, 고정, 및 전달을 위한 통합된 부품을 가진 나노유체 장치 및 관련 분석 방법{NANOFLUIDIC DEVICES WITH INTEGRATED COMPONENTS FOR THE CONTROLLED CAPTURE, TRAPPING, AND TRANSPORT OF MACROMOLECULES AND RELATED METHODS OF ANALYSIS}
<관련 출원>
본원은 2013년 2월 28일에 출원된 미국 가출원 61/770,586호의 우선권의 이익을 주장하며, 그 내용은 본원에서 전체로서 인용된 것과 같이 참조문헌으로 본원에 포함된다.
<정부 지원의 진술>
본 발명은 국립 보건원에 의해 부여된 허가 번호 HG002647 하에서 정부의 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에서 특정한 권리를 갖는다.
<기술 분야>
본 발명은 유체 소자공학 및 나노채널을 사용한 분자의 검출/특정 및/또는 측정에 관한 것이다.
랩-온-어-칩(lab-on-a-chip) 유체 장치에 나노 규모 부품을 포함시키는 것에 대해 상당한 최근의 관심이 있었다. 이러한 관심은 마이크로 규모에서 나노 규모로의 이동에서의 여러 이점(및 유리한 영향을 줄 수 있는 차이)에 근원한다. 이러한 차이는, 예를 들어, 이중-층 중첩(DLO) 및 이의 전기-삼투 및 전하 선택투과성에 대한 영향, 국지화된 전계 상승, 더 높은 표면적 대 체적 비, 큰 합성 및 바이오 중합체에 대한 구속 효과, 및 엔트로피 효과의 중요성의 발생을 포함한다. 예를 들어 문헌 [Yuan et al., Electrophoresis 2007, 28, 595-610; Schoch et al., Rev. Mod. Phys. 2008, 80, 839-883; and Kovarik et al., Anal. Chem. 2009, 81, 7133-7140]을 참고하기 바란다. 나노 규모 장치의 역사적인 예는 나노 규모 공극을 가진 여과 막 및 크로마토그래피 분리에서의 다공성 매질 및 겔의 사용을 포함한다. 예를 들어 문헌 [Lerman et al., Biopolymers 1982, 21, 995-997; and Tong et al., M. Nano Lett. 2004, 4, 283-287]을 참고하기 바란다. 그러나 최근의 노력은 유체 및 분석물 전달을 위한 구조적으로 잘-정의된 도관의 제작 및 이들을 장치로 이음매 없이 통합하는 것에 집중되었다. 예를 들어 문헌 [Volkmuth et al., Nature 1992, 358, 600-602; and Striemer et al., Nature 2007, 445, 749-753]을 참고하기 바란다. 이러한 규칙적인 구조의 이점은 압력 및 전계 구배, 유체 유동, 및 그 안에 포함된 분자 운동이 보다 복잡한 네트워크에서의 이들 성질에 비해 상대적으로 간결하다는 것이다. 이들 시스템을 정의, 특정 및 용이하게 모델링할 수 있는 능력은 예를 들어 분리 메커니즘 및 단일 분자 물리학을 더 잘 이해하도록 할 수 있다. 예를 들어 문헌 [Volkmuth et al., Nature 1992, 358, 600-602; Reisner et al., Phys. Rev. Lett. 2005, 94, 196101; and Salieb-Beugelaar et al., Lab Chip 2009, 9, 2508-2523]을 참고하기 바란다.
나노유체 장치를 제조하는 최근 FIB 밀링 기술이 개시되었다. 문헌 [Menard et al., Fabrication of Sub-5 nm Nanochannels in Insulating Substrates Using Focused Ion Beam Milling, Nano Lett. 2011, 11, 512-517](2010년 12월 20일 발행); 및 나노채널의 제조 방법, 시스템 및 장치라는 제목으로 2010년 9월 21일에 출원된 미국 가출원 61/384,738호(및 관련 PCT 출원 PCT/US2011/052127)를 참조하기 바라며, 그 내용은 본원에서 전체로서 인용된 것과 같이 참조문헌으로 본원에 포함된다. FIB 밀링에 더하여, 예를 들어, 전자 빔 리소그래피, 나노임프린트 리소그래피, 포토리소그래피, 주형 또는 성형 전략, 및 당업자가 이해하는 다른 방법을 포함한 나노채널 제조에 적합한 다양한 다른 방법이 사용될 수 있다.
단일-분자 감지 및/또는 핵산 서열 분석을 위한 통합된 소형 전극(나노 또는 마이크로 규모)을 가진 것을 포함한 다수의 나노유체 장치가 제안되었다. 장치 부품으로 전극을 포함시키는 것은 어려운 제조를 요할 수 있고 전극 기하형태의 작은 차이는 장치 간의 큰 변동을 가져올 수 있다. 또한, 형광-기반 시스템은 통상적으로 초당 약 400 프레임 이하의 제한된 주기 해상도를 가질 수 있고 비교적 크고/크거나 비싼 광학 및 이미징 부품을 요할 수 있다. 다른 장치 설계 및/또는 평가 기술이 여전히 요구된다.
본 발명의 실시태양은 현저하게 상이한 전계 강도 세그먼트를 가진 각각의 나노채널의 동전기학 통제를 사용하고/하거나 농도 분극을 사용함으로써 감소된 단편화 발생으로 매우 큰 거대분자의 포획을 가능하게 하는 분석되는 분자(거대분자)의 회전 반경보다 작은 임계 치수를 가진 나노채널을 통한 포획, 고정, 및 전달을 용이하게 하는 장치를 제공하도록 형성된다.
본 발명의 실시태양은 DNA를 매우 빠르게 전달 채널의 나노채널 입구로 이끌고 분자가 나노채널로 스레딩되기 위한 엔트로피 장벽을 극복하기에 충분한 힘을 가하는 장치를 제공한다. DNA는 나노채널의 제1 부분을 통해 빠르게 전달될 수 있지만 이어서 횡단 전극 또는 나노유체 요소와의 교차점에서 속도의 감소를 경험한다.
본 발명의 실시태양은 예를 들어, 분자 확인, 길이 결정, 국지화된 (탐침) 매핑 등의 관심있는 특성 또는 파라미터를 확인하도록 하나 이상의 유체 전달 나노채널과, 인접한 얕은 구역을 갖고 전달 나노채널과 유체 소통하는 하나 이상의 나노채널 및/또는 통합된 전극을 가진 DNA 분석용 칩과 같은 장치를 제공한다.
본 발명의 실시태양은 나노유체 분석 장치에 대한 것이다. 장치는 하나 이상의 유체 전달 나노채널 및 각각의 유체 전달 나노채널의 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트를 정의하도록 하나 이상의 유체 전달 나노채널의 끝 부분 사이의 거리에 있는 교차점에서 유체 전달 나노채널 세그먼트의 반대 측에 두 얕은 세그먼트를 가진 하나 이상의 유체 나노채널을 포함한다. 장치는 또한 각각의 얕은 세그먼트와 소통하는 제1 및 제2 전극, 유체 전달 나노채널의 입구 끝 부분과 소통하는 제1 전극, 유체 전달 나노채널의 출구 끝 부분과 소통하는 제2 전극 및 거대분자를 통제 가능하게 주입, 고정 및 전달하도록 전극의 동작을 통제하도록 형성된 회로를 포함한다. 동작 중에, 제1 및 제2 세그먼트는 거대분자가 평형을 이루거나 저속으로 움직이도록 현저하게 상이한 전계 강도를 가짐으로써 거대분자를 고정할 수 있다.
얕은 세그먼트는 더 깊은 세그먼트에 통합될 수 있고 유체 전달 나노채널에 직교할 수 있다.
얕은 세그먼트는 더 깊은 세그먼트에 통합될 수 있고 유체 전달 채널에 평행할 수 있다.
장치는 유체 분석 칩 및 DNA, RNA, 펩타이드, 단백질의 분자, 또는 다른 생물학적 또는 합성 거대분자를 하나 이상의 유체 전달 나노채널 내에 한정하도록 기판에 밀봉된 덮개를 포함할 수 있다.
다른 실시태양은 하나 이상의 유체 전달 나노채널 및 전달 나노채널의 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트를 정의하도록 하나 이상의 전달 채널의 마주보는 제1 및 제2 끝 부분 사이의 거리에 있는 전달 나노채널과의 교차점에서 하나 이상의 유체 전달 나노채널의 반대 측에 인접하는 두 횡단 통합된 전극을 가진 장치에 대한 것이다. 동작 중에, 제1 및 제2 세그먼트는 현저하게 상이한 전계 강도를 가진다.
장치는 유체 전달 나노채널에 현저하게 상이한 전계 강도를 발생시키고 유체 전달 나노채널을 통해 거대분자를 통제 가능하게 주입, 고정 및 전달하도록 유체 전달 나노채널의 제1 및 제2 끝 부분 및 횡단 전극에 선택적으로 전압을 가하도록 형성된 기판 위에 적어도 부분적으로 있고/있거나 기판과 소통하는 회로를 포함할 수 있다.
또 다른 실시태양은 나노유체 분석 시스템에 대한 것이다. 시스템은 (i) 유체 전달 나노채널을 가로질러 서로 마주보고, 각각의 전극과 소통하는 제1 및 제2 세그먼트를 가진 하나 이상의 유체 나노채널 또는 (ii) 하나 이상의 유체 전달 나노채널의 반대 측에 인접하는 두 횡단 통합된 전극과의 교차점을 가진 하나 이상의 유체 전달 나노채널을 가진 장치를 포함한다. 교차점은 각각의 유체 전달 나노채널의 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트를 정의하도록 하나 이상의 유체 전달 나노채널의 마주보는 끝 부분 사이의 거리에 있다. 장치는 또한 하나 이상의 유체 전달 나노채널을 통해 거대분자를 선택적으로 고정하고 전달하도록 전극에 전압을 가하도록 형성된 전원을 가진 회로를 포함한다.
장치는 유체 전달 나노채널 세그먼트를 가로질러 서로 마주보고, 각각의 전극과 소통하는 제1 및 제2 세그먼트를 가진 하나 이상의 유체 나노채널을 포함할 수 있고, 제1 및 제2 세그먼트는 얕은 세그먼트일 수 있다.
제1 및 제2 세그먼트는 넓은 세그먼트일 수 있다.
장치는 각각의 교차점과 협력하는 복수의 평행하는 유체 전달 나노채널을 포함할 수 있다.
장치는 복수의 세로로 떨어져 배치된 교차점을 가진 하나 이상의 유체 전달 나노채널을 포함할 수 있고, 각 교차점은 (i) 유체 전달 나노채널을 가로질러 서로 마주보고, 각각의 전극과 소통하는 제1 및 제2 세그먼트를 가진 유체 나노채널 또는 (ii) 하나 이상의 유체 전달 나노채널의 반대 측에 인접하는 두 횡단 통합된 전극을 가진다.
또 다른 실시태양은 거대분자의 분석 방법에 대한 것이다. 방법은: (a) (i) 각각의 전극과 소통하는 전달 채널과 유체 소통하는 유체 전달 나노채널 세그먼트를 가로질러 서로 마주보는 제1 및 제2 세그먼트를 가진 하나 이상의 유체 나노채널 또는 (ii) 하나 이상의 유체 전달 나노채널의 반대 측에 인접하는 제1 및 제2 횡단 통합된 전극을 포함하는 교차점을 가진 하나 이상의 유체 전달 나노채널을 가진 장치를 제공하는 단계, (b) 유체 전달 채널에 거대분자를 주입 또는 고정하도록 제1 및 제2 세그먼트 또는 제1 및 제2 횡단 전극에 바이어스를 전기적으로 가하는 단계; (c) 거대분자가 평형 형태로 안정되도록 모든 바이어스를 전기적으로 제거하는 단계; 및 (d) 나노채널을 통한 거대분자의 위치 변경을 통제하는 전달 나노채널에만 바이어스를 전기적으로 가하는 단계를 포함한다.
장치는 제1 및 제2 세그먼트를 가진 하나 이상의 유체 나노채널을 포함할 수 있고, 제1 및 제2 세그먼트는 넓고, 얕은 세그먼트일 수 있다.
얕은 세그먼트는 더 깊은 세그먼트에 통합될 수 있고 유체 전달 나노채널에 직교할 수 있다.
얕은 세그먼트는 유체 전달 채널에 평행한 더 깊은 세그먼트에 통합될 수 있다.
장치는 유체 분석 칩일 수 있고 거대분자는 DNA, RNA, 펩타이드, 단백질의 분자, 또는 다른 생물학적 또는 합성 거대분자일 수 있다.
전기적으로 가하는 및 제거하는 단계는 타이밍 알고리즘 및/또는 타이밍 회로의 지시하에서 수행될 수 있다.
전압 단계는 전달 나노채널 내의 정의된 위치에서 분석물 분자의 광학적 검출에 의해 촉발될 수 있다.
전압 단계는 전달 나노채널 내의 정의된 위치에서 이온 전류, 터널 전류, 또는 전계 효과 트랜지스터 측정을 사용한 분석물 분자의 전기적 검출에 의해 촉발될 수 있다.
방법은 분석을 위해 유체 전달 나노채널 내에 및 이를 통해 각각의 거대분자를 선택적으로 주입, 고정 및 전달하도록 바이어스를 가하고 제거하는 자동화된 사이클을 개시하도록 교차점 전의 유체 전달 나노채널의 제1 부분에서 분석물의 통과와 관련된 전압 변화를 전자적으로 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
한 실시태양에 관하여 기술한 본 발명의 측면은, 구체적으로 기술하지 않았더라도 상이한 실시태양에 포함될 수 있다는 것을 주지하지 바란다. 즉, 모든 실시태양 및/또는 임의의 실시태양의 특징은 임의의 방식 및/또는 조합으로 결합될 수 있다. 출원인은 그러한 방식으로 최초에 청구되지 않았더라도 임의의 최초 출원 청구항을 보정하고/하거나 임의의 다른 청구항 또는 청구항들의 임의의 특징을 포함시킬 수 있는 권리를 포함하여 임의의 최초 출원 청구항을 변경하고/하거나 이에 대해 임의의 신규 청구항을 출원할 권리를 가진다. 본 발명의 이들 및 다른 목적 및/또는 측면을 아래에서 기술하는 발명의 상세한 설명에서 자세히 설명한다. 본 발명의 추가적인 특징, 이점 및 세부사항은 도면 및 이어지는 바람직한 실시태양의 상세한 설명을 읽음으로써 당업자에게 이해될 것이며, 이러한 설명은 본 발명의 설명에 불과하다.
도 1은 본 발명의 실시태양에 따른 전달 나노채널에 인접하여 위치한 넓고, 얕은 나노유체 채널을 가진 장치의 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 실시태양에 따른 전달 나노채널의 예시적인 전계 강도, 세그먼트 내의 이온 저항(R) 및 세그먼트의 길이(L)를 나타내는 도 1과 유사한 장치의 개략도이다.
도 2b는 본 발명의 실시태양에 따른 전달 나노채널 옆에 위치한 통합된 횡단 전극을 포함하는 나노유체 분석 장치의 다른 실시태양이다.
도 3a 및 3b는 농도 분극을 사용한 전달 나노채널로의 고분자전해질 도입 및 뒤이은 고정을 위해 형성된 나노채널을 가진 나노유체 장치의 개략도이다[양이온(흑백 인쇄에서 양이온과 구별하기 위해 음이온은 X 표시로 나타낸다)]. 도 3a는 전압이 가해지지 않을 때의 예시적인 이온 분포를 가진 장치를 나타내고, 도 3b는 전달 채널의 출구(V1) 및 두 사이드 채널(V2)에 양의 전압이 가해질 때의 이온 분포를 나타낸다.
도 4a-4c는 본 발명의 실시태양에 따른 세 동작 단계(주입(4a), 평형(4b) 및 전달(4c))를 가진 예시적인 장치의 개략도이다.
도 4d 및 4e는 나노채널에 들어가는 DNA 및 본 발명의 실시태양에 따른 횡단 채널이 있고 없는 DNA에 가해진 관련 힘의 계산의 개략도이다.
도 5a는 본 발명의 실시태양에 따른 장치의 나노채널 네트워크에 단일 전압을 가함으로써 통제될 수 있는 상이한 얕은 채널 기하형태를 가진 거대분자를 전달하는 장치의 개략도이다.
도 5b는 본 발명의 실시태양에 따른 나노채널을 통한 이온 저항을 나타내는 등가 전기 회로의 회로도이다.
도 5c는 도 5a 및 5b와 관련하여 나타낸 장치의 탑-다운 SEM 이미지이다.
도 5d는 본 발명의 실시태양에 따라 독립적으로 각 나노채널에 전압을 가함으로써 거대분자 전달이 통제되는 장치의 개략도이다.
도 5e는 도 5d의 형태와 관련된 4-저장소 장치의 SEM 이미지이다.
도 5f 및 5g는 전달 나노채널 및 얕은 횡단 채널 모두가 FIB 밀링을 사용하여 전체적으로 제작된 다른 예시적인 장치의 탑 다운 SEM 이미지이다.
도 5h는 도 5g에 나타낸 장치의 원자 힘 현미경 프로파일이다.
도 6a는 본 발명의 실시태양에 따른 주입/고정 장치의 명시야 광학 현미경 이미지이다.
도 6b는 본 발명의 실시태양에 따른 나노채널 네트워크에 4V가 가해질 때 0.5X TBE 완충액 내의 형광 염료의 농도 상승 및 고갈을 나타내는 형광 현미경 이미지이다.
도 7은 본 발명의 실시태양에 따른 도 5a에 나타낸 것과 유사한 장치를 통한 λ-DNA의 고정 및 뒤이은 전달을 나타내는 일련의 프레임의 이미지이다. 프레임 속도는 200 ms/프레임이다. 화살표는 언제 표시된 전압이 가해졌는지를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시태양에 따른 도 5a에 나타낸 것과 유사한 장치를 통한 λ-DNA의 전달을 나타내는 일련의 프레임의 이미지이다. 프레임 속도는 4 ms/프레임이다. 4V의 바이어스를 유체 네트워크에 가했다. 실험은 DNA 고정을 감소시키기 위해 고 이온 강도 완충액(10X TBE)을 사용하여 수행되었다. 화살표는 시간에 따른 속도를 나타낸다.
도 9a는 본 발명의 실시태양에 따른 도 5d에 나타낸 것과 유사한 장치를 통한 λ-DNA의 전달에 대한 통제를 나타내는 일련의 프레임의 이미지이다. 프레임 속도는 200 ms/프레임이다. DNA는 정지되거나 20 nm × 20 nm(폭 × 깊이) 전달 나노채널을 통해 저속으로 전달된다. 화살표는 언제/어디에 표시된 전압이 가해졌는지 나타낸다.
도 9b는 본 발명의 실시태양에 의해 가능하게 되는 조정 가능한 처리량 및 속도를 나타내는 V횡단 및 V전달에 다양한 전압을 사용한 사건/s 대 전달 속도(cm/s)의 실험 데이터 그래프이다.
도 10a-10c는 본 발명의 실시태양에 따른 각각의 유체 분석 장치를 사용한 고정, 포획 및 전달의 통제를 위한 전압 및/또는 농도 구배 인가를 위한 다른 나노유체 채널 형태의 개략적인 상면도이다.
도 11a-11c는 본 발명의 실시태양에 따른 각각의 유체 장치에서의 고정, 포획 및 전달의 통제를 위한 전압 인가를 위한 횡단 전극의 다른 예시적인 형태의 개략적인 상면도이다.
도 12는 본 발명의 실시태양에 따른 유체 분석 장치의 동작을 위한 예시적인 회로의 회로도이다.
도 13은 본 발명의 실시태양에 따른 유체 분석 장치의 동작을 위한 다른 예시적인 회로의 회로도이다.
이제 본 발명을 본 발명의 실시태양을 나타내는 첨부 도면을 참조하여 아래에서 보다 자세히 기술할 것이다. 그러나 본 발명은 많은 상이한 형태로 실시될 수 있고 본원에서 제시하는 실시태양에 제한되는 것으로 이해되어서는 안 된다. 번호는 전체를 통해 동일한 요소를 나타낸다. 도면에서, 특정 층, 부품 또는 특징은 명확성을 위해 과장될 수 있고, 달리 특정되지 않은 한 파선은 임의적 특징 또는 동작을 나타낸다. 또한, 동작(또는 단계)의 순서는 달리 특정되지 않은 한 도면 및/또는 청구항에 나타낸 순서에 제한되지 않는다. 도면에서, 선, 층, 특징, 부품 및/또는 구역의 두께는 명확성을 위해 과장될 수 있고 파선은 달리 특정되지 않은 한 임의적 특징 또는 동작을 나타낸다.
본원에서 사용되는 용어는 단지 특정 실시태양을 기술하기 위한 것이고 본 발명을 제한하도록 의도되지 않는다. 본원에서 사용되는 단수형, "한", "하나" 및 "그"는 문맥이 명확히 달리 나타내지 않는 한 복수형을 또한 포함하도록 의도된다. 또한 본 명세서에서 사용되는 용어 "구성되다", "구성되는", "포함하다" 및/또는 "포함되는"은 언급된 특징, 구역, 단계, 동작, 요소, 및/또는 부품의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 구역, 단계, 동작, 요소, 부품, 및/또는 이들의 집단의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해될 것이다. 본원에서 사용되는 용어 "및/또는"은 하나 이상의 관련된 나열된 항목의 임의의 및 모든 조합을 포함한다. 본원에서 사용되는 "X와 Y 사이" 및 "약 X와 Y 사이"와 같은 구절은 X 및 Y를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 본원에서 사용되는 "약 X와 Y 사이"와 같은 구절은 "약 X와 약 Y 사이"를 의미한다. 본원에서 사용되는 "약 X 내지 Y"와 같은 구절은 "약 X 내지 약 Y"를 의미한다.
층, 구역 또는 기판과 같은 특징이 다른 특징 또는 요소 "위"에 있는 것으로 나타냈을 때, 다른 특징 또는 요소 바로 위에 있을 수 있거나 매개 특징 및/또는 요소가 또한 존재할 수 있는 것으로 이해될 것이다. 반면, 요소가 다른 특징 또는 요소 "바로 위"에 있는 것으로 나타냈을 때는 매개 요소가 존재하지 않는다. 또한 특징 또는 요소가 다른 특징 또는 요소에 "연결", "부착" 또는 "결합"된 것으로 나타냈을 때, 다른 요소에 직접 연결, 부착 또는 결합될 수 있거나 매개 요소가 존재할 수 있는 것으로 이해될 것이다. 반면, 특징 또는 요소가 다른 요소에 "직접 연결", "직접 부착" 또는 "직접 결합"된 것으로 나타냈을 때는 매개 요소가 존재하지 않는다. 한 실시태양에 관해 기술하거나 나타냈더라도, 이렇게 기술하거나 나타낸 특징은 다른 실시태양에 적용될 수 있다.
달리 정의되지 않은 한, 본원에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학 용어 포함)는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 기술을 가진 자에게 보통 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 또한 보통 사용되는 사전에 정의된 것과 같은 용어는 본원 및 관련 분야의 문맥에서의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하고 본원에서 명시적으로 정의되지 않은 한 이상화되거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 안된다는 것을 이해할 것이다. 공지의 기능 또는 구성은 간결함 및/또는 명확성을 위해 자세하게 기술하지 않을 수 있다.
"아래", "밑", "아래쪽", "위로", "위쪽" 등과 같은 공간 관계 용어는 한 요소 또는 특징의 도면에 나타낸 다른 요소(들) 또는 특징(들)에 대한 관계의 쉬운 설명을 위해 본원에서 사용될 수 있다. 공간 관계 용어는 도면에 나타낸 배열에 더하여 사용 또는 동작 중인 장치의 상이한 배열을 포함하도록 의도된다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 도면의 장치가 뒤집히면, 다른 요소 또는 특징의 "아래" 또는 "바로 아래"로 기술된 요소는 다른 요소 또는 특징의 "위"에 배열될 수 있다. 따라서, 예시적인 용어 "아래"는 위 및 아래의 배열 모두를 포함할 수 있다. 장치는 다르게 배열될 수 있고(90 도 또는 다른 배열로 회전) 본원에서 사용되는 공간 관계 기술어는 이에 따라 해석된다. 유사하게, 용어 "위쪽으로", "아래쪽으로", "수직", "수평" 등은 달리 특정되지 않은 한 본원에서 단지 설명의 목적으로 사용된다.
용어 제1, 제2 등이 다양한 요소, 부품, 구역, 층 및/또는 구획을 설명하는 데에 사용될 수 있지만, 이들 요소, 부품, 구역, 층 및/또는 구획은 이들 용어에 의해 제한되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다. 이들 용어는 단지 한 요소, 부품, 구역, 층 또는 구획을 다른 구역, 층 또는 구획과 구별하기 위해 사용된다. 따라서, 아래에서 기술하는 제1 요소, 부품, 구역, 층 또는 구획은 본 발명의 교시에서 벗어나지 않고 제2 요소, 부품, 구역, 층 또는 구획으로 칭할 수 있다.
용어 "나노채널"은 나노미터 규모인 임계 치수를 가진 채널 또는 도관을 나타낸다. 나노채널은 측벽 및 바닥을 가진다. 나노채널은 열린 상부 표면 및 닫힌 하부 표면과 그 사이에 연장되는 측벽을 갖도록 고체 기판 내에 형성될 수 있다. 나노채널(들)의 위쪽 표면을 밀봉하거나 다른 방식으로 덮도록 덮개가 사용될 수 있다. 용어 "주요 치수"는 폭 및/또는 깊이 치수를 나타낸다. 유체 전달 나노채널의 주요 치수는 약 1 nm와 약 500 nm 사이일 수 있다. 주요("임계"로도 알려짐) 치수는 둘 다 약 1- 70 nm 사이를 포함하여 통상적으로 약 100 nm 미만이다. 일부 실시태양에서, 하나 이상의 주요 치수는 약 5 nm 이하(평균적으로 또는 최대값으로)일 수 있다.
용어 "약"은 +/- 20 % 이하, 예컨대 +/- 10 % 사이에서 변동할 수 있는 파라미터를 나타낸다.
용어 "횡단" 나노채널은 각각의 유체 전달 나노채널을 가로지르는 유체 나노채널을 나타낸다.
용어 "유체 전달 나노채널"은 분석을 위해 분석물이 이를 통해 흐르는 나노채널을 나타낸다. 분석물은, 예를 들어, 합성 및 생물학적 거대분자, 나노입자, 저분자, DNA, 핵산/다중핵산, 펩타이드, 단백질 등을 포함한 단일 분석물 분자를 포함한 관심있는 임의의 분석물일 수 있다. 나노채널을 통한 전달은 동전기학, 농도 분극 및/또는 수압(강제 압력 또는 압력 구배)을 사용하여 수행될 수 있다.
용어 "얕은"은 전달 나노채널보다 작은 깊이를 갖고 분석물 거대분자의 동수력 크기보다 작은 나노채널 깊이를 나타낸다. 전달 나노채널의 깊이와 관련하여, 얕은 나노채널은 2-100X 사이와 같은 통상적으로 2 이상의 비율로 작은 깊이를 가진다. 따라서, 예를 들어, 얕은 나노채널 세그먼트는 10 nm 이하, 통상적으로 약 0.1 nm와 9 nm 사이일 수 있지만, 전달 나노채널은(얕은 세그먼트에 적어도 근접) 20 nm 이상, 예컨대 20-100 nm 사이인 깊이를 가질 수 있다.
얕은 채널 세그먼트(30s)(도 1, 2a, 3 및 5)은 넓고, 더 깊은 나노유체 채널을 전달 나노채널에 연결하는 저 이온 저항 채널일 수 있다.
용어 "넓은"은 나노채널이 분석을 수행하도록 협력하는(예를 들어, 구동 전압을 제공) 전달 나노채널의 폭의 2X 이상인 폭, 및 보다 통상적으로 인접한 협력 전달 나노채널의 폭의 3X, 4X, 5X, 6X, 7X, 8X, 9X, 약 10X, 약 20X, 약 40X, 약 50X, 약 60X, 약 70X, 약 80X, 약 90X, 또는 약 100X와 같은 3X-100X 사이인 폭을 가진다는 것을 의미한다.
용어 "회로"는 전체적으로 하드웨어 실시태양 또는 소프트웨어 및 하드웨어를 결합하는 실시태양을 나타낸다.
용어 "저속"은 거대분자가 약 0.1 ㎛/s와 약 100 ㎛/s 사이인 속도로 나노채널을 통해 이동하는 것을 의미한다.
용어 "현저하게 상이한 전계 강도"는 전달 채널의 한 쪽(20s1)이 그 동일 채널의 제2 세그먼트(20s2)보다 50X-1000X, 통상적으로 100X-200X, 크거나 작은 전압/cm 전계 강도를 가질 수 있는 것을 의미한다.
용어 "포획"은 전달 나노채널(들)(20)로의 입구(들)에 접근하는 마이크로채널 또는 저장소에 존재하는 분석물 분자가 성공적으로 나노채널로 도입되는 것을 의미한다.
용어 "스레딩(threading)"은 분석물 분자가 초기에 전달 나노채널(20)에 도입되어, 마이크로채널 또는 저장소 내에서 거대분자의 랜덤 코일 형태로부터의 선형화의 실현이 가능하게 하는 단계를 의미한다.
용어 "고정"은 전계 또는 농도 구배 때문에 또는 물리적 장애 때문에 분석물 분자가 전달 채널(20) 내의 특정 위치에, 보통 횡단 나노유체 요소(30)와의 교차점 또는 근처에 부동화되는 것을 의미한다.
일부 특정 실시태양에서, 유체 전달 나노채널(20)(도 1)은 분석물의 윤곽 길이에 실질적으로 상응하거나 이를 초과하는 길이를 가진 도관으로 정의할 수 있다. 나노채널의 폭 및 깊이가 거대분자의 회전 반경보다 작으면, 나노채널 내의 분자의 구속은 필연적으로 분자 연장을 가져온다. 분자의 연장된 형태는 나노채널 폭 및 깊이가 중합체의 지속 길이(이중-가닥 DNA의 경우 ~50 nm)보다 크면 비-침투성 덩어리의 열(예를 들어, 응집)을 포함할 것이다. 다르게는, 나노채널 임계 치수가 지속 길이보다 작으면, 스스로 접힐 수 없는 분자는 반사 막대 형태를 취할 수 있다. 각 경우, 나노채널의 길이를 따른 거대분자의 연장은 단일 분자 특정을 용이하게 한다. 구체적으로, DNA를 나노채널 내에 가두는 것은 크기 확인, 매핑, 분리, 및 후성유전학 분석에 유용한 것으로 밝혀졌다.
일반적으로 말해서, 본 발명의 실시태양에 의해 제공되는 장치 및 시스템은 나노유체 채널로의 대전된 거대분자(예를 들어, DNA, RNA, 단백질, 펩타이드, 합성 중합체)의 도입에 대한 높은 수준의 통제를 가능하게 한다. 이 접근에서, 나노유체 채널의 교차점이 전달 나노채널의 개별 세그먼트 내의 전계 강도에 대한 통제를 제공하도록 사용된다.
단순한 설명으로, 장치(10)의 한 예를 도 1에 나타낸다. 이 실시태양에서, 장치(10)는 얕은 나노채널(30s)을 통해 전달 나노채널(20)에 접하는 횡단 나노유체 요소(30)를 포함한다. 전달 나노채널(20)은 교차 채널의 한 측에 세그먼트(20s1)를 갖고 다른 측에 다른 세그먼트(20s2)를 갖는다. 위에서 언급한 대로, 채널의 각 측(301, 302)은 분석물 거대분자의 동수력 크기 및 전달 나노채널의 깊이보다 작은 깊이의 이들 얕은 세그먼트(30s)를 가질 수 있다. 이는 적절한 동작 조건에서 거대분자가 횡단 채널(30)을 통해 이동하지 않고 전달 나노채널(20)에 남도록 한다. 얕은 세그먼트(30s)는 약 50 nm 내지 약 10 ㎛ 이상의 길이를 가질 수 있다. 각각의 나노채널(30)의 각 측(301, 302)에 대한 얕은 세그먼트(30s)는 동일한 깊이 및/또는 길이 또는 상이한 깊이 및/또는 길이를 가질 수 있다.
얕은 채널 세그먼트(30s)는 더 길고, 넓고, 깊은 나노유체 세그먼트(30w)를 연결하는 저 이온 저항 채널일 수 있다. 통상적으로, 더 넓고, 깊은 세그먼트(30w)는 얕은 세그먼트(30s)와 저장소 또는 마이크로유체 채널(30m) 사이에 있다. 더 넓고, 깊은 세그먼트(30w)는 전달 나노채널(20)의 폭 및 깊이의 3 내지 100 배일 수 있다.
도 2a(비율에 맞지 않음)는 예시적인 장치(10)에 형성된 전달 나노채널(20)의 세그먼트 내의 상이한 전계 강도를 나타낸다. 각각의 나노채널(30, 20)과 유체 소통하는 네 나노채널 배출구(30m, 20m)에 가해지는 전압은 밑줄로 표시한다. 전달 채널 마이크로유체 저장소 또는 배출구(20m)에 가해지는 전압을 각각 0V 및 3V로 나타낸다. 유체 나노채널(20, 30)을 포함하는 장치(10)에서, 전압은 당업자가 이해하는 대로 대응하는 나노채널에 접하는 각각의 유체 저장소에 삽입된 거시적인 전극을 사용하여 가해질 수 있다.
사이드 채널(30)은 그 배출구(30m)에 각각 가해진 3.5V를 가진다. 측정된 이온 저항 R을 채널 세그먼트(20s1, 20s2 및 301, 302)에 대해 나타낸다. 이들 값으로부터, 교차점 "I"에서의 전압을 계산할 수 있다. 마지막으로, 나노채널 세그먼트(20s1, 20s2)의 길이 L이 주어지면, 전계 강도 F1, F2를 확정할 수 있다. 이 예에서, 전달 나노채널의 왼쪽 세그먼트(20s1)에서의 전달은 오른쪽 세그먼트(20s2)에서의 전달보다 165 배 빠르다.
제1 세그먼트(20s1)는 제2 세그먼트(20s2)보다 짧을 수 있고, 통상적으로 더 긴 세그먼트의 길이의 10-50 % 사이인 길이, 보다 통상적으로 더 긴 세그먼트의 그것의 10-20 % 사이인 길이를 가진다.
도 2b는 유사한 기능을 갖지만 횡단 나노채널이 전달 채널(20)에 인접하는 횡단 전극(51, 52)으로 교체된 상이하게 형성된 장치(10)를 나타낸다. 전극(51, 52)은 장치의 기판에 통합되거나 전달 채널(20)에 인접한 장치의 기판에 부착될 수 있다. 횡단 전극은 약 10 ㎛ 내지 약 5 mm 또는 약 2 cm 이하 길이인 길이 L을 가질 수 있고/있거나, 통상적으로 약 1-20 V 사이의 적절한 전압을 제공하도록 다르게 형성될 수 있다. 통합된 전극(51, 52)을 사용하는 장치(10)는 전극 오염/열화때문에 제한된 수명을 나타낼 수 있다. 이는 전극 코팅을 사용하거나 적절한 오염-방지 또는 내오염성 전극 물질을 사용함에 의해 감소되거나 최소화될 수 있다.
이들 장치(10)는 분석물 포획 속도뿐만 아니라, 포획 도중 거대분자에 가해지는 힘, 및 나노채널(20) 내의 이들의 전달 속도에 대한 미세 통제를 제공할 수 있다. 포획 및 전달 역학에 대한 이 통제는 상이한 방식의 장치 동작에 의해 달성될 수 있고, 그 특성은 나노채널 치수 및 동작 조건에 의해 결정된다. 분압기 방식으로 기술할 수 있는 한 동작 방식에서, 각 유체 경로의 저항은 상대적인 나노채널 폭, 깊이, 및 길이의 선택에 의해 만들어진다. 각 나노채널의 전계 강도는 각 나노채널 배출구에 가해지는 전압에 의해 추가적으로 통제된다.
도 2a 및 2b는 교차점 I의 왼쪽에 위치한 전달 나노채널의 부분에서 고 전계 강도가 주어졌을 때, 어떻게 이 동작 방식이 높은 빈도로 분자를 포획하는데 사용될 수 있는지의 예를 나타낸다. 일단 거대분자가 교차점을 지나 이동하면, 도 2a 및 2b의 교차점의 오른쪽에 위치한 전달 나노채널의 부분에서의 약한 전계에 의해 구동되기 때문에 그 속도는 현저히 감소한다. 동작의 분압기 방식은 또한 횡단 유체 요소 대신 통합된 전극을 사용함으로써 달성될 수 있다(도 2b). (금속, 전도성 중합체, 전도성 세라믹 등과 같은 전도성 물질을 포함하는) 이러한 전극(51, 52)은 전극/나노채널 교차점 I에서의 전압을 통제하는 역할을 한다. 저속 전달은 분자가 평형 형태를 상정하고 제한된 시간 해상도를 가진 검출 방법을 분석에 사용할 수 있도록 하기 때문에 거대분자의 "이동중(on-the-fly)" 특정에 유용하다.
도 3a 및 3b는 농도 분극을 사용한 나노채널(20)로의 고분자전해질 도입 및 뒤이은 고정을 위해 설계된 하나 이상의 나노채널(20)을 포함하는 장치(10)의 개략도이다. 양이온은 주황색이고 음이온은 녹색으로 나타낸다(흑백 버전에서는 음영 무늬로). 도 3a는 장치에 전압이 가해지지 않을 때의 이온 분포를 개략적으로 나타낸다. 도 3b는 음이온 강화 및 고갈을 나타내는, 양의 전압이 전달 나노채널의 출구(V1) 및 두 사이드 채널(301, 302)(V2)에 가해질 때의 이온 분포를 나타낸다.
일부 예시적인 동작 방식에서, 나노채널 치수 및 완충액 조건은 나노채널 교차점 I에 농도 분극이 일어나도록 선택된다. 음으로 대전된 표면을 가진 나노채널(예를 들어, 석영 기판에 제작된 나노채널 및 표면 실란올기의 pKa 초과 완충액 pH)의 경우, 음이온의 농도는 교차점 I에서 상승될 수 있는 반면 양이온의 농도는 고갈된다. 이 조건을 실현하는 것은 이들 나노채널 내의 전기적 이중 층의 중첩을 달성하기에 횡단 나노채널(30)이 충분히 얕고/얕거나 완충액의 이온 강도가 충분히 낮다는 것을 의미한다. 농도 분극을 도 3a 및 3b에 개략적으로 나타낸다. 이 형태의 농도 분극 때문에, DNA 및 RNA와 같은 다가음이온성 거대분자는 고 전계 강도의 전달 나노채널에 들어올 수 있고 이어서 나노채널 교차점에 고정된다. 분자가 교차점 I에 고정되거나 교차점을 지난 후 급격히 속도가 낮아지거나, 역학의 변화는 임의적인 속도 및 방향성으로 나노채널을 통한 거대분자 전달을 정밀하게 통제하기 위해 전압을 조절할 충분한 시간을 제공한다. 이러한 동작을 나타내는 형태의 예를 도 4a-c에 나타낸다.
도 3a 및 3b에 나타낸 대로, 얕은 채널 세그먼트(30s)는 중첩되는 전기적 이중 층 가질 수 있다. 당업자가 이해하는 대로, 대전된 표면(실리카 표면은 pH > 3에서 음으로 대전된다)이 용액과 접촉할 때 반대 전하의 이온을 끌어당길 것이다(즉, 유리는 양이온을 끌어당김). 이들 이온의 존재는 표면 전하를 차폐한다. 대전된 표면 근처에서, 벌크 용액에서보다 국지적으로 큰 농도를 가진 반대로 대전된 이온의 층이 존재할 수 있다. 이는 전기적 이중 층(EDL)으로 불린다. 디바이 길이(Debye length)라고 불리는 EDL과 관련된 특징적 길이 규모가 있다. 용액 내의 이온이 이 디바이 길이보다 표면에서 멀면, 표면 전하는 완전히 차폐된다. 만약 디바이 길이보다 표면에 가까우면, 이온은 표면과 정전기 상호작용을 한다(즉, 반대 전하이면 표면에 끌어당겨 지거나 같은 전하이면 반발 될 수 있다). 디바이 길이는 용액 이온 강도의 함수이고, 얕은 나노채널 내의 저 이온 강도 용액의 경우, 반대 표면의 이중 층이 중첩되는 조건이 발생할 수 있다. 전하 반발 때문에, 나노채널 벽과 동일한 전하 극성을 가진 경우 나노채널 내의 이온 농도를 감소시키는 저해 효과가 있다. 반대로, 전하 인력 때문에, 나노채널 벽과 반대의 전하 극성을 가진 경우 나노채널 내의 이온 농도를 증가시키는 상승 효과가 있다. 전달 나노채널(20)과 교차하는 얕은 횡단 나노채널(30)에 전압이 가해지면, 얕은 나노채널을 통한 반대로 대전된 이온의 상이한 전달 속도 때문에 "농도 분극"이 일어난다. 음으로 대전된 채널 벽을 가진 장치는 음으로 대전된 이온(DNA와 같은)이 고정될 수 있는 대역 및 양으로 대전된 이온이 배제되는 대역을 발생시킬 수 있다. 양으로 대전된 채널 벽을 가진 장치는 양으로 대전된 이온(일부 단백질과 같은)이 고정될 수 있는 대역 및 음으로 대전된 이온이 배제되는 대역을 발생시킬 수 있다.
도 4a-c는 적절한 크기의 나노채널(30)의 교차점 I을 가진 장치의 세 동작 단계를 나타낸다. (다가음이온성) 거대분자 ("M")를 포함하지 않는 나노채널 저장소에 양의 바이어스를 가하면 분석물 주입 및 고정이 일어난다(도 4a). 모든 바이어스를 제거하는 것은 분자 M이 평형 형태로 안정되도록 한다(도 4b). 전달 나노채널에만 바이어스를 가하는 것은 나노채널을 통한 위치 변경을 통제한다(도 4c). 이 전달 단계는 두 상이한 동작 방식을 사용하여 달성할 수 있다. 첫 번째 방식에서, 전달 나노채널에 전압이 가해지지만(V1, V2) 횡단 얕은 나노채널(301, 302)의 전극은 플로트된다(즉, 전압이 가해지지 않거나 전극이 접지되지도 않는다). 두 번째 방식에서, 전달 나노채널(20)에 전압이 가해지지만(V1, V2) 횡단 얕은 나노채널(301, 302)의 전극은 접지된다(V3, V4).
나노채널은 단일 분자 검출 및 확인, 바이오 중합체의 구속 및 조정, 생물학적 검정, 폴리뉴클레오타이드의 제한 매핑, DNA 크기 분석, 유전자 서열 분석의 물리적 방법 및 구속의 물리학의 기초적 연구를 포함한 다수의 응용에 적합하다.
이들 응용 중의 다수의 성공적인 사용은 분자 전달 속도 및 분석물 분자가 나노채널에 들어가는 빈도를 포함한 나노채널 내의 분자 역학의 세심한 통제를 요할 것으로 예상된다. 분자의 회전 반경보다 작은 나노유체 도관을 통한 거시적 및 미시적 저장소로부터의 거대분자 전달은 에너지 장벽을 극복하기 위한 구동력(예를 들어, 동수력, 정전기력, 중력) 인가를 필요로 한다. 이 장벽은 일차적으로는 성질이 엔트로피이고 자유 용액에서 구속 나노채널로의 이동에서의 분자의 형태 자유도 감소에 기인한다. 또한, 성공적인 전달 사건의 확률은 스레딩에 적합한 형태의 나노유체 도관의 입구와의 분자의 충돌 가능성에 비례한다. 이들 기초 조건의 실제적 의미는 분자 전달은 한정된 임계 구동력이 가해지기 전에 일어나지 않는다는 것이다. 필요한 힘의 크기는 상당할 수 있어, 고속으로 나노채널을 통해 분석물 전달을 가져온다. 에너지 장벽은 낮은 속도로의 전달 구동을 불가능하게 하고, 이는 많은 응용에서 바람직할 수 있다. 또한, 큰 거대분자에 큰 힘을 가하는 것은 포획 과정에서 단편화를 발생시킬 수 있다. 이들 제한 모두는 본원에서 기술한 것과 같은 나노유체 장치를 사용하여 극복할 수 있다. 전달 나노채널로의 도입 도중 거대분자에 가해지는 총괄 힘은 나노채널 내의 전계 강도 및 전달 나노채널의 고-전계 세그먼트 내에 포함된 대전된 단량체 수의 함수이다. 따라서, 이 힘은 가해지는 전압 또는 나노채널의 고-전계 세그먼트의 길이를 통제함으로써 조절할 수 있다.
이는 게놈 DNA와 같은 극히 긴 거대분자의 나노채널 구속에 특히 중요할 수 있다. 예를 들어, 인간 염색체 DNA의 센티미터 길이, 100-nm 직경 나노채널로의 도입을 생각해 보자. 인간 염색체 DNA의 중간 값 길이는 ~130 Mbp(메가 염기 쌍)이다. ~80 ㎛의 회전 반경을 가진, 이 길이의 DNA는 상당한 형태 엔트로피를 가진다. 엔트로피 장벽을 극복하고 DNA를 전달 나노채널에 넣기 위해 ~10 kV/cm의 예상 임계값 전계 강도가 필요할 것이다. 이는 1-cm 길이 나노채널에 10 kV를 가하거나 본원에서 기재한 것과 같은 주입 장치의 배출구에 10-20 V를 가함으로써 달성될 수 있다. 전달 나노채널의 고-전계 세그먼트가 1 ㎛ 길이인 경우, 스레딩 도중 DNA 분자에 가해지는 총 힘은 주입 장치 내에서 105 배 작다(~5 kbp가 고-전계 구역에 포함됨). 이는 DNA 단편화의 확률을 크게 줄인다. 도 4d 및 4e는 나노채널로의 DNA 도입(들어감) 및 횡단 채널이 있고 없는 긴 나노채널에 기초한 DNA 분자에 가해지는 각각의 계산된 힘, 각각 F(t,E)=λqL(t)E 및 F(t,E)=λq[LE+L'(t)E']을 개략적으로 나타낸다. 식의 성분은 아래에 열거한다.
E = 전계 강도
F(t,E) = 시간 t에서 주어진 E에서 DNA 분자에의 힘
λq = DNA의 선형 전하 밀도
L(t) = 시간 t에서 나노채널 내의 DNA의 길이
L = 예시적인 장치의 세그먼트 1의 길이
E' = 예시적인 장치의 세그먼트 2의 전계 강도
L'(t) = 시간 t에서 예시적인 장치의 세그먼트 2의 DNA 길이
단편화되거나 부서지기 전에 얼만큼의(어느 길이의) DNA가 나노채널에 들어갈 수 있는지를 계산하기 위해, 이중 가닥 DNA의 인장 강도를 약 480 pN으로 가정한다. 문헌 [Bensimon et al., Phys. Rev. Lett. 1995, 74, 4754-4757]을 참고하기 바라며, 그 내용은 본원에서 전체로서 인용된 것과 같이 본원에 포함된다. 예를 들어, E=200 V/cm이고 L=10 ㎛이면, 횡단 채널 없이(도 4d) 나노채널에 들어갈 수 있는 DNA의 최대 길이는 약 3 Mbp이다. 반면, 횡단 채널이 장치에 포함되면(도 4e), 나노채널에 들어갈 수 있는 DNA의 최대 길이는 약 577 Mbp, 즉, 인간 염색체 1의 길이보다 크다.
예시적인 장치 제조
두 장치 형태를 도 5a 및 5d에 나타낸다. 이들 형태의 공통된 특징은 다양한 나노채널(20, 30) 치수이다. 분석물 전달이 구동되는 나노채널(20)의 측면 치수는 이 예에서 약 20-100 nm일 수 있고 1에 가까운 종횡비(폭:깊이)를 가진다. 전달 나노채널(20)과 교차하는 얕은 채널(30s)은 약 1 내지 10 nm 사이인 임계 치수 (깊이)를 가질 수 있다. 위에서 기술한 대로, 두 고려사항이 이 장치 설계 요소에 영향을 미친다. 첫 번째로, 전달 나노채널 치수에 비해 작은 치수는 이들 도관을 통한 분석물 거대분자의 원치 않는 전달을 방지한다. 두 번째로, 이들 치수는 저 이온 강도 완충액 내의 전기적 이중 층의 특징적인 디바이 길이에 상응하는데, 이는 농도 분극이 1X TBE(89 mM 트리스; 89 mM 붕산염; 2 mM 에틸렌디아민테트라아세트산, EDTA)와 같은 표준 전기영동 완충액에 유도될 수 있다는 것을 의미한다. 농도 분극이 필요하지 않은 경우, 더 깊은 횡단 나노채널(30) 및 더 높은 이온 강도 완충액이 사용된다.
도 5a에 나타낸 장치(10)는 상대적인 저항에 의해 결정되는 다양한 나노채널의 전계 강도로 단일 인가 전압 V의 통제를 통해 분석물 분자를 조종할 수 있다 (도 5b). 채널 치수는 교차점 전 및 후인 전달 나노채널의 구획 사이에서 현저한 전압 강하를 실현하도록 선택된다. 제2의, 보다 유연한 장치 설계를 도 5d에 나타낸다(도 1, 2a와 관련하여 위에서 나타내고 기술한 것과 유사함). 여기에서 동일한 요소가 존재하지만 교차하는 나노채널(301, 302)은 개별적으로 접근가능하여, 거대분자 전달의 정밀한 통제를 가능하게 한다.
도 5a는 나노채널(20)이 교차점 I에서 나노유체 채널(30)에 통합되어 두 세그먼트(짧은 20s1 및 긴 20s2)를 형성하는 것을 나타낸다. 이 실시태양에서, 두 세그먼트(301, 302)는 실질적으로 평행하고 긴 세그먼트(20s2)의 길이를 따라 연장된다. 이 실시태양에서, 거대분자 전달은 나노채널 네트워크에 단일 전압을 가함으로써 통제할 수 있다.
얕은 채널 세그먼트(30s)는 세그먼트(20s2)와 동일하거나 실질적으로 동일한 길이의 나노채널(301, 302)의 더 길고, 넓고, 더 깊은 나노유체 세그먼트(30w)를 교차점 I에서 전달 나노채널(20)에 연결하는 저 이온 저항 채널일 수 있다. 더 넓고, 깊은 나노채널(30w)은 대부분의 전압이 세그먼트(20s1)에서 떨어져, 세그먼트(20s2)에서 훨씬 낮은 전계 강도를 가져오도록 형성된다(즉, 저속 또는 흐름 없음(고정)의 경우 F2<<F1).
도 5b는 도 5a의 나노채널을 통한 이온 저항을 나타내는 등가 회로도이다. 도 5c는 도 5a에 나타낸 장치의 탑-다운 SEM 이미지이다.
도 5e는 4-저장소 장치의 SEM 이미지이다.
유체 나노채널은 집속 이온 빔(FIB) 밀링, 전자 빔 리소그래피, 나노임프린트 리소그래피, 포토리소그래피, 주형 또는 성형 전략을 포함한 다양한 기술을 사용하여 제조할 수 있다. 이들 방법은 다양한 기판 재료에 적용가능하여, 유리(실리카), 석영, 규소, 세라믹, 금속, 플라스틱 등에서 장치 제조를 가능하게 한다.
본 발명의 예로 본원에 기술한 장치(10)의 경우, 전자 빔 리소그래피 및 FIB 밀링의 조합이 나노유체 요소를 패터닝하는 데에 사용된다. 먼저, 통상의 포토리소그래피 및 식각 기술을 사용하여 마이크로유체 채널을 제조한다. 이들 마이크로채널은 파우더-블라스팅된 바이어스(powder-blasted vias)에 의해 접근할 수 있다. 이어서 얕은 횡단 나노채널을 전자 빔 리소그래피를 사용한 특징부의 패터닝을 통해 정의했다. 특징부를 습식 화학약품 식각을 사용하여 석영에 1-10 nm 식각했다. 다르게는, 이들 특징부는 위에서 나열한 다양한 방법을 사용하여 패터닝할 수 있다. 전달 나노채널은 30 kV에서 동작하는 Ga+ 이온원을 가진 헬리오스 나노랩 듀얼빔 장치(FEI 컴퍼니)에서 FIB 밀링을 사용하여 제작했다. 이어서, 큰(5 ㎛ 폭 x 2 ㎛ 깊이), 저 저항 채널을 FIB 밀링함으로써, 얕은 채널을 마이크로유체 채널에 접했다. 도 5c 및 5e는 이들 요소가 패터닝된 후 장치의 SEM 이미지를 나타낸다. 마지막으로, 다양한 패터닝 단계에서 요구되는 기판 표면의 임의의 필름 층을 제거하고 융합 접합, 애노드 접합 또는 접착 접합과 같은 여러 가능한 방법 중 하나를 사용해 커버슬립으로 장치를 밀봉함으로써 유체 네트워크를 봉한다. 도 5f는 다른 예시적인 장치의 SEM 이미지이다. 장치의 채널-슬릿 인터페이스(전달 및 얕은 횡단 나노채널)는 위에서 언급한 대로 다른 임의적인 제조 기술인 밀링된 채널-슬릿 인터페이스(전자 빔 리소그래피 필요 없이)를 발생시키기 위해 FIB 밀링을 사용하여 전체적으로 제작되었다. 도 5g는 전달 나노채널 및 단일 얕은 횡단 나노채널 모두가 오직 FIB 밀링을 사용하여 제조된 장치의 탑-다운 SEM 이미지이다. 도 5h는 도 5g의 유체 부품의 원자 힘 현미경 프로파일이고, 이로부터 정밀 나노채널 깊이를 결정할 수 있다.
주입/고정 장치에서의 농도 분극의 확인
교차하는 나노채널을 가진 장치의 동작 도중 농도 분극이 일어난 것을 확인하기 위해, 도 5a에 나타낸 장치 유형의 동작 도중 음이온 형광 염료인 플루오레세인의 농도 프로파일을 측정했다. 플루오레세인의 10 μM 용액을 0.5X TBE 완충액(89 mM 트리스; 89 mM 붕산염; 2 mM 에틸렌디아민테트라아세트산, EDTA) 중에서 제조했다. 이 용액을 나노유체 네트워크의 양 측에 접근하는 마이크로유체 채널에 도입했다. 장치를 도립 현미경에 올리고 나노유체 채널의 형광 이미지를 기록했다. 도 6a에 나타낸 내로 전압을 나노채널에 가했다. 전압이 가해지지 않을 때 및 나노채널에 전압을 가하고 염료가 반응하도록 한 후에 이미지를 수집했다. 전압이 가해질 때 수집된 것에서 제로-바이어스 형광 이미지를 뺌으로써, 플루오레세인 농도 상승 및 고갈 구역이 명확해진다. 도 6b는 농도 분극의 존재를 명확히 나타내는 이들 상이한 이미지 중 하나를 나타낸다.
도 6a는 주입/고정 장치의 명시야 광학 현미경 이미지를 나타낸다. 도 6b는 본 발명의 실시태양에 따른 나노채널 네트워크에 4 V가 가해질 때 0.5X TBE 완충액 내의 플루오레세인 염료의 농도 상승 및 고갈을 나타내는 형광 현미경 이미지를 나타낸다.
주입/고정 장치에서의 DNA 전달 통제
도 5a에 나타낸 것과 같은 단일 전압 통제 장치에서, 도 7에 나타낸 것과 같은 농도 분극을 조정함으로써 전달을 통제할 수 있다. DNA 주입은 충분히 큰 양의 전압을 가함으로서 발생한다. DNA는 전달 나노채널로 스레딩 되고 고정되는 나노채널 교차점으로 빠르게 이동한다.
도 7은 도 5a에 나타낸 것과 유사한 장치를 통한 λ-DNA의 고정 및 뒤이은 전달을 나타내는 일련의 프레임을 나타낸다. DNA의 강력한 고정에 의해 확인할 수 있듯이 농도 분극이 존재한다. 프레임 속도는 200 ms/프레임이다. 화살표는 언제 표시된 전압이 가해졌는지 나타낸다.
도 7에서 명확한 대로, 고정 힘은 분자의 압축을 가져온다. 가해진 바이어스를 제거하면, 두 힘이 분자에 작용하여, 전이 응답을 가져온다. 첫 번째는 고정 도중 분자에 가해진 압축 힘의 완화이다. 두 번째는 이온 농도 프로파일의 평형이다. 후자의 영향은 일반적으로 나노채널의 주입 세그먼트의 반대 측에서 DNA 분자가 전달 나노채널로 이동하도록 한다. 이 지점에서, 작은 음의 전압을 가하면 음극으로의 DNA 전달이 일어난다. 이 전달은 음으로 대전된 DNA의 전기영동에 기대되는 방향의 반대이다. 이는 나노채널 교차점으로부터 음이온 고갈 앞 부분을 따른 DNA 전달에 기인한다.
동전기적으로-구동된 거대분자 전달의 증대된 통제는 또한 농도 분극 없이 도 5a에 나타낸 것과 같은 단일 전압 통제를 가진 장치에서 실현될 수 있다. 이 조건은 전해질 용액의 이온강도가 높고/높거나 교차하는 나노채널이 비교적 깊을 때 일어날 수 있다. 이들 조건은 전기적 이중 층 중첩을 배제하거나 최소화하고 약하거나 무시할 수 있는 고정을 가져온다. 이러한 시나리오 하에서, 나노채널 네트워크 내의 저항 때문에 전달 나노채널(20)의 주입(20s1) 및 전달(20s2) 세그먼트 내의 전계 강도에 여전히 상당한 차이가 있다(도 5b). 따라서, DNA 분자는 고 전계 강도에서 주입되고 나노채널 교차점을 지나 전달 나노채널의 전달 세그먼트로 이동함에 따라 그 속도가 현저히 떨어진다. 상대적인 전계 강도는 장치 내의 채널 치수를 달리하여 통제할 수 있고 절대 값은 나노유체 네트워크에 가해지는 전압 크기에 의해 통제된다. 이 동작 방식에서 통제되는 위치 변화를 기록한 형광 이미지를 도 8에 나타낸다. 이 장치의 동작 도중 가해지는 전압은 시간에 따라 일정하게 유지된다.
도 8은 도 5a에 나타낸 것과 유사한 장치를 통한 λ-DNA의 전달을 나타내는 일련의 프레임을 나타낸다. 4V의 바이어스를 나노유체 네트워크에 가했다. 실험은 DNA 고정을 감소시키기 위해 고 이온 강도 완충액(10X TBE)을 사용하여 수행되었다. 프레임 속도는 4 ms/프레임이었다.
도 5d에 나타낸 장치 유형은 DNA 전달에 대한 추가적인 통제를 제공한다. 두 사이드 나노채널이 개별적으로 접근 가능하므로, DNA 고정 힘의 강도가 약함에서 강함으로 조절될 수 있다. 고정 후, 사이드 나노채널의 전압을 제거할 수 있고 장치는 전달이 전기삼투 또는 전기영동 힘에 의해 결정되는 단일 나노채널의 역할을 한다. 이들 힘은 위치에 따라 일정한 크기를 갖고, 이는 일정한 전압을 인가하면 일정한 전달 속도를 가져올 것이라는 것을 의미한다. 따라서, 이 형태는 전달이 농도 구배의 발생에 의존하는 단일 전압 통제를 가진 장치보다 큰 통제를 제공한다. 이 통제를 도 9a에 나타내고, 이는 단일 DNA 분자 전달이 켜지고 꺼질 수 있다는 것을 나타낸다.
도 9a는 도 5d에 나타낸 장치와 유사하게 형성된 장치에 의해 가능한 전달에 대한 통제를 나타내는 일련의 프레임이다. DNA는 정지되거나 20 nm x 20 nm (폭 x 깊이) 전달 나노채널을 통해 저속으로 전달된다. 프레임 속도는 200 ms/프레임이다. 도 9b는 본 발명의 일부 특정 실시태양에 따른 도 5d에 나타낸 형태를 가진 장치에서 다양한 비의 V횡단[V5=V6]/V전달[V2, V1=0]를 사용한 전압 통제를 사용한 DNA 전달의 조절가능한 통제를 나타내는 실험적으로 결정된 DNA 전달 처리량 및 속도(사건/s 대 전달 속도(cm/s))의 그래프이다. 나타낸 비는 V 통제(바닥 선) 없음에 대해 1, 0.75 및 0.5를 포함한다.
본 발명의 실시태양은 일단 거대분자가 전달 나노채널에 구속되면 분석물 전달의 미세 통제를 동시에 가능하게 하면서 전달 사건의 높은 빈도를 개시할 수 있는 큰 주입 전계를 발생시키는 활성 장치를 제공한다. 이는 본원에 기술한 종류의 장치에 특유한 능력인 것으로 믿어진다. 농도 분극은 분석물 사전농축 방법으로 마이크로유체 장치에 사용되었지만 본원에서 기술한 것과 같은 단일-분자 연구 또는 장치에의 사용은 보고되지 않았다. 본원에서 사용되는 얕은 나노채널과 유사한 주변 부품을 가진 나노유체 장치는 압력-구동 유동을 사용한 나노유체 채널에의 거대분자 로딩에 유용한 것으로 밝혀졌다. 전기적 힘은 나노유체 네트워크를 통한 압력보다 더 용이하게 균형 잡고 통제할 수 있다.
본 발명의 실시태양에 의해 제공되는 장치, 방법 및 시스템의 잠재적 용도는 그 범위가 넓다. 전달-구동 전계 및 고정 역학에 대한 증대된 통제 때문에, 더 낮은 속도로 나노채널을 통한 거대분자 전달을 달성할 수 있다. 이는 단일 구속 분자에 대한 보다 정밀한 광학적 및 전기적 측정을 가능하게 할 것으로 기대된다. 한 예는 개별 뉴클레오타이드를 통한 특유의 터널 전류 측정에 의해 염기 확인이 이루어지는 대향 터널링 탐침에 접하는 나노채널 내의 DNA 분자 서열 분석이다. 예를 들어, 양 방향으로 및 다양한 속도의 전달, 단일 분자의 다중 통과, 및 단계적인 염기 별 이동을 가능하게 할 수 있는 통제 수준을 나타낸다. 기술한 장치는 또한 나노유체 채널로의 긴, 온전한 거대분자의 도입에 유용할 것으로 기대된다. 이 능력은 예를 들어, 전체 염색체의 DNA 가치의 끝에서 끝으로의 특정을 가능하게 할 것이다.
도 10a-10c는 전달 채널(들)의 끝 부분(20)에 전기적 바이어스 V1, V2, V3, V4 및 횡단 나노채널(들)의 끝 부분(30)에 V5, V6, V7, V8을 선택적으로 가하도록 형성된 하나 이상의 교차-채널(30)과의 하나 이상의 교차점을 가진 다른 기하형태의 유체 분석 장치(10)를 나타낸다. 흰색 채널은 보통 채널 깊이/크기를 나타내고, 줄무늬 패턴은 얕은 채널 세그먼트(30s)를 나타낸다.
도 11a-11c는 전달 채널(들)의 끝 부분(20)에 전기적 바이어스 V1, V2, V3, V4 및 횡단 전극(51, 52)에 V5, V6, V7, V8을 선택적으로 가하도록 하나 이상의 집합의 횡단 전극(51, 52)의 교차점을 가진 다른 기하형태의 유체 분석 장치를 나타낸다.
채널(30) 및 횡단 전극(51, 52)의 하나 이상의 전달 채널(20)과의 조합이 유체 분석 칩과 같은 유체 장치(10)에 사용될 수 있다(나타내지 않음).
함께 출원 중인 PCT/US2013/025078에 기술된 하나 이상의 유체 채널과 함께 나노깔때기가 또한 사용될 수 있고, 그 내용은 본원에서 전체로서 인용된 것과 같이 참조문헌으로 본원에 포함된다.
도 12 및 13은 채널 세그먼트(20, 30) 또는 횡단 전극(51, 52)에 전기적 바이어스, 예를 들어, 전압을 전기적으로 가할 수 있는 전원(190)을 포함할 수 있는 예시적인 회로(50)를 나타낸다. 전달 채널(20) 및/또는 유체 교차 채널(30)의 하나 또는 모든 끝 부분은 유체(전해질)와 같은 유동성 물질을 저장하도록 형성된 저장소에 통합될 수 있다. 저장소 유체는 전해질 용액, 예를 들어, 고 이온 강도 전해질 용액을 포함할 수 있다. 저장소 및 채널(30)은 전달 채널(20)과 동일한 유체, 예를 들어, 동일한 농도의 전해질 용액 또는 상이한 농도의 전해질 용액을 포함할 수 있다. 적합한 용액의 예는 약 35 mM 내지 약 1 M 농도의 염화 칼륨 용액을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 다르게는, 또는 추가적으로, 전달 채널(20) 내 용액에 비해 더 높은(또는 더 낮은) 이온 강도 유동성 물질, 액체 또는 용액이 채널(30)에 사용될 수 있다. 각각의 채널(30)에 사용될 수 있는 다른 유체 물질은 유기 용매 내의 양쪽성 전해질, 감지 채널에서 형성된 겔 내의 전해질 용액, 전도성 중합체, 이온성 액체, 저 용융 온도 금속 및 합금(예를 들어, "액체 금속")을 포함한다.
상이한 유동성 물질의 조합이 또한 사용될 수 있다. 전달 채널(20)이 하나 초과의 채널(30)과 교차하는 일부 실시태양에서, 각 채널(30)은 상이한 유동성 물질 또는 동일한 유동성 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시태양에서, 각각의 채널(30)은 다른 채널(30)과 동일한 전해질 용액을 동일한 농도 또는 상이한 농도로 가진다. 일부 실시태양에서, 유체 물질은 채널(30)로의 도입 후 고체 또는 반-고체 물질로 전환될 수 있다. 예를 들어, 겔은 가교-결합될 수 있고, 중합체는 중합될 수 있고, 금속은 장치 동작 온도를 금속의 녹는점 아래로 낮춤으로써 고체화될 수 있다. 다른 실시태양에서, 횡단 전극(51, 52)을 위한 내장된 전극은 당업자에게 공지된 도금 또는 성장 방법(예를 들어, 금속의 전해도금 또는 비전해도금)을 사용하여 전달 채널 근처에서 성장될 수 있다.
도 12 및 13을 참조하면, 회로(50)는 각각의 채널(30)의 끝 부분(30e)과 소통하고 이에 인접하여 배치되거나 이로부터 떨어져 배치된, 각각의 전달 채널(20)의 각 측에 있는 제1 및 제2 전극(251, 252)을 포함할 수 있다. 회로(50)는 원하는 타이밍 알고리즘 또는 타이밍 회로(90c)를 가진 하나 이상의 프로세서(90p)의 지시하에서 전기적 바이어스를 가할 수 있는 전원(190)(예를 들어, 전압원 및/또는 전류원)을 포함할 수 있다. 회로(50)는 분석되는 분자를 주입, 포획 또는 고정 및 전달하기에 적절한 시간에 전압 V1, V2, V3, V4를 가할 수 있다.
도 12는 전압 변화의 광학적 촉발을 나타내고 도 13은 전압 변화의 전기적 촉발을 나타낸다. 도 13은 회로(50)가 채널(30)과의 교차점 I 전 세그먼트(20s1)에 위치한 횡단 전극(151, 152)을 통과할 때의 전달 채널(20) 내의 분석물과 관련한 이온 또는 터널 전류 변화를 감시할 수 있는 하나 이상의 프로세서(90p) 및 전류계(60)를 포함할 수 있다는 것을 나타낸다. 일부 또는 모든 회로(50)는 장치(10)(예를 들어, 칩 또는 기판) 위에 있을 수 있거나 부품은 장치(10)에 연결된(유선 또는 무선으로) 원격 장치 내에 있을 수 있다. 일부 실시태양에서, 전원(190)은 탈착가능하게 장치(10)에 맞물릴 수 있다.
도 12 및 13은 또한 회로(50)가 전달 채널(20) 내의 분석물로부터 분석 데이터를 얻을 수 있는 회로 및/또는 하나 이상의 프로세서(90p)를 가진 컴퓨터(90)를 포함할 수 있다는 것을 나타낸다. 용어 "컴퓨터"는 동작을 통제하도록 회로(50)의 통제 및 소통을 가능하게 하는, 통상적으로 하나 이상의 디지털 신호 프로세서를 포함하는 임의의 전자 장치를 포함하도록 광범위하게 사용된다. 컴퓨터는 로컬이거나 장치(10)의 위치로부터 원격일 수 있다.
도 13은 회로(50)가 디지타이저(80) 및 디스플레이를 가진 컴퓨터(90)를 포함할 수 있다는 것을 나타낸다. 이들 부품은 결합 또는 개별 부품일 수 있다. 도 12는 또한 일부 실시태양에서, 회로(50)가 전달 채널(20) 내의 분석물 분자의 일련의 이미지를 찍을 수 있는 탐지기(220) 및 여기원(205)을 가진 이미징 시스템(200)을 포함할 수 있다는 것을 나타낸다. 이미징 시스템(200)은 임의의 적합한 이미징 시스템일 수 있다. 나타낸 대로, 시스템(200)은 여기 광원(205)(통상적으로 형광 표지된 분자를 여기 시키는 광을 발생시키기 위한)(거울 및 렌즈 또는 다른 물체를 임의적으로 포함할 수 있음) 및 카메라, 포토멀티플라이어 관 또는 포토다이오드 중의 하나 이상과 같은 이미지 발생 장치 또는 탐지기(220)를 포함할 수 있다. 사용되는 경우 물체/렌즈는 장치(10)의 일차 표면 아래 또는 위에 있을 수 있다. 전기적 인풋/아웃풋 및 유동 동작은 장치(10)의 반대 측에 있을 수 있다. 장치(10)는 또한 나타낸 대로 실질적으로 수평이 아니라 그 측면에서 동작하도록 젖혀질 수 있다(평평한 일차 표면은 수직이거나 치우침).
일부 특정 실시태양에서, 장치(10)는 문헌 [Menard et al., Fabrication of Sub-5 nm Nanochannels in Insulating Substrates Using Focused Ion Beam Milling, Nano Lett. 2011, 11, 512-517](2010년 12월 20일 발행); 및 나노채널의 제조 방법, 시스템 및 장치라는 제목으로 2010년 9월 21일에 출원된 미국 가출원 61/384,738호에 기술된 방법론을 사용하여 제조할 수 있고, 그 내용은 본원에서 전체로서 인용된 것과 같이 참조문헌으로 본원에 포함된다. 즉, 유체 분석 장치의 제조 방법은: (a) 두꺼운 위층을 가진 기판을 제공하는 단계; (b) 위층을 통해 적어도 두 교차 채널을 기판에 밀링하는 단계; (c) 위층을 제거하는 단계; 및 (d) 밀링 및 제거 단계에 대응하여, 기판에 현저하게 상이한 전계 강도에서 동작할 수 있는 전달 채널의 길고 짧은 세그먼트를 정의하도록 교차점에서 전달 채널에 인접하는 얕은 세그먼트 또는 통합된 횡단 전극과 같은, 하나 이상의 유체 전달 나노채널 및 얕은 세그먼트를 가진 하나 이상의 유체 나노채널을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
위층에 대한 용어 "두꺼운"은 위층(예를 들어, 단일 또는 다층 구조)이 50 nm 이상, 통상적으로 약 50 nm와 약 500 nm 사이, 및 보다 통상적으로 약 100 nm 내지 약 400 nm 사이인 두께 "TH"를 가질 수 있다는 것을 의미한다. 위층은 단일 모놀리식 물질 층일 수 있거나 복수의 적층된 부착 층일 수 있다. 위층은 전도성일 수 있고 바람직한 저 스퍼터링 속도를 제공하도록 형성될 수 있다. 저 스퍼터링 속도는 통상적으로 약 1.0 ㎛3/nC 미만, 및 보다 통상적으로 예를 들어, 약 0.10 ㎛3/nC, 약 0.23 ㎛3/nC, 및 약 0.30 ㎛3/nC과 같이 약 0.5 ㎛3/nC 이하이다. 단일 모놀리식 위층 구조인 경우, 위층은 알루미늄을 포함하는 층과 같이 금속성일 수 있다. 위층은 기판 위쪽 표면과 비-반응성이도록 형성될 수 있다.
FIB 밀링이 완성도를 위해 기술되고 나노채널 제조에 특히 적합한 것으로 믿어지지만, 위에서 기술한 대로 다른 실시태양은, 예를 들어, 전자 빔 리소그래피, 나노임프린트 리소그래피, 포토리소그래피, 주형 또는 성형 전략, 및 당업자가 이해하는 다른 방법을 포함한 다른 제조 기술에 대한 것이다.
나노채널을 사용한 나노유체 수행은 단일 분자 검출 및 확인, 바이오 중합체의 구속 및 조정, 생물학적 검정, 폴리뉴클레오타이드의 제한 매핑, DNA 크기 분석, 게놈 서열 분석의 물리적 방법 및 구속의 물리학의 기초적 연구를 포함한 다수의 응용에 적합하다.
전술한 바는 본 발명의 예시이며 이의 제한으로 여겨져서는 안된다. 본 발명의 일부 예시적인 실시태양을 기술했지만, 당업자는 본 발명의 새로운 교시 및 이점에서 실질적으로 벗어나지 않고 예시적인 실시태양 내의 많은 변형이 가능하다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 따라서, 모든 이러한 변형은 청구항에 정의된 본 발명의 범위 내에 포함되도록 의도된다. 본 발명은 다음의 청구항에 의해 정의되며, 청구항의 균등물은 이에 포함된다.

Claims (20)

  1. 하나 이상의 유체 전달 나노채널 및 각각의 유체 전달 나노채널의 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트를 정의하도록 하나 이상의 유체 전달 나노채널의 끝 부분 사이의 거리에 있는 교차점에서 유체 전달 나노채널 세그먼트의 반대 측에 두 얕은 세그먼트를 가진 하나 이상의 유체 나노채널;
    각각의 얕은 세그먼트와 소통하는 제1 및 제2 전극;
    유체 전달 나노채널의 입구 끝 부분과 소통하는 제1 전극;
    유체 전달 나노채널의 출구 끝 부분과 소통하는 제2 전극; 및
    거대분자를 통제 가능하게 주입, 고정 및 전달하도록 전극의 동작을 통제하도록 형성된 회로를 포함하고,
    동작 중에, 거대분자가 평형을 이루거나 저속으로 움직이도록 제1 및 제2 세그먼트가 현저하게 상이한 전계 강도를 가짐으로써 거대분자를 고정할 수 있는, 나노유체 분석 장치.
  2. 제1항에 있어서, 얕은 세그먼트가 더 깊은 세그먼트에 통합되고 유체 전달 나노채널에 직교하는, 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 얕은 세그먼트가 더 깊은 세그먼트에 통합되고 유체 전달 채널에 평행하는, 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 유체 분석 칩 및 DNA, RNA, 펩타이드, 단백질의 분자, 또는 다른 생물학적 또는 합성 거대분자를 하나 이상의 유체 전달 나노채널 내에 한정하도록 기판에 밀봉된 덮개를 추가로 포함하는, 장치.
  5. 하나 이상의 유체 전달 나노채널 및 전달 나노채널의 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트를 정의하도록 하나 이상의 전달 채널의 마주보는 제1 및 제2 끝 부분 사이의 거리에 있는 전달 나노채널과의 교차점에서 하나 이상의 유체 전달 나노채널의 반대 측에 인접하는 두 횡단 통합된 전극을 갖고,
    동작 중에, 제1 및 제2 세그먼트가 현저하게 상이한 전계 강도를 갖는, 장치.
  6. 제5항에 있어서, 유체 전달 나노채널에 현저하게 상이한 전계 강도를 발생시키고 유체 전달 나노채널을 통해 거대분자를 통제 가능하게 주입, 고정 및 전달하도록 유체 전달 나노채널의 제1 및 제2 끝 부분 및 횡단 전극에 선택적으로 전압을 가하도록 형성된, 기판 위에 적어도 부분적으로 있고/있거나 기판과 소통하는 회로를 추가로 포함하는, 장치.
  7. 교차점이 각각의 유체 전달 나노채널의 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트를 정의하도록 하나 이상의 유체 전달 나노채널의 마주보는 끝 부분 사이의 거리에 있는, (i) 유체 전달 나노채널을 가로질러 서로 마주보고, 각각의 전극과 소통하는 제1 및 제2 세그먼트를 가진 하나 이상의 유체 나노채널 또는 (ii) 하나 이상의 유체 전달 나노채널의 반대 측에 인접하는 두 횡단 통합된 전극과의 교차점을 가진 하나 이상의 유체 전달 나노채널을 가진 장치; 및
    하나 이상의 유체 전달 나노채널을 통해 거대분자를 선택적으로 고정 및 전달하도록 전극에 전압을 가하도록 형성된 전원을 가진 회로를 포함하는, 나노유체 분석 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 장치가 유체 전달 나노채널 세그먼트를 가로질러 서로 마주보고, 각각의 전극과 소통하는 제1 및 제2 세그먼트를 하나 이상의 가진 유체 나노채널을 포함하고, 제1 및 제2 세그먼트가 얕은 세그먼트인, 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 제1 및 제2 세그먼트가 넓은 세그먼트인, 시스템.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 장치가 각각의 교차점과 협력하는 복수의 평행하는 유체 전달 나노채널을 포함하는, 시스템.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 장치가 복수의 세로로 떨어져 배치된 교차점을 가진 하나 이상의 유체 전달 나노채널을 포함하고,
    각 교차점이 (i) 유체 전달 나노채널을 가로질러 서로 마주보고, 각각의 전극과 소통하는 제1 및 제2 세그먼트를 가진 유체 나노채널 또는 (ii) 하나 이상의 유체 전달 나노채널의 반대 측에 인접하는 두 횡단 통합된 전극을 가진, 시스템.
  12. (i) 각각의 전극과 소통하는 전달 채널과 유체 소통하는 유체 전달 나노채널 세그먼트를 가로질러 서로 마주보는 제1 및 제2 세그먼트를 가진 하나 이상의 유체 나노채널 또는 (ii) 하나 이상의 유체 전달 나노채널의 반대 측에 인접하는 제1 및 제2 횡단 통합된 전극을 포함하는 교차점을 가진 하나 이상의 유체 전달 나노채널을 가진 장치를 제공하는 단계;
    유체 전달 채널에 거대분자를 주입 또는 고정하도록 제1 및 제2 세그먼트 또는 제1 및 제2 횡단 전극에 바이어스를 전기적으로 가하는 단계;
    거대분자가 평형 형태로 안정되도록 모든 바이어스를 전기적으로 제거하는 단계; 및
    나노채널을 통한 거대분자의 위치 변경을 통제하는 전달 나노채널에만 바이어스를 전기적으로 가하는 단계를 포함하는, 거대분자 분석 방법.
  13. 제12항에 있어서, 장치가 제1 및 제2 세그먼트를 가진 하나 이상의 유체 나노채널을 포함하고, 제1 및 제2 세그먼트가 넓고, 얕은 세그먼트인, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 얕은 세그먼트가 더 깊은 세그먼트에 통합되고 유체 전달 나노채널에 직교하는, 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 얕은 세그먼트가 유체 전달 채널에 평행하는 더 깊은 세그먼트에 통합되는, 방법.
  16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 장치가 유체 분석 칩이고, 거대분자가 DNA, RNA, 펩타이드, 단백질의 분자, 또는 다른 생물학적 또는 합성 거대분자인, 방법.
  17. 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 전기적으로 가하는 및 제거하는 단계가 타이밍 알고리즘 및/또는 타이밍 회로의 지시하에서 수행되는, 방법.
  18. 제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 전기적으로 가하는 및/또는 제거하는 단계가 전달 나노채널 내의 정의된 위치에서 분석물 분자의 광학적 검출에 의해 촉발되는, 방법.
  19. 제12항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 전기적으로 가하는 및/또는 제거하는 단계가 전달 나노채널 내의 정의된 위치에서 이온 전류, 터널 전류, 또는 전계 효과 트랜지스터 측정을 사용한 분석물 분자의 전기적 검출에 의해 촉발되는, 방법.
  20. 제12항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 방법이 분석을 위해 유체 전달 나노채널 내에 및 이를 통해 각각의 거대분자를 선택적으로 주입, 고정 및 전달하도록 바이어스를 가하고 제거하는 자동화된 사이클을 개시하도록 교차점 전의 유체 전달 나노채널의 제1 부분에서 분석물의 통과와 관련된 전압 변화를 전자적으로 검출하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
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