帶有用于高分子的受控捕捉、俘獲和輸運(yùn)的集成組件的納米流體器件及有關(guān)分析方法
【專利說(shuō)明】帶有用于高分子的受控捕捉、俘獲和輸運(yùn)的集成組件的納米流體器件及有關(guān)分析方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
本申請(qǐng)要求具有2013年2月28日提出的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/770586的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過(guò)引用結(jié)合于本文中，如同其全文在此陳述。
[0002]聯(lián)邦支持聲明
根據(jù)國(guó)立衛(wèi)生研究院資助的授予編號(hào)HG002647，在政府支持下產(chǎn)生了本發(fā)明。政府對(duì)本發(fā)明具有某些權(quán)限。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及使用應(yīng)用流體學(xué)和納米通道進(jìn)行分子的檢測(cè)/表征和/或測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0004]近來(lái)，人們對(duì)在芯片實(shí)驗(yàn)室(lab-on-a-chip)流體器件中包含納米級(jí)組件一直有相當(dāng)大的關(guān)注。此關(guān)注的根源在于從微米級(jí)到納米級(jí)的發(fā)展中幾個(gè)優(yōu)勢(shì)(及可有利地利用的不同之處)。這些不同之處例如包括雙層重疊(DLO)及其在電滲和選擇滲透性上的效應(yīng)、電場(chǎng)的局部增強(qiáng)、更高的表面體積比、在大的合成和生物聚合物上的限制效應(yīng)及熵效應(yīng)的新興重要性。請(qǐng)參閱例如電Yuan等人在Electrophoresis 2007, 28, 595-610 ；Schoch等人在 Rev.Mod.Phys.2008，80，839-883 ;及 Kovarik 等人在 Anal.Chem.2009，81，7133-7140所著內(nèi)容。納米級(jí)器件的歷史性示例包括通過(guò)納米孔在色譜分離和濾膜中使用多孔介質(zhì)和凝膠。請(qǐng)參閱例如電Lerman等人在B1polymers 1982, 21,995-997 ;和Tong等人在M.Nano 2004，么283-287所著內(nèi)容。然而，近來(lái)的嘗試一直集中于在為流體和分析物設(shè)計(jì)在幾何形狀上明確的導(dǎo)管和將它們無(wú)縫集成到器件中。請(qǐng)參閱例如電Volkmuth等人在 Nature 1992，600-602 ;和 Striemer 等人在 Nature 2007，445，749-753 所著內(nèi)容。此類常規(guī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是壓力和場(chǎng)梯度、流體流動(dòng)和其內(nèi)包含的分子運(yùn)動(dòng)的相對(duì)簡(jiǎn)單性，而不同于在更曲折的網(wǎng)絡(luò)中的這些屬性。定義、表征和輕松為這些系統(tǒng)建模的能力例如能夠允許更好地理解分離機(jī)制和單分子物理學(xué)。靜#/場(chǎng)濟(jì)^/7由Volkmuth等人在yVaiyre 1992，358,600-602 ；Reisner 等人在 Phys.Rev.Lett.2005，94，196101 ;及 Salieb-Beugelaar 等人在 ZaA Chip 2009，5，2508-2523 中所著內(nèi)容。
[0005]近來(lái)，F(xiàn)IB研磨技術(shù)已被描述成形成納米流體器件。？穿#廣7由Menard等人所著“使用聚焦離子束研磨在絕緣基板中制作小于5 nm納米通道”(Fabricat1n of Sub-5nm Nanochannels in Insulating Substrates Using Focused 1n Beam Milling, NanoLett.2011, 11，512-517) (2010年12月20日發(fā)布)和2010年9月21日提出，題為“用于形成納米通道的方法、系統(tǒng)和器件”(Methods, Systems And Devices For FormingNanochanneIs)的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/384738 (及有關(guān)PCT申請(qǐng)PCT/US2011/052127)，其內(nèi)容通過(guò)引用結(jié)合于本文中，如同其全文在此陳述。除FIB研磨外，能夠使用適合用于納米通道制作的多種其它方法，例如包括電子束光刻、納米壓印光刻、光刻、制?；蛩茉觳呗约氨绢I(lǐng)域技術(shù)人員理解的其它方法。
[0006]人們已提議了多種納米流體器件，包括用于單分子感應(yīng)和/或核酸測(cè)序的帶有集成微型電極(納米或微米級(jí))的那些納米流體器件。將電極包含為器件組件能夠要求困難的制作，并且電極幾何形狀的小差別可導(dǎo)致高的器件到器件變化性。另外，基于熒光的系統(tǒng)能夠具有有限的時(shí)間分辨率，一般在每秒大約400幀或更少，并且可要求較大和/或昂貴的光學(xué)和成像組件。還存在對(duì)備選器件設(shè)計(jì)和/或評(píng)估技術(shù)的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的實(shí)施例配置成提供通過(guò)使用帶有顯著不同電場(chǎng)強(qiáng)度段的相應(yīng)納米通道的電動(dòng)控制和/或使用濃度極化，促進(jìn)通過(guò)具有比在分析的分子(高分子)的回轉(zhuǎn)半徑更小的臨界尺寸的納米通道的捕捉、俘獲和輸運(yùn)的器件，由此允許極大高分子的捕捉，并且分裂的發(fā)生率降低。
[0008]本發(fā)明的實(shí)施例提供極快地推動(dòng)DNA到輸運(yùn)通道的納米通道入口，并且在分子上應(yīng)用足夠的力以克服熵障礙以便穿入到納米通道。DNA能夠快速通過(guò)納米通道的第一部分輸送，但隨后在與橫向電極或納米流體元件的相交處速度降低。
[0009]本發(fā)明的實(shí)施例提供諸如用于DNA分析的芯片等具有至少一個(gè)流體輸運(yùn)納米通道的器件，帶有淺區(qū)域的至少一個(gè)納米通道與輸運(yùn)納米通道和/或與集成電極相鄰并與其流體聯(lián)系，以確定關(guān)注的特性或參數(shù)，如分子鑒定、長(zhǎng)度確定、局部(探頭)映射及諸如此類。
[0010]本發(fā)明的實(shí)施例涉及納米流體分析器件。器件包括至少一個(gè)流體輸運(yùn)納米通道和至少一個(gè)流體納米通道，在至少一個(gè)流體輸運(yùn)納米通道的端部之間存在某個(gè)距離的相交處的流體輸運(yùn)納米通道段的相對(duì)側(cè)上有兩個(gè)淺段，以限定相應(yīng)流體輸運(yùn)納米通道的第一段和第二段。器件也包括與相應(yīng)淺段聯(lián)系的第一和第二電極和配置成控制電極的操作以便以可控方式注入、俘獲和輸運(yùn)高分子的電路，第一電極與流體輸運(yùn)納米通道的入口端部聯(lián)系，第二電極與流體輸運(yùn)納米通道的出口端部聯(lián)系。在操作中，第一和第二段能夠具有顯著不同的場(chǎng)強(qiáng)度，以由此俘獲高分子，以便高分子處于平衡或者低速移動(dòng)。
[0011]淺段能夠并入更深段中，并且能夠與流體輸運(yùn)納米通道正交。
[0012]淺段能夠并入更深段中，并且能夠與流體輸運(yùn)納米通道平行。
[0013]器件能夠包括密封到基板的罩蓋以限定流體分析芯片和在至少一個(gè)流體輸運(yùn)納米通道中的DNA、RNA、肽、蛋白質(zhì)的分子或其它生物或合成高分子。
[0014]其它實(shí)施例涉及具有至少一個(gè)流體輸運(yùn)納米通道和在與輸運(yùn)通道的相交處與至少一個(gè)流體輸運(yùn)納米通道的相對(duì)側(cè)鄰接的兩個(gè)橫向集成電極的器件，相交處在至少一個(gè)流體輸運(yùn)納米通道的相對(duì)第一和第二端部之間存在某個(gè)距離以限定輸運(yùn)納米通道的第一段和第二段。在操作中，第一和第二段具有顯著不同的場(chǎng)強(qiáng)。
[0015]器件能夠包括至少部分存在于基板上和/或與基板聯(lián)系的電路，基板配置成選擇性地施加電壓到流體輸運(yùn)納米通道的第一和第二端部以及到橫向電極，以生成顯著不同的場(chǎng)強(qiáng)，并且以可控方式在流體輸運(yùn)納米通道中和通過(guò)流體輸運(yùn)納米通道注入、俘獲和輸運(yùn)高分子。
[0016]還有的其它實(shí)施例涉及納米流體分析系統(tǒng)。系統(tǒng)包括具有至少一個(gè)流體輸運(yùn)納米通道的器件，流體輸運(yùn)納米通道具有與(i)帶有第一和第二段的至少一個(gè)流體納米通道的相交處，第一和第二段跨流體輸運(yùn)納米通道相互面對(duì)，每個(gè)與相應(yīng)電極聯(lián)系，或者與(ii)兩個(gè)橫向集成電極的相交處，兩個(gè)橫向集成電極與至少一個(gè)流體輸運(yùn)納米通道的相對(duì)側(cè)鄰接。相交處在至少一個(gè)流體輸運(yùn)納米通道的相對(duì)端部之間存在某個(gè)距離以限定相應(yīng)流體輸運(yùn)納米通道的第一段和第二段。器件也包括帶有電源的電路，電源配置成施加電壓到電極以通過(guò)至少一個(gè)流體輸運(yùn)納米通道選擇性地俘獲和輸運(yùn)高分子。
[0017]器件能夠包括帶有第一和第二段的至少一個(gè)流體納米通道，第一和第二段跨流體輸運(yùn)納米通道相互面對(duì)，每個(gè)與相應(yīng)電極聯(lián)系，并且第一和第二段是淺段。
[0018]第一和第二段能夠是寬段。
[0019]器件能夠包括與相應(yīng)相交處協(xié)作的多個(gè)平行流體輸運(yùn)納米通道。
[0020]器件能夠包括帶有多個(gè)縱向間隔分開(kāi)的相交處的至少一個(gè)流體輸運(yùn)納米通道，每個(gè)相交處具有(i)帶有第一和第二段的流體納米通道，第一和第二段跨流體輸運(yùn)納米通道相互面對(duì)，每個(gè)與相應(yīng)電極聯(lián)系，或者(ii)與至少一個(gè)流體輸運(yùn)納米通道的相對(duì)側(cè)鄰接的兩個(gè)橫向集成電極。
[0021]還有的其它實(shí)施例涉及分析高分子的方法。方法包括:(a)為提供具有相交處的至少一個(gè)流體輸運(yùn)納米通道，相交處包括(i)帶有第一和第二段的至少一個(gè)流體納米通道，第一和第二段跨與輸運(yùn)通道流體聯(lián)系的流體輸運(yùn)納米通道段相互面對(duì)，每個(gè)與相應(yīng)電極聯(lián)系，或者(ii)與至少一個(gè)流體輸運(yùn)納米通道的相對(duì)側(cè)鄰接的第一和第二橫向集成電極；(b)跨第一和第二段或第一和第二橫向電極電施加偏置，以在流體輸運(yùn)通道中注入或俘獲高分子；(C)電去除所有偏置，促使高分子馳豫，進(jìn)入某個(gè)平衡構(gòu)象；以及(d)僅跨輸運(yùn)納米通道電施加偏置，控制通過(guò)納米通道的高分子的迀移。
[0022]器件能夠包括帶有第一和第二段的至少一個(gè)流體納米通道，并且第一和第二段能夠是寬、淺段。
[0023]淺段能夠并入更深段中，并且能夠與流體輸運(yùn)納米通道正交。
[0024]淺段能夠并入與流體輸運(yùn)納米通道平行的更深段中。
[0025]器件能夠是流體分析芯片，并且高分子能夠是DNA、RNA、肽、蛋白質(zhì)的分子或其它生物或合成高分子。
[0026]電施加和去除步驟能夠在定時(shí)算法和/或定時(shí)電路的引導(dǎo)下執(zhí)行。
[0027]電壓步驟能夠由在輸運(yùn)納米通道內(nèi)限定位置的分析物分子的光學(xué)檢測(cè)觸發(fā)。
[0028]電壓步驟能夠由在輸運(yùn)納米通道內(nèi)限定位置使用離子電流、隧穿電流或場(chǎng)效晶體管測(cè)量的分析物分子的電氣檢測(cè)觸發(fā)。
[0029]方法能夠包括電子檢測(cè)在相交處前與在流體輸運(yùn)納米通道的第一部分的分析物的通過(guò)相關(guān)聯(lián)的電壓更改，以啟動(dòng)施加和去除偏置的自動(dòng)化循環(huán)，在流體輸運(yùn)納米通道中和通過(guò)流體輸運(yùn)納米通道選擇性地注入、俘獲和輸運(yùn)相應(yīng)高分子以便進(jìn)行分析。
[0030]要注意的是，相對(duì)于一個(gè)實(shí)施例描述的本發(fā)明的方面雖然在不同實(shí)施例中未相對(duì)于其進(jìn)行明確描述，但可包含在其中。也就是說(shuō)，所有實(shí)施例和/或任何實(shí)施例的特征能夠以任何方式和/或在任何組合中組合。申請(qǐng)人保留更改任何最初提出的權(quán)利要求和/或相應(yīng)地提出任何新權(quán)利要求的權(quán)利，包括雖然在最初未以該方式要求權(quán)利保護(hù)，但能夠修改任何最初提出的權(quán)利要求以取決于和/或包含任何其它權(quán)利要求的任何特征的權(quán)利。在下面陳述的說(shuō)明書中，將詳細(xì)解釋本發(fā)明的這些和其它目的和/或方面。通過(guò)閱讀后面的優(yōu)選實(shí)施例的圖形和詳細(xì)描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會(huì)本發(fā)明的其它特征、優(yōu)點(diǎn)和細(xì)節(jié)，此類描述只是說(shuō)明本發(fā)明。
【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，帶有位置與輸運(yùn)納米通道鄰近的寬、淺納米流體通道的器件的示意圖。
[0032]圖2A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的類似于圖1的器件的示意圖，示出輸運(yùn)納米通道的示范電場(chǎng)強(qiáng)度、段中的離子電阻(R)和段的長(zhǎng)度(L)。
[0033]圖2B是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，包括位置在輸運(yùn)納米通道旁的集成橫向電極的納米流體分析器件的一備選實(shí)施例。
[0034]圖3A和3B是納米通道配置用于通過(guò)使用濃度極化，實(shí)現(xiàn)到輸運(yùn)納米通道的聚合電解質(zhì)引入和隨后俘獲的納米流體器件的示意圖[陽(yáng)離子(對(duì)于黑白色版本，陰離子示有X標(biāo)記以區(qū)分它們和陽(yáng)離子)]。圖3A示出在未施加電壓時(shí)帶有示范離子分布的器件，并且圖3B示出在輸運(yùn)通道(Vl)的出口處和在兩側(cè)通道(V2)施加正電壓時(shí)的離子分布。