適當(dāng)操作條件下不通過橫向通道30迀移，而是將保持在輸運納米通道20中。淺段30s能夠具有大約50到大約10 μ m或更長的長度。用于相應(yīng)納米通道30的每側(cè)30 n302的淺段30s能夠具有相同深度和/或長度或不同深度和/或長度。
[0076]淺通道段30s能夠是連接到更長的寬且更深的納米流體段30w的低離子電阻通道。一般情況下，更寬、更深的段30w存在于淺段30s與儲器或微流體通道30m之間。更寬、更深的段30w能夠是輸運納米通道20的寬度和深度的3到100倍。
[0077]圖2A (未按比例)示出如在示例器件10中建立的輸運納米通道20的段中不同的電場強度。在與相應(yīng)納米通道30、20流體聯(lián)系的四個納米通道出口 30m、20m施加的電壓帶有下劃線。施加到輸運通道微流儲器或出口 20m的電壓分別示為OV和3V。在包括流體納米通道20、30的器件10中，通過使用插入如本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的接入對應(yīng)納米通道的相應(yīng)流體儲器的宏觀電極，能夠施加電壓。
[0078]側(cè)通道30具有3.5V電壓每個施加到其出口 30m。測量的離子電阻R指示用于通道段20s1、20s2和3(^30^從這些值中，能夠計算在相交處“I”的電壓。最后，在納米通道段20s1、20s2的長度L已知的條件下，能夠確定電場強度F pF2。在此示例中，在輸運納米通道20Sl的左側(cè)段的輸運是在左側(cè)段20s 2中的輸運快165倍快。
[0079]第一段20Sl能夠比第二段20s 2更短，一般具有是在更長段的長度的10-50%之間的長度，更一般的情況是具有在更長段的長度的10-20%之間的長度。
[0080]圖2B示出具有類似功能的不同配置的器件10，但橫向納米通道替換成與輸運通道20鄰接的橫向電極51、52。電極51、52能夠集成到器件的基板中或者附連到與輸運通道20相鄰的器件的基板。橫向電極能夠具有大約10 μπι到大約5 mm或最大大約2 cm長和/或配置成提供一般在大約1-20 V之間等適合電壓的長度L。使用集成電極51、52的器件10可由于電極污染/退化而展示有限的壽命期。這可通過使用電極涂料或使用適當(dāng)?shù)姆牢廴净蚰臀廴倦姌O物質(zhì)而得以降低或最小化。
[0081]這些器件10能夠提供對分析物捕捉率的精細(xì)控制及對在捕捉期間施加到高分子的力及在納米通道20內(nèi)的其輸運速度的精細(xì)控制。對捕捉和輸運動態(tài)的此控制能夠通過在不同模式中的器件操作實現(xiàn)，模式的性質(zhì)由納米通道尺寸和操作條件確定。在能夠描述為分壓器的一種操作模式中，通過選擇相對納米通道寬度、深度和長度，設(shè)計每個流體路徑的電阻。每個納米通道中的場強還由在每個納米通道出口施加的電壓控制。
[0082]圖2A和2B示出在位于相交處I左側(cè)的輸運納米通道的部分中高場強已知的情況下，此操作模式能夠如何用于捕捉在高頻率的分子的示例。一旦高分子迀移通過相交處，其速度便大幅降低，這是因為它由在位于圖2A和2B中相交處右側(cè)的輸運納米通道的部分中的更弱電場驅(qū)動。分壓器的操作模式也能夠使用集成電極而不是橫向流體元件實現(xiàn)(圖2B)。此類電極51、52 (包括諸如金屬、傳導(dǎo)聚合物、傳導(dǎo)陶瓷等傳導(dǎo)物質(zhì))用于控制在電極/納米通道相交處I的電壓。低速度輸運可用于對高分子的“快速”(on-the-fly)表征，這是因為它確保分子采用平衡構(gòu)象，并且時間分辨率有限的檢測方法能夠用于分析。
[0083]圖3A和3B是器件10的示意圖，器件包含設(shè)計用于使用濃度極化，實現(xiàn)到納米通道20的聚合電解質(zhì)引入和隨后的捕捉的至少一個納米通道20。陽離子為橙色，并且陰離子以綠色示出(在黑白色版本中，帶有陰影標(biāo)記)。圖3A以示意圖方式示出在未施加電壓到器件時的離子分布。圖3B示出在輸運納米通道的出口(Vl)和在兩側(cè)通道30^302 (V2)施加正電壓時的離子分布，示出陰離子富集和耗竭。
[0084]在某一示范操作模式中，選擇納米尺寸和緩沖液條件，使得濃度極化出現(xiàn)在納米通道相交處I。對于帶負(fù)電荷表面的納米通道(例如，以石英基板制成的納米通道，并且緩沖液pH高于表面娃燒醇基(surface silanol group)的pKa)，能夠增強在相交處I的陰離子的濃度，同時耗竭陽離子的濃度。實現(xiàn)此條件表示橫向納米通道30足夠淺和/或緩沖液的離子足夠低，足以在這些納米通道內(nèi)實現(xiàn)雙電層的重疊。濃度極化在圖3A和3B中以示意圖方式示出由于在此配置中的濃度極化，諸如DNA和RNA等聚陰離子高分子能夠通過高場強被驅(qū)動到輸運納米通道中，并且隨后在納米通道相交處被捕捉。無論分子是在相交處I被捕捉還是在通過相交處后被動態(tài)減慢，在動態(tài)方面的更改為調(diào)整電壓提供了足夠的時間，以便通過任意速度和方向性，精確控制通過納米通道的高分子輸運。在圖4A-C中示出了顯示此類操作的配置的示例。
[0085]如圖3A和3B中所示，淺通道段30s能夠具有重疊的雙電層。如本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的一樣，在帶電表面(二氧化硅表面在PH > 3時帶有負(fù)電荷)接觸溶液時，它將吸引相反電荷的離子(即，玻璃吸引正離子)。這些離子的存在屏蔽了表面電荷。在靠近帶電表面處，能夠存在帶相反電荷離子的層，該層具有在局部比在本體溶液中更大的濃度。這稱為雙電層(EDL)。存在與EDL相關(guān)聯(lián)的特性長度，稱為德拜長度。如果溶液中的離子遠(yuǎn)離表面，大于此德拜距離，則表面電荷被完全屏蔽。如果它更靠近表面，小于德拜長度，則離子遇到與表面的靜電相互作用(即，如果它具有相反電荷，則它將被吸引到表面，或者如果它具有相同電荷，則將被排斥)。德拜長度隨溶液離子變化，并且對于在淺納米通道中的低離子強度溶液，出現(xiàn)相對表面的雙層重疊的狀況。由于電荷排斥，如果離子與納米通道壁具有相同電荷極性，則存在抵制效應(yīng)，從而降低納米通道中離子的濃度。相反，由于電荷吸引，如果離子具有納米通道壁的相反電荷極性，則存在增強效應(yīng)，從而增大納米通道中離子的濃度。在跨與輸運納米通道20相交的淺橫向納米通道30施加電壓時，由于通過淺納米通道的帶相對電荷離子的不同輸運率原因，出現(xiàn)“濃度極化”。具有帶負(fù)電荷通道壁的器件能夠形成其中能夠捕捉帶負(fù)電荷離子(像NDA)的區(qū)域和其中排除帶正電荷離子的區(qū)域。具有帶正電荷通道壁的器件形成其中能夠捕捉帶正電荷離子(像一些蛋白質(zhì))的區(qū)域和其中排除帶負(fù)電荷離子的區(qū)域。
[0086]圖4A-C顯示用于具有適當(dāng)大小的納米通道30的相交處I的器件的操作的三個階段。施加正偏置到未包含(聚)陰離子(“M”)的納米通道儲器產(chǎn)生分析物注入和捕捉(圖4A)。去除所有偏置促使分子M馳豫，進(jìn)入某個平衡構(gòu)象(圖4B)。只跨輸運納米通道施加偏置將控制通過納米通道的易位(圖4C)。此輸運步驟能夠使用兩種不同的操作模式實現(xiàn)。在第一模式中，在使橫向淺納米通道30ρ 302中的電極浮動(即，未施加電壓，電極也未接地)時，跨輸運納米通道(VI，V2)施加電壓。在第二模式中，在使橫向淺納米通道3(^3(^ (V3，V4)中的電極接地時，跨輸運納米通道20 (VI，V2)施加電壓。
[0087]納米通道很適合多個應(yīng)用，包括單分子檢測和鑒定、生物聚合物的限制和操縱、生物測定、多核苷酸的限制映射、DNA大小調(diào)整、基因組測序的物理方法及限制物理(physicsof confinement)的基礎(chǔ)研究。
[0088]預(yù)期許多這些應(yīng)用的成功實現(xiàn)將要求小心控制在納米通道內(nèi)的分子動態(tài)，包括分子輸運的速度和通過納米通道驅(qū)動分析物分子的頻率。通過比分子的回轉(zhuǎn)半徑更小的納米流體導(dǎo)管從宏觀和微觀儲器輸運高分子要求應(yīng)用驅(qū)動力(例如，水力、靜電、重力)以克服能量障礙。此障礙在性質(zhì)上主要是熵性的，并且從分子的構(gòu)象自由度在從自由溶液移到受限納米通道中的降低中推導(dǎo)。另外，成功輸運事件的概率與在有利于穿入的構(gòu)造中分子與納米流體導(dǎo)管的入口有沖突的可能性成正比。這些基礎(chǔ)條件的實際暗示是在施加有限的閾值驅(qū)動力前，分子輸運不進(jìn)行。必要力的量值可相當(dāng)大，導(dǎo)致分析物的輸運以高速度通過納米通道。能量障礙阻止以更低速度驅(qū)動輸運，這對于許多應(yīng)用是合乎需要的。另外，對大的高分子應(yīng)用大力可在捕捉過程期間誘發(fā)分裂。這兩個限制均能夠通過使用如上所述納米流體器件而得以克服。在其引入輸運納米通道期間牽拉在高分子上的總力隨納米通道中的場強和輸運納米通道的高場段內(nèi)包含的帶電荷單體的數(shù)量而變化。因此，通過控制施加的電壓或納米通道的高場段的長度，可調(diào)整此力。
[0089]這對于諸如基因組DNA等極長高分子的納米通道限制特別重要。例如，假設(shè)將人的染色體NDA引入中心長100-nm的直徑納米通道。用于人染色體DNA的中位長度是大約130 Mbp (百萬兆基對)?；剞D(zhuǎn)半徑為大約80 μ m時，此長度的DNA具有相當(dāng)大的構(gòu)象熵?？朔卣系K和將DNA拉入輸運納米通道中將要求大約每厘米10 kV的估計閾值場強。這能夠通過跨Ι-cm長納米通道施加10 kV，或者通過在諸如此處所述那些器件等注入器件的出口施加10-20 V而得以實現(xiàn)。如果輸運納米通道的高場段是I μπι長，則在穿入期間施加至IJ DNA分子的總力在注入器件中小至1/105倍(在高場區(qū)域中包含大約5 kbp)。這大大降低了 DNA分裂的概率。圖4D和4E以示意圖方式示出到納米通道的DNA引入(拉入)和分別基于有和沒有橫向通道的長納米通道，施加到DNA分子的相應(yīng)計算的力，F(xiàn)(t,E) = AqL(t)E和F(t，E) = Xq[LE+L’(t)E’]。等式的組成在下面列出。
[0090]E =電場強度
F (t, E)=在給定E上在時間t在DNA分子上的力
K = DNA的線性電荷密度
L(t)=在時間t在納米通道中DNA的長度
L=示范器件的第I段的長度
E’ =在示范器件的第2段中的電場強度
L’ (t)=在時間t在示范器件的第2段中DNA的長度
為計算在DNA分裂或中斷前能夠拉入納米通道中的DNA量(長度)，假設(shè)了雙鏈DNA的抗張強度為大約 480 pNo 請參閱電 Bensimon 等人在 Phys.Rev.Lett.1995，74，4754-4757所著內(nèi)容，其內(nèi)容由此結(jié)合于本文中，如同其全文在此陳述。例如，如果E=200V/cm，并且L=1Mm,則在無橫向通道的情況下(圖4D)，能夠拉入納米通道的DNA的最大長度是大約3Mbp。相反，在橫向通道被包含到器件中時(圖4E)，能夠拉入納米通道的DNA的最大長度是大約577 Mbp,即，在長度上比人的染色體I更長。
[0091]示范器件制作
圖5A和中顯示了兩種器件配置。對于這些配置，統(tǒng)一的特性是各種納米通道20、30尺寸。通過其驅(qū)動分析物輸運的納米通道20的橫向尺寸能夠在這些示例中是大約20-100nm，并且具有接近I的縱橫比(寬度:深度)。與輸運納米通道20相交的淺通道30s能夠具有在大約I到10 nm之間的臨界尺寸(深度)。如上所述，兩個考慮事項預(yù)示器件設(shè)計的此元素。首先，相對于輸運納米通道尺寸，更小的尺寸阻止分析物高分子通過這些導(dǎo)管的不需要輸運。其次，這些尺寸與低離子強度緩沖液中雙電層的德拜長度特性相稱，從而意味著在諸如IX TBE等標(biāo)準(zhǔn)電泳緩沖液中能夠誘發(fā)濃度極化(89 mM三羥甲基氨基甲烷(Tris) ;89mM 硼酸鹽(borate) ；2 mM 乙二胺四乙酸(ethylenediamenetetraacetic acid, ED