带有用于高分子的受控捕捉、俘获和输运的集成组件的纳米流体器件及有关分析方法
【专利说明】带有用于高分子的受控捕捉、俘获和输运的集成组件的纳米流体器件及有关分析方法
[0001]相关申请
本申请要求具有2013年2月28日提出的美国临时申请61/770586的优先权，其内容通过引用结合于本文中，如同其全文在此陈述。
[0002]联邦支持声明
根据国立卫生研究院资助的授予编号HG002647，在政府支持下产生了本发明。政府对本发明具有某些权限。
技术领域
[0003]本发明涉及使用应用流体学和纳米通道进行分子的检测/表征和/或测量。
【背景技术】
[0004]近来，人们对在芯片实验室(lab-on-a-chip)流体器件中包含纳米级组件一直有相当大的关注。此关注的根源在于从微米级到纳米级的发展中几个优势(及可有利地利用的不同之处)。这些不同之处例如包括双层重叠(DLO)及其在电渗和选择渗透性上的效应、电场的局部增强、更高的表面体积比、在大的合成和生物聚合物上的限制效应及熵效应的新兴重要性。请参阅例如电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所著内容。纳米级器件的历史性示例包括通过纳米孔在色谱分离和滤膜中使用多孔介质和凝胶。请参阅例如电Lerman等人在B1polymers 1982, 21,995-997 ;和Tong等人在M.Nano 2004，么283-287所著内容。然而，近来的尝试一直集中于在为流体和分析物设计在几何形状上明确的导管和将它们无缝集成到器件中。请参阅例如电Volkmuth等人在 Nature 1992，600-602 ;和 Striemer 等人在 Nature 2007，445，749-753 所著内容。此类常规结构的优点是压力和场梯度、流体流动和其内包含的分子运动的相对简单性，而不同于在更曲折的网络中的这些属性。定义、表征和轻松为这些系统建模的能力例如能够允许更好地理解分离机制和单分子物理学。靜#/场濟^/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 中所著内容。
[0005]近来，FIB研磨技术已被描述成形成纳米流体器件。？穿#廣7由Menard等人所著“使用聚焦离子束研磨在绝缘基板中制作小于5 nm纳米通道”(Fabricat1n of Sub-5nm Nanochannels in Insulating Substrates Using Focused 1n Beam Milling, NanoLett.2011, 11，512-517) (2010年12月20日发布)和2010年9月21日提出，题为“用于形成纳米通道的方法、系统和器件”(Methods, Systems And Devices For FormingNanochanneIs)的美国临时专利申请61/384738 (及有关PCT申请PCT/US2011/052127)，其内容通过引用结合于本文中，如同其全文在此陈述。除FIB研磨外，能够使用适合用于纳米通道制作的多种其它方法，例如包括电子束光刻、纳米压印光刻、光刻、制模或塑造策略及本领域技术人员理解的其它方法。
[0006]人们已提议了多种纳米流体器件，包括用于单分子感应和/或核酸测序的带有集成微型电极(纳米或微米级)的那些纳米流体器件。将电极包含为器件组件能够要求困难的制作，并且电极几何形状的小差别可导致高的器件到器件变化性。另外，基于荧光的系统能够具有有限的时间分辨率，一般在每秒大约400帧或更少，并且可要求较大和/或昂贵的光学和成像组件。还存在对备选器件设计和/或评估技术的需要。
【发明内容】
[0007]本发明的实施例配置成提供通过使用带有显著不同电场强度段的相应纳米通道的电动控制和/或使用浓度极化，促进通过具有比在分析的分子(高分子)的回转半径更小的临界尺寸的纳米通道的捕捉、俘获和输运的器件，由此允许极大高分子的捕捉，并且分裂的发生率降低。
[0008]本发明的实施例提供极快地推动DNA到输运通道的纳米通道入口，并且在分子上应用足够的力以克服熵障碍以便穿入到纳米通道。DNA能够快速通过纳米通道的第一部分输送，但随后在与横向电极或纳米流体元件的相交处速度降低。
[0009]本发明的实施例提供诸如用于DNA分析的芯片等具有至少一个流体输运纳米通道的器件，带有浅区域的至少一个纳米通道与输运纳米通道和/或与集成电极相邻并与其流体联系，以确定关注的特性或参数，如分子鉴定、长度确定、局部(探头)映射及诸如此类。
[0010]本发明的实施例涉及纳米流体分析器件。器件包括至少一个流体输运纳米通道和至少一个流体纳米通道，在至少一个流体输运纳米通道的端部之间存在某个距离的相交处的流体输运纳米通道段的相对侧上有两个浅段，以限定相应流体输运纳米通道的第一段和第二段。器件也包括与相应浅段联系的第一和第二电极和配置成控制电极的操作以便以可控方式注入、俘获和输运高分子的电路，第一电极与流体输运纳米通道的入口端部联系，第二电极与流体输运纳米通道的出口端部联系。在操作中，第一和第二段能够具有显著不同的场强度，以由此俘获高分子，以便高分子处于平衡或者低速移动。
[0011]浅段能够并入更深段中，并且能够与流体输运纳米通道正交。
[0012]浅段能够并入更深段中，并且能够与流体输运纳米通道平行。
[0013]器件能够包括密封到基板的罩盖以限定流体分析芯片和在至少一个流体输运纳米通道中的DNA、RNA、肽、蛋白质的分子或其它生物或合成高分子。
[0014]其它实施例涉及具有至少一个流体输运纳米通道和在与输运通道的相交处与至少一个流体输运纳米通道的相对侧邻接的两个横向集成电极的器件，相交处在至少一个流体输运纳米通道的相对第一和第二端部之间存在某个距离以限定输运纳米通道的第一段和第二段。在操作中，第一和第二段具有显著不同的场强。
[0015]器件能够包括至少部分存在于基板上和/或与基板联系的电路，基板配置成选择性地施加电压到流体输运纳米通道的第一和第二端部以及到横向电极，以生成显著不同的场强，并且以可控方式在流体输运纳米通道中和通过流体输运纳米通道注入、俘获和输运高分子。
[0016]还有的其它实施例涉及纳米流体分析系统。系统包括具有至少一个流体输运纳米通道的器件，流体输运纳米通道具有与(i)带有第一和第二段的至少一个流体纳米通道的相交处，第一和第二段跨流体输运纳米通道相互面对，每个与相应电极联系，或者与(ii)两个横向集成电极的相交处，两个横向集成电极与至少一个流体输运纳米通道的相对侧邻接。相交处在至少一个流体输运纳米通道的相对端部之间存在某个距离以限定相应流体输运纳米通道的第一段和第二段。器件也包括带有电源的电路，电源配置成施加电压到电极以通过至少一个流体输运纳米通道选择性地俘获和输运高分子。
[0017]器件能够包括带有第一和第二段的至少一个流体纳米通道，第一和第二段跨流体输运纳米通道相互面对，每个与相应电极联系，并且第一和第二段是浅段。
[0018]第一和第二段能够是宽段。
[0019]器件能够包括与相应相交处协作的多个平行流体输运纳米通道。
[0020]器件能够包括带有多个纵向间隔分开的相交处的至少一个流体输运纳米通道，每个相交处具有(i)带有第一和第二段的流体纳米通道，第一和第二段跨流体输运纳米通道相互面对，每个与相应电极联系，或者(ii)与至少一个流体输运纳米通道的相对侧邻接的两个横向集成电极。
[0021]还有的其它实施例涉及分析高分子的方法。方法包括:(a)为提供具有相交处的至少一个流体输运纳米通道，相交处包括(i)带有第一和第二段的至少一个流体纳米通道，第一和第二段跨与输运通道流体联系的流体输运纳米通道段相互面对，每个与相应电极联系，或者(ii)与至少一个流体输运纳米通道的相对侧邻接的第一和第二横向集成电极；(b)跨第一和第二段或第一和第二横向电极电施加偏置，以在流体输运通道中注入或俘获高分子；(C)电去除所有偏置，促使高分子驰豫，进入某个平衡构象；以及(d)仅跨输运纳米通道电施加偏置，控制通过纳米通道的高分子的迀移。
[0022]器件能够包括带有第一和第二段的至少一个流体纳米通道，并且第一和第二段能够是宽、浅段。
[0023]浅段能够并入更深段中，并且能够与流体输运纳米通道正交。
[0024]浅段能够并入与流体输运纳米通道平行的更深段中。
[0025]器件能够是流体分析芯片，并且高分子能够是DNA、RNA、肽、蛋白质的分子或其它生物或合成高分子。
[0026]电施加和去除步骤能够在定时算法和/或定时电路的引导下执行。
[0027]电压步骤能够由在输运纳米通道内限定位置的分析物分子的光学检测触发。
[0028]电压步骤能够由在输运纳米通道内限定位置使用离子电流、隧穿电流或场效晶体管测量的分析物分子的电气检测触发。
[0029]方法能够包括电子检测在相交处前与在流体输运纳米通道的第一部分的分析物的通过相关联的电压更改，以启动施加和去除偏置的自动化循环，在流体输运纳米通道中和通过流体输运纳米通道选择性地注入、俘获和输运相应高分子以便进行分析。
[0030]要注意的是，相对于一个实施例描述的本发明的方面虽然在不同实施例中未相对于其进行明确描述，但可包含在其中。也就是说，所有实施例和/或任何实施例的特征能够以任何方式和/或在任何组合中组合。申请人保留更改任何最初提出的权利要求和/或相应地提出任何新权利要求的权利，包括虽然在最初未以该方式要求权利保护，但能够修改任何最初提出的权利要求以取决于和/或包含任何其它权利要求的任何特征的权利。在下面陈述的说明书中，将详细解释本发明的这些和其它目的和/或方面。通过阅读后面的优选实施例的图形和详细描述，本领域技术人员将领会本发明的其它特征、优点和细节，此类描述只是说明本发明。
【附图说明】
[0031]图1是根据本发明的实施例，带有位置与输运纳米通道邻近的宽、浅纳米流体通道的器件的示意图。
[0032]图2A是根据本发明的实施例的类似于图1的器件的示意图，示出输运纳米通道的示范电场强度、段中的离子电阻(R)和段的长度(L)。
[0033]图2B是根据本发明的实施例，包括位置在输运纳米通道旁的集成横向电极的纳米流体分析器件的一备选实施例。
[0034]图3A和3B是纳米通道配置用于通过使用浓度极化，实现到输运纳米通道的聚合电解质引入和随后俘获的纳米流体器件的示意图[阳离子(对于黑白色版本，阴离子示有X标记以区分它们和阳离子)]。图3A示出在未施加电压时带有示范离子分布的器件，并且图3B示出在输运通道(Vl)的出口处和在两侧通道(V2)施加正电压时的离子分布。