核酸输送控制装置及其制造方法、以及核酸测序装置与流程

本发明涉及用于控制核酸链的输送的装置及其制造方法。此外，本发明涉及读取核酸链的碱基序列的核酸测序装置。

背景技术：

如果使1分子生物聚合物通过埋入数～数十nm左右厚度的薄膜的直径亚nm～数nm左右的细孔(以下记载为“纳米孔”)，则根据生物聚合物的单体序列模式，纳米孔周边部的电气和/或光学等物理特性变化为图案状。在生物聚合物为脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid：DNA)或核糖核酸(ribonucleic acid：RNA)那样的核酸的情况下，图案根据核酸碱基序列的变化而变化。

近年来正积极地研究利用这种现象进行生物聚合物的单体序列分析的方法，特别是生物聚合物为DNA的情况下、进行DNA的碱基序列的序列分析、即DNA测序的方法。这样的方法中，纳米孔经常以将含有电解质的溶液配置于薄膜两侧的形态使用。在该薄膜的两端间施加电压而产生电势差，从而能够使含有电解质的溶液通过纳米孔。

作为电气特性，着眼于此时产生的离子电流，DNA链通过纳米孔时观测到的离子电流的变化量根据单体种类的不同而不同，以此为原理确定DNA链的序列的方式被认为是最有前途的。除了离子电流以外，下述原理的方式也广为人知：在纳米孔部形成1对电极，利用流经该电极间的隧穿电流，生物聚合物通过纳米孔时观测到的隧穿电流量根据单体种类的不同而不同。

任一方式均不需要像以往那样伴随有生物聚合物的片段化的化学操作，能够直接读取生物聚合物。生物聚合物为DNA的情况下，是第二代DNA碱基序列分析系统；生物聚合物为蛋白质的情况下，是氨基酸序列分析系统。任一情况下均可期待作为能够读取比以往很长的序列长度的系统。下面，作为生物聚合物，以DNA为对象进行说明。

作为纳米孔装置，有下面两种：使用埋入脂质双层膜的中心具有细孔的蛋白质的生物孔隙，以及通过半导体加工工艺形成的在绝缘薄膜中加工出细孔的固体孔隙。

生物孔隙中，将埋入脂质双层膜的修饰蛋白质(例如耻垢分枝杆菌耻垢分枝杆菌porin A(Mycobacterium smegmatis porin A(MspA)等)所具有的细孔(直径1.2nm，厚度0.6nm)作为DNA序列的检测部，测量离子电流的变化量。然而，该细孔厚度比一个碱基单元(作为DNA的单体的核苷酸的邻接距离为0.34nm)大的情况下，离子电流变化量中会混合存在多个碱基的信息。除了该空间分辨率不足以外，由于利用蛋白质，蛋白质的细孔部因溶液条件、环境条件而变性，装置劣化。从稳定性、寿命的观点出发，存在装置的鲁棒性低的课题。

另一方面，固体孔隙中，可以将由石墨烯或二硫化钼那样的单分子层形成的薄膜开孔形成纳米孔。如果是它们的厚度，则能够确保读取一个碱基单元的充分的空间分辨率。此外，与蛋白质不同，材料在各种溶液条件和环境条件中稳定，存在装置的鲁棒性高的优点。另外，还能够使用半导体加工工艺使纳米孔部并排化。从上述那样的优点出发，固体孔隙作为比生物孔隙更优异的装置受到关注。

作为将DNA链输送至纳米孔附近并通过纳米孔内的方法，最广泛使用的是将使产生离子电流的电势差直接作为驱动力，使DNA链电泳的方法。然而，借助于电泳的DNA链的纳米孔通过速度非常迅速，因此仅获得来自邻接的多个碱基的信号混合存在的信号值。因此，为了实现序列分析，需要使通过速度减缓的技术。具体而言，优选能够延迟至100μs/碱基以上的通过速度，但目前的状况是0.01～1μs/碱基的通过速度。因此，需要实现至少100倍至10000倍左右的速度延迟。如果能够以这种方式使通过速度减缓，则能够取得仅仅一个碱基的信号。

为了解决该课题，考察了各种方法。已研究了多种调整溶液的物性的方法，例如，尝试了如下方法：通过添加高浓度甘油使溶液粘度上升而增加电泳时DNA链的拉伸力和反方向的摩擦力，从而减缓纳米孔通过速度(非专利文献1)。此外，还在验证如下福能股份：通过在溶液中添加锂离子而降低DNA链的表观负电荷，从而减小电泳时的拉伸力而使纳米孔通过速度延迟(非专利文献2)。

作为调整溶液的物性以外的方法，正在研究在装置上别具匠心的方法。例如，正在验证使纳米孔本身别出心裁的方法。作为单纯的方法，已知下述方法：减小纳米孔的直径而增大DNA链通过纳米孔时的摩擦力，减缓纳米孔通过速度(非专利文献3)。

此外，还在研究在装置中设置新的结构体的方法。专利文献1中公开了在由二维流路构成的纳米孔装置中设置二维形状的障碍物的方法。上述专利文献中公开了下述结构：在加工出纳米孔的薄膜的两侧，设置规律性地隔开距离配置的纳米尺寸的障碍物组(圆柱等)。

作为其他障碍物的例子，明确示出由聚合物、树脂、无机系多孔体或珠子构成的凝胶材料。提及在电泳时，生物聚合物与障碍物发生碰撞，从而产生妨碍泳动方向的摩擦力，因此纳米孔通过速度降低。

非专利文献4中，作为实现障碍物的其他方法，公开了在纳米孔上游侧设有随机地多层层叠的树脂材质的纳米线组的结构。提及利用电泳时生物聚合物与纳米线碰撞而产生的摩擦力，使纳米孔通过速度降低。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2014-074599号公报

非专利文献

非专利文献1：D.Fologea,et al.Nano Lett.,2005年,第5(9)卷,p.1734

非专利文献2：S.W.Kowalczyk,et al.Nano Lett.,2012年,第12(2)卷,p.1038

非专利文献3：R.Akahori,et al.Nanotechnology,2014年,第25卷,p.275501

非专利文献4：A.H.Squires,et al.J.Am.Chem.Soc.,2013年,第135(44)卷,p.16304

技术实现要素：

发明所要解决的课题

现有的方法中存在延迟效果不充分的课题。例如，就作为生物聚合物以双链DNA为对象、添加甘油等而调整以粘度为代表的溶液物性的上述方法而言，止步于在甘油添加前后，通过时间延迟至5倍程度的效果。另外，在DNA链通过时，添加物也同时通过，因此，还存在一个碱基单元的碱基种类信号值差变小、碱基种类的检测变得困难的课题。就以单链DNA为对象、添加锂离子的方法而言，添加前后，延迟效果为10倍左右。例如，就作为生物聚合物，以双链DNA为对象，利用以往的障碍物的生物聚合物的纳米孔通过速度延迟方法而言，延迟效果止步于15倍左右。

因此，任何公知的方法中，均不能将DNA链那样的核酸链的纳米孔通过速度充分延迟至能够分析碱基序列的速度以下，期待开发其他方法。

本发明是鉴于上述课题而作出的。本发明的目的在于，提供核酸输送控制装置及其制造方法、以及核酸测序装置，所述核酸输送控制装置通过导入新的延迟原理，使核酸链的纳米孔通过速度大幅延迟化，结果能够稳定地进行碱基序列分析。

用于解决课题的方法

本发明人等进行了深入研究，结果发现，通过使由疏水性高分子链和亲水性高分子链形成的嵌段共聚物自组织化，能够形成紧密填充亲水性高分子链的纳米通道。此外，本发明人等还首次发现，通过使核酸链通过得到的纳米通道内部，能够使核酸链的输送速度大幅延迟化，并想到将该纳米通道应用于具有纳米孔的核酸输送控制装置。

一个方式中，本发明的核酸输送控制装置具有核酸链的通过路径，所述核酸链的通过路径具有1个以上的纳米通道，所述纳米通道相对于仅能够通过一分子核酸链的1个纳米孔有多条路径，所述纳米通道具有由疏水性高分子链和亲水性高分子链形成的嵌段共聚物的微观相分离结构，且所述纳米通道含有所述嵌段共聚物的亲水性高分子链作为主要成分。另一方式中，本发明的核酸输送控制装置具有核酸链的通过路径，所述核酸链的通过路径具有1个纳米通道，所述纳米通道相对于仅能够通过一分子核酸链的1个纳米孔有多条路径，所述核酸输送控制装置具有绝缘性基底材料和薄膜，所述绝缘性基底材料具有1个以上的所述纳米孔，所述薄膜直接或间接地配置于该绝缘性基底材料的上方，所述薄膜具有1个以上的纳米通道和配置于其周围的基质，且所述纳米通道中填充有固定于所述纳米通道与所述基质的界面的亲水性高分子链。

发明的效果

根据本发明的核酸输送控制装置，能够使核酸链的输送速度延迟化至可以读取碱基序列的速度。此外，根据本发明的核酸输送控制装置能够通过简便的方法来制造。因此，本发明在高精度且高可靠性的核酸测序装置的制造中是非常有用的。

除了上述以外，通过以下实施方式的说明而明确课题、构成和效果。

本说明书包括作为本申请的优先权基础的日本专利申请第2014-217124号的说明书和/或附图中记载的内容。

附图说明

图1是显示使用了本发明的核酸输送控制装置10的核酸测序装置的截面结构的示意图。

图2是以无规通道结构和直立圆筒状结构为例显示嵌段共聚物薄膜20的结构的概略图。

图3是以直立圆筒状结构为例示意性放大显示嵌段共聚物薄膜20的构成单元的图。

图4是以无规通道结构和直立圆筒状结构为例显示纳米通道的结构的示意图。

图5是具有无规通道结构和直立圆筒状结构的PEO-b-PMA(Az)薄膜的扫描型透射电子显微镜观察图像。

图6是显示具有各种构成的实施例和比较例的核酸输送控制装置的截面结构的示意图。

图7是具有无规通道结构和直立圆筒状结构的PEO-b-PMA(Az)薄膜的、核酸输送控制装置开孔部附近的扫描型透射电子显微镜观察图像。

图8是在具有第一构成的实施例的核酸输送控制装置中，使用含有ssPolyA链的缓冲溶液作为试样的情况下，以高分辨率测量所观察到的离子电流量的时间变化，并将该结果制图而得的图。

图9是显示具有第一构成的实施例的核酸输送控制装置中，ssPolyA链通过核酸输送控制装置所需的时间的分布的图。

具体实施方式

以下，对本发明的优选实施方式详细地进行说明。以下，适当使用附图等对本发明的实施方式进行说明。以下的说明表示的是本发明的内容的具体例。本发明不受以下的说明的限定，在本说明书中公开的技术思想的范围内，本领域技术人员能够进行各种变更和修正。此外，有时对用于说明本发明的全部图中具有同一功能的部件给予同一符号，省略其重复说明。

(核酸测序装置)

图1是显示使用了本发明的核酸输送控制装置的核酸测序装置的截面结构的一例的示意图。本发明的核酸测序装置具有：核酸输送控制装置10、介由核酸输送控制装置10的核酸链的通过路径14连通的两个溶液小室30、以及分别设置于两个溶液小室30的、用于在两个溶液小室30之间施加电压的电极32。含有电解质水溶液33的两个溶液小室30介由核酸输送控制装置10的通过路径14连通。这里，一个溶液小室30中含有作为应当读取序列的试样的核酸链31。核酸输送控制装置10的核酸链的通过路径14具有纳米孔13和纳米通道22。此外，各溶液小室30中设有电极32，通过在两极施加电压，使核酸链31通过核酸输送控制装置10中的通过路径14。图1中，显示的是具有配置有1个核酸链的通过路径14的核酸输送控制装置10的实施方式。然而，本发明的核酸测序装置中，核酸输送控制装置所含的核酸链的通过路径的数目没有特别限制。例如，也可以是具有并列配置有多个核酸链的通过路径14的核酸输送控制装置10的实施方式。需要说明的是，图1中，以虚线表示的通过路径14的区域是为了说明其功能而例示性显示的例子。核酸链通过的纳米通道22的范围不限于图示的该区域。

本发明中，“核酸”是指脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)。上述核酸优选为单链的核酸链，更优选为单链的DNA链。通过对上述核酸适用本发明，能够高精度地读取该核酸链的碱基序列。

通过在核酸链31通过通过路径14时测量通过通过路径的离子电流值来测量核酸链的碱基序列，在这样的实施方式的情况下，利用电流计35测定流经电极32间的电流量的时间变化即可。因此，该实施方式中，不特殊需要传感器。优选电流计35是能够以高时间分辨率和低噪水平测量微弱电流的装置。

使用测量核酸链的种类的传感器，在核酸链31通过核酸输送控制装置10的通过路径14时读取碱基序列，在这样的实施方式的情况下，传感器设置于核酸输送控制装置10的前后或其内部。图1中，为了简便，省略了传感器。关于读取核酸链的碱基序列的方法、及该方法中使用的传感器的构成没有特别限制。以往就报告了测量横切核酸链的隧穿电流的变化或核酸链的电荷量等物理量的各种方法。因此，本发明的上述实施方式中，可以利用这些公知的方法。或者，也可以通过拉曼散射光谱法或红外吸收分光法等分光方法，测量通过通过路径14的核酸链的化学组成。使用分光方法的情况下，为了获得相当于碱基大小的空间分辨率，优选适用利用等离子体等局部光增强场的激励法。

(核酸输送控制装置)

本发明的核酸输送控制装置10具有核酸链的通过路径14，核酸链的通过路径14具有相对于仅能够通过一分子核酸链的1个纳米孔13有多条路径的1个以上的纳米通道22。核酸链的通过路径14优选具有1个或2个、特别是1个相对于仅能够通过一分子核酸链的1个纳米孔13有多条路径的纳米通道22。纳米孔13和纳米通道22优选以相互接触或分开的方式配置。纳米孔13和纳米通道22以相互分开的方式设置的实施方式的情况下，在纳米孔13和纳米通道22之间，可以配置以包围纳米孔13的纳米通道侧开孔的方式配置的核酸链排列部。核酸链排列部是由空间或任意的材料形成的层。配置有核酸链排列部的情况下，如以下所说明的那样，即使是多个核酸链通过纳米通道22的多条路径的情况下，也能够使该多个核酸链排列而将仅一分子核酸链导入1个纳米孔13。

本发明的一个方式中，纳米通道22具有由疏水性高分子链和亲水性高分子链形成的嵌段共聚物的微观相分离结构。这种情况下，纳米通道22含有上述嵌段共聚物的亲水性高分子链作为主要成分。本发明的另一方式中，纳米通道22中填充有固定于纳米通道22与基质21的界面的亲水性高分子链。

纳米通道22可以由具有通道结构的1个结构域构成，也可以作为多个结构域的集合体构成。本说明书中，有时将纳米通道作为多个结构域的集合体构成的实施方式中的、具有通道结构的1个结构域记载为“纳米通道单元”。

本发明的核酸链的通过路径的特征在于，对应于1个纳米孔的1个以上的纳米通道分别具有核酸链和电解质离子可通过的多条路径。从能够使用封锁电流方式精密地实施核酸链的碱基序列的读取的方面考虑，具有上述特征的本发明的核酸链的通过路径是有利的。如图1所示，如果在将本发明的核酸输送控制装置10浸渍于以氯化钾为代表的电解质的水溶液中的状态下对该核酸输送控制装置10施加电压，则引起电解质通过纳米孔，离子电流流动。这里，电解质的水溶液含有核酸链31的情况下，发生核酸链31通过纳米孔13的事件。此时的离子电流值对应于形成通过纳米孔13的核酸链31的碱基的种类而连续地变化。基于该离子电流的变化量读取核酸链的碱基序列的方法是封锁电流方式。从不需要另外准备用于读取核酸链的碱基序列的传感器的方面考虑，封锁电流方式是优异的方法。

为了使用封锁电流方式读取核酸链的碱基序列，需要使充分的量的离子电流稳定且平稳地流经核酸链通过的纳米孔。本发明的核酸输送控制装置具有相对于1个纳米孔有多条路径的1个以上的纳米通道。利用这样的特征，能够确保读取核酸链的碱基序列所需的离子电流量及其稳定性。例如，一分子核酸链通过核酸链的通过路径的纳米通道的情况下，核酸链通过纳米通道所具有的多条路径的1个。而电解质离子能够通过纳米通道所具有的多条路径中的与核酸链正在通过的路径不同的1个以上的路径。由此，能够实现在一分子核酸链通过核酸链的通过路径时，离子电流稳定地流动的状态。因此，本发明中的核酸链的通过路径能够不对电解质离子的透过行为、例如对电解质离子的阻力产生影响，仅表现核酸链输送速度的延迟化效果。

本发明的一个方式中，本发明的核酸输送控制装置10可以具有具有1个以上的纳米孔13的基底材料11、以及直接或间接地配置于的基底材料11的上方的薄膜20。这种情况下，薄膜20具有1个以上的纳米通道22和配置于其周围的基质21。本说明书中，“基底材料11的上方配置有薄膜20”的意思不仅是指使用时的配置中在基底材料11的上表面配置有薄膜20的情况，还指在基底材料11的下表面或两面配置有薄膜20的情况。在基底材料11的两面配置有薄膜20的情况下，优选薄膜20分别具有1个以上的纳米通道22和配置于其周围的基质21。这样的实施方式的情况下，核酸链的通过路径14可以具有相对于仅能够通过一分子核酸链的1个纳米孔13有多条路径的2个纳米通道。此外，本说明书中，“薄膜20直接配置于基底材料11的上方”意思是以基底材料11与薄膜20相互接触的方式配置的情况，“薄膜20间接地配置于基底材料11的上方”意思是基底材料11与薄膜20以其整体或一部分相互分开的方式配置的情况。薄膜20间接地配置于基底材料11的上方的实施方式的情况下，即基底材料11与薄膜20以相互分开的方式设置的实施方式的情况下，在基底材料11与薄膜20之间，可以配置有以包围纳米孔13的薄膜侧开孔的方式配置的核酸链排列部。

纳米通道22的形状不限于图1所示那样的无规分支连接的结构。纳米通道22可以具有例如由以贯穿薄膜20的方式配置的圆柱状或片层状的1个以上的纳米通道单元23排列而成的集合体形成的结构，也可以具有分支结构。纳米通道22具有分支结构的情况下，纳米通道22和周围的基质21通常具有一起共连续且规则的结构。对于纳米通道的结构，在其他地方进行详述。

纳米孔13具有直径D。直径D根据通过纳米孔的分子适当选择即可。例如，通过纳米孔的分子为单链核酸的情况下，直径D优选为0.7nm以上，更优选为0.9nm以上。直径D优选为5nm以下，更优选为1.5nm以下。此外，直径D优选为0.7～5nm的范围，更优选为0.9～1.5nm的范围。直径D在上述下限值以上的情况下，能够使单链核酸分子通过纳米孔。直径D在上述上限值以下的情况下，能够将通过纳米孔的分子限制为仅一分子单链核酸。

纳米孔13的形状可以是圆形(例如正圆形或椭圆形)、多边形或它们经扭曲的形状那样的任意形状，优选为圆形。纳米孔13的形状不是正圆状的情况下，纳米孔13的直径D的意思是内接于基底材料11的表面中纳米孔13的截面图案的正圆的直径。

基底材料11可以如图1所示，具有由1个膜层形成的单层结构，也可以如图6所示，具有由多个膜层形成的多层结构。基底材料11具有多层结构的实施方式能够简单地制作由具有纳米孔、且具有相当于一个碱基的大小的膜厚的膜层和具有其他功能的膜层(例如，具有核酸链排列部的膜层)形成的基底材料，因而是特别有利的。

基底材料11通常是绝缘性的。基底材料11的材质只要是能够开孔纳米孔13的材质就没有特别限定。基底材料11的材料优选为氮化硅(SiN，例如Si₃N₄)、氧化硅(SiO₂)、氧化铪(HfO₂)或石墨烯等。使用这些材料制作的基底材料11对于电解质溶液33具有耐腐蚀性，且能够容易地进行纳米孔13的开孔。利用封锁电流值读取核酸链的碱基序列的情况下，基底材料11的材料优选为SiN或石墨烯等具有1个原子的厚度的片状二维材料。通过基底材料11使用二维材料制作，能够制造具有相当于一个碱基的大小的膜厚的基底材料。例如，基底材料11具有单层结构的情况下，基底材料11优选使用上述二维材料制作。基底材料11具有多层结构的情况下，多个膜层可以均使用选自上述材料的相同材料制作，也可以使用选自上述材料的互不相同的材料制作。这种情况下，具有纳米孔13的膜层优选使用上述二维材料制作。通过具有纳米孔13的膜层使用二维材料制作，能够制作纳米孔13的周边区域具有相当于一个碱基的大小的膜厚的基底材料。通过这样的构成，能够高精度地读取核酸链的碱基序列。

为了能够形成具有期望的直径D的微细的纳米孔13，基底材料11优选为100nm以下、特别是50nm以下的膜厚。此外，为了能够具有充分的强度，基底材料11优选为10nm以上的膜厚。利用封锁电流值读取核酸链的碱基序列的情况下，基底材料11优选为0.3nm以上的膜厚。上述膜厚相当于一个碱基的大小。因此，为上述下限值以上的膜厚的情况下，能够高精度地读取核酸链的碱基序列。

基底材料11可以贯穿其整体具有上述膜厚。然而，基底材料11在纳米孔13的周边区域和除此以外的区域可以具有互不相同的膜厚。这种情况下，基底材料11优选具有多层结构。例如，利用封锁电流值读取核酸链的碱基序列的情况下，优选构成基底材料11的具有纳米孔的膜层是0.3～2.0nm的范围的膜厚，且具有多层结构的基底材料11整体是10～100nm的范围的膜厚。通过这样的构成，基底材料11能够具有多个膜厚的区域。

基底材料11可以具有基底孔15。基底孔15中，其一端的开孔部整体或其一部分的孔径极小化而连接于纳米孔13。即，基底孔15的一端具有连接于纳米孔13的直径D的开孔部，另一端具有直径D’的开孔部。优选具有多层结构的基底材料11中配置有基底孔15。例如，如图6(a)、(d)和(e)所示，基底材料11具有多层结构的实施方式中，优选在配置于具有纳米孔的膜层61的上方或下方的膜层62和63中配置有基底孔。通过这样的构成，能够在不同的膜层形成纳米孔和基底孔。基底孔15中，直径D’优选为0.7nm以上，更优选为0.9nm以上。直径D’优选为100nm以下，更优选为50nm以下。此外，直径D’优选为0.7～100nm的范围，更优选为0.9～50nm的范围。基底孔15的直径D’为上述下限值以上的情况下，能够在其一端与纳米孔13连接。基底孔15的直径D’为上述上限值以下的情况下，可以适用纳米孔13的周边区域具有以下说明的期望的范围的膜厚，且在除此以外的区域具有超过所述范围的膜厚的基底材料。

基底孔在使用时的配置中优选配置于基底材料的上表面。基底孔是这样的配置的情况下，基底孔以夹持于基底材料中形成的纳米孔与纳米通道之间的方式配置，作为核酸链排列部发挥功能。这种情况下，作为核酸链排列部发挥功能的基底孔通过与构成纳米通道的多个纳米通道单元连通，能够使该多个纳米通道单元的路径连接于纳米孔。

关于基底材料11，其可以单独使用。然而，如图1所示那样，优选为了提高基底材料11的硬度或操作性而在基底材料11的下方配置有支撑基板12，对于使用时的配置，更优选基底材料11的下表面配置有支撑基板12。这种情况下，支撑基板12优选以与基底材料11的下表面的一部分接触的方式配置，更优选以在基底材料11的表面中包围纳米孔13和/或基底孔15的开孔部的方式配置。通过如上所述配置支撑基板12，能够提高基底材料11的硬度或操作性且确保核酸链的通过路径。

为了提高基底材料11表面与薄膜20的亲和性，可以对基底材料11的表面进行化学改性。这种情况下，可以适用在基底材料11的表面接枝高分子链的方法、或使偶联剂与基底材料11的表面反应的方法等。或者，也可以对基底材料11的表面适用等离子体处理或UV处理等的表面改性技术。

基底材料11例如可以按照日本特开平8-248198号公报中公开的那样的公知的方法制造。例如，在支撑基板12(例如硅晶圆)的表面将基底材料11(例如氮化硅或氧化硅膜)制膜，接下来，可以通过利用使用例如氢氧化四甲基铵(TMAH)溶液或氢氧化钾(KOH)水溶液等的各向异性蚀刻技术将支撑基板12的一部分除去来制造。基底材料11具有多层结构的情况下，可以通过组合光刻与蚀刻的方法那样的在半导体制造等技术领域广泛适用的公知的方法，制作期望的截面形状。

纳米孔13的形成中，可以适用公知的各种半导体加工方法。适用于形成纳米孔13的工序的方法可以考虑纳米孔13的大小(直径D)和/或加工时间而适当选择。例如，可以采用利用镓离子或氦离子等粒子束进行的聚焦离子束(FIB)加工、利用聚焦的电子射线进行的电子束(EB)加工、或利用光刻进行的加工等。形成单一纳米孔13的情况下，优选FIB加工或EB加工等直接加工技术。制造通过使纳米孔13阵列化而能够并排读取的装置的情况下，优选利用光刻进行的加工技术，因为能够缩短加工所需的时间。

或者，纳米孔13也可以利用通过将未形成纳米孔13的核酸输送控制装置10设置于溶液小室30，在浸渍于电解质的状态下在电极32的两端施加脉冲电压而产生的介质击穿现象来形成(例如H.Kwok et al.PLoS ONE 9(3),2014)。从能够一边测量流经电极间的电流量一边调整纳米孔13的大小(直径D)的方面考虑，本实施方式是优异的方法。

(嵌段共聚物薄膜)

本发明的一个方式中，薄膜含有嵌段共聚物。本说明书中，有时将含有嵌段共聚物的薄膜记载为“嵌段共聚物的薄膜”或“嵌段共聚物薄膜”。嵌段共聚物薄膜20具有1个以上的纳米通道22和配置于其周围的基质21(连接相)。纳米通道22具有由疏水性高分子链和亲水性高分子链形成的嵌段共聚物的微观相分离结构。图2是显示下述实施方式的概略图：作为嵌段共聚物薄膜20的微观相分离结构的例子，纳米通道具有(a)无规的分支结构(以下也记载为“无规通道结构”)和(b)以贯穿薄膜的上下的方式排列的直立圆筒状结构(以下也简单地记载为“圆柱状结构”)。

纳米通道22具有无规通道结构的实施方式的情况下，嵌段共聚物薄膜20内，具有纳米通道22以相互结合的状态连续的结构。基质21也同样地具有以相互结合的状态连续的结构。这种情况下，纳米通道22和基质21具有互补性连续的结构。本说明书中，有时将纳米通道和基质的互补性连续的结构记载为“共连续结构”。作为纳米通道和基质具有共连续结构的实施方式，例如，除了图2(a)所示的无规通道结构以外，还包括由规律性分支结构形成的螺旋状结构(Gyroid结构)等。本发明中，纳米通道和基质具有共连续结构的实施方式的情况下，上述任意结构均可适用。

纳米通道22具有圆柱状结构的实施方式的情况下，具有圆柱状结构的多个纳米通道单元23在基质21中排列，并且在贯穿嵌段共聚物薄膜20方向上取向。而且，具有圆柱状结构的纳米通道22在使用时的配置中的嵌段共聚物薄膜20的水平面(即上表面或下面)中，以具有圆柱状结构的多个纳米通道单元23形成密排六方结构的方式形成有规则地排列的图案。作为具有由纳米通道具有独立排列的纳米通道单元的集合体形成的结构的实施方式，例如，除了图2(b)所示的圆柱状结构以外，还包括片层状的多个纳米通道单元以贯穿嵌段共聚物薄膜20的方式取向并排列的结构。本发明中，纳米通道具有圆柱状结构的实施方式的情况下，上述任意结构均可适用。

接下来，参照图3，对嵌段共聚物的微观相分离结构进行说明。图3是以构成具有圆柱状结构的纳米通道的纳米通道单元23为例、将嵌段共聚物薄膜20的构成单元示意性放大的图。嵌段共聚物薄膜20仅由嵌段共聚物40形成，或者含有该物质作为主要成分。嵌段共聚物40为由疏水性高分子链41和亲水性高分子链42形成的两亲性二嵌段共聚物的情况下，如图3(b)所示，嵌段共聚物40的分子具有疏水性高分子链41与亲水性高分子链42通过各自的末端结合而成的化学结构。嵌段共聚物40可以是疏水性高分子链41与亲水性高分子链42相互通过末端结合而成的AB型的二嵌段共聚物，或者也可以是ABA型的三嵌段共聚物。此外，嵌段共聚物40还可以为具有第三高分子链、由三种以上的高分子链形成的ABC型嵌段共聚物。或者，除了上述那样的高分子链直列结合而成的直列型嵌段共聚物以外，嵌段共聚物40还可以是各高分子链通过1个点结合而成的星型嵌段共聚物。任一情况均包括在本发明中的嵌段共聚物的实施方式中。

嵌段共聚物通过适当的方法合成即可。为了提高微观相分离结构的规则性，嵌段共聚物优选使用分子量分布尽可能小那样的合成方法、例如活性聚合法或原子转移自由基聚合(ATRP)法来制造。

作为嵌段共聚物40的构成单元即亲水性高分子链42，可以列举包括聚环氧乙烷(PEO)、聚乳酸(PLA)、聚羟基烷基甲基丙烯酸酯(例如聚羟基乙基甲基丙烯酸酯(PHEMA)等)、聚丙烯酰胺(例如N,N-二甲基丙烯酰胺)、或离子性高分子(例如聚丙烯酸或聚丙烯甲基丙烯酸等不饱和羧酸的聚合物、聚氨基酸、或核酸、或它们的盐)的高分子链。亲水性高分子链42优选为聚环氧乙烷、聚乳酸或聚羟基乙基甲基丙烯酸酯，更优选为聚环氧乙烷。

作为嵌段共聚物40的构成单元即疏水性高分子链41，可以列举包括聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸烷基酯(例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))、聚乙烯基吡啶、聚烷基硅氧烷(例如聚二甲基硅氧烷)、聚烷基二烯(例如聚丁二烯)等的高分子链。疏水性高分子链41优选在由上述高分子链形成的主链上具有表现液晶性的介晶基团的液晶性侧链。作为介晶基团，可以列举具有基于偶氮苯、芪、亚苄基苯胺、联苯、萘或环己烷的骨架的基团。上述含有介晶基团的液晶性侧链可以根据情况介由间隔基团与主链结合。这种情况下，作为结合于介晶基团的间隔基团，可以列举烷基、烷氧基或烷氧基烷基等。间隔基团优选为直链状。间隔基团的碳原子数优选为4个以上，更优选为5个以上，进一步优选为8个以上，特别优选为10个以上。作为上述具有侧链的疏水性高分子链41，可以列举聚甲基丙烯酸烷基酯中的烷基部分部分或完全被上述那样的液晶性高分子链取代的结构的高分子链。嵌段共聚物中，作为与上述具有液晶性侧链的疏水性高分子链41组合的亲水性高分子链42，特别优选为聚环氧乙烷。通过在嵌段共聚物的疏水性高分子链导入液晶性侧链，嵌段共聚物容易地自组织化而形成微观相分离结构，可以形成纳米通道。在本发明的核酸输送控制装置为具有嵌段共聚物薄膜20的实施方式的情况下，通过在嵌段共聚物的疏水性高分子链中导入液晶性侧链，嵌段共聚物容易地自组织化而形成微观相分离结构，可以形成具有如下结构的纳米通道22：贯穿使用时的配置中的嵌段共聚物薄膜20的上表面和下表面。

含有具有液晶性侧链的疏水性高分子链41的液晶性嵌段共聚物中，含有具有液晶性侧链的疏水性高分子链41作为主要成分的基质21表现液晶相。在本发明的核酸输送控制装置为具有嵌段共聚物薄膜20的实施方式的情况下，如果在使用时的配置中基质21表现液晶相，则液晶性侧链相对于嵌段共聚物薄膜20的上部表面(即自由表面)垂直取向。通过该取向性效果，纳米通道22变得容易在相对于使用时的配置中的嵌段共聚物薄膜20的上表面和下表面直立、且贯穿薄膜的方向上取向。这种情况下，纳米通道22的取向性大多会根据嵌段共聚物薄膜20的膜厚、自组织化时的工艺温度、和/或基底材料的表面状态等的变化而变化。因此，有时纳米通道22的取向性的控制有困难。本发明中，通过使用液晶性嵌段共聚物，能够使纳米通道在贯穿嵌段共聚物薄膜的方向上取向。

通过嵌段共聚物的自组织化形成的该嵌段共聚物的微观相分离结构可以基于作为组成单元的各嵌段的组成比、例如作为嵌段共聚物的组成单元的各高分子链所占有的体积比来规定。随着嵌段共聚物的各嵌段的组成比在0.5～1.0的范围内变大，嵌段共聚物的微观相分离结构、即纳米通道的结构由片层状(板状)结构变为作为共连续结构的Gyroid结构、圆柱状结构、进而变为球状结构。因此，通过适当确定疏水性高分子链与亲水性高分子链的组成比，能够获得具有期望的结构的纳米通道。

(核酸链的输送速度延迟化)

如图3所示，本发明的一个方式中，纳米通道22含有亲水性高分子链作为主要成分。本发明的另一方式中，纳米通道22中，其内部填充有亲水性高分子链。本发明人等进行了深入研究，发现，核酸链通过浸渍于水溶液的状态的纳米通道22，此外还发现，此时核酸链的通过速度与未填充亲水性高分子链的微细孔内、或块状的水溶性高分子凝胶中核酸链的通过速度相比极慢，从而完成了本发明。

参照图4，对本发明中的核酸链的输送延迟化效果进行说明。图4(a)中将具有无规通道结构的纳米通道的一部分放大并示意性显示，图4(b)中将构成具有直立的圆柱状结构的纳米通道的纳米通道单元23的一部分分别放大并示意性显示。本发明的一个方式中，纳米通道22含有亲水性高分子链42作为主要成分。本发明的另一方式中，纳米通道22中，其内部填充有亲水性高分子链42。优选在纳米通道22的周围配置有含有疏水性高分子链41作为主要成分的基质(以下也记载为“疏水性基质”)21。这种情况下，具有亲水性高分子链42与疏水性高分子链41的结合点43固定于纳米通道22与疏水性基质21的界面(例如纳米通道22的侧面)的结构。

这里，认为纳米通道22内部的亲水性高分子链42的密度在干燥状态下与固体状态大体等同。如果将具有这样的结构的纳米通道22浸渍于水溶液中，则水溶液所含的水和电解质等低分子在亲水性的纳米通道22的内部扩散。然而，亲水性高分子链42通过结合点43的位置固定于纳米通道22的侧面，因此不会大幅溶胀。因此，纳米通道22内部的亲水性高分子链42的密度即使在将纳米通道22浸渍于水溶液中后也不会大幅降低。因此，预测纳米通道22的内部形成填充有超高密度的凝胶的微细空间。

高分子量的核酸链侵入这样的微细空间中的情况下，能否通过是完全未知的。本发明人等进行了各种研究，发现，通过在纳米通道22两端的开孔部设置电势差，从而核酸链31通过纳米通道22的内部。

核酸链31的输送速度可以通过下述方法来控制：具有无规通道结构的纳米通道的情况下，适当调整纳米通道22的直径；具有圆柱状结构的纳米通道的情况下，适当调整纳米通道单元23的直径、核酸链31通过的纳米通道22的路径长度、和/或作为纳米通道22的主要成分的亲水性高分子链42的密度等。本发明的核酸输送控制装置为具有嵌段共聚物薄膜20的实施方式的情况下，纳米通道22的路径长度与嵌段共聚物薄膜20的膜厚相关。为了使核酸链31稳定地通过并获得充分的延迟效果，嵌段共聚物薄膜20优选具有10nm以上、特别是20nm以上、且500nm以下、特别是100nm以下的范围的膜厚。

(嵌段共聚物薄膜的制造方法)

本发明的核酸输送控制装置为具有嵌段共聚物薄膜20的实施方式的情况下，具有纳米通道22的嵌段共聚物薄膜20可以通过包括以下的工序的方法来制造。

首先，在基底材料11中形成纳米孔13。本工序可以通过上述说明的方法来实施。纳米孔形成工序可以在以下说明的各工序之前实施，也可以在之后实施。优选在以下说明的形成纳米通道的工序之后实施形成纳米孔的工序。通过按上述顺序实施各工序，能够不进行用于使纳米通道的末端开孔的位置与纳米孔的位置对齐的处理，简便地制造本发明的核酸输送控制装置。

通过聚合反应合成具有预定化学结构和组成的嵌段共聚物40。聚合反应中，如上所述，从能够控制嵌段共聚物40的分子量、组成和/或分子量分布的方面考虑，优选适用活性聚合法或原子转移自由基聚合(ATRP)法。得到的纳米通道22的形状、大小和/或结构域间的距离等根据嵌段共聚物40的分子量、以及作为嵌段共聚物的组成单元的疏水性高分子链41与亲水性高分子链42的分子量比发生变化。因此，通过适当调整聚合反应的反应条件，能够获得具有期望的结构的纳米通道。

接下来，将得到的嵌段共聚物40溶解于溶剂，使用得到的嵌段共聚物溶液，在基底材料11的上方、优选使用时的配置中的基底材料11的上表面制造嵌段共聚物薄膜20。作为上述溶剂，只要能够使嵌段共聚物均匀溶解就没有特别限制。可以使用该技术领域通常使用的各种有机溶剂，例如甲苯或氯仿。嵌段共聚物40通常为两亲性，因此有可能由于所组合的高分子链的化学组成而不存在可使之均匀溶解的溶剂。那样的情况下，作为用于使嵌段共聚物40溶解的溶剂，适用多种溶剂混合而成的混合溶剂即可。

嵌段共聚物薄膜20的制膜工序中，适当使用旋涂或浸涂等公知的方法即可。通过以嵌段共聚物薄膜20具有预定膜厚的方式适当调整嵌段共聚物溶液的浓度、溶剂的种类、旋涂情况下的转数、和/或浸涂情况下的提升速度等制膜条件，能够获得具有期望的膜厚的嵌段共聚物薄膜20。

随着溶剂的蒸发，通过上述工序制膜的嵌段共聚物薄膜20内部的嵌段共聚物分子40以自组织化所引起的微观相分离过程中途停止的状态存在。如本发明中适用的两亲性嵌段共聚物那样、作为嵌段共聚物的组成单元的不同高分子链间的斥力大的情况下(强排斥的情况下)，通常相分离急剧地进行。这样的嵌段共聚物中，即使在已将溶剂蒸发的状下，微观相分离也会一定程度地进行。这种情况下，在嵌段共聚物的内部形成作为无规的分支结构的无规通道结构的情况为多。因此，纳米通道22具有无规通道结构的实施方式的情况下，可以使用上述原理形成纳米通道22。

纳米通道22为具有通过嵌段共聚物向稳定平衡状态的迁移形成的更规律的结构、例如片层结构、Gyroid结构或圆柱状结构的实施方式的情况下，通过对在基底材料11上制膜状态的嵌段共聚物薄膜20进行退火处理，能够使嵌段共聚物自组织化而进行微观相分离过程。本发明中，“退火处理”的意思是下述处理：通过保持嵌段共聚物40能够在嵌段共聚物薄膜20的内部运动的状态，以形成薄膜的自由能最小那样的结构。退火处理可以通过下述公知的方法来实施：例如，加热至作为嵌段共聚物40的构成单元的高分子链的玻璃化转变温度以上的处理(热退火处理)、或通过使嵌段共聚物薄膜20暴露于溶剂蒸汽而使膜溶胀的处理(溶剂退火处理)等。

使用液晶性嵌段共聚物进行热退火处理的实施方式的情况下，还需要充分考虑液晶的转变温度。液晶性嵌段共聚物中，液晶性侧链在液晶转变温度以上时表现无规分散的各向同性相，在低于液晶转变温度时在一定方向上取向而表现液晶性。因此，使用液晶性嵌段共聚物的情况下，首先加热至液晶转变温度以上后再冷却至低于液晶转变温度，从而能够获得均匀的微观相分离结构。例如，使用具备具有偶氮苯骨架作为介晶基团的液晶性侧链的疏水性高分子链41、以及具有由聚环氧乙烷(PEO)形成的亲水性高分子链42的嵌段共聚物40的情况下，优选在暂时加热至作为液晶转变温度的100℃以上后，冷却至低于液晶转变温度、且为玻璃化转变温度以上的90℃而进行退火处理。

实施例

以下，使用实施例，进一步详细地对本发明进行说明。但本发明的技术范围不受这些实施例的限定。

[制造例1：具备具有直立圆筒状结构的纳米通道的核酸输送控制装置的制造]

本制造例中，适当参照图5～图9，对适用具有直立圆筒状结构的纳米通道的本发明的核酸输送控制装置的实施例进行详述，同时对相应的比较例进行详述。

(1)液晶性嵌段共聚物的合成及其物理化学性质的评价

嵌段共聚物中，作为亲水性高分子链，使用聚环氧乙烷(PEO)，作为疏水性高分子链，使用由具备具有基于偶氮苯的介晶基团的液晶性侧链的聚甲基丙烯酸酯衍生物(PMA(Az))形成的PEO-b-PMA(Az)。将所述嵌段共聚物的化学式示于下方。

[化1]

式中，m和n是表示PEO和PMA(Az)的聚合度的自然数。

本制造例中，使用m＝114且n＝34的上述嵌段共聚物。

PEO-b-PMA(Az)是，按照Y.Tian et al.,Macromolecules 2002,35,3739-3747中记载的方法、通过原子转移自由基聚合法聚合。得到的嵌段共聚物的聚合度通过¹H NMR和GPC来确定。

评价得到的嵌段共聚物(PEO₁₁₄-b-PMA(Az)₃₄)的自组织化结构。首先，将PEO₁₁₄-b-PMA(Az)₃₄以成为1.5重量％的浓度的方式溶解于甲苯。接下来，将得到的溶液以成为约50nm的膜厚的方式旋涂在SiN薄膜的表面，制作2个As spun(通过旋涂制膜的状态)样品。膜厚的调整通过改变旋涂时的转数来进行。通过以约3000rpm的转数进行旋涂处理，得到目标膜厚。

接下来，将As spun样品中的1个导入真空烘箱，通过以下的方法进行热退火处理。通过该热退火处理，使PEO₁₁₄-b-PMA(Az)₃₄薄膜自组织化，形成嵌段共聚物的微观相分离结构。首先，将As spun样品在真空中加热至140℃的状态下放置1小时。该温度下，PMA(Az)₃₄形成各向同性相，这通过另外进行的偏光显微镜观察来确认。接下来，使加热后的样品冷却至90℃，使PMA(Az)₃₄由各向同性相转变为近晶液相。将冷却后的样品在该状态下放置3小时后，进一步自然冷却。通过上述热退火处理，完成嵌段共聚物的自组织化。

利用扫描型透射电子显微镜(STEM，日立高新技术公司制HD-2700)观察As spun状态的样品和实施热退火处理后的样品的结构。STEM观察是在通过将样品暴露于钌(Ru)蒸汽而将PEO相染色后实施的。将利用STEM得到的显微镜像的例子示于图5。

图5(a)显示的是利用STEM得到的As spun状态的PEO₁₁₄-b-PMA(Az)₃₄薄膜的暗场图像，图5(b)显示的是利用STEM得到的热退火处理后的PEO₁₁₄-b-PMA(Az)₃₄薄膜的暗场图像。Ru染色选择性地将PEO染色。因此，利用STEM进行的暗场观察中，观察到PEO相为白色，PMA(Az)相为黑色。

由图5(a)确认到，PEO₁₁₄-b-PMA(Az)₃₄薄膜在As spun的状态下具有由PEO形成的纳米通道以分支的状态无规结合的无规通道结构。纳米通道的直径约为10nm。此外，由图5(b)可见，退火后的PEO₁₁₄-b-PMA(Az)₃₄薄膜是由PEO形成的圆柱状独立纳米通道单元(以下也记载为“PEO圆筒”)以相对于膜直立的状态排列成六方形的直立圆筒状结构。PEO圆筒的直径为9nm，各圆筒的中心间隔为23nm。

(2)核酸输送控制装置的制作

本制造例中，制造具有图6(a)～(c)中示意性显示的截面结构的3种构成的核酸输送控制装置。图6(a)所示的第一构成是本发明的核酸输送控制装置的实施例。图6(b)所示的第二构成、和图6(c)所示的第三构成是对应于第一构成的实施例的比较例。

首先，在作为支撑基板12的Si晶圆的上表面将基底材料11制膜而准备装置基板。为了组合光刻和蚀刻工艺而制作形状不同的开孔部，基底材料11使用的是具有在SiO₂层62的上表面和下表面配置有SiN层61和63的三明治结构的多层膜。

作为实施例的图6(a)所示的第一构成中，在基底材料11的上表面制作的基底孔的上部开孔65的直径设为50nm，与上部开孔65连通的基底材料11的下部开孔64的直径设为2.5nm。本构成中，下部开孔64作为纳米孔的开孔部发挥功能。上部开孔65作为基底孔的开孔部发挥功能。具有上部开孔65的基底孔作为核酸链排列部发挥功能，所述核酸链排列部将构成连接于纳米孔的纳米通道22的纳米通道单元23(即本实施例中独立的PEO圆筒)的数目限制在规定的范围内。

作为比较例的图6(b)所示的第二构成中，在基底材料11的上表面制作的上部开孔65的直径设为2.5nm，与上部开孔65连通的基底材料11的下部开孔64的直径设为50nm。本构成中，上部开孔65作为纳米孔的开孔部发挥功能。上部开孔65具有如下功能：将构成连接于纳米孔的纳米通道22的纳米通道单元23(即，本实施例中构成连接于独立的纳米孔的纳米通道的纳米通道单元)的数目限制为1个。

作为比较例的图6(c)所示的第三构成中，在基底材料11，制作上表面和下表面的开孔部为50nm的基底孔66。本构成中，不存在具有将通过核酸链的通过路径的核酸链限制为仅一分子的功能的纳米孔。

在基底材料11形成具有2.5nm的直径的纳米孔的工序使用加速电压200kV的扫描型透射电子显微镜(STEM，日立高新技术公司制HD2700)来实施。例如，具有第一构成的装置的情况下，首先在基底材料11的上部SiN层形成上部开孔65，以此为掩模将SiO₂层62蚀刻后，通过照射聚焦于下部SiN层的电子射线形成纳米孔(下部开孔64)。开孔直径的调整是通过改变电子射线的照射时间来调整。开孔的形成情况通过使用上述形成处理中使用的STEM观察明场图像来确认。

在通过上述步骤形成了开孔的装置基板的基底材料11的表面将PEO₁₁₄-b-PMA(Az)₃₄制膜。首先，将PEO₁₁₄-b-PMA(Az)₃₄以成为1.5重量％的浓度的方式溶解于甲苯。接下来，将得到的溶液以成为约50nm的膜厚的方式旋涂在装置基板的表面。膜厚的调整通过改变旋涂时的转数来进行。通过以约3000rpm的转数进行旋涂处理，得到目标膜厚。

通过使用真空烘箱对得到的样品进行热退火处理，使PEO₁₁₄-b-PMA(Az)₃₄薄膜自组织化，形成嵌段共聚物的微观相分离结构。首先，将样品在加热至140℃的状态下放置1小时。接下来，使加热后的样品冷却至90℃，使PMA(Az)₃₄由各向同性相转变为近晶液相。将冷却后的样品在该状态下放置3小时后，进一步自然冷却。通过上述热退火处理，完成嵌段共聚物的自组织化。

利用STEM观察所得到的核酸输送控制装置的结构，确认基底孔和各直立圆筒的配置状态。将关于图6(a)所示的具有第一构成的实施例的核酸输送控制装置得到的STEM图像的例子示于图7(b)。由得到的STEM图像确认到，在包括直径50nm的上部开孔65的上方的装置表面整体，由PEO形成的具有圆柱状结构的纳米通道单元23排列成六方形的状态。此外，确认到在上部开孔65的上方配置有3个PEO圆筒、在上部开孔65的周边区域配置有4～5个PEO圆筒的状态。为了得到图7(b)所示的STEM图像而使用的观察倍率和对比度下，未观察到作为纳米孔的开孔部发挥功能的下部开孔64。然而，通过改变STEM观察的条件确认了其存在。

关于作为比较例的具有第二和第三构成的核酸输送控制装置，也通过同样的步骤实施STEM观察。

关于图6(b)所示的第二构成，确认到1个PEO圆筒与作为纳米孔的开孔部发挥功能的1个上部开孔65按1:1的关系配置的状态。

关于图6(c)所示的第三构成，确认到在具有直径50nm的开孔部的基底孔66的上方配置有3个PEO圆筒、在基底孔66的开孔部的周围区域配置有4～6个PEO圆筒的状态。

(3)利用核酸输送控制装置进行的核酸链输送评价

评价通过按照上述方法制作的实施例(第一构成)和比较例(第二和第三构成)的核酸输送控制装置的离子电流的行为和核酸输送特性。

首先，对评价作为实施例的具有第一构成的核酸输送控制装置的结果进行说明。如上所述，第一构成中，纳米通道22具有作为多个独立的纳米通道单元23的PEO圆筒(配置于上部开孔65的中心部的上方的3个PEO圆筒和配置于上部开孔65的周边区域的4～5个PEO圆筒)并列配置的结构。而且具有各PEO圆筒与纳米孔之间介由核酸链排列部连接的结构，所述核酸链排列部由以基底孔的上部开孔65形成的空间构成。

将具有第一构成的核酸输送控制装置设置于用丙烯酸树脂制作的流动池内。流动池在核酸输送控制装置的两侧具有溶液小室(容量90μl)，溶液小室内设有用于向内部导入液体的流路。此外，各溶液小室中设有Ag/AgCl电极。

接下来，在两侧的溶液小室中导入缓冲溶液。作为缓冲液，将1M KCl、10mM Tris-HCl和1mM EDTA混合溶液调节至pH7.5而使用。

利用膜片钳放大器(Axopatch 200B，Axon Instruments公司制)在电极间施加电压，测定流经电极间的离子电流的时间变化。关于信号，在利用低通滤波器将高频成分除去(截止频率5kHz)后，使用AD变流器(NI USB-6281、National Instruments公司制)以采样频率50kHz进行数字化记录。使施加于电极间的电压V在-100mV至+100mV之间变化而测量离子电流量I，结果得到线性V-I特性。

接下来，在溶液小室中的一个中通入流路，导入溶解于上述缓冲溶液的1nM浓度的核酸试样。另一个导入上述缓冲溶液。作为核酸试样，使用单链DNA(ssPolyA、碱基长度1.2kb、聚脱氧腺苷酸)。在电极间施加了100mV的电势时，与两个小室内仅导入缓冲溶液时同样地，观察到稳定且平稳的离子电流。进而，以1次/秒左右的频率观察到平稳的离子电流中电流尖峰状降低的事件。该事件来源于，ssPolyA链通过核酸输送控制装置的通过路径中存在的纳米孔时，离子电流被封锁。

将提高时间分辨率而测量离子电流的尖峰的结果示于图8。发现，尖峰状的电流变化具有一定的封锁电流持续的矩形波形。由同样的测定结果评价各个尖峰的持续时间，测量ssPolyA链通过通过路径所需的时间。将通过以多个尖峰为对象测量持续时间而制成的分布图示于图9。由图9可见，尖峰的持续时间为正态分布。算出频率最大的持续时间，结果，其值为19msec。由上述结果可见，一分子ssPolyA链通过核酸输送控制装置的通过路径所需的时间平均为19msec。所用的ssPolyA链的碱基长度为1200，因而可见，每个碱基的通过时间平均为16μsec/碱基。

作为对照，在由SiN形成的薄膜中形成1个根据STEM具有2.5nm的直径的微细孔，从而准备仅包含基底孔(固态孔隙)、且不具有嵌段共聚物薄膜层的核酸输送控制装置。使用上述对照核酸输送控制装置，通过与上述同样的方法进行核酸链输送评价。其结果是，对照核酸输送控制装置中ssPolyA链的通过时间平均为0.01μsec/碱基。

由以上的结果可见，在第一构成、即使用核酸链的通过路径具有相对于仅能够通过一分子核酸链的1个纳米孔有多条路径的1个纳米通道的实施例的核酸输送控制装置的情况下，使充分量的离子电流稳定、平稳地流动，因此能够高精度地测量封锁行为。进而可见，与仅由固态孔隙形成的对照核酸输送控制装置相比，实施例的核酸输送控制装置能够使单链核酸的输送速度大幅延迟。

通过与上述同样的步骤，实施作为比较例的具有第二构成的核酸输送控制装置的核酸链输送评价。本构成中，具有1个PEO圆筒与1个纳米孔按1:1的关系配置的结构。即，构成核酸链的通过路径的纳米通道的路径是单一的。

将本比较例的核酸输送控制装置设置于流动池内，将缓冲溶液导入两个溶液小室内。在电极间施加电势而测定离子电流，结果，观察到的电流量与具有第一构成的实施例的核酸输送控制装置相比，约为1/10。此外，观察改变电压V时离子电流I的变化，结果，V-I特性不是直线，而具有S字形状。此外，扫描电压V而测量电流值I，结果观察到滞后。

接下来，在一个溶液小室中导入有ssPolyA链的状态下，测量离子电流的时间变化行为。其结果观察到被认为ssPolyA链通过纳米孔而引起的尖峰。然而，此时的电流变化量与使用具有第一构成的实施例的核酸输送控制装置的情况相比非常小，且相对于作为基线的平稳的离子电流的噪音的S/N比也不是充分的值。另一方面，基于尖峰的持续时间算出的ssPolyA链的通过时间为18μsec/碱基。该值与使用具有第一构成的实施例的核酸输送控制装置的情况大体等同。

由以上的结果可见，在具有第二构成的比较例的核酸输送控制装置、即具有相对于1个纳米孔仅有单一路径的1个纳米通道的核酸链的通过路径的比较例的核酸输送控制装置中，能够获得使单链核酸的输送延迟的充分的效果。然而，也可见，在比较例的核酸输送控制装置中，难以获得通过封锁电流方式确定核酸链的碱基序列所需的离子电流量与信号的S/N比。

通过与上述同样的步骤，实施作为另一比较例的具有第三构成的核酸输送控制装置的核酸链输送评价。本构成中，具有在基底孔的上方配置有3个PEO圆筒、在基底孔的开孔部的周围区域配置有4～6个PEO圆筒的结构。即，不存在可将通过核酸链的通过路径的核酸链限制为一分子的纳米孔。

将本比较例的核酸输送控制装置设置于流动池内，将缓冲溶液导入两个溶液小室内。观察在电极间施加电势而改变电压V时离子电流I的变化，结果得到与具有第一构成的实施例的核酸输送控制装置同样的线性V-I特性。与实施例的核酸输送控制装置相比，离子电流I的绝对值为约10倍左右的值。

接下来，在一个溶液小室中导入有ssPolyA链的状态下，测量离子电流的时间变化行为。其结果是，本比较例的核酸输送控制装置中，不能观察到使用具有第一构成的实施例的核酸输送控制装置和具有第二构成的比较例的核酸输送控制装置的情况下观察到的明显的尖峰状事件。上述结果被认为是如下导致的：本比较例的核酸输送控制装置中，不存在限制ssPolyA链通过核酸链的通过路径的过程中伴随ssPolyA链的通过的离子电流的纳米孔。由以上的结果可见，在第三构成、即具有不具有纳米孔、具有由多个纳米通道单元形成的纳米通道的核酸链的通过路径的比较例的核酸输送控制装置中，无法评价一分子单链核酸的通过事件。

由以上的结果可见，在具备具有直立圆筒状结构的纳米通道的核酸输送控制装置的情况下，仅在使用了具有第一构成的实施例的核酸输送控制装置的情况下，能够在确保可以通过封锁电流方式读取碱基序列的离子电流特性的基础上使核酸链的输送速度大幅延迟。

[制造例2：具备具有无规通道结构的纳米通道的核酸输送控制装置的制造]

本制造例中，适当参照图5～图7对适用具有无规通道结构的纳米通道的本发明的核酸输送控制装置的实施例进行详述，同时对相应的比较例进行详述。

(1)核酸输送控制装置的制作

本制造例中，制作具有图6(d)和(f)中示意性显示截面结构的2种构成的核酸输送控制装置。图6(d)所示的第四构成是本发明的核酸输送控制装置的实施例。图6(f)所示的第六构成是对应于第四构成的实施例的比较例。具有第四构成的核酸输送控制装置中使用的装置基板与具有第一构成的核酸输送控制装置中使用的装置基板是同样的，具有第六构成的核酸输送控制装置中使用的装置基板与具有第三构成的核酸输送控制装置中使用的装置基板是同样的。

作为实施例的图6(d)所示的第四构成中，在基底材料11的上表面制作的基底孔的上部开孔65的直径设为50nm，与上部开孔65连通的基底材料11的下部开孔64的直径设为2.5nm。本构成中，下部开孔64作为纳米孔的开孔部发挥功能。上部开孔65作为基底孔的开孔部发挥功能。具有上部开孔65的基底孔作为将连接于纳米孔的纳米通道22的末端开孔部的数目限制在预定的范围内的核酸链排列部发挥功能。

作为比较例的图6(f)所示的第六构成中，在基底材料11制作上表面和下表面的开孔部为50nm的基底孔66。本构成中，不存在具有将通过核酸链的通过路径的核酸链限制为仅一分子的功能的纳米孔。

通过与制造例1同样的STEM处理，形成具有第四构成的实施例的核酸输送控制装置的纳米孔、和具有第六构成的比较例的核酸输送控制装置的基底孔。接下来，通过与制造例1同样的旋涂处理，在形成有开孔的装置基板的基底材料11的表面将具有约50nm的膜厚的PEO₁₁₄-b-PMA(Az)₃₄制膜。将得到的As spun状态的样品不进行热退火处理、直接在这样的状态下供于以下的评价。

利用STEM观察所得到的核酸输送控制装置的结构，确认基底孔和无规通道的配置状态。将关于具有图6(d)所示的第四构成的实施例的核酸输送控制装置得到的STEM图像的例子示于图7(a)。根据得到的STEM图像确认到，在包括直径50nm的上部开孔65的上方的装置表面整体，制成了具有由PEO形成的具有无规通道结构的纳米通道22的薄膜的状态。此外，还确认到在上部开孔65的上方配置有约4个无规通道22的开孔的状态。在为了得到图7(a)所示的STEM图像而使用的观察倍率和对比度下，无法观察到作为纳米孔的开孔部发挥功能的下部开孔64。然而，通过改变STEM观察的条件确认了其存在。

关于作为比较例的具有图6(f)所示的第六构成的核酸输送控制装置，也通过同样的步骤实施STEM观察。其结果确认到直径50nm的基底孔66的上方配置有约4个无规通道的开孔的状态。

(2)利用核酸输送控制装置进行的核酸链输送评价

评价通过按照上述方法制作的实施例(第四构成)和比较例(第六构成)的核酸输送控制装置的离子电流的行为和核酸输送特性。

首先，对评价作为实施例的具有第四构成的核酸输送控制装置的结果进行说明。如上所述，第四构成中，纳米通道22具有无规通道结构。具有无规通道结构的纳米通道22具有由亲水性PEO形成的多条路径相互连接而成的共连续结构。而且，具有无规通道22的末端开孔与纳米孔之间介由核酸链排列部连接的结构，所述核酸链排列部由以基底孔的上部开孔65形成的空间构成。由此，本实施例的核酸链的通过路径具有相对于1个纳米孔有多条路径的1个纳米通道。

与制造例1同样地，将作为实施例的具有第四构成的核酸输送控制装置设置于流动池内，将缓冲溶液导入两个溶液小室内。通过与制造例1同样的步骤，在电极间施加电势而使电压V变化，观察此时离子电流I的变化，结果，得到线性V-I特性。

接下来，通过与制造例1同样的步骤，在一个溶液小室中导入有ssPolyA链的状态下，测量离子电流的时间变化行为。其结果是，与在两个溶液小室内仅导入缓冲溶液时同样地，稳定的离子电流平稳地流动。进而，在平稳的离子电流中观察到电流尖峰状降低的事件。提高时间分辨率而测量离子电流的尖峰，结果表明，与作为实施例的具有第一构成的核酸输送控制装置中的结果同样地，尖峰状的电流变化具有一定的封锁电流持续的矩形波形。

进而，通过与制造例1同样的步骤评价各个尖峰的持续时间，测量ssPolyA链通过通过路径所需的时间。其结果表明，尖峰的持续时间正态分布。算出频率最大的持续时间，结果，其值为22msec。由上述结果可见，一分子ssPolyA链通过核酸输送控制装置的通过路径所需的时间平均为22msec。所用的ssPolyA链的碱基长度为1200，因而可见，每个碱基的通过时间平均为18μsec/碱基。

由以上的结果可见，使用了第四构成、即核酸链的通过路径具有相对于仅能够通过一分子核酸链的1个纳米孔有多条路径的1个纳米通道的实施例的核酸输送控制装置的情况下，能够在维持稳定且充分的量的离子电流的基础上，使单链核酸的输送速度大幅延迟。

通过与上述同样的步骤，实施作为比较例的具有第六构成的核酸输送控制装置的核酸链输送评价。本构成中，具有在基底孔66的上方配置有具备具有多个末端开孔的无规通道结构的纳米通道22的结构。即，不存在可将通过核酸链的通过路径的核酸链限制为一分子的纳米孔。

与制造例1同样地，将作为比较例的具有第六构成的核酸输送控制装置设置于流动池内，将缓冲溶液导入两个溶液小室内。通过与制造例1同样的步骤，在电极间施加电势而使电压V变化，观察此时离子电流I的变化，结果，得到与作为实施例的具有第一构成的核酸输送控制装置同样的线性V-I特性。与具有第一构成的核酸输送控制装置的情况相比，电流的绝对值约为10倍的值。

接下来，通过与制造例1同样的步骤，在一个溶液小室中导入有ssPolyA链的状态下，测量离子电流的时间变化行为。其结果是，本比较例的核酸输送控制装置中，不能观察到使用具有第一构成的实施例的核酸输送控制装置、具有第二构成的比较例的核酸输送控制装置、和具有第四构成的实施例的核酸输送控制装置的情况下观察到的明显的尖峰状的事件。上述结果被认为是下述原因引起的：本比较例的核酸输送控制装置中，不存在限制ssPolyA链通过核酸链的通过路径的过程中伴随ssPolyA链的通过的离子电流的纳米孔。由以上的结果可见，具有第六构成、即没有纳米孔、具备具有无规通道结构的纳米通道的核酸链的通过路径的比较例的核酸输送控制装置中，无法评价一分子单链核酸的通过事件。

由以上的结果可见，在具备具有无规通道结构的纳米通道的核酸输送控制装置的情况下，仅在使用了具有第四构成的实施例的核酸输送控制装置的情况下，能够在确保可以通过封锁电流方式读取碱基序列的离子电流特性的基础上使核酸链的输送速度大幅延迟。

[制造例3：通过其他工序进行的具备具有无规通道结构的纳米通道的核酸输送控制装置的制造]

本制造例中，适当参照图6对适用具有无规通道结构的纳米通道的本发明的核酸输送控制装置的另一实施例进行详述。

(1)核酸输送控制装置的制作

本制造例中，制作具有图6(e)中示意性显示截面结构的1种构成的核酸输送控制装置。图6(e)所示的第五构成是本发明的核酸输送控制装置的实施例。本制造例中适用的方法的特征在于，实施在未开孔的基底材料11的上表面制造嵌段共聚物薄膜20的工序，根据需要实施通过热退火处理等处理在嵌段共聚物薄膜中形成纳米通道22的工序，其后，实施形成纳米孔13的工序。

本制造例中，制作具有图6(e)中示意性显示截面结构的构成的核酸输送控制装置。首先，在作为支撑基板12的Si晶圆的上表面将基底材料11制膜。通过利用KOH进行的Si晶圆的各向异性蚀刻处理，在支撑基板12中设置窗口，其后，通过光刻工艺，在下部SiN膜63和SiO₂层62中形成下部开孔64。请注意，在该时刻，作为纳米孔的上部开孔65并未形成。

接下来，通过与制造例1同样的旋涂处理，在形成有开孔的装置基板的基底材料11的表面将具有约50nm的膜厚的PEO₁₁₄-b-PMA(Az)₃₄制膜。将得到的As spun状态的样品不进行热退火处理，直接在该状态下用于以下的工序。

将通过上述工序得到的As spun状态的样品设置于制造例1中使用的流动池内。在两个溶液小室内导入调节至pH 10.0的1M KCl水溶液。接下来，通过在电极间连续施加脉冲状的电压，在上部SiN膜61中形成作为纳米孔的开孔部发挥功能的上部开口65。上述工序中，通过测量伴随电压施加而流经电极间的电流量，能够形成具有期望的直径(本实施例中直径1.5nm)的纳米孔。

如图6(e)所示，具有第五构成的实施例的核酸输送控制装置中，需要具有无规通道结构的PEO无规通道的1个末端开孔与1个纳米孔按1:1的关系配置。因此，制造例1和2中适用的制造方法、即实施在装置基板中形成纳米孔的工序后实施制造嵌段共聚物薄膜的工序和使嵌段共聚物自组织化而形成纳米通道的工序的方法中，需要使纳米通道的1个末端开孔的位置与已经形成的1个纳米孔的位置正确地一致。而本制造例中适用的制造方法中，纳米孔形成于通过施加脉冲电压而电流流动的PEO无规通道的路径的末端。因此，纳米通道的1个末端开孔的位置与已经形成的1个纳米孔的位置按1:1的关系自对准地配置。因此，本制造例中适用的制造方法中，不需要纳米通道的末端开孔的位置与纳米孔的位置的对齐，能够简便地获得本发明的核酸输送控制装置。

(2)利用核酸输送控制装置进行的核酸链输送评价

评价通过按照上述方法制作的作为实施例的第五构成的核酸输送控制装置的离子电流的行为和核酸输送特性。

如上所述，第五构成中，纳米通道22具有无规通道结构。具有无规通道结构的纳米通道22具有由亲水性PEO形成的多条路径相互连接而成的共连续结构。而且具备具有无规通道结构的纳米通道22的1个末端开孔与1个纳米孔直接相连的结构。由此，本实施例的核酸链的通过路径具有相对于1个纳米孔有多条路径的1个纳米通道。

与制造例1同样地，将作为实施例的具有第五构成的核酸输送控制装置设置于流动池内，将缓冲溶液导入两个溶液小室内。通过与制造例1同样的步骤，在电极间施加电势而使电压V变化，观察此时离子电流I的变化，结果，得到线性V-I特性。

接下来，通过与制造例1同样的步骤，在一个溶液小室中导入有ssPolyA链的状态下，测量离子电流的时间变化行为。其结果是，与在两个溶液小室内仅导入缓冲溶液时同样地，稳定的离子电流平稳地流动。进而，在平稳的离子电流中观察到电流尖峰状降低的事件。提高时间分辨率而测量离子电流的尖峰，结果表明，与具有作为实施例的第一构成的核酸输送控制装置中的结果同样地，尖峰状的电流变化具有一定的封锁电流持续的矩形波形。

进而，通过与制造例1同样的步骤评价各个尖峰的持续时间，测量ssPolyA链通过通过路径所需的时间。其结果表明，尖峰的持续时间正态分布。算出频率最大的持续时间，结果，其值为22msec。由上述结果可见，一分子ssPolyA链通过核酸输送控制装置的通过路径所需的时间平均为22msec。所用的ssPolyA链的碱基长度为1200，因而可见，每个碱基的通过时间平均为18μsec/碱基。

制造例1的步骤中，代替碱基长度1.2kb的ssPolyA链，使用链长较短的单链DNA(ssPolyA(60)、碱基长度60b、聚脱氧腺苷酸)，进行同样的实验，评价ssPolyA(60)链的输送行为。其结果是，与使用碱基长度1.2kb的ssPolyA链的情况同样地，稳定的离子电流平稳地流动。此外，在平稳的离子电流中观察到电流尖峰状降低的事件。使用ssPolyA(60)链进行实验时事件的频率比使用碱基长度1.2kb的ssPolyA链进行同样的实验时多。

提高时间分辨率而测量离子电流的尖峰，结果表明，尖峰状的电流变化具有一定的封锁电流持续的矩形波形。由同样的测定结果评价各个尖峰的持续时间，测量ssPolyA(60)链通过通过路径所需的时间，结果可见，尖峰的持续时间正态分布。算出频率最大的持续时间，结果，其值为0.8msec。由上述结果可见，一分子ssPolyA(60)链通过核酸输送控制装置的通过路径所需的时间平均为0.85msec。所用的ssPolyA(60)链的碱基长度为60，因而可见，每个碱基的通过时间平均为14μsec/碱基。

由以上的结果可见，在使用第五构成、即核酸链的通过路径具有相对于仅能够通过一分子核酸链的1个纳米孔有多条路径的1个纳米通道的实施例的核酸输送控制装置的情况下，能够在维持平稳的离子电流的基础上使单链核酸的输送速度大幅延迟。此外还可见，在使用具有第五构成的实施例的核酸输送控制装置的情况下，也可以控制链长短的单链核酸的输送。该结果推测是因为，具有第五构成的实施例的核酸输送控制装置的情况下，具备具有输送延迟功能的由PEO链形成的具有无规通道结构的纳米通道与纳米孔直接相连的结构。

但是，本发明不受上述实施例的限定，其包括各种变形例。例如，上述实施例为了对本发明容易理解地进行说明而详细地进行了说明，但并不一定限定于具备所说明的全部构成。此外，还可以对于各实施例的构成的一部分进行其他构成的追加、去除和/或置换。

本说明书中引用的全部发行物、专利和专利申请直接作为参考并入本说明书中。

符号说明

10：核酸输送控制装置，11：基底材料，12：支撑基板，13：纳米孔，14：通过路径，15：基底孔，20：嵌段共聚物薄膜，21：疏水性基质，22：亲水性纳米通道，23：亲水性纳米通道单元，30：溶液小室，31：核酸链，32：电极，33：电解质溶液，34：电源，35：电流计，40：嵌段共聚物，41：疏水性高分子链，42：亲水性高分子链，43：结合点，61：SiN薄膜，62：SiO2薄膜，63：SiN薄膜，64：下部开孔，65：上部开孔，66：基底孔。