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JP2002522780A - Optical characterization of polymers - Google Patents

Optical characterization of polymers

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JP2002522780A
JP2002522780A JP2000565191A JP2000565191A JP2002522780A JP 2002522780 A JP2002522780 A JP 2002522780A JP 2000565191 A JP2000565191 A JP 2000565191A JP 2000565191 A JP2000565191 A JP 2000565191A JP 2002522780 A JP2002522780 A JP 2002522780A
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polymer
radiation
radiation spot
microchannel
wavelength
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JP2000565191A
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Japanese (ja)
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ロバート・エイチ.・オースチン
ユージーン・ワイ.・チャン
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Princeton University
Original Assignee
Princeton University
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Publication date
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Publication of JP2002522780A5 publication Critical patent/JP2002522780A5/ja
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、ポリマーを光学的に特性決定するためのシステムである。好ましくは、本システムを用いてポリマーの線形分析を実行する。 (57) Abstract The present invention is a system for optically characterizing a polymer. Preferably, the system is used to perform a linear analysis of the polymer.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の分野】FIELD OF THE INVENTION

本発明は、ポリマーを分析するための光学システム、方法、および製品、より
詳細には、ポリマーの個々のユニットの特性を決定するために極めて局部的な放
射光を利用する光学システム、方法、および製品に関する。
The present invention relates to optical systems, methods, and products for analyzing polymers, and more particularly, optical systems, methods, and methods that utilize highly localized radiation to characterize individual units of a polymer. About the product.

【0002】[0002]

【発明の背景】BACKGROUND OF THE INVENTION

本特許出願は、1998年8月13日出願の米国仮出願第60/096,54
4号、および1999年2月14日出願の米国仮出願第60/120,414号
に基づく優先権を主張し、ともに引用してここに組み込む。
This patent application is filed with US Provisional Application No. 60 / 096,54, filed August 13, 1998.
No. 4, and U.S. Provisional Application No. 60 / 120,414, filed February 14, 1999, which is incorporated herein by reference.

【0003】 細胞は、その細胞の機能を決定する複雑な微細構造を有する。細胞の構造と機
能に関連付けられる相違の多くは、細胞が各種の基本成分を様々な化合物に組み
立てる能力に起因している。細胞はこの作業を、モノマーやユニットと呼ばれる
基本成分の限られた集合からポリマーを組み立てることによって果たしている。
ポリマーの多様な機能を解く鍵は、ポリマー内のモノマーの主配列にあり、なぜ
細胞が特定の方法で分化するのか、どのように細胞が特定薬品による処理に応答
するのか、等の細胞機能についての基礎を理解するために不可欠である。
[0003] Cells have a complex microstructure that determines their function. Many of the differences associated with cell structure and function are due to the ability of cells to assemble various basic components into various compounds. Cells do this by assembling polymers from a limited set of basic components called monomers or units.
The key to unlocking the diverse functions of a polymer lies in the main sequence of monomers in the polymer, and it is important to understand cell functions such as why cells differentiate in a specific way, how cells respond to treatment with specific drugs, etc. It is essential to understand the basics.

【0004】 モノマーの配列を同定することによってポリマーの構造を同定する能力は、各
活性成分についての理解や、成分が細胞内で演じる役割の理解のために不可欠で
ある。ポリマー配列を決定することにより発現マップを作成して、どのようなタ
ンパク質が発現しているかを決定し、病気状態でどこに変異が起きているかを理
解し、また、特定のモノマーが欠如しているか、または変異しているときに、多
糖類がより良い機能を持つかあるいは機能を喪失しているかを判定する。
[0004] The ability to identify the structure of a polymer by identifying the sequence of monomers is essential for understanding each active ingredient and the role that the ingredients play in cells. Create an expression map by determining the polymer sequence to determine what proteins are being expressed, understand where the mutations are occurring in the disease state, and whether certain monomers are missing Or when mutated, determines whether the polysaccharide has a better function or has lost function.

【0005】 発現マップは、mRNA発現パターンの決定に関係する。異なって発現するm
RNAを同定する必要性は、遺伝子プログラムを時間的、空間的に理解しようと
する場合に重要である。様々な遺伝子が、胎児、成長、老化の各段階を含む一有
機体の生命発達の時間経過の間に、機能したり機能停止する。発達上の変化に加
えて、傷害、薬品、異物、ストレス等、変化する刺激に対する一時的変化もある
。特定の細胞集合の発現の変化を、刺激に対してであれ、成長に対してであれ、
時を違えずにチャート化する能力は、時間的発現マップと呼ばれるものの生成を
可能にする。他方、異なる組織と細胞の種類についての、異なって発現する遺伝
子の知識を含む身体発現マップもある。発現マップの生成には、cDNAかmR
NAの配列決定と同定を含むので、より速い配列決定がより速い多数の発現マッ
プを生成することを必然的に意味する。
[0005] Expression maps are involved in determining mRNA expression patterns. M expressed differently
The need to identify RNA is important when trying to understand genetic programs in time and space. Various genes function or stop functioning during the life course of an organism, including the fetal, growth, and aging stages. In addition to developmental changes, there are also temporary changes to changing stimuli, such as injuries, drugs, foreign bodies, stress, and the like. Altering the expression of a particular cell population, whether for stimulation or growth,
The ability to chart at the right time allows the generation of what is called a temporal expression map. On the other hand, there are also body expression maps that contain knowledge of differentially expressed genes for different tissues and cell types. To generate an expression map, cDNA or mR
As it involves the sequencing and identification of NA, faster sequencing necessarily implies that faster expression maps are generated.

【0006】 最近では、わずか1%に過ぎないヒトゲノムと、より少量の他のゲノムが配列
決定されている。更に、発現配列タグを用いた非常に不完全ではあるが唯一の人
体発現マップが得られている(Adams 他、1995年)。ゲノム配列決定に関する現
行のプロトコルは遅く、また、クローニング、ゲノムライブラリの生成、コロニ
ー採取、および配列決定等の労力が要るステップを含んでいる。一部分のゲノム
ライブラリであっても、それをつくり上げる時間は数ヶ月の長さになる。ライブ
ラリを確立した後でも、配列決定のためのDNAの準備と、実際の配列決定ステ
ップの実行には時間遅れを生じる。これらの好ましくない事実の倍数効果が与え
られると、1つのゲノムの配列決定でさえ、莫大な費用と時間、そして努力を投
じることが必要なることは明らかである。
[0006] Recently, only 1% of the human genome and smaller amounts of other genomes have been sequenced. In addition, a very incomplete but unique human expression map using expressed sequence tags has been obtained (Adams et al., 1995). Current protocols for genomic sequencing are slow and involve labor intensive steps such as cloning, genomic library generation, colony collection, and sequencing. Even a partial genomic library takes several months to build. Even after the library has been established, there is a time delay in preparing the DNA for sequencing and performing the actual sequencing steps. Given the fold effects of these unfavorable facts, it is clear that even sequencing a single genome requires enormous costs, time and effort.

【0007】 一般に、DNA配列決定は、2つの方法のうちの一方を用いて実施される。よ
り広く使われている第1の方法は、Sanger 他が提唱したジデオキシ連鎖停止反
応法である("DNA sequencing with chain-terminating inhibitors", Proc. Na
tl. Acad. Sci. USA. 74:5463-7, 1977)。この方法は、ジデオキシヌクレオチ
ドで終端を成すDNA分子の酵素合成を伴う。4つのddNTPを用いて、ター
ゲットDNAの各位置で終端を成す分子の個体を合成できる。それに続く分析は
、DNA分子の長さと、各分子が終端を成す(A、C、GまたはTの何れかの)
塩基とに関する情報をもたらす。この情報によって、DNA配列を決定すること
ができる。第2の方法は、マクサム−ギルバート塩基配列決定法(Maxam and Gi
lbert, "A new method for sequencing DNA", Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 74
:560-4, 1977)であり、化学分解を用いて、ターゲットDNAの特定位置で分解
された分子個体を生成する。化学反応の開裂特異性と、断片の長さによって、D
NA配列が生成される。両方法とも、ポリアクリルアミドゲル電気泳動法と、放
射性DNA断片の写真視覚化に基づくものである。各プロセスは約1日乃至3日
を要する。サンガー塩基配列決定反応法は、一回に300から800の塩基しか
生成できない。
[0007] Generally, DNA sequencing is performed using one of two methods. The first, more widely used method is the dideoxy chain termination reaction proposed by Sanger et al. ("DNA sequencing with chain-terminating inhibitors", Proc.
tl. Acad. Sci. USA. 74: 5463-7, 1977). This method involves the enzymatic synthesis of a DNA molecule terminated with a dideoxynucleotide. Using the four ddNTPs, an individual molecule that terminates at each position of the target DNA can be synthesized. Subsequent analysis shows the length of the DNA molecules and the termination of each molecule (either A, C, G or T)
Provides information about bases. With this information, the DNA sequence can be determined. The second method is the Maxam-Gilbert sequencing method (Maxam and Gibert).
lbert, "A new method for sequencing DNA", Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 74
: 560-4, 1977) to generate a molecular individual decomposed at a specific position of the target DNA using chemical decomposition. Depending on the cleavage specificity of the chemical reaction and the length of the fragment, D
An NA sequence is generated. Both methods are based on polyacrylamide gel electrophoresis and photographic visualization of radioactive DNA fragments. Each process takes about one to three days. The Sanger sequencing reaction can produce only 300 to 800 bases at a time.

【0008】 サンガーに基づく方法は、配列情報のアウトプットを向上すべく提案されてき
た。サンガーに基づく方法は、多数の配列決定、毛細管ゲル電気泳動、および自
動ゲル電気泳動を伴う。最近では、サンガー独立法の進展も関心を集めている。
サンガー独立法は、全く異なる方法論を用いて塩基情報を得る。このカテゴリは
、走査型電子顕微鏡(STM)、質量分析、酵素照度無機ピロリン酸塩探知検定
(ELIDA)配列決定、エクソヌクレアーゼ配列決定、およびハイブリダイゼ
ーションによる配列決定を含む最新技法を備えている。
[0008] Sanger-based methods have been proposed to improve the output of sequence information. Sanger-based methods involve multiple sequencing, capillary gel electrophoresis, and automated gel electrophoresis. Recently, the development of the Sanger Independence Law has also attracted attention.
The Sanger Independent Method obtains base information using a completely different methodology. This category comprises state-of-the-art techniques including scanning electron microscopy (STM), mass spectrometry, enzyme-linked inorganic pyrophosphate detection assay (ELIDA) sequencing, exonuclease sequencing, and sequencing by hybridization.

【0009】 最近では、自動ゲル電気泳動法が、大規模配列決定の方法として最も広く用い
られている。自動化は、蛍光標識を付されたサンガー断片を、電荷結合素子(C
CD)検出器による実時間で読み取ることが必要である。4つの異なるジデオキ
シ鎖停止反応は、様々に標識付けされたプライマーによって実行される。反応混
合物は、結合してポリアクリルアミドのスラブの下を共電気泳動する。ゲルの端
部にレーザーを照射すると、分離されたDNA断片が分解されて、配列がコンピ
ュータによって決定される。様々な検出法と標示法を用いる多くの自動機械が商
業的に入手可能である。その中でも最も効率の良いのは、Applied Biosystems M
odel 377XLであり、一日当り最高115,200塩基の実レートを生成する。
Recently, automated gel electrophoresis has been the most widely used method for large-scale sequencing. The automation involves converting the fluorescently labeled Sanger fragments into charge-coupled devices (C
CD) It is necessary to read in real time by a detector. Four different dideoxy chain termination reactions are performed with variously labeled primers. The reaction mixture binds and co-electrophoreses under a polyacrylamide slab. Irradiating the edge of the gel with a laser decomposes the separated DNA fragments and determines the sequence by computer. Many automated machines using various detection and labeling methods are commercially available. The most efficient of these is Applied Biosystems M
odel 377XL, which produces a real rate of up to 115,200 bases per day.

【0010】 毛細管ゲル電気泳動法では、反応試料が小径のゲル充填毛細管によって分析さ
れる。小径(50μmの)のこの毛細管は、電気泳動中に発生する熱の効率的な
散逸が可能である。従って、1反応当り約20分へと分離時間を短縮しながら、
過度なジュール加熱をせずに電界強度(400V/m)を高くすることができる
。より速く塩基を分離するだけではなく、従来のゲル電気泳動法以上に分解能が
増加する。更に、多くの毛細管が並列に分析され(Wooley and Mathies, "Ultra
-high-speed DNA sequencing using capillary electrophoresis chips," Anal.
Chem. 67:3676-3680, 1995)、生成される塩基情報の増幅を可能にする(実レ
ートは200,000塩基/日に等しい)。主な欠点は、新しいゲル充填毛細管
を反応毎に調製しなければならないので、毛細管の連続装填ができない。毛細管
ゲル電気泳動装置は最近になって商業化された。
In capillary gel electrophoresis, a reaction sample is analyzed by a small-diameter gel-filled capillary. This small diameter (50 μm) capillary allows for efficient dissipation of the heat generated during electrophoresis. Therefore, while reducing the separation time to about 20 minutes per reaction,
The electric field strength (400 V / m) can be increased without excessive Joule heating. Not only does it separate bases faster, it also increases resolution over traditional gel electrophoresis. In addition, many capillaries were analyzed in parallel (Wooley and Mathies, "Ultra
-high-speed DNA sequencing using capillary electrophoresis chips, "Anal.
Chem. 67: 3676-3680, 1995), allowing amplification of the base information generated (actual rate equals 200,000 bases / day). The main drawback is that continuous loading of capillaries is not possible because new gel-filled capillaries must be prepared for each reaction. Capillary gel electrophoresis devices have recently been commercialized.

【0011】 マルチプレックス配列決定法は、電気泳動ゲルを用いた効率的な方法である(
Church and Kieffer-Higgins, "Multiplex DNA sequencing," Science. 240:185
-88, 1988)。サンガー反応試料は、最初に独特のオリゴマーでタグ付けされ、
次いで20個以上の異なる試料が、1レーンの電気泳動ゲル上で実行される。次
に、試料は膜上に写し取られる。次いで膜は、サンガー反応試料上のタグに一致
するオリゴマーで順次プローブされる。膜は、20個の試料すべてが配列決定さ
れるまで連続的に洗浄され再プローブされる。実行されるゲル数が実質的に少な
いとしても、洗浄とハイブリダイゼーションのステップは、電気泳動ゲルの実行
と同等の労力を要する。実際の配列決定レートは、自動ゲル電気泳動法と同程度
である。
[0011] Multiplex sequencing is an efficient method using electrophoresis gels (
Church and Kieffer-Higgins, "Multiplex DNA sequencing," Science. 240: 185
-88, 1988). The Sanger reaction sample is first tagged with a unique oligomer,
Then more than 20 different samples are run on a one lane electrophoresis gel. Next, the sample is copied onto the membrane. The membrane is then sequentially probed with an oligomer that matches the tag on the Sanger reaction sample. The membrane is continuously washed and reprobed until all 20 samples have been sequenced. Although substantially fewer gels are performed, the washing and hybridization steps require as much work as running an electrophoretic gel. Actual sequencing rates are comparable to automated gel electrophoresis.

【0012】 質量分析による配列決定法は、80年代に初めて導入された。最近のこの分野
での進展は、より良好な配列決定を可能にしている(Crain, MassSpectrom. Rev
. 9:505-54, 1990; Little 他, J. Am. Chem. Soc. 116:4893-4897, 1994; Keou
gh 他, Rapid Commun. Mass Spectrom. 7:195-200, 1993; Smirnov 他, 1996)
。質量分析配列決定法は先ず、塩基毎に長さの異なるネスト化DNA分子の個体
の生成を伴う。続く断片分析は質量分析によって行われる。一例として、エクソ
ヌクレアーゼを使って、33−merを部分的に消化する(Smirnov, "Sequenci
ng oligonucleotides by exonuclease digestion and delayed extraction matr
ix-assisted laser desorption ionaization time-of-flight mass spectrometr
y," Anal.Biochem. 238:19-25, 1996)。共通5′末端と、3′末端の変化点を
持つ分子の個体が生成される。次いで反応混合物が分析される。質量分析器は、
連続断片間の質量差を区別するのに十分な感度を有し、配列情報が生成できるよ
うにする。
[0012] Sequencing by mass spectrometry was first introduced in the 1980's. Recent advances in this area have enabled better sequencing (Crain, MassSpectrom. Rev.
9: 505-54, 1990; Little et al., J. Am. Chem. Soc. 116: 4893-4897, 1994; Keou.
gh et al., Rapid Commun. Mass Spectrom. 7: 195-200, 1993; Smirnov et al., 1996)
. Mass spectrometry sequencing first involves the generation of individual nested DNA molecules that vary in length from base to base. Subsequent fragment analysis is performed by mass spectrometry. As an example, the 33-mer is partially digested using exonuclease (Smirnov, "Sequenci
ng oligonucleotides by exonuclease digestion and delayed extraction matr
ix-assisted laser desorption ionaization time-of-flight mass spectrometr
y, "Anal. Biochem. 238: 19-25, 1996). An individual of molecules with a common 5'-end and a 3'-end change point is generated. The reaction mixture is then analyzed. ,
It has sufficient sensitivity to distinguish mass differences between consecutive fragments, so that sequence information can be generated.

【0013】 質量分析配列決定法は、従来の方法に比べて極めて精確、安価で、かつ高速で
ある。しかし、読み取り長さが塩基数十個程度であるという大きな制約がある。
最良の方法であるマトリックス支援レーザー脱離イオン化浮遊時間計測式(MA
LDI−TOF)質量分析法(Smirnov 他, "Sequencing oligonucleotides by
exonuclease digestion and delayed extraction matrix-assisted laser desor
ption ionaization time-of-flight mass spectrometry," Anal.Biochem. 238:1
9-25, 1996)でさえ、最大読み取り長さは80〜90塩基対しか達成できない。
分析ステップ中にグアニジンのところで長いDNAの断片化が起きるので、もっ
と長い読み取り長さは物理的に不可能である。従って質量分析配列決定法は、短
いプライマー配列を確証する範囲に制限され、大規模配列に、実用的には適用で
きない。
[0013] Mass spectrometry sequencing is extremely accurate, inexpensive, and fast compared to conventional methods. However, there is a great restriction that the read length is about tens of bases.
Matrix-assisted laser desorption ionization floating time measurement formula (MA
LDI-TOF mass spectrometry (Smirnov et al., "Sequencing oligonucleotides by
exonuclease digestion and delayed extraction matrix-assisted laser desor
ption ionaization time-of-flight mass spectrometry, "Anal. Biochem. 238: 1
9-25, 1996), a maximum read length of only 80-90 base pairs can be achieved.
Longer read lengths are not physically possible because long DNA fragmentation occurs at the guanidine during the analysis step. Thus, mass spectrometry sequencing is limited to the range that confirms short primer sequences and is not practically applicable to large-scale sequences.

【0014】 走査型トンネル顕微鏡(STM)配列決定法(Ferrell, "Scanning tunneling
microscopy in sequencing of DNA," In Molecular Biology and Biotechnolog
y, R.A.Meyers, Ed. VCH Publishers, New York, 1997)は、STMが商業的に
入手可能になった時に着想された方法である。塩基対情報を電子顕微鏡写真から
直接読むことができるという頭初の見込みはもはやなくなっている。DNA分子
は、普通は熱分解性の高いグラファイト(HOPG)か金の導電面に置かなけれ
ばならない。これらは、トンネルチップが誘起する物理的力と電気的力によって
DNAが取り外されようとするのに抗して強く保持するための結合部位を持って
はいない。困難を伴うが、DNA分子を、静電気で表面に貼り付けることができ
る。DNAの固定化が首尾よくいったとしても、極端に高い分解能を必要とする
ので、塩基情報を識別することは困難である。最近の技術を使って、プリンはピ
リミジンから識別されるが、個々のプリンとピリミジンは同定できない。この離
れ技を達成できる能力が必要とするのは、プリン上のアルデヒド基とアミン基を
識別し、ピリミジン上のメチル基の有無を識別できる電子顕微鏡である。
Scanning tunneling microscope (STM) sequencing (Ferrell, "Scanning tunneling
microscopy in sequencing of DNA, "In Molecular Biology and Biotechnolog
y, RAMeyers, Ed. VCH Publishers, New York, 1997) is a method conceived when STM became commercially available. The earliest prospects that base pair information can be read directly from electron micrographs are gone. DNA molecules must be placed on a conductive surface, usually graphite (HOPG) or gold, which is highly pyrolytic. They do not have binding sites to hold strongly against the DNA being attempted to be detached by the physical and electrical forces induced by the tunnel tip. With difficulty, the DNA molecules can be stuck to the surface with static electricity. Even if the immobilization of DNA is successful, it is extremely difficult to identify base information because it requires extremely high resolution. Using current techniques, purines are distinguished from pyrimidines, but individual purines and pyrimidines cannot be identified. The ability to accomplish this separation requires an electron microscope that can distinguish between aldehyde and amine groups on purines and the presence or absence of methyl groups on pyrimidines.

【0015】 酵素照度無機ピロリン酸塩探知検定(ELIDA)配列決定法は、付加する連
続塩基を決定するために、DNA重合からのピロリン酸塩放出の検知を利用する
。DNA重合反応によって放出されたピロリン酸塩は、ATPサルファリラーゼ
によってATPに変換され、ATP産生は、蛍の発光酵素によって連続監視され
る。塩基の特異性を決定するためには、この方法で、ATP、CTP、GTP、
およびTTPの連続洗浄を用いる。ATPについての洗浄がピロリン酸塩を生成
する場合は、1つ以上のアデニンが組み込まれる。組み込まれる塩基の数は、生
成されたピロリン酸塩の量に正比例する。生成された配列情報の増強は、多くの
ELIDA反応を同時に並列分析することで達成できる。
[0015] Enzyme Illumination Inorganic Pyrophosphate Detection Assay (ELIDA) sequencing utilizes the detection of pyrophosphate release from DNA polymerization to determine the contiguous bases to add. Pyrophosphate released by the DNA polymerization reaction is converted to ATP by ATP sulfurylase, and ATP production is continuously monitored by firefly luminescent enzymes. To determine the specificity of a base, ATP, CTP, GTP,
And a continuous wash of TTP. If washing for ATP produces pyrophosphate, one or more adenines are incorporated. The number of bases incorporated is directly proportional to the amount of pyrophosphate produced. Enhancement of the generated sequence information can be achieved by simultaneously analyzing many ELIDA reactions in parallel.

【0016】 エクソヌクレアーゼ配列決定法は、流れの中を浮遊し、エクソヌクレアーゼに
よって連続的に開裂された蛍光標識付き一本鎖DNA分子を含む。その後、個々
の蛍光塩基は解放されて、単一分子検知システムを通過する。標識付けされたヌ
クレオチド検知の時間的配列は、DNA配列に対応する(Ambrose 他, "Applica
tion of single molecule detection to DNA sequencing and sizing," Ber. Bu
nsenges. Phys. Chem. 97:1535-1542, 1993; Davis 他, "Rapid DNA sequencing
based on single-molecule detection," Los Alamos Science. 20:280-6, 1992
; Jette 他, "High-speed DNA sequencing: an approach based upon fluoresce
nce detection of single molecules," J. Of Bio. Structure & Dynamics. 7:3
01-9, 1989)。進化性エクソヌクレアーゼを用いると、理論的には10,000
bp、もしくはそれを超える断片を毎秒10塩基のレートで配列決定できる。
Exonuclease sequencing involves a fluorescently labeled single-stranded DNA molecule suspended in a stream and continuously cleaved by an exonuclease. Thereafter, the individual fluorescent bases are released and pass through the single molecule detection system. The temporal sequence of the labeled nucleotide detection corresponds to the DNA sequence (Ambrose et al., "Applica
tion of single molecule detection to DNA sequencing and sizing, "Ber. Bu
nsenges. Phys. Chem. 97: 1535-1542, 1993; Davis et al., "Rapid DNA sequencing.
based on single-molecule detection, "Los Alamos Science. 20: 280-6, 1992
; Jette et al., "High-speed DNA sequencing: an approach based upon fluoresce
nce detection of single molecules, "J. Of Bio. Structure & Dynamics. 7: 3
01-9, 1989). Using an evolving exonuclease, theoretically 10,000
bp or larger fragments can be sequenced at a rate of 10 bases per second.

【0017】 ハイブリダイゼーション法による配列決定では、ターゲットDNAは、可能性
のあるすべてのオリゴマー配列から成るオリゴマー集合で順次プローブされる。
ターゲットDNAの配列は、オリゴマーとターゲット間のハイブリダイゼーショ
ンパターンの知識を使って生成する(Bains, "Hybridization methods for DNA
sequencing," Genomics. 11:294-301, 1991; Cantor 他, "Reporting on the se
quencing by hybridization workshop," Genomics. 13:1378-1383, 1992; Drman
ac 他, "Sequencing by hybridization," In Automated DNA Sequencing and An
alysis Techniques, J.Craig Ventor, Ed. Academic Press, London, 1994)。
ターゲットDNAをプローブする2つの可能な方法がある。「プローブアップ」
法は、基板上にターゲットDNAを固定してオリゴマーの集合によって連続的に
プローブすることを含む。他方、「プローブダウン」は、オリゴマーの集合が基
板上に固定されて、ターゲットDNAによってハイブリッド形成される必要があ
る。マイクロチップ合成技法をDNAプローブに適用した「DNAチップ」の出
現によって、数千に及ぶ異なったDNAプローブのアレイを1cm2の面積に生
成することができ、プローブダウン法が更に実用的になる。プローブアップ法は
、8−merについて、65,536の連続プローブと洗浄を必要とし、それに
は膨大な時間がかかることになろう。他方、プローブダウンハイブリダイゼーシ
ョンは数秒でデータを生成する。完全なハイブリダイゼーションによって、65
,536の8量体プローブは、最大で170の塩基を決定するであろう。65,
536の「混合された」11−mersにより、700の塩基を生成できる。
[0017] In sequencing by hybridization, the target DNA is probed sequentially with an oligomer assembly consisting of all possible oligomer sequences.
The sequence of the target DNA is generated using knowledge of the hybridization pattern between the oligomer and the target (Bains, "Hybridization methods for DNA
sequencing, "Genomics. 11: 294-301, 1991; Cantor et al.," Reporting on the se
quencing by hybridization workshop, "Genomics. 13: 1378-1383, 1992; Drman
ac et al., "Sequencing by hybridization," In Automated DNA Sequencing and An
alysis Techniques, J. Craig Ventor, Ed. Academic Press, London, 1994).
There are two possible ways to probe the target DNA. "Probe up"
The method involves immobilizing a target DNA on a substrate and continuously probing with a collection of oligomers. On the other hand, "probe down" requires that the aggregate of oligomers be immobilized on the substrate and hybridized with the target DNA. With the advent of "DNA chips" in which microchip synthesis techniques have been applied to DNA probes, arrays of thousands of different DNA probes can be generated in an area of 1 cm2, making the probe-down method more practical. The probe-up method requires 65,536 consecutive probes and washes for an 8-mer, which would be enormous. On the other hand, probe down hybridization produces data in seconds. With complete hybridization, 65
, 536 octamer probe will determine up to 170 bases. 65,
With 536 "mixed" 11-mers, 700 bases can be generated.

【0018】 大部分のこれら技法で最も共通した制約は、読み取り長さが短いことである。
実際問題として、読み取り長さが短いということは、ターゲットDNAの線形順
序を解読する前に、追加遺伝子配列情報が配列決定される必要があることを意味
する。短い断片は、付加的な重なる断片であり互いに架橋せねばならない。理論
上、500の塩基の読み取り長さを用いて、ヒトゲノムの全3×109の塩基の
線形配列を適切に順番付ける前に、最低9×109の塩基が配列決定される必要
がある。実際には、信頼できるゲノムを作成するために必要な塩基の数は、およ
そ2×1010である。様々な技法の比較によれば、実用的でないエクソヌクレ
アーゼ配列決定法だけが、長い読み取り長さの理論的能力を有していることを示
している。他の方法は、読み取り長さが理論的に短く、実際には更に短い読み取
り長さしかない。配列決定される必要のある塩基の数を減らすには、読み取り長
さを改良せねばならないことは明らかである。
The most common limitation of most of these techniques is the short read length.
As a practical matter, a short read length means that additional gene sequence information needs to be sequenced before decoding the linear order of the target DNA. The shorter fragments are additional overlapping fragments and must be cross-linked to each other. In theory, using a read length of 500 bases, a minimum of 9 x 109 bases need to be sequenced before a linear sequence of all 3 x 109 bases in the human genome is properly sequenced. In practice, the number of bases needed to create a reliable genome is around 2 × 1010. Comparison of various techniques indicates that only the impractical exonuclease sequencing method has the theoretical capacity of long read lengths. Other methods have a theoretically short read length, and in practice have only shorter read lengths. Obviously, to reduce the number of bases that need to be sequenced, the read length must be improved.

【0019】 タンパク質の配列決定は、普通、化学的に誘導された順次除去と、末端アミノ
酸残基の同定とを含み、例えばエドマン分解法による。Stryer, L., Biochemist
ry, W.H.Freeman and Co., San Francisco (1981) pp.24-27 を参照。エドマン
分解法では、イソチオシアン酸塩と反応する遊離アミノ基を、ポリペプチドが持
っていることが必要である。イソチオシアン酸塩は、普通はフェニルイソチオシ
アン酸塩である。付加が、ポリマーの最も近い基幹アミド基と分子内で反応する
ことにより、5員環が形成される。この付加は再配列し、次いで、末端のアミノ
酸残基は強酸を用いて開裂される。アミノ酸の解放されたフェニルチオヒダント
イン(PTH)は同定され、短くされたポリマーは分解と分析の繰返しサイクル
を受ける。
[0019] Protein sequencing usually involves chemically induced sequential removal and identification of terminal amino acid residues, for example, by Edman degradation. Stryer, L., Biochemist
ry, WH Freeman and Co., San Francisco (1981) pp. 24-27. The Edman degradation method requires that the polypeptide have a free amino group that reacts with the isothiocyanate. The isothiocyanate is usually phenylisothiocyanate. The addition reacts intramolecularly with the closest backbone amide group of the polymer to form a five-membered ring. This addition rearranges and then the terminal amino acid residue is cleaved using a strong acid. Amino acid free phenylthiohydantoin (PTH) has been identified and the shortened polymer undergoes repeated cycles of degradation and analysis.

【0020】 更に、ポリペプチドのカルボキシル基末端配列決定の幾つかの新しい方法が発
表されている。Inglis, A. S., Anal. Biochem. 195:183-96 (1991) を参照。カ
ルボキシル基末端配列決定法はエドマン分解法を模倣しているが、ポリマーの反
対端からの連続的な分解を伴うものである。Inglis, A. S., Anal. Biochem. 19
5:183-96 (1991) を参照。エドマン分解法と同様に、カルボキシル基末端配列決
定法は、末端アミノ酸残基の化学的に誘発された順次除去と同定を伴う。
In addition, several new methods for carboxyl terminal sequencing of polypeptides have been published. See Inglis, AS, Anal. Biochem. 195: 183-96 (1991). Carboxyl-terminal sequencing mimics the Edman degradation method but involves continuous degradation from the opposite end of the polymer. Inglis, AS, Anal. Biochem. 19
5: 183-96 (1991). Similar to the Edman degradation method, the carboxyl-terminal sequencing method involves a chemically-induced sequential removal and identification of terminal amino acid residues.

【0021】 より最近になって、ポリペプチド配列決定法は、質量分析の前にポリマー断片
のネスト集合(配列定義集合)を調製すること、と記されている。Chait, B. T.
他, Science 257:1885-94 (1992) を参照。配列は、断片間の相対的な質量差を
、既知質量のアミノ酸残基と比較することで決定される。ポリマー断片のネスト
(配列定義)集合の形は、DNA配列決定の要件であるが、この方法は、各残基
の順次除去と同定から成る従来のタンパク質配列決定法と実質的に異なる。この
方法は実用となる可能性を持つが、幾つかの問題に直面していて、効果的な方法
であることがまだ実証されていない。
[0021] More recently, polypeptide sequencing has been described as preparing a nested set of polymer fragments (sequence defined set) prior to mass spectrometry. Chait, BT
Et al., Science 257: 1885-94 (1992). The sequence is determined by comparing the relative mass differences between the fragments with amino acid residues of known mass. The form of nested (sequence definition) assembly of polymer fragments is a requirement for DNA sequencing, but this method differs substantially from conventional protein sequencing methods, which consist of sequential removal and identification of each residue. Although this method has the potential for practical use, it faces several problems and has not yet proven to be an effective method.

【0022】 ポリマーの配列決定を行う既知の各方法は欠点がある。例えば、大部分の方法
は遅く、しかも労働集約的である。ゲルを基にしたDNA配列決定法は、300
〜800単位のポリマーの配列を同定するのに約1日から3日必要である。質量
分析法やELIDA配列決定法のような方法は、非常に短いポリマーについてし
か実行できない。
Each of the known methods for performing polymer sequencing has drawbacks. For example, most methods are slow and labor intensive. The gel-based DNA sequencing method is 300
Approximately one to three days is required to identify a sequence of ~ 800 units of polymer. Methods such as mass spectrometry and ELIDA sequencing can only be performed on very short polymers.

【0023】 新しいポリマー配列決定法のニーズがある。これまで、配列決定レートは、複
雑な遺伝子機能の迅速な決定を疑いもなく助ける多数の身体的および時間的発現
マップを作成する能力を制限してきた。病気の診断と新薬調製を実施する速さを
上げるために、ポリマーを解析する改良システムと方法に対するニーズもある。
There is a need for new polymer sequencing methods. Heretofore, sequencing rates have limited the ability to generate a large number of physical and temporal expression maps that will undoubtedly aid in the rapid determination of complex gene function. There is also a need for improved systems and methods for analyzing polymers to increase the speed with which disease diagnosis and drug preparation can be performed.

【0024】[0024]

【発明の概要】Summary of the Invention

本発明は、ポリマーを分析するための新しいシステム、方法、および製品に関
し、詳細には、ポリマーの配列決定に有用な新しいシステム、方法、および製品
に関する。本発明は、ポリマーの配列決定に用いる従来技術のシステムと方法を
凌ぐ数多くの利点を持つ。本発明の方法を用いると、すべてのヒトゲノムが、従
来技術を用いて達成するより数段速く配列決定されるであろう。すべてのゲノム
の配列決定に加えて、本発明のシステム、方法、および製品を用いて、発育と病
気のプロセスについての包括的かつ多数の発現マップを作成する。個人のゲノム
の配列決定と多数の発現マップを作成する能力は、何れの形質発現や病気プロセ
スの遺伝的根拠を決定する能力を著しく高めるであろう。
The present invention relates to new systems, methods, and products for analyzing polymers, and in particular, to new systems, methods, and products useful for sequencing polymers. The present invention has a number of advantages over prior art systems and methods for sequencing polymers. Using the methods of the present invention, the entire human genome will be sequenced several orders of magnitude faster than achieved using conventional techniques. In addition to sequencing all genomes, the systems, methods, and products of the present invention are used to generate comprehensive and multiple expression maps for development and disease processes. The ability to sequence an individual's genome and generate multiple expression maps will significantly enhance the ability to determine the genetic basis of any trait expression or disease process.

【0025】 一局面によれば、連鎖ユニットのポリマーを光学的に分析する本システムは、
光源、相互作用ステーション、光検出器、およびプロセッサを含む。光源は、選
択された波長の放射光を放射をするよう構成される。相互作用ステーションは、
放射光を受けて、光源から放射された放射光から局部放射スポットを生じるよう
構成される。相互作用ステーションはまた、ポリマーのユニットを順次受け取る
よう構成され、局部放射スポットでユニットを順次照射するよう編成される。光
検出器は、局部放射スポットとユニットの相互作用から生じる特性信号を含む放
射光を検出するよう構成される。プロセッサは、検出された放射光に基づいてポ
リマーを分析するよう構成され、編成される。
According to one aspect, the present system for optically analyzing a polymer of a chain unit comprises:
Includes light source, interaction station, photodetector, and processor. The light source is configured to emit radiation of a selected wavelength. The interaction station
It is configured to receive the radiation and produce a local radiation spot from the radiation emitted from the light source. The interaction station is also configured to sequentially receive units of the polymer and is arranged to sequentially illuminate the units with a local radiation spot. The light detector is configured to detect emitted light that includes a characteristic signal resulting from the interaction of the unit with the local radiation spot. A processor is configured and arranged to analyze the polymer based on the detected emitted light.

【0026】 この局面の好ましい実施の形態は、次の特徴を1つ以上含む: 相互作用ステーションは、放射光有感標識で選択的に標識付けされたユニット
を順次受け取るよう構成され、相互作用は、局部放射光と放射光有感標識との相
互作用を含む。
Preferred embodiments of this aspect include one or more of the following features: The interaction station is configured to sequentially receive units selectively labeled with a radiation sensitive label, wherein the interaction is And the interaction of local radiation with the radiation sensitive label.

【0027】 放射光有感標識は、蛍光伝達子(fluorophore)を含む。The radiation-sensitive label comprises a fluorophore.

【0028】 相互作用ステーションは、放射光を受け取り、それに応じてエバネセント放射
を提供するよう構成された導波管を含む。
[0028] The interaction station includes a waveguide configured to receive the emitted light and provide evanescent radiation accordingly.

【0029】 相互作用ステーションは、1nmから500nmの範囲の幅を有するスリット
を含み、スリットは局部放射スポットを生じる。
[0029] The interaction station includes a slit having a width in the range of 1 nm to 500 nm, the slit producing a local radiation spot.

【0030】 相互作用ステーションは、局部放射スポットを生じるよう編成されたサブミク
ロン幅を有するマイクロチャネルとスリットを含む。
[0030] The interaction station includes microchannels having submicron widths and slits organized to produce a local radiation spot.

【0031】 スリット幅は、10nmから100nmの範囲にある。The slit width is in a range from 10 nm to 100 nm.

【0032】 システムは偏光子を含むことができ、光源は光ビームを放射するよう構成され
たレーザーであり、偏光子は、レーザービームがスリットに到達する前にそれを
偏光するよう編成される。
The system can include a polarizer, wherein the light source is a laser configured to emit a light beam, and the polarizer is organized to polarize the laser beam before it reaches the slit.

【0033】 偏光子は、スリット幅に平行に、またはスリット幅に垂直に、レーザービーム
を偏光するよう編成されてもよい。
The polarizer may be organized to polarize the laser beam parallel to the slit width or perpendicular to the slit width.

【0034】 相互作用ステーションは、真直にしたポリマーを受け取るよう編成されたマイ
クロチャネルに対して垂直に配置された幾つかのスリットを含んでもよい。
The interaction station may include a number of slits arranged perpendicular to the microchannel organized to receive the straightened polymer.

【0035】 相互作用ステーションは、マイクロチャネルを通ってポリマーユニットを前進
させるための電界を提供するよう構成され編成される一組の電極を含んでもよい
The interaction station may include a set of electrodes configured and organized to provide an electric field for advancing the polymer unit through the microchannel.

【0036】 システムは、更にポリマーを真直にし、真直にされたポリマーを相互作用ステ
ーションへ供給するよう構成され編成されたアライメントステーションを含んで
もよい。
The system may further include an alignment station configured and arranged to straighten the polymer and to supply the straightened polymer to the interaction station.

【0037】 別の実施の形態では、連鎖ユニットのポリマーを光学的に分析する方法は: 放射光有感標識で、選択ポリマーユニットに標識付けをすること; マイクロチャネルにポリマーユニットを順次通すこと; 選択された波長の放射光を生成して、局部放射スポットを発生させること; 標識付けされたポリマーユニットを、局部放射スポットで順次照射すること; 局部放射スポットと、標識またはユニットとの相互作用の結果得られた特性信
号を提供する放射光を順次検出すること;そして、 検出された放射光に基づいてポリマーを分析すること;を含む。
In another embodiment, a method of optically analyzing a polymer of a chain unit includes: labeling selected polymer units with a radiation-sensitive label; sequentially passing the polymer units through microchannels; Generating radiation of a selected wavelength to generate a local radiation spot; irradiating the labeled polymer units sequentially with the local radiation spot; and interacting with the local radiation spot and the label or unit. Sequentially detecting the emitted light that provides the resulting characteristic signal; and analyzing the polymer based on the detected emitted light.

【0038】 別の実施の形態では、連鎖ユニットのポリマーを光学的に分析するために用い
られる製品であって、基板上に製作されて、放射光を受け取って、その放射光か
ら局部放射スポットを生じるように構築された相互作用ステーションを備える。
相互作用ステーションは、更に、ポリマーのユニットを順次受け取るよう構成さ
れるとともに放射光の特性信号を生成するよう局部放射スポットでユニットを順
次照射するように編成される。
In another embodiment, a product used to optically analyze a polymer of a chain unit, which is fabricated on a substrate, receives radiation, and generates a local radiation spot from the radiation. With an interaction station constructed to occur.
The interaction station is further configured to sequentially receive the units of polymer and is arranged to sequentially illuminate the units with a local radiation spot to generate a characteristic signal of the emitted light.

【0039】 別の局面によると、連鎖ユニットから成るポリマーを光学的に分析するシステ
ムは、光源、相互作用ステーション、光検出器、およびプロセッサを含む。光源
は、選択波長の放射光を放射するよう構成される。相互作用ステーションは、放
射された光を受け取るよう構成され、ポリマーユニットを順次受け取るよう構成
され、光源から放射された光で励起されたエバネセント放射で、ポリマーユニッ
トを順次照射するよう編成される。光検出器は、ユニットとエバネセント放射と
の相互作用の結果得られてた特性信号を含む光を検出するよう構成される。プロ
セッサは、検出された放射光に基づいてポリマーを分析するよう構成され、編成
される。
According to another aspect, a system for optically analyzing a polymer comprising a chain unit includes a light source, an interaction station, a photodetector, and a processor. The light source is configured to emit radiation of a selected wavelength. The interaction station is configured to receive the emitted light, is configured to sequentially receive the polymer units, and is arranged to sequentially illuminate the polymer units with evanescent radiation excited by the light emitted from the light source. The light detector is configured to detect light including a characteristic signal resulting from the interaction of the unit with the evanescent radiation. A processor is configured and arranged to analyze the polymer based on the detected emitted light.

【0040】 この局面の好ましい実施の形態は、以下の特徴を一つ以上含む: 相互作用ステーションは、放射光有感標識で選択的に標識付けされたユニット
を順次受け取るよう構成され、相互作用は、エバネセント放射と放射光有感標識
との相互作用を含む。
Preferred embodiments of this aspect include one or more of the following features: The interaction station is configured to sequentially receive units selectively labeled with a radiation sensitive label, wherein the interaction is , The interaction of evanescent radiation with the radiation-sensitive label.

【0041】 放射光有感標識は蛍光伝達子を含む。The synchrotron radiation sensitive label includes a fluorescent transmitter.

【0042】 相互作用ステーションは、放射光を受け取るように構成されその放射光に応じ
てエバネセント放射を提供するよう構成される導波管を含む。
The interaction station includes a waveguide configured to receive the emitted light and configured to provide evanescent radiation in response to the emitted light.

【0043】 導波管は、導入光の完全な内部反射を達成するよう構成された誘電体導波管で
ある。この導波管は、導入光の損失が低くなるよう構成される金属ミラー層に囲
まれた誘電体矩形ミラー導波管である。導波管は、金属ミラー層の開口を含むチ
ップ部(tip)を含み、エバネセント放射を放射するよう編成される。導波管は
、エバネセント放射を放射するよう構成されるチップ部を含む。
The waveguide is a dielectric waveguide configured to achieve complete internal reflection of the introduced light. This waveguide is a dielectric rectangular mirror waveguide surrounded by a metal mirror layer configured to reduce the loss of introduced light. The waveguide includes a tip that includes an opening in the metal mirror layer and is organized to emit evanescent radiation. The waveguide includes a tip configured to emit evanescent radiation.

【0044】 相互作用ステーションは、導波管のチップ部に配置したナノチャネルを含み、
真直にされた形状のポリマーを受け取るよう編成される。
The interaction station includes a nanochannel located at the tip of the waveguide,
Knitted to receive the straightened shape of the polymer.

【0045】 相互作用ステーションは、ポリマーユニットをナノチャネルを通って前進させ
るための電界を提供するよう構成され、編成された一組の電極を含む。これら電
極は内部電極である。
The interaction station includes a set of electrodes configured and arranged to provide an electric field for advancing the polymer unit through the nanochannel. These electrodes are internal electrodes.

【0046】 電極が外部電極である。ナノチャネルは、2から50nmの間である。The electrodes are external electrodes. Nanochannels are between 2 and 50 nm.

【0047】 導波管は更に、特性信号を含む放射光を受けるよう構成されて編成され、受け
た放射光を光検出器と光学的に結合する。
The waveguide is further configured and organized to receive radiation comprising a characteristic signal, and optically couples the received radiation to a photodetector.

【0048】 相互作用ステーションは、特性信号を含む放射光を受けるよう構成されて編成
された別の導波管を含み、受けた放射光を光検出器と光学的に結合する。
The interaction station includes another waveguide configured and arranged to receive the radiation including the characteristic signal, and optically couples the received radiation with the photodetector.

【0049】 システムは更に、ポリマーを真直にするよう構成され編成されたアライメント
ステーションを含み、相互作用ステーションへ真直にされたポリマーを供給する
[0049] The system further includes an alignment station configured and organized to straighten the polymer to provide the straightened polymer to the interaction station.

【0050】 更に別の局面で、本発明は、連鎖ユニットの共焦点蛍光照射を利用してポリマ
ーを光学的に分析するシステムである。このシステムは:放射光を放射するよう
構成された光源;前記放射光を受けて、既知の波長でフィルタリングするよう構
成されたフィルタ;前記フィルタリングされた放射光を受け取るよう構成された
ダイクロイック(dichloic)ミラー;前記フィルタリングされた放射光を受け、前
記フィルタリングされた放射光から局部放射スポットを生じるよう構成された相
互作用ステーションであって、前記相互作用ステーションはまた、前記ポリマー
ユニットを順次受け取るよう構成され、前記局部放射スポットにおいて前記ユニ
ットを順次照射するよう編成される;前記局部放射スポットにおいて前記ユニッ
トの相互作用の結果得られる特性信号を含む放射光を検出するよう構成される光
検出器;および、前記特性信号を含む前記検出された放射光に基づいて前記ポリ
マーを分析するよう構成され編成されるプロセッサ;を含む。
In yet another aspect, the present invention is a system for optically analyzing polymers utilizing confocal fluorescent illumination of a chain unit. The system includes: a light source configured to emit radiation; a filter configured to receive the radiation and filter at a known wavelength; a dichloic configured to receive the filtered radiation. A mirror; an interaction station configured to receive the filtered radiation and to produce a local radiation spot from the filtered radiation, wherein the interaction station is also configured to sequentially receive the polymer units. A light detector arranged to sequentially illuminate the unit at the local radiation spot; a photodetector configured to detect radiation at the local radiation spot that includes a characteristic signal resulting from the interaction of the unit; Based on the detected emitted light including the characteristic signal A processor configured and arranged to analyze the polymer accordingly.

【0051】 一実施の形態では、相互作用ステーションは、特性信号を生じる放射光有感標
識で選択的標識付けされた前記ユニットを、前記局部放射スポットで順次受け取
るよう構成されている。別の実施の形態では、放射光有感標識は蛍光伝達子を含
む。実施の形態によっては、フィルタはレーザーラインフィルタである。
In one embodiment, the interaction station is configured to sequentially receive, at the local radiation spot, the units selectively labeled with a radiation sensitive label that produces a characteristic signal. In another embodiment, the radiation-sensitive label comprises a fluorescent transmitter. In some embodiments, the filter is a laser line filter.

【0052】 システムはまた対物レンズを含み、対物レンズは前記フィルタリングされた光
を焦点に結ぶ。
The system also includes an objective lens, which focuses the filtered light.

【0053】 ポリマーを分析するために提案された本システムと方法は、DNA内部のユニ
ットの配列を決定するのに特に有益であり、現在のゲノム規模の配列決定プロト
コルでの大きな制約となっている非常に長い予備配列決定ステップを構成するゲ
ノムライブラリ作成、クローニング、およびコロニー採取の必要性をなくすこと
ができる。ここで開示される方法は、従来技術によって達成される以上に長い読
み取り長さと、百万倍も高速な配列読み取りを提供する。計画されている読み取
り長さは、数十万ヌクレオチドのオーダーである。これはオーバーラップしてい
る冗長な配列を求める必要性を著しく減少させ、ゲノム再構成の前に配列決定す
る必要がある実際のDNA量を減らすことが可能である。与えられた数のポリマ
ーユニット読み取りにかかる実時間は、ここに請求する新規装置によって与えら
れる、ナノチャネルプレートまたはマイクロチャネルプレートと称される途方も
ない並列増幅器によって、現在の方法よりも百万倍高速となる。これらすべての
要素の組み合わせは、分子および細胞生物学の分野に著しい進歩をもたらすであ
ろう配列決定を含むポリマー分析方法を変貌させる。
The proposed systems and methods for analyzing polymers are particularly useful for sequencing units within DNA, which is a major limitation of current genome-wide sequencing protocols. The need for genomic library creation, cloning, and colony collection, which make up a very long preliminary sequencing step, can be eliminated. The methods disclosed herein provide longer read lengths than achieved by the prior art, and sequence reads that are one million times faster. Planned read lengths are on the order of hundreds of thousands of nucleotides. This significantly reduces the need to find overlapping redundant sequences and can reduce the actual amount of DNA that needs to be sequenced prior to genomic rearrangement. The real time for a given number of polymer unit readings is one million times higher than with current methods due to the tremendous parallel amplifiers referred to as nanochannel plates or microchannel plates provided by the novel device claimed here. Be faster. The combination of all these elements transforms methods of polymer analysis, including sequencing, which will bring significant advances in the field of molecular and cell biology.

【0054】[0054]

【好ましい実施の形態の詳細な説明】[Detailed description of preferred embodiments]

図1を参照すると、個々のポリマーユニットの特性を決定するための相互作用
システムは、システムコントローラ10、ポリマー供給装置20、微小流体ポン
プ25、ポリマーアライメントステーション30、第1相互作用ステーション4
0、および第2相互作用ステーション50を含む。システムコントローラ10は
汎用コンピュータであってもよい。微小流体ポンプ25は、選択された量のポリ
マー27を、ポリマー供給装置20からポリマーアライメントステーション30
へ供給する。システムコントローラ10によって制御されるポリマーアライメン
トステーション30は、力場と機械的障害物を用いて個々のポリマーを真直にし
て整列させ、第1相互作用ステーション40へポリマーを供給する。第1相互作
用ステーション40は、通過する個々のポリマーユニットの特性を得るために光
学システムを用いる。光学システムは、光源42、光フィルタ45、光検出器4
6、および他の光素子と、光源と検出器に関連する電気素子を含む。光学システ
ムは、光コントローラ48によって制御される。
Referring to FIG. 1, an interaction system for determining characteristics of an individual polymer unit includes a system controller 10, a polymer supply device 20, a microfluidic pump 25, a polymer alignment station 30, a first interaction station 4
0, and a second interaction station 50. The system controller 10 may be a general-purpose computer. Microfluidic pump 25 delivers a selected amount of polymer 27 from polymer feeder 20 to polymer alignment station 30.
Supply to A polymer alignment station 30 controlled by the system controller 10 uses the force field and mechanical obstacles to straighten and align the individual polymers and supply the first interaction station 40 with the polymers. The first interaction station 40 uses an optical system to obtain the properties of the individual polymer units passing through. The optical system includes a light source 42, an optical filter 45, and a photodetector 4.
6, and other light elements and electrical elements associated with the light source and detector. The optical system is controlled by a light controller 48.

【0055】 ポリマーの個々のユニットが相互作用ステーション40を通過するとき、光源
42は、相互作用ステーション40の光構成部品へ向けて光を放射する。光構成
部品は、ポリマーユニットと直接相互作用するか、ポリマーユニットに選択的に
取り付けられた標識と相互作用するか、またはポリマーユニットと標識の両方と
相互作用する局部放射スポットを生成する。局部放射スポットは、少なくとも一
次元に局在化された非放射ニアフィールドつまりエバネセント波を含む。局部放
射スポットは、従来の光学で用いられる回折限界分解能より高い分解能を備えて
いる。
As individual units of the polymer pass through the interaction station 40, the light sources 42 emit light toward the optical components of the interaction station 40. The optical component creates a local radiation spot that interacts directly with the polymer unit, interacts with a label selectively attached to the polymer unit, or interacts with both the polymer unit and the label. The local radiation spot comprises at least one-dimensionally localized non-radiating near-field or evanescent waves. The local radiation spot has a higher resolution than the diffraction limited resolution used in conventional optics.

【0056】 更に、相互作用ステーション40は、局部放射スポットが、1つまたは幾つか
のポリマーユニット、または数ナノメートルオーダー以下の添付標識と、相互作
用することを可能にする独自の編成と幾何形状を用いる。光検出器46は、相互
作用によって変化した光を検出し、光コントローラ48へ検出信号を提供する。
第2相互作用ステーション50は、第1相互作用ステーション40から第2相互
作用ステーション50を通過するポリマーの特性を決定するために電界か電磁界
、X線放射、または可視光か赤外光を用いる。コントローラ56は、第2相互作
用ステーション50の動作を制御する。コントローラ48と56は両方とも、シ
ステムコントローラ10に接続されている。
In addition, the interaction station 40 has a unique organization and geometry that allows the local radiation spot to interact with one or several polymer units, or attached labels of the order of a few nanometers or less. Is used. The light detector 46 detects the light changed by the interaction, and provides a detection signal to the light controller 48.
The second interaction station 50 uses an electric or electromagnetic field, X-ray radiation, or visible or infrared light to determine the properties of the polymer passing from the first interaction station 40 through the second interaction station 50. . The controller 56 controls the operation of the second interaction station 50. Controllers 48 and 56 are both connected to system controller 10.

【0057】 図2と図3に関して、ポリマーアライメントステーション30と第1相互作用
ステーション40は、基板92、石英ウェーハ60、および任意のカバーガラス
90を含む。基板92は、導電性流体96(例えば、アガロースゲル)と、試験
下のポリマーの流れを容易にするようテフロン(登録商標)やデルリン(登録商
標)等の非導電性の化学不活性材料を機械加工する。基板92は、金線98Aと
98Bをそれぞれ受けるために機械加工された溝94Aと94Bを含み、それら
の溝は、ポリマー分子39を第一相互作用ステーション40を横断して前進させ
るための電界形状に応じて選択される形状を有する。石英ウェーハ60は、領域
91を取り囲んで基板92の上に封止されている。
Referring to FIGS. 2 and 3, polymer alignment station 30 and first interaction station 40 include substrate 92, quartz wafer 60, and optional cover glass 90. Substrate 92 is made of a conductive fluid 96 (eg, agarose gel) and a non-conductive, chemically inert material, such as Teflon® or Delrin®, to facilitate the flow of the polymer under test. Process. Substrate 92 includes grooves 94A and 94B machined to receive gold wires 98A and 98B, respectively, which grooves form an electric field shape for advancing polymer molecules 39 across first interaction station 40. Has a shape selected according to The quartz wafer 60 is sealed on a substrate 92 surrounding the region 91.

【0058】 あるいは、溝94Aと94B、および線98Aと98Bは、石英ウェーハ60
上に直接配設される金属領域によって置きかえられてもよく、あるいは電界を生
成する外部電極によって置きかえられてもよい。一般に電極は、約1mmから5
cmの範囲、好ましくは2cm離間させ、普通は約20V/cmの電界強度を提
供する。
Alternatively, grooves 94A and 94B and lines 98A and 98B are
It may be replaced by a metal area disposed directly on it, or by an external electrode generating an electric field. Generally, the electrodes are about 1 mm to 5 mm.
cm, preferably 2 cm apart, and typically provide a field strength of about 20 V / cm.

【0059】 図4と図4Aは、アライメントステーション30と第1相互作用ステーション
40の現在のところ好ましい実施の形態を示す。図4は、石英ウェーハ60上に
作成されているアライメントステーション30Aの一部と第1相互作用ステーシ
ョン40(図2でも示す)の平面図である。当然ながら、単一の石英ウェーハ6
0が、数百から数千のアライメントステーションと第一相互作用ステーションを
含んでいてもよい。石英ウェーハ60は、(例えばアルミニウム、金、銀の)金
属層62で覆われた石英基板を含み、基板表面上に作成されたマイクロチャネル
41を有する。金属層62を介して作成されているのは、局部放射スポットを提
供する光素子を形成するスリット36A、36B、および36Cである。スリッ
ト36A、36B、および36Cは、1nmと5000nmの間の範囲で選択さ
れた幅を有し、10nmと1000nmの間の範囲が好ましく、更には、10n
mと100nmの間の範囲が好ましい。スリット36A、36B、および36C
は、1μmから50μmの範囲にある幅と、数百μmの長さを持つマイクロチャ
ネル41を横断して配置される。金線98Aと98Bによって生成される電界は
、マイクロチャネル41のパススリット36A、36B、および36Cを介して
(DNA分子等の)ポリマーチェーン39を吸引する。
FIGS. 4 and 4A show a presently preferred embodiment of the alignment station 30 and the first interaction station 40. FIG. 4 is a plan view of a part of the alignment station 30A formed on the quartz wafer 60 and the first interaction station 40 (also shown in FIG. 2). Naturally, a single quartz wafer 6
0 may include hundreds to thousands of alignment stations and the first interaction station. The quartz wafer 60 includes a quartz substrate covered with a metal layer 62 (eg, aluminum, gold, silver) and has microchannels 41 formed on the substrate surface. Created through metal layer 62 are slits 36A, 36B, and 36C that form optical elements that provide a local radiation spot. The slits 36A, 36B, and 36C have a selected width in the range between 1 nm and 5000 nm, preferably in the range between 10 nm and 1000 nm, and even 10 n
A range between m and 100 nm is preferred. Slits 36A, 36B and 36C
Are arranged across a microchannel 41 having a width in the range of 1 μm to 50 μm and a length of several hundred μm. The electric field generated by the gold wires 98A and 98B draws the polymer chains 39 (such as DNA molecules) through the path slits 36A, 36B and 36C of the microchannel 41.

【0060】 図4に示すように、ポリマーアライメントステーション30は、領域31に配
置されている幾つかのアライメント柱32を含む。領域31は、遷移領域34を
介してマイクロチャネル41へ接続される。アライメント柱32は円形断面を有
し直径約1μmである。アライメント柱32は間隔が約1.5μmであり、試験
されるポリマーの長さによるが、マイクロチャネル41から約5μmないし50
0μm(約10μmないし200μmが好ましい)のところに配置される。例え
ば、ポリマーが約167,000塩基対を有するバクテリオファージT4DNA
である場合、アライメント柱32は、ナノスリット36Aから約30μmのとこ
ろに配置される。一般に、ナノスリット36Aからの距離は、ポリマー39の予
期される長さの約2分の1である。
As shown in FIG. 4, the polymer alignment station 30 includes a number of alignment posts 32 located in a region 31. Region 31 is connected to microchannel 41 via transition region 34. The alignment column 32 has a circular cross section and a diameter of about 1 μm. The alignment posts 32 are about 1.5 μm apart and from about 5 μm to 50 μm from the microchannel 41 depending on the length of the polymer being tested.
0 μm (preferably about 10 μm to 200 μm). For example, bacteriophage T4 DNA where the polymer has about 167,000 base pairs
In this case, the alignment column 32 is arranged at a position of about 30 μm from the nanoslit 36A. Generally, the distance from the nanoslit 36A is about one-half the expected length of the polymer 39.

【0061】 図4Aは、光源42から放射される光ビーム65が金属層62内に形成される
ナノスリット36と相互作用して、局部放射スポット67が生成されることを示
す。レーザービーム65は、ナノスリット36の幅より何倍も大きい寸法を有し
、石英ウェーハ60の背面を照射し、石英ウェーハ60を介して拡散し、そして
ナノスリット36と相互作用する。それを電界ラインで示す。局部放射スポット
67は、非放射ニアフィールドであり、ポリマーチェーン39がマイクロチャネ
ル41を介して吸引されるとき、ポリマーチェーンユニット39を順次照射する
。局部放射スポット67は、ナノスリット36から放射されるエバネセント波と
理解してもよい。ナノスリット36の幅は、光ビーム65の波長より小さいので
、放射はフレネルモードとなる。
FIG. 4A shows that the light beam 65 emitted from the light source 42 interacts with the nanoslits 36 formed in the metal layer 62 to create a local radiation spot 67. The laser beam 65 has dimensions that are many times greater than the width of the nanoslit 36, illuminates the back of the quartz wafer 60, diffuses through the quartz wafer 60, and interacts with the nanoslit 36. It is indicated by the electric field line. The local radiation spot 67 is a non-radiating near-field, and irradiates the polymer chain unit 39 sequentially when the polymer chain 39 is sucked through the microchannel 41. The local radiation spot 67 may be understood as an evanescent wave radiated from the nanoslit 36. Since the width of the nanoslit 36 is smaller than the wavelength of the light beam 65, the radiation is in the Fresnel mode.

【0062】 光学システムは、光源42と石英ウェーハ60の間に載置される偏光子43と
、石英ウェーハ60と光検出器46の間に載置されるノッチフィルタ45を含ん
でもよい。偏光子がナノスリット36の長さに平行なEベクトルで光ビーム65
を配向する場合、ナノスリット36から放射されるニアフィールド放射が存在し
、ファーフィールド放射は存在しない。偏光子が(何波長も長い)ナノスリット
36に垂直なEベクトルで光ビーム65を配向する場合、ナノスリット36から
のファーフィールド放射が存在する。入射ビーム65を選択的に偏光することに
よって、光学システムは、ニアフィールドとファーフィールド放射を切り替える
ことができる。
The optical system may include a polarizer 43 mounted between the light source 42 and the quartz wafer 60, and a notch filter 45 mounted between the quartz wafer 60 and the light detector 46. The polarizer emits a light beam 65 with an E vector parallel to the length of the nanoslit 36.
, There is near-field radiation emitted from the nanoslit 36 and no far-field radiation. If the polarizer orients the light beam 65 with an E vector perpendicular to the nanoslit 36 (longer in wavelength), there is far-field radiation from the nanoslit 36. By selectively polarizing the incident beam 65, the optical system can switch between near-field and far-field radiation.

【0063】 図4Bは、蛍光伝達子によって標識付けされたポリマーユニットの特性を決定
する光学システムを示す。光学システムは、レーザー源80、音響光学同調可能
フィルタ82、偏光子84、ノッチフィルタ86、増強器とCCD検出器88、
およびビデオレコーダVCR92に接続されるビデオモニタ90を含む。ポリマ
ーチェーン39の個々のユニットは、選択励起波長に感応する蛍光伝達子68に
よって、選択的に標識付けされる。音響光学同調可能フィルタ82は、レーザー
源80から放射される光の励起波長を選択するために用いられる。励起ビーム6
5は、(図4Aに示し、ここでは領域40として記す)ナノスリット36と相互
作用して、非放射ニアフィールド67を生成する。(図2と図3の)金線98A
と98Bの間の電界は、放射67と各標識付けされたユニットの相互作用が起き
る既知の速度でポリマーチェーン39を吸引する。蛍光伝達子68が、(図4に
示す)パススリット36A、36B、および36Cを移動すると、放射光67は
、蛍光放射72を再放射するよう蛍光伝達子68を励起する。ノッチフィルタ8
6は、当該技術で周知のように、放射70の蛍光波長(72)を通過させ、励起
波長を減衰させて、信号対雑音の分解能を増大させる。石英ウェーハ60の上方
数mmから数cmのところに配置したCCD検出器88は、蛍光放射72を検出
する。CCD検出器88は、蛍光伝達子が横断して移動するとき、蛍光放射72
をナノスリット36A、36B、および36Cについて別々に検出する。このプ
ロセスは、石英ウェーハ60上に配置した数多くのナノスリットで起こる。
FIG. 4B shows an optical system for determining the properties of a polymer unit labeled with a fluorophore. The optical system includes a laser source 80, an acousto-optic tunable filter 82, a polarizer 84, a notch filter 86, an intensifier and a CCD detector 88,
And a video monitor 90 connected to the video recorder VCR 92. Individual units of the polymer chain 39 are selectively labeled with a fluorescent transmitter 68 that is sensitive to a selected excitation wavelength. An acousto-optic tunable filter 82 is used to select the excitation wavelength of the light emitted from the laser source 80. Excitation beam 6
5 interacts with the nanoslits 36 (shown in FIG. 4A and noted here as regions 40) to create a non-radiating near-field 67. Gold wire 98A (of FIGS. 2 and 3)
The electric field between and B draws the polymer chain 39 at a known rate at which the interaction of the radiation 67 with each labeled unit occurs. As the fluorophore 68 moves through the pass slits 36A, 36B, and 36C (shown in FIG. 4), the emitted light 67 excites the fluorophore 68 to re-emit the fluorescent radiation 72. Notch filter 8
6 passes the fluorescence wavelength (72) of the radiation 70 and attenuates the excitation wavelength, increasing signal-to-noise resolution, as is well known in the art. A CCD detector 88 located several mm to several cm above the quartz wafer 60 detects the fluorescent radiation 72. The CCD detector 88 detects the fluorescence emission 72 as the fluorescence transmitter moves across.
Are detected separately for nanoslits 36A, 36B, and 36C. This process occurs with a number of nanoslits placed on the quartz wafer 60.

【0064】 電界は、ナノスリット36近傍にポリマー39を位置定めするために用いても
よい。ナノスリット36は、わずか1波長か2波長の距離を超えると減衰する非
放射フィールド67を「放射」する。蛍光伝達子68を非放射フィールド67の
範囲内に位置決めするために、ポリマー39は、ナノスリット36(および金属
膜62)に近接するよう引き寄せられることにより、金属層62に近接させる必
要があるかもしれない。ポリマー39は、金属層62へAC電界を印加すること
によって生成される誘電力を用いてナノスリット36に近接するよう吸引される
。例えば、"Trapping of DNA in Nonuniform Oscillating Electric Fields" by
Charles L. Ashbury and Ger van den Engh, Biophysical Journal Vol 74, pp
1024-1030 (1998) "Molecular Dielectrophoresis of Biopolymers" M.Washizu
, S.Suzuki, O.Kurosawa, T.Nishizaka, and T.Shinohara, in IEEE Transactio
ns on Industry Application, Vol 30, No4, pp. 835-843 (1994), and "Electr
ostatic Manipulation of DNA in Microfabricated Structures" by M.Washizu,
and O.Kurosawa, in IEEE Transactions on Industry Application, Vol 26, N
o6, pp. 1165-1172 (1990) を参照。全般には、"Dielectrophoresis: The Behav
ior of Neutral Matter in Nonuniform Electric Fields" by Pohl, H.A., Camb
ridge University Press, Cambridge, UK, 1978 を参照。非一様の電界は、分極
されたポリマーユニット39(例えばDNA分子)を金属層62へ誘引する。
An electric field may be used to position polymer 39 near nanoslit 36. The nanoslit 36 "radiates" a non-radiative field 67 that attenuates beyond a distance of only one or two wavelengths. In order to position the fluorescence transmitter 68 within the non-radiative field 67, the polymer 39 may need to be brought closer to the metal layer 62 by being drawn closer to the nanoslit 36 (and the metal film 62). unknown. Polymer 39 is attracted close to nanoslit 36 using the dielectric force created by applying an AC electric field to metal layer 62. For example, "Trapping of DNA in Nonuniform Oscillating Electric Fields" by
Charles L. Ashbury and Ger van den Engh, Biophysical Journal Vol 74, pp
1024-1030 (1998) "Molecular Dielectrophoresis of Biopolymers" M. Washizu
, S.Suzuki, O.Kurosawa, T.Nishizaka, and T.Shinohara, in IEEE Transactio
ns on Industry Application, Vol 30, No4, pp. 835-843 (1994), and "Electr
ostatic Manipulation of DNA in Microfabricated Structures "by M. Washizu,
and O. Kurosawa, in IEEE Transactions on Industry Application, Vol 26, N
o6, pp. 1165-1172 (1990). In general, "Dielectrophoresis: The Behav
ior of Neutral Matter in Nonuniform Electric Fields "by Pohl, HA, Camb
See ridge University Press, Cambridge, UK, 1978. The non-uniform electric field attracts the polarized polymer units 39 (eg, DNA molecules) to the metal layer 62.

【0065】 図5を参照すると、第2相互作用ステーション50は、直線にされたポリマー
の分子がナノチャネルに接近して通過するとき、ナノチャネルを横断するイオン
電流を測定する。検出イオン電流の遮断が、ポリマーの分子長やポリマーの他の
特性を特徴付けるよう用いられる。相互作用ステーション50は、第一相互作用
領域40から、直線にされたポリマー39を受け取り、電極54と55に垂直な
方向に、電極52と53を用いて、チャネルを介して電圧を印加して、ポリマー
の分子をチャネル51を介して吸引する。電極54と55は、コントローラ56
内に配置される、ナノチャネル51を横断するイオン電流を測定するための微小
電流計56Aへ接続されている。あるいは、図5Aを参照すると、微小電流計は
、ブリッジ56Bで置換され、ポリマー39がないときのチャネル51のインピ
ーダンス(Z1)を、瞬間的なインピーダンス(ZX)と比較する。ポリマー3
9がチャネル51に存在しないとき電圧計は0Vを示す。伸長されてほとんど直
線ストリング39がチャネル51を通過すると、その存在は、電極54から電極
55への通常のイオン流を検出可能なほど減少させるか完全に遮断する。
Referring to FIG. 5, the second interaction station 50 measures the ionic current across the nanochannel as the straightened polymer molecules pass close to the nanochannel. Blocking the detected ionic current is used to characterize the molecular length of the polymer and other properties of the polymer. The interaction station 50 receives the straightened polymer 39 from the first interaction region 40 and applies a voltage through the channel using electrodes 52 and 53 in a direction perpendicular to electrodes 54 and 55. Then, the polymer molecules are sucked through the channel 51. The electrodes 54 and 55 are connected to a controller 56
Connected to a microammeter 56A for measuring the ionic current across the nanochannel 51. Alternatively, referring to FIG. 5A, the microammeter compares the impedance (Z1) of the channel 51 without the polymer 39, replaced by the bridge 56B, with the instantaneous impedance (ZX). Polymer 3
When 9 is not present in channel 51, the voltmeter indicates 0V. As the nearly straight string 39 is extended and passes through the channel 51, its presence reduces or completely shuts off the normal ion flow from the electrode 54 to the electrode 55 in a detectable manner.

【0066】 電極54と電極55は、サブミクロンのリソグラフィを用いて製作され、イン
ピーダンス変化を検出するブリッジか、イオン電流を測定する微小電流計へ接続
されている。チャネルを横切る測定データは、増幅され、増幅された信号はロー
パスフィルタで(例えば毎秒64,000サンプルで)フィルタリングされ、デ
ータは選択サンプリングレートでアナログ/ディジタル変換器でディジタル化さ
れる。システムコントローラ10は、イオン電流の過渡的減少と、ポリマーユニ
ットの速度との相関をとり、ポリマーの長さ、例えばDNAやRNA分子の長さ
を決定する。
The electrodes 54 and 55 are manufactured using submicron lithography, and are connected to a bridge for detecting impedance change or a microammeter for measuring ion current. Measurement data traversing the channel is amplified, the amplified signal is filtered with a low pass filter (eg, at 64,000 samples per second), and the data is digitized with an analog to digital converter at a selected sampling rate. The system controller 10 correlates the transient decrease in ionic current with the speed of the polymer unit to determine the length of the polymer, for example, the length of a DNA or RNA molecule.

【0067】 別の実施の形態では、光学システムは、単一の蛍光伝達子からの蛍光を検出す
る能力を有する超高速で高感度のスペクトロフォトメータを含む。光源42は、
励起波長の光を放射する固定モードのNd:YAGレーザーである。システムは
、フォトダイオードと弁別器(例えばTennelec TC454)へ参照ビームを提供する
スプリッタを用いる。弁別器は、開始パルスを時間/振幅変換器(例えばTennel
ec 863)へ提供する。主ビーム65はパワーレベルを調整する灰色の濃度フィル
タを通って配向されている。先に説明したように、非放射ニアフィールド67と
相互作用する蛍光伝達子68は、蛍光の光72を励起し、その蛍光は、干渉フィ
ルタ(例えばOmega Optic製)でスペクトル的にフィルタリングされ、アバラン
シェフォトダイオードや光マルチプレクサ(例えばHamamatsu R156UMCPマイクロ
チャネル光マルチプレクサ)で検出された後、検出器46で収集される。マイク
ロチャネル光マルチプレクサの信号は、増幅器で増幅され、弁別器(例えば、Te
nnelec C4534弁別器)で整形される。適当な時間遅れを有する信号は、時間/振
幅変換器(TAC)へ提供される。時間ゲートのTAC出力は、マルチスケーラ
によってカウントされ、VMEを経てシステムコントローラ10へインターフェ
ースされる。システムコントローラ10は、各検出器からの信号について、ポリ
マー39のユニットと結合した蛍光を発する各タイプの蛍光伝達子の特性を示す
時間遅れのヒストグラムを提供する。
In another embodiment, the optical system includes an ultra-fast, sensitive spectrophotometer capable of detecting fluorescence from a single fluorescence transmitter. The light source 42
It is a fixed mode Nd: YAG laser that emits light of an excitation wavelength. The system uses a photodiode and a splitter that provides a reference beam to a discriminator (eg, Tennelec TC454). The discriminator converts the start pulse to a time / amplitude converter (eg, Tennel
ec 863). The main beam 65 is directed through a gray density filter that adjusts the power level. As described above, the fluorescent transmitter 68 interacting with the non-radiating near-field 67 excites the fluorescent light 72, which is spectrally filtered by an interference filter (eg, from Omega Optic) and avalanche. After being detected by a photodiode or an optical multiplexer (for example, a Hamamatsu R156UMCP microchannel optical multiplexer), it is collected by a detector 46. The signal of the microchannel optical multiplexer is amplified by an amplifier and discriminator (eg, Te)
nnelec C4534 discriminator). The signal with the appropriate time delay is provided to a time / amplitude converter (TAC). The TAC output of the time gate is counted by the multiscaler and interfaced to the system controller 10 via the VME. The system controller 10 provides, for the signal from each detector, a time lag histogram characterizing each type of fluorescent transmitter that emits fluorescence associated with the polymer 39 unit.

【0068】 異なる蛍光伝達子は、異なる蛍光寿命時間(すなわち、分子が蛍光フォトンの
放出を通じて電気的接地状態へ戻る迄に励起され続ける平均時間)を有し、それ
は通常、指数関数的確率分布を持つ。蛍光寿命時間は蛍光伝達子の同定に有用で
ある。高速配列決定時に、システムは、スペクトルが類似しているが寿命が異な
る類縁の染料を用いることができるので、励起波長を放射する唯1つのレーザー
ソースと、蛍光放射を検出する1つの検出器があればこと足りる。別の実施の形
態では、光学システムは、ポリマーユニットに次いで置かれた単一蛍光伝達子の
蛍光を特性付ける位相変調技術を使用して、周波数10MHzから1GHzの範
囲の(例えば、単側帯波か両側帯波の)変調放射を用いる。例えば、レーザーソ
ースは、周波数100MHzの正弦波を使って強度変調された光ビーム65を放
射する。励起された蛍光放射72は、光マルチプレクサを用いて検出される。対
応する信号は、蛍光伝達子からの特性信号、例えば蛍光寿命時間を解読するよう
検出されたホモダインかヘテロダインである。(例えば、Lackowicz, J.R., "Gi
gaherz Frequency-Domain Fluorometry: Resolution of Complex Intensity Dec
ays, Picosecond Processes and Future Developments" Photon Migration in T
issues, Academic Press, NY, pp.169-186, 1989; を参照。またこれに引用され
ている他の文献も参照。) 図6から7Bは、アライメント領域30、マイクロチャネル41および図4に
示すスリット36A、36B、と36Cの製作を示す。図6は石英ウェーハ60
の側面図であり、厚さが約400μmで両面は研磨されている。先ず厚さ300
nmのアルミニウム膜62がウェーハ上に蒸着され、ヘキサメチルジシロキサン
(HMDS)中で35分間前処理する。次いで、フォトレジストShipley1813 が
ウェーハ上に4000rpmで60秒間スピン塗布され、レジストを硬化させる
ためにウェーハは115℃のホットプレート上で焼成された(図6A)。ウェー
ハは露光され、フォトレジストは1:1のMF312現像液と水で60秒間現像
された。アルミニウムの粗いパターンが、塩素活性イオンエッチャPK1250
を用いて1.5分間エッチングされた(図6B)。図6Cは、角印で示す装置と
X印で示すアライメントマークを持つウェーハの概観を示す。余分なレジストは
すべて、Bransonバレルエッチャ−でRF出力1000W、10分間のレジスト
スカム除去プロセスによって除去された(図6D)。
Different fluorophores have different fluorescence lifetimes (ie, the average time that a molecule remains excited before returning to electrical ground through emission of fluorescent photons), which typically has an exponential probability distribution. Have. Fluorescence lifetimes are useful for identifying fluorescent mediators. During fast sequencing, the system can use similar dyes with similar spectra but different lifetimes, so that only one laser source emitting the excitation wavelength and one detector detecting the fluorescence emission are used. I just need it. In another embodiment, the optical system uses a phase modulation technique to characterize the fluorescence of a single fluorophore placed next to the polymer unit and uses a phase modulation technique ranging from 10 MHz to 1 GHz (eg, a single sideband or Modulated radiation (both sidebands) is used. For example, the laser source emits an intensity-modulated light beam 65 using a sine wave having a frequency of 100 MHz. The excited fluorescent radiation 72 is detected using an optical multiplexer. The corresponding signal is a characteristic signal from the fluorescence transmitter, for example, homodyne or heterodyne detected to decode the fluorescence lifetime. (Eg Lackowicz, JR, "Gi
gaherz Frequency-Domain Fluorometry: Resolution of Complex Intensity Dec
ays, Picosecond Processes and Future Developments "Photon Migration in T
issues, Academic Press, NY, pp. 169-186, 1989; See also the other references cited therein. 6 to 7B show the fabrication of the alignment region 30, the microchannel 41 and the slits 36A, 36B and 36C shown in FIG. FIG. 6 shows a quartz wafer 60.
It is a side view of which is about 400 μm thick and both sides are polished. First thickness 300
A nm aluminum film 62 is deposited on the wafer and pretreated in hexamethyldisiloxane (HMDS) for 35 minutes. A photoresist Shipley 1813 was then spun on the wafer at 4000 rpm for 60 seconds and the wafer baked on a hot plate at 115 ° C. to cure the resist (FIG. 6A). The wafer was exposed and the photoresist was developed with 1: 1 MF312 developer and water for 60 seconds. The rough pattern of aluminum is chlorine active ion etcher PK1250
For 1.5 minutes (FIG. 6B). FIG. 6C shows an overview of the wafer with the device indicated by squares and the alignment marks indicated by Xs. All excess resist was removed using a Branson barrel etcher with a 1000 W RF power, 10 minute resist scum removal process (FIG. 6D).

【0069】 図6Eを参照して、PMMAレジスト(MIBKで4%950K)が3000
rpm、60秒間ウェーハ上にスピン塗布され、ウェーハは180℃のホットプ
レート上で30分間焼成された。次いで100Åの金の層が、電荷の蓄積を避け
るためにPMMAフォトレジスト上に蒸着された。PMMAフォトレジストは、
ナノスリットを画成するためeビームシステム中で露光された。露光されたPM
MAレジストは、3:1のIPA:MIBK中で1分間現像され、100Åの金
の層がエッチングされた(図6F)。次に、ナノスリットパターンが、塩素活性
イオンエッチPK1250を使用した1.5分間のアルミニウムのエッチングに
よって画成された(図6G)。フォトレジストは、RF出力1000W、10分
間のBransonバレルエッチャーで除去された(図6H)。アライメント領域30
とマイクロチャネル41を作り出すために、1μmのSiO2層が、プラズマ強
化化学的気相成長(PECVD)によってT=240℃、450mTorr、R
F出力50Wで、15sccmのシラン、50sccmのN2Oを用いて堆積さ
れた(図6I)。SiO2層は、ケミカルメカニカル研磨(CMP)によって平
坦化された。
Referring to FIG. 6E, the PMMA resist (4% at 950K in MIBK) is 3000
The wafer was spin coated on the wafer at 60 rpm for 60 seconds, and the wafer was baked on a hot plate at 180 ° C. for 30 minutes. A 100 ° gold layer was then deposited on the PMMA photoresist to avoid charge buildup. PMMA photoresist
It was exposed in an e-beam system to define a nanoslit. Exposed PM
The MA resist was developed in 3: 1 IPA: MIBK for 1 minute and the 100 ° gold layer was etched (FIG. 6F). Next, a nanoslit pattern was defined by etching the aluminum for 1.5 minutes using a chlorine active ion etch PK1250 (FIG. 6G). The photoresist was removed with a Branson barrel etcher at 1000 W RF power for 10 minutes (FIG. 6H). Alignment area 30
A 1 μm SiO 2 layer is deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) at T = 240 ° C., 450 mTorr, R
Deposited using 15 sccm silane, 50 sccm N2O at F power 50 W (FIG. 6I). The SiO2 layer was planarized by chemical mechanical polishing (CMP).

【0070】 図7から図7Bは、ナノチャネルに沿ったウェーハの側面図である。図7を参
照すると、アライメント領域30とマイクロチャネル41は、1800rpm、
60秒間の第一スピン塗布フォトレジストShipley 1813によって、ウェーハ上に
画成され、115℃のホットプレート上で60秒間焼成された。レジストは、5
xg−ラインステッパのような高分解能マスクアライナ中で露光され、1:1の
MF312と水の中で60秒間現像された。SiO2の層は、図4に示すSiO
2層のパターンを画成するよう、CHF3(50sccm)+O2(2sccm
)中で活性イオンエッチング(RIE)を用いてエッチングされた(図7A)。
フォトレジストは、RF出力1000W、10分間のBransonバレルエッチャ−
で除去された。次いで、10nmから100nmのSiO2保護層が、PECV
Dで堆積された(図7B)。カバーガラス90(図2に示す)は、石英ウェーハ
へ陽極溶着されてもよく、またはRTVの薄層を用いてチップ60へ取り付けら
れてもよい。
FIGS. 7 to 7B are side views of the wafer along the nanochannel. Referring to FIG. 7, the alignment region 30 and the microchannel 41 are 1800 rpm,
Defined on the wafer with a 60 second first spin-coated photoresist Shipley 1813 and baked on a 115 ° C. hot plate for 60 seconds. The resist is 5
It was exposed in a high resolution mask aligner such as an xg-line stepper and developed in 1: 1 MF312 and water for 60 seconds. The layer of SiO 2 is made of SiO 2 shown in FIG.
CHF3 (50 sccm) + O2 (2 sccm) so as to define a two-layer pattern
) Was etched using active ion etching (RIE) (FIG. 7A).
The photoresist is RF output 1000W, 10 minutes Branson barrel etcher
Was removed. Then, a 10-100 nm SiO2 protective layer is
D (FIG. 7B). A cover glass 90 (shown in FIG. 2) may be anodically welded to the quartz wafer or attached to the chip 60 using a thin layer of RTV.

【0071】 図8は、製作された2つのアライメント領域30と2つの相互作用領域40の
SEM顕微鏡写真を示す。各アライメント領域30は微小柱31を含み、各相互
作用領域40はマイクロチャネル41と、図4に示すナノスリット36A、36
B、および36Cとを含む。図9から図10Cを参照すると、作成されたアライ
メント領域30と相互作用領域40(図8に示す)は、次の実験で試験された。
FIG. 8 shows SEM micrographs of the two alignment regions 30 and the two interaction regions 40 that have been manufactured. Each alignment region 30 includes a micro pillar 31, and each interaction region 40 includes a microchannel 41 and nanoslits 36A, 36A shown in FIG.
B, and 36C. Referring to FIGS. 9-10C, the alignment region 30 and interaction region 40 (shown in FIG. 8) that were created were tested in the following experiment.

【0072】 平行光にされたAr:KrイオンレーザーからのCWレーザー光は、図4Aに
示すようにウェーハ60の背面に焦点を結ばれた。488nmの励起波長を持つ
レーザービーム65は、蛍光伝達子68の近傍の他の側面の膜62上に非放射ニ
アフィールドを生成した。顕微鏡の対物レンズは、560nmの蛍光ファーフィ
ールド放射を捉え、それが光マルチプレクサによって時間に従う方法で記録され
た。次いで、この時間依存信号は、スリット36の幅にほぼ等しい空間的な分解
能で、ターゲット物がスリットを越える通過記録を与えた。
The collimated CW laser light from the Ar: Kr ion laser was focused on the back of the wafer 60 as shown in FIG. 4A. The laser beam 65 having an excitation wavelength of 488 nm created a non-radiating near-field on the film 62 on the other side near the fluorescence transmitter 68. The microscope objective captured the 560 nm fluorescent far-field emission, which was recorded in a time-dependent manner by an optical multiplexer. The time-dependent signal then provided a pass record where the target crossed the slit with a spatial resolution approximately equal to the width of the slit.

【0073】 図9は、2.0ミクロン幅(曲線94A)と0.1ミクロン幅(曲線94B)
のスリットを通過する0.5μmのボールについての光マルチプレクサの応答を
示す。曲線94Aと94Bは、光マルチプレクサの電圧を時間関数として表す。
予期されたように、小さなスリットほど、より狭い曲線94Bを生成し、これは
この装置での最小応答である。
FIG. 9 shows a 2.0 micron width (curve 94A) and a 0.1 micron width (curve 94B).
4 shows the response of the optical multiplexer for a 0.5 μm ball passing through the slit of FIG. Curves 94A and 94B represent the voltage of the optical multiplexer as a function of time.
As expected, smaller slits produce a narrower curve 94B, which is the minimum response with this device.

【0074】 図10Aから10Cは、10μm離れた2つのナノスリットを同時に通過する
蛍光ビーズと、yoyo−1で汚したT4DNAの賦課を示す。図10Aでは、
第1スリットを通過してから第2スリットを通過する2つの強度ピークを持つビ
ーズを示す。図10Bは、配送チャネルを通過する部分的に螺旋を解かれたDN
Aを示す。より広いピーク96Aと96Bは、DNA螺旋の幾何学的形状に起因
する。蛍光ビーズの通路は、DNA信号へ重ねてある。図10Cは、3つのスリ
ット36A、36B、および36Cを通って移動する大きく引伸ばされたDNA
を示す。参照のために再び蛍光ビーズの信号はDNA信号に重ねてある。より広
いピーク97A、97B、および97Cは、DNA螺旋の幾何学形状に起因する
ものである。
FIGS. 10A to 10C show the loading of fluorescent beads simultaneously passing through two nanoslits separated by 10 μm and the imposition of T4 DNA stained with yoyo-1. In FIG. 10A,
A bead with two intensity peaks passing through a first slit and then passing through a second slit is shown. FIG. 10B shows a partially unwound DN passing through a delivery channel.
A is shown. The broader peaks 96A and 96B are due to the geometry of the DNA helix. The path of the fluorescent beads is superimposed on the DNA signal. FIG. 10C shows greatly stretched DNA traveling through three slits 36A, 36B, and 36C.
Is shown. Again, the fluorescent bead signal is superimposed on the DNA signal for reference. The broader peaks 97A, 97B, and 97C are due to the DNA helix geometry.

【0075】 図11は、導波管160を持つ石英ウェーハの、導波管中心軸での断面図であ
る。導波管160は、石英ウェーハ150上に作成された矩形断面を持つ2つの
導波管166Aと166Bを含む。矩形導波管166Aと166Bは、異なる屈
折率を持つ2種類の誘電材料を用いた矩形の誘電導波管であってもよく、周囲の
誘電材料の屈折率(n1)より大きな屈折率(n2)を持つコア材料に光を閉じ
込める(n2>n1)。代替として、矩形導波管166Aと166Bは、金属材
料によって囲まれている、誘電コア材料を用いる矩形ミラー導波管であってもよ
く、または2種類の導波管の組み合わせによって形成される導波管166Aと1
66Bであってもよい。
FIG. 11 is a cross-sectional view of the quartz wafer having the waveguide 160 taken along the center axis of the waveguide. The waveguide 160 includes two waveguides 166A and 166B having a rectangular cross section made on a quartz wafer 150. The rectangular waveguides 166A and 166B may be rectangular dielectric waveguides using two types of dielectric materials having different refractive indexes, and have a refractive index (n2) larger than the refractive index (n1) of the surrounding dielectric material. ) Is confined to the core material having () (n2> n1). Alternatively, rectangular waveguides 166A and 166B may be rectangular mirror waveguides using a dielectric core material, surrounded by a metal material, or a waveguide formed by a combination of two waveguides. Wave tubes 166A and 1
66B.

【0076】 矩形誘電導波管は、理想的には、入射角θ1>θcで光の伝播の完全な内部反
射を達成する。完全な内部反射を用いて導入光を閉じ込めるために、相互作用ス
テーション40は、先端角度が非常に小さい三角形の導波管を使用する。矩形ミ
ラー導波管は、金属ミラーの品質によっては高い損失を示すのが普通である。矩
形ミラー導波管は、導波管の高さ(h)の2倍に等しい波長(λ)までの光を伝
える(λ=2・h)。従って、これらの導波管は、ポリマー試験に使う選択波長
範囲の光の伝播のために設計された高さを持つ。更に詳細には、"Fundamentals
of Photonics" by Bahaa E.A. Saleh and Malvin Carl Teich, John Wily & Son
s, 1991 を参照。
A rectangular dielectric waveguide ideally achieves complete internal reflection of light propagation at angles of incidence θ1> θc. In order to confine the incoming light with perfect internal reflection, the interaction station 40 uses a triangular waveguide with a very small tip angle. Rectangular mirror waveguides typically exhibit high losses depending on the quality of the metal mirror. A rectangular mirror waveguide transmits light up to a wavelength (λ) equal to twice the height (h) of the waveguide (λ = 2 · h). Thus, these waveguides have heights designed for propagation of light in the selected wavelength range used for polymer testing. For more information, see "Fundamentals
of Photonics "by Bahaa EA Saleh and Malvin Carl Teich, John Wily & Son
s, 1991.

【0077】 図11Aの斜視図で示すように、導波管166Aと166Bは、ナノチャネル
171を画成するターゲット軸に沿って整列したそれぞれのチップ部170Aと
170Bを伴って、対称に配置される(図11B)。ナノチャネル171の幅は
、2nmから100nmの範囲であり、5nmから50nmの範囲にあるのが好
ましい。(図2と3に示す)金線198Aと198Bは、ナノチャネル171か
ら約3乃至25mm離れている。代替として、図11Cに示すように、2つの導
波管編成は、100nmから1μmの範囲の幅広いチャネルを形成する対向電極
を持つ単一導波管によって置き換えてもよい。
As shown in the perspective view of FIG. 11A, waveguides 166 A and 166 B are symmetrically arranged with respective tip portions 170 A and 170 B aligned along a target axis defining nanochannel 171. (FIG. 11B). The width of the nanochannel 171 ranges from 2 nm to 100 nm, preferably from 5 nm to 50 nm. Gold wires 198A and 198B (shown in FIGS. 2 and 3) are approximately 3 to 25 mm from nanochannel 171. Alternatively, as shown in FIG. 11C, the two waveguide arrangements may be replaced by a single waveguide with counter electrodes forming a wide channel ranging from 100 nm to 1 μm.

【0078】 図11と図11Aに示す三角形導波管166Aと166Bは、幅約10μm、
長さ5000μmで、高さ1μm超であり、SiO2でできている。導波管16
6Aと166Bは、それぞれ金属層164Aと164Bによって基板162から
分離され、金属層174Aと174Bによってカバーガラス152から分離され
ている。(代替として、導波管166Aについての金属層164Aと174A、
あるいは導波管166Bの金属層164Bと174Bは、低反射指数の誘電体層
によって置換えてもよい)。導入された平面波176は、入力面168Aで三角
形導波管166Aへ連結され、導波管チップ部170Aへ向けて送られるよう導
波管側面172Aと173Aで内部反射される。導波管チップ部170Aは、ナ
ノチャネル171へエバネセント放射の波(図11Bに示す)を放射する。ナノ
チャネル171では、エバネセント放射は、ポリマー39の個々のユニットと相
互作用して、特性信号を伴う放射を生成する。例えば、エバネセント放射は、ポ
リマー39の特定ユニットに次いで配置される蛍光伝達子と相互作用する。三角
形導波管166Bは、ナノチャネル171からの(例えば、蛍光放射の)特性信
号を含む放射を集め、この放射を結合領域168Bへ向けて送る。収集された放
射が導波管166B内部に伝播するとき、放射は三角形の側面173Aと173
Bで完全に内部反射する。放射188を提供する出力面168Bは、光学的に光
検出器46(図1)へ結合される。更に、ナノチャネル171からの放射は、カ
バーガラス152を貫通し方向189へも放射される。ナノチャネル171の上
方数mmから数cmのところにあるもう一つの外部光検出器は、図12に示すよ
うに、ファーフィールド放射189を検出する。
The triangular waveguides 166A and 166B shown in FIGS. 11 and 11A have a width of about 10 μm,
It has a length of 5000 μm, a height of more than 1 μm and is made of SiO 2. Waveguide 16
6A and 166B are separated from substrate 162 by metal layers 164A and 164B, respectively, and from cover glass 152 by metal layers 174A and 174B. (Alternatively, metal layers 164A and 174A for waveguide 166A,
Alternatively, the metal layers 164B and 174B of the waveguide 166B may be replaced by a low reflection index dielectric layer). The introduced plane wave 176 is coupled to the triangular waveguide 166A at the input surface 168A and is internally reflected at the waveguide side surfaces 172A and 173A to be directed toward the waveguide tip 170A. The waveguide chip 170A emits a wave of evanescent radiation (shown in FIG. 11B) to the nanochannel 171. In the nanochannel 171, evanescent radiation interacts with individual units of the polymer 39 to produce radiation with a characteristic signal. For example, the evanescent radiation interacts with a fluorescent transmitter located next to a particular unit of polymer 39. Triangular waveguide 166B collects radiation, including characteristic signals (eg, of fluorescent radiation), from nanochannel 171 and directs this radiation toward coupling region 168B. When the collected radiation propagates inside the waveguide 166B, the radiation is transmitted to the triangular sides 173A and 173A.
B completely reflects internally. Output surface 168B, which provides radiation 188, is optically coupled to photodetector 46 (FIG. 1). Further, radiation from the nanochannel 171 penetrates the cover glass 152 and is also radiated in the direction 189. Another external photodetector several millimeters to several centimeters above nanochannel 171 detects far-field radiation 189, as shown in FIG.

【0079】 図11Bは、各側面が金属層で取り囲まれた2つの三角形導波管166Aと1
66Bの断面図であり、クロスハッチを施したパターンは、導波管側面172A
、172B、173Aと173Bを表す。しかし、金属層は、三角導波管166
Aと166Bのチップ部170Aと170Bの頂点を完全には覆っていない。チ
ップ部170Aと170Bの金属層は、以下説明するように、ナノチャネル17
1を作るために使用されるエッチングか、切削加工プロセスで除去されてもよい
。導波管166Aは、導入された光ビーム176を、SiO2容積部内に全ての
波を実質的に閉じ込めて、チップ部170Aへ運ぶ。導波管166Aは、チップ
部170Aで誘電体導波管においてq−1で減衰するエバネセント波177を放
射する。ここで、 q=n1,2ω/c[(sinθ1/sinθc)2−1]1/2
(例えば、"Optical Waves in Layered Media" by P.Yeh, John Wiley & Sons,
1988 を参照)。このように、エバネセント波は、完全内部反射(θ1>θc)
のため僅か1波長か2波長の距離を越えると減衰する。エバネセント放射177
の波は、ナノチャネル171を通ってポリマー39のユニットと相互作用する。
例えば、エバネセント波177は、ポリマー39の選択ユニットへ選択的に取り
付けられた蛍光伝達子と相互作用する。蛍光伝達子178は、全方向に拡散する
蛍光放射179を放射する。蛍光放射179は、導波管166Bによって収集さ
れ検出器46(図1)へ運ばれる。
FIG. 11B shows two triangular waveguides 166 A and 1, each side surrounded by a metal layer.
FIG. 66B is a cross-sectional view of FIG.
, 172B, 173A and 173B. However, the metal layer does not
The vertices of the tip portions 170A and 170B of A and 166B are not completely covered. As described below, the metal layers of the tip portions 170A and 170B
1 or may be removed in a cutting process. The waveguide 166A carries the introduced light beam 176 to the tip 170A, substantially confining all waves within the SiO2 volume. The waveguide 166A emits an evanescent wave 177 attenuated by q-1 in the dielectric waveguide at the tip 170A. Here, q = n1, 2ω / c [(sinθ1 / sinθc) 2-1] 1/2
(Eg "Optical Waves in Layered Media" by P.Yeh, John Wiley & Sons,
1988). Thus, the evanescent wave is completely internally reflected (θ1> θc)
Therefore, it is attenuated beyond a distance of only one or two wavelengths. Evanescent radiation 177
Waves interact with the units of polymer 39 through nanochannels 171.
For example, the evanescent wave 177 interacts with a fluorescent transmitter selectively attached to a selection unit of the polymer 39. The fluorescent mediator 178 emits fluorescent radiation 179 that diffuses in all directions. Fluorescent emission 179 is collected by waveguide 166B and delivered to detector 46 (FIG. 1).

【0080】 図11Cは、単一の三角形導波管166と金属電極185を用いる他の実施の
形態の断面図である。導波管166と金属電極185の間に形成されるチャネル
171Aは、約0.5μmで、ナノチャネル171より著しく大きい。三角形導
波管166は、金属層によって全ての側面を取り囲まれ、導波管166Aや16
6Bと同様に製作される。ここでクロスハッチングパターンは導波管側面172
と173上の金属層を示す。導波管166Aの場合と同様に、チップ部170は
、僅か1波長か2波長の距離を超えると減衰するエバネセント波177を放射す
る。従って、ポリマー39は、エバネセント波177で蛍光伝達子178を照射
するよう電極185よりもチップ部170近くへ引き寄せられなければならない
FIG. 11C is a cross-sectional view of another embodiment using a single triangular waveguide 166 and metal electrode 185. The channel 171A formed between the waveguide 166 and the metal electrode 185 is about 0.5 μm, which is significantly larger than the nanochannel 171. The triangular waveguide 166 is surrounded on all sides by a metal layer, and the waveguides 166A and 16
It is manufactured in the same manner as 6B. Here, the cross hatching pattern is the waveguide side surface 172.
And 173 shows the metal layer above. As with the waveguide 166A, the tip 170 emits an evanescent wave 177 that attenuates over a distance of only one or two wavelengths. Therefore, the polymer 39 must be drawn closer to the tip 170 than the electrode 185 to illuminate the fluorescent transmitter 178 with an evanescent wave 177.

【0081】 ポリマー39は、電極185と導波管166、すなわち金属層164と174
へAC電界を印加し、更に線98Aと98Bを横断して印加されるDC電界によ
って生成される誘電力を用いて、チップ部170に近づくように引き付けられる
。DC電界に関係して容量的に印加されるAC電界は、図4Aに関して先に説明
したように、ナノチャネル171内に一様でない電界を生成する。
The polymer 39 comprises an electrode 185 and a waveguide 166, ie, metal layers 164 and 174.
An AC electric field is applied to the tip 170 and is attracted closer to the tip 170 using the dielectric force generated by the DC electric field applied across the lines 98A and 98B. The AC electric field applied capacitively in relation to the DC electric field creates a non-uniform electric field in the nanochannel 171 as described above with respect to FIG. 4A.

【0082】 図12は、ナノチャネル171から放射されるニアフィールドおよびファーフ
ィールド放射を検出するための光学システム100を示す。光源44は、189
Bを通じて図13との関連で説明した技法を用いて、導波管166Aの入力側面
168Aに焦点を結ぶ光ビーム76を放射する。エバネセント波176の、ポリ
マー39との相互作用後、ニアフィールド放射は、導波管166Bによって収集
され、出力側面168Bから出て光検出器46へ光学的に結合される。方向89
に放射されるファーフィールド101は、レンズ102によって収集され、同調
可能なフィルタ104によってフィルタリングされ、PMT検出器106へ提供
される。LEDやレーザーダイオードのような光源44は、石英ウェーハ150
上に組み込まれてもよい。この編成は、入力側168Aに整列させなければなら
ないような外部光源を必要としないであろう。光源は、直接バンドギャップ材料
、例えばUV放射を生成するGaNや、緑色波長の放射を生成するGap:Nを
用いて作られる。
FIG. 12 shows an optical system 100 for detecting near-field and far-field radiation emitted from a nanochannel 171. The light source 44 has 189
B emits a light beam 76 that focuses on the input side 168A of the waveguide 166A using the technique described in connection with FIG. After the interaction of the evanescent wave 176 with the polymer 39, the near-field radiation is collected by the waveguide 166B and optically coupled out of the output side 168B to the photodetector 46. Direction 89
Is collected by a lens 102, filtered by a tunable filter 104, and provided to a PMT detector 106. The light source 44, such as an LED or a laser diode,
It may be incorporated above. This organization would not require an external light source that would have to be aligned with the input side 168A. The light source is made using a direct bandgap material, such as GaN, which produces UV radiation, or Gap: N, which produces green wavelength radiation.

【0083】 石英ウェーハ150は、検出とフィルタリングのための外部装置を不要とする
べく一体化光学検出器46を含んでもよい。励起波長をフィルタ出力するための
insitu フィルタをともに有する集積化されたアバランシェフォトダイオードや
PINフォトダイオードは、光ビーム188を受ける。様々な集積光素子は、"I
ntegrated Optoelectronics - Waveguide Optics, Photonics, Semiconductors"
by Karl Joachim Ebeling, Springer-Verlag, 1992. に記載されている。例え
ば、波形導波管は、狭い周波数帯域内の光が後方に反射されて、結果的にフィル
タ動作をするように、反対方向カプラとして用いられる。もうひとつのフィルタ
が、近似関係にある異なる拡散を持つ2つの導波管を用いて作られる。一方の導
波管からの光は、屈折率が一致する波長については他の導波管へ結合されよう。
導波管に電圧を印加することによって拡散曲線は移動し、その結果フィルタのス
ペクトルが変化して、同調可能なフィルタを提供する。
The quartz wafer 150 may include an integrated optical detector 46 to eliminate the need for external devices for detection and filtering. To filter out the excitation wavelength
An integrated avalanche photodiode or PIN photodiode with both in-situ filters receives the light beam 188. Various integrated optical devices are called "I
ntegrated Optoelectronics-Waveguide Optics, Photonics, Semiconductors "
by Karl Joachim Ebeling, Springer-Verlag, 1992. For example, corrugated waveguides are used as opposite couplers so that light within a narrow frequency band is reflected back, resulting in filtering. Another filter is made using two waveguides with different diffusions that are in an approximate relationship. Light from one waveguide will be coupled into the other waveguide for wavelengths with matching refractive indices.
By applying a voltage to the waveguide, the diffusion curve shifts, resulting in a change in the spectrum of the filter, providing a tunable filter.

【0084】 別の実施の形態では、光学システム110は、超高速高感度の、先に説明した
単一蛍光伝達子からの蛍光を検出することができるスペクトロフォトメータであ
る。
In another embodiment, the optical system 110 is an ultrafast and sensitive spectrophotometer capable of detecting fluorescence from the single fluorescence transmitter described above.

【0085】 別の実施の形態では、光学システム120は、先に説明したような、周波数が
10MHzから1GHzの範囲の変調された放射を利用する。
In another embodiment, optical system 120 utilizes modulated radiation having a frequency in the range of 10 MHz to 1 GHz, as described above.

【0086】 図13から図13Bは、外部光源からの光を導波管へ結合させる様々な形式を
示す。図13においては、光源42が、光ビーム176を放射し、光ビームは、
フォーカシングレンズ180を用いて、三角形導波管166Aの入力側168A
上に焦点を結ぶ。代替として、図13Aを参照すると、プリズム182が用いら
れて、光ビーム176を三角形導波管166Aへ結合する。光ビーム176は、
プリズム182によって回折され、完全内部反射の内側に押し込まれる。プリズ
ム182は、SiO2容積部166Aの表面上に配置され、層184を横切るビ
ーム176を導波管66Aへ光学的に結合するよう編成される。図13Bを参照
すると、代替として回折格子186が用いられ、光ビーム176を三角形導波管
166Aへ結合する。格子186は、光ビーム176をチップ部170Aへ向け
て回折するよう導波管166A上に製作される。代替として、光ファイバーは、
光ビーム176を三角形導波管166Aへ結合する。光を導波管へ結合する様々
な方法が、Fundamentals of Optics, by Clifford R. Pollok, Richard D. Irwi
n, Inc., 1995 に記載されている。
FIGS. 13 to 13B show various forms of coupling light from an external light source into a waveguide. In FIG. 13, the light source 42 emits a light beam 176, which is
Using the focusing lens 180, the input side 168A of the triangular waveguide 166A is
Focus on the top. Alternatively, referring to FIG. 13A, a prism 182 is used to couple the light beam 176 into the triangular waveguide 166A. The light beam 176 is
Diffracted by the prism 182 and pushed inside the total internal reflection. Prism 182 is disposed on the surface of SiO2 volume 166A and is organized to optically couple beam 176 across layer 184 to waveguide 66A. Referring to FIG. 13B, a diffraction grating 186 is alternatively used to couple the light beam 176 into the triangular waveguide 166A. Grating 186 is fabricated on waveguide 166A to diffract light beam 176 toward tip 170A. Alternatively, fiber optics
Light beam 176 is coupled into triangular waveguide 166A. Various methods of coupling light into waveguides are described in Fundamentals of Optics, by Clifford R. Pollok, Richard D. Irwi
n, Inc., 1995.

【0087】 導波管166Aと166Bは、基板152に電流が流れるのを防ぐよう石英か
他の絶縁材上に製作される。ナノチャネル領域(すなわち、10nmの分解能)
で必要とする高分解能を達成するため、作成プロセスは、UVリソグラフィ単独
か、ディープUVリソグラフィとの組み合せ、eビームリソグラフィ、またはX
線リソグラフィを用いる。連続導波管では、先ず標準UVリソグラフィを用いて
画成され、次いでナノチャネル(または、図11Cの関連で説明したマイクロチ
ャネル171A)が、単独のeビームかX線リソグラフィステップで画成される
。チップ部170Aと170Bでの放射スリットを含む実施の形態の導波管では
、スリット(または孔)は、導波管166Aと166Bのまさにチップ部170
Aと170Bのところで、フォトレジストの凸曲面形(すなわちアンダーカット
)を作り出し、また金属を蒸着する前に、側面172A、173A、172B,
および173Bで、フォトレジストの凸曲面形を作り出して製作される。こうし
て、凸曲面の側面は蒸着金属によって覆われるであろうが、凸曲面のチップ部は
覆われない。代替として、小さなチップ部(小さな孔)は、先ず非常に薄い壁を
作り出し、次いで、壁全体にわたって小さなスリットを持つ金属膜を作り出すよ
うリフトオフするか、エッチングを用いて作成される。eビームリソグラフィを
用いる場合には、当該技術で知られているように、レジストの厚さを薄く保ち、
分解能を高く保つよう金属の硬いマスクが用いられる。
The waveguides 166 A and 166 B are fabricated on quartz or other insulating material to prevent current from flowing through the substrate 152. Nanochannel region (ie, 10 nm resolution)
In order to achieve the high resolution required by, the fabrication process can be either UV lithography alone or in combination with deep UV lithography, e-beam lithography, or X-ray lithography.
Line lithography is used. In a continuous waveguide, the nano-channels (or micro-channels 171A described in connection with FIG. 11C) are first defined using standard UV lithography and then defined in a single e-beam or X-ray lithography step. . In an embodiment waveguide that includes radiation slits at tips 170A and 170B, the slits (or holes) are formed at the very tip 170 of waveguides 166A and 166B.
At A and 170B, create a convex curved shape (i.e., undercut) of the photoresist and before depositing the metal, the sides 172A, 173A, 172B,
And at 173B, creating a convex curved shape of photoresist. Thus, the sides of the convex surface will be covered by the deposited metal, but the tips of the convex surface will not be covered. Alternatively, the small tips (small holes) are created by first creating a very thin wall and then lifting off or etching to create a metal film with small slits over the entire wall. When using e-beam lithography, as is known in the art, keep the thickness of the resist thin,
A hard mask made of metal is used to keep the resolution high.

【0088】 導波管166Aと166Bの中心線に沿う側面図である図14Aから図14K
を参照すると、次のように作成される。すなわち、ウェーハへのレジストの接着
性を改良するために、ウェーハは、ヘキサメチルジシロキサン(HMDS)中で
34分間前処理する(図14A)。次いで、厚さ1.3μmのレジストを得るよ
うフォトレジストShipley 1830 が、4000rpmで、60秒間ウェーハ上に
スピン塗布され、そしてウェーハは、レジストを硬化するよう115℃のホット
プレート上で60秒間焼成する(図14B)。フォトレジストは、5xg−ライ
ンステッパのような高分解能マスクアライナ中で露光され、加圧されたNH3オ
ーブン中で焼成する。これはフォトレジストのポジティブトーンを反転し、後続
のリフトオフプロセスのために必要な、後方に傾斜した形状を提供する(すなわ
ち、図14Cに示すアンダーカット)。ウェーハは、HTG/コンタクトアライ
ナ中で405nm光により1分間フラッド露光されてから、Microposit 321で1
分間現像される。図14Dを参照すると、1000Åのアルミニウム層が堆積さ
れ、Microposit 1165レジスト除去装置か室温のアセトンを用いて、リフトオフ
が実施される(図14E)。余分なレジストはすべて、Branson Barrel エッチ
ャ中で、0.6TorrO2、RF出力150Wで、レジストスカム除去プロセ
スで除去される。
FIGS. 14A to 14K are side views along the center line of the waveguides 166A and 166B.
Is created as follows. That is, the wafer is pre-treated in hexamethyldisiloxane (HMDS) for 34 minutes to improve the adhesion of the resist to the wafer (FIG. 14A). A photoresist Shipley 1830 is then spun on the wafer at 4000 rpm for 60 seconds to obtain a 1.3 μm thick resist, and the wafer is baked for 60 seconds on a 115 ° C. hot plate to cure the resist. (FIG. 14B). The photoresist is exposed in a high resolution mask aligner such as a 5xg-line stepper and baked in a pressurized NH3 oven. This inverts the positive tone of the photoresist and provides the backward-sloping shape required for the subsequent lift-off process (ie, the undercut shown in FIG. 14C). Wafers were flood exposed for 1 minute with 405 nm light in an HTG / contact aligner before
Develop for minutes. Referring to FIG. 14D, a 1000 ° aluminum layer is deposited and lift-off is performed using a Microposit 1165 resist remover or room temperature acetone (FIG. 14E). All excess resist is removed in a Branson Barrel etcher at 0.6 Torr O2, RF output 150 W using a resist scum removal process.

【0089】 図14Fから14Kを参照して、SiO2導波管は以下のように作り出される
:1μmのSiO2が、プラズマ強化化学的気相成長(PECVD)により、T
=240℃、450mTorr、RF出力50Wで、15sccmシラン、50
sccmN2Oを使用して堆積される。SiO2層は、図14Gに示すように、
ケミカルメカニカル研磨(CMP)によって平坦化される。上部金属マスクは、
厚さ1.3μmのレジストを得るようフォトレジストShipley 1830 を、400
0rpmで、60秒間ウェーハ上にスピン塗布して画成され、115℃のホット
プレート上で60秒間焼成する。レジストは、5xg−ラインステッパのような
高分解能マスクアライナ内で露光され、加圧されたNH3オーブン中で焼成する
。これはフォトレジストのポジティブトーンを反転し、図14Iに示すように、
後続のリフトオフプロセスのために必要な、後方に傾斜した形状(すなわち、ア
ンダーカット)を提供する。レジストは、HTG/コンタクトアライナ中で40
5nm光により1分間フラッド露光されてから Microposit 321で1分間現像さ
れる。図14Jに示すように、1000ÅのAl金属層が堆積される。余分な金
属は、Microposit 1165レジスト除去装置か室温のアセトンを用いて、リフトオ
フにより除去される。
Referring to FIGS. 14F to 14K, a SiO 2 waveguide is created as follows: 1 μm SiO 2 is deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) to form T
= 240 ° C., 450 mTorr, RF power 50 W, 15 sccm silane, 50
Deposited using sccmN2O. The SiO2 layer, as shown in FIG.
It is flattened by chemical mechanical polishing (CMP). The upper metal mask is
Photoresist Shipley 1830 was added to 400 μm to obtain a 1.3 μm thick resist.
Spin at 0 rpm for 60 seconds on the wafer to define and bake on a 115 ° C. hot plate for 60 seconds. The resist is exposed in a high resolution mask aligner such as a 5xg-line stepper and baked in a pressurized NH3 oven. This inverts the positive tone of the photoresist, as shown in FIG.
Provide the rearwardly inclined shape (ie, undercut) required for the subsequent lift-off process. The resist is 40 in the HTG / contact aligner.
Flood exposure for 1 minute with 5 nm light, then develop on Microposit 321 for 1 minute. As shown in FIG. 14J, a 1000 ° Al metal layer is deposited. Excess metal is removed by lift-off using a Microposit 1165 resist remover or acetone at room temperature.

【0090】 図15Aから図15Gは、中心線に沿った側面図であり、図16Aから図16
Gは、中心線に垂直な側面図である。PMMAレジスト496Kが、厚さ200
nmのレジストを得るよう2500rpmでウェーハ上にスピン塗布され、レジ
ストを硬化させるため180℃のホットプレート上で60分間焼成する。PMM
Aは、ナノチャネル領域でのパターンを作り出すようeビームシステムで露光さ
れる。露光されたPMMAレジストは、3:1のIPA:MIBK中で1分間現
像され、1000ÅのAl金属層が図15Cに示すように堆積される。余分な金
属のリフトオフを室温のアセトンで実行した後、活性イオンエッチング(RIE
)を用いるPlasma Therm 72 エッチャ中で、CHF3(50sccm)+O2(
2sccm)、RF出力200W、40mTorrの条件で、図10Bに示す1
μm超の壁を作り出すよう導波管はエッチングされるが、マイクロチャネルパタ
ーンは無い。底部金属は、16:H2PO4;1:HNO3;1:酢酸;2:水
;過湿剤、の溶液中でウェットエッチされるか、またはCl中でドライエッチさ
れる。余分なレジストは、Bransonバレル酸素プラズマエッチャ中でRF出力1
000W、15分、で除去される。アルミニウムは、16:H2PO4;1:H
NO3;1:酢酸;2:水;過湿剤のウェットエッチ中で除去される。
FIGS. 15A to 15G are side views along the center line, and FIGS.
G is a side view perpendicular to the center line. PMMA resist 496K has a thickness of 200
Spin coated on the wafer at 2500 rpm to obtain nm resist and baked on a 180 ° C hot plate for 60 minutes to harden the resist. PMM
A is exposed with an e-beam system to create a pattern in the nanochannel region. The exposed PMMA resist is developed in 3: 1 IPA: MIBK for 1 minute and a 1000 ° Al metal layer is deposited as shown in FIG. 15C. After performing extra metal lift-off with acetone at room temperature, active ion etching (RIE)
In a Plasma Therm 72 etcher using CHF3 (50 sccm) + O2 (
2 sccm), RF output 200 W, 40 mTorr under the conditions shown in FIG.
The waveguide is etched to create a wall larger than μm, but without a microchannel pattern. The bottom metal is wet etched in a solution of 16: H2PO4; 1: HNO3; 1: acetic acid; 2: water; humectant, or dry etched in Cl. Excess resist was applied at RF output 1 in a Branson barrel oxygen plasma etcher.
Removed at 000 W for 15 minutes. Aluminum is 16: H2PO4; 1: H
NO3; 1: acetic acid; 2: water; removed in a wet etch of the humectant.

【0091】 導波管全体にわたる上部Al層の堆積は、図15Eから15Gと、図16Dか
ら16Gに示される。図15と16Dを参照して、厚さ1.3μmのレジストを
得るようフォトレジストShipley1830 がウェーハ上に4000rpmで60秒間
スピン塗布され、レジストを硬化させるために115℃のホットプレート上で6
0秒間焼成する。レジストは、5xg−ラインステッパのような高分解能マスク
アライナ中で露光され、加圧されたNH3オーブン中で焼成する。これはフォト
レジストのポジティブトーンを反転し、後続のリフトオフプロセスのために必要
な、後方に傾斜した形状(すなわち、アンダーカット)を提供する。レジストは
、HTG/コンタクトアライナ中で405nm光により1分間フラッド露光され
てから Microposit 321中で1分間現像される。図15Fと16Fに示すように
、1000ÅのAl層が堆積される。余分な金属は、Microposit 1165レジスト
除去装置か室温のアセトンを用いてリフトオフされる。
Deposition of the top Al layer over the waveguide is shown in FIGS. 15E to 15G and FIGS. 16D to 16G. Referring to FIGS. 15 and 16D, a photoresist Shipley 1830 was spun on the wafer at 4000 rpm for 60 seconds to obtain a 1.3 μm thick resist, and 6 seconds on a 115 ° C. hot plate to cure the resist.
Bake for 0 seconds. The resist is exposed in a high resolution mask aligner such as a 5xg-line stepper and baked in a pressurized NH3 oven. This inverts the positive tone of the photoresist and provides the backward-sloping feature (ie, undercut) required for the subsequent lift-off process. The resist is flood exposed for 1 minute with 405 nm light in an HTG / contact aligner and then developed for 1 minute in Microposit 321. As shown in FIGS. 15F and 16F, a 1000 ° Al layer is deposited. Excess metal is lifted off using Microposit 1165 resist stripper or room temperature acetone.

【0092】 金属層Crは、以下のように装置の上部に堆積される。最初にナノチャネル用
マスクがエッチングされ、次いで厚さ1.3μmのレジストを得るようShipley1
830 レジストがウェーハ上に、4000rpmで60秒間スピン塗布され、レジ
ストを硬化させるよう115℃のホットプレート上で60秒間焼成する。レジス
トは、5xg−ラインステッパのような高分解能マスクアライナ内で露光され、
加圧されたNH3オーブン中で焼成された。このプロセスはフォトレジストのポ
ジティブトーンを反転し、後続のリフトオフプロセスのために必要な、後方に傾
斜した形状(すなわち、アンダーカット)を提供する。レジストは、HTG/コ
ンタクトアライナ中で405nm光により1分間フラッド露光されてから Micro
posit 321中で1分間現像された。1000ÅのCr層が堆積され、余分な金属
のリフトオフが Microposit 1165レジスト除去装置か室温のアセトン中で実施さ
れた。PMMA 496Kレジストが、厚さ200nmのレジストを得るようウ
ェーハ上で2500rpmでスピン塗布され、レジストを硬化させるよう180
℃のホットプレート上で60分間焼成された。所望のパターンを画成するようe
ビームシステムで露光され、ウェーハは、IPA:MIBKが3:1で1分間現
像された。次いで、1000ÅのCr層が堆積され、余分な金属のリフトオフが
、Microposit 1165レジスト除去装置か室温のアセトン中で実施された。
The metal layer Cr is deposited on the top of the device as follows. First, the mask for the nanochannel is etched, and then Shipley 1 is used to obtain a 1.3 μm thick resist.
830 resist is spin coated on the wafer at 4000 rpm for 60 seconds and baked on a hot plate at 115 ° C. for 60 seconds to cure the resist. The resist is exposed in a high resolution mask aligner, such as a 5xg-line stepper,
Fired in a pressurized NH3 oven. This process reverses the positive tone of the photoresist and provides the back-slope feature (ie, undercut) required for the subsequent lift-off process. The resist was flood exposed for 1 minute with 405 nm light in an HTG / contact aligner before Micro
Developed in posit 321 for 1 minute. A 1000 ° Cr layer was deposited and excess metal lift-off was performed in a Microposit 1165 resist remover or acetone at room temperature. PMMA 496K resist is spin-coated on the wafer at 2500 rpm to obtain a 200 nm thick resist and 180 to cure the resist.
It was baked on a hot plate at 60 ° C for 60 minutes. E to define the desired pattern
Exposed with the beam system, the wafer was developed with IPA: MIBK 3: 1 for 1 minute. A 1000 ° Cr layer was then deposited and excess metal lift-off was performed in a Microposit 1165 resist remover or acetone at room temperature.

【0093】 ナノチャネル171は、Clベースドライエッチ中で、Crをエッチマスクと
して第一金属層(すなわちAl層)をエッチングして作り出された。次いで、S
iO2が、活性イオンエッチング(RIE)を用いるPlasma Therm 72中で、C
HF3(50sccm)+O2(2sccm)、RF出力200W、40mTo
rrの条件で、1μm超の壁を作り出すようエッチングされた。底部金属層は、
Clベースドライエッチでエッチングされ、残ったCrは、ウェットエッチで除
去された。代替として、ナノチャネル171は、チップ部の間隙と開口を画成す
るよう結像イオンビームシリング加工により作成してもよい。DNA配列決定の
ために個々の分子は、引用によって本明細書に組み込まれた1998年2月11
日出願のPCT出願PCT/US第98/03024号に記載されているように
、選択的に標識付けされてもよい。配列決定は、蛍光でタグ付けされたテスト配
列のオリゴヌクレオチドを持つハイブリッド形成されている一本鎖DNA(ss
DNA)の組み合わせを用いてなされる。ハイブリッド形成が起きるとき、タグ
付けされた配列は、まさにDNA分子上の固定位置にある。プロセスは3つのタ
グを使用でき、「開始」と「終了」のタグは、ssDNAの始めと終りに3′と
5′の合図を送り、タグ付けされたオリゴを用いて配列決定する。オリゴヌクレ
オチド配列スペクトルを用いて、これらのタグ付けされた分子の大きな個体をマ
イクロチャネルを通過するときに観察することによって、そしてオリゴヌクレオ
チド標識の位置を記録することによって、本システムは、過去に例がない速度と
精確さ、そして低濃度分子のレベルで、分子配列を獲得する。
The nanochannel 171 was created by etching the first metal layer (ie, Al layer) in a Cl-based dry etch using Cr as an etch mask. Then, S
iO2 was added to Plasma C in Plasma Therm 72 using active ion etching (RIE).
HF3 (50sccm) + O2 (2sccm), RF output 200W, 40mTo
Etching was performed under rr conditions to create walls greater than 1 μm. The bottom metal layer is
The remaining Cr was etched by a Cl-based dry etch and the remaining Cr was removed by a wet etch. Alternatively, the nanochannel 171 may be created by imaging ion beam shilling to define a gap and an opening in the tip. Individual molecules for DNA sequencing were published Feb. 11, 1998, incorporated herein by reference.
It may be selectively labeled, as described in PCT Application No. PCT / US98 / 03024, filed on the date of the Japanese Patent Application. Sequencing was performed using hybridized single-stranded DNA (sss) with fluorescently tagged test sequence oligonucleotides.
DNA). When hybridization occurs, the tagged sequence is in a fixed position on the DNA molecule. The process can use three tags, the "start" and "end" tags, which signal 3 'and 5' cues at the beginning and end of the ssDNA and sequence using the tagged oligo. By using oligonucleotide sequence spectra to observe large individuals of these tagged molecules as they pass through the microchannel, and by recording the location of the oligonucleotide labels, the system has been With no speed and accuracy, and at the level of low-concentration molecules, you will acquire molecular sequences.

【0094】 本発明の他の実施の形態を図17に示す。光学装置200は、共焦点蛍光照射
と検出を利用する。共焦点照射は、照射される光学的体積を(ピコリットルのオ
ーダーに)小さくできる。レーリーとラマン散乱はともに、小さな検査体積を用
いることで最小化される。光学装置200は、光源202、フィルタ204、ダ
イクロイックミラー206、対物レンズ208、狭帯域通過フィルタ210、ピ
ンホール212、レンズ214、および検出器216を含む。光源202は、フ
ィルタ204を通過するレーザービーム201を放射する1mWのアルゴンイオ
ンレーザーである。フィルタ204は、約514nmの波長の結像ビームを提供
するレーザーラインフィルタである。フィルタリングされたビーム205は、ダ
イクロイックミラー206によって反射され、対物レンズ208によってDNA
試料や他のポリマーの領域上で焦点を結ぶ。対物レンズ208は、100x 1
.2NAの油浸レンズである。
FIG. 17 shows another embodiment of the present invention. Optical device 200 utilizes confocal fluorescence illumination and detection. Confocal illumination can reduce the illuminated optical volume (on the order of picoliters). Rayleigh and Raman scattering are both minimized by using small test volumes. The optical device 200 includes a light source 202, a filter 204, a dichroic mirror 206, an objective lens 208, a narrow band pass filter 210, a pinhole 212, a lens 214, and a detector 216. The light source 202 is a 1 mW argon ion laser that emits a laser beam 201 passing through a filter 204. Filter 204 is a laser line filter that provides an imaging beam at a wavelength of about 514 nm. The filtered beam 205 is reflected by the dichroic mirror 206 and is
Focus on the sample or other polymer area. The objective lens 208 is 100 × 1
. 2NA oil immersion lens.

【0095】 DNA試料は、蛍光タグによってタグ付けされた一つかまたは幾つかのユニッ
トを持つ真直にされたDNA分子である。DNA上の蛍光タグは、Cy−3、テ
トラメチルロダミン、ロダミン6G、そしてアレクサ546を含む幾つかの染料
の一つであってよい。更に、TOTO−3(分子探触子)等の割り込み記号を用
いることができる。
A DNA sample is a straightened DNA molecule having one or several units tagged with a fluorescent tag. The fluorescent tag on the DNA may be one of several dyes, including Cy-3, tetramethylrhodamine, rhodamine 6G, and Alexa 546. Further, an interrupt symbol such as TOTO-3 (molecular probe) can be used.

【0096】 励起されたタグは、ダイクロイックミラー206、(例えば、Omega Optical
製の)狭帯域通過フィルタ210を通過する蛍光放射を提供し、100μmのピ
ンホール212上に焦点を結ぶ。蛍光の光213は、非球面レンズ214によっ
て、フォトン計数モードで動作する(例えば、カナダのEG&G製)アバランシ
ェフォトダイオードである検出器216上に焦点を結ばれる。フォトダイオード
からの出力信号は、(EG&G製)マルチチャネルスカラによって収集され、汎
用コンピュータによって分析される。
The excited tag is attached to the dichroic mirror 206 (eg, Omega Optical
Provide fluorescent emission passing through a narrow bandpass filter 210 (made of) and focus on a 100 μm pinhole 212. The fluorescent light 213 is focused by an aspheric lens 214 onto a detector 216 that is an avalanche photodiode (eg, manufactured by EG & G, Canada) operating in a photon counting mode. The output signal from the photodiode is collected by a multi-channel scalar (from EG & G) and analyzed by a general purpose computer.

【0097】 共焦点装置は、浮遊時間を含む定量的な用途に適切である。かかる用途は、D
NA上の距離測定、タグ付けされた配列の検出、およびDNAの引伸ばされた程
度の決定を含む。単一蛍光分子は、この装置を用いて検出されてもよい。代替と
して、映像装置は、顕微鏡に装着された強化CCD(ICCD、Prinston Instr
uments)を使用する。
[0097] Confocal devices are suitable for quantitative applications, including flotation time. Such applications include D
Includes distance measurements on NA, detection of tagged sequences, and determination of stretched degree of DNA. Single fluorescent molecules may be detected using this device. Alternatively, the imaging device may be an enhanced CCD (ICCD, Prinston Instr.
uments).

【0098】 図18は、光の放射によって相互作用する相互作用ステーション230に到達
する前に、ポリマーを整列させ、引き伸ばすためのアライメントステーション2
20の、現在のところ好ましい実施の形態を示す。アライメントステーション2
20は、(例えば、アルミニウム、金、銀の)金属層222で覆われてもよい石
英ウェーハ上に製作される。アライメントステーション220は、三角形マイク
ロチャネル224、微細柱228、および入口領域230を含み、すべて表面上
に作成される。入口領域230の、幅は約50μmで、微細柱領域228に通じ
ている。微細柱領域228は、幾つかのアライメント柱226を含む。アライメ
ント柱226は円形断面を持ち、直径が約1μmである。アライメント微細柱2
26は12列から15列で、約1.5μmの間隔で離れている。微細柱領域22
8は、約26.6°傾斜している。
FIG. 18 shows an alignment station 2 for aligning and stretching the polymer before reaching the interaction station 230 which interacts by light emission.
20 present 20 preferred embodiments. Alignment station 2
20 is fabricated on a quartz wafer that may be covered with a metal layer 222 (eg, aluminum, gold, silver). The alignment station 220 includes triangular microchannels 224, microposts 228, and entrance areas 230, all created on a surface. The entrance region 230 has a width of about 50 μm and communicates with the micro pillar region 228. The micro pillar region 228 includes several alignment pillars 226. The alignment column 226 has a circular cross section and a diameter of about 1 μm. Alignment micro pillar 2
Reference numeral 26 denotes 12 rows to 15 rows, which are separated at intervals of about 1.5 μm. Fine pillar region 22
8 is inclined about 26.6 °.

【0099】 微細柱226は、(例えば、DNAの)ポリマーユニットが光の放射と相互作
用する相互作用ステーションから、約100μmないし5,000μm(好まし
くは、約1,000μmから3,000μm)離れて配置される。マイクロチャ
ネル224は、ポリマーが微細柱226から解放された後、引き伸ばされたまま
の形を保つようx方向の剪断が一定に加えられる領域である。電界は、マイクロ
チャネル224を通って試験されるポリマーを引寄せる。
The microposts 226 are about 100 μm to 5,000 μm (preferably, about 1,000 μm to 3,000 μm) from the interaction station where the polymer units (eg, of DNA) interact with the light emission. Be placed. The microchannels 224 are areas where the polymer is released from the microposts 226 and where constant shear in the x-direction is applied to maintain their stretched shape. The electric field attracts the polymer to be tested through the microchannel 224.

【0100】 (例えばDNAの)ポリマーを一様に引き伸ばす非常に効果的な技法は、引き
伸ばされた形を維持し、ポリマーに残っている螺旋を真直にする一定剪断の部分
が、その後に続くテーパ付きマイクロチャネル224の内部に障害のある領域を
持つことである。好ましい実施の形態は、図18に示すような、異なる漏斗を持
つよう設計した2つの領域を持つ微細柱を組み合わせる構造である。圧力流は、
流体の全体の流れの挙動を予測できるので、駆動力として好ましい。
A very effective technique for uniformly stretching a polymer (eg, of DNA) is to maintain the stretched shape, and the portion of constant shear that straightens the helix remaining in the polymer is followed by a taper To have a faulty area inside the attached microchannel 224. The preferred embodiment is a structure combining micro pillars having two regions designed to have different funnels as shown in FIG. The pressure flow is
This is preferable as a driving force because the behavior of the entire flow of the fluid can be predicted.

【0101】 チャネルの距離に関する一定剪断のレート、または平均速度の変化は、Sで定
義され: u/x=S ここでxは実質的に矩形のチャネルより下の距離であり、uは平均流体速度であ
って全流量(Q)とチャネルの断面積(A)から算出される。
The rate of constant shear, or change in average velocity, with respect to the distance of the channel is defined by S: u / x = S where x is the distance below the substantially rectangular channel and u is the average fluid Velocity, calculated from total flow (Q) and channel cross-sectional area (A).

【0102】 u=Q/A チャネルの断面が矩形である一つの実施の形態では、チャネルは、一定高さHと
幅Wによって定義されるので、断面積はA=HWであり、平均流速は次式で与え
られる: u=Q/HW 流体の流れは連続でなければならないという境界条件を適用すると、Qは一定で
ある。よってuはWに反比例する。この関係をSの最初の式に 代入して剪断レートと幅の関係を決定すると: S=u/x=Q/H/x(1/W)=(-Q/HW2)(dW/dx) dW/dx=(-SH/Q)(W2) これを積分すると次式が得られる: W=(SHx/Q+C)-1 ここでCは、チャネルの元の幅によって決定される積分定数である(境界条件
)。このチャネル幅に関する式を使用して、柱構造を超えたチャネルを画成する
U = Q / A In one embodiment where the cross section of the channel is rectangular, the channel is defined by a constant height H and width W, so that the cross section is A = HW and the average flow velocity is It is given by: u = Q / HW Applying the boundary condition that fluid flow must be continuous, Q is constant. Therefore, u is inversely proportional to W. Substituting this relationship into the first equation of S to determine the relationship between shear rate and width: S = u / x = Q / H / x (1 / W) = (-Q / HW2) (dW / dx) dW / dx = (-SH / Q) (W2) Integrating this gives: W = (SHx / Q + C) -1 where C is the integration constant determined by the original width of the channel. (Boundary condition). This channel width equation is used to define the channel beyond the post structure.

【0103】 他の実施の形態は、以下の請求の範囲内にある。[0103] Other embodiments are within the following claims.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 図1は、ポリマーの特性を決定するシステムを図式で示す。FIG. 1 schematically illustrates a system for characterizing a polymer.

【図2】 図2は、図1のシステムで用いられるアライメントステーションと第1相互作
用ステーションを示す。
FIG. 2 shows an alignment station and a first interaction station used in the system of FIG.

【図3】 図3は、図2に示す、アライメントステーションと第1相互作用ステーション
の3−3断面図である。
FIG. 3 is a sectional view of the alignment station and the first interaction station shown in FIG. 2 taken along line 3-3.

【図4】 図4は、図2に示すアライメントステーションと第1相互作用ステーションの
一部の平面図である。
FIG. 4 is a plan view of a part of the alignment station and the first interaction station shown in FIG. 2;

【図4A】 図4Aは、図4に示す第1相互作用ステーションに配設されるナノスリットの
編成を示す。
FIG. 4A shows the organization of a nanoslit disposed at the first interaction station shown in FIG.

【図4B】 図4Bは、蛍光伝達子によって標識付けされたポリマーユニットの特性を決定
する光学システムを示す。
FIG. 4B shows an optical system for determining the properties of a polymer unit labeled with a fluorescent transmitter.

【図5】FIG. 5

【図5A】 図5と図5Aは、図1のシステムで用いられる第2相互作用ステーションを示
す。
5 and 5A show a second interaction station used in the system of FIG.

【図6】FIG. 6

【図6A】FIG. 6A

【図6B】FIG. 6B

【図6C】FIG. 6C

【図6D】FIG. 6D

【図6E】FIG. 6E

【図6F】FIG. 6F

【図6G】FIG. 6G

【図6H】FIG. 6H

【図6I】FIG. 6I

【図7】FIG. 7

【図7A】FIG. 7A

【図7B】 図6から図7Bは、図4に示すアライメントステーションと第1相互作用ステ
ーションの製作を示す。
FIGS. 6-7B illustrate the fabrication of the alignment station and the first interaction station shown in FIG.

【図8】 図8は、製作されたアライメントステーションと第1相互作用ステーションの
SEM顕微鏡写真である。
FIG. 8 is a SEM micrograph of the fabricated alignment station and the first interaction station.

【図9】FIG. 9

【図10A】FIG. 10A

【図10B】FIG. 10B

【図10C】 図9、図10A、図10B、および図10Cは、図8のアライメントステーシ
ョンと相互作用ステーションの試験測定の結果を示す。
FIGS. 9, 10A, 10B, and 10C show the results of test measurements of the alignment and interaction stations of FIG.

【図11】 図11は、第1相互作用ステーションの別の実施の形態に従う光導波管の中心
線での断面図である。
FIG. 11 is a cross-sectional view at the centerline of an optical waveguide according to another embodiment of the first interaction station.

【図11A】 図11Aは、図11に示す光導波管の斜視図である。FIG. 11A is a perspective view of the optical waveguide shown in FIG. 11;

【図11B】FIG. 11B

【図11C】 図11Bと図11Cは、リニア化されたポリマーと、光導波管から放射される
エバネセント放射との相互作用を示す。
FIGS. 11B and 11C show the interaction of a linearized polymer with evanescent radiation emanating from an optical waveguide.

【図12】 図12は、図11の光導波管で用いられるニアフィールドとファーフィールド
検出のための光学システムを示す。
FIG. 12 shows an optical system for near-field and far-field detection used in the optical waveguide of FIG.

【図13】FIG. 13

【図13A】FIG. 13A

【図13B】 図13、図13Aおよび図13Bは、図11の光導波管への電磁放射の結合を
示す。
FIGS. 13, 13A and 13B show the coupling of electromagnetic radiation to the optical waveguide of FIG.

【図14A】FIG. 14A

【図14B】FIG. 14B

【図14C】FIG. 14C

【図14D】FIG. 14D

【図14E】FIG. 14E

【図14F】FIG. 14F

【図14G】FIG. 14G

【図14H】FIG. 14H

【図14I】FIG. 14I

【図14J】FIG. 14J

【図14K】FIG. 14K

【図15A】FIG. 15A

【図15B】FIG. 15B

【図15C】FIG. 15C

【図15D】FIG. 15D

【図15E】FIG. 15E

【図15F】FIG. 15F

【図15G】FIG. 15G

【図16A】FIG. 16A

【図16B】FIG. 16B

【図16C】FIG. 16C

【図16D】FIG. 16D

【図16E】FIG. 16E

【図16F】FIG. 16F

【図16G】 図14Aから図16Gは、図11の光導波管の製作を示す。16A to 16G show the fabrication of the optical waveguide of FIG.

【図17】 図17は、ポリマーの線形分析のために共焦点蛍光照射と検出を利用する光学
装置の略図である。
FIG. 17 is a schematic diagram of an optical device that utilizes confocal fluorescence illumination and detection for linear analysis of a polymer.

【図18】 図18は、ポリマーのアライメントと引き延ばしのためのアライメントステー
ションの別の実施の形態の平面図である。
FIG. 18 is a plan view of another embodiment of an alignment station for polymer alignment and stretching.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G01N 33/50 G01N 33/58 A 33/58 37/00 101 37/00 101 102 102 27/02 Z // G01N 27/02 27/26 315Z 27/416 27/46 336Z (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,UG,ZW),E A(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ ,TM),AE,AL,AM,AT,AU,AZ,BA ,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CR, CU,CZ,DE,DK,DM,EE,ES,FI,G B,GD,GE,GH,GM,HR,HU,ID,IL ,IN,IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ, LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MD,M G,MK,MN,MW,MX,NO,NZ,PL,PT ,RO,RU,SD,SE,SG,SI,SK,SL, TJ,TM,TR,TT,UA,UG,US,UZ,V N,YU,ZA,ZW (72)発明者 ジョナス・オー.・テゲンフェルト アメリカ合衆国,ニュー ジャージー州 08540,プリンストン,オールデン レー ン 28 (72)発明者 ロバート・エイチ.・オースチン アメリカ合衆国,ニュー ジャージー州 08544,プリンストン,ハリス ロード 135 (72)発明者 ユージーン・ワイ.・チャン アメリカ合衆国,マサチューセッツ州 02108,ボストン,ビーバー プレイス 25,スイート 4 Fターム(参考) 2G042 AA01 BD12 BD18 BD20 CB03 DA08 FA11 FB05 FC07 HA07 2G043 AA03 BA16 CA09 DA05 EA01 FA01 FA06 GA02 GA03 GA04 GA06 GA07 GB01 GB12 GB19 JA02 JA03 KA01 KA02 KA03 KA07 KA09 LA02 LA03 2G045 AA35 DA12 DA13 DA14 FA12 FA15 FA25 FA27 FB05 FB07 FB12 GC15 2G060 AA05 AE40 AF06 KA05 4B063 QA13 QQ42 QR32 QR56 QS03 QS34 QS39 QX02 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification FI FI Theme coat ゛ (Reference) G01N 33/50 G01N 33/58 A 33/58 37/00 101 37/00 101 102 102 27/02 Z / / G01N 27/02 27/26 315Z 27/416 27/46 336Z (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW, SD, SL, SZ, UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AE, AL, AM, AT, AU, Z, BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU , ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MG, MK, MN, MW, MX, NO, (72) Invention NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZA, ZW Jonas Oh. -Tegenfeld, Alden Lane 28, Princeton, New Jersey 08540, USA (72) Robert H. Inventor. Austin, Harris Road, Princeton, New Jersey 08544, USA 135 (72) Inventor Eugene Wy.・ Chan United States, Massachusetts 02108, Boston, Beaver Place 25, Suite 4F Term (Reference) 2G042 AA01 BD12 BD18 BD20 CB03 DA08 FA11 FB05 FC07 HA07 2G043 AA03 BA16 CA09 DA05 EA01 FA01 FA06 GA02 GA03 GA04 GA06 GA07 GB01 GB12 GB19 JA03 JA03 KA01 KA02 KA03 KA07 KA09 LA02 LA03 2G045 AA35 DA12 DA13 DA14 FA12 FA15 FA25 FA27 FB05 FB07 FB12 GC15 2G060 AA05 AE40 AF06 KA05 4B063 QA13 QQ42 QR32 QR56 QS03 QS34 QS39 QX02

Claims (51)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 連鎖ユニットから成るポリマーを光学的に分析するシステムであって: 既知の波長の放射光を放射するよう構成される光源; 前記放射光を受け取り、前記放射光から局部放射スポットを生ずるよう構成さ
れる相互作用ステーションであって、前記ポリマーのユニットを順次受け取るよ
う構成され、前記局部放射スポットで前記ユニットを順次照射するよう編成され
る前記相互作用ステーション; 前記局部放射スポットで、前記ユニットの相互作用の結果得られる特性信号を
含む放射を検出するよう構成される光検出器; 前記特性信号を含む前記検出された放射に基づいて、前記ポリマーを分析する
よう構成され、編成されるプロセッサ; を備えるシステム。
1. A system for optically analyzing a polymer comprising a chain unit, comprising: a light source configured to emit radiation of a known wavelength; receiving the radiation and generating a local radiation spot from the radiation. An interaction station configured to occur, wherein the interaction station is configured to sequentially receive units of the polymer and is arranged to sequentially illuminate the units at the local radiation spot; A photodetector configured to detect radiation comprising a characteristic signal resulting from the interaction of the units; configured and arranged to analyze the polymer based on the detected radiation comprising the characteristic signal A system comprising: a processor;
【請求項2】 前記相互作用ステーションは、前記局部放射スポットで、前記特性信号を生ず
る放射光有感標識により選択的に標識付けされた前記ユニットを順次受け取るよ
う構成される、請求項1のシステム。
2. The system of claim 1, wherein the interaction station is configured to sequentially receive, at the local radiation spot, the units selectively labeled with a radiation sensitive label that produces the characteristic signal. .
【請求項3】 前記放射光有感標識が、蛍光伝達子を含む、請求項2のシステム。3. The system of claim 2, wherein said radiation sensitive label comprises a fluorescent transmitter. 【請求項4】 前記相互作用ステーションは、幅が1nmから500nmの範囲のスリットを
含み、前記スリットは前記局部放射スポットを生ずる、請求項1のシステム。
4. The system of claim 1, wherein said interaction station includes a slit having a width in the range of 1 nm to 500 nm, said slit producing said local radiation spot.
【請求項5】 前記相互作用ステーションは、マイクロチャネルと、前記局部放射スポットを
生成するよう編成されるサブミクロン幅のスリットとを含み、前記マイクロチャ
ネルは、前記局部放射スポットを通る前記ポリマーユニットを受け取って前進さ
せるよう構成される、請求項1のシステム。
5. The interaction station includes a microchannel and a sub-micron wide slit organized to create the local radiation spot, the microchannel communicating the polymer unit through the local radiation spot. The system of claim 1, configured to receive and advance.
【請求項6】 前記幅が、10nmから100nmの範囲にある、請求項1のシステム。6. The system of claim 1, wherein said width is in a range from 10 nm to 100 nm. 【請求項7】 更に偏光子を含み、そして前記光源が前記放射光のビームを放射するよう構成
されるレーザーを含み、前記偏光子は、前記ビームを前記スリットに到着する前
に偏光するよう編成される、請求項5のシステム。
7. The light source further includes a polarizer, and the light source includes a laser configured to emit the beam of radiation, the polarizer organized to polarize the beam before reaching the slit. The system of claim 5, wherein
【請求項8】 前記偏光子は、前記スリットの前記幅と平行に前記ビームを偏光するよう編成
される、請求項5のシステム。
8. The system of claim 5, wherein said polarizer is organized to polarize said beam parallel to said width of said slit.
【請求項9】 前記偏光子は、前記スリットの前記幅に対して垂直に前記ビームを偏光するよ
う編成される、請求項5のシステム。
9. The system of claim 5, wherein the polarizer is organized to polarize the beam perpendicular to the width of the slit.
【請求項10】 前記相互作用ステーションが、真直にされた形態の前記ポリマーを受け取るよ
う編成された前記マイクロチャネルと交差する幾つかの前記スリットを含む、請
求項5のシステム。
10. The system of claim 5, wherein said interaction station includes a number of said slits intersecting said microchannels arranged to receive said polymer in a straightened form.
【請求項11】 前記ポリマーの前記ユニットを、前記マイクロチャネルを通って前進させるた
めの電界を提供するよう構成され、編成される一組の電極を更に含む、請求項5
のシステム。
11. The apparatus of claim 5, further comprising a set of electrodes configured and organized to provide an electric field for advancing the unit of the polymer through the microchannel.
System.
【請求項12】 前記電極が内部電極である、請求項11のシステム。12. The system of claim 11, wherein said electrode is an internal electrode. 【請求項13】 前記電極が外部電極である、請求項11のシステム。13. The system of claim 11, wherein said electrodes are external electrodes. 【請求項14】 前記ナノスリットが数ミクロンメータ長である、請求項5のシステム。14. The system of claim 5, wherein said nanoslits are several micrometers in length. 【請求項15】 前記ポリマーを真直にし、前記真直にされたポリマーを前記マイクロチャネル
へ提供するよう構成され、編成されるアライメントステーションを更に含み、前
記アライメントステーションは、直径が約1μmで、約0.5μm乃至5μmの
間隔で離間する幾つかの微細柱を含む、請求項5のシステム。
15. An alignment station configured and arranged to straighten the polymer and provide the straightened polymer to the microchannel, wherein the alignment station has a diameter of about 1 μm and about 0 μm. 6. The system of claim 5, comprising a number of micro-pillars spaced at a distance of between 0.5 μm and 5 μm.
【請求項16】 前記ポリマーを真直にし、前記真直にされたポリマーを前記マイクロチャネル
へ提供するよう構成され、編成されるアライメントステーションを更に含み、前
記アライメントステーションは、前記スリットから約5μm乃至500μmの距
離に配設される幾つかの微細柱を含む、請求項5のシステム。
16. An alignment station configured and arranged to straighten the polymer and provide the straightened polymer to the microchannel, wherein the alignment station is about 5 μm to 500 μm from the slit. The system of claim 5, comprising a number of microposts disposed at a distance.
【請求項17】 前記微細柱は、0.5μm乃至2.5μmの間隔で離れている、請求項16の
システム。
17. The system of claim 16, wherein said microposts are separated by a distance between 0.5 μm and 2.5 μm.
【請求項18】 前記光源はレーザーであり、前記システムは、前記波長を選択するよう編成さ
れる音響光学的に同調可能なフィルタを更に含む、請求項1のシステム。
18. The system of claim 1, wherein the light source is a laser and the system further comprises an acousto-optically tunable filter configured to select the wavelength.
【請求項19】 前記波長は、前記ユニットへ選択的に結合された蛍光伝達子の励起波長であり
、前記特性信号は、前記蛍光伝達子によって放射された蛍光波長である、請求項
18のシステム。
19. The system of claim 18, wherein said wavelength is an excitation wavelength of a fluorescent transmitter selectively coupled to said unit and said characteristic signal is a fluorescent wavelength emitted by said fluorescent transmitter. .
【請求項20】 更に、前記蛍光波長のみを光検出器へ送るよう編成されたノッチフィルタを含
む、請求項19のシステム。
20. The system of claim 19, further comprising a notch filter arranged to send only the fluorescence wavelength to a photodetector.
【請求項21】 前記光源は、紫外線から赤外線の波長範囲にある前記波長を放射するよう構成
される、請求項1のシステム。
21. The system of claim 1, wherein said light source is configured to emit said wavelength in the ultraviolet to infrared wavelength range.
【請求項22】 前記光検出器が、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、光マル
チプレクサ、PINダイオード、およびCCDのうちの1つを含む、請求項1の
システム。
22. The system of claim 1, wherein said photodetector comprises one of a photodiode, an avalanche photodiode, an optical multiplexer, a PIN diode, and a CCD.
【請求項23】 前記プロセッサが、蛍光寿命時間である前記特性信号を評価するよう編成され
る、請求項1のシステム。
23. The system of claim 1, wherein the processor is arranged to evaluate the characteristic signal that is a fluorescence lifetime.
【請求項24】 前記プロセッサが、蛍光波長である前記特性信号を評価するよう編成される、
請求項1のシステム。
24. The processor is arranged to evaluate the characteristic signal that is a fluorescence wavelength.
The system of claim 1.
【請求項25】 前記プロセッサが、前記検出放射光の強度である前記特性信号を評価するよう
編成される、請求項1のシステム。
25. The system of claim 1, wherein the processor is arranged to evaluate the characteristic signal that is an intensity of the detected radiation.
【請求項26】 前記プロセッサが、前記検出放射光の時間依存特性である前記特性信号を評価
するよう編成される、請求項1のシステム。
26. The system of claim 1, wherein the processor is arranged to evaluate the characteristic signal that is a time-dependent characteristic of the detected radiation.
【請求項27】 連鎖ユニットから成るポリマーを光学的に分析する方法であって: マイクロチャネルを通って前記ポリマーの前記ユニットを順次通過させ; 局部放射スポットを生じるよう既知の波長の放射光を生成し; 前記局部放射スポットで前記ポリマーの前記ユニットを順次照射し; 前記局部放射スポットで前記ユニットの相互作用の結果得られる特性信号を提
供する放射を順次検出し;そして、 前記特性信号を含む前記検出された放射に基づいて前記ポリマーを分析する、
ことを含む方法。
27. A method for optically analyzing a polymer comprising chain units, comprising sequentially passing said units of said polymer through a microchannel; producing radiation of known wavelength to produce a local radiation spot Sequentially irradiating the unit of the polymer with the local radiation spot; sequentially detecting radiation at the local radiation spot to provide a characteristic signal resulting from the interaction of the units; and Analyzing the polymer based on the detected radiation,
A method that includes:
【請求項28】 前記マイクロチャネルを通って前記ポリマーを通過させることが、電界を使用
することを含む、請求項27の方法。
28. The method of claim 27, wherein passing the polymer through the microchannel comprises using an electric field.
【請求項29】 前記局部放射スポットを生じさせることが、前記生成された光を、幅1μm未
満のナノスリットへ光学的へ結合することを含む、請求項27の方法。
29. The method of claim 27, wherein producing the local radiation spot comprises optically coupling the generated light to a nanoslit having a width of less than 1 μm.
【請求項30】 前記局部放射スポットを生じさせることが、前記生成された光を、幅が約1n
m乃至500nmの範囲のナノスリットへ光学的に結合することを含む、請求項
27の方法。
30. Producing the local radiation spot reduces the generated light by about 1n in width.
28. The method of claim 27, comprising optically coupling to a nanoslit in the range of m to 500 nm.
【請求項31】 前記局部放射スポットを生じさせることが、前記生成された光を、前記マイク
ロチャネルに対して長さ方向が垂直に配向された幾つかのナノスリットへ光学的
に結合することを含む、請求項27の方法。
31. Producing the local radiation spot comprises optically coupling the generated light into a number of nanoslits oriented longitudinally perpendicular to the microchannel. 28. The method of claim 27, comprising.
【請求項32】 前記局部放射スポットを生じさせることが、レーザービームの形態の前記光を
生成し、前記スリットの前記幅に対して平行に配向されるよう前記レーザービー
ムを偏光させることを含む、請求項29の方法。
32. Producing the local radiation spot includes generating the light in the form of a laser beam and polarizing the laser beam to be oriented parallel to the width of the slit. 30. The method of claim 29.
【請求項33】 前記局部放射スポットを生じさせることが、レーザービームの形態の前記光を
生成し、前記スリットの前記幅に対して垂直に配向されるよう前記レーザービー
ムを偏光させることを含む、請求項29の方法。
33. Producing the local radiation spot includes generating the light in the form of a laser beam and polarizing the laser beam to be oriented perpendicular to the width of the slit. 30. The method of claim 29.
【請求項34】 更に、前記局部放射スポットから5乃至100μmのところに配設され、0.
5から5μmの間隔で離れている幾つかの微細柱を用いて前記ポリマーを真直に
することを含む、請求項27の方法。
34. Further, the light emitting device is disposed at a distance of 5 to 100 μm from the local radiation spot.
28. The method of claim 27, comprising straightening the polymer with a number of microposts separated by 5 to 5 [mu] m.
【請求項35】 更に、放射光有感標識で前記ポリマーの選択されたユニットに標識付けをする
ことを含み、前記検出することは、前記ユニットが前記マイクロチャネルを通過
している間の時間全体にわたって、前記特性信号を含む前記放射を集めることを
含む、請求項27の方法。
35. The method further comprising labeling a selected unit of the polymer with a radiation-sensitive label, wherein the detecting is performed during a time period during which the unit passes through the microchannel. 28. The method of claim 27, comprising collecting said radiation over said characteristic signal.
【請求項36】 前記標識は蛍光伝達子を含み、前記検出することは、前記蛍光伝達子によって
励起された放射だけを、光検出器に提供するためにフィルタリングすることを含
む、請求項35の方法。
36. The label of claim 35, wherein the label comprises a fluorophore, and wherein detecting comprises filtering only radiation excited by the fluorophore to provide a photodetector. Method.
【請求項37】 前記生じさせることが、紫外線から赤外線の波長の範囲内の前記波長の前記放
射光を生成することを含む、請求項27の方法。
37. The method of claim 27, wherein said producing comprises producing said radiation at said wavelength in the range of ultraviolet to infrared wavelengths.
【請求項38】 前記検出することは、フォトダイオード検出器、アバランシェフォトダイオー
ド検出器、光マルチプレクサ検出器、PINダイオード検出器、またはCCD検
出器を用いることを含む、請求項27の方法。
38. The method of claim 27, wherein said detecting comprises using a photodiode detector, an avalanche photodiode detector, an optical multiplexer detector, a PIN diode detector, or a CCD detector.
【請求項39】 前記ポリマーが核酸である、請求項27の方法。39. The method of claim 27, wherein said polymer is a nucleic acid. 【請求項40】 連鎖ユニットから成るポリマーを光学的に分析するために用いられる製品であ
って、光源から放射される放射光を受け取ってそれから局部放射スポットを生じ
るよう編成されて、基板上に製作された相互作用ステーションを備え、前記相互
作用ステーションは、更に、前記ポリマーのユニットを順次受け取るよう構成さ
れ、放射の特性信号を生成するよう前記局部放射スポットで前記ユニットを順次
照射するよう編成される、 製品。
40. A product used for optically analyzing a polymer comprising a chain unit, wherein the product is organized on a substrate, receiving radiation emitted from a light source and producing a local radiation spot therefrom. An interaction station, further configured to sequentially receive units of the polymer, and arranged to sequentially illuminate the units with the local radiation spot to generate a characteristic signal of radiation. The product.
【請求項41】 前記相互作用ステーションは、前記局部放射スポットを生じるよう構成された
ナノスリットを含む、請求項40の製品。
41. The article of claim 40, wherein the interaction station includes a nanoslit configured to produce the local radiation spot.
【請求項42】 前記相互作用ステーションは、前記ナノスリットへ、真直にされた状態の前記
ポリマーを提供するよう構成されたマイクロチャネルを含む、請求項41の製品
42. The article of claim 41, wherein the interaction station includes a microchannel configured to provide the polymer in a straightened state to the nanoslit.
【請求項43】 前記ナノスリットの幅は前記放射光の波長未満である、請求項42の製品。43. The article of claim 42, wherein a width of said nanoslit is less than a wavelength of said emitted light. 【請求項44】 前記ナノスリットの幅は1nm乃至500nmの範囲である、請求項42の製
品。
44. The article of claim 42, wherein the width of said nanoslits ranges from 1 nm to 500 nm.
【請求項45】 前記ナノスリットの幅は50nm乃至100nmの範囲である、請求項42の
製品。
45. The article of claim 42, wherein the width of said nanoslits ranges from 50 nm to 100 nm.
【請求項46】 更に、前記局部放射スポットを通って前記ポリマーの前記ユニットを前進させ
る電界を提供するよう構成され、編成された一組の電極を含む、請求項40の製
品。
46. The article of claim 40, further comprising a set of electrodes configured and arranged to provide an electric field for advancing said unit of said polymer through said local radiation spot.
【請求項47】 前記マイクロチャネルの幅が1μm未満である、請求項40の製品。47. The article of claim 40, wherein the width of the microchannel is less than 1 μm. 【請求項48】 0.5μm乃至5μmの間隔で離れていて、前記局部放射スポットから5μm
乃至100μmの位置に配設される幾つかの微細柱を更に備えるアライメントス
テーションを含む、請求項40の製品。
48. The method according to claim 48, wherein the distance from the local radiation spot is 0.5 μm to 5 μm.
41. The product of claim 40, further comprising an alignment station further comprising a number of microposts located at ~ 100 [mu] m.
【請求項49】 前記微細柱は、前記局部放射スポットから10μm乃至200μmの位置に配
設される、請求項48の製品。
49. The article of claim 48, wherein said microposts are located 10 μm to 200 μm from said local radiation spot.
【請求項50】 前記微細柱は、0.5μm乃至5μmの間隔で離れている、請求項49の製品
50. The article of claim 49, wherein said microposts are separated by a distance of 0.5 μm to 5 μm.
【請求項51】 前記微細柱は、1.5μm乃至2.5μmの間隔で離れている、請求項50の
製品。
51. The article of claim 50, wherein said microposts are separated by a distance of 1.5 μm to 2.5 μm.
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