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JP6806787B2 - ナノポアセンシングのための絶縁体−膜−絶縁体デバイスのウェハスケールアセンブリ - Google Patents

ナノポアセンシングのための絶縁体−膜−絶縁体デバイスのウェハスケールアセンブリ Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年３月２１日に出願された米国仮出願番号６２／３１１，２９４及び２０１６年６月２９日に出願された米国仮出願番号６２／３５６，３０３に対する優先権を主張する。上に参照された各出願の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
背景
生物に特異的な核酸を正確かつ効率的に検出することは、微生物、ウイルス及び他の感染因子を同定するために非常に重要であり得る。特定のタンパク質及び核酸の検出はまた、疾患の進行を検出及び追跡する方法となり得る。
固体ナノポアは、単純な核酸センサを提供する。ナノポアデバイスは原則として安価に作製することができ、携帯用及び使い捨て用の小型フォームファクタに組み込むことができる。固体ナノポアは、ポアに電圧を印加し、ポアを流れるイオン電流を測定することによって分子を検出する。個々の分子がナノポアを通過するときに電流のインピーダンスが変化し、これらは「事象」と呼ばれる。任意の所与のナノポアデバイスの全体的な効率は、ノイズより上のインピーダンス事象を正確かつ確実に測定し、存在する場合、背景分子による事象から目的の分子に起因する事象を識別する能力に依存する。
文献に発表された実験では、ナノポアを一度に１つずつ通過するＤＮＡ、ＲＮＡ、及びタンパク質の検出が実証されている。典型的には、電子またはイオンビームによる穿孔、もしくはエッチング、または制御された絶縁破壊のための高電圧の作用によって、絶縁膜中にナノポアが形成される。膜及びナノポアを含み、別個の流体セルに挿入されるそのようなナノポアデバイスは、一般に、プラスチックから作製される。
一実施形態による、第１の絶縁基板の一表面上の特徴を含む第１の絶縁基板の断面図である。 別の実施形態による、第１の絶縁基板の代替実施形態の断面図である。 一実施形態による膜層で片側がコーティングされた第２の基板の断面図である。 一実施形態による、第２の基板の片側の膜層に接合された第１の絶縁層の断面図である。 一実施形態による、第１の絶縁層に接合された膜層の断面図である。 一実施形態による、第１の絶縁層に接合され、かつ薄くされた膜層の断面図である。 一実施形態による、第１の絶縁層に接合された膜層を製造するためのステップの代替のセットを示す。 一実施形態による、２つのチャネル及び単一の膜層を含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、２つのチャネル及び単一の膜層を含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、２つのチャネル及び単一の膜層を含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、２つのチャネル及び単一の膜層を含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、２つのチャネル及び単一の膜層を含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、２つのチャネル及び単一の膜層を含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、２つのチャネル及び単一の膜層を含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、２つのチャネル及び単一の膜層を含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、２つのチャネル及び単一の膜層を含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、２つのチャネル及び単一の膜層を含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、２つのチャネル及び単一の膜層を含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、２つのチャネル及び単一の膜層を含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、２つのチャネル及び単一の膜層を含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、２つのチャネル及び単一の膜層を含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、２つのチャネル及び単一の膜層を含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、２つのチャネル及び単一の膜層を含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、２つのチャネル及び単一の膜層を含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、デュアルナノポアセンシング及び制御のために使用され得る２つの異なる平面に２つのチャネルを含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、デュアルナノポアセンシング及び制御のために使用され得る２つの異なる平面に２つのチャネルを含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、デュアルナノポアセンシング及び制御のために使用され得る２つの異なる平面に２つのチャネルを含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、デュアルナノポアセンシング及び制御のために使用され得る２つの異なる平面に２つのチャネルを含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、デュアルナノポアセンシング及び制御のために使用され得る２つの異なる平面に２つのチャネルを含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、デュアルナノポアセンシング及び制御のために使用され得る２つの異なる平面に２つのチャネルを含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、デュアルナノポアセンシング及び制御のために使用され得る２つの異なる平面に２つのチャネルを含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、デュアルナノポアセンシング及び制御のために使用され得る２つの異なる平面に２つのチャネルを含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、デュアルナノポアセンシング及び制御のために使用され得る２つの異なる平面に２つのチャネルを含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、デュアルナノポアセンシング及び制御のために使用され得る２つの異なる平面に２つのチャネルを含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、デュアルナノポアセンシング及び制御のために使用され得る２つの異なる平面に２つのチャネルを含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、デュアルナノポアセンシング及び制御のために使用され得る２つの異なる平面に２つのチャネルを含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、デュアルナノポアセンシング及び制御のために使用され得る２つの異なる平面に２つのチャネルを含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、デュアルナノポアセンシング及び制御のために使用され得る２つの異なる平面に２つのチャネルを含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、デュアルナノポアセンシング及び制御のために使用され得る２つの異なる平面に２つのチャネルを含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、デュアルナノポアセンシング及び制御のために使用され得る２つの異なる平面に２つのチャネルを含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、デュアルナノポアセンシング及び制御のために使用され得る２つの異なる平面に２つのチャネルを含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、デュアルナノポアセンシング及び制御のために使用され得る２つの異なる平面に２つのチャネルを含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、デュアルナノポアセンシング及び制御のために使用され得る２つの異なる平面に２つのチャネルを含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、デュアルナノポアセンシング及び制御のために使用され得る２つの異なる平面に２つのチャネルを含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、デュアルナノポアセンシング及び制御のために使用され得る２つの異なる平面に２つのチャネルを含むナノポアデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、共通の第１の絶縁層を使用して別個のマルチナノポアチャネルを含むナノポアアレイデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、共通の第１の絶縁層を使用して別個のマルチナノポアチャネルを含むナノポアアレイデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、共通の第１の絶縁層を使用して別個のマルチナノポアチャネルを含むナノポアアレイデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、共通の第１の絶縁層を使用して別個のマルチナノポアチャネルを含むナノポアアレイデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、共通の第１の絶縁層を使用して別個のマルチナノポアチャネルを含むナノポアアレイデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、共通の第１の絶縁層を使用して別個のマルチナノポアチャネルを含むナノポアアレイデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、共通の第１の絶縁層を使用して別個のマルチナノポアチャネルを含むナノポアアレイデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、共通の第１の絶縁層を使用して別個のマルチナノポアチャネルを含むナノポアアレイデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、共通の第１の絶縁層を使用して別個のマルチナノポアチャネルを含むナノポアアレイデバイスを形成する方法を示す。 一実施形態による、ナノポアデバイスの機械的堅牢性を改善するための構造的強化を示す。 一実施形態による、フローセルハウジング内のナノポアデバイスを含む測定システムの断面図を示す。 例示的なナノポアデバイスのナノポアを通るＤＮＡ移動事象に対応するナノポア画像及び電流測定値を示す。 例示的なナノポアデバイスのナノポアを通るラムダＤＮＡ移動事象に対応する測定値を示す。 シリコンベースのデバイスと比較した例示的なナノポアデバイスのノイズ性能を示す。 例示的なナノポアデバイスを使用した、光学イメージングと電気ナノポアセンシングの組み合わせを示す。 例示的なナノポアデバイスを使用した、光学イメージングと電気ナノポアセンシングの組み合わせを示す。 例示的なナノポアデバイスを使用した、光学イメージングと電気ナノポアセンシングの組み合わせを示す。
図面は、同様の要素を識別するために同じ参照番号を使用する。「３０８ａ」のような参照番号の後の文字は、その特定の参照番号を有する要素をテキストが具体的に参照することを示す。「３０８」などの以下の文字を含まない本文中の参照番号は、その参照番号を有する図面における要素のいずれかまたは全てを指す（例えば、テキストにおける「チャネル３０８」は、図面における参照番号「チャネル３０８ａ」及び／または「チャネル３０８ｂ」を参照する）。
詳細な説明
緒言
この説明は、単一または複数のナノポアセンサアレイへの流体界面を含むナノポアデバイスを形成するための多数の方法を提示し、当該方法は界面自体の形成を含む。すなわち、最終的なナノポアデバイスは、単一の全体プロセスで製作される。この説明はまた、ナノポアデバイス及びそれらが含まれる測定システムのための様々な設計を提示する。
本明細書に記載の実施形態は、製作フロープロセスの一部としてナノポアデバイスにおける１つまたは複数の流体チャネルを有するナノポアデバイスを製作するプロセスを含む。重要なことに、この方法は、電気ノイズを低減し、それによってナノポアデバイスに一体化された１つまたは複数のナノポアの検知分解能を改善する、絶縁材料を使用する。流体経路（すなわち、流体チャネル）をナノポアデバイス自体に一体化することによって、（例えば、測定されるサンプル分子／試薬を導入するために）ナノポアデバイスとインターフェースするフローセルハウジングなどの構成要素の設計を簡素化することができる。このプロセスはまた、デバイスのトータルサイズ（フットプリント）を最小限に抑えながら、そのようなナノポアデバイスが既存のナノポア構造に対してナノポアデバイスごとに（例えば、マルチポアセンシングのために）増加した数のナノポアを有するように仕立てる能力を改善する。これらの総合的な利点（チャネル経路の一体化、チャネル経路材料の低ノイズ特徴、プロセスフローのチップ当たりの複数ポア能力）は全て、ウェハスケールプロセスを使用して実現することができ、その結果、可能な限り低いコストで可能な限り高いセンサ密度をもたらす。
本明細書に記載の方法は、ウェハスケールでナノポアデバイスを作成することができる。絶縁材料基板の間にナノポアを含む膜を挟む、ウェハスケールの製造技術が使用される。絶縁層にチャネルが作成され、各ナノポアの流体的及び電気的アクセスが可能になる。絶縁層におけるマイクロローディングチャネル設計を変更することによって、デバイスは、単一ポアまたはマルチポアアレイの実施態様とすることができる。デバイスは、２つのポアの制御を可能にする、１つまたは複数の膜を備えたデュアルポアデバイスであってもよい。ナノポアデバイスは、光学的及び電気的検知を同時に可能にし、各ナノポアは電気的に別々にアドレス可能である。チャネルは、絶縁基板に組み込まれ、電気ノイズを低減する。全体として、ナノポアデバイスは、最適なノイズ性能を持つ直接使用可能なユニットを製造する単一のプロセスとして、絶縁層における両方のチャネルと、１つまたは複数のナノポアを含む膜との両方の製作を組み合わせる。
[本発明1001]
ナノポアデバイスを備える測定システムであって、前記ナノポアデバイスが、
絶縁基板であって、前記絶縁基板の一表面に形成された1つまたは複数の流体チャネルを備える、前記絶縁基板；
中心孔及び複数の外側孔を備えるカバー；ならびに
前記絶縁基板と前記カバーとの間に位置付けられた膜層であって、前記膜層の第1の表面が前記基板の前記表面に接合されている、前記膜層
を備え、前記膜層が、
1つまたは複数のナノポアであって、各々が前記絶縁基板の前記流体チャネルのうちの1つを前記カバーの前記中心孔に流体接続する、前記1つまたは複数のナノポア；及び
複数の孔であって、前記膜層の各々の孔が、前記カバーの前記複数の外側孔のうちの1つと実質的に位置合わせされている、前記複数の孔
を備える、前記測定システム。
[本発明1002]
前記システムがフローセルハウジングをさらに備え、前記フローセルハウジングが、前記フローセルハウジングに対する前記ナノポアデバイスの位置を固定するように構成されている、本発明1001のシステム。
[本発明1003]
前記フローセルハウジングが、
複数のシール可能なポートであって、各々のシール可能なポートが、前記カバーの前記中心孔または前記複数の外側孔のうちの1つと実質的に位置合わせされるように構成されている、前記複数のシール可能なポート；
少なくとも1つの電極であって、前記少なくとも1つの電極のうちの1つが、前記ナノポアデバイスにおける前記1つまたは複数の流体チャネルのうちの1つのリザーバ内に存在する、前記少なくとも1つの電極；及び
前記少なくとも1つの電極のうちの1つが通過するスロット
を備える、本発明1002のシステム。
[本発明1004]
前記少なくとも1つの電極のうちの前記1つが、前記フローセルハウジングの外部表面で終端する導電性トレースと接触している、本発明1003のシステム。
[本発明1005]
前記少なくとも1つの電極のうちの前記1つが塩化銀電極であり、前記導電性トレースが金金属である、本発明1004のシステム。
[本発明1006]
前記フローセルハウジングが、光学イメージングデバイスを受け入れるように構成された開口部をさらに備える、本発明1003のシステム。
[本発明1007]
前記フローセルハウジングが、外部から加えられた圧力を受け入れて前記ナノポアデバイスの前記1つまたは複数の流体チャネルのうちの少なくとも1つの端部へと導くように構成された入口をさらに備える、本発明1003のシステム。
[本発明1008]
前記フローセルハウジングの前記複数のシール可能なポートのうちの1つ、前記入口、及び前記スロットが、前記フローセルハウジングの共通のキャビティに通じており、前記共通のキャビティが、前記ナノポアデバイスの流体チャネルと流体接続している、本発明1007のシステム。
[本発明1009]
前記基板の前記1つまたは複数の流体チャネルが、ポストのアレイを含む、本発明1001のシステム。
[本発明1010]
前記膜層が、
第1の厚さを有する第1の部分；及び
前記第1の厚さ未満である第2の厚さを有する第2の部分であって、前記1つまたは複数の流体チャネルの一部の上に位置している、前記第2の部分
を備える、本発明1001のシステム。
[本発明1011]
前記膜層の前記第1の部分が100〜300ｎｍの厚さを有し、かつ前記膜層の前記第2の部分が10〜50ｎｍの厚さを有する、本発明1010のシステム。
[本発明1012]
1つまたは複数のナノポアの各々が、前記膜層の前記第2の部分において生成されている、本発明1010のシステム。
[本発明1013]
前記1つまたは複数のナノポアの各々の直径が5〜50ｎｍである、本発明1001のシステム。
[本発明1014]
前記基板の前記1つまたは複数の流体チャネルの各々が、前記流体チャネルの一端部にリザーバを含み、各リザーバが、前記カバー上の前記複数の外側孔のうちの1つの孔と実質的に位置合わせされている、本発明1001のシステム。
[本発明1015]
各リザーバが、100μｍ〜1ｍｍの直径を有する、本発明1014のシステム。
[本発明1016]
前記基板の前記表面上の前記1つまたは複数の流体チャネルの各々の深さが、0．1〜10μｍである、本発明1001のシステム。
[本発明1017]
前記1つまたは複数のナノポアのうちの第1のナノポアが、前記基板の第1の流体チャネルを前記カバーの前記中心孔に流体接続し、前記1つまたは複数のナノポアのうちの第2のナノポアが、前記基板の第2の流体チャネルを前記カバーの前記中心孔に流体接続する、本発明1001のシステム。
[本発明1018]
第1の流体チャネルの一部分及び第2の流体チャネルの一部分が、互いに平行である、本発明1001のシステム。
[本発明1019]
前記第1の流体チャネル及び第2の流体チャネルが、前記第1の流体チャネルの前記部分及び前記第2の流体チャネルの前記部分に沿って互いに最も接近している、本発明1018のシステム。
[本発明1020]
前記第1の流体チャネル及び第2の流体チャネルが、各々、屈曲点を形成している、本発明1001のシステム。
[本発明1021]
前記ナノポアデバイスの第1の流体チャネル及び第2の流体チャネルが、前記第1の流体チャネルの前記屈曲点及び前記第2の流体チャネルの前記屈曲点において、互いに最も接近した距離にある、本発明1020のシステム。
[本発明1022]
前記第1の流体チャネルの前記屈曲点が前記第1の流体チャネルの中間点に位置しており、前記第2の流体チャネルの前記屈曲点が前記第2の流体チャネルの中間点に位置している、本発明1021のシステム。
[本発明1023]
前記絶縁基板及び前記カバーが、各々、溶融シリカ、サファイア、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、石英、パイレックス、またはポリジメチルシロキサンのうちの1つから選択される絶縁体で構成されている、本発明1001のシステム。
[本発明1024]
前記膜層が、窒化シリコン（ＳｉＮ ｘ ）またはシリカ（ＳｉＯ 2 ）のうちの1つである、本発明1001のシステム。
[本発明1025]
前記ナノポアデバイスが第2の膜層をさらに備え、
前記第2の膜層の第1の表面が前記膜層の第2の表面に接合されており、かつ前記第2の膜層の第2の表面が前記カバーに接合されており、前記第2の膜層が、
前記第2の膜層の前記第1の表面上の流体チャネル；及び
前記第2の膜の前記流体チャネル内に位置するナノポアであって、前記第2の膜の前記ナノポアが、前記膜層の前記1つまたは複数のナノポアのうちの1つと実質的に位置合わせされている、前記ナノポア
を備える、本発明1001のシステム。
[本発明1026]
前記第2の膜層の前記流体チャネルが、前記絶縁基板の前記1つまたは複数の流体チャネルのうちの1つと直交している、本発明1025のシステム。
[本発明1027]
ナノポアデバイスを製作する方法であって、
第1の基板の一表面の上に少なくとも1つの流体チャネルを形成すること；
膜層及び第2の基板を備える膜アセンブリを作製すること；
前記形成された少なくとも1つの流体チャネルを含む前記第1の基板の前記表面に前記膜層の第1の表面を接合すること；
前記膜アセンブリから前記第2の基板を除去すること；
前記接合された膜層において1つまたは複数のナノポアを生成することであって、各ナノポアが、前記少なくとも1つの流体チャネルの各々の上に位置する、前記生成すること；ならびに
少なくとも1つの孔を備えるカバーを接合することであって、前記少なくとも1つの孔のうちの1つが、前記生成されたナノポアのうちの1つと流体接続する、前記接合すること
を含む、前記方法。
[本発明1028]
前記1つまたは複数のナノポアが、機械的穿孔、電子ビーム穿孔、またはイオンビームエッチングのうちの1つによって前記膜層において生成される、本発明1027の方法。
[本発明1029]
前記膜層が、低圧化学蒸着またはプラズマ強化化学蒸着のうちの1つを使用して前記第2の基板上に付着される、本発明1027の方法。
[本発明1030]
前記膜アセンブリが、前記膜層と前記第2の基板との間に位置する犠牲層をさらに備える、本発明1027の方法。
[本発明1031]
前記犠牲層が、シリカまたはニッケルのうちの1つから構成されている、本発明1030の方法。
[本発明1032]
前記膜アセンブリから前記第2の基板を除去することが、前記膜層から前記犠牲層を除去することを含む、本発明1030の方法。
[本発明1033]
前記膜層の前記第1の表面が、直接接合、プラズマ活性化接合、陽極接合、共晶接合、ガラスフリット接合、接着接合、熱圧着接合、反応性接合、または液相拡散接合のうちの1つを使用して前記第1の基板の前記表面に接合される、本発明1027の方法。
[本発明1034]
前記膜アセンブリから前記第2の基板を除去することが、前記膜アセンブリを水酸化カリウム、水酸化テトラメチルアンモニウム、フッ化水素、または塩化鉄（ＩＩＩ）のうちの1つに曝露することを含む、本発明1027の方法。
[本発明1035]
前記方法が、前記1つまたは複数のナノポアを生成する前に、前記接合された膜層の一部分を薄くすることをさらに含み、前記薄くされた部分が、前記第1の基板の前記表面上の前記流体チャネルの上に位置し、
前記1つまたは複数のナノポアが、前記接合された膜層の前記薄くされた部分において生成される、本発明1027の方法。
[本発明1036]
前記膜層の前記薄くされた部分が、10〜50ｎｍの厚さを有する、本発明1035の方法。
[本発明1037]
前記第1の基板の前記表面上に前記流体チャネルを形成する前に、前記第1の基板の前記表面を絶縁材料でコーティングすることをさらに含む、本発明1027の方法。
[本発明1038]
前記カバーが、前記第1の膜層の第2の表面に接合される、本発明1027の方法。
[本発明1039]
前記方法が、
前記接合された膜層の第2の表面に第2の膜層の第1の表面を接合すること；及び
前記第2の膜層において1つまたは複数のナノポアを生成することであって、前記第2の膜層における前記1つまたは複数のナノポアの各々が、前記膜層における前記生成されたナノポアのうちの1つと実質的に位置合わせされる、前記生成すること
をさらに含み、
前記カバーが、前記第2の膜層の前記第2の表面に接合される、本発明1027の方法。
[本発明1040]
前記接合された膜層の前記第2の表面に前記第2の膜層の前記第1の表面を接合する前に、
前記第2の膜層の前記第1の表面に形成される膜チャネルを生成し；かつ
前記第2の膜層の前記第1の表面において、前記生成された膜チャネルの両端に位置する孔を生成する、
本発明1039の方法。
[本発明1041]
前記第2の膜層の前記膜チャネルが、前記接合された膜層の第2の表面に第2の膜層の第1の表面を接合させた後に、前記第1の基板の前記表面上の前記流体チャネルと直交している、本発明1040の方法。
[本発明1042]
前記カバーが、合計5つの孔を含む、本発明1027の方法。
[本発明1043]
前記膜層が、合計2つのナノポアを含む、本発明1027の方法。
添付の説明は、８つのセクションに分かれている。
セクション１：一実施形態による、絶縁層に結合された膜層を生成するための製作プロセスの概要を説明する。
セクション２：一実施形態による、別の製作プロセスを説明する。
セクション３：プロセスの２チャネル／単一膜デバイスの実施態様の例について説明する。
セクション４：プロセスの２チャネル／デュアル膜デバイスの実施態様の例について説明する。
セクション５：プロセスのマルチポアアレイデバイスの実施態様について説明する。
セクション６：デバイスの機械的堅牢性を改善するための１つの可能な手法について説明する。
セクション７：フローセルハウジング内のナノポアデバイスを含む測定システムについて説明する。
セクション８：本明細書に記載のナノポアデバイスから得られた結果例。
Ｉ．製造プロセスの概要
図１Ａは、一実施形態による、特徴１０８を含む第１の絶縁基板１１０の断面図である。特徴は、第１の絶縁基板１１０の表面１１２上に作成される。第１の絶縁基板１１０は、溶融シリカ、サファイア、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、石英、パイレックスなどのガラスであってもよい。
特徴は、図１Ａの第１の絶縁基板１１０の表面１１２への窪みとして示される少なくとも１つのチャネル１０８を含む。各々のチャネル１０８の幾何学的形状は、所望の流体流路によって決定される。一般に、チャネルの幾何学的形状は、流体が一端部に導入されて圧力要件を必要とせずに流体チャネル１０８を通って流れることができるように設計され、毛細管作用が十分であるように設計されている。いくつかの状況では、流体チャネル１０８を通る流体の流れが確実に発生するように、外力または圧力が必要とされる場合がある。チャネル１０８は、多くの技術のうちの少なくとも１つを使用して、第１の絶縁基板１１０において作製することができ、その例には、フォトリソグラフィに続いて反応性イオン（ＲＩＥ）エッチングが含まれる。より深いチャネルを作製するために、他の方法を使用することができる。一実施形態では、任意の所与のチャネルの深さは、０．１〜１０μｍの範囲内にある。いくつかの実施形態では、チャネルの深さは、１００μｍまでの範囲とすることができる。特定の実施形態では、チャネルの深さは、１〜３μｍである。この時点でプロセス中に膜が存在しないので、オーバーエッチングは問題ではない。
図１Ｂは、別の実施形態による、第１の絶縁基板１１０の代替実施形態の断面図である。絶縁材料から作製されるのではなく、酸化物などの絶縁コーティング１０４を有するシリコン（または別の非絶縁材料１０２）で基板を作製することもできる。この場合、非絶縁基板１０２は、エッチング後に絶縁層１０４によってコーティングされる。シリコンのような非絶縁基板を使用することは、そのような材料が、エッチングプロセスがナノ製作においてより広く利用し得るので、より容易であり及び／またはより安価であり得るので有利であり得る。絶縁コーティング１０４は、非絶縁基板１０２を絶縁体に変え、それによって、図１Ａに示すように、電子特性に関するガラスなどの絶縁基板１１０と同様の機能を果たすことを可能にする。別の代替として、ガラスまたはシリコン基板の単一片をエッチングする代わりに、２つの異なるシリコン基板片を一緒に接合して特徴を形成してもよい。
図１Ｃは、一実施形態による膜層１３０で片側上にコーティングされた第２の基板１２０の断面図である。図１Ｃに示すように、膜層１３０は、第１の表面１１４及び第２の表面１１６を有してもよい。一実施形態では、第２の基板１２０は、シリコン（Ｓｉ）である。第２の基板１２０の厚さは、様々であってもよい。例えば、一実施形態では、厚さは２００〜５００μｍである。第２の基板１２０が薄ければ薄いほど、プロセスの後のステップ（例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いた湿式エッチング）中に、それをより早く除去することができる。
第２の基板１２０と膜層１３０との組み合わせは、膜層１３０の第１の絶縁基板１１０への接合を容易にし、これについては、以下でさらに詳細に説明する。以下で使用されるように、膜層１３０の第１の絶縁基板への接合を容易にするこの構造は、膜アセンブリと呼ばれる。
一実施形態では、膜アセンブリは、第２の基板１２０上にコーティングされた膜層１３０を含む。具体的には、膜層の第１の表面１１４が露出され、膜層の第２の表面１１６は、第２の基板１２０と接触する。低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）またはプラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶ）のような、膜層を付着させるために様々な付着技術を使用してもよい。膜層は、様々な材料で作製してもよい。一実施形態では、膜層１３０は、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）から作製される。膜層１３０の厚さは、所望される特定の特性に応じて変化し得る。例えば、より厚い膜は機械的により強いが、しばしば、より薄い膜を使用してより良い電気信号（例えば、より少ないノイズ）を達成することができる。一実施形態では、膜層の厚さは１０〜５００ｎｍである。いくつかの実施形態では、膜層の厚さは、２０〜３０ｎｍである。
図１Ｄは、一実施形態による膜層１３０を介して膜アセンブリに接合された第１の絶縁層１１０の断面図である。第１の絶縁層１１０は、チャネル１０８を含む第１の絶縁層１１０の側／表面１１２上の膜層１３０に接合される。より具体的には、膜層１１６の第１の表面１１４は、第１の絶縁層１１２の表面１１２に接合される。様々な接合技術のいずれか１つを使用して、第１の絶縁層１１０を膜層１３０に接合することができる。可能な接合技術の例としては、直接接合、プラズマ活性化接合、陽極接合、共晶接合、ガラスフリット接合、接着接合、熱圧着接合、反応性接合、液相拡散接合（TLP接合：transient liquid phase diffusion bonding）などが挙げられる。
図１Ｅは、一実施形態による、第１の絶縁層１１０に接合された膜層１３０の断面図である。第２の基板１２０は、膜層１３０から除去され、第１の絶縁層１１０は膜層１３０に接合されたままである。より具体的には、膜層１３０の第１の表面１１４は、第１の絶縁層１１２の表面１１２に結合されたままであり、膜層１３０の第２の表面１１６は、ここで露出されている。第２の基板１２０を除去するために、ＫＯＨまたは水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）などのエッチングプロセスを含む様々な技術を使用してもよい。
図１Ｆは、一実施形態による膜層１３０の薄くされた部分１６０を含む第１の絶縁層１１０に接合された膜層１３０の断面図を示す。膜層１３０を薄くすることは、フォトリソグラフィまたは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）の一方または両方を用いて達成することができる。一例として、開口窓がパターン化され、フォトリソグラフィの後にＲＩＥが適用されて、開口窓を介して膜層１３０を薄くする。様々な実施形態において、膜層１３０は、１００〜３００ｎｍのデフォルト厚さを有してもよく、膜層１３０の薄くされた部分１６０は、１０〜５０ｎｍの厚さを有する。
図１Ｆに示すように、薄膜層１３０の薄くされた部分は、チャネル１０８の上に存在する。薄膜層１３０を薄くすることは、図１Ｆに示すように、膜層の露出した第２の表面１１６上で実行することができる。より具体的には、膜層１３０の薄くされた部分の場所は、膜層１３０におけるナノポアのその後の作成が、膜層１３０の薄くされた部分において実行され得るように選択され得る。したがって、ナノポアは、より薄い膜層１３０を貫通させることによって作成することができる。重要なことに、膜層１３０は、他の場所（例えば、膜層１３０が第１の絶縁基板１１０に接合されているところ）にそのデフォルト厚さを保持し、それによってより機械的に堅牢な膜層１３０を維持する。
ＩＩ．代替製造プロセス
図２Ａ〜Ｃは、一実施形態による、第１の絶縁層２１０に接合された膜層２３０を製造するためのステップの代替のセットを示す。換言すれば、図２Ａ〜Ｃのステップは、図１Ａ〜１Ｆに関して記載された装置を製造するためのステップの代替案である。
図２Ａに示すように、この代替プロセスでは、膜層２３０は、第２の基板２４０上に形成された犠牲層２５０上に形成される。具体的には、膜層２３０の第１の表面２１４は露出しているが、膜層２３０の第２の表面２１６は犠牲層２５０と接触している。ここで、膜層２３０、犠牲層２５０、及び第２の基板２４０の組み合わせは、膜層２３０の第１の絶縁層２１０への接合を容易にする膜アセンブリとして機能する。使用される材料及び犠牲層２５０の厚さは、変化し得る。さらに、犠牲層２５０に使用される材料は、どの材料が膜層２３０のために使用され得るかに影響を及ぼす。一実施形態では、犠牲層２５０は、シリカ（ＳｉＯ２）（例えば厚さ２０ｎｍ）であり、膜層２３０は、ＳｉＮｘより作製される。
図２Ｂに示すように、膜層２３０は、第１の絶縁層２１０に接合される。具体的には、膜層２３０の第１の表面２１４は、チャネル２０８を含む第１の絶縁層２１０の表面２１２に接合される。さらに、膜層２３０の第２の表面２１４は、犠牲層２５０と接触したままである。膜層２３０の第１の絶縁層１３０への接合は、図１Ｄに関して先に開示した接合プロセスのいずれかを実行することによって達成される。次に、犠牲層２５０及び第２の基板２４０を除去する。したがって、図２Ｃに示すように、膜層２３０は、第１の絶縁層２１０に（例えば、膜層２３０の第１の表面２１４及び第１の絶縁層２１０の表面２１２を介して）接合されたままである。膜層２３０の第２の表面２１６は、露出している。
様々な実施形態において、犠牲層２５０は、化学プロセスを使用して除去される。膜アセンブリは、犠牲層２５０を選択的に除去する化学薬品に曝露されてもよい。例えば、フッ化水素（ＨＦ）などで犠牲層２５０をエッチングすることができる。エッチングプロセスは、第２の基板２４０に物理的に影響を及ぼすことはないが、犠牲層２５０の除去により、第２の基板２４０もまた剥離する。別の実施形態では、犠牲層２５０としてニッケル金属フィルム（例えば５００ｎｍ厚）を使用することができ、膜層２３０はＳｉＮｘまたはＳｉＯ２で作製することができる。この場合、犠牲層２５０は、塩化鉄（ＩＩＩ）（ＦｅＣｌ３）などの第２の基板２４０も剥離させる溶液を用いて除去される。上記のように、この代替プロセスの最終結果は、チャネル２０８と同じ側の第１の絶縁層２１０に接合された膜層２３０である。様々な実施形態において、図２Ｃに示す膜層２３０は、図１Ｆを参照して先に説明したように、ナノポアが生成される場所で薄くすることができる。
ＩＩＩ．２つのチャネル／単一の膜デバイス
上記セクションＩ及びＩＩに記載されているように、膜層に接合された第１の絶縁層の最終生成物を使用して、２つのチャネル及び単一の膜層を含むナノポアデバイスを製造することができる。チャネルは、第１の絶縁層の同一平面に位置する。２つのチャネルは、デュアルナノポアセンシング及び制御を可能にする。ここで、図３Ａ〜３Ｇは、図１及び図２に記載されたプロセスに従って、流体チャネル３０８の特定のセットを含む第１の絶縁層３１０に接合された膜層の生成を説明する。さらに、図３Ｈ〜３Ｏは、接合された第１の絶縁層及び膜層を有するナノポアデバイスを形成するプロセスを説明する。
図３Ａは、一実施形態による、第１の絶縁層３１０を示す。第１の絶縁層３１０は、第１の絶縁層３１０の表面に形成された第１のチャネル３０８ａ及び第２のチャネル３０８ｂを含む。各チャネル３０８は、両方の末端にリザーバ３１５を有し、第１の絶縁層３１０の表面上に形成される。各リザーバ３１５は、幅が一定であってもよいし、またはチャネル３０８が中間点に向かって進むにつれて幅が狭くなっていてもよいチャネル３０８の直線部分に連結される。一実施形態では、チャネル３０８の最も狭い幅は５μｍであり得、チャネル３０８の最も広い幅は約５００μｍであり得る。リザーバ３１５の直径は、約５００μｍから１ｍｍ以上の範囲であり得る。例えば、いくつかの実施形態では、リザーバ３１５の直径は１センチメートルである。図３Ａに示すように、各リザーバ３１５は、直径を有する円形である。他の実施形態では、リザーバ３１５は、正方形、長方形、三角形、楕円形、六角形、または他の多角形であってもよい。
図３Ｂは、一実施形態による、図３Ａの第１の絶縁層３１０の断面図を示す。より具体的には、図３Ｂは、図３Ａに示す軸Ａに沿った断面図を示す。ここで、第１のチャネル３０８ａと第２のチャネル３０８ｂは、第１の絶縁層３１０においてお互いに最も近い距離であってもよい。第１の絶縁層３１０及びチャネル３０８は、上記セクションＩＶの図１Ａに関して説明したように形成してもよい。
図３Ｃ及び図３Ｄは、一実施形態による、膜層３３０を第２の基板３４０に取り付けるための例示的なプロセスを示す。図３Ｃに示すように、第２の基板３４０の両側には、２つの膜層３３０、３３１がコーティングされている。このプロセスは、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）の低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）であってよいが、上記の図１Ｃに関してより多くの例が説明される。図３Ｄに示すように、反応性イオンエッチングのようなエッチングステップを使用して、第２の基板３４０の片側から過剰の膜層３３１を除去し、第２の基板３４０を残してもよい。
図３Ｅ〜３Ｇは、一実施形態による膜層３３０を、第１の絶縁層３１０に取り付けるためのステップを示す。図３Ｅに示すように、膜層３３０は、膜層３３０を第１の絶縁層３１０の方に向けて第１の絶縁層３１０を第２の基板の下に位置付けすることによって、第１の基板３１０と第２の基板３４０との間に位置付けられる。図３Ｆに示すように、組み立てられると、膜層３３０は、第１の絶縁層３１０と第２の基板３４０との間に位置する。膜層を第１の絶縁層３１０に取り付けるために、様々な接合技術のうちの１つが使用される。一実施形態では、陽極接合は３５０℃の温度で４０分間のランプアップ時間、２０ニュートンの力、１０００ボルトの電圧で実行され、電流が数ミリアンペアに低下して安定するまで５〜１０分間待機する。いくつかの実施形態では、接合技術に加えて、機械的な力などの圧縮力が、第１の絶縁層３１０及び第２の基板３４０に加えられて、膜層３３０と第１の絶縁層３１０との間の強固な接合を確実にする。
図３Ｇは、一実施形態による、接合された第１の絶縁層３１０、膜層３３０、及び第２の基板３４０の断面図を示す。具体的には、図３Ｇは、図３Ｅに示すように、軸Ａにおける断面を示す。次に、第２の基板３４０は、図１Ｅを参照して前述した技術を使用して除去することができる。
図３Ｅ〜３Ｇは、先に述べたように、図１に示された実施形態による膜層３３０を第１の絶縁層３１０に取り付けるためのプロセスを示しているが、この最終製品はまた、図２に示すプロセスに従って達成することもできる。すなわち、図２Ｃを参照して説明したプロセスを使用して第２の基板３４０を除去することができるように、膜層３３０と第２の基板３４０との間に犠牲層２５０を位置させることができる。
図３Ｈ及び３Ｉは、一実施形態による、第２の基板３４０を除去した後のナノポアデバイスを示す。図３Ｈは、第１の絶縁層３１０に取り付けられた膜層３３０の斜視図を示し、図３Ｉは、膜層３３０において形成された複数のナノポア３３４を含む同様の断面図を示す。様々な実施形態では、図１Ｆを参照して説明したように、膜層３３０は、機械的方法またはエッチング方法を使用して薄くすることができる。すなわち、膜層３３０の構造的完全性も維持しながら、ナノポア３３４がより容易に生成され得るように、チャネル３０８の上の膜層３３０を薄くすることができる。
ここで具体的に、ナノポア３３４の形成を参照すると、ナノポア３３４は、膜層３３０の上部表面３１６から底部表面３１４まで貫通している。換言すれば、ナノポア３３４は、膜層３３０の上部表面３１６を底部表面３１４に流体接続する働きをする。ナノポア３３４の作成は、機械的穿孔プロセスによってまたはビームエッチングプロセス（例えば、ＲＩＥまたは集束イオンビーム（ＦＩＢ））によって、または液浸リソグラフィによって達成することができる。各ナノポア３３４は、ＤＮＡ、アミノ酸（タンパク質）などの小分子または大分子の通過を可能にする開放サイズを有する。一態様では、各々のポアの直径は、少なくとも１ｎｍである。いくつかの実施形態では、各々のポアの直径は、少なくとも２ｎｍ、３ｎｍ、４ｎｍ、５ｎｍ、６ｎｍ、７ｎｍ、８ｎｍ、９ｎｍ、１０ｎｍ、１１ｎｍ、１２ｎｍ、１３ｎｍ、１４ｎｍ、１５ｎｍ、１６ｎｍ、１７ｎｍ、１８ｎｍ、１９ｎｍ、２０ｎｍ、２５ｎｍ、３０ｎｍ、３５ｎｍ、４０ｎｍ、４５ｎｍ、５０ｎｍ、６０ｎｍ、７０ｎｍ、８０ｎｍ、９０ｎｍまたは１００ｎｍである。いくつかの実施形態では、ポアは、約５ｎｍ〜約２００ｎｍの間の直径を有する。いくつかの態様では、ポアは、実質的に丸い形状を有する。本明細書で使用する「実質的に丸い」とは、円筒の形態で少なくとも約８０または９０％の形状をいう。いくつかの実施形態では、ポアは、正方形、長方形、三角形、楕円形、六角形、または他の多角形である。
一実施形態では、ナノポア３３４は、第２の基板３４０が除去された後に膜層３３０において生成されてもよい。他の実施形態では、膜層３３０を第１の絶縁層３１０に接合する前に、ナノポア３３４が、膜層３３０において生成される。一例として、膜層３３０が膜センブリの一部（例えば、第２の基板３４０上にコーティングされた膜層３３０）である間に、ナノポア３３４は、膜層３３０において生成されてもよい。
図３Ｉに示すように、各ナノポア３３４は、膜層３３０において作成され、第１の絶縁層３１０における対応するチャネル３０８の上に存在する。したがって、各ナノポア３３４は、対応するチャネル３０８が、ナノポア３３４のすぐ上の空間に流体接続されることを可能にする。図３Ｉに示す実施形態では、軸Ａは、チャネル３０８が互いに最も近い距離にある第１の絶縁層３１０の断面を表す。ここで、２つのナノポア３３４の間の距離は、１〜１０μｍである。例えば、ラムダＤＮＡが１６μｍである場合など、１０μｍより長いＤＮＡに対して２つのポア制御を行うことができる。他の実施形態では、２つのナノポア３３４の間の距離は、１０〜１００μｍの間であり得る。
図３Ｊは、一実施形態による、膜層３３０を貫通する孔３３２を含む、第１の絶縁層３１０及び接合された膜層３３０の斜視図である。図３Ｊに示すように、４つの孔３３２が作成される。各々の孔３３２は、孔３３４が２つのチャネル３０８の末端に位置するリザーバ３１５と実質的に位置合わせされるように、膜層３３０に作成される。したがって、膜層３３０の各々の孔３３２は、第１の絶縁層３１０におけるリザーバ３１５へのアクセスを可能にする。孔３３２は、膜層３３０を貫通する機械的構造を挿入することによって、機械的な力を使用して破壊して開放することができる。膜層３３０自体が非常に薄いので、孔を開くために使用される機械的な力の量は非常に小さい。いくつかの実施形態では、孔３３２が機械的に作成される膜層３３０が、薄くされる。一実施形態では、孔は約５００μｍであり、したがって、リザーバとサイズが同じである。
図３Ｋ及び図３Ｌは、一実施形態による、各々、第１の絶縁層３１０のチャネル３０８が互いに最も接近している点を含む第１の絶縁層３１０に接合された膜層３３０のトップダウン図を示している。より具体的には、図３Ｋに示すように、チャネル３０８は、各々のチャネル３０８に沿って互いにほぼ交わるが交差しないように形成される。一実施形態では、第１のチャネル３０８ａ及び第２のチャネル３０８ｂが第１の絶縁層３１０上で互いに最も接近する点で、第１のチャネル３０８ａ及び第２のチャネル３０８ｂの各々が屈曲点（屈曲部、エルボー点）３７２ａ及び３７２ｂを形成する。言い換えれば、第１のチャネル３０８ａ及び第２のチャネル３０８ｂは各々、各々の屈曲点３７２の場所に収束する。いくつかの実施形態では、各々のチャネル３０８の屈曲点３７２は、各々のチャネルの中間点でもある。
図３Ｌは、第１の絶縁層３１０上の第１のチャネル３０８ａ及び第２のチャネル３０８ｂの異なる配向を含む異なる実施形態を示す。より具体的には、第１のチャネル３０８ａと第２のチャネル３０８ｂとの間の最も接近する距離は、第１のチャネル３０８ａの延長部分３７４ａ及び第２のチャネル３０８ｂの延長部分３７４ｂに対応する。図３Ｌに示すように、第１のチャネル３０８ａの延長部分３７４ａは、第２のチャネル３０８ｂの延長部分３７４ｂと平行である。
図３Ｍは、ナノポア３３４及びチャネル３０８の電子顕微鏡図を示す例示的な画像を示す。例えば、図３Ｍは、図３Ｋに示すように、吹き上がったインセット３７６を示すことができる。上述したように、チャネル３０８の上の膜層３３０にナノポア３３４を生成することができる。図３Ｍに示すように、第１のナノポア３３４ａは、第１のチャネル３０８ａの上に位置し、第２のナノポア３３４ｂは、第２のチャネル３０８ｂの上に位置する。様々な実施形態において、ナノポア３３４は、チャネル３０８が互いに最も接近する場所の上の膜層３３０において生成される。この例の画像では、第１のナノポア３３４ａと第２のナノポア３３４ｂとの間の距離は、約３．５μｍである。しかしながら、上述したように、他の実施形態では、第１の３３４ａと第２のナノポア３３４ｂとの間の距離は、１〜１０μｍの間、または１０〜１００μｍの間でさえあり得る。
図３Ｎは、一実施形態による、ナノポアデバイスのためのカバー３５０の斜視図である。カバー３５０は、例えばガラス及びポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を含む絶縁材料で作製される。一実施形態では、カバー３５０の厚さは、２００μｍ〜１ｍｍである。図３Ｎに示されるように、カバー３５０は、各々がカバー３５０の厚さ方向に完全に貫通する５つの別個の孔を含む。５つの別個の孔のうちの１つは、カバー３５０が膜層３３０に取り付けられたときに膜層３３０のナノポア３３４の真上に置くように、カバー３５０において位置する中心孔３５４である。残りの４つの孔３５２は、カバー３５０が膜層３３０に取り付けられた後に再び、膜層３３０の孔３３２と実質的に位置合わせされるように位置する。言い換えれば、第１の絶縁層３１０におけるリザーバ３１５へのアクセスは、膜層の孔３３２及びカバーにおける孔３５２を通じて提供される。カバー３５０における４つの孔３５２は、第１の絶縁層３１０の膜層３３０及びリザーバ３１５と同様の大きさである。カバー３５０における中心孔３５４及び４つの孔３５２の各々は、様々な技術によって生成されてもよく、その一例は、適切なサイズのドリルビットを使用して穿孔される。
図３Ｏは、一実施形態による、カバー３５０の膜層３３０への接合を示す。図３Ｏにおいて既に説明し現在示すように、カバー３５０は、カバー３５０の孔３５２が膜層３３０の孔３３２と実質的に位置合わせされるように、膜層３３０上に位置付けられる。カバー３５０は、（図１Ｄを参照して説明したように）第１の絶縁層１１０と膜１３０を接合する際に上述した技術のいずれかを含む、様々な技術を使用して膜層３３０に接合してもよい。例えば、カバーがガラス製である場合、ＰＤＭＳまたは陽極接合によってカバーが作製される場合、プラズマ接合を使用して、膜層３３０にカバー３５０が取り付けられる。完全な接合が確実に達成されるように、カバー３５０及び第１の絶縁層３１０に圧縮力を加えてもよい。
図３Ｐは、完全に組み立てられたナノポアデバイス３００の斜視図を示す。具体的には、ナノポアデバイス３００は、カバー３５０とさらに接触している膜層３３０と接触している第１の絶縁層３１０を含む。
図３Ｑは、一実施形態による、図３Ｐに示す軸Ａに沿ったナノポアデバイス３００の第１の断面図を示す。軸Ａは、第１の絶縁層３１０の２つのチャネル３０８が互いに最も接近している断面図を示す。より具体的には、図３Ｑは、膜層３３０の２つのナノポア３３４と、第１の絶縁層３１０の下にあるチャネル３０８の上のそれらの相対位置を示す。さらに、カバー３５０の中心孔３５４は、ナノポア３３４の上方に位置合わせされる。全体として、膜層３３０の各ナノポア３３４は、第１の絶縁層３１０の対応するチャネル３０８をカバーの中心孔３５４に流体接続する。
全体的に、ナノポアデバイス３００は、複数の層を含む。具体的には、第１の絶縁層３１０は、第１の絶縁層３１０の表面３１２及び膜層３３０の第１の表面３１４を介して膜層３３０に接合される。膜層３３０の第２の表面３１６は、カバー３５０の表面３１８に接合される。
図３Ｒは、一実施形態による、図３Ｐにマークされた軸Ｂに沿ったナノポアデバイス３００の第２の断面図を示す。具体的には、軸Ｂは、第１のチャネル３０８ａの一部及び第２のチャネル３０８ｂの一部に沿ったナノポアデバイス３００の断面を示す。図３Ｒにさらに示されているのは、ナノポアデバイス３００のカバー３５０の孔３５２への各々のチャネル３０８（例えば、チャネル３０８の末端におけるリザーバ）の流体接続である。
このセクションでは、デュアルポアデバイスについて論じているが、単一のポアデバイスもまた企図されている（図示せず）ことに留意されたい。このようなデバイスは、単一のチャネルのみ、及びカバーにおける３つの孔に対応する膜層における３つの孔のみを含む。一例として、単一のチャネルは直線的に設計されてもよい。したがって、膜層の３つの孔は、単一のチャネルの各々の端部のリザーバ上に各々位置する２つの孔と同一線上にある。
ＩＶ．例示的な２つのチャネル／デュアル膜デバイス
上記セクションＩＩＩに記載されたプロセスの変形は、デュアルナノポアセンシング及び制御のために使用され得る異なる平面に２つのチャネルを含むナノポアデバイスを製造するために使用され得る。
図４Ａ〜Ｂは、一実施形態による、図４Ａの軸Ａに沿った斜視図及び断面図からの第１の絶縁層４１０をそれぞれ示す。第１の絶縁層４１０は、チャネル４０８の末端に位置するリザーバ４１５を有する単一のチャネル４０８を含む。チャネル４０８のリザーバ４１５間の部分は、一定の幅を有するか、またはチャネルの長さ方向に沿って中間点に近づくにつれて先細になる幅を有する。
図４Ｃ〜４Ｇは、一実施形態による、膜層４３０を第１の絶縁層４１０に接合することを含む膜アセンブリを生成するプロセスを示す。膜層４３０は、図１Ｃ、図３Ｃ及び図３Ｄに関して上述したように、第２の基板４４０上に形成される。図４Ｅ〜図４Ｇに示すように、膜層４３０は、図１Ｄ及び３Ｅ〜３Ｇに関して上述したように、第１の絶縁層４１０に接合される。他の実施形態では、膜アセンブリは、図２Ａに関して説明したように、第１の絶縁層４１０、膜層４３０、及び第１の絶縁層４１０と膜層４３０との間に位置する犠牲層を含む。
膜アセンブリは、第１の絶縁層４１０に取り付けられる。例えば、第１の膜層４３０は、チャネル４０８が位置する表面上の第１の絶縁層４１０に、図１Ｄを参照して前述した技術のいずれかを使用して接合される。次いで、第２の基板４４０は、図１Ｅまたは２Ｃを参照して説明した技術を用いて除去することができる。
図４Ｈは、一実施形態による、第１の膜層４３０を貫通する孔４３２を含む膜層４３０に接合された第１の絶縁層４１０の斜視図である。第１の膜層４３０の各孔４３２は、２つのチャネル４０８の各々の各端部に位置する各リザーバ４１５と実質的に位置合わせされるように位置する。機械的な力を利用して孔を、破壊して開放することができる。膜自体が非常に薄い（上記のように、１０〜１００ｎｍの間の）ので、孔を開放するのに使用される機械的な力の量は非常に少ない。
図４Ｉは、図４Ｈに示す軸Ｂに沿った側面図である。ここで、第１の膜層４３０は、第１の絶縁層４１０の上に位置付けられる。様々な実施形態において、第１の膜層４３０は、チャネル４０８の上に位置する部分内で薄くされてもよい。
図４Ｊは、第１の膜層４３０にナノポア４３４が作成された後のナノポアデバイスの断面図である。ナノポア４３４は、下にあるチャネル４０８がナノポア４３４の上の空間に流体接続されることを可能にする。ナノポア４３４は、図３Ｈ及び図３Ｉを参照して前述した方法を使用して作成することができる。
図４Ｋ及び４Ｌは、第２の膜層４７０の接合を容易にする第２の膜アセンブリを示す。より具体的には、図４Ｋ及び図４Ｌは、一実施形態による、第２の基板４６０の処理の断面図を示す。そのようなデュアル膜デバイスでは、孔４３２及びナノポア４３４が第１の膜層４３０において作成された後、第２の膜層４７０が、ナノポアデバイスに接合される。第２の膜層４７０は、図４Ｃ及び４Ｄに関して記載したものと同じ方法で、第２の基板４６０に取り付けられる。
図４Ｍ〜４Ｏは、一実施形態による、第２の膜層４７０の膜チャネル４７２のエッチングを示す。図４Ｍは、膜チャネル４７２が、第２の膜層４７０の軸Ａに沿って形成された斜視図を示す。図４Ｎは、軸Ａに沿った膜チャネル４７２の断面図を示している。膜チャネル４７２のエッチングは、第２の膜層４７０の第１の表面４２０上で行われ、第２の膜層４７０の第２の表面４２２は、第２の基板４６０と接触する。一実施形態では、膜チャネル４７２は、幅５μｍ、長さ３ｍｍである。いくつかの実施形態では、膜チャネル４７２の深さは、厚さが１００〜５００μｍであり得る第２の膜層４７０の厚さの約半分である。一実施形態では、第２の膜層４７０のこの膜チャネル４７２は、エッチングプロセスを使用して形成されるが、他の技術を使用してもよい。
図４Ｍを再び参照すると、第２の膜層４７０は、第２の膜層４７０を貫通する孔４７６、４７８を含んでもよい。各々の孔４７６または４７８は、機械的に生成またはエッチングされる。図４Ｍに示すように、２つの孔４７８が膜チャネル４７２の両端に位置している。第２の膜層４７０はまた、第１の絶縁層４１０のリザーバ４１５及び第１の膜層４３０の孔４３２と実質的に位置合わせされるように各々が位置する２つの孔４７６を含む。
図４Ｏは、一実施形態による、膜チャネル４７２の中心にナノポア４７４を含む第２の膜層４７０を示す。ポアは、機械的穿孔を使用して、または図３Ｈ及び３Ｉを参照して説明した別の同様の技術を使用して形成してもよい。
図４Ｐ及び４Ｑは、一実施形態による、第２の膜層４７０の第１の膜層４３０への取り付けを示す。図４Ｐは、膜チャネル４７２が、第１の絶縁層４１０における第１のチャネル４０８に対して（直角に）９０°の角度で配向するように第２の膜４７０が第１の膜層４３０に取り付けられていることを示す斜視図である。第１の絶縁層４３０における膜チャネル４７２及び第１のチャネル４０８は、互いの中間点を横切るようにまたはその中間点でさらに位置付けられる。
図４Ｑは、一実施形態による、軸Ｂに沿った第１の絶縁層４１０、第１の膜層４３０、及び第２の膜層４７０の断面図を示す。第２の膜層４７０は、上記セクションＩＶの図１Ｃ〜１Ｄに関して記載されたプロセスのいずれかを使用して第１の膜層４３０に接合され、第２の膜層４７０は（第１の絶縁層に取り付けられる膜層の代わりに）第１の膜層４３０に取り付けられる。これらのプロセスの終わりに、第２の基板４６０は、図１Ｅまたは図２Ｃを参照して上述した技術を用いて除去される。図４Ｑは、第１の膜層４３０に接触する第２の膜層４７０のごく一部を示しているに過ぎないが、膜チャネル４７２は、第２の膜層４７０の表面領域の比較的小さい部分のみを覆い、第２の膜層４７０の表面領域の残りの多くの部分は、第１の膜層４３０と直接接触していることに留意されたい。
別の実施形態では、第１の膜層４３０においてナノポア４３４を形成することとは別に、第２の膜層４７０にナノポア４７４を形成するのではなく、プロセスのこのステップで両方のナノポアが、共に形成されてもよい（すなわち、第１の膜層４３０及び第２の膜層４７０の接合後及び第２の基板４６０が除去された後の）。
図４Ｒ及び４Ｓは、一実施形態による、ナノポアデバイスへのカバー４５０の取り付けを示す。上述したように、カバー４５０は、絶縁材料から作製され、多数の孔４５２及び４５４を有する。例えば、カバー４５０は、中心孔４５４と４つの外側孔４５２を含んでもよい。２つの外側孔４５６は、第１の膜層４１０のチャネル４０８の末端に位置するリザーバ４１５と実質的に位置合わせされるようにカバー４５０において位置し、他の２つの外側孔４５８は、第２の膜層４７０の孔４７８と実質的に位置合わせされるように位置付けられる。図４Ｓは、一実施形態による、第２の膜層４７０に接合されたカバー４５０を示す。カバー４５０は、第２の膜層４７０と接触して載置され、例えば、図３Ｍに関して上述したように接合される。
図４Ｔ〜４Ｕは、一実施形態によるデュアル膜ナノポアデバイス４００の２つの異なる断面図を示す。図４Ｔは、軸Ｂに沿った断面を示し、図４Ｕは、軸Ａに沿った断面を示す。ナノポアデバイス４００は、複数の層から構成される。具体的には、第１の絶縁層４１０は、第１の絶縁層４１０の表面４１２及び第１の膜層４３０の第１の表面４１４を介して第１の膜層４３０に接合される。第１の膜層４３０は、第２の膜層４７０にさらに接合される。ここで、第１の膜層４３０の第２の表面４１６は、第２の膜層４７０の第１の表面４２０との接合を形成する。第２の膜層４７０は、カバー４５０にさらに接合されている。具体的には、第２の膜層４７０の第２の表面４２２は、カバー４５０の表面４１８に接合される。
両方の断面図において、第１の膜層４３０のナノポア４３４及び第２の膜層４７０のナノポア４７４は、お互いに及びカバー４５０の中心孔４５４と実質的に位置合わせされている。したがって、第１の膜層４３０のナノポア４３４は、第１の絶縁層４１０のチャネル４０８を第２の膜層４７０の膜チャネル４７２に流体接続する。第２の膜層４７０のナノポア４７４は、第２の膜層４７０の膜チャネル４７２をカバー４５０の中心孔４５０に流体接続する。
図４Ｔは、第２の膜層４７０の孔４７８と実質的に位置合わせされているカバー４５０の外側孔４５８を具体的に示している。このように、膜チャネル４７２は、カバーの外側孔４５８と流体接続している。図４Ｕは、第１の絶縁層４１０のチャネル４０８と流体接続している第２の膜層の孔４７６と実質的に位置合わせされているカバー４５０の外側孔４５６を具体的に示している。より具体的には、カバーの外側孔４５６は、第１の絶縁層４１０のリザーバ４１５（図４Ａに示す）と実質的に位置合わせされる。各々がチャネル（４０８または４７２）の異なる１つに関連付けられた孔４７６及び４７８の各々の対は、膜チャネル４７２がデュアルポア検知及び制御のための接地電極として作用するように、各ナノポア（４３４及び４７４）への分離した電気的アクセスを別々に可能にする。
Ｖ．マルチポアアレイデバイス
上記セクションＩ〜ＩＶに記載されたプロセスの変形を使用して、共通の第１の絶縁層を使用する多くの別個のマルチナノポアデバイスを含むナノポアアレイデバイスを製造してもよい。
図５Ａ〜５Ｂは、全てお互いに平行に配向された多数のチャネル５０８を含む第１の絶縁層５１０の斜視図及び断面図をそれぞれ示している。具体的には、図５Ｂは、図５Ａに示す軸Ｂに沿った断面図を示す。チャネル５０８は、上記図１に関して説明したものと同様である。各チャネル５０８は、各チャネル５０８の末端に各々位置する２つのリザーバ５１５を含む。様々な実施形態において、チャネル５０８は、図５Ａに示されるように、お互いにオフセットされる必要はない。
図５Ｃ〜５Ｅは、一実施形態による、複数のチャネル５０８を含む膜層５３０を第１の絶縁層５１０に接合するプロセスを示す。図５Ｃ及び５Ｄに関して、膜層５３０を第１の絶縁層に接合するために使用されるプロセスは、図１Ｂ〜１Ｅに関して記載したものと同じである。例えば、膜アセンブリ（第２の基板５２０及び膜層５３０を含む）は、膜層５３０を介して第１の絶縁層５１０に接合されることができ、その後、第２の基板５２０が除去される。図５Ｅに示すように、第２の基板５２０が除去された後、膜層５３０にナノポア５３４が生成される。膜層５３０の各ナノポア５３４は、第１の絶縁層５１０のチャネル５０８に対応する。上記のように、ナノポア５３４は、機械的な力またはエッチングプロセスを使用して作成することができる。
図５Ｆ及び５Ｇは、一実施形態による、アレイナノポアデバイスのカバー５５０を示す。図５Ｆに示すように、カバー５５０は、第１の絶縁層５１０の複数のチャネル５０８に対して垂直に延びる単一の共有チャネル５５８を含む。カバー５５０は、カバー５５０を貫通する複数の孔をさらに含む。より具体的には、一対の孔５７４は、カバー５５０の共有チャネル５５８の末端に位置する。追加の孔５５６は、第１の絶縁層５１０のリザーバ５１５と実質的に位置合わせされるように位置付けられる。図５Ｆに示すように、共有チャネル５５８は、第１の絶縁層５１０のチャネル５０８の１対のリザーバ５１５に対応する各々の対の孔の間に延びている。
図５Ｇは、図５Ｆに示す共有チャネル５５８を通る軸Ｂに沿ったカバー５５０の断面図を示す。共有チャネル５５８の両端において、孔５７４がカバー５５０を貫通している。
図５Ｈ及び５Ｉは、それぞれ、一実施形態による、カバー５５０の取り付け後のアレイナノポアデバイス５００の斜視図及びアレイ図である。カバー５５０は、図３Ｌ及び３Ｍを参照して先に説明した方法を使用して接合することができる。カバー４５０における共有チャネル５５８は、膜層５３０におけるナノポア５３４の場所と位置合わせされるように位置付けられる。このように、各ナノポア５３４は、対応するチャネル５０８をカバー５５０における共有チャネル５５８に流体接続する。
動作中、共有チャネル５５８は接地として動作する。試薬は、カバー５５０の孔５７４を通って共有チャネル５５８に加えられる。第１の絶縁層５１０における他の４つの直交チャネル５０８は、電圧を印加するため、及び／または対応するナノポア５３４を通るインピーダンス／電流の変化を検出するために使用される。
ＶＩ．機械的堅牢性の実施態様
上記のセクションＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ及びＶに記載された種々のナノポアデバイスのいずれも、ナノポアデバイスの機械的堅牢性を改善するために追加の支持構造を使用してもよい。
図６Ａは、一実施形態によるポストアレイ構造６０６を含む改変された第１の絶縁層６１０を示す。アレイ構造におけるポスト６０６は、半径または長さと幅の両方の寸法が狭く、したがって、「ポスト（柱、棒、杭）」という名称が付けられている。一実施形態では、ポストの半径／長さ／幅は２μｍである。ポスト６０６は、膜層６３０が第１の絶縁層６１０に接合されたときに膜層６３０と接触するように、第１の絶縁層６１０の非チャネル外部表面６１２と同じ高さである。その結果、ポスト６０６は、応力を分散させることによって、チャネル６０８において膜層６３０に機械的支持を提供する働きをする。
図６Ｂは、一実施形態による、例示的なチャネル６０８におけるポスト６０６の斜視図を示す。ポスト６０８は、第１の絶縁層６１０のチャネル６０８のいくつかの領域をエッチングされずに残すことによってチャネル６０８が作成されるのと同時に作製される。
図６Ｃは、一実施形態によるポスト６０６を含む第１の絶縁層６１０におけるチャネル６０８の斜視図を示す。ポスト６０６は、チャネル６０８の「中央」部分、すなわちチャネル６０８の両方の端部に位置する末端リザーバ６１５には位置しない、チャネル６０８の部分に形成される。これは、これらの部分が、リザーバ６１５を介して試薬を充填するなどの他の目的に使用され、ここでポスト６０６を追加することは、ユーザがこれらの作業を実行する能力を妨げるためである。さらに、これらの領域にポスト６０６を使用することによって得られる機械的堅牢性は、最小限になる。
ＶＩＩ．全体システム
図７は、一実施形態による、フローセルハウジング７５０内のナノポアデバイス３００を含む測定システム７００の断面図を示す。他の実施形態では、図４Ａ〜４Ｕに記載されたナノポアデバイス４００または図５Ａ〜５Ｉに記載されたナノポアデバイス５００は、図７に示されるフローセルハウジング７５０内に設置され得る。
図７に示すように、フローセルハウジング７５０は、ナノポアデバイス３００がフローセルハウジング７５０に対して並進固定および回転固定されるように、ナノポアデバイス３００とインターフェースする。例えば、フローセルハウジング７５０は、ナノポアデバイス３００を適所にクランプするように構成されてもよい。図７に示すように、フローセルハウジング７５０は、ナノポアデバイス３００のカバー３５０及びナノポアデバイス３００の第１の絶縁層３１０を介して、ナノポアデバイス３００とインターフェースする。フローセルハウジング７５０は、ナノポアデバイス３００が適所にクランプされるように、ナノポアデバイス３００の第１の絶縁層３１０に上向きの力を加え、カバー３５０に下向きの力を加えてもよい。
フローセルハウジング７５０は、ナノポアデバイス３００のナノポア３３４を通る移動事象の検出を可能にする様々な開放部で構成されてもよい。より具体的には、フローセルハウジング７５０は、ポート７２０を含むことができる。図７に示すように、ポート７２０ａ及び７２０ｂは、カバー３５０の孔３５２と実質的に位置合わせされている（さらに孔３５２は第１の絶縁層３１０のリザーバに位置合わせされている）。さらに、ポート７２０ｃは、膜層３３０のナノポア３３４の上に存在するカバーの中心孔３５４と実質的に位置合わせされている。フローセルハウジング７５０のポート７２０ａ及び７２０ｂを通じて溶液（例えば、１Ｍ塩化リチウムなどの緩衝液）を供給して、ナノポアデバイス３００のカバー３５０の対応する孔３５２に入れることができる。したがって、孔３５２に対応するポート７２０ａまたは７２０ｂを通じて供給されるこの溶液は、ナノポアデバイス３００のチャネル３０８ａ及び３０８ｂにそれぞれ入る。さらに、中心孔３５４に対応するポート７２０ｃを通じて供給される溶液は、膜層３３０及びナノポアデバイス３００のナノポア３３４と接触して存在する。ポート７２０ｃを通じて供給されるナノポアデバイス３００内のこの溶液は、以後、共通リザーバと称される。フローセルハウジング７５０のポート７２０は、ポートを通じてナノポアデバイス３００に供給される溶液が流体接続内に密封されたままであるように、シール可能である。
いくつかの実施形態では、フローセルハウジング７５０は、外圧を受け取るように各々構成された入口７１０も含んでもよい。一例として、入口７１０は、ガス源（例えば、ガスタンク）にさらに連結された管またはパイプと各々連結することができる。ガスは、窒素などの不活性ガスであってもよい。さらに、入口７１０は、受け取った外圧をチャネル３０８に導くように構成することができる。例えば、図７に示すように、入口７１０は、外圧をチャネル３０８に導くフローセルハウジング７００の壁に至ってもよい。したがって、溶液がポート７２０ａまたは７２０ｂを通じてカバー３５０の孔３５２に加えられると、入口７１０を通じて供給されるガスは、加えられた溶液を、チャネル３０８を通じてナノポア３４４に流すように圧力を加える。
いくつかの実施形態では、外部入力が必要でない場合、フローセルハウジング７５０は入口７１０を含まない。例えば、いくつかのシナリオでは、ナノポアデバイス３００のチャネル３０８は、溶液がポートを通じて孔３５２に供給されたときに、チャネル３０８における毛細管作用が、チャネル３０８を通じて溶液を流すのに十分であるように適切に設計され得る。
概して、フローセルハウジング７５０は、ナノポアデバイス３００が閾値幅よりも小さい幅を有するチャネル３０８を有するとき、入口７１０を含む。このシナリオでは、毛細管力は、閾値幅よりも小さい幅を有するこれらのチャネル３０８を通る流体の流れを駆動するには不十分である。別の例として、フローセルハウジング７５０は、ナノポアデバイス３００が閾値密度以上のチャネル３０８を有するとき、入口７１０を含む。このシナリオでは、流体は全てのチャネル３０８を通じて完全に流れることができず、したがって、外圧を受けるための入口７１０が必要である。代替的には、ナノポアデバイス３００が閾値幅より上または閾値密度よりも低いチャネル３０８を有する場合、フローセルハウジング７５０は入口７１０を含む必要はない。
フローセルハウジング７５０は、電圧を印加し、ナノポアデバイス３００における溶液中の電流を測定するように設計された電極を受け取るように構成されたスロット７１５をさらに含む。一例として、電極７５２は、スロット７１５を通って入り、第１の絶縁層３１０のチャネル３０８の末端であるリザーバ内の溶液と接触して存在してもよい。具体的には、スロット７１５ａを介して溶液と接触している第１の電極は、接地測定として機能する中心孔３５４に別の電極が存在する場合、電圧を印加し、ナノポア３３４ａを横切る電流を測定することができる。同様に、スロット７１５ｂを介して溶液と接触している第２の電極は、別の電極が接地測定として機能する中心孔３５４に存在する場合、電圧を印加し、ナノポア３３４ｂを横切る電流を測定することができる。
一例として、電極７５２（例えば、図７のリザーバ３１５内に存在する物体）は、金属（例えば、塩化銀Ａｇ／ＡｇＣｌ電極）であってもよい。電極７５２は、導電性金属（例えば、金）から構成される導電性トレース７５４と接触している。トレース７５４は、リザーバ３１５の表面、膜層３３０及びカバー３５０上に付着させることができる。トレース７５４は、フローセルハウジングの外部表面で終端してもよい。したがって、接触パッドとして具体化され得る終端部７５６は、インピーダンス変化を測定しかつ電極７５２を介して各チャネル３０８に電圧を印加する増幅器と接触することができる。いくつかの実施形態では、電極７５２は、リザーバ３１５、膜層３１０、カバー３５０、及びフローセルハウジング７５０の各々の表面上に付着されたトレース７５４と接触する必要はない。すなわち、電極７５２は、スロット７１５を通じて入る物理的に懸架された導電性ワイヤと接触することができる。
いくつかの実施形態では、中心孔３５４に対応するポート７２０ｃは、中心孔３５４内の溶液と接触したままの電極７５７を受け入れるようにも構成される。したがって、電極７５７は、電圧を印加することができ、または溶液に対して、ナノポア３３４を横切ってインピーダンスを測定することができる。共通リザーバは、接地の役割を果たしてもよい。図７に示すように、中心孔３５４の電極７５７は、カバー及びフローセルハウジング７５０の表面上に付着したトレース７５８と接触していてもよい。したがって、このような電極７５７のトレース７５８は、フローセルハウジング７５０の外部表面７５９で終端することができ、その結果、トレースの終端部に接触する増幅器が、インピーダンス変化を測定し、電極７５７を介して中心孔３５４内の溶液に電圧を印加することができる。
図７に示すように、スロット７１５、入口７１０、及びシール可能なポート７２０ａまたは７２０ｂのうちの１つは、各々、フローセルハウジングの共通キャビティ空間７２５に通じている。共通キャビティ空間７２５は、カバー３５０の孔３５２の上方に位置し、したがって、チャネル３０８の末端に位置するリザーバ３１５を介してチャネル３０８と流体接続している。したがって、ポート７２０ａまたは７２０ｂ、入口７１０、及びスロット７１５の各々は、それらの入力（例えば、ポート７２０ａまたは７２０ｂを介する溶液、入口７１０を介する外圧、及び７１５を介する電極）の各々が、一方向性であり、共通キャビティ空間７２５を介してナノポアデバイス３００に入るのを確実にするように構成されてもよい。例えば、溶液がポート７２０ａまたは７２０ｂを通じて供給される場合、溶液がナノポアデバイス３００にのみ入るように、入口７１０及びスロット７１５がシールされる。同様に、外圧が入口７１０を通じて供給されるとき、ポート７２０ａまたは７２０ｂ及びスロット７１５は、各々、外圧がナノポアデバイス３００のリザーバ３１５及びチャネル３０８内の溶液上に加えられるようにシールされる。
フローセルハウジング７５０は、光学顕微鏡がナノポアデバイス３００を撮像するために置かれ得る開口部７２０をさらに含む。すなわち、光学顕微鏡のレンズは、開口部７２０内で、ナノポアデバイス３００の第１の絶縁層３１０の底部表面７３０と接触して存在することができる。このシナリオでは、第１の絶縁層３１０は、光学顕微鏡によって放射され取り込まれる光の通過を最小限に抑える透明または半透明の層であってもよい。光学顕微鏡は、ナノポアデバイス３００のチャネル３０８を通る溶液の流れを撮像する倒立型顕微鏡であり得る。いくつかの実施形態では、光学顕微鏡は、ナノポアデバイス３００のチャネル３０８を流れる蛍光標識された分子（例えば、蛍光標識されたＤＮＡ）を撮影することができる蛍光顕微鏡である。
全体として、フローセルハウジング７５０は、いくつかの目的を達成する。第１に、フローセルハウジング７５０は、実施形態によっては、その小さなサイズのために手動で取り扱うことが困難であり得るナノポアデバイス３００の取り扱い及び操作を可能にする。第２に、フローセルハウジング７５０は、チャネル３０８の各々を通じる溶液の導入を容易にする。特定の実施形態では、ナノポアデバイス３００は、高密度のチャネルを有してもよく、したがって、フローセルハウジング７５０は、前述の外圧を利用して溶液が全てのチャネルを流れることを確実にすることができる。
しかしながら、様々な実施形態では、ナノポアデバイス３００を手動で取り扱うことができ、ナノポアデバイス３００のチャネル３０８に流体を容易に流すことができるので、測定システム７００は、フローセルハウジング７５０を含む必要はない。具体的には、ナノポアデバイス３００が閾値サイズ（例えば、センチメートルスケール以上）より大きい場合、ナノポアデバイス３００は、フローセルハウジング７５０を必要とせずに手動で操作することができる。また、先に説明したように、ナノポアデバイス３００のチャネル３０８の形状は、毛細管作用によりチャネルを通る溶液の流れを可能にするのに十分であり得る。この例では、フローセルハウジング７５０を必要とせずに、溶液及び／または試薬を、手動でナノポアデバイス３００のリザーバ３１５及びチャネル３０８にピペットで入れることができる。別の実施形態では、対照的に注入デバイスの要素は、溶液及び／または試料を、ナノポアデバイス３００のリザーバ３１５及びチャネル３０８に注入することができる。さらに、電極は、フローセルハウジング７５０を必要とせずに、リザーバ３１５内に手動で載置してもよい。
ＶＩＩＩ．実施例
ａ．実施例１：ナノポアを横切る分子移動事象の検出
図８Ａ及び図８Ｃは、例示的なナノポアデバイスの膜層における例示的なナノポアを示す。より具体的には、図８Ａ及び８Ｃに示されるナノポアは、図７の全体システムに示されるナノポア３３４、例えばセクションＩＩＩのプロセスに従って構築されたナノポアデバイスに対応する。具体的には、膜層は、膜層においてナノポアが生成される前に薄くされる。図８Ｂ及び図８Ｄは、それぞれ、図８Ａ及び８Ｃに示されるナノポアを通る移動事象に対応する電流測定値を示す。移動事象は、ナノポアを通過する分子を指す。一実施形態では、移動事象は、ナノポアを通過するＤＮＡ分子（長さが５．６キロ塩基対）を伴う。
より具体的には、図８Ｂは、ＤＮＡ分子が、ナノポアデバイスの共通リザーバから個別チャネルにナノポアを通過する際の電流測定値を示す。図７を参照すると、これは、ＤＮＡ分子がカバー３５０の孔３５４からナノポア３３４を通ってチャネル３０８へと移動することを指す。図８Ｂに示す実施例は、図８Ａの９．２２ｎｍのナノポアを横切る２００ｍＶの印加電圧に対応する。移動の発生は、３５．８５６秒〜３５．８６秒の間の約９６００ｐＡ〜９４００ｐＡの過渡的な電流変化（ピコアンペア単位）によって示される。
図８Ｄは、ＤＮＡ分子が、ナノポアを通って図８Ｂとは対向する方向に移動するときの電流測定値を示す。すなわち、ＤＮＡ分子は、ナノポアデバイスの個別チャネルからナノポアを通って共通リザーバへと移動する。図８Ｄに示す実施例は、図８Ｂの３２．８９ｎｍのナノポアを横切る４００ｍＶの印加電圧に対応する。移動の発生は、２４．２７６秒〜２４．２８秒の間の約６５０００ｐＡ〜６４６００ｐＡの過渡的な電流変化（ピコアンペア単位）によって示される。図８Ｂ及び図８Ｄにおいて観察される電流（ｐＡ）値の差は、ナノポア及び印加電圧の異なる特性（例えば、直径の大きさ）に起因する。
図８Ａ〜８Ｄの実施例は、移動の方向にかかわらず、移動事象が、電流の変化の測定に基づいて適切に検出され得ることを示す。このように、（ナノポアを有する）ナノポアデバイスは、分子自体を決定するために、または派生した推論のいくつかの他の形式を作製するために順番に使用することができる分子（例えば、ＤＮＡ、アミノ酸など）の移動事象を検出するために、使用することができる。
図９Ａ〜９Ｂは、セクションＩＩＩのプロセスに従って構築された例示的なナノポアデバイスのナノポアを通るラムダＤＮＡ移動事象に対応する例示的な測定値を示す。これらの実施例では、ラムダＤＮＡ分子は、２００ｍＶの印加電圧下で直径が約３０ｎｍのナノポアを通って共通リザーバから個別チャネルへと移動する。
具体的には、図９Ａは、上で参照した例示的なナノポアを通る単一のラムダＤＮＡ移動事象の例示的な電流測定値を示す。この移動事象では、印加された電圧で割った電流の平均変化である平均コンダクタンスシフトΔＧは、１．５ｍｓの期間で０．４ナノシーメンス（ｎＳ）である。
図９Ｂは、この実施例のナノポア及び対応するナノポアデバイスの様々なラムダＤＮＡ移動事象からの例示的なデータを含む散布図を示す。具体的には、散布図は、平均コンダクタンスシフト（ΔＧ）を持続時間の関数として示している。散布図に示されるように、ラムダＤＮＡ移動事象は、０．１ミリ秒〜１０ミリ秒の間の持続時間の間、０．２〜０．８ナノシーメンスの平均ΔＧに対応する。
ｂ．実施例２：ナノポアデバイスの改善されたノイズ性能
図１０は、シリコンベースのデバイス１０２５と比較して、ナノポアデバイス１０２０の改善されたノイズ性能を示す。図１０のデータを生成するために使用される例示的なナノポアデバイスは、図７に示されるナノポアデバイス３００であり、第１の絶縁層は、セクションＩＩＩに記載のプロセスに従って生成されるガラスから構成される。このナノポアデバイスは、２００ｍＶの電圧の印加下で、膜層の薄くされた５０ｎｍ部分内に位置する直径９ｎｍのナノポアを含む。シリコンベースのデバイスは、シリコン、窒化シリコン、及び二酸化シリコンの層を含み、３０ｎｍの窒化シリコン層に２２ｎｍのナノポアを含む。この比較例において使用されるようなシリコンベースのデバイスの生成に関するさらなる説明は、Ｎａｎｏｐｏｒｅ−ｂａｓｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｉｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ．８７０（Ｈｕｍａｎａ Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， ２０１２），ｐ．２４１に記載されている。
図１０は、各々の例示的なデバイスについてのノイズ信号のパワースペクトル密度（ＰＳＤ）を示す。各々のデバイスのＰＳＤノイズ推定値は、平均値を差し引いたベースライン電流の５００，０００サンプルに適用されたＷｅｌｃｈの方法（ハミングウィンドウ、５０％オーバーラップ）によって計算された。
ナノポアデバイスは、シリコンベースのチップと比較して、より高い周波数（例えば、３０ｋＨｚを超える）のノイズを減衰させる強力な能力を示す。その結果、ノイズ標準偏差（シグマ）とも呼ばれる二乗平均平方根（ＲＭＳ）は、ナノポアデバイスにとって有意に低い。３０ｋＨｚの帯域幅では、ＲＭＳは、ナノポアデバイスでは１２ｐＡであるが、シリコンベースのデバイスは、１８ｐＡのＲＭＳを有する。これは、ナノポアデバイスの優れたノイズ性能を示している。
集約（統合）されたノイズパワーは、ＲＭＳノイズ信号によって定量化され、これらのサンプルデバイスの両方を含む移動事象を検出するデバイスの検知分解能限界を決定する。電圧クランプ回路のアナログローパスフィルタを使用して高周波ノイズを減衰させ、そのフィルタの帯域幅を、性能要件を満たすように設定する。特に、帯域幅は、時間分解能限界を決定し、その帯域幅でのＲＭＳは、検出閾値によって振幅分解能限界を決定する。具体的には、１つの一般的なアプローチは、検出閾値をオープンチャネル信号のＲＭＳ（標準偏差）の６倍に設定することである。検出閾値の設定に関するさらなる詳細は、Ｍｏｒｉｎ ｅｔ ａｌ、「Ｎａｎｏｐｏｒｅ−Ｂａｓｅｄ Ｔａｒｇｅｔ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ」、ＰｌｏＳ Ｏｎｅ、１１（５）：ｅ０１５４４２６−２１、Ｍａｙ ２０１６に記載され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
したがって、検出されるためには、事象は（帯域幅の立ち上がり時間に対して）持続時間が十分に長く、（検出閾値に対して）減衰が十分に深い必要がある。したがって、与えられた帯域幅でのＲＭＳが小さいほど、検知分解能が向上する。図１０において、ＲＭＳは、ナノポアデバイスの３０ｋＨｚ帯域幅で１２ｐＡであり、シリコンベースのデバイスの同じ３０ｋＨｚ帯域幅で１８ｐＡのＲＭＳよりも５０％優れている。したがって、検出閾値は、ナノポアデバイスのベースラインより７２ｐＡ低く、シリコンベースのデバイスのベースラインより１２２ｐＡ低い。したがって、７２ｐＡ〜１１２ｐＡの深さを有する全ての移動事象は、シリコンベースのチップを使用して見逃されるが、ナノポアデバイスを使用するときに検出される。より大きいナノポアサイズ（＞２０ｎｍ直径）では、この改善された分解能は、標的による移動事象（例えば、僅か５０〜２００塩基対の長さの循環する腫瘍ＤＮＡ）を検出することと事象を完全に見過ごすこととの間の差異を表すことができる。
ｃ．実施例３：光学イメージングと電気ナノポアセンシングの組み合わせ
図１１Ａ〜Ｃは、セクションＩＩＩに記載された方法によって製作されたナノポアデバイスを使用した、光学イメージングと電気ナノポアセンシングの組み合わせを示す。具体的には、図１１Ａは、フローセルハウジング７５０の開口部７２０に位置する倒立光学顕微鏡によって撮影された、ナノポアデバイスにおけるチャネル１１０８を流れる溶液の画像を示す。図１１Ｂ〜Ｃに示されるように、光学イメージングに関連して、電気信号増幅器は、ナノポアデバイスにおける１つまたは複数のナノポアから時間変化する電気信号を記録する。
図１１Ａに示すように、蛍光標識された二本鎖ＤＮＡ（５．６キロ塩基対の長さ）をチャネル１００８ａに流し、それを蛍光光学顕微鏡によって撮影する。対向するチャネル１００８ｂは、この画像において空であるか、または蛍光標識された分子が残っていない。光学顕微鏡検査、電子顕微鏡検査などの他の形態の光学イメージングを実行してもよい。
図１１Ｂは、ＤＮＡ（長さ５．６キロ塩基対）が、第１のチャネルから共通リザーバへと移動するにつれて、第１のナノポアを横切る電圧及び電流の測定を具体的に示す。ここで、印加電圧は、１５０ｍＶである。分解された挿入図は、移動事象に対応する電流の検出された変化の拡大図を示す（１０〜１１秒間）。同時に、図１１Ｃに示すように、第２のナノポアの電圧及び電流の測定値も監視される。ここで、印加電圧は、３００ｍＶである。図１１Ｃの分解挿入図は、ＤＮＡが共通リザーバから第２のチャネルへと移動するＤＮＡ移動事象に対応する、その後の検出された電流変化（１５〜１６秒間）を示す。全体として、得られた光学的及び電気的データは、他の用途の中でもゲノムマッピングのために使用され得る。
ＩＸ．その他の考慮事項
本発明を上記の実施形態に関連して説明してきたが、前述の説明及び実施例は例示を意図しており、本発明の範囲を限定するものではないことを理解されたい。本発明の範囲内の他の態様、利点及び変更は、本発明が関係する当業者には明らかであろう。

Claims (24)

  1. ナノポアデバイスを備える測定システムであって、前記ナノポアデバイスが、
    絶縁基板であって、前記絶縁基板の一表面に形成された１つまたは複数の流体チャネルを備える、前記絶縁基板；
    中心孔及び複数の外側孔を備えるカバー；ならびに
    前記絶縁基板と前記カバーとの間に位置付けられた膜層であって、前記膜層の第１の表面が前記絶縁基板の前記表面に接合されている、前記膜層
    を備え、前記膜層が、
    １つまたは複数のナノポアであって、各々が前記絶縁基板の前記流体チャネルのうちの１つを前記カバーの前記中心孔に流体接続する、前記１つまたは複数のナノポア；
    複数の孔であって、前記膜層の各々の孔が、前記カバーの前記複数の外側孔のうちの１つと位置合わせされている、前記複数の孔；及び
    フローセルハウジングであって、前記フローセルハウジングが、前記フローセルハウジングに対する前記ナノポアデバイスの位置を固定するように構成され、
    複数のシール可能なポートであって、各々のシール可能なポートが、前記カバーの前記中心孔または前記複数の外側孔のうちの１つと位置合わせされるように構成されている、前記複数のシール可能なポート；
    少なくとも１つの電極であって、前記少なくとも１つの電極のうちの１つが、前記ナノポアデバイスにおける前記１つまたは複数の流体チャネルのうちの１つのリザーバ内に存在する、前記少なくとも１つの電極；及び
    前記少なくとも１つの電極のうちの１つが通過するスロット
    を備える、前記フローセルハウジング
    を備える、前記測定システム。
  2. 前記少なくとも１つの電極のうちの前記１つが、前記フローセルハウジングの外部表面で終端する導電性トレースと接触している、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記少なくとも１つの電極のうちの前記１つが塩化銀電極であり、前記導電性トレースが金金属である、請求項２に記載のシステム。
  4. 前記フローセルハウジングが、光学イメージングデバイスを受け入れるように構成された開口部をさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステム。
  5. 前記フローセルハウジングが、外部から加えられた圧力を受け入れて前記ナノポアデバイスの前記１つまたは複数の流体チャネルのうちの少なくとも１つの端部へと導くように構成された入口をさらに備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステム。
  6. 前記フローセルハウジングの前記複数のシール可能なポートのうちの１つ、前記入口、及び前記スロットが、前記フローセルハウジングの共通のキャビティに通じており、前記共通のキャビティが、前記ナノポアデバイスの前記１つまたは複数の流体チャネルのうちの１つと流体接続している、請求項５に記載のシステム。
  7. 前記絶縁基板の前記１つまたは複数の流体チャネルが、ポストのアレイを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム。
  8. 前記膜層が、
    第１の厚さを有する第１の部分；及び
    前記第１の厚さ未満である第２の厚さを有する第２の部分であって、前記１つまたは複数の流体チャネルの一部の上に位置している、前記第２の部分
    を備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載のシステム。
  9. 前記膜層の前記第１の部分が１００〜３００ｎｍの厚さを有し、かつ前記膜層の前記第２の部分が１０〜５０ｎｍの厚さを有する、請求項８に記載のシステム。
  10. 前記１つまたは複数のナノポアの各々が、前記膜層の前記第２の部分において生成されている、請求項８または９に記載のシステム。
  11. 前記１つまたは複数のナノポアの各々の直径が５〜５０ｎｍである、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のシステム。
  12. 前記絶縁基板の前記１つまたは複数の流体チャネルの各々が、前記流体チャネルの一端部にリザーバを含み、各リザーバが、前記カバー上の前記複数の外側孔のうちの１つの孔と位置合わせされている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のシステム。
  13. 各リザーバが、１００μｍ〜１ｍｍの直径を有する、請求項１２に記載のシステム。
  14. 前記絶縁基板の前記表面における前記１つまたは複数の流体チャネルの各々の深さが、０．１〜１０μｍである、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のシステム。
  15. 前記１つまたは複数の流体チャネルが第１の流体チャネルおよび第２の流体チャネルを含み、前記１つまたは複数のナノポアのうちの第１のナノポアが、前記第１の流体チャネルを前記カバーの前記中心孔に流体接続し、前記１つまたは複数のナノポアのうちの第２のナノポアが、前記第２の流体チャネルを前記カバーの前記中心孔に流体接続する、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のシステム。
  16. 前記１つまたは複数の流体チャネルが第１の流体チャネルおよび第２の流体チャネルを含み、前記第１の流体チャネルの一部分及び前記第２の流体チャネルの一部分が、互いに平行である、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のシステム。
  17. 前記第１の流体チャネル及び第２の流体チャネルが、前記第１の流体チャネルの前記部分及び前記第２の流体チャネルの前記部分に沿って互いに最も接近している、請求項１６に記載のシステム。
  18. 前記１つまたは複数の流体チャネルが第１の流体チャネルおよび第２の流体チャネルを含み、前記第１の流体チャネル及び第２の流体チャネルが、各々、屈曲点を形成している、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のシステム。
  19. 前記ナノポアデバイスの前記第１の流体チャネル及び前記第２の流体チャネルが、前記第１の流体チャネルの前記屈曲点及び前記第２の流体チャネルの前記屈曲点において、互いに最も接近した距離にある、請求項１８に記載のシステム。
  20. 前記第１の流体チャネルの前記屈曲点が前記第１の流体チャネルの中間点に位置しており、前記第２の流体チャネルの前記屈曲点が前記第２の流体チャネルの中間点に位置している、請求項１９に記載のシステム。
  21. 前記絶縁基板及び前記カバーが、各々、溶融シリカ、サファイア、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、石英、パイレックス、およびポリジメチルシロキサンのうちの１つから選択される絶縁体で構成されている、請求項１〜２０のいずれか一項に記載のシステム。
  22. 前記膜層が、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）またはシリカ（ＳｉＯ２）のうちの１つである、請求項１〜２１のいずれか一項に記載のシステム。
  23. 前記ナノポアデバイスが第２の膜層をさらに備え、
    前記第２の膜層の第１の表面が前記膜層の第２の表面に接合されており、かつ前記第２の膜層の第２の表面が前記カバーに接合されており、前記第２の膜層が、
    前記第２の膜層の前記第１の表面上の流体チャネル；及び
    前記第２の膜層の前記流体チャネル内に位置するナノポアであって、前記第２の膜層の前記ナノポアが、前記膜層の前記１つまたは複数のナノポアのうちの１つと位置合わせされている、前記ナノポア
    を備える、請求項１〜２２のいずれか一項に記載のシステム。
  24. 前記第２の膜層の前記流体チャネルが、前記絶縁基板の前記１つまたは複数の流体チャネルのうちの１つと直交している、請求項２３に記載のシステム。
JP2018549559A 2016-03-21 2017-03-20 ナノポアセンシングのための絶縁体−膜−絶縁体デバイスのウェハスケールアセンブリ Active JP6806787B2 (ja)

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