集成分析裝置及相關製造方法和分析技術的製作方法

2024-01-29 08:54:15

集成分析裝置及相關製造方法和分析技術的製作方法
【專利摘要】本發明涉及集成分析裝置及相關製造方法和分析技術。本發明提供了具有大尺度和納米尺度尺寸的部件的集成分析裝置，以及具有降低的背景信號並減少了置於裝置內的螢光團淬滅的裝置。還提供了製造這些裝置和使用這些裝置的相關方法。
【專利說明】集成分析裝置及相關製造方法和分析技術
[0001]本申請為國際申請日2009年6月5日、國際申請號PCT/US2009/046427於2011年1月31日進入中國國家階段、申請號200980130482.X、發明名稱「集成分析裝置及相關製造方法和分析技術」的分案申請。
[0002]相關申請
[0003]本申請要求2008年6月6日提交的美國專利申請N0.61/057，917的權益，其全部內容在此引為參考。

【技術領域】
[0004]本發明涉及納米流體學領域並涉及固態光學分析裝置領域。

【背景技術】
[0005]當前生物醫學分析的挑戰之一是充分解釋生物樣品的複雜性，這些樣品可具有極大異質性，並且在這些樣品中沒有兩個對象是完全相同的。給定樣品中少數的細胞或分子群體，往往是與患者的病理生理狀態最臨床相關的部分。
[0006]常規的大量溶液分析法可能平均化並掩蓋了異質樣品的小而重要的特徵，阻止了致病分子、特徵和事件的早期發現。隨著分子生物學技術的發展，對於以更高的分辨力和精確度分析越來越小的樣品存在著不斷增加的興趣。
[0007]單分子水平生物學的世界本質上處於微米及以下的尺度上。該領域中的一個挑戰是在與現有製造方法相容的固態材料上製造高質量的微米和納米流體結構。裝置內表面的光學純度在被設計用於單分子水平螢光成像的納米流體學中具有頭等重要性，這是因為光學背景汙染產生過量的自體螢光噪音，其降低了流體裝置的有效性。但是在常規半導體製造中，光學純度不被認為是重要的方面。
[0008]該領域面臨的另一個挑戰是將分子或其他靶從宏觀尺度環境(例如移液器)移動到微米或納米尺度區域，以及將這些分子和相關介質從微米或納米尺度區域移動到宏觀尺度的廢液出口或樣品收集池以用於進一步的下遊分析。
[0009]這樣的裝置必須容納尺寸範圍從釐米向下直到個位數納米(相差7個數量級)的部件，這表示需要將極寬的長度尺度範圍以允許可控和無滲漏運輸的方式集成在一起。
[0010]與生物和其他靶的運輸所呈現的問題相伴的，是在這些靶(即目標分子或細胞組分)上檢測發光標記物的挑戰，所述檢測可以在靶被置於封閉通道中時在靶上進行。這種檢測具有許多實際應用，特別是在納米流體學領域。
[0011]對於這種檢測來說，特別重要的是標記物的電磁信號與包含標記物的裝置的背景信號的信號-背景比率(SBR)(也稱為信噪比，S/N)。降低背景使SBR最大化，通過增加給定系統的動態範圍而增加了該系統的值。通過在裝置中在可能的最寬波譜範圍內降低構成裝置背景信號的電磁輻射，該值可以進一步增加。
[0012]某些基材例如矽，當在平的、開放式的矽基材上對螢光團成像時，正如在基於微陣列的應用中通常所出現的那樣，將淬滅螢光發射。為了防止這種淬滅，典型地使用基材塗層來降低或消除淬滅。但是，當整合在具有封閉通道的接合的流體裝置中時，塗層材料可能經常增加裝置的背景信號，這進而降低了裝置的性能，並實際上將一個問題(淬滅)轉變成另一個問題(背景增加)。
[0013]因此，在本【技術領域】中，對於表現出相對低水平的背景信號、同時還限制裝置中存在的螢光團或其他標記物的淬滅的裝置，存在著需求。在本【技術領域】中，對於製造具有這些特徵的裝置的相關方法，也存在著需求。


【發明內容】

[0014]在迎接所述挑戰中，本要求保護的發明首先提供了分析裝置，其包含第一基材；第二基材；第一入口，其貫穿第一基材、第二基材或兩者的至少一部分，以便使第一互連通道與分析裝置外部的環境流體連通；以及第一前端分支通道區，其包含至少一個其特徵為橫截面尺寸在約10，OOOnm以下的範圍內的主通道和至少兩個次級通道，使第一互連通道與納米通道分析區流體連通，所述納米通道分析區包含至少一個納米通道，所述納米通道的特徵為具有小於主通道的橫截面尺寸，並且其中主通道與納米通道的橫截面尺寸的比率在約100到約10，000的範圍內。
[0015]還提供了製造分析裝置的方法，所述方法包括將第一基材與第二基材接合，至少一個基材包含至少一個寬度在約1nm到約10，OOOnm範圍內的通道，接合產生了位於基材之間的封閉管道，封閉的管道能夠通過其運輸流體。
[0016]還提供了分析方法，其包括將大分子移位通過至少兩個寬度逐漸減小的通道，使得當大分子位於通道的最狹窄處時其至少一部分被拉長；最寬和最窄通道的寬度比在約I到約16的範圍內；當大分子位於通道具有1nm到約100nm寬度的第一區域中時，檢測來自大分子的信號；以及將該信號與大分子的性質相關聯。
[0017]還提供了分析裝置，其包含第一基材和第二基材，所述第一和第二基材限定了位於基材之間的通道，第一或第二基材中的至少一個允許至少部分通過其特徵為具有約1nm到約2500nm範圍內的至少一種波長的電磁輻射；覆蓋第一基材、第二基材或兩者的至少一部分的第一薄膜，第一薄膜的至少一部分限定了位於第一和第二基材之間的通道的至少一部分，並且當用波長在約1nm到約2500nm範圍內的電磁輻射對裝置進行照射時，與不具有所述第一薄膜的同樣裝置相比，第一薄膜使裝置的背景信號降低。
[0018]此外還提供了分析裝置，其包含基材，所述基材被構造成限定了封閉在基材內的通道，基材可以透過至少一種頻率分量在約1nm到約2500nm範圍內的電磁福射。
[0019]還提供了製造分析裝置的方法，其包含布置第一基材、第二基材和第一薄膜層，以便限定位於第一和第二基材之間的通道，選擇第一薄膜層使得當用波長在約1nm到約2500nm範圍內的電磁輻射對裝置進行照射時，與不具有所述第一薄膜的同樣裝置相比，所述層使裝置的背景信號降低；以及將第一薄膜層與第一基材、第二基材或兩者接合。
[0020]還提供了製造分析裝置的方法，其包括將犧牲模板置於包含透明波長在約1nm到約5000nm範圍內的電磁輻射的材料的工件內；去除犧牲模板的至少一部分以便產生位於工件內的通道，通道的至少一部分具有約5nm到約5000nm範圍內的橫截面尺寸。
[0021]還提供了分析螢光標記分子的方法，其包含將至少一部分螢光標記的分子置於分析裝置的通道內，所述分析裝置具有至少第一基材、第二基材和第一薄膜，其被構造成產生位於第一和第二基材之間的通道，第一薄膜與第一基材、第二基材或兩者接合，當用激發波長在約1nm到約2500nm範圍內的電磁輻射對樣品進行照射時，螢光標記的分子能夠發射發射波長的電磁輻射，當用激發波長的電磁輻射照射裝置時，與不含所述第一薄膜的相同裝置相比，第一薄膜降低了裝置的背景信號，以及收集從螢光標記的分子發出的發射波長的電磁輻射。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]當結合附圖閱讀時，概要以及下面的詳細描述將得到進一步理解。出於說明本發明的目的，在圖中顯示了本發明的示例性實施方案；但是，本發明不限於所公開的具體方法、組成和裝置。此外，圖不一定是按比例繪製的。在圖中:
[0023]圖1描繪了本發明裝置的示意圖；
[0024]圖2描繪了本發明的示例性裝置；
[0025]圖3描繪了本發明的示例性製造流程；
[0026]圖4描繪了兩個基材(基材A和B;基材之一適宜是透明的)的示例性製造流程，其中通道元件蝕刻在兩個基材中；
[0027]圖5描繪了具有2和4個埠的示例性納米裝置；
[0028]圖6描繪了多埠裝置設計的示例性實施方案；
[0029]圖7描繪了本發明的多級分支通道陣列；
[0030]圖8顯示了多層次、分支的互連通道陣列；
[0031]圖9顯示了具有分支通道和柱陣列的組合的裝置設計；
[0032]圖10描繪了具有排列成一系列連續相連的蛇形構造平行納米通道的單個長納米通道的設計；
[0033]圖11描繪了排列成一系列連續相連的平行納米通道的多個長納米通道；
[0034]圖12顯示了本發明的通道裝置的各種非限制性實施方案；
[0035]圖13描繪了本發明的裝置的橫截面圖，具有(a)在下部基材中形成的通道，(b)在下部和上部基材二者中形成的通道，以及(C)僅在上部基材中形成的通道，這三個實施方案每個都描繪了上部和下部薄膜；
[0036]圖14描繪了本發明的裝置的橫截面圖，具有(a)在下部基材中形成的通道，(b)在下部和上部基材中形成的通道，以及(C)僅在上部基材中形成的通道，這三個實施方案每個都只描繪了主要與下部基材相符合的單一薄膜；
[0037]圖15描繪了本發明的裝置的橫截面圖，具有(a)在下部基材中形成的通道，(b)在上部和下部基材中形成的通道，以及(C)僅在上部基材中形成的通道，這三個實施方案每個都只描繪了主要與上部基材相符合的單一薄膜；
[0038]圖16描繪了本發明的裝置的橫截面圖，具有(a)在兩個薄膜的下部薄膜中形成的通道，(b)在上部和下部薄膜中形成的通道，以及(C)僅在上部薄膜中形成的通道；
[0039]圖17描繪了本發明的裝置的操作，在(a)中顯示了位於根據本發明製造的裝置中的螢光標記樣品的激發，以及收集從被激發樣品發出的、透過與激發輻射所通過的相同的基材和薄膜層的輻射，並且在(b)中顯示了位於根據本發明製造的裝置中的螢光標記樣品的激發，以及收集從被激發樣品發出的、透過與激發輻射所通過的不同的基材和薄膜層的輻射；
[0040]圖18顯示了在約Onm到約217nm的輻射波長處獲取的在通道底部設有S1x薄膜的封閉通道的背景測量；
[0041]圖19顯示了在約Onm到約217nm的輻射波長處獲取的在通道底部設有SiNx薄膜的封閉通道的背景測量；
[0042]圖20顯示了在約653nm的激發輻射波長處獲取的在陣列底部設有S1x薄膜的納米通道陣列的圖像以及在該陣列內存在的T0T0-3標記的DNA的圖像；以及
[0043]圖21顯示了在約653nm的激發輻射波長處獲取的在陣列底部設有SiNx薄膜的納米通道陣列的圖像以及在該陣列中駐留的T0T0-3(螢光團)標記的DNA的圖像。

【具體實施方式】
[0044]通過參考下面的詳細描述，同時結合形成了本公開的一部分的附圖和實施例，可以更容易地理解本發明。應該理解，本發明不限於本文描述和/或顯示的具體裝置、方法、應用、條件或參數，並且本文中使用的術語僅僅是出於描述作為實例的具體實施方案的目的，而不打算限制本發明。此外，當在包括權利要求書的說明書中使用時，除非上下文另有明確指明，否則不帶具體數量指示的名詞包括其複數，並且提到具體數值時至少包括該具體值。本文中使用的術語「多個」是指多於一個。當表述值的範圍時，其它實施方案包括從一個具體值和/或到另一個具體值。同樣地，當通過使用先行詞「約」將值表示成近似值時，應該理解該具體的值形成了另一個實施方案。所有範圍是包含性的和可組合的。
[0045]應該理解，為了清楚起見，本發明的某些特點在本文中描述在分開的實施方案的內容中，它們也可以組合提供在單一實施方案中。相反，出於簡便而描述在單一實施方案的內容中的本發明的各種不同特點，也可以分開或以任意子組合形式提供。此外，以範圍形式陳述的值包括該範圍內的每個和所有值。
[0046]術語:
[0047]當在本文中使用時，「流體元件」是指能夠包含或接納流體的部件，例如通道、溝、凹槽、？U門、洞、通路等。
[0048]本文中使用的「橫截面尺寸」是指寬度、直徑、深度或其他橫貫的測量值。
[0049]本發明首先提供了分析裝置。這些裝置適合包含尤其是第一基材和第二基材。適合的基材材料在本文別處描述，並包括例如矽、玻璃和石英。
[0050]裝置還包括第一入口，其貫穿第一基材、第二基材或兩者的至少一部分，以便使第一互連通道與分析裝置外部的環境流體連通。
[0051]在裝置中還存在第一前端分支通道區，該區域包含至少一個其特徵為橫截面尺寸在約10，OOOnm以下的範圍內的主通道和至少兩個次級通道，使第一互連通道與納米通道分析區流體連通。分支通道排列方式顯示在例如圖5(b)、7 (c)和8(c)中，所述圖顯示了主通道被分成較小的次級通道。
[0052]納米通道分析區適合包括至少一個納米通道，通道特徵為具有小於主通道的橫截面尺寸。主通道與納米通道的橫截面尺寸的比率在約100到約10，000、或約1000到約5000的範圍內，或甚至約2000。
[0053]基材可以是許多不同材料。第一基材、第二基材或兩者適合是娃、SiGe、Ge、應變娃、GeSbTe, AlGaAs, AlGaInP, AlGaN, AlGaP, GaAsP, GaAs, GaN、GaP, InAlAs、InAlP、InSb、GaInAlAs、GaInAlN、GaInAsN、GaInAsP、GaInAs、GaInN、GaInP、GaSb、InN、InP、CdSe 或 CdTe。鋅化合物例如硒化鋅(ZnSe)、HgCdTe、ZnO、ZnTe和硫化鋅(ZnS)也都是有用的。
[0054]基材材料的名單還包括鋁、氧化鋁、不鏽鋼、Kapton(TM)、金屬、陶瓷、塑料、聚合物、藍寶石、碳化娃、絕緣體上的娃(SOI) > astrosital、硼酸鋇、氟化鋇、軟秘礦晶體BGO/BS0/BT0、鍺酸鉍、方解石、氟化鈣、碘化銫、Fe = LiNbO3、熔融石英、石英、熔融二氧化矽、玻璃、S12、鎵、釓榴石、磷酸二氫鉀(KDP)、溴碘化鉈(KRS-5)、磷酸鈦氧鉀、鑰酸鉛、氟化鋰、碘酸鋰、鈮酸鋰、鉭酸鋰、氟化鎂、溴化鉀、二氧化鈦、氯化鈉、二氧化碲、硒化鋅、旋壓玻璃、可UV固化的材料、鈉鈣玻璃、任何上述化合物的氫化形式、上述化合物的化學計量變化形式或其任何組合。在某些實施方案中，基材是不透光的，在其他實施方案中，基材基本上透過可見光或至少一種波長的電磁輻射。
[0055]適合的第一基材具有約1nm到約10，000nm、或約10nm到約lOOOnm、或約200nm到約500nm的厚度。第二基材可以具有同樣範圍的厚度；兩種基材可以具有相同厚度或不同厚度。
[0056]入口的橫截面適合是圓形的(例如圖1)，儘管也可以使用其他斷面。入口適合具有約5微米到約5000微米、或約10微米到約100微米範圍內、或約50微米的直徑或其他橫截面尺寸。入口可以貫穿基材的厚度，或部分貫穿基材。埠可以被塞住或蓋住，也可以包括閥或其他密封件。
[0057]出口適合具有與入口相似的尺寸，儘管給定裝置上的入口和出口不是必需具有同樣尺寸。埠適合貫穿基材的整個厚度，儘管也可以使用僅僅貫穿基材的一部分的入口(和出口)。
[0058]本發明的互連通道適合具有約10nm到約100微米、或約500nm到約50微米、或約I微米到約10微米範圍內的深度。互連通道還適合具有約500nm到約1000微米、或約I微米到約50微米、或約10微米到約50微米範圍內的寬度。互連區顯示在例如圖5中。
[0059]在某些構造中，互連通道可以連接兩個或以上的入口，並且也可以與分支區的一個、兩個、三個或以上的主通道流體連通，如圖5中所示。在某些實施方案中，分支區與入口直接流體連通，不需要居間的互連區。
[0060]在本發明裝置的分支(或分叉)區中，主通道適合具有約1nm到約10，OOOnm範圍內、或約50nm到約100nm範圍內、或約75nm到約200nm範圍內的寬度。主通道的最適寬度將取決於用戶的需要。
[0061]主通道可以具有約1nm到約lOOOnm、或約50nm到約500nm、或甚至約10nm到約200nm範圍內的深度。
[0062]前端分支通道區適合包含分流劈(splitter)結構，其將主通道分成至少兩個次級通道，例如圖7中所示。在某些實施方案中(參見圖7)，分流劈結構包含至少一個相對於主通道的中心線成約O到約90度角的表面。在圖7中所示的非限制性實施方案中，分流劈包含在圖7(c)頂部顯示的相對於主通道的中心線成O到90度之間的角的表面。
[0063]在這樣的實施方案中，次級通道的寬度適合在主通道寬度的約30%到約70%的範圍內，或為主通道寬度的約45%到55%。在某些實施方案中，次級通道的橫截面積為主通道橫截面積的約50%。在其他實施方案中，一個次級通道與另一個次級通道在橫截面積、寬度、深度或其某些組合方面不同。在其他實施方案中，次級通道彼此之間尺寸相似或甚至相同。
[0064]次級通道可以具有約1微米到約500微米、或約10微米到約100微米範圍內的長度。次級通道可以具有相同或不同的長度。
[0065]在某些實施方案中(例如圖7、圖8)，次級通道被具有至少一個相對於次級通道的中心線成約0到約90度角的表面的分流劈分成兩個三級通道。這由圖7的非限制性實施方案所顯示。
[0066]在本發明的某些構造中，分流劈結構包括曲線形(countered)的部分，例如圖8中所示。這樣的分流劈結構適合被構造成使得由梯度推動通過主通道的流體運送體(fluidborne body)以基本上相同的可能性進入分流劈結構下遊的任一次級通道，如圖8(c)中所示。正如該圖所示，分流劈的形狀和構造使得跨裝置施加的電場的場力線引起通過該區域的靶(例如DNA或其他生物聚合物)基本上相等地分布到顯示在圖的底部的四個三級通道內。
[0067]分流劈可以被構造成限定突出部，所述突出部將次級通道的至少一部分與主通道遮蔽開，如圖8中所示。突出部可以被構造成使得該突出部在次級通道寬度的約5%到約50%的範圍內。
[0068]次級通道的寬度可以在主通道寬度的約30%到約70%的範圍內，或甚至為主通道的50%。正如在本文中別處所描述的，次級通道所具有的橫截面積可以在主通道橫截面積的約30%到70%的範圍內，或甚至約為主通道橫截面積的50%。
[0069]本發明裝置的納米通道分析區中的納米通道適合具有約lnm到約lOOOnm、或約10nm到約lOOnm、或甚至約50nm到約80nm範圍內的寬度。納米通道可以具有約10nm到約500nm、或約20nm到約200nm、或甚至約50nm到約lOOnm範圍內的深度。
[0070]在某些構造中，納米通道具有至少一個線性區段，其具有約0.1微米到約50微米範圍內的長度。線性區段顯示在圖10、圖11和圖12中。納米通道可以包含至少約30度、至少約90度的彎曲或曲線，或甚至約180度或以上的彎曲。在某些實施方案中，納米通道是圓形或甚至可以是螺旋構造的。
[0071]納米通道可以具有恆定的寬度和深度，但是也可以具有變化的寬度、變化的深度或兩者。通道可以是曲折形式的(圖12)，或可以具有起伏的底面，使通道沿著其長度具有變化的深度。
[0072]在某些實施方案中，例如在圖5(b)中所示，納米通道分析區與第一後端分支通道區流體連通。後端分支區適合與前面描述的前端分支區類似，並且特徵是位於前端分支通道區的下遊。給定裝置上的前端和後端區域可以彼此相同或不同。裝置也可以含有第二互連通道(圖5(b))，其與埠(入口或出口)、與分支區(圖5(b))或兩者流體連通。主通道也可以與第二互連通道、或甚至與第二(例如出口)埠流體連通。
[0073]在某些實施方案中，埠的橫截面尺寸與至少一個納米通道的橫截面尺寸的比率在約1到約107的範圍內。在某些情況下，比率是100、1000或甚至10，000。該比率證明本發明的裝置適合於運輸(以及分析)從微米(或更大)尺度環境運輸到納米尺度環境的靶。
[0074]這種將靶從大尺度環境可控地移位到微米或納米尺度環境的能力是極有價值的，因為它使用戶能夠從大體積樣品(典型為分散在流體中的分子或其他靶)開始，然後利用本發明的裝置可控地從大的樣品中分離單一靶。此外，本發明允許用戶在納米尺度環境、例如通道中分離單個靶。因此本發明使用戶能夠對先前與許多其他分子一起分散在大體積介質中的個體分子進行單分子分析。
[0075]在某些實施方案中，納米通道分析區和分支通道區位於同一平面內。在其他實施方案中，它們位於不同平面內。納米通道分析區可以與第二納米通道分析區流體連通，所述第二納米通道分析區位於與第一納米通道分析區不同的基材中。在這樣的實施方案中，可以構建層疊的或三維的多分析區裝置，並且可以構建包含多個納米通道分析區的集合裝置(meta-device)。
[0076]還提供了製造分析裝置的方法。這些方法尤其包括將第一基材與第二基材接合，所述基材的至少一個包括至少一個寬度在約1nm到約10，OOOnm範圍內的通道,接合產生了位於基材之間的封閉管道，所述封閉管道能夠在其中運輸流體。
[0077]接合可以通過陽極接合、熱接合或其任何組合來實現。也可以使用化學接合。用於S1-玻璃裝置的陽極接合的樣品處理條件，在本文別處描述。
[0078]方法可以包括將薄膜置於第一基材、第二基材或兩者的至少一部分的頂上，所述薄膜可以置於位於基材中的任何通道的至少一部分內。薄膜可用於增強基材之間的接合。
[0079]作為一個非限制性的實例，二氧化矽(或氮化矽)薄膜可用於增強(或甚至造成)矽基材與玻璃或其他基材之間的接合。也可以選擇薄膜，以使封閉管道的內部的至少一部分與至少一個基材電絕緣。正如在本文中別處更詳細描述的，薄膜可用於將管道的至少一部分與基材遮蔽開，其可以防止基材淬滅位於管道中的螢光團。
[0080]薄膜可以布置成將封閉管道的橫截面積減小到預定值，這種減小通過構建通道的底面和側壁以便減小可用於液體在管道中流動的橫截面來實現。薄膜可以布置成將橫截面積減少至少約1%、至少約5%、或甚至至少約10%或甚至25%。薄膜甚至可以布置成完全填充通道。通道可以在薄膜中蝕刻出，例如在圖4和圖16中所示。
[0081]基材可以包括兩個或多個通道。兩個基材可以各自包含至少一個通道，以便接合產生位於基材之間的兩個或多個封閉管道。在兩個基材都包含通道的實施方案中，可以將基材接合，以便通道至少部分彼此對齊(例如圖13)。
[0082]在某些實施方案中，得到的裝置的兩個管道的寬度比在約I到約17的範圍內，或在約100到約10,000的範圍內，或甚至約為1000。
[0083]在某些實施方案中，第一基材、第二基材或兩者包含電介質。第一基材、第二基材或兩者可以包括半導體材料或甚至導體材料。一個或兩個基材適合透過至少一種波長的電磁輻射，或甚至透過可見光。
[0084]還提供了分析方法。方法適合包括將大分子移位通過至少兩個寬度逐漸減小的通道，使得當大分子位於通道的最狹窄處時其至少一部分被拉長，最寬和最窄通道的寬度比率在約I到約107、或甚至約100到約15的範圍內。在某些實施方案中，將大分子移位通過寬度或橫截面積逐漸減小的單通道，沿著通道的各種寬度符合上面提到的比率。
[0085]在某些實施方案中，用戶可以將靶移位通過橫截面尺寸在釐米範圍內的入口，並且靶最終到達橫截面尺寸在納米範圍內的通道。
[0086]方法還包括當分子駐留在具有1nm到約lOOOnm、或約50nm到約500nm、或約10nm到約200nm寬度的第一通道區域中時，檢測來自分子的信號。
[0087]然後用戶可以將信號與大分子的性質相關聯。例如，在將樣品暴露於與樣品上的獨特DNA序列結合的螢光標籤之後，用戶就可以質詢樣品以確定樣品上是存在(還是不存在)螢光標籤。用戶也可以將信號的持續時間與大分子的長度或其他性質、乃至大分子通過裝置的速度相關聯。
[0088]信號不必由螢光分子發出；信號可以是磁性或放射性的。在某些實施方案中，當靶位於通道(或管道)中時，用戶可以對其進行光學檢測。信號可以是標記物激發所產生的信號，或者它可以是通過照射樣品所產生的信號或反射。在可以進行樣品的光學檢測或信號包括電磁輻射的實施方案中，理想的、儘管不是必需的，至少一個基材(和任何居間的薄膜)是透明的。
[0089]移位可以通過施加電梯度、壓力梯度、磁場、熱梯度或其任何組合來實現。移位可以包括施加恆定的梯度或變化的梯度。
[0090]方法還包括將大分子移位通過至少兩個寬度逐漸增加的通道。在某些實施方案中，梯度的方向可以被逆轉，以逆轉大分子的方向，使得至少一部分大分子重新進入通道的第一區域。因此用戶可以使靶大分子在給定裝置中來回移動。
[0091]這種來回控制類似於在磁帶播放機中磁帶的前進和倒回，在分析大分子或其他靶中是有用的，因為用戶可以使靶通過納米通道分析區，然後通過逆轉梯度「倒回」大分子，然後重新分析同一個分子。這使用戶能夠容易地重複測量給定的靶，允許用戶快速積累一大組(即統計上有用的)測量值。調整梯度的能力也允許用戶將靶快速前進(或「快進」)通過分析裝置的一部分，然後使靶減慢以進行分析。
[0092]檢測適合通過光學、電學、磁學、電磁學手段或其組合來實現。光子計數器和顯微鏡適合用於執行本發明的檢測。
[0093]另一方面，本發明提供了分析裝置。這些裝置適合包含第一基材和第二基材，第一和第二基材限定了位於基材之間的通道，第一或第二基材中的至少一個允許其特徵為具有約10nm到約2500nm範圍內的至少一種波長的電磁福射至少部分通過；第一薄膜，其覆蓋第一基材、第二基材或兩者的至少一部分。
[0094]薄膜可以是單層材料。基材可以被多個薄膜覆蓋，並且薄膜自身可以由單一材料或材料的組合構成。基材可以被一個、兩個、三個或更多個獨立的薄膜覆蓋。在某些實施方案中，基材或薄膜可以用作波導或照明源，以加強位於裝置中的靶的觀察。
[0095]第一薄膜的至少一部分適當限定了位於第一和第二基材之間的通道的至少一部分，並且當用波長在約10nm到約2500nm範圍內的電磁輻射對裝置進行照射時，與不具有所述第一薄膜的同樣裝置相比，第一薄膜使裝置的背景信號降低。
[0096]薄膜適合與第一基材、第二基材或兩者接合。基材適合互相接合，並且可以通過薄膜進行接合。在某些實施方案中，薄膜與基材接合。在某些實施方案中，薄膜可以彼此接合。
[0097]第一薄膜適合包含氮化矽。第一薄膜也可以包含例如氧氮化矽、S1xNy、氫化二氧化矽、氫化氮化矽、氫化氧氮化矽、高K電介質、含鈦化合物:TiS1、T1、TiN、氧化鈦、氫化氧化鈦、氮化鈦、氫化氮化鈦、TaO、TaS1、Ta0xNy、Ta205、TaCN、氧化鉭、氫化氧化鉭、氮化鉭、氫化氮化鉭。
[0098]包含鉿的化合物也是適合的，並包括Hf02、HfSi02、HfZr0x、HfN、HfON、HfSiN、HfS1N、氧化鉿、氫化氧化鉿、氮化鉿、氫化氮化鉿、Zr02、ZrSi02、ZrN、ZrSiN、ZrON、ZrS1N、氧化鋯、氫化氧化鋯、氮化鋯、氫化氮化鋯、Al203、AlN、TiAlN、TaAlN、WAlN、氧化鋁、氫化氧化鋁、氮化鋁、氫化氮化鋁。
[0099]適合的材料還包括WN、低K電介質、摻氟二氧化矽、摻碳二氧化矽、多孔二氧化矽、多孔摻碳二氧化矽、旋壓有機聚合電介質、石墨、石墨烯、碳納米管、塑料、聚合物、有機分子、自組裝單層、自組裝多層、脂雙層、上述任何化合物的氫化形式、任何上述物質的化學計量變化形式，及其組合。
[0100]第一基材、第二基材或兩者可以包含玻璃、矽或二者的組合。在某些實施方案中，一個或兩個基材包含石英、熔融二氧化矽、藍寶石、碳化矽、蘇打石灰、鍺、鍺矽、鎵、銦、鎘、鋅、鋁、不鏽鋼、Kapton(TM)聚合材料、聚合物、半導體材料、金屬、陶瓷等。基材也可以包含這些材料的組合。
[0101]至少一個基材適合可以透過至少一種電磁輻射頻率。在某些實施方案中，一個或兩個基材對可見光是基本上透明的。這種透明性便於可能位於裝置內的靶(例如螢光標記的大分子)的觀察。
[0102]適合的玻璃包括Schott Borof 1at (TM) 33 玻璃、Pyrex 7740 (TM)玻璃、HoyaSD2 (TM)玻璃、其組合等。
[0103]基材適合具有約0.0lmm到約5mm、或約0.1mm到約Imm範圍內、或甚至約0.5mm的厚度。
[0104]第一薄膜可以具有約Inm到約5000nm、或約1nm到約lOOOnm、或約50nm到約500nm、或甚至約10nm到約200nm範圍內的厚度。
[0105]本發明裝置的管道適合具有約5nm到約5mm、或約1nm到約1mm、或約50nm到約I微米、或約10nm到約500nm範圍內的寬度。通道適合具有約5nm到約1mm、或10nm到約100nm範圍內的深度。
[0106]裝置還可以包含第二薄膜。適當選擇第二薄膜，使得當用波長在約1nm到約2500nm範圍內的電磁輻射對裝置進行照射時，與不具有所述第二薄膜的同樣裝置相比，裝置的背景信號降低。氮化矽被認為特別適合用作薄膜。
[0107]在第二薄膜中也可以使用其他材料。這些材料尤其包括氧氮化矽、S1xNy、氫化二氧化矽、氫化氮化矽、氫化氧氮化矽、高K電介質、含鈦化合物:TiS1、T1、TiN、氧化鈦、氫化氧化鈦、氮化鈦、氫化氮化鈦、TaO> TaS1、TaOxNy> Ta2O5> TaCN、氧化鉭、氫化氧化鉭、氮化鉭、氫化氮化鉭、含鉿化合物:Hf02、HfS12, HfZrOx, HfN, HfON, HfSiN, HfS1N、氧化鉿、氫化氧化鉿、氮化鉿、氫化氮化鉿、ZrO2, ZrS12, ZrN, ZrSiN, ZrON, ZrS1N、氧化鋯、氫化氧化鋯、氮化錯、氫化氮化錯、A1203、AIN、TiAIN、TaAIN、WAIN、氧化招、氫化氧化招、氮化招、氫化氮化鋁、SiN, WNjgK電介質、摻氟二氧化矽、摻碳二氧化矽、多孔二氧化矽、多孔摻碳二氧化娃、旋壓有機聚合電介質、石墨、石墨烯、碳納米管、塑料、聚合物、有機分子、自組裝單層、自組裝多層、脂雙層、上述任何化合物的氫化形式、任何上述物質的化學計量變化形式、其組人坐I=I 寸 O
[0108]第二薄膜適合具有約Inm到約5000nm、或約10nm到約100nm,、或甚至約300nm到約500nm範圍內的厚度。可以選擇薄膜以阻止或減少位於裝置中的螢光分子被暴露於第一基材、第二基材或二者所淬滅。還可以選擇薄膜以降低裝置發出的背景信號。
[0109]本發明還提供了分析裝置。這些裝置適合包含基材，所述基材被構造成限定了封閉在基材內的通道，並且所述基材可以透過至少一種頻率分量在約1nm到約2500nm範圍內的電磁輻射。
[0110]通道適合以管道為特徵，儘管其他構造也在本發明的範圍內。通道也適合具有至少一個在約5nm到約5mm範圍內、或約50nm到約500nm、或甚至約75nm到約10nm範圍內的橫截面尺寸(例如寬度、直徑)。通道適合由氮化矽形成，但是也可以使用基本上可以透過至少一種波長的電磁輻射的其他材料。
[0111]氮化矽被認為是特別適合的，這是因為如本文別處所述，該材料可充分透過可見光(或其他波長)，從而便於放置在其中的樣品的觀察。此外，正如圖19所示，氮化矽不對位於附近的螢光團執行淬滅，這進一步便於位於裝置中的標記的靶的分析。
[0112]還提供了製造分析裝置的方法。這些方法尤其包含布置第一基材、第二基材和第一薄膜層，以便限定位於第一和第二基材之間的通道。
[0113]適當選擇第一層，使得當用波長在約1nm到約2500nm範圍內的電磁輻射對裝置進行照射時，與不具有所述薄膜的同樣裝置相比，所述層使裝置的背景信號降低。第一薄膜層適合與第一基材、第二基材或兩者接合。
[0114]某些基材(例如石英與石英)可以彼此直接接合。在某些實施方案中，基材通過薄膜彼此接合；薄膜可以接合到一個或多個基材上，甚至可以接合到另一個薄膜上。正如別處所述，薄膜(例如氧化物)可以增強(或甚至產生)兩個基材之間的接合。
[0115]第二薄膜層可以與第一基材、第二基材、第一薄膜層或其組合接合。接合可以是陽極、熱、化學接合，或者通過本【技術領域】的專業人員已知的其他方法。
[0116]適當選擇第一薄膜層(或其他薄膜層)，使得薄膜層減少(或最小化)位於裝置內的螢光團的淬滅。不受任何具體理論的限制，薄膜可以用作螢光團與一個或多個裝置基材之間的遮蔽物。
[0117]在某些實施方案中，薄膜用於在螢光團與基材之間提供物理分離；沒有薄膜，螢光團將駐留在與基材材料相對接近，當螢光團駐留在作為「暗井」的通道內時，螢光團可能被基材材料降低或淬滅。氮化矽被認為是用於減少淬滅的適合材料。
[0118]還提供了製造分析裝置的方法。這些方法包含將犧牲材料或模板置於包含透過波長在約1nm到約5000nm範圍內的電磁輻射的材料的工件內。然後用戶去除犧牲模板的至少一部分以便產生位於工件內的通道，並且通道的至少一部分具有約5nm到約5000nm範圍內的橫截面尺寸。
[0119]在一個實施方案中，將管、索或其他犧牲材料包埋在透過輻射的材料中；這可以通過平版印刷工藝、通過透過輻射材料的軟化或通過其他方法來實現。然後通過加熱、蝕刻、汽化或其他方法去除犧牲材料，以便在透過輻射基材中留下通道。因此，控制犧牲材料的尺寸和取向，使用戶能夠獲得各種不同尺寸和幾何形狀的通道。
[0120]通道適合具有至少一個在約5nm到約5000nm、或約1nm到約lOOOnm、或約50nm到約500nm範圍內的橫截面尺寸(例如直徑、寬度或甚至深度)。通道可以具有恆定的橫截面或變化的橫截面。給定裝置可以包含兩個或多個通道，所述通道可以彼此流體連通。
[0121]還提供了分析螢光標記分子的方法。方法包含將螢光標記分子的至少一部分置於分析裝置的通道內，裝置適合具有至少第一基材、第二基材和第一薄膜，並且第一薄膜被構造成產生位於第一和第二基材之間的通道。
[0122]裝置適合包含與第一基材、第二基材或兩者接合的第一薄膜。當用激發波長在約1nm到約2500nm範圍內的電磁福射對樣品進行照射時,突光標記分子適於能夠發出發射波長的電磁輻射，並且當用激發波長的電磁輻射照射裝置時，與不含所述第一薄膜的相同裝置相比，第一薄膜適當降低了裝置的背景信號。然後用戶收集從螢光標記分子發出的發射波長的電磁福射。
[0123]裝置的背景信號可歸因於第一基材、第二基材或兩者。在某些實施方案中，薄膜的添加能夠增加裝置(例如二氧化矽)的背景信號。
[0124]本發明的裝置可以包含兩個基材，其中一個或多個通道被蝕刻在底部基材、透明基材或兩者中，如非限制性的圖13中所示。正如該圖所示，底部基材在接合之前被提供有「底薄膜」以降低背景，並且透明基材(在某些實施方案中)也可以提供有「頂薄膜」。
[0125]底薄膜和頂薄膜適合與透明基材和底部基材相符，如圖13(a)、(b)和(C)中所示。一個或多個薄膜適合與一個或多個基材接合。在某些實施方案中，薄膜可以彼此接合，基材也可以彼此接合。在某些實施方案中，通道形成在端面基材、塗層或兩者中，並且通道可以布置成彼此對齊，以便產生由兩個被布置成彼此對齊的通道限定的「複合」通道(例如圖13(b)、圖 14(b)、圖 15(b)和圖 16(b))。
[0126]基材或薄膜可以具有在其上形成的通道、柱、斜面、隆起或甚至缺口。在某些實施方案中，彼此接合的基材上各具有成圖案和蝕刻的不同部件，使得基材的彼此接合產生具有基材部件組合的裝置。作為一個非限制性的實例，上部基材可以蝕刻有一組相對寬的通道，下部基材可以有微型柱陣列的圖案，其布置成當基材接合在一起時，下部基材的柱位於上部基材的通道中。這樣的裝置可以與圖9中顯示的裝置類似。
[0127]在某些實施方案中，使用一個或多個閥調節流體在裝置中的流動。作為一個實例，閥可以位於裝置的入口或出口處。
[0128]圖14和圖15描繪了具有兩個基材和僅僅單個薄膜層的裝置。單個薄膜層適合與至少一個基材相符，如圖14(底部/下部基材上的底薄膜)和圖15(上部透明基材上的頂薄膜)中所示。也可以存在(沒有顯示)具有單個基材和單個薄膜的實施方案，通道僅僅由該單個基材和該單個薄膜限定。
[0129]圖16和圖17顯示了其它實施方案。如那些圖中所示，通道可以形成在薄膜中(與在基材中相反，如圖13、圖14和圖15中所示)。在這些其他構造中，可以使用平面基材，並可以布置(例如沉積、生長)薄膜以便使得產生溝、狹槽或其他通道。可選地，可以布置薄膜，然後去除部分薄膜(例如通過蝕刻、消融或通過其他技術)以便產生所需尺寸和取向的通道。
[0130]在其他實施方案中(圖14(b))，取決於用戶的需要，通道可以在基材和薄膜層二者中形成。通道可以形成在上部或下部基材上的薄膜中。
[0131]在操作過程中，封閉通道適合包含其中含有目標被標記體的介質(例如圖17)。適宜的是，被標記體包含在通道中被穿透透明基材(以及在某些實施方案中的薄膜)的電磁輻射螢光激發的螢光團，然後被激發的標記物發出的電磁信號穿過透明基材返回，然後檢測發射(圖17(a))。
[0132]其他可能的實施方案包括在從封閉通道發射電磁輻射信號穿過透明基材之前，使用多個能量轉移步驟(例如螢光共振能量轉移，「FRET」)的那些構造。圖17僅僅是示例性的，其他檢測方案可以與本發明一起使用；圖17(b)顯示了其中底部基材對信號的電磁輻射波長透明的實施方案。用戶也可以檢測磁、放射活性或電信號。
[0133]誘明層
[0134]透明基材(例如圖13中的上部基材)適合是能夠與底部基材永久接合的材料，或者對目標頻率的電磁輻射透明，或兩者。
[0135]適合的基材材料是允許可見光至少部分通過、同時還在約0°C到約Tb的溫度範圍內具有與底部基材相似的熱膨脹特性的玻璃或其他材料，其中Tb是接合溫度。玻璃可以適合是 Schott Borofloat 33 (TM)、Pyrex7740 (TM)、或 Hoya SD2 (TM)和底部基材矽。
[0136]其他適合的基材包括石英、熔融二氧化矽、玻璃、熔融石英、藍寶石、碳化矽和鈉鈣玻璃。基材厚度適合在0.01mm到5mm、或甚至在0.01到0.3mm之間。基材可以具有均勻的厚度或變化的厚度。
[0137]裝置可以採用晶片、載片的形式或其他可插入形式。裝置可以插入到讀數器/檢測器裝置中，或裝置可以整合在讀數器/檢測器裝置中。裝置可以包括一個或多個用於進行分析的室或通道，所述分析可以在多個樣品上平行地進行。
[0138]接合方法適合是任何能夠永久接合透明基材和底部基材的方法，例如陽極接合。其他接合方法包括但不限於:熔合、熱、直接、等離子體活化、化學活化、介電聚合物和粘合劑接合方案。
[0139]底薄膜
[0140]底薄膜(例如圖13中所示)適合與底部基材的組成不同，並用於減小通道和周圍區域的背景信號。該薄膜材料可以通過生長、沉積、蒸發、濺射、旋壓薄膜、層壓或鍍層，施加在底部基材上。材料可以在通道或其他流體元件蝕刻之後、或通道或其他結構蝕刻之前施力口，在這種情況下通道或其他結構(例如流體元件)被蝕刻在薄膜中，如圖16中所示。
[0141]如果材料是二氧化矽，它可以熱生長，或者如果材料是氮化矽，它可以通過低壓化學氣相沉積(LPCVD)或原子層沉積(ALD)方法沉積。
[0142]各種沉積/施加方法可用於底薄膜，包括:物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、等離子體增強的化學氣相沉積(PECVD)、大氣壓CVD (APCVD)、超高真空CVD(UHVCVD)、氣溶膠輔助的CVD(SSCVD)、直接液體注射CVD(DLICVD)、微波等離子體輔助的CVD(MPCVD)、原子層沉積(ALD)、原子層CVD、外延附生、分子束外延(MBE)、金屬有機氣相外延(M0VPE)、有機金屬氣相外延(0MVPE)、金屬有機化學氣相沉積(M0V⑶)、有機金屬化學氣相沉積(0MCVD)、氣相外延(VPE)、鍍層、蒸發、熱蒸發、電子束蒸發、脈衝雷射沉積、陰極弧沉積、派射、化學溶液沉積、旋壓薄膜、langmuir-blodgett膜、噴塗薄膜等。
[0143]底薄膜材料的厚度可以在約lnm到約5000nm、或約500nm到約lOOOnm之間變化。厚度不必是均勻的，並且適合在約20到約500nm之間。如附圖中所示，薄膜可以與薄膜所接觸的基材的表面輪廓相符。
[0144]薄膜材料適合是至少部分電絕緣的材料。材料選擇可以是氮化娃(SiNx或Si3N4)。其他可能性包括但不限於:電介質、陶瓷、二氧化矽(Si02)、氧化矽、玻璃、石英、熔融二氧化矽、Si0x、氧氮化矽、SiNx0y、氫化二氧化矽、氫化氮化矽、氫化氧氮化矽。
[0145]高K電介質和含鈦化合物(TiS1、T1、TiN、二氧化鈦、氫化二氧化鈦、氮化鈦、氫化氮化鈦)也是適合的。同樣地，含鉭化合物:Ta0、TaS1、Ta0xNy、Ta205、TaCN、氧化鉭、氫化氧化鉭、氮化鉭、氫化氮化鉭是適合的。
[0146]鉿化合物例如Hf02、HfS12, HfZrOx, HfN, HfON, HfSiN, HfS1N、氧化鉿、氫化氧化鉿、氮化鉿、氫化氮化鉿、鋯化合物(ZrO2、ZrS12、ZrN、ZrSiN,ZrON,ZrS1N、氧化鋯、氫化氧化鋯、氮化鋯、氫化氮化鋯也是適合的。鋁化合物包括A1203、AIN、TiAIN、TaAIN、WAIN、氧化鋁、氫化氧化鋁、氮化鋁和氫化氮化鋁，是有用的。
[0147]SiN, WN、低K電介質、摻氟二氧化矽、摻碳二氧化矽、多孔二氧化矽和多孔摻碳二氧化矽也是適合的。某些實施方案可以包括旋壓有機聚合電介質、石墨、石墨烯、碳納米管、塑料、聚合物、有機分子、自組裝單層、自組裝多層、脂質雙層或任何上述化合物的氫化形式、上述化合物的化學計量變化形式(例如S1x而不是S12 ；Tax0y代替Ta2O5)、其組合等。
[0148]適當選擇底薄膜的材料、施加、形態和拓撲結構，以便相對於位於通道中的目標體發出的信號，降低裝置的有效背景信號，並在也適於降低或甚至最小化用於觀察待分析樣品的螢光(或其他)標記物的淬滅。牢記這一指導方針，本【技術領域】的專業人員在根據用於評估(即激發)目標體的一個或多個波長處從通道發出的信號來選擇最適薄膜時，以及在某些實施方案中對信號-背景比率水平進行優化時，將很少遇到困難。
[0149]頂薄膜
[0150]頂薄膜材料的組成、施加方法、拓撲結構、形態和厚度範圍適合與底薄膜相同，差別在於頂薄膜施加到上部透明基材上而不是下部基材上，並且它在特定晶片實施方案中可能不是必需的。
[0151]適當選擇頂部或上部薄膜的材料、施加、形態和拓撲結構，以便相對於位於通道中的目標體發出的信號，降低裝置的有效背景信號，並也適合降低或甚至最小化用於觀察待分析樣品的螢光(或其他)標記物的淬滅。牢記這一指導方針，本【技術領域】的專業人員在根據用於評估(即激發)目標體的一個或多個波長處從通道發出的信號來選擇最適薄膜時，以及在某些實施方案中對信號-背景比率水平進行優化時，將很少遇到困難。
[0152]封閉通道
[0153]封閉通道的寬度在通道內可以從約5nm到約5mm不等。封閉通道的深度在通道內適合從約5nm到約Imm不等。封閉通道的寬度在通道內可以從約5nm到約50微米不等，並且封閉通道的深度在通道內可以從約5nm到約50微米不等。在某些實施方案中，通道限定了統一深度和橫截面的通道，儘管可能根據用戶需要的指令，通道可以具有變化的深度或橫截面。作為一個實例，通道可以從相對寬的入口縮窄成較窄的通路或通道，或可以從窄的入口變寬。正如在附圖中所示，通道可以包括各種障礙物或其他結構，它們從通道的底面伸展到其頂面，或沿著至少一部分通道的高度延伸，如圖20和圖21所示，這些圖顯示了(向下看)橫截面為ochannel或長方形的障礙物的頂部。障礙物可以是柱、彎曲等。
[0154]封閉通道適合含有在介質中的目標體，所述介質可以是流體例如液體。適合的介質包括氣體、液體、固體、等離子體、真空、蒸汽、膠體、其組合等。介質可以是緩衝劑、防腐劑坐寸ο
[0155]通道可以是單個或多個，而且兩個或多個通道可以彼此相連，並且在某些實施方案中，可以與共同的儲液器相連。通道可以是排成陣列的或多路的，以允許同時分析多個分析物。用於製造這樣的通道的方法包括納米壓印刻印法、光刻法、電子束刻印法、幹涉刻印法、陰影掩模法、全息刻印法、離子束刻印法和本【技術領域】的專業人員已知的其他方法。
[0156]通道適合是橫截面為正方形或長方形的通道(如圖13中所示)，但是也可以是圓形、橢圓或不規則的橫截面，正如由用戶的需要或方法的制約所決定的。通道的橫截面可以沿著一個或多個維度變化。
[0157]納米粒子、螢光團等也可以置於通道內。能夠與置於納米通道內(或移位通過納米通道)的大分子相互作用的部分(moietites)可以置於通道內，以便提供能夠根據大分子的一部分與置於通道中的物件的相互作用而產生信號的裝置。
[0158]通道也可以包括一個或多個入口或出口。這樣的特點可以允許從側方、上方、下方或基本上任何方向進入通道。具有以兩個或三個維度布置的通道和其他流體元件的裝置在本發明的範圍內，並且通道適合與一個或多個入口、出口或兩者流體連通。
[0159]底部某材
[0160]底部基材由半導體、絕緣或導電的任何基材材料構成，並適合能夠與透明基材通過底薄膜、頂薄膜或兩者接合。
[0161]底部基材不是必須對目標電磁頻率透明。儘管矽是特別適合的，但其他材料選擇包括 SiGe、Ge、應變矽、GeSbTe, AlGaAs, AlGaInP、AlGaN, AlGaP、GaAsP、GaAs, GaN、GaP、InAlAs、InAlP、InSb、GalnAlAs、GalnAIN、GalnAsN、GalnAsP、GaInAs> GalnN、GalnP、GaSb>InN、InP、CdSe、CdTe、硒化鋅(ZnSe)、HgCdTe、ZnO、ZnTe、硫化鋅(ZnS)、鋁、氧化鋁、不鏽鋼、Kapton (TM)、金屬、陶瓷、塑料、聚合物、藍寶石、碳化娃、絕緣體上的娃(SOI)、astrosital、硼酸鋇、氟化鋇、軟鉍礦晶體BG0/BS0/BT0、鍺酸鉍、方解石、氟化鈣、碘化銫、Fe: LiNbO3、熔融石英、石英、熔融二氧化矽、玻璃、S12、鎵、釓榴石、磷酸二氫鉀(KDP)、KRS-5、磷酸鈦氧鉀、鑰酸鉛、氟化鋰、碘酸鋰、鈮酸鋰、鉭酸鋰、氟化鎂、溴化鉀、二氧化鈦、氯化鈉、二氧化碲、硒化鋅、旋壓玻璃、可UV固化的材料、鈉鈣玻璃、任何上述化合物的氫化形式、上述化合物的化學計量變化形式等，及其任何組合。
[0162]基材的厚度適合在約0.0lmm到約5mm之間。厚度也可以介於約0.1mm到約Imm之間。
[0163]儘管可以使用各種標記物來分析目標體，但發光標記物在本【技術領域】中是公知的，並被認為特別適合用於本發明。用於分析目標體的發光標記物典型利用螢光、發光、化學發光、磷光等進行激發；螢光是常用的方法。適合的標記物包括有機螢光團、量子點、金屬點、聚合物珠、鑭系元素螯合物、納粒、螢光珠、磷光珠、半導體納粒、樹枝狀聚合物、分子觸角(molecular antennae)等,及其任何組合。T0T0-3是一種示例性突光團；也可以使用其他螢光團。
[0164]用於分析的靶適合包括分子、大分子、單鏈DNA、雙鏈DNA、單鏈核酸聚合物、雙鏈核酸聚合物、RNA、聚合物、單體、酶、蛋白、肽、共軛大分子、自組裝大分子、細胞成分碎片、細胞器、病毒等，及其任何組合。本發明被認為特別適合用於DNA分析。
[0165]本發明還提供了降低分析裝置的背景信號的方法，所述方法包含將底薄膜置於底部基材、透明基材或兩者上，底部基材進一步限定了通道的至少一個邊界；底薄膜能夠降低通道在特定電磁輻射波長處發出的信號。
[0166]激發光的波長在約100nm到約300nm的範圍內。取決於使用的螢光標記物，可以選擇最適於激發標記物的激發波長。例如，T0T0-3標記物適於被紅色(例如635nm)範圍內的光激發，並且來自這種激發標記物的可以被檢測的信號，可以被送過帶通濾波器(665-705nm)以除去反射的激發光。
[0167]齡
[0168]接合方法可以是任何適合的接合透明基材與底部基材的方法。在某些實施方案中，接合方法是陽極接合。其他接合方法包括但不限於:熔合接合、熱接合、直接接觸接合、等離子體活化接合、直接氧化物接合、聚合物接合、金屬-金屬接合、熱壓縮接合、共晶接合、化學活化接合、超聲接合、介電聚合物接合、粘合劑接合、範德華力接合，及其任何組合。
[0169]實施例和非限制性實施方案
[0170]實施例1
[0171]圖18顯示了獲取的封閉通道的邊緣的一系列螢光圖像，顯示了通道和接合區。激發波長是紅光^35nm)，檢測信號經過帶通濾波器^65_705nm)以除去任何反射的激發光。隨著氧化矽厚度的增加，在高於635nm的波長區域中，透明基材與底部基材通過薄膜接合的區域中的背景產生了升高的背景量，而通道區維持低背景。應該指出，使用綠光(532nm)和藍光(473nm)測量的背景水平沒有顯示出隨氧化矽厚度的變化。在本實施例中，氧化矽使用PECVD沉積，並且通道充有空氣。圖像使用EMCXD相機獲取。
[0172]因此，圖18說明了使用在暴露於也可用於引發特定標記物發射的輻射時產生背景信號的薄膜層所提出的挑戰。正如圖18中所示，帶有S1j^膜的裝置在一定的波長範圍內產生相對高的背景水平，這對試圖從(在暴露於激發輻射時)發出與裝置的背景信號相同波長的輻射的標記樣品上分析信號的用戶，提出了挑戰。換句話說，在該圖中顯示的S1x裝置具有相對低的信噪比，這為試圖在裝置的相對高的背景信號下挑出並分析標記樣品的用戶，提出了挑戰。
[0173]較高的背景水平使在通道中接近邊緣處檢測來自目標體的弱信號變得困難或不可能。這在通道的寬度非常窄(接近或小於激發輻射的波長，正如在通道是納米通道的情況下)時特別成問題，在這種情況下被標記的目標體必須具有足夠的信號強度以超越背景。但是，正如前面所陳述的，除去氧化矽薄膜以降低背景，將引起被標記體的淬滅。
[0174]實施例2
[0175]圖19顯示了與圖18相同的實驗，區別在於將氧化矽薄膜用氮化矽薄膜代替。選擇氮化矽是因為它是半導體工業中常用的介電材料，因此在大多數半導體鑄造廠中可以充分獲得。在本實施例中，沒有與氮化物厚度相關的背景增加。
[0176]圖19顯示了獲取的封閉通道的邊緣的一系列螢光圖像，顯示了通道和接合區。激發波長是紅光^35nm)，檢測信號經過帶通濾波器^65_705nm)以除去任何反射的激發光。隨著氮化矽厚度的增加，透明基材與底部基材通過薄膜接合的區域中的背景沒有顯示出明顯的增加或降低。使用綠光(532nm)和藍光(473nm)測量的背景水平沒有顯示出隨氮化矽厚度發生變化。在本實施例中，氮化矽使用PECVD沉積，並且封閉通道充有空氣。圖像使用EMCCD相機獲取。
[0177]實施例3
[0178]在本實施例中，如圖8所示，將用嵌入染料(T0T0-3)標記的雙鏈人類基因DNA，在流體中流過帶有58nm S1x薄膜的各種不同寬度的封閉通道。隨著通道寬度的降低，由於底部基材通過S1x薄膜與透明基材接合的區域所發出的高背景水平，DNA變得可見性降低。
[0179]圖20顯示了(a)DNA在各種不同寬度的封閉通道中的螢光圖像。由於在接合區中產生的高背景，通道之間的邊界和接合區清晰可見，以及(b)DNA在寬度為10nm的通道中的螢光圖像。在該寬度下，由於源自於接合區(即一個基材與另一個基材接合的區域)的背景，DNA幾乎不可見。由於納米通道非常窄的寬度，背景顯得一致地高。圖的(c)部分顯示了從其獲取圖像(a)和(b)的流體晶片的示意圖。使用PECVD將S1x在蝕刻的矽基材上沉積到58nm的厚度,並將由Schott Borofloat33 (TM)構成的透明玻璃基材陽極接合到S1x覆蓋的矽上。將T0T0-3標記的DNA用紅光出35鹽)激發，並將檢測信號經過帶通濾波器(665-705nm)以除去任何反射的激發光。
[0180]如圖(例如圖20(b))中所示，S1x薄膜導致裝置具有與標記樣品相比相對高的背景信號(在相關波長處)。這種相對高的背景使得在通道中接近邊緣處難以檢測來自目標體(例如標記的DNA)的弱信號。當通道寬度非常窄，例如寬度接近或甚至小於激發輻射的波長時，正如當通道是納米尺度寬度的通道的情況下，這種現象特別鮮明。在這些情況下，目標標記體必須具有足夠的信號強度以克服背景，但是對於可以放置在目標體上的標記物的數量和亮度，可能存在限制，以及對可用於激發被標記體的輻射的強度也存在限制。此夕卜，正如在本文別處解釋的，除去氧化矽薄膜以降低背景可能導致被標記體的淬滅，使分析更加困難。
[0181]實施例4
[0182]在圖21中所示的本實施例中，將用嵌入染料(T0T0-3)標記的DNA，在流體中流過帶有58nm SiNx薄膜的各種不同寬度的封閉通道。隨著通道寬度的降低，由於與圖20中的S1x薄膜相比，在底部基材通過SiNx薄膜與透明基材接合的區域中的背景水平沒有增加，DNA仍然可見。
[0183]圖21在(a)部分中顯示了 DNA在各種不同寬度的封閉通道中的螢光圖像。與圖20(a)不同，由於背景低，通道邊界不可見。圖21(b)顯示了 DNA在寬度為10nm的通道中的螢光圖像。標記的DNA的SBR明顯高於圖20(b)中所顯示的。圖21(c)是所獲取的晶片圖像(a)和(b)的封閉通道晶片的示意圖。
[0184]在該非限制性的實施方案中，使用PECVD將SiNx在蝕刻的矽基材上沉積到58nm的厚度。將由Schott Borofloat 33 (TM)構成的透明玻璃基材陽極接合到SiNx覆蓋的矽基材上。將T0T0-3標記的DNA用紅光^35nm)激發，並將檢測信號經過帶通濾波器出65_705鹽)以除去任何反射的激發光。
[0185]SiNx薄膜(圖21)與S1x薄膜(圖20)的比較也用於突出本發明的另一方面。如圖20和圖21中所示，當用激發輻射進行照射時，SiNx薄膜(當與S1x薄膜相比時)允許所研究的螢光標記分子發螢光，而不是分子被淬滅並至少部分失去其發出發射波長的輻射的能力。
[0186]因此，在某些實施方案中，選擇一種或多種薄膜降低分析裝置的背景信號的能力(對比圖18——示出了使用S1x作為薄膜的樣品裝置的背景特徵——與圖19——顯示了使用SiNx作為薄膜的樣品裝置的背景特徵)。還可以選擇薄膜在受激發時允許螢光標記的靶發螢光而不淬滅標記物的螢光的能力(對比圖20(b)—示出了基材可能對螢光標記樣品發揮的淬滅效應一與圖21 (b)—示出了使用SiNx薄膜時表現出的沒有淬滅)。
[0187]不受任何具體理論的限制，特定薄膜材料可能為螢光分子遮蔽了在螢光分子暴露於激發輻射期間可能從基材(或其他來源)反射的輻射。此外，不受任何具體的解釋理論的限制，通過遮蔽或吸收在螢光分子暴露於激發輻射期間可能從基材反射的特定波長的輻射，薄膜材料可以實現它對來自裝置的背景信號的降低。
[0188]儘管所公開的非限制性實施方案強調的是在對置於具有SiNx薄膜和Si與Borofloat 33 (TM)基材的裝置中用紅光(635nm)激發的T0T0-3標記的DNA進行分析的過程中本發明的優點，但本發明不限於這種樣品實施方案。正如在本文別處所描述的，本發明的基材和薄膜可以包括許多不同材料，並且具有普通專業技術的用戶可以容易地發現用於特定分析方法的薄膜、標記物/螢光和基材的最優組合。在某些實施方案中，通過選擇適合的薄膜，本發明可以使用戶降低裝置的背景信號，降低裝置對置於裝置中的螢光團可能執行的淬滅。
[0189]正如在本文別處解釋的，淬滅或以其它方式限制螢光團或其他標記物反射或發出輻射的能力可能是不利的，因為這樣的淬滅限制了用戶針對背景分辨靶的能力。通過避免(或至少減少)這種淬滅，本發明增強了用戶針對背景分辨這種標記物的存在或位置的能力。SiNx是一種不淬滅螢光團發螢光能力(同時也降低分析裝置的背景，如圖7和圖21中所示)的材料。本【技術領域】具有普通專業知識的用戶將可以容易地鑑定其他降低背景同時也將淬滅最小化的材料。
[0190]在某些實施方案中，裝置包括位於室材料(例如SiNx)中的通道或室，所述材料本身是相對低背景的材料，其使螢光團在位於區室中暴露於激發輻射時的淬滅最小化。可以通過例如將犧牲材料置於室材料中並選擇性去除犧牲材料，以便留下基本上與被去除的犧牲材料相一致的通道，來形成這樣的室。
[0191]示例性實施方案
[0192]圖1顯示了本發明的裝置的示意圖。該圖中的裝置包括兩個彼此接合的基材A和B。基材A具有厚度Da，基材B (兩個基材中上方的)具有厚度Db。
[0193]如圖中所示，埠(其可以是入口或出口)貫穿基材A或B，以便使裝置上的納米尺度結構與裝置外部的環境流體連通。在某些實施方案中，埠貫穿整個裝置，並且在某些實施方案中允許從其導入或排出流體。
[0194]互連區(interconnects)-其可以是微米尺度的通道或管道-使埠與位於裝置上的前端(FE)結構流體連通。埠可以貫穿基材的整個厚度或部分貫穿基材的厚度。
[0195]FE結構可用於部分伸展或拉長可以在裝置中分析的大分子(例如DNA)。大分子的拉長在美國專利申請10/484,293中進一步解釋，其全部內容在此引為參考。適合的FE結構在本文別處描述，並可以包括鴉形(crow-form)通道、鷹形(eagle-form)通道、柱、樁和可用於拉長靠著結構流動或流過結構的纏繞或摺疊體的其他結構。這樣的結構適合在一個或兩個基材上形成圖案。
[0196]在圖1中還顯示了納米通道陣列裝置，所述裝置可以製造在基材A、基材B或其某些組合上(例如陣列的某些部分製造在基材A上，而其他部分製造在基材B上)。適合的納米通道和用於分析置於納米通道中的大分子的方法，都描述在美國專利申請10/484，293中，其全部內容在此引為參考。
[0197]在某些實施方案中，分析方法包括將DNA靶暴露於一種或多種標記物，使DNA靶移位通過本申請的裝置，以及查詢(例如通過光學)DNA靶中標記物的存在(或不存在)。螢光染料和相關儀器被認為適合用於這種分析。
[0198]納米通道陣列可以包括一個或多個納米通道，其可以排列成平行的、蛇形的、會聚的、分支的、曲折的、彎曲的或其他這樣的樣式，正如在附圖中顯示的。
[0199]在一個非限制性的實施方案中，納米通道陣列包括單個自身對摺回的納米通道，如圖10中所示。納米通道可以具有恆定或變化的橫截面，並且同一裝置上存在的多個納米通道可以具有不同尺寸。
[0200]圖1中顯示的裝置在某些實施方案中還包括後端(BE)結構，其可以置於納米通道陣列與埠、出口或其他管道之間。BE結構適合是適於FE結構的構造(在本文別處描述)，並可以包括一個或多個通道、柱、障礙物等。這樣的BE結構適合協助將靶(例如大分子)從納米通道分析區運輸到互連區或其他管道。BE可以協助將靶從納米尺度(例如納米通道)環境運輸到包含較大(微米尺寸或更大的)結構的環境中。
[0201]圖1的裝置可以具有變化的尺寸。該裝置適合具有約0.1mm到約100mm的長度(L),約0.1mm到約100mm的寬度(W),並且基材(顯不為A和B)適合具有約10nm到約10mm範圍內的厚度。給定裝置可以具有1到約1000個獨立的納米通道陣列裝置，並且裝置甚至可以具有約2到500個獨立的埠。陣列和埠的最適數量將取決於用戶的需要。
[0202]圖2(a)描繪了示例性納米裝置晶片，其中紅色箭頭指示了在圖2到圖5中顯示的裝置的橫截面視圖的方向。圖2(b)描繪了本發明的示例性的、非限制性的製造流程。在該實施方案中，流體元件形成在最下方的基材上，然後最下方的基材與上部基材接合(例如陽極接合)，所述上部基材可以是玻璃或適合的透明材料。
[0203]圖3(a)顯示了示例性製造流程，其中通過熱氧化物的生長或共形沉積方法例如原子層沉積(ALD)，對其上蝕刻有通道元件的一個基材(基材A或B)在其表面上進行塗層，然後通過熔合或陽極接合將所述基材與第二基材接合。圖3(b)顯示了基材的非限制性製造流程，其中在上部基材中蝕刻出通道元件，所述上部基材適合是透明的玻璃，並可以與在整個表面或僅僅在接合表面上熱生長或以其它方式沉積有薄膜(例如二氧化矽)的下部(例如矽)基材進行陽極接合。通道可以蝕刻在兩個基材上；當基材彼此接合時，形成了多個通道，或者如果基材上的通道是彼此對齊的，可以形成單一通道(圖13)。
[0204]圖4 (a)描繪了兩個基材(基材A和B)的示例性製造流程，其中通道元件蝕刻在兩個基材中，然後通過熱氧化物生長或共形沉積方法例如ALD進行底部基材塗層的後續步驟。然後通過熔合或陽極接合將基材接合在一起，使在相對基材表面上的至少部分通道重合。圖4(b)描繪了另一個非限制性的製造流程，其中塗層沉積在兩個基材上，然後將通道元件蝕刻在塗層中和下部基材中，然後通過熔合或陽極接合將基材接合在一起，使在相對接合表面上的至少部分通道重合。
[0205]圖5(a)描繪了示例性的納米裝置晶片，其中箭頭指示了在圖5到圖11中顯示的裝置上通道樣式的俯視圖方向。
[0206]圖5(b)描繪了 4埠例實施方案和2埠例實施方案構造的非限制性布局。箭頭指示樣品(例如DNA)流動的方向。樣品不是必須以顯示的方向流動，並且流動方向可以按照需要停止或甚至逆轉。
[0207]本實施方案描繪了埠、互連區、FE和BE區與納米通道陣列之間的一種合適的關係。通過以這樣的方式排列這些組分，裝置能夠在寬泛的長度尺度範圍內操作靶(例如DNA或其他大分子)，從入口的釐米尺度(10_2m)到互連區和FE/BE區的毫米尺度(10_3m)，一直降低到納米通道分析區中納米通道的納米(1-9Hi)範圍。儘管分析區在圖5中被標記為「納米通道陣列區」，但分析區可以包括單個納米通道或沒有排列成陣列狀形式的納米通道。
[0208]圖6(a)描繪了多埠裝置設計的示例實施方案。圖6(a)中的設計具有16個埠，包括8個獨立的2埠裝置。圖6 (b)描繪了具有16個埠的設計，包括4個獨立的4埠裝置。這些實施方案允許用戶同時分析多個不同的靶。
[0209]圖7(a)描繪了多級分支通道陣列。在該實例中，存在5個層疊道陣列，通道具有逐漸減小的橫截面尺寸，並且通道通過位於圖7(a)底部中橋接微流體入口通道和納米通道分析區的5級分岔相連。分岔之間的距離適合為約50微米，並且兩個較小的通道適合在每個分支處將原始通道的橫截面積對半分開。
[0210]正如所示，在每個分岔處通道被分成兩個較小的通道。分支角度適合在約30°到約60°之間，但是它也可以在約O到約90°範圍內，並且M適合為約0.4到約0.6W。對於命名問題來說，其中通道被尖的或三角形分岔結構分開的實施方案，例如圖7中顯示的裝置，被稱為「鴉式」裝置或「鴉式」通道，其在本文別處更詳細描述。
[0211]在分析過程中，靶(例如流體攜帶的大分子)可以通過I到15個或以上分支的通道，每個分支通道的長度(L)可以為約5到約80微米不等。用戶可以改變分岔的數量和次級通道與主通道的相對尺寸，以便能夠可控地移動，用於將靶從相對大的入口移動到本發明裝置的納米尺度的納米通道分析區中。可以使用多級分支的通道結構(圖7)。
[0212]圖7(b)顯示了將兩個不同尺寸的通道陣列相互連接的帶分支的分岔口的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。圖7(c)顯示了在分岔處具有相對尖銳岔口的分支分岔設計的草圖，但是分岔處的角度也可以為約O到約90°。
[0213]圖7(d)是從螢光標記分子在通道內移動的視頻獲取的圖像，突出了通道和互連分岔。圖7(e)是從大通道移動到較狹窄的分支通道中的單個相對長的基因組DNA分子的螢光照片，其中分子被拉長了。在分岔處可以看見尖銳的岔口，由單個DNA分子勾勒出輪廓。
[0214]在圖7中，使用了多個「鴉」式結構，使得進入顯示在圖的頂部的互連區中的大分子或其他靶，在所述靶進入顯示在圖的底部的納米通道陣列區之前，將通過5個(或以上)分岔/分岔口。
[0215]正如所討論的，分岔之間的距離可以是約50微米(但是相隔距離可以大於或小於50微米)，並且從每個分岔處出現的較小的通道各自為每個分支處原始通道的尺寸的大約一半。因此，可得到包含在次級(或「分支」)通道中的流體的總橫截面積與主(或「幹」)通道的橫截面積大約相等。通過沿著分支通道裝置的長度維持基本上恆定的可用於流體流動的橫截面積，本公開的裝置使可能由通道的橫截面積變窄或變寬所引起的流動場的改變和紊亂降到最低。
[0216]圖8(a)描繪了備選的、多級分支的互連通道陣列的第二種設計的示意圖。圖8(b)顯示了一個將兩個不同尺寸的通道陣列互連的分支分岔的掃描電子顯微(SEM)照片。
[0217]圖8(c)顯示了分支分岔設計，其在分岔附近具有更圓滑或曲線形的彎曲。圖8(d)顯示了從在通道內移動的螢光標記分子的視頻獲取的圖像，突出了通道和互連分岔，而圖8(e)顯示了從大通道移動並伸長到分支的更狹窄通道中的單個長基因組DNA分子的螢光圖像。可以看到由單個DNA分子的勾勒的分岔處的兩個不同水平的起伏彎曲。
[0218]對於螢光圖像來說，DNA樣品由人類男性基因組DNA構成，其用嵌入染料(Y0Y0-1)以每個染料分子5個鹼基對的比率染色。將DNA以5ng/ μ L的濃度懸浮在0.5Χ TBE緩衝液中。使用毛細管流或通過具有0-50V範圍內的施加電壓的電場使DNA流入納米通道。樣品的激發使用發光二極體進行，螢光發射通過60Χ物鏡收集，並使用電子倍增CCD相機進行檢測。
[0219]因此，圖8描繪了符合「鷹式」構造的通道。正如所示，將主通道分成支通道的分岔適合是圓滑結構，例如圓滑的柱。分岔的直徑或有效橫截面適合使得分岔的邊緣突出到分岔前的通道中。
[0220]不受任何特定理論的限制，在這種構造中，在通道中沿著電場路徑(例如來自施加的梯度)的大分子(或其他靶)，將更可能進入後繼通道的中心而不是邊緣，正如圖中所示。因此，靶進入分支網絡中的某些通道的可能性較其他通道小，結果是納米通道陣列中納米通道的負載更均勻。
[0221]在一個示例性實施方案中，M是W的0.3到0.7倍，X是W的0.2到0.5倍。靶在到達納米通道陣列之前可以經過的分岔的數量可以是2到15個，每個分支通道的長度(L)可以為5到80微米不等。
[0222]在某些實施方案中，使用了多個「鷹」式結構，在靶進入納米通道陣列區之前，每個鷹式結構中的分岔數量是5。在該非限制性實施方案中，分岔之間的距離是50微米(但是該距離可以大於或小於50微米)，兩個較小的(分支)通道為原始通道的一半，使得在沿著裝置長度的任何平面處可用於流體流動的總橫截面積是相同的。
[0223]圖9 (a)顯示了另一種設計的示意圖，顯示了分支通道與柱陣列的組合。在一個實施方案中，分支通道陣列彼此互連，並且在通道內是柱的陣列。圖9(b)顯示了掃描電子顯微(SEM)照片，其顯示了包埋在通道中的密集的圓形柱陣列。
[0224]圖9(c)顯示了具有分支通道和柱陣列的設計的示意圖。在一個帶有彼此相連的多級分支通道的實施方案中，存在尺寸逐漸減小並且密度逐漸增加的菱形支柱的陣列。圖9(d)顯示了掃描電子顯微(SEM)照片，其顯示了在與較小尺寸的下遊通道互連的通道中包埋的密集的柱陣列。圖9(e)顯示了在柱陣列和通道中移動的相對長的基因組DNA分子的突光照片。
[0225]圖10(a)描繪了將單個長納米通道安排成一系列連續相連的蛇形構造的平行納米通道的設計；在這裡只顯示了該構造的陣列的一個組。圖10(b)顯示了掃描電子顯微(SEM)照片，其顯示了蝕刻在矽基材中的這種蛇形構造的納米通道的加框區域，顯示了通道的轉彎。圖10(c)顯示了在納米通道中移動並做出180°轉彎的基因組DNA分子的螢光照片。
[0226]這種構造尤其應對了在單一視野中觀察被拉長或細長的大分子的挑戰。因為大分子可能非常長，足以拉伸大分子的通道的長度可能比高倍顯微鏡的視野的寬度更長。這進而阻止了用戶在單一視野中觀察整個大分子。
[0227]但是，具有如圖10中顯示的蛇形或迴轉樣式的納米通道的裝置增加了通道的長度，適合於單一視野中，因此使用戶能夠在單一視野中觀察拉長的大分子。可選地，這樣的裝置使單一視野能夠覆蓋拉長的大分子的相當部分。蛇形、迴轉的通道也增加了大分子在單一視野中移位的停留時間。
[0228]圖11 (a)描繪了排列成一系列連續相連的平行納米通道的多個長納米通道，與前圖的差別在於每級通道的通道寬度逐漸減小，從lOOOnm降低到lOOnm。圖11(b)顯示了掃描電子顯微(SEM)照片，其顯示了蝕刻在矽基材中的一組這種蛇形構造的納米通道的加框區域，顯示了通道寬度從底部到頂部逐漸減小，以及隨後相對寬的通道出口。
[0229]圖11(c)顯示了移時攝像幀(每個圖代表不同時間點)，追蹤了在圖11中描述的通道中移動的單一基因組DNA分子的螢光圖像，當分子進入尺寸越來越小的納米通道區時，分子具有逐漸拉伸的長度。作為對照或參比標準，顯示了靜態分子的圖像，並且顯示靜態分子的長度，如穿過所有組裝好的幀圖畫出的兩條虛線之間的輪廓所示。轉到圖中的各個圖塊，最上方的圖塊顯示了實際的晶片圖案的亮視野光學圖像，第五圖塊顯示了轉過一個角的DNA分子的螢光圖像。
[0230]圖12(a)顯示了掃描電子顯微(SEM)照片，其顯示了另一個非限制性的設計，該設計包括排列成曲折形圖案的平行的、非直線的納米通道的陣列。圖12(b)顯示了在曲折形通道內拉伸的螢光標記的DNA分子的圖像。圖12(c)顯示了任意納米通道圖案(字母「B匪」)的掃描電子顯微(SEM)照片，其中圖案中的通道都具有基本上相等的通道寬度。圖12(d)顯示了掃描電子顯微(SEM)照片，其顯示了兩組彼此相交的垂直的納米通道，重疊區顯示為密集的圓形的柱陣列。
[0231]製造
[0232]製造過程可以包括在基材表面上製造流體部件，然後將基材表面與第二基材接合，以形成可以通過埠進入的封閉流體裝置。可選地，製造可以包括在基材表面上製造流體部件並在第二基材表面上製造流體部件，然後將兩個基材表面接合在一起，以形成可通過埠進入的封閉流體裝置。
[0233]基材材料可以包括但不限於:矽、二氧化矽、氮化矽、氧化鉿、石英、玻璃、熔融二氧化矽、金屬、氧化鋁、金屬、陶瓷、聚合物、塑料、電介質、SiGe、GaAs、GaAlAs、IT0等。在一個示例性實施方案中，至少一個基材必須對UV、可見和紅外電磁輻射透明。
[0234]在一個示例性實施方案中，基材是玻璃、矽和/或石英的晶片，並且在接合後，通過切割接合的晶片獲得晶片。在一個示例性實施方案中，流體元件使用半導體、MEMS和微流體工業已知的方法製造,這些方法包括但不限於:光刻、等離子體蝕刻、材料沉積、溼法蝕亥IJ、接合及其任何組合。
[0235]在一個示例性實施方案中，納米通道陣列、前端/後端和互連區在基材(例如矽)上形成圖案(例如通過光刻)，然後通過蝕刻將圖案轉移到矽中。可以使用各種不同的圖案和蝕刻選項:
[0236]圖案可以通過例如光亥IJ、納米壓印刻印、壓花、幹涉刻印、近場全息術、接觸印刷、極端UV刻印、電子束刻印或其任何組合來實現。
[0237]對於這些圖案選項來說，使用硬質或軟質掩模可以協助將圖案轉移到基材。這些掩模包括但不限於:抗反射塗層、氧化矽、氮化矽、電介質、金屬、有機薄膜、其組合等。對於所有這些圖案選項來說，可以使用各種中間圖案轉移方法，包括但不限於:提離技術、陰影蒸發、生長、沉積及其組合等。
[0238]蝕刻選項包括但不限於化學蝕刻、溼法蝕刻、用Κ0Η蝕刻、用ΤΜΑΗ蝕刻、用HF蝕亥IJ、用Β0Ε蝕刻、離子蝕亥IJ、反應性離子蝕刻(RIE)、等離子體蝕刻、等離子體輔助蝕刻、感應耦合等離子體(ICP)蝕刻、bosch蝕刻、氧化物在矽中生長成圖案(例如L0C0S)並用溼法蝕刻去除，及其組合等。
[0239]圖案形成順序
[0240]在一個示例性實施方案中，納米通道陣列和前端/後端(FE/BE)被同時形成圖案和蝕刻，而互連區在晚些時候形成圖案。但是，情況不是必須這樣，這些流體元件的圖案形成次序可以改變。
[0241]納米通道陣列可以通過幹涉刻印進行圖案形成，前端/後端在獨立的步驟中通過光刻進行圖案形成。在另一個實施方案中，納米通道陣列、前端/後端和互連區適合在單一步驟中使用光刻或納米壓印刻印進行圖案形成。在另一個實施方案中，使用能夠將不同深度的部件轉移到基材中的圖案形成技術例如納米壓印或壓花，以便全都使用單一圖案形成步驟而使互連區、前端/後端和納米通道陣列具有不同的深度。
[0242]埠
[0243]埠適合通過光刻形成圖案，然後用蝕刻工藝例如矽深蝕刻(「Bosch蝕刻」)進行蝕刻。但是，對於製造埠來說，有各種不同的製造選項可用。這些選項的非限制性的名單包括RIE、ICP蝕刻、等離子體蝕刻、雷射鑽孔、雷射消融、噴砂、鑽孔、溼法蝕刻、化學蝕刻、水鑽孔、超聲鑽孔及其任何組合。
[0244]埠適合具有5到5000微米的寬度(直徑)，深度是它所穿過的基材的厚度。在一個示例性實施方案中，埠具有50到2000微米範圍內的寬度(直徑)。
[0245]接僉
[0246]在一個示例性實施方案中，裝置的流體元件通過將形成圖案的矽基材與未形成圖案的玻璃晶片進行陽極接合來完成。
[0247]在一個示例性實施方案中，將被陽極接合的玻璃晶片可以是Pyrex7740、SchottBorofloat 33 (TM) ,Hoya SD2 (TM)或任何具有類似熱膨脹特徵的玻璃。其他選項也是適合的，包括(但不限於)熔合接合、熱接合、化學接合、石英-石英接合、玻璃-玻璃接合、聚合物接合、溶劑接合、粘合劑接合及其組合等。
[0248]接合條件——陽極或其他方式，將由本【技術領域】的普通專業人員容易地優化。作為一個非限制性的實例，矽和Borofloat (TM)玻璃可以使用400V的電壓、約350°C的溫度施加5分鐘，陽極接合在一起。陽極接合電壓可以在例如約200V到約800V的範圍內，適合的溫度在約200°C到約400°C的範圍內，施加時間為約I到約100分鐘。
[0249]流體元件表面
[0250]各種不同的材料可以構成流體元件的表面，包括但不限於:矽、二氧化矽、氮化矽、氧化鉿、石英、玻璃、熔融二氧化矽、金屬、氧化鋁、金屬、陶瓷、聚合物、塑料、電介質、SiGe、GaAs, GaAlAs, ΙΤ0、有機分子、自組裝單層、自組裝多層及其組合等。在一個示例性實施方案中，流體元件具有介電錶面；在某些實施方案中，流體元件將具有二氧化矽和/或玻璃表面。
[0251]制誥實例
[0252]在一個非限制性實施方案中，流體元件(納米通道陣列、前端/後端、互連區和埠)在接合後具有二氧化矽和/或玻璃表面，使得位於得到的裝置內的流體只與二氧化矽和/或玻璃接觸。該表面由在納米通道、前端/後端、互連區和埠形成圖案並蝕刻後，在蝕刻過的矽表面上沉積二氧化矽薄膜來形成。
[0253]氧化物通過原子層沉積(ALD)沉積在形成圖案和蝕刻過的矽基材上，並具有從約lnm到約5000nm的厚度。然後將該矽晶片與玻璃基材進行陽極接合。
[0254]二氧化矽表面用於幾種有用的目的。首先，二氧化矽提供了絕緣薄膜，其在使用電場驅動DNA在流體裝置中移動、並且一個基材是矽的情況下是有用的。
[0255]二氧化矽還提供了在應用需要時可以被功能化和/或鈍化的表面。該層還允許當氧化物生長或沉積在預先存在的蝕刻過的納米通道上時，將納米通道的橫截面修改(定製)到所需尺寸。
[0256]在一個實例中，當50nm的共形氧化物被沉積在納米通道上時，寬200nm、深150nm的納米通道被減小到lOOnm寬和lOOnm深。通過這種方式，向已經形成的流體元件(例如槽或溝)施加塗層，允許用戶可控地建立該元件的邊界，以便減小該元件可用於流體在其中流動的橫截面。
[0257]二氧化矽對於廣泛的電磁輻射譜，例如UV、可見和紅外光，也是透明的。
[0258]存在許多不同的製造選項可用於形成具有二氧化矽和/或玻璃表面的流體通道。它們包括(但不限於):
[0259]在矽h的熱氣化物牛長
[0260]如果使用的一個基材是矽，可以通過使用矽表面作為矽源進行氧化物生長，來獲得二氧化矽表面。實例包括但不限於:幹法熱氧化物生長、溼法熱氧化物生長。不論是所有、一些還是沒有流體元件將要在矽中形成圖案和蝕刻，這都是適用的。非限制性的基於矽的實施方案顯示在附圖中。
[0261]在矽、玻璃或石英上沉積氧化物
[0262]氧化物可以沉積在一個或兩個基材上。實例包括但不限於:PECVD、CVD、LPCVD、熱蒸發、旋壓玻璃、電子束蒸發、濺射、ALD及其任何組合。代表性實例顯示在例如圖2-5中。
[0263]肓接蝕刻在二氧化矽、石英或玻璃中
[0264]此外，可以通過將流體元件直接蝕刻在二氧化矽或玻璃中來獲得二氧化矽或玻璃表面。這可以通過直接蝕刻在二氧化矽/石英/玻璃基材中，或蝕刻在矽基材上的二氧化矽薄膜中來完成。參見圖2-5。
[0265]裝置構造
[0266]在圖5中，主入口和出口彼此相對，使得如果要施加電場，在納米通道陣列的所有納米通道中的場強將近似相等。在一個示例性實施方案中，包含了裝置的全部三個流體元件:納米通道陣列、前端/後端和互連區。
[0267]在另一個示例性實施方案中，前端和/或後端可以省略，互連區與納米通道陣列直接相連。在另一個示例性實施方案中，互連區可以省略，前端和/或後端與埠直接相連。
[0268]在另一個示例性實施方案中，前端和後端與互連區都可以省略，因此納米通道陣列與埠直接相連。在示例性實施方案中，裝置是對稱的，以便當在入口和出口之間施加電場時將通過納米通道陣列中的納米通道的電場的一致性最大化。
[0269]在另一個示例性實施方案，納米通道陣列的出口通向倒置的前端結構(被稱為後端或BE)，然後進入互連通道，如圖5(b)中所示。在另一個示例性實施方案中，納米通道陣列的出口直接通向出口端(省略了後端和互連區)。
[0270]在另一個示例性實施方案中，納米通道陣列的出口可以直接通向通往出口端的互連區(省略了後端)。在另一個示例性實施方案中，後端可以直接通向出口端(省略了互連區)。
[0271]2-埠裝置
[0272]2埠晶片具有一個在其中加樣的輸入埠和一個隨後將樣品排出的輸出埠。使用力例如電滲力、電動力、電泳力、壓力、毛細管力或其任何組合，直接控制樣品經這兩個埠的移動。這種設計具有顯著的優點，包括直接毛細管上樣的操作的簡易性。這種設計也最小化了埠的數量，因此最大化了每個晶片可允許的獨立裝置的數量。
[0273]4-埠裝置
[0274]4-埠裝置具有兩個輸入(主要/次級)埠和兩個輸出(主要/次級)埠。這種設計優於2-埠晶片的主要優點是為晶片操作者提供了更大的自由度來控制樣品移動通過納米通道陣列。可以使用力例如電滲力、電動力、電泳力、壓力、毛細管力、其組合等，直接控制樣品經過這四個埠的移動。在這種應用中，樣品以受控方式從主要入口埠流到次級入口埠，並且一旦鑑定到目標物件，可以通過調節樣品流速將它移位到納米流體FE區。
[0275]梯度前端和後端
[0276]前端和後端的特性是作為微流體與納流體區域之間的接口。前端(FE)適合便於DNA的解開、拉長和從微流體尺度的互連區轉移到更小尺度的納米通道陣列中。這適合通過使DNA流過形成密集圖案的、逐漸減小的(並且間距更近的)結構的網絡/陣列來實現，這種網絡/陣列當DNA通過時執行DNA拉長並然後進入納米通道。FE設計適合是「分支通道網絡」結構的變體，所述結構具有幾種特性。
[0277]首先，對於每個分支來說，通道被分割成兩個或多個通道。在一個實施方案中，分支通道的總寬度與原始通道近似相等，使得總橫截面積保持近似相同。通過這種方式，在整個分支通道網絡中的流速將保持近似恆定。
[0278]其次，通過逐漸分割，分支網絡促進了 DNA在納米通道陣列中的均勻負載，即不存在偏向於納米通道陣列中的特定納米通道或納米通道組。
[0279]此外，分支通道網絡呈現出逐漸變小的流體通道，其有效地解開並拉長非常長的DNA區段。
[0280]在給定的分支點處，分支通道不必具有相同的寬度、長度或深度。它們也不必彼此平行或均勻分布。分支通道的構造也不必是直的或線性的。在某些實施方案中(例如圖9)，為了進一步增強其解開DNA的能力，分支通道可以包含柱結構。
[0281]FE流體結構為約1-1OOOnm深並高達1000nm寬。FE結構中的通道(或柱或其他障礙物)也可以具有約100到約500nm、或甚至約200nm到約300nm的深度。結構(例如通道、柱等)也可以具有約I到約10，OOOnm、或約20nm到約5000nm、或約50nm到約lOOOnm、或甚至約10nm到約500nm範圍內的寬度。
[0282]因為這些結構的目的是將DNA樣品從微流體環境逐漸限制到納流體環境中，因此在一個示例性實施方案中，這些流體結構的深度跨度是從100nm到最終納米通道的深度，以及寬度跨度是從1000nm到最終納米通道的寬度。但是，在FE結構中部件尺寸的這種減小不是必須單調減小的，部件尺寸也不需連續變化。例如，FE的部件尺寸(深度和寬度)的變化可以分級進行。
[0283]「鴉」式構誥
[0284]在圖7顯示的「鴉」式實施方案中，分支通道FE設計包括相當尖銳的分岔(分流劈)，其將通道分成兩個新的通道。新通道可以與原始通道尺寸相同或較小。分支角度可以為O。到90°不等。分支通道的長度可以為5到500微米不等。每個分支級不必具有相同長度。
[0285]「鷹」式構誥
[0286]「鷹」式設計與「鴉」式設計不同。首先，分岔的形狀為圓形柱。其次，柱分岔的直徑使得柱的邊緣突出到其前方的通道中。該設計背後的目的在於，沿著電場路徑(或其他梯度)的大分子(或其他靶)將更可能進入後繼的通道的中心(而不是沿著邊緣)。通過這種方式，靶在分支網絡中對某些通道比其他通道更偏向的可能性降低，並將導致納米通道陣列中納米通道的更均勻的負載。「鷹」式構造(與「鴉」式構造相似)，可以適合包含位於通道上遊、其中或下遊的柱。
[0287]附加實施方案
[0288]納米通道陣列形成了裝置的活性區。在這裡進行DNA的分析。陣列的圖案、寬度、深度、間距、密度、長度和面積可以極大變化。納米通道的深度可以從約1nm到約500nm，寬度從約10到約lOOOnm。納米通道的寬度和深度在整個裝置中可以保持恆定，或沿著通道、在通道之間或兩者中同時變化。納米通道相隔的距離可以為從1nm到1cm的任何值，長度可以為從0.1微米到50cm的任何值，並且陣列跨度可以是從0.1微米到50cm的任何值。通道可以是平行的或不平行的。它們不必均勻分布。它們可以具有相同長度或不同長度。它們可以是直的，或具有轉彎和曲線。它們可以彼此隔離或交叉。
[0289]分支結構的主通道相隔的距離可以在約I微米到50微米、100微米、1000微米或1cm的範圍內。通道之間的最適間距(間隔)取決於用戶的需要，可以由本【技術領域】的專業人員毫無困難地確定。
[0290]在一個示例性實施方案中，納米通道的圖案為平行陣列，深度為20_500nm，寬度為20-800nm。對於特定裝置來說，納米通道的寬度和深度是恆定的。納米通道相隔100到2000nm，並且是直的。納米通道的長度從50微米到5000微米不等。但是，可以實現各種不同的納米通道陣列的實施方案，包括其中納米通道的寬度、深度或二者可以沿著納米通道的長度而變的實施方案。
[0291]互連區
[0292]互連流體區可以具有10nm到100微米的深度和0.5微米到1000微米的寬度。在一個示例性實施方案中，深度在200nm到20微米的範圍內，寬度在I微米到50微米的範圍內。
[0293]附加說明
[0294]在某些實施方案中，本發明描述了流體裝置，其包含與第二基材(B)接合的基材(A)，任一個或兩個基材可以被形成圖案。製造方法描述了通過接合工藝、例如娃基材與玻璃基材之間的陽極接合而約束的微流體和納流體元件。
[0295]晶片的活性區適合位於兩個基材的界面處，在那裡，在一個或兩個基材表面上製造了單個或多個獨立的納米通道陣列裝置。這些裝置適合通過穿過一個或兩個基材的管道埠與晶片外部的環境流體連通。
[0296]所公開的裝置適合包括:
[0297].納米通道區-核心裝置區:目標大分子(例如DNA)在這裡被拉長、線性化、成像和分析。
[0298].梯度前端(FE)和後端(BE)-橫截面尺寸在微米、亞微米或納米範圍內的互連分支通道的陣列。FE或BE也可以包括重複的微米到納米尺度大小的結構，例如樁、柱、孔、溝槽以及上述的組合，所述結構與裝置的微米流體區和納米流體區連接。
[0299].互連區-微流體區:攜帶目標樣品從輸入埠到FE區，並為樣品從BE區移動到輸出埠提供管道的微流體通道網絡。
[0300]?埠:穿過基材適當蝕刻的孔，允許通過三維流體連通使裝置外部的環境與晶片內部的納米流體裝置(適合位於基材A與B之間)流體連通。
[0301]各種不同的材料可以構成流體元件的表面，包括但不限於:矽、二氧化矽、氮化矽、氧化鉿、石英、玻璃、熔融二氧化矽、金屬、氧化鋁、金屬、陶瓷、聚合物、塑料、電介質、SiGe、GaAs、GaAlAs、ΙΤ0、有機分子、自組裝單層、自組裝多層或其任何組合。
[0302]本發明公開了所有流體元件都通過原子層沉積(ALD)、壓力增強的化學氣相沉積(PECVD)、濺射、熱生長或其他熵或各向異性材料沉積方法而具有介電錶面的裝置。該步驟為流體元件中的生物分子的電場操作提供了絕緣性，並進一步減小了通過常規製造方法生產的流體通道。
[0303]本發明還公開了根據應用的需要可以被功能化和/或鈍化的納米流體元件表面，所述表面可以對廣泛光譜的電磁輻射包括UV、可見光和紅外光透明。
[0304]納米流體裝置也可以具有多個埠，並可以包括具有各種不同規格和角度的相接的逐漸分支的通道圖案設計，如所包含的圖中所示。
[0305]裝置具有各種分支分岔規格和角度的相接的逐漸分支的通道圖案。分支通道和樁或柱陣列的各種不同組合也可用於所公開的裝置的不同區域之間的連接，並可以用作具有不同寬度的通道之間的接口。
【權利要求】
1.一種分析方法,其包含: 將大分子移位通過至少兩個寬度連續減小的通道，使得當大分子位於通道的最狹窄處時其至少一部分被拉長，其中最寬和最窄通道的寬度比在約1到約107的範圍內； 當大分子位於通道中具有10nm到約lOOOnm寬度的第一區域中時，檢測來自所述大分子的信號；以及 將信號與大分子的性質相關聯。
2.權利要求1的方法，其中移位通過施加電梯度、壓力梯度、磁場、熱梯度或其任意組合來實現。
3.權利要求1的方法，其中檢測通過光學、電學、磁學、電磁學手段或其任意組合來實現。
4.權利要求1的方法，其還包含將大分子移位通過寬度連續增加的至少兩個通道。
5.權利要求1的方法，其還包含逆轉梯度的方向以逆轉大分子的方向，使得大分子的至少一部分重新進入通道的第一區域。
6.權利要求1的方法，其中最寬和最窄通道的寬度比在約100到約105的範圍內。
7.—種分析突光標記分子的方法,其包含: 將螢光標記分子的至少一部分置於分析裝置內的通道中，其中所述分析裝置具有至少第一基材、第二基材和第一薄膜，所述第一薄膜被構造成產生位於第一和第二基材之間的通道，第一薄膜與第一基材、第二基材或兩者接合， 當用激發波長在約10nm到約2500nm範圍內的電磁福射對樣品進行照射時，突光標記分子能夠發出發射波長的電磁輻射， 當用激發波長的電磁輻射照射裝置時，與不含所述第一薄膜的相同裝置相比，第一薄膜降低裝置的背景信號，以及收集從螢光標記分子發出的發射波長的電磁輻射。
8.一種分析裝置，其包含: 第一基材和第二基材， 第一和第二基材限定位於基材之間的通道，第一或第二基材中的至少一個允許其特徵為具有約10nm到約2500nm範圍內的至少一種波長的電磁福射至少部分通過； 第一薄膜，其覆蓋第一基材、第二基材或兩者的至少一部分， 第一薄膜的至少一部分限定位於第一和第二基材之間的通道的至少一部分，並且當用波長在約10nm到約2500nm範圍內的電磁輻射對裝置進行照射時，與不具有所述第一薄膜的同樣裝置相比，第一薄膜使裝置的背景信號降低。
9.一種分析裝置，其包含: 基材，其被構造成限定封閉在所述基材內的通道， 所述基材透過至少一種頻率分量在約10nm到約2500nm範圍內的電磁福射。
10.一種製造分析裝置的方法，其包含: 布置第一基材、第二基材和第一薄膜層，以便限定位於第一和第二基材之間的通道， 選擇第一薄膜層，使得當用波長在約10nm到約2500nm範圍內的電磁輻射對裝置進行照射時，與不具有所述第一薄膜的同樣裝置相比，所述層使裝置的背景信號降低；以及將第一薄膜層與第一基材、第二基材或兩者接合。
11.一種製造分析裝置的方法，其包含:將犧牲模板置於包含透過波長在約10nm到約5000nm範圍內的電磁輻射的材料的工件 內；去除犧牲模板的至少一部分以便產生位於工件內的通道，通道的至少一部分的橫截面尺寸在約5nm到約5000nm的範圍內。
【文檔編號】G01N21/64GK104359874SQ201410462892
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2009年6月5日 優先權日:2008年6月6日
【發明者】曹涵, 麥可·D·奧斯汀, 帕裡克希特·A·德什潘德, 馬克·昆克爾, 阿列克謝·Y·沙羅諾夫, 麥可·科切爾斯皮爾格 申請人:博納基因技術有限公司