專利名稱：集成納米流體分析裝置及相關制造方法和分析技術的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及納米流體學領域并涉及固態(tài)光學分析裝置領域。
背景技術：
當前生物醫(yī)學分析的挑戰(zhàn)之一是充分解釋生物樣品的復雜性，這些樣品可具有極大異質(zhì)性，并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(shù)的細胞或分子群體，往往是與患者的病理生理狀態(tài)最臨床相關的部分。常規(guī)的大量溶液分析法可能平均化并掩蓋了異質(zhì)樣品的小而重要的特征，阻止了致病分子、特征和事件的早期發(fā)現(xiàn)。隨著分子生物學技術的發(fā)展，對于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。單分子水平生物學的世界本質(zhì)上處于微米及以下的尺度上。該領域中的一個挑戰(zhàn)是在與現(xiàn)有制造方法相容的固態(tài)材料上制造高質(zhì)量的微米和納米流體結(jié)構。裝置內(nèi)表面的光學純度在被設計用于單分子水平熒光成像的納米流體學中具有頭等重要性，這是因為光學背景污染產(chǎn)生過量的自體熒光噪音，其降低了流體裝置的有效性。但是在常規(guī)半導體制造中，光學純度不被認為是重要的方面。該領域面臨的另一個挑戰(zhàn)是將分子或其他靶從宏觀尺度環(huán)境(例如移液器)移動到微米或納米尺度區(qū)域，以及將這些分子和相關介質(zhì)從微米或納米尺度區(qū)域移動到宏觀尺度的廢液出口或樣品收集池以用于進一步的下游分析。這樣的裝置必須容納尺寸范圍從厘米向下直到個位數(shù)納米(相差7個數(shù)量級)的部件，這表示需要將極寬的長度尺度范圍以允許可控和無滲漏運輸?shù)姆绞郊稍谝黄稹Ｅc生物和其他靶的運輸所呈現(xiàn)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(fā)光標記物的挑戰(zhàn)，所述檢測可以在靶被置于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。對于這種檢測來說，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(tǒng)的動態(tài)范圍而增加了該系統(tǒng)的值。通過在裝置中在可能的最寬波譜范圍內(nèi)降低構成裝置背景信號的電磁輻射，該值可以進一步增加。某些基材例如硅，當在平的、開放式的硅基材上對熒光團成像時，正如在基于微陣列的應用中通常所出現(xiàn)的那樣，將淬滅熒光發(fā)射。為了防止這種淬滅，典型地使用基材涂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，涂層材料可能經(jīng)常增加裝置的背景信號，這進而降低了裝置的性能，并實際上將一個問題(淬滅)轉(zhuǎn)變成另一個問題(背景增加)。因此，在本技術領域中，對于表現(xiàn)出相對低水平的背景信號、同時還限制裝置中存
8在的熒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，對于制造具有這些特征的裝置的相關方法，也存在著需求。
發(fā)明概要在迎接所述挑戰(zhàn)中，本要求保護的發(fā)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(huán)境流體連通；以及第一前端分支通道區(qū)，其包含至少一個其特征為橫截面尺寸在約10，OOOnm以下的范圍內(nèi)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(qū)流體連通，所述納米通道分析區(qū)包含至少一個納米通道，所述納米通道的特征為具有小于主通道的橫截面尺寸，并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的范圍內(nèi)。還提供了制造分析裝置的方法，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IOnm到約10，OOOnm范圍內(nèi)的通道，接合產(chǎn)生了位于基材之間的封閉管道，封閉的管道能夠通過其運輸流體。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，使得當大分子位于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1 到約IO6的范圍內(nèi)；當大分子位于通道具有IOnm到約IOOOnm寬度的第一區(qū)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(zhì)相關聯(lián)。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于基材之間的通道，第一或第二基材中的至少一個允許至少部分通過其特征為具有約IOnm 到約2500nm范圍內(nèi)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于第一和第二基材之間的通道的至少一部分，并且當用波長在約IOnm到約2500nm范圍內(nèi)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。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(nèi)的通道，基材可以透過至少一種頻率分量在約IOnm到約2500nm范圍內(nèi)的電磁輻射。還提供了制造分析裝置的方法，其包含布置第一基材、第二基材和第一薄膜層， 以便限定位于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IOnm到約 2500nm范圍內(nèi)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。還提供了制造分析裝置的方法，其包括將犧牲模板置于包含透明波長在約IOnm 到約5000nm范圍內(nèi)的電磁輻射的材料的工件內(nèi)；去除犧牲模板的至少一部分以便產(chǎn)生位于工件內(nèi)的通道，通道的至少一部分具有約5nm到約5000nm范圍內(nèi)的橫截面尺寸。還提供了分析熒光標記分子的方法，其包含將至少一部分熒光標記的分子置于分析裝置的通道內(nèi)，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(chǎn)生位于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(fā)波長在約IOnm到約2500nm范圍內(nèi)的電磁輻射對樣品進行照射時，熒光標記的分子能夠發(fā)射發(fā)射波長的電磁輻射，當用激發(fā)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，以及收集從熒光標記的分子發(fā)出的發(fā)射波長
9的電磁輻射。附圖簡述當結(jié)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。出于說明本發(fā)明的目的，在圖中顯示了本發(fā)明的示例性實施方案；但是，本發(fā)明不限于所公開的具體方法、組成和裝置。此外，圖不一定是按比例繪制的。在圖中

圖1描繪了本發(fā)明裝置的示意圖；圖2描繪了本發(fā)明的示例性裝置；圖3描繪了本發(fā)明的示例性制造流程；圖4描繪了兩個基材(基材A和B;基材之一適宜是透明的)的示例性制造流程， 其中通道元件蝕刻在兩個基材中；圖5描繪了具有2和4個端口的示例性納米裝置；圖6描繪了多端口裝置設計的示例性實施方案；圖7描繪了本發(fā)明的多級分支通道陣列；圖8顯示了多層次、分支的互連通道陣列；圖9顯示了具有分支通道和柱陣列的組合的裝置設計；圖10描繪了具有排列成一系列連續(xù)相連的蛇形構造平行納米通道的單個長納米通道的設計；圖11描繪了排列成一系列連續(xù)相連的平行納米通道的多個長納米通道；圖12顯示了本發(fā)明的通道裝置的各種非限制性實施方案；圖13描繪了本發(fā)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；圖14描繪了本發(fā)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；圖15描繪了本發(fā)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；圖16描繪了本發(fā)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；圖17描繪了本發(fā)明的裝置的操作，在(a)中顯示了位于根據(jù)本發(fā)明制造的裝置中的熒光標記樣品的激發(fā)，以及收集從被激發(fā)樣品發(fā)出的、透過與激發(fā)輻射所通過的相同的基材和薄膜層的輻射，并且在(b)中顯示了位于根據(jù)本發(fā)明制造的裝置中的熒光標記樣品的激發(fā)，以及收集從被激發(fā)樣品發(fā)出的、透過與激發(fā)輻射所通過的不同的基材和薄膜層的輻射；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SiOx薄膜的封閉通道的背景測量；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；
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圖20顯示了在約653nm的激發(fā)輻射波長處獲取的在陣列底部設有SiOx薄膜的納米通道陣列的圖像以及在該陣列內(nèi)存在的T0T0-3標記的DNA的圖像；以及圖21顯示了在約653nm的激發(fā)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Τ0Τ0-3(熒光團)標記的DNA的圖像。說明性實施方式的詳細描述通過參考下面的詳細描述，同時結(jié)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(fā)明。應該理解，本發(fā)明不限于本文描述和/或顯示的具體裝置、方法、 應用、條件或參數(shù)，并且本文中使用的術語僅僅是出于描述作為實例的具體實施方案的目的，而不打算限制本發(fā)明。此外，當在包括隨附的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(shù)量指示的名詞包括其復數(shù)，并且提到具體數(shù)值時至少包括該具體值。本文中使用的術語“多個”是指多于一個。當表述值的范圍時，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。所有范圍是包含性的和可組合的。應該理解，為了清楚起見，本發(fā)明的某些特點在本文中描述在分開的實施方案的內(nèi)容中，它們也可以組合提供在單一實施方案中。相反，出于簡便而描述在單一實施方案的內(nèi)容中的本發(fā)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，以范圍形式陳述的值包括該范圍內(nèi)的每個和所有值。術語當在本文中使用時，“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、孔、門、洞、通路等。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。本發(fā)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，并包括例如硅、玻璃和石英。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(huán)境流體連通。在裝置中還存在第一前端分支通道區(qū)，該區(qū)域包含至少一個其特征為橫截面尺寸在約10，OOOnm以下的范圍內(nèi)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(qū)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。納米通道分析區(qū)適合包括至少一個納米通道，通道特征為具有小于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 的范圍內(nèi)，或甚至約2000?；目梢允窃S多不同材料。第一基材、第二基材或兩者適合是硅、SiGe、Ge、應變硅、GeSb^Te、AlGaAs, AlGaInP, AlGaN, AlGaP, GaAsP, GaAs, GaN, GaP, InAlAs, InAlP, InSb, &JnAlAs、GaInAlN、GaInAsN、GaInAsP、GaInAs、GaInN、GaInP、GaSbUnNUnP、CdSe 或 CdTe。 鋅化合物例如硒化鋅( )、HgCdTe、ZnO、ZnTe和硫化鋅( 也都是有用的。基材材料的名單還包括鋁、氧化鋁、不銹鋼、Kapton(TM)、金屬、陶瓷、塑料、聚合物、藍寶石、碳化硅、絕緣體上的硅(SOI)、astrosital、硼酸鋇、氟化鋇、軟鉍礦晶體BGO/ BS0/BT0、鍺酸鉍、方解石、氟化鈣、碘化銫、Fe = LiNbO3、熔融石英、石英、熔融二氧化硅、玻
11璃、SiO2、鎵、釓榴石、磷酸二氫鉀(KDP)、溴碘化鉈(KRS-5)、磷酸鈦氧鉀、鉬酸鉛、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。適合的第一基材具有約IOnm到約10，OOOnm、或約IOOnm到約lOOOnm、或約200nm 到約500nm的厚度。第二基材可以具有同樣范圍的厚度；兩種基材可以具有相同厚度或不同厚度。入口的橫截面適合是圓形的(例如圖1)，盡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微米范圍內(nèi)、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。端口可以被塞住或蓋住，也可以包括閥或其他密封件。出口適合具有與入口相似的尺寸，盡管給定裝置上的入口和出口不是必需具有同樣尺寸。端口適合貫穿基材的整個厚度，盡管也可以使用僅僅貫穿基材的一部分的入口 (和出口)。本發(fā)明的互連通道適合具有約IOOnm到約100微米、或約500nm到約50微米、或約1微米到約10微米范圍內(nèi)的深度。互連通道還適合具有約500nm到約1000微米、或約 1微米到約50微米、或約10微米到約50微米范圍內(nèi)的寬度?；ミB區(qū)顯示在例如圖5中。在某些構造中，互連通道可以連接兩個或以上的入口，并且也可以與分支區(qū)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(qū)與入口直接流體連通，不需要居間的互連區(qū)。在本發(fā)明裝置的分支(或分叉)區(qū)中，主通道適合具有約IOnm到約10，OOOnm范圍內(nèi)、或約50nm到約IOOOnm范圍內(nèi)、或約75nm到約200nm范圍內(nèi)的寬度。主通道的最適
寬度將取決于用戶的需要。主通道可以具有約IOnm到約lOOOnm、或約50nm到約500nm、或甚至約IOOnm到約 200nm范圍內(nèi)的深度。前端分支通道區(qū)適合包含分流劈(splitter)結(jié)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(jié)構包含至少一個相對于主通道的中心線成約0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)頂部顯示的相對于主通道的中心線成0到90度之間的角的表面。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%的范圍內(nèi)，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。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微米范圍內(nèi)的長度。次級通道可以具有相同或不同的長度。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于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。在本發(fā)明的某些構造中，分流劈結(jié)構包括曲線形(countered)的部分，例如圖 8中所示。這樣的分流劈結(jié)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(jié)構下游的任一次級通道，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(qū)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(nèi)。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%的范圍內(nèi)。次級通道的寬度可以在主通道寬度的約30%到約70%的范圍內(nèi)，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%的范圍內(nèi)，或甚至約為主通道橫截面積的50%。本發(fā)明裝置的納米通道分析區(qū)中的納米通道適合具有約Inm到約lOOOnm、或約 IOnm到約100nm、或甚至約50nm到約80nm范圍內(nèi)的寬度。納米通道可以具有約IOnm到約 500nm、或約20nm到約200nm、或甚至約50nm到約IOOnm范圍內(nèi)的深度。在某些構造中，納米通道具有至少一個線性區(qū)段，其具有約0. 1微米到約50微米范圍內(nèi)的長度。線性區(qū)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。納米通道可以具有恒定的寬度和深度，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。在某些實施方案中，例如在圖5(b)中所示，納米通道分析區(qū)與第一后端分支通道區(qū)流體連通。后端分支區(qū)適合與前面描述的前端分支區(qū)類似，并且特征是位于前端分支通道區(qū)的下游。給定裝置上的前端和后端區(qū)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))，其與端口(入口或出口)、與分支區(qū)(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)端口流體連通。在某些實施方案中，端口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IO7的范圍內(nèi)。在某些情況下，比率是100、1000或甚至10，000。該比率證明本發(fā)明的裝置適合于運輸(以及分析)從微米(或更大)尺度環(huán)境運輸?shù)郊{米尺度環(huán)境的靶。這種將靶從大尺度環(huán)境可控地移位到微米或納米尺度環(huán)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，然后利用本發(fā)明的裝置可控地從大的樣品中分離單一靶。此外，本發(fā)明允許用戶在納米尺度環(huán)境、例如通道中分離單個靶。因此本發(fā)明使用戶能夠?qū)ο惹芭c許多其他分子一起分散在大體積介質(zhì)中的個體分子進行單分子分析。在某些實施方案中，納米通道分析區(qū)和分支通道區(qū)位于同一平面內(nèi)。在其他實施方案中，它們位于不同平面內(nèi)。納米通道分析區(qū)可以與第二納米通道分析區(qū)流體連通，所述
13第二納米通道分析區(qū)位于與第一納米通道分析區(qū)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(qū)裝置，并且可以構建包含多個納米通道分析區(qū)的集合裝置 (meta-device) 0還提供了制造分析裝置的方法。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IOnm到約10，OOOnm范圍內(nèi)的通道，接合產(chǎn)生了位于基材之間的封閉管道，所述封閉管道能夠在其中運輸流體。接合可以通過陽極接合、熱接合或其任何組合來實現(xiàn)。也可以使用化學接合。用于Si-玻璃裝置的陽極接合的樣品處理條件，在本文別處描述。方法可以包括將薄膜置于第一基材、第二基材或兩者的至少一部分的頂上，所述薄膜可以置于位于基材中的任何通道的至少一部分內(nèi)。薄膜可用于增強基材之間的接合。作為一個非限制性的實例，二氧化硅(或氮化硅)薄膜可用于增強(或甚至造成) 硅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(nèi)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，薄膜可用于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于管道中的熒光團。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(cè)壁以便減小可用于液體在管道中流動的橫截面來實現(xiàn)。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?；目梢园▋蓚€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(chǎn)生位于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)。在某些實施方案中，得到的裝置的兩個管道的寬度比在約1到約IO7的范圍內(nèi)，或在約100到約10,000的范圍內(nèi)，或甚至約為1000。在某些實施方案中，第一基材、第二基材或兩者包含電介質(zhì)。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。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，使得當大分子位于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1到約107、或甚至約100到約IO5的范圍內(nèi)。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。在某些實施方案中，用戶可以將靶移位通過橫截面尺寸在厘米范圍內(nèi)的入口，并且靶最終到達橫截面尺寸在納米范圍內(nèi)的通道。方法還包括當分子駐留在具有IOnm到約lOOOnm、或約50nm到約500nm、或約 IOOnm到約200nm寬度的第一通道區(qū)域中時，檢測來自分子的信號。然后用戶可以將信號與大分子的性質(zhì)相關聯(lián)。例如，在將樣品暴露于與樣品上的獨特DNA序列結(jié)合的熒光標簽之后，用戶就可以質(zhì)詢樣品以確定樣品上是存在(還是不存在)熒光標簽。用戶也可以將信號的持續(xù)時間與大分子的長度或其他性質(zhì)、乃至大分子通過裝置的速度相關聯(lián)。信號不必由熒光分子發(fā)出；信號可以是磁性或放射性的。在某些實施方案中，當靶
14位于通道(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(fā)所產(chǎn)生的信號，或者它可以是通過照射樣品所產(chǎn)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、盡管不是必需的，至少一個基材(和任何居間的薄膜)是透明的。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(xiàn)。移位可以包括施加恒定的梯度或變化的梯度。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(zhuǎn)，以逆轉(zhuǎn)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(qū)域。因此用戶可以使靶大分子在給定裝置中來回移動。這種來回控制類似于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(qū)，然后通過逆轉(zhuǎn)梯度“倒回”大分子，然后重新分析同一個分子。這使用戶能夠容易地重復測量給定的靶，允許用戶快速積累一大組(即統(tǒng)計上有用的)測量值。調(diào)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，然后使靶減慢以進行分析。檢測適合通過光學、電學、磁學、電磁學手段或其組合來實現(xiàn)。光子計數(shù)器和顯微鏡適合用于執(zhí)行本發(fā)明的檢測。另一方面，本發(fā)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于基材之間的通道，第一或第二基材中的至少一個允許其特征為具有約IOnm到約2500nm范圍內(nèi)的至少一種波長的電磁輻射至少部分通過；第一薄膜，其覆蓋第一基材、第二基材或兩者的至少一部分。薄膜可以是單層材料。基材可以被多個薄膜覆蓋，并且薄膜自身可以由單一材料或材料的組合構成?；目梢员灰粋€、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，以加強位于裝置中的靶的觀察。第一薄膜的至少一部分適當限定了位于第一和第二基材之間的通道的至少一部分，并且當用波長在約IOnm到約2500nm范圍內(nèi)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。薄膜適合與第一基材、第二基材或兩者接合?；倪m合互相接合，并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
I=I O第一薄膜適合包含氮化硅。第一薄膜也可以包含例如氧氮化硅、SiOxNy、氫化二氧化硅、氫化氮化硅、氫化氧氮化硅、高K電介質(zhì)、含鈦化合物TiSiO、TiO、TiN、氧化鈦、氫化氧化鈦、氮化鈦、氫化氮化鈦、TaO, TaSiO, TaOxNy, Ta2O5, TaCN、氧化鉭、氫化氧化鉭、氮化鉭、 氫化氮化鉭。包含鉿的化合物也是適合的，并包括Hf02、HfSiO2, HfZrOx, HfN, HfON, HfSiN, HfSiON、氧化鉿、氫化氧化鉿、氮化鉿、氫化氮化鉿、ZrO2, ZrSiO2, ZrN, ZrSiN, ZrON, ZrSiON, 氧化鋯、氫化氧化鋯、氮化鋯、氫化氮化鋯、A1203、A1N、TiAlN, TaAlN, WAIN、氧化鋁、氫化氧
化鋁、氮化鋁、氫化氮化鋁。適合的材料還包括WNdS K電介質(zhì)、摻氟二氧化硅、摻碳二氧化硅、多孔二氧化硅、 多孔摻碳二氧化硅、旋壓有機聚合電介質(zhì)、石墨、石墨烯、碳納米管、塑料、聚合物、有機分
15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(zhì)的化學計量變化形式，及其組合。第一基材、第二基材或兩者可以包含玻璃、硅或二者的組合。在某些實施方案中， 一個或兩個基材包含石英、熔融二氧化硅、藍寶石、碳化硅、蘇打石灰、鍺、鍺硅、鎵、銦、鎘、 鋅、鋁、不銹鋼、Kapton(TM)聚合材料、聚合物、半導體材料、金屬、陶瓷等?；囊部梢园@些材料的組合。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。這種透明性便于可能位于裝置內(nèi)的靶(例如熒光標記的大分子)的觀察。適合的玻璃包括^^0 Borofloat (TM) 33 玻璃、Pyrex 7740 (TM)玻璃、Hoya SD2 (TM)玻璃、其組合等?；倪m合具有約0.01mm到約5mm、或約0. Imm到約Imm范圍內(nèi)、或甚至約0. 5mm的厚度。第一薄膜可以具有約Inm到約5000nm、或約IOnm到約lOOOnm、或約50nm到約 500nm、或甚至約IOOnm到約200nm范圍內(nèi)的厚度。本發(fā)明裝置的管道適合具有約5nm到約5mm、或約IOnm到約1mm、或約50nm到約 1微米、或約IOOnm到約500nm范圍內(nèi)的寬度。通道適合具有約5nm到約1mm、或IOOnm到約IOOOnm范圍內(nèi)的深度。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IOnm到約 2500nm范圍內(nèi)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。氮化硅被認為特別適合用作薄膜。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硅、SiOxNy、氫化二氧化硅、氫化氮化硅、氫化氧氮化硅、高K電介質(zhì)、含鈦化合物TiSiO、TiO、TiN、氧化鈦、氫化氧化鈦、氮化鈦、氫化氮化鈦、TaO, TaSiO, 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、HfSiO2, HfZrOx, HfN, HfON, HfSiN, HfSiON、氧化鉿、氫化氧化鉿、氮化鉿、氫化氮化鉿、ZrO2, ZrSiO2, ZrN, ZrSiN, ZrON, &Si0N、氧化鋯、氫化氧化鋯、 氮化鋯、氫化氮化鋯、A1203、A1N、TiAlN, TaAlN, WAIN、氧化鋁、氫化氧化鋁、氮化鋁、氫化氮化鋁、SiN, WNJS K電介質(zhì)、摻氟二氧化硅、摻碳二氧化硅、多孔二氧化硅、多孔摻碳二氧化硅、旋壓有機聚合電介質(zhì)、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(zhì)的化學計量變化形式、其組
口寸ο第二薄膜適合具有約Inm到約5000nm、或約IOOnm到約lOOOnm，、或甚至約300nm 到約500nm范圍內(nèi)的厚度?？梢赃x擇薄膜以阻止或減少位于裝置中的熒光分子被暴露于第一基材、第二基材或二者所淬滅。還可以選擇薄膜以降低裝置發(fā)出的背景信號。本發(fā)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(nèi)的通道，并且所述基材可以透過至少一種頻率分量在約IOnm到約2500nm范圍內(nèi)的電磁輻射。通道適合以管道為特征，盡管其他構造也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。通道也適合具有至少一個在約5nm到約5mm范圍內(nèi)、或約50nm到約500nm、或甚至約75nm到約IOOnm范圍內(nèi)
16的橫截面尺寸(例如寬度、直徑)。通道適合由氮化硅形成，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。氮化硅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)，從而便于放置在其中的樣品的觀察。此外，正如圖19所示，氮化硅不對位于附近的熒光團執(zhí)行淬滅，這進一步便于位于裝置中的標記的靶的分析。還提供了制造分析裝置的方法。這些方法尤其包含布置第一基材、第二基材和第一薄膜層，以便限定位于第一和第二基材之間的通道。適當選擇第一層，使得當用波長在約IOnm到約2500nm范圍內(nèi)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。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(chǎn)生)兩個基材之間的接合。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(yè)人員已知的其他方法。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)位于裝置內(nèi)的熒光團的淬滅。不受任何具體理論的限制，薄膜可以用作熒光團與一個或多個裝置基材之間的遮蔽物。在某些實施方案中，薄膜用于在熒光團與基材之間提供物理分離；沒有薄膜，熒光團將駐留在與基材材料相對接近，當熒光團駐留在作為“暗井”的通道內(nèi)時，熒光團可能被基材材料降低或淬滅。氮化硅被認為是用于減少淬滅的適合材料。還提供了制造分析裝置的方法。這些方法包含將犧牲材料或模板置于包含透過波長在約IOnm到約5000nm范圍內(nèi)的電磁輻射的材料的工件內(nèi)。然后用戶去除犧牲模板的至少一部分以便產(chǎn)生位于工件內(nèi)的通道，并且通道的至少一部分具有約5nm到約5000nm范圍內(nèi)的橫截面尺寸。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(xiàn)。然后通過加熱、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。通道適合具有至少一個在約5nm到約5000nm、或約IOnm到約lOOOnm、或約50nm 到約500nm范圍內(nèi)的橫截面尺寸(例如直徑、寬度或甚至深度)。通道可以具有恒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。還提供了分析熒光標記分子的方法。方法包含將熒光標記分子的至少一部分置于分析裝置的通道內(nèi)，裝置適合具有至少第一基材、第二基材和第一薄膜，并且第一薄膜被構造成產(chǎn)生位于第一和第二基材之間的通道。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(fā)波長在約 IOnm到約2500nm范圍內(nèi)的電磁輻射對樣品進行照射時，熒光標記分子適于能夠發(fā)出發(fā)射波長的電磁輻射，并且當用激發(fā)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。然后用戶收集從熒光標記分子發(fā)出的發(fā)射波長的電磁輻射。裝置的背景信號可歸因于第一基材、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(例如二氧化硅)的背景信號。本發(fā)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，并且透明基材(在某些實施方案中)也可以提供有“頂薄膜”。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、涂層或兩者中，并且通道可以布置成彼此對齊，以便產(chǎn)生由兩個被布置成彼此對齊的通道限定的“復合”通道(例如圖 13(b)、圖 14(b)、圖 15(b)和圖 16(b))?；幕虮∧た梢跃哂性谄渖闲纬傻耐ǖ?、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(chǎn)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，下部基材的柱位于上部基材的通道中。這樣的裝置可以與圖9中顯示的裝置類似。在某些實施方案中，使用一個或多個閥調(diào)節(jié)流體在裝置中的流動。作為一個實例， 閥可以位于裝置的入口或出口處。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。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，并可以布置(例如沉積、生長)薄膜以便使得產(chǎn)生溝、狹槽或其他通道?？蛇x地，可以布置薄膜，然后去除部分薄膜(例如通過蝕刻、消融或通過其他技術)以便產(chǎn)生所需尺寸和取向的通道。在其他實施方案中(圖14(b))，取決于用戶的需要，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。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(zhì)(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)的電磁輻射熒光激發(fā)的熒光團，然后被激發(fā)的標記物發(fā)出的電磁信號穿過透明基材返回，然后檢測發(fā)射(圖17(a))。其他可能的實施方案包括在從封閉通道發(fā)射電磁輻射信號穿過透明基材之前，使用多個能量轉(zhuǎn)移步驟(例如熒光共振能量轉(zhuǎn)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(fā)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。透明層透明基材(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
18者對目標頻率的電磁輻射透明，或兩者。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的溫度范圍內(nèi)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)和底部基材硅。其他適合的基材包括石英、熔融二氧化硅、玻璃、熔融石英、藍寶石、碳化硅和鈉鈣玻璃?；暮穸冗m合在0.01mm到5mm、或甚至在0.01到0. 3mm之間?；目梢跃哂芯鶆虻暮穸然蜃兓暮穸?。裝置可以采用芯片、載片的形式或其他可插入形式。裝置可以插入到讀數(shù)器/檢測器裝置中，或裝置可以整合在讀數(shù)器/檢測器裝置中。裝置可以包括一個或多個用于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。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于熔合、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。底薄膜底薄膜(例如圖13中所示)適合與底部基材的組成不同，并用于減小通道和周圍區(qū)域的背景信號。該薄膜材料可以通過生長、沉積、蒸發(fā)、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后、或通道或其他結(jié)構蝕刻之前施加，在這種情況下通道或其他結(jié)構(例如流體元件)被蝕刻在薄膜中，如圖16中所示。如果材料是二氧化硅，它可以熱生長，或者如果材料是氮化硅，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。各種沉積/施加方法可用于底薄膜，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(MOVPE)、有機金屬氣相外延(OMVPE)、金屬有機化學氣相沉積(M0V⑶)、有機金屬化學氣相沉積(OMCVD)、氣相外延(VPE)、鍍層、蒸發(fā)、熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、陰極弧沉積、濺射、化學溶液沉積、旋壓薄膜、langmuir-blodgett膜、噴涂薄膜等。底薄膜材料的厚度可以在約Inm到約5000nm、或約500nm到約IOOOnm之間變化。 厚度不必是均勻的，并且適合在約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。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硅(SiNx或Si3N4)。 其他可能性包括但不限于電介質(zhì)、陶瓷、二氧化硅(SiO2)、氧化硅、玻璃、石英、熔融二氧化硅、SiOx、氧氮化硅、SiNxOy、氫化二氧化硅、氫化氮化硅、氫化氧氮化硅。高K電介質(zhì)和含鈦化合物(TiSiO、TiO、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AaO、TaSiO、TaOxNy, Ta2O5, TaCN、氧化鉭、氫化氧化鉭、氮化鉭、氫化氮化鉭是適合的。鉿化合物例如Hf02、HfSi02、HfZr0x、HfN、Hf0N、HfSiN、HfSi0N、氧化鉿、氫化氧化鉿、氮化鉿、氫化氮化鉿、鋯化合物(&02、ZrSiO2、ZrN、ZrSiN,ZrON,&Si0N、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、A1N、TiAlN, TaAIN、WAIN、氧化
19鋁、氫化氧化鋁、氮化鋁和氫化氮化鋁，是有用的。SiN, WN、低K電介質(zhì)、摻氟二氧化硅、摻碳二氧化硅、多孔二氧化硅和多孔摻碳二氧化硅也是適合的。某些實施方案可以包括旋壓有機聚合電介質(zhì)、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(zhì)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SiOx而不是SiA ；TaxOy代替Ta2O5)、其組合等。適當選擇底薄膜的材料、施加、形態(tài)和拓撲結(jié)構，以便相對于位于通道中的目標體發(fā)出的信號，降低裝置的有效背景信號，并在也適于降低或甚至最小化用于觀察待分析樣品的熒光(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(yè)人員在根據(jù)用于評估(即激發(fā))目標體的一個或多個波長處從通道發(fā)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(yōu)化時，將很少遇到困難。頂薄膜頂薄膜材料的組成、施加方法、拓撲結(jié)構、形態(tài)和厚度范圍適合與底薄膜相同，差別在于頂薄膜施加到上部透明基材上而不是下部基材上，并且它在特定芯片實施方案中可能不是必需的。適當選擇頂部或上部薄膜的材料、施加、形態(tài)和拓撲結(jié)構，以便相對于位于通道中的目標體發(fā)出的信號，降低裝置的有效背景信號，并也適合降低或甚至最小化用于觀察待分析樣品的熒光(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(yè)人員在根據(jù)用于評估(即激發(fā))目標體的一個或多個波長處從通道發(fā)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(yōu)化時，將很少遇到困難。封閉通道封閉通道的寬度在通道內(nèi)可以從約5nm到約5mm不等。封閉通道的深度在通道內(nèi)適合從約5nm到約Imm不等。封閉通道的寬度在通道內(nèi)可以從約5nm到約50微米不等，并且封閉通道的深度在通道內(nèi)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(tǒng)一深度和橫截面的通道，盡管可能根據(jù)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(jié)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ocharmel或長方形的障礙物的頂部。障礙物可以是柱、彎曲等。封閉通道適合含有在介質(zhì)中的目標體，所述介質(zhì)可以是流體例如液體。適合的介質(zhì)包括氣體、液體、固體、等離子體、真空、蒸汽、膠體、其組合等。介質(zhì)可以是緩沖劑、防腐劑寸。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，并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。用于制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、干涉刻印法、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(yè)人員已知的其他方法。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(guī)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。納米粒子、熒光團等也可以置于通道內(nèi)。能夠與置于納米通道內(nèi)(或移位通過納米通道)的大分子相互作用的部分(moietites)可以置于通道內(nèi)，以便提供能夠根據(jù)大分子的一部分與置于通道中的物件的相互作用而產(chǎn)生信號的裝置。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(cè)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(fā)明的范圍內(nèi)，并且通道適合與一個或多個入口、出口或兩者流體連通。底部基材底部基材由半導體、絕緣或?qū)щ姷娜魏位牟牧蠘嫵?，并適合能夠與透明基材通過底薄膜、頂薄膜或兩者接合。底部基材不是必須對目標電磁頻率透明。盡管硅是特別適合的，但其他材料選擇包括 SiGe、Ge、應變硅、GeSbTe, AlGaAs, AlGaInP, AlGaN, AlGaP, GaAsP, GaAs, GaN, GaP, InAlAs, InAlP, InSb, GaInAlAs, GaInAlN, GaInAsN, GaInAsP, GaInAs, GaInN, GaInP, GaSb, hN、hP、CcKe、CdTe、硒化鋅(ZnSe)、HgCdTe JnOJnTe、硫化鋅( 、鋁、氧化鋁、不銹鋼、 Kapton(TM)、金屬、陶瓷、塑料、聚合物、藍寶石、碳化硅、絕緣體上的硅(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、熔融二氧化硅、玻璃、SiO2、鎵、釓榴石、磷酸二氫鉀(KDP)、KRS-5、磷酸鈦氧鉀、鉬酸鉛、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?；牡暮穸冗m合在約0. Olmm到約5mm之間。厚度也可以介于約0. Imm到約Imm 之間。盡管可以使用各種標記物來分析目標體，但發(fā)光標記物在本技術領域中是公知的，并被認為特別適合用于本發(fā)明。用于分析目標體的發(fā)光標記物典型利用熒光、發(fā)光、化學發(fā)光、磷光等進行激發(fā)；熒光是常用的方法。適合的標記物包括有機熒光團、量子點、金屬點、聚合物珠、鑭系元素螯合物、納粒、熒光珠、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是一種示例性熒光團；也可以使用其他熒光團。用于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(fā)明被認為特別適合用于DNA分析。本發(fā)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于底部基材、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(fā)出的信號。激發(fā)光的波長在約IOOOnm到約300nm的范圍內(nèi)。取決于使用的熒光標記物，可以選擇最適于激發(fā)標記物的激發(fā)波長。例如，T0T0-3標記物適于被紅色(例如635nm) 范圍內(nèi)的光激發(fā)，并且來自這種激發(fā)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(fā)光。^ 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于熔合接合、熱接合、直接接觸接
21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、范德華力接合，及其任何組
I=I O實施例和非限制性實施方案實施例1圖18顯示了獲取的封閉通道的邊緣的一系列熒光圖像，顯示了通道和接合區(qū)。激發(fā)波長是紅光(635nm)，檢測信號經(jīng)過帶通濾波器(665-705nm)以除去任何反射的激發(fā)光。 隨著氧化硅厚度的增加，在高于635nm的波長區(qū)域中，透明基材與底部基材通過薄膜接合的區(qū)域中的背景產(chǎn)生了升高的背景量，而通道區(qū)維持低背景。應該指出，使用綠光(532nm) 和藍光G73nm)測量的背景水平?jīng)]有顯示出隨氧化硅厚度的變化。在本實施例中，氧化硅使用PECVD沉積，并且通道充有空氣。圖像使用EMCXD相機獲取。因此，圖18說明了使用在暴露于也可用于引發(fā)特定標記物發(fā)射的輻射時產(chǎn)生背景信號的薄膜層所提出的挑戰(zhàn)。正如圖18中所示，帶有SiOx薄膜的裝置在一定的波長范圍內(nèi)產(chǎn)生相對高的背景水平，這對試圖從(在暴露于激發(fā)輻射時)發(fā)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(zhàn)。換句話說，在該圖中顯示的SiOx 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并分析標記樣品的用戶，提出了挑戰(zhàn)。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(接近或小于激發(fā)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，除去氧化硅薄膜以降低背景，將引起被標記體的淬滅。實施例2圖19顯示了與圖18相同的實驗，區(qū)別在于將氧化硅薄膜用氮化硅薄膜代替。選擇氮化硅是因為它是半導體工業(yè)中常用的介電材料，因此在大多數(shù)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。圖19顯示了獲取的封閉通道的邊緣的一系列熒光圖像，顯示了通道和接合區(qū)。激發(fā)波長是紅光(635nm)，檢測信號經(jīng)過帶通濾波器(665-705nm)以除去任何反射的激發(fā)光。 隨著氮化硅厚度的增加，透明基材與底部基材通過薄膜接合的區(qū)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G73nm)測量的背景水平?jīng)]有顯示出隨氮化硅厚度發(fā)生變化。在本實施例中，氮化硅使用PECVD沉積，并且封閉通道充有空氣。圖像使用 EMCCD相機獲取。實施例3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 SiOx薄膜的各種不同寬度的封閉通道。隨著通道寬度的降低，由于底部基材通過SiOx薄膜與透明基材接合的區(qū)域所發(fā)出的高背景水平，DNA變得可見性降低。圖20顯示了(a) DNA在各種不同寬度的封閉通道中的熒光圖像。由于在接合區(qū)中產(chǎn)生的高背景，通道之間的邊界和接合區(qū)清晰可見，以及(b)DNA在寬度為IOOnm的通道中的熒光圖像。在該寬度下，由于源自于接合區(qū)(即一個基材與另一個基材接合的區(qū)域)的背景，DNA幾乎不可見。由于納米通道非常窄的寬度，背景顯得一致地高。圖的(c)部分顯
22示了從其獲取圖像(a)和(b)的流體芯片的示意圖。使用PECVD將SiOx在蝕刻的硅基材上沉積到58nm的厚度，并將由khott Borof loat33 (TM)構成的透明玻璃基材陽極接合到 SiOx覆蓋的硅上。將T0T0-3標記的DNA用紅光(635nm)激發(fā)，并將檢測信號經(jīng)過帶通濾波器(665-705nm)以除去任何反射的激發(fā)光。如圖(例如圖20(b))中所示，SiOx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于激發(fā)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(xiàn)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，但是對于可以放置在目標體上的標記物的數(shù)量和亮度，可能存在限制，以及對可用于激發(fā)被標記體的輻射的強度也存在限制。此外，正如在本文別處解釋的，除去氧化硅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。實施例4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，由于與圖20中的 SiOx薄膜相比，在底部基材通過SiNx薄膜與透明基材接合的區(qū)域中的背景水平?jīng)]有增加， DNA仍然可見。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熒光圖像。與圖 20(a)不同，由于背景低，通道邊界不可見。圖21(b)顯示了 DNA在寬度為IOOnm的通道中的熒光圖像。標記的DNA的SBR明顯高于圖20(b)中所顯示的。圖21(c)是所獲取的芯片圖像(a)和(b)的封閉通道芯片的示意圖。在該非限制性的實施方案中，使用PECVD將SiNx在蝕刻的硅基材上沉積到58nm的厚度。將由khott Borofloat 33 (TM)構成的透明玻璃基材陽極接合到SiNx覆蓋的硅基材上。將T0T0-3標記的DNA用紅光(635nm)激發(fā)，并將檢測信號經(jīng)過帶通濾波器(665_705歷) 以除去任何反射的激發(fā)光。SiNx薄膜(圖21)與SiOx薄膜(圖20)的比較也用于突出本發(fā)明的另一方面。如圖20和圖21中所示，當用激發(fā)輻射進行照射時，SiNx薄膜(當與SiOx薄膜相比時)允許所研究的熒光標記分子發(fā)熒光，而不是分子被淬滅并至少部分失去其發(fā)出發(fā)射波長的輻射的能力。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—一示出了使用SiOx作為薄膜的樣品裝置的背景特征——與圖19——顯示了使用SiNx作為薄膜的樣品裝置的背景特征)。還可以選擇薄膜在受激發(fā)時允許熒光標記的靶發(fā)熒光而不淬滅標記物的熒光的能力(對比圖20(b)——示出了基材可能對熒光標記樣品發(fā)揮的淬滅效應——與圖21 (b)——示出了使用SiNx薄膜時表現(xiàn)出的沒有淬滅)。不受任何具體理論的限制，特定薄膜材料可能為熒光分子遮蔽了在熒光分子暴露于激發(fā)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，通過遮蔽或吸收在熒光分子暴露于激發(fā)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(xiàn)它對來自裝置的背景信號的降低。盡管所公開的非限制性實施方案強調(diào)的是在對置于具有SiNx薄膜和Si與Borofloat 33 (TM)基材的裝置中用紅光(635nm)激發(fā)的T0T0-3標記的DNA進行分析的過程中本發(fā)明的優(yōu)點，但本發(fā)明不限于這種樣品實施方案。正如在本文別處所描述的，本發(fā)明的基材和薄膜可以包括許多不同材料，并且具有普通專業(yè)技術的用戶可以容易地發(fā)現(xiàn)用于特定分析方法的薄膜、標記物/熒光和基材的最優(yōu)組合。在某些實施方案中，通過選擇適合的薄膜，本發(fā)明可以使用戶降低裝置的背景信號，降低裝置對置于裝置中的熒光團可能執(zhí)行的淬滅。正如在本文別處解釋的，淬滅或以其它方式限制熒光團或其他標記物反射或發(fā)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(fā)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是一種不淬滅熒光團發(fā)熒光能力(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(yè)知識的用戶將可以容易地鑒定其他降低背景同時也將淬滅最小化的材料。在某些實施方案中，裝置包括位于室材料(例如SiNx)中的通道或室，所述材料本身是相對低背景的材料，其使熒光團在位于區(qū)室中暴露于激發(fā)輻射時的淬滅最小化?？梢酝ㄟ^例如將犧牲材料置于室材料中并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。示例性實施方案圖1顯示了本發(fā)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?；腁具有厚度Da，基材B (兩個基材中上方的)具有厚度Db。如圖中所示，端口(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(jié)構與裝置外部的環(huán)境流體連通。在某些實施方案中，端口貫穿整個裝置，并且在某些實施方案中允許從其導入或排出流體。互連區(qū)(interconnects)——其可以是微米尺度的通道或管道——使端口與位于裝置上的前端(FE)結(jié)構流體連通。端口可以貫穿基材的整個厚度或部分貫穿基材的厚度。FE結(jié)構可用于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(nèi)容在此引為參考。適合的FE 結(jié)構在本文別處描述，并可以包括鴉形(crow-form)通道、鷹形(eagle-form)通道、柱、樁和可用于拉長靠著結(jié)構流動或流過結(jié)構的纏繞或折疊體的其他結(jié)構。這樣的結(jié)構適合在一個或兩個基材上形成圖案。在圖1中還顯示了納米通道陣列裝置，所述裝置可以制造在基材A、基材B或其某些組合上(例如陣列的某些部分制造在基材A上，而其他部分制造在基材B上)。適合的納米通道和用于分析置于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(nèi)容在此引為參考。在某些實施方案中，分析方法包括將DNA靶暴露于一種或多種標記物，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)。熒光染料和相關儀器被認為適合用于這種分析。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。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折回的納米通道，如圖10中所示。納米通道可以具有恒定或變化的橫截面，并且同一裝置上存在的多個納米通道可以具有不同尺寸。圖1中顯示的裝置在某些實施方案中還包括后端(BE)結(jié)構，其可以置于納米通道陣列與端口、出口或其他管道之間。BE結(jié)構適合是適于FE結(jié)構的構造(在本文別處描述)， 并可以包括一個或多個通道、柱、障礙物等。這樣的BE結(jié)構適合協(xié)助將靶(例如大分子)從納米通道分析區(qū)運輸?shù)交ミB區(qū)或其他管道。BE可以協(xié)助將靶從納米尺度(例如納米通道) 環(huán)境運輸?shù)桨^大(微米尺寸或更大的)結(jié)構的環(huán)境中。圖1的裝置可以具有變化的尺寸。該裝置適合具有約0. Imm到約IOOmm的長度 (L)，約0. Imm到約IOOmm的寬度(W)，并且基材(顯示為A和B)適合具有約IOnm到約IOmm 范圍內(nèi)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，并且裝置甚至可以具有約2到500個獨立的端口。陣列和端口的最適數(shù)量將取決于用戶的需要。圖2(a)描繪了示例性納米裝置芯片，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(fā)明的示例性的、非限制性的制造流程。在該實施方案中，流體元件形成在最下方的基材上，然后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。圖3(a)顯示了示例性制造流程，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)在其表面上進行涂層， 然后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制造流程，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，并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(例如二氧化硅)的下部 (例如硅)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)。圖4 (a)描繪了兩個基材(基材A和B)的示例性制造流程，其中通道元件蝕刻在兩個基材中，然后通過熱氧化物生長或共形沉積方法例如ALD進行底部基材涂層的后續(xù)步驟。然后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制造流程，其中涂層沉積在兩個基材上，然后將通道元件蝕刻在涂層中和下部基材中，然后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。圖5(a)描繪了示例性的納米裝置芯片，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。圖5(b)描繪了 4端口例實施方案和2端口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，并且流動方向可以按照需要停止或甚至逆轉(zhuǎn)。本實施方案描繪了端口、互連區(qū)、FE和BE區(qū)與納米通道陣列之間的一種合適的關系。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范圍內(nèi)操作靶(例如DNA 或其他大分子)，從入口的厘米尺度(10_2m)到互連區(qū)和FE/BE區(qū)的毫米尺度(10_3m)，一直降低到納米通道分析區(qū)中納米通道的納米(10_9m)范圍。盡管分析區(qū)在圖5中被標記為“納米通道陣列區(qū)”，但分析區(qū)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。圖6(a)描繪了多端口裝置設計的示例實施方案。圖6(a)中的設計具有16個端口，包括8個獨立的2端口裝置。圖6 (b)描繪了具有16個端口的設計，包括4個獨立的4 端口裝置。這些實施方案允許用戶同時分析多個不同的靶。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，并且通道通過位于圖7(a)底部中橋接微流體入口通道和納米通道分析區(qū)的5級分岔相連。分岔之間的距離適合為約50微米，并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。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0到約90°范圍內(nèi)，并且M適合為約0.4到約0.6W。對于命名問題來說，其中通道被尖的或三角形分岔結(jié)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。在分析過程中，靶(例如流體攜帶的大分子)可以通過1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(shù)量和次級通道與主通道的相對尺寸，以便能夠可控地移動，用于將靶從相對大的入口移動到本發(fā)明裝置的納米尺度的納米通道分析區(qū)中?？梢允褂枚嗉壏种У耐ǖ澜Y(jié)構(圖7)。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0到約90°。圖7(d)是從熒光標記分子在通道內(nèi)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分子的熒光照片，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。在圖7中，使用了多個“鴉”式結(jié)構，使得進入顯示在圖的頂部的互連區(qū)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(qū)之前，將通過5個(或以上) 分岔/分岔口。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于或小于 50微米)，并且從每個分岔處出現(xiàn)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“干”) 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恒定的可用于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。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。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(nèi)移動的熒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并伸長到分支的更狹窄通道中的單個長基因組DNA分子的熒光圖像。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。對于熒光圖像來說，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個堿基對的比率染色。將DNA以5ng/ μ L的濃度懸浮在0. 5Χ TBE緩沖液中。使用毛細管流或通過具有0-50V范圍內(nèi)的施加電壓的電場使DNA流入納米通道。樣品的激發(fā)使用發(fā)光二極管進行，熒光發(fā)射通過60Χ物鏡收集，并使用電子倍增CCD相機進行檢測。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(jié)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。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)，將更可能進入后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(wǎng)絡中的某些通道的可能性較其他通道小，結(jié)果是納米通道陣列中納米通道的負載更均勻。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(jīng)過的分岔的數(shù)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。在某些實施方案中，使用了多個“鷹”式結(jié)構，在靶進入納米通道陣列區(qū)之前，每個鷹式結(jié)構中的分岔數(shù)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(但是該距離可以大于或小于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于流體流動的總橫截面積是相同的。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，并且在通道內(nèi)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。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，存在尺寸逐漸減小并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游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分子的熒光照片。圖10(a)描繪了將單個長納米通道安排成一系列連續(xù)相連的蛇形構造的平行納米通道的設計；在這里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，其顯示了蝕刻在硅基材中的這種蛇形構造的納米通道的加框區(qū)域，顯示了通道的轉(zhuǎn)彎。圖10(c)顯示了在納米通道中移動并做出180°轉(zhuǎn)彎的基因組DNA分子的熒光照片。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(zhàn)。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。但是，具有如圖10中顯示的蛇形或回轉(zhuǎn)樣式的納米通道的裝置增加了通道的長度，適合于單一視野中，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、回轉(zhuǎn)的通道也增加了大分子在單一視野中移位的停留時間。圖11 (a)描繪了排列成一系列連續(xù)相連的平行納米通道的多個長納米通道，與前圖的差別在于每級通道的通道寬度逐漸減小，從IOOOnm降低到lOOnm。圖11(b)顯示了掃描電子顯微(SEM)照片，其顯示了蝕刻在硅基材中的一組這種蛇形構造的納米通道的加框區(qū)域，顯示了通道寬度從底部到頂部逐漸減小，以及隨后相對寬的通道出口。
27
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分子的熒光圖像，當分子進入尺寸越來越小的納米通道區(qū)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(tài)分子的圖像，并且顯示靜態(tài)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(zhuǎn)到圖中的各個圖塊，最上方的圖塊顯示了實際的芯片圖案的亮視野光學圖像，第五圖塊顯示了轉(zhuǎn)過一個角的DNA分子的熒光圖像。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(nèi)拉伸的熒光標記的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(qū)顯示為密集的圓形的柱陣列。崖制造過程可以包括在基材表面上制造流體部件，然后將基材表面與第二基材接合，以形成可以通過端口進入的封閉流體裝置?？蛇x地，制造可以包括在基材表面上制造流體部件并在第二基材表面上制造流體部件，然后將兩個基材表面接合在一起，以形成可通過端口進入的封閉流體裝置。基材材料可以包括但不限于硅、二氧化硅、氮化硅、氧化鉿、石英、玻璃、熔融二氧化硅、金屬、氧化鋁、金屬、陶瓷、聚合物、塑料、電介質(zhì)、SiGe、GaAs、GaAlAs、ITO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。在一個示例性實施方案中，基材是玻璃、硅和/或石英的晶片，并且在接合后，通過切割接合的晶片獲得芯片。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(yè)已知的方法制造，這些方法包括但不限于光刻、等離子體蝕刻、材料沉積、濕法蝕刻、接合及其任何組合。在一個示例性實施方案中，納米通道陣列、前端/后端和互連區(qū)在基材(例如硅) 上形成圖案(例如通過光刻)，然后通過蝕刻將圖案轉(zhuǎn)移到硅中?？梢允褂酶鞣N不同的圖案和蝕刻選項圖案可以通過例如光亥IJ、納米壓印刻印、壓花、干涉刻印、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(xiàn)。對于這些圖案選項來說，使用硬質(zhì)或軟質(zhì)掩?？梢詤f(xié)助將圖案轉(zhuǎn)移到基材。這些掩模包括但不限于抗反射涂層、氧化硅、氮化硅、電介質(zhì)、金屬、有機薄膜、其組合等。對于所有這些圖案選項來說，可以使用各種中間圖案轉(zhuǎn)移方法，包括但不限于提離技術、陰影蒸發(fā)、生長、沉積及其組合等。蝕刻選項包括但不限于化學蝕刻、濕法蝕刻、用KOH蝕刻、用TMAH蝕刻、用HF蝕亥IJ、用BOE蝕亥IJ、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、氧化物在硅中生長成圖案(例如L0C0Q并用濕法蝕刻去除，及其組合等。圖案形成順序在一個示例性實施方案中，納米通道陣列和前端/后端(FE/BE)被同時形成圖案
28和蝕刻，而互連區(qū)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。納米通道陣列可以通過干涉刻印進行圖案形成，前端/后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/后端和互連區(qū)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?qū)⒉煌疃鹊牟考D(zhuǎn)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(qū)、前端/后端和納米通道陣列具有不同的深度。端口端口適合通過光刻形成圖案，然后用蝕刻工藝例如硅深蝕刻(“Bosch蝕刻”)進行蝕刻。但是，對于制造端口來說，有各種不同的制造選項可用。這些選項的非限制性的名單包括RIE、ICP蝕刻、等離子體蝕刻、激光鉆孔、激光消融、噴砂、鉆孔、濕法蝕刻、化學蝕刻、水鉆孔、超聲鉆孔及其任何組合。端口適合具有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，端口具有50到2000微米范圍內(nèi)的寬度(直徑)。g^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硅基材與未形成圖案的玻璃晶片進行陽極接合來完成。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、Schott Borofloat 33 (TM) ,Hoya SD2 (TM)或任何具有類似熱膨脹特征的玻璃。其他選項也是適合的，包括(但不限于)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。接合條件——陽極或其他方式，將由本技術領域的普通專業(yè)人員容易地優(yōu)化。作為一個非限制性的實例，硅和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的范圍內(nèi)，適合的溫度在約200°C到約400°C的范圍內(nèi)，施加時間為約1到約100分鐘。流體元件表面各種不同的材料可以構成流體元件的表面，包括但不限于硅、二氧化硅、氮化硅、 氧化鉿、石英、玻璃、熔融二氧化硅、金屬、氧化鋁、金屬、陶瓷、聚合物、塑料、電介質(zhì)、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，流體元件具有介電表面；在某些實施方案中，流體元件將具有二氧化硅和/或玻璃表制造實例在一個非限制性實施方案中，流體元件(納米通道陣列、前端/后端、互連區(qū)和端口)在接合后具有二氧化硅和/或玻璃表面，使得位于得到的裝置內(nèi)的流體只與二氧化硅和/或玻璃接觸。該表面由在納米通道、前端/后端、互連區(qū)和端口形成圖案并蝕刻后，在蝕刻過的硅表面上沉積二氧化硅薄膜來形成。氧化物通過原子層沉積(ALD)沉積在形成圖案和蝕刻過的硅基材上，并具有從約 Inm到約5000nm的厚度。然后將該硅晶片與玻璃基材進行陽極接合。二氧化硅表面用于幾種有用的目的。首先，二氧化硅提供了絕緣薄膜，其在使用電場驅(qū)動DNA在流體裝置中移動、并且一個基材是硅的情況下是有用的。二氧化硅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(定制)到所需尺寸。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IOOnm寬和IOOnm深。通過這種方式，向已經(jīng)形成的流體元件(例如槽或溝)施加涂層，允許用戶可控地建立該元件的邊界，以便減小該元件可用于流體在其中流動的橫截面。二氧化硅對于廣泛的電磁輻射譜，例如UV、可見和紅外光，也是透明的。存在許多不同的制造選項可用于形成具有二氧化硅和/或玻璃表面的流體通道。 它們包括(但不限于)在硅上的熱氧化物牛長如果使用的一個基材是硅，可以通過使用硅表面作為硅源進行氧化物生長，來獲得二氧化硅表面。實例包括但不限于干法熱氧化物生長、濕法熱氧化物生長。不論是所有、一些還是沒有流體元件將要在硅中形成圖案和蝕刻，這都是適用的。非限制性的基于硅的實施方案顯示在附圖中。在硅、玻璃或石英上沉積氧化物氧化物可以沉積在一個或兩個基材上。實例包括但不限于PECVD、CVD、LPCVD、熱蒸發(fā)、旋壓玻璃、電子束蒸發(fā)、濺射、ALD及其任何組合。代表性實例顯示在例如圖2-5中。盲接飩亥I丨在二氧補,硅、石英或!中此外，可以通過將流體元件直接蝕刻在二氧化硅或玻璃中來獲得二氧化硅或玻璃表面。這可以通過直接蝕刻在二氧化硅/石英/玻璃基材中，或蝕刻在硅基材上的二氧化硅薄膜中來完成。參見圖2-5。裝置構造在圖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/后端和互連區(qū)。在另一個示例性實施方案中，前端和/或后端可以省略，互連區(qū)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(qū)可以省略，前端和/或后端與端口直接相連。在另一個示例性實施方案中，前端和后端與互連區(qū)都可以省略，因此納米通道陣列與端口直接相連。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。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(jié)構(被稱為后端或BE)，然后進入互連通道，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(省略了后端和互連區(qū))。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(qū)(省略了后端)。在另一個示例性實施方案中，后端可以直接通向出口端(省略了互連區(qū))。
2-端口裝置2端口芯片具有一個在其中加樣的輸入端口和一個隨后將樣品排出的輸出端口。 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(jīng)這兩個端口的移動。這種設計具有顯著的優(yōu)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端口的數(shù)量，因此最大化了每個芯片可允許的獨立裝置的數(shù)量。4-端口裝置4-端口裝置具有兩個輸入(主要/次級)端口和兩個輸出(主要/次級)端口。 這種設計優(yōu)于2-端口芯片的主要優(yōu)點是為芯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(jīng)過這四個端口的移動。在這種應用中，樣品以受控方式從主要入口端口流到次級入口端口，并且一旦鑒定到目標物件，可以通過調(diào)節(jié)樣品流速將它移位到納米流體 FE區(qū)。梯度前端和后端前端和后端的特性是作為微流體與納流體區(qū)域之間的接口。前端(FE)適合便于 DNA的解開、拉長和從微流體尺度的互連區(qū)轉(zhuǎn)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(并且間距更近的)結(jié)構的網(wǎng)絡/陣列來實現(xiàn)，這種網(wǎng)絡/陣列當DNA通過時執(zhí)行DNA拉長并然后進入納米通道。FE設計適合是“分支通道網(wǎng)絡”結(jié)構的變體，所述結(jié)構具有幾種特性。首先，對于每個分支來說，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(wǎng)絡中的流速將保持近似恒定。其次，通過逐漸分割，分支網(wǎng)絡促進了 DNA在納米通道陣列中的均勻負載，即不存在偏向于納米通道陣列中的特定納米通道或納米通道組。此外，分支通道網(wǎng)絡呈現(xiàn)出逐漸變小的流體通道，其有效地解開并拉長非常長的 DNA區(qū)段。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(jié)構。FE流體結(jié)構為約IO-IOOOnm深并高達IOOOOnm寬。FE結(jié)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(jié)構(例如通道、柱等)也可以具有約1到約10，OOOnm、或約20nm到約5000nm、或約50nm到約lOOOnm、 或甚至約IOOnm到約500nm范圍內(nèi)的寬度。因為這些結(jié)構的目的是將DNA樣品從微流體環(huán)境逐漸限制到納流體環(huán)境中，因此在一個示例性實施方案中，這些流體結(jié)構的深度跨度是從IOOOnm到最終納米通道的深度， 以及寬度跨度是從IOOOOnm到最終納米通道的寬度。但是，在FE結(jié)構中部件尺寸的這種減小不是必須單調(diào)減小的，部件尺寸也不需連續(xù)變化。例如，F(xiàn)E的部件尺寸(深度和寬度)的變化可以分級進行。“鴉”式構造在圖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0°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?！苞棥笔綐嬙臁苞棥笔皆O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。該設計背后的目的在于，沿著電場路徑(或其他梯度)的大分子(或其他靶)將更可能進入后繼的通道的中心(而不是沿著邊緣)。通過這種方式，靶在分支網(wǎng)絡中對某些通道比其他通道更偏向的可能性降低，并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)，可以適合包含位于通道上游、其中或下游的柱。附加實施方案納米通道陣列形成了裝置的活性區(qū)。在這里進行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IOnm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恒定，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IOnm到IOcm的任何值，長度可以為從0. 1微米到50cm的任何值，并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(zhuǎn)彎和曲線。它們可以彼此隔離或交叉。分支結(jié)構的主通道相隔的距離可以在約1微米到50微米、100微米、1000微米或 IOcm的范圍內(nèi)。通道之間的最適間距(間隔)取決于用戶的需要，可以由本技術領域的專業(yè)人員毫無困難地確定。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。對于特定裝置來說，納米通道的寬度和深度是恒定的。納米通道相隔100到 2000nm，并且是直的。納米通道的長度從50微米到5000微米不等。但是，可以實現(xiàn)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?；ミB區(qū)互連流體區(qū)可以具有IOOnm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微米的范圍內(nèi)，寬度在1微米到50微米的范圍內(nèi)。附加說明在某些實施方案中，本發(fā)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。制造方法描述了通過接合工藝、例如硅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。芯片的活性區(qū)適合位于兩個基材的界面處，在那里，在一個或兩個基材表面上制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端口與芯片外部的環(huán)境流體連通。所公開的裝置適合包括 納米通道區(qū)-核心裝置區(qū)目標大分子(例如DNA)在這里被拉長、線性化、成像和分析。 梯度前端(FE)和后端(BE)-橫截面尺寸在微米、亞微米或納米范圍內(nèi)的互連分支通道的陣列。FE或BE也可以包括重復的微米到納米尺度大小的結(jié)構，例如樁、柱、孔、溝槽以及上述的組合，所述結(jié)構與裝置的微米流體區(qū)和納米流體區(qū)連接。 互連區(qū)-微流體區(qū)攜帶目標樣品從輸入端口到FE區(qū)，并為樣品從BE區(qū)移動到輸出端口提供管道的微流體通道網(wǎng)絡。 端口 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(huán)境與芯片內(nèi)部的納米流體裝置(適合位于基材A與B之間)流體連通。各種不同的材料可以構成流體元件的表面，包括但不限于硅、二氧化硅、氮化硅、 氧化鉿、石英、玻璃、熔融二氧化硅、金屬、氧化鋁、金屬、陶瓷、聚合物、塑料、電介質(zhì)、SiGe, GaAs, GaAlAs, ΙΤ0、有機分子、自組裝單層、自組裝多層或其任何組合。本發(fā)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表面的裝置。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，并進一步減小了通過常規(guī)制造方法生產(chǎn)的流體通道。本發(fā)明還公開了根據(jù)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。納米流體裝置也可以具有多個端口，并可以包括具有各種不同規(guī)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。裝置具有各種分支分岔規(guī)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于所公開的裝置的不同區(qū)域之間的連接，并可以用作具有不同寬度的通道之間的接口。
3權利要求
1.一種分析裝置，其包含第一基材； 第二基材；第一入口端口，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(huán)境流體連通；以及第一前端分支通道區(qū)，其包含至少一個其特征為橫截面尺寸在約10，OOOnm以下的范圍內(nèi)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(qū)流體連通，所述納米通道分析區(qū)包含至少一個納米通道，所述納米通道的特征為橫截面尺寸小于主通道的橫截面尺寸，并且其中主通道與納米通道的橫截面尺寸的比在約100到約10，000 的范圍內(nèi)。
2.權利要求1的分析裝置，其中第一基材、第二基材或兩者包含硅、SiGe、Ge、應變硅、GeSb^Te、AlGaAs, AlGaInP, AlGaN, AlGaP, GaAsP, GaAs, GaN, GaP, InAlAs, InAlP, InSb, GaInAlAs, GaInAlN, GaInAsN, GaInAsP, GaInAs, GaInN, GaInP, GaSb, InN、InP、CdSe, CdTe, 硒化鋅GnSe)、HgCdTe JnOJnTe、硫化鋅( 、鋁、氧化鋁、不銹鋼、Kapton (TM)、金屬、陶瓷、塑料、聚合物、藍寶石、碳化硅、絕緣體上的硅(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、熔融二氧化硅、玻璃、SiO2、鎵、釓榴石、磷酸二氫鉀(KDP)、KRS-5、磷酸鈦氧鉀、鉬酸鉛、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、氫化形式的任意上述化合物、上述化合物的化學計量變化形式或其任意組合。
3.權利要求1的分析裝置，其中第一基材的厚度在約IOnm到約10，OOOnm的范圍內(nèi)。
4.權利要求1的分析裝置，其中第一基材的厚度在約IOOnm到約IOOOnm的范圍內(nèi)。
5.權利要求1的分析裝置，其中第二基材的厚度在約IOnm到約10，OOOnm之間的范圍內(nèi)。
6.權利要求5的分析裝置，其中第二基材的厚度在約IOOnm到約IOOOnm之間的范圍內(nèi)。
7.權利要求1的分析裝置，其中入口端口的直徑在約5微米到約5000微米的范圍內(nèi)。
8.權利要求1的分析裝置，其中入口端口的直徑在約50微米到約1000微米的范圍內(nèi)。
9.權利要求1的分析裝置，其中第一互連通道的深度在約IOOnm到約100微米的范圍內(nèi)。
10.權利要求1的分析裝置，其中第一互連通道的寬度在約500nm到約1000微米的范圍內(nèi)。
11.權利要求1的分析裝置，其中主通道的寬度在約IOnm到約10，OOOnm的范圍內(nèi)。
12.權利要求1的分析裝置，其中主通道的寬度在約IOOnm到約IOOOnm的范圍內(nèi)。
13.權利要求1的分析裝置，其中主通道的深度在約IOnm到約IOOOnm的范圍內(nèi)。
14.權利要求1的分析裝置，其中主通道的深度在約50nm到約IOOnm的范圍內(nèi)。
15.權利要求1的分析裝置，其中第一前端分支通道區(qū)包含分流劈結(jié)構，將主通道分成至少兩個次級通道。
16.權利要求15的分析裝置，其中分流劈結(jié)構包含至少一個相對于主通道的中心線成約0到約90度角的表面。
17.權利要求15的分析裝置，其中每個次級通道的寬度在主通道寬度的約30%到約 70%的范圍內(nèi)。
18.權利要求15的分析裝置，其中次級通道的長度在約1微米到約500微米的范圍內(nèi)。
19.權利要求15的分析裝置，其中次級通道的長度在約10微米到約50微米的范圍內(nèi)。
20.權利要求15的分析裝置，其中每個次級通道被分流劈分成兩個三級通道，所述分流劈包含至少一個相對于次級通道的中心線成約0到約90度角的表面。
21.權利要求20的分析裝置，其中每個次級通道被分流劈分成兩個三級通道，所述分流劈包含至少一個相對于次級通道的中心線成約30到約60度角的表面。
22.權利要求15的分析裝置，其中分流劈結(jié)構包含曲線形的部分。
23.權利要求22的分析裝置，其中分流劈結(jié)構被構造成使得由梯度推動通過主通道的流體運送體以基本上相等的可能性進入分流劈結(jié)構下游的任一次級通道。
24.權利要求22的分析裝置，其中分流劈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。
25.權利要求對的分析裝置，其中突出部在次級通道寬度的約5%到約50%的范圍內(nèi)。
26.權利要求25的分析裝置，其中次級通道的寬度在主通道寬度的約30%到約70%的范圍內(nèi)。
27.權利要求沈的分析裝置，其中次級通道的寬度在主通道寬度的約45%到約55%的范圍內(nèi)。
28.權利要求1的分析裝置，其中至少一個納米通道的寬度在約Inm到約IOOOnm的范圍內(nèi)。
29.權利要求28的分析裝置，其中至少一個納米通道的寬度在約IOnm到約500nm的范圍內(nèi)。
30.權利要求四的分析裝置，其中至少一個納米通道的深度在約IOnm到約IOOnm的范圍內(nèi)。
31.權利要求1的分析裝置，其中至少一個納米通道具有至少一個長度在約0.1微米到約50微米范圍內(nèi)的線性區(qū)段。
32.權利要求1的分析裝置，其中所述至少一個納米通道包含至少一個至少約30度的彎曲。
33.權利要求1的分析裝置，其中所述至少一個納米通道包含至少一個至少約90度的彎曲。
34.權利要求1的分析裝置，其中所述至少一個納米通道包含至少一個約180度的彎曲ο
35.權利要求1的分析裝置，其中所述至少一個納米通道包含恒定的寬度、恒定的深度或兩者。
36.權利要求1的分析裝置，其中所述至少一個納米通道包含變化的寬度、變化的深度或兩者。
37.權利要求1的分析裝置，其中納米通道分析區(qū)與第一后端分支通道區(qū)流體連通。
38.權利要求1的分析裝置，其中第一后端分支通道區(qū)包含至少一個被分成兩個次級通道的主通道。
39.權利要求38的分析裝置，其中每個次級通道具有比主通道小的橫截面積。
40.權利要求39的分析裝置，其中所述至少一個次級通道與納米通道分析區(qū)流體連ο
41.權利要求40的分析裝置，其中主通道與第二互連通道流體連通。
42.權利要求1的分析裝置，其中端口的橫截面尺寸與至少一個納米通道的橫截面尺寸的比在約1到約IO7的范圍內(nèi)。
43.權利要求1的分析裝置，其中端口的橫截面尺寸與至少一個納米通道的橫截面尺寸的比在約10到約IO5的范圍內(nèi)。
44.權利要求1的分析裝置，其中第一前端分支通道區(qū)和納米通道分析區(qū)位于同一基材中。
45.權利要求44的分析裝置，其中納米通道分析區(qū)與第二納米通道分析區(qū)流體連通， 第二納米通道分析區(qū)位于與第一納米通道分析區(qū)不同的基材中。
46.制造分析裝置的方法，其包含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IOnm到約10，OOOnm范圍內(nèi)的通道，接合產(chǎn)生位于基材之間的封閉管道，封閉管道能夠通過其運輸流體。
47.權利要求46的方法，其中接合包括陽極接合、熱接合或其任意組合。
48.權利要求46的方法，其還包含將薄膜布置在第一基材、第二基材或兩者的至少一部分的頂上，所述薄膜增強基材之間的接合。
49.權利要求48的方法，其中薄膜使封閉管道的內(nèi)部的至少一部分與至少一個基材電絕緣。
50.權利要求48的方法，其中薄膜被布置成使封閉管道的橫截面積減小到預定值。
51.權利要求50的方法，其中薄膜被布置成使封閉管道的橫截面積減少至少約1%。
52.權利要求51的方法，其中薄膜被布置成使封閉管道的橫截面積減少至少約5%。
53.權利要求52的方法，其中薄膜被布置成使封閉管道的橫截面積減少至少約10%。
54.權利要求46的方法，其還包含將薄膜布置在通道的至少一部分內(nèi)，以減小通道的橫截面積。
55.權利要求46的方法，其中接合產(chǎn)生位于基材之間的兩個或多個封閉管道。
56.權利要求55的方法，其中兩個管道的寬度比在約1到約IO7的范圍內(nèi)。
57.權利要求55的方法，其中兩個管道的寬度比在約100到約IO5的范圍內(nèi)。
58.權利要求46的方法，其中第一基材、第二基材或兩者包含電介質(zhì)。
59.權利要求46的方法，其中第一基材、第二基材或兩者包含半導體。
60.
61.
62. 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(xù)減小的通道，使得當大分子位于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1到約IO7的范圍內(nèi)；當分子位于通道中具有IOnm到約IOOOnm寬度的第一區(qū)域中時，檢測來自所述分子的信號；以及將信號與大分子的性質(zhì)相關聯(lián)。
63.權利要求60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(xiàn)。
64.權利要求60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(xiàn)。
65.權利要求60的方法，其還包含將大分子移位通過寬度連續(xù)增加的至少兩個通道。
66.權利要求60的方法，其還包含逆轉(zhuǎn)梯度的方向以逆轉(zhuǎn)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(qū)域。
67.權利要求64的方法，其還包含當分子駐留在第一區(qū)域中時檢測來自所述分子的信號。
68.權利要求60的方法，其中最寬和最窄通道的寬度比的寬度比在約100到約IO5的范圍內(nèi)。
69.一種分析裝置，其包含 第一基材和第二基材，第一和第二基材限定位于基材之間的通道，第一或第二基材中的至少一個允許其特征為具有約IOnm到約2500nm范圍內(nèi)的至少一種波長的電磁輻射至少部分通過；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于第一和第二基材之間的通道的至少一部分，并且當用波長在約IOnm到約2500nm范圍內(nèi)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?！?8.權利要求67的分析裝置，其中第一薄膜與第一基材、第二基材或兩者接合?！?9.權利要求67的分析裝置，其中第一基材與第二基材接合。
70.權利要求67的分析裝置，其中第一薄膜包含氮化硅。
71.權利要求67的分析裝置，其中第一薄膜包含氧氮化硅、SiOxNy、氫化二氧化硅、氫化氮化硅、氫化氧氮化硅、高K電介質(zhì)、含鈦化合物TiSiO、TiO、TiN、氧化鈦、氫化氧化鈦、氮化鈦、氫化氮化鈦、TaO, TaSiO, 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、HfSiO2, HfZrOx, HfN, HfON, HfSiN, HfSiON、氧化鉿、氫化氧化鉿、氮化鉿、氫化氮化鉿、ZrO2, ZrSiO2, ZrN, ZrSiN, ZrON, &SiON、氧化鋯、氫化氧化鋯、氮化鋯、氫化氮化鋯、41203、々11114111&4111411氧化鋁、氫化氧化鋁、氮化鋁、氫化氮化鋁、3丨1·、 低K電介質(zhì)、摻氟二氧化硅、摻碳二氧化硅、多孔二氧化硅、多孔摻碳二氧化硅、旋壓有機聚合電介質(zhì)、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、氫化形式的任意上述化合物、任意上述物質(zhì)的化學計量變化形式或其任意組合。
72.權利要求67的分析裝置，其中第一基材、第二基材或兩者包含玻璃、硅或其任意組合。
73.權利要求67的分析裝置，其中第一基材和第二基材中的至少一個或兩者包含石英、熔融二氧化硅、藍寶石、碳化硅、蘇打石灰、鍺、鍺硅、鎵、銦、鎘、鋅、鋁、不銹鋼、 Kapton(TM)聚合材料、聚合物、半導體材料、金屬、陶瓷或其任意組合。
74.權利要求67的分析裝置，其中第一基材或第二基材中的至少一個透過至少一種電磁輻射頻率。
75.權利要求67的分析裝置，其中第一基材或第二基材中的至少一個基本上透過可見 光。
76.權利要求72的分析裝置，其中玻璃包含khottBorofloat (TM) 33玻璃、Pyrex 7740 (TM)玻璃、Hoya SD2 (TM)玻璃或其任意組合。
77.權利要求67的分析裝置，其中第一和第二基材中的至少一個的厚度在約0.Olmm到約5mm的范圍內(nèi)。
78.權利要求67的分析裝置，其中第一薄膜的厚度在約Inm到約5000nm的范圍內(nèi)。
79.權利要求78的分析裝置，其中第一薄膜的厚度在約IOnm到約IOOOnm的范圍內(nèi)。
80.權利要求79的分析裝置，其中第一薄膜的厚度在約30nm到約120nm的范圍內(nèi)。
81.權利要求67的分析裝置，其中通道的寬度在約5nm到約5mm的范圍內(nèi)，深度在約 5nm到約Imm的范圍內(nèi)。
82.權利要求67的分析裝置，其中通道的特征為具有變化的橫截面。
83.權利要求67的分析裝置，其還包含第二薄膜。
84.權利要求83的分析裝置，其中當用波長在約IOnm到約2500nm范圍內(nèi)的電磁輻射對裝置進行照射時，與不具有第二薄膜的同樣裝置相比，所述第二薄膜使裝置的背景信號降低。
85.權利要求83的分析裝置，其中第二薄膜包含氮化硅。
86.權利要求83的分析裝置，其中第二薄膜包含氧氮化硅、SiOxNy、氫化二氧化硅、氫化氮化硅、氫化氧氮化硅、高K電介質(zhì)、含鈦化合物TiSiO、TiO、TiN、氧化鈦、氫化氧化鈦、氮化鈦、氫化氮化鈦、TaO, TaSiO, 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、HfSiO2, HfZrOx, HfN, HfON, HfSiN, HfSiON、氧化鉿、氫化氧化鉿、氮化鉿、氫化氮化鉿、ZrO2, ZrSiO2, ZrN, ZrSiN, ZrON, &SiON、氧化鋯、氫化氧化鋯、氮化鋯、氫化氮化鋯、41203、々11114111&4111411氧化鋁、氫化氧化鋁、氮化鋁、氫化氮化鋁、3丨1·、 低K電介質(zhì)、摻氟二氧化硅、摻碳二氧化硅、多孔二氧化硅、多孔摻碳二氧化硅、旋壓有機聚合電介質(zhì)、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、氫化形式的任意上述化合物、任意上述物質(zhì)的化學計量變化形式或其任意組合。
87.權利要求83的分析裝置，其中第二薄膜的厚度在約Inm到約5000nm的范圍內(nèi)。
88.權利要求67的分析裝置，其中第一薄膜阻止位于裝置內(nèi)的熒光分子被第一基材、 第二基材或二者淬滅。
89.一種分析裝置，其包含基材，其被構造成限定封閉在所述基材內(nèi)的通道，所述基材透過至少一種頻率分量在約IOnm到約2500nm范圍內(nèi)的電磁輻射。
90.權利要求89的分析裝置，其中通道具有通道的特征。
91.權利要求89的分析裝置，其中通道的至少一個橫截面尺寸在約5nm到約5mm的范圍內(nèi)。
92.權利要求91的分析裝置，其中通道的至少一個橫截面尺寸在約50nm到約500nm的范圍內(nèi)。
93.權利要求89的分析裝置，其中基材包含氮化硅。
94.一種制造分析裝置的方法，其包含布置第一基材、第二基材和第一薄膜層，以便限定位于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IOnm到約2500nm范圍內(nèi)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。
95.權利要求94的方法，其還包含將第二薄膜層與第一基材、第二基材、第一薄膜層或其任意組合接合。
96.權利要求94的方法，其中接合包含陽極接合。
97.權利要求94的方法，其中選擇第一薄膜層，使得與不具有所述第一薄膜的同樣裝置相比，第一薄膜層減少位于裝置內(nèi)的熒光團的淬滅。
98.一種制造分析裝置的方法，其包含將犧牲模板置于包含透過波長在約IOnm到約5000nm范圍內(nèi)的電磁輻射的材料的工件內(nèi)；去除犧牲模板的至少一部分以便產(chǎn)生位于工件內(nèi)的通道， 通道的至少一部分的橫截面尺寸在約5nm到約5000nm的范圍內(nèi)。
99.一種分析熒光標記分子的方法，其包含將熒光標記分子的至少一部分置于分析裝置內(nèi)的通道中，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(chǎn)生位于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(fā)波長在約IOnm到約2500nm范圍內(nèi)的電磁輻射對樣品進行照射時，熒光標記分子能夠發(fā)出發(fā)射波長的電磁輻射，當用激發(fā)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，以及收集從熒光標記分子發(fā)出的發(fā)射波長的電磁輻射。
100.權利要求99的方法，其中裝置的背景信號能歸因于第一基材、第二基材、薄膜或其任意組合。
全文摘要
本發(fā)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并減少了置于裝置內(nèi)的熒光團淬滅的裝置。還提供了制造這些裝置和使用這些裝置的相關方法。
文檔編號B01L3/00GK102369059SQ200980130482
公開日2012年3月7日 申請日期2009年6月5日 優(yōu)先權日2008年6月6日
發(fā)明者帕里克希特·A·德什潘德, 曹涵, 邁克爾·D·奧斯汀, 邁克爾·科切爾斯皮爾格, 阿列克謝·Y·沙羅諾夫, 馬克·昆克爾 申請人:博納基因技術有限公司