JP2018513774A - 制御破壊時におけるレーザー照明による膜でのナノポア作製の局所化 - Google Patents

Abstract

膜の特定の位置にナノポアを作製するための方法は、膜に電圧をかけるかまたは電流を流しながら、膜上の特定の位置で膜の絶縁耐力を制御することと、膜に電圧をかけるかまたは電流を流しながら、膜を挟んだ電気特性をモニターすることと、膜に電圧をかけるかまたは電流を流しながら、膜を挟んだ電気特性の急激な変化を検出すること、電気特性の急激な変化の検出に応答して、膜に電圧をかけるのをやめるか電流を流すのをやめることと、を含む。

Description

関連出願へのクロスリファレンス

本出願は、２０１５年２月２４日にファイルされた米国特許仮出願第６２／１２０，０５４号の優先権の利益を主張する。上記出願の開示内容全体を、本明細書に援用する。

本開示は、膜表面でのナノポアの作製に関する。

膜にナノスケールでナノポアを形成するために、ナノファブリケーション技術に固体薄膜の制御破壊（ＣＢＤ）が含まれることがある。この技術では、電解質溶液の中に浸漬した膜を挟んで高電界（たとえば、約１Ｖ／ｎｍ）を発生させて利用する。この高電界によって誘導されて膜を流れるトンネル電流の存在がゆえ、膜表面のホットスポットで局所的に導電性になる欠陥が生じ、このような欠陥の接続経路が膜を横切ると、ブレークダウンが引き起こされる。ブレークダウン反応の副産物は、流体によって容易に除去され、膜を流れて測定される電流レベルの急激な増加すなわち、低電界強度（たとえば、約０．０１Ｖ／ｎｍ、膜の残りが絶縁される値）でのイオン電流の出現によって、それぞれのナノポアが形成されたことがわかる。

ＣＢＤベースの技術を使用して、直径１ｎｍほどの小さなナノポアを作ることができ、適度な電界を用いて、これをさらに１ナノメートル未満の精度で拡大することができる。電界は、作製時に連続して発生させてもよいし、高値と低値の交互に発生させてもよい。ＣＢＤ技術に関するさらなる詳細については、Ｋｗｏｋ，Ｈ．；Ｂｒｉｇｇｓ，Ｋ．； ａｎｄ Ｔａｂａｒｄ−Ｃｏｓｓａ，Ｖ．；“Ｎａｎｏｐｏｒｅ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｂｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ”−ＰＬｏＳ ＯＮＥ ９（３）：ｅ９２８８０（２０１４）ならびに、発明の名称が「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎａｎｏｐｏｒｅｓ ｕｓｉｎｇ Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄｓ」である米国特許出願第１４／３９９，０７１号（その内容全体を本明細書に援用する）にも、見いだせる。ナノポアの拡大に関する詳細については、Ｂｅａｍｉｓｈ，Ｅ．；Ｋｗｏｋ，Ｈ．；Ｔａｂａｒｄ−Ｃｏｓｓａ，Ｖ．； ａｎｄ Ｇｏｄｉｎ，Ｍ．；“Ｐｒｅｃｉｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｏｆ ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ ｎａｎｏｐｏｒｅｓ ｕｓｉｎｇ ｈｉｇｈ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄｓ”−Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２３， ４０５３０１， ７ ｐａｇｅｓ（２０１２）ならびに、発明の名称が「Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ ｎａｎｏｐｏｒｅｓ」である米国特許出願第１４／３９９，０９１号（その内容を本明細書に援用する）に見いだすことができる。

ＣＢＤ技術を用いた作製プロセスは、時間対ブレークダウンと膜表面でのナノポアの位置の両方に関して、確率に依存する面がある。たとえば、ポア作製後に電界がすぐに消失してしまうかぎり、ナノポアが１つしか形成されず、膜上のナノポアの位置が定まらない可能性がある。横方向のトンネル電流を測定するナノ電極を必要とするものなど用途によっては、生体分子の捕捉および／または通過を制御する膜表面のナノ構造が重要な場合があり、光学検出を伴う実験であれば、ナノポアの厳密な局在化が重要な場合がある。よって、ＣＢＤ技術は、実施が困難なことがある。

このセクションは、必ずしも先行技術ではない本開示に関連する形成の背景を提供する。

このセクションは、本開示の概要を提供するものであり、その完全な範囲またはその特徴のすべての包括的な開示ではない。
本開示は、広義には、膜の特定の位置にナノポアを作製するための方法に関する。この方法は、膜に電圧をかけるか電流を流しながら、膜上の特定の位置で、膜の絶縁耐力を制御し、膜に電圧をかけるか電流を流しながら、膜の電気特性をモニターし、膜に電圧をかけるか電流を流しながら、膜での電気特性の急激な変化を検出し、電気特性の急激な変化の検出に応答して、膜に電圧をかけるのをやめるか、または電流を流すのをやめることを含む。

本開示の一態様では、膜の絶縁耐力を制御することは、レーザービームを膜上の特定の位置に向けることをさらに含んでもよい。

本開示の別の態様では、この方法は、膜における電気特性の急激な変化の検出に応答して、膜上の特定の位置からレーザービームをなくすことをさらに含んでもよい。

本開示のさらに別の態様では、レーザービームを膜上の特定の位置に向けた後に、膜に電圧をかけるか電流を流してもよい。

本開示の一態様では、電圧をかけるか電流を流した後に、レーザービームを膜上の特定の位置に向けてもよい。

本開示の別の態様では、この方法は、レーザービームを、特定の位置とは異なる膜上の第２の位置に向けることで、膜に第２のナノポアを形成することをさらに含んでもよい。

本開示のさらに別の態様では、膜に電圧をかけた状態で、モニターしている電気特性はリーク電流であり、電気特性の急激な変化を検出することは、膜を流れるリーク電流の急激な増加を検出することをさらに含んでもよい。

本開示の一態様では、リーク電流の急激な増加を検出する際に、この方法は、リーク電流の変化率を決定し、変化率を閾値と比較することをさらに含んでもよい。リーク電流の変化率が閾値より大きくなったときに電圧をかけるのをやめることで、ナノポアの作製を停止する。

本開示の別の態様では、リーク電流の急激な増加を検出する際に、この方法は、リーク電流の値を閾値と比較することをさらに含んでもよい。リーク電流の値が閾値より大きくなったときに電圧をかけるのをやめることで、ナノポアの作製を停止する。

本開示のさらに別の態様では、電流を膜に流した状態で、モニターしている電気特性は膜の両側の電位差であり、電気特性の急激な変化を検出することは、膜の両側の電位差の急激な低下を検出することをさらに含んでもよい。

本開示の一態様では、この方法は、イオンを含む流体が充填された２つのリザーバ間に、膜が２つのリザーバを隔てて流体が２つのリザーバ間を行き来しないように膜を配置し、２つのリザーバの各々に電極を配置し、電極を用いて電圧をかけるかまたは電流を流すことをさらに含んでもよい。

本開示の別の態様では、この方法は、イオンを含む流体が充填された２つのリザーバ間に、膜が２つのリザーバを隔てて流体が２つのリザーバ間を行き来しないように膜を配置し、膜と直接接触させて電極を配置し、電極を用いて電圧をかけるかまたは電流を流すことをさらに含んでもよい。

本開示の一態様では、本開示は、広義には膜の特定の位置にナノポアを作製するための方法に関し、ここで、この方法は、光源からのレーザービームを膜上の特定の位置における膜の表面に向け、膜に電圧をかけるかまたは電流を流し、膜に電圧をかけるかまたは電流を流しながらレーザービームを特定の位置に向けたまま、膜の電気特性を測定し、測定された電気特性を閾値と比較し、測定された電気特性の値が閾値よりも大きくなったことに応答して、膜に電圧をかけるのをやめるかまたは電流を流すのをやめ、レーザービームを膜上の特定の位置からなくすことを含み、膜は、少なくとも１つの誘電材料からなり、電気特性は、電圧およびリーク電流のうちの少なくとも１つを含む。

本開示の一態様では、この方法は、膜の材料組成に基づいて、レーザービームの波長を選択することをさらに含んでもよい。

本開示の一態様では、電気特性は、膜に電圧をかけたときに膜を流れるリーク電流を含み、測定された電気特性の比較値は、リーク電流の変化率を決定し、変化率を値として閾値と比較することをさらに含む。リーク電流の変化率が閾値より大きくなったときに電圧をかけるのをやめ、レーザービームをなくすことで、ナノポアの作製を停止する。

本開示の別の態様では、電気特性は、膜に電圧をかけたときに膜を流れるリーク電流を含み、リーク電流の値が閾値より大きくなったときに電圧をかけるのをやめ、レーザービームをなくすことで、ナノポアの作製を停止する。

本開示のさらに別の態様では、電気特性は、電流を膜に流すときに膜を挟んで印加される電圧を含み、電圧の値が閾値未満になったときに電流を流すのをやめ、レーザービームをなくすことで、ナノポアの作製を停止する。

本開示の一態様では、膜上のあらかじめ定められた複数の位置に複数のナノポアを形成するために、あらかじめ定められた位置の各々で、レーザービームを膜のあらかじめ定められた位置で膜の表面に向け、膜に電圧をかけるかまたは電流を流し、膜に電圧をかけるかまたは電流を流してレーザービームをあらかじめ定められた位置に向けたまま、膜を挟んだ電気特性を測定し、測定された電気特性を閾値と比較し、測定された電気特性の値が閾値よりも大きくなったことに応答して、電圧をかけるのをやめるかまたは電流を流すのをやめ、レーザービームをなくす。

本開示の別の態様では、レーザービームを向ける際に、この方法は、レーザービームの光学方向を制御することで、膜とレーザービームとの位置的な整列を制御し、光源を起動して、膜上の特定の位置で膜の表面に向けてレーザービームを放射させることをさらに含んでもよい。

本開示のさらに別の態様では、レーザービームを向ける際に、この方法は、光源に対する膜の位置を調節することで、膜とレーザービームとの位置的な整列を制御し、光源を起動して、膜上の特定の位置で膜の表面に向けてレーザービームを放射させることをさらに含んでもよい。

本開示の一態様では、本開示は、広義には少なくとも１つの誘電材料からなる膜にナノポアを作製するための装置に向けられている。この装置は、流体デバイスと、光学デバイスと、センサと、コントローラと、を含んでもよい。流体デバイスは、２つのリザーバと、少なくとも２つの電極と、ホルダーと、を含んでもよい。リザーバは、イオンを含む流体を保持し、膜は、２つのリザーバ間を隔てて流体が２つのリザーバ間を行き来しないようにする。電極は、電源に電気的に接続され、膜に電圧をかけるかまたは電流を流すように動作可能である。ホルダーは、２つのリザーバから流体に含浸された膜を保持するように構成され、膜への光学的なアクセスを提供するウィンドウを含む。

光学デバイスは、ホルダーのウィンドウを通過して、膜の特定の位置に向けられる集光レーザービームを放射するように動作可能であってもよい。集光レーザービームは、電極によって膜に電圧をかけるかまたは電流を流しているときに、膜の特定の位置を照らす。

センサは、電極のうちの一方に電気的に接続されてもよく、膜を挟んだ電気特性を測定するように動作可能であってもよい。電気特性は、電圧およびリーク電流のうちの少なくとも１つを含んでもよい。

コントローラは、センサとの間をインタフェースして、測定された電気特性の急激な変化を検出してもよい。測定された電気特性の急激な変化の検出に応答して、コントローラは、膜にかけた電圧または膜に流した電流のうちの一方を止めてもよく、集光レーザービームを膜上の特定の位置からなくしてもよい。

本開示の別の態様では、光学デバイスは、倒立光学顕微鏡である。

本開示のさらに別の態様では、少なくとも２つの電極のうちの一方の電極は、２つのリザーバの各々に配置される。

本開示の一態様では、少なくとも２つの電極は、膜と直接接触している。

本開示の別の態様では、電極は、膜に電流を流してもよく、センサは、膜を挟んだ電圧を電気特性として測定してもよく、コントローラは、測定された電圧を閾値と比較して、電圧が閾値未満になったことに応答して、膜への電流と集光レーザービームを膜上の特定の位置からなくしてもよい。

本開示のさらに別の態様では、電極は膜に電圧をかけてもよく、センサは、膜を通って流れるリーク電流を電気特性として測定してもよく、コントローラは、測定されたリーク電流を閾値と比較して、測定されたリーク電流が閾値よりも大きくなったことに応答して、膜に電圧をかけるのをやめ、集光レーザービームを膜上の特定の位置からなくしてもよい。

本開示の一態様では、本開示は、広義には少なくとも１つの誘電材料を含む膜に設けられたナノポアの大きさを拡大する方法に関し、この方法は、電圧をかけるかまたは電流を流しながら、レーザービームを膜のナノポアに向け、膜を通って流れるリーク電流を測定し、測定されたリーク電流に基づいて、ナノポアの大きさの増加を決定し、ナノポアの大きさの増加を検出したことに応答して、膜に対する電圧をかけるのをやめるか電流を流すことをやめることを含む。

本開示の一態様では、膜は、複数のナノポアを含み、レーザービームは、第１のナノポアに向けられる。

本開示の別の態様では、この方法は、レーザービームを第２のナノポアに向けることをさらに含んでもよい。

さらに応用可能な領域は、本明細書に記載の説明から明らかになるであろう。本開示の説明および具体例は、例示を目的とすることを意図したものにすぎず、本開示の範囲を限定することを意図したものではない。

本明細書で説明する図面は、選択された実施形態の例示を目的とするものにすぎず、可能なすべての実施形態ではなく、本開示の範囲を限定することを意図したものではない。
図１は、本開示のレーザー促進制御破壊技術を用いてナノポアを作製するためのセットアップ例を示す図である。 図２は、図１のセットアップの流体デバイスの拡大図である。 図３は、レーザー促進制御破壊技術を用いてナノポアを作製するための方法を示すフローチャートである。 図４は、複数の膜材料と、これに付随する、膜に照射される光線の波長を列挙した表である。 図５Ａおよび図５Ｂは、光線のスポットサイズを示すデジタル画像である。 図６は、ＳｉＮ膜を流れるリーク電流に対する作用を示すグラフである。 図７Ａから図７Ｆは、レーザー促進制御破壊技術を用いたナノポア作製を示す光学画像である。

図面の複数の図で、同一の参照符号は同一の要素を示す。

本開示は、レーザー促進制御破壊（ＬＥＣＢＤ）技術を用いてあらかじめ定められた位置にナノポアを作製するための方法および／または装置について説明するものである。ＬＥＣＢＤ技術では、膜上の正確な位置にナノポアを作製できる可能性を大幅に高めるために、膜材料の絶縁耐力を制御する。ＬＥＣＢＤを使用する場合、集光光線（たとえば、レーザービーム）を膜の特定の位置のほうに向け、その特定の位置に光を照射する。特定の位置に光が当たった状態で、膜を挟んで電圧をかける。集光ビームによって、特定の位置で導電性が高くなる。こうして導電性が増すと、リーク電流が局所的に大きくなり、膜の光が照射された部分でのナノポア作製に極めて有利に作用する。

以下、添付の図面を参照し、本開示をさらに詳細に説明する。

図１および図２は、ＬＥＣＢＤを用いてナノポアを作製するためのナノポア作製装置の一例を示す。ナノポア作製装置１００は、流体デバイス１０２と、フォーカスビームデバイス１０４（すなわち、光学デバイス）と、コントローラ１０６と、を含む。流体デバイス１０２および／または装置全体を、接地したファラデーケージ１０７の中に配置して、電気ノイズを遮断することが可能である。このＬＥＣＢＤによるナノポア作製の局在化を実証するのに用いたセットアップは、生体分子がナノポアを通るのを光学的および電気的に同時に測定するように設計されているが、これよりも単純な実施形態を構築して、ＬＥＣＢＤを実施してもよい。

図２に示されるように、流体デバイス１０２は、流体セル１１０と、電流増幅器回路（ＣＡＣ）１１４に電気的に接続された一対の電極１１２と、を含む。流体セル１１０は、ケイ素チップ１１８内に配置された膜１１６を保持し、フォーカスビームデバイス１０４が膜１１６に光学的にアクセスできるようにしている。

いくつかの実施形態では、膜１１６は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）などの誘電材料からなる。膜は、好ましくは厚さ１０ｎｍまたは３０ｎｍと薄いが、これ以外の厚さの膜も本開示で企図される。トランジスタ用のゲート材料として一般に用いられている、他の酸化物および窒化物などの他の誘電材料からなる膜も、本開示の範囲内に包含される。同様に、原子薄膜が、グラフェン、窒化ホウ素などの他の材料からなることもある。また、膜が誘電材料および／または導電性材料を含む材料の多層からなる場合も企図される。

流体セル１１０は、リザーバ１２０およびホルダー１２２を含む。リザーバ１２０は、イオンを含む流体（すなわち、電解質溶液）で満たされている。流体は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）管１２４によってリザーバ１２０から膜１１６に供給される。電極１１２は、それぞれのリザーバ１２０に挿入され、リザーバ１２０からＰＴＦＥ管１２４を通って流れる電解質溶液によって、膜１１６と電気的に接続されている。リザーバ１２０からの電解質溶液の流れについては、リザーバ１２０に設けられたニードルハブ部材１２６にシリンジポンプ（図示せず）を接続することで制御しても構わない。

流体デバイス１０２は、電極と電解質溶液とのさまざまな好適な組み合わせを含み得る。たとえば、流体デバイス１０２は、塩化物ベースの塩溶液とＡｇ／ＡｇＣｌ電極または硫化銅溶液と銅電極を有するものであってもよい。また、流体を、１Ｍ ＬｉＣｌのエタノール溶液などの非水性溶媒とすることもできよう。流体は、両方のリザーバ１２０で同一であってもよく、膜材料に対するアクティブなエッチング作用を持つ必要がない。マイクロ流体封入およびナノ流体封入など、他のタイプの流体および２つのリザーバ間に膜を配置するための手段も企図されている。

ホルダー１２２は、膜１１６を収容し、リザーバ１２０からの流体に膜１１６を浸漬させる。ホルダー１２２は、アルミニウム製であってもよいし、他の好適な材料で作られたものであってもよい。また、ホルダー１２２は、フォーカスビームデバイス１０４に光学アクセスを提供するためのウィンドウ１２８も含む。特に、ナノポアが形成されることになる膜１１６の特定の位置は、ウィンドウ１２８内に配置され、ここにフォーカスビームデバイス１０４からのフォーカスビームが当てられる。

流体デバイス１０２は、フォーカスビームデバイス１０４の上にあるステージ１４０に配置される。ステージ１４０は、固定式のステージであっても可動式のステージであってもよい。フォーカスビームデバイス１０４は、倒立光学顕微鏡であってもよく、光源１４２、顕微鏡１４４、カメラ１４６を含む。光源１４２は、光源１４２を起動および停止するおよび／またはフォーカスビームデバイス１０４によって放射されるビームを遮断するシャッター部材（図示せず）を制御するためのコントローラ１０６によって動作可能であってもよい。例としての一実施形態では、光源１４２は、所望の波長でレーザービームを放射するレーザーダイオードであってもよい。光源１４２は、水銀ランプなどの他の好適な光源を含んでもよく、本明細書に記載の例に限定されるものではない。

光源１４２によって発生光は、顕微鏡１４４を通るように向けられ、２つのレンズ（図示せず）間の距離を調節することによって顕微鏡で集光されて、膜１１６のほうに向けられる。具体的には、顕微鏡１４４の対物レンズ１４８が、流体デバイス１０２のウィンドウ１２８と整列される。光線は、膜１１６の、ナノポアが形成される特定の位置に向けられる。たとえば、コントローラ１０６は、フォーカスビームデバイス１０４を制御して光線の方向を調節し、この光線を膜１１６に沿った特定の位置と整列させてもよい。別の例として、ステージ１４０が可動式であれば、コントローラ１０６は、ステージ１４０を制御することによって、光線に対する膜１１６の位置を調節してもよい。フォーカスビームデバイスと膜の位置の両方を制御することなど、特定の位置で光線と膜とを整列させるための他の方法も企図されるため、本開示は本明細書に記載の例に限定されるべきものではない。

顕微鏡１４４から放射される光線は、膜１１６の特定の位置を照らすが、フルオロフォア（たとえば、ＹＯＹＯ染色ＤＮＡまたはＣａ^２＋感受性染料）を照らしてもよい。この放射は、顕微鏡１４４内の特定のフィルターキューブ（たとえば、ＦＩＴＣ）によって濾波され、カメラ１４６に集められる。

特定の位置で膜１１６に光が当たった状態で、コントローラ１０６は、電流増幅器回路１１４を制御して、この回路１１４によって、電極１１２に電圧をかけてもよい。例としての一実施形態では、コントローラ１０６を、パーソナルコンピュータ１５２または別のタイプのコンピューティングデバイスに接続されたデータ収集（ＤＡＱ）回路１５０として実施してもよい。

電流増幅器回路１１４は、電圧および電流を読み取って制御する単純なオペアンプ回路であってもよい。オペアンプは、たとえば、±２０ボルトの電圧源から電力を供給されてもよい。動作時、回路１１４は、コントローラ１０６からのコマンド電圧（たとえば、±１０ボルトの間）を取り入れ、このコマンド電圧を、たとえば±２０ボルトに増幅し、電極１１２によって膜１１６を挟んで電圧を設定する。また、こうして印加された電圧を電流増幅器回路１１４によって測定することも可能である。たとえば、２つの電極１１２間を流れる電流は、ｐＡ単位の感度で、一方または両方の電極１１２で測定される。具体的には、電流は、トランスインピーダンス増幅器の接続形態を用いて測定される。測定された電流信号は、データ取得回路１５０によってデジタル化され、コンピュータ１５２に連続供給される。このようにして、電流は、コントローラ１０６によって（たとえば、周波数１０Ｈｚで）リアルタイムにモニターされる。電圧をかけ、電流を測定するための他の回路構成も、本開示の範囲に包含される。

コントローラ１０６は、電極１１２間の電流をモニターし、電流がいつ電流閾値に達したのかを決定する。例としての実施形態では、ナノポアの最小サイズを１ｎｍのオーダーに設定するために、電流の急激な増加と一致するように電流閾値を設定する。他の実施形態では、膜を挟んで電圧をかけ続けることで、ナノポアの大きさをもっと大きく設定してもよい。すなわち、モニターしている電流が大きくなるにつれて、ナノポアも大きくなりつづける。電流閾値をリーク電流の急激な増加と一致するように設定するのではなく、電流閾値の値を異なる値に設定し、さまざまな大きさのナノポアを達成してもよい。

例としての実施形態では、一定の電圧を印加し、電流をモニターすることによって、ナノポアの形成をモニターする。あるいは、一定レベルの電流を流して、膜１１６の両側の電位差をモニターするように、ナノポア作製装置１００を構成してもよい。たとえば、一定の電流を膜１１６に流した状態で、コントローラ１０６は、膜の両側の電位差をモニターして、ナノポア形成時に生じる急激な降圧を検出してもよい。この急激な降圧は、それ自体、新たに形成されるポアの拡大を制限する。コントローラ１０６は、最小のナノポアを設定するために、検出された電圧を、急激な降圧に一致する電圧閾値と比較してもよい。このため、例としての一実施形態では、電流増幅器回路は、電流および／または電圧などの電気特性を測定するためのセンサとして動作することができる。コントローラは、電気特性をモニターするために膜を挟んで測定される電気特性を示す、電流増幅器回路からの電気信号を受信してもよい。

図３を参照すると、ＬＥＣＢＤを用いて特定の位置でナノポアを形成するための例示的な方法が提供される。この方法では、膜の絶縁耐力を制御して、膜の特定の位置にナノポアを形成する。絶縁耐力を制御するために、２００で、フォーカスビームデバイス１０４によって放射される光線が膜１１６の特定の位置を照らすように、膜１１６とフォーカスビームデバイス１０４とを整列させる。フォーカスビームデバイス１０４は、２０２で、膜１１６の特定の位置を照らすための光線を放射する。

この方法では、特定の位置で膜１１６に光を照射した状態で、２０４で膜１１６を挟んで電圧を印加し、膜１１６にリーク電流を誘導できるだけの高電界を発生させる。２０６で、電界を発生させたまま、かつ膜１１６を照らしたままで、膜を貫通して流れる電流をモニターする。膜の絶縁耐力の１０分の１より大きな値になるような電界あるいは、１ナノメートルあたり０．１ボルトの値になるような電界を膜に誘導するのに電圧が選択される。

単一のナノポア（すなわち、膜を通る流体チャネル）が作製されたことは、リーク電流が急激に不可逆的に大きくなることでわかる。ナノポアの作製を検出するために、２０８で、モニターしている電流をあらかじめ定められた閾値と比較する。モニターしている電流が閾値より大きくなったら、２１０で、膜１１６への電圧印加と、特定の位置での膜１１６の照明を終了する。なお、ここではナノポアの形成について言及しているが、本明細書に記載の技術は、より汎用的に、さまざまな大きさの穴の形成にも応用可能である。

例としての実施形態では、膜に電圧をかけ、膜の電気特性としてのリーク電流をモニターする。あるいは、膜に電流を流してもよく、膜の電気特性としての電圧レベルをモニターしてもよい。また、例としての実施形態では、電圧をかける／電流を流す前に、レーザービームを膜と整列させてもよい。あるいは、レーザービームを膜の特定の位置に向けて当該位置を照らす前に、膜に電圧をかけ／電流を流してもよい。

いくつかの実施形態では、リーク電流が急激に増加する前（すなわち、ポア形成前）に、膜１１６に電圧をかけるのをやめる。たとえば、モニターされる電流があらかじめ規定された閾値を超えた後あるいは、指定された長さの時間の経過後ではあるがリーク電流の急激な増加前に、電圧をかけるのをやめる。このようにして、膜にポアを部分的に穿孔または形成してもよい。そして、それ以後に、同一のプロセスまたは異なるプロセスを使用して、ポア形成を完了することができる。

膜の選択された領域を集光ビーム（たとえば、レーザービーム）で照らすと、正孔対が発生し、光の当たった領域の導電性が効果的に高められる。使用する特定波長の光をチューニングして、特定の材料の光導電性を最大にすることができる。たとえば、図４は、バンドギャップより上で電子を直接励起させるための、さまざまな材料に対する最適な波長を表にしたものである。本発明者らは、バンドギャップよりエネルギーの小さいレーザー源は、バンドギャップを貫通して電子を直接励起できるだけの十分なエネルギーを持つわけではないが、それでもバンドギャップ内にあるトラップまでと、トラップから伝導バンドまで電子を進める場合があるため、このようなレーザー源も使用できることを添えておく。すなわち、正孔対の発生が複数の工程で生じる場合がある。導電性が高くなると、リーク電流が局所的に大きくなり、ＣＢＤプロセスで膜のレーザーで照らした部分にナノポアを形成するのに非常に好ましい状態になる。

さらに説明すると、光導電性として知られるプロセスすなわち、材料によるレーザー光の吸収など電磁波の吸収によって、そのバンドギャップを貫通して電子が励起され、これによって正孔対が発生する。自由電子と正孔の数が増えると、材料の電気特性が変化し、その導電性が局所的に効果的に高められ、リーク電流に好ましい経路が形成される。レーザーで照らした領域を流れるリーク電流が大きくなっているため、電流によって膜に欠陥が生じる率が局所的に高くなり、膜表面のレーザースポットでナノポアを形成するための極めて望ましい条件が提供される。このように、レーザーの集光ビームを使用してポアを設けると望ましい特定の位置を照らし、膜表面の特定の位置にナノポアを形成することができる。本発明者らは、誘電膜を照らすことで、トラップ密度またはネイティブトラップの電荷に準安定の変化を引き起こし、光導電性の増大につなげることができる点にも言及しておく。

通常、膜の表面でナノポアを局在化できる精度は、レーザービームをいかに厳密に集束させられるかに依存し、使用する集光光学系と光の波長にもよるが、大ざっぱにいえば約５００ｎｍの範囲の回折限界点に依存する。しかしながら、ガウシアンレーザービームは強度の極大が中央にあるため、回折限界未満の精度でナノポアの位置を定めることができる。これは、強度が最大になるビームのまさに中央で、光導電性作用が最も強くなるためである。

レーザーによる照明を使用しなければ、ナノポアは、どこにでも同じ確率で形成され得るため、以下の式（２）で示されるように、電圧ごとにバックグラウンド電流密度が存在すると仮定できる。

一例として、図５Ａおよび図５Ｂは、局所的なポア形成の分解能を高めるために、レーザースポットサイズを小さくした状態を示したデジタル画像である。特に、上述した装置を使用して、照明領域が小さくなるように顕微鏡の２つのレンズ間の距離を調節して４８８ｎｍのレーザービームを集束させ、これによって、回折限界スポットを形成する。光学顕微鏡で得られるデジタル画像から、集光レーザービームのスポットサイズが効果的に縮小されていることがわかる。図５Ａは、強度が０〜１０００ａ．ｕ．の範囲にある画像であり、図５Ｂは、５０×５０μｍ^２の膜を可視化できるように強度を０〜２０ａ．ｕ．の範囲に調節した同じ画像である。レーザーの出力は、画像を取得したときで０．１ｍＷであった。

図６を参照すると、ＳｉＮ膜を流れるリーク（トンネル）電流に膜照明が及ぼす影響が劇的である。グラフの左側は、次第に大きくなる（１Ｖ、２Ｖ、３Ｖ、４Ｖ）４通りの電圧パルスに対するＳｉＮ膜の電流応答を示す。グラフの右側は、３０ｍＷのフォーカスレーザービームを用いた照明時の同じ電圧パルスに対する同じ膜の電流応答を示す。

膜を挟んで印加される電圧と、そのリーク電流応答を、最初にレーザー照明なしでプロットする。その後、同時にＳｉＮ膜の直径約１μｍの領域にレーザーを当てながら、同じ電圧パルスを繰り返す。印加電圧を高くすると（たとえば、＞２Ｖ）、レーザー照明時にリーク電流が大幅に大きくなる。レーザー照明によって実測電流値が顕著に増加することから、制御破壊時の局在化されたポア形成とレーザービームの光導電性作用との間に関連性があることがわかり、リーク電流に対する優勢な寄与がレーザー照明領域から来ることが示される。また、この増加は、リーク電流密度がレーザースポットで局所的に極めて高くなることも示している。なぜなら、レーザーなしのバックグラウンド電流も、ナノポアが出現できないサポートチップからの寄与を含むからである。回折限界領域を全体の電流に非常に強く寄与させるには、レーザー照明によって局所的な電流密度を劇的に高めなければならない。

散乱したレーザー光がＳｉＮ膜の５０μｍ×５０μｍの領域のほぼ全体を照明した事実にもかかわらず、ビーム強度のガウシアンプロファイルは、ビームの中央に光強度が最大の（大きさのオーダーが高い）点を生じ、光導電性の増大が最大限になる。図７Ａ〜図７Ｆに示されるように、ＬＥＣＢＤ時に膜を挟んで電圧を印加すると、このレーザー照明スポットでリーク電流が最大になり、その後、厳密に同じ位置にナノポアが形成される。図７Ａおよび図７Ｄは、ハロゲンランプを用いて、ワイドフィールド顕微鏡で得られた光学画像である。図７Ｂおよび図７Ｃは、４８８ｎｍのレーザーを用いて、ワイドフィールド顕微鏡で得られた光学画像である。図７Ｅおよび図７Ｆは、蛍光顕微鏡で得られた光学画像である。

図７Ａは、ポア形成前に１ＭのＫＣｌに浸漬した未処理のＳｉＮ膜を示す。図７Ｂは、いくぶん大きなスポット（約１０μｍ）に集束させた４８８ｎｍのレーザービームスポットで照明した同じ膜を示す。図７Ｃは、レーザー照明をＳｉＮ膜に限定するのに用いた絞りの影響を示す。図７Ｄは、高レーザー出力（約３０ｍＷ）でのＬＥＣＢＤポア形成後の膜を示す。図７Ａに対して、作製手順７Ｄの後に膜の特徴が観察される点に注意されたい。ＹＯＹＯ−１蛍光染料で標識したＤＮＡはナノポアをふさぎ、レーザー照明下でその位置を明らかにする（他のすべての明るいスポットは、時間の経過とともに移動することが観察され、ナノポアサイトでのＤＮＡ捕捉が観察されている）。図７Ｆでは、図７Ｄのナノポアの光学顕微鏡画像に、図７Ｅのポア位置の蛍光画像を重ねて、レーザー促進ＣＢＤ後の膜の特徴と確認されたポア局在化との相関をはっきりと示している。

図７Ａ〜図７Ｆのデモンストレーションでは、３０ｍＷのレーザー強度を使用した。これによって、ナノポア作製後に膜に特徴が作られた。ＬＥＣＢＤによるナノポア作製は、低めのレーザー出力（たとえば、２ｍＷ）でも行った。これによって、ＬＥＣＢＤによる作製後に、膜に観察可能な特徴は生成されなかった。ＹＯＹＯ−１蛍光染料で染色されたラムダＤＮＡの捕捉と移動を光学的に観察することで確認されたナノポアの位置は、ＬＥＣＢＤによるナノポア作製時に、レーザー照明スポットの中央に対応することが確認される。

本開示のレーザー促進制御破壊技術を使用して、ＣＢＤによって膜表面でのナノポア形成を局在化することができる。上述したように、電解質溶液に浸漬かつ高電界に曝露された膜に当たるフォーカスレーザービームは、局所的なリーク電流の増大を誘導し、膜におけるレーザースポットでの欠陥形成率を高める。レーザービームは、膜のその位置にナノポアが作製される可能性を大幅に高める。膜に当たるレーザースポットの中央でナノポアが作製される単位面積あたりの可能性は、レーザー強度が増すにつれて高くなる。作製に用いる高電界の値を小さくすると、適切なレーザー照明下で局在化の信頼性を高めることにつながると想定される。膜の光電流が、全体のリーク電流に優勢で寄与することになるためである。

低電界状態（たとえば、中性の１Ｍ ＫＣｌ中、ＳｉＮ膜では＜０．５Ｖ／ｎｍまたは１０ｎｍのＳｉＮ膜では＜５Ｖ）下、膜表面での集光ビームの位置を制御することによって、ナノポアのアレイを作製できる。最初のブレークダウンが起きた位置から離して集光ビームを移動させて、その位置でのナノポアの作製と成長を終了するとともに、新たなレーザービーム位置で第２のナノポアの作製をトリガーする。このプロセスは、所望のアレイサイズが得られるまで繰り返すことができる。「高電界」および「低電界」という用語は、材料依存性である。通常、「低電界」は、絶縁耐力の１０分の１未満の電界をいうことがあり、「高電界」は、ほぼ材料の絶縁耐力の電界をいうことがある。

一例として、１つのナノポアを第１の位置に形成後、フォーカスビームデバイスは、光源を切るおよび／またはシャッター部材で光線を遮断することによって、第１の位置の照明を停止する。次に、ビームデバイスから放射される光が第２の位置を照らすように、フォーカスビームデバイスと膜を整列させる。フォーカスビームデバイスおよび膜の位置は、膜が配置される可動式ステージの位置を調節することおよび／または顕微鏡によって光線の光学方向を調節することを含むがこれらに限定されるものではない、さまざまな好適な方法で調整できる。第２の位置をフォーカスビームデバイスと整列させた状態で、第２の位置を集光ビームで照らし、膜を挟んで電圧を印加する。第２の位置での第２のナノポアの形成については、上述したように、膜を流れる電流に基づいてモニターする。このように、膜のあらかじめ定められた位置に複数のナノポアを形成できる。

同じ原理で、アレイの特定のナノポアの照明を使用して、特定のナノポアを、アレイに含まれる他のナノポアの大きさに影響を及ぼすことなく、所望の大きさまで拡大することも可能である。たとえば、多数のナノポアを有する膜を特定のナノポアのある位置で照明すればよい。膜を挟んで電圧をかけると、特定のナノポアの大きさを、他のナノポアを変化させずに拡大できる。

ＬＥＣＢＤによるナノポア作製は、照明下にある場合、電解質／膜界面での電荷移動率、よってリーク電流の大きさを調整することによって、膜表面の表面電荷密度の変化に影響されることもある。

ＬＥＣＢＤによるナノポア作製には、膜材料の絶縁耐力に影響する集光ビームによる膜の局所的な加熱によって、さらに影響を与えることができる。パルスレーザーの反復率のチューニングを用いて、局所的な加熱を誘導するか、反対に、膜の加熱を回避することもできよう。

実施形態についての上記の説明は、例示および説明目的で提供されているものである。これは、包括的であること、あるいは、本開示を限定することを意図したものではない。特定の実施形態の個々の要素または特徴は通常、その特定の実施形態に限定されるものではなく、具体的に図示または説明されていなくても、該当するのであれば入れ替え可能であって、選択された実施形態で使用できる。また、同じものが多くの方法で変更されてもよい。このような変更は、本開示から逸脱するものとはみなされず、そのような改変はいずれも本開示の範囲に包含されることを意図している。

Claims (35)

1. 少なくとも１つの誘電材料からなる膜の特定の位置にナノポアを作製するための方法であって、
   前記膜に電圧をかけるか、または電流を流しながら、前記膜上の前記特定の位置で、前記膜の絶縁耐力を制御し、
   前記膜を横切って電圧をかけるか、または電流を流しながら、前記膜を横切る電気特性をモニターし、
   前記膜に電圧をかけるか、または電流を流している時、前記膜を横切る記電気特性の急激な変化を検出し、
   前記電気特性の前記急激な変化の検出に応答して、前記電圧または前記電流を前記膜から消失させることを含む、方法。
2. 前記膜の前記絶縁耐力を制御することは、レーザービームを前記膜上の前記特定の位置に向けることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記膜における前記電気特性の前記急激な変化の検出に応答して、前記膜上の前記特定の位置から前記レーザービームをなくすことをさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記レーザービームを前記膜上の前記特定の位置に向けた後に、前記電圧をかけるか、または前記電流を流す、請求項２に記載の方法。
5. 前記電圧をかけるか、または前記電流を流した後に、前記レーザービームを前記膜上の前記特定の位置に向ける、請求項２に記載の方法。
6. 前記レーザービームを、前記特定の位置とは異なる前記膜上の第２の位置に向けることで、前記膜に第２のナノポアを形成することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
7. 前記膜に電圧をかけた状態で、モニターしている前記電気特性はリーク電流であり、前記電気特性の前記急激な変化を検出することは、前記膜を流れる前記リーク電流の急激な増加を検出することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記リーク電流の前記急激な増加を前記検出することは、前記リーク電流の変化率を決定し、前記変化率を閾値と比較することをさらに含み、前記リーク電流の前記変化率が前記閾値より大きくなったときに前記電圧をかけるのをやめることで、ナノポアの前記作製を停止する、請求項７に記載の方法。
9. 前記リーク電流の前記急激な増加を検出することは、前記リーク電流の値を閾値と比較することをさらに含み、前記リーク電流の前記値が前記閾値より大きくなったときに前記電圧をかけるのをやめることで、ナノポアの前記作製を停止する、請求項７に記載の方法。
10. 電流を前記膜に流した状態で、モニターしている前記電気特性は前記膜の両側の電位差であり、前記電気特性の前記急激な変化を前記検出することは、前記膜の両側の前記電位差の急激な低下を検出することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. イオンを含む流体が充填された２つのリザーバ間に、前記膜が前記２つのリザーバを隔てて前記流体が前記２つのリザーバ間を行き来しないように前記膜を配置し、
    前記２つのリザーバの各々に電極を配置し、
    前記電極を用いて前記電圧をかけるか前記電流を流すことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
12. イオンを含む流体が充填された２つのリザーバ間に、前記膜が前記２つのリザーバを隔てて前記流体が前記２つのリザーバ間を行き来しないように前記膜を配置し、
    前記膜と直接接触させて電極を配置し、
    前記電極を用いて前記電圧をかけるか、前記電流を流すことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
13. 少なくとも１つの誘電材料からなる膜の特定の位置にナノポアを作製するための方法であって、
    光源からのレーザービームを前記膜上の前記特定の位置における前記膜の表面に向け、
    前記膜に対して電圧をかけるか、または電流を流し、
    前記膜に対して電圧をかけるか、または電流を流して前記レーザービームを前記特定の位置に向けながら、電圧およびリーク電流のうちの少なくとも１つを含む前記膜の電気特性を測定し、
    前記測定された電気特性を閾値と比較し、
    前記測定された電気特性の値が前記閾値よりも大きくなったことに応答して、前記電圧をかけるのをやめるか前記電流を流すのをやめ、前記レーザービームを前記膜上の前記特定の位置から逸らすことを含む方法。
14. 前記膜の材料組成に基づいて、前記レーザービームの波長を選択することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記レーザービームを前記膜上の前記特定の位置に向けた後に、前記電圧をかけるか、または前記電流を流す、請求項１３に記載の方法。
16. 前記電圧をかけるか、または前記電流を流した後に、前記レーザービームを前記膜上の前記特定の位置に向ける、請求項１３に記載の方法。
17. 前記電気特性は、前記膜に前記電圧をかけたときに前記膜を流れる前記リーク電流を含み、前記測定された電気特性の前記比較値は、前記リーク電流の変化率を決定し、前記変化率を前記値として前記閾値と比較することをさらに含み、前記リーク電流の前記変化率が前記閾値より大きくなったときに前記電圧および前記レーザービームを止めることで、ナノポアの前記作製を停止する、請求項１３に記載の方法。
18. 前記電気特性は、前記膜に電圧をかけたときに前記膜を流れる前記リーク電流を含み、前記リーク電流の前記値が前記閾値より大きくなったときに前記電圧および前記レーザービームを止めることで、ナノポアの前記作製を停止する、請求項１３に記載の方法。
19. 前記電気特性は、電流を前記膜に流すときに前記膜を挟んで生じる前記電圧を含み、前記電圧の前記値が前記閾値未満になったときに前記電流および前記レーザービームを消失させることで、ナノポアの前記作製を停止する、請求項１３に記載の方法。
20. イオンを含む流体が充填された２つのリザーバ間に、前記膜が前記２つのリザーバを隔てて前記流体が前記２つのリザーバ間を行き来しないように前記膜を配置し、
    前記２つのリザーバの各々に電極を配置し、
    前記電極を用いて前記電圧をかけるか、または前記電流を流すことをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
21. イオンを含む流体が充填された２つのリザーバ間に、前記膜が前記２つのリザーバを隔てて前記流体が前記２つのリザーバ間を行き来しないように前記膜を配置し、
    前記膜と直接接触させて電極を配置し、
    前記電極を用いて前記電圧をかけるか、または前記電流を流すことをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
22. 前記膜上のあらかじめ定められた複数の位置に複数の前記ナノポアを形成するために、前記あらかじめ定められた位置の各々で、前記レーザービームを前記膜の前記あらかじめ定められた位置で前記膜の前記表面に向け、前記電圧をかけるか、または前記電流を流し、前記膜に前記電圧をかけるか、または前記電流を流して前記レーザービームを前記あらかじめ定められた位置に向けながら、前記膜を挟んだ前記電気特性を測定し、前記測定された電気特性を閾値と比較し、前記測定された電気特性の前記値が前記閾値よりも大きくなったことに応答して、前記電圧または前記電流および前記レーザービームを消失させる、請求項１３に記載の方法。
23. 前記レーザービームを向けることは、
    前記レーザービームの光学方向を制御することで、前記膜と前記レーザービームとの位置的な整列を制御し、
    前記光源を起動して、前記膜上の前記特定の位置で前記膜の前記表面に向けて前記レーザービームを放射させることをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
24. 前記レーザービームを向けることは、
    前記光源に対する前記膜の位置を調節することで、前記膜と前記レーザービームとの位置的な整列を制御し、
    前記光源を起動して、前記膜上の前記特定の位置で前記膜の前記表面に向けて前記レーザービームを放射させることをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
25. 少なくとも１つの誘電材料からなる膜にナノポアを作製するための装置であって、
    イオンを含む流体を保持する２つのリザーバと、電源に電気的に接続され、電圧をかけるか、または電流を流すように動作可能な少なくとも２つの電極と、前記２つのリザーバから前記流体に含浸された前記膜を保持するように構成され、前記膜への光学的なアクセスを提供するウィンドウを含むホルダーと、を含む流体デバイスと、
    前記ホルダーの前記ウィンドウを通過して、前記膜の特定の位置に向けられる集光レーザービームであって、前記電極によって前記膜に前記電圧をかけるか、または前記電流を流しているときに、前記膜の前記特定の位置を照らす前記集光レーザービームを放射するように動作可能な光学デバイスと、
    前記電極のうちの一方に電気的に接続され、前記膜を挟んだ電気特性を測定するように動作可能なセンサと、
    前記センサとの間をインタフェースするコントローラと、を備え、
    前記膜は、前記２つのリザーバ間を隔てて前記流体が前記２つのリザーバ間を行き来しないようにし、
    前記電気特性は、電圧およびリーク電流のうちの少なくとも１つを含み、
    前記コントローラは、前記測定された電気特性の急激な変化を検出し、前記測定された電気特性の前記急激な変化の検出に応答して、前記膜に前記電圧をかけるのをやめるかまたは前記電流を流すのをやめるとともに、前記集光レーザービームを前記膜上の前記特定の位置からなくす、装置。
26. 前記集光レーザービームの波長は、前記膜の前記誘電材料の材料組成に基づいている、請求項２５に記載の装置。
27. 前記光学デバイスは、倒立光学顕微鏡である、請求項２５に記載の装置。
28. 前記少なくとも２つの電極のうちの一方の電極は、前記２つのリザーバの各々に配置される、請求項２５に記載の装置。
29. 前記少なくとも２つの電極は、前記膜と直接接触している、請求項２５に記載の装置。
30. 前記電極は、前記膜に電流を流し、
    前記センサは、前記膜を挟んだ電圧を前記電気特性として測定し、
    前記コントローラは、前記測定された電圧を閾値と比較して、前記電圧が前記閾値未満になったことに応答して、前記膜への前記電流と前記集光レーザービームを前記膜上の前記特定の位置から消失させる、請求項２５に記載の装置。
31. 前記電極は前記膜に電圧をかけ、
    前記センサは、前記膜を通って流れるリーク電流を前記電気特性として測定し、
    前記コントローラは、前記測定されたリーク電流を閾値と比較して、前記測定されたリーク電流が前記閾値よりも大きくなったことに応答して、前記膜への前記電圧および前記集光レーザービームを前記膜上の前記特定の位置から消失させる、請求項２５に記載の装置。
32. 少なくとも１つの誘電材料を含む膜に設けられたナノポアの大きさを拡大する方法であって、
    前記膜に電圧をかけるか、または前記電流を流しながら、レーザービームを前記膜の前記ナノポアに向け、
    前記膜を通って流れるリーク電流を測定し、
    前記測定されたリーク電流に基づいて、前記ナノポアの大きさの増加を決定し、
    前記ナノポアの大きさの増加を検出したことに応答して、前記膜に対する前記電圧または前記電流のを消失させることを含む、方法。
33. 前記膜は、複数のナノポアを含み、前記レーザービームは、第１のナノポアに向けられる、請求項３２に記載の方法。
34. 前記レーザービームを第２のナノポアに向けることをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
35. イオンを含む流体が充填された２つのリザーバ間に、前記膜が前記２つのリザーバを隔てて、前記流体が前記２つのリザーバ間を行き来しないように前記膜を配置し、
    前記２つのリザーバの各々に電極を配置し、
    前記電極を用いて前記電圧をかけるか、または前記電流を流すことを含む、請求項３２〜３４のいずれか１項に記載の方法。