JP6282036B2 - 物質の移動速度の制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、物質の移動速度の制御方法および制御装置に関する。

近年、個々の個性にかなったテーラーメイド医療に注目が集まっている。当該テーラーメイド医療を実現するためには、個人のゲノムの塩基配列を短時間で精度良く読解し、個人のゲノムの塩基配列における特徴点を正確に把握する必要がある。

従来から、脂質二重膜に膜タンパク質を担持させたデバイスにおいて、１対の電極間を通過するように核酸を電気泳動することによって、当該核酸の塩基配列を解読する技術が用いられている（例えば、非特許文献１参照）。具体的に、非特許文献１に記載の技術では、電解質溶液中において、α−ヘモリシン（α−ｈａｅｍｏｌｙｓｉｎ）によって形成された孔の中を通過するように核酸を電気泳動し、このときのイオン電流を計測することによって、孔を通過している核酸の塩基配列を決定している。

上述したような核酸の塩基配列を解読するためのシーケンサーでは、核酸を移動させながら、当該核酸の塩基配列を読解することになる。このとき、核酸の移動速度が速すぎると、核酸の塩基配列を精度良く決定することができない。一方、核酸の移動速度が遅すぎると、核酸の塩基配列を読解するために、非常に長い時間を要することになる。それ故に、シーケンサーの分野等において、物質の移動速度を精度良く所望の速度へ制御できる技術の開発が、求められている。

上述した状況を踏まえて、従来から、クーロン力によって核酸の移動速度を減速させる技術が開示されている（例えば、非特許文献２参照）。

Clarke, J., Wu, H.-C., Jayasinghe, L., Patel, A., Reid, S. & Bayley, H. Continuous base identification for single-molecule nanopore DNA sequencing. Nat. Nanotechnol. 4, 265-270（2009） Pei-chun Yen et al., Review of Scientific Instruments, 83, 034301, 2012

しかしながら、上述のような従来技術は、物質の移動速度を所望の速度に調節することが困難であるという問題を有している。

例えば、クーロン力に基づいて物質の移動速度を調節しようとすれば、基本的に物質の移動速度を減速することしかできず、物質の移動速度を加速することができないという問題がある。

また、クーロン力に基づいて物質の移動速度を調節しようとすれば、物質に対してクーロン力を働かせるための電極の周りに、物質が付着する。そして、電極の周りに付着した物質によって、物質の移動が妨げられるという問題がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、物質の移動速度を所望の速度に調節することができる、物質の移動速度の制御方法および制御装置を提供することにある。

本発明者は、上記課題に鑑み鋭意検討した結果、電気浸透流によって物質の移動速度を制御すれば、物質の移動速度を所望の速度に制御できることを見出し、本発明を完成させるに至った。

本発明の物質の移動速度の制御方法は、上記課題を解決するために、電極対によって形成された電界に沿って物質を移動させる工程と、上記物質を、上記物質の移動経路の一部を取り囲むように形成されているサラウンド電極の内部空間を通過させて、上記物質の移動速度を変化させる工程と、を有し、上記サラウンド電極は、正または負の何れか一方にのみ帯電しており、上記サラウンド電極の内部空間には、電解質が溶解した媒体が配置されていることを特徴としている。

上記構成によれば、サラウンド電極が正または負の何れか一方にのみ帯電しているので、内部空間の側のサラウンド電極の表面に、電解質に由来する陰イオンまたは陽イオンの一方が引き付けられる。更に具体的には、サラウンド電極が正に帯電している場合には、サラウンド電極の表面に陰イオンが引き付けられ、サラウンド電極が負に帯電している場合には、サラウンド電極の表面に陽イオンが引き付けられる。

サラウンド電極の表面に引き付けられた陰イオンまたは陽イオンは、各々、電極対を形成している正極または負極の側へ移動することになる。つまり、サラウンド電極の表面に引き付けられた陰イオンは、電極対によって形成された電界に沿って、電極対の正極の側へ移動する電気浸透流を発生させる。一方、サラウンド電極の表面に引き付けられた陽イオンは、電極対によって形成された電界に沿って、電極対の負極の側へ移動する電気浸透流を発生させる。

上記物質は、電極対によって形成された電界に沿って移動しているので、物質の移動方向と電気浸透流の方向とは、略同一方向になるか、あるいは、略逆方向になる。そして、両者が略同一方向の場合には、物質の移動速度は加速され、両者が略逆方向の場合には、物質の移動速度は減速される。

上記構成によれば、以上のようにして、物質の移動速度を加速することもできるし、減速することもできる。

本発明の制御方法では、上記物質は、電荷を有する物質であることが好ましい。

上記構成によれば、特別な構成を必要とすることなく、上記電極対によって物質を移動させることができる。例えば、上記物質がマイナスの電荷を有していれば、当該物質を、上記電極対の正極に向かって移動させることができる。一方、上記物質がプラスの電荷を有していれば、当該物質を、上記電極対の負極に向かって移動させることができる。

本発明の制御方法では、上記サラウンド電極には、−３Ｖ以上、３Ｖ以下のゲート電圧が印加されることが好ましい。

上記構成によれば、より強い電気浸透流を発生させることができるので、より確実に、かつより正確に物質の移動速度を制御することができる。

本発明の制御方法では、上記サラウンド電極の内部空間の、上記物質の移動方向に対して垂直な方向における断面の最大幅をＹとし、上記サラウンド電極の内部空間を通過している上記物質の、当該物質の移動方向に対して垂直な方向における断面の最大幅をＸとしたときに、上記ＸとＹとの長さの比Ｒ＝Ｘ／Ｙ[無次元]は、０．５＜Ｘ／Ｙ＜１の関係を満たすことが好ましい。

サラウンド電極の表面に近いほど、より強い電気浸透流が発生する。上記構成によれば、物質の少なくとも一部がサラウンド電極の表面の近くに配置されるので、より確実に、物質が電気浸透流の力を受けることができる。その結果、より確実に、かつより正確に物質の移動速度を制御することができる。また、上記構成によれば、サラウンド電極の内部空間へ複数個の物質（例えば、２分子のＤＮＡなど）が侵入することを防ぐことができるので、１個（例えば、１分子のＤＮＡなど）の物質の移動速度を制御することができる。

本発明の制御方法では、上記サラウンド電極の内部空間には電気浸透流が発生していることが好ましい。

上記構成によれば、より良く物質の移動速度を制御することができる。

本発明の制御方法では、上記サラウンド電極は、金属によって形成された電極であることが好ましい。

サラウンド電極として金属を用いれば、物質の移動速度を線形的に制御できる。従来のゲート電極（例えば、非特許文献２参照）は半導体（シリコン）で作製されているため、ゲート電圧に対する電気浸透流の変化は非線形であるのに対し、金属電極を用いたゲート電極では線形応答をするため、物質の移動速度の制御が容易である。

本発明の物質の移動速度の制御装置は、上記課題を解決するために、電極対の間に設けられている、物質が移動するための流路と、上記流路の一部を取り囲むように形成されているサラウンド電極であって、当該サラウンド電極の内部空間に配置されている上記流路内で上記物質の移動速度を変化させるサラウンド電極と、を備え、上記サラウンド電極は、正または負の何れか一方にのみ帯電されるものであり、上記サラウンド電極は、内部空間に電解質が溶解した媒体が配置されるものであることを特徴としている。

上記構成によれば、サラウンド電極が正または負の何れか一方にのみ帯電しているので、内部空間の側のサラウンド電極の表面に、電解質に由来する陰イオンまたは陽イオンの一方が引き付けられる。更に具体的には、サラウンド電極が正に帯電している場合には、サラウンド電極の表面に陰イオンが引き付けられ、サラウンド電極が負に帯電している場合には、サラウンド電極の表面に陽イオンが引き付けられる。

サラウンド電極の表面に引き付けられた陰イオンまたは陽イオンは、各々、電極対を形成している正極または負極の側へ移動することになる。つまり、サラウンド電極の表面に引き付けられた陰イオンは、電極対によって形成された電界に沿って、電極対の正極の側へ移動する電気浸透流を発生させる。一方、サラウンド電極の表面に引き付けられた陽イオンは、電極対によって形成された電界に沿って、電極対の負極の側へ移動する電気浸透流を発生させる。

上記物質は、電極対の間に設けられている流路に沿って（換言すれば、電極対によって形成された電界に沿って）移動しているので、物質の移動方向と電気浸透流の方向とは、略同一方向になるか、あるいは、略逆方向になる。そして、両者が略同一方向の場合には、物質の移動速度は加速され、両者が略逆方向の場合には、物質の移動速度は減速される。

上記構成によれば、以上のようにして、物質の移動速度を加速することもできるし、減速することもできる。

本発明の制御装置では、上記物質は、電荷を有する物質であることが好ましい。

上記構成によれば、特別な構成を必要とすることなく、上記電極対によって物質を移動させることができる。例えば、上記物質がマイナスの電荷を有していれば、当該物質を、上記電極対の正極に向かって移動させることができる。一方、上記物質がプラスの電荷を有していれば、当該物質を、上記電極対の負極に向かって移動させることができる。

本発明の制御装置では、上記サラウンド電極には、−３Ｖ以上、３Ｖ以下のゲート電圧が印加されることが好ましい。

上記構成によれば、より強い電気浸透流を発生させることができるので、より確実に、かつより正確に物質の移動速度を制御することができる。

本発明の制御装置では、上記サラウンド電極の内部空間の、上記物質の移動方向に対して垂直な方向における断面の最大幅をＹとし、上記サラウンド電極の内部空間を通過している上記物質の、当該物質の移動方向に対して垂直な方向における断面の最大幅をＸとしたときに、上記ＸとＹとの長さの比Ｒ＝Ｘ／Ｙ[無次元]は、０．５＜Ｘ／Ｙ＜１の関係を満たすことが好ましい。

サラウンド電極の表面に近いほど、より強い電気浸透流が発生する。上記構成によれば、物質の少なくとも一部がサラウンド電極の表面近くに配置されるので、より確実に、物質が電気浸透流の力を受けることができる。その結果、より確実に、かつより正確に物質の移動速度を制御することができる。また、上記構成によれば、サラウンド電極の内部空間へ複数個の物質（例えば、２分子のＤＮＡなど）が侵入することを防ぐことができるので、１個（例えば、１分子のＤＮＡなど）の物質の移動速度を制御することができる。

本発明の制御装置では、上記サラウンド電極は、当該サラウンド電極の内部空間に配置されている上記流路内に電気浸透流を発生させるものであることが好ましい。

上記構成によれば、より良く物質の移動速度を制御することができる。

本発明の制御装置では、上記サラウンド電極は、金属によって形成された電極であることが好ましい。

サラウンド電極として金属を用いれば、物質の移動速度を線形的に制御できる。従来のゲート電極（例えば、非特許文献２参照）は半導体（シリコン）で作製されているため、ゲート電圧に対する電気浸透流の変化は非線形であるのに対し、金属電極を用いたゲート電極では線形応答をするため、物質の移動速度の制御が容易である。

本発明のポリヌクレオチドのヌクレオチド配列を決定する装置は、上記課題を解決するために、本発明の制御装置を備えていることを特徴としている。

上記構成によれば、ポリヌクレオチドの移動速度を所望の速度に調節した後で、ポリヌクレオチドのヌクレオチド配列を決定することができるので、正確に、かつ、迅速にヌクレオチド配列を決定することができる。

本発明は、物質の移動速度を所望の速度に制御することができるという効果を奏する。更に具体的には、本発明は、物質の移動速度を減速することもでき、加速することもできるという効果を奏する。また、本発明であれば、物質を停止させることもできるという効果を奏する。

本発明は、物質の移動速度を所望の速度に制御することができるので、当該物質に関する様々な測定を、迅速かつ精度良く行うことができるという効果を奏する。例えば、核酸の塩基配列の読解を例に挙げれば、本発明によって核酸の移動速度を減速させれば、核酸を構成する塩基毎に検出されるシグナル（例えば、電流のシグナル、蛍光のシグナルなど）が重なることを防ぐことができるので、精度よく核酸の塩基配列を決定することができる。逆に、本発明によって核酸の移動速度を加速させれば、迅速に核酸の塩基配列を決定することができる。

本発明は、サラウンド電極に印加する電圧を変化させることによって、物質が移動している過程において、所望の期間だけ物質を減速させ、残りの期間は物質を加速させることができる。例えば、物質に対して何らかの計測を行う期間のみ物質を減速させ、その他の期間は物質を加速することができる。当該制御を行えば、正確な計測を行うことができるのみならず、計測にかかる全時間を短縮することができる。

本発明は、物質の大きさに応じてサラウンド電極の内部空間の大きさ（換言すれば、サラウンド電極の内部空間の幅）を所望の大きさに調節（形成）することができる。つまり、本発明は、１分子の物質のみが侵入可能なように、サラウンド電極の内部空間の大きさを調節（形成）することができるので、１分子の物質の移動速度を正確に調節することができる。

（ａ）および（ｂ）は、本発明のサラウンド電極の一実施形態を示す図である。 本発明の原理を示す図である。 本発明の原理を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、サラウンド電極の内部空間を通過している物質の様子を示す図である。 実施例における、制御装置の等価回路の一例を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、実施例における制御装置の構成の一例を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、実施例における、サラウンド電流の内部空間を通過する物質の様子を示す図である。 実施例における、イオン電流の変化を示すグラフである。 実施例における、制御装置の作製方法の一例を示す図である。 実施例における、サラウンド電極に形成された貫通孔を示す写真である。 （ａ）および（ｂ）は、実施例における、物質（ポリスチレン粒子）の移動速度の変化を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、実施例における、物質（ポリスチレン粒子）の移動速度の変化を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、実施例における、物質（ＤＮＡ）の移動速度の変化を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、実施例において、物質（ポリスチレン粒子）の移動速度が不変であることを示すグラフである。

本発明の一実施形態について以下に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態や実施例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態や実施例についても本発明の技術的範囲に含まれる。

〔１．本発明の原理〕
まず、図１を用いて、サラウンド電極１について説明する。

サラウンド電極１は、物質の移動経路（換言すれば、流路）の一部を取り囲むように形成されている電極である。

サラウンド電極１は、１つの電極として形成されており、サラウンド電極１の全体に対して、略同一の電位が印加されることになる。例えば、サラウンド電極１の全体に、プラスの電位が印加されることもあれば、マイナスの電位が印加されることもある。

仮に、サラウンド電極１を、２つの電極からなる対向する電極対として形成すると、各電極の表面に、反対の方向へ向かう電気浸透流が発生することになる。つまり、サラウンド電極１の内部空間の中に、反対の方向へ向かう電気浸透流が発生することになる。この場合、電気浸透流同士が、互いの流れを打ち消し合って、物質を効果的に加速または減速することが難しくなる。

一方、本発明では、サラウンド電極１の全体に対して略同一の電位が印加されるので、サラウンド電極１の内部空間の中に発生する電気浸透流の方向を１つの方向へ揃えることができる。それ故に、本発明によれば、物質を効果的に加速または減速することが可能となる。

次いで、図２および３を用いて、本発明の原理を説明する。

図２に示す例では、負極２および正極３からなる電極対によって形成された電界に沿って物質１０を移動させる。このとき、物質１０は、負極２の側から正極３の側へ向かって移動してもよいし、正極３の側から負極２の側へ向かって移動してもよい。

例えば、物質１０として負に帯電した物質を用いれば、当該物質１０は、負極２の側から正極３の側へ向かって移動することになる。一方、物質１０として正に帯電した物質を用いれば、当該物質１０は、正極３の側から負極２の側へ向かって移動することになる。

勿論、本発明では、帯電していない物質１０も用いることも可能である。この場合には、負極２および正極３からなる電極対とは別の手段によって、物質１０を移動させればよい。例えば、周知のポンプによって物質１０（または、負極２と正極３との間に存在する媒体）に対して圧力を加えることによって物質１０を移動させることも可能であるし、ブラウン運動によって物質１０を移動させることも可能であるが、本発明は、これらに限定されない。

図２に示す例では、物質１０の移動経路上にサラウンド電極１が設けられており、物質１０が、サラウンド電極１の内部空間を通過することになる。

図２に示すサラウンド電極１は、図１に示すサラウンド電極１の縦断面に対応している。つまり、図２に示すサラウンド電極１の２つの部分は、１つのサラウンド電極１の中の略対向している異なる部分を示している。図２に示す例では、サラウンド電極１に対してゲート電圧Ｖｇを印加することにより、サラウンド電極１を負に帯電させている。

サラウンド電極１の内部空間には、電解質が溶解した媒体（例えば、電解質が溶解した水溶液）が配置されている。上述したように、サラウンド電極１は負に帯電しているので、サラウンド電極１の表面に媒体中の陽イオン５が引き付けられることになる。

負極２および正極３の配置関係に応じて、サラウンド電極１に引き付けられた陽イオン５によって電気浸透流７が発生するとともに、電気浸透流７が流れる方向が決定される。つまり、正極３の側から負極２の側へ向かって、電気浸透流７が流れることになる。そして、電気浸透流が流れる方向に応じて、物質１０の移動速度が加速または減速されることになる。

例えば、図２において、物質１０が、負極２の側から正極３の側へ移動している場合、物質１０の移動方向と電気浸透流７の方向とは逆であるので、物質１０の移動速度は減速されることになる。一方、図２において、物質１０が、正極３の側から負極２の側へ移動している場合、物質１０の移動方向と電気浸透流７の方向とは同じであるので、物質１０の移動速度は加速されることになる。

図３に示す例では、負極２および正極３からなる電極対によって形成された電界に沿って物質１０を移動させる。このとき、物質１０は、負極２の側から正極３の側へ向かって移動してもよいし、正極３の側から負極２の側へ向かって移動してもよい。

例えば、物質１０として負に帯電した物質を用いれば、当該物質１０は、負極２の側から正極３の側へ向かって移動することになる。一方、物質１０として正に帯電した物質を用いれば、当該物質１０は、正極３の側から負極２の側へ向かって移動することになる。

勿論、本発明では、帯電していない物質１０も用いることも可能である。この場合には、負極２および正極３からなる電極対とは別の手段によって、物質１０を移動させればよい。例えば、周知のポンプによって物質１０（または、負極２と正極３との間に存在する媒体）に対して圧力を加えることによって物質１０を移動させることも可能であるし、ブラウン運動によって物質１０を移動させることも可能であるが、本発明は、これらに限定されない。

図３に示す例では、物質１０の移動経路上にサラウンド電極１が設けられており、物質１０が、サラウンド電極１の内部空間を通過することになる。

図３に示すサラウンド電極１は、図１に示すサラウンド電極１の縦断面に対応している。つまり、図３に示すサラウンド電極１の２つの部分は、１つのサラウンド電極１の中の略対向している異なる部分を示している。図３に示す例では、サラウンド電極１に対してゲート電圧Ｖｇを印加することにより、サラウンド電極１を正に帯電させている。

サラウンド電極１の内部空間には、電解質が溶解した媒体（例えば、電解質が溶解した水溶液）が配置されている。上述したように、サラウンド電極１は正に帯電しているので、サラウンド電極１の表面に媒体中の陰イオン６が引き付けられることになる。

負極２および正極３の配置関係に応じて、サラウンド電極１に引き付けられた陰イオン６によって電気浸透流７が発生するとともに、電気浸透流７が流れる方向が決定される。つまり、負極２の側から正極３の側へ向かって、電気浸透流７が流れることになる。そして、電気浸透流が流れる方向に応じて、物質１０の移動速度が加速または減速されることになる。

例えば、図３において、物質１０が、負極２の側から正極３の側へ移動している場合、物質１０の移動方向と電気浸透流７の方向とは同じであるので、物質１０の移動速度は加速されることになる。一方、図３において、物質１０が、正極３の側から負極２の側へ移動している場合、物質１０の移動方向と電気浸透流７の方向とは逆であるので、物質１０の移動速度は減速されることになる。

〔２．物質の移動速度の制御方法〕
本実施の形態の制御方法は、電極対によって形成された電界に沿って物質を移動させる移動工程を有している。電極対によって形成された電界に沿って物質を移動させれば、物質の移動方向と電気浸透流の方向とを、略同一方向、または、略逆方向にすることができる。そして、物質の移動方向と電気浸透流の方向とを略同一方向にすれば、物質の移動速度を加速することができ、物質の移動方向と電気浸透流の方向とを略逆方向にすれば、物質の移動速度を減速することができる。

電極対によって形成された電界の方向と、物質の移動方向とは、完全に平行である必要はない。つまり、電極対によって形成された電界の方向と、物質の移動方向とは、ずれていても良い。例えば、電極対によって形成された電界の方向と、物質の移動方向とのずれ（換言すれば、極対によって形成された電界に沿った線と、物質の移動方向に沿った線とが交わることによって形成される角度のうちの、小さい方の角度）は、０°以上９０°未満であることが好ましく、０°以上８０°以下であることが更に好ましく、０°以上７０°以下であることが更に好ましく、０°以上６０°以下であることが更に好ましく、０°以上５０°以下であることが更に好ましく、０°以上４５°以下であることが更に好ましく、０°以上４０°以下であることが更に好ましく、０°以上３０°以下であることが更に好ましく、０°以上２０°以下であることが更に好ましく、０°以上１０°以下であることが更に好ましく、０°以上５°以下であることが更に好ましく、０°であることが最も好ましい。

上記角度が０°以上４５°以下であれば、電極対によって形成された電界の方向と、物質の移動方向とのずれが小さいので、より効果的に、物質の移動速度を制御することができる。

上記物質としては特に限定されず、適宜所望の物質を用いることが可能である。上記物質としては、大別して、電荷を有する物質と、電荷を有しない物質とを挙げることができる。

上記物質として電荷を有する物質を用いる場合、上記移動工程では、電極対との電気的な相互作用によって、当該物質を移動させることができる。例えば、上記物質としてマイナスの電荷を有する物質を用いる場合、当該物質は、上記電極対の負極側から正極側へ向かって移動することになる。一方、上記物質としてプラスの電荷を有する物質を用いる場合、当該物質は、上記電極対の正極側から負極側へ向かって移動することになる。

上記物質として電荷を有しない物質を用いる場合、上記移動工程では、電極対とは別の構成を用いて、当該物質を移動させればよい。例えば、周知のポンプを用いて物質を移動させることも可能であるし、ブラウン運動によって物質を移動させることも可能である。

電気的な相互作用によって物質を移動させた場合であっても、物理的な力によって物質を移動させた場合であっても、物質の移動方向と電気浸透流の方向とを略同一方向にすれば、物質の移動速度を加速することができ、物質の移動方向と電気浸透流の方向とを略逆方向にすれば、物質の移動速度を減速することができる。

上記物質としては特に限定されないが、例えば、原子、分子、ポリマー、または、これらの複合体であってもよい。更に具体的に、上記物質としては、核酸（ＤＮＡまたはＲＮＡ）、アミノ酸、タンパク質、花粉、ウイルス、菌類、細胞、有機粒子または無機粒子を挙げることができる。

上述したように、上記物質は、複合体であってもよい。例えば、上記物質が、物質Ａと物質Ｂとの複合体である場合には、物質Ａおよび物質Ｂの少なくとも一方が電荷を有していてもよいし、物質Ａと物質Ｂとの両方が電荷を有していてもよいし、物質Ａと物質Ｂとの両方が電荷を有していなくてもよい。

物質Ａと物質Ｂとの両方が電荷を有している場合には、物質Ａが有する電荷と物質Ｂが有する電荷とが、共に正または負の電荷であってもよいし、一方が正の電荷であり他方が負の電荷であってもよい。

物質Ａが有する電荷と物質Ｂが有する電荷とが、一方が正の電荷であり他方が負の電荷である場合には、複合体を全体としてみたときに、当該複合体が電荷を有していてもよいし、互いの電荷が打ち消し合って当該複合体が電荷を有していなくてもよい。

上記物質が、物質Ａと物質Ｂとの複合体である場合には、物質Ａと物質Ｂとは、移動中に互いが遊離しない程度の力にて、互いに結合していればよい。例えば、物質Ａと物質Ｂとは、共有結合、イオン結合、水素結合、疎水結合、または、これらから選択される複数の結合を介して互いに結合していればよい。

例えば、上記物質Ａとしてイオン性界面活性剤（例えば、ドデシル硫酸ナトリウム塩）を用い、当該物質Ａによって形成されたミセル中に物質Ｂを包含させれば、所望の物質Ｂに電荷を付与することができる。そして、当該複合体であれば、電極対との電気的な相互作用によって、容易に移動させることができる。

上記移動工程には、上述した物質を、当該物質の移動経路の一部を取り囲むように形成されているサラウンド電極の、電気浸透流が発生している内部空間を通過させる工程が包含されている。そして、当該サラウンド電極は、正または負の何れか一方にのみ帯電しており、かつ、その内部空間に電解質が溶解した媒体が配置されている。

サラウンド電極が正または負の何れか一方にのみ帯電することによって、サラウンド電極の内部空間に面した表面上に、上記電解質に由来する陰イオンまたは陽イオンの何れか一方のみを引き付けることができる。そして、陰イオンまたは陽イオンの何れか一方のみによって電気浸透流を発生させれば、電気浸透流が流れる方向を揃えることができる。そして、電気浸透流の流れる方向を揃えることができれば、当該電気浸透流によって、物質の移動速度を正確に制御することができる。

なお、サラウンド電極を正または負の何れか一方に帯電させるための方法としては特に限定されないが、例えば、周知の電圧印加手段を用いてサラウンド電極に所望のゲート電圧を印加すればよい。

サラウンド電極に印加する電圧は特に限定されないが、例えば、−５Ｖ以上５Ｖ以下であってもよく、−３Ｖ以上３Ｖ以下であってもよく、−１Ｖ以上１Ｖ以下であってもよい。

サラウンド電極に負のゲート電圧を印加する場合、印加するゲート電圧の値としては特に限定されないが、例えば、−０．１Ｖ以下であることが好ましく、−０．２Ｖ以下であることが更に好ましく、−０．３Ｖ以下であることが更に好ましく、−０．４Ｖ以下であることが更に好ましく、−０．５Ｖ以下であることが更に好ましく、−１．０Ｖ以下であることが最も好ましい。

サラウンド電極に−０．５Ｖ以下のゲート電圧を印加すれば、強い電気浸透流を発生させることができるので、確実に、かつ正確に物質の移動速度を制御することができる。また、サラウンド電極に−１．０Ｖ以下のゲート電圧を印加すれば、更に強い電気浸透流を発生させることができるので、−０．５Ｖのゲート電圧を印加する場合と比較して、物質を、より良く減速または加速することができる。

一方、サラウンド電極に正のゲート電圧を印加する場合、印加するゲート電圧の値としては特に限定されないが、例えば、０．１Ｖ以上であることが好ましく、０．２Ｖ以上であることが更に好ましく、０．２５Ｖ以上であることが更に好ましく、０．５Ｖ以上であることが更に好ましく、１．０Ｖ以上であることが最も好ましい。

サラウンド電極に０．２５Ｖ以上のゲート電圧を印加すれば、強い電気浸透流を発生させることができるので、確実に、かつ正確に物質の移動速度を制御することができる。また、サラウンド電極に０．５Ｖ以上または１．０Ｖ以上のゲート電圧を印加すれば、更に強い電気浸透流を発生させることができるので、０．２５Ｖのゲート電圧を印加する場合と比較して、物質を、より良く減速または加速することができる。

サラウンド電極の具体的な構成は特に限定されないが、例えば、貫通孔が形成された基板において、当該貫通孔の表面上に電極として機能する金属（例えば、金属膜）を環状または筒状にコーティングする。そして、当該環状または筒状の金属を、サラウンド電極として機能させることができる。

サラウンド電極として金属を用いれば、物質の移動速度を線形的に制御できるという利点がある。従来のゲート電極（例えば、非特許文献２参照）は半導体（シリコン）で作製されているため、ゲート電圧に対する電気浸透流の変化は非線形であるのに対し、金属電極を用いたゲート電極では線形応答をするため、物質の移動速度の制御が容易である。

上記金属としては特に限定されないが、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｒ、Ａｇ、ＡｌまたはＣｕなどを挙げることができる。また、複数の金属を用いてサラウンド電極を形成することも可能である。例えば、サラウンド電極として、「Ｐｔ／Ａｕ／Ｐｔ／Ｃｒ」を用いることも可能である。なお、複数の金属を用いてサラウンド電極を形成する場合、各金属層の厚さは、特に限定されない。

本実施の形態の制御方法では、電気浸透流が発生しているサラウンド電極の内部空間を物質が通過する。電気浸透流は、サラウンド電極の表面近傍で発生するので、サラウンド電極の表面に近いほど、より強い電気浸透流が発生している。それ故に、サラウンド電極の内部空間の形状を調節すれば、物質に対して、更に効果的に電気浸透流を作用させることが可能になる。

サラウンド電極の内部空間の形状としては特に限定されないが、例えば、筒状であることが好ましい。この場合、物質は、上記筒の一端側の開口から筒の内部へ入り、筒の内部空間を移動した後に、上記筒の他端側の開口から筒の外部へ出ることになる。

物質の移動方向に対して垂直な方向における、上記内部空間の断面の形状は特に限定されず、円形であってもよく、多角形（例えば、四角形、五角形、六角形、七角形、八角形など）であってもよい。

より容易に内部空間を形成するとともに、より流れが安定した電気浸透流を発生させるという観点からは、物質の移動方向に対して垂直な方向における、上記内部空間の断面の形状は、円形であることが好ましいといえる。

本実施の形態の制御方法では、サラウンド電極の内部空間の、物質の移動方向に対して垂直な方向における断面の最大幅をＹとし、サラウンド電極の内部空間を通過している物質の、当該物質の移動方向に対して垂直な方向における断面の最大幅をＸとしたとき、上記ＸとＹとの長さの比Ｒ＝Ｘ／Ｙ[無次元]は、０．５０＜Ｘ／Ｙ＜１の関係を満たすことが好ましく、０．６０＜Ｘ／Ｙ＜１の関係を満たすことが更に好ましく、０．６５＜Ｘ／Ｙ＜１の関係を満たすことが更に好ましく、０．７０＜Ｘ／Ｙ＜１の関係を満たすことが更に好ましく、０．８０＜Ｘ／Ｙ＜１の関係を満たすことが更に好ましく、０．９０＜Ｘ／Ｙ＜１の関係を満たすことが更に好ましく、０．９５＜Ｘ／Ｙ＜１の関係を満たすことが最も好ましい。

上記構成によれば、物質の少なくとも一部がサラウンド電極の表面近くに配置されるので、より確実に、物質が電気浸透流の力を受けることができる。その結果、より確実に、物質の移動速度を制御することができる。また、上記構成によれば、サラウンド電極の内部空間へ複数個の物質（例えば、２分子のＤＮＡなど）が侵入することを防ぐことができるので、１個（例えば、１分子のＤＮＡなど）の物質の移動速度を制御することができる。

例えば、図４（ａ）に示すように、サラウンド電極１の内部空間を、略球形の物質１０（例えば、粒子、花粉、分子、または菌など）が通過する場合を考える。

このとき、図４（ａ）に示すように、サラウンド電極の内部空間の、物質の移動方向に対して垂直な方向における断面の最大幅をＹとし、サラウンド電極の内部空間を通過している物質の、当該物質の移動方向に対して垂直な方向における断面の最大幅をＸとしたとき、当該ＸおよびＹが上述した関係を満たせば、物質１０の少なくとも一部が、サラウンド電極１の表面の近傍を通過することになる。サラウンド電極１の表面の近傍ではより強い電気浸透流が発生しているので、物質１０は、当該強い電気浸透流の影響を大きく受けることになる。その結果、物質１０の移動速度をより良く制御することができる。

また、図４（ｂ）に示すように、サラウンド電極１の内部空間を、略円筒状の物質１０（例えば、核酸などの各種ポリマー、ナノロッド、または枯草菌など）が通過する場合を考える。

このとき、図４（ｂ）に示すように、サラウンド電極の内部空間の、物質の移動方向に対して垂直な方向における断面の最大幅をＹとし、サラウンド電極の内部空間を通過している物質の、当該物質の移動方向に対して垂直な方向における断面の最大幅をＸとしたとき、当該ＸおよびＹが上述した関係を満たせば、物質１０の少なくとも一部が、サラウンド電極１の表面の近傍を通過することになる。サラウンド電極１の表面の近傍ではより強い電気浸透流が発生しているので、物質１０は、当該強い電気浸透流の影響を大きく受けることになる。その結果、物質１０の移動速度をより良く制御することができる。

本実施の形態の制御方法では、上記サラウンド電極の内部空間の、物質の移動方向に対して垂直な方向における断面の最大幅は、１．２μｍよりも短いことが好ましく、１．０μｍ以下であることが更に好ましく、０．８５μｍ以下であることが更に好ましく、０．３５μｍ以下であることが更に好ましく、０．２０μｍ以下であることが更に好ましく、０．１５μｍ以下であることが更に好ましく、０．０４μｍ以下であることが更に好ましく、０．０２μｍ以下であることが更に好ましい。

サラウンド電極の表面の近傍では、より強い電気浸透流が発生している。それ故に、サラウンド電極の内部空間の全体に強い電気浸透流を発生させようとすれば、サラウンド電極の内部空間の、物質の移動方向に対して垂直な方向における断面の最大幅は、短いほど好ましいといえる。

サラウンド電極の内部空間の、物質の移動方向に対して垂直な方向における断面の最大幅が上述した範囲であれば、サラウンド電極の内部空間の全体に強い電気浸透流を発生させることができ、これによって、より良く物質の移動速度を制御することができる。

上記サラウンド電極の内部空間には、電解質が溶解した媒体が配置されている。なお、当該媒体は、上述した電極対の正極と負極との間にも配置され得る。

上記媒体としては特に限定されないが、例えば、液体、ゲル、または、これらの混合物を用いることが可能である。

上記液体としては特に限定されないが、例えば、水、ＴＥバッファー（Tris-HCl,EDTAバッファー）、または、塩化物（例えば、ＫＣｌ、ＬｉＣｌまたはＮａＣｌ）を含有する水溶液を挙げることが可能である。より強い電気浸透流を発生させるという観点からは、これらの中では、イオンの移動度が高いＫＣｌを含有する水溶液が好ましいといえる。また、ｐＨが７から外れるほど電気浸透流は強くなるため、Ｔｒｉｓ−ＨＣｌとＫＣｌ等とを混ぜた電解質溶液も好ましいと言える。

上記ゲルとしては特に限定されないが、例えば、ポリアクリルアミドゲル、アガロースゲル、デキストラン、またはポリエチレングレコールなどを挙げることが可能である。より強い電気浸透流を発生させるという観点からは、これらの中では、粘度の低いデキストランまたはポリエチレングレコールが好ましいといえる。

上記媒体中に溶解している電解質としては特に限定されないが、例えば、ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ＬｉＣｌなどを用いることが好ましい。

電解質としてＫＣｌを用いる場合、媒体中における電解質の濃度は特に限定されないが、例えば、１ｍＭ以上１Ｍ以下であることが好ましく、１００ｍＭ以上１Ｍ以下であることが更に好ましい。上記構成によれば、より強い電気浸透流を発生させることができる。

電解質としてＮａＣｌを用いる場合、媒体中における電解質の濃度は特に限定されないが、例えば、１ｍＭ以上１Ｍ以下であることが好ましく、１００ｍＭ以上１Ｍ以下であることが更に好ましい。上記構成によれば、より強い電気浸透流を発生させることができる。

電解質としてＬｉＣｌを用いる場合、媒体中における電解質の濃度は特に限定されないが、例えば、１ｍＭ以上１Ｍ以下であることが好ましく、１００ｍＭ以上１Ｍ以下であることが更に好ましい。上記構成によれば、より強い電気浸透流を発生させることができる。

本発明の制御方法では、電解質溶液の濃度は１ｍＭ以上１Ｍ以下が好ましく、濃度を変えることで、電気浸透流の流域（デバイ長）を制御することが可能である。例えば、濃度を高くすることで流域流域（デバイ長）は狭くなり、濃度を下げることで流域流域（デバイ長）は広くなる。

〔３．物質の移動速度の制御装置〕
本実施の形態の制御装置は、電極対の間に設けられている、物質が移動するための流路と、流路の一部を取り囲むように形成されているサラウンド電極であって、当該サラウンド電極の内部空間に配置されている上記流路内に電気浸透流を発生させ、上記物質の移動速度を変化させるサラウンド電極と、を備えている。

上述した流路は、電極対によって形成された電界に沿って伸長するように設けられたものであることが好ましい。上記構成であれば、電極対によって形成された電界に沿って物質を移動させることができる。

電極対によって形成された電界に沿って物質を移動させれば、物質の移動方向と電気浸透流の方向とを、略同一方向、または、略逆方向にすることができる。そして、物質の移動方向と電気浸透流の方向とを略同一方向にすれば、物質の移動速度を加速することができ、物質の移動方向と電気浸透流の方向とを略逆方向にすれば、物質の移動速度を減速することができる。

電極対によって形成された電界の方向と、流路が伸長する方向とは、完全に平行である必要はない。つまり、電極対によって形成された電界の方向と、流路が伸長する方向とは、ずれていても良い。例えば、電極対によって形成された電界の方向と、流路が伸長する方向とのずれ（換言すれば、極対によって形成された電界に沿った線と、流路が伸長する方向に沿った線とが交わることによって形成される角度のうちの、小さい方の角度）は、０°以上９０°未満であることが好ましく、０°以上８０°以下であることが更に好ましく、０°以上７０°以下であることが更に好ましく、０°以上６０°以下であることが更に好ましく、０°以上５０°以下であることが更に好ましく、０°以上４５°以下であることが更に好ましく、０°以上４０°以下であることが更に好ましく、０°以上３０°以下であることが更に好ましく、０°以上２０°以下であることが更に好ましく、０°以上１０°以下であることが更に好ましく、０°以上５°以下であることが更に好ましく、０°であることが最も好ましい。

上記角度が０°以上４５°以下であれば、電極対によって形成された電界の方向と、流路が伸長する方向とのずれが小さいので、より効果的に、物質の移動速度を制御することができる。

上記流路の幅（物質の移動方向に対して略垂直な方向への幅）の長さは特に限定されない。全体において同一の幅を有する流路であってもよいし、部分的に幅が異なる流路であってもよい。例えば、サラウンド電極に取り囲まれた部分が、他の部分と比べて狭くなっている流路であってもよい。本実施の形態の制御装置では、後述するサラウンド電極の内部空間の全体が、流路の一部として用いられ得る。つまり、本実施の形態の制御装置における流路は、電極対の負極からサラウンド電極までの領域と、サラウンド電極の内部空間と、電極対の正極からサラウンド電極までの領域と、によって形成されていてもよい。

上記サラウンド電極は、物質が移動するための流路の一部を取り囲むように形成されている。そして、当該サラウンド電極は、正または負の何れか一方にのみ帯電するものであり、かつ、その内部空間に電解質が溶解した媒体が配置されるものである。

サラウンド電極が正または負の何れか一方にのみ帯電することによって、サラウンド電極の内部空間に面した表面上に、上記電解質に由来する陰イオンまたは陽イオンの何れか一方のみを引き付けることができる。そして、陰イオンまたは陽イオンの何れか一方のみによって電気浸透流を発生させれば、電気浸透流が流れる方向を揃えることができる。そして、電気浸透流の流れる方向を揃えることができれば、当該電気浸透流によって、物質の移動速度を正確に制御することができる。

サラウンド電極を正または負の何れか一方に帯電させるための方法としては特に限定されないが、例えば、周知の電圧印加手段を用いてサラウンド電極に所望のゲート電圧を印加すればよい。

サラウンド電極に印加する電圧は特に限定されないが、例えば、−５Ｖ以上５Ｖ以下であってもよく、−３Ｖ以上３Ｖ以下であってもよく、−１Ｖ以上１Ｖ以下であってもよい。

サラウンド電極に負のゲート電圧を印加する場合、印加するゲート電圧の値としては特に限定されないが、例えば、−０．１Ｖ以下であることが好ましく、−０．２Ｖ以下であることが更に好ましく、−０．３Ｖ以下であることが更に好ましく、−０．４Ｖ以下であることが更に好ましく、−０．５Ｖ以下であることが更に好ましく、−１．０Ｖ以下であることが最も好ましい。

サラウンド電極に−０．５Ｖ以下のゲート電圧を印加すれば、強い電気浸透流を発生させることができるので、確実に、かつ正確に物質の移動速度を制御することができる。また、サラウンド電極に−１．０Ｖ以下のゲート電圧を印加すれば、更に強い電気浸透流を発生させることができるので、−０．５Ｖのゲート電圧を印加する場合と比較して、物質を、より良く減速または加速することができる。

一方、サラウンド電極に正のゲート電圧を印加する場合、印加するゲート電圧の値としては特に限定されないが、例えば、０．１Ｖ以上であることが好ましく、０．２Ｖ以上であることが更に好ましく、０．２５Ｖ以上であることが更に好ましく、０．５Ｖ以上であることが更に好ましく、１．０Ｖ以上であることが最も好ましい。

サラウンド電極に０．２５Ｖ以上のゲート電圧を印加すれば、強い電気浸透流を発生させることができるので、確実に、かつ正確に物質の移動速度を制御することができる。また、サラウンド電極に０．５Ｖ以上または１．０Ｖ以上のゲート電圧を印加すれば、更に強い電気浸透流を発生させることができるので、０．２５Ｖのゲート電圧を印加する場合と比較して、物質を、より良く減速または加速することができる。

サラウンド電極の具体的な構成は特に限定されないが、例えば、貫通孔が形成された基板において、当該貫通孔の表面上に電極として機能する金属（例えば、金属膜）を環状または筒状にコーティングする。そして、当該環状または筒状の金属を、サラウンド電極として機能させることができる。

サラウンド電極として金属を用いれば、物質の移動速度を線形的に制御できるという利点がある。従来のゲート電極（非特許文献２参照）は半導体（シリコン）で作製されているため、ゲート電圧に対する電気浸透流の変化は非線形であるのに対し、金属電極を用いたゲート電極では線形応答をするため、物質の移動速度の制御が容易である。

上記金属としては特に限定されないが、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｒ、Ａｇ、ＡｌまたはＣｕなどを挙げることができる。また、複数の金属を用いてサラウンド電極を形成することも可能である。例えば、サラウンド電極として、「Ｐｔ／Ａｕ／Ｐｔ／Ｃｒ」を用いることも可能である。なお、複数の金属を用いてサラウンド電極を形成する場合、各金属層の厚さは、特に限定されない。

本実施の形態の制御装置では、電気浸透流が発生しているサラウンド電極の内部空間を流路（換言すれば、物質）が通過する。電気浸透流は、サラウンド電極の表面近傍で発生するので、サラウンド電極の表面に近いほど、より強い電気浸透流が発生している。それ故に、サラウンド電極の内部空間の形状を調節すれば、物質に対して、更に効果的に電気浸透流を作用させることが可能になる。

サラウンド電極の内部空間の形状としては特に限定されないが、例えば、筒状であることが好ましい。この場合、物質は、上記筒の一端側の開口から筒の内部へ入り、筒の内部空間を移動した後に、上記筒の他端側の開口から筒の外部へ出ることになる。

物質の移動方向に対して垂直な方向における、上記内部空間の断面の形状は特に限定されず、円形であってもよく、多角形（例えば、四角形、五角形、六角形、七角形、八角形など）であってもよい。

より容易に内部空間を形成するとともに、より流れが安定した電気浸透流を発生させるという観点からは、物質の移動方向に対して垂直な方向における、上記内部空間の断面の形状は、円形であることが好ましいといえる。

本実施の形態の制御装置では、サラウンド電極の内部空間の、物質の移動方向に対して垂直な方向における断面の最大幅をＹとし、サラウンド電極の内部空間を通過している物質の、当該物質の移動方向に対して垂直な方向における断面の最大幅をＸとしたとき、上記ＸとＹとの長さの比Ｒ＝Ｘ／Ｙ[無次元]は、０．５０＜Ｘ／Ｙ＜１の関係を満たすことが好ましく、０．６０＜Ｘ／Ｙ＜１の関係を満たすことが更に好ましく、０．６５＜Ｘ／Ｙ＜１の関係を満たすことが更に好ましく、０．７０＜Ｘ／Ｙ＜１の関係を満たすことが更に好ましく、０．８０＜Ｘ／Ｙ＜１の関係を満たすことが更に好ましく、０．９０＜Ｘ／Ｙ＜１の関係を満たすことが更に好ましく、０．９５＜Ｘ／Ｙ＜１の関係を満たすことが最も好ましい。

上記構成によれば、物質の少なくとも一部がサラウンド電極の表面近くに配置されるので、より確実に、物質が電気浸透流の力を受けることができる。その結果、より確実に、物質の移動速度を制御することができる。また、上記構成によれば、サラウンド電極の内部空間へ複数個の物質（例えば、２分子のＤＮＡなど）が侵入することを防ぐことができるので、１個（例えば、１分子のＤＮＡなど）の物質の移動速度を制御することができる。

本実施の形態の制御装置では、上記サラウンド電極の内部空間の、物質の移動方向に対して垂直な方向における断面の最大幅は、１．２μｍよりも短いことが好ましく、１．０μｍよりも短いことが更に好ましく、０．８５μｍよりも短いことが更に好ましく、０．３５μｍよりも短いことが更に好ましく、０．２０μｍよりも短いことが更に好ましく、０．１５μｍよりも短いことが更に好ましく、０．０４μｍよりも短いことが更に好ましく、０．０２μｍよりも短いことが更に好ましい。

サラウンド電極の表面の近傍では、より強い電気浸透流が発生している。それ故に、サラウンド電極の内部空間の全体に強い電気浸透流を発生させようとすれば、サラウンド電極の内部空間の、物質の移動方向に対して垂直な方向における断面の最大幅は、短いほど好ましいといえる。

サラウンド電極の内部空間の、物質の移動方向に対して垂直な方向における断面の最大幅が上述した範囲であれば、サラウンド電極の内部空間の全体に強い電気浸透流を発生させることができ、これによって、より良く物質の移動速度を制御することができる。

上記サラウンド電極の内部空間には、電解質が溶解した媒体が配置されている。当該媒体は、上述した電極対の正極と負極との間にも配置され得る。

上記媒体としては特に限定されないが、例えば、液体、ゲル、または、これらの混合物を用いることが可能である。

上記液体としては特に限定されないが、例えば、水、ＴＥバッファー（Tris-HCl,EDTAバッファー）、または、塩化物（例えば、ＫＣｌ、ＬｉＣｌまたはＮａＣｌ）を含有する水溶液を挙げることが可能である。より強い電気浸透流を発生させるという観点からは、これらの中では、イオンの移動度が高いＫＣｌを含有する水溶液が好ましいといえる。また、ｐＨが７から外れるほど電気浸透流は強くなるため、Ｔｒｉｓ−ＨＣｌとＫＣｌ等とを混ぜた電解質溶液も好ましいと言える。

上記ゲルとしては特に限定されないが、例えば、ポリアクリルアミドゲル、アガロースゲル、デキストラン、またはポリエチレングレコールなどを挙げることが可能である。より強い電気浸透流を発生させるという観点からは、これらの中では、粘度の低いデキストランまたはポリエチレングレコールが好ましいといえる。

上記媒体中に溶解している電解質としては特に限定されないが、例えば、ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ＬｉＣｌなどを用いることが好ましい。

電解質としてＫＣｌを用いる場合、媒体中における電解質の濃度は特に限定されないが、例えば、１ｍＭ以上１Ｍ以下であることが好ましいく、１００ｍＭ以上１Ｍ以下であることが更に好ましい。上記構成によれば、より強い電気浸透流を発生させることができる。

電解質としてＮａＣｌを用いる場合、媒体中における電解質の濃度は特に限定されないが、例えば、１ｍＭ以上１Ｍ以下であることが好ましいく、１００ｍＭ以上１Ｍ以下であることが更に好ましい。上記構成によれば、より強い電気浸透流を発生させることができる。

電解質としてＬｉＣｌを用いる場合、媒体中における電解質の濃度は特に限定されないが、例えば、１ｍＭ以上１Ｍ以下であることが好ましいく、１００ｍＭ以上１Ｍ以下であることが更に好ましい。上記構成によれば、より強い電気浸透流を発生させることができる。

本発明の制御装置では、電解質溶液の濃度は１ｍＭ以上１Ｍ以下が好ましく、濃度を変えることで、電気浸透流の流域（デバイ長）を制御することが可能である。例えば、濃度を高くすることで流域流域（デバイ長）は狭くなり、濃度を下げることで流域流域（デバイ長）は広くなる。

〔４．ポリヌクレオチドのヌクレオチド配列を決定する装置〕
本実施の形態のポリヌクレオチドのヌクレオチド配列を決定する装置は、本発明の制御装置を備えている。本発明の制御装置については既に説明したので、ここでは、その他の構成について説明する。

本実施の形態のポリヌクレオチドのヌクレオチド配列を決定する装置は、周知のあらゆるシーケンサーと、本発明の制御装置とを組み合わせることによって構成することが可能である。なお、上記ポリヌクレオチドの構成成分は、ＤＮＡであってもＲＮＡであってもよい。また、当該ＤＮＡおよびＲＮＡは、一本鎖であっても二本鎖であってもよい。

例えば、周知のシーケンサーには、蛍光色素が付加されたＤＮＡ断片群をゲル（例えば、板状のゲル、キャピラリー状のゲル）よって分離しながら、各ＤＮＡ断片に付加されている蛍光色素の種類を検知することによって塩基配列を読解するタイプのものがある。

この場合には、ゲルによって形成されるＤＮＡ断片の移動経路の一部として本発明の制御装置を配置し当該制御装置の下流側に蛍光を検知するための構成を配置すればよい。上記構成によれば、蛍光色素が付加されたＤＮＡ断片が本発明の制御装置のサラウンド電極を通過するときに当該ＤＮＡ断片の移動速度が減速し、その後で、蛍光が検出されることになる。その結果、精度良く塩基配列を決定することができる。

または、ＰＣＴ/ＪＰ２０１１/０５４６３１に開示されている「ポリヌクレオチドのヌクレオチド配列を決定する装置」と本発明の制御装置とを組み合わせることによって、本発明のポリヌクレオチドのヌクレオチド配列を決定する装置を構成することが可能である。

この場合にも、上述した場合と同様に、ＤＮＡ断片の移動経路において、本発明の制御装置のサラウンド電極の下流側に塩基配列を読解するための構成を配置すればよい。

なお、ＰＣＴ/ＪＰ２０１１/０５４６３１は、本明細書中に参考として援用される。

＜１．物質の移動速度の評価方法＞
物質の移動速度の評価方法について説明する。

図５および５に、サラウンド電極１の内部空間を流れるイオン電流（負極２と正極３との間に流れるイオン電流）に着目して、本実施例における制御装置の等価回路を示す。

図５に示すように、本実施例の制御装置では、サラウンド電極１の内部空間の抵抗値をＲ_ｐｏｒｅとし、それ以外の領域における抵抗値をＲ_ａｃｅとすると、全抵抗値を。Ｒ_ｐｏｒｅ＋Ｒ_ａｃｅと記載することができる。なお、Ｒ_ａｃｅは、サラウンド電極１よりも負極２側の領域の抵抗値であるＲ_ａｃｅ／２と、サラウンド電極１よりも正極３側の領域の抵抗値であるＲ_ａｃｅ／２との和となる。

図６（ａ）に示すように、サラウンド電極１の内部空間の抵抗値（Ｒ）は、以下の式にて示すことができる。つまり、
Ｒ＝ρＬ／πｒ^２＋ρ／２r ・・・・・・（１）
上記式中、ρは、電解質溶液の抵抗率であり、Ｌは、物質の移動方向におけるサラウンド電極１の長さであり、ｒは、サラウンド電極１の内部空間を略円柱形と考えたときの当該円柱の断面における円の半径である。

図６（ｂ）に示すように、サラウンド電極１の内部空間に物質１０が存在すれば、上述した（１）の式において「πｒ^２」の値が変化することになる。具体的には、サラウンド電極１の内部空間に物質１０が存在すれば、「πｒ^２」の値が小さくなり、その結果「Ｒ」の値が大きくなる。そして、「Ｒ」の値が大きくなれば、サラウンド電極１の内部空間を流れるイオン電流の電流値が小さくなる。そして、各時間におけるイオン電流の電流値の変化を観測すれば、サラウンド電極１の内部空間における物質１０の移動状況を把握することが可能になる。

図７および７を用いて、各時間におけるイオン電流の電流値の変化を具体的に説明する。

図７（ａ）〜図７（ｃ）に、サラウンド電極１の内部空間を通過する物質１０の状態を示している。なお、図７（ａ）〜図７（ｃ）において、矢印は、物質１０の移動方向を示している。
図７（ａ）は、サラウンド電極１の内部空間へ侵入する途中の物質１０を示しており、物質１０の一部が、サラウンド電極１の内部空間の中に配置されている。図７（ｂ）は、サラウンド電極１の内部空間へ侵入した後の物質１０を示しており、物質１０の全体が、サラウンド電極１の内部空間の中に配置されている。図７（ｃ）は、サラウンド電極１の内部空間から出る途中の物質１０を示しており、物質１０の一部が、サラウンド電極１の内部空間の中に配置されている。

図８は、図７（ａ）〜図７（ｃ）の各状態において、サラウンド電極１の内部空間を流れるイオン電流の電流値の概略を示している。

物質１０がサラウンド電極１の内部空間へ侵入する以前は、上述した（１）の式にて示される抵抗値に変化はないので、一定のイオン電流が流れている。

図８の「Ａ」は、図７（ａ）の状態において、サラウンド電極１の内部空間を流れるイオン電流の電流値の概略を示している。図８の「Ａ」では、サラウンド電極１の内部空間へ物質１０が侵入し始めるために、上述した（１）の式にて示される抵抗値の値が上昇し始め、その結果、イオン電流の電流値が低下し始める。

図８の「Ｂ」は、図７（ｃ）の状態において、サラウンド電極１の内部空間を流れるイオン電流の電流値の概略を示している。図８の「Ｂ」では、サラウンド電極１の内部空間から物質１０が出始めるために、上述した（１）の式にて示される抵抗値の値が低下し始め、その結果、イオン電流の電流値が上昇し始める。

図８の「Ａ」から「Ｂ」の間は、図７（ｂ）の状態において、サラウンド電極１の内部空間を流れるイオン電流の電流値の概略を示している。図８の「Ａ」から「Ｂ」の間では、サラウンド電極１の内部空間の中に物質１０の全体が含まれているために、イオン電流の電流値が低いままで維持される。

図８に示す「ｔ_ｄ」は、「Ａ」と「Ｂ」との間の時間を示している。換言すれば、当該「ｔ_ｄ」は、物質１０がサラウンド電極１の内部空間の中に存在している時間である。そして、当該「ｔ_ｄ」は、物質１０の移動速度が増加すれば短くなり、物質１０の移動速度が減少すれば長くなる。それ故に、当該「ｔ_ｄ」を測定することによって、物質１０の移動速度の増減を評価することができる。

＜２．制御装置の作製＞
図９を用いて、本実施例の制御装置の作製方法を説明する。

基板の両面が窒化されたシリコン基板５１（シリコン基板５１は、両面として、窒化シリコンメンブレン５０、窒化シリコンメンブレン５２を有している）に対して、微細加工（具体的には、電子線描画することによって）によって貫通孔を形成した。

次いで、窒化シリコンメンブレン５０の上に、スパッタ法によってゲート電極５３を形成した。なお、ゲート電極５３の具体的な構成は、「Ｐｔ（例えば、２ｎｍ）／Ａｕ（例えば、７０ｎｍ）／Ｐｔ（例えば、２ｎｍ）／Ｃｒ（例えば、２ｎｍ）」であった。

次いで、ＣＶＤ法によってＳｉＯ_２膜５４を形成し、当該ＳｉＯ_２膜５４によって、ゲート電極５３を覆った。

このようにして形成したＳｉＯ_２膜５４で被覆したゲート電極５３がサラウンド電極として機能し、物質は、ＳｉＯ_２膜５４で被覆したゲート電極５３に形成された隙間（孔）を通過することになる。

なお、実際に試験を行う場合には、以上のように作製した基板の上下に、流路が掘られたＰＤＭＳを張り合わせ、上記流路の一端から貫通孔に向かって、各種試料を流し込んだ。

以上のようにして作製されたサラウンド電極に形成された貫通孔の写真を図１０に示す。

図１０に示すように、貫通孔の直径は、各々、８５０ｎｍ、３５０ｎｍ、２００ｎｍ、１５０ｎｍ、４０ｎｍ、２０ｎｍであった。このことは、所望の直径を有する貫通孔を作製可能であることを示している。

＜３．物質（ポリスチレン粒子）の移動速度の制御に関する検討＞
＜２．制御装置の作製＞にしたがって、貫通孔の直径が１０００ｎｍであり、厚さが３５ｎｍ、または、５０ｎｍの窒化シリコンメンブレン５０にサラウンド電極を形成した。そして、更に、当該サラウンド電極を用いて、図３に示す制御装置を作製した。

移動させる物質としてポリスチレン粒子（直径７８０ｎｍ）を、ＳｉＯ_２膜５４で被覆したサラウンド電極の内部空間に配置する媒体としてＴＥバッファー（ｐＨ８．０）を、負極２と正極３との間に印加する電圧として０．２Ｖを用いた。

そして、サラウンド電極に印加する電圧を変化させたときの（Ｖｇ＝０Ｖ、または、Ｖｇ＝−０．５Ｖ）、ポリスチレン粒子の移動速度の変化（具体的には、上述したｔ_ｄの変化）を観察した。

図１１は、窒化シリコンメンブレン５０の厚さが３５ｎｍである場合に、サラウンド電極に印加する電圧を変化させたときの（Ｖｇ＝０Ｖ、または、Ｖｇ＝−０．５Ｖ）、ポリスチレン粒子の移動速度の変化（具体的には、上述したｔ_ｄの変化）の観察結果である。

図１１においては、「Ｖｇ＝０Ｖ」の場合、「ｔ_ｄ」は、１．０３ｍｓであった。一方、「Ｖｇ＝−０．５Ｖ」の場合、「ｔ_ｄ」は、１．６４ｍｓであった。このことは、ゲート電極５３へ電圧を印加することによって、ポリスチレン粒子の移動速度が減速したことを示している。

図１２は、窒化シリコンメンブレン５０の厚さが５０ｎｍである場合に、サラウンド電極に印加する電圧を変化させたときの（Ｖｇ＝０Ｖ、または、Ｖｇ＝−０．５Ｖ）、ポリスチレン粒子の移動速度の変化（具体的には、上述したｔ_ｄの変化）の観察結果である。

図１２においては、「Ｖｇ＝０Ｖ」の場合、「ｔ_ｄ」は、１．７５ｍｓであった。一方、「Ｖｇ＝−０．５Ｖ」の場合、「ｔ_ｄ」は、２．４ｍｓであった。このことは、ＳｉＯ_２膜５４で被覆したゲート電極５３へ電圧を印加することによって、ポリスチレン粒子の移動速度が減速したことを示している。

＜４．物質（ＤＮＡ）の移動速度の制御に関する検討＞
＜２．制御装置の作製＞にしたがって、貫通孔の直径が２０ｎｍであり、厚さが３５ｎｍの窒化シリコンメンブレン５０にサラウンド電極を形成した。そして、更に、当該サラウンド電極を用いて、図３に示す制御装置を作製した。

移動させる物質としてＤＮＡ（ＤＮＡの形状を略円柱とみなした場合、当該円柱の長さは略１５０ｎｍであり、当該円柱の断面である円の直径は略２ｎｍである）を、ＳｉＯ_２膜５４で被覆したサラウンド電極の内部空間に配置する媒体としてＫＣｌを含有する水溶液（ＫＣｌの濃度：１０ｍＭ）を、負極２と正極３との間に印加する電圧として０．２Ｖを用いた。

そして、サラウンド電極に印加する電圧を変化させたときの（Ｖｇ＝０Ｖ、または、Ｖｇ＝−０．５Ｖ）、ＤＮＡの移動速度の変化（具体的には、上述したｔ_ｄの変化）を観察した。

図１３に示すように、「Ｖｇ＝０Ｖ」の場合、「ｔ_ｄ」は、３５ｍｓであった。一方、「Ｖｇ＝−０．５Ｖ」の場合、「ｔ_ｄ」は、３５０ｍｓであった。このことは、ＳｉＯ_２膜５４で被覆したゲート電極５３へ電圧を印加することによって、ＤＮＡの移動速度が約１／１０にまで減速したことを示している。

＜５．サラウンド電極に印加する電圧の、物質の移動速度に対する影響−１＞
上述した＜３＞および＜４＞と同様の手法にて、サラウンド電極に印加する電圧の、物質の移動速度に対する影響を検討した。

まず、＜２．制御装置の作製＞にしたがって、貫通孔の直径が１０００ｎｍであり、厚さが３５ｎｍの窒化シリコンメンブレン５０にサラウンド電極を形成した。更に、当該サラウンド電極を用いて、図３に示す制御装置を作製した。

移動させる物質としてポリスチレン粒子（直径７８０ｎｍ）を、ＳｉＯ_２膜５４で被覆したサラウンド電極の内部空間に配置する媒体としてＴＥバッファー（ｐＨ８．０）を、負極２と正極３との間に印加する電圧として０．２Ｖを用いた。

そして、サラウンド電極に印加する電圧を変化させたときの（Ｖｇ＝０Ｖ、Ｖｇ＝−０．２５、Ｖｇ＝−０．５Ｖ、Ｖｇ＝−１．０、または、Ｖｇ＝０．２５）、ポリスチレン粒子の移動速度の変化（具体的には、上述したｔ_ｄの変化）を観察した。

その結果、「Ｖｇ＝０Ｖ」の場合、「ｔ_ｄ」は１．０３ｍｓであり、「Ｖｇ＝−０．２５」の場合、「ｔ_ｄ」は０．９９ｍｓであり、「Ｖｇ＝−０．５Ｖ」の場合、「ｔ_ｄ」は１．６４ｍｓであり、「Ｖｇ＝−１．０」の場合、「ｔ_ｄ」は３５ｍｓであり、「Ｖｇ＝０．２５」の場合、「ｔ_ｄ」は０．９０ｍｓであった。

つまり、物質を減速させる場合には、ＳｉＯ_２膜５４で被覆したサラウンド電極に対して−０．５Ｖ以下の電圧を印加することが好ましいことが明らかになった。また、ＳｉＯ_２膜５４で被覆したサラウンド電極に対して−１．０Ｖの電圧を印加した場合には、電圧を印加しなかった場合（Ｖｇ＝０Ｖ）の移動速度の１／３５にまで減速することができた。

一方、物質を加速させる場合には、ＳｉＯ_２膜５４で被覆したサラウンド電極に対して０．２５Ｖ以上の電圧を印加することが好ましいことが明らかになった。

なお、貫通孔の直径が１．２μｍ以上のときには、サラウンド電極に印加する電圧を変化させても、ポリスチレン粒子の移動速度が変化しなかった。

＜６．サラウンド電極に印加する電圧の、物質の移動速度に対する影響−２＞
上述した＜３＞および＜４＞と同様の手法にて、ＳｉＯ_２膜５４で被覆したサラウンド電極に印加する電圧の、物質の移動速度に対する影響を検討した。

まず、＜２．制御装置の作製＞にしたがって、貫通孔の直径が１０００ｎｍであり、厚さが５０ｎｍの窒化シリコンメンブレン５０にＳｉＯ_２膜５４で被覆したサラウンド電極を形成した。そして、更に、当該サラウンド電極を用いて、図３に示す制御装置を作製した。つまり、＜６＞に記載の制御装置と、＜５＞に記載の制御装置とでは、窒化シリコンメンブレン５０の厚さが異なっている。

移動させる物質としてポリスチレン粒子（直径７８０ｎｍ）を、サラウンド電極の内部空間に配置する媒体としてＴＥバッファー（ｐＨ８．０）を、負極２と正極３との間に印加する電圧として０．２Ｖを用いた。

そして、サラウンド電極に印加する電圧を変化させたときの（Ｖｇ＝０Ｖ、Ｖｇ＝−０．５Ｖ、または、Ｖｇ＝０．２５）、ポリスチレン粒子の移動速度の変化（具体的には、上述したｔ_ｄの変化）を観察した。

その結果、「Ｖｇ＝０Ｖ」の場合、「ｔ_ｄ」は１．７５ｍｓであり、「Ｖｇ＝−０．５Ｖ」の場合、「ｔ_ｄ」は２．４ｍｓであり、「Ｖｇ＝０．２５」の場合、「ｔ_ｄ」は１．４ｍｓであった。

つまり、物質を減速させる場合には、サラウンド電極に対して−０．５Ｖ以下の電圧を印加することが好ましいことが明らかになった。一方、物質を加速させる場合には、サラウンド電極に対して０．２５Ｖ以上の電圧を印加することが好ましいことが明らかになった。

なお、貫通孔の直径が１．２μｍ以上のときには、サラウンド電極に印加する電圧を変化させても、ポリスチレン粒子の移動速度が変化しなかった。

＜７．サラウンド電極に印加する電圧および貫通孔の大きさの、物質の移動速度に対する影響＞
＜２．制御装置の作製＞にしたがって、貫通孔の直径が１２００ｎｍであり、厚さが５０ｎｍの窒化シリコンメンブレン５０にサラウンド電極を形成した。更に、当該サラウンド電極を用いて、図３に示す制御装置を作製した。

移動させる物質としてポリスチレン粒子（直径７８０ｎｍ）を、サラウンド電極の内部空間に配置する媒体としてＴＥバッファー（ｐＨ８．０）を、負極２と正極３との間に印加する電圧として０．２Ｖを用いた。

そして、サラウンド電極に印加する電圧を変化させたときの（Ｖｇ＝０Ｖ、Ｖｇ＝−０．５Ｖ）、ポリスチレン粒子の移動速度の変化（具体的には、上述したｔ_ｄの変化）を観察した。

その結果を図１４に示す。図１４に示すように、「Ｖｇ＝０Ｖ」の場合、「ｔ_ｄ」は２．３７ｍｓであり、「Ｖｇ＝−０．５」の場合、「ｔ_ｄ」は２．２６ｍｓであった。つまり、貫通孔の直径が１．２μｍ以上のときには、サラウンド電極に印加する電圧を変化させても、ポリスチレン粒子の移動速度を減速させる効果は低かった。

本発明は、物質の移動速度を制御する必要がある分野に利用することができる。

例えば、本発明は、米国立衛生研究所（ＮＩＨ）が進める次々世代シーケンサーに利用することが可能であって、ＰＣＲによるＤＮＡの増幅およびＤＮＡの化学修飾が不要な次々世代シーケンサーに応用することができる。また、本発明は、インフルエンザウイルスやアレルゲンなどの生体分子を１分子にて検出する高感度センサーへ応用することができる。

１ サラウンド電極
２ 負極
３ 正極
５ 陽イオン
６ 陰イオン
７ 電気浸透流
１０ 物質
５０ 窒化シリコンメンブレン
５１ シリコン基板
５２ 窒化シリコンメンブレン
５３ ゲート電極
５４ ＳｉＯ_２膜

Claims (21)

1. 流体流路を通して物質の流速を管理する方法であって、
   （ａ）電極対によって設けられた電界を用いて、長さを有する上記流体流路に沿って物質を移動させる工程であって、上記流体流路は上記長さに沿って略対向している対向電極部分を有する内部空間を有し、上記対向電極部分のそれぞれは、導電性物質に隣接する非導電性膜を有し、上記非導電性膜は前記物質を含む溶液に接触する、工程と、
   （ｂ）上記対向電極部分に正または負の何れかの電圧を印加することによって上記流体流路を通して上記物質の上記流速を変化させる工程と、
   を有し、
   上記流体流路の上記内部空間の、上記物質の移動方向に対して垂直な方向における断面の最大幅をＹとし、上記流体流路の上記内部空間を通過している上記物質の、当該物質の移動方向に対して垂直な方向における断面の最大幅をＸとしたとき、
   上記ＸとＹとの長さの比Ｒ＝Ｘ／Ｙ[無次元]は、０．５＜Ｘ／Ｙ＜１の関係を満たすことを特徴とする方法。
2. 上記物質は、帯電していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 上記（ｂ）は、略−３Ｖ以上、３Ｖ以下のゲート電圧を印加することを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 上記対向電極部分への正または負の何れかの電圧の印加は上記内部空間に電気浸透流を発生させることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の方法。
5. 上記対向電極部分のそれぞれは、金属材料によって形成されたものであることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の方法。
6. 流体流路を通して物質の流速を管理する装置であって、
   流体流路を含む流路であって、上記流体流路は、（ｉ）長さ、及び、上記物質が流れるのに足りる断面と、（ｉｉ）上記長さに沿って略対向している対向電極部分を有する内部空間とを含み、上記対向電極部分のそれぞれは、導電性物質に隣接する非導電性膜を有し、上記非導電性膜は前記物質を含む溶液に接触する、流路と、
   上記流体流路を通して上記物質を流す電界を提供する、上記流体流路の対向端部にある一対の電極と、
   を備え、
   上記流体流路の上記内部空間の、上記物質の移動方向に対して垂直な方向における断面の最大幅をＹとし、上記流体流路の上記内部空間を通過している上記物質の、当該物質の移動方向に対して垂直な方向における断面の最大幅をＸとしたとき、
   上記ＸとＹとの長さの比Ｒ＝Ｘ／Ｙ[無次元]は、０．５＜Ｘ／Ｙ＜１の関係を満たすことを特徴とする装置。
7. 上記物質は、電荷を有する物質であることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 上記対向電極部分に正または負の何れかの電圧を印加して、上記流体流路を通して上記物質の上記流速を変化させる電圧印加部を備えていることを特徴とする請求項６または７に記載の装置。
9. 上記対向電極部分への正または負の何れかの電圧の印加は上記内部空間に電気浸透流を発生させるものであることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 上記対向電極部分のそれぞれは、金属材料によって形成されたものであることを特徴とする請求項６〜９の何れか１項に記載の装置。
11. 請求項６〜１０の何れか１項に記載の装置を備えていることを特徴とするポリヌクレオチドのヌクレオチド配列を決定する装置。
12. （ｃ）前記流体流路を通して前記物質の前記流速を変化させるとき前記物質または前記物質の位置を検出することを特徴とする請求項１記載の方法。
13. 前記導電性物質は前記非導電性膜によって覆われていることを特徴とする請求項１記載の方法。
14. 前記非導電性膜は半導体酸化膜であることを特徴とする請求項１記載の方法。
15. 前記物質は生体分子であることを特徴とする請求項１記載の方法。
16. 前記生体分子は核酸分子であることを特徴とする請求項１５記載の方法。
17. 前記生体分子はタンパク質であることを特徴とする請求項１５記載の方法。
18. 前記流体流路を通して前記物質の前記流速を変化させるとき前記物質または前記物質の位置を検出する検出器をさらに備えることを特徴とする請求項６記載の装置。
19. 前記流体流路は、デバイ長を有する前記対向電極部分に隣接する電荷層を含むことを特徴とする請求項６記載の装置。
20. 前記電圧印加部は前記対向電極部分に略−３Ｖ以上、３Ｖ以下のゲート電圧を印加することを特徴とする請求項８記載の装置。
21. 前記一対の電極は第１電極および第２電極を含み、前記電圧印加部は前記第１電極に正または負の何れかの電圧を印加することを特徴とする請求項８記載の装置。

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