JP6482687B2 - 溶液槽デバイス - Google Patents

Description

本発明は、薄膜デバイスを用いた測定を行うための構造に関する。

ナノポアシーケンサは、薄膜に埋め込まれたナノポアを通過する計測対象の電流値を計測するシステムである。たとえば、計測対象がＤＮＡ（Ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ）である場合、ＤＮＡがナノポアを通過すると、ＤＮＡを構成する塩基（アデニン（Ａ）、グアニン（Ｇ）、シトシン（Ｃ）、チミン（Ｔ））の違いによって、ナノポアをふさぐ電流値（「封鎖電流値」という）に違いが生じる。これにより、ナノポアシーケンサは、塩基配列を特定することができる。

ナノポアシーケンサのＤＮＡ読み取り精度を決定する要因には、たとえば、ナノポアが形成される薄膜の膜厚やナノポアを通過する電流のノイズの大きさがある。薄膜の膜厚は薄い方が良い。ＤＮＡ鎖中に配列する４種塩基の隣同士の間隔は、およそ０．３４［ｎｍ］である。この間隔に比べて膜厚が厚くなるほどナノポア中に同時に多くの塩基が入るため、封鎖電流として得られる信号も複数塩基に由来した信号となる。そのため、塩基配列の決定精度が低下し、かつ、信号の解析も複雑になる。また、ノイズ電流は小さいほうが良い。封鎖電流の値にはノイズ電流が加算される。４種塩基の識別率を上げるために封鎖電流の低減が要求される。

非特許文献１は、ＤＮＡが薄膜のナノポアを通過する時の塩基種由来の封鎖電流の違いを観測することを開示する。非特許文献１では封鎖電流の識別率を上げるために、薄膜のＳｉＮメンブレンにナノポアが設けられ、絶縁膜が塗布される。これにより、デバイス容量が低減しノイズ電流が低減する。

非特許文献１：Venta, K., et al., Differentiation of Short, Single-Stranded DNA Homopolymers in Solid-State Nanopores, ACS Nano 7(5), p. 4629-4636 (2013).

生体ポリマ計測用の薄膜は、薄膜両側の溶液間の電位差に影響を受けやすく、電位差により壊れるという課題がある。特に、ノイズ電流を低減するためにデバイス容量を下げるようにした場合、薄膜に初期欠陥が生じる確率が高くなる。

実験により、厚さ１２〜２０［ｎｍ］の薄膜メンブレンを有するデバイスに、絶縁膜を塗布してデバイス容量を下げることで、ノイズ電流が低減できることが確認された。一方、ノイズ低減した低容量デバイスの薄膜両面側のチャンバに溶液が満たされると、多くの場合、薄膜が壊れるという初期不良が生じることが確認された。この初期不良は非特許文献１で言及されていない。したがって、当該初期不良のメカニズムおよび対策は不明である。

検討の結果、この初期不良は、薄膜両側に満たした溶液の電荷差ΔＱにより、デバイス容量Ｃの低減に伴って薄膜にかかる電位差ΔＶ（＝ΔＱ／Ｃ）が増幅し、薄膜を絶縁破壊することによって生じると分かった。さらにこの電荷差の発生原因の主な要因の１つが、溶液を満たす溶液槽外側に生じる静電気であることが分かった。

静電気は、物質と物質が数ｎｍ以下の近傍にまで接近し、接触摩擦により帯電することにより発生する。二種類の物質が接触摩擦により帯電するとき、その帯電量は物質によって異なることが知られている。接触摩擦しうる物質と同じ素材で構成したり帯電列で近い物質を用いる方法は、接触摩擦する相手物質を限定する。したがって、雰囲気条件の変化や他の物質との接触摩擦によって帯電する可能性がある。また、湿度を上げて放電を促したり、イオナイザーを用いるといった雰囲気条件を調整する対策は、雰囲気条件の調整機器のメンテナンスが必要である。また、雰囲気条件の調整機器の振動によるノイズが問題になる。

本発明は、薄膜の初期不良を抑制する構造を提供する。

本願において開示される発明の一側面となる溶液槽デバイスは、測定対象を通過させ１μｍ以下の厚さを有する絶縁性の薄膜と、前記薄膜の両面のうち一方の面側を支持する第１溶液槽と、前記第１溶液槽と外部の物体との間で接触摩擦が生じる箇所にシート抵抗１０^１３Ω以下の第１導電性構造と、を有することを特徴とする。

本発明の代表的な実施の形態によれば、溶液間の電位差による薄膜の破壊確率を低減することができる。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

図１は、薄膜デバイスの断面図である。 図２は、デバイス容量とノイズ電流との関係を示すグラフである。 図３は、ノイズ電流とリーク電流との関係を示すグラフである。 図４は、溶液槽外側で生じた静電気によって初期欠陥が作られるメカニズムを示す説明図である。 図５は、実験セットアップを示す説明図である。 図６は、静電気を与えた際の薄膜の両面側の電位差の時間変化を示すグラフである。 図７は、静電気の電荷密度差と薄膜の膜厚との関係を示すグラフである。 図８は、溶液槽で静電気を与えた際の電位差変化を示すグラフである。 図９は、実施例１にかかる静電気防止構造を有する溶液槽デバイスの第１の例の断面図である。 図１０は、実施例１にかかる静電気防止構造を有する溶液槽デバイスの第２の例の断面図である。 図１１は、実施例１にかかる静電気防止構造を有する溶液槽デバイスの第３の例の断面図である。 図１２は、実施例１にかかる静電気防止構造を有する溶液槽デバイスの第４の例の断面図である。 図１３は、実施例１にかかる静電気防止構造を有する溶液槽デバイスの第５の例の断面図である。 図１４は、図９に示した第１の例の溶液槽デバイスに溶液を満たした状態を示す断面図である。 図１５は、ナノポアシーケンサの一例を示す説明図である。 図１６は、第６の例の溶液槽デバイスを示す断面図である。 図１７は、実施例２にかかる溶液槽デバイスの一例を示す断面図である。 図１８は、実施例２にかかる溶液槽デバイスの他の例を示す断面図である。

最初に、デバイス容量低減に伴うノイズ電流の低減効果、デバイス容量低減に付随して薄膜両面側に溶液を満たした際に生じる初期不良が発生する原理、およびこの初期不良を防ぐメカニズムを、実験結果に基づいて説明する。

＜薄膜デバイス＞
図１は、薄膜デバイスの断面図である。（Ａ）は絶縁膜５１が塗布されていない薄膜デバイスであり、（Ｂ）は絶縁膜５１が塗布された薄膜デバイスである。薄膜デバイスは、薄膜１００と、当該薄膜１００を支持する支持基板５２と、により構成される。薄膜１００の表面側（図１では上側）および裏面側（図１では下側）は、溶液１０３で満たされている。溶液１０３および薄膜デバイスは、不図示の溶液槽により封入される。薄膜１００は、たとえば、厚さ２０［ｎｍ］、面積１００［μｍ^２］以下のＳｉＮ薄膜である。支持基板５２は、たとえば、厚さ７２５［μｍ］のシリコン基板である。

（Ａ）において、支持基板５２が存在する側の第１容量をＣ１、支持基板５２が存在しない側の領域の第２容量をＣ２とする。この薄膜デバイスの合成容量ＣはＣ＝Ｃ１＋Ｃ２となる。（Ｂ）において、支持基板５２が支持する裏面と反対側の薄膜１００の表面には、絶縁膜５１が塗布されている。支持基板５２が存在する側の第１容量をＣ１’、支持基板５２が存在しない側の領域の第２容量をＣ２とする。合成容量Ｃ’はＣ’＝Ｃ１’＋Ｃ２となる。

（Ｂ）の薄膜デバイスには絶縁膜５１が塗布されているため、（Ｂ）の薄膜デバイスの第１容量Ｃ１’は、（Ａ）の薄膜デバイスの第１容量Ｃ１よりも低い（Ｃ１＞Ｃ１’）。したがって、（Ｂ）の薄膜デバイスの合成容量Ｃ’は、（Ａ）の薄膜デバイスの合成容量Ｃよりも低減される（Ｃ＞Ｃ’）。

図２は、デバイス容量とノイズ電流との関係を示すグラフである。横軸はデバイス容量（薄膜デバイスの合成容量）であり、縦軸はノイズ電流である。図１の（Ｂ）において、絶縁膜５１の塗布量を増加すると、合成容量Ｃ’の低減によってノイズ電流を低減できることが確認された。その結果、非特許文献１と同様に、我々が製作した薄膜デバイスにおいてもノイズ電流はデバイス容量の低減に伴って単調に減少した。上記のとおり、絶縁膜５１の塗布による低ノイズ化を確認できた一方で、上述したように、ノイズ低減した低容量デバイスの薄膜１００両面側のチャンバに溶液１０３が満たされると、デバイス容量低減に付随して初期不良が発生することが判明した。

図３は、ノイズ電流とリーク電流との関係を示すグラフである。横軸はノイズ電流であり、縦軸はリーク電流である。図３のグラフは、初期不良の発生有無を示し、ノイズ電流の帯域を１［ＭＨｚ］とし、リーク電流の印加電圧を０．１［Ｖ］として、ノイズ電流とリーク電流とを比較した実験結果である。

この実験では、薄膜１００は壊れていないか、大きさ１［ｎｍ］程度の小さな欠陥が生じる程度であるとき、０．１［Ｖ］の電圧を印加した際に流れる電流値がおよそ１０^−１０［Ａ］以下になる。一方で、薄膜１００に１［ｎｍ］以上の大きさの初期欠陥が生じたとき、０．１［Ｖ］の電圧印加時に初期欠陥を通じて、およそ１０^−１０［Ａ］以上の電流が流れる。

図３に示したように、ノイズ電流が小さな溶液槽デバイスほど、低容量化される。従来の絶縁性材料のみを含む溶液槽デバイスでは、ノイズ電流の低減に伴ってリーク電流が大きくなる。一方、実施例１にかかる溶液槽デバイスは、後述するように、絶縁性材料で構成された溶液槽の外部が導電性材料で塗装される。したがって、従来の溶液槽デバイスに比べてリーク電流は大きく減少し、初期欠陥の発生を抑制する。

＜初期欠陥の発生メカニズム＞
図４は、溶液槽外側で生じた静電気によって初期欠陥が作られるメカニズムを示す説明図である。（ａ）は初期状態、（ｂ）は（ａ）の次状態、（ｃ）は（ｂ）の次状態を示す。（ａ）初期状態では、溶液槽デバイスである溶液槽１０１，１０２の外部に静電気１０がなく、溶液１０３内に含まれている電荷量と溶液１０４内に含まれている電荷量とに差がないものとする。（ｂ）の状態において、溶液槽１０１の外側に静電気１０が生じたとすると、溶液槽１０１の外側で生じた静電気１０と溶液槽１０１内の溶液１０３内の電荷とにより、電気二重層が生じる。溶液槽１０１の外側で生じた静電気１０が仮に正の電荷を有していたとすると、電気二重層を構成する溶液１０３内電荷は負電荷であり、溶液１０３の拡散層やバルク溶液の電荷は正に偏る。

上側の溶液槽１０１が有する静電気１０の量と下側の溶液槽１０２が有する静電気１０の量とが異なったとき、溶液１０３と溶液１０４のそれぞれがもつ電荷量Ｑ１とＱ２に差が生じる。この溶液１０３，１０４間の電荷差ΔＱ＝｜Ｑ１−Ｑ２｜は、薄膜１００に電位差ΔＶ（＝ΔＱ／Ｃ）を与える。特に薄膜デバイスが持つ容量Ｃが小さいとき、電位差ΔＶは大きくなり、（ｃ）の状態のように薄膜１００を絶縁破壊して孔を生じさせる。

図５は、実験セットアップを示す説明図である。実験セットアップは、静電気１０の発生により、薄膜１００を絶縁破壊する電位差を与えるための実験装置である。この実験では、静電気１０によって与えられた電荷差によって薄膜１００が壊れることがないように、デバイス容量が１０００［ｐＦ］の高容量の薄膜デバイスを用いた。

この実験の初期状態は、（Ａ−１）のように溶液１０３，１０４の間で電荷差が解消された状態とし、（Ａ−２）のように外部物体との接触摩擦により、溶液槽１０１の外側に静電気１０を与えた状態とする。外部物体とは、たとえば、溶液槽デバイスの設置面、溶液槽を保持する治具やユーザの手である。

図６は、静電気１０を与えた際の薄膜１００の両面側の電位差の時間変化を示すグラフである。グラフの横軸が時間を示し、縦軸が薄膜１００の両面側の電位差を示す。グラフでは、静電気１０を与えている時間を「＊」で示す。静電気１０を与えた後、電位差は２［Ｖ］に増加している。この電位差はデバイス容量を低減した際には、さらに大きくなると考えられる。例えば、１００［ｐＦ］の容量をもつ膜厚１０［ｎｍ］のＳｉＮを薄膜に用いると、電位差は２０［Ｖ］となる。このとき薄膜にかかる電場は２［Ｖ／ｎｍ］である。当該電場は、ＳｉＮ薄膜の絶縁破壊電圧１［Ｖ／ｎｍ］よりも大きいため、薄膜１００が壊れる。

このように薄膜１００が絶縁破壊によって孔が生じる条件は、薄膜デバイスのもつデバイス容量Ｃによって変化するが、その他にも薄膜１００の膜厚ｔ［ｎｍ］、薄膜１００の絶縁破壊電圧Ｅ［Ｖ／ｎｍ］や、溶液槽１０１，１０２で静電気１０が発生する面積Ｓ［ｍ^２］、静電気１０の電荷密度差Δσ［Ｃ／ｍ^２］によっても変化する。許容される静電気１０の電荷密度差Δσ［Ｃ／ｍ^２］は次式で表される。

Δσ＝（Ｅ×ｔ×Ｃ）／Ｓ・・・・・（１）

図７は、静電気１０の電荷密度差Δσと薄膜１００の膜厚ｔとの関係を示すグラフである。横軸が膜厚ｔを示し、縦軸が電荷密度差Δσを示す。図７では、一例として、絶縁破壊電圧ＥをＥ＝１［Ｖ／ｎｍ］、溶液槽１０１，１０２で静電気１０が生じる面積ＳをＳ＝１［ｃｍ^２］、デバイス容量ＣをＣ＝１０［ｐＦ］と仮定した。

絶縁体表面に発生しうる電荷密度は最大で±５×１０^−５［Ｃ／ｍ^２］であることから、この条件下では、膜厚１［μｍ］以下の薄膜デバイスで、静電気１０による絶縁破壊が生じうる。このように、式（１）を用いることで、許容される静電気１０の電荷密度差Δσをおおよそ見積もることができ、静電気対策の必要の有無が判別可能である。

図８は、溶液槽で静電気を与えた際の電位差変化を示すグラフである。実施例１の静電気防止機構を有する溶液槽デバイスは、溶液１０３，１０４間で発生する電位差を低減させる。図８は、図５と同様に溶液槽１０１の外側に静電気１０を与え、その後の電位差の時間変化を示す。０［ｓ］時点での電位差が、静電気１０を与えた直後の電位差に相当する。図８から分かるように、実施例１の静電気防止機構を有する溶液槽デバイスによって電位差を低減できると分かった。

ここで行った実験では溶液槽１０１の外側の一部に薄く静電気防止膜を塗装しており、静電気１０を与えた際に塗装膜が剥離することや、静電気防止膜を塗装できていない箇所に静電気が生じる。これが、初期電位差（静電気１０を与えた直後の電位差）が０［Ｖ］にまで低減できていない理由と考えられる。そのため、塗装膜の厚みを増し、塗装面積を広くすることにより、図８中の溶液槽１０１で生じた電位差がより低減すると期待される。

＜静電気防止機構を有する溶液槽デバイス例＞
続いて、１実施例で用いる静電気防止機構を有する溶液槽デバイスについて、図９〜図１６を用いて説明する。溶液槽デバイスは、絶縁性の溶液槽１０１，１０２を薄膜１００で挟んだ構造である。溶液槽デバイスは、少なくとも溶液槽の外部の物体との接触摩擦により生じる静電気１０を低減する導電性構造を有する。

図９は、実施例１にかかる静電気防止構造を有する溶液槽デバイスの第１の例の断面図である。図９に示す溶液槽デバイス９００は、絶縁性の溶液槽１０１，1０２の外側に導電性構造２００を有する。絶縁性の溶液槽１０１，１０２は、たとえば、シート抵抗１０^１４［Ω］以上のアクリル樹脂で構成される。溶液槽１０１，１０２は、薄膜デバイスを支持する。薄膜デバイスは、薄膜１００と支持基板５２とを有する。絶縁性の溶液槽１０１，１０２の外側に生じる静電気１０が与える電場によって、溶液槽１０１，１０２内の気体、液体、固体を通じて、薄膜１００が絶縁破壊されることがある。溶液槽１０１，１０２に設けられる導電性構造２００は、たとえば、シート抵抗１０^１３［Ω］以下であればよく、金属であってもよい。

導電性構造２００は、たとえば、絶縁性の溶液槽１０１，１０２の表面に、界面活性剤を塗装した塗装膜としてもよい。また、疎水性の溶液槽１０１，１０２を採用してもよい。これにより、溶液槽１０１，１０２の表面で水を吸着することにより導電性を高めることができる。また、導電性構造２００は、たとえば、絶縁性の溶液槽１０１，１０２の表面に、導電性材料を貼着した構造でもよい。これにより、繰り返し発生する摩擦による剥離を防ぐことができる。また、導電性構造２００は、たとえば、絶縁性の溶液槽１０１，１０２の表面に、導電性が高い金属で覆われるように真空蒸着による金属薄膜を形成した構でもよい。これにより、静電気１０の効果的に漏洩することができる。

図１０は、実施例１にかかる静電気防止構造を有する溶液槽デバイスの第２の例の断面図である。図１０に示す第２の例の溶液槽デバイス１０００は、図９に示した第１の例の溶液槽デバイス９００の上側の導電性構造２００と下側の導電性構造２００とを配線で接続することにより短絡させた構造である。これにより、溶液槽１０１，１０２の表面が等電位になり、静電気１０による電荷差をより低減させることができる。

図１１は、実施例１にかかる静電気防止構造を有する溶液槽デバイスの第３の例の断面図である。図１１に示す第３の例の溶液槽デバイス１１００は、図１０に示した第２の例の溶液槽デバイス１０００の配線３００をアースにつなげた構造である。これにより、導電性構造１１００に生じた静電気１０を、配線３００を介して外部に逃がすことができる。

図１２は、実施例１にかかる静電気防止構造を有する溶液槽デバイスの第４の例の断面図である。図１２に示す第４の例の溶液槽デバイス１２００は、導電性構造２００を溶液槽１０１，１０２の内側にも設けた構造である。溶液槽１０１，１０２の内側でも静電気１０は発生する。導電性構造２００を溶液槽１０１，１０２の内側にも設けることにより、静電気１０の発生をより抑えることができる。

図１３は、実施例１にかかる静電気防止構造を有する溶液槽デバイスの第５の例の断面図である。図１３に示す第５の例の溶液槽デバイス１３００は、導電性の溶液槽２０１，２０２を用いた構造である。すなわち、溶液槽デバイス１３００全体が導電性材料で構成されている。これにより、塗装膜の構築や、導電性材料と絶縁性材料の二層構造にすることが困難または高価な加工となる場合に有用である。

なお、薄膜１００を通過する電流を計測する際、第４の例および第５の例の溶液槽デバイス１２００，１３００では、溶液との界面が導電性となり、ノイズが生じることがある。このため、第４の例および第５の例の溶液槽デバイス１２００，１３００は、第１の例の溶液槽デバイス９００のように、溶液槽内側の溶液１０３，１０４と接する界面に絶縁性材料を用いる構造としてもよい。

以下、第１〜第５の例の溶液槽デバイス９００〜１３００に共通の構成について説明する。薄膜デバイスは、たとえば７２５［μｍ］の厚さのシリコンの支持基板５２で、厚さ１［μｍ］、面積１００［μｍ^２］以下のＳｉＮ薄膜１００を支持した構成としてもよい。薄膜デバイスをナノポアシーケンサのデバイスとして用いる場合、薄膜１００に絶縁膜を塗布する、支持基板５２にＳｉＯ_２を用いてもよい。このように、デバイス容量を低減することにより、高周波成分のノイズを低減することができる。

また、図２で示したように、十分にノイズ電流を低減するには、デバイス容量を１００［pＦ］以下になるように絶縁膜を薄膜デバイスに形成することが望ましい。また、デバイス容量を低減していない薄膜デバイスであっても、薄膜デバイスの絶縁破壊電圧が小さい場合、または上下の溶液間に発生する初期電荷差ΔＱが大きい場合には、薄膜１００に発生する電位差ΔＶ（＝ΔＱ／Ｃ）が絶縁破壊電圧を上回り、薄膜１００に初期欠陥を与える可能性がある。そのため、デバイス容量を低減していないデバイスであったとしても、第１〜第５の例の溶液槽デバイス９００〜１３００による静電気発生の防止が有効である。

薄膜デバイスを封鎖電流計測に用いる場合には、薄膜１００の厚さは測定対象の大きさによって適切な厚みを選ぶ必要がある。たとえば、測定対象が１［μｍ］程度の大きさである場合、薄膜１００の膜厚は１［μｍ］程度であることが好ましい。一方で、測定対象として２０［ｎｍ］以下の幅または長さを有する生体ポリマを計測する場合、センサとしての分解能を高めるために膜厚２０［ｎｍ］以下の薄膜１００を用いる必要がある。このとき、図６で示したように、膜厚ｔが薄くなるほど絶縁破壊が生じる電荷密度差Δσも小さくなるため、静電気１０による初期不良の発生率が増加する。そのため、特に膜厚２０［ｎｍ］以下の薄膜１００を有する薄膜デバイスを第１〜第５の例の溶液槽デバイス９００〜１３００に実装することにより、静電気１０の発生を効果的に抑制することができる。

また、直径１０［ｎｍ］以下の孔が開いた薄膜１１０を用いてもよい。薄膜１００が孔を有していると、ＤＮＡ等の生体ポリマを孔に通過させ、封鎖電流を計測することができる。ここで、薄膜１００の両面側に電解液を満たしたとき、孔が開いている薄膜１１０であっても、孔径が小さい場合には孔部分で発生する溶液抵抗が大きいため、薄膜１１０に０．０１［Ｖ／ｎｍ］以上の電位差が生じることがある。このように既に孔が開いている薄膜１００であっても、０．０１［Ｖ／ｎｍ］以上の高い電位差が１［ｓ］以上の時間与えられると薄膜１００に複数の孔が開いたり、孔が広がるといった不良が生じるため、静電気１０の防止が必要となる。

また、薄膜１００は孔を含まないものであってもよい。たとえば、薄膜１００に溶液１０３，１０４を満たし、その後薄膜１００に電圧を印加することによって、制御良く薄膜１００に直径１０［ｎｍ］以下の孔を開孔する手順を用いる場合、薄膜１００を溶液槽１０１，１０２に組み込んだ時点ではまだ孔が開いていない。孔が開いていない場合、薄膜１００にかかる電位差はより大きくなりやすく、制御不能な孔が薄膜１００上に開くことがある。そのため、孔が開いていない場合において、静電気１０の発生の防止は有効である。また、薄膜１００の素材はソリッドナノポアシーケンスができるようＳｉＮやＧｒａｐｈｅｎｅといった無機材料としてもよく、バイオナノポアシーケンスができるよう脂質二重膜にタンパク質ナノポアを埋め込んだバイオナノポアなどの有機材料であってもよい。

図１４は、図９に示した第１の例の溶液槽デバイスに溶液を満たした状態を示す断面図である。溶液１０３，１０４を溶液槽１０１，１０２に満たすことにより、溶液槽１０１，１０２内において、薄膜１００を通過するイオン電流を測定することが可能なナノポアセンサとなる。また、溶液槽１０１，１０２には容易に溶液を満たせるよう、導入口５０１，５０３および排出口５０２，５０４を設けてもよい。たとえば、ピペットの先端を導入口５０１．５０３に差し込み、ピペットから溶液槽１０１，１０２内に溶液１０３，１０４を流し込む。

また、薄膜１００と溶液槽１０１，１０２の間には、液漏れを防ぐためＯリングを挟んでもよい。溶液槽内の溶液抵抗が小さいことは、ノイズ電流の低減に繋がる。したがって、導入口５０１，５０３および排出口５０２，５０４の流路長は５０［ｍｍ］以下にするのが望ましく、導入口５０１，５０３および排出口５０２，５０４の流路径も直径１［ｍｍ］以上にするのが望ましい。なお、図１４では、第１の例の溶液槽デバイス９００について説明したが、第２〜第５の例の溶液槽デバイス１０００〜１３００にも適用される。

図１５は、ナノポアシーケンサの一例を示す説明図である。図１５に示すナノポアシーケンサ１５００は、図１４に示した溶液１０３，１０４を満たした第１の例の溶液槽デバイス９００に電極３０１，３０２を接続し、コンピュータ９９により、薄膜１００を通過する電流を計測する計測システムである。電流を計測するため、電極３０１，３０２は電源１０６や電流計１０７と接続される。コンピュータ９９は、電流計１０７で計測した封鎖電流値を内部の記憶デバイスに保存する。

ここでは、一例として、溶液槽１０１は電極３０１と接続され、溶液槽１０２は電極３０２と接続された例を示す。また、一例として、電極３０１，３０２は、構造が単純で取扱が容易な電極Ａｇ／ＡｇＣｌ電極とし、溶液１０３，１０４は、１Ｍ ＫＣｌ水溶液とした。また、溶液１０３，１０４は、計測対象の生体ポリマとして、たとえば、ＤＮＡ、タンパク質、核酸を含む。また、溶液１０３，１０４は、計測対象として、無機材料のパーティクルでもよい。すなわち、計測対象は、ナノポアを通過するような物質を含む溶液であればよい。

計測対象がＤＮＡである場合、ナノポアシーケンサ１５００は、ＤＮＡがナノポアを通過した場合の封鎖電流値の大きさから、ＤＮＡを構成する塩基配列を特定することができる。また、計測対象がＤＮＡ以外の生体ポリマや無機材料のパーティクルといった計測対象である場合、ナノポアシーケンサ１５００は、これらがナノポアを通過した場合の封鎖電流値の大きさから、計測対象の大きさを推定することができる。

図１６は、第６の例の溶液槽デバイスを示す断面図である。第６の例の溶液槽デバイス１６００は、図９に示した溶液槽デバイス９００の溶液槽１０１，１０２のうち溶液槽１０１を除外して溶液槽１０２を残存させた構造である。このように、薄膜１００の両面に非対称であってもよい。溶液槽１０１がない代わりに、薄膜１００の表面には、ピペットにより液滴状態の溶液１０３が滴下される。第６の例の溶液槽デバイス１６００により、第１の例の溶液槽デバイス９００に比べて溶液量が少なくなるため、溶液抵抗が低減する。なお、図１６では、第１の例の溶液槽デバイス９００に基づいて第６の例の溶液槽デバイス１６００について説明したが、第２〜第５の例の溶液槽デバイス１０００〜１３００の溶液槽１０１，１０２のうち溶液槽１０１を除外して溶液槽１０２を残存させた構造としてもよい。また、図１５に示したように、第６の例の溶液槽デバイス１６００を用いたナノポアシーケンサを構成してもよい。

実施例２は、実施例１に示した第１〜第６の例の溶液槽デバイス９００〜１３００，１６００を薄膜１００の平面方向にアレイ状に構成した溶液槽デバイスである。実施例２では、実施例１にかかる第１の例の溶液槽デバイス９００をアレイ状に構成した溶液槽デバイスについて説明するが、第２〜第６の例をアレイ状にてもよい。これにより、測定対象の測定の高速化を図る。

図１７は、実施例２にかかる溶液槽デバイスの一例を示す断面図である。図１７は、実施例１にかかる第１の例の溶液槽デバイス９００をアレイ状に構成した溶液槽デバイス１７００である。実施例２においても、溶液槽デバイス１７００は、導電性構造２００を有する。溶液槽１０１，１０２において、各薄膜１００の境界に隔壁を設け、溶液の流入、流出を抑制する。これにより、アレイ間のクロストークノイズを低減することができる。

図１８は、実施例２にかかる溶液槽デバイスの他の例を示す断面図である。図１８の溶液槽デバイス１８００は、複数の薄膜１００の片面側（図１８では、溶液槽１０１側）の隔壁を有しない構成とした例である。すなわち、溶液槽１０１はアレイ間でつながっている構造となる。複数の薄膜１００の片面側を共通の電位としても良い場合は、図１８の構造の方が簡易な構成となる。

以上説明したように、本実施例にかかる溶液槽デバイスによれば、薄膜の初期不良を抑制することができる。また、薄膜が、測定対象として生体ポリマを通過させる構成とすることにより、薄膜の初期不良を抑制した溶液槽デバイスを、生体ポリマの測定に利用することができる。また、薄膜を複数の領域に分割することにより、領域ごとに並列に測定対象を通過させることができ、測定時間の短縮化を図ることができる。また、薄膜の厚さを２０ｎｍ以下とすることにより、測定対象として２０［ｎｍ］以下の幅または長さを有する生体ポリマを計測する場合、溶液槽デバイスを用いたセンサとしての分解能を高めることができる。

また、膜厚２０［ｎｍ］以下の薄膜を用いることにより、静電気の発生を効果的に抑制することができる。また、薄膜が直径１０ｎｍ以下の大きさの孔を有することにより、ＤＮＡ等の生体ポリマを孔に通過させ、封鎖電流を計測することができる。また、溶液槽と薄膜の一方の面とで囲まれた領域に第１溶液を満たし、一方の面とは反対側の薄膜の他方の面側に第２溶液を存在させ、第１溶液と第２溶液のうちいずれか一方の溶液に測定対象を含めることにより、電極を第１溶液および第２溶液に与えて薄膜を通過する測定対象の封鎖電流を測定することができる。

溶液槽を、シート抵抗１０^１４Ω以上の絶縁性構造とし、かつ、溶液が導電性構造と接触していないように構成することにより、溶液槽に導電性構造を設けることができる。また、溶液槽の内側に導電性構造を設けることにより、溶液槽の内側での静電気の発生を抑制することができる。また、溶液槽を導電性構造とすることにより、溶液槽デバイスを簡易な構成にすることができる。導電性構造間を接続する配線を有することにより、静電気が導電性構造に発生しても両導電性構造を等電位にして静電気を逃がすことができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

Claims (15)

1. 測定対象を通過させ１μｍ以下の厚さを有する絶縁性の薄膜と、
   前記薄膜の両面のうち一方の面側を支持する第１溶液槽と、
   前記第１溶液槽と外部の物体との間で接触摩擦が生じる箇所にシート抵抗１０^１３Ω以下の第１導電性構造と、
   を有することを特徴とする溶液槽デバイス。
2. 請求項１に記載の溶液槽デバイスであって、
   前記薄膜は、前記測定対象として生体ポリマを通過させることを特徴とする溶液槽デバイス。
3. 請求項２に記載の溶液槽デバイスであって、
   前記薄膜は、複数の領域に分割されていることを特徴とする溶液槽デバイス。
4. 請求項１に記載の溶液槽デバイスであって、
   前記薄膜の厚さは、２０ｎｍ以下であることを特徴とする溶液槽デバイス。
5. 請求項１に記載の溶液槽デバイスであって、
   前記薄膜は、直径１０ｎｍ以下の大きさの孔を含むことを特徴とする溶液槽デバイス。
6. 請求項１に記載の溶液槽デバイスであって、
   前記第１溶液槽と前記薄膜の前記一方の面とで囲まれた領域に第１溶液が存在し、
   前記一方の面とは反対側の前記薄膜の他方の面側に第２溶液が存在し、
   前記第１溶液と前記第２溶液のうちいずれか一方の溶液に前記測定対象が含まれていることを特徴とする溶液槽デバイス。
7. 請求項６に記載の溶液槽デバイスであって、
   前記第１溶液槽は、シート抵抗１０^１４Ω以上の絶縁性構造であり、かつ、前記第１溶液が前記第１導電性構造と接触していないように構成されていることを特徴とする溶液槽デバイス。
8. 請求項７に記載の溶液槽デバイスであって、
   前記第１溶液槽の内側に第２導電性構造を有し、
   前記第２導電性構造は、前記第１溶液槽の内側の前記第１溶液と接する界面に絶縁性材料を有することを特徴とする溶液槽デバイス。
9. 請求項１に記載の溶液槽デバイスであって、
   前記第１溶液槽が前記第１導電性構造であり、
   前記第１導電性構造は、前記第１溶液槽の内側の溶液と接する界面に絶縁性材料を有することを特徴とする溶液槽デバイス。
10. 請求項１に記載の溶液槽デバイスであって、
    前記薄膜の他方の面を支持する第２溶液槽と、
    前記第２溶液槽と前記外部の物体との間で接触摩擦が生じる箇所にシート抵抗１０^１３Ω以下の第２導電性構造と、
    を有することを特徴とする溶液槽デバイス。
11. 請求項１０に記載の溶液槽デバイスであって、
    前記第１導電性構造と前記第２導電性構造とを等電位にする配線を有することを特徴とする溶液槽デバイス。
12. 請求項１０に記載の溶液槽デバイスであって、
    前記第１溶液槽と前記薄膜の前記一方の面とで囲まれた領域に第１溶液が存在し、
    前記第２溶液槽と前記薄膜の前記他方の面とで囲まれた領域に第２溶液が存在し、
    前記第１溶液と前記第２溶液のうちいずれか一方の溶液に前記測定対象が含まれていることを特徴とする溶液槽デバイス。
13. 請求項１２に記載の溶液槽デバイスであって、
    前記第１溶液槽は、シート抵抗１０^１４Ω以上の絶縁性構造であり、かつ、前記第１溶液が前記第１導電性構造と接触していないように構成されており、
    前記第２溶液槽は、シート抵抗１０^１４Ω以上の絶縁性構造であり、かつ、前記第２溶液が前記第２導電性構造と接触していないように構成されていることを特徴とする溶液槽デバイス。
14. 請求項１３に記載の溶液槽デバイスであって、
    前記第１溶液槽の内側に第３導電性構造を有し、
    前記第３導電性構造は、前記第１溶液槽の内側の前記第１溶液と接する界面に絶縁性材料を有することを特徴とする溶液槽デバイス。
15. 請求項１０に記載の溶液槽デバイスであって、
    前記第１溶液槽が前記第１導電性構造であり、前記第２溶液槽が前記第２導電性構造であり、前記第１導電性構造は、前記第１溶液槽の内側の第１溶液と接する界面に絶縁性材料を有し、前記第２導電性構造は、前記第２溶液槽の内側の第２溶液と接する界面に絶縁性材料を有することを特徴とする溶液槽デバイス。

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