CN110709500A - 薄膜器件保存装置、保存方法及生物分子测量方法 - Google Patents

薄膜器件保存装置、保存方法及生物分子测量方法 Download PDF

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Abstract

一种薄膜器件保存装置，其具备具有包含Si的厚度100nm以下的绝缘性的薄膜的薄膜器件3、与薄膜接触的溶液以及具有将溶液密封的槽的容器，溶液为满足下述(1)～(3)的任一条件的溶液。(1)包含体积比0％以上30％以下的水的溶液，(2)被冷却维持在凝固点以上且低于15℃的溶液，(3)包含浓度1mol/L以上且饱和浓度以下的盐同时被冷却维持在凝固点以上且低于25℃的溶液。

Description

薄膜器件保存装置、保存方法及生物分子测量方法
技术领域
本发明涉及测量被检体通过纳米孔时的离子电流的电流测量装置中所使用的薄膜器件的保存装置、保存方法以及生物分子测量方法。
背景技术
在新一代DNA测序仪的领域中，作为不进行延伸反应、荧光标记而将DNA的碱基序列进行电学直接测量的方法，纳米孔测序仪受到关注。纳米孔测序仪所使用的纳米孔器件具有埋入有纳米孔的薄膜。在夹持薄膜的两侧配置有溶液，该溶液经由纳米孔而相互连通。此时如果经由溶液对于纳米孔施加电压，则通过纳米孔的离子电流会流动，如果DNA通过纳米孔，则根据构成DNA的碱基的不同而纳米孔的填充方式不同，电流值会产生差异，因此能够确定碱基序列。
纳米孔序列方式根据构成纳米孔的材料而主要具有生物纳米孔方式和固态电子器件纳米孔方式这2种。生物纳米孔方式是将埋入至脂质双层膜的改性蛋白质(Mycobacterium smegmatis porin A(MspA)，耻垢分枝杆菌中的孔蛋白等)的孔作为检测部的方式，固态电子器件纳米孔方式是将加工成无机材料的孔作为检测部的方式。与生物纳米孔方式相比，固态电子器件纳米孔方式中试剂依存度和前处理工序少，作为低成本地读取的方式而受到关注。
固态电子器件纳米孔的制作方法主要有2种，有在溶液导入前制作纳米孔的方法以及溶液导入后制作纳米孔的方法。在溶液导入前制作纳米孔的情况下，使用了如非专利文献1那样利用TEM等电子射线、蚀刻来开孔的方法。在溶液导入后制作纳米孔的情况下，使用了如非专利文献2那样通过对于薄膜施加高电压来将薄膜绝缘击穿从而开孔的方法。利用上述任一方法来制作纳米孔之后，将被检体导入至溶液，取得通过纳米孔时的信号。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：Venta,K.等，固态纳米孔中短单链DNA均聚物的区分(Differentiation of Short,Single-Stranded DNA Homopolymers in Solid-StateNanopores)，ACS Nano 7(5)，pp.4629-4636(2013).
非专利文献2：Yanagi,I.,等，使用多级脉冲电压注入制备直径低于1nm至3nm的纳米孔(Fabricating nanopores with diameters of sub-1nm to 3nm using multilevelpulse-voltage injection)，Sci.Rep.，4(5000)(2014).
发明内容
发明所要解决的课题
图1和图2示出固态电子器件纳米孔测序仪的代表性的测量步骤。图1所示的步骤中，利用TEM等电子射线、蚀刻，在纳米孔制作后实施表面亲水化处理，导入溶液之后将被检体导入至溶液来进行测量。图2所示的步骤中，实施表面亲水化处理，导入溶液之后，利用绝缘击穿来制作纳米孔，将被检体导入至溶液来进行测量。此时如果从亲水化处理直至溶液导入期间经过1天以上等时间，则器件表面的亲水性随着大气中的有机物等向表面的附着而逐渐地衰减，膜表面变得不能充满液体。因此，必须在亲水化处理后1天以内导入溶液。
这里假设将纳米孔测序仪从生产商以制品的方式销售给顾客的情况下，认为图1和图2所记载的工序相当于生产商侧工序和顾客侧工序的任一工序。亲水化处理工序中通常使用O2等离子体等，顾客侧的处理困难，因此生产商侧期望实施装置单价的降低。另一方面，生物分子导入工序需要以能够投入顾客想要测量的样品的方式在顾客侧进行实施。因此，从亲水化处理后直至生物分子导入工序期间，需要将器件从生产商运输至顾客。如果考虑到向海外等运输的时间，则假设该运输工序花费1周左右，此外如果还考虑到顾客侧等将器件保存2～3周左右的时间，则假设从亲水化处理工序直至生物分子导入工序期间花费1周～1个月以上。需说明的是，在本说明书中所谓“保存”，是指直至对于薄膜通过外部电源等施加电位差，进行生物分子特性解析的工序。维持器件表面的亲水性1周～1个月以上的时间通常是困难的。
因此，如图3和图4所示那样，考虑在亲水化处理后并在生产商侧导入溶液之后，向顾客运输的步骤。如果为该方法，则能够利用溶液来保护大气中的有机物等的附着，在保持亲水性的状态下向顾客运输，顾客侧的长期保存也成为可能。此外如果为该步骤，则顾客侧不需要导入溶液，顾客侧的溶液导入机构变得不再需要，因此将装置成本抑制得低。
然而，如果将包含Si的薄膜浸渍于水溶液，则绝缘击穿电压随时间延长而降低，表明膜的品质劣化。如果这样的膜的绝缘耐压变小，则会产生这样的问题：由于静电等的影响而对于膜带来的电位差，使得膜被绝缘击穿，此外，在对于薄膜赋予高能量来制作纳米孔时，需要的能量发生变化(例如：利用绝缘击穿制作纳米孔时应当施加的绝缘击穿电压发生变化，利用TEM制作纳米孔时电子射线的功率发生变化)，纳米孔径控制变得困难，由于生物体试样测量中对于纳米孔的施加电压(0.1～0.5V等)而纳米孔直径随时间延长变大。该劣化现象在以往报告例中没有，因此该劣化的原因并不清楚，防止方法也不清楚。
用于解决课题的方法
关于本发明的薄膜器件保存装置，作为一方式，具备具有包含Si的厚度100nm以下的绝缘性的薄膜的薄膜器件、与上述薄膜接触的溶液以及具有将上述溶液密封的槽的容器，上述溶液为满足下述(1)～(3)的任一条件的溶液。
(1)包含体积比0％以上30％以下的水的溶液，
(2)被冷却维持在凝固点以上且低于15℃的溶液，
(3)包含浓度1mol/L以上且饱和浓度以下的盐且被冷却维持在凝固点以上且低于25℃的溶液。
关于本发明的薄膜器件的保存方法，作为一方式，是具有包含Si的厚度100nm以下的绝缘性的薄膜的薄膜器件的保存方法，其具有下述工序：将薄膜器件进行亲水化处理的工序，以及使被亲水化处理的薄膜器件与满足上述(1)～(3)的任一条件的溶液接触并保存的工序。
此外，关于本发明的生物分子测量方法，作为一方式，其具有下述工序：使具有包含Si的无孔的厚度100nm以下的绝缘性的薄膜的薄膜器件与满足上述(1)～(3)的任一条件的溶液接触并保存的工序，在与薄膜器件的一个面接触的溶液相接触的第一电极和与另一个面接触的溶液相接触的第二电极之间施加薄膜的绝缘击穿电压以上的电压以使薄膜中形成孔的工序，将生物分子导入至与第一电极相接触的溶液或与第二电极相接触的溶液的工序，以及对于第一电极与第二电极之间施加电位差，测量生物分子通过孔期间的电流值变化来研究生物分子的特性的工序。
发明效果
通过本发明，能够防止将包含Si的绝缘性的薄膜浸渍于溶液时产生的绝缘击穿电压的降低。
上述以外的课题、构成和效果通过以下实施方式的说明来明确。
附图说明
图1为表示使用了通常的纳米孔的生物分子测量步骤的图。
图2为表示使用了通常的纳米孔的生物分子测量步骤的图。
图3为表示伴随着向顾客的运输和保存，使用了纳米孔的生物分子测量步骤的图。
图4为表示伴随着向顾客的运输和保存，使用了纳米孔的生物分子测量步骤的图。
图5为表示SiN膜的绝缘击穿电压下降机理的说明图。
图6为表示薄膜器件保存装置的构成例的截面示意图。
图7为表示薄膜器件保存装置的构成例的截面示意图。
图8为表示薄膜器件保存装置的构成例的截面示意图。
图9为表示薄膜器件保存装置的构成例的截面示意图。
图10为表示薄膜器件保存装置的构成例的截面示意图。
图11为表示薄膜器件保存装置的构成例的截面示意图。
图12为表示薄膜器件保存装置的构成例的截面示意图。
图13为表示薄膜器件保存装置的构成例的截面示意图。
图14为表示薄膜器件保存装置的构成例的截面示意图。
图15为表示薄膜器件保存装置的构成例的截面示意图。
图16为表示使用了被保存的薄膜器件的生物分子测量方法的示意图。
图17为表示使用了被保存的薄膜器件的生物分子测量方法的示意图。
图18为表示绝缘击穿电压的随时间变化的实验结果的图。
图19为表示绝缘击穿电压的随时间变化的实验结果的图。
图20为表示温度与器件寿命的关系的图。
图21为表示温度与器件寿命的关系的图。
图22为表示保存时间与漏电流的关系的图。
图23为表示在具有防止劣化效果的溶液条件下的漏电流的图。
图24为表示在具有防止劣化效果的溶液条件下的漏电流的图。
图25为表示在具有防止劣化效果的溶液条件下的漏电流的图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的实施方式。另外，用于说明实施方式的全部附图中具有相同功能的部件附上相同的符号，尽可能省略其重复的说明。此外，本发明并不限定于以下所示的实施方式的记载内容来进行解释。在不脱离本发明的思想或宗旨的范围内，本领域技术人员容易理解能够变更其具体的构成。
附图等中所示的各构成的位置、大小、形状、范围等为了使发明的理解变得容易，因此有时没有表示实际的位置、大小、形状、范围等。因此，本发明并不一定限定于附图等所公开的位置、大小、形状、范围等。
本说明书中所引用的出版物、专利公报直接构成本说明书的说明的一部分。
在本说明书中单数形式所示的构成要素只要在上下文中没有特别明确地说明，就包含复数形式。
这里首先对包含Si的绝缘性的薄膜的绝缘击穿电压下降的机理进行推定和验证，研究基于机理的解决方法。已知如果将包含Si的膜(SiN膜等)置于高温、高压、高湿度下等环境中，则由于空气中的水蒸气而Si膜被氧化，进一步氧化膜与水蒸气发生反应，由此不久发生挥发。本实施例所使用的Si膜的保存环境并不相当于高温、高压，但认为大量的H2O存在于膜附近，长期接触液体，因此会进行如图5所示那样的蚀刻反应。如果由于H2O而包含Si的膜被蚀刻，则膜变薄，绝缘击穿电压会下降。此外固态电子器件纳米孔测序仪等中所使用的Si膜的厚度薄，因此认为由于少量的蚀刻而绝缘击穿电压下降这样的课题显现出来。
接着，将图5所示的由于蚀刻反应引起的薄膜器件的寿命(以下，简称为器件寿命)建立公式，对于长寿命化的方法进行考察。使用了固态电子器件纳米孔的测量装置所使用的薄膜通常厚度为100nm以下，测量DNA等样品时使用了厚度10nm以下的薄膜。在这样的测量中，一般而言如果绝缘击穿电压下降1V以上，则意味着膜厚变薄1nm以上，作为膜特性就会发生大幅变化，因此器件寿命定义为直至绝缘击穿电压降低1V的时间[h/V]。图5所示的蚀刻反应(H2O的n次反应：SiN+nH2O→SiO，Si(OH)4，n≥1)按照阿伦尼乌斯型的反应式，因此器件寿命Lt[h/V]以下式来表示。
Lt＝A×eE/RT×[H2O]-n···(式1)
其中，[H2O]为H2O浓度[mol/L]，T为绝对温度[K]，E为活化能[J/mol]，A、R(≈8.314J/(mol·K))为常数。
由上式表明，增加Lt需要(i)[H2O]的降低、(ii)T的降低、(iii)E的增加中的任一措施。作为具体的措施方法，能够通过分别将与薄膜器件接触的溶液条件设为(i)有机溶剂(H2O浓度低的溶液)、(ii)低温溶液、(iii)包含高浓度的盐的溶液来实现。关于(iii)，包含盐的水溶液中，盐以水合的状态稳定化，若水要蚀刻薄膜，就需使其与盐脱水合。因此能够通过盐的水合能来增加E。以上的假设的验证由后述的实验结果来进行说明。此外对于通过(i)、(ii)、(iii)的各条件而获得的器件寿命的详细情况，也由后述的实验结果进行说明。
如上述那样，通过使与包含Si的薄膜接触的溶液为满足(i)H2O浓度低的溶液、(ii)低温溶液、(iii)包含高浓度的盐的溶液的任一条件的溶液来保存薄膜器件，从而能够在维持薄膜器件表面的亲水性的状态下，防止薄膜的劣化。(i)H2O浓度低的溶液代表性地是有机溶剂，代表性地能够使用包含乙醇、甲醇、2-丙醇、DMSO等的溶液。被销售的溶液有99.5％乙醇、99.8％甲醇、99.7％2-丙醇、99.5％DMSO等，优选使用这样的溶液。此外(i)H2O浓度低的溶液、(ii)低温溶液可以是包含LiCl、NaCl、KCl、RbCl、MgCl2、CaCl2、SrCl2、BaCl2等的盐1mol/L以下左右那样的溶液。(i)、(ii)、(iii)的溶液中可以包含多种试剂，例如可以包含pH调节剂、酶等。
此外如上述那样，在对于顾客进行配送等的情况下，需要花费1周左右，因此器件寿命需要为1周以上。为了实现器件寿命1周以上，只要使与包含Si的薄膜接触的溶液成为(1)包含体积比0％以上30％以下的水的溶液，(2)液体温度为凝固点以上且低于15℃的溶液，(3)包含浓度1mol/L以上且饱和浓度以下的盐的溶液并且液体温度为凝固点以上且低于25℃的溶液中的任一溶液条件即可。对于数值的依据进行后述。
此外优选不仅能够运输薄膜器件，而且能够在顾客侧进行保存、测量，作为现实的运用方法，优选能够保存2～3周以上，因此如果考虑到配送花费1周，则优选作为整体能够保存1个月以上。为了实现器件寿命1个月以上，只要满足(4)包含体积比0％以上5％以下的水的溶液，(5)液体温度为凝固点以上且小于5℃的溶液，(6)包含浓度1mol/L以上且饱和浓度以下的盐的溶液且液体温度为凝固点以上且低于15℃的溶液中的任一条件即可。与上述(1)、(2)、(3)同样，对于数值的依据进行后述。
另外，对于H2O浓度低的溶液中的保存条件，如以下那样算出。如果将H2O浓度低的溶液中的器件寿命设为Lt’，H2O浓度设为[H2O’]，则水的体积比([H2O’]/[H2O])以下式表示。
[H2O’]/[H2O]＝(Lt/Lt’)1/n≥Lt/Lt’···(式2)
利用该式，只要测量某一温度下的器件寿命Lt，就能够算出对于获得目标的Lt’而言最低限度所需要的水的体积比([H2O’]/[H2O])。这里，由后述的图21的结果算出25℃纯水中的保存时的器件寿命Lt，算出对于获得Lt’≥1周或Lt’≥1个月而言需要的体积比。其结果是获得了上述条件(1)和(4)。
图6为表示本实施例的薄膜器件保存装置的构成例的截面示意图。此外，图7～图15为表示薄膜器件保存装置的其它构成例的截面示意图。
如图6所示那样，薄膜器件保存装置具有具备第一槽11和第二槽12的容器，保持应当保存的薄膜器件。容器的第一槽11和第二槽12中密封有溶液1。在图6的情况下，薄膜器件作为薄膜3被描绘出来。薄膜3的一面配置于容器的第一槽11且另一面配置于第二槽12以与溶液1接触，被填充于第一槽11和第二槽12的溶液1被薄膜3所分离。溶液1满足能够实现器件寿命1周以上的上述(1)～(3)的条件的任一者，优选为满足能够实现器件寿命1个月以上的上述(4)～(6)的条件的任一者。为了能够更长寿命化，可以同时满足(1)～(6)中的2个以上条件。
此外溶液1优选即使作为保存后的工序中对于溶液1连接电极来施加电压时的溶液也能够使用，优选为包含通常的纳米孔测量所使用的1mmol/L以上的盐的溶液。在使溶液1为包含小于1mmol/L的盐的溶液的情况下，电导率小而即使施加电压也得不到充分的电流量，电流测量变得困难，因此需要在电压施加前，将溶液1置换为包含1mmol/L以上的盐的溶液的工序。此外为了提高电流测量时的信号，以使电导率上升的方式提高盐浓度即可，优选为10mmol/L以上，更优选为100mmol/L以上。作为溶液1所包含的阳离子，能够使用发生电离的阳离子类，代表性地优选使用Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba等一族元素或二族元素。作为溶液1所包含的阴离子，能够使用发生电离的阴离子类，优选根据与电极的材质的相容来选定。例如在使用卤化银作为电极材质的情况下，优选使用I、Br、Cl等的卤化物的离子作为阴离子。此外阴离子可以为谷氨酸根离子等所代表的有机阴离子类。
薄膜3由无机材料构成，无机材料只要是利用半导体微细加工技术能够形成的材质即可，代表性地为氮化硅、氧化硅、氧化铪、二硫化钼、石墨烯等，优选为利用半导体工艺能够大量生产的Si的化合物的氮化硅、氧化硅等。由于利用镊子来把持这样的工序所产生的振动、冲击，薄膜3通常易于受到力学上的破坏，因此优选如图7所示那样设置支撑薄膜3的支撑结构4。作为支撑薄膜3的结构，例如能够使用厚度725μm左右的硅制的支撑基板。例如，可使用将厚度1μm以下、面积100μm2以下的SiN薄膜利用支撑基板来支撑的薄膜器件。这样本说明书中所谓薄膜器件可以仅由无机材料的薄膜来构成，但优选具备薄膜以及支撑该薄膜的支撑结构。
薄膜3通过水溶液被蚀刻时，认为发生从最初的膜厚变化1％以上的显著的变化，因此使用膜厚100nm以下的薄膜时，绝缘击穿电压1V以上(即膜厚1nm以上)的变化成为问题。即，本实施例中在溶液1中的保存特别是对于膜厚100nm以下的薄膜发挥效力，对于从最初的膜厚变化10％以上的膜厚10nm以下的极薄膜进一步发挥效力。
从更严格地确定的角度，根据测量内容而设定的薄膜3的厚度需要优选为0.1nm以上100nm以下。在分析作为被检体的生物聚合物等的情况下，成为构成生物聚合物的单体单元的2倍以上，优选为3倍以上，更优选为5倍以上的厚度。例如在生物聚合物由核酸构成的情况下，厚度优选为碱基3个以上的大小，例如约1nm以上。另一方面，如果从纳米孔传感器的分辨率这样的观点来看，为了把握生物聚合物的形状、构成物质(如果为DNA，则为碱基的种类等)，优选纳米孔的厚度薄。例如测量生物聚合物的大小为1～10μm左右的链球菌等，为了把握以其直链状连接的形状，纳米孔的厚度优选为100nm以下。进一步为了解析生物聚合物由核酸构成的DNA的碱基种类等，每个碱基的间隔短至0.5nm左右，因此纳米孔的厚度优选为30nm以下，更优选为10nm以下。由此，能够以高分辨率解析生物聚合物的形状、构成物质等。此外，纳米孔的形状基本上为圆形，但也能够为椭圆形、多边形。
需要在使液体与薄膜3的表面接触来进行处理之后充满溶液1，具体而言，优选使用下述方法：将O2等离子体抵接薄膜3的表面进行亲水化之后充满溶液1的方法、利用食人鱼(Piranha)溶液等除去有机残渣进行亲水化之后充满溶液1的方法、将乙醇等表面张力小的溶液一次性充满薄膜表面之后置换为溶液1，从而充满溶液1的方法等。
分析生物聚合物的薄膜部可以多个排列而被阵列化。对于纳米孔阵列结构而言，具有能够大幅地提高测量的吞吐量这样的优点。对于该纳米孔阵列结构而言，优选将具有纳米孔的薄膜部规则地排列。配置多个薄膜部的间隔根据所使用的电极、电气测定系统的能力、半导体工艺的加工极限等，能够设为0.1μm～10μm，优选为0.5μm～4μm。
第一槽11、第二槽12等溶液槽的原材料可以为例如PMMA，也可以由耐化学性优异的特氟隆(注册商标)等来构成。使用各溶液槽的容量为例如100mL以下的溶液槽。
图6、图7中记载了纳米孔DNA测序仪等传感器所使用的在薄膜3的两侧充满溶液的构成。然而众所周知，溶液蚀刻薄膜3的现象即使如图5所示那样仅在薄膜3的单侧充满溶液的构成也会发生。因此，即使是如图8所示那样，仅在薄膜3的单侧充满溶液1的构成，也能够获得本说明书所记载的蚀刻防止效果。图8所记载的薄膜器件保存装置具有具备第一槽11的容器，保持着应当保存的薄膜器件。容器的第一槽11中密封有溶液1。在图8的情况下，薄膜器件作为薄膜3被描绘出来。图8的构成中，以离子敏感场效应晶体管(IonSensitiveField Effect Transistor)传感器(ISFET)等传感器的方式被使用。ISFET为利用离子感应膜覆盖栅极表面上的FET，且检测溶液-离子感应膜间的表面电位。ISFET的离子感应膜使用SiO2、SiN、Al2O3等绝缘体的薄膜3。然而条件是绝缘体的膜厚为1～100nm左右。因此，优选如图9所示那样，设置有支撑薄膜3的支撑结构4。作为支撑薄膜3的结构，能够使用例如厚度725μm左右的硅制的支撑基板等。为了使图9所示的传感器作为FET起作用，可以是在Si的支撑基板上设置源极和漏极电极，在源极和漏极电极上设置有SiO2、SiN等绝缘膜那样的构成。这样，本说明书中所谓薄膜器件可以仅由无机材料的薄膜来构成，但优选具备薄膜以及支撑该薄膜的支撑结构。
如图8、图9那样，即使是在薄膜3的单侧充满溶液的构成，从与溶液接触的地方薄膜3被逐渐蚀刻而传感器特性发生变化，因此为了延长器件寿命，需要与图6、图7的构成同样地考虑溶液1的条件。在薄膜3的单侧充满溶液的构成中应当实现的器件寿命在对于顾客进行配送等的情况下花费1周左右，因此需要器件寿命为1周以上。此外优选不仅能够运输薄膜器件，而且也能够由顾客侧保存并测量，作为现实的运用方法，优选能够保存2～3周以上，因此如果考虑到配送花费1周，则作为整体优选能够保存1个月以上。如果将薄膜3的单侧充满有溶液时的器件寿命，与薄膜3的两侧充满有溶液时的器件寿命进行比较，则蚀刻从薄膜3与溶液接触的地方进行，因此在单侧充满有溶液的情况下器件寿命延长。由此，为了使器件寿命为1周以上，只要满足两侧充满有溶液时实现器件寿命1周以上时的溶液条件，上述(1)～(3)的条件的任一者就是充分的。此外，为了实现器件寿命1个月以上，只要满足上述(4)～(6)的条件的任一者即可。
图10以后的图所示的构成是假设应用于纳米孔DNA测序仪等传感器，记载着在薄膜的两侧充满溶液的构成。如图10所示那样，薄膜3中可以设置纳米孔2，纳米孔2可以以能够大量生产的方式利用半导体工艺来形成，可以以使孔径变小的方式利用TEM的电子射线来形成。更优选使用以能够精度良好、快速地、低价地形成孔径小的纳米孔的方式，通过对于薄膜3施加高电压，而由绝缘击穿所形成的纳米孔2。这样，如果在组装至容器的阶段在薄膜中设置纳米孔，并将该保存装置配送至顾客等时，则顾客侧不需要进行纳米孔制作，装置构成变得简单，能够立即进行测量。
优选根据测量内容来更严格地确定纳米孔的直径，例如在分析直径10nm左右的生物聚合物、微球等的情况下为100nm以下，优选为50nm以下，具体而言，为大约0.9nm以上10nm以下等。例如直径为约1.4nm的单链DNA的分析所使用的纳米孔的直径优选为1.4nm～10nm左右，更优选为1.4nm～2.5nm左右。此外，例如直径为约2.6nm的双链DNA的分析所使用的纳米孔的直径优选为3nm～10nm左右，更优选为3nm～5nm左右。
如果如图11所示那样，第一电极13和第二电极14分别设置于第一槽11、第二槽12，第一电极13与第一槽11内的溶液相接触，第二电极14与第二槽12内的溶液相接触的状态，则能够如图12所示那样，在液槽外简易地连接由另行设置的电源装置15、电流计16、控制和测定装置17所构成的电路系统。控制和测定装置17可以为PC。如果作为图11那样的结构的薄膜器件保存装置，例如，仅准备一个由电源装置15、电流计16、控制和测定装置17构成的装置，则将薄膜器件保存装置作为消耗品来有效地利用，每当测量结束就使用新的薄膜器件保存装置，由此能够低价地进行测量。即，附设有电极13、14的薄膜器件保存装置不仅保存薄膜器件，而且也作为用于电流测量的装置来使用。
第一电极13、第二电极14等电极优选由能够与溶液1中的电解质进行电子授受反应(法拉第反应)的材质来制作而成，代表性的是由卤化银或卤化碱银来制作的电极。从电位稳定性和可靠性的观点考虑，优选电极使用银氯化银。电极可以由作为极化电极的材质来制作，例如可以由金、铂等来制作。在该情况下，为了确保稳定的离子电流，优选在溶液中添加能够辅助电子授受反应的物质，例如铁氰化钾或亚铁氰化钾等。或者优选将能够进行电子授受反应的物质，例如二茂铁类固定化于该极化电极表面。
电极的结构可以是电极全部由上述材质来构成，或者上述材质可以被覆于铜、铝等基底材料的表面。电极的形状没有受到特别限定，优选为与溶液接触的表面积增大的形状。电极与配线接合，向测定电路发送电信号。电源装置15与控制和测定装置17连接从而能够控制施加电压，对于电流计16，也通过与个人电脑等装置连接，从而可以成为将测量到的电流作为数据进行保存的测量系统。电流计16可以具有通过电压的施加将电极间所流动的电流进行放大的放大器和ADC(Analog to Digital Converter，模数转换器)。
如果第一电极13与第二电极14的电位差大，则导致薄膜3的绝缘击穿不良，因此至少需要调整电位差以保持于薄膜的介电强度以下。薄膜的介电强度通常为1V/nm，需要使其保持为其电场强度以下。优选将第一电极13与第二电极14的电位差调整为0V等小于薄膜的绝缘击穿电压即可，从而随着时间对于膜不施加电压，优选如图13所示那样的第一电极13与第二电极14被短路的结构等。
此外优选以将溶液1易于导入至第一槽11和第二槽12内的方式，如图14所示那样，在容器内设置导入口和排出口31。此时，通过导入口和排出口31，存在溶液1随时间而挥发的可能性，因此期望容器具备防止挥发的密封结构。具体而言，在容器的流路导入口设置密封结构32，配置了不与溶液1混合的溶液32(如果溶液1为水溶液，则为苯、氟化液(ベンゼン·フロリナート)等有机溶剂)等的结构。在配置溶液32时，例如以将溶液1预先充满直至导入口和排出口31附近，然后以覆盖导入口和排出口31的方式滴加溶液32这样的步骤来构建。优选溶液1与空气接触的面积窄。
为了将溶液1冷却以成为低温的溶液，需要设置温度调整机构。具体而言，只要是对于薄膜器件保存装置的容器粘贴传热元件(珀耳帖元件等)，经由传热元件和容器以对溶液1传导热那样的温度调整机构即可。然而在将珀耳帖元件等粘贴于薄膜器件保存装置的容器的方式中，由于各容器需要准备珀耳帖元件，因此单价成本易于上升。因此，优选如图15所示那样，在保持薄膜器件的容器的周围配置温度调整机构41，具体而言，设置恒温槽、保冷材料、干冰等，将薄膜器件保存装置放入至冷藏库、冷冻库这样的方式。作为将上述薄膜器件保存装置从生产商侧配送至顾客，在顾客侧进行保存的方式，例如以在薄膜器件保存装置的周围配置有保冷材料、干冰等的状态进行配送，在顾客侧保存于冷藏库、冷冻库这样的方式。
图16为表示使用了由本实施例的薄膜器件保存装置保存的薄膜器件的生物分子测量方法的示意图。首先如图16(A)所示那样，处于将薄膜3与溶液1接触的状态。此时，由于通过使用溶液1而防止薄膜3的劣化，因此可以将该保存装置经长时间从生产商运输至顾客，或进行长期保存等处理。
接着，如图16(B)所示那样，通过由电源装置15、电流计16以及控制和测定装置17来构成的装置等，对于第一电极13与第二电极14之间施加薄膜3的绝缘击穿电压以上的高电压，利用绝缘击穿以使在薄膜3中形成纳米孔2。最后如图16(C)所示那样，向与第一电极13接触的溶液或与第二电极14接触的溶液中导入DNA等生物聚合物51，在第一电极13与第二电极14之间施加电位差，根据生物聚合物51通过纳米孔2期间的离子电流的变化来测量并解析生物体试样。
图16(A)所示的薄膜器件保存装置中，可以是如图11所示那样的第一电极13与第二电极14分别设置于第一槽11和第二槽12，第一电极13与第一槽11内的溶液相接触，第二电极14与第二槽12内的溶液相接触的状态。如果成为这样的构成，则能够与液槽外另行设置的由电源装置15、电流计16、控制和测定装置17构成的电路系统简单地连接。或者可以将由未设置有电极的图16(A)所示的薄膜器件保存装置所保存的薄膜器件在测量时从薄膜器件保存装置取出而设置于图16(B)所示的设有电极的测量用的容器。
成为分析对象的生物聚合物51只要是在通过纳米孔2时，电特性，特别是电阻值发生变化的对象物即可，为由核酸构成的对象物。具体而言，是RNA(单链RNA或双链RNA)、DNA(单链DNA或双链DNA)、PNA(肽核酸)、寡核苷酸、适体以及它们的组合(例如，杂交核酸)。生物聚合物51可以存在于生物体内，或者可以由生物体内存在的物质衍生而成。例如，包含自然中不存在的序列、构成要素的聚合物，例如poly(A)、poly(T)等序列，人工地合成的聚合物分子，通过核酸扩增技术(例如PCR)来调制的核酸，被载体克隆的核酸等也包含在内。这些生物聚合物51的调制方法在本技术领域是众所周知的，如果是本领域技术人员，则能够根据生物聚合物51的种类来选择适当调制方法。在本实施例中，所谓生物聚合物51的分析，是指构成生物聚合物51的核酸的特性解析。例如，是指构成生物聚合物51的核酸的单体的序列顺序的分析(序列确定)、核酸的长度的确定、单核苷酸多态性的检测、生物聚合物数目的确定、生物聚合物中的结构变异(拷贝数变异、插入、缺失等)的检测等。
在溶液1所包含的盐的浓度低于1mmol/L等实施电流测量时得不到充分的电导率的情况下，如图17所示那样，需要将溶液1置换为电流测量用的溶液101。溶液101优选为包含通常的纳米孔测量所使用的1mmol/L以上的盐的溶液。此外，为了提高电流测量时的信号，只要以使电导率上升的方式提高盐浓度即可，优选为10mmol/L以上，更优选为100mmol/L以上。作为溶液101所包含的阳离子，可以使用发生电离的阳离子类，代表性地优选使用Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba等一族元素或二族元素。作为溶液101所包含的阴离子，可以使用发生电离的阴离子类，优选根据与电极的材质的相容来选定。例如在使用卤化银作为电极材质的情况下，优选使用I、Br、Cl等的卤化物的离子作为阴离子。此外阴离子可以是以谷氨酸根离子等所代表的有机阴离子类。然而，如果与图17的步骤进行比较，则具有图16所示的步骤的操作工序少就完成这样的优点。
在溶液1使用低温的溶液的情况下，在图16(B)、图17(B)等的纳米孔开孔时，可以在将薄膜器件保存装置保持于低温的状态下施加电压。如果在将薄膜器件保存装置的溶液保持于低温的状态下施加电压进行开孔，则能够提高薄膜3的绝缘击穿电压，能够防止将绝缘击穿电压低的薄膜进行绝缘击穿时易于发生的软击穿，使电流特性稳定化。此外，在溶液1使用低温的溶液的情况下，在图16(C)、图17(C)等的生物聚合物51测量时，可以在将薄膜器件保存装置保持于低温的状态下进行测量。如果在将薄膜器件保存装置保持于低温的状态下来测量DNA等，则能够使DNA的纳米孔通过速度迟延化。
以上所述的测量方法的1个具体例如下所述。首先，在生产商侧将亲水化处理完的薄膜3组装至薄膜器件保存装置的容器的第一槽11和第二槽12内，将1mol/LKCl水溶液充满至溶液槽内。此时，成为第一电极13和第二电极14分别设置于第一槽11、第二槽12内，第一电极13与第一槽11内的溶液相接触，第二电极14与第二槽12内的溶液相接触的状态。此外，使第一电极13与第二电极14短路以使电位差为0V，从而薄膜3没有劣化。然后，将薄膜器件保存装置利用冷藏运送(被冷却维持在+2℃～+8℃等的状态)经1周左右送达顾客侧。将送达顾客侧的薄膜器件保存装置在冷藏库中保存2～3周以上(被冷却维持在4℃左右的状态)，进行作为测量样品的生物体试样的准备等之后，取出薄膜器件保存装置，与由电源装置15、电流计16以及控制和测定装置17构成的装置进行连接。而且，通过电源装置15、电流计16以及控制和测定装置17对薄膜3施加高电压，利用绝缘击穿来设置纳米孔2。最后，导入作为测量样品的生物体试样51，测量并解析通过纳米孔2时的生物体试样。
以下，示出验证了本实施例的效果的实验例。本实验中，以溶液与包含SiN膜的薄膜器件的薄膜的两侧相接触的方式，浸渍于各种条件的溶液中并保存，经过一定时间后将薄膜器件从溶液中取出并洗涤之后，在薄膜器件的上下充满1mol/LCaCl2(常温)，对于薄膜施加电压，测量绝缘击穿电压、通过膜的电流值。
首先，如上述那样，验证了如果将包含SiN膜的薄膜器件长期保存于水溶液中，则SiN膜被逐渐地蚀刻而绝缘击穿电压下降。图18是表示将薄膜器件保存于纯水、100mmol/LCaCl2、1mol/LCaCl2的水溶液中时的绝缘击穿电压的随时间变化的图(温度都是25℃)。由该结果表明，在任一保存条件下，绝缘击穿电压V相对于时间t都呈线性地下降。一般而言，沿薄膜的深度方向的蚀刻速率为一定，因此认为相对于在H2O中的浸渍时间，膜厚基本上线性地变薄，此外，薄膜的绝缘击穿强度为1V/nm，绝缘击穿电压相对于膜厚基本上为线性。即，认为相对于在H2O中的浸渍时间，绝缘击穿电压基本上线性地下降。因此，图18所示的绝缘击穿电压相对于时间线性地降低这样的实验结果支持绝缘击穿电压的下降是由H2O的蚀刻所引起的。
可知1mol/LCaCl2与纯水、100mmol/LCaCl2相比，抑制绝缘击穿电压的下降，具有长寿命化的效果。认为这是因为1mol/LCaCl2水溶液包含高浓度的盐，盐与水水合，从而使H2O蚀刻SiN膜的反应的活化能发生变动，由此导致长寿命化。以上结果支持H2O蚀刻SiN膜这样的假设，此外，显示出包含高浓度的盐(1mol/L以上)的溶液能够长寿命化。
图19为表示将薄膜器件利用纯水保存，并且使保存温度发生变化(25℃、40℃、60℃、80℃)时的绝缘击穿电压的随时间变化的图。图19(A)以横轴对数尺度，图19(B)以横轴线性尺度来表述。由图19(A)明确示出，保存时的温度越高，则绝缘击穿电压越以短时间下降。图19(B)所示的直线显示出在各温度下保存时的近似直线，表明在任一保存条件下相对于保存时间t，绝缘击穿电压V都呈线性地下降。该结果与图18的结果同样，支持膜的劣化是由H2O的蚀刻所引起的。
此外如果基于图19，归纳直至绝缘击穿电压降低1V的时间(器件寿命)Lt与保存温度T的关系，则如图20那样。图20中的黑的方块(blot)表示由图19的实验数据获得的值，虚线表示近似直线。图20的结果表示lnLt∝1/T，暗示器件寿命以阿伦尼乌斯型的关系式来表示，能够由直线的斜率来算出纯水保存时的活化能E。
图21为表示基于迄今为止的实验结果，将薄膜器件用纯水和1mol/LCaCl2水溶液保存时的、器件寿命与保存温度的阿伦尼乌斯型的关系式的图。图21所示的纯水保存时的结果是改变了图20所示的近似直线的纵轴和横轴的表述的结果，将器件寿命Lt以纵轴对数尺度进行表述，将保存温度T示于横轴。接着在算出图21所示的1mol/LCaCl2水溶液保存时的结果时，首先由图18的结果算出直至25℃保存时的绝缘击穿电压降低1V的时间(器件寿命)Lt。认为(式1)所示的A、[H2O]-n与纯水保存时相同，通过与纯水保存时的器件寿命进行比较，从而算出1mol/LCaCl2水溶液保存时的活化能，获得图21。能够读取对于由图21获得任意的器件寿命而言最低限度所需要的保存温度(冷却温度)，为了获得1周器件寿命，表明纯水保存时低于15℃，1mol/LCaCl2水溶液保存时低于25℃。此外，为了获得1个月器件寿命，表明纯水保存时小于5℃，1mol/LCaCl2水溶液保存时低于15℃。
图22为表示将薄膜器件以25℃的纯水保存，施加0.1V的电压时通过膜的电流值的图。如果通过水溶液中的保存，绝缘击穿电压下降，直至下降到0.1V以下，则即使在实施生物分子测量等那样的0.1V等低电压施加时也发生绝缘击穿。此外，有时在充满于薄膜的上下的电解液间，由于溶液槽表面的静电而产生0.1V以上的电位差，由于这样的静电的影响膜也发生绝缘击穿。如果膜内存在被绝缘击穿的孔，则0.1V施加时通过该孔而流动离子电流，因此产生1×10-10A以上的离子电流。因此，通过研究电流值是否超过1×10-10A，从而能够判别膜是否被绝缘击穿。如图22所示，伴随着时间经过，超过1×10-10A的薄膜器件增加，这表明由H2O的蚀刻导致的绝缘击穿电压逐渐减少，由静电、0.1V施加时的电压导致了绝缘击穿。由该结果也能够确认到，由于水溶液中的长期保存而绝缘击穿电压下降。
图23为将相同膜厚的薄膜器件在25℃的纯水和25℃的1mol/LCaCl2的溶液中保存2周之后，测量0.1V施加时的电流值的图。结果是纯水保存时观测到通过孔的漏电流，与此相对，1mol/LCaCl2保存时能够抑制漏电流。由该结果也能够确认到，通过使用1mol/LCaCl2，从而长寿命化。
图24为将相同膜厚的薄膜器件在25℃和4℃的纯水中保存2周之后，测量0.1V施加时的电流值的图。结果是25℃保存时观测到通过孔的漏电流，与此相对，4℃保存时能够抑制漏电流。由该结果也能够确认到，通过进一步降低保存时的温度，从而长寿命化。
图25为将相同膜厚的薄膜器件在25℃的纯水和25℃的有机溶剂(IPA和DMSO)中保存之后，测量0.1V施加时的电流值的图。保存天数各自不同，纯水保存时为3或4天，有机溶剂保存时为2个月。结果是纯水保存时观测到通过孔的漏电流，与此相对，有机溶剂保存时无论保存时间的长度如何，都能够抑制漏电流。由该结果也能够确认到，通过保存时的溶液使用有机溶剂来降低H2O浓度，从而长寿命化。
以上实验例中，例示了包含Si的膜(SiN膜)的实验结果，但众所周知，由H2O所引起的蚀刻并不限定于包含Si的膜，认为即使膜的材质为石墨烯等，石墨烯被H2O氧化而成为氧化石墨烯，不久被分解成为CO2等，因此能够应用本方法。
另外，本发明并不限定于上述实施例，各种变形例包含在内。例如，上述实施例是为了易于理解本发明进行说明而详细地说明的实施例，并不一定限定于具备说明的全部构成的实施例。此外，能够将某一实施例的构成的一部分置换成其它实施例的构成，此外，也能够在某一实施例的构成中添加其它实施例的构成。此外，对于各实施例的构成的一部分，也能够进行其它构成的追加、删除、置换。
符号说明
1：溶液，2：纳米孔，3：薄膜，4：支撑结构，11：第一槽，12：第二槽，13：第一电极，14：第二电极，15：电源装置，16：电流计，17：控制和测定装置，31：导入口和排出口，32：密封结构，41：温度调整机构，51：生物聚合物。

Claims (15)

1.一种薄膜器件保存装置，其具备：
具有包含Si的厚度100nm以下的绝缘性的薄膜的薄膜器件，
与所述薄膜接触的溶液，以及
具有将所述溶液密封的槽的容器；
所述溶液为满足下述(1)～(3)的任一条件的溶液，
(1)包含体积比0％以上30％以下的水的溶液，
(2)被冷却维持在凝固点以上且低于15℃的溶液，
(3)包含浓度1mol/L以上且饱和浓度以下的盐同时被冷却维持在凝固点以上且低于25℃的溶液。
2.根据权利要求1所述的薄膜器件保存装置，
具备具有夹持所述薄膜器件而被配置的第一槽和第二槽的容器，
所述第一槽和所述第二槽分别密封有与所述薄膜接触的所述溶液。
3.根据权利要求1所述的薄膜器件保存装置，其具有调整所述溶液的温度的机构。
4.根据权利要求1所述的薄膜器件保存装置，所述溶液为满足下述(4)～(6)的任一条件的溶液，
(4)包含体积比0％以上5％以下的水的溶液，
(5)被冷却维持在凝固点以上且小于5℃的溶液，
(6)包含浓度1mol/L以上且饱和浓度以下的盐同时被冷却维持在凝固点以上且低于15℃的溶液。
5.根据权利要求2所述的薄膜器件保存装置，
所述第一槽中以与所述溶液接触的状态配置有第一电极，
所述第二槽中以与所述溶液接触的状态配置有第二电极，
所述第一电极与所述第二电极被短路。
6.根据权利要求2所述的薄膜器件保存装置，所述薄膜的厚度为10nm以下。
7.根据权利要求2所述的薄膜器件保存装置，所述薄膜设置有直径0.1nm以上100nm以下的孔。
8.根据权利要求2所述的薄膜器件保存装置，所述第一槽和所述第二槽具有防止所述溶液挥发的密封结构。
9.一种薄膜器件的保存方法，是具有包含Si的厚度100nm以下的绝缘性的薄膜的薄膜器件的保存方法，其具有下述工序：
将所述薄膜器件进行亲水化处理的工序，以及
使被亲水化处理的所述薄膜器件与满足下述(1)～(3)的任一条件的溶液接触并保存的工序；
(1)包含体积比0％以上30％以下的水的溶液，
(2)被冷却维持在凝固点以上且低于15℃的溶液，
(3)包含浓度1mol/L以上且饱和浓度以下的盐同时被冷却维持在凝固点以上且低于25℃的溶液。
10.根据权利要求9所述的薄膜器件的保存方法，所述溶液为满足下述(4)～(6)的任一条件的溶液，
(4)包含体积比0％以上5％以下的水的溶液，
(5)被冷却维持在凝固点以上且小于5℃的溶液，
(6)包含浓度1mol/L以上且饱和浓度以下的盐的溶液同时被冷却维持在凝固点以上且低于15℃的溶液。
11.一种生物分子测量方法，其具有下述工序：
使具有包含Si的无孔的厚度100nm以下的绝缘性的薄膜的薄膜器件与满足下述(1)～(3)的任一条件的溶液接触并保存的工序，
在与溶液相接触的第一电极和与溶液相接触的第二电极之间，施加所述薄膜的绝缘击穿电压以上的电压，以在所述薄膜形成孔的工序，其中，与第一电极相接触的溶液与所述薄膜器件的一个面接触，与所述第二电极相接触的溶液与所述薄膜器件的的另一个面接触，
将生物分子导入至与所述第一电极相接触的溶液或与所述第二电极相接触的溶液的工序，以及
对于所述第一电极与所述第二电极之间施加电位差，测量所述生物分子通过所述孔期间的电流值变化来研究所述生物分子的特性的工序；
(1)包含体积比0％以上30％以下的水的溶液，
(2)被冷却维持在凝固点以上且低于15℃的溶液，
(3)包含浓度1mol/L以上且饱和浓度以下的盐的溶液同时被冷却维持在凝固点以上且低于25℃的溶液。
12.根据权利要求11所述的生物分子测量方法，所述溶液为满足下述(4)～(6)的任一条件的溶液，
(4)包含体积比0％以上5％以下的水的溶液，
(5)被冷却维持在凝固点以上且小于5℃的溶液，
(6)包含浓度1mol/L以上且饱和浓度以下的盐同时被冷却维持在凝固点以上且低于15℃的溶液。
13.根据权利要求11所述的生物分子测量方法，
所述溶液为满足所述(2)或(3)的条件的溶液，
即使在所述薄膜形成孔的工序中也不改变所述溶液的冷却条件来形成孔。
14.根据权利要求11所述的生物分子测量方法，在所述薄膜形成孔的工序之前，具有下述工序：
将所述溶液用包含浓度100mmol/L以上且饱和浓度以下的盐的溶液进行置换的工序。
15.根据权利要求11所述的生物分子测量方法，所述薄膜的厚度为10nm以下。
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