DE112016005255B4

DE112016005255B4 - Biomolekülmesseinrichtung

Info

Publication number: DE112016005255B4
Application number: DE112016005255.3T
Authority: DE
Inventors: Rena Akahori; Kenichi Takeda; Itaru Yanagi
Original assignee: Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2023-06-15
Anticipated expiration: 2036-11-30
Also published as: US20180372712A1; CN108368466A; JPWO2017104398A1; GB2560668B; GB201809149D0; CN108368466B; US10753922B2; GB2560668A; DE112016005255T5; WO2017104398A1; JP6826047B2

Abstract

Biomolekülmessvorrichtung (100), die umfasst:einen ersten Flüssigkeitstank (131), der mit einer Elektrolytlösung (102) gefüllt ist;einen zweiten Flüssigkeitstank (132), der mit der Elektrolytlösung (102) gefüllt ist;eine Nanoporenvorrichtung (101), die einen Dünnfilm (113) mit einer Nanopore (112) abstützt und zwischen dem ersten Flüssigkeitstank (131) und dem zweiten Flüssigkeitstank (132) vorgesehen ist, um den ersten Flüssigkeitstank (131) mit dem zweiten Flüssigkeitstank (132) durch die Nanoporen (112) in Verbindung zu bringen;ein Immobilisierungselement (107), das im ersten Flüssigkeitstank (131) angeordnet ist, eine Größe aufweist, die größer ist als jene des Dünnfilms (113), und an dem Biomoleküle immobilisiert werden;einen Antriebsmechanismus (105), der das Immobilisierungselement (107) in einer Richtung näher zum Dünnfilm (113) oder von diesem weg antreibt;eine erste Elektrode (103a), die im ersten Flüssigkeitstank (131) vorgesehen ist;eine zweite Elektrode (103b), die im zweiten Flüssigkeitstank (132) vorgesehen ist;einen Stoppmechanismus (114), der einen Kontakt zwischen dem Immobilisierungselement (107) und dem Dünnfilm (113) verhindert;eine Leistungsversorgung (104), die eine Spannung zwischen der ersten Elektrode (103a) und der zweiten Elektrode (103b) anlegt; undeine Messeinheit (109, 110), die einen lonenstrom misst, der zwischen der ersten Elektrode (103a) und der zweiten Elektrode (103b) fließt,wobei die Nanoporenvorrichtung (101) und/oder das Immobilisierungselement (107) in einer Region eine Nutstruktur aufweisen, in der die Nanoporenvorrichtung (101) und das Immobilisierungselement (107) einander gegenüberliegen, unddie Messeinheit (109, 110) Sequenzinformationen über die Biomoleküle durch einen lonenstrom erfasst, der gemessen wird, wenn die am Immobilisierungselement (107) immobilisierten Biomoleküle durch die Nanoporen (112) hindurchgehen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Biomolekülmessvorrichtung unter Verwendung einer Nanopore.
Stand der Technik
Als DNA-Sequenzanalysator der nächsten Generation hat ein Verfahren zum elektrischen direkten Messen einer DNA-Basensequenz ohne Elongationsreaktion und Fluoreszenzmarker Aufmerksamkeit erregt. Um das obige Messverfahren auszuführen, wurde die Forschung und Entwicklung eines Nanoporen-DNA-Sequenzanalyseverfahrens zum direkten Messen eines DNA-Fragments ohne die Verwendung eines Reagens, um die Basensequenz zu bestimmen, aktiv vorangebracht. Das obige Verfahren basiert auf einem Prinzip, dass, wenn eine DNA-Kette durch eine Nanopore hindurchgeht, eine Differenz der individuellen Basentypen, die in der DNA-Kette enthalten sind, durch einen Sperrstrombetrag direkt gemessen wird, um die Basentypen sequentiell zu identifizieren. Da die Amplifikation einer Matrizen-DNA durch ein Enzym nicht ausgeführt wird und keine Markierungssubstanzen wie z. B. Fluoreszenzsubstanzen verwendet werden, wird erwartet, dass das obige Verfahren zu einem hohen Durchsatz, geringen Betriebskosten und einer Decodierung von langen Basenlängen führt.
Eine der Herausforderungen des Nanoporenverfahrens ist die Transportsteuerung der DNA, die durch die Nanopore hindurchgeht. Um eine Differenz zwischen den individuellen Basentypen, die in der DNA-Kette enthalten sind, gemäß dem Sperrstrombetrag zu messen, ist es denkbar, dass eine Nanoporendurchgangsgeschwindigkeit der DNA auf 100 µs oder mehr pro Base gemäß einem Stromrauschen zur Zeit der Messung und einer Zeitkonstante der Schwankung von DNA-Molekülen festgelegt wird. Wenn DNA unter Verwendung der Nanopore sequenzanalysiert wird, wird ein Potentialgradient unter Verwendung von Elektroden gebildet, die über und unter der Nanopore angeordnet sind, und die DNA mit einer negativen Ladung wird durch die Nanopore hindurch gelassen. Die Nanoporendurchgangsgeschwindigkeit der DNA ist jedoch gewöhnlich nicht langsamer als 1 µs oder weniger pro Base, was es schwierig macht, den von jeder Base abgeleiteten Sperrstrom ausreichend zu messen.
Als eines der Transportsteuerverfahren wird das zu lesende DNA-Ende an einem Vorderende einer immobilisierten Sonde immobilisiert und eine winzige Verlagerung der immobilisierten Sonde wird durch einen externen Antriebsmechanismus (Motor und Piezoelement) gesteuert, um dadurch die Bewegung der DNA, die durch die Nanopore hindurchgeht, zu steuern. Weitere Systeme zur DNA-Sequenzierung mittels des Syntheseansatzes werden in US 2002/102586 A1 und US 2003/027140 A1 offenbart.
Entgegenhaltungsliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: US 2006/0057585 A1 , Patentliteratur 2: US 2002/102586 A1 , Patentliteratur 3: US 2003/027140 A1
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Ein Signal, das durch die Biomolekülmessvorrichtung unter Verwendung einer Nanoporenvorrichtung gemessen wird, ist ein rechteckiges Treppensignal, das unterschiedliche Pegel in Abhängigkeit von dem Typ von Monomermolekül zeigt, das das Biomolekül konfiguriert. Eine Signalantwortgeschwindigkeit der Biomolekülmessvorrichtung ist durch einen Lösungswiderstand (R_L) einer Elektrolytlösung, die in die Nähe der Nanoporenvorrichtung gefüllt ist, eine Kapazität (C_S) der Nanoporenvorrichtung und einen Durchgangswiderstand (R_g), der durch die Größe einer schmalen Region definiert ist, der durch die Annäherung der Nanoporenvorrichtung und einer festen Sonde verursacht wird, definiert.
In der Biomolekülmessvorrichtung wird, wenn das Biomolekül analysiert wird, veranlasst, dass die Nanoporenvorrichtung und die feste Sonde sich einander nähern. Ein Abstand zwischen der Nanoporenvorrichtung und der festen Sonde nimmt mit der Annäherung ab, was zu einer Erhöhung des Durchgangswiderstandes führt. Dies bedeutet eine Verringerung einer Signalzeitkonstante, was zum Abstumpfen einer erfassten Signalwellenform und einer Verringerung des SN führt.
Folglich schafft die vorliegende Erfindung eine Technik zum Verringern eines Durchgangswiderstandes einer Lösung und zum Verhindern einer Verringerung der Zeitkonstante.
Lösung für das Problem
Um das obige Problem zu lösen, schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden einer Nutstruktur in einem Immobilisierungselement (feste Sonde) und/oder einer Nanoporenvorrichtung in einer Biomolekülmessvorrichtung vor, um eine Erhöhung des Durchgangswiderstandes zu verringern.
Um das obige Problem zu lösen, wird beispielsweise die in den Ansprüchen definierte Konfiguration übernommen. Die vorliegende Erfindung umfasst mehrere Mittel zum Lösen der vorstehend beschriebenen Probleme. Beispielsweise wird eine Biomolekülmessvorrichtung geschaffen, die umfasst: einen ersten Flüssigkeitstank, der mit einer Elektrolytlösung gefüllt ist; einen zweiten Flüssigkeitstank, der mit der Elektrolytlösung gefüllt ist; eine Nanoporenvorrichtung, die einen Dünnfilm mit einer Nanopore abstützt und zwischen dem ersten Flüssigkeitstank und dem zweiten Flüssigkeitstank vorgesehen ist, um den ersten Flüssigkeitstank und den zweiten Flüssigkeitstank durch die Nanoporen in Verbindung zu bringen; ein Immobilisierungselement, das im ersten Flüssigkeitstank angeordnet ist, eine größere Größe als jene des Dünnfilms aufweist und an dem Biomoleküle immobilisiert werden; einen Antriebsmechanismus, der das Immobilisierungselement in einer Richtung näher zum Dünnfilm oder weiter von diesem weg antreibt; eine erste Elektrode, die im ersten Flüssigkristallstank vorgesehen ist; eine zweite Elektrode, die im zweiten Flüssigkeitstank vorgesehen ist; einen Stoppmechanismus, der einen Kontakt zwischen dem Immobilisierungselement und dem Dünnfilm verhindert; eine Leistungsversorgung, die eine Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode anlegt; und eine Messeinheit, die einen lonenstrom misst, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließt, wobei die Nanoporenvorrichtung und/oder das Immobilisierungselement eine Nutstruktur in einer Region aufweisen, in der die Nanoporenvorrichtung und das Immobilisierungselement einander gegenüberliegen, und die Messeinheit Sequenzinformationen über die Biomoleküle durch einen lonenstrom erfasst, der gemessen wird, wenn die am Immobilisierungselement immobilisierten Biomoleküle durch die Nanoporen hindurchgehen.
Gemäß einem anderen Beispiel wird eine Biomolekülmessvorrichtung geschaffen, die umfasst: einen ersten Flüssigkeitstank, der mit einer Elektrolytlösung gefüllt ist; einen zweiten Flüssigkeitstank, der mit der Elektrolytlösung gefüllt ist; eine Nanoporenvorrichtung, die einen Dünnfilm mit einer Nanopore abstützt und zwischen dem ersten Flüssigkeitstank und dem zweiten Flüssigkeitstank vorgesehen ist, um den ersten Flüssigkeitstank mit dem zweiten Flüssigkeitstank durch die Nanoporen in Verbindung zu bringen; eine erste Elektrode, die im ersten Flüssigkeitstank vorgesehen ist; eine zweite Elektrode, die im zweiten Flüssigkeitstank vorgesehen ist; eine Leistungsversorgung, die eine Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode anlegt; und eine Messeinheit, die einen lonenstrom misst, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließt, wobei der erste Flüssigkeitstank einen Mikroströmungspfad in einer Region in der Nähe der Nanoporen aufweist, die Nanoporenvorrichtung eine Nutstruktur aufweist und die Messeinheit Sequenzinformationen über die Biomoleküle durch einen lonenstrom erfasst, der gemessen wird, wenn die Biomoleküle durch die Nanoporen hindurchgehen.
Gemäß einem anderen Beispiel wird ein Immobilisierungselement zum Immobilisieren der Biomoleküle in einer Biomolekülmessvorrichtung geschaffen, wobei eine Nutstruktur auf einer Oberfläche des Immobilisierungselements ausgebildet ist.
Gemäß einem anderen Beispiel wird eine Nanoporenvorrichtung für eine Biomolekülmessvorrichtung geschaffen, die umfasst: einen Dünnfilm mit einer Nanopore; und ein Raumdefinitionselement, das außerhalb des Dünnfilms vorgesehen ist und einen Raum um die Nanopore definiert, wobei das Raumdefinitionselement eine Nutstruktur aufweist.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Durchgangswiderstand der Lösung verringert werden und eine Verringerung der Zeitkonstante kann verhindert werden. Zusätzliche Eigenschaften in Bezug auf die vorliegende Erfindung werden aus der Beschreibung der vorliegenden Patentbeschreibung und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Außerdem werden die anderen Probleme, Konfigurationen und Vorteile als die vorstehend beschriebenen durch die Beschreibung des folgenden Beispiels verdeutlicht.
Figurenliste

1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Konfigurationsbeispiel einer Biomolekülmessvorrichtung darstellt.
2 ist ein erläuterndes Diagramm einer Ersatzschaltung einer Nanoporenvorrichtung und eines Umgebungsmechanismus.
3 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Abstand zwischen einem Immobilisierungselement und der Nanoporenvorrichtung und eine Beziehung zwischen einem Lösungswiderstand und einem Durchgangswiderstand zeigt.
4 zeigt ein schematisches Signaldiagramm, wenn das Immobilisierungselement nahe an die Nanoporenvorrichtung gebracht wird und danach das Immobilisierungselement von der Nanoporenvorrichtung getrennt wird.
5 ist ein Diagramm, das einen Bereich darstellt, in dem eine Nut vorgesehen ist.
6 ist ein Diagramm, das einen Bereich darstellt, in dem die Nut vorgesehen ist.
7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Konfiguration darstellt, in der ein Antriebsmechanismus das Immobilisierungselement in einer Position geringfügig über der Nanoporenvorrichtung stoppt.
8 ist eine Draufsicht eines Immobilisierungselements im Fall einer Konfiguration von 7.
9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Konfiguration zeigt, in der der Antriebsmechanismus das Immobilisierungselement mit der Nanoporenvorrichtung in Kontakt bringt.
10 ist eine Draufsicht des Immobilisierungselements im Fall der Konfiguration von 9.
11 ist ein Beispiel einer Nutstruktur.
12 ist ein Beispiel einer Nutstruktur.
13 ist ein Beispiel einer Nutstruktur.
14 ist ein Diagramm, das einen Durchgangswiderstand R in einer herkömmlichen Konfiguration darstellt, in der keine Nutstruktur ausgebildet ist.
15 ist ein Diagramm, das einen Durchgangswiderstand R in einer herkömmlichen Konfiguration darstellt, in der keine Nutstruktur ausgebildet ist.
16 ist ein Diagramm, das den Durchgangswiderstand in einer Konfiguration mit der Nutstruktur darstellt.
17 ist ein Diagramm, das den Durchgangswiderstand in einer Konfiguration mit der Nutstruktur darstellt.
18 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Nuttiefe und einem Lösungswiderstand zeigt, wenn eine Beziehung zwischen einer Nutbreite und einer Nutteilung geändert wird.
19 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel eines elektrischen Feldes, das um die Nanopore erzeugt wird, und einer Einführung des Biomoleküls in die Nanopore darstellt.
20 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel des elektrischen Feldes, das um die Nanopore erzeugt wird, und der Einführung des Biomoleküls in die Nanopore, darstellt.
21 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration der Nut darstellt, wenn kein Positionierungsmechanismus zwischen der Nut und der Nanoporenvorrichtung vorhanden ist.
22 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration der Nut darstellt, wenn kein Positionierungsmechanismus zwischen der Nut und der Nanoporenvorrichtung vorhanden ist.
23 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration der Nut darstellt, wenn sich ein Positionierungsmechanismus zwischen der Nut und der Nanoporenvorrichtung befindet.
24 ist eine Ansicht zum Erläutern einer Konfiguration der Nut, wenn sich der Positionierungsmechanismus zwischen der Nut und der Nanoporenvorrichtung befindet.
25 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Immobilisierungselements mit einer Nutstruktur darstellt.
26 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Immobilisierungselements mit der Nutstruktur darstellt.
27 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Immobilisierungselements mit der Nutstruktur darstellt.
28 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zum Ausbilden der Nutstruktur im Immobilisierungselement darstellt.
29 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Verfahrens zum Ausbilden der Nutstruktur im Immobilisierungselement darstellt.
30 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Verfahrens zum Ausbilden der Nutstruktur im Immobilisierungselement darstellt.
31 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Verfahrens zum Ausbilden der Nutstruktur im Immobilisierungselement darstellt.
32 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Verfahrens zum Ausbilden der Nutstruktur im Immobilisierungselement darstellt.
33 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zum Ausbilden der Nutstruktur in der Nanoporenvorrichtung darstellt.
34 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Verfahrens zum Ausbilden der Nutstruktur in der Nanoporenvorrichtung darstellt.
35 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Verfahrens zum Ausbilden der Nutstruktur in der Nanoporenvorrichtung darstellt.
36 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Verfahrens zum Ausbilden der Nutstruktur in der Nanoporenvorrichtung darstellt.
37 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Verfahrens zum Ausbilden der Nutstruktur in der Nanoporenvorrichtung darstellt.
38 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zum Vorbereiten eines konkaven Abschnitts und eines konvexen Abschnitts der Nutstruktur, die aus verschiedenen Materialien bestehen, darstellt.
39 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Verfahrens zum Vorbereiten des konkaven Abschnitts und des konvexen Abschnitts der Nutstruktur, die aus verschiedenen Materialien bestehen, darstellt.
40 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Verfahrens zum Vorbereiten des konkaven Abschnitts und des konvexen Abschnitts der Nutstruktur, die aus verschiedenen Materialien bestehen, darstellt.
41 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zum Immobilisieren von mehreren Typen von Biomolekülen am Immobilisierungselement darstellt.
42 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Verfahrens zum Immobilisieren der mehreren Typen von Biomolekülen am Immobilisierungselement darstellt.
43 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Verfahrens zum Immobilisieren der mehreren Typen von Biomolekülen am Immobilisierungselement darstellt.
44 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Verfahrens zum Immobilisieren der mehreren Typen von Biomolekülen am Immobilisierungselement darstellt.
45 ist ein Diagramm, das ein erstes Beispiel eines Mechanismus zum Einstellen einer Positionsbeziehung zwischen der Nanoporenvorrichtung und dem Immobilisierungselement darstellt.
46 ist ein Diagramm, das ein zweites Beispiel des Mechanismus zum Einstellen der Positionsbeziehung zwischen der Nanoporenvorrichtung und dem Immobilisierungselement darstellt.
47 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Konfigurationsbeispiel einer Biomolekülmessvorrichtung ohne Verwendung des Immobilisierungselements darstellt.
48 ist eine Draufsicht der Biomolekülmessvorrichtung ohne Verwendung des Immobilisierungselements.
49 ist ein schematisches Diagramm, das ein erstes Beispiel einer Prozedur zum Binden der Biomoleküle an das Immobilisierungselement und einer Prozedur zum Installieren des Immobilisierungselements in der Biomolekülmessvorrichtung darstellt.
50 ist ein schematisches Diagramm, das das erste Beispiel der Prozedur zum Binden der Biomoleküle an das Immobilisierungselement und der Prozedur zum Installieren des Immobilisierungselements in der Biomolekülmessvorrichtung darstellt.
51 ist ein schematisches Diagramm, das das erste Beispiel der Prozedur zum Binden der Biomoleküle an das Immobilisierungselement und der Prozedur zum Installieren des Immobilisierungselements in der Biomolekülmessvorrichtung darstellt.
52 ist eine schematische Ansicht, die ein zweites Beispiel der Prozedur zum Binden der Biomoleküle an das Immobilisierungselement darstellt.
53 ist eine schematische Ansicht, die das zweite Beispiel der Prozedur zum Binden der Biomoleküle an das Immobilisierungselement darstellt.
54 ist ein schematisches Diagramm, das eine Antriebsprozedur des Immobilisierungselements darstellt.
55 ist ein schematisches Diagramm, das die Antriebsprozedur des Immobilisierungselements darstellt.
56 ist ein schematisches Diagramm, das die Antriebsprozedur des Immobilisierungselements darstellt.
57 ist ein schematisches Diagramm, das die Antriebsprozedur des Immobilisierungselements darstellt.
58 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel der Bindung durch einen Linker darstellt.
59 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel der Detektion eines lonenstromsignals darstellt.
60 ist eine schematische Ansicht, die ein erstes Beispiel eines Stoppmechanismus zum Verhindern eines Kontakts zwischen dem Immobilisierungselement und einem Dünnfilm darstellt.
61 ist eine schematische Ansicht, die ein zweites Beispiel des Stoppmechanismus zum Verhindern des Kontakts zwischen dem Immobilisierungselement und dem Dünnfilm darstellt.
62 ist eine schematische Ansicht, die das zweite Beispiel des Stoppmechanismus zum Verhindern des Kontakts zwischen dem Immobilisierungselement und dem Dünnfilm darstellt.
63 ist eine schematische Ansicht, die ein drittes Beispiel des Stoppmechanismus zum Verhindern des Kontakts zwischen dem Immobilisierungselement und dem Dünnfilm darstellt.
64 ist eine schematische Ansicht, die das dritte Beispiel des Stoppmechanismus zum Verhindern des Kontakts zwischen dem Immobilisierungselement und dem Dünnfilm darstellt.
65 ist eine schematische Draufsicht, die ein Elektrodenanordnungsbeispiel an der Nanoporenvorrichtung darstellt.
66 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Gegenelektrode in dem Elektrodenanordnungsbeispiel an der Nanoporenvorrichtung darstellt.
67 ist eine schematische Draufsicht, die das Elektrodenanordnungsbeispiel an der Nanoporenvorrichtung darstellt.
68 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Abstand h zwischen einem Biomolekülimmobilisierungselement und der Nanoporenvorrichtung und einem Strombetrag zeigt.
69 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel der Biomolekülmessvorrichtung mit einem Biomolekülvorziehmechanismus darstellt.
70 ist eine schematische Querschnittsansicht, die das Beispiel der Biomolekülmessvorrichtung mit dem Biomolekülvorziehmechanismus darstellt.
71 ist ein Diagramm, das die Biomolekülmessvorrichtung mit dem Biomolekülvorziehmechanismus darstellt, das eine vergrößerte Ansicht der Umgebung der Nanopore ist.
72 ist ein Diagramm, das die Biomolekülmessvorrichtung mit dem Biomolekülvorziehmechanismus darstellt, das eine vergrößerte Ansicht der Umgebung der Nanopore ist.
73 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel der Biomolekülmessvorrichtung mit dem Biomolekülvorziehmechanismus darstellt.
74 ist ein Diagramm, das die Biomolekülmessvorrichtung mit dem Biomolekülvorziehmechanismus darstellt, das eine vergrößerte Ansicht der Umgebung der Nanopore ist.
75 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel eines Signals darstellt, das von einer Spitze des Biomoleküls gelesen wird.
76 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Teils der Biomolekülmessvorrichtung und eine schematische Draufsicht des Antriebsmechanismus.
77 ist eine vergrößerte Ansicht der Umgebung der Nanopore, die eine Analyse von mehreren Biomolekülen darstellt.
78 ist eine vergrößerte Ansicht der Umgebung der Nanopore, die die Analyse von mehreren Biomolekülen darstellt.
79 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Beispiel eines Verfahrens zum Lesen einer DNA-Basensequenz darstellt.
80 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein erstes Beispiel einer Biomolekülmessvorrichtung mit parallelisierten Nanoporenvorrichtungen darstellt.
81 ist eine schematische Querschnittsansicht, die das erste Beispiel der Biomolekülmessvorrichtung mit den parallelisierten Nanoporenvorrichtungen darstellt.
82 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein zweites Beispiel der Biomolekülmessvorrichtung mit parallelisierten Nanoporenvorrichtungen darstellt.
83 ist eine schematische Querschnittsansicht, die das zweite Beispiel der Biomolekülmessvorrichtung mit parallelisierten Nanoporenvorrichtungen darstellt.
84 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein drittes Beispiel der Biomolekülmessvorrichtung mit parallelisierten Nanoporenvorrichtungen darstellt.
85 ist eine schematische Querschnittsansicht, die das dritte Beispiel der Biomolekülmessvorrichtung mit parallelisierten Nanoporenvorrichtungen darstellt.
86 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Messprozedur unter Verwendung von magnetischen Kügelchen darstellt.
87 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die Messprozedur unter Verwendung der magnetischen Kügelchen darstellt.
88 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die Messprozedur unter Verwendung der magnetischen Kügelchen darstellt.
89 sind Diagramme, die einen Zustand der Beseitigung eines Sperrstroms darstellen, der dem Antrieb des Biomolekülimmobilisierungselements zugeordnet ist.
90 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Bewegungsgeschwindigkeit des Biomolekülimmobilisierungselements und einer DNA-Antriebszeit zeigt.
91 ist ein Diagramm, das ein lonenstromspurenbeispiel eines dualen Polymermischmoleküls ((dA50dC50)m) darstellt.
92 ist ein Diagramm, das ein Biomolekülimmobilisierungselement mit einem porösen Materialabschnitt darstellt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Beispiele der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Die begleitenden Zeichnungen zeigen spezielle Beispiele gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, aber diese Zeichnungen dienen für das Verständnis der vorliegenden Erfindung und sollten nicht verwendet werden, um die vorliegende Erfindung in einer begrenzten Weise zu interpretieren. Dieselben Bezugszeichen können gemeinsamen Konfigurationen in den jeweiligen Figuren gegeben sein.
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Eine Nanopore, die in den jeweiligen Beispielen beschrieben wird, ist ein Loch mit Nanogröße, das durch vordere und hintere Oberflächen durchdringt, die in einem Dünnfilm vorgesehen sind. Der Dünnfilm besteht aus beispielsweise SiN, SiO₂, Graphen, Graphit, Si oder dergleichen, kann jedoch auch aus einer organischen Substanz, einem Polymermaterial und so weiter bestehen. Ein Nanoporendünnfilm mit der Nanopore ist in einem Teil einer Nanoporenvorrichtung ausgebildet und weist eine Struktur auf, in der eine Kante des Nanoporendünnfilms durch die Nanoporenvorrichtung ohne Vorsehen von Stützfilmen an oberen und unteren Abschnitten des Nanoporendünnfilms abgestützt ist, so dass der Dünnfilm in der Luft schwebt. Biomoleküle, auf die in der vorliegenden Patentbeschreibung Bezug genommen wird, umfassen Nukleinsäuren, Proteine, Aminosäuren, langkettige Polymere und dergleichen.
<Beispiel 1>
Eine Biomolekülmessvorrichtung mit einem Transportsteuermechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung und ein Beispiel einer Sequenzlesung der Biomoleküle unter Verwendung der Biomolekülmessvorrichtung werden beschrieben. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Konfigurationsbeispiel der Biomolekülmessvorrichtung darstellt.
Eine Biomolekülmessvorrichtung 100 gemäß dem vorliegenden Beispiel weist zwei, einen oberen und einen unteren Flüssigkeitstank 131 und 132 auf, die durch eine Nanoporenvorrichtung (auch als Nanoporensubstrat bezeichnet) 101 getrennt sind. Jeder der Flüssigkeitstanks 131 und 132 ist mit einer Elektrolytlösung 102 gefüllt. Die Elektrolytlösung umfasst KCl, NaCl, LiCl, CsCl, MgCl₂ oder dergleichen. Außerdem kann Harnstoff von 4M oder mehr, DMSO, DMF und NaOH in die Lösung für den Zweck einer Verringerung einer komplementären Kettenselbstbildung der Biomoleküle eingemischt sein. Um die Biomoleküle zu stabilisieren, kann auch ein Puffermittel in die Lösung eingemischt sein. Das Puffermittel umfasst Tris, EDTA, PBS und dergleichen.
Ein Dünnfilm 113 ist auf der Nanoporenvorrichtung 101 gebildet und eine Nanopore 112 ist in irgendeiner Position im Dünnfilm 113 ausgebildet. Die zwei oberen und unteren Flüssigkeitstanks 131 und 132 stehen durch die Nanopore 112 des Dünnfilms 113, der durch die Nanoporenvorrichtung 110 abgestützt ist, miteinander in Verbindung. Ag/AgCI-Elektroden 103a und 103b sind in den zwei Flüssigkeitstanks 131 und 132 angeordnet, so dass sie mit der Elektrolytlösung 102 in Kontakt kommen, und eine Leistungsversorgung 104 und ein Strommesser 109 sind zwischen den Elektroden 103a und 103b verbunden. Der Strommesser 109 ist mit einem ADC (nicht gezeigt) und einem PC 110 verbunden. Der PC 110 kann einen erfassten Stromwert aufzeichnen. Andererseits ist ein Antriebsmechanismus 105 im oberen Flüssigkeitstank 131 installiert und ist mit einer Antriebsmechanismus-Steuereinheit 106 verbunden. Ein Biomolekülimmobilisierungselement (nachstehend einfach als Immobilisierungselement bezeichnet) 107 ist mit dem Antriebsmechanismus 105 durch ein Verbindungselement 111 gekoppelt. Das Immobilisierungselement 107 ist in der Draufsicht in der Größe größer als der Dünnfilm 113. Biomoleküle 108 werden an einer flachen unteren Oberfläche des Immobilisierungselements 107 immobilisiert.
Wenn das Immobilisierungselement 107 mit dem Dünnfilm 113 in Kontakt kommt, in dem die Nanopore 112 vorgesehen ist, kann der Dünnfilm 113 zerstört werden. Aus diesem Grund ist ein Stoppmechanismus vorgesehen, um einen Kontakt zwischen dem Immobilisierungselement 107 und dem Dünnfilm 113 zu verhindern, wenn das Immobilisierungselement 107, das durch den Antriebsmechanismus 105 angetrieben wird, sich in Richtung der Nanoporenvorrichtung 101 absenkt. Der Stoppmechanismus gemäß dem vorliegenden Beispiel ist durch ein Raumbereitstellungselement 114 konfiguriert, das einen Umfang der Nanoporenvorrichtung 101 außerhalb des Dünnfilms 113 wie eine Bank umgibt und einen Raum zwischen dem Immobilisierungselement 107 und dem Dünnfilm 113 bereitstellt. Der Dünnfilm 113 mit der Nanopore 112 wird in einem kreisförmigen Raum angeordnet, der in der Mitte des Raumbereitstellungselements 114 vorgesehen ist. Eine Abmessung des Dünnfilms 113 in der Draufsicht ist kleiner als die Abmessung des Immobilisierungselements 107. Daher stößt das Immobilisierungselement 107, das sich in Richtung der Nanoporenvorrichtung 101 bewegt, mit dem Raumbereitstellungselement 114 zusammen und stoppt, bevor es mit dem Dünnfilm 113 in Kontakt kommt. Folglich wird der Dünnfilm 113 nicht durch den Kontakt des Immobilisierungselements 107 mit dem Dünnfilm 113 zerstört.
Da die Abmessung des Dünnfilms 113 einen Bereich bereitstellen muss, der es schwierig macht, dass zwei oder mehr Löcher zur Zeit der Bereitstellung des Lochs durch eine Dünnfilmstärke und Spannungsanlegen bereitgestellt werden, ist es bevorzugt, dass eine Länge einer Seite (eine Seitenlänge, wenn der Dünnfilm 113 rechteckig ist, und ein Durchmesser, wenn der Dünnfilm 113 kreisförmig ist), etwa 100 bis 500 nm sein kann. Um eine DNA-Einzelbasenauflösung zu erreichen, ist die Dicke, die in der Lage ist, die Nanopore 112 mit einer effektiven Filmdicke äquivalent zu einer Base bereitzustellen, geeigneterweise etwa 1 nm. Die Dicke des Raumbereitstellungselements 114 ist geeigneterweise etwa 200 bis 500 nm in Anbetracht der Aufrechterhaltung der Stärke des Dünnfilms 113 und in Anbetracht einer Schwankung einer immobilisierten Höhe der Biomoleküle auf der Oberfläche des Immobilisierungselements 107. Im vorliegenden Beispiel ist die Abmessung des Dünnfilms 113 500 nm im Durchmesser und die Filmdicke des Raumbereitstellungselements 114 ist 250 nm.
In einem Sperrstrommessverfahren werden Basenspezies, die die DNA konfigurieren, gemäß einer Widerstandsänderung identifiziert, wenn die DNA durch die Nanopore 112 hindurchgeht. Es wird angenommen, dass eine Signaländerung, die zur dieser Zeit erhalten wird, rechteckig ist.
2 zeigt eine Ersatzschaltung der Nanoporenvorrichtung und einer umliegenden Umgebung der Nanoporenvorrichtung. In 2 ist das Bezugszeichen 201 ein Porenwiderstand R_p, 202 ist ein kombinierter Widerstand (R_L + R_g) eines Lösungswiderstandes und eines Durchgangswiderstandes und 203 ist eine Nanoporenvorrichtungskapazität C_s.
Eine Zeitkonstante eines Signals in einem System, das in der Figur gezeigt ist, wird wie folgt ausgedrückt. $τ = (R_{L} + R_{g}) C_{s}$
Im obigen Ausdruck ist R_g = L/σWh erfüllt.
Wenn das Immobilisierungselement 107 näher an die Nanoporenvorrichtung 101 kommt, steigt, da ein Wert von h abnimmt, der Lösungswiderstand an. 3 zeigt eine Beziehung zwischen h und einem Widerstand (R_L + R_g), wenn L = W erfüllt ist, zur Vereinfachung. Es kann verständlich sein, dass, wenn ein Abstand zwischen dem Immobilisierungselement 107 und der Nanoporenvorrichtung 101 300 nm erreicht, ein Gesamtlösungswiderstand von 2 Ziffern auf 3 Ziffern ansteigt. Aus diesem Grund wird, wie in 4 gezeigt, wenn das Immobilisierungselement 107 und die Nanoporenvorrichtung 101 am nächsten zueinander kommen, das Signal abgestumpft.
Eine Zeitkonstante des Signals muss 10 µs oder weniger von einer Beziehung zwischen einer Nanoporendurchgangsgeschwindigkeit der DNA und einer Reaktionsgeschwindigkeit eines Detektors sein. Mit anderen Worten, es ist erforderlich, dass, wenn eine Substratkapazität Cs 600 µF ist, R_g 100 kΩ ist.
Nachstehend wird eine Konfiguration zum Verringern einer Erhöhung des vorstehend beschriebenen Widerstandes beschrieben. Um die Erhöhung des Widerstandes zu verringern, weisen die Nanoporenvorrichtung 101 und/oder das Immobilisierungselement 107 eine Nutstruktur in einem Bereich auf, in dem die Nanoporenvorrichtung 101 und das Immobilisierungselement 107 einander gegenüberliegen.
In diesem Beispiel muss die Nutstruktur mit der Elektrolytlösung 102 in Kontakt kommen und ist in einer Region ausgebildet, in der die Nanoporenvorrichtung 101 und das Immobilisierungselement 107 in der Elektrolytlösung einander gegenüberliegen. Eine Nut kann in einer konkav-konvexen Struktur ausgebildet sein oder kann mit einer Lochstruktur ausgebildet sein, die das Immobilisierungselement 107 durchdringt.
5 und 6 sind Diagramme, die den Bereich, in dem die Nuten vorgesehen sind, genauer darstellen. Die mehreren Nuten 115 sind in einem Bereich vorgesehen, in dem die Nanoporenvorrichtung 101 und das Immobilisierungselement 107 einander gegenüberliegen (ein Bereich, der durch gestrichelte Linien in 5 und 6 angegeben ist). 5 zeigt ein Beispiel, in dem die mehreren Nuten 115 nur im Immobilisierungselement 107 vorgesehen sind. Wenn die Nuten 115 nur im Immobilisierungselement 107 vorgesehen sind, kann ein Herstellungsverfahren vereinfacht werden und die Kosten können verringert werden im Vergleich zu einem Fall, in dem die Nuten 115 in der Nanoporenvorrichtung 101 vorgesehen sind. 6 zeigt ein Beispiel, in dem die mehreren Nuten 115 nur in der Nanoporenvorrichtung 101 vorgesehen sind.
Wenn die Nanoporenvorrichtung 101 vollständig mit dem Immobilisierungselement 107 in Kontakt kommt, müssen ein Umgebungsraum (beispielsweise ein Raum 121 in 1) der Nanopore 112 und ein Raum (beispielsweise ein Raum 122 auf einer Oberflächenseite der Seite des Immobilisierungselements 107 in 1) in einer Region, in der die Nanoporenvorrichtung 101 und das Immobilisierungselement 107 nicht einander gegenüberliegen, miteinander in elektrischen Kontakt kommen. Solange die obigen Anforderungen erfüllt sind, muss die Nutstruktur nicht kontinuierlich ausgebildet sein. Diese Konfiguration wird mit Bezug auf die folgenden Beispiele beschrieben.
7 zeigt ein Beispiel einer Konfiguration, in der das Immobilisierungselement 107 in einer Position geringfügig über der Nanoporenvorrichtung 101 gestoppt wird, wenn das Immobilisierungselement 107 sich in Richtung der Nanoporenvorrichtung 101 absenkt. 8 ist eine Draufsicht des Immobilisierungselements 107 in dem Fall der Konfiguration in 7. Wie in 7 gezeigt, steuert der Antriebsmechanismus 105 das Immobilisierungselement 107, um es in der Position geringfügig über der Nanoporenvorrichtung 101 zu stoppen (ein relativer Abstand zwischen der Immobilisierungselement 107 und der Nanoporenvorrichtung 101 ist nicht O). In der vorstehend beschriebenen Konfiguration müssen sich die Nuten 115 nicht so erstrecken, dass sie eine Kante des Immobilisierungselements 107 erreichen (8). Mit anderen Worten, die Nuten 115 müssen nicht kontinuierlich über einem ganzen Bereich vorgesehen sein, in dem die Vorrichtung 101 und das Immobilisierungselement 107 einander gegenüberliegen. In diesem Fall kann eine Region, in der die Nuten 115 teilweise vorgesehen sind, in dem Bereich vorhanden sein, in dem die Nanoporenvorrichtung 101 und das Immobilisierungselement 107 einander gegenüberliegen.
9 zeigt ein Beispiel einer Konfiguration, in der das Immobilisierungselement 107 mit der Nanoporenvorrichtung 101 in Kontakt kommt, wenn das Immobilisierungselement 107 sich in Richtung der Nanoporenvorrichtung 101 absenkt. 10 ist eine Draufsicht des Immobilisierungselements 107 in dem Fall der Konfiguration von 9. Wie in 9 gezeigt, wenn der Antriebsmechanismus 105 das Immobilisierungselement 107 in Richtung der Nanoporenvorrichtung 101 absenkt, kommt das Immobilisierungselement 107 vollständig mit der Nanoporenvorrichtung 101 in Kontakt (ein relativer Abstand zwischen dem Immobilisierungselement 107 und der Nanoporenvorrichtung 101 ist 0). In einer solchen Konfiguration müssen sich, um die obige Anforderung zu erfüllen, die Nuten 115 so erstrecken, dass sie eine Kante des Immobilisierungselements 107 erreichen (das heißt ein Ende des Bereichs, in dem die Nanoporenvorrichtung 101 und das Immobilisierungselement 107 einander gegenüberliegen) (10). Mit anderen Worten, die Nuten 115 sind kontinuierlich über die ganze Fläche vorgesehen, in der die Nanoporenvorrichtung 101 und das Immobilisierungselement 107 einander gegenüberliegen.
11, 12 und 13 zeigen Beispiele der Nutstruktur. Die Nutstruktur kann in dem Bereich kontinuierlich ausgebildet sein, in dem die Nanoporenvorrichtung 101 und das Immobilisierungselement 107 einander gegenüberliegen. in dem Beispiel von 11 sind mehrere Nuten 115 nur in dem Raumbereitstellungselement 114 der Nanoporenvorrichtung 101 vorgesehen.
Es sollte beachtet werden, dass die Nutstruktur sowohl in der Nanoporenvorrichtung 101 als auch im Immobilisierungselement 107 ausgebildet sein kann. In dem Beispiel von 12 weist ein äußerer Umfangsabschnitt des Immobilisierungselements 107 die mehreren Nuten 115 auf und ein Umfangsabschnitt der Nanopore 112 in dem Raumbereitstellungselement 114 der Nanoporenvorrichtung 101 weist die mehreren Nuten 115 auf. In dieser Weise können die mehreren Nuten 115 kontinuierlich zwischen dem oberen Immobilisierungselement 107 und der unteren Nanoporenvorrichtung 101 in dem Bereich vorgesehen sein, in dem die Nanoporenvorrichtung 101 und das Immobilisierungselement 107 einander gegenüberliegen.
In dem Beispiel von 13 weist das Immobilisierungselement 107 die mehreren Nuten 115 in einer Region um die Nanopore 112 auf und die Nanoporenvorrichtung 101 weist die mehreren Nuten 115 außerhalb dieser Region auf.
Eine Abmessung der Nuten 115 wird beschrieben. 14 und 15 sind Diagramme, die den Durchgangswiderstand R in einer herkömmlichen Konfiguration darstellen, in der keine Nutstruktur ausgebildet ist. Andererseits sind 16 und 17 Diagramme, die einen Durchgangswiderstand R₁ in einer Konfiguration mit der Nutstruktur gemäß dem vorliegenden Beispiel darstellen.
Wenn die jeweiligen Abmessungen der Nutstruktur durch 16 und 17 definiert sind, wird R₁ folgendermaßen ausgedrückt. $R_{1} = (L - {nL}_{1}) / ({Wh}_{0} + w_{1} h_{1} n)$
18 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Nuttiefe und dem Lösungswiderstand zeigt, wenn eine Beziehung zwischen einer Nutbreite und einer Nutteilung geändert wird. In diesem Beispiel ist α ein Verhältnis von w₁ und w₂ und w₁= α × w₂ ist erfüllt. Wie im Graphen gezeigt, wird der Lösungswiderstand, wenn h0 = 0, für drei α-Werte (α = 1,5, 2 und 3) gemessen. im Graphen ist die Bezeichnung „h0_100 nm“ auch h0 = 100 nm. In diesem Beispiel wird der Lösungswiderstand, wenn h0 = 100 nm erfüllt ist, für drei α-Werte gemessen. Außerdem ist „Reihe 4“ ein Zielwert des Lösungswiderstandes.
In der Konfiguration von w₁= 1,5 × w₂ kann beispielsweise ein Zielwert erreicht werden, wenn eine Gravurtiefe der Nuten 115 etwa 5 µm ist. Beispielsweise ist es bevorzugt, dass die Gravurtiefe der Nuten 115 5 µm oder mehr ist.
Ein Gesamtvolumen eines Spalts zwischen der Nanoporenvorrichtung 101 und dem Immobilisierungselement 107, der durch die Bereitstellung der Nuten 115 verursacht wird, wenn das Immobilisierungselement 107 am nächsten zur Nanoporenvorrichtung 101 gebracht wird, kann nur ausreichend zu einer Verringerung des Lösungswiderstandes beitragen müssen. Wenn das Gesamtvolumen des Spalts ausreichend zur Verringerung des Lösungswiderstandes beitragen kann, müssen daher die Teilung (entsprechend dem vorstehend beschriebenen w₂) und die Breite (entsprechend dem vorstehend beschriebenen w₁) der Nuten 115 über den ganzen Abschnitt nicht gleichmäßig sein, in dem die Nuten 115 vorgesehen sind.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Immobilisieren des Biomoleküls 108 (beispielsweise DNA) beschrieben. 21 ist eine vergrößerte Ansicht der Umgebung der Nanopore in dem Fall, in dem das Immobilisierungselement die Nuten aufweist. Konvexe Abschnitte 115a und konkave Abschnitte 115b sind in einem Abschnitt ausgebildet, in dem die Nuten 115 vorgesehen sind. Da die DNA an den konvexen Abschnitten 115a immobilisiert wird, muss eine Breite der konvexen Abschnitte 115a eine Größe gleich oder größer als die DNA-Immobilisierungsteilung aufweisen. Es ist denkbar, dass die DNA-Immobilisierungsteilung ein Intervall von 100 nm vom Gesichtspunkt einer Art der DNA ist. Daher ist es beispielsweise erwünscht, dass die Breite der konvexen Abschnitte des Abschnitts, in dem die Nuten 115, auf 100 nm oder mehr gesetzt ist.
In diesem Beispiel wird angenommen, dass kein Positionierungsmechanismus zwischen den Nuten 115 und der Nanoporenvorrichtung 101 vorhanden ist. Wie in 21 gezeigt, muss die DNA am Immobilisierungselement 107 durch einen Potentialgradienten 801 angezogen werden, der in der Nähe der Nanopore 112 erzeugt wird, ungeachtet einer Positionsbeziehung zwischen der Nanopore 112 und den konvexen Abschnitten 115a der Nuten 115. Daher ist es erforderlich, dass die Teilung der Nuten 115 (entsprechend dem vorstehend beschriebenen w₂) 300 nm oder weniger ist. 21 und 22 sind Beispiele, in denen die Teilung der Nuten 115 300 nm oder weniger ist. Da in 21 ein konvexer Abschnitt 115a der Nuten 115 direkt über der Nanopore 112 angeordnet ist, wird die DNA durch den Potentialgradienten 801 angezogen. Selbst in dem Fall, in dem der konvexe Abschnitt 115a der Nuten 115 nicht direkt über der Nanopore 112 angeordnet ist, wie in 22 gezeigt, kann, da die Teilung der Nuten 115 300 nm oder weniger ist, die DNA durch den Potentialgradienten 801 angezogen werden.
Als nächstes wird angenommen, dass ein Positionierungsmechanismus zwischen den Nuten 115 und der Nanoporenvorrichtung 101 vorhanden ist. In diesem Fall kann, selbst wenn die Teilung der Nuten 115 (entsprechend dem vorstehend beschriebenen w₂) 300 nm oder mehr ist, die Einführung der DNA in die Nanopore 112 erreicht werden. 23 und 24 zeigen Beispiele, in denen die Teilung der Nuten 115 größer ist als 300 nm. Wie in 24 gezeigt, wenn irgendein konvexer Abschnitt 115a der Nut 115 nicht direkt über der Nanopore 112 angeordnet ist, kann keine DNA durch den Potentialgradienten 801 angezogen werden. Wenn der Positionierungsmechanismus vorhanden ist, wie in 23 gezeigt, wird das Immobilisierungselement 107 in einer Richtung parallel zu einer Oberfläche des Dünnfilms 113 bewegt, wodurch irgendein konvexer Abschnitt 115a der Nuten 115 direkt über der Nanopore 112 angeordnet werden kann. Im Übrigen wird der Positionierungsmechanismus zwischen den Nuten 115 und der Nanoporenvorrichtung 101 in einem nachstehend zu beschreibenden Beispiel beschrieben.
Obwohl das Raumdefinitionselement 114 in einer beliebigen Form ausgebildet sein kann, besteht, wenn die konvexen Abschnitte an der Nanoporenvorrichtung 101 ohne die in 1 gezeigte Konfiguration ausgebildet sind, eine vorstehend beschriebene Begrenzung (beispielsweise ein Fall des Raumdefinitionselements in 80 oder dergleichen). In dem Fall, in dem die Breite der Nuten 115 (entsprechend dem vorstehend beschriebenen w₁) mit einer Abmessung ausgebildet ist, die die Breite des Raumdefinitionselements überschreitet, kann, wenn das Immobilisierungselement 107 mit der Nanoporenvorrichtung 101 in vollständigen Kontakt gebracht wird, ein Bereich mit hohem Widerstand erzeugt werden. Daher besteht ein Bedarf, den vollständigen Kontakt zwischen dem Immobilisierungselement 107 und der Nanoporenvorrichtung 101 zu vermeiden oder die Breite der Nuten 115 zu begrenzen, so dass sie gleich oder geringer als die Breite des Raumdefinitionselements ist.
25 bis 27 zeigen Beispiele des Immobilisierungselements mit der Nutstruktur. Ein Querschnitt der Nutstruktur kann ein Dreieck, ein Halbkreis oder ein Trapez sowie das in 1 gezeigte Rechteck sein.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Ausbilden der Nutstruktur im Immobilisierungselement 107 mit Bezug auf 28 bis 32 beschrieben. Zuerst wird ein Siliziumsubstrat 107 als Immobilisierungselement vorbereitet (28). Dann wird ein Resist 1101 auf das Siliziumsubstrat 107 aufgetragen (29). Als nächstes wird der Resist 1101 mit einer Zielabmessung strukturiert (30). Dann wird das Siliziumsubstrat 107 durch Trockenätzen gekratzt, um die Nuten 115 bereitzustellen (31). Der Resist 1101 auf dem Siliziumsubstrat 107 wird entfernt (32). Alternativ kann das Siliziumsubstrat 107 durch eine Zertrennklinge ohne Verwendung eines Resists oder dergleichen bearbeitet werden, um die Nuten 115 bereitzustellen. In diesem Beispiel bestehen die konkaven Abschnitte und die konvexen Abschnitte der Nutstruktur aus demselben Material.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Bereitstellung der Nutstruktur in der Nanoporenvorrichtung mit Bezug auf 33 bis 37 beschrieben. Es ist bevorzugt, dass ein Prozess zur Bereitstellung der Nuten 115 in einen Prozess der Herstellung der Nanoporenvorrichtung 101 integriert wird. Ein Siliziumsubstrat 3301, das als Substrat der Nanoporenvorrichtung 1010 dient, wird vorbereitet (33). Ein Nitridfilm, ein Oxidfilm und ein Nitridfilm werden über dem Siliziumsubstrat 3301 ausgebildet, ein Nitridfilm wird über einer hinteren Oberfläche des Siliziumsubstrat 3301 ausgebildet und der Resist 1101 wird auf eine oberste Oberfläche des Siliziumsubstrats 3301 aufgetragen, auf dessen hinterer Oberfläche der Nitridfilm ausgebildet wurde (34).
Dann wird der Resist 1101 mit einer Zielabmessung strukturiert ( 35). Zuerst werden eine Strukturierung für eine Dünnfilmöffnung und eine Strukturierung für Siliziumätzen durchgeführt. Da die Positionen des Dünnfilms 113 und der Nanopore 112 durch das Muster festgelegt sind, wird eine Strukturierung für die Nutstruktur am Resist 1101 mit dem obigen Muster als Markierung durchgeführt. In einem anderen Beispiel kann, um die Nutstruktur zu erzeugen, Kratzen mit einer Zertrennklinge durchgeführt werden. Eine vordere Oberfläche und eine hintere Oberfläche des Resists 1101 werden gemäß einem erzeugten Muster geätzt (36). Der Resist 1101 kann schließlich entfernt werden und die Nuten 115 können in der Nanoporenvorrichtung 101 bereitgestellt werden (37).
Dann wird ein Verfahren zum Vorbereiten der konkaven Abschnitte und der konvexen Abschnitte der Nutstruktur mit verschiedenen Materialien mit Bezug auf 38 bis 40 beschrieben. Die konkaven Abschnitte und die konvexen Abschnitte der Nutstruktur werden mit verschiedenen Materialien vorbereitet, wodurch das das Immobilisierungselement 107 in eine Region, in der die Biomoleküle 108 immobilisiert werden, und eine Region, in der die Biomoleküle 108 nicht immobilisiert werden, unterteilt werden kann.
Das vorliegende Beispiel ist grundsätzlich dasselbe wie das in 28 bis 32 beschriebene Verfahren, außer dass zwei Filme ausgebildet werden, bevor die Bearbeitung für die Nuten durchgeführt wird. Zuerst wird ein Siliziumsubstrat 107, das als Immobilisierungselement dient, vorbereitet (38). Dann wird ein erster Film 1302, der wahrscheinlich nicht an die Biomoleküle 108 gebunden wird, auf dem Siliziumsubstrat 107 ausgebildet, und danach ein zweiter Film 1301, der wahrscheinlich an die Biomoleküle 108 gebunden wird (39). Dann wird der zweite Film 1301 geätzt (40). Es sollte beachtet werden, dass zur Zeit des Ätzens eine Gasspezies so ausgewählt wird, dass ein Ätzstopp im ersten Film 1302 auftritt.
Im obigen Beispiel kann ein PolySi-Film als erster Film verwendet werden. Außerdem kann Gold, Nickel, Titan oder dergleichen als zweiter Film verwendet werden. In diesem Fall kann eine Konfiguration, in der APTES auf einem Si-Film ausgebildet wird, aber nicht an einen Metallabschnitt gebunden wird, angewendet werden.
Die Biomoleküle 108 (beispielsweise DNA) können an die ganze Oberfläche des vorstehend beschriebenen Immobilisierungselements 107 gebunden werden, aber das Material der Nutstruktur kann ausgewählt werden, wie vorstehend beschrieben. Eine Tatsache, dass das Material der Nutstruktur ausgewählt wird, und die DNA nur an den konvexen Abschnitten der Nuten 115 (das heißt dem vorstehend beschriebenen zweiten Film 1301) immobilisiert werden kann, ist nicht nur wirksam, um die Zuverlässigkeit des Signals zu erhöhen, sondern auch um die DNA für eine längere Zeit zu lesen.
Wie mit Bezug auf 38 bis 40 beschrieben, wird ein Material, an dem die Zielmoleküle 108 nicht immobilisiert werden können, als erste Schicht auf dem Siliziumsubstrat ausgebildet und ein Material, an dem die Biomoleküle 108 immobilisiert werden können, wird als zweite Schicht auf der ersten Schicht ausgebildet. Danach werden die Nuten 115 in der zweiten Schicht vorgesehen. In dieser Situation wird Ätzen unter Verwendung von Gasen mit verschiedenen Ätzraten zwischen der zweiten Schicht und der ersten Schicht durchgeführt. Als anderes Beispiel kann ein dritter Film zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht ausgebildet werden und der dritte Film kann als Rolle eines Ätzstopps verwendet werden. Schließlich wird der dritte Film mit einem Ätzmittel entfernt, wodurch dieselbe Struktur erzeugt werden kann.
Zum Strukturieren der Si-Schicht kann kein Trockenätzen, sondern eine Siliziumnitridschicht ferner auf der Si-Schicht ausgebildet werden und danach kann die Siliziumnitridschicht strukturiert werden, um eine Ätzmaske für die Si-Schicht auszubilden. Nassätzen mit KOH wird auch durchgeführt. In diesem Fall ist ein Querschnitt der Nuten trapezförmig oder dreieckig.
Die Biomoleküle 108 am Immobilisierungselement 107 können an das Immobilisierungselement 107 durch verschiedene Biomoleküle (beispielsweise APTES, Thiol, PNA mit einer beliebigen Anordnung oder dergleichen) gebunden werden, die vorher am Immobilisierungselement 107 immobilisiert wurden. In diesem Beispiel kann, wenn mehrere Typen von Biomolekülen am Immobilisierungselement 107 vorbereitet werden, die Nutstruktur als Einheit zum Bestimmen einer immobilisierten Positionsadresse verwendet werden.
41 bis 44 zeigen Beispiele eines Verfahrens zum Immobilisieren der mehreren Typen von Biomolekülen am Immobilisierungselement. zuerst wird ein Auswahlmarker am Immobilisierungselement 107 fixiert. Zu dieser Zeit wird eine Markerstammlösung 1403 auf das Immobilisierungselement 107 mit den Nuten 115 unter Verwendung einer Maske 1402 durch ein Tintenstrahlsystem aufgetragen (41). Folglich wird der Auswahlmarker 1401 am Immobilisierungselement 107 fixiert. Als Markerstammlösung 1403 wird eine andere Art von Stammlösung für jede Adresse (eine Region des Immobilisierungselements 107) gemäß den zu immobilisierenden Biomolekülen ausgewählt.
Dann strömt eine Biomolekülmischlösung 1404, die die mehreren Typen von Biomolekülen enthält, durch das Immobilisierungselement 107 (42). Zu dieser Zeit werden die Biomoleküle an den Auswahlmarker 1401 durch eine elektrostatische Wechselwirkung gebunden. Da der Auswahlmarker 1401 und die Biomoleküle (DNA) nur dann stark aneinander gebunden werden, wenn beliebige Sequenzen einander entsprechen, kann die DNA in Zusammenhang mit jedem Auswahlmarker 1401 gebunden werden (43). 44 ist eine Draufsicht des Immobilisierungselements, an dem der obige Prozess ausgeführt wurde. Wie in 44 gezeigt, können mehrere verschiedene Biomoleküle 1404a, 1404b und 1404c für jede Adresse des Immobilisierungselements 107 aneinander gebunden werden, wie in 44 gezeigt.
Ein Verfahren zum Erzeugen der Nanoporenvorrichtung und ein Verfahren zum Ausbilden der Nanopore waren bekannt und sind beispielsweise in Itaru Yanagi et al., Sci. Rep. 4, 5000 (2014) beschrieben. Im vorliegenden Beispiel wurde ein Dünnfilm mit der Nanopore in der folgenden Prozedur vorbereitet. Zuerst wurden Si₃N₄-, SiO₂- und Si₃N₄-Filme mit den jeweiligen Dicken von 12 nm, 250 nm und 100 nm auf einer Oberfläche eines Si-Wafers mit 8 Zoll mit einer Dicke von 725 µm ausgebildet und ein Film Si₃N₄ von 112 nm wurde mit einer Dicke von 112 nm auf einer hinteren Oberfläche des Si-Wafers ausgebildet. Dann wurde reaktives lonenätzen an Si₃N₄ am obersten Abschnitt der Oberfläche in einem Quadrat von 500 nm und Si₃N₄ an der hinteren Oberfläche in einem Quadrat von 1038 µm durchgeführt. Ferner wurde das Si-Substrat, das durch Ätzen an der hinteren Oberfläche freigelegt wurde, mit TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid) geätzt. Während des Si-Ätzens wurde, um das Ätzen des SiO₂ der Oberflächenseite zu verhindern, eine Oberfläche des Wafers mit einem Schutzfilm bedeckt. Nach der Entfernung des Schutzfilms wurde die SiO₂-Schicht, die in einem Quadrat von 500 nm freigelegt war, mit einer BHF-Lösung (HF/NH₄F = 1/60, 8 min.) entfernt. Folglich wird die Nanoporenvorrichtung, in der der Dünnfilm Si₃N₄ mit einer Dicke von 12 nm freiliegt, erhalten. In dieser Stufe ist keine Nanopore im Dünnfilm vorgesehen.
Die Ausbildung der Nanopore im Dünnfilm, der an der Nanoporenvorrichtung freiliegt, wurde durch die folgende Prozedur durch eine Impulsspannung ausgeführt. Bevor die wie vorstehend beschrieben vorbereitete Nanoporenvorrichtung in die Biomolekülmessvorrichtung eingesetzt wurde, wurde der Si₃N₄-Dünnfilm unter der Bedingung von 10 W, 20 sccm, 20 Pa und 45 s durch Ar/O₂-Plasma hydrophil gemacht. Dann wurde die Nanoporenvorrichtung in die Biomolekülmessvorrichtung eingesetzt, die dazu konfiguriert war, in zwei obere und untere Tanks über die Nanoporenvorrichtung zu trennen, die Nanoporenvorrichtung wurde mit einer Lösung von 1 M KCl, 1 mM Tris - 10 mM EDTA und pH 7,5 gefüllt und Ag- und AgCl-Elektroden wurden in jeden Tank eingeführt.

Das Spannungsanlegen, um die Nanopore auszubilden, und die Messung eines lonenstroms, der durch die Nanopore fließt, nach der Bildung der Nanopore, werden zwischen den Ag- und AgCI-Elektroden durchgeführt. Der untere Tank wurde „cis-Tank“ genannt, der obere Tank wurde „trans-Tank“ genannt, eine Spannung V_cis auf der cis-Tank-Seite wurde auf 0 V gesetzt und eine Spannung V_trans an der trans-Tank-Elektrode wurde ausgewählt. Die ausgewählte Spannung wurde durch einen Impulsgenerator angelegt. Ein Stromwert nach jedem Impulsanlegen wurde mit einem Stromverstärker gelesen. Der Prozess des Spannungsanlegens und des Ionenstromlesens für die Bildung der Nanopore wurde durch ein Programm gesteuert. Als Impulsspannungsanlegebedingung wurde eine Stromwertbedingung (Schwellenstrom), die gemäß einem Porendurchmesser erhalten wurde, der im Dünnfilm bereitgestellt wird, vor dem Anlegen der Impulsspannung ausgewählt, um sequentiell einen Porendurchmesser zu erhöhen und einen Zielporendurchmesser zu erhalten. Der Porendurchmesser wurde gemäß dem lonenstromwert abgeschätzt. Tabelle 1 zeigt ein Kriterium der Bedingungsauswahl. In diesem Beispiel wird eine n-te Impulsspannungsanlegezeit wie folgt bestimmt.

t_{n} = 10^{- 3 + (1 / 6) (n - 1)} - 10^{- 3 + (1 / 6) (n - 2)} f \ddot{u} r n>2

[Tabelle 1] Tabelle 1 Spannungsanlegebedingungen

Porendurchmesser vor Impulsspannungsanlegen	Keine Öffnung bis 0,7 nm ∅	bis 1,4 nm ∅	bis 1,5 nm ∅
Angelegte Spannung (Vcis) [V]	10	5	3
Anfängliche Anlegezeit [s]	0,001	0,01	0,001
Schwellenstrom	0,1 nA/0,4 V	0,6 nA/0,1 V	0,75 nA/0,1 V

Die Ausbildung der Nanopore kann auch durch Elektronenstrahlbestrahlung durch TEM neben dem Anlegen einer Impulsspannung durchgeführt werden (A. J. Storm et al., Nat. Mat. 2 (2003)).
Mit Rückkehr zu 1, wenn eine Spannung von der Leistungsversorgung 104 an die oberen und unteren zwei Flüssigkeitstanks 131 und 132 durch die Ag- und AgCI-Elektroden 103a und 103b angelegt wird, wird ein elektrisches Feld in der Nähe der Nanopore 112 erzeugt und die Biomoleküle 108, die in der Lösung negativ geladen sind, gehen durch das Innere der Nanopore 112 hindurch. Da andererseits die Enden der Biomoleküle 108 am Immobilisierungselement 107 immobilisiert sind, werden das Immobilisierungselement 107 und der Antriebsmechanismus 105 durch die Biomoleküle 108 aufgrund des elektrischen Feldes in Richtung des unteren Tanks gezogen.
Beispielsweise um die DNA-Basensequenz genau zu lesen, wenn eine Ausgangsschwankung des Antriebsmechanismus 5 und eine Vibration, die von einer Störung stammt, auftreten, darf sich in diesem Fall eine Verschiebung der Biomoleküle 108 nicht um eine Länge ändern, die einer Base entspricht, das heißt 0,34 nm oder mehr.
Als nächstes werden die Bedingungen zum Erfüllen der obigen Anforderung untersucht. Wenn E als Elastizitätsmodul definiert ist, wird E folgenderma-ßen ausgedrückt. $E = \frac{F * L}{S * Δ L}$
In diesem Beispiel ist F eine Kraft, die auf das System aufgebracht wird, S ist eine Fläche des Materials, L ist eine Länge des Materials und ΔL ist das Ausmaß der Verschiebung, wenn es der aufgebrachten Kraft ausgesetzt wird. Es ist bekannt, dass eine Kraft, die auf die DNA, wenn 1 mV angelegt wird, aufwärts und abwärts durch die Nanopore ausgeübt wird, 0,24 pN ist (Ulrich, F. Keyser et al., Nat. Phys. 2, 473-477 (2006)). Da die Schwankung der angelegten Spannung während der Analyse in der Größenordnung von 0,1 mV auftreten kann, dürfen sich die Biomoleküle 108 nicht um 0,34 nm oder mehr zu dieser Zeit verschieben. Daher muss der Elastizitätsmodul des Immobilisierungselements 107, des Antriebsmechanismus 105 und des Verbindungselements 1110,07 (L/S) [µN/mm²] oder mehr aufweisen.
Es ist auch wichtig, dass das Messsystem thermisch stabil ist. Es ist bekannt, dass der Raum die Schwankung von 0,1 Grad selbst bei Abwesenheit einer Wärmequelle aufweist. Daher muss eine Temperaturänderung im Abstand zwischen der Nanoporenvorrichtung 101 und dem Immobilisierungselement 107, die auf der Basis des ganzen Materials berechnet wird, das im System verwendet wird, 0,34 nm oder weniger pro 0,1 °C sein.
Aus diesem Grund kann eine Schraube oder dergleichen, die unter Verwendung von Edelstahl, Invar oder dergleichen hergestellt ist, als Verbindungselement 111 verwendet werden. Als anderes Beispiel kann das Immobilisierungselement 107 am Antriebsmechanismus 105 durch Vakuumsaugen oder Druckbinden befestigt werden. Der Antriebsmechanismus 105 besteht aus piezoelektrischem Material, das durch ein piezoelektrisches Element verkörpert ist, und kann mit 0,1 nm/s oder mehr angetrieben werden. Beispiele des piezoelektrischen Materials umfassen Bariumtitanat (BaTiO₃), Zirkoniumtitanatblei (PZT), Zinkoxid (ZnO) und dergleichen.
Die Enden der Biomoleküle 108 und die Oberfläche des Immobilisierungselements 107 können durch kovalente Bindungen, lonenbindungen, elektrostatische Wechselwirkungen, magnetische Kräfte oder dergleichen aneinander gebunden werden. Wenn die DNA beispielsweise durch die kovalente Bindung immobilisiert wird, kann die DNA-endständig modifizierte DNA durch APTES und Glutaraldehyd immobilisiert werden. Si und SiO, die Gerüste von APTES sind, werden für das Immobilisierungselement 107 genutzt, um die obige Bindung zu verwenden. Als anderes kovalentes Bindungsverfahren kann eine Goldthiolbindung verwendet werden. Ein 5'-Ende der DNA wird mit Thiol modifiziert und eine Oberfläche des Immobilisierungselements 107 ist abgeschiedenes Gold. Als auf dem Immobilisierungselement 107 abzuscheidende Metallspezies können außerdem Ag, Pt und Ti, an die Thiol gebunden werden kann, verwendet werden.
Das Verfahren, das eine lonenbindung verwendet, ist ein Verfahren zum Immobilisieren der negativ geladenen Biomoleküle an der Oberfläche des positiv geladenen Immobilisierungselements 107 durch Unterziehen des Immobilisierungselements 107 einer positiven Ladung in der Lösung durch Oberflächenmodifikation. Polyanilin oder Polylysin wird als kationisches Polymer verwendet. Im Fall der Nutzung der elektrostatischen Wechselwirkung kann die aminoendständig modifizierte DNA direkt an der Oberfläche des durch APTES modifizierten Immobilisierungselements 107 immobilisiert werden. Eine Nitrocellulosemembran, eine Polyvinylidenfluoridmembran, eine Nylonmembran und ein Polystyrolsubstrat werden auch umfangreich als Substratoberfläche des Immobilisierungselements 107 verwendet. Insbesondere wird die Nitrocellulosemembran in der Mikromatrixtechnologie verwendet. Zur Zeit der Nutzung einer magnetischen Kraft wird DNA beispielsweise im Voraus an der Oberfläche der magnetischen Kügelchen unter Verwendung der Bindung immobilisiert, wie vorstehend beschrieben. Unter Verwendung eines Magnetmaterials für das Immobilisierungselement 107 wirken ferner die magnetischen Kügelchen, an denen die DNA immobilisiert wird, mit dem Immobilisierungselement 107 zusammen, um die Anziehung der magnetischen DNA-Immobilisierungskügelchen durch die magnetische Kraft zu verwirklichen. Das magnetische Material umfasst Eisen, Siliziumstahl, eine amorphe magnetische Legierung, eine nanokristalline magnetische Legierung und dergleichen.
Im Fall der Messung von Proteinen oder Aminosäuren als Biomoleküle können ebenso spezifische Bindungsstellen modifiziert und an das Immobilisierungselement 107 in derselben Weise gebunden werden. Folglich kann die Bindungsstelle im Protein identifiziert werden und Sequenzinformationen über Aminosäuren können erhalten werden.
Die immobilisierte Dichte der Biomoleküle 108 am Immobilisierungselement 107 wird gemäß einem Ausbreitungsbetrag des elektrischen Feldes bestimmt, das um die Nanopore 112 erzeugt wird. 19 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel des elektrischen Feldes, das um die Nanopore erzeugt wird, und der Einführung der Biomoleküle in die Nanopore darstellt. Wie in 19 gezeigt, weist der Potentialgradient 801, der sich um die Nanopore 112 ausbreitet, die folgende Beziehung zwischen einem Abstand L von der Nanopore 112, einem Nanoporendurchmesser d, einer Dicke t des Dünnfilms und einer angelegten Spannung ΔV auf. $E (r) = \frac{d^{2}}{8 t} \times (\frac{1}{L}) \times Δ V$
Wenn beispielsweise eine Spannung von 100 mv über die Nanopore mit einem Durchmesser von 1,4 nm angelegt wird, die im Dünnfilm mit einer Filmdicke von 2,5 nm vorgesehen ist, breitet sich ein elektrisches Feld von 0,1 [V/µm] in einer Region innerhalb 100 nm von der Nanopore 112 aus.
In diesem Beispiel kann ein Bereich, in dem die Biomoleküle im elektrischen Feld eingegrenzt werden und in die Nanopore eingeführt werden, gemäß einer elektrischen Mobilität µ der Biomoleküle und einem Diffusionskoeffizienten D erhalten werden. Wenn der Bereich als L_diff definiert ist, wird der Bereich durch den folgenden Ausdruck ausgedrückt. $L_{d i f f} = \frac{d^{2} Δ V}{8 t} \times (\frac{μ}{D})$
Ein Abstand, in dem das Immobilisierungselement 107 dem Dünnfilm 113 am nächsten kommt, ist als I definiert. Wenn eine effektive Länge der Biomoleküle in der Lösung als b definiert ist, wird auch die Biomolekülimmobilisierungsteilung a auf der Basis des Obigen wie folgt ausgedrückt. $a > \sqrt{L_{d i f f}^{2} - {(l - b)}^{2}}$
Um die obige Konfiguration zu verwirklichen, beispielsweise wenn DNA am Immobilisierungselement 107 modifiziert wird, wird eine DNA-Lösung, in die endständig modifiziertes Polymer 206 mit kurzer Kettenlänge eingemischt ist, zusätzlich zur Ziel-DNA verwendet. 20 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel des elektrischen Feldes, das um die Nanopore erzeugt wird, und der Einführung der Biomoleküle in die Nanopore darstellt. Wie in 20 gezeigt, kann das DNA-Immobilisierungselement, in dem die Biomoleküle (DNA) 108 eingemischt sind und mit einem endständig modifizierten Polymer 206 mit kurzer Kettenlänge immobilisiert sind, und eine Ziel-DNA-Immobilisierungsdichte effektiv niedrig ist, vorbereitet werden. Beispielsweise kann bestätigt werden, dass das Phänomen, dass mehrere DNAs in eine Pore eintreten, unter Verwendung der Nanoporen mit einem Porendurchmesser von 2,5 bis 3 nm ausgeschlossen werden, wenn das Immobilisierungselement unter Verwendung einer DNA-Lösung vorbereitet wird, die 75 % von 20-mer Poly(dA) enthält. Mit anderen Worten, die DNA kann mit etwa 100 nm Teilung immobilisiert werden. Eine Länge des kurzkettigen Polymers, das eingemischt werden soll, ist nicht notwendigerweise etwa 2 nm.
Gemäß dem obigen Beispiel wird in der Biomolekülmessvorrichtung 100, in der die Biomolekülimmobilisierungsregion (planare Größe des Immobilisierungselements 107) gleich oder größer ist als eine planare Größe des Dünnfilms 113 mit den Nanoporen 112, die Nutstruktur in dem Immobilisierungselement 107 und/oder der Nanoporenvorrichtung 101 ausgebildet. Folglich kann eine Erhöhung des Durchgangswiderstandes verringert werden. Da der Lösungsdurchgangswiderstand verringert wird, selbst wenn die Nanoporenvorrichtung 101 und das Immobilisierungselement 107 in vollständigen Kontakt miteinander kommen, können die Nuten 115 kontinuierlich über einen Bereich vorgesehen sein, in dem die Nanoporenvorrichtung 101 und das Immobilisierungselement 107 einander gegenüberliegen.
Ein Beispiel der Biomolekülmessvorrichtung 100 umfasst den ersten Flüssigkeitstank 131, der mit der Elektrolytlösung 102 gefüllt ist, den zweiten Flüssigkeitstank 132, der mit der Elektrolytlösung 102 gefüllt ist, und die Nanoporenvorrichtung 101, die den Dünnfilm 113 mit der Nanopore 112 abstützt und zwischen dem ersten Flüssigkeitstank 131 und dem zweiten Flüssigkeitstank 132 angeordnet ist, um den ersten Flüssigkeitstank 131 und den zweiten Flüssigkeitstank 132 durch die Nanopore 112 miteinander in Verbindung zu bringen. Das Immobilisierungselement 107, an dem die Biomoleküle 108 immobilisiert werden, ist im ersten Tank 131 angeordnet. Die Biomolekülimmobilisierungsregion (eine Größe einer Ebene gegenüber der Nanoporenvorrichtung 101) des Immobilisierungselements 107 ist größer als die planare Größe des Dünnfilms 113. Die Biomolekülmessvorrichtung 100 umfasst den Antriebsmechanismus 105, der das Immobilisierungselement 107 näher an den Dünnfilm 113 oder weiter davon weg antreibt, und die Antriebsmechanismus-Steuereinheit 106, die den Antriebsmechanismus 105 steuert.
Die erste Elektrode 103a ist im ersten Flüssigkeitstank 131 angeordnet und die zweite Elektrode 103b ist im zweiten Flüssigkeitstank 132 angeordnet. Um den Kontakt zwischen dem Immobilisierungselement 107 und dem Dünnfilm 113 zu verhindern, ist die Nanoporenvorrichtung 101 als Stoppmechanismus mit dem Raumdefinitionselement 114 versehen, das den äußeren Umfang des Dünnfilms 113 wie eine Bank umgibt und den Raum zwischen dem Immobilisierungselement 107 und dem Dünnfilm 113 definiert. Die Leistungsversorgung 104 zum Anlegen einer Spannung ist zwischen der ersten Elektrode 103a und der zweiten Elektrode 103b vorgesehen. Außerdem ist eine Messeinheit (der Strommesser 109 und der PC 110), die einen lonenstrom misst, der zwischen der ersten Elektrode 103a und der zweiten Elektrode 103b fließt, zwischen der ersten Elektrode 103a und der zweiten Elektrode 103b vorgesehen. Die Messeinheit erfasst die Sequenzinformationen über die Biomoleküle 108 auf der Basis des lonenstroms, der gemessen wird, wenn die Biomoleküle 108, deren Ende am Immobilisierungselement 107 immobilisiert ist, durch die Nanopore 112 hindurchgehen. Zu dieser Zeit kann mit der vorstehend beschriebenen Struktur der Nuten 115 der Anstieg des Durchgangswiderstandes verringert werden und die Verringerung der Zeitkonstante kann verringert werden. Folglich wird die Abstumpfung der erfassten Signalwellenform beseitigt und der SN wird verbessert.
Mit der obigen Konfiguration kann eine Antwort mit hoher Geschwindigkeit auf eine Signaländerung durchgeführt werden, die die Struktur der Biomoleküle widerspiegelt, und ein Lesen mit hoher Präzision wird verwirklicht. Außerdem kann im obigen Beispiel die Einführung der Biomoleküle 108 in die Nanopore 112 ohne Bestätigung der Position der Nanopore 112 im Dünnfilm 113 verwirklicht werden und die Erfassung des stabilen Sperrsignals kann verwirklicht werden.
<Beispiel 2>
Als nächstes wird der Positionierungsmechanismus unter Verwendung der Nutstruktur beschrieben. 45 zeigt ein erstes Beispiel eines Mechanismus zum Einstellen einer Positionsbeziehung zwischen der Nanoporenvorrichtung und dem Immobilisierungselement. In 45 sind dieselben Komponenten wie die vorstehend beschriebenen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und auf eine Beschreibung derselben Komponenten wird verzichtet.
Wie vorstehend beschrieben, muss in dem Fall, in dem eine Teilung der Nuten 115 breit ist, wenn mehrere Arten von Biomolekülen 108 an einem Immobilisierungselement 107 immobilisiert werden, wenn Nuten 115 sowohl im Immobilisierungselement 107 als auch in der Nanoporenvorrichtung 101 vorgesehen sind, eine Positionsbeziehung zwischen der Nanoporenvorrichtung 101 und dem Immobilisierungselement 107 eingestellt werden.
Eine Biomolekülmessvorrichtung 1500 umfasst zusätzlich zu den in 1 gezeigten Komponenten eine Laserbestrahlungseinheit 1501, einen Spiegel 1503, einen Mechanismus (Überwachungseinrichtung der relativen Position) 1504, der Daten zurückführt, die durch Bestrahlung mit einem Laser 1502 erfasst werden, einen Drehmechanismus 1506 für das Immobilisierungselement 107, einen Einstellungsmechanismus 1507 für das Immobilisierungselement 107 in einer xy-Richtung und eine Steuereinheit 1505, die den Drehmechanismus 1506 und den Einstellungsmechanismus 1507 steuert.
Die Steuereinheit 1505 kann den Drehmechanismus 1506 und den Einstellungsmechanismus 1507 unter Verwendung der Daten von der Überwachungseinrichtung 1504 der relativen Position steuern, um die Drehung und die Bewegung in der xy-Richtung des Immobilisierungselements 107 zu steuern. Als Beispiel kann die Steuereinheit 1505 die Drehung und die xy-Richtung des Immobilisierungselements 107 einstellen, so dass die Nutstruktur, die durch Laserbestrahlung abgebildet wird, einem Muster entspricht, das an der Nanoporenvorrichtung 101 ausgebildet ist.
Das Immobilisierungselement 107 oder die Nanoporenvorrichtung 101, die mit den Nuten 115 versehen ist, können auch als Positionierungsmechanismus funktionieren. Als Beispiel einer Konfiguration zum Verwirklichen des Positionierungsmechanismus kann eine Messeinheit (Steuereinheit 1505) zum Abbilden der Nutstruktur durch Laserbestrahlung vorgesehen sein. Die Drehung und die xy-Richtung des Immobilisierungselements 107 können durch den Drehmechanismus 1506 und den Einstellungsmechanismus 1507 gemäß dem Ergebnis der Messeinheit eingestellt werden. Folglich kann ein relativer Abstand zwischen der Nutstruktur und der Nanoporenvorrichtung eingestellt werden.
46 zeigt ein zweites Beispiel eines Mechanismus zum Einstellen einer Positionsbeziehung zwischen der Nanoporenvorrichtung und dem Immobilisierungselement. Ein Lösungswiderstand an sich um die Nanoporenvorrichtung kann als Positionierungsmechanismus verwendet werden. Die Biomolekülmessvorrichtung 1510 umfasst zusätzlich zu den in 1 gezeigten Komponenten einen Drehmechanismus 1511 des Immobilisierungselements 107. In diesem Beispiel empfängt die Antriebsmechanismus-Steuereinheit 106 den gemessenen Lösungswiderstand als Eingabe. Die Antriebsmechanismus-Steuereinheit 106 steuert den Drehmechanismus 1511, um das Immobilisierungselement 107 zu drehen, während der Lösungswiderstand überwacht wird.
Wenn eine Position zwischen der Nanoporenvorrichtung 101 und dem Immobilisierungselement 107 verschoben wird, wird der Lösungswiderstand hoch. Die Antriebsmechanismus-Steuereinheit 106 dreht eine Achse des Immobilisierungselements 107, während der Lösungswiderstand überwacht wird, um dadurch eine Position der Nuten 115 des Immobilisierungselements 107 in eine gewünschte Position zu bewegen. Folglich wird der Lösungswiderstand verringert. Da in der Konfiguration von 46 die Laserquelle oder dergleichen nicht erforderlich ist, kann die Vorrichtungskonfiguration vereinfacht werden.
<Beispiel 3>
Eine Erhöhung des Lösungswiderstandes ist nicht auf ein Problem eines Transportsteuersystems unter Verwendung des Immobilisierungselements 107 begrenzt. In einer Konfiguration eines Nanoströmungspfades, wobei eine Struktur um eine Nanopore 112 auf eine Region in der Mikrogrößenordnung verschmälert ist, ist auch die Erhöhung des Lösungswiderstandes ein potentielles Problem. Im Folgenden wird ein Konfigurationsbeispiel einer Biomolekülmessvorrichtung ohne Verwendung eines Immobilisierungselements beschrieben.
47 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Konfigurationsbeispiel einer Biomolekülmessvorrichtung ohne Verwendung eines Immobilisierungselements darstellt. 48 ist eine Draufsicht der Biomolekülmessvorrichtung in 47.
Eine Biomolekülmessvorrichtung 1600 umfasst einen ersten Flüssigkeitstank 1621, der mit einer Elektrolytlösung 102 gefüllt ist, und einen zweiten Flüssigkeitstank 1622, der mit einer Elektrolytlösung 102 gefüllt ist. Der erste Flüssigkeitstank 1621 umfasst einen Strömungspfad (feinen Strömungspfad) 1601 mit einer Nanogröße oder Mikrogröße. Im vorliegenden Beispiel ist der Strömungspfad 1601 ein Mikroströmungspfad.
Die Biomolekülmessvorrichtung 1600 umfasst eine Nanoporenvorrichtung 101 wie in den vorstehend beschriebenen Beispielen. Die Nanoporenvorrichtung 101 umfasst einen Dünnfilm 113 mit einer Nanopore 112 und ein Raumdefinitionselement 114 mit Nuten 115. Die Nanoporenvorrichtung 101 ist zwischen einem ersten Flüssigkeitstank 1621 und einem zweiten Flüssigkeitstank 1622 angeordnet, um den ersten Flüssigkeitstank 1621 und den zweiten Flüssigkeitstank 1622 miteinander durch die Nanopore 112 in Verbindung zu bringen.
Eine erste Elektrode 103a ist im ersten Flüssigkeitstank 1621 angeordnet und eine zweite Elektrode 103b ist im zweiten Flüssigkeitstank 1622 angeordnet. Eine Leistungsversorgung 104 und ein Strommesser 109 sind zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 103a und 103b verbunden. Der Strommesser 109 ist mit einem ADC (nicht gezeigt) und einem PC 110 verbunden und der PC 110 kann einen erfassten Stromwert aufzeichnen. Daher können Sequenzinformationen über das Biomolekül von einem lonenstrom erfasst werden, der unter Verwendung des Strommessers 109 gemessen wird, wenn das Molekül durch die Nanopore 112 hindurchgeht.
Im vorliegenden Beispiel weist der erste Flüssigkeitstank 1621 einen Einlass 1602 und einen Auslass 1603 auf. Wie in 48 gezeigt, definiert eine Region, die in der Nähe der Nanopore 112 zwischen dem Einlass 1602 und dem Auslass 1603 vorgesehen ist, einen Mikroströmungspfad 1601.
Da in einer solchen Konfiguration der Mikrokanal 1601 schmäler ist, können mehr Effizienz der Biomoleküleinführung in die Nanopore 112, die Sperrung des Strömungspfades, die Einführungsreihenfolge der Biomoleküle und so weiter gesteuert werden. Andererseits wird, wenn die Analyse unter Verwendung eines lonenstroms durchgeführt wird, eine Zeitkonstante einer Schaltung gemäß einer Länge und einer Querschnittsfläche des Mikroströmungspfades 1601 gesenkt.
In der Nanoporenvorrichtung 101, die zwischen dem ersten Flüssigkeitstank 1621 und dem zweiten Flüssigkeitstank 1622 vorgesehen ist, weist das Raumdefinitionselement 114, das mit dem ersten Flüssigkeitstank 1621 in Kontakt kommt, die Nuten 115 auf. Im vorliegenden Beispiel sind die Nuten 115 in einer Region in der Nähe der Nanopore 112 im ersten Flüssigkeitstank 1621 innerhalb eines Bereichs der Region (das heißt des Strömungspfades 1601) vorgesehen, in dem der Strömungspfad verschmälert ist, und im Raumdefinitionselement 114 (47) ausgebildet. Mit der Bereitstellung der Nutstruktur kann verhindert werden, dass eine Signalzeitkonstante abnimmt.
Wie vorstehend beschrieben, kann der Lösungswiderstand auch in der Biomolekülmessvorrichtung 1600 unter Verwendung der Nanopore 112, die im schmalen Strömungspfad existiert, ohne Verwendung des festen Substrats zunehmen. Ebenso ist es daher in der Biomolekülmessvorrichtung 1600 ohne Verwendung des festen Substrats wirksam, eine Nutstruktur (oder konkave Abschnitte) in der Nanoporenvorrichtung 101 auszubilden.
<Beispiel 4>
49 bis 51 sind schematische Diagramme, die ein erstes Beispiel einer Prozedur zum Binden von Biomolekülen an ein Immobilisierungselement und einer Prozedur zum Installieren des Immobilisierungselements an einer Biomolekülmessvorrichtung darstellen. Zum Vereinfachen der Beschreibung sind Elektroden und Nuten 115 aus der Darstellung weggelassen. Ein Vorbereitungsschritt vor der Messung umfasst drei Schritte. In einem ersten Schritt, der in 49 gezeigt ist, werden die Biomoleküle 108 an einem Immobilisierungselement 107 immobilisiert. In einem zweiten Schritt, der in 50 gezeigt ist, werden das Immobilisierungselement 107 und der Antriebsmechanismus 105 miteinander verbunden und in einen oberen Tank der Biomolekülmessvorrichtung eingesetzt. In einem dritten Schritt, der in 51 gezeigt ist, wird eine Elektrolytlösung 102 in obere und untere Räume einer Nanoporenvorrichtung 101 eingeführt.
52 und 53 sind schematische Diagramme, die ein zweites Beispiel einer Prozedur zum Binden der Biomoleküle an das Immobilisierungselement darstellen. Für die Vereinfachung der Beschreibung ist die Darstellung von Elektroden und der Nuten 115 weggelassen. Ein Vorbereitungsschritt vor der Messung umfasst zwei Schritte. In einem ersten Schritt, der in 52 gezeigt ist, wird das Immobilisierungselement 107 mit dem Antriebsmechanismus 105 verbunden und in ein oberes Bad der Biomolekülmessvorrichtung eingesetzt. In einem zweiten Schritt, der in 53 gezeigt ist, wird eine gemischte Biomolekül-Elektrolytlösung 403, in der die Biomoleküle 108, die an das Immobilisierungselement 107 gebunden werden können, gelöst sind, in den oberen Tank und den unteren Tank der Biomolekülmessvorrichtung gegossen.
In diesem Beispiel muss, um eine nicht-spezifische Adsorption so weit wie möglich zu minimieren und eine Dichte zu erhöhen, mit der eine Zielbindung an einer Oberfläche des Immobilisierungselements ausgeführt wird, ein Bindungsmaterial zum Binden der Biomoleküle an die Oberfläche des Immobilisierungselements auf der Oberfläche des Immobilisierungselements 107 im Voraus modifiziert werden. Das Bindungsmaterial bezieht sich auf APTES und Glutaraldehyd, wenn die Biomoleküle immobilisiert werden, wobei beispielsweise die kovalente Bindung durch APTES-Glutaraldehyd genutzt wird. Wenn die Biomoleküle immobilisiert werden, wobei lonenbindung genutzt wird, bezieht es sich auf das organische Material auf der Substratoberfläche, das Bindungsmaterial bezieht sich auf ein organisches Material einer Substratoberfläche.
In dem Fall, in dem die Biomoleküle langkettige DNAs sind, insbesondere in einer Sequenz, in der mehrere Guanine aufeinander folgend angeordnet sind, verursacht die starke Faltung der DNAs ein Problem. Wenn die DNA gefaltet ist, kann ein Phänomen, dass eine Verstopfung in der Nähe der Nanopore auftritt und die Biomoleküle nicht durch die Nanopore hindurchgehen, auftreten. Aus diesem Grund ist es bevorzugt, einen Prozess zum Erhitzen des Immobilisierungselements, das die DNAs immobilisiert, in Wasser mit hoher Temperatur, insbesondere 60 °C bis 98 °C für 10 bis 120 Minuten, und dann Abschrecken des Immobilisierungselements auf 4 °C durchzuführen. Danach werden die Biomoleküle in einer KCl-Lösung bei 4 °C oder Raumtemperatur gemessen.
54 bis 57 sind schematische Diagramme, die eine Prozedur zum Antreiben des Immobilisierungselements darstellen. Die Darstellung der Elektrode und der Nuten 115 ist für die Vereinfachung der Beschreibung weggelassen. Das Antriebsverfahren des Immobilisierungselements 107 umfasst drei Schritte. 54 zeigt einen Zustand, in dem das Immobilisierungselement 107 mit den zu messenden Biomolekülen 108, die an einer unteren Oberfläche des Immobilisierungselements 107 immobilisiert sind, in den oberen Flüssigkeitstank der Biomolekülmessvorrichtung eingesetzt ist, und eine Elektrolytlösung in den oberen und den unteren Flüssigkeitstank eingeführt wird, um auf die Messung vorzubereiten.
In einem ersten Schritt zum Antreiben des in 55 gezeigten Immobilisierungselements steuert die Antriebsmechanismus-Steuereinheit 106 den Antrieb des Antriebsmechanismus 105, um das Immobilisierungselement 107 in einer z-Achse nach unten anzutreiben und die Biomoleküle 108, die am Immobilisierungselement 107 immobilisiert sind, in einen Potentialgradienten 801 einzusetzen, der in der Nähe der Nanopore 112 des Dünnfilms 113 erzeugt wird. Wenn zu dieser Zeit das Biomolekül 108 negativ geladen ist oder wenn das Biomolekül 108 mit einer negativen Ladung modifiziert ist, versucht beim Empfangen einer Kraft vom elektrischen Feld das Biomolekül 108, durch die Nanopore 112 von einem unfixierten freien Ende des Biomoleküls 108 hindurchzugehen und sich in den unteren Flüssigkeitstank zu bewegen. Das Biomolekül 108 geht durch die Nanopore 112 hindurch und wird zwischen einem Abschnitt des Biomoleküls 108, der innerhalb des Potentialgradienten 801 angeordnet ist, und einem Ende des Biomoleküls 108, das am Immobilisierungselement 107 immobilisiert ist, gedehnt. Die Einführung des Biomoleküls in die Nanopore 112 kann aus dem lonenstrom überwacht werden.
In einem zweiten Schritt, der in 56 gezeigt ist, treibt der Antriebsmechanismus 105 weiter das Immobilisierungselement 107 in einer z-AchsenRichtung nach unten an, so dass es mit dem Raumdefinitionselement 114 in Kontakt kommt, das an der Nanoporenvorrichtung 101 ausgebildet ist, und stoppt die Bewegung des Immobilisierungselements 107. Die Existenz des Raumdefinitionselements 114 über dem Dünnfilm 113 macht es möglich, einen Kontakt zwischen dem Immobilisierungselement 107 und dem Dünnfilm 113 zu vermeiden und zu verhindern, dass der Dünnfilm 113 zerstört wird. Wenn das Biomolekül 108 nicht in das Innere der Nanopore 112 des Dünnfilms 113 zur Zeit der Vollendung des zweiten Schritts eintritt, wird der Antrieb des Antriebsmechanismus 105 für eine bestimmte Zeitdauer gestoppt, wodurch die Einführungswahrscheinlichkeit erhöht werden kann.
In einem dritten Schritt, der in 57 gezeigt ist, treibt die Antriebsmechanismus-Steuereinheit 106 den Antriebsmechanismus 105 in einer Richtung von der Nanoporenvorrichtung 101 weg an. Zu dieser Zeit wird das Biomolekül 108 durch das Immobilisierungselement 107 gezogen und bewegt sich innerhalb der Nanopore 112 aufwärts, während es durch ein elektrisches Feld gedehnt wird, und während dieser Zeit wird die Sequenz der Biomoleküle auf der Basis des Ausmaßes an Änderung des lonenstroms gelesen. Ein durch den Strommesser 109 gelesener Signalwert wird nach Bedarf verstärkt und im PC 110 aufgezeichnet.
Ein Zeitpunkt, zu dem das Immobilisierungselement 107 mit dem Raumdefinitionselement 114 im zweiten Schritt in Kontakt kommt, ist ein Analysestartpunkt einer Biomolekülcharakteristikanalyse, die im dritten Schritt durchgeführt wird. Daher kann eine Region, die einer Höhe des Raumdefinitionselements 114 von einem immobilisierten Punkt in einer ganzen Länge des Biomoleküls entspricht, ohne Durchgang durch die Nanopore 112 nicht analysiert werden. In diesem Beispiel werden, wie in 58 gezeigt, wenn die Biomoleküle 108 am Immobilisierungselement 107 immobilisiert werden, die Biomoleküle 108 am Immobilisierungselement 107 durch einen Linker 2001 mit einer Höhe immobilisiert, die dem Raumdefinitionselement 114 entspricht, alle der Sequenzen in den Biomolekülen 108 können gelesen werden.
59 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel der Detektion eines Ionenstromsignals darstellt. 59 zeigt ein schematisches Diagramm einer Positionsbeziehung des Immobilisierungselements zur Nanoporenvorrichtung in einer oberen Stufe, zeigt einen Graphen einer Änderung des lonenstromsignals in einer mittleren Stufe und zeigt einen Graphen der Verschiebung eines Antriebsmechanismus in einer unteren Stufe. Eine Antriebsmechanismusverschiebung z in der unteren Stufe entspricht einem Abstand zwischen der Nanoporenvorrichtung 101 und dem Immobilisierungselement 107. Außerdem ist in 59 eine Positionsbeziehung zwischen dem Immobilisierungselement 107 entsprechend einem Merkmalspunkt im Ionenstromsignal und der Nanoporenvorrichtung 101 durch Pfeile angegeben.
Mit Bezug auf 59 wird, bevor das Immobilisierungselement 107 nahe an die Nanoporenvorrichtung 101 kommt, ein lonenstromsignal I₀, das einem Nanoporendurchmesser entspricht, erhalten. Wenn das Biomolekül 108 in die Nanopore 112 eintritt, tritt eine Verringerung des Betrags des lonenstroms entsprechend einem mittleren Durchmesser der Biomoleküle auf. Zu dieser Zeit ist eine Geschwindigkeit, mit der die Biomoleküle durch die Nanopore 112 hindurchgehen, keine Antriebsgeschwindigkeit des Immobilisierungselements 107, sondern eine Geschwindigkeit von freier Elektrophorese der Biomoleküle. Dies liegt daran, dass die Biomoleküle gefaltet und gebogen sind, wenn die Biomoleküle in ein elektrisches Feld von außerhalb des elektrischen Feldes eintreten, und daher werden die Biomoleküle nicht durch die Tatsache beeinflusst, dass die Enden der Biomoleküle am Immobilisierungselement 107 immobilisiert sind. In diesem Fall kann eine Messauflösung nicht erhalten werden und ein erfasster Ionenstromwert gibt einen mittleren Stromwert I_b in Abhängigkeit vom mittleren Durchmesser des Biomoleküls an.
Da eine Transportgeschwindigkeit der Biomoleküle, wenn die Biomoleküle durch den Antriebsmechanismus 105 angehoben werden, nachdem das Immobilisierungselement 107 mit dem Raumdefinitionselement 114 der Nanoporenvorrichtung 101 in Kontakt kommt, gleich einer Bewegungsgeschwindigkeit des Immobilisierungselements 107 ist, können die Biomoleküle mit einer Geschwindigkeit transportiert werden, die für eine charakteristische Auflösung erforderlich ist. Um beispielsweise eine Differenz zwischen individuellen Basentypen, die in der DNA-Kette enthalten sind, durch den Sperrstrombetrag zu messen, ist es denkbar, dass eine Nanoporendurchgangsgeschwindigkeit der DNA auf 100 µs oder mehr pro Base festgelegt werden muss aufgrund einer Zeitkonstante des Stromrauschens zur Zeit der Messung und der Schwankung der DNA-Moleküle. Daher wird der Antriebsmechanismus 105 gesteuert, um das Immobilisierungselement 107 mit einer Geschwindigkeit nach oben zu bewegen, die geringer ist als 100 µs pro Base, wodurch ein Signal erhalten werden kann, das die Basensequenz der Biomoleküle widerspiegelt. Da andererseits der Analysendurchsatz hoch gehalten werden muss, ist es erwünscht, dass die Geschwindigkeit geringer ist als 10 ms pro Base. Mit anderen Worten, es ist bevorzugt, dass der Antriebsmechanismus das Biomolekülimmobilisierungselement mit einer Geschwindigkeit zwischen 34 nm/s und 34 µm/s antreibt.
60 ist eine schematische Ansicht, die ein erstes Beispiel eines Stoppmechanismus zum Verhindern eines Kontakts zwischen dem Immobilisierungselement und dem Dünnfilm darstellt. Die Darstellung der Nuten 115 ist für die Vereinfachung der Beschreibung weggelassen. 60 zeigt auch eine schematische Seitenansicht des Immobilisierungselements 107 mit dem Antriebsmechanismus 105 und eine Unteransicht mit einem Schlitz 603. In diesem Beispiel ist das Raumdefinitionselement 2201 nicht an der Nanoporenvorrichtung 101 angeordnet, sondern so, dass es nach unten von einer unteren Oberfläche des Immobilisierungselements 107 vorsteht. Das Raumdefinitionselement 2201 ist an einem äußeren Umfang der unteren Oberfläche des Immobilisierungselements 107, vier Ecken der unteren Oberfläche oder zwei entgegengesetzten Seiten, um mit der Nanoporenvorrichtung 101 in einer Position außerhalb des Dünnfilms 113 in Kontakt zu kommen, ausgebildet. Mit anderen Worten, das Raumdefinitionselement 2201 ist an zumindest einem Teil der unteren Oberfläche des Immobilisierungselements 107 außerhalb der Region gegenüber dem Dünnfilm 113 vorgesehen. Wenn das Immobilisierungselement 107 sich in der Richtung der Nanoporenvorrichtung 101 bewegt, ist ein Raum zwischen dem Immobilisierungselement 107 und dem Dünnfilm 113 mit Hilfe des Raumdefinitionselements 601 definiert und es wird verhindert, dass der Dünnfilm 113 durch einen Kontakt mit dem Immobilisierungselement 107 zerbrochen wird.
61 und 62 sind schematische Ansichten, die ein zweites Beispiel des Stoppmechanismus zum Verhindern eines Kontakts zwischen dem Immobilisierungselement und dem Dünnfilm zeigen. Zur Vereinfachung der Beschreibung ist eine Darstellung der Nuten 115 weggelassen. 61 zeigt einen Zustand, bevor das Immobilisierungselement 107 mit der Nanoporenvorrichtung 101 in Kontakt kommt, und 62 zeigt einen Zustand, nachdem das Immobilisierungselement 107 mit der Nanoporenvorrichtung 101 in Kontakt kommt. Der Stoppmechanismus ist dazu konfiguriert, einen Raum zum Vermeiden eines Kontakts zwischen dem Immobilisierungselement 107 und dem Dünnfilm 113 zwischen dem Immobilisierungselement 107 und dem Dünnfilm 113 zu schaffen. Der Stoppmechanismus gemäß dem vorliegenden Beispiel ist derart konfiguriert, dass eine Elektrode 2302a und eine Elektrode 2302b an einer oberen Oberfläche der Nanoporenvorrichtung 101 und zumindest einem Teil einer unteren Oberfläche des Immobilisierungselements 107 außerhalb der Region, die dem Dünnfilm entspricht, angeordnet sind, und ein relativer Abstand zwischen dem Immobilisierungselement 107 und der Nanoporenvorrichtung 101 wird gemäß einer Änderung der elektrostatischen Kapazität zwischen den Elektroden 2302a und 2302b detektiert, um den Kontakt zwischen dem Immobilisierungselement 107 und der Nanoporenvorrichtung 101 zu überwachen. Eine zwischen den Elektroden 2302a und 2302b anzulegende Spannung wird gemäß einem angenommenen Strombetrag und einem gemessenen Strom ausgewählt. Um eine Korrosion und Oxidation der Elektroden zu verhindern, kann die Messung durch Anlegen einer Impulsspannung durchgeführt werden. Die Antriebsmechanismus-Steuereinheit 106 (nicht gezeigt) bewirkt, dass der Antriebsmechanismus 105 das Immobilisierungselement 107 in der Richtung der Nanoporenvorrichtung 101 antreibt, detektiert den Abstand zwischen der Nanoporenvorrichtung 101 und der Immobilisierung 107 auf der Basis der Signaländerung, die von den Elektroden 2302a und 2302b erhalten wird, wenn die Nanoporenvorrichtung 101 und das Immobilisierungselement 107 näher zueinander kommen, und stoppt den Antrieb des Antriebsmechanismus 105. Die Antriebsmechanismus-Steuereinheit 106 kann den Kontakt auf der Basis eines Kurzschlusses anstelle des Erfassens eines Signals einer Kapazitätsänderung überwachen. Während die Spannung zwischen den Elektroden 2302a und 2302b angelegt wird, die den Stoppmechanismus konfigurieren, wird keine Spannung an die erste und die zweite Elektrode 103a und 103b für die Messung angelegt.
63 und 64 sind schematische Diagramme, die ein drittes Beispiel des Stoppmechanismus zum Verhindern des Kontakts zwischen dem Immobilisierungselement und dem Dünnfilm darstellen. Für die Vereinfachung der Beschreibung ist eine Darstellung der Nuten 115 weggelassen. In dem in 63 gezeigten Beispiel sind die Elektroden 2401 und 2402 nur an der Nanoporenvorrichtung 101 angeordnet und die Elektroden sind verdrahtet und der relative Widerstand zwischen dem Immobilisierungselement 107 und der Nanoporenvorrichtung 101 wird gemäß einer Änderung des Strombetrags detektiert, wenn das Immobilisierungselement 107 näher zur Nanoporenvorrichtung 101 kommt. Die Elektroden 2401 und 2402 sind an einem äußeren Umfang einer Region außerhalb des Dünnfilms 113, an vier Ecken oder zwei entgegengesetzten Seiten der oberen Oberfläche der Nanoporenvorrichtung 101 angeordnet. In dem in 64 gezeigten Beispiel sind Elektroden 2403 und 2404 an einer unteren Oberfläche des Immobilisierungselements 107 angeordnet und diese Elektroden sind verdrahtet, um den relativen Abstand zwischen dem Immobilisierungselement 107 und der Nanoporenvorrichtung 101 durch denselben Mechanismus zu detektieren. Die Elektroden 2403 und 2404 können an vier Ecken außerhalb einer Region, die dem Dünnfilm 113 entspricht, oder zwei entgegengesetzten Seiten auf der untere Oberfläche des Immobilisierungselements 107 angeordnet sein. Die Nuten 115 können auf einer Seite vorgesehen sein, auf der die Elektroden 2401 und 2402 angeordnet sind (das Immobilisierungselement 107 oder die Nanoporenvorrichtung 101), oder können auf einer Seite vorgesehen sein, auf der die Elektroden 2401 und 2402 angeordnet sind (das Immobilisierungselement 107 oder die Nanoporenvorrichtung 101).
In dem Fall, in dem vier Elektroden an den vier Ecken angeordnet sind, können diese vier Elektroden auch für den Ausgleich des Immobilisierungselements 107 verwendet werden. In diesem Fall kann der Antriebsmechanismus 105 eine Neigungseinstellfunktion aufweisen und die Antriebsmechanismus-Steuereinheit 106 kann eine Neigung des Antriebsmechanismus 105 so einstellen, dass Stromwerte, die von den vier Abschnitten erfasst werden, im Wesentlichen miteinander übereinstimmen. Unabhängige Goniometer sind beispielsweise an den vier Ecken vorgesehen und die Neigung des Antriebsmechanismus 105 kann manuell oder automatisch auf der Basis der Stromwerte eingestellt werden, die von den vier Abschnitten erfasst werden.
65 bis 67 sind schematische Draufsichten, die Beispiele der Elektrodenanordnung an der Nanoporenvorrichtung 101 darstellen, die in 63 gezeigt ist. 65 ist eine Gestaltungsansicht des Dünnfilms 113, einer Sensorverdrahtung 2406 und eines Elektrodenzuleitungsdrahts 2407 an der Nanoporenvorrichtung 101. 66 und 67 sind vergrößerte Ansichten der Sensorverdrahtung. 66 zeigt ein Beispiel eines Typs einer Gegenelektrode und 67 zeigt ein Beispiel, in dem Gegenelektroden 2408 in einer Ringform in vier Positionen im Umfangsabschnitt des Dünnfilms 113 angeordnet sind. In diesem Beispiel wird eine Spannung von 1 V zwischen den Elektroden angelegt, die so ausgelegt sind, dass sie eine Elektrodenlänge L von 10 µm und ein Elektrodenintervall s von 0,4 µm bis 2 µm aufweisen, wie in 66 gezeigt. Danach wird eine Änderung des Stroms zwischen den Elektroden überwacht, wenn das Immobilisierungselement 107 näher an die Nanoporenvorrichtung 101 gebracht wird.
68 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen dem Abstand h und dem Betrag des Stroms zeigt, die durch den Betrag des Stroms normiert ist, der fließt, wenn der Abstand h zwischen dem Immobilisierungselement und der Nanoporenvorrichtung 10 µm ist. Wie in 68 gezeigt, wurde festgestellt, dass fast keine Abhängigkeit des Strombetrags vom Abstand h besteht, wenn der Abstand zwischen dem Immobilisierungselement 107 und der Nanoporenvorrichtung 101 gleich oder mehr als 7 µm ist, aber eine Korrelation zwischen dem Abstand und der Strombetragsverringerung besteht, wenn der Abstand gleich oder geringer als 7 µm ist. Daher wird die Korrelation zwischen dem Abstand h und dem Strombetrag erfasst, wodurch die Fähigkeit zur Einstellung der Höhe des Immobilisierungselements 107 eingestellt werden kann.
Als anderes Beispiel des Verfahrens zum Antreiben des Immobilisierungselements 107 gibt es auch ein Verfahren zum Annähern an die Umgebung der Nanopore, während die Biomoleküle 108 vorläufig am Immobilisierungselement 107 gedehnt werden. 69 bis 72 und 73 bis 74 sind schematische Querschnittsansichten, die ein Beispiel eines Verfahrens zum Antreiben des Immobilisierungselements durch die Biomolekülmessvorrichtung mit einem Vordehnungsmechanismus der Biomoleküle zeigen. Für die Erleichterung der Beschreibung ist eine Darstellung der Nuten 115 weggelassen.
Wie in 69 gezeigt, umfasst die Biomolekülmessvorrichtung gemäß dem vorliegenden Beispiel Elektroden 1202a und 1202b, die am Immobilisierungselement 107 bzw. an der Nanoporenvorrichtung 101 angeordnet sind. Zuerst verbindet ein Schaltungsumsetzungs-Controller 2706 eine Leistungsversorgung mit einer Schaltung 1207, die mit den Elektroden 1202a und 1202b verbunden ist, und erzeugt einen Potentialgradienten 1203 zwischen dem Immobilisierungselement 107 und der Nanoporenvorrichtung 101. Dann bewirkt der Potentialgradient 1203, dass die negativ geladenen Biomoleküle 108 zwischen dem Immobilisierungselement 107 und der Nanoporenvorrichtung 101 gedehnt werden.
Wie in 70 gezeigt, wird als nächstes der Antriebsmechanismus 105 angetrieben, um das Immobilisierungselement 107 nach unten anzutreiben, bis das Immobilisierungselement 107 mit dem Raumdefinitionselement 114 der Nanoporenvorrichtung 101 in Kontakt kommt. Zu dieser Zeit, wie in der vergrößerten Ansicht von 71 gezeigt, werden die Biomoleküle 108 innerhalb eines Bereichs eines angenommenen elektrischen Feldes 1209 angeordnet, das um die Nanopore erzeugt werden sollte, wenn die Leistungsquelle mit einer Schaltung 1208 verbunden ist, die mit der ersten und der zweiten Elektrode 103a und 103b verbunden ist.
Wie in 73 gezeigt,, wenn das Immobilisierungselement 107 mit dem Raumdefinitionselement 114 der Nanoporenvorrichtung 101 in Kontakt kommt, wird als nächstes die Verbindung der Leistungsversorgung von der Schaltung 1207, die mit den Elektroden 1202a und 1202b verbunden ist, auf die Schaltung 1208, die das elektrische Feld um die Nanopore erzeugt, umgeschaltet. Wie in 74 gezeigt, wird der Potentialgradient 801 um die Nanopore gebildet, mit dem Ergebnis, dass eine Spitze des Biomoleküls 108 in die Nanopore eingeführt wird.
Nach dem in 70 gezeigten Schritt gibt es einen Fall, in dem die Spitze des Biomoleküls 108 nicht in die Nanopore 112 eintritt, und einen Fall, in dem die Spitze des Biomoleküls 108 in die Nanopore 112 eintritt, wie in der vergrößerten Ansicht von 72 gezeigt, obwohl eine Wahrscheinlichkeit des Eintritts gering ist. Die Base kann von der Spitze des Biomoleküls 108 nur gelesen werden, wenn die Spitze des Biomoleküls 108 in die Region des elektrischen Feldes fällt, ohne in die Nanopore 112 einzutreten.
75 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel eines Signals zeigt, das von der Spitze des Biomoleküls gelesen wird. 75 zeigt einen Graphen einer Änderung des lonenstromsignals in einer mittleren Stufe und zeigt einen Graphen einer Verschiebung des Antriebsmechanismus in einer unteren Stufe. Eine Antriebsmechanismusverschiebung z in der unteren Stufe entspricht dem Abstand zwischen der Nanoporenvorrichtung 101 und dem Immobilisierungselement 107. Die Entsprechung zwischen dem Immobilisierungselement 107 und der Nanoporenvorrichtung 101, die in der oberen Stufe gezeigt ist, ist durch Pfeile in Bezug auf die Merkmalspunkte im Ionenstromsignal angegeben.
Bevor das Immobilisierungselement 107 näher an die Nanoporenvorrichtung 101 kommt, wird ein lonenstromsignal I₀, das dem Nanoporendurchmesser entspricht, erhalten. Wenn die Leistungsversorgung mit der ersten und der zweiten Elektrode 103a und 103b verbunden wird, um den Potentialgradienten 801 um die Nanopore zu bilden, fällt die Spitze des Biomoleküls 108 in den Potentialgradienten 801 (siehe 74). Wenn der Antriebsmechanismus 105 in der z-Achse nach unten angetrieben wird, werden daher die Biomoleküle 108 nacheinander von freien Enden der Biomoleküle 108 in die Nanopore 112 eingeführt. Da in dieser Situation die Biomoleküle 108 keine Ablenkung aufweisen, werden die Biomoleküle 108 mit einer Geschwindigkeit angetrieben, die durch die Antriebsmechanismus-Steuereinheit 106 festgelegt wird, und die Charakteristikanalyse, die jeder Sequenz der Biomoleküle 108 entspricht, wird ermöglicht. Daher sind ein Signal, das während der Zeit, seitdem das Biomolekül 108 in die Nanopore 112 eingeführt wird, bis das Immobilisierungselement 107 und die Nanoporenvorrichtung 101 miteinander in Kontakt kommen, gelesen wird, und ein Signal, das während einer Zeit, seitdem der Antriebsmechanismus 105 beginnt, nach oben in der z-Richtung angetrieben zu werden, bis die Spitze des Biomoleküls die Nanopore 112 verlässt, gelesen wird, in Bezug auf die Kontaktzeit symmetrisch, wie in 75 gezeigt.
Das Lesen des Biomoleküls 108, das von einem anderen Biomolekül 108 verschieden ist, das anfänglich unter den mehreren Biomolekülen 108 gemessen wird, die am Immobilisierungselement 107 immobilisiert sind, kann durch Antreiben des Antriebsmechanismus 105 in der xy-Richtung verwirklicht werden. 76 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Teils der Biomolekülmessvorrichtung und eine schematische Draufsicht des Antriebsmechanismus 105. Wie in der schematischen Draufsicht gezeigt, wird der Antriebsmechanismus 105 in der xy-Richtung, das heißt in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Dünnfilms 113, angetrieben, wodurch ermöglicht werden kann, dass ein anderes Biomolekül 108 durch die Nanopore 112 hindurchgeht, und die Analyse der mehreren Biomoleküle am Immobilisierungselement 107 wird verwirklicht.
Bedingungen zum Verwirklichen der Analyse der mehreren Biomoleküle werden mit Bezug auf vergrößerte Ansichten der Umgebung der Nanoporen beschrieben, die in 77 und 78 gezeigt sind. 77 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Positionsbeziehung zwischen dem Dünnfilm 113 mit der Nanopore 112 und dem Immobilisierungselement 107 zeigt, wenn eine Charakteristikanalyse eines ersten Biomoleküls 1405 durchgeführt wird. In diesem Beispiel bewirkt, wenn ein zweites Biomolekül 1406 analysiert wird, der Antriebsmechanismus 105, dass sich das Immobilisierungselement 107 parallel zur Oberfläche des Dünnfilms 113 um denselben Durchmesser wie ein Durchmesser des Potentialgradienten 801 bewegt. 78 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die Positionsbeziehung zwischen dem Dünnfilm 113 mit der Nanopore 112 nach der Bewegung und dem Immobilisierungselement 107 zeigt. Die Bewegung macht es möglich, einen Zustand zu erzeugen, in dem das erste Biomolekül 1405 überhaupt nicht in den Bereich des Potentialgradienten 801 fällt. Danach bewirkt der Antriebsmechanismus 105, dass das Immobilisierungselement 107 in Richtung des Dünnfilms 113 angetrieben wird, wodurch das zweite Biomolekül 1406 in die Nanopore 112 eingeführt werden kann und das zweite Biomolekül 1406 analysiert werden kann.
<Beispiel 5>
Ein Beispiel einer Prozedur zum Messen eines Biomoleküls unter Verwendung einer Biomolekülmessvorrichtung wird nachstehend beschrieben. in allen folgenden Schritten wird ein lonenstrom I, der durch eine Nanopore fließt, durch einen Verstärker gemessen. Außerdem wird eine konstante Spannung zwischen einem Paar von Ag- und AgCI-Elektroden angelegt, die jeweils in zwei obere und untere Flüssigkeitstanks eingesetzt sind, und ein lonenstrombetrag I₀, der der Größe der Nanopore entspricht, wird erfasst.
79 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Beispiel eines Verfahrens zum Lesen einer Basensequenz einer DNA als Biomolekül zeigt. Eine obere Stufe von 79 zeigt zwei Potentialbeziehungen zwischen einem Immobilisierungselement 107 und einer Nanoporenvorrichtung 101 während einer DNA-Basensequenzanalyse repräsentativ. Eine mittlere Stufe von 79 zeigt eine Änderung des lonenstroms und eine untere Stufe zeigt eine Verschiebung des Immobilisierungselements 107. Eine Verschiebung z in der unteren Stufe entspricht einem Abstand zwischen dem Immobilisierungselement 107 und der Nanoporenvorrichtung 101. 79 zeigt auch Zeitpunkte, zu denen eine Änderung einer Richtung des Antriebs des Immobilisierungselements 107 durch den Antriebsmechanismus 105 und Positionsbeziehungen zwischen dem Immobilisierungselement 107 und der Nanoporenvorrichtung 101 zur Zeit der Änderung der Richtung. Durchgezogene Pfeile in der mittleren Stufe geben eine erste Positionsbeziehung an, die auf der linken Seite der oberen Stufe gezeigt ist, und hohle Pfeile geben eine zweite Positionsbeziehung an, die auf der rechten Seite der oberen Stufe gezeigt ist.
Wenn das Immobilisierungselement 107 durch den Antriebsmechanismus 105 nach unten in der z-Achse angetrieben wird, tritt das freie Ende des Biomoleküls 108 in die Nanopore 112 ein und das Biomolekül 108 wird zwischen dem Ende, das am Immobilisierungselement 107 immobilisiert ist, und der Nanopore 112 gedehnt. Zu dieser Zeit nimmt der lonenstrom gemäß einer mittleren Durchmessergröße der Biomoleküle 108 ab und wird I_b. Wenn die Biomoleküle 108 in den Potentialgradienten 801 von außen fallen, da die Biomoleküle 108 gefaltet sind, gehen die Biomoleküle 108 durch das Innere der Nanopore 112 mit einer Geschwindigkeit der freien Elektrophorese der Biomoleküle 108 anstelle der Bewegungsgeschwindigkeit des Immobilisierungselements 107 hindurch. Der Ionenstromwert zu dieser Zeit ist kein Stromwert, der von jeder Base abgeleitet ist, sondern gibt einen mittleren Stromwert I_b in Abhängigkeit vom mittleren Durchmesser der Biomoleküle 108 an.
Danach wird das Immobilisierungselement 107 durch den Antriebsmechanismus 105 weiter nach unten in der z-Achse angetrieben, aber die Bewegung des Immobilisierungselements 107 nach unten in der z-Achse wird durch das Raumdefinitionselement 114 gesperrt und die Bewegung stoppt. Zu dieser Zeit ist die Positionsbeziehung des Immobilisierungselements 107, der Biomoleküle 108 und der Nanoporenvorrichtung 101 als erste Positionsbeziehung auf der linken Seite der oberen Stufe in 79 gezeigt.
Da eine Transportgeschwindigkeit der Biomoleküle 108, wenn die Biomoleküle 108 angehoben werden, gleich der Antriebsgeschwindigkeit des Immobilisierungselements 107 ist, können danach die Biomoleküle 108 mit einer Rate (< 3,4 nm/ms) transportiert werden, die für eine Einzelbasenzerlegung erforderlich ist. Daher wird ein Signal, das die Basensequenz der Biomoleküle 108 widerspiegelt, erhalten. in dem Prozess des Antriebs des Immobilisierungselements 107 nach oben in der z-Achse durch den Antriebsmechanismus 105 in dieser Weise können die Sequenzinformationen über die Biomoleküle 108, die sich in der Nanopore 112 bewegen, gelesen werden. Solange das freie Ende, das nicht immobilisiert ist, des Biomoleküls 108 aus der Nanopore 112 austritt und in den Potentialgradienten 801 um die Nanopore fällt, empfängt das Biomolekül 108 Kräfte in entgegengesetzten Richtungen sowohl vom Immobilisierungselement 107 als auch vom Potentialgradienten 801 um die Nanopore und wird gedehnt. Eine Beziehung zwischen dem Immobilisierungselement 107, den Biomolekülen 108 und der Nanoporenvorrichtung 101 zu dieser Zeit ist als zweite Positionsbeziehung auf der rechten Seite von der oberen Stufe von 79 gezeigt. Da das Biomolekül 108 aus der Nanopore 112 austritt, kehrt der lonenstrombetrag auf I₀ zurück. Eine Änderung des Stromwerts wird detektiert, um den Antrieb des Immobilisierungselements 107 durch den Antriebsmechanismus 105 zu stoppen.
Das Immobilisierungselement 107 wird wieder durch den Antriebsmechanismus 105 nach unten in der z-Achse angetrieben, um zu bewirken, dass das Biomolekül 108 durch die Nanopore 112 vom freien Ende hindurchgeht, während die Basensequenz des Biomoleküls 108 gelesen wird. Zu dieser Zeit wird das Biomolekül 108 als Ganzes gedehnt, da das andere freie Ende des Biomoleküls 108 in den Potentialgradienten 801 in einem Zustand fällt, in dem ein Ende des Biomoleküls 108 am Immobilisierungselement 107 immobilisiert ist. Da die Biomoleküle 108 durch die Nanopore 112 vom freien Ende des Biomoleküls 108 mit einer Antriebsgeschwindigkeit durch den Antriebsmechanismus 105 hindurchgehen, kann daher das Signal mit hoher Präzision gelesen werden. Außerdem wird die Sequenz, die während des Antriebs nach oben in der z-Achse gelesen wird, von der umgekehrten Richtung gelesen und der lonenstrom, der sich symmetrisch ändert, der das umgekehrte Lesen widerspiegelt, wird gemessen. Wenn das Immobilisierungselement 107 wieder mit dem Raumdefinitionselement 114 in Kontakt kommt, stoppt der Antrieb des Immobilisierungselements 107.
Im anschließenden Prozess wird mit der Wiederholung des Antriebs nach oben und unten das Signal wiederholt gelesen, bis eine erforderliche Sequenzlesegenauigkeit erhalten wird. Eine Verschiebung 1530 von einer Position, in der das Immobilisierungselement 107 mit der Nanoporenvorrichtung 101 in Kontakt kommt, zu einer Position, in der der lonenstromwert I₀ wird, spiegelt die Länge der Biomoleküle 108 wider.
<Beispiel 6>
Als nächstes wird ein Beispiel, in dem Biomolekülmessvorrichtungen parallel zueinander angeordnet sind, beschrieben. Die vorstehend beschriebene Biomolekülmessvorrichtung ist in der Kompatibilität mit parallelisierten Nanoporenvorrichtungen ausgezeichnet. Da die Biomoleküle desselben Typs durch die Parallelisierung gleichzeitig gemessen werden können, kann eine Verbesserung des Durchsatzes durchgeführt werden. Dieses Beispiel zeigt drei Beispiele der Parallelisierung.
80 und 81 sind schematische Querschnittsansichten, die ein erstes Beispiel einer Biomolekülmessvorrichtung mit parallelisierten Nanoporenvorrichtungen zeigen. Eine Darstellung der Nuten 115 ist wegen der Vereinfachung der Beschreibung weggelassen. In diesem Beispiel, wie in 80 gezeigt, sind die mehreren Nanoporenvorrichtungen 1604 benachbart zueinander in einer seitlichen Richtung angeordnet und ein einzelner gemeinsamer Antriebsmechanismus 105 und ein Immobilisierungselement 107 sind über den mehreren Nanoporenvorrichtungen 1604 angeordnet. Das Immobilisierungselement 107 weist eine Fläche auf, um das Ganze der mehreren Nanoporenvorrichtungen 1604 zu bedecken. Jede der mehreren parallelisierten Nanoporenvorrichtungen 1604 weist einen unabhängigen Flüssigkeitstank auf und der Flüssigkeitstank jeder Nanoporenvorrichtung 1604 ist mit einer Matrixelektrode 1608 versehen und die Matrixelektrode 1608 ist mit jedem Verstärker verbunden. Ein Flüssigkeitstank ist gemeinsam an der Oberseite der mehreren parallelisierten Nanoporenvorrichtungen 1604 vorgesehen und eine gemeinsame Elektrode 1609 ist für eine Matrixelektrode 1608 im Flüssigkeitstank angeordnet. Ein Raumdefinitionselement 1610, das den mehreren Nanoporenvorrichtungen 1604 gemeinsam ist, ist auf einer Seite der parallelisierten Nanoporenvorrichtungen 1604 angeordnet. Der Flüssigkeitstank, der in jeder individuellen Nanoporenvorrichtung 1604 vorgesehen ist, steht mit einem oberen Flüssigkeitstank durch jede Nanopore 112 in Verbindung, die in der Nanoporenvorrichtung 1604 vorgesehen ist.
Die mehreren Biomoleküle 108 sind an eine untere Oberfläche des Immobilisierungselements 107 gebunden. Wie in 81 gezeigt, wenn der Antriebsmechanismus 105 in Richtung der z-Achse nach unten abgesenkt wird, gehen die Biomoleküle 108 am Immobilisierungselement 107 durch die Nanoporen 112 hindurch, die in den jeweiligen Nanoporenvorrichtungen 1604 vorgesehen sind. Da gemäß der obigen Konfiguration die mehreren Biomoleküle gleichzeitig unter Verwendung der mehreren Nanoporen 112 gemessen werden können, wird der Messdurchsatz verbessert.
82 und 83 sind schematische Querschnittsansichten, die ein zweites Beispiel einer Biomolekülmessvorrichtung mit parallelisierten Nanoporenvorrichtungen zeigen. Eine Darstellung der Nuten 115 ist wegen der Vereinfachung der Beschreibung weggelassen. In diesem Beispiel, wie in 82 gezeigt, ist ein Antriebsmechanismus 105 über den mehreren ausgerichteten Nanoporenvorrichtungen 1604 angeordnet. Eine Matrixelektrode 1608 ist mit jeder der Nanoporenvorrichtungen 1604 verbunden. Ein Flüssigkeitstank ist gemeinsam an der Oberseite der mehreren Nanoporenvorrichtungen 1604 vorgesehen und eine gemeinsame Elektrode 1609 ist für die jeweiligen Matrixelektroden 1608 angeordnet. Ein Raumdefinitionselement 1610, das den mehreren Nanoporenvorrichtungen 1604 gemeinsam ist, ist auf der Seite der parallelisierten Nanoporenvorrichtungen 1604 vorgesehen. Der Antriebsmechanismus 105 ist mit den mehreren Immobilisierungselementen verbunden und jeder unterschiedliche Typ von Biomolekül wird immobilisiert. Folglich kann die Charakteristikanalyse der verschiedenen Biomoleküle gleichzeitig verwirklicht werden.
In dem dargestellten Beispiel sind zwei Biomolekülimmobilisierungselemente mit einem ersten Immobilisierungselement 107 und einem zweiten Immobilisierungselement 1605 mit dem Antriebsmechanismus 105 verbunden. Das erste Immobilisierungselement 107 wird mit den ersten Biomolekülen 108 gekoppelt und das zweite Immobilisierungselement 1605 wird mit den zweiten Biomolekülen 1606 gekoppelt. Gemäß der vorliegenden Konfiguration können nicht nur die mehreren Nanoporen 112 für einen Typ von Probe verwendet werden, sondern auch mehrere Typen von Proben (Biomolekülen) können auch gleichzeitig gemessen werden. Folglich wird der Messdurchsatz verbessert.
84 und 85 sind schematische Querschnittsansichten, die ein drittes Beispiel der Biomolekülmessvorrichtung mit den parallelisierten Nanoporenvorrichtungen zeigt. Eine Darstellung der Nuten 115 ist für die Vereinfachung der Erläuterung weggelassen. In diesem Beispiel sind die mehreren Antriebsmechanismen über den mehreren ausgerichteten Nanoporenvorrichtungen 1604 angeordnet. Die jeweiligen Antriebsmechanismen sind mit den Immobilisierungselementen verbunden und die verschiedenen Typen von Biomolekülen sind an den jeweiligen Immobilisierungselementen immobilisiert. Die Raumdefinitionselemente können auch für die jeweiligen Immobilisierungselemente vorgesehen sein.
Im dargestellten Beispiel sind der erste Antriebsmechanismus 105 und der zweite Antriebsmechanismus 1607 über den mehreren Nanoporenvorrichtungen 1604 angeordnet. Das erste Immobilisierungselement 107 ist mit dem ersten Antriebsmechanismus 105 verbunden und das zweite Immobilisierungselement 1605 ist mit dem zweiten Antriebsmechanismus 1607 verbunden. Die ersten Biomoleküle 108 sind mit dem ersten Immobilisierungselement 107 gekoppelt und die zweiten Biomoleküle 1606 sind mit dem zweiten Immobilisierungselement 1605 gekoppelt. Das erste Raumdefinitionselement 1611 ist für das erste Immobilisierungselement 107 vorgesehen und das zweite Raumdefinitionselement 1612 ist für das zweite Immobilisierungselement 1605 vorgesehen. Das erste Raumdefinitionselement 1611 und das zweite Raumdefinitionselement 1612 weisen unterschiedliche Filmdicken auf. Selbst die Höhe der Biomoleküle, die in der Länge unterschiedlich sind, kann folglich unabhängig eingestellt werden. Ein Schlitz oder dergleichen ist im ersten und im zweiten Raumdefinitionselement 1611 und 1612 vorgesehen. Das erste und das zweite Immobilisierungselement 107 und 1605 senken sich ab, und wenn das erste und das zweite Raumdefinitionselement 1611 und 1612 miteinander in Kontakt kommen, wird die Lösung, die den oberen Abschnitt der Nanopore 112 füllt, nicht für jede Probe unabhängig. Folglich kann die Elektrode, die an der Oberseite der mehreren Nanoporen 112 angeordnet ist, nur die gemeinsame Elektrode 1609 sein.
In irgendeinem der Beispiele ist eine Größenbeziehung zwischen der Anzahl a von Nanoporen und der Anzahl b von Biomolekülen am Immobilisierungselement a < b. Die Biomoleküle werden eng an das Immobilisierungselement gebunden, infolge dessen, wenn die Immobilisierungselemente vertikal in Richtung der Nanoporenvorrichtungen abgesenkt werden, die Biomoleküle notwendigerweise in die Nanoporen eingeführt werden.
<Beispiel 7>
Ein Beispiel, in dem magnetische Kügelchen als anderes Mittel zum Immobilisieren der Biomoleküle am Immobilisierungselement verwendet werden, wird beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Beispiel, in dem die in 86 bis 88 gezeigte Vorrichtung als Biomolekülmessvorrichtung verwendet wird, beschrieben. Das Immobilisierungselement besteht aus einem magnetischen Material.
86 bis 88 sind schematische Querschnittsansichten, die Prozeduren zum Immobilisieren der Biomoleküle am Immobilisierungselement unter Verwendung der magnetischen Kügelchen für die Messung darstellen. Für die Vereinfachung der Beschreibung ist eine Darstellung der Nuten 115 weggelassen. Die Biomoleküle, die vorher an den magnetischen Kügelchen immobilisiert werden, werden vorbereitet.
In einem ersten Schritt, wie in 86 gezeigt, wird eine Spannung zwischen Ag- und AgCI-Elektroden 1608, die in den parallelisierten Nanoporenvorrichtungen 1604 angeordnet sind, und der gemeinsamen Elektrode 1609 angelegt, um ein elektrisches Feld in einer Elektrolytlösung um jede Nanopore zu erzeugen. Dann werden Biomoleküle 3404, die an den magnetischen Kügelchen 3403 immobilisiert sind, durch Elektrophorese überführt, um die Biomoleküle in die Nanoporen der parallelisierten Nanoporenvorrichtungen 1604 einzuführen. In diesem Beispiel werden die lonenströme, die von den jeweiligen Nanoporen abgeleitet sind, überwacht, und eine effektive Nanoporenvorrichtung, in der das Biomolekül in die Nanopore eintritt, kann gemäß einer Änderungsrate der lonenströme bestätigt werden.
In einem zweiten Schritt, wie in 87 gezeigt, während ein Spannungsanlegen durch die Nanoporen im ersten Schritt fortgesetzt wird, treibt der Antriebsmechanismus 105 das Immobilisierungselement 107 in Richtung der Nanoporenvorrichtungen 1604 an, wie durch einen Pfeil angegeben, und die magnetischen Kügelchen 3403 werden an das Immobilisierungselement 107 durch eine magnetische Kraft angezogen und dort immobilisiert.
In einem dritten Schritt, wie durch den Pfeil in 88 angegeben, treibt der Antriebsmechanismus 105 das Immobilisierungselement 107 in einer Richtung von den Nanoporenvorrichtungen 1604 weg mit einer gesteuerten Geschwindigkeit an, und der lonenstrom, der aufgrund der Biomoleküle geändert wird, die sich in den Nanoporen bewegen, wird durch den Strommesser 109 detektiert und im PC 110 aufgezeichnet. Der Antriebsmechanismus 105, der durch ein piezoelektrisches Element konfiguriert ist, kann das Immobilisierungselement 107 mit einer beliebigen Geschwindigkeit antreiben, und insbesondere wenn die Sequenz der DNA gelesen wird, wird die an den magnetischen Kügelchen immobilisierte DNA in den Nanoporen mit einer Rate von 3,4 nm/ms oder niedriger bewegt, wodurch ein Lesen mit hoher Präzision durchgeführt werden kann.
Gemäß dem vorliegenden Beispiel besteht kein Bedarf, anfänglich die Nanoporen und die Biomoleküle zu positionieren. Da die Biomoleküle in das Magnetfeld diffundiert werden können, das in der Nähe der Nanoporen erzeugt wird, und in die Nanoporen eingeführt werden können, kann außerdem eine Wahrscheinlichkeit, dass die Nanoporen, durch die die Biomoleküle nicht hindurchgehen, unter den parallelisierten Nanoporen existieren, verringert werden.
<Beispiel 8>
89 ist ein Diagramm, das einen Zustand der Beseitigung eines Sperrstroms darstellt, der durch Antreiben eines Immobilisierungselements durch einen Antriebsmechanismus verursacht wird. Unter Verwendung der Biomolekülmessvorrichtung, die in 1 gezeigt ist, wurde ein Immobilisierungselement 107, in dem ss-poly (dA) einer Kettenlänge 5k an einer Oberfläche immobilisiert ist, die mit APTES/Glutaraldehyd modifiziert war, näher in die Nähe der Nanopore 112 der Nanoporenvorrichtung 101 gebracht. Wie in 89(a) gezeigt, wurde folglich ein Sperrsignal bestätigt, und wenn das Immobilisierungselement 107 von der Nanoporenvorrichtung 101 getrennt wurde, wurde das Sperrsignal beseitigt. 89(b) zeigt eine Trajektorie des Immobilisierungselements 107 zur gleichen Zeit wie jener von 89(a). Wenn eine Gegenverschiebung zunimmt, kommen die Nanoporenvorrichtung 101 und das Immobilisierungselement 107 näher zueinander. Etwa 1 Sekunde nach dem Bestätigen der Abnahme des lonenstroms wurde der Antrieb des Immobilisierungselements 107 durch den Antriebsmechanismus 105 gestoppt. Nach etwa 10 Sekunden begann ein Abstand zwischen der Nanoporenvorrichtung 101 und dem Immobilisierungselement 107 zuzunehmen. Zu der Zeit, zu der der lonenstrom wieder zunahm (nachdem 30 Sekunden vergangen waren), wurde der Antrieb durch den Antriebsmechanismus 105 wieder gestoppt. Wenn das Immobilisierungselement 107 mit der immobilisierten DNA näher an die Nanopore 112 gebracht wurde, nahm der lonenstrom ab und der lonenstrom wurde von der Nanopore 112 weg bewegt, wodurch er auf einen ursprünglichen Stromwert zurückkehrte. Dies weist darauf hin, dass die Einführung und Entnahme der DNA in die und aus der Nanopore 112 aufgrund des Antriebs des Immobilisierungselements 107 durch den Antriebsmechanismus 105 auftreten.
Wie in 89(b) gezeigt, ist ein Zeitintervall (DNA-Antriebszeit) von einer Zeit, zu der der Antriebsmechanismus 105 beginnt angetrieben zu werden für den Zweck der Trennung des Immobilisierungselements 107 von der Nanoporenvorrichtung 101, zu einer Zeit, wenn das Sperrsignal beseitigt wird, als t_out definiert. Andererseits wurde die Bewegungsgeschwindigkeit des Immobilisierungselements 107 gemäß einer Beziehung mit einer Gegengeschwindigkeit erhalten, die einer festgelegten Geschwindigkeit des Antriebsmechanismus 105 entspricht. Eine Beziehung wie z. B. der Bewegungsgeschwindigkeit jedes Immobilisierungselements 107 und der erfassten DNA-Antriebszeit (t_out) ist in 90 gezeigt. Diagramme in 90 sind experimentelle Werte. In diesem Beispiel ist der DNA-Antriebsabstand, das heißt eine maximale Länge, die in die Nanopore 112 eingeführt wird, der DNA in jeder Messung gemäß einer Position bestimmt, in der der Antrieb des Immobilisierungselements 107 stoppt, nachdem die Nanopore 112 mit der DNA blockiert ist. Da der Antrieb des Immobilisierungselements 107 durch den Antriebsmechanismus 105 manuell gestoppt wird, nachdem ein Sperrsignal, das angibt, dass die DNA in die Nanopore 112 eingeführt wurde, visuell bestätigt wird, ist es denkbar, dass es am kürzesten etwa eine Sekunde dauert, seitdem die DNA tatsächlich in die Nanopore 112 eingesetzt ist, bis der Antrieb des Immobilisierungselements 107 stoppt. Daher tritt die DNA am kürzesten von etwa 60 bis 100 nm immer in die Nanopore 112 ein.
In 90 ist eine durchgezogene Linie ein berechneter Wert der maximalen DNA-Antriebszeit, die von einer Länge der immobilisierten DNA erhalten wird. Eine gestrichelte Linie ist auch ein berechneter Wert der minimalen DNA-Antriebszeit, wenn die DNA von 60 nm in die Nanopore eintritt. Da die experimentell gemessene DNA-Antriebszeit in einen Bereich von der durchgezogenen Linie zur gestrichelten Linie fällt, wird das erfasste Sperrsignal von der DNA am Immobilisierungselement abgeleitet und der tatsächlich gemessene Wert wird als angemessen verstanden. Außerdem wird die tatsächlich gemessene DNA-Antriebszeit in einer Richtung verteilt, in der die DNA-Antriebszeit länger wird, da die Bewegungsgeschwindigkeit des Immobilisierungselements 107 niedriger ist. Es ist denkbar, dass dies angibt, dass die DNA am Immobilisierungselement 107 in der Nanopore 112 in Abhängigkeit von der Antriebsgeschwindigkeit des Antriebsmechanismus 105 transportiert wird.
91 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse der Bindung der Moleküle (dA50dC50) m), in denen ein Polymer von dA50dC50 wiederholt zum Immobilisierungselement in derselben Weise ausgedehnt wird, und der Messung der Moleküle zeigt. Wenn das Immobilisierungselement näher an die Nanoporenvorrichtung gebracht wurde, wurde das Sperrsignal, wie in 89 erfasst, bestätigt. Als Ergebnis der Analyse des Stroms nach der Sperrung wurde ein Signal mit zwei Pegeln erhalten. in dieser Weise wurden die Biomoleküle an das Immobilisierungselement gebunden und die Moleküldurchgangsgeschwindigkeit wurde verringert, wodurch ein Zustand gemessen werden konnte, in dem eine Sperrsignalintensität in Abhängigkeit von der Molekülspezies unterschiedlich ist.
<Beispiel 9>
Als andere Technik zum Verwirklichen einer Verringerung des Lösungswiderstandes zusätzlich zum Ausbilden der Nutstruktur kann poröses Siliziumdioxid als Material des Immobilisierungselements verwendet werden. Das Immobilisierungselement der Biomoleküle kann aus porösem Siliziumdioxid bestehen oder zumindest ein Teil des Immobilisierungselements kann aus porösem Siliziumdioxid bestehen. Eine Oberfläche des Immobilisierungselements, die nahe an die Nanoporenvorrichtung (Biomolekülmessvorrichtung) kommt, kann beispielsweise aus porösem Siliziumdioxid bestehen. In dieser Konfiguration werden die zu messenden Biomoleküle an zumindest der äußersten Oberfläche von porösem Siliziumdioxid (eine Oberfläche gegenüber der Nanoporenvorrichtung) immobilisiert.
Poren sind in einer Oberfläche und in einem Inneren von porösem Siliziumdioxid vorgesehen. Mit der Bereitstellung des porösen Siliziumdioxids auf einer Oberfläche des Immobilisierungselements kann beispielsweise, wenn das Immobilisierungselement näher an die Nanoporenvorrichtung kommt, eine Lösung durch die Poren hindurchgehen. Dies macht es möglich, eine Erhöhung des Durchgangswiderstandes zu verringern, der erzeugt wird, wenn das Immobilisierungselement näher an die Nanoporenvorrichtung kommt.
92 zeigt eine Einheit zum Ausbilden eines Biomolekülimmobilisierungselements, das teilweise aus porösem Siliziumdioxid besteht. Eine Beschichtungslösung 3501, in der ein Siliziumdioxidvorläufer und ein Tensid miteinander vermischt sind, wird auf eine Oberfläche eines Siliziumsubstrats 107 als Immobilisierungselement aufgebracht. Zu dieser Zeit wird ein Mizellenaggregat in der Beschichtungslösung gebildet. Danach wird Brennen ausgeführt, um das Mizellenaggregat 3502 aus der Beschichtungslösung zu entfernen, um einen porösen Siliziumdioxidfilm 3503 zu bilden. Das Bezugszeichen 3504 gibt die Poren an, die erzeugt werden, nachdem das Mizellenaggregat 3502 entfernt wurde.
In diesem Beispiel wird der Grad der Verringerung des Durchgangswiderstandes gemäß einer Mizellengröße und Mizellendichte bestimmt. Das Tensid ist ein kationisches Tensid und weist bevorzugter eine hydrophobe Gruppe mit 16 oder mehr Kohlenstoffatomen oder eine hydrophobe Gruppe wie z. B. eine Benzylgruppe und eine Phenylgruppe auf. Die Mizellengröße wird gemäß einer Kettenlänge der hydrophoben Gruppe bestimmt und ein mittlerer Porendurchmesser, der nach Sintern erzeugt wird, variiert in einem Bereich von 3 nm bis weniger als 5 nm. Wenn beispielsweise ein Tensid mit einer Kohlenstoffkette C18 verwendet wird, kann der mittlere Porendurchmesser von 3,5 nm bereitgestellt werden. Da die Dichte der Poren mit der Dichte der Mizellen korreliert, kann die Dichte der Poren durch das Mengenverhältnis des Tensids eingestellt werden. Ein Porenvolumen variiert in einem Bereich von 0,1 bis 2,0 cm³/g und kann mit mindestens 20 % oder mehr des Siliziumdioxidvolumens gesteuert werden. Um zu verhindern, dass der Widerstandswert aufgrund der Annäherung zunimmt, ist eine Verringerung der Dichte einer Struktur um etwa 100-mal erforderlich. Aus diesem Grund besteht ein Bedarf, die Dichteverringerung von 99 % oder mehr im Volumenverhältnis zu verwirklichen, was in einen steuerbaren Bereich dieser Struktur fällt.
Um eine Erhöhung des Widerstandswerts zu verhindern, ist es erforderlich, dass eine wässerige Lösung auch in die Pore eindringt. Diese Angelegenheit kann gelöst werden, indem die poröse Siliziumdioxidoberfläche hydrophil gemacht wird. Zusätzlich zur Hydrophilisierung durch eine Plasmabehandlung kann ein hydrophiler Zustand durch eine Organosiliziumverbindung mit einer Aminogruppen-modifizierten Siloxanbindung aufrechterhalten werden. Die Organosiliziumverbindung mit einer Siloxanbindung ist auch zum Verstärken eines Gerüsts der porösen Struktur nützlich.
Da das poröse Siliziumdioxid ein festes Siliziummaterial ist, kann eine Hydroxylgruppe an einem Siliziumende durch Plasmabestrahlung gebildet werden und eine Aminogruppe kann am Ende unter Verwendung von APTES und eines Vernetzungsmittels mit einem Carboxylende wie z. B. Glutaraldehyd modifiziert werden und Aminogruppen-endständige Biomoleküle können immobilisiert werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Beispiele begrenzt, sondern umfasst verschiedene Modifikationen. Die vorstehend erwähnten Beispiele sind für den Zweck der Beschreibung der vorliegenden Erfindung in einer leicht zu verstehenden Weise im Einzelnen beschrieben, und die vorliegende Erfindung stellt nicht immer alle der vorstehend beschriebenen Konfigurationen bereit. Ein Teil eines Konfigurationsbeispiels kann auch durch ein anderes Konfigurationsbeispiel ersetzt werden und die Konfiguration eines Beispiels kann zur Konfiguration eines anderen Beispiels hinzugefügt werden. In einem Teil der jeweiligen Konfigurationsbeispiele kann auch eine andere Konfiguration unabhängig oder in Kombination hinzugefügt, gelöscht oder ersetzt werden.
Die vorstehend beschriebenen jeweiligen Konfigurationen, Funktionen und so weiter der Messeinheit und der Steuereinheit können verwirklicht werden, indem ermöglicht wird, dass ein Prozessor Programme zum Verwirklichen der jeweiligen Funktionen interpretiert und ausführt. Die Informationen über das Programm, die Tabelle, Datei und dergleichen zum Verwirklichen der jeweiligen Funktionen können in einer Aufzeichnungsvorrichtung wie z. B. einem Speicher, einer Festplatte oder einem SSD (Halbleiterlaufwerk) oder einem Aufzeichnungsmedium wie z. B. einer IC-Karte, einer SD-Karte oder einer DVD gespeichert sein. Außerdem können einige oder alle der jeweiligen Konfigurationen, Funktionen und so weiter der Messeinheit und der Steuereinheit durch Hardware verwirklicht werden, die beispielsweise durch eine integrierte Schaltung entworfen ist.
Bezugszeichenliste

100: Biomolekülcharakterisierungsanalysevorrichtung
101: Nanoporenvorrichtung
102: Elektrolytlösung
103a, 103b: Ag- und AgC-Elektroden
104: Leistungsversorgung
105: Antriebsmechanismus
106: Antriebsmechanismus-Steuereinheit
107: Biomolekül-Immobilisierungselement
108: Biomolekül
109: Strommesser
110: PC
111: Verbindungselement
112: Nanopore
113: Dünnfilm
114: Raumdefinitionselement
115: Nut
115a: konvexer Abschnitt der Nut
115b: konkaver Abschnitt der Nut
1501: Laserbestrahlungseinheit
1503: Spiegel
1504: Überwachungseinrichtung der relativen Position
1505: Steuereinheit
1506, 1511: Drehmechanismus
1507: Einstellungsmechanismus
3501: Beschichtungslösung gemischt mit Siliziumdioxidvorläufer und Tensid
3502: Mizellenaggregat
3503: poröse Siliziumdioxidmembran
3504: Pore

Claims

Biomolekülmessvorrichtung (100), die umfasst: einen ersten Flüssigkeitstank (131), der mit einer Elektrolytlösung (102) gefüllt ist; einen zweiten Flüssigkeitstank (132), der mit der Elektrolytlösung (102) gefüllt ist; eine Nanoporenvorrichtung (101), die einen Dünnfilm (113) mit einer Nanopore (112) abstützt und zwischen dem ersten Flüssigkeitstank (131) und dem zweiten Flüssigkeitstank (132) vorgesehen ist, um den ersten Flüssigkeitstank (131) mit dem zweiten Flüssigkeitstank (132) durch die Nanoporen (112) in Verbindung zu bringen; ein Immobilisierungselement (107), das im ersten Flüssigkeitstank (131) angeordnet ist, eine Größe aufweist, die größer ist als jene des Dünnfilms (113), und an dem Biomoleküle immobilisiert werden; einen Antriebsmechanismus (105), der das Immobilisierungselement (107) in einer Richtung näher zum Dünnfilm (113) oder von diesem weg antreibt; eine erste Elektrode (103a), die im ersten Flüssigkeitstank (131) vorgesehen ist; eine zweite Elektrode (103b), die im zweiten Flüssigkeitstank (132) vorgesehen ist; einen Stoppmechanismus (114), der einen Kontakt zwischen dem Immobilisierungselement (107) und dem Dünnfilm (113) verhindert; eine Leistungsversorgung (104), die eine Spannung zwischen der ersten Elektrode (103a) und der zweiten Elektrode (103b) anlegt; und eine Messeinheit (109, 110), die einen lonenstrom misst, der zwischen der ersten Elektrode (103a) und der zweiten Elektrode (103b) fließt, wobei die Nanoporenvorrichtung (101) und/oder das Immobilisierungselement (107) in einer Region eine Nutstruktur aufweisen, in der die Nanoporenvorrichtung (101) und das Immobilisierungselement (107) einander gegenüberliegen, und die Messeinheit (109, 110) Sequenzinformationen über die Biomoleküle durch einen lonenstrom erfasst, der gemessen wird, wenn die am Immobilisierungselement (107) immobilisierten Biomoleküle durch die Nanoporen (112) hindurchgehen.
Biomolekülmessvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Nutstruktur kontinuierlich in einem Bereich ausgebildet ist, in dem die Nanoporenvorrichtung (101) und das Immobilisierungselement (107) einander gegenüberliegen.
Biomolekülmessvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei der Stoppmechanismus (114) ein Raumdefinitionselement umfasst, das an der Nanoporenvorrichtung (101) angeordnet ist und einen Raum zwischen dem Immobilisierungselement (107) und dem Dünnfilm (113) definiert, und die Nutstruktur im Raumdefinitionselement ausgebildet ist.
Biomolekülmessvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei ein Querschnitt der Nutstruktur einer von einem Rechteck, einem Dreieck, einem Halbkreis und einem Trapez ist.
Biomolekülmessvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Biomoleküle an einem konvexen Abschnitt (115a) der Nutstruktur immobilisiert werden.
Biomolekülmessvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei ein konvexer Abschnitt (115a) und ein konkaver Abschnitt (115b) der Nutstruktur aus demselben Material bestehen.
Biomolekülmessvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei ein konvexer Abschnitt (115a) und ein konkaver Abschnitt (115b) der Nutstruktur aus verschiedenen Materialien bestehen.
Biomolekülmessvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei mehrere Typen von Biomolekülen am Immobilisierungselement (107) durch mehrere verschiedene Marker immobilisiert werden.
Biomolekülmessvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei eine Nuttiefe der Nutstruktur gleich oder mehr als 5 µm ist.
Biomolekülmessvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei eine Breite eines konvexen Abschnitts (115a) der Nutstruktur gleich oder mehr als eine Teilung der Biomoleküle ist, die am Immobilisierungselement (107) immobilisiert sind.
Biomolekülmessvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei der Antriebsmechanismus (105) eine Funktion aufweist, um das Immobilisierungselement (107) mit der Nanoporenvorrichtung (101) in Kontakt zu bringen, und die Nutstruktur kontinuierlich über einen ganzen Bereich ausgebildet ist, in dem die Nanoporenvorrichtung (101) und das Immobilisierungselement (107) einander gegenüberliegen.
Biomolekülmessvorrichtung (100) nach Anspruch 1, die ferner umfasst: einen Einstellungsmechanismus (1507), der die Bewegung oder Drehung des Immobilisierungselements (107) einstellt; einen Laserbestrahlungsmechanismus (1501), der die Nutstruktur mit einem Laser bestrahlt; und eine Steuereinheit (1505), die den Einstellungsmechanismus (1507) steuert, wobei die Steuereinheit (1505) den Einstellungsmechanismus (1507) unter Verwendung eines Bildes steuert, das durch Bestrahlung mit dem Laser erhalten wird.
Biomolekülmessvorrichtung (100) nach Anspruch 1, die ferner umfasst: einen Einstellungsmechanismus (1507), der die Bewegung oder Drehung des Immobilisierungselements (107) einstellt; und eine Steuereinheit (1505), die den Einstellungsmechanismus (1507) steuert, wobei die Steuereinheit (1505) den Einstellungsmechanismus (1507) durch Überwachen des Lösungswiderstandes um die Nanoporenvorrichtung (101) steuert.
Biomolekülmessvorrichtung (100), die umfasst: einen ersten Flüssigkeitstank (131), der mit einer Elektrolytlösung (102) gefüllt ist; einen zweiten Flüssigkeitstank (132), der mit der Elektrolytlösung (102) gefüllt ist; eine Nanoporenvorrichtung (101), die einen Dünnfilm (113) mit einer Nanopore (112) abstützt und zwischen dem ersten Flüssigkeitstank (131) und dem zweiten Flüssigkeitstank (132) vorgesehen ist, um den ersten Flüssigkeitstank (131) mit dem zweiten Flüssigkeitstank (132) durch die Nanoporen (112) in Verbindung zu bringen; eine erste Elektrode (103a), die im ersten Flüssigkeitstank (131) vorgesehen ist; eine zweite Elektrode (103b), die im zweiten Flüssigkeitstank (132) vorgesehen ist; eine Leistungsversorgung (104), die eine Spannung zwischen der ersten Elektrode (103a) und der zweiten Elektrode (103b) anlegt; und eine Messeinheit (109, 110), die einen lonenstrom misst, der zwischen der ersten Elektrode (103a) und der zweiten Elektrode (103b) fließt, wobei der erste Flüssigkeitstank (131) einen Mikroströmungspfad in einer Region in der Nähe der Nanoporen (112) aufweist, die Nanoporenvorrichtung (101) eine Nutstruktur aufweist, und die Messeinheit (109, 110) Sequenzinformationen über die Biomoleküle durch einen lonenstrom erfasst, der gemessen wird, wenn die Biomoleküle durch die Nanoporen (112) hindurchgehen.
Immobilisierungselement (107) zum Immobilisieren von Biomolekülen in einer Biomolekülmessvorrichtung (100), wobei eine Nutstruktur auf einer Oberfläche des Immobilisierungselements (107) ausgebildet ist.
Biomolekülmessvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei das Immobilisierungselement (107) aus porösem Siliziumdioxid besteht oder das poröse Siliziumdioxid auf einer Oberfläche des Immobilisierungselements (107) nahe der Nanoporenvorrichtung (101) vorgesehen ist, und die zu messenden Biomoleküle an einer Oberfläche des porösen Siliziumdioxids gegenüber der Nanoporenvorrichtung (101) immobilisiert werden.