DE112017002258T5

DE112017002258T5 - Biomolekül-Messeinrichtung

Info

Publication number: DE112017002258T5
Application number: DE112017002258.4T
Authority: DE
Inventors: Yoshimitsu Yanagawa; Yusuke Goto; Michiru Fujioka
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2017-04-11
Publication date: 2019-01-10
Also published as: GB201818825D0; JP6592402B2; GB2565689B; JP2017219327A; CN109196343B; GB2565689A; US20190137431A1; US11474065B2; WO2017208631A1; CN109196343A

Abstract

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Biomolekül-Messeinrichtung bereitzustellen, die den Einfluss einer Wechselwirkung zwischen Kammern verringern kann. Eine Biomolekül-Messeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung versorgt Elektroden, die auf Kammern angeordnet sind, mit Spannungen, die unterschiedlich zueinander moduliert sind (siehe Figur 1).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Biomolekül-Messeinrichtung.
Stand der Technik
Heutzutage richtet sich die Aufmerksamkeit auf eine Biomolekül-Messeinrichtung, die Mikroporen im Nanometerbereich (im Folgenden als Nanoporen bezeichnet) verwendet, die auf einer dünnen Schicht als Sensoren ausgebildet sind. Die Patentliteratur 1 beschreibt im Folgenden eine Technik, bei der: Elektroden auf beiden Seiten einer Nanopore vorgesehen sind, ein Tunnelstrom, der durch DNA (Desoxyribonukleinsäure) Moleküle in der Nanopore fließt, gemessen wird, um Basentypen zu identifizieren. Im Vergleich zu herkömmlichen DNA-Sequenzern vom Fluoreszenz-Typ benötigt die in der Patentliteratur 1 beschriebene Technik kein teures Fluoreszenzreagenz und keine DNA-Verlängerungsreaktion zur Identifizierung von Sequenzen. Somit ist die Technik nicht anfällig für Fehler durch Verlängerungsreaktionen. Daher gilt die Technik als vielversprechender neuer Typ von DNA-Sequenzer, der DNA-Basensequenzen zu niedrigen Kosten mit hoher Genauigkeit und langen Lesezeiten bestimmt. Bei den Zielmolekülen der Messung handelt es sich nicht nur um DNA, natürlich mit RNA (Ribonukleinsäure), sondern auch um Biopolymere, wie beispielsweise Proteine, und diese Moleküle können mit einer geeigneten Auswahl an Nanoporendurchmessern bewertet werden.
DNA-Sequenzer vom Nanoporen-Typ können die Basenkodierungsgeschwindigkeit (Durchsatz) durch die Integration von Nanoporen und die gleichzeitige Messung von Blockadeströmen an den Nanoporen verbessern. Die Entwicklungsgeschichte der Nanoporen ist jedoch kurz, und die Ausrichtung der Nanoporen beträgt zum Jahr 2015 höchstens 500 Nanoporen. Das sind weit weniger als ein paar Milliarden, die von herkömmlichen DNA-Sequenzern vom Fluoreszenz-Typ durchgeführt werden, und der Durchsatz ist um den zweistelligen Bereich oder mehr langsamer. Daher wird erwartet, dass die Integration in Zukunft weiter vorangetrieben und der Durchsatz verbessert wird.
Literaturstellenliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2005-257687
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Bei Biomolekül-Messeinrichtungen, die Nanoporen verwenden, kann eine Erhöhung des Integrationsgrads von Nanoporen zur Blockadestromsignalstreuung (Wechselwirkung bzw. Crosstalk) einer Nanopore zur benachbarten Nanopore führen, was zu einer Verschlechterung der Messgenauigkeit führt. Um den Durchsatz gezielt zu verbessern, könnte der Abstand zwischen den Nanoporen verringert werden, was die Impedanz zwischen den Nanoporen verschlechtert und somit eine Wechselwirkung spürbarer machen könnte.
Die vorliegende Erfindung erfolgte unter Berücksichtigung dieser Umstände. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Biomolekül-Messeinrichtung bereitzustellen, die den Einfluss einer Wechselwirkung zwischen Kammern verringern kann.
Lösung des Problems
Eine Biomolekül-Messeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung versorgt die auf Kammern angeordneten Elektroden mit zueinander unterschiedlich modulierten Spannungen.
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Gemäß der Biomolekül-Messeinrichtung der vorliegenden Erfindung kann der Einfluss der Wechselwirkung verringert werden, obwohl der Integrationsgrad erhöht wird.
Figurenliste

1 ist eine Blockdarstellung einer Biomolekül-Messeinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 ist eine Darstellung, die ein Verfahren zum Messen eines Blockadestroms veranschaulicht.
3 zeigt das Ergebnis, dass, wenn ein Blockadestrom um ΔI₂ für 100 µs bei ch2 geändert wird, eine Wechselwirkungsmenge I_XT, die über eine parasitäre Kapazität Ci in ch1 gelangt ist, durch Simulation ausgewertet wird.
4 ist eine Darstellung einer Ersatzschaltung der Schaltung in 1.
5 ist eine spezifische beispielhafte Konfiguration einer Spannungsquelle 116 und eines Amperemeters 114 für einen Kanal.
6 ist ein Wellenform-Diagramm von Signalen.
7 ist ein Beispiel, das einen Lock-in-Verstärker als Filterschaltung 403 verwendet.
8 ist eine beispielhafte Modifikation der ersten Ausführungsform.
9 ist eine beispielhafte Modifikation der ersten Ausführungsform.
10 ist eine Blockdarstellung einer Biomolekül-Messeinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
11 ist eine beispielhafte Modifikation der zweiten Ausführungsform.
12 ist eine Blockdarstellung einer Biomolekül-Messeinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.
13 ist eine Darstellung der Verfahren, bei denen eine arithmetische Logikeinheit 405 eine parasitäre Kapazität bestimmt.
14 ist ein Wellenformdiagramm, das den Zeitverlauf des Anlegens einer Vorspannung in einer Biomolekül-Messeinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform veranschaulicht.
15 ist eine beispielhafte Konfiguration einer Spannungsquelle 116 und eines Amperemeters 114 für einen Kanal gemäß der vierten Ausführungsform.
16 ist eine Blockdarstellung einer Biomolekül-Messeinrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform.
17 ist eine Blockdarstellung einer Biomolekül-Messeinrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform.
18 zeigt beispielhafte Vorspannungswellenformen bei ch11, ch21 und ch22.

Beschreibung von Ausführungsformen
Erste Ausführungsform
1 ist eine Blockdarstellung einer Biomolekül-Messeinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Biomolekül-Messeinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform beinhaltet eine Referenzkammer 101, eine erste Kammer 102, eine zweite Kammer 103 und einen Nanoporen-Chip 108. Die Referenzkammer 101 ist von den Trennwänden 120 und 121 und dem Nanoporen-Chip 108 umgeben. Die erste Kammer 102 ist von den Trennwänden 123 und 124 und dem Nanoporen-Chip 108 umgeben. Die zweite Kammer 103 ist von einer Trennwand 122, der Trennwand 124 und dem Nanoporen-Chip 108 umgeben. Die Kammern sind mit einer Elektrolytlösung 105 gefüllt.
Die Referenzkammer 101 hat eine Referenzelektrode 104. Die erste Kammer 102 weist eine erste Elektrode 106 auf. Die zweite Kammer 103 weist eine zweite Elektrode 107 auf. Die Elektroden werden in die Elektrolytlösung 105 eingetaucht.
Auf dem Nanoporen-Chip 108 ist eine Membran 109 ausgebildet. Auf der Membran 109 sind Nanoporen 110 ausgebildet. Die Referenzkammer 101 steht mit der ersten Kammer 102 durch die linke Nanopore 110 in 1 in Verbindung, und die Referenzkammer 101 steht mit der zweiten Kammer 103 durch die rechte Nanopore 110 in Verbindung. Die Membran 109 ist ziemlich dünn und weist eine Dicke im Bereich von beispielsweise einem Sub-Nanometer bis zu einigen zehn Nanometern auf, je nach den Biomolekülproben, die die Messziele darstellen. Obwohl der Durchmesser der Nanopore 110 von Messzielen abhängt, liegt der Durchmesser in dem Fall, in dem eine einzelsträngige DNA abgelesen wird, wünschenswert im Größenordnungsbereich von etwa einem Nanometer bis fünf Nanometern. Der Grund dafür ist, dass bei einem Durchmesser von kleiner als etwa einem Nanometer, eine einzelsträngige DNA die Nanopore 110 nicht passieren kann, während bei einem Durchmesser von größer als fünf Nanometern die Variationen der Blockadeströme, die den Unterschieden der Basenarten entsprechen, klein werden, was zu einer Verschlechterung der Identifikationsgenauigkeit führt.
An die erste Elektrode 106 sind ein Amperemeter 114 und eine Spannungsquelle 116 angeschlossen. An die zweite Elektrode 107 sind ein Amperemeter 115 und eine Spannungsquelle 117 angeschlossen. Die Details der Amperemeter und der Spannungsquellen werden später beschrieben.
2 ist eine Darstellung, die ein Verfahren zum Messen eines Blockadestroms veranschaulicht. Zunächst wird eine DNA-Probe, die ein Messziel ist, in die Referenzkammer 101 eingebracht. Die DNA wird durch Diffusion in die Referenzkammer 101 verteilt. Zu diesem Zeitpunkt wird, wenn eine positive Spannung an die erste und zweite Elektrode 106 und 107 in Bezug auf das Potential der Referenzelektrode 104 angelegt wird, die DNA-Probe aufgrund eines in der Nähe der Nanopore 110 gebildeten Potentialgradienten zur Nanopore 110 geführt. Das liegt daran, dass die DNA negativ geladen ist. Wenn die DNA in die Nanopore 110 gelangt, ändert sich das Blockadeverhältnis der Nanopore 110 je nach Art der in der Nanopore 110 vorhandenen Basen. Zu diesem Zeitpunkt fließen, wenn eine Vorspannung an die erste und zweite Elektrode 106 und 107 angelegt wird, wie in 2 dargestellt, zwischen der ersten Elektrode 106 und der Referenzelektrode 104 und zwischen der zweiten Elektrode 107 und der Referenzelektrode 104 elektrische Ströme (Blockadeströme), die den Blockadeverhältnissen der Basen entsprechen. Die Basenarten in der Nanopore 110 können aus den Werten der Blockadeströme zu diesem Zeitpunkt geschätzt werden.
Der Spannungswert beim Einführen von DNA in die Nanopore 110 kann sich vom Vorspannungswert bei der Messung von Blockadeströmen unterscheiden. Es ist möglich, die Blockadeströme zu messen, indem man die DNA zum Beispiel bei einer Spannung von einem Volt oder mehr effizient zur Nanopore 110 führt und die Spannung nach dem Einbringen der DNA in die Nanopore 110 auf einen Bereich von etwa 100 bis 500 mV absenkt. Durch das Absenken der Vorspannung nach dem Einbringen der DNA in die Nanopore 110 werden die elektrischen Felder in der Nähe der Nanopore 110 geschwächt, um die Geschwindigkeit der vorrückenden DNA zu verlangsamen. Da also die Anzahl der Proben für die Messung von Blockadesignalen pro Base erhöht werden kann, ohne das Amperemeter 114 oder 115 zu wechseln, hat dies den Vorteil, die Genauigkeit zu verbessern.
Die Wechselwirkung bei der Messung von Blockadesignalen wird im Folgenden beschrieben. In 1 grenzt die erste Kammer 102 durch die Trennwand 124 an die zweite Kammer 103 an. Im Folgenden wird aus Gründen der Übersichtlichkeit das System zum Messen von Blockadeströmen mit der ersten Kammer 102, der ersten Elektrode 106, dem Amperemeter 114 und der Spannungsquelle 116 als ch1 bezeichnet, und das System zum Messen von Blockadeströmen mit der zweiten Kammer 103, der zweiten Elektrode 107, dem Amperemeter 115 und der Spannungsquelle 117 wird als ch2 bezeichnet. Die Trennwand 124 ist aus einem Isoliermaterial, wie beispielsweise einem Harz, gebildet, so dass eine Wechselwirkung aufgrund eines Fehlerstroms, wie eines Gleichstroms, zwischen ch1 und ch2 reduziert werden kann. Da dagegen zwischen der ersten Kammer 102 und der zweiten Kammer 103 eine parasitäre Kapazität Ci vorhanden ist, bewirkt die parasitäre Kapazität Ci einen Zustand, in dem die erste Kammer 102 wechselstromtechnisch mit der zweiten Kammer 103 gekoppelt ist, was zu einer Wechselwirkung führen kann.
3 zeigt das Ergebnis, dass eine durch die parasitäre Kapazität Ci in ch1 ausgetretene Wechselwirkungsmenge I_XT durch Simulation ausgewertet wird, wenn ein Blockadestrom um ΔI₂ für 100 µs bei ch2 geändert wird. Die horizontale Achse drückt die Kapazität der parasitären Kapazität Ci aus. Die vertikale Achse drückt das Verhältnis von ΔI₂ zur Wechselwirkungsmenge I_XT von Blockadesignalen aus und zeigt den Grad der Signalqualität an. In diesem Fall beträgt, wenn Ci etwa ein Nanofarad ist, die Signalgröße 32 dB, und die Qualität wird ausreichend erreicht. Wenn Ci jedoch zehn Nanofarad beträgt, wird die Signalmenge auf 0 dB reduziert, d.h. die Wechselwirkungsmenge I_XT verschlechtert sich auf fast das gleiche Niveau wie der Blockierungssignalwert ΔI₂ . Die Verringerung der Dicke der Trennwand 124 ist für eine hohe Integration der Nanoporen 110 effektiv. Dies führt jedoch zu einem Anstieg von Ci, was zu einem Anstieg der Wechselwirkung führt. Um die Messqualität von Blockadeströmen auch bei einer hochintegrierten Nanoporen-Anordnung aufrechtzuerhalten, muss die Wechselwirkungsmenge reduziert werden.
4 ist eine Darstellung einer Ersatzschaltung der Schaltung in 1. Es kann in Betracht gezogen werden, dass, wenn die Nanopore 110 durch DNA blockiert wird, der Widerstandswert der Nanopore 110 verändert wird. Daher wird in 4 die Nanopore 110 als variable Widerstände R_P1 und R_P2 ausgedrückt, die sich entsprechend den blockierenden Mengen ändern. C_M1 und C_M2 sind parasitäre Kapazitäten der Membran 109 oder des Nanoporen-Chips 108; die erste entspricht der ersten Kammer 102 und die zweite der zweiten Kammer 103.
5 ist eine spezifische beispielhafte Konfiguration der Spannungsquelle 116 und des Amperemeters 114 für einen Kanal. Eine Schaltung, die aus einer Verstärkerschaltung 406 und einer Spannungsquelle 407 in 5 besteht, entspricht einer Schaltung, die integral aus der Spannungsquelle 116 und dem Amperemeter 114 besteht. Eine arithmetische Logikeinheit 405 erfasst ein vom Amperemeter 114 gemessenes Ergebnis über eine Filterschaltung 403 und einen AD-Wandler 404 zur Verarbeitung. Die Filterschaltung 403, der AD-Wandler 404 und die arithmetische Logikeinheit 405 können als Komponenten der Biomolekül-Messeinrichtung aufgenommen oder können separat aufgebaut werden. Die arithmetische Logikeinheit 405 kann mit einem Computer aufgebaut werden, der beispielsweise eine CPU (Zentraleinheit) umfasst. Es können jedoch auch andere geeignete arithmetische Betriebseinrichtungen als der Computer verwendet werden.
Ein Transimpedanzverstärker 401 wandelt einen durch die erste Elektrode 106 geführten Blockadestrom Iin in ein Spannungssignal um. An den Referenzanschluss des Transimpedanzverstärkers 401 wird von der Spannungsquelle 407 eine modulierte Vorspannung V_B angelegt. Da der Transimpedanzverstärker 401 so arbeitet, dass er die an den Referenzanschluss angelegte Vorspannung V_B mit einer Spannung V_E an einen elektrischen Stromeingangsanschluss angleicht, wird die Spannung V_E auch entsprechend der Vorspannung V_B moduliert. Der Blockadestrom I_in wird zu diesem Zeitpunkt durch die nachstehende Gleichung 1 mit dem Ersatzwiderstand R_P der Nanopore 110 ausgedrückt. Das Modulationsverfahren der Vorspannung V_B ist nicht beschränkend. Allerdings ist hier V_E = V₀*sin(ωt), unter der Annahme einer einfachen Sinuswelle, wobei ω eine Winkelfrequenz ist.
Gleichung 1 $I_{i n} (t) = \frac{V_{E}}{R_{P}} = \frac{V_{0} sin (ω t)}{R_{P}}$
6 zeigt Wellenform-Diagramme von Signalen. Wenn das Blockadeverhältnis der Nanopore 110 geändert wird, wird R_ρ geändert. Infolgedessen ist I_in(t) von Gleichung 1 eine amplitudenmodulierte Sinuswelle aufgrund einer Änderung in R_ρ . Eine Wellenform 600 ist die Spannungswellenform der Vorspannung V_B und der Spannung V_E . Wenn davon ausgegangen wird, dass die DNA-Übersiedelung in der Nanopore 110 eine Änderung des Blockadeverhältnisses bewirkt und der Ersatzwiderstand R_ρ sich als Wellenform 601 ändert, ist der Blockadestrom I_in eine amplitudenmodulierte Wellenform als Wellenform 602. Ein Ausgang V_O1 des Transimpedanzverstärkers 401 ist I_in*R_F+V_E. Der Differenzverstärker 402 subtrahiert die V_E -Komponente, so dass der Ausgang V_O2 = I_in*R_F, der in einer Wellenform 603 gezeigt ist, erhalten wird. Die Filterschaltung 403 demoduliert die Amplitude von V_O2 , und dann wird eine Ausgangswellenform 604 erhalten, bei der die Wellenform 601 amplifiziert ist. Die Filterschaltung 403 kann eine klassische Hüllkurvendetektionsschaltung sein, die einfach aus einer Diode, einem Widerstand und einem Kondensator besteht, oder die synchrone Detektion kann durch einen Lock-in-Verstärker erfolgen, wie später beschrieben.
Es wird nun davon ausgegangen, dass Sinuswellen bei den Frequenzen ω₁ und ω₂ , die sich als Vorspannung V_B voneinander unterscheiden, an ch1 bzw. ch2 angelegt werden. Zu diesem Zeitpunkt wird die in das Amperemeter 114 eingegebene elektrische Stromkomponente I_in(t) im Folgenden durch die Gleichung 2 und die Gleichung 3 ausgedrückt.
Gleichung 2 $\begin{array}{l} I_{i n} (t) = I_{R P 1} (t) + I_{C M 1} (t) + I_{C M 2 / / R P 2} (t) + I_{117} (t) \\ = \frac{V_{0} sin (ω_{1} t)}{R_{P 1}} + \frac{V_{0} sin (ω_{1} t)}{\frac{1}{j ω_{1} C_{M 1}}} + \\ \frac{V_{0} sin (ω_{1} t)}{\frac{1}{R_{P 2} + \frac{1}{j ω_{1} C_{M 2}}} + \frac{1}{j ω_{1} C_{i}}} + \frac{V_{0} sin (ω_{1} t) - V_{0} sin (ω_{2} t)}{\frac{1}{j ω_{1} C_{i}}} \end{array}$
Gleichung 3 $Φ_{C M / / R P 2} = - arctan (\frac{ω^{2} C_{M 2}^{2} R_{P 2}^{2} + ω^{2} C_{M 2} C_{i} R_{P 2} + 1}{ω R_{P 2} C_{i}})$
I_RP1 ist eine elektrische Stromkomponente, die durch den Widerstand R_P1 fließt und ein gewünschtes Blockadestromsignal ist. Da I_RP1 eine Widerstandskomponente ist, wechselt I_RP1 in der gleichen Phase bei gleicher Frequenz auf die Vorspannung V_B . I_CM1 ist eine elektrische Stromkomponente, die durch die parasitäre Kapazität C_M1 mit der gleichen Frequenz wie die Vorspannung V_B fließt, aber eine Phase aufweist, die um 90° gegenüber der der Vorspannung V_B gedreht ist. I_CM2/RP2 ist eine elektrische Stromkomponente, die parallel zur Kapazität C_M2 und dem Widerstand R_P2 durch die parasitäre Kapazität C_i zwischen ch1 und ch2 fließt. Die Frequenz von I_CM2/RP2 ist ω₁ und gleich der Frequenz von I_RP1 , aber seine Phase dreht sich durch den Einfluss der Kapazitäten C_i und C_M2 . Φ_CM2/RP2 ist der Drehwinkel dieser Phase. I₁₁₇ ist eine elektrische Stromkomponente, die in die Spannungsquelle 117 fließt und eine Phase und eine Frequenz aufweist, die sich von denen der Vorspannung V_B unterscheidet. Die obige Beschreibung zeigt, dass die anderen Komponenten als I_RP1 Phasen und Frequenzen aufweisen, die sich von denen der Vorspannung V_B unterscheiden. Daher wird die synchrone Erfassung in Bezug auf den erhaltenen elektrischen Strom I_in unter Verwendung der Vorspannung V_B als Referenzsignal durchgeführt, so dass die Frequenz und die Phase selektiv erfasst werden, um nur I_RP1 zu extrahieren.
7 ist ein Beispiel für die Verwendung eines Lock-In-Verstärkers als Filterschaltung 403. Der Lock-in-Verstärker ist ein Beispiel für eine synchrone Erfassungsschaltung. Der Analogmischer 701 multipliziert das Signal eines Messziels mit dem Referenzsignal. Der Filter 702 extrahiert die GleichstromKomponente des Signals. Ein Phasenschieber 703, der die Phase des Referenzsignals feinabstimmt, kann bei Bedarf integriert werden. In der ersten Ausführungsform wird die dem Transimpedanzverstärker 401 zugeführte Vorspannung V_B als Referenzsignal eingegeben. Somit kann der Lock-in-Verstärker eine Komponente allein mit einer Frequenz und einer Phase, die an die Frequenz und die Phase des ersten Begriffs auf der rechten Seite der Gleichung 2 angepasst ist, präzise extrahieren.
Die synchrone Erfassung wird nicht unbedingt durch eine Schaltung ausgeführt. Wie beispielsweise in 5 gezeigt ist, kann eine synchrone Erfassung möglich sein, indem ein Messergebnis durch den AD-Wandler 404 in ein digitales Signal umgewandelt und eine Datenverarbeitung zum Messergebnis durchgeführt wird, um I_RP1 durch die arithmetische Logikeinheit 405 zu extrahieren. So kann eine Erhöhung der Schaltungsskala auch bei verbessertem Integrationsgrad verhindert werden. Selbst in dem Fall, in dem die Synchronerfassung ohne Verwendung einer Schaltung durchgeführt wird, kann die Filterschaltung 403 einbezogen werden. Wenn die Filterschaltung 403 ein Tiefpassfilter ist, verhindert die Schaltung 403 ein stufenartiges Erfassungsbild im AD-Wandler 404 und kann das vorhandene Rauschen vorab aus einem gewünschten Band entfernen. Dadurch kann die Signalqualität weiter verbessert werden.
8 ist eine beispielhafte Modifikation der ersten Ausführungsform. In 8 ist zusätzlich zu der in 5 beschriebenen Konfiguration eine Schutzelektrode 800 parallel zu einem Draht 801 auf einem Weg vom elektrischen Stromeingangsanschluss des Transimpedanzverstärkers 401 zur ersten Elektrode 106 angeordnet. Die Schutzelektrode 800 ist mit der Spannungsquelle 407 verbunden. Da also die Potentiale des Drahts 801 und der Schutzelektrode 800 auf dem gleichen Potential gehalten werden, wird ein elektrischer Strom, der vom Draht 801 zu den benachbarten Komponenten entweicht, verringert und ein Blockadestrom kann genauer gemessen werden. Diese Konfiguration ist besonders effektiv in dem Fall, in dem die Impedanz der Nanopore 110 hoch ist und ein elektrischer Strom, der aus dem Draht 801 zu den benachbarten Schaltungen entweicht, im Vergleich zu einem Blockadestrom nicht ignoriert werden kann. Auch für die zweite Elektrode 107 kann die Schutzelektrode in ähnlicher Weise vorgesehen werden.
9 ist eine beispielhafte Modifikation der ersten Ausführungsform. In 9 ist die Referenzkammer 101 durch eine Trennwand 906 isoliert. Die Referenzelektrode 104 ist in zwei separate Elektroden 904 und 905 getrennt. Dadurch wird zwischen den benachbarten Kanälen der Gleichstromweg isoliert, durch den der Blockadestrom fließt. Zusätzlich sind die Spannungsquellen 900 und 901 (entsprechend den Spannungsquellen 116 und 117) jeweils mit den separaten Elektroden 904 und 905 verbunden, und an die Amperemeter 114 und 115 ist keine Spannungsquelle angeschlossen. In dieser Konfiguration befindet sich die mit dem Transimpedanzverstärker 401 verbundene Spannungsquelle auf der Seite des elektrischen Stromeingangsanschlusses. Das an den Referenzanschluss eingespeiste Potential kann ein Bezugspotential wie beispielsweise GND bzw. Masse sein. Somit arbeitet der Transimpedanzverstärker 401 so, dass er den Ausgang mit dem Bezugspotential abgleicht. Da der Ausgang des Transimpedanzverstärkers 401 in 5 die Addition der Spannung V_E und der Vorspannung V_B ist, ist der Differenzverstärker 402, der die Vorspannung V_B subtrahiert, notwendig. Da der Ausgang des Transimpedanzverstärkers 401 in 9 dagegen keine überlagerte Vorspannung V_B aufweist, wird der Differenzverstärker 402 zur Vereinfachung der Schaltung eliminiert.
Zweite Ausführungsform
10 ist eine Blockdarstellung einer Biomolekül-Messeinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Biomolekül-Messeinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst weiter eine Gleichspannungsquelle V_OFST , die die Vorspannung zusätzlich zu der in der ersten Ausführungsform beschriebenen Konfiguration kompensiert. Die Gleichspannungsquelle V_OFST dient dazu, die von den Spannungsquellen 116 und 117 gelieferten Mittelspannungen aus dem Potential einer Referenzelektrode 104 auszugleichen.
Als Eigenschaft der DNA ist bekannt, dass sich die DNA bei einer Frequenz (z.B. 100 Hz oder weniger), bei der sich ein externes elektrisches Feld ändert, nach einer Änderung des externen elektrischen Feldes bewegt, während bei hohen Frequenzen (z.B. 10 kHz bis 10 MHz) die DNA selbst nicht auf das elektrische Feld reagiert und aufhört, sich zu bewegen (z.B. Nicht-Patentliteratur: „Conformation dependent non-linear impedance response of DNA in nanofluidic device", Pungetmongkol u.a., Proc. IEEE International Conference on Nanotechnology, 2015). Darüber hinaus hat die DNA, da sie in einem Hochfrequenzbereich polarisiert ist, die Eigenschaft, dass die DNA aufgrund einer Wechselwirkung mit dem äußeren elektrischen Feld linear gestreckt wird. Daher wird die Modulationsfrequenz auf eine Frequenz eingestellt, die schneller als die Antwortfrequenz der DNA ist und bei der Ionen in einer Lösung reagieren können oder weniger, so dass der Blockadestrom gemessen werden kann, während die DNA linear gestreckt wird.
Ein Problem von Nanoporen ist die Möglichkeit, dass ein effektiver Moleküldurchmesser durch verschlungene DNA-Stränge selbstorganisierter DNA vergrößert wird, wodurch die Nanopore blockiert wird und die Messgenauigkeit eines Blockadestroms verschlechtert wird. Da die Modulation im oben beschriebenen Frequenzband einen linearen DNA-Strang erhält, gibt es einen Vorteil, der die Möglichkeit einer verschlechterten Messgenauigkeit durch blockierte Nanoporen reduziert. Um DNA-Sequenzen zu erhalten, wird DNA vorzugsweise in einer Nanopore mit konstanter Geschwindigkeit umgesiedelt. Gemäß der zweiten Ausführungsform kann die DNA mit konstanter Geschwindigkeit umgesiedelt werden, und die Signalqualität des Blockadestroms kann verbessert werden. Für den Fall, dass keine Gleichspannungsquelle V_OFST vorhanden ist, wird zum Beispiel über die Referenzelektrode 104 und die erste Elektrode 106 eine Potentialdifferenz erzeugt, so dass die DNA umgesiedelt werden kann.
11 ist eine beispielhafte Modifikation der zweiten Ausführungsform. Eine Biomolekül-Messeinrichtung, die in 11 dargestellt ist, siedelt die DNA durch einen Aktuator 1100 um. Der Aktuator 1100 ist vorzugsweise ein Aktuator, der eine DNA-Probe in einer Positionsauflösung von einem Nanometer oder weniger steuern kann. So ist beispielsweise ein Aktuator mit einem piezoelektrischen Element als Aktuator 1100 geeignet. An das Spitzenende des Aktuators 1100 ist ein Substrat 1101 angeschlossen, das zum Immobilisieren von DNA modifiziert ist. Eine DNA-Probe 1102, die ein Messziel ist, wird auf dem Substrat 1101 immobilisiert.
Ein DNA-Basensequenzbestimmungsverfahren in der beispielhaften Modifikation ist wie folgt. Zunächst wird der Aktuator 1100 in die Richtung gesteuert, in der der Aktuator 1100 der Nanopore 110 nahe kommt, und das Spitzenende der DNA-Probe 1102 wird in die Nähe der Nanopore 110 gebracht. Wenn das Spitzenende in die Nähe der Nanopore 110 gebracht wird, führt das Anlegen einer positiven Spannung an die erste Elektrode 106 durch die Gleichspannungsquelle V_OFST auf der Grundlage der Referenzelektrode 104 die DNA-Probe 1102 in die Nanopore 110 durch elektrische Felder in der Nähe der Nanopore 110. Ob die DNA-Probe 1102 in die Nanopore 110 gelangt ist, kann durch eine Abnahme des Blockadestroms bestätigt werden. Anschließend wird eine modulierte Vorspannung angelegt, um eine Änderung des Blockadestroms zu messen, während der Aktuator 1100 in die Richtung gesteuert wird, in der der Aktuator 1100 vom Substrat 1101 getrennt wird, wodurch ein Basensequenzmuster bestimmt wird. Auch wird in dieser Zeit von der Gleichspannungsquelle V_OFST auf der Grundlage der Referenzelektrode 104 eine positive Spannung in erwünschter Weise angelegt. Gemäß einer solchen Konfiguration ist ein Effekt zu erwarten, dass bei der Kodierung des Basensequenzmusters die DNA-Probe 1102 in Richtung der ersten Elektrode 106 mit einer Zugkraft F beaufschlagt wird, um die DNA-Probe 1102 linear zu dehnen. So kann die DNA-Probe 1102 stabil umgesiedelt und die Messgenauigkeit des Blockadestroms verbessert werden.
Dritte Ausführungsform
12 ist eine Blockdarstellung einer Biomolekül-Messeinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Biomolekül-Messeinrichtung gemäß der dritten Ausführungsform weist zusätzlich zu den in der ersten Ausführungsform beschriebenen Komponenten eine Kalibrierschaltung 1200 und eine Spannungsquelle 1205 auf. In der dritten Ausführungsform werden die Ausgangssignale der Spannungsquellen 116, 117 und 1205 gesteuert, während die Werte der Amperemeter 114 und 115 von der Kalibrierschaltung 1200 überwacht werden, bevor eine DNA-Probe entnommen wird. Somit können parasitäre Kapazitätskomponenten einschließlich Ci berechnet werden.
Insbesondere wenn die Spannungsquelle 117 auf eine Referenzspannung festgelegt ist und die Spannungsquellen 1205 und 116 mit den gleichen Signalen (der gleichen Frequenz, der gleichen Amplitude und der gleichen Phase) gesteuert werden, ist der vom Amperemeter 114 gemessene elektrische Strom die durch Ci fließende elektrische Stromkomponente. Ci kann aus der Ansteuerfrequenz / der Ansteueramplitude / der elektrischen Strommenge zu diesem Zeitpunkt berechnet werden. In ähnlicher Weise kann, wenn die Spannungsquelle 1205 auf die Referenzspannung festgelegt ist und die Spannungsquellen 116 und 117 mit den gleichen Signalen angesteuert werden, die parasitäre Kapazität C_M1 bei ch1 auf der Grundlage des vom Amperemeter 114 gemessenen elektrischen Stroms berechnet werden. Dasselbe gilt auch für die parasitäre Kapazität C_M2 .
Die arithmetische Logikeinheit 405 kann die parasitären Kapazitäten Ci, C_M1 und C_M2 im Voraus berechnen. Die arithmetische Logikeinheit 405 verwendet die Gleichungen 2 und 3 für die Messergebnisse des Amperemeters 114 und kann somit eine I_RP1 entsprechende Komponente in I_in(t) berechnen. In diesem Fall muss die synchrone Erfassungsschaltung, die I_RP1 aus I_in(t) extrahiert, nicht verwendet werden. Die Messergebnisse des Amperemeters 114 müssen nur einer AD-Wandlung unterzogen und unverändert an die arithmetische Logikeinheit 405 geliefert werden. Dies ermöglicht somit in vorteilhafter Weise eine einfache Schaltungskonfiguration.
13 ist eine Darstellung der Verfahren, bei denen die arithmetische Logikeinheit 405 eine parasitäre Kapazität bestimmt. Zuerst füllt ein Benutzer eine Lösung in die Kammern (S1301). Danach stellt die Kalibrierschaltung 1200 die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden ein, wie oben beschrieben, und von den Spannungsquellen wird ein modulierendes Signal angelegt (S1302). Die Amperemeter messen elektrische Stromsignale, und die arithmetische Logikeinheit 405 berechnet die parasitären Kapazitäten auf der Grundlage der Ergebnisse (S1303). Ähnliche Prozesse können wiederholt werden, um die Genauigkeit zu verbessern (S1304). Nach Abschluss der Berechnung der parasitären Kapazitäten wird eine DNA-Probe in die Kammern eingebracht (S1305) und werden Blockadeströme gemessen (S1306). Je nach den Verfahren können verschiedene parasitäre Komponenten, die durch den Kontakt mit der Elektrolytlösung entstehen, genau berechnet werden und kann der Einfluss einer Änderung des Blockadestroms im Zusammenhang mit der Entnahme der DNA-Probe reduziert und damit die Messgenauigkeit des Blockadestroms verbessert werden.
Vierte Ausführungsform
14 ist ein Wellenform-Diagramm, das den Zeitverlauf für das Anlegen einer Vorspannung in einer Molekül-Messeinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In der vierten Ausführungsform wird eine Vorspannung V_B zeitlich zwischen ch1 und c2 aufgeteilt und intermittierend angelegt.
15 ist eine beispielhafte Konfiguration der Spannungsquelle 116 und des Amperemeters 114 für einen Kanal gemäß der vierten Ausführungsform. Die in 15 dargestellte Schaltungskonfiguration umfasst weiter eine Bereitschaftsspannungsversorgung V_STBY , einen Vorspannungsauswahlschalter 1400 und eine Ansteuerzeitsteuerschaltung 1401 zusätzlich zu den in der ersten Ausführungsform beschriebenen Komponenten. Im Zeitraum 1300 in 14 wird die Vorspannung VB an ch1 angelegt. Im Zeitraum 1300 ist die Vorspannung V_B bei ch2 auf eine Bereitschaftsspannung VSTBY festgelegt. Im Zeitraum 1301 wird ch1 auf ch2 umgestellt. Gemäß einer solchen Konfiguration kann die Wechselwirkung weiter reduziert werden, da der Blockadestrom zwischen den Nachbarkanälen auf der Zeitbasis isoliert ist.
Da in der Nähe der Nanopore ein hohes elektrisches Feld angelegt wird, kann bei der Messung des Blockadestroms eine kontinuierliche Anwendung einer Vorspannung über einen langen Zeitraum den Porendurchmesser erhöhen. In der vierten Ausführungsform kann das intermittierende Ansteuern der Vorspannung V_B die Zeit, für die eine Spannung an die Nanopore 110 angelegt wird, verkürzen, wodurch die Lebensdauer der Nanopore 110 verlängert werden kann.
Der Zeitpunkt der Aktivierung eines AD-Wandlers 404 durch die Ansteuerzeitsteuerschaltung 1401 kann mit dem Zeitpunkt des Anlegens der Vorspannung V_B synchronisiert werden. Gemäß einer solchen Konfiguration ist die Zeit für die Aktivierung des AD-Wandlers 404 ein minimaler notwendiger Betrag, wodurch der Leistungsverbrauch der Einrichtung reduziert werden kann. In ähnlicher Weise kann die Synchronisation des Zeitpunkts der Aktivierung der Filterschaltung 403 auch mit dem Zeitpunkt des Anlegens der Vorspannung V_B den Stromverbrauch weiter senken.
Fünfte Ausführungsform
16 ist eine Blockdarstellung einer Biomolekül-Messeinrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der fünften Ausführungsform ist eine Vielzahl von Verstärkerschaltungen 406, die in der ersten Ausführungsform beschrieben sind, vorgesehen und in einer Anordnungskonfiguration angeordnet, und die Stromversorgungen V_B1 und V_B2 sind als Spannungsquellen der Verstärkerschaltungen 406 vorgesehen. Für die benachbarte Verstärkerschaltung 406 wird eine andere Stromversorgung für die Vorspannung verwendet. In dem in 16 gezeigten Beispiel spannt die Stromversorgung V_B1 ch11 vor und die Stromversorgung V_B2 spannt ch21 vor, die horizontal neben ch11 und ch12 liegt, welche vertikal benachbart zu ch11 ist. Wenn die Ausgänge V_B1 und V_B2 Sinuswellen mit unterschiedlichen Frequenzen sind, kann die Wechselwirkung zwischen den benachbarten Kanälen mit der größten parasitären Kapazität reduziert werden.
Wenn die Verstärkerschaltungen 406 in einer Anordnungskonfiguration angeordnet sind, liegt zwischen den Ausgangssignaldrähten der Kanäle eine parasitäre Kapazität Cw vor, die zu einem Faktor wird, der eine Wechselwirkung zwischen den Ausgängen verursacht. In der fünften Ausführungsform weist der Ausgang zwischen den benachbarten Kanälen eine unterschiedliche Modulation auf. So werden beispielsweise V_O11 und V_O12 in der nachfolgenden Stufe an einem Lock-in-Verstärker 700 mit modulierten Wellen V_B1 und V_B2 als Referenzsignale demoduliert und die Ausgänge können somit leicht isoliert werden. Die Vorspannungsquellen V_B1 und V_B2 werden von den einzelnen Kanälen gemeinsam genutzt, so dass ein notwendiger Hardwareanteil reduziert werden kann.
Sechste Ausführungsform
17 ist eine Blockdarstellung einer Biomolekül-Messeinrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der sechsten Ausführungsform ist eine Vielzahl von Verstärkerschaltungen 406, die in der ersten Ausführungsform beschrieben sind, vorgesehen und in einer Anordnungskonfiguration angeordnet, und vier Stromversorgungen V_B1 , V_B2 , V_STBY und V_ZAP sind als Spannungsquellen der Verstärkerschaltungen 406 vorgesehen. Die Einrichtung beinhaltet weiter einen Schalter 1601, der die mit der Anordnung verbundene Vorspannungsversorgung für jeden Kanal auswählt. Die Einrichtung umfasst weiterhin eine Steuerschaltung 1600 für die Schalter 1601.
Ähnlich wie bei der fünften Ausführungsform werden bei der Messung des Blockadestroms verschiedene Vorspannungssignale V_B1 und V_B2 an die benachbarten Kanäle angelegt, wodurch eine hohe Trennleistung zwischen den Kanälen erreicht wird. Andererseits ist eine Nanopore 110 manchmal in Bezug auf die Übersiedlung der DNA blockiert. Sobald die Nanopore 110 blockiert ist, wird die Kodierung der nachfolgenden Basensequenz später nicht mehr aktiviert. So muss in dem Fall, in dem die Nanopore 110 blockiert ist, die Blockade irgendwann beseitigt werden. In der sechsten Ausführungsform wird selektiv eine negative Spannung V_ZAP an die blockierte Nanopore 110 angelegt, eine Kraft in der Richtung umgekehrt zur Übersiedlungsrichtung wird an die DNA angelegt, so dass die Blockade beseitigt werden kann.
18 zeigt beispielhafte Vorspannungswellenformen bei ch11, ch21 und ch22. Wie aus den Vorspannungswellenformen 1800 und 1801 ersichtlich ist, werden bei der normalen Messung des Blockadestroms die zueinander benachbarten Kanäle ch11 und ch21 mit unterschiedlichen Frequenzen zur Vorspannung moduliert. Eine Wellenform 1804 ist die Wellenform eines Blockadestroms V_O21 , nachdem ein Ausgangssignal V_O21 von ch21 erfasst wurde. Wenn die Nanopore 110 blockiert wird, wird der Blockadestrom auf einem niedrigen Niveau als Wellenform 1805 für eine relativ lange Zeit stabilisiert. Die arithmetische Logikeinheit 405 bestimmt, ob die Nanopore 110 blockiert wurde, auf der Grundlage eines Schwellenwerts bei einem vorbestimmten Blockadestromniveau und einem Schwellenwert in Konstantzeit. Für den Fall, dass bestimmt wird, dass die Nanopore 110 blockiert wurde, wird die Vorspannung selektiv für die blockierte Nanopore durch den Schalter 1601 über den Steuerkreis 1600 auf V_ZAP geschaltet. Die Vorspannung V_B wird dann als Wellenform 1802 stark auf die negative Seite verändert. Dadurch wird der DNA eine Kraft in die Richtung rückwärts zur Übersiedlungsrichtung zugeführt, so dass die Blockade der Nanopore 110 eliminiert werden kann.
Da ein solcher Vorgang zur Beseitigung der Blockade manchmal eine Änderung der Spannung verursacht, die größer als die Signalschwankungen des Blockadestroms ist, verursacht dies eine Wechselwirkung zwischen den benachbarten Kanälen. Allerdings hat der Kanal, der an den Kanal angrenzt, der dem Vorgang zur Beseitigung der Blockade unterzogen wird, modulierte und demodulierte Blockadestromsignale. So kann der Einfluss der Wechselwirkung durch den Vorgang der Beseitigung von Blockaden reduziert werden. In dem Fall, in dem der Vorgang der Beseitigung von Blockaden das Anlegen einer unerwarteten Überspannung an die Nanopore 110 im benachbarten Kanal zum Erhöhen des Porendurchmessers verursachen könnte, kann die Vorspannung des benachbarten Kanals auf eine Bereitschaftsspannung V_STBY festgelegt werden. Dadurch kann eine Erhöhung des Porendurchmessers im benachbarten Kanal verringert werden.
Beispielhafte Modifikationen der vorliegenden Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorgenannten Ausführungsformen beschränkt, die verschiedene beispielhafte Modifikationen beinhalten. So werden beispielsweise die vorgenannten Ausführungsformen zum einfachen Verständnis der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben, die sich nicht unbedingt auf diejenigen beschränken, die alle beschriebenen Konfigurationen beinhalten. Ein Teil der Konfiguration einer Ausführungsform kann durch die Konfiguration einer anderen Ausführungsform ersetzt werden. Die Konfiguration einer anderen Ausführungsform kann auch zusätzlich für die Konfiguration einer Ausführungsform bereitgestellt werden. In Bezug auf Teile der Konfigurationen der Ausführungsformen kann das Hinzufügen, Entfernen oder Ersetzen anderer Konfigurationen vorgenommen werden.
Bezugszeichenliste

101:: Referenzkammer
102:: erste Kammer
103:: zweite Kammer
104:: Referenzelektrode
105:: Elektrolytlösung
106:: erste Elektrode
107:: zweite Elektrode
108:: Nanoporen-Chip
109:: Membran
110:: Nanopore
114 bis 115:: Amperemeter
116 bis 117:: Spannungsquelle
120 bis 124:: Trennwand
401:: Transimpedanzverstärker
402:: Differenzverstärker
403:: Filterschaltung
404:: Analog-zu-Digital-Wandler
405:: arithmetische Logikeinheit
406:: Verstärkerschaltung
407:: Spannungsquelle
701:: Analogmischer
702:: Filter
703:: Phasenschieber
800:: Schutzelektrode
801:: Draht
900 bis 901:: Spannungsquelle
904 bis 905:: separate Elektrode
906:: Trennwand
1100:: Aktuator
1101:: Substrat
1200:: Kalibrierschaltung
1205:: Spannungsquelle
1400:: Vorspannungsauswahlschalter
1401:: Ansteuerzeitsteuerschaltung
1600:: Steuerschaltung
1601:: Schalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Conformation dependent non-linear impedance response of DNA in nanofluidic device“, Pungetmongkol u.a., Proc. IEEE International Conference on Nanotechnology, 2015 [0031]

Claims

Biomolekül-Messeinrichtung, die ein Biomolekül misst, umfassend: eine erste Kammer und eine zweite Kammer, die durch eine Trennwand voneinander getrennt sind; eine erste Elektrode, die eine Spannung an eine Lösung anlegt, die in der ersten Kammer untergebracht ist; eine zweite Elektrode, die eine Spannung an eine Lösung anlegt, die in der zweiten Kammer untergebracht ist; eine Referenzkammer, die mit der ersten Kammer und der zweiten Kammer durch eine dünne Schicht verbunden ist; eine Referenzelektrode, die eine Spannung an eine in der Referenzkammer aufgenommene Lösung anlegt; und eine Spannungsanlegevorrichtung, die der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eine Spannung zuführt, wobei die dünne Schicht aufweist: eine erste Öffnung, durch die die Referenzkammer mit der ersten Kammer in Verbindung steht, und eine zweite Öffnung, durch die die Referenzkammer mit der zweiten Kammer in Verbindung steht, und wobei die Spannungsanlegevorrichtung der ersten Elektrode eine Spannung und der zweiten Elektrode eine Spannung zuführt, wobei die Spannungen unterschiedlich zueinander moduliert sind.
Biomolekül-Messeinrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Messeinrichtung für elektrischen Strom, die einen ersten elektrischen Strom misst, der durch die erste Elektrode fließt, wobei die Spannungsanlegevorrichtung der ersten Elektrode eine erste Spannung mit einer ersten Frequenz zuführt und der zweiten Elektrode eine zweite Spannung mit einer zweiten Frequenz, die sich von der ersten Frequenz unterscheidet, zuführt und wobei die Messeinrichtung für elektrischen Strom aus dem ersten elektrischen Strom eine Komponente mit der ersten Frequenz und mit einer Phase extrahiert, die mit einer Phase der ersten Spannung identisch ist, um aus dem ersten elektrischen Strom eine elektrische Stromkomponente zu extrahieren, die durch die erste Öffnung fließt.
Biomolekül-Messeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spannungsanlegevorrichtung der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eine Wechselspannung zuführt und wobei die Wechselspannung eine Mittenspannungsverschiebung von einer Spannung der Referenzelektrode aufweist.
Biomolekül-Messeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spannungsanlegevorrichtung der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eine solche Spannung zuführt, dass eine erste Potentialdifferenz zwischen einem Potential der Referenzelektrode und einem Potential der ersten Elektrode und eine zweite Potentialdifferenz zwischen dem Potential der Referenzelektrode und einem Potential der zweiten Elektrode zeitlich geteilt werden.
Biomolekül-Messeinrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend: eine Messeinrichtung für elektrischen Strom, die einen ersten elektrischen Strom misst, der durch die erste Elektrode fließt; einen AD-Wandler, der ein Messergebnis des ersten von der Messeinrichtung für elektrischen Strom gemessenen elektrischen Stroms in einen digitalen Wert umwandelt; und eine Steuerschaltung, die einen Zeitverlauf für den Betrieb des AD-Wandlers steuert, wobei die Spannungsanlegevorrichtung eine Spannungszuführung an die erste Elektrode in einem Zeitraum stoppt, für den die Spannungsanlegevorrichtung der zweiten Elektrode eine Spannung zuführt, und wobei die Steuerschaltung den AD-Wandler in einem Zeitraum stoppt, für den die Spannungsanlegevorrichtung der zweiten Elektrode eine Spannung zuführt.
Biomolekül-Messeinrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend: einen Draht, der die Spannungsanlegevorrichtung mit der ersten Elektrode verbindet; und eine Schutzelektrode, die entlang des Drahts angeordnet ist, wobei die Spannungsanlegevorrichtung der Schutzelektrode eine Spannung zuführt, die mit einer Spannung identisch ist, die der ersten Elektrode zugeführt werden soll.
Biomolekül-Messeinrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Messeinrichtung für elektrischen Strom, die einen ersten elektrischen Strom misst, der durch die erste Elektrode fließt, wobei in einer Zeitspanne, in der die Messeinrichtung für elektrischen Strom den ersten elektrischen Strom nicht misst, die Spannungsanlegevorrichtung der ersten Elektrode eine große Spannung mit einem Absolutwert zuführt, der größer als ein Absolutwert einer der ersten Elektrode zugeführten Spannung bei der Messung des ersten elektrischen Stroms durch die Messeinrichtung für elektrischen Strom ist.
Biomolekül-Messeinrichtung nach Anspruch 7, wobei in einem Zeitraum, in dem die Spannungsanlegevorrichtung der ersten Elektrode die große Spannung zuführt, die Spannungsanlegevorrichtung der zweiten Elektrode eine feste Spannung zuführt.
Biomolekül-Messeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spannungsanlegevorrichtung weiter eine Kalibrierschaltung aufweist, die eine feste Spannung an die zweite Elektrode anlegt und zwischen einem ersten Modus, in dem eine identische Spannung an die Referenzelektrode und an die erste Elektrode angelegt wird, und einem zweiten Modus wechselt, in dem eine feste Spannung an die Referenzelektrode angelegt wird und eine identische Spannung an die erste Elektrode und an die zweite Elektrode angelegt wird, und wobei die Biomolekül-Messeinrichtung weiter eine Messeinrichtung für elektrischen Strom umfasst, die einen ersten elektrischen Strom misst, der durch die erste Elektrode fließt.
Biomolekül-Messeinrichtung nach Anspruch 9, weiter umfassend eine Betriebseinheit, die eine durch die erste Öffnung fließende elektrische Stromkomponente auf der Grundlage eines von der Messeinrichtung für elektrischen Strom gemessenen Ergebnisses berechnet, wobei die Betriebseinheit ein von der Messeinrichtung für elektrischen Strom im ersten Modus gemessenes Ergebnis zum Berechnen einer parasitären Kapazität zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer verwendet und ein von der Messeinrichtung für elektrischen Strom im zweiten Modus gemessenes Ergebnis zum Berechnen einer parasitären Kapazität der ersten Kammer verwendet, und wobei die Betriebseinheit die berechneten parasitären Kapazitäten verwendet, um eine elektrische Stromkomponente zu berechnen, die durch die erste Öffnung fließt.
Biomolekül-Messeinrichtung nach Anspruch 10, wobei nachdem die erste Kammer, die zweite Kammer und die Referenzkammer mit einer Elektrolytlösung gefüllt sind, die Spannungsanlegevorrichtung den ersten Modus oder den zweiten Modus durchführt.
Biomolekül-Messeinrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend einen Aktuator, der das Biomolekül bewegt.