DE112017007544B4

DE112017007544B4 - Vorrichtung und verfahren zum lagern einer dünnfilmvorrichtung und verfahren zum messen eines biologischen moleküls

Info

Publication number: DE112017007544B4
Application number: DE112017007544.0T
Authority: DE
Inventors: Kazuma Matsui; Michiru Fujioka; Yusuke Goto
Original assignee: Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2017-07-07
Filing date: 2017-07-07
Publication date: 2023-12-07
Anticipated expiration: 2037-07-08
Also published as: US11656219B2; WO2019008736A1; JP6911118B2; DE112017007544T5; GB2577016B; US20200116697A1; CN110709500A; JPWO2019008736A1; GB201917971D0; GB2577016A

Abstract

Vorrichtung zum Lagern einer Dünnfilmvorrichtung, welche Folgendes aufweist:eine Dünnfilmvorrichtung mit einem isolierenden Dünnfilm (3), der Si enthält und eine Dicke von höchstens 100 nm aufweist,eine Lösung (1), die in Kontakt mit dem Dünnfilm steht, undeinen Behälter mit einem Tank (11, 12), der die Lösung einschließt,wobei die Lösung eine der folgenden Bedingungen (1) bis (3) erfüllt:(1) Sie enthält Wasser mit einem Volumenanteil von mindestens 0 % bis höchstens 30 %,(2) sie wird gekühlt und bei einer Temperatur gehalten, die gleich dem oder höher als der Verfestigungspunkt und niedriger 15 °C ist, und/oder(3) sie enthält Salz mit einer Konzentration von mindestens 1 mol/l und höchstens der Sättigungskonzentration und wird gekühlt und auf einer Temperatur gehalten, die gleich dem oder höher als der Verfestigungspunkt und niedriger als 25 °C ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Lagern einer Dünnfilmvorrichtung, die in einer Strommessvorrichtung verwendet wird, welche einen Ionenstrom misst, wenn ein Objekt durch eine Nanopore läuft, und ein Verfahren zum Messen eines biologischen Moleküls.
Technischer Hintergrund
Auf dem Gebiet von DNA-Sequenzern der nächsten Generation haben Nanoporen-Sequenzer für das elektrische und direkte Messen von DNA-Basensequenzen ohne Ausführung einer Erweiterungsreaktion oder von fluoreszierenden Markierungen Aufmerksamkeit erregt. Eine in einem Nanoporen-Sequenzer verwendete Nanoporenvorrichtung weist einen Dünnfilm auf, in den eine Nanopore eingebettet ist. Eine Lösung wird auf beiden Seiten des Dünnfilms angeordnet, und die Lösung kommuniziert durch die Nanopore. Wenn in diesem Zustand durch die Lösung eine Spannung an die Nanopore angelegt wird, fließt ein Ionenstrom durch die Nanopore. Wenn DNA durch die Nanopore läuft, wird die Nanopore abhängig von Unterschieden zwischen die DNA bildenden Basen unterschiedlich blockiert, so dass eine Differenz zwischen Stromwerten erzeugt wird, wodurch eine Basensequenz bestimmt werden kann.
Es gibt abhängig vom die Nanopore bildenden Material hauptsächlich zwei Typen von Nanoporen-Sequenzierungsverfahren, nämlich ein Bionanoporenverfahren und ein Festkörper-Nanoporenverfahren. Das Bionanoporenverfahren verwendet eine Pore eines modifizierten Proteins (Mycobacterium smegmatis porin A (MspA) oder dergleichen), das in eine Lipidbischicht als detektierender Teil eingebettet ist, und das Festkörper-Nanoporenverfahren verwendet eine in ein anorganisches Material eingearbeitete Pore als detektierenden Teil. Das Festkörper-Nanoporenverfahren hat eine geringere Reagenzabhängigkeit und weist weniger Vorbehandlungsprozesse als das Bionanoporenverfahren auf und erregt Aufmerksamkeit, weil es in der Lage ist, kostengünstig Messungen vorzunehmen.
Es gibt hauptsächlich zwei Verfahrenstypen zur Herstellung einer Festkörper-Nanopore, nämlich ein Verfahren zur Herstellung einer Nanopore vor der Lösungseinleitung und ein Verfahren zur Herstellung einer Nanopore nach der Lösungseinleitung. Bei der Herstellung einer Nanopore vor der Lösungseinleitung wird zum Öffnen einer Pore wie in NPTL 1 ein Elektronenstrahl beispielsweise von einem TEM oder ein Ätzen verwendet. Bei der Herstellung einer Nanopore nach der Lösungseinleitung wird zum Bewirken eines dielektrischen Durchbruchs eines Dünnfilms und zum Öffnen einer Pore wie in NPTL 2 eine Hochspannung an den Dünnfilm angelegt. Nachdem die Nanopore durch eines der vorstehenden Verfahren erzeugt wurde, wird ein Objekt in die Lösung eingebracht und wird ein Signal erfasst, wenn das Objekt durch die Nanopore läuft.
Zitatliste

NPTL 1: Venta, K. u. a., Differentiation of Short, Single-Stranded DNA Homopolymers in Solid-State nanopores, ACS Nano 7 (5), S. 4629 - 4636 (2013).
NPTL 2: Yanagi, I. u. a., Fabricating nanopores with diameters of sub-1 nm to 3 nm using multilevel pulse-voltage injection, Sci. Rep., 4 (5000) (2014).

Weiterer Stand der Technik ist in WO 2017/110226 A1 , WO 2017/090087 A1 , WO 2010/116595 A1 (entsprechend US 2011/0308950 A1 ), WO 2014/208184 A1 (entsprechend US 2016/0153960 A1 ) und EP 1 548 444 A1 offenbart.
Kurzfassung der Erfindung
Technisches Problem
Die 1 und 2 zeigen typische Messprozeduren eines Halbleiter-Nanoporen-Sequenzers. Bei der in 1 dargestellten Prozedur wird eine Oberfläche hydrophiliert, nachdem eine Nanopore unter Verwendung eines Elektronenstrahls beispielsweise eines TEMs oder durch Ätzen hergestellt wurde, wird eine Lösung eingeleitet und wird dann ein Objekt in die Lösung eingebracht und gemessen. Bei der in 2 dargestellten Prozedur wird eine Oberfläche hydrophiliert, wird eine Lösung eingeleitet, wird dann eine Nanopore unter Verwendung eines dielektrischen Durchbruchs erzeugt und wird ein Objekt in die Lösung eingebracht und gemessen. Falls zwischen der hydrophilierenden Behandlung und der Einleitung der Lösung eine Zeit von mindestens einem Tag verstreicht, wird die hydrophile Eigenschaft der Vorrichtungsoberfläche durch das Anhaften organischer Stoffe oder dergleichen aus der Atmosphäre an der Oberfläche allmählich abgeschwächt, so dass sich die Filmoberfläche nur schwer mit einer Flüssigkeit bedecken lässt. Daher muss die Lösung innerhalb eines Tages nach der hydrophilierenden Behandlung eingeleitet werden.
Es wird ein Fall betrachtet, bei dem der Nanoporen-Sequenzer von einem Hersteller an einen Kunden verkauft wird, und es wird dabei betrachtet, ob ein in den 1 und 2 beschriebener Prozess einem herstellerseitigen Prozess oder einem kundenseitigen Prozess entspricht. Im Allgemeinen wird ein O₂-Plasma oder dergleichen beim hydrophilen Behandlungsprozess verwendet, wobei die Ausführung der Behandlung für einen Kunden schwierig ist, so dass es wünschenswert ist, sie auf der Seite des Herstellers auszuführen, um den Preis einer Vorrichtungseinheit zu verringern. Andererseits muss der Prozess des Einbringens eines biologischen Moleküls auf der Seite des Kunden ausgeführt werden. Daher muss eine Vorrichtung zwischen der hydrophilen Behandlung und dem Prozess des Einbringens des biologischen Moleküls vom Hersteller zum Kunden transportiert werden. Es wird davon ausgegangen, dass der Transportprozess beispielsweise für einen Überseetransport oder dergleichen etwa eine Woche in Anspruch nimmt. Wenn davon ausgegangen wird, dass die Zeit für die Lagerung der Vorrichtung auf der Seite des Kunden zwei oder drei Wochen beträgt, kann angenommen werden, dass vom hydrophilen Behandlungsprozess bis zum Prozess des Einbringens eines biologischen Moleküls eine Woche bis zu einem Monat oder noch länger vergeht. In der vorliegenden Spezifikation bedeutet der Begriff „Lagerung“ einen Prozess, der abläuft, bis eine Potentialdifferenz durch eine externe Spannungsquelle oder dergleichen an einen Dünnfilm angelegt wird und eine Analyse einer biologischen Eigenschaft ausgeführt wird. Es ist im Allgemeinen schwierig, die hydrophile Eigenschaft einer Vorrichtungsoberfläche eine Woche bis zu einem Monat oder noch länger aufrechtzuerhalten.
Daher kann eine Prozedur zum Einleiten einer Lösung auf der Seite des Herstellers nach einer hydrophilen Behandlung und eines anschließenden Transports zum Kunden betrachtet werden, wie in den 3 und 4 dargestellt ist. Durch ein solches Verfahren kann das Anhaften organischer Stoffe in der Atmosphäre mit der Lösung verhindert werden, so dass der Transport zum Kunden erfolgen kann, während die hydrophile Eigenschaft aufrechterhalten wird, und es ist dabei auch eine langzeitige Lagerung auf der Seite des Kunden möglich. Ferner macht diese Prozedur das Einleiten der Lösung und einen Lösungseinleitungsmechanismus auf der Seite des Kunden überflüssig, wodurch die Kosten der Vorrichtung verringert werden.
Es wurde jedoch herausgefunden, dass die dielektrische Durchbruchspannung im Laufe der Zeit abnimmt, wenn ein Si enthaltender Dünnfilm in eine wässrige Lösung eingetaucht wird, so dass sich die Filmqualität verschlechtert. Aus der Abnahme der dielektrischen Stärke des Films ergibt sich ein Problem. Der dielektrische Durchbruch des Films geschieht infolge einer an den Film angelegten Potentialdifferenz durch den Einfluss statischer Elektrizität. Zusätzlich ändert sich die für die Erzeugung einer Nanopore durch Einwirken einer hohen Energie auf den Dünnfilm erforderliche Energie (beispielsweise eine Änderung einer dielektrischen Durchbruchspannung, die angelegt werden muss, wenn eine Nanopore durch dielektrischen Durchbruch erzeugt wird, oder eine Änderung der Leistung eines Elektronenstrahls bei der Herstellung einer Nanopore durch TEM), so dass sich der Nanoporendurchmesser nur schwer steuern lässt. Ferner nimmt der Nanoporendurchmesser im Laufe der Zeit infolge einer während einer Messung einer biologischen Probe an die Nanopore angelegten Spannung (0,1 bis 0,5 V oder dergleichen) zu. Über ein solches Verschlechterungsphänomen wurde bisher nicht berichtet, so dass die Ursache für die Verschlechterung nicht aufgeklärt wurde, und es ist auch kein Verfahren zum Verhindern einer solchen Verschlechterung bekannt.
Lösung des Problems
Gemäß einem Aspekt weist eine Vorrichtung zum Lagern einer Dünnfilmvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung Folgendes auf: eine Dünnfilmvorrichtung mit einem isolierenden Dünnfilm, der Si enthält und eine Dicke von höchstens 100 nm aufweist, eine Lösung, die in Kontakt mit dem Dünnfilm steht, und einen Behälter mit einem Tank, der die Lösung einschließt, wobei die Lösung eine der folgenden Bedingungen (1) bis (3) erfüllt.

(1) Sie enthält Wasser mit einem Volumenanteil zwischen 0 % und 30 %,
(2) sie wird gekühlt und bei einer Temperatur gehalten, die zwischen dem Verfestigungspunkt und 15 °C liegt,
(3) sie enthält Salz mit einer Konzentration zwischen 1 mol/l und der Sättigungskonzentration und wird gekühlt und auf einer Temperatur gehalten, die zwischen dem Verfestigungspunkt und 25 °C liegt.

Gemäß einem Aspekt wird bei einem Verfahren zum Lagern einer Dünnfilmvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Dünnfilmvorrichtung gelagert, die einen Si enthaltenden isolierenden Dünnfilm mit einer Dicke von höchstens 100 nm aufweist, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: einen Schritt zum Hydrophilieren der Dünnfilmvorrichtung und einen Schritt zum Lagern der hydrophilierten Dünnfilmvorrichtung in Kontakt mit einer Lösung, die eine der vorstehenden Bedingungen (1) bis (3) erfüllt.
Ferner weist ein Verfahren zur Messung eines biologischen Moleküls gemäß der vorliegenden Erfindung gemäß einem Aspekt Folgendes auf: einen Schritt zum Lagern einer Dünnfilmvorrichtung mit einem isolierenden Dünnfilm, der Si enthält, keine Pore aufweist und eine Dicke von höchstens 100 nm aufweist und in Kontakt mit einer Lösung steht, welche eine der vorstehenden Bedingungen (1) bis (3) erfüllt, einen Schritt zur Bildung einer Pore im Dünnfilm durch Legen einer Spannung, die größer oder gleich der dielektrischen Durchbruchspannung des Dünnfilms ist, zwischen eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, wobei die erste Elektrode in Kontakt mit der Lösung steht, die mit einer Oberfläche der Dünnfilmvorrichtung in Kontakt steht, und die zweite Elektrode in Kontakt mit der Lösung steht, die mit der anderen Oberfläche in Kontakt steht, einen Schritt zum Einbringen eines biologischen Moleküls in die Lösung, die in Kontakt mit der ersten Elektrode steht, oder in die Lösung, die in Kontakt mit der zweiten Elektrode steht, und einen Schritt zum Erzeugen einer Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode und zum Messen einer Änderung des Stromwerts während des Hindurchlaufens des biologischen Moleküls durch die Pore, um eine Eigenschaft des biologischen Moleküls zu untersuchen.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Verringerung einer dielektrischen Durchbruchspannung verhindert werden, die auftritt, wenn ein Si enthaltender isolierender Dünnfilm in eine Lösung eingetaucht wird.
Andere Aufgaben, Konfigurationen und Wirkungen, die vorstehend nicht beschrieben wurden, werden anhand nachstehend beschriebener Ausführungsformen verständlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:

1 eine Prozedur zur Messung eines biologischen Moleküls unter Verwendung einer allgemeinen Nanopore,
2 eine Prozedur zur Messung eines biologischen Moleküls unter Verwendung einer allgemeinen Nanopore,
3 eine Prozedur zur Messung eines biologischen Moleküls unter Verwendung einer Nanopore zusammen mit einem Transport zu einem Kunden und einer Lagerung,
4 eine Prozedur zur Messung eines biologischen Moleküls unter Verwendung einer Nanopore zusammen mit einem Transport zu einem Kunden und einer Lagerung,
5 eine Ansicht zur Erklärung eines Mechanismus zum Verringern einer dielektrischen Durchbruchspannung eines SiN-Films,
6 eine schematische Schnittansicht eines Konfigurationsbeispiels einer Vorrichtung zum Lagern einer Dünnfilmvorrichtung,
7 eine schematische Schnittansicht eines Konfigurationsbeispiels einer Vorrichtung zum Lagern einer Dünnfilmvorrichtung,
8 eine schematische Schnittansicht eines Konfigurationsbeispiels einer Vorrichtung zum Lagern einer Dünnfilmvorrichtung,
9 eine schematische Schnittansicht eines Konfigurationsbeispiels einer Vorrichtung zum Lagern einer Dünnfilmvorrichtung,
10 eine schematische Schnittansicht eines Konfigurationsbeispiels einer Vorrichtung zum Lagern einer Dünnfilmvorrichtung,
11 eine schematische Schnittansicht eines Konfigurationsbeispiels einer Vorrichtung zum Lagern einer Dünnfilmvorrichtung,
12 eine schematische Schnittansicht eines Konfigurationsbeispiels einer Vorrichtung zum Lagern einer Dünnfilmvorrichtung,
13 eine schematische Schnittansicht eines Konfigurationsbeispiels einer Vorrichtung zum Lagern einer Dünnfilmvorrichtung,
14 eine schematische Schnittansicht eines Konfigurationsbeispiels einer Vorrichtung zum Lagern einer Dünnfilmvorrichtung,
15 eine schematische Schnittansicht eines Konfigurationsbeispiels einer Vorrichtung zum Lagern einer Dünnfilmvorrichtung,
16 eine schematische Ansicht eines Verfahrens zum Messen eines biologischen Moleküls unter Verwendung einer gelagerten Dünnfilmvorrichtung,
17 eine schematische Ansicht eines Verfahrens zum Messen eines biologischen Moleküls unter Verwendung einer gelagerten Dünnfilmvorrichtung,
18 experimentelle Ergebnisse von Änderungen der dielektrischen Durchbruchspannung im Laufe der Zeit,
19 experimentelle Ergebnisse von Änderungen der dielektrischen Durchbruchspannung im Laufe der Zeit,
20 eine Beziehung zwischen der Temperatur und der Vorrichtungslebensdauer,
21 die Beziehung zwischen der Temperatur und der Vorrichtungslebensdauer,
22 eine Beziehung zwischen der Lagerzeit und dem Leckstrom,
23 einen Leckstrom unter einer Lagerungsbedingung, bei der eine Verschlechterung verhindert wird,
24 einen Leckstrom unter einer Lagerungsbedingung, bei der eine Verschlechterung verhindert wird, und
25 einen Leckstrom unter einer Lagerungsbedingung, bei der eine Verschlechterung verhindert wird.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es sei bemerkt, dass in allen Zeichnungen zur Beschreibung der Ausführungsformen gleiche Bezugszahlen verwendet werden, um gleiche Funktionen zu bezeichnen, und dass auf eine wiederholte Beschreibung möglichst verzichtet wird. Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht als auf die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt auszulegen. Fachleute können leicht verstehen, dass spezifische Konfigurationen geändert werden können, ohne vom Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Positionen, Größen, Formen, Bereiche und dergleichen der jeweiligen in den Zeichnungen und dergleichen dargestellten Komponenten geben nicht immer tatsächliche Positionen, Größen, Formen, Bereiche und dergleichen an, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern. Daher ist die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf die in den Zeichnungen und dergleichen offenbarten Positionen, Größen, Formen, Bereiche und dergleichen beschränkt.
Die in der vorliegenden Spezifikation zitierten Veröffentlichungen und Patentanmeldungen bilden einen Teil der Beschreibung der vorliegenden Spezifikation.
In der vorliegenden Spezifikation durch den Singular ausgedrückte Komponenten sollen den Plural einschließen, es sei denn, dass der Zusammenhang klar etwas anderes angibt.
Hier wurde ein Mechanismus, durch den die dielektrische Durchbruchspannung eines Si enthaltenden isolierenden Dünnfilms verringert wird, zuerst eingeschätzt und überprüft, und es wurde ein auf dem Mechanismus beruhendes Lösungsverfahren untersucht. Es ist bekannt, dass ein Si-Film durch Wasserdampf in der Luft oxidiert wird und dass ein Oxidfilm ferner mit dem Wasserdampf reagiert und schließlich verflüchtigt wird, wenn der Si enthaltende Film (in der Art eines SiN-Films) in eine Umgebung gebracht wird, die einer hohen Temperatur, einem hohen Druck und einer hohen Feuchtigkeit ausgesetzt ist. Wenngleich die Lagerumgebung des in der vorliegenden Ausführungsform verwendeten Si-Films nicht einer hohen Temperatur und einem hohen Druck ausgesetzt ist, befindet sich in der Nähe des Films eine große Menge H₂O, und es wird davon ausgegangen, dass eine in 5 dargestellte Ätzreaktion durch langzeitigen Kontakt mit einer Lösung abläuft. Wenn der Si enthaltende Film durch H₂O geätzt wird, wird er dünner, so dass die dielektrische Durchbruchspannung abnimmt. Ferner wird davon ausgegangen, dass das Problem der Verringerung der dielektrischen Durchbruchspannung durch leichtes Ätzen offensichtlich geworden ist, weil die Dicke des in einem Festkörper-Nanoporen-Sequenzer oder dergleichen verwendeten Si-Films gering ist.
Folglich wurde die Lebensdauer einer Dünnfilmvorrichtung (nachstehend einfach als Vorrichtungslebensdauer bezeichnet) entsprechend der in 5 dargestellten Ätzreaktion formuliert, und es wurde ein Verfahren zur Verlängerung der Lebensdauer betrachtet. Der Dünnfilm, der bei einer Messvorrichtung eingesetzt wird, bei der eine Festkörper-Nanopore verwendet wird, hat im Allgemeinen eine Dicke von höchstens 100 nm, und ein Dünnfilm mit einer Dicke von höchstens 10 nm wird verwendet, wenn eine Probe in der Art von DNA gemessen wird. Bei einer solchen Messung wird die Vorrichtungslebensdauer als die Zeit [h/V] definiert, bis zu der die dielektrische Durchbruchspannung um 1 V abnimmt, weil eine Verringerung der Durchbruchspannung um 1 V oder mehr im Allgemeinen bedeutet, dass die Dicke geringer als 1 nm geworden ist, woraus sich eine starke Änderung einer Filmeigenschaft ergibt. Die in 5 dargestellte Ätzreaktion (Reaktion n-ter Ordnung von H₂O: SiN + nH₂O → SiO, Si(OH)₄, n ≥ 1) folgt der Arrhenius-Gleichung, so dass die Vorrichtungslebensdauer Lt [h/V] durch die folgende Formel ausgedrückt werden kann: $Lt = A \times e^{E/RT} \times {[H_{2} O]}^{- n}$
Hier ist [H₂O] die H₂O-Konzentration [mol/l], T die absolute Temperatur [K], E die Aktivierungsenergie [J/mol] und sind A und R (≒ 8,314 J/(mol K)) Konstanten.
Es wurde anhand der vorstehenden Formel herausgefunden, dass eine Gegenmaßnahme in Form (i) einer Verringerung von [H₂O], (ii) einer Verringerung von T und (iii) einer Erhöhung von E erforderlich ist, um Lt zu vergrößern. Als spezifische Gegenmaßnahme kann die Erhöhung von Lt verwirklicht werden, indem dafür gesorgt wird, dass die in Kontakt mit der Dünnfilmvorrichtung stehende Lösung (i) ein organisches Lösungsmittel (eine Lösung mit einer geringen H₂O-Konzentration), (ii) eine Lösung bei einer niedrigen Temperatur oder (iii) eine Lösung mit einer hohen Salzkonzentration ist. In Bezug auf (iii) sei bemerkt, dass eine ein Salz enthaltende wässrige Lösung in einem Zustand stabilisiert wird, in dem das Salz hydriert ist, und dass es erforderlich ist, eine Dehydrierung des Salzes auszuführen, damit Wasser den Dünnfilm ätzt. Daher kann E durch die Hydrationsenergie des Salzes erhöht werden. Die Überprüfung der vorstehenden Hypothese wird auf der Grundlage später beschriebener experimenteller Ergebnisse beschrieben. Ferner werden Einzelheiten der unter den Bedingungen (i), (ii) und (iii) erhaltenen Vorrichtungslebensdauer auch auf der Grundlage der später beschriebenen experimentellen Ergebnisse beschrieben.
Wie vorstehend beschrieben, kann eine Verschlechterung des Dünnfilms verhindert werden, während die hydrophile Eigenschaft der Oberfläche der Dünnfilmvorrichtung aufrechterhalten wird, wenn der Si enthaltende Dünnfilm, der in der Dünnfilmvorrichtung enthalten ist, in Kontakt mit einer Lösung gelagert wird, welche (i) eine niedrige H₂O-Konzentration aufweist, (ii) eine niedrige Temperatur aufweist oder (iii) eine hohe Salzkonzentration aufweist, (i) Die Lösung, welche eine niedrige H₂O-Konzentration aufweist, ist typischerweise ein organisches Lösungsmittel, und es kann typischerweise eine Lösung verwendet werden, die Ethanol, Methanol, 2-Propanol, DMSO oder dergleichen enthält. Beispiele, die kommerziell erhältlich sind, weisen 99,5 % Ethanol, 99,8 % Methanol, 99,7 % 2-Propanol, 99,5 % DMSO oder dergleichen auf, und solche Lösungen können verwendet werden. Ferner kann (i) die eine niedrige H₂O-Konzentration aufweisende Lösung oder (ii) die eine niedrige Temperatur aufweisende Lösung höchstens etwa 1 mol/l eines Salzes in der Art von LiCl, NaCl, KCl, RbCl, MgCl₂, CaCl₂, SrCl₂ und BaCl₂ enthalten. Die Lösungen (i), (ii) und (iii) können mehrere Typen von Reagenzien enthalten und beispielsweise einen pH-Einsteller oder ein Enzym enthalten.
Weil, wie vorstehend beschrieben wurde, etwa eine Woche für die Anlieferung an einen Kunden in Anspruch genommen wird, muss die Vorrichtungslebensdauer wenigstens eine Woche betragen. Dazu ist es wünschenswert, dass die Lösung, die in Kontakt mit dem Si enthaltenden Dünnfilm steht, (1) Wasser mit einem Volumenanteil zwischen 0 % und 30 %, (2) eine Temperatur zwischen dem Verfestigungspunkt und unterhalb von 15 °C oder (3) eine Salzkonzentration zwischen 1 mol/l und der Sättigungskonzentration und eine Temperatur zwischen dem Verfestigungspunkt und 25 °C aufweist. Die Grundlage dieser Zahlenwerte wird später beschrieben.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Dünnfilmvorrichtung nicht nur transportiert werden kann, sondern auch auf der Seite des Kunden gelagert und gemessen werden kann und dabei bei einem praktischen Betriebsverfahren zwei oder drei Wochen oder noch länger gelagert werden kann. Demgemäß ist es angesichts dessen, dass eine Woche für die Auslieferung benötigt wird, bevorzugt, die Lagerung über wenigstens einen Monat zu ermöglichen. Um eine Vorrichtungslebensdauer von einem Monat oder mehr zu erreichen, ist es bevorzugt, dass die Lösung (4) Wasser mit einem Volumenanteil zwischen 0 % und 5 %, (5) eine Temperatur zwischen dem Verfestigungspunkt und unterhalb von 5 °C oder (6) eine Salzkonzentration zwischen 1 mol/l und der Sättigungskonzentration und eine Temperatur zwischen dem Verfestigungspunkt und 15 °C aufweist. Die Grundlage dieser Zahlenwerte wird später ähnlich (1), (2) und (3), wie vorstehend erwähnt, beschrieben.
Es sei bemerkt, dass die Lagerungsbedingungen für die eine niedrige H₂O-Konzentration aufweisende Lösung folgendermaßen berechnet wurden. Wenn die Vorrichtungslebensdauer bei der eine niedrige H₂O-Konzentration aufweisenden Lösung Lt' beträgt und die H₂O-Konzentration [H₂O'] beträgt, kann der Volumenanteil von Wasser (H₂O']/[H₂O]) durch die folgende Formel ausgedrückt werden. $[H_{2} O'] / [H_{2} O] = {(Lt/Lt')}^{1 / n} \geq Lt/Lt'$
Durch diese Formel kann der minimale Volumenanteil von Wasser (H₂O']/[H₂O]), der erforderlich ist, um einen Zielwert Lt' zu erhalten, berechnet werden, falls die Vorrichtungslebensdauer Lt bei einer bestimmten Temperatur gemessen wird. Hier wurde die Vorrichtungslebensdauer Lt während der Lagerung in reinem Wasser bei 25 °C anhand der später beschriebenen in 21 dargestellten Ergebnisse berechnet und wurde der Volumenanteil berechnet, der erforderlich war, um Lt' ≥ 1 Woche oder Lt' ≥ 1 Monat zu erhalten. Dadurch wurden die vorstehenden Bedingungen (1) und (4) erhalten.
6 ist eine schematische Schnittansicht eines Konfigurationsbeispiels der Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Ferner sind die 7 bis 15 schematische Schnittansichten anderer Konfigurationsbeispiele der Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung.
Wie in 6 dargestellt ist, weist die Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung einen Behälter auf, der einen ersten Tank 11 und einen zweiten Tank 12 aufweist und eine zu lagernde Dünnfilmvorrichtung aufnimmt. Eine Lösung 1 ist in den ersten Tank 11 und den zweiten Tank 12 des Behälters eingeschlossen. Im Fall von 6 ist die Dünnfilmvorrichtung als Dünnfilm 3 dargestellt. Der Dünnfilm 3 steht in Kontakt mit der Lösung 1, wobei eine Oberfläche im ersten Tank 11 des Behälters angeordnet ist und die andere Oberfläche im zweiten Tank 12 angeordnet ist, wobei die in den ersten Tank 11 und den zweiten Tank 12 eingefüllte Lösung 1 durch den Dünnfilm 3 getrennt ist. Die Lösung 1 erfüllt jegliche der vorstehenden Bedingungen (1) bis (3), wodurch eine Vorrichtungslebensdauer von einer Woche oder mehr erreicht werden kann, und sie erfüllt vorzugsweise jegliche der Bedingungen (4) bis (6), wodurch eine Vorrichtungslebensdauer von einem Monat oder mehr erreicht werden kann. Zwei oder mehr der Bedingungen (1) bis (6) können gleichzeitig erfüllt werden, um die Lebensdauer zu verlängern.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Lösung 1 beim Anlegen einer Spannung durch Verbinden einer Elektrode mit ihr bei einem Prozess nach der Lagerung verwendet werden kann und dass sie bei einer allgemeinen Nanoporenmessung wenigstens 1 mmol/l Salz enthält. Wenn die Lösung 1 weniger als 1 mmol/l Salz enthält, ist die elektrische Leitfähigkeit gering und kann beim Anlegen einer Spannung kein ausreichender Strom erhalten werden, so dass sich der Strom nur schwer messen lässt. Demgemäß muss vor dem Anlegen einer Spannung die Lösung 1 durch eine wenigstens 1 mmol/l Salz enthaltende Lösung ersetzt werden. Ferner ist es wünschenswert, die Salzkonzentration zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit zu erhöhen, um dadurch das Signal während der Strommessung zu verbessern. Die Salzkonzentration beträgt vorzugsweise wenigstens 10 mmol/l und bevorzugter wenigstens 100 mmol/l. Als in der Lösung 1 enthaltene Kationen können ionisierende Kationen verwendet werden, und es ist typischerweise bevorzugt, ein Element der Gruppe I oder ein Element der Gruppe II in der Art von Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr und Ba zu verwenden. Als in der Lösung 1 enthaltene Anionen können ionisierende Anionen verwendet werden, und es ist bevorzugt, das Anion auf der Grundlage der Kompatibilität mit einem Elektrodenmaterial auszuwählen. Wenn beispielsweise ein Silberhalogenid als Elektrodenmaterial verwendet wird, ist es bevorzugt, alle Halogenidionen in der Art von I, Br und Cl als Anion zu verwenden. Ferner können die Anionen organische Anionen sein, die durch Glutamationen oder dergleichen repräsentiert sind.
Der Dünnfilm 3 besteht aus einem anorganischen Material, das wünschenswerterweise durch eine Halbleiter-Mikrobearbeitungstechnik gebildet werden kann. Das anorganische Material ist typischerweise Siliciumnitrid, Siliciumoxid, Hafniumoxid, Molybdändisulfid, Graphen oder dergleichen und bevorzugt Siliciumnitrid, Siliciumoxid oder dergleichen, wobei es sich um Si-Verbindungen handelt, die durch einen Halbleiterprozess massenproduziert werden können. Im Allgemeinen wird der Dünnfilm 3 wahrscheinlich mechanisch durch Vibrationen und Stöße gebrochen, die erzeugt werden, wenn er durch Pinzetten gegriffen wird, so dass vorzugsweise eine den Dünnfilm 3 tragende Tragstruktur 4 bereitgestellt wird, wie in 7 dargestellt ist. Als Struktur zum Tragen des Dünnfilms 3 kann beispielsweise ein Siliciumträgersubstrat mit einer Dicke von etwa 725 µm verwendet werden. Beispielsweise wird eine Dünnfilmvorrichtung verwendet, bei der ein SiN-Dünnfilm mit einer Dicke von höchstens 1 µm und einer Fläche von höchstens 100 µm² von einem Trägersubstrat getragen wird. Die in der vorliegenden Spezifikation erwähnte Dünnfilmvorrichtung kann nur unter Verwendung des auf diese Weise aus einem anorganischen Material hergestellten Dünnfilms gebildet werden, weist jedoch vorzugsweise den Dünnfilm und die Tragstruktur zum Tragen des Dünnfilms auf.
Wenn der Dünnfilm 3 mit einer wässrigen Lösung geätzt wird, wird es als eine erhebliche Änderung angesehen, wenn sich die Dicke gegenüber der ursprünglichen Dicke um mindestens 1 % ändert. Demgemäß wird eine Änderung der dielektrischen Durchbruchspannung von wenigstens 1 V (d. h. eine Dicke von wenigstens 1 nm) problematisch, wenn ein Dünnfilm mit einer Dicke von höchstens 100 nm verwendet wird. Das heißt, dass die Lagerung in der Lösung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform bei einem Dünnfilm mit einer Dicke von höchstens 100 nm besonders wirksam ist und bei einem sehr dünnen Film mit einer Dicke von höchstens 10 nm, die von der ursprünglichen Dicke um 10 % oder mehr abweichen kann, noch wirksamer ist.
Es ist bevorzugt, die Dicke des Dünnfilms 3 entsprechend dem Messinhalt strenger festzulegen, und es ist erforderlich, sie in den Bereich von 0,1 nm bis 100 nm zu legen. Wenn ein Biopolymer oder dergleichen analysiert wird, wird die Dicke wenigstens auf das Zweifache, bevorzugter wenigstens auf das Dreifache und bevorzugter wenigstens auf das Fünffache der Dicke einer das Biopolymer bildenden Monomereinheit gelegt. Wenn das Biopolymer beispielsweise eine Nukleinsäure ist, ist seine Dicke vorzugsweise mindestens auf die dreifache Dicke von Basen, beispielsweise 1 nm oder darüber, gelegt. Demgegenüber ist es in Hinblick auf die Auflösung eines Nanoporensensors bevorzugt, dass die Dicke einer Nanopore gering ist, um die Form und das Material des Biopolymers (im Fall von DNA eine Basenspezies oder dergleichen) zu erkennen. Beispielsweise ist es bevorzugt, die Dicke der Nanopore auf höchstens 100 nm zu legen, um eine Streptokokke oder dergleichen mit einer Biopolymergröße von etwa 1 bis 10 µm zu messen und ihre linear zusammenhängende Form zu erkennen. Ferner wird die Dicke der Nanopore vorzugsweise auf höchstens 30 nm und bevorzugter höchstens 10 nm gelegt, um eine DNA-Basenspezies zu analysieren, wenn ein Biopolymer aus einer Nukleinsäure besteht, weil der Abstand zwischen Basen lediglich 0,5 nm beträgt. Daher kann die Form, das Material oder dergleichen des Biopolymers mit hoher Auflösung analysiert werden. Ferner ist die Form der Nanopore im Wesentlichen kreisförmig, kann jedoch auch elliptisch oder polygonal sein.
Die Lösung 1 muss nach der Verarbeitung eingefüllt werden, um zu ermöglichen, dass eine Flüssigkeit in Kontakt mit einer Oberfläche des Dünnfilms 3 gelangt. Insbesondere ist es erwünscht, ein Verfahren zu verwenden, bei dem die Lösung 1 eingefüllt wird, nachdem ein O²-Plasma auf die Oberfläche des Dünnfilms 3 einwirken gelassen wurde, um sie hydrophil zu machen, ein Verfahren zu verwenden, bei dem die Lösung 1 eingefüllt wird, nachdem organische Reste mit einer Piranha-Lösung oder dergleichen entfernt wurden, um die Oberfläche hydrophil zu machen, oder ein Verfahren zu verwenden, bei dem die Lösung 1 derart eingefüllt wird, dass die Oberfläche des Dünnfilms einmal mit einer Lösung mit einer geringen Oberflächenspannung in der Art von Ethanol gefüllt wird und die Lösung dann durch Lösung 1 ersetzt wird, oder dergleichen.
Mehrere Dünnfilmabschnitte, die ein Biopolymer analysieren, können Seite an Seite angeordnet werden. Eine Nanoporen-Arraystruktur hat den Vorteil, dass der Messdurchsatz drastisch vergrößert werden kann. Bei dieser Nanoporen-Arraystruktur ist es bevorzugt, die Nanoporen aufweisenden Dünnfilmabschnitte regelmäßig anzuordnen. Das Intervall für die Anordnung der mehreren Dünnfilmabschnitte kann entsprechend einer zu verwendenden Elektrode, der Kapazität eines elektrischen Messsystems, der Verarbeitungsgrenze des Halbleiterprozesses oder dergleichen auf 0,1 µm bis 10 µm und bevorzugt auf 0,5 µm bis 4 µm gesetzt werden.
Das Material eines Lösungstanks in der Art des ersten Tanks 11 und des zweiten Tanks 12 kann beispielsweise PMMA oder Teflon (registriertes Warenzeichen) sein, welche eine ausgezeichnete chemische Widerstandsfähigkeit aufweisen. Es kann jeder Lösungstank mit einer Kapazität von beispielsweise 100 ml oder weniger verwendet werden.
Die 6 und 7 zeigen eine Konfiguration, bei der eine Lösung auf beiden Seiten des Dünnfilms 3 eingefüllt wird, wie er bei einem Sensor in der Art eines Nanoporen-DNA-Sequenzers verwendet wird. Es tritt jedoch natürlich ein Phänomen auf, das darin besteht, dass die Lösung den Dünnfilm 3 selbst dann ätzt, wenn die Lösung nur auf einer Seite des Dünnfilms 3 eingefüllt wird, wie in 5 dargestellt ist. Daher kann die Wirkung des Verhinderns des Ätzens, die in der vorliegenden Spezifikation beschrieben wird, selbst dann erhalten werden, wenn die Lösung 1 nur auf einer Seite des Dünnfilms 3 eingefüllt wird, wie in 8 dargestellt ist. Eine Vorrichtung zur Lagerung einer Dünnfilmvorrichtung, wie in 8 dargestellt, weist einen Behälter auf, der den ersten Tank 11 aufweist und eine zu lagernde Dünnfilmvorrichtung aufnimmt. Die Lösung 1 ist in den ersten Tank 11 des Behälters eingeschlossen. In 8 ist die Dünnfilmvorrichtung als Dünnfilm 3 dargestellt. Die Konfiguration aus 8 wird bei einem Sensor in der Art eines ionenempfindlichen Feldeffekttransistorsensors (ISFET) verwendet. Der ISFET ist ein FET, bei dem die Gate-Oberfläche mit einem ionenempfindlichen Film bedeckt ist, und er erfasst ein Oberflächenpotential zwischen der Lösung und dem ionenempfindlichen Film. Der isolierende Dünnfilm 3 beispielsweise aus SiO₂, SiN oder Al₂O₃, wird für den ionenempfindlichen Film des ISFETs verwendet. Es sei bemerkt, dass es eine Bedingung gibt, dass die Dicke des Isolators etwa 1 bis 100 nm beträgt. Daher ist es bevorzugt, die Tragstruktur 4 zur Unterstützung des Dünnfilms 3 bereitzustellen, wie in 9 dargestellt ist. Als Struktur zum Tragen des Dünnfilms 3 kann beispielsweise ein Siliciumträgersubstrat mit einer Dicke von etwa 725 µm verwendet werden. Um dafür zu sorgen, dass der in 9 dargestellte Sensor als FET wirkt, kann er so ausgelegt werden, dass eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode auf einem Si-Trägersubstrat bereitgestellt werden und ein Isolierfilm beispielsweise aus SiO₂ oder SiN auf der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode bereitgestellt wird. Die in der vorliegenden Spezifikation erwähnte Dünnfilmvorrichtung kann nur unter Verwendung des auf diese Weise aus einem anorganischen Material hergestellten Dünnfilms gebildet werden, weist jedoch vorzugsweise den Dünnfilm und die Tragstruktur zum Tragen des Dünnfilms auf.
Auch bei der Konfiguration, bei der die Lösung auf einer Seite des Dünnfilms 3 eingefüllt wird, wie in den 8 und 9 dargestellt ist, wird der Dünnfilm 3 allmählich von einer in Kontakt mit der Lösung stehenden Seite geätzt und ändern sich Sensoreigenschaften. Demgemäß müssen Bedingungen der Lösung 1 wie bei den Konfigurationen aus 6 oder 7 berücksichtigt werden, um die Lebensdauer der Vorrichtung zu verlängern. Die Vorrichtungslebensdauer, die bei der Konfiguration erreicht werden muss, bei der die Lösung auf einer Seite des Dünnfilms 3 eingefüllt wird, beträgt wenigstens eine Woche, weil etwa eine Woche für die Lieferung an den Kunden in Anspruch genommen wird. Ferner ist es bevorzugt, dass die Dünnfilmvorrichtung nicht nur transportiert werden kann, sondern auch auf der Seite des Kunden gelagert und gemessen werden kann und dabei bei einem praktischen Betriebsverfahren zwei oder drei Wochen oder noch länger gelagert werden kann. Demgemäß ist es angesichts dessen, dass eine Woche für die Auslieferung benötigt wird, bevorzugt, die Lagerung über wenigstens einen Monat zu ermöglichen. Wenn die Vorrichtungslebensdauer für den Fall, in dem die Lösung auf einer Seite des Dünnfilms 3 eingefüllt ist, mit der Vorrichtungslebensdauer verglichen wird, bei der die Lösung auf beiden Seiten des Dünnfilms 3 eingefüllt ist, ergibt sich, dass die Lebensdauer höher ist, wenn die Lösung auf einer Seite eingefüllt wird, weil das Ätzen von der Stelle fortschreitet, an der der Dünnfilm 3 in Kontakt mit der Lösung steht. Demgemäß genügt es, jegliche der vorstehenden Bedingungen (1) bis (3) zu erfüllen, bei denen eine Vorrichtungslebensdauer von wenigstens einer Woche erreicht wird, wenn die Lösung auf beiden Seiten eingefüllt wird. Ferner ist es erwünscht, jegliche der vorstehenden Bedingungen (4) bis (6) zu erfüllen, um eine Vorrichtungslebensdauer von wenigstens einem Monat zu erreichen.
In 10 und den nachfolgenden Zeichnungen dargestellte Konfigurationen werden unter der Annahme einer Anwendung auf einen Sensor in der Art eines Nanoporen-DNA-Sequenzers erhalten, und es wird eine Konfiguration beschrieben, bei der eine Lösung auf beiden Seiten eines Dünnfilms eingefüllt ist. Wie in 10 dargestellt ist, kann eine Nanopore 2 im Dünnfilm 3 bereitgestellt werden, welche durch einen Halbleiterprozess gebildet werden kann, um eine Massenproduktion zu ermöglichen, oder mit einem TEM-Elektronenstrahl gebildet werden kann, damit der Porendurchmesser gering ist. Bevorzugter ist es erwünscht, die durch dielektrischen Durchbruch gebildete Nanopore 2 zu verwenden, indem eine Hochspannung an den Dünnfilm 3 angelegt wird, so dass die Nanopore mit einem kleinen Porendurchmesser genau, schnell und kostengünstig gebildet werden kann. Wenn die Nanopore bei der Aufnahme in den Behälter auf diese Weise im Dünnfilm bereitgestellt ist, ist es nicht erforderlich, die Nanopore auf der Seite des Kunden zu erzeugen, wenn diese Lagerungsvorrichtung an einen Kunden ausgeliefert wird, ist die Vorrichtungskonfiguration vereinfacht und ist die Messung sofort möglich.
Es ist bevorzugt, den Durchmesser der Nanopore entsprechend dem Messinhalt strenger festzulegen. Beispielsweise beträgt der Durchmesser bei der Analyse eines Polymers oder eines Kügelchens mit einem Durchmesser von etwa 10 nm höchstens 100 nm, vorzugsweise höchstens 50 nm und insbesondere etwa 0,9 nm bis 10 nm. Beispielsweise beträgt der Durchmesser einer für die Analyse einsträngiger DNA mit einem Durchmesser von etwa 1,4 nm zu verwendenden Nanopore vorzugsweise etwa 1,4 nm bis 10 nm und bevorzugter etwa 1,4 nm bis 2,5 nm. Ferner beträgt der Durchmesser einer beispielsweise für die Analyse einer doppelsträngigen DNA mit einem Durchmesser von etwa 2,6 nm zu verwendenden Nanopore vorzugsweise etwa 3 nm bis 10 nm und bevorzugter etwa 3 nm bis 5 nm.
Wie in 11 dargestellt ist, steht in einem Zustand, in dem eine erste Elektrode 13 und eine zweite Elektrode 14 im ersten Tank 11 bzw. im zweiten Tank 12 bereitgestellt sind, die erste Elektrode 13 in Kontakt mit einer Lösung im ersten Tank 11 und steht die zweite Elektrode 14 in Kontakt mit einer Lösung im zweiten Tank 12, so dass sich eine einfache Verbindung mit einem Schaltungssystem erreichen lässt, das eine Stromversorgungsvorrichtung 15, ein Strommessgerät 16 und eine Steuer- und Messvorrichtung 17 aufweist, die getrennt außerhalb der Flüssigkeitstanks bereitgestellt sind, wie in 12 dargestellt ist. Die Steuer- und Messvorrichtung 17 kann ein PC sein. Wenn die Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung mit der in 11 dargestellten Struktur verwendet wird, kann eine Messung beispielsweise kostengünstig ausgeführt werden, falls nur eine Vorrichtung, die aus der Spannungsversorgungsvorrichtung 15, dem Strommessgerät 16 und der Steuer- und Messvorrichtung 17 besteht, hergestellt wird, wird die Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung als Verbrauchsmaterial verwendet und wird nach jedem Abschluss einer Messung eine neue Vorrichtung zum Lagern einer Dünnfilmvorrichtung verwendet. Das heißt, dass die Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung, die mit den Elektroden 13 und 14 versehen ist, nicht nur zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung sondern auch zur Verwendung bei der Strommessung verwendet wird.
Die Elektrode in der Art der ersten Elektrode 13 und der zweiten Elektrode 14 besteht vorzugsweise aus einem Material, das zu einer Elektronenabgabe-/Empfangsreaktion (Faraday-Reaktion) mit einem Elektrolyten in der Lösung 1 geeignet ist, und sie besteht typischerweise aus Silberhalogenid oder Alkalisilberhalogenid. In Hinblick auf die Potentialstabilität und Zuverlässigkeit wird vorzugsweise Silberchlorid für die Elektrode verwendet. Die Elektrode kann aus einem Material bestehen, das eine Polarisationselektrode bildet, beispielsweise Gold, Platin oder dergleichen. In einem solchen Fall ist es bevorzugt, ein Material hinzuzufügen, das die Elektronenabgabe-/Empfangsreaktion in der Lösung unterstützen kann, beispielsweise Kaliumferricyanid, Kaliumferrocyanid oder dergleichen, um dadurch einen stabilen Ionenstrom zu gewährleisten. Alternativ ist es bevorzugt, ein Material, das die Elektronenabgabe-/Empfangsreaktion ausführen kann, beispielsweise Ferrocene, an der Oberfläche einer Polarisationselektrode zu immobilisieren.
Was die Struktur der Elektrode angeht, kann die gesamte Elektrode aus den vorstehend beschriebenen Materialien bestehen, oder eine Fläche eines Ausgangsmaterials in der Art von Kupfer oder Aluminium kann mit den vorstehend beschriebenen Materialien beschichtet werden. Die Form der Elektrode ist nicht besonders beschränkt, es ist jedoch eine Form bevorzugt, die eine große in Kontakt mit der Lösung stehende Oberfläche aufweist. Die Elektrode ist mit einer Verdrahtung verbunden, und es wird ein elektrisches Material zu einer Messschaltung gesendet. Die Stromversorgungsvorrichtung 15 kann mit der Steuer- und Messvorrichtung 17 verbunden werden, so dass die angelegte Spannung gesteuert werden kann, und ein Messsystem, das einen gemessenen Strom als Daten speichert, kann so ausgelegt werden, dass es auch das Strommessgerät 16 mit einer Vorrichtung in der Art eines Personalcomputers verbindet. Das Strommessgerät 16 kann einen Verstärker, der einen beim Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden fließenden Strom verstärkt, und einen Analog-Digital-Wandler (ADC) aufweisen.
Falls eine große Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode 13 und der zweiten Elektrode 14 zu einem dielektrischen Durchbruchfehler des Dünnfilms 3 führt, ist es daher erforderlich, zumindest die Potentialdifferenz so einzustellen, dass sie bei der dielektrischen Stärke des Dünnfilms oder darunter gehalten wird. Die dielektrische Stärke des Dünnfilms beträgt im Allgemeinen 1 V/nm und muss bei dieser elektrischen Feldstärke oder darunter gehalten werden. Es ist bevorzugt, die Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode 13 und der zweiten Elektrode 14 so einzustellen, dass sie unterhalb der dielektrischen Durchbruchspannung des Dünnfilms liegt, beispielsweise auf 0 V, so dass im Laufe der Zeit keine Spannung am Film anliegt. Es ist erwünscht, eine Struktur zu verwenden, bei der die erste Elektrode 13 und die zweite Elektrode 14 kurzgeschlossen sind, wie in 13 dargestellt ist.
Ferner ist der Behälter vorzugsweise mit Ein- und Auslassöffnungen 31 versehen, wie in 14 dargestellt ist, um die Lösung 1 leicht in den ersten Tank 11 und den zweiten Tank 12 einleiten zu können. Es besteht die Möglichkeit, dass die Lösung 1 im Laufe der Zeit durch die Ein- und Auslassöffnungen 31 verflüchtigt, so dass es erwünscht ist, dass der Behälter eine Dichtungsstruktur zum Verhindern der Verflüchtigung aufweist. Insbesondere wird eine Anordnung verwendet, bei der eine Dichtungsstruktur 32 an der Strömungsweg-Einlassöffnung des Behälters bereitgestellt ist, so dass eine Lösung 32 (ein organisches Lösungsmittel in der Art von Benzol/Fluorinat, falls die Lösung 1 eine wässrige Lösung ist) aufgenommen wird, die nicht mit der Lösung 1 gemischt wird. Die Anordnung wird durch eine Prozedur gebildet, bei der beispielsweise die Lösung 1 zuvor in die Nähe der Ein- und Auslassöffnungen 31 gebracht wird und dann die Lösung 32 eingetropft wird, um die Ein- und Auslassöffnungen 31 beim Einbringen der Lösung 32 zu bedecken. Es ist bevorzugt, dass der Bereich, in dem die Lösung 1 in Kontakt mit Luft gelangt, verkleinert wird.
Es ist erforderlich, einen Temperatureinstellmechanismus bereitzustellen, um die Lösung 1 auf eine niedrige Temperatur zu kühlen. Insbesondere wird wünschenswerterweise ein Temperatureinstellmechanismus verwendet, bei dem ein Wärmeübertragungselement (in der Art eines Peltier-Elements) am Behälter der Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung angebracht wird, um Wärme durch das Wärmeübertragungselement und den Behälter auf die Lösung 1 zu übertragen. Die Einheitskosten werden jedoch wahrscheinlich durch die Anbringung des Peltier-Elements oder dergleichen am Behälter der Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung erhöht, weil es erforderlich ist, das Peltier-Element für jeden Behälter zu präparieren. Daher ist es bevorzugt, eine Form zu verwenden, bei der ein Temperatureinstellmechanismus 41 um den die Dünnfilmvorrichtung aufnehmenden Behälter angeordnet ist, wie in 15 dargestellt ist. Insbesondere wird ein thermostatisches Bad, ein Kälteisolationsmaterial, Trockeneis oder dergleichen bereitgestellt oder wird die Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung in einen Kühlschrank oder Gefrierschrank gegeben. Der Versand der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zum Lagern einer Dünnfilmvorrichtung vom Hersteller zum Kunden und die Lagerung der Vorrichtung beim Kunden geschehen beispielsweise so, dass ein Kälteisolationsmaterial oder Trockeneis um die Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung angeordnet wird und die Vorrichtung beim Kunden in einem Kühlschrank oder Gefrierschrank gelagert wird.
16 ist eine schematische Ansicht eines Verfahrens zum Messen eines biologischen Moleküls unter Verwendung einer in der Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gelagerten Dünnfilmvorrichtung. Zuerst wird der Dünnfilm 3 in Kontakt mit der Lösung 1 gebracht, wie in 16(A) dargestellt ist. Dabei wird durch die Lösung 1 verhindert, dass der Dünnfilm 3 beeinträchtigt wird, so dass diese Lagervorrichtung über einen langen Zeitraum vom Hersteller zum Kunden transportiert werden kann oder die Vorrichtung lange Zeit gelagert werden kann.
Anschließend wird, wie in 16(B) dargestellt ist, durch eine Vorrichtung, die aus der Stromversorgungsvorrichtung 15, dem Strommessgerät 16 und der Steuer- und Messvorrichtung 17 oder dergleichen besteht, eine hohe Spannung, die größer oder gleich der dielektrischen Durchbruchspannung des Dünnfilms 3 ist, zwischen die erste Elektrode 13 und die zweite Elektrode 14 gelegt, wodurch die Nanopore 2 im Dünnfilm 3 durch dielektrischen Durchbruch gebildet wird. Schließlich wird, wie in 16(C) dargestellt ist, ein Biopolymer 51 in der Art von DNA in die in Kontakt mit der ersten Elektrode 13 stehende Lösung oder die in Kontakt mit der zweiten Elektrode 14 stehende Lösung eingeleitet, um eine Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode 13 und der zweiten Elektrode 14 zu erzeugen, und wird eine biologische Probe auf der Grundlage einer Änderung eines Ionenstroms während des Durchgangs des Biopolymers 51 durch die Nanopore 2 gemessen und analysiert.
Bei der in 16(A) dargestellten Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung werden die erste Elektrode 13 und die zweite Elektrode 14 im ersten Tank 11 bzw. im zweiten Tank 12 bereitgestellt, wie in 11 dargestellt ist. Die erste Elektrode 13 kann in Kontakt mit der Lösung im ersten Tank 11 stehen, und die zweite Elektrode 14 kann in Kontakt mit der Lösung im zweiten Tank 12 stehen. Bei einer solchen Konfiguration kann die Vorrichtung leicht mit dem aus der Stromversorgungsvorrichtung 15, dem Strommessgerät 16 und der Steuer- und Messvorrichtung 17, die getrennt außerhalb des Flüssigkeitstanks bereitgestellt sind, bestehenden Schaltungssystem verbunden werden. Alternativ kann die in der Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung, wie in 16(A) dargestellt, gelagerte Dünnfilmvorrichtung, die keine Elektrode aufweist, während der Messung aus der Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung entnommen werden und in einem mit der Elektrode versehenen Behälter zur Messung installiert werden, wie in 16(B) dargestellt ist.
Das zu analysierende Biopolymer 51 ist wünschenswerterweise ein Objekt, das eine elektrische Eigenschaft, insbesondere den Widerstandswert, während des Durchgangs durch die Nanopore 2 ändert und aus einer Nukleinsäure besteht. Insbesondere umfassen Beispiele des Biopolymers 51 RNA (einsträngige RNA oder doppelsträngige RNA), DNA (einsträngige DNA oder doppelsträngige DNA), PNA (Peptidnukleinsäure), ein Oligonukleotid, ein Aptamer und eine Kombination davon (beispielsweise eine Hybridnukleinsäure). Das Biopolymer 51 kann in einem lebenden Körper auftreten oder von jenen, die am lebenden Körper auftreten, abgeleitet sein. Beispiele des Biopolymers 51 umfassen auch eine Sequenz, die nicht natürlich existiert, oder ein Polymer, das eine Komponente, beispielsweise eine Sequenz in der Art von Poly (A) und Poly (T) enthält, ein künstlich synthetisiertes Polymermolekül, eine durch eine Nukleinsäureamplifikationstechnik (beispielsweise PCR) hergestellte Nukleinsäure, eine in einen Vektor geklonte Nukleinsäure und dergleichen. Verfahren zur Präparation dieser Biopolymere 51 sind auf dem relevanten technischen Gebiet wohlbekannt, und Fachleute auf dem Gebiet können das Präparationsverfahren entsprechend dem Typ des Biopolymers 51 geeignet auswählen. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform bezieht sich die Analyse des Biopolymers 51 auf eine Analyse einer Eigenschaft der das Biopolymer 51 bildenden Nukleinsäure. Beispielsweise bezieht sich die Analyse des Biopolymers 51 auf die Analyse der Sequenzreihenfolge eines das Biopolymer 51 bildenden Nukleinsäuremonomers (Sequenzierung), die Bestimmung einer Nukleinsäurelänge, die Erkennung eines Einzelnukleotidpolymorphismus, die Bestimmung der Biopolymerzahl sowie die Erkennung eines Konformationspolymorphismus (Kopiezahlpolymorphismus, Einfügung, Entfernung oder dergleichen) in einem Biopolymer.
Wenn die Konzentration des in der Lösung 1 enthaltenen Salzes beispielsweise 1 mmol/l unterschreitet, so dass sich eine für die Ausführung einer Strommessung ausreichende elektrische Leitfähigkeit kaum erhalten lässt, muss die Lösung 1 durch eine Lösung 101 zur Strommessung ersetzt werden, wie in 17 dargestellt ist. Die Lösung 101 enthält vorzugsweise für die Verwendung bei einer allgemeinen Nanoporenmessung wenigstens 1 mmol/l Salz. Ferner ist es wünschenswert, die Salzkonzentration zu erhöhen, damit die elektrische Leitfähigkeit zunimmt und das Signal während der Strommessung verbessert wird, wobei die Salzkonzentration vorzugsweise wenigstens 10 mmol/l und bevorzugter wenigstens 100 mmol/l beträgt. Als in der Lösung 101 enthaltene Kationen können ionisierende Kationen verwendet werden, und es ist typischerweise bevorzugt, ein Element der Gruppe I oder ein Element der Gruppe II in der Art von Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr und Ba zu verwenden. Als in der Lösung 101 enthaltene Anionen können ionisierende Anionen verwendet werden, und es ist bevorzugt, das Anion auf der Grundlage der Kompatibilität mit einem Elektrodenmaterial auszuwählen. Wenn beispielsweise ein Silberhalogenid als Elektrodenmaterial verwendet wird, ist es bevorzugt, alle Halogenidionen in der Art von I, Br und Cl als Anion zu verwenden. Ferner können die Anionen organische Anionen sein, die durch Glutamationen oder dergleichen repräsentiert sind. Es sei bemerkt, dass die in 16 dargestellte Prozedur den Vorteil hat, dass weniger Arbeitsprozesse als bei der in 17 dargestellten Prozedur benötigt werden.
Wenn eine Lösung mit einer niedrigen Temperatur als Lösung 1 verwendet wird, kann eine Spannung angelegt werden, während die Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung bei einer niedrigen Temperatur gehalten wird, wenn eine Nanopore geöffnet wird, wie in 16(B) oder 17(B) dargestellt ist. Wenn die Pore durch Anlegen der Spannung geöffnet wird, während die Lösung in der Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung bei einer niedrigen Temperatur gehalten wird, kann die dielektrische Durchbruchspannung des Dünnfilms 3 erhöht werden und kann ein weicher Durchbruch verhindert werden, der wahrscheinlich auftritt, wenn der Dünnfilm mit einer niedrigen dielektrischen Durchbruchspannung einem Isolationsdurchbruch ausgesetzt wird, und es können Stromeigenschaften stabilisiert werden. Ferner kann, wenn das Biopolymer 51 gemessen wird, wie in 16(C) oder 17(C) dargestellt ist, die Messung ausgeführt werden, während die Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung bei einer niedrigen Temperatur gehalten wird, falls die Niedertemperaturlösung als Lösung 1 verwendet wird. Falls DNA oder dergleichen mit der auf einer niedrigen Temperatur gehaltenen Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung gemessen wird, kann die Geschwindigkeit der durch die Nanopore laufenden DNA verringert werden.
Nachfolgend wird ein spezifisches Beispiel des vorstehend beschriebenen Messverfahrens angegeben. Zuerst wird der Dünnfilm 3, der einer hydrophilen Behandlung unterzogen wurde, in den ersten Tank 11 und den zweiten Tank 12 des Behälters der Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung auf der Herstellerseite aufgenommen und wird das Innere des Lösungstanks mit einer 1 mol/l aufweisenden wässrigen KCl-Lösung gefüllt. Zu dieser Zeit werden die erste Elektrode 13 und die zweite Elektrode 14 im ersten Tank 11 bzw. im zweiten Tank 12 bereitgestellt und wird ein Zustand hergestellt, in dem die erste Elektrode 13 in Kontakt mit der Lösung im ersten Tank 11 steht und die zweite Elektrode 14 in Kontakt mit der Lösung im zweiten Tank 12 steht. Ferner werden die erste Elektrode 13 und die zweite Elektrode 14 kurzgeschlossen, so dass sie eine Potentialdifferenz von 0 V aufweisen, so dass der Dünnfilm 3 nicht verschlechtert wird. Anschließend wird die Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung durch gekühlten Transport (bei einer Temperatur von +2 °C bis + 8 °C oder dergleichen gehalten) an den Kunden ausgeliefert. Beim Kunden wird die gelieferte Vorrichtung zum Lagern einer Dünnfilmvorrichtung wenigstens zwei bis drei Wochen im Kühlschrank gelagert (wobei sie bei etwa 4 °C gehalten wird), und wird die Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung nach Abschluss der Präparation einer biologischen Probe als Messprobe entnommen und mit der Vorrichtung verbunden, die aus der Stromversorgungsvorrichtung 15, dem Strommessgerät 16 und der Steuer- und Messvorrichtung 17 besteht. Dann wird durch die Stromversorgungsvorrichtung 15, das Strommessgerät 16 und die Steuer- und Messvorrichtung 17 eine Hochspannung an der Dünnfilm 3 angelegt und wird die Nanopore 2 durch dielektrischen Durchbruch bereitgestellt. Schließlich wird eine biologische Probe 51 als Messprobe eingebracht und wird die biologische Probe während des Durchgangs durch die Nanopore 2 gemessen und analysiert.
Nachstehend wird ein experimentelles Beispiel vorgestellt, wodurch die Wirkung der vorliegenden Ausführungsform überprüft wird. Bei diesem Experiment wurde eine einen SiN-Film enthaltende Dünnfilmvorrichtung in Lösungen unter verschiedenen Bedingungen eingetaucht gelagert, wobei die Lösung in Kontakt mit beiden Seiten des Dünnfilms stand. Die Dünnfilmvorrichtung wurde nach einem bestimmten Zeitraum aus der Lösung entnommen und gewaschen, und es wurde dann 1 mol/l CaCl₂ (bei Zimmertemperatur) oberhalb und unterhalb der Dünnfilmvorrichtung eingefüllt. Dann wurde eine Spannung an den Dünnfilm angelegt, um die dielektrische Durchbruchspannung und den Wert des durch den Film fließenden Stroms zu messen.
Zuerst wurde festgestellt, dass der SiN-Film allmählich geätzt wurde, so dass die dielektrische Durchbruchspannung abnahm, wenn die den SiN-Film enthaltende Dünnfilmvorrichtung während einer langen Zeit in einer wässrigen Lösung gelagert wurde, wie vorstehend beschrieben. 18 zeigt Änderungen der dielektrischen Durchbruchspannung im Laufe der Zeit, wenn die Dünnfilmvorrichtung in wässrigen Lösungen aus reinem Wasser, 100 mmol/l CaCl₂ oder 1 mol/l CaCl₂ gelagert wurde (alle Temperaturen betrugen 25 °C). Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurde herausgefunden, dass die dielektrische Durchbruchspannung V unter allen Lagerbedingungen linear mit der Zeit t abnimmt. Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass die Filmdicke fast linear mit der Zeit des Eintauchens in H₂O abnimmt, weil die Ätzrate in Tiefenrichtung des Dünnfilms konstant ist. Ferner beträgt die dielektrische Durchbruchstärke des Dünnfilms 1 V/nm und ist die dielektrische Durchbruchspannung in Bezug auf die Filmdicke fast linear. Das heißt, dass die dielektrische Durchbruchspannung fast linear mit der Zeit des Eintauchens in H₂O abnimmt. Daher unterstützt das experimentelle Ergebnis, dass die dielektrische Durchbruchspannung linear mit der Zeit abnimmt, wie in 18 dargestellt ist, die Annahme, dass die Verringerung der dielektrischen Durchbruchspannung vom Ätzen mit H₂O ausgeht.
Es ist verständlich, dass 1 mol/l CaCl₂ wirksam ist, um die Lebensdauer zu verlängern, weil die Verringerung der dielektrischen Durchbruchspannung verglichen mit reinem Wasser und 100 mmol/l CaCl₂ unterdrückt wird. Es wird davon ausgegangen, dass die Lebensdauerverlängerung hervorgerufen wird, weil 1 mol/l CaCl₂ wässriger Lösung eine hohe Salzkonzentration enthält und das Salz mit Wasser hydriert, wodurch die Aktivierungsenergie einer Reaktion geändert wird, bei der H₂O den SiN-Film ätzt. Die vorstehenden Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass H₂O den SiN-Film ätzt, und sie weisen ferner darauf hin, dass die eine hohe Salzkonzentration (1 mol/l oder mehr) enthaltende Lösung die Lebensdauer verlängern kann.
19 zeigt zeitliche Änderungen der dielektrischen Durchbruchspannung, wenn eine Dünnfilmvorrichtung in reinem Wasser gelagert wurde und die Lagertemperatur geändert wurde (25 °C, 40 °C, 60 °C und 80 °C). 19(A) weist auf der horizontalen Achse einen logarithmischen Maßstab auf, und 19(B) weist auf der horizontalen Achse einen linearen Maßstab auf. Wie in 19(A) ersichtlich ist, nimmt die dielektrische Durchbruchspannung bei einer höheren Lagertemperatur schneller ab. Eine in 19(B) dargestellte Gerade repräsentiert eine Näherungsgerade während der Lagerung bei jeweiligen Temperaturen, und es wurde herausgefunden, dass die dielektrische Durchbruchspannung V bei jeder Lagerungsbedingung linear mit der Lagerungszeit t abnimmt. Dieses Ergebnis ähnelt dem Ergebnis aus 18 und unterstützt, dass die Verschlechterung des Films auf das Ätzen durch H₂O zurückzuführen ist.
Ferner wird die in 20 dargestellte Beziehung erhalten, wenn die Beziehung zwischen der Zeit (Vorrichtungslebensdauer) Lt, bis die dielektrische Durchbruchspannung um 1 V abgenommen hat, und der Lagerungstemperatur T auf der Grundlage von 19 zusammengefasst wird. Schwarze Auftragungen in 20 repräsentieren anhand experimenteller Daten aus 19 erhaltene Werte, und eine gepunktete Linie repräsentiert eine Näherungsgerade. Die Ergebnisse in 20 zeigen, dass InLtoc 1/T ist, was nahe legt, dass die Vorrichtungslebensdauer durch einen Relationsausdruck vom Arrhenius-Typ ausgedrückt werden kann. Die Aktivierungsenergie E während der Lagerung in reinem Wasser kann anhand der Steigung der Geraden berechnet werden.
21 zeigt die Arrhenius-Beziehung zwischen der Vorrichtungslebensdauer und der Lagerungstemperatur, wenn die Dünnfilmvorrichtung in reinem Wasser und einer wässrigen CaCl₂-Lösung mit 1 mol/l gelagert wurde, auf der Grundlage der vorhergehenden experimentellen Ergebnisse. Die Ergebnisse während der Lagerung in reinem Wasser, die in 21 dargestellt sind, werden durch Ändern der vertikalen und horizontalen Achse der in 20 dargestellten Näherungsgeraden erhalten, wobei die Vorrichtungslebensdauer Lt auf der vertikalen Achse in einem logarithmischen Maßstab dargestellt ist und die Lagerungstemperatur T auf der horizontalen Achse dargestellt ist. Anschließend wurde, wenn die in 21 dargestellten Ergebnisse während der Lagerung in der 1 mol/l aufweisenden wässrigen CaCl₂-Lösung berechnet wurden, zuerst die Zeit (Vorrichtungslebensdauer) Lt, bis die dielektrische Durchbruchspannung während der Lagerung bei 25 °C um 1 V abnahm, anhand der Ergebnisse aus 18 berechnet. Beim Vergleich der Vorrichtungslebensdauer während der Lagerung in reinem Wasser, wobei davon ausgegangen wurde, dass A und [H₂O]^-n, die in (Formel 1) gezeigt sind, während der Lagerung gleich waren, wurde die Aktivierungsenergie während der Lagerung in einer 1 mol/l aufweisenden wässrigen CaCl₂-Lösung berechnet, um 21 zu erhalten. Es zeigte sich auf der Grundlage von 21, dass die minimale Lagerungstemperatur (Kühltemperatur), die erforderlich ist, um eine beliebige Vorrichtungslebensdauer zu erhalten, abgelesen werden kann, und dass eine Vorrichtungslebensdauer von einer Woche bei einer Temperatur unterhalb von 15 °C bei der Lagerung in reinem Wasser und bei einer Temperatur unterhalb von 25 °C bei der Lagerung in einer 1 mol/l aufweisenden wässrigen CaCl₂-Lösung erhalten wurden. Ferner wurde herausgefunden, dass eine Vorrichtungslebensdauer von einem Monat bei einer Temperatur unterhalb von 5 °C bei der Lagerung in reinem Wasser und bei einer Temperatur unterhalb von 15 °C bei der Lagerung in einer 1 mol/l CaCl₂ aufweisenden wässrigen Lösung erhalten wurde.
22 zeigt Werte eines durch den Film fließenden Stroms, wenn die Dünnfilmvorrichtung in reinem Wasser bei 25 °C gelagert wurde und eine Spannung von 0,1 V angelegt wurde. Wenn die dielektrische Durchbruchspannung bei der Lagerung in der wässrigen Lösung auf 0,1 V oder weniger abgenommen hatte, trat selbst dann ein dielektrischer Durchbruch auf, wenn eine niedrige Spannung in der Art von 0,1 V bei einer Messung eines biologischen Moleküls oder dergleichen angelegt wurde. Ferner kann infolge der statischen Elektrizität an der Oberfläche des Lösungstanks eine Potentialdifferenz von 0,1 V oder mehr zwischen den Elektrolytlösungen auftreten, die oberhalb und unterhalb des Dünnfilms eingefüllt sind, und tritt ein dielektrischer Durchbruch des Films auch unter dem Einfluss einer solchen statischen Elektrizität auf. Falls eine durch einen dielektrischen Durchbruch erhaltene Pore im Film vorhanden ist, wird ein Ionenstrom von 1 × 10^-10 A oder darüber erzeugt, der durch die Pore fließt, wenn 0,1 V angelegt wird. Daher kann durch die Untersuchung, ob der Stromwert 1 × 10^-10 A übersteigt, festgestellt werden, ob ein dielektrischer Durchbruch des Films aufgetreten ist. In 22 ist auch gezeigt, dass die Anzahl der 1 × 10^-10 A übersteigenden Dünnfilmvorrichtungen im Laufe der Zeit zugenommen hat, was zeigt, dass die dielektrische Durchbruchspannung durch das Ätzen mit H₂O allmählich abnimmt und die dielektrische Durchbruchspannung durch statische Elastizität oder Anlegen einer Spannung von 0,1 V hervorgerufen wird. Auch dieses Ergebnis bestätigt die Verringerung der dielektrischen Durchbruchspannung infolge der langzeitigen Lagerung in einer wässrigen Lösung.
23 zeigt beim Anlegen von 0,1 V nach der Lagerung von Dünnfilmvorrichtungen mit derselben Filmdicke in reinem Wasser bei 25 °C und einer 1 mol/l aufweisenden CaCl₂-Lösung bei 25 °C für zwei Wochen gemessene Stromwerte. Dabei wurde bei der Lagerung in reinem Wasser ein durch die Pore fließender Leckstrom beobachtet, es konnte jedoch bei der Lagerung in 1 mol/l CaCl₂ ein Leckstrom unterdrückt werden. Auch dieses Ergebnis bestätigt, dass die Lebensdauer durch die Verwendung von 1 mol/l CaCl₂ verlängert wird.
24 zeigt beim Anlegen von 0,1 V nach der Lagerung der Dünnfilmvorrichtungen mit der gleichen Dicke in reinem Wasser bei 25 °C und 4 °C über zwei Wochen gemessene Stromwerte. Dabei wurde bei der Lagerung bei 25 °C ein durch die Pore fließender Leckstrom beobachtet, es konnte jedoch bei einer Lagerung bei 4 °C ein Leckstrom unterdrückt werden. Durch dieses Ergebnis wurde bestätigt, dass die Lebensdauer durch Verringern der Temperatur während der Lagerung verlängert wird.
25 zeigt beim Anlegen von 0,1 V nach der Lagerung von Dünnfilmvorrichtungen mit der gleichen Dicke in reinem Wasser bei 25 °C und in organischen Lösungsmitteln (IPA und DMSO) bei 25 °C gemessene Stromwerte. Die Lagerungsdauer wurde unterschiedlich festgelegt und betrug für die Lagerung in reinem Wasser drei oder vier Tage und für die Lagerung im organischen Lösungsmittel zwei Monate. Dabei wurde bei der Lagerung in reinem Wasser ein durch die Pore fließender Leckstrom beobachtet, der Leckstrom bei der Lagerung im organischen Lösungsmittel konnte jedoch trotz der langen Lagerungsdauer unterdrückt werden. Dieses Ergebnis bestätigt, dass die Lebensdauer durch Verringern der H2O-Konzentration durch die Verwendung des organischen Lösungsmittels während der Lagerung verlängert wird.
Wenngleich die durch die Verwendung des Si enthaltenden Films (SiN-Films) erhaltenen experimentellen Ergebnisse vorstehend als Beispiel dargelegt wurden, ist das Ätzen mit H₂O natürlich nicht auf den Si enthaltenden Film beschränkt. Es wird davon ausgegangen, dass selbst dann, wenn das Filmmaterial Graphen oder dergleichen ist, das Graphen mit H₂O oxidiert wird, so dass es zu Graphenoxid wird und schließlich zu CO₂ und dergleichen zerlegt wird, so dass die vorliegende Technik angewendet werden kann.
Es sei bemerkt, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen einschließt. Beispielsweise wurden die vorstehenden Ausführungsformen detailliert beschrieben, um die vorliegende Erfindung leicht verständlich zu beschreiben, sie sind jedoch nicht notwendigerweise darauf beschränkt, dass sie die gesamte vorstehend beschriebene Konfiguration aufweisen. Ferner können einige Konfigurationen einer bestimmten Ausführungsform durch Konfigurationen einer anderen Ausführungsform ersetzt werden und kann ferner auch eine Konfiguration einer anderen Ausführungsform zu einer Konfiguration einer bestimmten Ausführungsform hinzugefügt werden. Ferner können einige Konfigurationen jeweiliger Ausführungsformen zu anderen Konfigurationen hinzugefügt werden, daraus entnommen werden oder diese ersetzen.
Bezugszeichenliste

1: Lösung
2: Nanopore
3: Dünnfilm
4: Tragstruktur
11: erster Tank
12: zweiter Tank
13: erste Elektrode
14: zweite Elektrode
15: Stromversorgungsvorrichtung
16: Strommessgerät
17: Steuer- und Messvorrichtung
31: Ein- und Auslassöffnungen
32: Dichtungsstruktur
41: Temperatureinstellmechanismus
51: Biopolymer

Claims

Vorrichtung zum Lagern einer Dünnfilmvorrichtung, welche Folgendes aufweist: eine Dünnfilmvorrichtung mit einem isolierenden Dünnfilm (3), der Si enthält und eine Dicke von höchstens 100 nm aufweist, eine Lösung (1), die in Kontakt mit dem Dünnfilm steht, und einen Behälter mit einem Tank (11, 12), der die Lösung einschließt, wobei die Lösung eine der folgenden Bedingungen (1) bis (3) erfüllt: (1) Sie enthält Wasser mit einem Volumenanteil von mindestens 0 % bis höchstens 30 %, (2) sie wird gekühlt und bei einer Temperatur gehalten, die gleich dem oder höher als der Verfestigungspunkt und niedriger 15 °C ist, und/oder (3) sie enthält Salz mit einer Konzentration von mindestens 1 mol/l und höchstens der Sättigungskonzentration und wird gekühlt und auf einer Temperatur gehalten, die gleich dem oder höher als der Verfestigungspunkt und niedriger als 25 °C ist.
Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung nach Anspruch 1, welche einen Behälter aufweist, der einen ersten Tank (11) und einen zweiten Tank (12) mit der dazwischen angeordneten Dünnfilmvorrichtung aufweist, wobei die in Kontakt mit dem Dünnfilm stehende Lösung (1) in den ersten Tank und den zweiten Tank eingeschlossen ist.
Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner einen Mechanismus (41) zum Einstellen der Temperatur der Lösung (1) aufweist.
Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lösung (1) eine der folgenden Bedingungen (4) bis (6) erfüllt: (4) Sie enthält Wasser mit einem Volumenanteil von mindestens 0 % bis höchstens 5 %, (5) sie wird gekühlt und bei einer Temperatur gehalten, die gleich dem oder höher als der Verfestigungspunkt und niedriger als 5 °C ist, und/oder (6) sie enthält Salz mit einer Konzentration von mindestens 1 mol/l und höchstens der Sättigungskonzentration und wird gekühlt und auf einer Temperatur gehalten, die gleich dem oder höher als der Verfestigungspunkt und niedriger als 15 °C ist.
Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung nach Anspruch 2, wobei eine erste Elektrode (13) und eine zweite Elektrode (14) im ersten Tank (11) bzw. im zweiten Tank (12) in Kontakt mit der Lösung (1) angeordnet sind und die erste Elektrode und die zweite Elektrode kurzgeschlossen sind.
Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Dünnfilm (3) eine Dicke von höchstens 10 nm aufweist.
Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Dünnfilm (3) eine Pore (2) mit einem Durchmesser von mindestens 0,1 nm bis höchstens 100 nm aufweist.
Vorrichtung zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der erste Tank (11) und der zweite Tank (12) eine Dichtungsstruktur (32) zum Verhindern einer Verflüchtigung der Lösung (1) aufweisen.
Verfahren zum Lagern einer Dünnfilmvorrichtung mit einem Si enthaltenden isolierenden Dünnfilm (3) mit einer Dicke von höchstens 100 nm, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: einen Schritt zum Hydrophilieren der Dünnfilmvorrichtung und einen Schritt zum Lagern der hydrophilierten Dünnfilmvorrichtung in Kontakt mit einer Lösung (1), die eine der folgenden Bedingungen (1) bis (3) erfüllt: (1) Sie enthält Wasser mit einem Volumenanteil von mindestens 0 % bis höchstens 30 %, (2) sie wird gekühlt und bei einer Temperatur gehalten, die gleich dem oder höher als der Verfestigungspunkt und niedriger als 15 °C ist, und/oder (3) sie enthält Salz mit einer Konzentration von mindestens 1 mol/l und höchstens der Sättigungskonzentration und wird gekühlt und auf einer Temperatur gehalten, die gleich dem oder höher als der Verfestigungspunkt und niedriger als 25 °C ist.
Verfahren zum Lagern der Dünnfilmvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Lösung (1) eine der folgenden Bedingungen (4) bis (6) erfüllt: (4) Sie enthält Wasser mit einem Volumenanteil von mindestens 0 % bis höchstens 5 %, (5) sie wird gekühlt und bei einer Temperatur gehalten, die gleich dem oder höher als der Verfestigungspunkt und niedriger als 5 °C ist, und/oder (6) sie enthält Salz mit einer Konzentration von mindestens 1 mol/l und höchstens der Sättigungskonzentration und wird gekühlt und auf einer Temperatur gehalten, die gleich dem oder höher als der Verfestigungspunkt und niedriger als 15 °C ist.
Verfahren zum Messen eines biologischen Moleküls, welches Folgendes aufweist: einen Schritt zum Lagern einer Dünnfilmvorrichtung mit einem isolierenden Dünnfilm (3), der Si enthält, keine Pore aufweist und eine Dicke von höchstens 100 nm aufweist und in Kontakt mit einer Lösung (1) steht, welche eine der folgenden Bedingungen (1) bis (3) erfüllt, einen Schritt zur Bildung einer Pore (2) im Dünnfilm durch Legen einer Spannung, die größer oder gleich der dielektrischen Durchbruchspannung des Dünnfilms ist, zwischen eine erste Elektrode (13) und eine zweite Elektrode (14), wobei die erste Elektrode in Kontakt mit der Lösung steht, die mit einer Oberfläche der Dünnfilmvorrichtung in Kontakt steht, und die zweite Elektrode in Kontakt mit der Lösung steht, die mit der anderen Oberfläche in Kontakt steht, einen Schritt zum Einbringen eines biologischen Moleküls in die Lösung, die in Kontakt mit der ersten Elektrode steht, oder in die Lösung, die in Kontakt mit der zweiten Elektrode steht, und einen Schritt zum Erzeugen einer Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode und zum Messen einer Änderung des Stromwerts während des Hindurchlaufens des biologischen Moleküls durch die Pore, um eine Eigenschaft des biologischen Moleküls zu untersuchen, wobei die Lösung folgende Bedingungen aufweist: (1) Sie enthält Wasser mit einem Volumenanteil von mindestens 0 % bis höchstens 30%, (2) sie wird gekühlt und bei einer Temperatur gehalten, die gleich dem oder höher als der Verfestigungspunkt und niedriger als 15 °C ist, und/oder (3) sie enthält Salz mit einer Konzentration von mindestens 1 mol/l und höchstens der Sättigungskonzentration und wird gekühlt und auf einer Temperatur gehalten, die gleich dem oder höher als der Verfestigungspunkt und niedriger als 25°C ist.
Verfahren zum Messen eines biologischen Moleküls nach Anspruch 11, wobei die Lösung (1) eine der folgenden Bedingungen (4) bis (6) erfüllt: (4) Sie enthält Wasser mit einem Volumenanteil von mindestens 0 % bis höchstens 5%, (5) sie wird gekühlt und bei einer Temperatur gehalten, die gleich dem oder höher als der Verfestigungspunkt und niedriger als 5°C ist, und/oder (6) sie enthält Salz mit einer Konzentration von mindestens 1 mol/l und höchstens der Sättigungskonzentration und wird gekühlt und auf einer Temperatur gehalten, die gleich dem oder höher als der Verfestigungspunkt und niedriger als 15°C ist.
Verfahren zum Messen eines biologischen Moleküls nach Anspruch 11, wobei die Lösung (1) die Bedingung (2) oder (3) erfüllt und die Pore (2) auch beim Schritt der Bildung der Pore im Dünnfilm (3) ohne Änderung einer Kühlbedingung der Lösung gebildet wird.
Verfahren zum Messen eines biologischen Moleküls nach Anspruch 11, welches ferner einen Schritt aufweist, bei dem die Lösung (1) durch eine Lösung (1) ersetzt wird, die ein Salz mit einer Konzentration von mindestens 100 mmol/l und höchstens der Sättigungskonzentration aufweist, bevor der Schritt der Bildung der Pore (2) im Dünnfilm (3) ausgeführt wird.
Verfahren zum Messen eines biologischen Moleküls nach Anspruch 11, wobei die Dicke des Dünnfilms (3) höchstens 10 nm beträgt.