JP2013090576A - Nucleic acid analyzing device and nucleic acid analyzer using the same - Google Patents

Nucleic acid analyzing device and nucleic acid analyzer using the same Download PDF

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猛 石田
Itaru Yanagi
至 柳
Osamu Ozawa
理 小澤
Reina Akabori
玲奈 赤堀
Takashi Anazawa
隆 穴沢
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nucleic acid analyzing device capable of highly accurately reading a base sequence of a nucleic acid with high discrimination ability in nucleic acid analysis by a tunnel current-type solid nanopore, and to provide a nucleic acid analyzer using the same.SOLUTION: The nucleic acid analyzing device for analyzing a nucleic acid in a sample by current measurement is characterized in that the discrimination ability to at least one among four bases constituting the nucleic acid by chemically modifying a nucleic acid base molecule or an organic compound or the like on an electrode surface of the tunnel current-type solid nanopore.

Description

本発明は、ナノサイズのポアが設けられた薄膜によりDNA、RNAなどの核酸の配列解析等を行うデバイス及び分析装置に関する。特にポアに化学修飾分子付電極を有するナノポアを用いた核酸分析デバイス及びそれを用いた分析装置に関する。   The present invention relates to a device and an analysis apparatus for performing sequence analysis of nucleic acids such as DNA and RNA using a thin film provided with nano-sized pores. In particular, the present invention relates to a nucleic acid analysis device using a nanopore having an electrode with a chemically modified molecule in the pore and an analysis apparatus using the same.

次々世代DNAシーケンサを実現するアプローチとしてナノポアを用いる方式が注目を集めている。DNAを標識することなく、換言すると酵素や蛍光色素などの試薬を用いずに解析できることがナノポア方式の大きな特長と考えられている。ナノポアはその形成法により大別して2種類に分類される。その一つはナノサイズの孔(以下「ナノポア」という)を形成するチャンネルタンパク質を2分子膜に埋設したいわゆるバイオナノポアであり、もう一つは半導体材料に微細加工を施してナノポアを形成するいわゆる固体ナノポアである。   A method using nanopores is attracting attention as an approach for realizing next-generation DNA sequencers. It is considered that the nanopore system has a great feature that analysis can be performed without labeling DNA, in other words, without using reagents such as enzymes and fluorescent dyes. Nanopores are roughly classified into two types according to the formation method. One is a so-called bio-nanopore in which a channel protein that forms nano-sized pores (hereinafter referred to as “nanopores”) is embedded in a bimolecular film, and the other is a so-called nanopore formed by subjecting a semiconductor material to microfabrication. Solid nanopore.

また、このようなナノポアを用いるDNAの解析法として、現在2種類の方法が提案されている。第1の手法は、封鎖電流方式である。すなわち、ナノポアが形成された薄膜の両側に液槽を設け、それぞれの液槽に電解質溶液と電極を設け、電極間に電圧をかけると、ナノポアを通してイオン電流が流れる。イオン電流の大きさは一次近似としてナノポアの断面積に比例する。DNAがナノポアを通過すると、DNAがナノポアを封鎖し、有効断面積が減少するため、イオン電流が減少する。この減少量を封鎖電流と呼ぶ。封鎖電流の大きさを元に、DNAの1本鎖と2本鎖との差異が識別できる。またバイオポアの一形態において、封鎖電流の大きさからDNAの塩基の種類が判別可能と報告されている(非特許文献1)。   In addition, two types of methods for analyzing DNA using such nanopores are currently proposed. The first method is a blocking current method. That is, when a liquid tank is provided on both sides of a thin film on which nanopores are formed, an electrolyte solution and an electrode are provided in each liquid tank, and a voltage is applied between the electrodes, an ionic current flows through the nanopore. The magnitude of the ion current is proportional to the cross-sectional area of the nanopore as a first order approximation. When DNA passes through the nanopore, the DNA blocks the nanopore and the effective cross-sectional area decreases, so that the ionic current decreases. This amount of decrease is called the blocking current. Based on the magnitude of the blocking current, the difference between the single strand and double strand of DNA can be identified. In one form of the biopore, it has been reported that the type of DNA base can be discriminated from the magnitude of the blocking current (Non-patent Document 1).

ただし、バイオポアに用いる2分子膜は有機低分子が弱い力で集合して形成される繊細な薄膜であり、機械的な安定性に課題があると考えられる。またチャンネルタンパク質が2分子膜へ組み込まれる工程が自然現象に依存するため、チャンネルの数の制御や再現性に課題がある。一方、固体ナノポアは薄膜として半導体基板などを用いるため、バイオポアより構造の安定性の点で有利と考えられる。またナノポアを機械的に形成するため、工業的な生産が可能という利点もある。また薄膜材料として半導体基板以外にもグラフェン(Graphene)を利用してそれに設けた固体ナノポアを通過する生体分子を分析する装置及び方法も報告されている(特許文献1)。しかし固体ナノポアにおいては、封鎖電流によるDNA鎖の4種類の塩基識別は報告されていない。   However, the bimolecular film used for the biopore is a delicate thin film formed by gathering small organic molecules with a weak force, and it is considered that there is a problem in mechanical stability. In addition, since the process of incorporating the channel protein into the bilayer membrane depends on natural phenomena, there is a problem in the control and reproducibility of the number of channels. On the other hand, since solid nanopores use a semiconductor substrate or the like as a thin film, it is considered advantageous in terms of structural stability over biopores. In addition, since nanopores are formed mechanically, there is an advantage that industrial production is possible. In addition to a semiconductor substrate as a thin film material, there has also been reported an apparatus and method for analyzing biomolecules passing through solid nanopores provided on graphene (Patent Document 1). However, in solid nanopores, four types of base identification of DNA strands by blocking current have not been reported.

第2の手法は、トンネル電流方式である。すなわち、ナノポアに面して電極対を対向して設け、電極間に電圧をかけることにより、ナノポアを通過するDNAと電極間のトンネル電流を測定し、トンネル電流の大きさからDNAを解析する方式が提案されている(特許文献2)。理論研究より、トンネル電流の大きさから統計的に塩基識別ができるという報告があるものの(非特許文献2)、実験的にDNA鎖の4種類の塩基を識別した報告はない。   The second method is a tunnel current method. That is, a method of measuring the tunnel current between the DNA passing through the nanopore and the electrode by applying a voltage between the electrodes facing the nanopore, and analyzing the DNA from the magnitude of the tunnel current Has been proposed (Patent Document 2). Although theoretical studies have reported that base identification can be made statistically based on the magnitude of the tunnel current (Non-Patent Document 2), there is no report that experimentally identified four types of bases in a DNA strand.

以上のように、次々世代DNAシーケンサとして、ナノポア方式が期待されており、工業的生産性の観点では半導体材料に微細加工を施して形成できる固体ナノポアが有望であるものの、封鎖電流方式およびトンネル電流方式の何れの方式においても4種の塩基識別は実現されていない。   As described above, the nanopore method is expected as the next-generation DNA sequencer, and from the viewpoint of industrial productivity, solid nanopores that can be formed by microfabrication of semiconductor materials are promising. In any of the methods, four types of base identification are not realized.

トンネル電流方式の関連技術として、走査プローブ顕微鏡を用い、プローブ先端と基板表面の両方に4−メルカプト安息香酸を修飾することによって複数種のDNAヌクレオシドに対する識別能が向上するとの報告がある(非特許文献3)。また、走査プローブ顕微鏡のプローブ先端に核酸塩基分子を修飾することにより相補的な核酸塩基に対する識別能が向上すると報告されている(非特許文献4)。DNAの場合、アデニン(以下、Aと表記)とチミン(以下、Tと表記)、シトシン(以下、Cと表記)とグアニン(以下、Gと表記)が相補的な核酸塩基となる。   As a related technique of the tunnel current method, there is a report that the discrimination ability for a plurality of kinds of DNA nucleosides is improved by modifying a 4-mercaptobenzoic acid on both the probe tip and the substrate surface using a scanning probe microscope (non-patent document). Reference 3). It has also been reported that the ability to discriminate complementary nucleobases is improved by modifying the nucleobase molecule at the probe tip of a scanning probe microscope (Non-patent Document 4). In the case of DNA, adenine (hereinafter referred to as A), thymine (hereinafter referred to as T), cytosine (hereinafter referred to as C), and guanine (hereinafter referred to as G) are complementary nucleobases.

国際公開WO2009/035647号International Publication No. WO2009 / 035647 米国特許US6627067号明細書US Patent US6627067

Clarke,J.et al.,Nat. Nanotech.(2009年)第4巻第265−270頁Clarke, J .; et al. Nat. Nanotech. (2009) Volume 4, pp. 265-270 Lagerqvist,J.et al., Nano Lett.(2006年)第6巻第779−782頁Lagerqvist, J.A. et al. Nano Lett. (2006) Volume 6 Pages 779-782 Chang,S.et al.,Nano Lett.(2010年)第10巻第1070−1075頁Chang, S. et al. Nano Lett. (2010) Volume 10 Pages 1070-1075 Ohshiro,T.et al.,PNAS (2006年)第103巻第10−14頁Ohshiro, T. et al. , PNAS (2006) Volume 103 Pages 10-14

固体ナノポアを用いて、トンネル電流方式により核酸塩基を解析する方法は、塩基識別を実現できる可能性は示唆されているものの(非特許文献2、非特許文献3)、従来の方法(特許文献2)では、塩基の識別能が低く、核酸の塩基配列を高精度に読み取ることが困難である。   Although it has been suggested that a method of analyzing a nucleic acid base by a tunnel current method using a solid nanopore can realize base discrimination (Non-patent Documents 2 and 3), a conventional method (Patent Document 2) ) Has a low base discrimination ability and it is difficult to read the base sequence of the nucleic acid with high accuracy.

そこで、本発明の課題は、固体ナノポアを用いたトンネル電流方式による核酸塩基の解析方法において、高い識別能で核酸の塩基配列を高精度に読み取ることが可能な核酸分析デバイス及びそれを用いた核酸分析装置を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a nucleic acid analysis device capable of reading a nucleic acid base sequence with high discrimination ability with high accuracy in a method for analyzing a nucleic acid base by a tunnel current method using solid nanopores, and a nucleic acid using the same. It is to provide an analysis device.

併せて、本解析方法により、酵素や蛍光色素などの試薬を用いずに解析できることから、低コストに解析でき、更に、試薬に制限されていた読出し塩基長が長くなるため、従来よりも高スループットな解析技術を提供することである。   At the same time, this analysis method allows analysis without using reagents such as enzymes and fluorescent dyes, enabling analysis at low cost, and further increases the readout base length that is limited to reagents, resulting in higher throughput than before. Is to provide a simple analysis technique.

上記課題を解決するために、本願発明の核酸分析デバイスの主な特徴は、以下の通りである。   In order to solve the above problems, the main features of the nucleic acid analysis device of the present invention are as follows.

(1)電流測定により試料中の核酸を分析する核酸分析デバイスであって、固体基板と、固体基板を貫通して設けられ試料が通過するナノポアと、固体基板に配置され、それぞれの一端面がナノポアに面して設けられた少なくとも2つの電極とを備え、少なくとも1つの電極のナノポアに面する一端面には、核酸を構成する4種の塩基のうち少なくとも1種に対する識別能を向上させるための化学修飾分子が付与され、ナノポアに試料を進入させながら、少なくとも2つの電極間に電圧を印加して進入した試料中の核酸を構成する塩基に電流を流すことにより、核酸の分析を行うことを特徴とする。   (1) A nucleic acid analysis device that analyzes nucleic acid in a sample by current measurement, and is disposed on the solid substrate, the nanopore that passes through the solid substrate and through which the sample passes, and is disposed on the solid substrate. In order to improve the discrimination ability for at least one of the four types of bases constituting the nucleic acid on one end surface of the at least one electrode facing the nanopore. The nucleic acid is analyzed by applying a voltage between at least two electrodes and passing a current through the base constituting the nucleic acid in the sample while the sample is applied to the nanopore while the sample is applied to the nanopore. It is characterized by.

また、本願発明の核酸分析装置の主な特徴は、以下の通りである。   The main features of the nucleic acid analyzer of the present invention are as follows.

(2)上記(1)に記載の核酸分析デバイスを有し、分析対象とする核酸を含有する試料溶液を導入する導入口と該試料溶液を排出する排出口を具備してなる第1の溶液槽と、溶液を導入する導入口と該溶液を排出する排出口を具備してなる第2の溶液槽と、第1の溶液槽と第2の溶液槽との間に配置された核酸分析デバイスを有するナノポアを通じて、核酸を第1の溶液槽から第2の溶液槽へ移動させる核酸駆動手段と、第1の溶液槽と第2の溶液槽との間に電圧を印加する第1電圧源と、ナノポアを介して第1の溶液槽と第2の溶液槽との間に流れる電流を検出する第1電流計と、核酸分析デバイスに設けられた電極間に電圧を印加する第2電圧源と、核酸分析デバイスに設けられた電極間に流れる電流を検出する第2電流計と、少なくとも核酸駆動手段を制御する制御手段と、少なくとも第1および第2電流計で検出されたデータを取得して処理するデータ処理手段とを備え、 前記第2電圧源を用いて、ナノポアに進入した試料溶液中の核酸を構成する塩基に電流を流し、第2電流計を用いてその電流を計測することにより試料溶液中の核酸を分析することを特徴とする。   (2) A first solution that has the nucleic acid analysis device according to (1) and includes an introduction port for introducing a sample solution containing a nucleic acid to be analyzed and a discharge port for discharging the sample solution. A nucleic acid analyzing device disposed between a first solution tank and a second solution tank; a second solution tank having a tank, an inlet for introducing the solution, and a discharge port for discharging the solution; A nucleic acid driving means for moving the nucleic acid from the first solution tank to the second solution tank through the nanopore, and a first voltage source for applying a voltage between the first solution tank and the second solution tank; A first ammeter for detecting a current flowing between the first solution tank and the second solution tank via the nanopore, and a second voltage source for applying a voltage between electrodes provided in the nucleic acid analysis device; A second ammeter for detecting the current flowing between the electrodes provided in the nucleic acid analysis device, and at least Also includes a control means for controlling the nucleic acid driving means, and a data processing means for acquiring and processing data detected by at least the first and second ammeters, and entered the nanopore using the second voltage source. The present invention is characterized in that a nucleic acid in a sample solution is analyzed by passing a current through a base constituting the nucleic acid in the sample solution and measuring the current using a second ammeter.

すなわち、本願発明の特徴は、トンネル電流方式固体ナノポアの電極表面に核酸塩基分子や有機化合物等を化学修飾することにより、特定または複数の核酸塩基に対する識別能を上げることにある。   That is, the present invention is characterized in that the ability to discriminate a specific or a plurality of nucleobases is improved by chemically modifying a nucleobase molecule, an organic compound, or the like on the electrode surface of the tunnel current type solid nanopore.

本発明により、固体ナノポアを用いたトンネル電流方式による核酸塩基の解析方法において、塩基識別能が高く、塩基配列を高精度に読み取ることが可能な核酸分析デバイス及びそれを用いた核酸分析装置を提供できる。   The present invention provides a nucleic acid analysis device having a high base discrimination ability and capable of reading a base sequence with high accuracy and a nucleic acid analysis apparatus using the same in a nucleobase analysis method by a tunnel current method using solid nanopores it can.

また、酵素や蛍光色素などの試薬を用いずに解析できることから、低コストに解析でき、更に、試薬に制限されていた読出し塩基長が長くなるため、従来よりも高スループットな解析技術を提供できる。   In addition, since analysis can be performed without using reagents such as enzymes and fluorescent dyes, analysis can be performed at low cost, and further, the readout base length limited by the reagents becomes longer, so that it is possible to provide analysis technology with higher throughput than before. .

第1の実施例に係わる、対向する2つの電極を有するトンネル電流方式固体ナノポアの構造の概略図である。It is the schematic of the structure of the tunnel current system solid nanopore which has two electrodes facing according to a 1st Example. 第1の実施例に係わる、対向する2つの電極を有するトンネル電流方式固体ナノポアの構造(化学修飾分子付与の場合)の概略図である。It is the schematic of the structure (in the case of chemical modification molecule | numerator provision) of the tunnel current system solid nanopore which has two electrodes which concern on the 1st Example. 第2の実施例に係わる、同一平面上に3〜6つの化学修飾分子付電極を有するトンネル電流方式固体ナノポアの構造の概略図である。It is the schematic of the structure of the tunnel current system solid nanopore which has 3-6 electrodes with a chemical modification molecule | numerator on the same plane concerning the 2nd Example. 第3の実施例に係わる、対向する2つの電極を有するトンネル電流方式固体ナノポアであって、1つの電極のみに化学修飾分子を付与した構造の概略図である。It is the tunnel current system solid nanopore which has two electrodes which concern on 3rd Example, and is the schematic of the structure which provided the chemical modification molecule | numerator only to one electrode. 第4の実施例に係わる、同一平面上に3つの電極を有するトンネル電流方式固体ナノポアであって、1つの電極を除いて化学修飾分子を付与した構造の概略図である。FIG. 6 is a schematic view of a structure according to a fourth embodiment, which is a tunnel current type solid nanopore having three electrodes on the same plane, to which chemically modified molecules are added except for one electrode. 第4の実施例に係わる、同一平面上に4つの電極を有するトンネル電流方式固体ナノポアであって、1つの電極を除いて化学修飾分子を付与した構造の概略図である。It is the schematic of the structure which is a tunnel current system solid nanopore which has four electrodes on the same plane concerning the 4th example, and gave the chemical modification molecule except for one electrode. 第4の実施例に係わる、同一平面上に5つの電極を有するトンネル電流方式固体ナノポアであって、1つの電極を除いて化学修飾分子を付与した構造の概略図である。It is the schematic of the structure which is a tunnel current system solid nanopore which has five electrodes on the same plane concerning the 4th example, and gave the chemical modification molecule except for one electrode. 第4の実施例に係わる、同一平面上に6つの電極を有するトンネル電流方式固体ナノポアであって、1つの電極を除いて化学修飾分子を付与した構造の概略図である。It is the schematic of the structure which is a tunnel current system solid nanopore which has six electrodes on the same plane concerning the 4th example, and gave the chemical modification molecule except for one electrode. 第5の実施例に係わる、8つの化学修飾分子付電極を有するトンネル電流方式固体ナノポアであって、同一平面状の電極数が2つ、電極の層を4層である構造の概略図である。FIG. 10 is a schematic diagram of a structure of a tunnel current type solid nanopore having eight electrodes with chemically modified molecules according to the fifth embodiment, in which the number of coplanar electrodes is two and the number of electrode layers is four. . 第6の実施例に係わる、化学修飾分子が開口より突き出た構造のトンネル電流方式固体ナノポアの製造方法の一例を説明する各工程断面図である。It is each process sectional drawing explaining an example of the manufacturing method of the tunnel current system solid nanopore of the structure which the chemical modification molecule | numerator protruded from the opening concerning the 6th Example. 第6の実施例に係わる、化学修飾分子が開口より突き出た構造のトンネル電流方式固体ナノポアの製造方法の一例を説明する各工程断面図である。It is each process sectional drawing explaining an example of the manufacturing method of the tunnel current system solid nanopore of the structure which the chemical modification molecule | numerator protruded from the opening concerning the 6th Example. 第6の実施例に係わる、化学修飾分子が開口より突き出た構造のトンネル電流方式固体ナノポアの製造方法の一例を説明する各工程断面図である。It is each process sectional drawing explaining an example of the manufacturing method of the tunnel current system solid nanopore of the structure which the chemical modification molecule | numerator protruded from the opening concerning the 6th Example. 第6の実施例に係わる、化学修飾分子が開口より突き出た構造のトンネル電流方式固体ナノポアの製造方法の一例を説明する各工程断面図である。It is each process sectional drawing explaining an example of the manufacturing method of the tunnel current system solid nanopore of the structure which the chemical modification molecule | numerator protruded from the opening concerning the 6th Example. 第6の実施例に係わる、化学修飾分子が開口より突き出た構造のトンネル電流方式固体ナノポアの製造方法の一例を説明する各工程断面図である。It is each process sectional drawing explaining an example of the manufacturing method of the tunnel current system solid nanopore of the structure which the chemical modification molecule | numerator protruded from the opening concerning the 6th Example. 第6の実施例に係わる、化学修飾分子が開口より突き出た構造のトンネル電流方式固体ナノポアの製造方法の一例を説明する各工程断面図である。It is each process sectional drawing explaining an example of the manufacturing method of the tunnel current system solid nanopore of the structure which the chemical modification molecule | numerator protruded from the opening concerning the 6th Example. 第6の実施例に係わる、化学修飾分子が開口より突き出た構造のトンネル電流方式固体ナノポアの製造方法の一例を説明する各工程断面図である。It is each process sectional drawing explaining an example of the manufacturing method of the tunnel current system solid nanopore of the structure which the chemical modification molecule | numerator protruded from the opening concerning the 6th Example. 第6の実施例に係わる、化学修飾分子が開口より突き出た構造のトンネル電流方式固体ナノポアの製造方法の一例を説明する各工程断面図である。It is each process sectional drawing explaining an example of the manufacturing method of the tunnel current system solid nanopore of the structure which the chemical modification molecule | numerator protruded from the opening concerning the 6th Example. 第6の実施例に係わる、化学修飾分子が開口より突き出た構造のトンネル電流方式固体ナノポアの製造方法の一例を説明する各工程断面図である。It is each process sectional drawing explaining an example of the manufacturing method of the tunnel current system solid nanopore of the structure which the chemical modification molecule | numerator protruded from the opening concerning the 6th Example. 第6の実施例に係わる、化学修飾分子が開口より突き出た構造のトンネル電流方式固体ナノポアの製造方法の一例を説明する各工程断面図である。It is each process sectional drawing explaining an example of the manufacturing method of the tunnel current system solid nanopore of the structure which the chemical modification molecule | numerator protruded from the opening concerning the 6th Example. 第7の実施例に係わる、化学修飾分子が開口より突き出ない構造のトンネル電流方式固体ナノポアの製造方法の一例を説明する各工程断面図である。It is each process sectional drawing explaining an example of the manufacturing method of the tunnel current system solid nanopore of the structure which the chemical modification molecule | numerator does not protrude from an opening concerning the 7th Example. 第7の実施例に係わる、化学修飾分子が開口より突き出ない構造のトンネル電流方式固体ナノポアの製造方法の一例を説明する各工程断面図である。It is each process sectional drawing explaining an example of the manufacturing method of the tunnel current system solid nanopore of the structure which the chemical modification molecule | numerator does not protrude from an opening concerning the 7th Example. 第7の実施例に係わる、化学修飾分子が開口より突き出ない構造のトンネル電流方式固体ナノポアの製造方法の一例を説明する各工程断面図である。It is each process sectional drawing explaining an example of the manufacturing method of the tunnel current system solid nanopore of the structure which the chemical modification molecule | numerator does not protrude from an opening concerning the 7th Example. 第7の実施例に係わる、化学修飾分子が開口より突き出ない構造のトンネル電流方式固体ナノポアの製造方法の一例を説明する各工程断面図である。It is each process sectional drawing explaining an example of the manufacturing method of the tunnel current system solid nanopore of the structure which the chemical modification molecule | numerator does not protrude from an opening concerning the 7th Example. 第7の実施例に係わる、化学修飾分子が開口より突き出ない構造のトンネル電流方式固体ナノポアの製造方法の一例を説明する各工程断面図である。It is each process sectional drawing explaining an example of the manufacturing method of the tunnel current system solid nanopore of the structure which the chemical modification molecule | numerator does not protrude from an opening concerning the 7th Example. 第7の実施例に係わる、化学修飾分子が開口より突き出ない構造のトンネル電流方式固体ナノポアの製造方法の一例を説明する各工程断面図である。It is each process sectional drawing explaining an example of the manufacturing method of the tunnel current system solid nanopore of the structure which the chemical modification molecule | numerator does not protrude from an opening concerning the 7th Example. 第7の実施例に係わる、化学修飾分子が開口より突き出ない構造のトンネル電流方式固体ナノポアの製造方法の一例を説明する各工程断面図である。It is each process sectional drawing explaining an example of the manufacturing method of the tunnel current system solid nanopore of the structure which the chemical modification molecule | numerator does not protrude from an opening concerning the 7th Example. 第7の実施例に係わる、化学修飾分子が開口より突き出ない構造のトンネル電流方式固体ナノポアの製造方法の一例を説明する各工程断面図である。It is each process sectional drawing explaining an example of the manufacturing method of the tunnel current system solid nanopore of the structure which the chemical modification molecule | numerator does not protrude from an opening concerning the 7th Example. 第7の実施例に係わる、化学修飾分子が開口より突き出ない構造のトンネル電流方式固体ナノポアの製造方法の一例を説明する各工程断面図である。It is each process sectional drawing explaining an example of the manufacturing method of the tunnel current system solid nanopore of the structure which the chemical modification molecule | numerator does not protrude from an opening concerning the 7th Example. 第7の実施例に係わる、化学修飾分子が開口より突き出ない構造のトンネル電流方式固体ナノポアの製造方法の一例を説明する各工程断面図である。It is each process sectional drawing explaining an example of the manufacturing method of the tunnel current system solid nanopore of the structure which the chemical modification molecule | numerator does not protrude from an opening concerning the 7th Example. 第7の実施例に係わる、化学修飾分子が開口より突き出ない構造のトンネル電流方式固体ナノポアの製造方法の一例を説明する各工程断面図である。It is each process sectional drawing explaining an example of the manufacturing method of the tunnel current system solid nanopore of the structure which the chemical modification molecule | numerator does not protrude from an opening concerning the 7th Example. 第8の実施例に係わる、2つの電極を有するトンネル電流方式固体ナノポアによる核酸分析デバイスを用いた核酸分析装置の一構成の概略図である。It is the schematic of one structure of the nucleic acid analysis apparatus using the nucleic acid analysis device by the tunnel current system solid nanopore which has two electrodes concerning an 8th Example. 第8の実施例に係わる、DNA鎖がナノポアを通過時に計測されるトンネル電流値の時間変化のグラフである。It is a graph of the time change of the tunnel current value measured when a DNA strand passes a nanopore concerning the 8th example. 第9の実施例に係わる、4つの電極対を有するトンネル電流方式固体ナノポアによる核酸分析デバイスを用いた核酸分析装置の一構成の概略図である。It is the schematic of one structure of the nucleic acid analyzer which used the nucleic acid analysis device by the tunnel current system solid nanopore which has four electrode pairs concerning a 9th Example. 第9の実施例に係わる、DNA鎖が4つの電極対を有するナノポアを通過時に計測される4つのトンネル電流値の時間変化のグラフである。It is a graph of the time change of four tunnel electric current values measured when a DNA strand passes through the nanopore which has four electrode pairs concerning a 9th Example. 第10の実施例に係わる、5つの電極を有するトンネル電流方式固体ナノポアによる核酸分析デバイスにおいて、電極の1つを共通電極とし、4つの電極対を構成した一例を説明する概略図である。It is the schematic explaining the example which comprised one electrode as a common electrode and comprised four electrode pairs in the nucleic acid analysis device by the tunnel current system solid nanopore which has five electrodes concerning a 10th Example.

まず、以下に実施の形態を述べる。
本発明はトンネル電流方式固体ナノポアを用いて核酸塩基を解析するためのデバイス及びそのデバイスを用いた装置に関する。従って、本発明に係る核酸分析デバイスは、固体基板と、前記固体基板に設けられた少なくとも1つのポアと、前記個体基板に配置された少なくとも2つの電極を備える。
First, embodiments will be described below.
The present invention relates to a device for analyzing a nucleobase using a tunneling current solid nanopore and an apparatus using the device. Therefore, the nucleic acid analysis device according to the present invention includes a solid substrate, at least one pore provided on the solid substrate, and at least two electrodes disposed on the solid substrate.

固体基板は、電気的絶縁体の材料、例えば無機材料及び有機材料(高分子材料含む)から形成することができる。電気的絶縁体材料の例としては、シリコン、ガラス、石英、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリスチレン、ポリプロピレンが挙げられる。固体基板のサイズ及び厚さは、ナノポアを設けることができるものであれば特に限定されるものではない。固体基板は、当技術分野で公知の方法で作製することができ、あるいは市販品として入手することも可能である。例えば、固体基板は、リソグラフィ及びエッチング、レーザーアブレーション、射出成形、鋳造、分子線エピタキシー、蒸着、化学気相成長(CVD)、電子ビーム若しくは収束イオンビームなどの技術を用いて作製することができる。固体基板は、表面への他の分子の吸着を避けるために、コーティングされていても良い。   The solid substrate can be formed of an electrical insulator material, for example, an inorganic material and an organic material (including a polymer material). Examples of the electrical insulator material include silicon, glass, quartz, polydimethylsiloxane (PDMS), polytetrafluoroethylene (PTFE), polystyrene, and polypropylene. The size and thickness of the solid substrate are not particularly limited as long as nanopores can be provided. The solid substrate can be produced by a method known in the art, or can be obtained as a commercial product. For example, the solid substrate can be fabricated using techniques such as lithography and etching, laser ablation, injection molding, casting, molecular beam epitaxy, vapor deposition, chemical vapor deposition (CVD), electron beam or focused ion beam. The solid substrate may be coated to avoid adsorption of other molecules to the surface.

固体基板は、ナノポアを設けるための薄膜部分を有することが好ましい。即ち、ナノポアを形成するのに適した材料及び厚さの薄膜部分を固体基板に設けることによって、ナノポアを簡便かつ効率的に固体基板上に形成することができる。そのような薄膜部分は、固体基板と同じ材料であっても良いし、或いは別の電気的絶縁体材料から形成されても良い。ナノポア形成の点から、薄膜部分の材料は、例えばシリコン、酸化シリコン(SiO)、窒化シリコン(SiN)、酸窒化シリコン(SiON)、金属酸化物、金属ケイ酸塩などが好ましい。また薄膜部分は、単層であっても複層であっても良く、複層である場合には、後述する電極が薄膜部分の層に挟まれて配置されても良い。固体基板の薄膜部分の厚さは、5nm〜200nm、好ましくは5nm〜100nm、より好ましくは5nm〜50nmである。薄膜部分は、当技術分野で公知の技術により、例えば減圧化学気相成長(LPCVD)により、固体基板上に形成することができる。 The solid substrate preferably has a thin film portion for providing nanopores. That is, a nanopore can be easily and efficiently formed on a solid substrate by providing a thin film portion having a material and thickness suitable for forming the nanopore on the solid substrate. Such a thin film portion may be the same material as the solid substrate or may be formed from another electrical insulator material. From the viewpoint of nanopore formation, the material of the thin film portion is preferably silicon, silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN), silicon oxynitride (SiON), metal oxide, metal silicate, or the like. Further, the thin film portion may be a single layer or multiple layers. In the case of multiple layers, an electrode described later may be disposed between the layers of the thin film portion. The thickness of the thin film portion of the solid substrate is 5 nm to 200 nm, preferably 5 nm to 100 nm, more preferably 5 nm to 50 nm. The thin film portion can be formed on the solid substrate by techniques known in the art, for example, by low pressure chemical vapor deposition (LPCVD).

固体基板には、少なくとも1つのナノポアが設けられる。本発明において「ナノポア」とは、ナノメートル(nm)サイズの孔であり、固体基板、好ましくは固体基板の薄膜部分の表裏を貫通する孔である。   The solid substrate is provided with at least one nanopore. In the present invention, the “nanopore” is a nanometer (nm) size hole, and is a hole penetrating the front and back of the thin film portion of the solid substrate, preferably the solid substrate.

また、本発明において「開口」とは、ナノポア形成のために個体基板、または固体基板薄膜部分に開けられた貫通孔であって、当該孔の基板表面側および裏面側に表出している部分を指すものとする。上記開口の形状は、ナノポアが有する側壁と個体基板もしくは固体基板薄膜部分の表面、あるいは裏面とが交差して形成される輪郭形状をなすものとする。
核酸の特性解析時に、試料溶液中の核酸塩基やイオンなどは一方の開口からナノポアに進入し、同じ又は反対側の開口からナノポア外に出る。
Further, in the present invention, the “opening” is a through-hole opened in the solid substrate or the solid substrate thin film portion for forming the nanopore, and the portions exposed to the substrate surface side and the back surface side of the hole Shall point to. The shape of the opening has a contour shape formed by intersecting the side wall of the nanopore with the front surface or the back surface of the solid substrate or the solid substrate thin film portion.
During nucleic acid characterization, nucleobases, ions, etc. in the sample solution enter the nanopore from one opening and exit the nanopore from the same or opposite opening.

ナノポアのサイズ(即ち、開口のサイズである。ただし、後述するように化学修飾分子を有する電極を用いた場合には、実効ナノポアのサイズとは異なる場合がある。)は、解析対象の種類によって適切なサイズを選択することができる。ssDNA(1本鎖DNA)の直径は約1.5nmであり、ssDNAを解析するためのナノポア径の適切な範囲は1.5nm〜10nm程度、好ましくは1.5nm〜2.5nm程度である。dsDNA(2本鎖DNA)の直径は2.6nmであり、dsDNAを解析するためのナノポアの径の適切な範囲は3nm〜10nm程度、好ましくは3nm〜5nm程度である。ナノポアの深さは、固体基板又は固体基板の薄膜部分の厚さを調整することにより変えることができる。   The size of the nanopore (that is, the size of the opening. However, when an electrode having a chemically modified molecule is used as described later, the size of the effective nanopore may be different) depends on the type of analysis target. An appropriate size can be selected. The diameter of ssDNA (single-stranded DNA) is about 1.5 nm, and an appropriate range of the nanopore diameter for analyzing ssDNA is about 1.5 nm to 10 nm, preferably about 1.5 nm to 2.5 nm. The diameter of dsDNA (double-stranded DNA) is 2.6 nm, and an appropriate range of the diameter of the nanopore for analyzing dsDNA is about 3 nm to 10 nm, preferably about 3 nm to 5 nm. The depth of the nanopore can be changed by adjusting the thickness of the solid substrate or the thin film portion of the solid substrate.

ナノポアの深さは、核酸塩基を構成するモノマー単位の2倍以上、好ましくは3倍以上、より好ましくは5倍以上の大きさとする。例えば、核酸塩基3個以上の大きさとした場合は、約1nm以上となる。これにより、核酸塩基の形状と移動速度を制御しながらナノポアに進入させることができ、高感度及び高精度な解析が可能となる。   The depth of the nanopore is 2 times or more, preferably 3 times or more, more preferably 5 times or more the monomer unit constituting the nucleobase. For example, when the size is 3 or more nucleobases, the size is about 1 nm or more. Thereby, it is possible to enter the nanopore while controlling the shape and moving speed of the nucleobase, and it is possible to perform highly sensitive and highly accurate analysis.

またナノポアの形状は、基本的には円形であるが、楕円形や多角形とすることも可能である。   The shape of the nanopore is basically a circle, but it may be an ellipse or a polygon.

ナノポアは、固体基板に少なくとも1つ設けることができ、複数のナノポアを設ける場合には、規則的に配列することが好ましい。ナノポアは、当技術分野での公知の方法により、例えば電子ビームやイオンビームを照射することにより、リソグラフィ技術などを使用することにより、固体基板に形成することができる。   At least one nanopore can be provided on the solid substrate, and when a plurality of nanopores are provided, it is preferable to arrange them regularly. Nanopores can be formed on a solid substrate by a known method in the art, for example, by irradiating an electron beam or an ion beam and using a lithography technique.

固体基板には、少なくとも2つの電極が配置される。材料としては、例えば金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、銅、鉄、アルミ、チタン、ニッケル、タンタル、タングステン、コバルト、クロム、モリブデン、ニオブなどの金属や、窒化チタン、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化ニオブ、窒化クロムなどの金属窒化物やタングステンシリサイド、チタンシリサイド、コバルトシリサイド、ニッケルシリサイドなどのシリサイドや、グラファイトやグラフェン、カーボンナノチューブなどのカーボン材料、シリコンやゲルマニウムなどの半導体、上記の混合物などが挙げられる。   At least two electrodes are disposed on the solid substrate. Examples of materials include gold, silver, platinum, palladium, rhodium, ruthenium, copper, iron, aluminum, titanium, nickel, tantalum, tungsten, cobalt, chromium, molybdenum, and niobium, and titanium nitride, tantalum nitride, and nitride. Metal nitrides such as tungsten, niobium nitride and chromium nitride, silicides such as tungsten silicide, titanium silicide, cobalt silicide and nickel silicide, carbon materials such as graphite, graphene and carbon nanotubes, semiconductors such as silicon and germanium, and mixtures of the above Etc.

電極はナノポアに面して設けられており、鋭角の端部を有して、端部をナノポアに面することが望ましい。その端部の角度は10〜80度、好ましくは10〜45度とする。なお、電極端部の頂点部分は厳密な意味での点でなくともよく、好ましくは1.5nm〜5nm以下、より好ましくは1.5nm〜2.5nm程度の曲率半径を有する丸みを帯びた形状であってもよい。鋭角の端部以外の電極の形状や大きさは、特に制限されるものでなく、使用する固体基板及びナノポアの大きさ、使用する電源などに応じて適宜選択することができる。   It is desirable that the electrode is provided facing the nanopore, has an acute-angle end, and the end faces the nanopore. The angle of the end is 10 to 80 degrees, preferably 10 to 45 degrees. Note that the apex portion of the electrode end portion is not necessarily a point in a strict sense, and is preferably a rounded shape having a radius of curvature of about 1.5 nm to 5 nm or less, more preferably about 1.5 nm to 2.5 nm. It may be. The shape and size of the electrodes other than the acute-angle end portions are not particularly limited, and can be appropriately selected according to the size of the solid substrate and nanopore used, the power source used, and the like.

鋭角の端部の電極の厚さは、採用する材料に応じて、0.1nm〜10nm、好ましくは0.1nm〜5nmとする。より好ましくは0.1nm〜2nmとする。鋭角の端部の電極の厚さが小さいほど、トンネル電流の伝導する空間を限定することができ、高分解能での解析が可能となる。鋭角の端部以外の電極の厚さは、特に制限されるものでなく、電極材料の抵抗率などに応じて適宜選択することができる。   The thickness of the electrode at the end of the acute angle is 0.1 nm to 10 nm, preferably 0.1 nm to 5 nm, depending on the material used. More preferably, the thickness is 0.1 nm to 2 nm. The smaller the thickness of the electrode at the edge of the acute angle, the more the space through which the tunnel current is conducted can be limited, and the analysis with high resolution becomes possible. The thickness of the electrode other than the acute-angle end is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the resistivity of the electrode material.

電極は、その端部がナノポアに面して配置されていることが好ましい。より具体的には、電極をナノポア中心軸に対して直交する面内に、かつ薄膜の端部をナノポアに面して配置する。電極の端部はナノポアに面して設けられている限り、固体基板や薄膜部分の表面上に配置されてもよいし、あるいは固体基板や薄膜部分の内部に配置されてもよい。例えば、固体基板や薄膜部分を電気的絶縁体とし、その内部に電極を配置し、断面を絶縁体−電極−絶縁体の積層構造としてもよいし、更に絶縁体−電極−絶縁体−・・・−電極−絶縁体−と電極の層を複数積層した構造としてもよい。   It is preferable that the end part of the electrode is arranged facing the nanopore. More specifically, the electrode is disposed in a plane orthogonal to the nanopore central axis and the end of the thin film faces the nanopore. The end of the electrode may be disposed on the surface of the solid substrate or the thin film portion, or may be disposed inside the solid substrate or the thin film portion as long as it is provided facing the nanopore. For example, a solid substrate or a thin film portion may be an electrical insulator, an electrode may be disposed therein, and a cross section may be a laminated structure of an insulator-electrode-insulator, or an insulator-electrode-insulator- -It is good also as a structure which laminated | stacked the layer of-electrode-insulator-and an electrode.

電極は1つのナノポアに対して2つ以上が配置されており、電極数が多いほど核酸塩基に対する識別能が向上する。配置された2つ以上の電極のうち、少なくとも1つには化学修飾分子を付与する。化学修飾分子を付与する電極を複数とする場合は、全て同じ化学修飾分子としても良いし、全て異なる化学修飾分子としても良い。所望の感度が得られるよう、化学修飾分子付電極の数と化学修飾分子の種類の数を適宜決定する。   Two or more electrodes are arranged for one nanopore, and the greater the number of electrodes, the better the discrimination ability against nucleobases. At least one of the two or more electrodes arranged is provided with a chemically modified molecule. When a plurality of electrodes to which chemically modified molecules are applied are used, all of them may be the same chemically modified molecule, or all may be different chemically modified molecules. The number of chemically modified molecule-attached electrodes and the number of types of chemically modified molecules are appropriately determined so as to obtain desired sensitivity.

電極は、当技術分野で公知の方法により作製し、固体基板や薄膜部分の表面や内部に配置することができる。例えば、薄膜部分内部にチタン電極を配置する場合は、薄膜上に所望の厚さのチタンをスパッタリングにより堆積させた後、リソグラフィとドライエッチングによりチタン膜を所望の形状にパターニングし、その上から薄膜材料を堆積することにより実現できる。   The electrode can be produced by a method known in the art, and can be disposed on the surface or inside of a solid substrate or a thin film portion. For example, when a titanium electrode is disposed inside a thin film portion, a titanium film having a desired thickness is deposited on the thin film by sputtering, and then the titanium film is patterned into a desired shape by lithography and dry etching. This can be achieved by depositing material.

電極端部には化学修飾分子を付与し、特定または複数の核酸塩基に対する識別能を上げる。化学修飾分子の厚さは2nm以下、好ましくは1nm以下、より好ましくは0.5nm以下とする。例えば、Aに対する識別能を上げるためにはTを修飾した電極を用い、Cに対してはGを修飾した電極を用い、Tに対してはAを修飾した電極を用い、Gに対してはCを修飾した電極を用い、ウラシルに対してはAを修飾した電極を用いる。核酸分子以外の化学修飾分子としては、例えば4−メルカプト安息香酸のような有機化合物を用いても良い。電極への核酸分子や有機化合物の化学修飾分子は、電極材料と核酸分子や有機化合物の電気的性質や化学的性質を利用して行う。例えば、核酸塩基のチオール誘導体を用いることで、金電極に核酸分子の化学修飾を行うことができる。有機化合物の化学修飾は自己組織化単分子膜の形成プロセスにより行うことが望ましい。複数の電極に対して、異なる化学修飾分子を付与する場合は、電極への電圧印加や表面状態の違い等によって化学修飾される電極の選択性を変えたり、不要な化学修飾分子の付与された電極に電流を流して不要な化学修飾分子を除去したりするなどして行う。   Chemically modified molecules are added to the electrode ends to enhance the discrimination ability for a specific or multiple nucleobases. The thickness of the chemically modified molecule is 2 nm or less, preferably 1 nm or less, more preferably 0.5 nm or less. For example, an electrode modified with T is used to improve discrimination ability for A, an electrode modified with G is used for C, an electrode modified with A is used for T, and An electrode modified with C is used, and an electrode modified with A is used for uracil. As the chemically modified molecule other than the nucleic acid molecule, for example, an organic compound such as 4-mercaptobenzoic acid may be used. Chemical modification molecules of nucleic acid molecules and organic compounds to the electrodes are performed using the electrical properties and chemical properties of the electrode material and the nucleic acid molecules and organic compounds. For example, by using a thiol derivative of a nucleobase, a nucleic acid molecule can be chemically modified on a gold electrode. The chemical modification of the organic compound is desirably performed by a process for forming a self-assembled monolayer. When applying different chemically modified molecules to multiple electrodes, the selectivity of the electrode to be chemically modified is changed by applying a voltage to the electrode, the difference in surface condition, etc., or unnecessary chemical modifying molecules are added. This is done by passing an electric current through the electrode to remove unnecessary chemically modified molecules.

従来構造のトンネル電流方式固体ナノポアの電極端部に化学修飾分子を付与した場合、実効的な電極間距離と実効的なナノポアの径および実効的なナノポアの面積が減少し、DNAが通過できなくなる恐れがある。詳細は実施例1にも示すが、例えば、2つの対向した電極を有する、ナノポア径と電極間距離とが2nmと等しい1本鎖解析向け円形ナノポアの1つの電極先端に1nm厚の化学修飾分子を付与した場合、化学修飾部先端と対向する化学修飾分子の無い電極先端との間の距離は1nmとなるため、1本鎖DNAが通過できない可能性が高い。また、通過できたとしても、電極間からずれた位置を通過した場合は感度が低下するため好ましくない。   When chemically modified molecules are applied to the electrode ends of a conventional tunneling current type solid nanopore, the effective inter-electrode distance, effective nanopore diameter and effective nanopore area decrease, and DNA cannot pass through. There is a fear. Although details are also shown in Example 1, for example, a chemically modified molecule having a thickness of 1 nm at the tip of one electrode of a circular nanopore for single-stranded analysis having two opposite electrodes and a nanopore diameter and an interelectrode distance equal to 2 nm Is given, the distance between the tip of the chemically modified portion and the tip of the electrode that does not have a chemically modified molecule is 1 nm, so there is a high possibility that single-stranded DNA cannot pass through. Moreover, even if it can pass, if it passes the position shifted from between electrodes, a sensitivity will fall, and it is unpreferable.

そこで、化学修飾後の実効的なナノポアの大きさが解析対象の種類に応じて適切なサイズとなるように化学修飾前のナノポアの大きさや形状、電極間距離、薄膜部分や電極の構造を調整する。具体的には、例えば、化学修飾分子の厚み分ナノポア径と電極間距離を大きくしておくことが挙げられる。従来構造のトンネル電流方式固体ナノポアの場合、電極先端と開口の縁はほぼ一致しているため、電極先端の化学修飾分子は、その厚さ分だけ開口の縁から突き出すことになる。化学修飾部の機械的、化学的強度が低い場合、ナノポアに入ってくる試料や試料溶液が化学修飾部に衝突することによって機能の劣化や化学修飾分子の剥離が起こる可能性がある。これを避ける手段としては、例えば、ナノポア径は解析対象の種類に応じた適切なサイズとしておき、電極先端と開口の縁との間に化学修飾分子を付与できるように電極のみを化学修飾分子の厚さ分後退させることが挙げられる。   Therefore, the size and shape of nanopores before chemical modification, the distance between electrodes, the thin film portion and the electrode structure are adjusted so that the effective nanopore size after chemical modification is appropriate for the type of analysis target. To do. Specifically, for example, the diameter of the nanopore and the distance between the electrodes are increased by the thickness of the chemically modified molecule. In the case of a tunneling current type solid nanopore having a conventional structure, the edge of the electrode and the edge of the opening substantially coincide with each other, so that the chemically modified molecules at the edge of the electrode protrude from the edge of the opening by the thickness. When the mechanical and chemical strength of the chemically modified part is low, there is a possibility that deterioration of the function or peeling of the chemically modified molecules may occur due to the sample or sample solution entering the nanopore colliding with the chemically modified part. As a means for avoiding this, for example, the nanopore diameter is set to an appropriate size according to the type of analysis target, and only the electrode is attached to the chemically modified molecule so that the chemically modified molecule can be provided between the electrode tip and the edge of the opening. It is possible to recede by the thickness.

本発明の分析装置は、核酸の移動速度を制御する機構、即ち試料移動機構を備えることが好ましい。試料移動機構は、例えば電極間の電流計測に同期して、核酸の中のモノマーを1単位ずつ、分析デバイスのナノポア中に進入させる。そのような機構としては、例えば電気泳動により核酸を駆動する試料駆動装置(任意関数発生器、電極等)を使用することができる。このような試料移動機構によって、核酸中のモノマーが順次ナノポアに進入し、離脱するように核酸の移動を制御することができ、ここのモノマーに対応するトンネル電流を経時的に取得することができる。   The analyzer of the present invention preferably includes a mechanism for controlling the moving speed of the nucleic acid, that is, a sample moving mechanism. The sample moving mechanism, for example, allows the monomer in the nucleic acid to enter the nanopore of the analytical device one unit at a time in synchronization with the measurement of the current between the electrodes. As such a mechanism, for example, a sample driving device (arbitrary function generator, electrode, etc.) that drives a nucleic acid by electrophoresis can be used. By such a sample movement mechanism, the movement of the nucleic acid can be controlled so that the monomers in the nucleic acid sequentially enter and leave the nanopore, and the tunnel current corresponding to the monomer can be acquired over time. .

また、核酸の移動速度を制御する方法として、核酸を含む試料溶液の粘性を高める方法がある。例えば分析デバイス周囲の温度を制御して、試料溶液の温度を低下させ、試料溶液の粘性を高くすることによって、核酸のブラウン運動が抑えられる。あるいは、試料溶液に測定対象以外の生体ポリマーを添加することにより、試料溶液の粘性を高くできると同時に、核酸の立体構造を直鎖状にすることができるため、核酸の形状と移動速度を制御することが可能となる。その際、測定対象以外の生体ポリマーとしては、好ましくはナノポアの内径よりも大きいサイズのポリマー、より好ましくは3次元的にクロスリンクされたポリマーを用いることにより、測定対象以外の生体ポリマーはナノポアに進入することができず、測定対象でない生体ポリマーによるトンネル電流変化を排除することが可能となる。   As a method for controlling the moving speed of nucleic acid, there is a method for increasing the viscosity of a sample solution containing nucleic acid. For example, by controlling the temperature around the analysis device to lower the temperature of the sample solution and increase the viscosity of the sample solution, the Brownian motion of the nucleic acid can be suppressed. Alternatively, by adding a biopolymer other than the target to be measured to the sample solution, the viscosity of the sample solution can be increased, and at the same time the three-dimensional structure of the nucleic acid can be made linear. It becomes possible to do. At this time, as the biopolymer other than the measurement target, preferably a polymer having a size larger than the inner diameter of the nanopore, more preferably a three-dimensionally cross-linked polymer is used, so that the biopolymer other than the measurement target is converted into the nanopore. It is possible to eliminate a tunnel current change caused by a biopolymer that cannot enter and is not a measurement target.

核酸の移動速度を制御する別の方法は、本発明の分析デバイスの上部及び下部に存在するそれぞれの試料溶液に圧力差を印加する方法である。例えば、核酸が電気泳動によってナノポアを通過しようとする力と反対向きの力を核酸に印加することにより、核酸がナノポアを通過する速度を低下させることができる。   Another method for controlling the moving speed of the nucleic acid is a method of applying a pressure difference to each sample solution existing at the upper part and the lower part of the analytical device of the present invention. For example, the speed at which a nucleic acid passes through the nanopore can be reduced by applying a force to the nucleic acid opposite to the force with which the nucleic acid tries to pass through the nanopore by electrophoresis.

核酸の形状及び/又は移動速度を制御しながら分析デバイスのナノポアに進入させることにより、核酸の主軸とナノポアの中心軸とは概ね一致する。試料移動機構により核酸を駆動することにより、核酸はナノポアを通過し、核酸を構成するモノマーは順次、ナノポア側壁に形成された電極間を通過する。すなわち核酸の主軸方向に沿って配列するモノマーが順次電極間を通過し、その際電極間のトンネル電流が変化する。この変化量がモノマーの種類によって異なるため、トンネル電流を計測することにより、モノマーの識別を順次行うことができる。   By entering the nanopore of the analytical device while controlling the shape and / or moving speed of the nucleic acid, the main axis of the nucleic acid and the central axis of the nanopore are substantially coincident. By driving the nucleic acid by the sample moving mechanism, the nucleic acid passes through the nanopore, and the monomer constituting the nucleic acid sequentially passes between the electrodes formed on the nanopore sidewall. That is, the monomers arranged along the main axis direction of the nucleic acid sequentially pass between the electrodes, and the tunnel current between the electrodes changes at that time. Since the amount of change varies depending on the type of monomer, the monomer can be identified sequentially by measuring the tunnel current.

本発明においては、上述した本発明の核酸分析デバイス及びそれを用いた核酸分析装置を用いて、核酸の特性解析を行うことができる。本発明において、「核酸」とは、単位構造の低分子(単量体、モノマー)が複数連結した多量体(オリゴマー)や高分子(ポリマー)のうち、生体に存在するもの及び生体に存在するものから誘導されるものを意味する。具体的には、一本鎖DNA(ssDNA)及び二本鎖DNA(dsDNA)、一本鎖RNA(ssRNA)及び二本鎖RNA(dsRNA)、DNAとRNAとからなるハイブリッド核酸などが含まれる。なお、核酸には、自然には存在しない配列や構成要素が含まれるポリマーが含まれ、例えば、poly(A)、poly(T)、poly(G)、poly(C)などの配列又は任意の配列を有する人為的に合成されたポリマー分子も含まれる。また、核酸には、当技術分野で公知の核酸増幅技術(例えば、ポリメラーゼ連鎖反応)によって調整された核酸や、ベクターにクローニングされている核酸も含まれる。これらの核酸を含む試料の調整方法は、当技術分野で周知であり、当業者であれば、核酸の種類に応じて適宜調整方法を選択することができる。   In the present invention, nucleic acid characteristics can be analyzed using the above-described nucleic acid analysis device of the present invention and a nucleic acid analysis apparatus using the same. In the present invention, the term “nucleic acid” refers to a multimer (oligomer) or polymer (polymer) in which a plurality of small molecules (monomer, monomer) having a unit structure are linked, and a living body and a living body. It means something derived from something. Specifically, single-stranded DNA (ssDNA) and double-stranded DNA (dsDNA), single-stranded RNA (ssRNA) and double-stranded RNA (dsRNA), hybrid nucleic acid composed of DNA and RNA, and the like are included. In addition, the nucleic acid includes a polymer containing a sequence or a component that does not exist in nature. For example, a sequence such as poly (A), poly (T), poly (G), poly (C), or any sequence Also included are artificially synthesized polymer molecules having sequences. Nucleic acids also include nucleic acids prepared by nucleic acid amplification techniques known in the art (eg, polymerase chain reaction) and nucleic acids cloned into vectors. Methods for preparing samples containing these nucleic acids are well known in the art, and those skilled in the art can appropriately select a method for adjusting according to the type of nucleic acid.

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明する。理解し易くするために、分析対象をssDNAとする。実施例1から5は、核酸分析デバイスの構成を説明し、実施例6から7は核酸分析デバイスの製造方法を説明し、実施例8から9では核酸分析デバイスを用いた核酸分析装置の構成を説明する。但し、以下の実施例は本発明を限定するものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. In order to facilitate understanding, the analysis target is ssDNA. Examples 1 to 5 explain the configuration of the nucleic acid analysis device, Examples 6 to 7 explain the method of manufacturing the nucleic acid analysis device, and Examples 8 to 9 show the configuration of the nucleic acid analysis device using the nucleic acid analysis device. explain. However, the following examples do not limit the present invention.

<実施例1>
本発明によるssDNA向け核酸分析デバイスの構成の一例を図1Aおよび1Bを用いて説明する。ここでは、対向する2つの電極を有するトンネル電流方式固体ナノポア(以下、2電極付ナノポアとする)において、2つの電極に対して化学修飾分子を付与した場合の構造を上面図と断面図を用いて説明する。電極102は絶縁膜103により挟んだ構造とする。上面図では、電極102の形状を示すために絶縁膜103を非表示とするが、絶縁膜103の開口101は示す。また、電極102は配線に接続されるが、図では省略する。
<Example 1>
An example of the configuration of the nucleic acid analysis device for ssDNA according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1A and 1B. Here, a top view and a cross-sectional view of the structure when chemically modifying molecules are applied to two electrodes in a tunnel current type solid nanopore having two electrodes facing each other (hereinafter referred to as a nanopore with two electrodes) are used. I will explain. The electrode 102 is sandwiched between insulating films 103. In the top view, the insulating film 103 is not shown in order to show the shape of the electrode 102, but the opening 101 of the insulating film 103 is shown. Further, although the electrode 102 is connected to the wiring, it is omitted in the drawing.

まず、図1Aに化学修飾分子の無い従来構造の2電極付ナノポアを比較のために示す。開口101の形状は円形で、ssDNAを分析するためにナノポア径と電極間距離を2nmとした。図1Bは本発明により、化学修飾分子104を電極102の表面に付与した構造である。化学修飾分子104の厚さは1nm以下である。図1Aの従来構造の2電極付ナノポアの2つの電極102に化学修飾分子104を付与したものが図1B(a)である。
ここで、図1Bにおいて、上面図には(a1)、断面図には(a2)の記号を付しているが、上面図あるいは断面図の区別を特に必要としない場合は、(a)と表記する。以下の図面の表記においても、同様な表記を採用するものとする。
First, FIG. 1A shows a nanopore with a two-electrode having a conventional structure without chemically modifying molecules for comparison. The shape of the opening 101 was circular, and the nanopore diameter and the interelectrode distance were 2 nm in order to analyze ssDNA. FIG. 1B shows a structure in which chemically modified molecules 104 are applied to the surface of the electrode 102 according to the present invention. The thickness of the chemically modified molecule 104 is 1 nm or less. FIG. 1B (a) shows the chemical modification molecule 104 added to the two electrodes 102 of the two-electrode nanopore having the conventional structure shown in FIG. 1A.
Here, in FIG. 1B, the top view is marked with (a1) and the cross-sectional view is marked with (a2), but if there is no particular need to distinguish the top view or cross-sectional view, write. The same notation is adopted in the notation of the following drawings.

図1B(a)の場合、電極102の先端の化学修飾分子104は、その厚さ分だけ開口101の縁から突き出すため、実効的なナノポア105の面積が減少し、分析対象であるssDNAが通過できない可能性がある。   In the case of FIG. 1B (a), the chemically modified molecule 104 at the tip of the electrode 102 protrudes from the edge of the opening 101 by the thickness, so that the effective area of the nanopore 105 is reduced and the ssDNA to be analyzed passes. It may not be possible.

そこで、図1B(b)のように、化学修飾分子104の厚さ分だけナノポア径及び電極間距離を大きくし、化学修飾部の間の距離がssDNAの分析に適した2nmとなるようにする。しかし、図1B(b)のように開口101の形状が円形の場合、上面図における縦方向の実効的なナノポア105のサイズは2nmより大きく、ssDNAの分析に適したサイズよりも大きくなるため、精度良く塩基配列を読み出せない可能性がある。   Therefore, as shown in FIG. 1B (b), the nanopore diameter and the distance between the electrodes are increased by the thickness of the chemically modified molecule 104 so that the distance between the chemically modified portions is 2 nm suitable for ssDNA analysis. . However, when the shape of the opening 101 is circular as shown in FIG. 1B (b), the size of the effective nanopore 105 in the vertical direction in the top view is larger than 2 nm, which is larger than the size suitable for the analysis of ssDNA. There is a possibility that the base sequence cannot be read with high accuracy.

そこで、図1B(c)のように、化学修飾後の実効的なナノポア105の径がssDNAの分析に適した2nmとなるようにする。具体的には、開口101の形状を楕円とし、長径方向に対向する化学修飾分子付電極を配置し、化学修飾部の間の距離と短径を2nmとする。この構造により、精度良く塩基配列を読み出すことができる。
しかし、図1B(c)の構造の場合、化学修飾分子104が開口101の縁から突き出した構造をしているため、化学修飾部の機械的、化学的強度が低い場合、ナノポア105に入ってくる試料や試料溶液が化学修飾部に衝突することによって機能の劣化や化学修飾分子104の剥離が起こる可能性がある。その場合は、開口101をssDNAの分析に適した直径2nmの円形とし、電極102の先端と開口101の縁との間に化学修飾分子104を付与できるように電極102のみを化学修飾分子104の厚さ分程度後退させる。図1B(d)のように後退させると、化学修飾後も化学修飾分子104が開口101の縁から突き出さないため、長時間の使用による化学修飾分子104の機能の劣化や剥離を抑制できる。
Therefore, as shown in FIG. 1B (c), the effective nanopore 105 diameter after chemical modification is set to 2 nm suitable for ssDNA analysis. Specifically, the shape of the opening 101 is an ellipse, electrodes with chemically modified molecules facing in the major axis direction are arranged, and the distance between the chemically modified parts and the minor axis are 2 nm. With this structure, the base sequence can be read with high accuracy.
However, in the case of the structure shown in FIG. 1B (c), the chemically modified molecule 104 protrudes from the edge of the opening 101. Therefore, when the mechanical and chemical strength of the chemically modified portion is low, the nanopore 105 enters. When the coming sample or sample solution collides with the chemically modified portion, there is a possibility that the function is deteriorated or the chemically modified molecules 104 are peeled off. In that case, the opening 101 is a circle having a diameter of 2 nm suitable for the analysis of ssDNA, and only the electrode 102 of the chemically modified molecule 104 is attached so that the chemically modified molecule 104 can be applied between the tip of the electrode 102 and the edge of the opening 101. Retreat about the thickness. When retracted as shown in FIG. 1B (d), since the chemically modified molecules 104 do not protrude from the edge of the opening 101 even after chemical modification, it is possible to suppress the deterioration and peeling of the function of the chemically modified molecules 104 due to long-time use.

図1B(d)の構造は精度と信頼性・耐久性を両立させた構造であるが、構造がやや複雑なため、比較的製造コストが高い。求められるコストと精度と信頼性・耐久性に応じて構造を選ぶと良い。   The structure of FIG. 1B (d) is a structure that achieves both accuracy, reliability, and durability. However, since the structure is somewhat complicated, the manufacturing cost is relatively high. Choose a structure according to the required cost, accuracy, reliability and durability.

本実施例における各電極先端の化学修飾分子104は、同じであっても、異なっても良い。また、開口101の形状は、円や楕円でなくとも、それに類する多角形としても良い。   In this embodiment, the chemically modified molecules 104 at the tip of each electrode may be the same or different. Moreover, the shape of the opening 101 may not be a circle or an ellipse, but may be a polygon similar to it.

<実施例2>
実施例1では同一平面上に2つの電極を有するトンネル電流方式固体ナノポアに化学修飾分子を付与した実施例を示したが、ここでは、同一平面上に2つよりも多くの電極を備えるトンネル電流方式固体ナノポアに化学修飾分子を付与した実施例を図2を用いて説明する。図2に同一平面上に3〜6つの電極202を有する固体ナノポアの上面図を示す。電極202は絶縁膜により挟んだ構造とする。電極202の形状を示すために絶縁膜を非表示とするが、開口201は示す。また、電極202は配線に接続されるが、図では省略する。
<Example 2>
In Example 1, the tunnel current type solid nanopore having two electrodes on the same plane was shown as an example in which a chemically modified molecule was added. Here, a tunnel current having more than two electrodes on the same plane is shown. An embodiment in which chemically modified molecules are added to the system solid nanopore will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows a top view of a solid nanopore having 3 to 6 electrodes 202 on the same plane. The electrode 202 is sandwiched between insulating films. In order to show the shape of the electrode 202, the insulating film is not shown, but the opening 201 is shown. Further, although the electrode 202 is connected to the wiring, it is omitted in the drawing.

図2(a1)、(a2)が3電極を有する固体ナノポア、図2(b1)、(b2)が4電極を有する固体ナノポア、図2(c1)、(c2)が5電極を有する固体ナノポア、図2(d1)、(d2)が6電極を有する固体ナノポアのそれぞれ上面図および断面図である。   2 (a1) and (a2) are solid nanopores having three electrodes, FIGS. 2 (b1) and (b2) are solid nanopores having four electrodes, and FIGS. 2 (c1) and (c2) are solid nanopores having five electrodes. 2 (d1) and 2 (d2) are a top view and a cross-sectional view, respectively, of a solid nanopore having six electrodes.

図2(a1)、(b1)、(c1)、(d1)は化学修飾分子204が開口201よりも突き出た構造をしており、図2(a2)、(b2)、(c2)、(d2)は図1B(d)と同様に化学修飾分子204が電極202の先端と開口201の縁の間にあり、開口201より突き出ていない。前者は化学修飾後の実効的なナノポア205の径をssDNAに適した2nmとし、後者はナノポア径を2nmとする。前者は比較的製造コストが低い一方で信頼性・耐久性が低い可能性があり、後者は逆の特徴を持つ。   2 (a1), (b1), (c1), and (d1) have a structure in which the chemically modified molecule 204 protrudes from the opening 201, and FIGS. 2 (a2), (b2), (c2), ( In d2), the chemically modifying molecule 204 is located between the tip of the electrode 202 and the edge of the opening 201 as in FIG. 1B (d), and does not protrude from the opening 201. The former sets the effective nanopore diameter after chemical modification to 2 nm suitable for ssDNA, and the latter sets the nanopore diameter to 2 nm. The former has a relatively low manufacturing cost but may have low reliability and durability, and the latter has the opposite characteristics.

<実施例3>
実施例1〜2では、2つ以上の電極の内、全ての電極に化学修飾分子を付与したが、全ての電極に付与せずに一部の電極のみに付与しても良い。ここでは、2電極付ナノポアにおいて、2つの電極の内、1つの電極のみに化学修飾分子を付与した場合の実施例を図3を用いて説明する。図3に同一平面上に2つの電極を有する2電極付ナノポアの上面図と断面図を示す。電極302は絶縁膜303により挟んだ構造とする。電極302の形状を示すために絶縁膜303を非表示とするが、開口301は示す。また、電極302は配線に接続されるが、図では省略する。
<Example 3>
In Examples 1 and 2, chemical modification molecules were applied to all of the two or more electrodes, but may be applied to only some of the electrodes without being applied to all of the electrodes. Here, in the nanopore with two electrodes, an example in which a chemically modified molecule is applied to only one of the two electrodes will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows a top view and a cross-sectional view of a two-electrode nanopore having two electrodes on the same plane. The electrode 302 has a structure sandwiched between insulating films 303. Although the insulating film 303 is not shown in order to show the shape of the electrode 302, the opening 301 is shown. Further, although the electrode 302 is connected to a wiring, it is omitted in the drawing.

図3(a)は開口301の形状が円形で、電極302の先端と開口301の縁が一致し、2つの電極302の片方に化学修飾分子304を付与することにより、化学修飾部先端と化学修飾分子の無い電極先端間の距離をssDNAの分析に適した2nmとした2電極付ナノポアである。この構造は、図1B(b)の化学修飾部を1つ外して、円形の開口101の直径を小さくした構造に相当し、実施例1で説明したように、精度良く塩基配列を読み出せない可能性と信頼性・耐久性が低い可能性がある。   In FIG. 3A, the shape of the opening 301 is circular, the tip of the electrode 302 and the edge of the opening 301 coincide, and a chemical modification molecule 304 is applied to one of the two electrodes 302, whereby This is a nanopore with two electrodes in which the distance between the electrode tips without modifying molecules is 2 nm suitable for the analysis of ssDNA. This structure corresponds to a structure in which one of the chemical modification portion in FIG. 1B (b) is removed and the diameter of the circular opening 101 is reduced, and the base sequence cannot be read with high accuracy as described in the first embodiment. Possibility and reliability / durability may be low.

図3(b)は電極302の先端と開口301の縁が一致し、片方の電極に化学修飾分子304を付与することにより、実効的なナノポア305の径がssDNAの分析に適した2nmとなるようにナノポアを形成した2電極付ナノポアである。具体的には、開口301の形状を楕円とし、長径方向に対向する電極302を配置し、2つの電極302の片方にのみ化学修飾分子304を付与し、化学修飾部先端と化学修飾分子の無い電極先端間の距離と短径を2nmとする。この構造は、図1B(c)の化学修飾部を1つ外して、楕円形の開口101の長径を小さくした構造に相当し、実施例1で説明したように、精度良く塩基配列を読み出せる一方、信頼性・耐久性が低い可能性がある。   In FIG. 3B, the tip of the electrode 302 is coincident with the edge of the opening 301, and the chemical modification molecule 304 is applied to one electrode, so that the effective diameter of the nanopore 305 becomes 2 nm suitable for ssDNA analysis. Thus, a nanopore with two electrodes formed with nanopores. Specifically, the shape of the opening 301 is an ellipse, an electrode 302 facing in the major axis direction is arranged, the chemical modification molecule 304 is applied to only one of the two electrodes 302, and there is no chemical modification molecule tip and no chemical modification molecule The distance between the electrode tips and the minor axis are 2 nm. This structure corresponds to a structure in which one of the chemical modification portions in FIG. 1B (c) is removed and the major axis of the elliptical opening 101 is reduced, and the base sequence can be read with high accuracy as described in the first embodiment. On the other hand, reliability and durability may be low.

図3(c)は開口301の径がssDNAの分析に適した2nmで、2つの電極302は共に開口301の縁よりも化学修飾分子304の厚さ分後退しており、2つの電極302の片方のみに化学修飾分子304が付与されている2電極付ナノポアである。電極302を開口301の縁よりも後退した構造を作製する場合、複数の電極302に対してそれぞれ異なる寸法だけ後退した構造を作製することは困難であるため、全ての電極302を開口301の縁よりも化学修飾分子304の厚さ分後退させた構造とする。この構造は、図1B(d)の化学修飾部を1つ外した構造に相当し、実施例1で説明したように、精度と信頼性・耐久性を両立させた構造であるが、構造がやや複雑なため、比較的製造コストが高い。   In FIG. 3C, the diameter of the opening 301 is 2 nm suitable for the analysis of ssDNA, and the two electrodes 302 are both set back from the edge of the opening 301 by the thickness of the chemically modified molecule 304. It is a nanopore with two electrodes to which chemically modified molecules 304 are attached only to one side. In the case of manufacturing a structure in which the electrodes 302 are set back from the edge of the opening 301, it is difficult to manufacture structures in which the plurality of electrodes 302 are set back by different dimensions. Rather than the thickness of the chemically modified molecule 304. This structure corresponds to the structure in which one chemical modification portion in FIG. 1B (d) is removed, and as described in Example 1, the structure is compatible with accuracy, reliability, and durability. Since it is somewhat complicated, the manufacturing cost is relatively high.

<実施例4>
実施例3では、2電極付ナノポアにおいて、2つの電極の片方のみに化学修飾分子を付与した実施例を示したが、ここでは、同一平面上に2つよりも多くの電極を備えるトンネル電流方式固体ナノポアにおいて、1つ以上の電極に化学修飾分子を付与するが、全ての電極に化学修飾分子を付与しない場合の具体例として、1つの電極を除いて化学修飾分子を付与した実施例を図4A〜4Dを用いて説明する。
<Example 4>
In Example 3, in the nanopore with two electrodes, an example in which a chemically modified molecule was given to only one of the two electrodes was shown, but here, a tunnel current method in which more than two electrodes are provided on the same plane In a solid nanopore, a chemical modification molecule is imparted to one or more electrodes, but as a specific example in which no chemical modification molecule is imparted to all electrodes, an example in which a chemical modification molecule is imparted except for one electrode is shown in the figure. It demonstrates using 4A-4D.

図4A〜図4Dに同一平面上に3〜6つの電極402を有する固体ナノポアの上面図を示す。電極402は絶縁膜により挟んだ構造とする。電極402の形状を示すために絶縁膜を非表示とするが、開口401は示す。また、電極401は配線に接続されるが、図では省略する。図4Aが3電極を有する固体ナノポア、図4Bが4電極を有する固体ナノポア、図4Cが5電極を有する固体ナノポア、図4Dが6電極を有する固体ナノポアである。図4A(a1)、4B(b1)、4C(c1)、4D(d1)は、図3(a)と同様に開口401が円形で、化学修飾分子404が開口401よりも突き出た構造をしており、図4A(a2)、4B(b2)、4C(c2)、4D(d2)は、図3(b)と同様に開口401が楕円形またはそれに類する形状で、化学修飾分子404が開口401よりも突き出た構造をしており、図4A(a3)、4B(b3)、4C(c3)、4D(d3)は、図3(c)と同様に開口401が円形で、化学修飾分子404は電極402の先端と開口401の縁の間にあり、開口401には突き出ていない。   4A to 4D show top views of solid nanopores having 3 to 6 electrodes 402 on the same plane. The electrode 402 is sandwiched between insulating films. In order to show the shape of the electrode 402, the insulating film is not shown, but the opening 401 is shown. Further, although the electrode 401 is connected to the wiring, it is omitted in the drawing. 4A is a solid nanopore having 3 electrodes, FIG. 4B is a solid nanopore having 4 electrodes, FIG. 4C is a solid nanopore having 5 electrodes, and FIG. 4D is a solid nanopore having 6 electrodes. 4A (a1), 4B (b1), 4C (c1), and 4D (d1) have a structure in which the opening 401 is circular and the chemically modified molecule 404 protrudes from the opening 401, as in FIG. 4A (a2), 4B (b2), 4C (c2), and 4D (d2), the opening 401 has an elliptical shape or similar shape as in FIG. 3B, and the chemically modified molecule 404 has an opening. 4A (a3), 4B (b3), 4C (c3), and 4D (d3) have a structure similar to that of FIG. 404 is between the tip of the electrode 402 and the edge of the opening 401, and does not protrude into the opening 401.

開口401が円形で、電極402の先端と開口401の縁が一致し、化学修飾分子404が開口401より突き出た構造の場合、図4A(a1)、4B(b1)、4C(c1)、4D(d1)に示すように、化学修飾分子の無い電極の先端が、他の化学修飾分子付電極の化学修飾部先端より離れてしまい、化学修飾部先端と化学修飾分子の無い電極の先端の位置で決まる実効的なナノポア405のサイズがssDNAの分析に適したサイズよりも大きくなり、精度良く塩基配列を読み出せない可能性がある。また、化学修飾分子404が開口401よりも突き出ているため、信頼性・耐久性が低い可能性もある。   4A (a1), 4B (b1), 4C (c1), and 4D in the case where the opening 401 is circular, the tip of the electrode 402 and the edge of the opening 401 coincide, and the chemically modified molecule 404 protrudes from the opening 401. As shown in (d1), the tip of the electrode without the chemically modified molecule is separated from the tip of the chemically modified portion of the other chemically modified molecule-attached electrode, and the position of the tip of the chemically modified portion and the tip of the electrode without the chemically modified molecule The size of the effective nanopore 405 determined by (1) becomes larger than the size suitable for ssDNA analysis, and the base sequence may not be read with high accuracy. Moreover, since the chemical modification molecule 404 protrudes from the opening 401, the reliability and durability may be low.

これに対して、図4A(a2)、4B(b2)、4C(c2)、4D(d2)に示すように、開口401の形状を楕円またはそれに類する形状とし、実効的なナノポア405の径がssDNAの分析に適した2nmとなるようにナノポアを形成し、電極402を配置すると、精度を向上することができる。しかし、化学修飾分子404が開口401よりも突き出ているため、信頼性・耐久性が低い可能性がある。図4A(a2)、4B(b2)、4C(c2)、4D(d2)は、化学修飾分子の無い電極が1つの場合であるが、この構造の場合、化学修飾分子の無い電極の数に応じて開口401の形状や電極402の配置を調整し、実効的なナノポア405の大きさを分析対象に適した大きさにする必要がある。   On the other hand, as shown in FIGS. 4A (a2), 4B (b2), 4C (c2), and 4D (d2), the shape of the opening 401 is an ellipse or a similar shape, and the effective diameter of the nanopore 405 is If nanopores are formed to have a thickness of 2 nm suitable for ssDNA analysis, and the electrode 402 is disposed, the accuracy can be improved. However, since the chemically modified molecule 404 protrudes from the opening 401, the reliability and durability may be low. 4A (a2), 4B (b2), 4C (c2), and 4D (d2) show the case where there is one electrode without a chemically modified molecule. In this structure, the number of electrodes without a chemically modified molecule is as follows. Accordingly, it is necessary to adjust the shape of the opening 401 and the arrangement of the electrodes 402 so that the effective size of the nanopore 405 is suitable for the analysis target.

一方、図4A(a3)、4B(b3)、4C(c3)、4D(d3)に示すように、開口401の形状が円形で、直径をssDNAの分析に適した2nmとし、化学修飾分子404が電極402の先端と円形の開口401の縁との間にあり、開口401には突き出ない構造の場合、図3(c)の構造と同様に、精度と信頼性・耐久性を両立させることができるが、比較的製造コストが高い。また、この構造の場合、開口401の形状や、電極402の配置が化学修飾分子の無い電極の数に依らない。   On the other hand, as shown in FIGS. 4A (a3), 4B (b3), 4C (c3), and 4D (d3), the shape of the opening 401 is circular and the diameter is 2 nm suitable for the analysis of ssDNA. 3 is between the tip of the electrode 402 and the edge of the circular opening 401 and does not protrude into the opening 401, as in the structure of FIG. However, the manufacturing cost is relatively high. In the case of this structure, the shape of the opening 401 and the arrangement of the electrodes 402 do not depend on the number of electrodes without chemical modification molecules.

<実施例5>
実施例1〜4では、同一平面上に2つ以上の電極を有し、電極の層が1層であるトンネル電流方式固体ナノポアの電極に対して化学修飾分子を付与した場合の構造を説明した。同一平面上の電極数が多いほど、製造の難易度が上がり、歩留まりが低下する恐れがあるため、同一平面上の電極数は4以下とし、金属の層と絶縁膜の積層数を増やすことにより電極数を増やした方が歩留まりが高い場合がある。ここでは、同一平面上の電極数を2つとし、電極の層を4層としたトンネル電流方式固体ナノポアの全ての電極に対して化学修飾分子を付与した場合の構造を図5を用いて説明する。
<Example 5>
In Examples 1 to 4, the structure in the case where a chemically modified molecule is applied to an electrode of a tunnel current type solid nanopore having two or more electrodes on the same plane and one electrode layer is described. . As the number of electrodes on the same plane increases, the manufacturing difficulty increases and the yield may decrease. Therefore, the number of electrodes on the same plane is set to 4 or less, and the number of stacked metal layers and insulating films is increased. The yield may be higher when the number of electrodes is increased. Here, the structure when chemically modifying molecules are applied to all electrodes of a tunneling current type solid nanopore having two electrodes on the same plane and four electrode layers will be described with reference to FIG. To do.

図5に同一平面上に2つの電極502を有し、電極502の層が4層である8電極付ナノポアの上面図と断面図を示す。各電極502は絶縁膜503により分離された構造とする。電極502の形状を示すために絶縁膜503を非表示とするが、開口501は示す。また、電極502は配線に接続されるが、図では省略する。   FIG. 5 shows a top view and a cross-sectional view of an eight-electrode nanopore having two electrodes 502 on the same plane and four electrode 502 layers. Each electrode 502 has a structure separated by an insulating film 503. The insulating film 503 is not shown in order to show the shape of the electrode 502, but the opening 501 is shown. Further, although the electrode 502 is connected to the wiring, it is omitted in the drawing.

図5(a)は開口501の形状が円形で、電極502の先端と開口501の縁が一致し、電極502に化学修飾分子504を付与することにより、化学修飾部先端間の距離をssDNAの分析に適した2nmとした8電極付ナノポアである。上面図が図1B(b)のそれと同様であるため、図1B(b)の電極付ナノポアと同様に、化学修飾部先端間の距離が2nmであっても、上面図における縦方向の実効的なナノポア505のサイズは2nmより大きく、ssDNAの分析に適したサイズよりも大きくなるため、精度良く塩基配列を読み出せない可能性がある。また、化学修飾分子504が開口501よりも突き出ているため、信頼性・耐久性が低い可能性もある。   In FIG. 5A, the shape of the opening 501 is circular, the edge of the electrode 502 and the edge of the opening 501 coincide with each other, and a chemical modification molecule 504 is applied to the electrode 502, whereby the distance between the chemical modification portion tips is changed. It is a nanopore with 8 electrodes of 2 nm suitable for analysis. Since the top view is the same as that of FIG. 1B (b), as in the case of the nanopore with electrode of FIG. 1B (b), even if the distance between the tips of the chemically modified portions is 2 nm, Since the size of the nanopore 505 is larger than 2 nm and larger than the size suitable for ssDNA analysis, there is a possibility that the base sequence cannot be read with high accuracy. In addition, since the chemically modified molecule 504 protrudes from the opening 501, the reliability and durability may be low.

これに対して図5(b)は図1B(c)と同様に、開口501の形状を楕円とし、長径方向に対向する化学修飾付電極を配置し、化学修飾部の間の距離と短径を2nmとした8電極付ナノポアである。実効的なナノポア505のサイズがssDNAの分析に適したサイズであるため、精度良く塩基配列を読み出すことができる。しかし、化学修飾分子504が開口501よりも突き出ているため、信頼性・耐久性が低い可能性がある。   On the other hand, in FIG. 5B, similarly to FIG. 1B (c), the shape of the opening 501 is an ellipse, electrodes with chemical modification facing the major axis direction are arranged, and the distance and minor axis between the chemical modification parts are arranged. Is a nanopore with 8 electrodes having a thickness of 2 nm. Since the effective size of the nanopore 505 is suitable for ssDNA analysis, the base sequence can be read with high accuracy. However, since the chemically modified molecule 504 protrudes beyond the opening 501, the reliability and durability may be low.

一方、図5(c)に示すように、開口501の形状が円形で、直径をssDNAの分析に適した2nmとし、化学修飾分子504が電極502の先端と円形の開口501の縁との間にあり、開口501には突き出ない構造の場合、図1B(d)の構造と同様に、精度と信頼性・耐久性を両立させることができるが、比較的製造コストが高い。   On the other hand, as shown in FIG. 5C, the shape of the opening 501 is circular, the diameter is 2 nm suitable for ssDNA analysis, and the chemically modified molecule 504 is between the tip of the electrode 502 and the edge of the circular opening 501. In the case of the structure that does not protrude from the opening 501, both accuracy and reliability / durability can be achieved, as in the structure of FIG. 1B (d), but the manufacturing cost is relatively high.

本実施例では、同一平面上の電極502の数を2つ、電極502の層を4層としたが、電極502の数と層数は任意に選ぶことができる。同一平面上の電極502の数が3〜6の場合は、上面図は図2と同様となる。また、本実施例では、全ての電極502に化学修飾分子504を付与した場合を示したが、化学修飾分子の無い電極を有しても良い。更に、各電極先端の化学修飾分子504は、同じであっても、異なっても良く、任意に選ぶことができる。   In this embodiment, the number of the electrodes 502 on the same plane is two and the number of the layers of the electrodes 502 is four. However, the number and the number of the electrodes 502 can be arbitrarily selected. When the number of electrodes 502 on the same plane is 3 to 6, the top view is the same as FIG. In this embodiment, the case where the chemically modified molecules 504 are added to all the electrodes 502 is shown, but an electrode without the chemically modified molecules may be provided. Furthermore, the chemically modified molecules 504 at the tip of each electrode may be the same or different, and can be arbitrarily selected.

<実施例6>
本発明によるssDNA向け核酸分析デバイスの製造方法例を図6Aから6Jを用いて説明する。ここでは、同一平面上に対向した2つの電極を有し、電極の先端と開口の縁が一致し、化学修飾分子が開口より突き出た構造の2電極付ナノポアの製造方法の一例を示す。図6Aから6Jは製造プロセスフロー図で、デバイスの断面構造を示している。製造プロセスを以下で説明する。
<Example 6>
An example of a method for producing a nucleic acid analysis device for ssDNA according to the present invention will be described with reference to FIGS. 6A to 6J. Here, an example of a method for producing a nanopore with two electrodes having two electrodes facing each other on the same plane, in which the tip of the electrode coincides with the edge of the opening and the chemically modified molecule protrudes from the opening will be described. 6A to 6J are manufacturing process flow charts showing the cross-sectional structure of the device. The manufacturing process is described below.

結晶面方位が(100)面のシリコン単結晶基板606上にCVD法によりシリコン窒化膜607を20nm堆積させ、その上にパッド電極となる窒化チタン膜608をスパッタリングにより50nm堆積させてリソグラフィとドライエッチングにより窒化チタン膜608をパッドの形状(100μm角)にパターニングする(図6A)。   A silicon nitride film 607 is deposited to a thickness of 20 nm by a CVD method on a (100) plane silicon single crystal substrate 606, and a titanium nitride film 608 to be a pad electrode is deposited to a thickness of 50 nm by sputtering to perform lithography and dry etching. Thus, the titanium nitride film 608 is patterned into a pad shape (100 μm square) (FIG. 6A).

次に、トンネル電流計測用の電極となる窒化チタン膜609をCVD法により5nm堆積させて(図6B)、電極の形状にパターニングする(図6C)。電極はナノポアの形成される位置をギャップ610とし、分離された電極とする。ギャップ610の幅は形成する開口の大きさと合わせる。ここでは4nmとする。この実施例では、ギャップ610を挟んで対向した電極としてパターニングしたが、ギャップ610の無い繋がった電極としても良い。但し、その場合、繋がっている電極をナノポア616(図6I参照)形成時に切断する必要がある。電極のパターニング後、CVD法により20nmのシリコン窒化膜611、60nmのシリコン酸化膜612、200nmのシリコン窒化膜613を堆積する(図6D)。   Next, a titanium nitride film 609 serving as an electrode for tunneling current measurement is deposited by CVD to a thickness of 5 nm (FIG. 6B) and patterned into the shape of the electrode (FIG. 6C). The electrode is a separated electrode with the position where the nanopore is formed as a gap 610. The width of the gap 610 is matched with the size of the opening to be formed. Here, it is 4 nm. In this embodiment, the electrodes are patterned as opposed to each other with the gap 610 interposed therebetween. However, the electrodes may be connected without the gap 610. However, in that case, it is necessary to cut the connected electrodes when forming the nanopore 616 (see FIG. 6I). After patterning the electrodes, a 20 nm silicon nitride film 611, a 60 nm silicon oxide film 612, and a 200 nm silicon nitride film 613 are deposited by CVD (FIG. 6D).

次に、リソグラフィとドライエッチングにより、パッド上部のシリコン窒化膜611とシリコン酸化膜612とシリコン窒化膜613を除去し、窒化チタン609を露出させる。更に、電極ギャップ上部の200nmのシリコン窒化膜613を除去し、シリコン酸化膜612を露出させる(図6E、露出させる面積は5μm角とする)。その後、裏面にCVD法によりシリコン窒化膜614を400nm堆積し、リソグラフィとドライエッチにより1030μm角のシリコン基板606が露出した領域を形成する(図6F)。   Next, the silicon nitride film 611, the silicon oxide film 612, and the silicon nitride film 613 on the pad are removed by lithography and dry etching, and the titanium nitride 609 is exposed. Further, the 200 nm silicon nitride film 613 above the electrode gap is removed to expose the silicon oxide film 612 (FIG. 6E, the exposed area is 5 μm square). Thereafter, a silicon nitride film 614 having a thickness of 400 nm is deposited on the back surface by a CVD method, and a region in which a 1030 μm square silicon substrate 606 is exposed is formed by lithography and dry etching (FIG. 6F).

次に裏面から露出したシリコン基板606を水酸化カリウム水溶液により異方性エッチングし、30μm角前後のシリコン基板606の無い薄膜部分615を形成する(図6G)。薄膜部分615のシリコン酸化膜612をフッ酸によるウェットエッチで除去し(図6H)、透過型電子顕微鏡による電子ビームを照射することによりナノポア616を形成する(図6I)。開口の形状は、長径4nm、短径2nmの楕円とし、長径方向に電極がある。ナノポア616の形成後、2つの電極表面に化学修飾分子604を付与する(図6J)。化学修飾分子604の厚さを約1nmとし、2つの化学修飾部の間の距離が約2nmにする。上面図は図1B(c)と同様となる。ここでは化学修飾分子604には4−メルカプト安息香酸を用いた。   Next, the silicon substrate 606 exposed from the back surface is anisotropically etched with an aqueous potassium hydroxide solution to form a thin film portion 615 having no silicon substrate 606 of about 30 μm square (FIG. 6G). The silicon oxide film 612 of the thin film portion 615 is removed by wet etching with hydrofluoric acid (FIG. 6H), and nanopores 616 are formed by irradiating an electron beam with a transmission electron microscope (FIG. 6I). The shape of the opening is an ellipse having a major axis of 4 nm and a minor axis of 2 nm, and there is an electrode in the major axis direction. After the formation of the nanopore 616, chemically modified molecules 604 are applied to the two electrode surfaces (FIG. 6J). The thickness of the chemically modified molecule 604 is about 1 nm, and the distance between the two chemically modified portions is about 2 nm. The top view is the same as FIG. 1B (c). Here, 4-mercaptobenzoic acid was used as the chemically modified molecule 604.

本実施例では、同一平面上に対向した2つの電極を有する2電極付ナノポアの製造方法を説明したが、電極の層が1層で2つよりも多くの電極を有する電極付ナノポアを製造する場合は、パッドのパターニング(図6A)と電極のパターニング(図6C)を変更することで実現できる。また、図5(b)のように電極の層を複数にする場合は、図6Bの後にシリコン窒化膜と窒化チタンを交互に堆積させて、図6Cと同様に最も下層の窒化チタンまで一括でパターニングする。更に、電極の数だけパッドを用意し、配線で各電極とパッドを接続すればよい。
本実施例では全ての電極に化学修飾分子604を付与したが、全ての化学修飾分子604が異なっても、同一でも良いし、化学修飾分子の無い電極が混在しても良い。
In the present embodiment, the method for manufacturing a nanopore with two electrodes having two electrodes facing each other on the same plane has been described. However, a nanopore with an electrode having one electrode layer and more than two electrodes is manufactured. The case can be realized by changing pad patterning (FIG. 6A) and electrode patterning (FIG. 6C). When a plurality of electrode layers are used as shown in FIG. 5B, silicon nitride films and titanium nitrides are alternately deposited after FIG. 6B, and the lowermost titanium nitride is collectively collected as in FIG. 6C. Pattern. Furthermore, it is only necessary to prepare pads as many as the number of electrodes, and to connect each electrode and pad by wiring.
In this embodiment, the chemically modified molecules 604 are applied to all the electrodes. However, all the chemically modified molecules 604 may be different or the same, or electrodes having no chemically modified molecules may be mixed.

<実施例7>
実施例6では化学修飾分子が開口より突き出た構造の電極付ナノポアの製造方法を説明した。ここでは、同一平面上に対向した2つの電極を有し、化学修飾分子が電極先端と開口の縁との間にあり、開口には突き出ない構造の2電極付ナノポアの製造方法の一例を説明する。図7A〜7Kは製造プロセスフロー図で、デバイスの断面構造を示している。製造プロセスを以下で説明する。
<Example 7>
In Example 6, a method for producing nanopores with electrodes having a structure in which chemically modified molecules protrude from the openings has been described. Here, an example of a method for producing a two-electrode nanopore having a structure that has two electrodes facing each other on the same plane, the chemically modifying molecule is between the electrode tip and the edge of the opening, and does not protrude into the opening. To do. 7A to 7K are manufacturing process flow charts showing the cross-sectional structure of the device. The manufacturing process is described below.

結晶面方位が(100)面のシリコン単結晶基板706上にCVD法によりシリコン窒化膜707を50nm堆積させ、その上にCVD法によりアモルファスシリコン膜717を10nm堆積させ、更にその上にパッド電極となる窒化チタン膜708をスパッタリングにより50nm堆積させてリソグラフィとドライエッチングにより窒化チタン膜708をパッドの形状(100μm角)にパターニングする(図7A)。   A silicon nitride film 707 is deposited by a CVD method to a thickness of 50 nm on a silicon single crystal substrate 706 having a crystal plane orientation of (100) plane, an amorphous silicon film 717 is deposited by a CVD method to a thickness of 10 nm, and a pad electrode and A titanium nitride film 708 is deposited by sputtering to a thickness of 50 nm, and the titanium nitride film 708 is patterned into a pad shape (100 μm square) by lithography and dry etching (FIG. 7A).

次にスパッタリングにより金/チタン膜718を堆積させて(図7B)、電極の形状にパターニングする(図7C)。本実施例では、電極材料に5nmの金、金と下地のアモルファスシリコン膜717との接着層に1nmチタンを用いた。金は酸化しにくい導電材料として選んだ。電極はナノポアの形成される位置をギャップ710とし、分離された電極とする。ギャップ710の幅は図7Iにて形成するナノポアの大きさと合わせる。ここでは4nmとする。本実施例では、ギャップ710を挟んで対向する電極としてパターニングしたが、ギャップの無い繋がった電極としても良い。その場合、繋がっている電極をナノポア716形成時に切断する必要がある。電極のパターニング後、CVD法により10nmのアモルファスシリコン膜719、60nmのシリコン酸化膜712、200nmのシリコン窒化膜713を堆積する(図7D)。   Next, a gold / titanium film 718 is deposited by sputtering (FIG. 7B) and patterned into the shape of an electrode (FIG. 7C). In this example, 5 nm of gold was used as the electrode material, and 1 nm of titanium was used as the adhesive layer between the gold and the underlying amorphous silicon film 717. Gold was chosen as a conductive material that is difficult to oxidize. The electrode is a separated electrode with a gap 710 at the position where the nanopore is formed. The width of the gap 710 is matched with the size of the nanopore formed in FIG. Here, it is 4 nm. In this embodiment, the electrodes are patterned as opposed to each other with the gap 710 interposed therebetween, but may be connected electrodes without a gap. In that case, it is necessary to cut the connected electrodes when the nanopore 716 is formed. After patterning the electrodes, a 10 nm amorphous silicon film 719, a 60 nm silicon oxide film 712, and a 200 nm silicon nitride film 713 are deposited by CVD (FIG. 7D).

次に、リソグラフィとドライエッチングにより、パッド上部のアモルファスシリコン膜719とシリコン酸化膜712とシリコン窒化膜713を除去し、金/チタン膜718を露出させる。更に、電極ギャップ上部の200nmのシリコン窒化膜713を除去し、シリコン酸化膜712を露出させる(図7E、露出させる面積は5μm角とする)。その後、裏面にCVD法によりシリコン窒化膜714を400nm堆積し、リソグラフィとドライエッチにより1030μm角のシリコン基板706が露出した領域を形成する(図7F)。   Next, the amorphous silicon film 719, the silicon oxide film 712, and the silicon nitride film 713 above the pad are removed by lithography and dry etching, and the gold / titanium film 718 is exposed. Further, the 200 nm silicon nitride film 713 above the electrode gap is removed to expose the silicon oxide film 712 (FIG. 7E, the exposed area is 5 μm square). Thereafter, a 400 nm silicon nitride film 714 is deposited on the back surface by CVD, and a region where a 1030 μm square silicon substrate 706 is exposed is formed by lithography and dry etching (FIG. 7F).

次に裏面から露出したシリコン基板706を水酸化カリウム水溶液により異方性エッチングし、30μm角前後のシリコン基板706の無い薄膜部分715を形成する(図7G)。   Next, the silicon substrate 706 exposed from the back surface is anisotropically etched with an aqueous potassium hydroxide solution to form a thin film portion 715 having no silicon substrate 706 of about 30 μm square (FIG. 7G).

薄膜部分715の表面側のシリコン酸化膜712をフッ酸によるウェットエッチで除去し、更に薄膜部分715の裏面側のシリコン窒化膜707を熱リン酸によるウェットエッチで除去する(図6H)。その後、透過型電子顕微鏡による電子ビームを照射することによりナノポア716を形成する(図7I)。開口の形状は、直径4nmの円とする。対向する2つの電極間の距離も4nmである。ナノポア716形成後、酸素プラズマに曝すことで、電極上下を挟むアモルファスシリコン膜717、719を酸化する。アモルファスシリコン膜がシリコン酸化膜となることで、体積が増加し、ナノポアが小さくなる。酸化後のナノポアの直径が2nmとなるように酸素プラズマのパワーと時間を調整する。酸素プラズマ曝露の結果、電極上下のアモルファスシリコン膜が形成していた直径4nmの円形の開口は、シリコン酸化膜による直径2nmの円形の開口となる一方、電極材料の金は酸化しにくいため、酸化による体積増加は発生せず、2つの電極間距離は変わらない(図7J)。この後、2つの電極表面に化学修飾分子704を付与する(図7K)。化学修飾分子704の厚さを約1nmとし、2つの化学修飾部の間の距離が約2nmにする。上面図は図1B(d)と同様となる。ここでは化学修飾分子704には4−メルカプト安息香酸を用いた。   The silicon oxide film 712 on the surface side of the thin film portion 715 is removed by wet etching using hydrofluoric acid, and the silicon nitride film 707 on the back surface side of the thin film portion 715 is removed by wet etching using hot phosphoric acid (FIG. 6H). Then, nanopores 716 are formed by irradiating an electron beam with a transmission electron microscope (FIG. 7I). The shape of the opening is a circle with a diameter of 4 nm. The distance between the two electrodes facing each other is also 4 nm. After the formation of the nanopore 716, exposure to oxygen plasma oxidizes the amorphous silicon films 717 and 719 sandwiching the upper and lower electrodes. Since the amorphous silicon film becomes a silicon oxide film, the volume is increased and the nanopore is reduced. The power and time of the oxygen plasma are adjusted so that the diameter of the nanopore after oxidation becomes 2 nm. As a result of the oxygen plasma exposure, the circular opening with a diameter of 4 nm formed by the amorphous silicon films above and below the electrode becomes a circular opening with a diameter of 2 nm due to the silicon oxide film. On the other hand, the gold of the electrode material is difficult to oxidize. No increase in volume due to, and the distance between the two electrodes does not change (FIG. 7J). Thereafter, chemically modified molecules 704 are applied to the two electrode surfaces (FIG. 7K). The thickness of the chemically modified molecule 704 is about 1 nm, and the distance between the two chemically modified portions is about 2 nm. The top view is the same as FIG. 1B (d). Here, 4-mercaptobenzoic acid was used as the chemically modified molecule 704.

本実施例では、同一平面上に対向した2つの電極を有する2電極付ナノポアの製造方法を説明したが、電極の層が1層で2つよりも多くの電極を有する電極付ナノポアを製造する場合は、パッドのパターニング(図7A)と電極のパターニング(図7C)を変更することで実現できる。また、図5(c)のように電極の層を複数にする場合は、図7Bの後にアモルファスシリコン膜と金/チタン膜を交互に堆積させて、図7Cと同様に最も下層の金/チタン膜まで一括でパターニングする。更に、電極の数だけパッドを用意し、配線で各電極とパッドを接続すればよい。   In the present embodiment, the method for manufacturing a nanopore with two electrodes having two electrodes facing each other on the same plane has been described. However, a nanopore with an electrode having one electrode layer and more than two electrodes is manufactured. The case can be realized by changing the patterning of the pad (FIG. 7A) and the patterning of the electrode (FIG. 7C). Further, when a plurality of electrode layers are used as shown in FIG. 5C, an amorphous silicon film and a gold / titanium film are alternately deposited after FIG. 7B, and the lowest gold / titanium is formed as in FIG. 7C. Pattern up to the film. Furthermore, it is only necessary to prepare pads as many as the number of electrodes, and to connect each electrode and pad by wiring.

本実施例では全ての電極に化学修飾分子704を付与したが、全ての化学修飾分子704が異なってもよいし、同一でもよい。また、化学修飾分子の無い電極が混在してもよい。   In this embodiment, chemically modified molecules 704 are applied to all electrodes, but all chemically modified molecules 704 may be different or the same. Further, electrodes without chemically modifying molecules may be mixed.

<実施例8>
本発明による核酸分析デバイスを用いた核酸分析装置の一構成を図8を用いて説明する。核酸分析装置は、第一溶液槽821、第二溶液槽822、両溶液槽を分割する化学修飾分子の付与された電極付ナノポアによる核酸分析デバイス823、ナノポア816を通じて核酸837を第一溶液槽821と第二溶液槽822との間で移動させる核酸駆動手段824、825、制御及びデータ処理手段826で構成される。本実施例では核酸駆動手段824、825を両溶液槽に配置したが、これに加えて、又はこれの替わりに核酸駆動手段824、825を核酸分析デバイス823に内蔵させても良い。両溶液槽には溶液を導入する導入口827、828と溶液を排出する排出口829、830がそれぞれ備えられている。更に、両溶液槽には電極831、832が備えられており、電極831、832は極性及び出力可変の電圧源833と電流計834に接続されている。これら電極831、832は、核酸駆動手段824、825にそれぞれ内蔵させても良い。
<Example 8>
One configuration of the nucleic acid analysis apparatus using the nucleic acid analysis device according to the present invention will be described with reference to FIG. The nucleic acid analyzer includes a first solution tank 821, a second solution tank 822, a nucleic acid analysis device 823 using nanopores with electrodes to which chemically modified molecules are divided to divide both solution tanks, and a first solution tank 821 through a nanopore 816. Nucleic acid driving means 824, 825, and control and data processing means 826 that move between the first solution tank 822 and the second solution tank 822. In this embodiment, the nucleic acid driving means 824 and 825 are arranged in both solution tanks. However, in addition to or instead of this, the nucleic acid driving means 824 and 825 may be incorporated in the nucleic acid analysis device 823. Both solution tanks are provided with inlets 827 and 828 for introducing the solution and outlets 829 and 830 for discharging the solution, respectively. Furthermore, electrodes 831 and 832 are provided in both solution tanks, and the electrodes 831 and 832 are connected to a voltage source 833 and an ammeter 834 whose polarity and output are variable. These electrodes 831 and 832 may be incorporated in the nucleic acid driving means 824 and 825, respectively.

本実施例では、核酸分析デバイス823に全電極802に化学修飾分子804が付与された2電極付ナノポアを用いた例を示す。2つの電極802の間に極性及び出力可変の電圧源835と電流計836を接続する。電圧源833、835、電流計834、836、核酸駆動手段824、825は制御及びデータ処理手段826に接続されている。   In this embodiment, an example in which a nanopore with two electrodes in which a chemically modified molecule 804 is added to all electrodes 802 is used for the nucleic acid analysis device 823 is shown. A voltage source 835 having variable polarity and output and an ammeter 836 are connected between the two electrodes 802. The voltage sources 833 and 835, the ammeters 834 and 836, and the nucleic acid driving means 824 and 825 are connected to the control and data processing means 826.

核酸837を解析する際には、解析対象である核酸837をバッファ溶液に混合し、導入口827より第一溶液槽821に、バッファ溶液のみを導入口828より第二溶液槽822に導入する。核酸駆動手段824、825により、核酸837を第一溶液槽821から第二溶液槽822へ移動させる。核酸駆動と同時に電圧源833を用いて2つの電極831、832の間を流れる電流、即ち、ナノポア816を介して流れるイオン電流を電流計834を用いて計測する。核酸837がナノポア816に導入されるとイオン電流値が減少する。イオン電流値が減少したら、電極802の間を流れるトンネル電流により塩基種の識別が可能となるよう、核酸駆動手段824、825により、核酸837がナノポア816を通過するスピードを調節する。塩基種の識別は一定電圧の下で流れるトンネル電流値の違いや、各塩基の電流−電圧特性の違いにより識別する。   When analyzing the nucleic acid 837, the nucleic acid 837 to be analyzed is mixed with the buffer solution, and only the buffer solution is introduced into the first solution tank 821 from the inlet 827 and into the second solution tank 822 through the inlet 828. The nucleic acid 837 is moved from the first solution tank 821 to the second solution tank 822 by the nucleic acid driving means 824 and 825. The current flowing between the two electrodes 831 and 832 using the voltage source 833 simultaneously with the driving of the nucleic acid, that is, the ionic current flowing through the nanopore 816 is measured using the ammeter 834. When the nucleic acid 837 is introduced into the nanopore 816, the ion current value decreases. When the ion current value decreases, the speed at which the nucleic acid 837 passes through the nanopore 816 is adjusted by the nucleic acid driving means 824 and 825 so that the base species can be identified by the tunnel current flowing between the electrodes 802. The base type is identified by a difference in a tunnel current value flowing under a constant voltage or a difference in current-voltage characteristics of each base.

ここで、一定電圧の下で流れるトンネル電流値の違いでDNA鎖の塩基識別を行う方法を説明する。DNA鎖の塩基にはATGCの4種類があるが、これらの塩基の種類ごとに固有の電流値が観測され、制御及びデータ処理手段826に送られる。一例を図9に示す。予め、各塩基1種類のみが連なったポリマーがナノポア816を通過するときのトンネル電流を計測し、各塩基種に対応した電流値を求め、制御及びデータ処理手段のメモリに記憶しておく。そして、解析対象のDNA鎖のトンネル電流計測時に得られた電流値と予め計測した各塩基種に対応した電流値を比較することにより、解析対象のDNA鎖の塩基配列を知ることができる。   Here, a method for performing base identification of a DNA strand based on a difference in a tunnel current value flowing under a constant voltage will be described. There are four types of bases in the DNA chain, ATGC, and a unique current value is observed for each type of these bases and sent to the control and data processing means 826. An example is shown in FIG. A tunnel current when a polymer in which only one type of each base is connected passes through the nanopore 816 is measured in advance, and a current value corresponding to each base type is obtained and stored in the memory of the control and data processing means. The base sequence of the DNA strand to be analyzed can be known by comparing the current value obtained at the time of measuring the tunnel current of the DNA strand to be analyzed with the current value corresponding to each base type measured in advance.

核酸837を構成する全ての塩基が電極間を通過して、塩基識別が完了した後、同一の核酸837を逆方向に駆動して再び塩基識別を行い、ベリファイを行っても良い。また、核酸837がナノポア816を通過するスピードが速いために一回の測定で塩基種の識別ができない場合には、同一塩基を繰返し計測することにより統計的に識別しても良い。核酸837の分析が完了したら、排出口830から排出する。   After all the bases constituting the nucleic acid 837 pass between the electrodes and the base identification is completed, the same nucleic acid 837 may be driven in the reverse direction to perform base identification again and perform verification. If the base species cannot be identified by a single measurement because the speed at which the nucleic acid 837 passes through the nanopore 816 is high, the identification may be made statistically by repeatedly measuring the same base. When the analysis of the nucleic acid 837 is completed, the nucleic acid 837 is discharged from the discharge port 830.

本実施例では、1個のナノポアを有する核酸分析デバイスを使ったトンネル電流の計測を行っているが、多数のナノポアを同一基板上に配置して、多数の解析対象核酸のトンネル電流の同時計測により、スループットの向上も図れる。   In this embodiment, the tunnel current is measured using a nucleic acid analysis device having one nanopore. However, a large number of nanopores are arranged on the same substrate, and simultaneous measurement of the tunnel current of a large number of nucleic acids to be analyzed is performed. As a result, throughput can be improved.

<実施例9>
実施例8では化学修飾分子が付与された2電極付ナノポアを用いた核酸分析装置の一構成を説明した。1つのナノポアに対し、2つより多くの電極を用いて様々な電極間を流れるトンネル電流で塩基の種類を識別する方が、2電極の場合より識別能高く高精度に塩基配列を解析することができる。ここでは、化学修飾分子が付与された電極付ナノポアを用いた核酸分析装置の内、1つのナノポアに対して2つより多い電極を持つ電極付ナノポアを用いた核酸分析装置の一構成を図10を用いて説明する。ここでは、図5(c)のように、同一平面上の電極数を2つとし、電極の層を4層とした8電極付ナノポアを用いた例を説明する。8つの電極は4層の2電極対から構成されており、最も上層の電極対にはTを修飾し、Aに対する識別能を上げ、最も上層から2番目の電極対にはCを修飾し、Gに対する識別能を上げ、最も上層から3番目の電極対にはAを修飾し、Tに対する識別能を上げ、最も下層の電極対にはGを修飾し、Cに対する識別能を上げている。
<Example 9>
In Example 8, one configuration of a nucleic acid analyzer using a two-electrode nanopore provided with a chemically modified molecule was described. For a single nanopore, it is possible to analyze the base sequence with higher discriminating ability and higher accuracy by identifying the type of base with tunnel current flowing between various electrodes using more than two electrodes. Can do. Here, FIG. 10 shows a configuration of a nucleic acid analyzer using electrode-equipped nanopores having more than two electrodes for one nanopore among nucleic acid analyzers using electrode-attached nanopores to which chemically modified molecules are attached. Will be described. Here, as shown in FIG. 5C, an example using a nanopore with eight electrodes in which the number of electrodes on the same plane is two and the number of electrode layers is four will be described. Eight electrodes are composed of two electrode pairs of four layers, the uppermost electrode pair is modified with T, the discrimination ability for A is improved, and the second electrode pair from the uppermost layer is modified with C, The discriminating ability for G is raised, the third electrode pair from the uppermost layer is modified with A, the discriminating ability for T is raised, the lowermost electrode pair is modified with G, and the discriminating ability for C is raised.

装置は、実施例8と同様に、第一溶液槽1021、第二溶液槽1022、両溶液槽を分割する化学修飾分子1004が付与された電極付ナノポアによる核酸分析デバイス1023、ナノポア1016を通じて核酸1037を第一溶液槽1021と第二溶液槽1022との間で移動させる核酸駆動手段1024、1025、制御及びデータ処理手段1026で構成される。本実施例では核酸駆動手段1024、1025を両溶液槽に配置したが、これに加えて、又はこれの替わりに核酸駆動手段1024、1025を核酸分析デバイス1023に内蔵させても良い。両溶液槽には溶液を導入する導入口1027、1028と溶液を排出する排出口1029、1030がそれぞれ備えられている。更に、両溶液槽には電極1031、1032が備えられており、電極1031、1032は極性及び出力可変の電圧源1033と電流計1034に接続されている。これら電極1031、1032は、核酸駆動手段1024、1025にそれぞれ内蔵させても良い。4つの電極対それぞれに極性及び出力可変の電圧源1035、1038、1040、1042と電流計1036、1039、1041、1043を接続する。電圧源1033、1035、1038、1040、1042、電流計1034、1036、1039、1041、1043、核酸駆動手段1024、1025は制御及びデータ処理手段1026に接続されている。本実施例では、4つの電極対につき4組の電圧源と電流計を接続したが、スイッチを用いて、1組の電圧源と電流計を4組の電極対に切り替えて接続しても良い。その場合は、スイッチも制御及びデータ処理手段に接続する。   In the same manner as in Example 8, the apparatus includes a first solution tank 1021, a second solution tank 1022, a nucleic acid analyzing device 1023 using a nanopore with an electrode provided with a chemically modified molecule 1004 that divides both solution tanks, and a nucleic acid 1037 through a nanopore 1016. Is constituted by nucleic acid driving means 1024 and 1025 for moving the first solution tank 1021 and the second solution tank 1022, and control and data processing means 1026. In this embodiment, the nucleic acid driving means 1024 and 1025 are arranged in both solution tanks. However, in addition to or instead of this, the nucleic acid driving means 1024 and 1025 may be built in the nucleic acid analysis device 1023. Both solution tanks are provided with inlets 1027 and 1028 for introducing the solution and outlets 1029 and 1030 for discharging the solution, respectively. Furthermore, both solution tanks are provided with electrodes 1031 and 1032, and the electrodes 1031 and 1032 are connected to a voltage source 1033 having variable polarity and output and an ammeter 1034. These electrodes 1031 and 1032 may be incorporated in the nucleic acid driving means 1024 and 1025, respectively. A voltage source 1035, 1038, 1040, 1042 of variable polarity and output and an ammeter 1036, 1039, 1041, 1043 are connected to each of the four electrode pairs. Voltage sources 1033, 1035, 1038, 1040, 1042, ammeters 1034, 1036, 1039, 1041, 1043, and nucleic acid driving means 1024, 1025 are connected to control and data processing means 1026. In this embodiment, four voltage sources and ammeters are connected to four electrode pairs. However, one set of voltage source and ammeter may be switched to four electrode pairs by using a switch. . In that case, the switch is also connected to the control and data processing means.

核酸1037を解析する際には、解析対象である核酸1037をバッファ溶液に混合し、導入口1027より第一溶液槽1021に、バッファ溶液のみを導入口1028より第二溶液槽1022に導入する。核酸駆動手段1024、1025により、核酸1037を第一溶液槽1021から第二溶液槽1022へ移動させる。核酸駆動と同時に電圧源1033を用いて2つの電極1031、1032の間を流れる電流、即ち、ナノポア1016を介して流れるイオン電流を電流計1034を用いて計測する。核酸1037がナノポア1016に導入されるとイオン電流値が減少する。電流値が減少したら、核酸分析デバイス1023が有する4つの電極対間を流れるトンネル電流により塩基種の識別が可能となるよう、核酸駆動手段1024、1025により、核酸1037がナノポア1016を通過するスピードを調節する。塩基種の識別は一定電圧の下で流れるトンネル電流値の違いや、各塩基の電流−電圧特性の違いにより識別する。   When analyzing the nucleic acid 1037, the nucleic acid 1037 to be analyzed is mixed with the buffer solution, and only the buffer solution is introduced into the first solution tank 1021 through the inlet 1027 and into the second solution tank 1022 through the inlet 1028. The nucleic acid 1037 is moved from the first solution tank 1021 to the second solution tank 1022 by the nucleic acid driving means 1024 and 1025. Simultaneously with the driving of the nucleic acid, the voltage source 1033 is used to measure the current flowing between the two electrodes 1031 and 1032, that is, the ionic current flowing through the nanopore 1016, using the ammeter 1034. When the nucleic acid 1037 is introduced into the nanopore 1016, the ionic current value decreases. When the current value decreases, the nucleic acid driving means 1024 and 1025 increase the speed at which the nucleic acid 1037 passes through the nanopore 1016 so that the base species can be identified by the tunnel current flowing between the four electrode pairs of the nucleic acid analysis device 1023. Adjust. The base type is identified by a difference in a tunnel current value flowing under a constant voltage or a difference in current-voltage characteristics of each base.

ここで、一定電圧の下で流れるトンネル電流値の違いでDNA鎖の塩基識別を行う方法を説明する。予め、各塩基1種類のみが連なったポリマーがナノポア1016を通過するときの核酸分析デバイス1023が有する4つの電極対間を流れるトンネル電流を計測し、4種の塩基に対応した電流値を求め、制御及びデータ処理手段1026のメモリに記憶しておく。4つの電極対の内、最も上層の電極対はAに対する選択感度が高く、Aが電極間にあるとき、A以外の塩基に比べて十分大きな電流が流れるため、他の塩基と区別できる。   Here, a method for performing base identification of a DNA strand based on a difference in a tunnel current value flowing under a constant voltage will be described. In advance, a tunnel current flowing between four electrode pairs of the nucleic acid analysis device 1023 when a polymer in which only one type of each base is connected passes through the nanopore 1016 is measured, and current values corresponding to the four types of bases are obtained. It is stored in the memory of the control and data processing means 1026. Among the four electrode pairs, the uppermost electrode pair has a high selectivity sensitivity to A, and when A is between the electrodes, a sufficiently large current flows as compared to bases other than A, and therefore, it can be distinguished from other bases.

一方、A以外の3種の塩基の識別能は低くても良い。同様に、最も上層から2番目の電極対はGとG以外の塩基とを区別でき、最も上層から3番目の電極対はTとT以外の塩基とを区別でき、最も下層の電極対はCとC以外の塩基とを区別できる。解析対象のDNA鎖がある時間内に4つの電極対間を通過すると、4つの電極対間のトンネル電流がある時間内で変化する。各トンネル電流変化から、それぞれ別の塩基に対して高感度に識別したデータが得られるため、各データを互いに補完することにより解析対象のDNA鎖の塩基配列を知ることができる。   On the other hand, the discriminating ability of three types of bases other than A may be low. Similarly, the second electrode pair from the top layer can distinguish G and bases other than G, the third electrode pair from the top layer can distinguish T and bases other than T, and the bottom electrode pair is C. And bases other than C can be distinguished. When a DNA strand to be analyzed passes between four electrode pairs within a certain time, a tunnel current between the four electrode pairs changes within a certain time. Since each tunnel current change provides highly sensitive data for each different base, the base sequence of the DNA strand to be analyzed can be known by complementing each data.

具体的には、解析対象のDNA鎖の塩基配列が仮にAGTCGTAGCの場合、DNA鎖が4つの電極対間を通過する際に得られるトンネル電流の時間依存性を図11を用いて説明する。最上層の電極対間を流れるトンネル電流の時間依存性からは、解析対象のDNA鎖の塩基配列が、少なくとも“A?????A??”であることが分かる。ここで、“?”はA、T、G、Cの何れかの塩基。次に、最上層から2番目の電極対間のトンネル電流依存性からは少なくとも“?G??G??G?”であると分かる。以下同様に、各電極対間のトンネル電流の時間依存性からそれぞれ選択感度の高い塩基を識別したデータを得て、各データを互いに補完すると、解析対象のDNA鎖の塩基配列を知ることができる。   Specifically, when the base sequence of the DNA strand to be analyzed is AGTCTAGGC, the time dependence of the tunnel current obtained when the DNA strand passes between four electrode pairs will be described with reference to FIG. From the time dependence of the tunnel current flowing between the uppermost electrode pair, it can be seen that the base sequence of the DNA strand to be analyzed is at least “A ?????? A ???”. Here, “?” Is any base of A, T, G, and C. Next, from the dependence of the tunnel current between the second electrode pair from the top layer, it can be seen that at least “? G? G ?? G?”. Similarly, by obtaining data identifying bases with high selection sensitivity from the time dependence of the tunnel current between each electrode pair, and complementing each other, it is possible to know the base sequence of the DNA strand to be analyzed. .

実施例8と同様に、核酸1037を構成する全ての塩基が4つの電極対間を通過して、塩基識別が完了した後、同一の核酸1037を逆方向に駆動して再び塩基識別を行い、ベリファイを行っても良い。また、核酸1037がナノポア1016を通過するスピードが速いために一回の測定で塩基種の識別ができない場合には、同一塩基を繰返し計測することにより統計的に識別しても良い。核酸1037の分析が完了したら、排出口1030から排出する。   In the same manner as in Example 8, after all the bases constituting the nucleic acid 1037 pass between the four electrode pairs and the base identification is completed, the same nucleic acid 1037 is driven in the reverse direction to perform base identification again. Verification may be performed. If the base species cannot be identified by a single measurement because the speed at which the nucleic acid 1037 passes through the nanopore 1016 is high, the identification may be made statistically by repeatedly measuring the same base. When the analysis of the nucleic acid 1037 is completed, the nucleic acid 1037 is discharged from the discharge port 1030.

本実施例では、1個のナノポアを有する核酸分析デバイスを使ったトンネル電流の計測を行っているが、多数のナノポアを同一基板上に配置して、多数の解析対象核酸のトンネル電流の同時計測により、スループットの向上も図れる。   In this embodiment, the tunnel current is measured using a nucleic acid analysis device having one nanopore. However, a large number of nanopores are arranged on the same substrate, and simultaneous measurement of the tunnel current of a large number of nucleic acids to be analyzed is performed. As a result, throughput can be improved.

<実施例10>
本発明による核酸分析デバイスの電極対構成の一例を説明する。
電極対間の解析対象核酸のトンネル電流を計測する際、電極対を構成する2つの電極は同じ化学修飾分子にせず、異なる化学修飾分子にしても良いし、片方の電極を化学修飾無しとしても良い。3つ以上の電極を有する核酸分析デバイスにおいて、電極の1つを共通電極としてグランドに接続し、n個の電極で(n−1)対の電極対を構成することができる(n≧3)。ここでは、5つの電極1202を有する核酸分析デバイスにおいて、電極1202の1つを共通電極とし、4つの電極対を構成した実施例を図12を用いて説明する。
<Example 10>
An example of the electrode pair configuration of the nucleic acid analysis device according to the present invention will be described.
When measuring the tunnel current of the nucleic acid to be analyzed between the electrode pair, the two electrodes constituting the electrode pair may not be the same chemically modified molecule, but may be different chemically modified molecules, or one electrode may be not chemically modified. good. In a nucleic acid analysis device having three or more electrodes, one of the electrodes can be connected to the ground as a common electrode, and (n−1) pairs of electrodes can be configured by n electrodes (n ≧ 3) . Here, an example in which one of the electrodes 1202 is a common electrode and four electrode pairs are configured in a nucleic acid analysis device having five electrodes 1202 will be described with reference to FIG.

図12に同一平面上に5つの電極1202を有し、電極層は1層で構成されている。5つの電極1202のうち1つの電極を化学修飾無しとし、残り4つの電極には異なる化学修飾分子1204を付与する。5つの電極1202をここでは、電極a、b、c、d、eと区別して説明する。電極aには化学修飾を付与せず、電極bにはTを修飾し、Aに対する識別能を上げ、電極cにはCを修飾し、Gに対する識別能を上げ、電極dにはAを修飾し、Tに対する識別能を上げ、電極eにはGを修飾し、Cに対する識別能を上げている。電極aを共通電極とし、電極aとb、aとc、aとd、aとeの4つの電極対を構成する。電極対a−bでAを識別し、電極対a−cでGを識別し、電極対a−dでTを識別し、電極対a−eでCを識別する。   FIG. 12 has five electrodes 1202 on the same plane, and the electrode layer is composed of one layer. One of the five electrodes 1202 is not chemically modified, and different chemically modified molecules 1204 are applied to the remaining four electrodes. Here, the five electrodes 1202 are described separately from the electrodes a, b, c, d, and e. The electrode a is not chemically modified, the electrode b is modified with T, the discriminating ability for A is increased, the electrode c is modified with C, the discriminating ability for G is increased, and the electrode d is modified with A. In addition, the discrimination ability for T is improved, and the electrode e is modified with G to increase the discrimination ability for C. The electrode a is a common electrode, and four electrode pairs of electrodes a and b, a and c, a and d, and a and e are configured. A is identified by the electrode pair ab, G is identified by the electrode pair ac, T is identified by the electrode pair ad, and C is identified by the electrode pair ae.

本実施例では、共通電極は化学修飾無しとしたが、化学修飾分子を付けても良い。また、本実施例では全ての電極が同一平面上に有ったが、電極層が2層以上で、異なる平面上に電極が存在しても良い。また、電極数をより多くし、高精度化しても良い。   In this embodiment, the common electrode is not chemically modified, but may be chemically modified. Further, in this embodiment, all the electrodes are on the same plane, but two or more electrode layers may be present on different planes. Further, the number of electrodes may be increased to increase the accuracy.

101,201,301,401,501,1201…開口、
102,202,302,402,502,802,831,832,1002,1202…電極、
103,303,403,503,803,1003…絶縁膜、
104,204,304,404,504,604,704,804,1004,1204…化学修飾分子、
105,205,305,405,505…実効的なナノポア、
606,706…シリコン基板、
607,611,613,614,713,714…シリコン窒化膜、
608,609,708…窒化チタン膜、
610,710…ギャップ、
612,712,720…シリコン酸化膜、
615,715…薄膜部分、
616,716,816,1016…ナノポア、
717,719…アモルファスシリコン膜、
718…金/チタン膜、
821,1021…第一溶液槽、
822,1022…第二溶液槽、
823,1023…核酸分析デバイス、
824,825,1024,1025…核酸駆動手段、
826,1026…制御及びデータ処理手段、
827,828,1027,1028…導入口、
829,830,1029,1030…排出口、
833,835,1033,1035,1038,1040,1042…電圧源、
834,836,1034,1036,1039,1041,1043…電流計、
837,1037…核酸。
101, 201, 301, 401, 501, 1201 ... opening,
102, 202, 302, 402, 502, 802, 831, 832, 1002, 1202 ... electrodes,
103,303,403,503,803,1003 ... insulating film,
104,204,304,404,504,604,704,804,1004,1204 ... chemically modified molecule,
105, 205, 305, 405, 505 ... effective nanopores,
606, 706 ... silicon substrate,
607, 611, 613, 614, 713, 714 ... silicon nitride film,
608, 609, 708 ... titanium nitride film,
610, 710 ... gap,
612, 712, 720 ... silicon oxide film,
615, 715 ... Thin film part,
616, 716, 816, 1016 ... nanopore,
717, 719 ... amorphous silicon film,
718 ... gold / titanium film,
821, 1021 ... first solution tank,
822, 1022 ... second solution tank,
823, 1023 ... nucleic acid analysis device,
824, 825, 1024, 1025 ... nucleic acid driving means,
826, 1026 ... control and data processing means,
827, 828, 1027, 1028 ... inlet,
829, 830, 1029, 1030 ... discharge port,
833, 835, 1033, 1035, 1038, 1040, 1042 ... voltage source,
834, 836, 1034, 1036, 1039, 1041, 1043 ... ammeter,
837, 1037 ... nucleic acid.

Claims (15)

電流測定により試料中の核酸を分析する核酸分析デバイスであって、
固体基板と、
前記固体基板を貫通して設けられ前記試料が通過するナノポアと、
前記固体基板に配置され、それぞれの一端面が前記ナノポアに面して設けられた少なくとも2つの電極と、
を備え、
少なくとも1つの前記電極の前記ナノポアに面する一端面には、核酸を構成する4種の塩基のうち少なくとも1種に対する識別能を向上させるための化学修飾分子が付与され、
前記ナノポアに前記試料を進入させながら、前記少なくとも2つの電極間に電圧を印加して前記進入した試料中の核酸を構成する塩基に電流を流すことにより、前記核酸の分析を行うことを特徴とする核酸分析デバイス。
A nucleic acid analysis device for analyzing nucleic acid in a sample by current measurement,
A solid substrate;
A nanopore provided through the solid substrate and through which the sample passes;
At least two electrodes disposed on the solid substrate, each having one end face facing the nanopore;
With
At least one end surface of the electrode facing the nanopore is provided with a chemically modified molecule for improving the discrimination ability for at least one of the four types of bases constituting the nucleic acid,
Analyzing the nucleic acid by applying a voltage between the at least two electrodes and causing a current to flow through a base constituting the nucleic acid in the entered sample while the sample enters the nanopore. Nucleic acid analysis device.
前記化学修飾分子が付与された電極の一端面が、前記ナノポアの側壁と前記個体基板表面または裏面とが交差して形成される輪郭形状を有する開口の該開口端よりも前記ナノポアの内部方向に突き出た配置構造を有し、
前記配置構造により決定される実効的なナノポアサイズを、分析対象とする前記核酸が通過できるサイズで、かつ前記塩基に電流が流れる程度のサイズとすることを特徴とする請求項1に記載の核酸分析デバイス。
One end surface of the electrode to which the chemically modifying molecule is applied is in the inner direction of the nanopore rather than the opening end of the opening having a contour shape formed by crossing the side wall of the nanopore and the surface or back surface of the solid substrate. With a protruding arrangement structure,
2. The nucleic acid according to claim 1, wherein an effective nanopore size determined by the arrangement structure is a size that allows the nucleic acid to be analyzed to pass through and a size that allows current to flow through the base. Analytical device.
前記化学修飾分子が付与された電極の一端面が、前記ナノポアの側壁と前記個体基板表面または裏面とが交差して形成される輪郭形状を有する開口の該開口端、あるいは該開口端より前記個体基板側に配置された配置構造を有し、
前記開口のサイズを、分析対象とする前記核酸が通過できるサイズでかつ該塩基に電流が流れる程度のサイズとすることを特徴とする請求項1に記載の核酸分析デバイス。
One end face of the electrode to which the chemically modified molecule is applied has an opening end of an opening having a contour shape formed by intersecting a side wall of the nanopore and the front or back surface of the solid substrate, or the individual from the open end. Having an arrangement structure arranged on the substrate side,
2. The nucleic acid analysis device according to claim 1, wherein the size of the opening is a size that allows the nucleic acid to be analyzed to pass through and a size that allows current to flow through the base.
前記固体基板が、シリコン、ガラス、石英、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリスチレン、ポリプロピレンのいずれか1つの材料で構成されることを特徴とする請求項1に記載の核酸分析デバイス。   2. The solid substrate according to claim 1, wherein the solid substrate is made of any one of silicon, glass, quartz, polydimethylsiloxane (PDMS), polytetrafluoroethylene (PTFE), polystyrene, and polypropylene. Nucleic acid analysis device. 前記固体基板が、厚さ5〜200nmの薄膜部分を有し、
前記ナノポアは、前記薄膜部分に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の核酸分析デバイス。
The solid substrate has a thin film portion having a thickness of 5 to 200 nm;
The nucleic acid analysis device according to claim 1, wherein the nanopore is provided in the thin film portion.
前記薄膜部分が、シリコン、ガラス、石英、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリスチレン、ポリプロピレン、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、金属酸化物、金属ケイ酸塩のいずれか1つの材料で構成されることを特徴とする請求項5に記載の核酸分析デバイス。   The thin film portion is any of silicon, glass, quartz, polydimethylsiloxane (PDMS), polytetrafluoroethylene (PTFE), polystyrene, polypropylene, silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, metal oxide, and metal silicate. The nucleic acid analysis device according to claim 5, wherein the nucleic acid analysis device is made of any one material. 前記電極が、金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、銅、鉄、アルミ、チタン、ニッケル、タンタル、タングステン、コバルト、クロム、モリブデン、ニオブの何れかである金属材料、あるいは窒化チタン、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化ニオブ、窒化クロムの何れかである金属窒化物材料、あるいはタングステンシリサイド、チタンシリサイド、コバルトシリサイド、ニッケルシリサイドの何れかであるシリサイド材料、あるいはグラファイト、グラフェン、カーボンナノチューブの何れかであるカーボン材料、あるいはシリコン、ゲルマニウムの何れかである半導体材料のいづれかで構成されることを特徴とする請求項1に記載の核酸分析デバイス。   The electrode is a metal material such as gold, silver, platinum, palladium, rhodium, ruthenium, copper, iron, aluminum, titanium, nickel, tantalum, tungsten, cobalt, chromium, molybdenum, niobium, or titanium nitride, nitride Metal nitride material that is one of tantalum, tungsten nitride, niobium nitride, chromium nitride, or silicide material that is any of tungsten silicide, titanium silicide, cobalt silicide, nickel silicide, graphite, graphene, or carbon nanotube 2. The nucleic acid analyzing device according to claim 1, wherein the nucleic acid analyzing device is made of any one of a carbon material and a semiconductor material which is either silicon or germanium. 前記電極の厚さが、0.1〜10nmの範囲であることを特徴とする請求項1に記載の核酸分析デバイス。   The nucleic acid analysis device according to claim 1, wherein the electrode has a thickness in a range of 0.1 to 10 nm. 前記化学修飾分子が、前記分析対象とする試料に含有される核酸分子、あるいは該核酸分子に対する分子認識能を有する有機化合物のいづれかで構成されることを特徴とする請求項1に記載の核酸分析デバイス。   The nucleic acid analysis according to claim 1, wherein the chemically modified molecule is composed of any one of a nucleic acid molecule contained in the sample to be analyzed or an organic compound having molecular recognition ability for the nucleic acid molecule. device. 前記化学修飾分子の厚さが、2nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の核酸分析デバイス。   The nucleic acid analysis device according to claim 1, wherein the chemically modified molecule has a thickness of 2 nm or less. 前記開口の形状が円形の場合はその直径が、楕円形の場合はその短径が、多角形の場合はその内接円の直径が、10nm以下であることを特徴とする請求項2または3に記載の核酸分析デバイス。   The diameter of the opening is circular when the shape of the opening is circular, the short diameter of the opening is elliptical, and the diameter of the inscribed circle of the polygon is 10 nm or less. The nucleic acid analysis device according to 1. 前記核酸が、一本鎖DNA、二本鎖DNA、一本鎖RNA、二本鎖RNA、DNAとRNAからなるハイブリッド核酸、人為的に合成されたポリマー分子の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項1に記載の核酸分析デバイス。   The nucleic acid includes at least one of single-stranded DNA, double-stranded DNA, single-stranded RNA, double-stranded RNA, a hybrid nucleic acid composed of DNA and RNA, and an artificially synthesized polymer molecule. The nucleic acid analysis device according to claim 1. 前記ナノポアの深さが、前記核酸を構成するモノマー単位の2倍以上の大きさであることを特徴とする請求項1に記載の核酸分析デバイス。   The nucleic acid analysis device according to claim 1, wherein the depth of the nanopore is twice or more as large as a monomer unit constituting the nucleic acid. 請求項1〜13のいずれか1項に記載の核酸分析デバイスを有し、
分析対象とする核酸を含有する試料溶液を導入する導入口と該試料溶液を排出する排出口を具備してなる第1の溶液槽と、
溶液を導入する導入口と該溶液を排出する排出口を具備してなる第2の溶液槽と、
前記第1の溶液槽と前記第2の溶液槽との間に配置された前記核酸分析デバイスを有するナノポアを通じて、前記核酸を前記第1の溶液槽から前記第2の溶液槽へ移動させる核酸駆動手段と、
前記第1の溶液槽と前記第2の溶液槽との間に電圧を印加する第1電圧源と、
前記ナノポアを介して前記第1の溶液槽と前記第2の溶液槽との間に流れる電流を検出する第1電流計と、
前記核酸分析デバイスに設けられた電極間に電圧を印加する第2電圧源と、
前記核酸分析デバイスに設けられた電極間に流れる電流を検出する第2電流計と、
少なくとも前記核酸駆動手段を制御する制御手段と、
少なくとも前記第1および第2電流計で検出されたデータを取得して処理するデータ処理手段と、を備え、
前記第2電圧源を用いて、前記ナノポアに進入した前記試料溶液中の核酸を構成する塩基に電流を流し、前記第2電流計を用いてその電流を計測することにより前記試料溶液中の核酸を分析することを特徴とする核酸分析装置。
The nucleic acid analysis device according to any one of claims 1 to 13,
A first solution tank comprising an inlet for introducing a sample solution containing a nucleic acid to be analyzed, and an outlet for discharging the sample solution;
A second solution tank comprising an inlet for introducing the solution and an outlet for discharging the solution;
Nucleic acid driving for moving the nucleic acid from the first solution tank to the second solution tank through the nanopore having the nucleic acid analysis device disposed between the first solution tank and the second solution tank. Means,
A first voltage source for applying a voltage between the first solution tank and the second solution tank;
A first ammeter that detects a current flowing between the first solution tank and the second solution tank via the nanopore;
A second voltage source for applying a voltage between electrodes provided in the nucleic acid analysis device;
A second ammeter for detecting a current flowing between electrodes provided in the nucleic acid analysis device;
Control means for controlling at least the nucleic acid driving means;
Data processing means for obtaining and processing at least data detected by the first and second ammeters,
Using the second voltage source, a current is passed through the base constituting the nucleic acid in the sample solution that has entered the nanopore, and the current is measured using the second ammeter, whereby the nucleic acid in the sample solution is measured. A nucleic acid analyzer characterized in that
前記核酸分析デバイスに前記核酸駆動手段を内蔵させたことを特徴とする請求項14に記載の核酸分析装置。   15. The nucleic acid analyzer according to claim 14, wherein the nucleic acid driving device is built in the nucleic acid analysis device.
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