JP2014157097A - Spectrometry and spectral device - Google Patents

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Masateru Taniguchi
正輝 谷口
Makusu Tsutsui
真楠 筒井
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Osaka University NUC
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Osaka University NUC
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spectrometry and a spectral device capable of simply, quickly and accurately detecting and identifying a substance.SOLUTION: A sample is analyzed by: a first step of placing a sample between electrode pairs to which direct current voltage V is applied; a second step of measuring a value of direct current I which flows between the electrode pairs, while changing the direct current voltage V; and a third step of determining a value Vp 1 of the direct current voltage V when a gradient of an I-V curve changes.

Description

本発明は、直流電圧および直流を利用した分光法および分光装置に関する。   The present invention relates to a spectroscopic method and a spectroscopic device using a direct current voltage and direct current.

近年、様々な分野において、物質(例えば、1個の分子)を簡便かつ迅速に検出および識別する技術の開発が求められている。   In recent years, in various fields, development of a technique for detecting and identifying a substance (for example, one molecule) simply and quickly has been demanded.

例えば、ヌクレオチドまたはポリヌクレオチドなどの物質を検出および識別する技術は、医療、創薬および犯罪捜査などの分野にまで広く利用されており、この技術の発展にますます関心が集められている。   For example, techniques for detecting and identifying substances such as nucleotides or polynucleotides are widely used in fields such as medicine, drug discovery and criminal investigation, and are attracting increasing interest in the development of this technique.

患者の個性にかなったテーラーメイド医療を実現するためには、個人のゲノムの塩基配列を短時間で精度良く読解し、個人のゲノムの塩基配列における特徴点を正確に把握する必要がある。このような点からも、ヌクレオチドまたはポリヌクレオチドなどの物質を検出および識別する技術の発展にますます関心が集められている。   In order to realize tailor-made medical treatment that matches the individuality of a patient, it is necessary to accurately read the base sequence of the individual genome in a short time and accurately grasp the feature points in the base sequence of the individual genome. In this respect as well, there is an increasing interest in the development of technology for detecting and identifying substances such as nucleotides or polynucleotides.

このような状況下にあって、電極対の間の微小な空間を物質(例えば、ヌクレオチドまたはポリヌクレオチド)が移動および通過するときに当該電極対の間に流れるトンネル電流を測定し、当該トンネル電流に基づいて物質を検出および識別する技術の開発が進んでいる(例えば、非特許文献1および非特許文献2参照)。   Under such circumstances, a tunnel current flowing between the electrode pair is measured when a substance (for example, a nucleotide or a polynucleotide) moves and passes through a minute space between the electrode pair. Development of a technique for detecting and identifying a substance based on the above is progressing (for example, see Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2).

更に具体的に、上述した技術では、物質が電極対の間の微小な空間に入ってから当該空間から出るまでの短時間(例えば、数ミリ秒間)で、電極対の間に流れるトンネル電流を検出する。そして、複数のトンネル電流を検出した上で特定の値のトンネル電流の出現頻度を把握し、最も頻度高く出現したトンネル電流の値に基づいて物質を識別している。   More specifically, in the above-described technique, the tunnel current flowing between the electrode pair is reduced in a short time (for example, several milliseconds) from when the substance enters the minute space between the electrode pair and exits the space. To detect. Then, after detecting a plurality of tunnel currents, the frequency of occurrence of a tunnel current having a specific value is grasped, and the substance is identified based on the value of the tunnel current that appears most frequently.

上述した技術では、トンネル電流を少数(例えば、1個または2個)検出しただけでは、最も頻度高く出現するトンネル電流の値が何れであるのか正確に決定することが難しい。つまり、上述したトンネル電流に基づく技術では、精度よく物質を識別するためには、できるだけ多くのトンネル電流を検出した上で、最も頻度高く出現したトンネル電流の値を決定する必要がある。   In the above-described technique, it is difficult to accurately determine the value of the tunnel current that appears most frequently only by detecting a small number (for example, one or two) of tunnel currents. That is, in the technique based on the tunnel current described above, in order to identify a substance with high accuracy, it is necessary to detect the tunnel current as much as possible and determine the value of the tunnel current that appears most frequently.

それ故に、上述した技術によって正確に物質を検出および識別するためには、特定の値のトンネル電流の出現頻度を正確に把握するために長い時間を必要とする。そして、この点において、上述した技術には、更なる改良の余地があった。   Therefore, in order to accurately detect and identify a substance by the above-described technique, it takes a long time to accurately grasp the appearance frequency of a tunnel current having a specific value. In this respect, the above-described technique has room for further improvement.

ところで、トンネル電流を用いて物質を検出および識別する別の技術として、従来から、非弾性電子トンネル分光法(Inelastic tunneling spectroscopy:IETS)が知られている(例えば、非特許文献3参照)。   By the way, as another technique for detecting and identifying a substance using a tunnel current, inelastic tunneling spectroscopy (IETS) has been conventionally known (see, for example, Non-Patent Document 3).

図16に、従来の非弾性電子トンネル分光法の概略を示す。従来の非弾性電子トンネル分光法では、ロックインアンプを用いた交流法(交流電圧と交流電流とを用いる方法)によって電極対の電気伝導度を計測し、これによって物質を識別している。   FIG. 16 shows an outline of conventional inelastic electron tunneling spectroscopy. In conventional inelastic electron tunneling spectroscopy, the electrical conductivity of an electrode pair is measured by an alternating current method using a lock-in amplifier (a method using an alternating voltage and an alternating current), and the substance is identified by this.

本発明者は、上述した2つの技術を組み合わせることができれば、より簡便、迅速かつ正確に物質(例えば、1個の分子)を検出および識別できるのではないかとの独自の仮説に基づき、研究を続けてきた。   The present inventor conducted research based on an original hypothesis that a substance (for example, a single molecule) could be detected and identified more easily, quickly and accurately if the above two techniques can be combined. Continued.

M. Tsutsui et al., Nature Nanotechnology 5,286-290(2010)M. Tsutsui et al., Nature Nanotechnology 5,286-290 (2010) M. Tsutsui et al., Scientific Reports 1,46,1-6(2011)M. Tsutsui et al., Scientific Reports 1,46,1-6 (2011) B. C. Stipe et al., Science 280, 1732-1735 (1998)B. C. Stipe et al., Science 280, 1732-1735 (1998)

しかしながら、上述した2つの技術を単純に組み合わせることは不可能であって、簡便、迅速かつ正確に物質を検出および識別するためには、従来とは異なる全く新しい技術が必要となった。   However, it is impossible to simply combine the two techniques described above, and in order to detect and identify a substance simply, quickly and accurately, a completely new technique different from the conventional technique is required.

具体的には、電極対の間の微小な空間を物質が移動および通過するときに当該電極対の間に流れるトンネル電流を測定する技術では、電極対の間の微小な空間に物質が滞在する時間は、数ミリ秒という極めて短い時間である。そして、このような短時間でIETSスペクトルの計測を実施するためには、例えば電圧掃引を0V〜0.2Vまで行いながら0.2mV毎に電流のデータを収集する必要があり、この場合、1m秒の間に略1000点の電流計測を行う必要がある。   Specifically, in the technique of measuring a tunnel current flowing between a pair of electrodes when the substance moves and passes through the minute space between the electrode pair, the substance stays in the minute space between the electrode pair. The time is an extremely short time of several milliseconds. In order to measure the IETS spectrum in such a short time, for example, it is necessary to collect current data every 0.2 mV while performing voltage sweep from 0 V to 0.2 V. In this case, 1 m It is necessary to measure about 1000 points of current during a second.

しかしながら、ロックインアンプを用いた交流法に基づく従来の非弾性電子トンネル分光法は、ローパスフィルタによって参照信号の周波数と合致する入力信号以外のノイズ信号と参照信号との掛け合わせにより生じる高周波信号をカットすることが不可欠である。それ故に、ロックインアンプを用いた交流法に基づく非弾性電子トンネル分光法は、高速の電流測定には適さない(市販のロックインアンプのサンプルレートは、概ね10kHz以下である)。   However, the conventional inelastic electron tunneling spectroscopy based on the AC method using a lock-in amplifier has a high-frequency signal generated by multiplying a noise signal other than the input signal that matches the frequency of the reference signal by a low-pass filter and the reference signal. It is essential to cut. Therefore, inelastic electron tunneling spectroscopy based on the AC method using a lock-in amplifier is not suitable for high-speed current measurement (the sample rate of a commercially available lock-in amplifier is approximately 10 kHz or less).

つまり、ロックインアンプを用いた交流法に基づく従来の非弾性電子トンネル分光法は、1m秒の間に略1000点の電流計測を行う必要があるような技術と組み合わせることができないという問題点を有している。   In other words, the conventional inelastic electron tunneling spectroscopy based on the alternating current method using a lock-in amplifier cannot be combined with a technique that requires approximately 1000 current measurements in 1 msec. Have.

本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、簡便、迅速かつ正確に物質を検出および識別できる分光法および分光装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a spectroscopic method and a spectroscopic device capable of detecting and identifying a substance simply, quickly and accurately.

本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意検討した結果、ロックインアンプを用いることなく、電極対に直流電圧を印加した上で当該電極対の間に試料を配置し、当該電極対の間を流れる直流(トンネル電流)を測定すれば、ピコアンペアレベルの微小な直流(トンネル電流)を10MHz以上の高速度にて測定可能であることを見出すとともに、このようにして測定した直流および直流電圧であっても、従来のIETS法の測定結果と同様に、分子の構造を正確に識別できることを見出し、本発明を完成させるに至った。   As a result of intensive studies in view of the above problems, the present inventors applied a DC voltage to an electrode pair without using a lock-in amplifier, placed a sample between the electrode pair, and placed between the electrode pair. By measuring the flowing direct current (tunnel current), it was found that a small direct current (tunnel current) of picoampere level could be measured at a high speed of 10 MHz or more, and the direct current and direct current voltage thus measured were used. Even in such a case, the present inventors have found that the molecular structure can be accurately identified as in the measurement result of the conventional IETS method, and have completed the present invention.

本発明の分光法は、上記課題を解決するために、正極と負極との間に試料が配置された電極対に対して直流電圧Vbを印加する第1工程と、上記直流電圧Vbを変化させながら、上記電極対の間に流れる直流Iの値を測定する第2工程と、上記直流電圧Vbに対して上記直流IをプロットしたI−V曲線について、上記I−V曲線の傾きが変化するときの上記直流電圧Vbの値Vp1を決定する第3工程と、を有することを特徴としている。   In order to solve the above problems, the spectroscopy of the present invention includes a first step of applying a DC voltage Vb to an electrode pair in which a sample is disposed between a positive electrode and a negative electrode, and changing the DC voltage Vb. However, the slope of the IV curve changes in the second step of measuring the value of the DC I flowing between the electrode pair and the IV curve in which the DC I is plotted against the DC voltage Vb. And a third step of determining the value Vp1 of the DC voltage Vb at the time.

上記構成によれば、直流電圧Vbが印加される電極対の間に試料を配置した後で、直流電圧Vbを変化させながら、電極対の間に流れる直流Iの値を測定する。このとき、直流電圧Vbを変化させるのに伴って、直流Iの値が変化する。   According to the above configuration, after the sample is placed between the electrode pair to which the DC voltage Vb is applied, the value of the DC I flowing between the electrode pair is measured while changing the DC voltage Vb. At this time, as the DC voltage Vb is changed, the value of the DC I changes.

I−V曲線の傾き(換言すれば、直流電圧Vbが一定量変化したときの直流Iの変化量)は、電極対に対して分子振動モードのエネルギーに対応する直流電圧Vbが印加された時点で変化する。換言すれば、直流電圧Vbに対して直流IをプロットしたI−V曲線の傾きが変化するときの直流電圧Vbの値Vp1を決定すれば、当該値Vp1が、分子振動モードのエネルギーに対応する直流電圧である。   The slope of the IV curve (in other words, the amount of change in DC I when the DC voltage Vb changes by a certain amount) is the time when the DC voltage Vb corresponding to the energy of the molecular vibration mode is applied to the electrode pair. It changes with. In other words, if the value Vp1 of the DC voltage Vb when the slope of the IV curve in which the DC I is plotted with respect to the DC voltage Vb changes, the value Vp1 corresponds to the energy of the molecular vibration mode. DC voltage.

つまり、I−V曲線に基づいて値Vp1を決定すれば、試料に由来する分子振動モード、換言すれば、試料に含まれる分子構造を推定することができる。そして、これによって、簡便、迅速かつ正確に試料を検出および識別できる。   That is, if the value Vp1 is determined based on the IV curve, the molecular vibration mode derived from the sample, in other words, the molecular structure contained in the sample can be estimated. Thus, the sample can be detected and identified simply, quickly and accurately.

本発明の分光法は、上記第3工程では、上記直流電圧Vbに対して上記直流IをプロットしたI−V曲線について、上記直流電圧Vbによる上記直流Iの1次微分dI/dVbを算出することによって上記値Vp1を決定することが好ましい。   In the third method, the first differential dI / dVb of the direct current I with respect to the direct current voltage Vb is calculated for the IV curve in which the direct current I is plotted with respect to the direct current voltage Vb. Thus, it is preferable to determine the value Vp1.

上記構成によれば、I−V曲線を略階段状のグラフへ変換することができる。そして、その結果、I−V曲線の傾きが変化するときの上記直流電圧Vbの値Vp1を、より正確に決定することができる。そして、その結果、上記試料の分子構造を、より正確に決定することができる。   According to the said structure, an IV curve can be converted into a substantially step-like graph. As a result, the value Vp1 of the DC voltage Vb when the slope of the IV curve changes can be determined more accurately. As a result, the molecular structure of the sample can be determined more accurately.

I−V曲線から上記Vp1を直接決定することが難しい場合がある。例えば、I−V曲線の傾きが少ししか変化しない場合には、I−V曲線から上記Vp1を直接決定することは難しくなる。しかし、このような場合であっても、1次微分dI/dVbの値が変化するときの直流電圧Vbの値として上記値Vp1を決定すれば、当該値Vp1を、より正確に決定することができる。   It may be difficult to directly determine the Vp1 from the IV curve. For example, when the slope of the IV curve changes only slightly, it becomes difficult to directly determine the Vp1 from the IV curve. However, even in such a case, if the value Vp1 is determined as the value of the DC voltage Vb when the value of the primary differential dI / dVb changes, the value Vp1 can be determined more accurately. it can.

本発明の分光法は、上記第3工程では、上記直流電圧Vbに対して上記直流IをプロットしたI−V曲線について、上記直流電圧Vbによる上記直流Iの2次微分dI/dVbを算出することによって上記値Vp1を決定することが好ましい。 In the spectroscopic method of the present invention, in the third step, the second derivative d 2 I / dVb 2 of the direct current I with respect to the direct current voltage Vb with respect to an IV curve in which the direct current I is plotted with respect to the direct current voltage Vb. It is preferable to determine the value Vp1 by calculating.

上記構成によれば、I−V曲線を略ピーク状のグラフへ変換することができる。そして、その結果、1次微分dI/dVbを算出することによって値Vp1を決定する場合と比較して、I−V曲線の傾きが変化するときの上記直流電圧Vbの値Vp1を、更に正確に決定することができる。そして、更に、1次微分dI/dVを算出することによって値Vp1を決定する場合と比較して、上記試料の分子構造を、より正確に推定することができる。   According to the said structure, an IV curve can be converted into a substantially peak-shaped graph. As a result, the value Vp1 of the DC voltage Vb when the slope of the IV curve changes is more accurately compared with the case where the value Vp1 is determined by calculating the primary differential dI / dVb. Can be determined. Further, the molecular structure of the sample can be estimated more accurately as compared with the case where the value Vp1 is determined by calculating the first derivative dI / dV.

I−V曲線から上記Vp1を直接決定することが難しい場合がある。例えば、I−V曲線の傾きが少ししか変化しない場合には、I−V曲線から上記Vp1を直接決定することは難しくなる。しかし、このような場合であっても、2次微分dI/dVbの値が変化するときの直流電圧Vbの値として上記値Vp1を決定すれば、当該値Vp1を、より正確に決定することができる。しかも、当該決定は、1次微分dI/dVbを算出することによって値Vp1を決定する場合と比較して、より正確なものとなり得る。 It may be difficult to directly determine the Vp1 from the IV curve. For example, when the slope of the IV curve changes only slightly, it becomes difficult to directly determine the Vp1 from the IV curve. However, even in such a case, if the value Vp1 is determined as the value of the DC voltage Vb when the value of the secondary differential d 2 I / dVb 2 changes, the value Vp1 is determined more accurately. can do. Moreover, the determination can be more accurate than the case where the value Vp1 is determined by calculating the first derivative dI / dVb.

本発明の分光法では、上記直流Iは、実測される直流の値から、上記電極対の間を流れる弾性トンネル電流の値を引いたものであることが好ましい。   In the spectroscopic method of the present invention, the direct current I is preferably obtained by subtracting the value of the elastic tunnel current flowing between the electrode pair from the measured direct current value.

上記構成によれば、実質的に非弾性トンネル電流のみに基づいて値Vp1を決定することができるので、より正確に値Vp1を決定することができる。それ故に、上記構成によれば、上記試料の分子構造を、より正確に推定することができる。   According to the above configuration, since the value Vp1 can be determined substantially based only on the inelastic tunnel current, the value Vp1 can be determined more accurately. Therefore, according to the above configuration, the molecular structure of the sample can be estimated more accurately.

本発明の分光法は、上記第3工程の後に、上記試料の値Vp1と、該Vp1に対応する、予め決定されている参照試料の値Vp2と、を比較する第4工程を有することが好ましい。   The spectroscopic method of the present invention preferably includes, after the third step, a fourth step of comparing the sample value Vp1 with a predetermined reference sample value Vp2 corresponding to the Vp1. .

上記構成によれば、試料の分子構造と参照試料の分子構造との類似性または同一性を判定することができる。   According to the above configuration, similarity or identity between the molecular structure of the sample and the molecular structure of the reference sample can be determined.

本発明の分光法は、上記第4工程の後に、下記(A)〜(C)の少なくとも1つを判定する第5工程を有することが好ましい。つまり、
(A)上記試料の値Vp1と上記参照試料の値Vp2とが同じである場合に、上記試料の分子構造と上記参照試料の分子構造とが同じであると判定する;
(B)上記試料の値Vp1と上記参照試料の値Vp2とが一部において同じである場合に、上記試料の分子構造と上記参照試料の分子構造とが、一部において同じであると判定する;
(C)上記試料の値Vp1と上記参照試料の値Vp2とが異なる場合に、上記試料の分子構造と上記参照試料の分子構造とが異なると判定する。
The spectroscopic method of the present invention preferably has a fifth step of determining at least one of the following (A) to (C) after the fourth step. That means
(A) When the value Vp1 of the sample and the value Vp2 of the reference sample are the same, it is determined that the molecular structure of the sample and the molecular structure of the reference sample are the same;
(B) When the value Vp1 of the sample and the value Vp2 of the reference sample are partially the same, it is determined that the molecular structure of the sample and the molecular structure of the reference sample are partially the same. ;
(C) When the value Vp1 of the sample and the value Vp2 of the reference sample are different, it is determined that the molecular structure of the sample and the molecular structure of the reference sample are different.

上記構成によれば、試料の分子構造と参照試料の分子構造との類似性または同一性を、更に詳細に判定することができる。また、上記構成によれば、試料の分子構造が未知である場合、当該試料の分子構造を予測することができる。   According to the above configuration, the similarity or identity between the molecular structure of the sample and the molecular structure of the reference sample can be determined in more detail. Moreover, according to the said structure, when the molecular structure of a sample is unknown, the molecular structure of the said sample can be estimated.

例えば、上記試料の分子構造が未知であって、上記試料の値Vp1(1個または複数個のVp1が存在する場合であり得る)と、上記参照試料の値Vp2(1個または複数個のVp2が存在する場合であり得る)とが完全に同じである場合を考える。   For example, the molecular structure of the sample is unknown, and the sample value Vp1 (which may be one or more Vp1s) and the reference sample value Vp2 (one or more Vp2s). Is the exact same case).

この場合、上記試料の分子構造と上記参照試料の分子構造とが完全に同じであると判定することができる。そして、このとき、上記参照試料として分子構造が判っている分子を用いれば、上記試料の分子構造を決定することができる。   In this case, it can be determined that the molecular structure of the sample and the molecular structure of the reference sample are completely the same. At this time, if a molecule having a known molecular structure is used as the reference sample, the molecular structure of the sample can be determined.

一方、上記試料の分子構造が未知であって、上記試料の値Vp1(1個または複数個のVp1が存在する場合であり得る)と、上記参照試料の値Vp2(1個または複数個のVp2が存在する場合であり得る)とが一部において、または完全に異なる場合を考える。   On the other hand, the molecular structure of the sample is unknown, and the sample value Vp1 (which may be one or more Vp1s) and the reference sample value Vp2 (one or more Vp2s). Is present) may be partially or completely different.

この場合、上記試料の分子構造と上記参照試料の分子構造とが異なると判定することができる。そして、このとき、上記参照試料として分子構造が判っている分子を用いれば、上記試料の分子構造の候補から特定の分子構造を除外することができる。   In this case, it can be determined that the molecular structure of the sample is different from the molecular structure of the reference sample. At this time, if a molecule having a known molecular structure is used as the reference sample, a specific molecular structure can be excluded from the molecular structure candidates of the sample.

本発明の分光法では、上記試料は、上記電極対の間の空間を移動しているものであり得る。   In the spectroscopic method of the present invention, the sample may be moving in a space between the electrode pair.

本発明であればピコアンペアレベルの微小な直流を10MHz以上の高速度にて測定可能であるので、移動している試料であったとしても、解析に必要な量のデータを得ることができる。   According to the present invention, a minute direct current of picoampere level can be measured at a high speed of 10 MHz or higher, so that even if the sample is moving, the amount of data necessary for analysis can be obtained.

本発明の分光法では、上記電極対の間の空間は、上記試料として1分子の物質のみが配置される大きさにて形成されていることが好ましい。   In the spectroscopic method of the present invention, it is preferable that the space between the electrode pair is formed in such a size that only one molecule of substance is arranged as the sample.

上記構成によれば、1個の分子について、簡便、迅速かつ正確な検出および識別を行うことができる。   According to the above configuration, simple, rapid and accurate detection and identification can be performed for one molecule.

本発明の分光法は、上記第2工程では、上記直流電圧Vbが、一定の値ずつ変化することが好ましい。   In the spectroscopic method of the present invention, in the second step, the DC voltage Vb is preferably changed by a constant value.

上記構成によれば、ムラ無く直流Iの値を測定するので、I−V曲線の傾きが変化する点を見逃す虞がない。そして、その結果、上記試料の分子構造を、より正確に推定することができる。   According to the above configuration, since the value of the direct current I is measured without unevenness, there is no possibility of overlooking the point where the slope of the IV curve changes. As a result, the molecular structure of the sample can be estimated more accurately.

本発明の分光装置は、上記課題を解決するために、正極と負極との間に試料が配置された電極対に対して、値を変化させながら直流電圧Vを印加する電圧源と、上記電極対の間に流れる直流Iの値を測定する電流計と、上記直流電圧Vに対して上記直流IをプロットしたI−V曲線について、上記I−V曲線の傾きが変化するときの上記直流電圧Vbの値Vp1を決定する解析部と、を備えることを特徴としている。   In order to solve the above problems, the spectroscopic device of the present invention includes a voltage source that applies a DC voltage V while changing a value with respect to an electrode pair in which a sample is arranged between a positive electrode and a negative electrode, and the electrode The DC voltage when the slope of the IV curve changes for an ammeter that measures the value of the DC I flowing between the pair and an IV curve in which the DC I is plotted against the DC voltage V. And an analysis unit for determining the value Vp1 of Vb.

上記構成によれば、直流電圧Vbが印加される電極対の間に試料を配置した後で、直流電圧Vbを変化させながら、電極対の間に流れる直流Iの値を測定する。このとき、直流電圧Vbを変化させるのに伴って、直流Iの値が変化する。   According to the above configuration, after the sample is placed between the electrode pair to which the DC voltage Vb is applied, the value of the DC I flowing between the electrode pair is measured while changing the DC voltage Vb. At this time, as the DC voltage Vb is changed, the value of the DC I changes.

I−V曲線の傾き(換言すれば、直流電圧Vbが一定量変化したときの直流Iの変化量)は、電極対に対して分子振動モードのエネルギーに対応する直流電圧Vbが印加された時点で変化する。換言すれば、直流電圧Vbに対して直流IをプロットしたI−V曲線の傾きが変化するときの直流電圧Vbの値Vp1を決定すれば、当該値Vp1が、分子振動モードのエネルギーに対応する直流電圧である。   The slope of the IV curve (in other words, the amount of change in DC I when the DC voltage Vb changes by a certain amount) is the time when the DC voltage Vb corresponding to the energy of the molecular vibration mode is applied to the electrode pair. It changes with. In other words, if the value Vp1 of the DC voltage Vb when the slope of the IV curve in which the DC I is plotted with respect to the DC voltage Vb changes, the value Vp1 corresponds to the energy of the molecular vibration mode. DC voltage.

つまり、I−V曲線に基づいて値Vp1を決定すれば、試料に由来する分子振動モード、換言すれば、試料に含まれる分子構造を推定することができる。そして、これによって、簡便、迅速かつ正確に試料を検出および識別できる。   That is, if the value Vp1 is determined based on the IV curve, the molecular vibration mode derived from the sample, in other words, the molecular structure contained in the sample can be estimated. Thus, the sample can be detected and identified simply, quickly and accurately.

本発明は、1個の分子の分子振動を検出可能な方法であるので、1個の分子の検出および識別を行うことができる。   Since the present invention is a method capable of detecting the molecular vibration of a single molecule, it can detect and identify a single molecule.

本発明は、ピコアンペアレベルの微小な直流を10MHz以上の高速度にて測定可能であるので、短時間しか電極対の間の空間に存在しない分子(例えば、移動している分子)の検出および識別を行うことができる。   Since the present invention can measure a minute direct current of picoampere level at a high speed of 10 MHz or more, it can detect a molecule (for example, a moving molecule) that exists in a space between electrode pairs only for a short time. Identification can be made.

本発明は、電極対のサイズ(例えば、幅)を所望のサイズに設定することが可能であるので、低分子から高分子に至るまで様々な物質(例えば、核酸、タンパク質、糖鎖など)を、1個の分子のレベルにて検出および識別を行うことができる。   In the present invention, since the size (for example, width) of the electrode pair can be set to a desired size, various substances (for example, nucleic acids, proteins, sugar chains, etc.) ranging from low molecules to high molecules can be used. Detection and identification can be done at the level of one molecule.

本発明は、分子構造に関する詳細な情報を得ることができるので、未知の分子の構造を予測することができる。   Since the present invention can obtain detailed information on the molecular structure, the structure of an unknown molecule can be predicted.

(a)および(b)は、本発明に用いられる電極対の構成の一例を示す図である。(A) And (b) is a figure which shows an example of a structure of the electrode pair used for this invention. (a)〜(c)は、本発明の第3工程の基本原理を説明する図である。(A)-(c) is a figure explaining the basic principle of the 3rd process of this invention. (a)〜(d)は、本発明の第3工程の基本原理を説明する図である。(A)-(d) is a figure explaining the basic principle of the 3rd process of this invention. 本発明の分光装置の一実施形態における構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of a structure in one Embodiment of the spectroscopy apparatus of this invention. 本発明の分光装置の一実施形態における動作の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the operation | movement in one Embodiment of the spectroscopic device of this invention. (a)および(b)は、本発明の実施例における、単一の分子が接合した金電極対の作製方法を示す図である。(A) And (b) is a figure which shows the preparation methods of the gold electrode pair which the single molecule joined in the Example of this invention. (a)〜(d)は、本発明の実施例において、1,4−ベンゼンジチオールが接合した電極対を用いた場合の試験結果を示すグラフである。(A)-(d) is a graph which shows the test result at the time of using the electrode pair which 1, 4- benzenedithiol joined in the Example of this invention. (a)〜(d)は、本発明の実施例において、1,4−ベンゼンジチオールが接合した電極対を用いた場合の試験結果を示すグラフである。(A)-(d) is a graph which shows the test result at the time of using the electrode pair which 1, 4- benzenedithiol joined in the Example of this invention. 本発明の実施例における1,4−ベンゼンジチオールに特徴的な分子振動モードのエネルギーを示す図である。It is a figure which shows the energy of the molecular vibration mode characteristic of 1, 4-benzenedithiol in the Example of this invention. (a)〜(d)は、本発明の実施例において、2,5−ジメルカプト−1,3,4−チアジアゾールが接合した電極対を用いた場合の試験結果を示すグラフである。(A)-(d) is a graph which shows the test result at the time of using the electrode pair which 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole joined in the Example of this invention. (a)〜(d)は、本発明の実施例において、2,5−ジメルカプト−1,3,4−チアジアゾールが接合した電極対を用いた場合の試験結果を示すグラフである。(A)-(d) is a graph which shows the test result at the time of using the electrode pair which 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole joined in the Example of this invention. 本発明の実施例における、2,5−ジメルカプト−1,3,4−チアジアゾールに特徴的な分子振動モードのエネルギーを示す図である。It is a figure which shows the energy of the molecular vibration mode characteristic of 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole in the Example of this invention. (a)〜(d)は、本発明の実施例において、1,6−ヘキサンジチオールが接合した電極対を用いた場合の試験結果を示すグラフである。(A)-(d) is a graph which shows the test result at the time of using the electrode pair which 1,6-hexanedithiol joined in the Example of this invention. (a)〜(d)は、本発明の実施例において、1,6−ヘキサンジチオールが接合した電極対を用いた場合の試験結果を示すグラフである。(A)-(d) is a graph which shows the test result at the time of using the electrode pair which 1,6-hexanedithiol joined in the Example of this invention. (a)〜(d)は、本発明の実施例において、単一の金原子が接合した電極対を用いた場合の試験結果を示すグラフである。(A)-(d) is a graph which shows the test result at the time of using the electrode pair which the single gold atom joined in the Example of this invention. 従来の非弾性電子トンネル分光法の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the conventional inelastic electron tunneling spectroscopy.

以下に、本発明の実施の形態の一例について説明する。なお、本発明は、以下に説示する各構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施の形態や実施例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施の形態や実施例についても本発明の技術的範囲に含まれる。   An example of the embodiment of the present invention will be described below. It should be noted that the present invention is not limited to the configurations described below, and various modifications are possible within the scope indicated in the claims, and techniques disclosed in different embodiments and examples, respectively. Embodiments and examples obtained by appropriately combining technical means are also included in the technical scope of the present invention.

〔1.電極対〕
本実施の形態の分光法に用いられる電極対の構成の一例について、以下に説明する。
[1. Electrode pair)
An example of the configuration of the electrode pair used in the spectroscopy of this embodiment will be described below.

図1(a)および(b)に、本実施の形態の分光法に用いられる電極対の構成の一例を示す。   FIGS. 1A and 1B show an example of the configuration of an electrode pair used in the spectroscopy of the present embodiment.

本実施の形態の分光法に用いられる電極対は、対となる電極1および電極2によって形成されている。そして、電極1には電圧源5が接続されており、電極2にはエレクトロメータ6が接続されている。そして、電極1と電極2との間に形成される空間の中に、試料7が配置される。   The electrode pair used in the spectroscopic method of the present embodiment is formed by the pair of electrode 1 and electrode 2. A voltage source 5 is connected to the electrode 1, and an electrometer 6 is connected to the electrode 2. A sample 7 is placed in a space formed between the electrode 1 and the electrode 2.

電圧源5としては、電極対に対して直流電圧Vbを印加し得るものであればよく、適宜、市販の電圧源を使用することができる。例えば、ケースレーインスツルメンツ社製の6487型電圧間内蔵ピコアンメータを用いることが可能であるが、本発明はこれに限定されない。   The voltage source 5 only needs to be able to apply the DC voltage Vb to the electrode pair, and a commercially available voltage source can be used as appropriate. For example, a 6487 type inter-voltage built-in picoammeter manufactured by Keithley Instruments Inc. can be used, but the present invention is not limited to this.

電圧源5としては、0.01mV刻み、0.05mV刻み、0.1mV刻み、0.2mV刻み、0.3mV刻み、0.4mV刻み、0.5mV刻み、0.6mV刻み、0.7mV刻み、0.8mV刻み、0.9mV刻み、または、1.0mV刻みにて電圧を上昇または下降させながら、電極対に対して直流電圧Vbを印加できるものを用いることができる。   The voltage source 5 is in increments of 0.01 mV, 0.05 mV, 0.1 mV, 0.2 mV, 0.3 mV, 0.4 mV, 0.5 mV, 0.5 mV, 0.6 mV, and 0.7 mV. , 0.8 mV increments, 0.9 mV increments, or 1.0 mV increments while increasing or decreasing the voltage can be used so that the DC voltage Vb can be applied to the electrode pair.

電圧源5としては、上述したもののうち、0.2mV刻み以下の間隔にて電圧を上昇または下降させながら、電極対に対して直流電圧Vbを印加できるものが好ましい。上記構成によれば、1m秒の間に略1000点以上の電流計測を行うことが可能となり、より正確に物質を検出および識別することができる。   The voltage source 5 is preferably one that can apply the direct-current voltage Vb to the electrode pair while increasing or decreasing the voltage at intervals of 0.2 mV or less. According to the above configuration, it is possible to measure current of approximately 1000 points or more in 1 msec, and it is possible to detect and identify a substance more accurately.

エレクトロメータ6としては特に限定されず、適宜、市販のエレクトロメータを使用することができる。例えば、ケースレーインスツルメンツ社製の6487型電圧間内蔵ピコアンメータを用いることが可能であるが、本発明はこれに限定されない。   The electrometer 6 is not particularly limited, and a commercially available electrometer can be used as appropriate. For example, a 6487 type inter-voltage built-in picoammeter manufactured by Keithley Instruments Inc. can be used, but the present invention is not limited to this.

エレクトロメータ6の具体的な構成の一例としては、高速電流アンプ、高速RAID、および、高速デジタライザを備えるエレクトロメータを挙げることができる。上記構成であれば、ピコアンペアのレベルの微小な電流を、10MHz以上の高速度にて測定することができる。なお、高速電流アンプ、高速RAID、および、高速デジタライザとしては、適宜、市販の構成を用いることができる。   As an example of a specific configuration of the electrometer 6, an electrometer including a high-speed current amplifier, a high-speed RAID, and a high-speed digitalizer can be cited. If it is the said structure, the micro electric current of the picoampere level can be measured at a high speed of 10 MHz or more. As the high-speed current amplifier, the high-speed RAID, and the high-speed digitalizer, commercially available configurations can be used as appropriate.

図1(b)に示す電極対は、図1(a)に示す電極対を紙面の下側から上側に向かって見た場合の電極対の様子を示している。なお、試料7が移動可能なものである場合には、当該試料7は、例えば、図1(b)に示す長さ(L)の伸長方向(換言すれば、図1(b)において、紙面の奥から手前へ向かう方向、または、紙面の手前から奥へ向かう方向)へ移動可能である。   The electrode pair shown in FIG. 1B shows a state of the electrode pair when the electrode pair shown in FIG. 1A is viewed from the lower side to the upper side of the drawing. In the case where the sample 7 is movable, the sample 7 is, for example, the extending direction of the length (L) shown in FIG. 1B (in other words, in FIG. In the direction from the back to the front, or the direction from the front to the back of the paper).

電極1と電極2との間に形成される空間のサイズは特に限定されず、試料の大きさに応じて、適宜設定すればよい。例えば、上記空間を、1個の分子のみが入り得るような小さなサイズに設計することが可能である。   The size of the space formed between the electrode 1 and the electrode 2 is not particularly limited, and may be set as appropriate according to the size of the sample. For example, the space can be designed to be small enough to contain only one molecule.

例えば、図1(b)に示す幅(W)は、1nm〜1000nmであってもよく、1nm〜100nmであってもよく、1nm〜60nmであってもよく、1nm〜20nmであってもよく、20nm〜60nmであってもよく、50nm〜60nmであってもよい。勿論、上記幅(W)は、1nm以下であってもよいし、1000nm以上であってもよい。   For example, the width (W) illustrated in FIG. 1B may be 1 nm to 1000 nm, 1 nm to 100 nm, 1 nm to 60 nm, or 1 nm to 20 nm. 20 nm to 60 nm or 50 nm to 60 nm. Of course, the width (W) may be 1 nm or less, or 1000 nm or more.

ヌクレオチドの分子直径は当業者に公知であるため、当該分子直径に基づいて上記幅(W)のサイズを設定することも可能である。例えば、一リン酸の形態のヌクレオチドの分子直径は約1nmであるため、上記幅(W)を、例えば0.5nm〜2nm、1nm〜1.5nm、または、1nm〜1.2nmに設定することも可能である。   Since the molecular diameter of nucleotides is known to those skilled in the art, the size of the width (W) can be set based on the molecular diameter. For example, since the molecular diameter of the nucleotide in the form of monophosphate is about 1 nm, the width (W) is set to, for example, 0.5 nm to 2 nm, 1 nm to 1.5 nm, or 1 nm to 1.2 nm. Is also possible.

図1(b)に示す高さ(H)は、1nm〜1000nmであってもよく、1nm〜100nmであってもよく、1nm〜60nmであってもよく、1nm〜20nmであってもよく、20nm〜60nmであってもよく、50nm〜60nmであってもよい。勿論、上記高さ(H)は、1nm以下であってもよいし、1000nm以上であってもよい。   The height (H) shown in FIG. 1 (b) may be 1 nm to 1000 nm, 1 nm to 100 nm, 1 nm to 60 nm, 1 nm to 20 nm, It may be 20 nm to 60 nm, or 50 nm to 60 nm. Of course, the height (H) may be 1 nm or less, or 1000 nm or more.

上記高さ(H)は、上述した幅(W)と同様に、0.5nm〜2nm、1nm〜1.5nm、または、1nm〜1.2nmに設定することも可能である。   The height (H) can be set to 0.5 nm to 2 nm, 1 nm to 1.5 nm, or 1 nm to 1.2 nm, similarly to the width (W) described above.

図1(b)に示す長さ(L)は、1nm〜1000nmであってもよく、1nm〜100nmであってもよく、1nm〜60nmであってもよく、1nm〜20nmであってもよく、20nm〜60nmであってもよく、50nm〜60nmであってもよい。勿論、上記高さ(H)は、1nm以下であってもよいし、1000nm以上であってもよい。   The length (L) shown in FIG. 1 (b) may be 1 nm to 1000 nm, 1 nm to 100 nm, 1 nm to 60 nm, 1 nm to 20 nm, It may be 20 nm to 60 nm, or 50 nm to 60 nm. Of course, the height (H) may be 1 nm or less, or 1000 nm or more.

上記高さ(H)は、上述した幅(W)と同様に、0.5nm〜2nm、1nm〜1.5nm、または、1nm〜1.2nmに設定することも可能である。   The height (H) can be set to 0.5 nm to 2 nm, 1 nm to 1.5 nm, or 1 nm to 1.2 nm, similarly to the width (W) described above.

電極1および電極2の具体的な材料としては特に限定されず、周知の材料にて電極1および電極2を構成することが可能である。例えば、電極1および電極2として、Au電極、Cr/Au電極、または、Pt/Au/Pt/SiO電極などを用いることが可能である。 The specific material of the electrode 1 and the electrode 2 is not particularly limited, and the electrode 1 and the electrode 2 can be made of a known material. For example, as the electrode 1 and the electrode 2, an Au electrode, a Cr / Au electrode, a Pt / Au / Pt / SiO 2 electrode, or the like can be used.

〔2.分光法〕
本実施の形態の分光法の構成の一例について、以下に説明する。
[2. Spectroscopy)
An example of the configuration of the spectroscopy of this embodiment will be described below.

本実施の形態の分光法は、第1工程、第2工程および第3工程を有している。本実施の形態の分光法は、好ましくは、更に第4工程または第5工程を有している。以下に、各工程について説明する。   The spectroscopic method of this embodiment has a first step, a second step, and a third step. The spectroscopic method of the present embodiment preferably further includes a fourth step or a fifth step. Below, each process is demonstrated.

〔2−1.第1工程〕
第1工程は、正極と負極との間に試料が配置された電極対に対して直流電圧Vbを印加する工程である。なお、当該直流電圧Vbは、上述した電圧源5によって電極対に対して印加される。
[2-1. First step]
The first step is a step of applying a DC voltage Vb to an electrode pair in which a sample is disposed between the positive electrode and the negative electrode. The DC voltage Vb is applied to the electrode pair by the voltage source 5 described above.

電極対の間に配置される試料の状態は特に限定されず、電極対の間の空間を移動可能に配置されてもよいし、電極対の間の空間を移動しないように配置されてもよい。例えば、複数種類の試料を連続的に解析する場合には、電極対の間の空間を移動可能なように試料を配置すればよい。一方、より解析の精度を上げる場合には、電極対の間の空間を移動しないように、換言すれば、電極対の間の空間にできるだけ長い時間存在するように、試料を配置すればよい。   The state of the sample arranged between the electrode pairs is not particularly limited, and the sample may be arranged so as to be movable in the space between the electrode pairs, or may be arranged so as not to move in the space between the electrode pairs. . For example, when analyzing a plurality of types of samples continuously, the samples may be arranged so as to be movable in the space between the electrode pair. On the other hand, in order to increase the accuracy of the analysis, the sample may be arranged so as not to move in the space between the electrode pairs, in other words, to exist in the space between the electrode pairs for as long as possible.

電極対の間の空間を移動可能なように試料を配置する場合、試料に対して電気的な力を作用させることによって当該試料を移動させてもよい。この場合、上述した電極対(電極1および電極2)とは別の電極対によって試料を移動させればよい。   When the sample is arranged so as to be movable in the space between the electrode pairs, the sample may be moved by applying an electric force to the sample. In this case, the sample may be moved by an electrode pair different from the electrode pair (electrode 1 and electrode 2) described above.

また、電極対の間の空間を移動可能なように試料を配置する場合、試料に対して圧力を作用させることによって当該試料を移動させてもよい。この場合、ポンプによって気体または液体に力を加え、当該気体または液体によって試料を移動させればよい。   Further, when the sample is arranged so as to be movable in the space between the electrode pairs, the sample may be moved by applying pressure to the sample. In this case, a force may be applied to the gas or liquid by a pump and the sample may be moved by the gas or liquid.

また、電極対の間の空間を移動可能なように試料を配置する場合、ブラウン運動によって当該試料を移動させてもよい。   When the sample is arranged so as to be movable in the space between the electrode pair, the sample may be moved by Brownian motion.

勿論、試料を移動させる方法は、上述した方法に限定されない。   Of course, the method of moving the sample is not limited to the method described above.

本実施の形態の分光法は、ピコアンペアレベルの微小な直流を10MHz以上の高速度にて測定可能であるので、たとえ移動している試料であったとしても、解析に必要な量のデータを得ることができる。   Since the spectroscopic method of this embodiment can measure a small direct current of picoampere level at a high speed of 10 MHz or more, even if it is a moving sample, the amount of data necessary for the analysis is obtained. Can be obtained.

一方、電極対の間の空間を移動しないように試料を配置する場合、試料と電極対との間に結合を形成することによって当該試料を電極対上に固定化してもよい。なお、試料と電極対との間に形成される結合の様式は限定されないが、試料を電極対上に強固に固定化して試料をより精度よく解析するという観点からは、共有結合が好ましい。   On the other hand, when the sample is arranged so as not to move in the space between the electrode pair, the sample may be immobilized on the electrode pair by forming a bond between the sample and the electrode pair. In addition, although the mode of the coupling | bonding formed between a sample and an electrode pair is not limited, a covalent bond is preferable from a viewpoint of fixing a sample firmly on an electrode pair and analyzing a sample more accurately.

上記試料としては特に限定されず、例えば各種分子(例えば、低分子(ヌクレオチド、アミノ酸、糖など)または高分子(ポリヌクレオチド、タンパク質、糖など)など)を用いることが可能である。   The sample is not particularly limited, and for example, various molecules (for example, a low molecule (nucleotide, amino acid, sugar, etc.) or a polymer (polynucleotide, protein, sugar, etc.)) can be used.

例えば、上記試料は、電極対との間で結合を形成し得る官能基を有する分子であってもよい。この場合、試料を電極対の間に固定した状態で電極対の間に流れる直流Iを測定することができるので、より安定に直流Iを測定することができる。   For example, the sample may be a molecule having a functional group that can form a bond with an electrode pair. In this case, since the direct current I flowing between the electrode pair can be measured with the sample fixed between the electrode pair, the direct current I can be measured more stably.

上記官能基としては、例えば、「−SH」、「−NH」または「−COOH」を挙げることができる。官能基が「−SH」である場合、当該官能基を介して、試料を電極対の構成成分である金に対して結合させることができる。官能基が「−NH」である場合、当該官能基を介して、試料を電極対の構成成分である金に対して結合させることができる。官能基が「−COOH」である場合、当該官能基を介して、試料を電極対の構成成分である金に対して結合させることができる。 Examples of the functional group include “—SH”, “—NH 2 ”, and “—COOH”. When the functional group is “—SH”, the sample can be bonded to gold, which is a component of the electrode pair, via the functional group. When the functional group is “—NH 2 ”, the sample can be bonded to gold, which is a component of the electrode pair, via the functional group. When the functional group is “—COOH”, the sample can be bonded to gold as a constituent component of the electrode pair via the functional group.

上記試料は、電荷を有する分子(例えば、ヌクレオチド、ポリヌクレオチド、解離性の側鎖を有するアミノ酸、または、タンパク質など)であってもよい。この場合、上述した電極対(電極1および電極2)とは別の電極対によって、電極対の間の空間を通過するように上記電荷を有する分子を移動させることができる。そして、上記電荷を有する分子が電極対の間の空間を通過しているときに、電極対の間に流れる直流を測定することができる。   The sample may be a molecule having a charge (for example, a nucleotide, a polynucleotide, an amino acid having a dissociable side chain, or a protein). In this case, the molecule having the charge can be moved so as to pass through the space between the electrode pair by an electrode pair different from the electrode pair (electrode 1 and electrode 2) described above. And when the molecule | numerator which has the said electric charge passes the space between electrode pairs, the direct current which flows between electrode pairs can be measured.

本実施の形態の分光法は、ピコアンペアレベルの微小な直流を10MHz以上の高速度にて測定可能であるので、たとえ移動している試料であったとしても、解析に必要な量のデータを得ることができる。   Since the spectroscopic method of this embodiment can measure a small direct current of picoampere level at a high speed of 10 MHz or more, even if it is a moving sample, the amount of data necessary for the analysis is obtained. Can be obtained.

電極対の間に配置される試料の量は特に限定されず、電極対の間に1個の分子を配置してもよいし、1個〜5個の分子を配置してもよいし、1個〜10個の分子を配置してもよいし、10個以上の分子を配置してもよい。なお、電極対の間に配置される試料の量は、電極対の間の空間のサイズを所望のサイズに設計することによって決定することができる。   The amount of the sample disposed between the electrode pair is not particularly limited, and one molecule may be disposed between the electrode pair, or 1 to 5 molecules may be disposed. 10 to 10 molecules may be arranged, or 10 or more molecules may be arranged. In addition, the quantity of the sample arrange | positioned between electrode pairs can be determined by designing the size of the space between electrode pairs to a desired size.

本実施の形態の分光法であれば、たとえ1つの分子であったとしても、解析に必要な量のデータを得ることができる。また、本実施の形態の分光法であれば、個々の分子に関する詳細な解析を行うことができる。   With the spectroscopic method of the present embodiment, even if it is a single molecule, it is possible to obtain the amount of data necessary for the analysis. In addition, with the spectroscopic method of the present embodiment, detailed analysis on individual molecules can be performed.

〔2−2.第2工程〕
第2工程は、直流電圧Vbを変化させながら、電極対の間に流れる直流Iの値を測定する工程である。つまり、第2工程は、上述した第1工程にて電極対の間に試料を配置した後、電極対の間に試料を配置した状態にて、電極対に印加する直流電圧Vbを変化させながら、当該電極対の間に流れる直流Iの値を測定する工程である。
[2-2. Second step]
The second step is a step of measuring the value of the direct current I flowing between the electrode pair while changing the direct current voltage Vb. That is, in the second step, after the sample is disposed between the electrode pair in the first step described above, the DC voltage Vb applied to the electrode pair is changed while the sample is disposed between the electrode pair. This is a step of measuring the value of the direct current I flowing between the electrode pair.

直流電圧Vbは、上述した電圧源5によって電極対に対して印加され、直流Iは、上述した電流計6によって測定される。なお、電圧源5および電流計6の具体的な構成については既に説明したので、ここではその説明を省略する。   The DC voltage Vb is applied to the electrode pair by the voltage source 5 described above, and the DC I is measured by the ammeter 6 described above. Since specific configurations of the voltage source 5 and the ammeter 6 have already been described, description thereof is omitted here.

電極対に対して印加される直流電圧Vbの変化様式は特に限定されず、0.01mV刻み、0.05mV刻み、0.1mV刻み、0.2mV刻み、0.3mV刻み、0.4mV刻み、0.5mV刻み、0.6mV刻み、0.7mV刻み、0.8mV刻み、0.9mV刻み、または、1.0mV刻みにて直流電圧Vbを上昇または下降させてもよい。   The change mode of the DC voltage Vb applied to the electrode pair is not particularly limited, and may be 0.01 mV, 0.05 mV, 0.1 mV, 0.2 mV, 0.3 mV, 0.4 mV, The DC voltage Vb may be increased or decreased in 0.5 mV increments, 0.6 mV increments, 0.7 mV increments, 0.8 mV increments, 0.9 mV increments, or 1.0 mV increments.

電極対に対して印加される直流電圧Vbの変化様式は、0.2mV刻み以下の間隔にて上昇または下降するものであることが好ましい。上記構成によれば、1m秒の間に略1000点以上の電流計測を行うことが可能となり、より正確に物質を検出および識別することができる。   It is preferable that the change mode of the DC voltage Vb applied to the electrode pair rises or falls at intervals of 0.2 mV or less. According to the above configuration, it is possible to measure current of approximately 1000 points or more in 1 msec, and it is possible to detect and identify a substance more accurately.

〔2−3.第3工程〕
まず、図2(a)〜図2(c)を用いて、第3工程の基本原理について説明する。
[2-3. Third step]
First, the basic principle of the third step will be described with reference to FIGS. 2 (a) to 2 (c).

図2(a)は、金によって形成された電極対の間に試料が配置された状態を示している。なお、当該電極対には、直流電圧Vbが印加されており、当該電極対の間に流れる直流Iの値は、電流計によって測定されている。   FIG. 2A shows a state in which a sample is arranged between a pair of electrodes formed of gold. Note that a DC voltage Vb is applied to the electrode pair, and the value of the DC I flowing between the electrode pair is measured by an ammeter.

電極対に印加する直流電圧Vbの値を徐々に変化(例えば増加)させると、直流電圧Vbの値に応じて、電極対の間に流れる電流の種類が変化する。この点について、図2(b)および図2(c)を用いて更に詳細に説明する。   When the value of the DC voltage Vb applied to the electrode pair is gradually changed (for example, increased), the type of current flowing between the electrode pair changes according to the value of the DC voltage Vb. This point will be described in more detail with reference to FIGS. 2B and 2C.

試料は、その分子構造に応じた様々な分子振動モードを有している。そして、電極対に対して印加する直流電圧Vbを、上記分子振動モードのエネルギーに対応する値Vpよりも小さくした場合と、上記分子振動モードのエネルギーに対応する値Vpよりも大きくした場合とでは、電極対の間に流れる電流の種類が変化する。   The sample has various molecular vibration modes corresponding to its molecular structure. Then, when the DC voltage Vb applied to the electrode pair is made smaller than the value Vp corresponding to the energy of the molecular vibration mode and when it is made larger than the value Vp corresponding to the energy of the molecular vibration mode. The type of current flowing between the electrode pair changes.

具体的には、図2(b)に示すように、電極対に対して、試料の分子振動モードのエネルギーに対応する値Vpよりも小さな値の直流電圧Vbが印加されると、電極対の間には、直流として弾性トンネル電流(弾性)が流れる。   Specifically, as shown in FIG. 2B, when a DC voltage Vb having a value smaller than the value Vp corresponding to the energy of the molecular vibration mode of the sample is applied to the electrode pair, An elastic tunnel current (elasticity) flows as a direct current between them.

一方、図2(c)に示すように、電極対に対して、試料の分子振動モードのエネルギーに対応する値Vpよりも大きな値の直流電圧Vbが印加されると、電極対の間には、直流として弾性トンネル電流(弾性)および非弾性トンネル電流(非弾性)が流れる。   On the other hand, when a DC voltage Vb having a value larger than the value Vp corresponding to the energy of the molecular vibration mode of the sample is applied to the electrode pair, as shown in FIG. Elastic tunnel current (elastic) and inelastic tunnel current (inelastic) flow as direct current.

したがって、上述した値Vpを境として、直流電圧Vbの値が小さいときと、直流電圧の値が大きいときとでは、I−V曲線の傾き(換言すれば、直流電圧Vbが一定量変化したときの直流Iの変化量)が変わることになる。   Therefore, when the value of the DC voltage Vb is small and the value of the DC voltage is large with the value Vp as a boundary, the slope of the IV curve (in other words, when the DC voltage Vb changes by a certain amount). Change amount of the direct current I) changes.

そして、本実施の形態の分光法では、実測値に基づいて作成されるI−V曲線に基づいて値Vpを算出し、これによって、簡便、迅速かつ正確に試料を検出および識別することができる。   In the spectroscopic method according to the present embodiment, the value Vp is calculated based on the IV curve created based on the actual measurement value, so that the sample can be detected and identified simply, quickly and accurately. .

図3(a)〜図3(d)を用いて、第3工程の基本原理について更に詳細に説明する。なお、当該第3工程を行うための具体的な構成は特に限定されず、適宜、コンピュータ等の周知の構成を用いて行うことが可能である。   The basic principle of the third step will be described in more detail with reference to FIGS. 3 (a) to 3 (d). In addition, the specific structure for performing the said 3rd process is not specifically limited, It can be performed using well-known structures, such as a computer suitably.

図3(a)に示すように、第3工程は、直流電圧Vbに対して直流IをプロットしたI−V曲線について、当該I−V曲線の傾き(図3(a)に実線にて示すグラフの傾き)が変化するときの直流電圧Vbの値Vpを決定する工程である。   As shown in FIG. 3A, in the third step, for the IV curve in which the DC I is plotted against the DC voltage Vb, the slope of the IV curve (shown by a solid line in FIG. 3A). This is a step of determining the value Vp of the DC voltage Vb when the slope of the graph changes.

既に説明したように、上述した値Vpは、分子振動モードのエネルギーに対応している。それ故に、当該値Vpを決定すれば、試料の分子構造に関する情報を得ることができ、これによって試料を識別することができる。   As already described, the above-described value Vp corresponds to the energy of the molecular vibration mode. Therefore, if the value Vp is determined, information on the molecular structure of the sample can be obtained, and thereby the sample can be identified.

図3(a)に、典型的なI−V曲線の例を示す。なお、当該I−V曲線は、電極対に印加した直流電圧Vbの実際の値に対して、実測された直流Iの値をプロットすることによって作成され得る。   FIG. 3A shows an example of a typical IV curve. Note that the IV curve can be created by plotting the measured DC I value against the actual value of the DC voltage Vb applied to the electrode pair.

図3(a)に示すように、電極対に流れる直流Iが弾性トンネル電流(弾性)のみである場合と、電極対に流れる直流Iが弾性トンネル電流(弾性)および非弾性トンネル電流(非弾性)では、グラフ(図3(a)中に実線にて示す)の傾きが異なる。そして、上記傾きが変化するときの直流電圧Vbの値が、求めるべき値Vpとなる。   As shown in FIG. 3A, when the direct current I flowing through the electrode pair is only an elastic tunnel current (elastic), the direct current I flowing through the electrode pair is an elastic tunnel current (elastic) and an inelastic tunnel current (inelastic). ), The slope of the graph (shown by a solid line in FIG. 3A) is different. Then, the value of the DC voltage Vb when the inclination changes is a value Vp to be obtained.

図3(c)に示すように、第3工程は、直流電圧Vbに対して直流IをプロットしたI−V曲線について、直流電圧Vbによる直流Iの1次微分dI/dVbを算出することによって値Vpを決定する工程であってもよい。   As shown in FIG. 3C, the third step calculates the first derivative dI / dVb of the direct current I by the direct current voltage Vb with respect to the IV curve in which the direct current I is plotted against the direct current voltage Vb. It may be a step of determining the value Vp.

図3(a)に示す方法の場合、グラフの傾きの変化が僅かであれば、値Vpを正確に決定することが困難になる場合がある。しかしながら、図3(c)から明らかなように、1次微分dI/dVbを用いれば、I−V曲線を略階段状のグラフへ変換することができる。そして、当該略階段状のグラフでは、1次微分dI/dVbの値が変化するときの直流電圧Vbの値を容易かつ正確に決定することができる。そして、当該略階段状のグラフにおいて、1次微分dI/dVbの値が変化するときの直流電圧の値が、求めるべき値Vpとなる。   In the case of the method shown in FIG. 3A, if the change in the slope of the graph is slight, it may be difficult to accurately determine the value Vp. However, as is clear from FIG. 3C, the IV curve can be converted into a substantially stepped graph by using the first-order differential dI / dVb. In the substantially step-like graph, the value of the DC voltage Vb when the value of the primary differential dI / dVb changes can be determined easily and accurately. In the substantially step-like graph, the value of the DC voltage when the value of the primary differential dI / dVb changes is the value Vp to be obtained.

図3(d)に示すように、第3工程は、直流電圧Vbに対して直流IをプロットしたI−V曲線について、直流電圧Vbによる直流Iの2次微分dI/dVbを算出することによって値Vpを決定する工程であってもよい。 As shown in FIG. 3D, the third step calculates the second derivative d 2 I / dVb 2 of the direct current I by the direct current voltage Vb with respect to the IV curve in which the direct current I is plotted against the direct current voltage Vb. This may be a step of determining the value Vp.

図3(a)および図3(c)に示す方法の場合、グラフ(図3(a)および図3(c)中に実線にて示す)の変化が僅かであれば、値Vpを正確に決定することが困難になる場合がある。しかしながら、図3(d)から明らかなように、2次微分dI/dVbを用いれば、I−V曲線を略ピーク状のグラフへ変換することができる。そして、当該略ピーク状のグラフでは、2次微分dI/dVbが変化するときの直流電圧Vbの値を容易かつ正確に決定することができる。そして、当該略ピーク状のグラフにおいて、2次微分dI/dVbが変化するときの直流電圧の値が、求めるべき値Vpとなる。 In the case of the method shown in FIGS. 3 (a) and 3 (c), if the change in the graph (shown by the solid line in FIGS. 3 (a) and 3 (c)) is slight, the value Vp is accurately set. It can be difficult to determine. However, as is apparent from FIG. 3D, using the second derivative d 2 I / dVb 2 , the IV curve can be converted into a substantially peak graph. In the substantially peak-shaped graph, the value of the DC voltage Vb when the secondary differential d 2 I / dVb 2 changes can be easily and accurately determined. In the substantially peak-shaped graph, the value of the DC voltage when the secondary differential d 2 I / dVb 2 changes is the value Vp to be obtained.

図3(b)に示すように、第3工程では、直流Iは、実測される直流の値から、電極対の間を流れる弾性トンネル電流の値を引いたもの(具体的には、図3(b)に示すΔI)であってもよい。   As shown in FIG. 3B, in the third step, the direct current I is obtained by subtracting the value of the elastic tunnel current flowing between the electrode pairs from the measured direct current value (specifically, FIG. 3). It may be ΔI shown in (b).

そして、本実施の形態では、I−V曲線のかわりに、直流電圧Vbに対して、実測された直流の値から弾性トンネル電流の値を引いた値ΔIをプロットしたΔI−V曲線を用いて、第3工程において上述した値Vpを決定してもよい。   In this embodiment, instead of the IV curve, a ΔI-V curve in which a value ΔI obtained by subtracting the value of the elastic tunnel current from the measured DC value is plotted with respect to the DC voltage Vb. The value Vp described above may be determined in the third step.

この場合、図3(b)のように、ΔI−V曲線から、直接的に値Vpを決定してもよい。   In this case, as shown in FIG. 3B, the value Vp may be determined directly from the ΔIV curve.

また、ΔI−V曲線を1次微分した上で、値Vpを決定してもよい。この場合であっても、基本的に、ΔI−V曲線を図3(c)に示すグラフと同様のグラフへ変換することができる。   Further, the value Vp may be determined after first-order differentiation of the ΔI-V curve. Even in this case, the ΔIV curve can basically be converted into a graph similar to the graph shown in FIG.

また、ΔI−V曲線を2次微分した上で、値Vpを決定してもよい。この場合であっても、基本的に、ΔI−V曲線を図3(d)に示すグラフと同様のグラフへ変換することができる。   The value Vp may be determined after second-order differentiation of the ΔI-V curve. Even in this case, the ΔI-V curve can basically be converted into a graph similar to the graph shown in FIG.

ΔI−V曲線を用いて値Vpを決定する場合には、弾性トンネル電流の影響を除いた状態で値Vpを決定するので、より正確に値Vpを決定することができる。そして、その結果、より正確に試料を検出および識別することができる。   When the value Vp is determined using the ΔI-V curve, the value Vp is determined in a state in which the influence of the elastic tunnel current is removed, so that the value Vp can be determined more accurately. As a result, the sample can be detected and identified more accurately.

〔2−4.第4工程〕
第4工程は、検出および識別する対象である試料の値Vp1と、該値Vp1に対応する、予め決定されている参照試料の値Vp2(換言すれば、参照試料について決定されている値Vp)とを比較する工程である。上記構成によれば、検出および識別する対象である試料の分子構造と参照試料の分子構造との類似性または同一性を判定することができる。
[2-4. Fourth step]
In the fourth step, the value Vp1 of the sample to be detected and identified and the value Vp2 of the reference sample determined in advance corresponding to the value Vp1 (in other words, the value Vp determined for the reference sample). Is a step of comparing According to the above configuration, the similarity or identity between the molecular structure of the sample to be detected and identified and the molecular structure of the reference sample can be determined.

参照試料としては特に限定されず、例えば、分子構造が判明している分子等を用いることができる。   The reference sample is not particularly limited, and for example, a molecule whose molecular structure is known can be used.

参照試料としては、検出および識別する対象である試料と、同じ種類の分子を用いることが可能である。例えば、検出および識別する対象である試料が、ヌクレオチド、アミノ酸または糖であることが判っている場合には、参照試料としても、それぞれヌクレオチド、アミノ酸または糖を用いることが好ましい。上記構成によれば、より正確に試料を検出および識別することができる。   As a reference sample, it is possible to use the same type of molecule as the sample to be detected and identified. For example, when it is known that a sample to be detected and identified is a nucleotide, amino acid, or sugar, it is preferable to use a nucleotide, an amino acid, or a sugar, respectively, as a reference sample. According to the above configuration, the sample can be detected and identified more accurately.

第4工程では、上述した参照試料に関して予め決定されている値Vp2と、検出および識別する対象である試料の値Vp1とを比較することになる。   In the fourth step, the value Vp2 previously determined for the above-described reference sample is compared with the value Vp1 of the sample to be detected and identified.

参照試料の値Vp2を予め決定する方法としては、例えば、参照試料を予め上述した第1工程〜第3工程にかけて分析することによって参照試料の値Vp2を決定してもよい。   As a method for determining the reference sample value Vp2 in advance, for example, the reference sample value Vp2 may be determined by analyzing the reference sample in advance through the first to third steps described above.

あるいは、分子構造が周知の分子に関しては、分子振動モードのエネルギーを算出することが可能である(例えば、Nano Lett. 5, 2257-2263 (2011)参照)。上述したように、値Vpは分子振動モードのエネルギーに対応するので、分子振動モードのエネルギーを算出することによって、参照試料のVpを決定することも可能である。   Alternatively, the energy of the molecular vibration mode can be calculated for a molecule with a known molecular structure (see, for example, Nano Lett. 5, 2257-2263 (2011)). As described above, since the value Vp corresponds to the energy of the molecular vibration mode, it is possible to determine the Vp of the reference sample by calculating the energy of the molecular vibration mode.

〔2−5.第5工程〕
第5工程は、第4工程の後で行われ得る工程であって、下記(A)〜(C)の少なくとも1つを判定する工程である。つまり、
(A)試料(検出および識別する対象である試料)の値Vp1と参照試料の値Vp2とが同じである場合に、試料の分子構造と参照試料の分子構造とが同じであると判定する;
(B)試料(検出および識別する対象である試料)の値Vp1と参照試料の値Vp2とが一部において同じである場合に、試料の分子構造と参照試料の分子構造とが、一部において同じであると判定する;
(C)試料(検出および識別する対象である試料)の値Vp1と参照試料の値Vp2とが異なる場合に、試料の分子構造と参照試料の分子構造とが異なると判定する。
[2-5. Step 5]
The fifth step is a step that can be performed after the fourth step, and is a step of determining at least one of the following (A) to (C). That means
(A) When the value Vp1 of the sample (sample to be detected and identified) and the value Vp2 of the reference sample are the same, it is determined that the molecular structure of the sample and the molecular structure of the reference sample are the same;
(B) When the value Vp1 of the sample (sample to be detected and identified) and the value Vp2 of the reference sample are partially the same, the molecular structure of the sample and the molecular structure of the reference sample are partially Determine that they are the same;
(C) When the value Vp1 of the sample (sample to be detected and identified) and the value Vp2 of the reference sample are different, it is determined that the molecular structure of the sample and the molecular structure of the reference sample are different.

上記構成によれば、検出および識別する対象である試料の分子構造と参照試料の分子構造との類似性または同一性を、更に詳細に判定することができる。また、上記構成によれば、検出および識別する対象である試料の分子構造が未知である場合、当該試料の分子構造を予測することができる。   According to the above configuration, the similarity or identity between the molecular structure of the sample to be detected and identified and the molecular structure of the reference sample can be determined in more detail. Further, according to the above configuration, when the molecular structure of a sample to be detected and identified is unknown, the molecular structure of the sample can be predicted.

例えば、上記試料の分子構造が未知であって、上記試料の値Vp1(1個または複数個のVp1が存在する場合であり得る)と、上記参照試料の値Vp2(1個または複数個のVp2が存在する場合であり得る)とが完全に同じである場合を考える。   For example, the molecular structure of the sample is unknown, and the sample value Vp1 (which may be one or more Vp1s) and the reference sample value Vp2 (one or more Vp2s). Is the exact same case).

この場合、上記試料の分子構造と上記参照試料の分子構造とが完全に同じであると判定することができる。そして、このとき、上記参照試料として分子構造が判っている分子を用いれば、上記試料の分子構造を決定することができる。   In this case, it can be determined that the molecular structure of the sample and the molecular structure of the reference sample are completely the same. At this time, if a molecule having a known molecular structure is used as the reference sample, the molecular structure of the sample can be determined.

一方、上記試料の分子構造が未知であって、上記試料の値Vp1(複数個のVp1が存在する場合であり得る)と、上記参照試料の値Vp2(複数個のVp2が存在する場合であり得る)とが、一部において同じである場合を考える。   On the other hand, when the molecular structure of the sample is unknown, the value Vp1 of the sample (which may be a case where a plurality of Vp1 exists) and the value Vp2 of the reference sample (a case where a plurality of Vp2 exist) ) Is partly the same.

この場合、上記試料の分子構造と上記参照試料の分子構造とが、一部において同じであると判定することができる。そして、このとき、上記参照試料として分子構造が判っている分子を用いれば、上記試料の分子構造の少なくとも一部を決定することができる。更に具体的には、上記参照試料として分子構造が判っている分子を用いれば、当該参照試料の分子構造中の様々な部分の分子振動モードのエネルギーを算出することができる。そして、当該分子振動モードのエネルギーに基づいて、上記試料の分子構造の少なくとも一部を決定することができる。   In this case, it can be determined that the molecular structure of the sample and the molecular structure of the reference sample are partially the same. At this time, if a molecule having a known molecular structure is used as the reference sample, at least a part of the molecular structure of the sample can be determined. More specifically, when a molecule having a known molecular structure is used as the reference sample, the energy of molecular vibration modes of various portions in the molecular structure of the reference sample can be calculated. Based on the energy of the molecular vibration mode, at least a part of the molecular structure of the sample can be determined.

一方、上記試料の分子構造が未知であって、上記試料の値Vp1(1個または複数個のVp1が存在する場合であり得る)と、上記参照試料の値Vp2(1個または複数個のVp2が存在する場合であり得る)とが完全に異なる場合を考える。   On the other hand, the molecular structure of the sample is unknown, and the sample value Vp1 (which may be one or more Vp1s) and the reference sample value Vp2 (one or more Vp2s). Is completely different).

この場合、上記試料の分子構造と上記参照試料の分子構造とが完全に異なると判定することができる。そして、このとき、上記参照試料として分子構造が判っている分子を用いれば、上記試料の分子構造の候補から特定の分子構造を除外することができる。   In this case, it can be determined that the molecular structure of the sample and the molecular structure of the reference sample are completely different. At this time, if a molecule having a known molecular structure is used as the reference sample, a specific molecular structure can be excluded from the molecular structure candidates of the sample.

例えば、参照試料の分子構造が、「A−B−C」(A、B、Cは、各々が異なる分子骨格(例えば、ベンゼン環、長鎖アルカン)であって、互いに化学結合によって連結されて1つの分子を形成していると仮定する。そして、分子骨格「A」に起因する値Vpが「a」であり、分子骨格「B」に起因する値Vpが「b」であり、分子骨格「C」に起因する値Vpが「c」であるとする。   For example, the molecular structure of the reference sample is “A-B-C” (A, B, and C are different molecular skeletons (eg, benzene ring, long-chain alkane), and are linked to each other by chemical bonds. Assuming that one molecule is formed, the value Vp resulting from the molecular skeleton “A” is “a”, the value Vp resulting from the molecular skeleton “B” is “b”, and the molecular skeleton It is assumed that the value Vp resulting from “C” is “c”.

このとき、検出および識別する対象である試料の値Vpが「a」、「b」および「c」であれば、検出および識別する対象である試料の分子構造を「A−B−C」であると判定することができる。   At this time, if the value Vp of the sample to be detected and identified is “a”, “b”, and “c”, the molecular structure of the sample to be detected and identified is “ABC”. It can be determined that there is.

一方、検出および識別する対象である試料の値Vpが「a」、「d」および「e」であれば、検出および識別する対象である試料が、分子骨格「A」を有していると判定することができる。   On the other hand, if the value Vp of the sample to be detected and identified is “a”, “d”, and “e”, the sample to be detected and identified has the molecular skeleton “A”. Can be determined.

一方、検出および識別する対象である試料の値Vpが「d」、「e」および「f」であれば、検出および識別する対象である試料の分子構造の候補から、「A−B−C」を除外することができる。   On the other hand, if the value Vp of the sample to be detected and identified is “d”, “e”, and “f”, “A-B-C” is obtained from the molecular structure candidates of the sample to be detected and identified. "Can be excluded.

〔3.分光装置〕
〔3−1.分光装置の構成〕
図4を用いて、本実施の形態の分光装置の構成の一例を説明する。
[3. Spectroscope]
[3-1. Spectrometer configuration)
An example of the configuration of the spectroscopic device of the present embodiment will be described with reference to FIG.

本実施の形態の分光装置100は、正極と負極との間に試料が配置された電極対20に対して、値を変化させながら直流電圧Vbを印加する電圧源10と、電極対20の間に流れる直流Iの値を測定する電流計30と、直流電圧Vbに対して直流IをプロットしたI−V曲線について、I−V曲線の傾きが変化するときの上記直流電圧Vbの値Vp1を決定する解析部40と、を備えている。   The spectroscopic device 100 according to the present embodiment includes a voltage source 10 that applies a DC voltage Vb while changing a value between an electrode pair 20 in which a sample is disposed between a positive electrode and a negative electrode, and the electrode pair 20. The value Vp1 of the DC voltage Vb when the slope of the IV curve changes with respect to the ammeter 30 that measures the value of the DC I flowing through the IV and the IV curve in which the DC I is plotted against the DC voltage Vb. And an analysis unit 40 to be determined.

なお、電圧源10は、既に説明した電圧源5と同じ構成であり、電極対20は、既に説明した電極1および電極2によって形成されている電極対と同じ構成であり、電流計30は、既に説明した電流計6と同じ構成であり、解析部40は、既に説明した第3工程を行うための構成である。これらの構成の詳細については既に説明したので、ここでは、その詳細な説明を省略する。   The voltage source 10 has the same configuration as the voltage source 5 already described, the electrode pair 20 has the same configuration as the electrode pair already formed by the electrode 1 and the electrode 2, and the ammeter 30 has The configuration is the same as that of the ammeter 6 already described, and the analysis unit 40 is a configuration for performing the already-described third step. Since the details of these configurations have already been described, the detailed description thereof is omitted here.

電圧源10は、電極対20に対して直流電圧Vbを印加するための構成である。また、電圧源10は、電極対20に対して印加する直流電圧Vbの値を変化(上昇または降下)させることが可能である。   The voltage source 10 is configured to apply a DC voltage Vb to the electrode pair 20. The voltage source 10 can change (increase or decrease) the value of the DC voltage Vb applied to the electrode pair 20.

電極対20に対して印加される直流電圧Vbの値を変化させると、当該変化に伴って、電極対20に流れる直流Iの値も変化する。そして、電流計30によって、直流Iの値が測定される。   When the value of the DC voltage Vb applied to the electrode pair 20 is changed, the value of the DC I flowing through the electrode pair 20 also changes with the change. Then, the ammeter 30 measures the value of the direct current I.

電圧源10によって電極対20に対して印加された直流電圧Vbに関する情報と、電流計30によって測定された直流Iに関する情報とは、共に、解析部40へ送られる。   Both the information related to the DC voltage Vb applied to the electrode pair 20 by the voltage source 10 and the information related to the DC I measured by the ammeter 30 are sent to the analysis unit 40.

解析部40は、直流電圧Vbに対して直流IをプロットしたI−V曲線の傾きが変化するときの直流電圧Vbの値Vp1を決定するための構成である。   The analysis unit 40 is configured to determine the value Vp1 of the DC voltage Vb when the slope of the IV curve in which the DC I is plotted with respect to the DC voltage Vb changes.

この場合、解析部40は、例えば図3(a)に示すI−V曲線を作成し、当該I−V曲線から、I−V曲線の傾きが変化するときの直流電圧Vbの値Vp1を決定するものであってもよい。   In this case, the analysis unit 40 creates an IV curve shown in FIG. 3A, for example, and determines a value Vp1 of the DC voltage Vb when the slope of the IV curve changes from the IV curve. You may do.

また、解析部40は、直流電圧Vbに対して直流IをプロットしたI−V曲線について、直流電圧Vbによる直流Iの1次微分dI/dVbを算出することによって値Vp1を決定するものであってもよい。   The analysis unit 40 determines the value Vp1 by calculating the first derivative dI / dVb of the direct current I based on the direct current voltage Vb with respect to the IV curve in which the direct current I is plotted against the direct current voltage Vb. May be.

この場合、解析部40は、例えば図3(c)に示すグラフを作成し、当該グラフから値Vp1を決定するものであってもよい。   In this case, for example, the analysis unit 40 may create a graph shown in FIG. 3C and determine the value Vp1 from the graph.

また、解析部40は、直流電圧Vbに対して直流IをプロットしたI−V曲線について、直流電圧Vbによる上記直流Iの2次微分dI/dVbを算出することによって上記値Vp1を決定するものであってもよい。 The analysis unit 40 calculates the value Vp1 by calculating the second derivative d 2 I / dVb 2 of the direct current I with respect to the direct current voltage Vb with respect to the IV curve in which the direct current I is plotted with respect to the direct current voltage Vb. It may be determined.

この場合、解析部40は、例えば図3(d)に示すグラフを作成し、当該グラフから値Vp1を決定するものであってもよい。   In this case, the analysis unit 40 may create, for example, a graph shown in FIG. 3D and determine the value Vp1 from the graph.

また、解析部40は、直流Iとして、実測される直流の値から、上記電極対の間を流れる弾性トンネル電流の値を引いたもの(ΔI)を用いるもの(または、算出するもの)であってもよい。   The analysis unit 40 uses (or calculates) the direct current I obtained by subtracting the value of the elastic tunnel current flowing between the electrode pairs from the actually measured direct current value (ΔI). May be.

この場合、解析部40は、例えば図3(b)に示すΔI−V曲線を作成し、当該ΔI−V曲線から直接的に値Vp1を決定するものであってもよいし、当該ΔI−V曲線を1次微分した上で値Vp1を決定するものであってもよいし、当該ΔI−V曲線を2次微分した上で値Vp1を決定するものであってもよい。   In this case, the analysis unit 40 may create, for example, a ΔI-V curve shown in FIG. 3B and determine the value Vp1 directly from the ΔI-V curve, or the ΔI-V The value Vp1 may be determined after first-order differentiation of the curve, or the value Vp1 may be determined after second-order differentiation of the ΔI-V curve.

解析部40の具体的な構成は特に限定されず、コンピュータ等の公知の演算装置によって構成することが可能である。   The specific configuration of the analysis unit 40 is not particularly limited, and can be configured by a known arithmetic device such as a computer.

本実施の形態の分光装置では、解析部40にて決定された値Vp1を、そのまま解析結果とみなすことも可能であるし、当該値Vp1について、更なる検討を行うことも可能である。そして、更なる検討を行う場合には、値Vp1の情報は、比較部50へと送られる。   In the spectroscopic device according to the present embodiment, the value Vp1 determined by the analysis unit 40 can be regarded as an analysis result as it is, and the value Vp1 can be further examined. Then, when further examination is performed, the information of the value Vp1 is sent to the comparison unit 50.

比較部50は、試料の値Vp1と、予め決定されている参照試料の値Vp2と、を比較するための構成である。   The comparison unit 50 is configured to compare the sample value Vp1 with a predetermined reference sample value Vp2.

比較部50は、参照試料の値Vp2に関する情報が予め保存されている構成であってもよいし、参照試料の値Vp2に関する情報が別の構成から入力可能に形成されている構成であってもよい。   The comparison unit 50 may have a configuration in which information about the reference sample value Vp2 is stored in advance, or may have a configuration in which information about the reference sample value Vp2 can be input from another configuration. Good.

比較部50の具体的な構成は特に限定されず、コンピュータ等の公知の演算装置によって構成することが可能である。   The specific configuration of the comparison unit 50 is not particularly limited, and can be configured by a known arithmetic device such as a computer.

本実施の形態の分光装置では、比較部50による比較結果(例えば、Vpが何割同一であるか、どの値のVpが一致しているか、どの値のVpが一致していないか、等の比較結果)を、そのまま解析結果とみなすことも可能であるし、更なる検討を行うことも可能である。そして、更なる検討を行う場合には、比較部50による比較結果は、判定部60へと送られる。   In the spectroscopic device of the present embodiment, the comparison result by the comparison unit 50 (for example, what percentage of Vp is the same, what value of Vp is matched, which value of Vp is not matched, etc.) The comparison result) can be regarded as an analysis result as it is, and further examination can be performed. When further examination is performed, the comparison result by the comparison unit 50 is sent to the determination unit 60.

判定部60は、下記(A)〜(C)の少なくとも1つを判定するための構成である。つまり、
(A)上記試料の値Vp1と上記参照試料の値Vp2とが同じである場合に、上記試料の分子構造と上記参照試料の分子構造とが同じであると判定する;
(B)上記試料の値Vp1と上記参照試料の値Vp2とが一部において同じである場合に、上記試料の分子構造と上記参照試料の分子構造とが、一部において同じであると判定する;
(C)上記試料の値Vp1と上記参照試料の値Vp2とが異なる場合に、上記試料の分子構造と上記参照試料の分子構造とが異なると判定する。
The determination unit 60 is configured to determine at least one of the following (A) to (C). That means
(A) When the value Vp1 of the sample and the value Vp2 of the reference sample are the same, it is determined that the molecular structure of the sample and the molecular structure of the reference sample are the same;
(B) When the value Vp1 of the sample and the value Vp2 of the reference sample are partially the same, it is determined that the molecular structure of the sample and the molecular structure of the reference sample are partially the same. ;
(C) When the value Vp1 of the sample and the value Vp2 of the reference sample are different, it is determined that the molecular structure of the sample and the molecular structure of the reference sample are different.

判定部60の具体的な構成は特に限定されず、コンピュータ等の公知の演算装置によって構成することが可能である。   The specific configuration of the determination unit 60 is not particularly limited, and can be configured by a known arithmetic device such as a computer.

〔3−2.分光装置の動作フローの一例〕
図5に、本実施の形態の分光装置の動作フローの一例を示す。
[3-2. Example of operation flow of spectroscopic device]
FIG. 5 shows an example of an operation flow of the spectroscopic device of the present embodiment.

S101では、電極対20を構成する正極と負極との間の空間に試料を配置する。なお、本発明では、電極対20を構成する正極と負極との間の空間に、予め試料を配置していてもよい。   In S101, a sample is placed in a space between the positive electrode and the negative electrode constituting the electrode pair 20. In the present invention, a sample may be arranged in advance in a space between the positive electrode and the negative electrode constituting the electrode pair 20.

S102では、試料を配置した状態にて、電圧源10によって、電極対20へ直流電圧Vbを印加する。更に、S102では、電極対20へ印加する直流電圧Vbの値を変化させる。当該直流電圧Vbの値の変化は、電圧源10の出力の調節などによって行うことができる。   In S <b> 102, a DC voltage Vb is applied to the electrode pair 20 by the voltage source 10 with the sample placed. Further, in S102, the value of the DC voltage Vb applied to the electrode pair 20 is changed. The change in the value of the DC voltage Vb can be performed by adjusting the output of the voltage source 10 or the like.

S103では、電流計30によって、電極対20に流れる直流Iを測定する。   In S <b> 103, the direct current I flowing through the electrode pair 20 is measured by the ammeter 30.

S104では、電圧源10が電極対20へ印加した直流電圧Vbの値と、電流計30によって測定された直流Iの値とから、解析部40によって、値Vp1が決定される。このとき、解析部40にてI−V曲線またはΔI−V曲線などが作成され得る。   In S <b> 104, the value Vp <b> 1 is determined by the analysis unit 40 from the value of the DC voltage Vb applied to the electrode pair 20 by the voltage source 10 and the value of the DC I measured by the ammeter 30. At this time, an IV curve or a ΔI-V curve or the like can be created by the analysis unit 40.

S105では、試料の分子構造に関する更なる情報(または、更なる解析)が必要か否か判断される。更なる情報が必要でない場合には、値Vp1が得られた段階で分光装置の動作が終了する。一方、更なる情報が必要な場合には、解析部40にて決定された値Vp1に関する情報が比較部50へ送られる。   In S105, it is determined whether further information (or further analysis) regarding the molecular structure of the sample is necessary. If no further information is required, the operation of the spectroscopic device ends when the value Vp1 is obtained. On the other hand, when further information is required, information on the value Vp1 determined by the analysis unit 40 is sent to the comparison unit 50.

S106では、比較部50にて、解析すべき試料の値Vp1と、予め決定されている参照試料の値Vp2と、が比較される。比較部50では、例えば、Vpが何割同一であるか、どの値のVpが一致しているか、どの値のVpが一致していないか、等の比較結果が得られる。   In S106, the comparison unit 50 compares the value Vp1 of the sample to be analyzed with the value Vp2 of the reference sample determined in advance. In the comparison unit 50, for example, a comparison result such as what percentage of Vp is identical, which value of Vp is matched, and which value of Vp is not matched is obtained.

S107では、試料の分子構造に関する更なる情報(または、更なる解析)が必要か否か判断される。更なる情報が必要でない場合には、分光装置の動作が終了する。一方、一方、更なる情報が必要な場合には、比較部50にて得られた比較結果が判定部60へ送られる。   In S107, it is determined whether further information (or further analysis) regarding the molecular structure of the sample is necessary. If no further information is required, the operation of the spectroscopic device is terminated. On the other hand, when further information is required, the comparison result obtained by the comparison unit 50 is sent to the determination unit 60.

S108では、判定部60によって、試料の分子構造が予測される(換言すれば、試料の分子構造に関して様々な判定がなされる)。   In S108, the determination unit 60 predicts the molecular structure of the sample (in other words, various determinations are made regarding the molecular structure of the sample).

当該予測(判定)が終了した後、分光装置の動作が終了する。   After the prediction (determination) is finished, the operation of the spectroscopic device is finished.

分光装置の制御ブロック(特に、解析部40、比較部50および判定部60)は、集積回路(ICチップ)等に形成された論理回路(ハードウェア)によって実現してもよいし、CPU(Central Processing Unit)を用いてソフトウェアによって実現してもよい。   The control block of the spectroscopic device (in particular, the analysis unit 40, the comparison unit 50, and the determination unit 60) may be realized by a logic circuit (hardware) formed in an integrated circuit (IC chip) or the like, or may be a CPU (Central It may be realized by software using a Processing Unit.

後者の場合、分光装置は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するCPU、上記プログラムおよび各種データがコンピュータ(またはCPU)で読み取り可能に記録されたROM(Read Only Memory)または記憶装置(これらを「記録媒体」と称する)、上記プログラムを展開するRAM(Random Access Memory)などを備えている。そして、コンピュータ(またはCPU)が上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。   In the latter case, the spectroscopic device includes a CPU that executes instructions of a program that is software that realizes each function, a ROM (Read Only Memory) or a storage in which the above-described program and various data are recorded so as to be readable by a computer (or CPU) An apparatus (these are referred to as “recording media”), a RAM (Random Access Memory) for expanding the program, and the like are provided. And the objective of this invention is achieved when a computer (or CPU) reads the said program from the said recording medium and runs it.

上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体(通信ネットワークや放送波等)を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。   As the recording medium, a “non-temporary tangible medium” such as a tape, a disk, a card, a semiconductor memory, a programmable logic circuit, or the like can be used. The program may be supplied to the computer via an arbitrary transmission medium (such as a communication network or a broadcast wave) that can transmit the program. The present invention can also be realized in the form of a data signal embedded in a carrier wave in which the program is embodied by electronic transmission.

以下の実施例は、電流計を用いた直流計測に基づいている。以下の実施例では、電極対の間に単一の分子が接合している電極対を用いてI−V曲線の作成を行い、当該I−V曲線を更に解析した。   The following examples are based on direct current measurement using an ammeter. In the following examples, an IV curve was created using an electrode pair in which a single molecule was bonded between the electrode pair, and the IV curve was further analyzed.

本実施例の直流計測に基づく方法は、従来のロックインアンプを用いた交流電圧および交流電流に基づく方法に比べて、測定の高速化が可能であり、高速微小電流アンプと組み合わせることで、溶液中に分散している生体分子(例えば、核酸またはタンパク質)を、1個の分子のレベルで識別することを可能にする。以下に、実施例について詳述する。   The method based on the direct current measurement of the present embodiment is capable of speeding up the measurement as compared with the method based on the alternating voltage and alternating current using the conventional lock-in amplifier. It allows biomolecules (eg, nucleic acids or proteins) dispersed therein to be identified at the level of a single molecule. Examples will be described in detail below.

<1.単一の分子が接合した電極対の作製>
直流計測法に基づいて1分子の電気計測を行うにあたり、ナノ加工機械的破断接合(MCBJ:Mechanically-Controllable Break Junction)を用いて、1個の分子が電極対の間に接合された電極対を作製した。当該電極対の作製方法を、以下に説明する。
<1. Fabrication of electrode pair with single molecule bonded>
When performing electrical measurement of one molecule based on the DC measurement method, an electrode pair in which one molecule is bonded between the electrode pair using nano-mechanical-controllable break junction (MCBJ) Produced. A method for manufacturing the electrode pair will be described below.

厚さが0.5mmのリン青銅基板上にポリイミドをスピンコートした後、ベーキングにより、厚さが4μmのポリイミド膜を製膜した。次いで、フォトリソグラフィー法によりマイクロ電極のパターンを描画した後、高周波スパッタ法により、ポリイミド膜の上にCr/Au層(厚さが5nm/30nm)を蒸着した。   After spin-coating polyimide on a phosphor bronze substrate having a thickness of 0.5 mm, a polyimide film having a thickness of 4 μm was formed by baking. Next, after drawing a microelectrode pattern by photolithography, a Cr / Au layer (thickness: 5 nm / 30 nm) was deposited on the polyimide film by high-frequency sputtering.

以上のようにして作製した基板をN,N−ジメチルホルムアミドに半日間浸し、超音波洗浄にかけフォトレジスト層を除去することで、電極を作製した。   The substrate produced as described above was immersed in N, N-dimethylformamide for half a day, and subjected to ultrasonic cleaning to remove the photoresist layer, thereby producing an electrode.

次いで、電子線リソグラフィー法により重ね描画を行い、電極の間を繋ぐように細線パターンを描画した。なお、細線パターンには中央に切り欠きが設けられ、その最小幅は、設計値で20nmであった。   Next, overlapping drawing was performed by an electron beam lithography method, and a fine line pattern was drawn so as to connect the electrodes. The fine line pattern had a notch in the center, and the minimum width was 20 nm as a design value.

細線パターンを描画した後、高周波スパッタ法によりCr/Au層(厚さ1nm/100nm)を蒸着した。得られた基板を、N,N−ジメチルホルムアミドに半日間浸した上で超音波洗浄にかけ、これによって電子線レジスト層を除去することで、中央に幅100nmの接合部を有する細線を得た。   After drawing the fine line pattern, a Cr / Au layer (thickness 1 nm / 100 nm) was deposited by high frequency sputtering. The obtained substrate was immersed in N, N-dimethylformamide for half a day and then subjected to ultrasonic cleaning. By removing the electron beam resist layer, a thin line having a junction having a width of 100 nm at the center was obtained.

最後に基板上のポリイミド層を、反応性イオンエッチング法(4フッ化炭素および酸素の混合ガスを使用)により掘削することで、電極の接合部の直下のポリイミドを完全に除去し、自立した接合構造を形成した。なお、接合構造の全長は、約2μmであった。   Finally, the polyimide layer on the substrate is excavated by a reactive ion etching method (using a mixed gas of carbon tetrafluoride and oxygen) to completely remove the polyimide immediately below the electrode joint, and to perform self-supporting bonding. A structure was formed. The total length of the junction structure was about 2 μm.

以上のようにしてMCBJ基板を作製した。   An MCBJ substrate was produced as described above.

上述したMCBJ基板を2つの支持点上に設置した。接着剤(ポリイミド)を用いてMCBJ基板上にテフロン(登録商標)製の容器を取り付け、当該容器中に、測定対象であるチオール基を有する分子(具体的には、1,4−ベンゼンジチオール、2,5−ジメルカプト−1,3,4−チアジアゾール、または、1,6−ヘキサンジチオール)を含んだ有機溶媒(トルエン)を入れた。   The MCBJ substrate described above was placed on two support points. A Teflon (registered trademark) container is attached on an MCBJ substrate using an adhesive (polyimide), and a molecule having a thiol group to be measured (specifically, 1,4-benzenedithiol, An organic solvent (toluene) containing 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole or 1,6-hexanedithiol) was added.

次に、ピエゾ素子を用いてMCBJ基板を裏側から押し曲げることで、MCBJ基板上に作られたAuナノ接合を破断させた(図6(a)参照)。なお、本実施例では、当該破断したAuナノ接合が、電極対として機能することになる。   Next, the Au nanojoint formed on the MCBJ substrate was broken by pushing and bending the MCBJ substrate from the back side using a piezo element (see FIG. 6A). In this example, the broken Au nanojunction functions as an electrode pair.

この時、測定対象であるチオール基を有する分子が、Auナノ接合の破断によって露出する清浄な破断面の表面と接触し、Auとの間でAu−チオール結合を形成する。その結果、測定対象である分子を、破断面上に強く吸着させることができる。   At this time, a molecule having a thiol group to be measured comes into contact with the surface of a clean fracture surface exposed by the fracture of the Au nanojunction, and forms an Au-thiol bond with Au. As a result, the molecule to be measured can be strongly adsorbed on the fracture surface.

その後、真空排気を行って有機溶媒(トルエン)を蒸発させ、破断したAuナノ接合上に、測定対象となる分子だけを残した。なお真空排気を行うタイミングは、接合を破断させた後数分以内に行うことが好ましい。これによれば、過剰な数の分子(具体的には1個よりも多い分子)が破断面の上で凝集して大きな集合体を形成することを防ぐことができる。   Thereafter, evacuation was performed to evaporate the organic solvent (toluene), leaving only the molecules to be measured on the fractured Au nanojunction. Note that it is preferable to perform the vacuum evacuation within a few minutes after breaking the joint. According to this, it is possible to prevent an excessive number of molecules (specifically, more than one molecule) from aggregating on the fracture surface to form a large aggregate.

真空レベルが10−5Torr以下になった段階で、GPIB(General Purpose interface Bus)制御によってピエゾ素子を駆動してMCBJ基板を曲げ、Auナノ接合の破断および再形成を200回繰り返せば、Auナノ接合に欠陥が生じることを防ぐことができるとともに、単一の分子が接合した電極対を安定して作製することができる(図6(a)参照)。 When the vacuum level becomes 10 −5 Torr or less, the piezoelectric element is driven by GPIB (General Purpose interface Bus) control to bend the MCBJ substrate, and the Au nanojunction break and re-formation is repeated 200 times. It is possible to prevent a defect from occurring in the bonding and to stably produce an electrode pair in which a single molecule is bonded (see FIG. 6A).

上述した一連の操作では、ピコアンメータ・ソース(Keithley 6487)を用いてAuナノ接合に0.2Vの電圧を加えた状態で当該Auナノ接合を通る直流の計測を行い、得られる直流のデータからAuナノ接合の電気伝導度を計算すると同時に当該電気伝導度を用いてピエゾ素子の駆動制御を行った。   In the series of operations described above, a direct current passing through the Au nanojunction is measured with a voltage of 0.2 V applied to the Au nanojunction using a picoammeter source (Keithley 6487), and the obtained direct current data is used. At the same time as calculating the electrical conductivity of the Au nanojunction, drive control of the piezo element was performed using the electrical conductivity.

本実施例では、ピエゾ素子の動きを、基板の曲げに伴ってAuナノ接合が徐々に狭窄されていくのに合わせて、多段階的に押し込む速度が遅くなるように制御した。これによって、単一の分子が接合した電極対を非常に安定して作製することができる。   In this example, the movement of the piezo element was controlled so that the pushing speed was reduced in multiple steps as the Au nanojunction was gradually narrowed as the substrate was bent. Thereby, an electrode pair in which a single molecule is bonded can be manufactured very stably.

Auナノ接合の破断および再形成を200回繰り返した後、液体窒素を用いて、破断したAuナノ接合を77Kの温度にまで冷やした。この冷却過程では、MCBJ基板の収縮に伴って、破断したAuナノ接合の間の距離(換言すれば、電極対の正極と負極との間の距離)が著しく大きくなることを防ぐために、Auナノ接合の電気伝導度が測定対象である1個の分子コンダクタンスに対応するように保持されるように、適宜、ピエゾ素子の駆動の制御を行なった。   After breaking and re-forming the Au nanojunction 200 times, the broken Au nanojunction was cooled to a temperature of 77K using liquid nitrogen. In this cooling process, in order to prevent the distance between the fractured Au nanojunction (in other words, the distance between the positive electrode and the negative electrode of the electrode pair) from significantly increasing with the contraction of the MCBJ substrate, The drive of the piezo element was appropriately controlled so that the electrical conductivity of the junction was maintained so as to correspond to one molecular conductance to be measured.

Auナノ接合の周囲の温度が77Kに達したあと、ピエゾ素子を駆動することによって、Auナノ接合を10G以上の電気伝導度になるまで太らせた(Gはコンダクタンスの量子化単位)。その後、自己破断接合法によりAuナノ接合を破断させた後、破断したAuナノ接合の電気伝導度が、測定対象である1個の分子に対応する電気伝導度にて安定に保持されることを確認した(図6(b)参照)。 After the temperature around the Au nano-contact reaches 77K, by driving the piezoelectric element, was fattened Au nano-contact until 10G 0 or more electric conductivity (G 0 is the quantization unit of conductance). After that, after breaking the Au nanojunction by the self-breaking joining method, the electric conductivity of the broken Au nanojunction is stably maintained at the electric conductivity corresponding to one molecule to be measured. It confirmed (refer FIG.6 (b)).

<2.単一の分子が接合した電極対を用いた、I−V特性(電流−電圧特性)の測定>
作製した単一の分子が接合している電極対のうち、電極対の電気伝導度が測定対象である1分子に対応する電気伝導度の付近で10秒間以上安定である電極対を用いて、I−V特性を測定した。
<2. Measurement of IV characteristics (current-voltage characteristics) using a pair of electrodes bonded with a single molecule>
Among the electrode pairs to which the produced single molecule is bonded, using an electrode pair in which the electrical conductivity of the electrode pair is stable for more than 10 seconds in the vicinity of the electrical conductivity corresponding to one molecule to be measured, I-V characteristics were measured.

I−V特性の測定にはピコアンメータ・ソース(Keithley 6487)を用い、破断したAuナノ接合(換言すれば、電極対)に加える直流電圧を、0Vから正の方向へ向かって0.2mV刻みで一定の速度で掃引して+aV(aは任意の数)に到達させた後、掃引方向を逆転させて、−aV(aは任意の数)に到達させた。そして、直流電圧を0.2mVだけ変化させる毎に、破断したAuナノ接合を流れる直流を記録した。直流電圧に対して直流をプロットすることにより、I−V曲線(電流−電圧曲線)を作成した。   The IV characteristics are measured using a picoammeter source (Keithley 6487), and the DC voltage applied to the fractured Au nanojunction (in other words, the electrode pair) is incremented by 0.2 mV from 0 V in the positive direction. After sweeping at a constant speed to reach + aV (a is an arbitrary number), the sweep direction was reversed to reach -aV (a is an arbitrary number). Each time the DC voltage was changed by 0.2 mV, the direct current flowing through the fractured Au nanojunction was recorded. An IV curve (current-voltage curve) was created by plotting the DC against the DC voltage.

なお、I−V曲線は、1,4−ベンゼンジチオール、2,5−ジメルカプト−1,3,4−チアジアゾール、および、1,6−ヘキサンジチオールの各々について作成した。   In addition, the IV curve was created for each of 1,4-benzenedithiol, 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole, and 1,6-hexanedithiol.

<3.試験結果>
図7(a)〜図7(d)、および、図8(a)〜図8(d)に、1,4−ベンゼンジチオールを用いた場合の試験結果を示す。図10(a)〜図10(d)、および、図11(a)〜図11(d)に、2,5−ジメルカプト−1,3,4−チアジアゾールを用いた場合の試験結果を示す。図13(a)〜図13(d)、および、図14(a)〜図14(d)に、1,6−ヘキサンジチオールを用いた場合の試験結果を示す。
<3. Test results>
Fig. 7 (a) to Fig. 7 (d) and Fig. 8 (a) to Fig. 8 (d) show test results when 1,4-benzenedithiol is used. FIG. 10 (a) to FIG. 10 (d) and FIG. 11 (a) to FIG. 11 (d) show test results when 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole is used. Fig. 13 (a) to Fig. 13 (d) and Fig. 14 (a) to Fig. 14 (d) show test results when 1,6-hexanedithiol is used.

更に具体的には、図7(a)は、典型的なI−V曲線の例を示し、図7(b)は、1,4−ベンゼンジチオールを用いた場合に実際に得られたI−V曲線を示している。   More specifically, FIG. 7A shows an example of a typical IV curve, and FIG. 7B shows an I-V actually obtained when 1,4-benzenedithiol is used. V curve is shown.

図10(a)は、典型的なI−V曲線の例を示し、図10(b)は、2,5−ジメルカプト−1,3,4−チアジアゾールを用いた場合に実際に得られたI−V曲線を示している。   FIG. 10 (a) shows an example of a typical IV curve, and FIG. 10 (b) shows the actual I obtained with 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole. -V curve is shown.

図13(a)は、典型的なI−V曲線の例を示し、図13(b)は、1,6−ヘキサンジチオールを用いた場合に実際に得られたI−V曲線を示している。   FIG. 13A shows an example of a typical IV curve, and FIG. 13B shows an IV curve actually obtained when 1,6-hexanedithiol is used. .

何れの物質を用いた場合も、電極対に印加する直流電圧Vbの値が上昇するにしたがって、電極対の間を流れる直流Iの値が上昇した。   In any case, the value of the direct current I flowing between the electrode pair increased as the value of the direct current voltage Vb applied to the electrode pair increased.

次いで、得られたI−V曲線の低バイアス域(換言すれば、電極対の間に弾性トンネル電流が流れる領域)において線形フィッティング(最小自乗法)を行い、I−V直線(一次関数)を得た。そして、I−V曲線における直流の値と、I−V直線における直流の値との差分ΔIを算出した。このとき、電極対に印加する直流電圧の一次関数にて、電極対の間に流れる弾性トンネル電流が示されると仮定すれば、差分ΔIは、電極対の間に流れる非弾性トンネル電流に対応すると考えることができる。   Next, linear fitting (least square method) is performed in a low bias region (in other words, a region where an elastic tunnel current flows between the electrode pair) of the obtained IV curve, and an IV straight line (linear function) is obtained. Obtained. Then, a difference ΔI between the DC value on the IV curve and the DC value on the IV line was calculated. At this time, if it is assumed that the elastic tunnel current flowing between the electrode pair is represented by a linear function of the DC voltage applied to the electrode pair, the difference ΔI corresponds to the inelastic tunnel current flowing between the electrode pair. Can think.

図7(c)は、典型的な差分ΔIと直流電圧Vbとの関係を示し、図7(d)は、1,4−ベンゼンジチオールを用いた場合に実際に得られた差分ΔIと直流電圧Vbとの関係を示している。   FIG. 7C shows a relationship between a typical difference ΔI and a DC voltage Vb, and FIG. 7D shows a difference ΔI and a DC voltage actually obtained when 1,4-benzenedithiol is used. The relationship with Vb is shown.

図10(c)は、典型的な差分ΔIと直流電圧Vbとの関係を示し、図10(d)は、2,5−ジメルカプト−1,3,4−チアジアゾールを用いた場合に実際に得られた差分ΔIと直流電圧Vbとの関係を示している。   FIG. 10 (c) shows a typical relationship between the difference ΔI and the DC voltage Vb, and FIG. 10 (d) is actually obtained when 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole is used. The relationship between the obtained difference ΔI and the DC voltage Vb is shown.

図13(c)は、典型的な差分ΔIと直流電圧Vbとの関係を示し、図13(d)は、1,6−ヘキサンジチオールを用いた場合に実際に得られた差分ΔIと直流電圧Vbとの関係を示している。   FIG. 13C shows a relationship between a typical difference ΔI and a DC voltage Vb, and FIG. 13D shows a difference ΔI and a DC voltage actually obtained when 1,6-hexanedithiol is used. The relationship with Vb is shown.

差分ΔIの値を直流電圧Vbの値に対してプロットすると、1,4−ベンゼンジチオール、2,5−ジメルカプト−1,3,4−チアジアゾールおよび1,6−ヘキサンジチオールの何れの場合においても、正(負)の方向に直流電圧Vbを掃引した場合、ある特定の値の直流電圧Vbを境に、差分ΔIがゼロから増大(減少)し始める傾向が観察された。   When the value of the difference ΔI is plotted against the value of the DC voltage Vb, in any case of 1,4-benzenedithiol, 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole and 1,6-hexanedithiol, When the DC voltage Vb was swept in the positive (negative) direction, the difference ΔI started to increase (decrease) from zero at a certain value of the DC voltage Vb.

一方、単一の金原子が接合した電極対を用いた計測では、正(負)の方向に直流電圧Vbを掃引した場合、差分ΔIがある特定の値の直流電圧Vbを境にゼロから減少(増大)する傾向が見られた(図15(a)〜(d)参照)。   On the other hand, in the measurement using a pair of electrodes bonded with a single gold atom, when the DC voltage Vb is swept in the positive (negative) direction, the difference ΔI decreases from zero at a certain value of the DC voltage Vb. There was a tendency to increase (see FIGS. 15A to 15D).

この特徴的なΔI−V特性は、十分に加速された電子によって、電子と強く相互作用し得る特定の分子振動が励起されたことで、特定の値の直流電圧Vbを境として電極対の電気伝導度が変化するために現れたものであると解釈できる。そして、差分ΔIが、非弾性トンネル電流に対応するパラメータであることを強く示唆している。   This characteristic ΔI-V characteristic is that the fully accelerated electrons excite specific molecular vibrations that can interact strongly with the electrons, so that the electric current of the electrode pair is separated from the DC voltage Vb of a specific value. It can be interpreted as appearing because of the change in conductivity. It strongly suggests that the difference ΔI is a parameter corresponding to the inelastic tunnel current.

差分ΔIの値が変化するときの直流電圧Vbの値は、トンネル電子によって励起される分子振動のエネルギーに対応する値を取り、当該直流電圧Vbの値は、ΔI−V曲線を直流電圧で1次微分することで略ステップ状に、ΔI−V曲線を直流電圧で2次微分することで略ピーク状になり、より明瞭に検出することが可能になる。   The value of the DC voltage Vb when the value of the difference ΔI changes takes a value corresponding to the energy of molecular vibration excited by the tunnel electrons, and the value of the DC voltage Vb is 1 on the ΔI-V curve as a DC voltage. Subsequent differentiation results in a substantially step shape, and the ΔI-V curve is secondarily differentiated with a DC voltage, resulting in a substantially peak shape, which can be detected more clearly.

具体的に、図8(a)は、ΔI−V曲線を直流電圧Vbで1次微分したときに得られる典型的なグラフを示し、図8(b)は、1,4−ベンゼンジチオールに関するΔI−V曲線を直流電圧Vbで1次微分したときに実際に得られるグラフを示している。   Specifically, FIG. 8A shows a typical graph obtained when the ΔI-V curve is first-order differentiated with respect to the DC voltage Vb, and FIG. 8B shows ΔI related to 1,4-benzenedithiol. The graph actually obtained when the -V curve is first-order differentiated with the DC voltage Vb is shown.

図11(a)は、ΔI−V曲線を直流電圧Vbで1次微分したときに得られる典型的なグラフを示し、図11(b)は、2,5−ジメルカプト−1,3,4−チアジアゾールに関するΔI−V曲線を直流電圧Vbで1次微分したときに実際に得られるグラフを示している。   FIG. 11 (a) shows a typical graph obtained when the ΔI-V curve is first-order differentiated with respect to the DC voltage Vb, and FIG. 11 (b) shows 2,5-dimercapto-1,3,4- The graph actually obtained when the ΔI-V curve related to thiadiazole is first-order differentiated with respect to the DC voltage Vb is shown.

図14(a)は、ΔI−V曲線を直流電圧Vbで1次微分したときに得られる典型的なグラフを示し、図14(b)は、1,6−ヘキサンジチオールに関するΔI−V曲線を直流電圧Vbで1次微分したときに実際に得られるグラフを示している。   FIG. 14A shows a typical graph obtained when the ΔI-V curve is first-order differentiated with respect to the DC voltage Vb, and FIG. 14B shows the ΔI-V curve for 1,6-hexanedithiol. A graph actually obtained when first-order differentiation is performed with the DC voltage Vb is shown.

図15(c)は、金原子に関するΔI−V曲線を直流電圧Vbで1次微分したときに実際に得られるグラフを示している。   FIG. 15C shows a graph that is actually obtained when the ΔI-V curve related to the gold atom is first-order differentiated with the DC voltage Vb.

図8(b)、図11(b)、図14(b)および図15(C)に示すように、1次微分の値を直流電圧Vbの値に対してプロットすると略ステップ状のグラフが得られ、差分ΔIの値が変化するときの直流電圧Vbの値をより明瞭に検出することができた。   As shown in FIG. 8B, FIG. 11B, FIG. 14B, and FIG. 15C, when the value of the first derivative is plotted against the value of the DC voltage Vb, a substantially step-shaped graph is obtained. As a result, it was possible to more clearly detect the value of the DC voltage Vb when the value of the difference ΔI changes.

また、図8(c)は、ΔI−V曲線を直流電圧Vbで2次微分したときに得られる典型的なグラフを示し、図8(d)は、1,4−ベンゼンジチオールに関するΔI−V曲線を直流電圧Vbで2次微分したときに実際に得られるグラフを示している。   FIG. 8C shows a typical graph obtained when the ΔI-V curve is second-order differentiated with the DC voltage Vb. FIG. 8D shows the ΔI-V for 1,4-benzenedithiol. A graph actually obtained when the curve is second-order differentiated with the DC voltage Vb is shown.

図11(c)は、ΔI−V曲線を直流電圧Vbで2次微分したときに得られる典型的なグラフを示し、図11(d)は、2,5−ジメルカプト−1,3,4−チアジアゾールに関するΔI−V曲線を直流電圧Vbで2次微分したときに実際に得られるグラフを示している。   FIG. 11 (c) shows a typical graph obtained when the ΔI-V curve is second-order differentiated with respect to the DC voltage Vb, and FIG. 11 (d) shows 2,5-dimercapto-1,3,4- The graph actually obtained when the ΔI-V curve relating to thiadiazole is second-order differentiated with respect to the DC voltage Vb is shown.

図14(c)は、ΔI−V曲線を直流電圧Vbで2次微分したときに得られる典型的なグラフを示し、図14(d)は、1,6−ヘキサンジチオールに関するΔI−V曲線を直流電圧Vbで2次微分したときに実際に得られるグラフを示している。   FIG. 14 (c) shows a typical graph obtained when the ΔI-V curve is second-order differentiated with respect to the DC voltage Vb, and FIG. 14 (d) shows the ΔI-V curve for 1,6-hexanedithiol. A graph actually obtained when second-order differentiation is performed with the DC voltage Vb is shown.

図8(d)、図11(d)および図14(d)に示すように、2次微分の値を直流電圧Vbの値に対してプロットすると略ピーク状のグラフが得られ、1次微分の場合よりも、差分ΔIの値が変化するときの直流電圧Vbの値をより明瞭に検出することができた。   As shown in FIGS. 8 (d), 11 (d) and 14 (d), when the value of the second derivative is plotted against the value of the DC voltage Vb, a substantially peak graph is obtained. The value of the DC voltage Vb when the value of the difference ΔI changes can be detected more clearly than in the case of.

図8(d)および図11(d)に関して、観測されたピークの位置に対応する直流電圧Vbの値をガウスフィッティングにより抽出した。なお、図8(d)および図11(d)中、当該ピークの位置を矢印にて示す。   8D and 11D, the value of the DC voltage Vb corresponding to the observed peak position was extracted by Gaussian fitting. In FIG. 8D and FIG. 11D, the position of the peak is indicated by an arrow.

ガウスフィッティングによって抽出した直流電圧Vbの値は、測定対象としたすべての単分子接合、単原子接点について理論的に導出される振電相互作用の強い特徴的な分子振動モードのエネルギーと一致した。   The value of the DC voltage Vb extracted by Gaussian fitting coincided with the energy of a characteristic molecular vibration mode having a strong vibronic interaction theoretically derived for all single-molecule junctions and single-atom contacts to be measured.

例えば、図9に、1,4−ベンゼンジチオールに特徴的な分子振動モードのエネルギー(具体的には、0.05eV、0.10eV、0.14eV、0.20eV)を示す。分子振動モードのエネルギーである0.05eV、0.10eV、0.14eV、および、0.20eVは、各々、図8(d)中に矢印にて示したピークに対応すると考えられる。   For example, FIG. 9 shows molecular vibration mode energy (specifically, 0.05 eV, 0.10 eV, 0.14 eV, 0.20 eV) characteristic of 1,4-benzenedithiol. The molecular vibration mode energies 0.05 eV, 0.10 eV, 0.14 eV, and 0.20 eV are considered to correspond to the peaks indicated by arrows in FIG.

また、図12に、2,5−ジメルカプト−1,3,4−チアジアゾールに特徴的な分子振動モードのエネルギー(具体的には、0.03eV、0.07eV、0.13eV、0.17eV)を示す。分子振動モードのエネルギーである0.03eV、0.07eV、0.13eV、0.17eVは、各々、図11(d)中に矢印にて示したピークに対応すると考えられる。   In addition, FIG. 12 shows molecular vibration mode energy characteristic of 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole (specifically, 0.03 eV, 0.07 eV, 0.13 eV, 0.17 eV). Indicates. The molecular vibration mode energies of 0.03 eV, 0.07 eV, 0.13 eV, and 0.17 eV are considered to correspond to the peaks indicated by arrows in FIG.

以上の結果より、直流電圧および直流に基づいて作成されたI−V曲線と、数値解析とを組み合わせることで、1分子の識別に応用可能なΔIスペクトルが導出可能であることが明らかとなった。   From the above results, it became clear that a ΔI spectrum applicable to the discrimination of one molecule can be derived by combining the IV curve created based on the DC voltage and DC and the numerical analysis. .

本発明は、各種物質(例えば、1個の分子)の検出、同定、識別、または、構造解析に利用することができる。更に具体的には、本発明は、ポリヌクレオチドの塩基配列を読解するためのシーケンサーに利用することができる。   The present invention can be used for detection, identification, identification, or structural analysis of various substances (for example, one molecule). More specifically, the present invention can be used for a sequencer for reading and understanding the base sequence of a polynucleotide.

1 ・・・電極
2 ・・・電極
5 ・・・電圧源
6 ・・・電流計
7 ・・・試料
10 ・・・電圧源
20 ・・・電極対
30 ・・・電流計
40 ・・・解析部
50 ・・・比較部
60 ・・・判定部
100 ・・・分光装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrode 2 ... Electrode 5 ... Voltage source 6 ... Ammeter 7 ... Sample 10 ... Voltage source 20 ... Electrode pair 30 ... Ammeter 40 ... Analysis Unit 50: Comparison unit 60: Determination unit 100: Spectroscopic apparatus

Claims (10)

正極と負極との間に試料が配置された電極対に対して直流電圧Vbを印加する第1工程と、
上記直流電圧Vbを変化させながら、上記電極対の間に流れる直流Iの値を測定する第2工程と、
上記直流電圧Vbに対して上記直流IをプロットしたI−V曲線について、上記I−V曲線の傾きが変化するときの上記直流電圧Vbの値Vp1を決定する第3工程と、を有することを特徴とする分光法。
A first step of applying a DC voltage Vb to an electrode pair in which a sample is disposed between a positive electrode and a negative electrode;
A second step of measuring the value of the direct current I flowing between the electrode pair while changing the direct current voltage Vb;
A third step of determining a value Vp1 of the DC voltage Vb when the slope of the IV curve changes with respect to an IV curve in which the DC I is plotted with respect to the DC voltage Vb. Characteristic spectroscopy.
上記第3工程では、上記直流電圧Vbに対して上記直流IをプロットしたI−V曲線について、上記直流電圧Vbによる上記直流Iの1次微分dI/dVbを算出することによって上記値Vp1を決定することを特徴とする請求項1に記載の分光法。   In the third step, the value Vp1 is determined by calculating a first derivative dI / dVb of the direct current I based on the direct current voltage Vb with respect to an IV curve in which the direct current I is plotted with respect to the direct current voltage Vb. The spectroscopic method according to claim 1, wherein: 上記第3工程では、上記直流電圧Vbに対して上記直流IをプロットしたI−V曲線について、上記直流電圧Vbによる上記直流Iの2次微分dI/dVbを算出することによって上記値Vp1を決定することを特徴とする請求項1または2に記載の分光法。 In the third step, the above value is obtained by calculating the second derivative d 2 I / dVb 2 of the direct current I with respect to the direct current voltage Vb with respect to the IV curve in which the direct current I is plotted with respect to the direct current voltage Vb. 3. The spectroscopic method according to claim 1, wherein Vp1 is determined. 上記直流Iは、実測される直流の値から、上記電極対の間を流れる弾性トンネル電流の値を引いたものであることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の分光法。   4. The spectroscopic method according to claim 1, wherein the direct current I is obtained by subtracting a value of an elastic tunnel current flowing between the electrode pairs from a measured direct current value. 5. Law. 上記第3工程の後に、上記試料の値Vp1と、該値Vp1に対応する、予め決定されている参照試料の値Vp2と、を比較する第4工程を有することを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の分光法。   The method according to claim 1, further comprising a fourth step of comparing the value Vp1 of the sample with a predetermined value Vp2 of a reference sample corresponding to the value Vp1 after the third step. 5. The spectroscopic method according to any one of 4 above. 上記第4工程の後に、下記(A)〜(C)の少なくとも1つを判定する第5工程を有することを特徴とする請求項5に記載の分光法。
(A)上記試料の値Vp1と上記参照試料の値Vp2とが同じである場合に、上記試料の分子構造と上記参照試料の分子構造とが同じであると判定する;
(B)上記試料の値Vp1と上記参照試料の値Vp2とが一部において同じである場合に、上記試料の分子構造と上記参照試料の分子構造とが、一部において同じであると判定する;
(C)上記試料の値Vp1と上記参照試料の値Vp2とが異なる場合に、上記試料の分子構造と上記参照試料の分子構造とが異なると判定する。
6. The spectroscopic method according to claim 5, further comprising a fifth step of determining at least one of the following (A) to (C) after the fourth step.
(A) When the value Vp1 of the sample and the value Vp2 of the reference sample are the same, it is determined that the molecular structure of the sample and the molecular structure of the reference sample are the same;
(B) When the value Vp1 of the sample and the value Vp2 of the reference sample are partially the same, it is determined that the molecular structure of the sample and the molecular structure of the reference sample are partially the same. ;
(C) When the value Vp1 of the sample and the value Vp2 of the reference sample are different, it is determined that the molecular structure of the sample and the molecular structure of the reference sample are different.
上記試料は、上記電極対の間の空間を移動しているものであることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の分光法。   The spectroscopic method according to claim 1, wherein the sample moves in a space between the electrode pair. 上記電極対の間の空間は、上記試料として1分子の物質のみが配置される大きさにて形成されていることを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の分光法。   The spectroscopic method according to any one of claims 1 to 7, wherein the space between the electrode pair is formed with a size in which only one molecule of substance is arranged as the sample. 上記第2工程では、上記直流電圧Vbが、一定の値ずつ変化することを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の分光法。   The spectroscopic method according to claim 1, wherein in the second step, the DC voltage Vb changes by a constant value. 正極と負極との間に試料が配置された電極対に対して、値を変化させながら直流電圧Vを印加する電圧源と、
上記電極対の間に流れる直流Iの値を測定する電流計と、
上記直流電圧Vに対して上記直流IをプロットしたI−V曲線について、上記I−V曲線の傾きが変化するときの上記直流電圧Vbの値Vp1を決定する解析部と、を備えることを特徴とする分光装置。
A voltage source that applies a DC voltage V while changing a value with respect to an electrode pair in which a sample is disposed between a positive electrode and a negative electrode;
An ammeter for measuring the value of the direct current I flowing between the electrode pair;
An analysis unit that determines a value Vp1 of the DC voltage Vb when the slope of the IV curve changes with respect to an IV curve in which the DC I is plotted with respect to the DC voltage V. A spectroscopic device.
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