JP2015108590A - Measurement unit, analyzer and analysis method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ナノポアに高分子を通過させて分析する装置、その装置で使用される計測ユニット、及び分析方法に関する。 The present invention relates to an apparatus for analyzing by passing a polymer through a nanopore, a measurement unit used in the apparatus, and an analysis method.
ナノポア式分析装置とは、核酸、タンパク質等の高分子をナノポアに通過させ、電気的に高分子を検出する分析装置である。ナノポア式分析装置の検出方法として封鎖電流方式が知られている(非特許文献1)。具体的な検出方法としては、まず、2個の溶液槽の間にナノポアを有する薄膜を設置する。溶液槽の間に電位勾配をかけることで、溶液槽に含まれる溶液のイオンがナノポア内を移動し、イオン電流が発生する。次に、片方の溶液槽に電荷を持った高分子を加えると、電位勾配により高分子はナノポアを通過する。高分子がナノポア内部を通過する際に、ナノポア内部のイオンの移動を部分的に封鎖するため、電流値が減少する。この電流値の減少により高分子を検出する方法である。 The nanopore type analyzer is an analyzer that electrically detects a polymer by passing a polymer such as nucleic acid or protein through the nanopore. A blocking current method is known as a detection method of a nanopore analyzer (Non-Patent Document 1). As a specific detection method, first, a thin film having nanopores is placed between two solution tanks. By applying a potential gradient between the solution tanks, ions of the solution contained in the solution tank move in the nanopore, and an ionic current is generated. Next, when a charged polymer is added to one solution tank, the polymer passes through the nanopore due to a potential gradient. When the polymer passes through the inside of the nanopore, the movement of ions inside the nanopore is partially blocked, so that the current value decreases. This is a method for detecting a polymer by reducing the current value.
測定のスループットを向上させるためには、ナノポアの並列化が必要である。しかし、封鎖電流方式では、少なくとも片方の溶液槽のナノポア間に隔壁を設置し、ナノポア間の溶液を隔離することで、ナノポア間の信号の混在を防ぐ必要がある。ナノポア間に隔壁が必要なため、ナノポアの高集積化が困難である。 In order to improve measurement throughput, parallel nanopores are required. However, in the blocking current method, it is necessary to prevent the mixing of signals between the nanopores by providing a partition between the nanopores of at least one solution tank and isolating the solution between the nanopores. Since partition walls are required between the nanopores, it is difficult to highly integrate the nanopores.
封鎖電流方式によるナノポア式分析装置をDNAシークエンサーとして利用する場合には、DNAがナノポアを通過する際の4種塩基の封鎖電流量の違いを検出することで、塩基識別及び配列解読を行う。 When a nanopore type analyzer using a blocking current method is used as a DNA sequencer, base identification and sequence decoding are performed by detecting the difference in the blocking current amount of the four bases when DNA passes through the nanopore.
また、封鎖電流方式以外の検出方法として、高分子がナノポアを通過する際のナノポア開口端近傍の電位変化を検出する方法も知られている(特許文献1、非特許文献2)。この方法を実施する装置は、構成要素として、2個の溶液槽と、ナノポアを有する薄膜と、溶液槽の間に電位勾配をかける電極と、ナノポア開口端近傍の電位を計測する電界効果トランジスタ(Field effect transistor:FET)構造とを含む。高分子がナノポア内部を封鎖することで、開口端近傍の電位が変化する。この電位変化をFET構造で検出する。電位に基づいて高分子を検出するため、ナノポア間の溶液を隔離しなくても、ナノポア毎に独立して信号を検出することが可能である。そのため、ナノポア間の隔壁が不要で、高集積化が容易である。
Further, as a detection method other than the blocking current method, a method of detecting a potential change in the vicinity of the nanopore opening end when a polymer passes through the nanopore is also known (
非特許文献2(Fig.3c)には、二本鎖DNAのナノポア通過によるナノポア近傍の電位変化の計算値が示されており、高分子の導入側の溶液の塩濃度が導出側の100倍の場合に電位変化が最大となっている。また、非特許文献2(Fig.1a)には、高分子の導入側の溶液と導出側の溶液で塩濃度が等しい場合、二本鎖DNAの通過に伴うFET信号を検出できないことが示されている。よって、高分子を感度良く検出するためには、高分子の導入側の溶液の塩濃度を導出側よりも高くすることが必要である。 Non-Patent Document 2 (FIG. 3c) shows the calculated value of potential change in the vicinity of the nanopore due to the passage of double-stranded DNA through the nanopore, and the salt concentration of the solution on the polymer introduction side is 100 times that on the derivation side. In this case, the potential change is maximum. Non-Patent Document 2 (FIG. 1a) shows that an FET signal accompanying the passage of double-stranded DNA cannot be detected when the salt concentration is the same in the solution on the polymer introduction side and the solution on the delivery side. ing. Therefore, in order to detect the polymer with high sensitivity, it is necessary to make the salt concentration of the solution on the polymer introduction side higher than that on the derivation side.
しかし、高分子の導入側の塩濃度を高くすると、導入側の導電性が高くなり、電位変化が小さくなる。これにより、導入側のナノポア開口端近傍の電場が弱くなる(非特許文献2、Supplementary Figs.5c、d)。その結果、塩濃度の勾配をつける前と比較して、高分子をナノポアに導入する力が弱くなるため、高分子のナノポア通過頻度が小さくなり、計測のスループットが低下するという問題がある。
However, when the salt concentration on the introduction side of the polymer is increased, the conductivity on the introduction side is increased and the potential change is reduced. Thereby, the electric field near the nanopore opening end on the introduction side becomes weak (Non-patent
ナノポア式分析装置の空間分解能は、ナノポアの長さ(測定対象の通過方向の長さ)に依存する。例えば、ナノポア式分析装置をDNAシークエンサーとして利用する場合には、一塩基ずつ配列を決定する必要があり、一塩基分の空間分解能を得ることが望ましい。空間分解能を一塩基分とするためには、DNAにより封鎖される部位の長さを一塩基分(0.34 nm)以下にする必要がある。特許文献1(Fig.1)では、薄膜(基板)と電極の積層部にナノポアを形成している。そのため、ナノポアの長さは、薄膜の厚さに電極の厚さを加えたものになり、ナノポアの長さを短くするのは困難である。 The spatial resolution of the nanopore analyzer depends on the length of the nanopore (the length in the passing direction of the measurement target). For example, when a nanopore analyzer is used as a DNA sequencer, it is necessary to determine the sequence for each base, and it is desirable to obtain a spatial resolution for one base. In order to reduce the spatial resolution to one base, the length of the site blocked by DNA needs to be one base (0.34 nm) or less. In Patent Document 1 (FIG. 1), nanopores are formed in a laminated portion of a thin film (substrate) and an electrode. Therefore, the length of the nanopore is obtained by adding the thickness of the electrode to the thickness of the thin film, and it is difficult to shorten the length of the nanopore.
また、特許文献1(Fig.2C)では、電極に隣接した薄膜にナノポアを形成しているが、ナノポア近傍に薄膜を支える構造がない。そのため、より薄い薄膜を作製し、ナノポアの長さを短くするのは困難である。よって、特許文献1に示された構成では十分に空間分解能を向上させるのは困難である。
Moreover, in patent document 1 (FIG. 2C), although the nanopore is formed in the thin film adjacent to an electrode, there is no structure which supports a thin film in the nanopore vicinity. Therefore, it is difficult to produce a thinner thin film and shorten the length of the nanopore. Therefore, it is difficult to sufficiently improve the spatial resolution with the configuration disclosed in
本発明の目的は、高スループット及び高空間分解能で高分子の検出及び分析が可能な分析装置、その分析装置で用いられる計測ユニット、及び、分析方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide an analyzer capable of detecting and analyzing a polymer with high throughput and high spatial resolution, a measurement unit used in the analyzer, and an analysis method.
本発明者らは、第1の開口部を有する第1の薄膜と、前記第1の開口部と連結し、かつ前記第1の開口部の径よりも大きい径を有する第2の開口部を有する第2の薄膜とを備え、前記第2の開口部の周囲には、ソース電極とドレイン電極とチャネルとを備えるFET構造が設けられている計測ユニットを提供することによって、上記課題が解決できることを見出した。
すなわち、本発明は以下の発明を包含する。
The inventors have a first thin film having a first opening, and a second opening connected to the first opening and having a diameter larger than the diameter of the first opening. The above-described problem can be solved by providing a measurement unit including a second thin film having a FET structure including a source electrode, a drain electrode, and a channel around the second opening. I found.
That is, the present invention includes the following inventions.
(1)第1の開口部を有する第1の薄膜と、
前記第1の開口部と連結し、かつ前記第1の開口部の径よりも大きい径を有する第2の開口部を有する第2の薄膜とを備え、
前記第2の開口部の周囲には、ソース電極とドレイン電極とチャネルとを備えるFET構造が設けられている、分析装置用の計測ユニット。
(1) a first thin film having a first opening;
A second thin film having a second opening connected to the first opening and having a diameter larger than the diameter of the first opening;
A measurement unit for an analyzer, wherein an FET structure including a source electrode, a drain electrode, and a channel is provided around the second opening.
(2)前記第1の開口部の断面形状が円形の場合はその直径が、楕円形の場合はその短径が、多角形の場合はその内接円の直径が、1.0nm〜10nmである、(1)記載の計測ユニット。 (2) When the cross-sectional shape of the first opening is circular, the diameter is 1.0 nm, the short diameter is elliptical, and the inscribed circle diameter is 1.0 nm to 10 nm when polygonal. The measuring unit according to (1).
(3)前記第1の薄膜の厚さが0.335〜200nmである、(1)記載の計測ユニット。 (3) The measurement unit according to (1), wherein the thickness of the first thin film is 0.335 to 200 nm.
(4)前記第1の開口部の高さを前記第1の開口部の径の2乗で除した値が、前記第2の開口部の高さを前記第2の開口部の径の2乗で除した値の0.01〜100倍である、(1)記載の計測ユニット。 (4) The value obtained by dividing the height of the first opening by the square of the diameter of the first opening is 2 as the height of the second opening is the diameter of the second opening. The measurement unit according to (1), which is 0.01 to 100 times the value divided by the power.
(5)前記第2の開口部の高さが前記第2の開口部の径の100倍以下である、(1)記載の計測ユニット。 (5) The measurement unit according to (1), wherein a height of the second opening is not more than 100 times a diameter of the second opening.
(6)前記第1の薄膜の材料がグラフェンである、(1)記載の計測ユニット。 (6) The measurement unit according to (1), wherein the material of the first thin film is graphene.
(7)前記第2の薄膜に前記FET構造が複数設けられている、(1)記載の計測ユニット。 (7) The measuring unit according to (1), wherein the second thin film is provided with a plurality of the FET structures.
(8)第1の溶液槽と、
第2の溶液槽と、
前記第1の溶液槽と前記第2の溶液槽との間に配置された少なくとも1つの計測ユニットと、
制御部とを備え、
前記計測ユニットは、第1の開口部を有する第1の薄膜と、前記第1の開口部と連結し、かつ前記第1の開口部の径よりも大きい径を有する第2の開口部を有する第2の薄膜とを備え、前記第2の開口部の周囲には、ソース電極とドレイン電極とチャネルとを備えるFET構造が設けられており、
前記制御部は、測定対象による前記第1の開口部の部分的な封鎖に伴う前記FET構造近傍の電位変化を検出する、分析装置。
(8) a first solution tank;
A second solution tank;
At least one measuring unit disposed between the first solution tank and the second solution tank;
A control unit,
The measurement unit includes a first thin film having a first opening, and a second opening connected to the first opening and having a diameter larger than the diameter of the first opening. An FET structure including a source electrode, a drain electrode, and a channel is provided around the second opening.
The said control part is an analyzer which detects the electrical potential change of the said FET structure vicinity accompanying the partial blockade of the said 1st opening part by a measuring object.
(9)前記第1の開口部の断面形状が円形の場合はその直径が、楕円形の場合はその短径が、多角形の場合はその内接円の直径が、1.0nm〜10nmである、(8)記載の分析装置。 (9) When the cross-sectional shape of the first opening is circular, the diameter is 1.0 nm, the short diameter is elliptical, and the diameter of the inscribed circle is 1.0 nm to 10 nm when polygonal. The analyzer according to (8).
(10)前記第1の薄膜の厚さが0.335〜200nmである、(8)記載の分析装置。 (10) The analyzer according to (8), wherein the thickness of the first thin film is 0.335 to 200 nm.
(11)前記第1の開口部の高さを前記第1の開口部の径の2乗で除した値が、前記第2の開口部の高さを前記第2の開口部の径の2乗で除した値の0.01〜100倍である、(8)記載の分析装置。 (11) The value obtained by dividing the height of the first opening by the square of the diameter of the first opening is 2 as the height of the second opening. The analyzer according to (8), which is 0.01 to 100 times the value divided by the power.
(12)前記第2の開口部の高さが前記第2の開口部の径の100倍以下である、(8)記載の分析装置。 (12) The analyzer according to (8), wherein the height of the second opening is not more than 100 times the diameter of the second opening.
(13)前記第1の薄膜の材料がグラフェンである、(8)記載の分析装置。 (13) The analyzer according to (8), wherein the material of the first thin film is graphene.
(14)前記第2の薄膜に前記FET構造が複数設けられている、(8)記載の分析装置。 (14) The analyzer according to (8), wherein a plurality of the FET structures are provided in the second thin film.
(15)第1の溶液槽と第2の溶液槽との間に配置された少なくとも1つの計測ユニットに測定対象を通過させるステップであって、前記計測ユニットは、第1の開口部を有する第1の薄膜と、前記第1の開口部と連結し、かつ前記第1の開口部の径よりも大きい径を有する第2の開口部を有する第2の薄膜とを備え、前記第2の開口部の周囲には、ソース電極とドレイン電極とチャネルとを備えるFET構造が設けられており、前記第1の開口部を貫通する方向の電場により前記測定対象が前記第1の開口部を通過するように制御する、ステップと、
前記測定対象による第1の開口部の部分的な封鎖に伴う前記FET構造近傍の電位変化を検出するステップと、を含む分析方法。
(15) A step of passing a measurement object through at least one measurement unit disposed between the first solution tank and the second solution tank, wherein the measurement unit has a first opening. A first thin film, and a second thin film having a second opening connected to the first opening and having a diameter larger than that of the first opening. An FET structure including a source electrode, a drain electrode, and a channel is provided around the portion, and the measurement object passes through the first opening by an electric field passing through the first opening. To control, step, and
Detecting a potential change in the vicinity of the FET structure due to partial blockage of the first opening by the measurement object.
本発明によれば、高スループット及び高空間分解能で高分子の検出及び分析が可能となる。
本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
According to the present invention, it is possible to detect and analyze a polymer with high throughput and high spatial resolution.
Further features related to the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings. Further, problems, configurations and effects other than those described above will be clarified by the description of the following examples.
以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。なお、添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。なお、各図において共通の構成要素については同一の参照番号が付されている。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. The accompanying drawings show specific embodiments in accordance with the principle of the present invention, but these are for the understanding of the present invention, and are never used to interpret the present invention in a limited manner. is not. In addition, the same reference number is attached | subjected about the common component in each figure.
各実施例で述べる「ナノポア」とは、薄膜に設けたナノサイズの孔であり、薄膜の表裏を貫通する。ナノポアを有する薄膜は主に無機材料から形成される。薄膜材料の例としては、SiN、SiO2、グラフェン(Graphene)、グラファイト(Graphite)、Siなどが挙げられる。薄膜材料は、他に、有機物質、高分子材料などを含むこともできる。 The “nanopore” described in each example is a nano-sized hole provided in the thin film and penetrates the front and back of the thin film. A thin film having nanopores is mainly formed from an inorganic material. Examples of the thin film material include SiN, SiO 2 , graphene, graphite, and Si. In addition, the thin film material may include an organic substance, a polymer material, and the like.
[第1実施例]
図1Aは、分析装置に用いられる計測ユニットの一例を示し、以下で説明する第2の開口部の形状が直方体である場合の斜視図である。図1Bは、計測ユニットの別の例を示し、第2の開口部の形状が円柱である場合の斜視図である。図1Cは、図1AのA−A線断面図であり、XY面に平行でナノポアを通過する面における断面図である。図1Dは、図1Aの上面図であり、図1Eは、図1Bの上面図である。
[First embodiment]
FIG. 1A is a perspective view illustrating an example of a measurement unit used in an analyzer, and a shape of a second opening described below is a rectangular parallelepiped. FIG. 1B shows another example of the measurement unit, and is a perspective view when the shape of the second opening is a cylinder. 1C is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 1A and is a cross-sectional view of a plane parallel to the XY plane and passing through the nanopore. 1D is a top view of FIG. 1A, and FIG. 1E is a top view of FIG. 1B.
図1Aにおいて、計測ユニットは、第1の薄膜100と、第1の薄膜100上に積層された第2の薄膜104とを備える。第1の薄膜100は、第1の開口部105を有し、この第1の開口部105は、上記で説明したナノポアに相当するものである。第2の薄膜104は、第2の開口部106を有している。第2の薄膜104の材料として、上述した第1の薄膜100用の材料と同じ材料を用いてもよいし、その他の材料を用いてもよい。第2の開口部106は、第1の開口部105と連結しており、第2の開口部106の径は、第1の開口部105の径よりも大きい。図1D及び図1Eの例では、上面視において、第1の開口部105は、第2の開口部106のほぼ中心の位置に配置されているが、この構成に限定されず、第1の開口部105と第2の開口部106が連結されていればよい。また、第1の開口部105は、複数設けられてもよい。
1A, the measurement unit includes a first
第2の薄膜104は、第2の開口部106の周囲にFTE構造を備える。このFTE構造は、チャネル101と、ソース電極102と、ドレイン電極103とから構成される。ソース電極102とドレイン電極103は、第2の開口部106を挟んで対向する位置にそれぞれ配置される。チャネル101は、ソース電極102とドレイン電極103とを接続するように配置されている。第2の開口部106は、チャネル101の位置を貫通している。例えば、チャネル101はノンドープのシリコンもしくはP型のシリコンもしくは低濃度のN型シリコンとし、ソース電極102及びドレイン電極103はN型のシリコン(Si)とする。なお、ソース電極102及びドレイン電極103へのコンタクトとなる配線などが設けられるが、図1A〜図1Eにおいては省略されている。
The second
図1Fは、第1の薄膜100の第1の開口部105近傍の拡大斜視図である。図1Fに示すように、測定対象であるDNA107は、第1の開口部105を通過する(図1F中のDNA107の各ブロックの連なりは、塩基の連なりを表している)。
FIG. 1F is an enlarged perspective view of the vicinity of the
本実施例の構成全体を導電性の溶液で満たし、Y軸方向の電位勾配をかけることで、第1の開口部105および第2の開口部106に電位勾配が形成される。電位勾配をY軸正方向にかけ、前記導電性の溶液にDNA107を加えると、DNA107は負電荷を有するため、第1の開口部105をY軸負方向に通過する。このように、第1の開口部105を貫通する方向の電場により、測定対象であるDNA107が第1の開口部105を通過するように制御される。本構成では、第1の開口部105のDNA通過に伴う第2の開口部106の電位変化をFETのチャネル電流値の変化として検出することでDNAの検出及び分析を行う。
By filling the entire configuration of this embodiment with a conductive solution and applying a potential gradient in the Y-axis direction, a potential gradient is formed in the
第1の開口部105をDNAが通過する際に、第1の開口部105の溶液に含まれるイオンの移動が部分的に封鎖される。そのため、第1の開口部105の抵抗値は増加する。全体の電位差は変化しないため、第1の開口部105の封鎖により、第1の開口部105の電位差は増加し、第2の開口部106の電位差は減少する。その結果、第2の薄膜104に設置したFET近傍の電位が変化し、FETのチャネル電流値が変化する。
When DNA passes through the
図2は、第1の開口部及び第2の開口部の電位変化の一例を示した図である。図2は、電圧1.0V、DNAの直径が1.4nm、第1の開口部105の径が2nm、第1の開口部105の高さ(測定対象が通過する方向の長さ)が10nm、第2の開口部106の径が10nm、第2の開口部106の高さ(測定対象が通過する方向の長さ)が100nmの例を示した。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of potential changes in the first opening and the second opening. FIG. 2 shows a voltage of 1.0 V, a DNA diameter of 1.4 nm, a diameter of the
DNA通過有の電位とDNA通過無の電位の差分がFETの検出感度に比例すると考えられる。第2の開口部106では第1の開口部105に近い位置(Y座標が小さい位置)でDNA通過有の電位とDNA通過無の電位の差分が大きくなるため、第2の開口部106のFET構造を設置する位置は第1の開口部105に近い位置にすれば検出感度が高くなると考えられる。
It is considered that the difference between the potential with DNA passing and the potential without DNA passing is proportional to the detection sensitivity of the FET. In the
非特許文献2で示されている従来の構成でDNAを検出するためには、第1の開口部(ナノポア)前後の溶液に塩濃度の勾配が必要で、DNAの導入側の塩濃度を導出側よりも高くすることが必要である。DNAの導入側の電位差は導出側よりも低くなるため、第1の開口部の導入側の開口端近傍の電場は導出側よりも弱くなり、DNAの第1の開口部の通過頻度が小さくなる。これに対して、本実施例の構成では、第1の開口部105前後の溶液の塩濃度に勾配をつけなくてもDNA107の検出及び分析が可能である。よって、第1の開口部105の開口端近傍の電場が強く、DNA107の第1の開口部105の通過頻度が増加する。そのため、DNA107の検出頻度が増加し、計測のスループットが向上する。
In order to detect DNA with the conventional configuration shown in
また、本実施例では、第1の開口部105は第1の薄膜100に形成されており、第1の開口部105の長さ(測定対象が通過する方向の長さ)は第1の薄膜100の厚さとなる。さらに、第1の開口部105の近傍に第2の薄膜104が設置されており、第1の薄膜100を安定な構造にしている。そのため、より薄い第1の薄膜100を作製しやすい。第1の開口部105の径は第2の開口部106の径より小さいため、空間分解能は第1の開口部105が設置されている第1の薄膜100の厚さにより決定される。そのため、第1の薄膜100の厚さを薄くすることで、空間分解能を向上させることが出来る。特に、第1の薄膜100の材質を一層のグラフェンとし、第1の薄膜100の厚さを一塩基分(0.34nm)以下の0.335nmとすることも可能である。具体的な薄膜部分の厚さは、0.335nm〜200nm、好ましくは0.335nm〜100nm、より好ましくは0.335〜0.34nmである。
In the present embodiment, the
第1の開口部105の径は、解析対象の高分子の種類によって適切なサイズを選択することができる。DNAシークエンサーの解析対象である一本鎖DNAの直径は引き伸ばされていない状態で約1.4nmであり、一本鎖DNAを解析するための第1の開口部径の適切な範囲は1.0nm〜10nm程度、好ましくは1.0nm〜2.0nm程度である。
An appropriate size can be selected as the diameter of the
二本鎖DNAの直径は引き伸ばされていない状態で約2.6nmであり、dsDNAを解析するための第1の開口部105の径の適切な範囲は2.0nm〜10nm程度、好ましくは2.0nm〜4nm程度である。また、第1の開口部105の断面形状は円に限らず、楕円や多角形にすることも可能である。なお、上記で説明した径のサイズは、楕円に適用する場合はその短径に適用すればよく、多角形の場合はその内接円の直径に適用すればよい。
The diameter of the double-stranded DNA is about 2.6 nm in an unstretched state, and an appropriate range of the diameter of the
図3は、第1の開口部105の径が1.45〜3nmの場合の、開口部の抵抗比(第1の開口部105/第2の開口部106)とDNAが第1の開口部105を通過した際の第2の開口部106の電位変化の関係の一例を示した図である。第1の開口部105と第2の開口部106の全体にかかる電圧を1V、DNAの直径を1.4nmとした。抵抗比は開口部の高さを径の2乗で除した値の比で算出した。電位変化は第1の開口部105と第2の開口部106の境界位置の電位変化を示した。電位変化はDNA通過の検出感度に比例し、抵抗比0.1〜1で最大となる。抵抗比の適切な範囲は、0.01〜100、好ましくは0.1〜10である。
FIG. 3 shows that when the diameter of the
第2の開口部106の作製において径に対する高さの比が大きい開口部の作製を試みた場合、製法上、第1の薄膜100まで第2の開口部106が達しないおそれがある。そのため、第2の開口部106の高さは、径の100倍以下が好ましい。
If an attempt is made to produce an opening having a large ratio of height to diameter in the production of the
図1A及び図1Bには、第2の開口部106が直方体、円柱である場合の斜視図を示したが、第2の開口部106のXZ方向の断面形状は長方形や円に限らず、他の多角形や楕円にすることも可能である。また、第2の開口部106を有する第2の薄膜104の設置位置は、DNA導入側あるいはDNA導出側のどちらでもよい。第2の開口部106を有する第2の薄膜104がDNA導入側、DNA導出側のどちらに設置された場合でも、第1の開口部105に含まれる高分子の検出が可能なため、その設置位置はDNA導入側、導出側のいずれかに限定されない。
1A and 1B show perspective views in the case where the
本実施例によれば、第1の開口部前後の溶液に塩濃度勾配をつけずに高分子を検出することが可能となる。塩濃度勾配を高分子導出側に対して導入側を高くした検出方法と比較して、計測のスループットを向上させることができる。また、第1の薄膜の厚みを薄くすることで、空間分解能を向上させることができる。電荷を持つ高分子の分析が可能だが、特に1本鎖DNA検出及びDNAシークエンスに適している。このように、高分子の検出に塩濃度勾配が不要で、高分子による封鎖部位の厚みを薄くすることが可能な計測ユニットを提供できる。 According to this embodiment, it is possible to detect the polymer without applying a salt concentration gradient to the solution before and after the first opening. Compared with a detection method in which the salt concentration gradient is higher on the inlet side than on the polymer outlet side, the measurement throughput can be improved. Further, the spatial resolution can be improved by reducing the thickness of the first thin film. Although analysis of charged polymers is possible, it is particularly suitable for single-stranded DNA detection and DNA sequencing. As described above, it is possible to provide a measurement unit that does not require a salt concentration gradient for the detection of the polymer and can reduce the thickness of the blocking site by the polymer.
[第2実施例]
図4は、第2実施例を示す。図4は、ナノポアFETアレイ化基板(以下、FETアレイ基板と称する)を用いたDNA塩基配列測定システムの一構成を示す図である。
[Second Embodiment]
FIG. 4 shows a second embodiment. FIG. 4 is a diagram showing one configuration of a DNA base sequence measurement system using a nanopore FET array substrate (hereinafter referred to as an FET array substrate).
FETアレイ基板201上には、2つ以上のナノポアFET110がアレイ化されている計測ユニットが設けられており、この計測ユニットは、ディスポーザブルな消耗品として使用することが可能である。図4に示すように、ナノポアFET110は、第1実施例として説明した計測ユニットに対応する。
A measurement unit in which two or
DNA塩基配列測定システムは、フローセル230を備える。フローセル230は、第1の溶液槽202と、第2の溶液槽203と、第1の溶液槽202と第2の溶液槽203の間に配置されたFETアレイ基板201とを備える。第1の溶液槽202と第2の溶液槽203は、仕切り体250により分けられており、仕切り体250には、ナノポアFET110を備えるFETアレイ基板201が設置されている。本実施例では、ナノポアFET110は、第2の溶液槽203側の溶液に接するように配置されている。したがって、図4に示すように、ナノポアFET110は、第1の薄膜100が上側になるように仕切り体250に設置されている。なお、ナノポアFET110は、第1の溶液槽202側の溶液に接するように配置されてもよい。
The DNA base sequence measurement system includes a
第1の溶液槽202には注入路204を通ってポンプ205によってDNAサンプル溶液容器206またはバッファー容器207内の溶液が注入される。これらの容器206、207には、それぞれバルブ208、209が取り付けてあり、注入する溶液をバルブ208、209の開閉によって選択できる。
The solution in the DNA
第1の溶液槽202の溶液は、排出路210を通って、廃液容器211に貯められる。廃液容器211にもバルブ212が取り付けられており、廃液の逆流を防ぐことができる。同様に、第2の溶液槽203には、バッファー容器213からポンプ214で注入路215を通してバッファー溶液が注入される。余分な廃液は排出路216を通して、廃液容器217に排出される。図では省略されているが、ポンプ205、214とバルブ208、209、212はすべて制御部240につながれて、それらの動作は自動制御されている。
The solution in the
第1の溶液槽202には負電極219が浸漬されており、第2の溶液槽203には正電極218が浸漬されている。第2の溶液槽203はバッファー溶液で満たされている。第1の溶液槽202では本実施例の解読対象であるDNAがバッファー溶液中を浮遊している。バッファー溶液にはイオン物質が含まれているので、第1の溶液槽202と第2の溶液槽203の間に電圧をかけることで、イオン電流が負電極219と正電極218の間に発生する。負電極219と正電極218の間には、両電極間に電圧を印加するための第一の電源220とイオン電流値を測定するための電流計221が設置される。また、この電流計221は、アンプ及びアナログディジタル(AD)コンバータを含んでいる。
A
図4に示す通り、第一の電源220と電流計221は、それぞれ制御部240に接続されており、制御部240が印加電圧を制御したり、取得された電流値を保存したりする。制御部240は、通常の中央処理部(CPU)、メモリなどの記憶部、キーボードやディスプレイなどの入出力部、及び通信インタフェースを備えているコンピュータで構成できることは言うまでもない。
As shown in FIG. 4, the
電流計221は、イオン電流とDNAの第1の開口部105通過時の封鎖電流を測定することができる。正電極218には負電極219よりも1V程度高い電圧を印加する。これにより、第2の溶液槽203の電位が第1の溶液槽202より高くなる。第1の溶液槽202を浮遊するDNAは負電荷を帯びているため、第1の開口部105を通過して、第2の溶液槽203に移動する。DNAを第1の溶液槽202ではなく、第2の溶液槽203に注入する構成にしてもよい。その場合は、負電極219に正電極218よりも高い電圧を印加すればよい。このように、第1の開口部105を貫通する方向の電場により、測定対象であるDNAが第1の開口部105を通過するように制御される。
The
本構成では、制御部240が、電流計221から、イオン電流の情報とDNAの第1の開口部105通過時の封鎖電流の情報を取得する。そして、制御部240は、第1の開口部105のDNA通過に伴う第2の開口部106の電位変化をFETのチャネル電流値の変化として検出する。これにより、制御部240は、DNAの検出及び分析を行う。なお、制御部240の検出結果は、上述のディスプレイなどでオペレータが確認することが可能である。
In this configuration, the
図5は、本実施例のFETアレイ基板201の電気系を示す回路図である。図5では、FETアレイ基板201上に、3つのナノポアFET110a、ナノポアFET110b、及びナノポアFET110cが並べられている。これに限定されず、2つ以上のナノポアFETがアレイ化されればよい。好適には先に説明したように多数のナノポアFETが並べられる。図5ではナノポアFETを1次元に配列したが、2次元に配列しても構わない。
FIG. 5 is a circuit diagram showing an electrical system of the
ナノポアFET110aにおいて、ソース電極102は第二の電源301aに接続されている。同様に、他のナノポアFET110b、ナノポアFET110cにおいても、ソース電極は、それぞれ、第二の電極301b、301cに接続されている。ナノポアFET110a、ナノポアFET110b、ナノポアFET110cのそれぞれの電極には独立に異なる電圧を印加することが可能である。
In the
ナノポアFET110aにおいて、ソース電極102とドレイン電極103の間に流れるチャネル電流は電流計302aに内蔵されたアンプとアナログ−デジタル変換器(ADコンバータ)でデジタル信号に変換され、制御部240のメモリに送られる。すべての電源301a、301b、301cと電流計302a、302b、302cはコネクタ310を介して制御部240に接続しており、各電源の電圧は制御部240で自動制御される。
In the
本実施例によれば、第1の開口部前後の溶液に塩濃度勾配をつけずに高分子を検出することが可能となる。第1実施例で示したナノポアFET構造をアレイ化して配置することで、計測のスループットをより向上させたDNA塩基配列測定システムを提供できる。 According to this embodiment, it is possible to detect the polymer without applying a salt concentration gradient to the solution before and after the first opening. By arranging the nanopore FET structure shown in the first embodiment in an array, it is possible to provide a DNA base sequence measurement system with further improved measurement throughput.
[第3実施例]
図6A及び図6Bは、第3実施例を示す。図6Aは斜視図であり、図6Bは、図6AのA−A線断面図(図6AにおいてXY面に平行で第1の開口部105を通過する面における断面図)である。第3実施例では、第1実施例で示したFET構造が複数設けられている。図6A及び図6Bで示したFET構造は、上述と同様に、チャネル101と、ソース電極102と、ドレイン電極103とから構成される。
[Third embodiment]
6A and 6B show a third embodiment. 6A is a perspective view, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 6A (a cross-sectional view taken along a plane parallel to the XY plane and passing through the
本実施例によれば、DNAの第1の開口部105通過に伴い、同じ領域のDNAの封鎖に由来した2種類の電位変化を検出できるため、分析の精度を向上させることが可能である。
According to this example, two kinds of potential changes derived from the blockade of DNA in the same region can be detected as DNA passes through the
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることがあり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 In addition, this invention is not limited to the Example mentioned above, Various modifications are included. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. In addition, a part of the configuration of one embodiment may be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment may be added to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
また、制御部240の処理、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、制御部240の処理、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記憶装置、または、ICカード、SDカード、DVD等の記憶媒体に置くことができる。
The processing, functions, and the like of the
また、上述の実施例において制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。 In the above-described embodiments, control lines and information lines are those that are considered necessary for the explanation, and not all control lines and information lines on the product are necessarily shown. Actually, it may be considered that almost all the components are connected to each other.
100 第1の薄膜
101 チャネル
102 ソース電極
103 ドレイン電極
104 第2の薄膜
105 第1の開口部
106 第2の開口部
107 DNA
110、110a、110b、110c ナノポアFET
201 FETアレイ基板
202 第1の溶液槽
203 第2の溶液槽
204、215 注入路
205、214 ポンプ
206 DNAサンプル溶液容器
207、213 バッファー容器
208、209、212 バルブ
210、216 排出路
211、217 廃液容器
218 正電極
219 負電極
220 電源
221 電流計
230 フローセル
240 制御部
250 仕切り体
301a、301b、301c 電源
302a、302b、302c 電流計
310 コネクタ
100 first
110, 110a, 110b, 110c Nanopore FET
201
Claims (15)
前記第1の開口部と連結し、かつ前記第1の開口部の径よりも大きい径を有する第2の開口部を有する第2の薄膜とを備え、
前記第2の開口部の周囲には、ソース電極とドレイン電極とチャネルとを備えるFET構造が設けられている、分析装置用の計測ユニット。 A first thin film having a first opening;
A second thin film having a second opening connected to the first opening and having a diameter larger than the diameter of the first opening;
A measurement unit for an analyzer, wherein an FET structure including a source electrode, a drain electrode, and a channel is provided around the second opening.
前記第1の開口部の断面形状が円形の場合はその直径が、楕円形の場合はその短径が、多角形の場合はその内接円の直径が、1.0nm〜10nmであることを特徴とする計測ユニット。 The measuring unit according to claim 1,
The diameter of the first opening is circular when the cross-sectional shape is circular, the short diameter is elliptical, and the diameter of the inscribed circle is 1.0 nm to 10 nm when polygonal. Characteristic measuring unit.
前記第1の薄膜の厚さが0.335〜200nmであることを特徴とする計測ユニット。 The measuring unit according to claim 1,
The thickness of said 1st thin film is 0.335-200 nm, The measuring unit characterized by the above-mentioned.
前記第1の開口部の高さを前記第1の開口部の径の2乗で除した値が、前記第2の開口部の高さを前記第2の開口部の径の2乗で除した値の0.01〜100倍であることを特徴とする計測ユニット。 The measuring unit according to claim 1,
The value obtained by dividing the height of the first opening by the square of the diameter of the first opening is obtained by dividing the height of the second opening by the square of the diameter of the second opening. A measurement unit characterized by being 0.01 to 100 times the measured value.
前記第2の開口部の高さが前記第2の開口部の径の100倍以下であることを特徴とする計測ユニット。 The measuring unit according to claim 1,
The measurement unit, wherein the height of the second opening is not more than 100 times the diameter of the second opening.
前記第1の薄膜の材料がグラフェンであることを特徴とする計測ユニット。 The measuring unit according to claim 1,
The measurement unit, wherein the material of the first thin film is graphene.
前記第2の薄膜に前記FET構造が複数設けられていることを特徴とする計測ユニット。 The measuring unit according to claim 1,
A measuring unit comprising a plurality of the FET structures provided on the second thin film.
第2の溶液槽と、
前記第1の溶液槽と前記第2の溶液槽との間に配置された少なくとも1つの計測ユニットと、
制御部とを備え、
前記計測ユニットは、第1の開口部を有する第1の薄膜と、前記第1の開口部と連結し、かつ前記第1の開口部の径よりも大きい径を有する第2の開口部を有する第2の薄膜とを備え、前記第2の開口部の周囲には、ソース電極とドレイン電極とチャネルとを備えるFET構造が設けられており、
前記制御部は、測定対象による前記第1の開口部の部分的な封鎖に伴う前記FET構造近傍の電位変化を検出することを特徴とする分析装置。 A first solution tank;
A second solution tank;
At least one measuring unit disposed between the first solution tank and the second solution tank;
A control unit,
The measurement unit includes a first thin film having a first opening, and a second opening connected to the first opening and having a diameter larger than the diameter of the first opening. An FET structure including a source electrode, a drain electrode, and a channel is provided around the second opening.
The control unit detects an electrical potential change in the vicinity of the FET structure due to partial blockage of the first opening by a measurement target.
前記第1の開口部の断面形状が円形の場合はその直径が、楕円形の場合はその短径が、多角形の場合はその内接円の直径が、1.0nm〜10nmであることを特徴とする分析装置。 The analyzer according to claim 8, wherein
The diameter of the first opening is circular when the cross-sectional shape is circular, the short diameter is elliptical, and the diameter of the inscribed circle is 1.0 nm to 10 nm when polygonal. Characteristic analyzer.
前記第1の薄膜の厚さが0.335〜200nmであることを特徴とする分析装置。 The analyzer according to claim 8, wherein
An analyzer characterized in that the thickness of the first thin film is 0.335 to 200 nm.
前記第1の開口部の高さを前記第1の開口部の径の2乗で除した値が、前記第2の開口部の高さを前記第2の開口部の径の2乗で除した値の0.01〜100倍であることを特徴とする分析装置。 The analyzer according to claim 8, wherein
The value obtained by dividing the height of the first opening by the square of the diameter of the first opening is obtained by dividing the height of the second opening by the square of the diameter of the second opening. The analyzer is 0.01 to 100 times the measured value.
前記第2の開口部の高さが前記第2の開口部の径の100倍以下であることを特徴とする分析装置。 The analyzer according to claim 8, wherein
The analyzer according to claim 1, wherein the height of the second opening is not more than 100 times the diameter of the second opening.
前記第1の薄膜の材料がグラフェンであることを特徴とする分析装置。 The analyzer according to claim 8, wherein
An analysis apparatus, wherein the material of the first thin film is graphene.
前記第2の薄膜に前記FET構造が複数設けられていることを特徴とする分析装置。 The analyzer according to claim 8, wherein
An analysis apparatus comprising a plurality of the FET structures provided on the second thin film.
前記測定対象による第1の開口部の部分的な封鎖に伴う前記FET構造近傍の電位変化を検出するステップと、を含む分析方法。 A step of passing a measurement object through at least one measurement unit disposed between the first solution tank and the second solution tank, wherein the measurement unit includes a first thin film having a first opening; And a second thin film coupled to the first opening and having a second opening having a diameter larger than the diameter of the first opening, and surrounding the second opening Is provided with a FET structure including a source electrode, a drain electrode, and a channel, and is controlled so that the measurement object passes through the first opening by an electric field passing through the first opening. Step,
Detecting a potential change in the vicinity of the FET structure due to partial blockage of the first opening by the measurement object.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2018131064A1 (en) * | 2017-01-10 | 2018-07-19 | 株式会社日立ハイテクノロジーズ | Current measurement device and current measurement method using nanopore |
-
2013
- 2013-12-05 JP JP2013252394A patent/JP2015108590A/en active Pending
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018131064A1 (en) * | 2017-01-10 | 2018-07-19 | 株式会社日立ハイテクノロジーズ | Current measurement device and current measurement method using nanopore |
GB2573433A (en) * | 2017-01-10 | 2019-11-06 | Hitachi High Tech Corp | Current measurement device and current measurement method using nanopore |
JPWO2018131064A1 (en) * | 2017-01-10 | 2019-11-07 | 株式会社日立ハイテクノロジーズ | Current measuring device and current measuring method using nanopore |
GB2573433B (en) * | 2017-01-10 | 2022-05-25 | Hitachi High Tech Corp | Current measurement device and current measurement method using nanopore |
US11448638B2 (en) | 2017-01-10 | 2022-09-20 | Hitachi High-Tech Corporation | Current measurement device and current measurement method using nanopore |
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