JP2020076605A - 電極調整方法および電極調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微小な電極の先端部の形状を調整する技術を提供する。【解決手段】この電極調整方法は、一対の電極の先端形状を調整する方法であって、電極の先端部の先鋭化を行う先鋭化工程（Ｓ２２，Ｓ２４）と、先鋭化工程（Ｓ２２，Ｓ２４）の後において、先端部の先鋭度を確認する先鋭度確認工程（Ｓ２６）とを有する。先鋭化工程（Ｓ２２，Ｓ２４）は、電極の先端部同士を接触させる工程と、接触位置から所定の接触距離近づける工程と、電極の先端部を離間させる工程とを含む。先端部同士を接触後に離間させて、先端部の先鋭化を行う。先鋭度確認工程は（Ｓ２６）、先端部同士を接触させる工程と、電極間に流れる電流値を計測しつつ先端部同士を離間させ、計測した電流値が離散値をとるか否かを判断する工程とを含む。電極間の電流値が離散的となることを確認することにより、先端部が先鋭化されたことを確認できる。【選択図】図１０

Description

本発明は、生体高分子の識別に用いられる電極を調整する方法および装置に関する。

従来、原子や分子を測定、観察または識別するために、微細な先端部を有するプローブ（探針）や電極が用いられている。例えば、従来の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）などの走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）には、先端の曲率半径が２０ｎｍ以下の先鋭な探針が用いられる。

また、従来の微細な先端部を有する電極は、例えば、特定の分子や原子を測定または識別するために用いられる。微細な電極を用いて特定の分子を識別する方法については、例えば、特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載の単分子識別方法では、電極間距離の短いナノギャップ電極を用いて、電極間を通過する生体高分子を構成する単分子を、トンネル電流を測定することにより識別する。

特開２０１５−６４２４８号公報

特許文献１に記載のように、生体高分子の識別を目的として電極間のトンネル電流を測定する電極は、その先端部が微細に形成されており、かつ、電極間の距離を精度良く調整可能であることが好ましい。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、微小な電極の先端部の形状を調整する技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本願の第１発明は、第１方向に間隔を空けて配置される基端部から互いに近づく方向に延びる一対の電極の先端形状を調整する電極調整方法であって、ａ）前記電極の先端部の先鋭化を行う工程と、ｂ）工程ａ）の後において、前記先端部の先鋭度を確認する工程と、を有し、前記工程ａ）は、ａ１）前記電極の先端部同士が接触しない位置から前記基端部同士を接近させて前記先端部同士を接触させる工程と、ａ２）前記基端部同士を、前記工程ａ１）における接触位置から所定の接触距離近づける工程と、ａ３）前記基端部同士の間隔を大きくして、前記先端部同士を離間させる工程と、を含み、前記工程ｂ）は、ｂ１）前記先端部同士が接触しない位置から前記基端部同士の間隔を小さくして前記先端部同士を接触させる工程と、ｂ２）前記電極間に電圧を印加して前記電極間に流れる電流値を計測しつつ、前記基端部同士の間隔を大きくして前記先端部同士を離間させ、計測した前記電流値が離散値をとるか否かを判断する工程と、を含む。

本願の第２発明は、第１発明の電極調整方法であって、前記工程ｂ２）において、前記電流値が複数の離散値をとるとともに、前記複数の離散値のうち最も小さな電流値から算出される前記電極間のコンダクタンスが、前記電極の前記先端部の接触箇所において通電可能な金属原子が１個である場合のコンダクタンスに相当するか否かを判断する。

本願の第３発明は、第１発明または第２発明の電極調整方法であって、前記工程ａ）を複数回行う。

本願の第４発明は、第３発明の電極調整方法であって、前記接触距離を第１接触距離として、前記工程ａ）を１回または複数回行った後、前記接触距離を前記第１接触距離よりも小さい第２接触距離として、前記工程ａ）を１回または複数回行う。

本願の第５発明は、第３発明または第４発明の電極調整方法であって、前記工程ａ３）における離間速度を第１離間速度として、前記工程ａ）を１回または複数回行った後、前記離間速度を前記第１離間速度よりも小さい第２離間速度として、前記工程ａ）を１回または複数回行う。

本願の第６発明は、第３発明ないし第５発明のいずれかの電極調整方法であって、前記工程ｂ２）において、前記電流値が所定の基準電流値未満の範囲において、前記基端部同士の間隔を離間する速度を次第に大きくする。

本願の第７発明は、第６発明の電極調整方法であって、前記工程ｂ２）において、前記電流値が所定の基準電流値以上の範囲において、前記基端部同士の間隔を離間する速度を次第に小さくする。

本願の第８発明は、第１方向に間隔を空けて配置される基端部から互いに近づく方向に延びる一対の電極の先端形状を調整する電極調整装置であって、前記電極の前記基端部同士の間隔を変更する電極間隔変更部と、前記電極間に電圧を印加する電源と、前記電極間の電流値を計測する電流計と、前記電極間隔変更部を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記電極の先端部を先鋭化する先鋭化工程と、１回または複数回の前記先鋭化工程の後において前記先端部の先鋭度を確認する確認工程とを実行し、前記制御部は、前記先鋭化工程において、前記電極間隔変更部により前記電極の先端部同士が接触しない位置から前記基端部同士を接近させて前記先端部同士を接触させ、前記基端部同士を接触位置から所定の接触距離近づけ、その後、前記基端部同士の間隔を大きくして前記先端部同士を離間させ、前記制御部は、前記確認工程において、前記電極間隔変更部により前記先端部同士が接触しない位置から前記基端部同士の間隔を小さくして前記先端部同士を接触させ、その後、前記電源から前記電極間に電圧を印加して前記電極間に流れる前記電流値を前記電流計で計測しつつ、前記電極間隔変更部により前記基端部同士の間隔を大きくして前記先端部同士を離間させ、前記電流値が離散値をとるか否かを判断する。

本願の第１発明から第８発明によれば、電極の先端部同士を接触させた後に離間させることにより、電極の先端部を先鋭化できる。その後、電極の離間時に電極間の電流値が離散的となることを確認することにより、先端部同士の接触原子数が数個以下となっていることを確認できる。すなわち、電極の先端部が先鋭化されたことを確認できる。

特に、本願の第２発明によれば、電極の先端部同士の接触原子数が１つとなっていることを確認できる。すなわち、電極の先端部が精度良く先鋭化されたことを確認できる。

特に、本願の第３発明によれば、先鋭化工程を複数回行うことにより、電極の先端部をより先鋭化できる。

特に、本願の第４発明および第５発明によれば、段階的に先鋭化を行うことにより、先鋭化を効率良く行うことができる。

第１実施形態に係る電極基板の上面図である。 第１実施形態に係る電極基板の部分上面図である。 第１実施形態に係る電極基板の部分上面図である。 第１実施形態に係る電極基板の部分上面図である。 第１実施形態に係る電極基板の部分断面図である。 第１実施形態に係る電極基板の金属線の基端部間の距離の調整を行う際の様子を示した図である。 第１実施形態に係る電極基板のナノ電極の基端部間の距離の調整を行う際の様子を示した図である。 第１実施形態に係る電極基板の押し曲げ時の様子を示した部分断面図である。 第１実施形態に係る電極基板を用いた計測処理の全体の流れを示したフローチャートである。 第１実施形態に係る電極の先鋭化処理の流れを示したフローチャートである。 第１実施形態に係る電極の先鋭化処理における第１先鋭化工程の流れを示したフローチャートである。 第１実施形態に係る電極の先鋭化処理における第２先鋭化工程の流れを示したフローチャートである。 第１実施形態に係る電極の先鋭化処理における先鋭度確認工程の流れを示したフローチャートである。 第１実施形態に係る電極の先鋭化処理における電極間の電流値の例を模式的に示した図である。 第１実施形態に係る電極の先鋭化処理における電極間の電流値の例の一部を模式的に示した図である。 第１実施形態に係る電極の先鋭化処理における電極の先端部の形状の変化を模式的に示した図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、本願では、電極基板の厚み方向を上下方向とし、基板層に対して金属層側を上側、金属層に対して基板層側を下側として説明を行っている。しかしながら、電極基板の使用時の向きは必ずしも金属層側を鉛直上向きとしなくてもよい。

＜１．第１実施形態＞
＜１−１．電極基板の構成＞
本発明の第１実施形態に係る電極基板１について、図１〜図５を参照しつつ説明する。図１は、電極基板１の上面図である。図２〜図４は、電極基板１の部分上面図である。図５は、電極基板１の部分断面図である。図１〜図５には、金属線を破断し、一対のナノ電極３３となった後の電極基板１の様子が示されている。

図１に示すように、電極基板１は、略長方形の板状の基板である。この電極基板１は、生体高分子であるタンパク質を構成するアミノ酸、核酸（ＤＮＡ，ＲＮＡ）を構成するヌクレオチド、糖鎖を構成する単糖、その他の生体高分子を構成する単分子の配列や、各単分子を解析するために用いられる。具体的には、後述する一対のナノ電極３３間に電圧を印加した状態でナノ電極３３間に生体高分子を通過させる。そして、ナノ電極３３と生体高分子との間に流れるトンネル電流を検知し、検知したトンネル電流を解析することにより、生体高分子を構成する単分子の解析を行う。

図１〜図５に示すように、電極基板１は、基板層２０と、金属層３０とを有する。以下では、電極基板１の長手方向を第１方向と称し、電極基板１の短手方向を第２方向と称する。第２方向は、第１方向と直交する。なお、「直交する」とは、「略直交する」を含むものとする。

本実施形態の基板層２０は、絶縁材料により形成される。本実施形態の基板層２０は、図５に示すように、シリコン（Ｓｉ）により形成された第１基板層２１の上にポリイミドにより形成された第２基板層２２が重なった２層構造である。なお、本実施形態の基板層２０は２層構造であるが、本発明はこれに限られない。基板層２０は１種類の材料により形成される１層のみから構成されてもよいし、３つ以上の層から構成されてもよい。また、基板層２０は、絶縁性の材料により形成されていれば、ポリエチレンテレフタラート樹脂、セラミック、シリコーンゴムまたはアルミナ等の、シリコンおよびポリイミド以外の材料により形成されてもよい。

金属層３０は、図１〜図４に示すように、一対の接続用電極部３１と、一対の配線部３２と、一対のナノ電極３３とを有する。一対の接続用電極部３１は、第１方向に互いに離れた位置に配置される。一対の配線部３２はそれぞれ、接続用電極部３１から電極基板１の中央に向かって第１方向に延びる。一対のナノ電極３３は、配線部３２の接続用電極部３１とは反対側の端部から電極基板１の中央に向かって第１方向に延びる。金属層３０は、例えば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）等の金属により形成される。

本実施形態では、図５に示すように、金属層３０は、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）等により形成された第１金属層３０１と、上記の金、白金、銀、銅、タングステン等の金属からなる第２金属層３０２とにより構成される。接続用電極部３１および配線部３２は、第１金属層３０１と第２金属層３０２の両方により構成される。一方、ナノ電極３３は第２金属層３０２のみから構成される。なお、この実施形態では、例えば、第１金属層３０１の厚みは約１〜１０ｎｍ、第２金属層３０２の厚みは約５０〜３００ｎｍである。

基板層２０および金属層３０の最上面は、絶縁膜（図示せず）により覆われている。金属層３０の表面を絶縁膜で覆うことにより、ナノ電極３３を液中で用いる場合に、金属層３０のうちナノ電極３３以外の箇所において、金属層３０を構成する金属と液体との間における電子のやりとりが生じるのを抑制できる。なお、本実施形態では、絶縁膜はＴＥＯＳ酸化膜であるが、絶縁性の材料であれば、他の材料により形成されてもよい。なお、接続用電極部３１の上面の少なくとも一部には、絶縁膜が形成されない。このため、接続用電極部３１の上面の少なくとも一部は露出している。

配線部３２は、接続用電極部３１からナノ電極３３へ向かうにつれて次第にその幅が小さくなる。ただし、図２に示すように、ナノ電極３３の近傍においては、配線部３２の幅は略一定である。本実施形態では、配線部３２の当該部位の幅は、約８μｍである。また、ナノ電極３３のごく近傍において、配線部３２は、ナノ電極３３へ向かって幅が次第に小さくなるテーパ状となっている。

ナノ電極３３はそれぞれ、配線部３２と繋がる基端部３３１から、略一定の幅で第１方向に延びる。本実施形態では、ナノ電極３３の当該部位の幅は、約４００ｎｍである。また、ナノ電極３３の先端部３３２付近では、その幅が次第に小さくなる。本実施形態の電極基板１は、繋がった金属線を破断することにより一対のナノ電極３３を形成させるものである。なお、金属線の破断方法については、後述する。

破断前において、ナノ電極３３となる金属線は、その中央部に向かうにつれて第２方向の幅が次第に狭くなる幅狭部３３３（図１６参照）を有している。幅狭部３３３の最小幅は、例えば約８０ｎｍとされる。そして、金属線の両端部の第１方向の間隔を大きくすることにより、幅狭部３３３が破断し、２つのナノ電極３３が形成される。このため、破断前の幅狭部３３３に相当する部分が、破断後の一対のナノ電極３３の先端部３３２となる。図４および図５に示すように、破断後、すなわちナノ電極３３形成後において、初期状態（電極基板１が曲げられていない自然な状態）では、一対のナノ電極３３の先端部３３２同士が接触している。

基板層２０は、上面から下方へ凹む流路５０を有する。流路５０は、第１流路５１、第２流路５２および計測流路５３を有する。第１流路５１および第２流路５２は、ナノ電極３３を挟んで第２方向に対向して配置される。計測流路５３は、第２方向に延びる溝である。計測流路５３は、第１流路５１と第２流路５２を第２方向に繋ぐ。

第１流路５１および第２流路５２は、格子状に繋がる複数の溝により構成される。このような形状により、第１流路５１および第２流路５２に生体高分子を含む液体が充填されると、各生体高分子が溝の延びる方向に沿って配置されやすくなる。したがって、第１流路５１および第２流路５２と計測流路５３との境界部で生体高分子が詰まって液体の流動性が低下するのが抑制されるとともに、計測流路５３内において各生体高分子が計測流路５３の延びる方向に沿って配置される。第１流路５１および第２流路５２の各溝は、幅が約１μｍであり、深さが約２μｍである。

計測流路５３は、第２方向に沿って延びる。ナノ電極３３の先端部３３２は、計測流路５３と上下に重なる位置に配置される。したがって、計測流路５３内を第２方向に移動する生体分子の一部は、ナノ電極３３の間を通過する。

計測流路５３の深さは、第１流路５１および第２流路５２と同様、約２μｍである。計測流路５３は、第１流路５１および第２流路５２とそれぞれ繋がる２つの導入溝５３１と、２つの導入溝５３１を繋ぐ計測溝５３２とを有する。

導入溝５３１の幅は略一定であり、約８００ｎｍである。計測溝５３２は、それぞれの導入溝５３１からナノ電極３３の直下に向かうにつれて、次第に幅が狭くなる。計測溝５３２は、ナノ電極３３の直下において、最も幅が狭くなる。当該部位において、計測溝５３２の幅は約１００ｎｍである。計測流路５３がナノ電極３３に向かって幅が狭くなる計測溝５３２を有することにより、ナノ電極３３の破断後の電流値計測時に、生体分子が、計測流路５３の延びる第２方向に沿う向きで、２つのナノ電極３３の間を通過しやすい。

計測溝５３２は、図５に示すように、上方に向かうにつれて第１方向の幅が徐々に大きくなるＶ字状の断面を有する。なお、計測溝５３２の断面形状はＶ字状に限られない。計測溝５３２の断面形状は、Ｕ字状などの他の形状であってもよい。

ここで、電極調整装置９を用いた電極基板１の押し曲げによるナノ電極３３の基端部３３１同士の間隔の調整について説明する。図６および図７は、ナノ電極３３の基端部３３１間の距離の調整を行う際の様子を示した図である。図６は、電極調整装置９にセットされた電極基板１の初期状態における様子を示した側面図である。図７は、電極調整装置９にセットされた電極基板１の押し曲げ時における様子を示した側面図である。図８は、押し曲げ時の様子を示した電極基板１の部分断面図である。

図６および図７に概念的に示すように、電極調整装置９は、載置台９１と、固定具９２と、押し上げ具９３と、電源９４と、電流計９５と、制御部９０とを有する。

載置台９１は、電極基板１を載置する平らな上面を有する。本実施形態の固定具９２は、第１方向に対して略垂直に配置される４つの板状部材である。固定具９２は、第１方向の２箇所において、電極基板１を上下から押さえて固定する。電極基板１は、固定具９２による２つの固定箇所の中央にナノ電極３３が位置するように、配置される。押し上げ具９３は、半球状の上面を有する円柱状の部材である。押し上げ具９３は、モータおよびピエゾ素子等を有する昇降機構（図示省略）に接続されている。電極基板１は、押し上げ具９３の最も上方に突出した部分の真上にナノ電極３３が位置するように、配置される。なお、昇降機構は、押し上げた高さを制御できる機構であれば、その他の動力を用いた機構であってもよい。

電極基板１の押し曲げ時（ナノ電極３３の基端部３３１同士の間隔の調整時）と、ナノ電極３３を用いた生体高分子のトンネル電流計測時とにおいて、電源９４は、一対の接続用電極部３１に対して電圧を印加する。そして、電流計９５は、電源９４により印加された電圧によって、ナノ電極３３に流れる電流の電流値を計測する。

制御部９０は、押し上げ具９３、電源９４および電流計９５とそれぞれ電気的に接続し、各部を制御する。制御部９０には、例えば、コンピュータが用いられる。

電極基板１を電極調整装置９にセットする際には、まず、載置台９１上に電極基板１を載置する。その後、電極基板１に負荷のかからない状態で電極基板１を上下から４つの固定具９２で固定する。このように電極基板１に負荷のかからない状態を初期状態と称する。

押し曲げ時には、図７に示すように、昇降機構により、押し上げ具９３が上方へと移動する。これにより、電極基板１のナノ電極３３付近が下面側から押し上げられる。

このように電極基板１が押し曲げられて変形すると、計測溝５３２を構成する基板層２０の側壁が、図８中に実線矢印で示すように、互いに離れる方向へと移動する。これにより、ナノ電極３３の２つの基端部３３１は、互いに離れる方向へと移動する。その結果、ナノ電極３３の基端部３３１同士の間隔が拡がる。すなわち、押し上げ具９３は、ナノ電極３３の基端部３３１同士の間隔を変更する電極間隔変更部を構成する。なお、ナノ電極３３を形成する場合には、例えば、電極基板１の押し上げを複数回繰り返すことによって、金属線の端部（後のナノ電極３３の基端部３３１）同士の間隔を広げて金属線を引き伸ばし、金属線を破断させる。

押し曲げ時には、固定具９２の間において、ナノ電極３３付近を中心として電極基板１の上面が第１方向にも第２方向にも伸びる力が加わる。これにより、図８中に破線矢印で示すように、一対のナノ電極３３の基端部３３１は、第１方向に互いに離れる。これにより、基端部３３１同士の間隔が大きくなる。なお、この電極基板１では、ナノ電極３３の直下に第２方向に延びる溝である計測流路５３が配置されるため、図８中に実線矢印で示すように、計測流路５３の底面を中心として、計測流路５３を構成する側壁が、第１方向へ大きく開く。このため、基端部３３１同士の間隔を大きく変更しやすい。

このような電極基板１の押し曲げを、電源９４により接続用電極部３１間に電圧を印加した状態で行う。このようにすると、電流計９５で計測された電流値から、ナノ電極３３同士が接触しているか否かを判断できる。なお、制御部９０は、電流計９５で計測された電流を、電流増幅器を用いて増幅してから取得してもよい。

＜１−２．生体高分子のトンネル電流計測処理までの流れ＞
次に、ナノ電極３３の形成前の電極基板１を用いて、生体高分子のトンネルの計測処理を行うまでの処理の流れについて、図９を参照しつつ説明する。図９は、電極基板１を用いた計測処理の全体の流れを示したフローチャートである。

まず、ナノ電極３３形成前の電極基板１を電極調整装置９にセットする（ステップＳ０）。本実施形態では、ステップＳ０の前に、電極基板１の流路５０に、計測対象である生体高分子試料を含む液体が満たされている。そして、ステップＳ０の後のステップＳ１〜ステップＳ４の間、制御部９０は、電源９４により接続用電極部３１間に一定の電圧を印加しつつ、電流計９５による電流値の計測を行う。

そして、ナノ電極３３を形成するため、配線部３２間を繋ぐ金属線を破断させる、破断処理を実行する（ステップＳ１）。具体的には、制御部９０が、押し上げ具９３の押し上げおよび引き下げを複数回繰り返す。そして、電流計９５から計測された電流値が所定の閾値以下となった場合、金属線が破断され、ナノ電極３３が形成されたと判断できる。なお、予めナノ電極３３が形成された電極基板１を用いてもよい。その場合は、ステップＳ１の破断処理を省略できる。

次に、ナノ電極３３の先端部３３２の先鋭化処理を実行する（ステップＳ２）。ステップＳ２の先鋭化処理の詳細については、後述する。この先鋭化処理により、ナノ電極３３の先端部３３２が先鋭化され、ナノ電極３３間を流れる電流の電流値から、ナノ電極３３間の距離や、ナノ電極３３間を通過する生体高分子のトンネル電流値を正確に計測することができるようになる。

続いて、ナノ電極３３間の距離をより正確に把握するために、校正処理を実行する（ステップＳ３）。具体的には、ナノ電極３３同士が接触しない範囲で、押し上げ具９３の押し上げおよび引き下げを複数回繰り返す。そして、押し上げ具９３の操作量と、ナノ電極３３間を流れる電流の電流値との関係から、押し上げ具９３の操作量と、ナノ電極３３間の距離との関係を算出する。これにより、ナノ電極３３間の距離をより正確に調整可能となる。

そして、ナノ電極３３間の距離を所定の間隔として、ナノ電極３３間を通過する生体高分子のトンネル電流の計測処理を実行する（ステップＳ４）。

＜１−３．先鋭化処理の流れ＞
続いて、ナノ電極３３の先鋭化処理の流れについて、図１０〜図１６を参照しつつ説明する。図１０は、ナノ電極３３の先鋭化処理の流れを示したフローチャートである。図１１は、ナノ電極３３の先鋭化処理における第１先鋭化工程の流れを示したフローチャートである。図１２は、ナノ電極３３の先鋭化処理における第２先鋭化工程の流れを示したフローチャートである。図１３は、ナノ電極３３の先鋭化処理における先鋭度確認工程の流れを示したフローチャートである。図１４は、ナノ電極３３の先鋭化処理におけるナノ電極３３間の電流値の例を模式的に示した図である。図１５は、図１４に示す電流値の例の一部を示した図である。図１６は、ナノ電極３３の先鋭化処理におけるナノ電極３３の先端部３３２の形状の変化を模式的に示した図である。図１０に示す先鋭化処理においては、制御部９０は、電源９４による電圧の印加と、電流計９５による電流値の計測とを、継続して行っている。

ナノ電極３３間の間隔を十分大きくすると、ナノ電極３３間にトンネル電流が流れない。このため、ナノ電極３３間の間隔を十分大きくした場合に電流計９５の計測する電流値（以下、「ベース電流値」と称する）は、電極調整装置９の構成や、試料を含む液体を介して流れるリーク電流に起因する。ナノ電極３３間の間隔を小さくすると、ナノ電極３３間にトンネル電流が流れる。この時、電流計９５の計測する電流値は、ベース電流値に当該トンネル電流の電流値を加えたものとなる。

図１０に示すように、ナノ電極３３の先鋭化処理では、まず、制御部９０が、押し上げ具９３を動作させ、一対のナノ電極３３同士を、互いに接触しない離間位置に配置する（ステップＳ２１）。ここで、離間位置とは、電流計９５の計測する電流値が、離間閾値以下となるナノ電極３３の位置を意味する。離間閾値は、ベース電流値よりも大きい。また、離間閾値は、後述する接触閾値とベース電流値との中間値（平均値）よりも小さい。

次に、制御部９０は、第１先鋭化工程を行う（ステップＳ２２）。第１先鋭化工程と、後述する第２先鋭化工程とにおいては、ナノ電極３３の先端部３３２の先鋭化が行われる。図１１に示すように、第１先鋭化工程では、まず、制御部９０は、押し上げ具９３を引き下げ、ナノ電極３３の先端部３３２同士が接触しない離間位置から基端部３３１同士を接近させる（第１接近工程、ステップＳ２２１）。

そして、制御部９０は、第１接近工程を継続しつつ、ナノ電極３３の先端部３３２同士が接触したか否かを判断する（ステップＳ２２２）。具体的には、制御部９０は、電流計９５の計測した電流値が所定の接触閾値以上となったか否かを判断する。電流計９５の計測した電流値が接触閾値に達していないと判断した場合（ステップＳ２２２：Ｎｏ）、制御部９０は、ステップＳ２２１の第１接近工程を継続する。

電流計９５の計測した電流値が接触閾値以上となったと判断すると（ステップＳ２２２：Ｙｅｓ）、制御部９０は、接触閾値に達した位置（「接触位置」と称する）から、ナノ電極３３の基端部３３１同士の間隔をさらに所定の第１接触距離だけ接近させた後、ナノ電極３３の接近を停止させる（ステップＳ２２３）。

続いて、制御部９０は、押し上げ具９３を押し上げ、ナノ電極３３を離間位置まで離間させる（第１離間工程、ステップＳ２２４）。

ここで、第１先鋭化工程の第１離間工程（ステップＳ２２４）におけるナノ電極３３の離間速度（ナノ電極３３の基端部３３１同士の間隔が拡がる速度）を、第１離間速度とする。第１離間速度は、例えば、２０００ｎｍ／ｓｅｃとされる。本実施形態では、ステップＳ２２１〜Ｓ２２３におけるナノ電極３３の接近速度と、ステップＳ２２４における第１離間速度とは、同じ速度である。ただし、ステップＳ２２１〜Ｓ２２３におけるナノ電極３３の接近速度は、ステップＳ２２４におけるナノ電極３３の離間速度より速くてもよい。

図１４に示すように、ステップＳ２２１では、まず、ナノ電極３３間の距離が近づくことにより、ナノ電極３３間を流れるトンネル電流が増加する。その後、ステップＳ２２１からステップＳ２２２にかけて、ナノ電極３３の先端部３３２同士が接触することにより、ナノ電極３３間を流れる電流値が急増する。そして、ステップＳ２２３において、電流値が接触閾値に達した接触位置からさらに第１接触距離の分だけナノ電極３３同士を近づける。ナノ電極３３の先端部３３２の金原子同士が、第１接触距離の分だけ押しつけ合うことにより、接触した箇所において２つのナノ電極３３の先端部３３２の表面を構成する金原子の間に引きつけ合う力が生じる。

本実施形態では、第１接触距離が１．０ｎｍである。このため、一方のナノ電極３３の先端部３３２の金原子と、他方のナノ電極３３の先端部３３２の金原子が約１０原子層分接触して押しつけ合う。

その後、ステップＳ２２４においてナノ電極３３同士を離間させることで、ナノ電極３３の先端部３３２には、離間方向に引っ張られる力と、もう一方の他のナノ電極３３方向に引きつけられる力とが働く。これにより、先端部３３２が第１方向に引き伸ばされ、先鋭化される。

図１４に示すように、第１先鋭化工程（ステップＳ２２）を繰り返すにつれて、接触位置から第１接触距離さらに近づけた位置でのピーク電流値（領域Ａ）の値が次第に小さくなっている。これは、図１６に示すように、ナノ電極３３が次第に先鋭化しているために、接触位置から第１接触距離さらに近づけた位置におけるナノ電極３３同士の接触金原子数が少なくなっていることを示している。なお、第２先鋭化工程（ステップＳ２４）においても同様である。

ステップＳ２２の第１先鋭化工程が終了すると、制御部９０は、第１先鋭化工程が所定の回数終了したか否かを判断する（ステップＳ２３）。図１４の例では、ステップＳ２２の第１先鋭化工程が３回行われる。この場合、ステップＳ２３において、３回目の第１先鋭化工程が終了したか否かを判断する。第１先鋭化工程が所定の回数終了していないと判断すると（ステップＳ２３：Ｎｏ）、制御部９０は、ステップＳ２２に戻り、再び第１先鋭化工程を行う。一方、第１先鋭化工程が所定の回数終了したと判断すると（ステップＳ２３：Ｙｅｓ）、制御部９０は、第２先鋭化工程を行う（ステップＳ２４）。

図１２に示すように、第２先鋭化工程では、まず、制御部９０は、押し上げ具９３を引き下げ、直前の第１離間工程（ステップＳ２２４）で配置された離間位置から基端部３３１同士を接近させる（第２接近工程、ステップＳ２４１）。

そして、制御部９０は、第２接近工程を継続しつつ、ナノ電極３３の先端部３３２同士が接触したか否かを判断する（ステップＳ２４２）。具体的には、制御部９０は、電流計９５の計測した電流値が所定の接触閾値以上となったか否かを判断する。電流計９５の計測した電流値が接触閾値に達していないと判断した場合（ステップＳ２４２：Ｎｏ）、制御部９０は、ステップＳ２４１の第２接近工程を継続する。

電流計９５の計測した電流値が接触閾値以上となったと判断すると（ステップＳ２４２：Ｙｅｓ）、制御部９０は、接触位置から、ナノ電極３３の基端部３３１同士の間隔をさらに所定の第２接触距離だけ接近させた後、ナノ電極３３の接近を停止させる（ステップＳ２４３）。

続いて、制御部９０は、押し上げ具９３を押し上げ、ナノ電極３３を離間位置まで離間させる（第２離間工程、ステップＳ２４４）。

ここで、第２先鋭化工程の第２離間工程（ステップＳ２４４）におけるナノ電極３３の離間速度を、第２離間速度とする。第２離間速度は、例えば、５００ｎｍ／ｓｅｃとされる。また、ステップＳ２４１〜Ｓ２４３におけるナノ電極３３の接近速度と、ステップＳ２４４における第２離間速度とは、同じ速度である。ただし、ステップＳ２４１〜Ｓ２４３におけるナノ電極３３の接近速度は、ステップＳ２４４におけるナノ電極３３の離間速度より速くてもよい。

また、本実施形態では、第２接触距離が０．８ｎｍである。このため、一方のナノ電極３３の先端部３３２の金原子と、他方のナノ電極３３の先端部３３２の金原子が約８原子層分接触して押しつけ合う。

その後、ステップＳ２４４においてナノ電極３３同士を離間させることで、ナノ電極３３の先端部３３２には、離間方向に引っ張られる力と、もう一方の他のナノ電極３３方向に引きつけられる力とが働く。これにより、先端部３３２が第１方向に引き伸ばされ、先鋭化される。

本実施形態では、上記のように、接触距離を第１接触距離（１．０ｎｍ）として先鋭化工程（第１先鋭化工程、ステップＳ２２）を複数回行った後に、接触距離を第１接触距離よりも小さい第２接触距離（０．８ｎｍ）として先鋭化工程（第２先鋭化工程、ステップＳ２４）を複数回行う。すなわち、先端からの距離が第１接触距離の範囲内でナノ電極３３の先鋭化を行った後に、さらに先端からの距離が小さい第２接触距離の範囲内でナノ電極３３の先鋭化を行う。このように、接触距離の観点において段階的にナノ電極３３の先鋭化を行うことにより、先鋭化をより効率良く行うことができる。

なお、本実施形態において第１接触距離での先鋭化工程と、第２接触距離での先鋭化工程とは３回ずつ行った。すなわち、同じ接触距離での先鋭化工程をそれぞれ３回ずつ行った。しかしながら、本発明はこれに限られない。異なる接触距離での先鋭化工程はそれぞれ１回、２回、あるいは４回以上であってもよい。また、先鋭化工程の回数は接触距離ごとに異なっていてもよい。また、本実施形態では、接触距離の変更は１回であった。しかしながら、接触距離の変更はなくてもよいし、２回以上あってもよい。

また、本実施形態では、上記のように、離間速度を第１離間速度（２０００ｎｍ／ｓｅｃ）として先鋭化工程（第１先鋭化工程、ステップＳ２２）を複数回行った後に、離間速度を第１離間速度よりも小さい第２離間速度（５００ｎｍ／ｓｅｃ）として先鋭化工程（第２先鋭化工程、ステップＳ２４）を複数回行う。すなわち、比較的速い速度でナノ電極３３の接触および離間を行った後に、さらに比較的遅い速度でナノ電極３３の接触および離間を行う。

先鋭化工程（ステップＳ２２，Ｓ２４）において、ナノ電極３３の先鋭化のために特に重要なのはナノ電極３３の離間速度である。ナノ電極３３の先端部３３２同士が引き離される際に、先端部３３２の表面の金原子同士が引きつけ合う力によって先端部３３２が第１方向に引き伸ばされる。このとき、離間速度が小さいほど、引き伸ばされた状態で金原子の再構成が行われる時間が長くなるため、先端部３３２を先鋭化しやすい。しかしながら、離間速度を小さくすると、先鋭化工程に時間がかかるという問題が生じる。そこで、上記の通り、離間速度の観点において段階的にナノ電極３３の先鋭化を行う。これにより、ナノ電極３３の先鋭化を効率良く行うことができる。

ステップＳ２４の第２先鋭化工程が終了すると、制御部９０は、第２先鋭化工程が所定の回数終了したか否かを判断する（ステップＳ２５）。図１４の例では、ステップＳ２２の第２先鋭化工程が３回行われる。この場合、ステップＳ２５において、３回目の第２先鋭化工程が終了したか否かを判断する。第２先鋭化工程が所定の回数終了していないと判断すると（ステップＳ２５：Ｎｏ）、制御部９０は、ステップＳ２４に戻り、再び第２先鋭化工程を行う。一方、第２先鋭化工程が所定の回数終了したと判断すると（ステップＳ２５：Ｙｅｓ）、制御部９０は、先鋭度確認工程を行う（ステップＳ２６）。

図１３に示すように、先鋭度確認工程では、まず、制御部９０は、押し上げ具９３を引き下げ、直前の第２離間工程（ステップＳ２４４）で配置された離間位置から基端部３３１同士を接近させる（第３接近工程、ステップＳ２６１）。

そして、制御部９０は、第３接近工程を継続しつつ、ナノ電極３３の先端部３３２同士が接触したか否かを判断する（ステップＳ２６２）。具体的には、制御部９０は、電流計９５の計測した電流値が所定の接触閾値以上となったか否かを判断する。電流計９５の計測した電流値が接触閾値に達していないと判断した場合（ステップＳ２６２：Ｎｏ）、制御部９０は、ステップＳ２６１の第３接近工程を継続する。

電流計９５の計測した電流値が接触閾値以上となったと判断すると（ステップＳ２６２：Ｙｅｓ）、制御部９０は、接触位置から、ナノ電極３３の基端部３３１同士の間隔をさらに所定の第３接触距離だけ接近させた後、ナノ電極３３の接近を停止させる（ステップＳ２６３）。本実施形態では、第３接触距離が０．６ｎｍである。このため、一方のナノ電極３３の先端部３３２の金原子と、他方のナノ電極３３の先端部３３２の金原子が約６原子層分接触して押しつけ合う。

続いて、制御部９０は、押し上げ具９３を押し上げ、ナノ電極３３を離間位置まで離間させる（第３離間工程、ステップＳ２６４）。第３離間工程における離間速度については、後述する。

上述したステップＳ２２２，Ｓ２４２，Ｓ２６２においては、ナノ電極３３の先端部３３２同士が接触したか否かを判断するためにナノ電極３３間の電流値を計測し、当該計測値を制御に用いている。このため、先端部３３２同士の接触を判断する方法が他にある場合、必ずしもナノ電極３３間の電流値を計測する必要は無い。しかしながら、第３離間工程（ステップＳ２６４）は、ナノ電極３３同士の位置の変化に伴うナノ電極３３間の電流値の変化を確認することを目的としている。このため、第３離間工程（ステップＳ２６４）においては、ナノ電極３３間の電流値の計測をすることは必須である。

続いて、制御部９０は、第３離間工程（ステップＳ２６４）において計測した電流値が、離散値をとるか否かを判断する（離散電流値確認工程、ステップＳ２６５）。ここで、図１５は、図１４に示す電流値のうち、先鋭度確認工程（ステップＳ２６）の部分のみを示した図である。ナノ電極３３の先端部３３２の先鋭度が十分高く、ナノ電極３３の接触時の通電可能な金原子の数が数個以下である場合、図１５の領域Ｂに示すように、電流値は離散的な値をとる。一方、先端部３３２の先鋭度が十分に高くない場合や、接触距離が大きく、通電可能な金原子の数が多い場合には、電流値はナノ電極３３が離れるにつれて小さくなる連続的な値をとる。このため、離散電流値確認工程（ステップＳ２６５）において、電流値が離散的な値をとるか否かを判断することによって、先端部３３２の先鋭度が十分に高いか否かを判断できる。

本実施形態の離散電流値確認工程（ステップＳ２６５）では、さらに、制御部９０が、電流値が複数の離散値をとるとともに、当該複数の離散値のうち最も小さな電流値（図１５の例では領域Ｃの電流値）から算出されるナノ電極３３間のコンダクタンスＧが、ナノ電極３３の先端部３３２の接触箇所において通電可能な金原子が１個である場合のコンダクタンスＧｏ（基準コンダクタンスＧｏ）に相当するか否かを判断する。これにより、離散電流値確認工程（ステップＳ２６４）において、ナノ電極３３の先端部３３２の最先端部が金原子１個となるまで先鋭化されているか否かを判断できる。なお、基準コンダクタンスＧｏは、前もって概算値が算出され、制御部９０内に記憶されている。

ここで、第３離間工程（ステップＳ２６４）におけるナノ電極３３の離間速度について説明する。第３離間工程において、ナノ電極３３の離間速度は、次第に小さくなった後に、次第に大きくなる。具体的には、ナノ電極３３間の電流値が所定の基準電流値以上の範囲において、基端部３３１同士が離間する速度を次第に小さくする。その後、ナノ電極３３間の電流値が所定の基準電流値未満の範囲において、基端部３３１同士が離間する速度を次第に大きくする。

本実施形態では、制御部９０は、ナノ電極３３間の電流値から算出されるナノ電極３３のコンダクタンスＧの大きさによって離間速度を変更する。より具体的にはコンダクタンスＧと、基準コンダクタンスＧｏとの比Ｇ／Ｇｏの大きさによって離間速度を変更する。

例えば、Ｇ／Ｇｏが２０以上の範囲では１００ｎｍ／ｓｅｃ、Ｇ／Ｇｏが２０未満１０以上の範囲では離間速度を９００ｎｍ／ｓｅｃとし、Ｇ／Ｇｏが１０未満８以上の範囲では離間速度を５００ｎｍ／ｓｅｃとし、Ｇ／Ｇｏが８未満６以上の範囲では離間速度を２００ｎｍ／ｓｅｃとする。このように、第３離間工程（ステップＳ２６３）の初期段階では、ナノ電極３３同士の間隔が大きくなり電流値が小さくなるにつれて、離間速度を次第に小さくする。これにより、Ｇ／Ｇｏが８以上の範囲においてナノ電極３３の離間にかかる時間を短縮しつつ、ナノ電極３３の最終的な先鋭化に関わるＧ／Ｇｏが８未満６以上の範囲では離間速度を小さくして、ナノ電極３３の先鋭度を向上させることができる。

その後、Ｇ／Ｇｏが６未満３以上の範囲では離間速度を７００ｎｍ／ｓｅｃとし、Ｇ／Ｇｏが３未満１以下の範囲では離間速度を９００ｎｍ／ｓｅｃとし、Ｇ／Ｇｏが１未満の範囲では離間速度を１０００ｎｍ／ｓｅｃとする。このように、第３離間工程（Ｓ２６３）の後半において、電流値が離散値をとる範囲においては、ナノ電極３３同士の間隔が大きくなり電流値が小さくなるにつれて、離間速度を次第に大きくする。これにより、ナノ電極３３間に試料である生体分子やその他のコンタミ成分等が架橋している場合であっても、ナノ電極３３の動作の加速によって、当該架橋分子をナノ電極３３から引き離すことができる。

＜２．変形例＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。

上記の実施形態では、電極基板の有する金属層が、外部から電力が入力される接続用電極を一対のみ有したが、本発明はこれに限られない。１つの電極基板が、外部から電力が入力される電極を複数対有していてもよい。例えば、第１流路と第２流路との間に電気泳動用の電圧を印加してもよい。

また、上記の実施形態では、ナノ電極の破断処理、先鋭化処理および校正処理と、ナノ電極を用いた生体高分子のトンネル電流計測処理とを連続して行ったが、本発明はこれに限られない。各処理はそれぞれ別々に行われてもよい。

また、上記の実施形態では、電極基板の流路に生体高分子試料を含む液体が満たされた状態で先鋭化処理を行ったが、本発明はこれに限られない。試料を含まない水等の液体が流路内に満たされた状態で先鋭化処理を行ってもよい。

また、上記の実施形態や変形例に登場した各要素を、矛盾が生じない範囲で、適宜に組み合わせてもよい。

１ 電極基板
９ 電極調整装置
３３ ナノ電極
９０ 制御部
９３ 押し上げ具
９４ 電源
９５ 電流計
３３１ 基端部
３３２ 先端部

Claims (8)

1. 第１方向に間隔を空けて配置される基端部から互いに近づく方向に延びる一対の電極の先端形状を調整する電極調整方法であって、
   ａ）前記電極の先端部の先鋭化を行う工程と、
   ｂ）工程ａ）の後において、前記先端部の先鋭度を確認する工程と、
   を有し、
   前記工程ａ）は、
   ａ１）前記電極の先端部同士が接触しない位置から前記基端部同士を接近させて前記先端部同士を接触させる工程と、
   ａ２）前記基端部同士を、前記工程ａ１）における接触位置から所定の接触距離近づける工程と、
   ａ３）前記基端部同士の間隔を大きくして、前記先端部同士を離間させる工程と、
   を含み、
   前記工程ｂ）は、
   ｂ１）前記先端部同士が接触しない位置から前記基端部同士の間隔を小さくして前記先端部同士を接触させる工程と、
   ｂ２）前記電極間に電圧を印加して前記電極間に流れる電流値を計測しつつ、前記基端部同士の間隔を大きくして前記先端部同士を離間させ、計測した前記電流値が離散値をとるか否かを判断する工程と、
   を含む、電極調整方法。
2. 請求項１に記載の電極調整方法であって、
   前記工程ｂ２）において、
   前記電流値が複数の離散値をとるとともに、前記複数の離散値のうち最も小さな電流値から算出される前記電極間のコンダクタンスが、前記電極の前記先端部の接触箇所において通電可能な金属原子が１個である場合のコンダクタンスに相当するか否かを判断する、電極調整方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の電極調整方法であって、
   前記工程ａ）を複数回行う、電極調整方法。
4. 請求項３に記載の電極調整方法であって、
   前記接触距離を第１接触距離として、前記工程ａ）を１回または複数回行った後、
   前記接触距離を前記第１接触距離よりも小さい第２接触距離として、前記工程ａ）を１回または複数回行う、電極調整方法。
5. 請求項３または請求項４に記載の電極調整方法であって、
   前記工程ａ３）における離間速度を第１離間速度として、前記工程ａ）を１回または複数回行った後、
   前記離間速度を前記第１離間速度よりも小さい第２離間速度として、前記工程ａ）を１回または複数回行う、電極調整方法。
6. 請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の電極調整方法であって、
   前記工程ｂ２）において、前記電流値が所定の基準電流値未満の範囲において、前記基端部同士の間隔を離間する速度を次第に大きくする、電極調整方法。
7. 請求項６に記載の電極調整方法であって、
   前記工程ｂ２）において、前記電流値が所定の基準電流値以上の範囲において、前記基端部同士の間隔を離間する速度を次第に小さくする、電極調整方法。
8. 第１方向に間隔を空けて配置される基端部から互いに近づく方向に延びる一対の電極の先端形状を調整する電極調整装置であって、
   前記電極の前記基端部同士の間隔を変更する電極間隔変更部と、
   前記電極間に電圧を印加する電源と、
   前記電極間の電流値を計測する電流計と、
   前記電極間隔変更部を制御する制御部と、
   を有し、
   前記制御部は、前記電極の先端部を先鋭化する先鋭化工程と、１回または複数回の前記先鋭化工程の後において前記先端部の先鋭度を確認する確認工程とを実行し、
   前記制御部は、前記先鋭化工程において、前記電極間隔変更部により前記電極の先端部同士が接触しない位置から前記基端部同士を接近させて前記先端部同士を接触させ、前記基端部同士を接触位置から所定の接触距離近づけ、その後、前記基端部同士の間隔を大きくして前記先端部同士を離間させ、
   前記制御部は、前記確認工程において、前記電極間隔変更部により前記先端部同士が接触しない位置から前記基端部同士の間隔を小さくして前記先端部同士を接触させ、その後、前記電源から前記電極間に電圧を印加して前記電極間に流れる前記電流値を前記電流計で計測しつつ、前記電極間隔変更部により前記基端部同士の間隔を大きくして前記先端部同士を離間させ、前記電流値が離散値をとるか否かを判断する、電極調整装置。

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