JP2021105522A - 電流測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電極対の間を通過する生体高分子のトンネル電流を測定するために、電極対を、適切な電極間距離に配置する技術を提供することを目的とする。【解決手段】電極対に電圧を印加して、電極対の間を通過する生体高分子のトンネル電流を測定するこの電流測定方法は、工程ａ）〜工程ｄ）を有する。工程ａ）では、目標とする電極間距離に相当するトンネル電流の値を算出する。工程ｂ）では、電極の間にトンネル電流が流れない電極間距離において、電極間に流れる基準電流の値を測定する。工程ｃ）では、工程ａ）で算出したトンネル電流の値と、工程ｂ）で測定した基準電流の値とを加算して、目標合計電流値を算出する。工程ｄ）では、電極間に流れるベース電流の値が、工程ｃ）で算出した目標合計電流値と一致する目標位置に電極を配置する。【選択図】図１４

Description

本発明は、電極対の間を通過する生体高分子のトンネル電流を測定する電流測定方法に関する。

従来、微細な先端部を有する電極を用いて、特定の分子や原子を測定または識別する方法が知られている。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、電極間距離の短い電極対を用いて、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ためには、電極間の距離を精度良く調整する必要がある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、電極対の間を通過する生体高分子のトンネル電流を測定するために、電極対を、適切な電極間距離に配置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、電極対に電圧を印加して、電極対の間を通過する生体高分子のトンネル電流を測定する電流測定方法であって、ａ）目標とする電極間距離に相当するトンネル電流の値を算出する工程と、ｂ）前記電極の間にトンネル電流が流れない電極間距離において、前記電極間に流れる基準電流の値を測定する工程と、ｃ）前記工程ａ）で算出した前記トンネル電流の値と、前記工程ｂ）で測定した前記基準電流の値とを加算して、目標合計電流値を算出する工程と、ｄ）前記電極間に流れるベース電流の値が、前記工程ｃ）で算出した前記目標合計電流値と一致する目標位置に前記電極を配置する工程と、を有する。

本願の第２発明は、第１発明の電流測定方法であって、ｅ）前記工程ｄ）の後に、前記目標位置において、前記生体高分子のトンネル電流を計測する工程をさらに有する。

本願の第３発明は、第２発明の電流測定方法であって、前記工程ｅ）の実行中に、前記ベース電流の値が前記目標合計電流値を基準とした所定の範囲内でない場合に、前記工程ｅ）の実行を中断し、前記工程ｂ）ないし先記工程ｄ）を再び行う。

本願の第４発明は、電極対に電圧を印加して、電極対の間を通過する生体高分子のトンネル電流を測定する電流測定方法であって、Ａ）中間目標とする電極間距離に対応するトンネル電流の値を算出する工程と、Ｂ）前記電極の間にトンネル電流が流れない電極間距離において、前記電極間に流れる基準電流の値を測定する工程と、Ｃ）前記工程Ａ）で算出した前記トンネル電流の値と、前記工程Ｂ）で測定した前記基準電流の値とを加算して、中間目標合計電流値を算出する工程と、Ｄ）前記電極間に流れるベース電流の値が、前記工程Ｃ）で算出した前記中間目標合計電流値と一致する中間目標位置に前記電極を配置する工程と、Ｅ）中間目標とする電極間距離から、最終目標とする電極間距離までの操作量を算出する工程と、Ｆ）前記工程Ｄ）の後で、前記中間目標位置から前記工程Ｅ）で算出した前記操作量操作を行った最終目標位置に前記電極を配置する工程と、を有し、前記中間目標とする電極間距離は、前記最終目標とする電極間距離よりも小さい。

本願の第５発明は、第４発明の電流測定方法であって、
Ｇ）前記工程Ｆ）の後に、前記最終目標位置において、前記生体高分子のトンネル電流を計測する工程をさらに有する、電流測定方法。

本願の第１発明から第５発明によれば、電極対を、適切な電極間距離に配置することができる。

特に、本願の第２発明および第５発明によれば、適切な電極間距離を保った状態で、電極対の間を通過する生体高分子のトンネル電流を測定することができる。

特に、本願の第４発明によれば、最終目標位置におけるベース電流の値が小さい場合であっても、電極対を、適切な電極間距離に配置することができる。

一実施形態に係る電極基板の上面図である。 一実施形態に係る電極基板の部分上面図である。 一実施形態に係る電極基板の部分上面図である。 一実施形態に係る電極基板の部分上面図である。 一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。 一実施形態に係る電極基板の計測電極部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。 一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。 一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。 ナノ電極の校正処理の流れを示したフローチャートである。 校正処理における印加電圧およびナノ電極間の電流値の経時変化を示した図である。 校正処理における印加電圧と電流値の計測データの一例を示した図である。 校正処理における印加電圧と電流値の計測データの近似関数を示した図である。 電流測定処理の流れを示したフローチャートである。 スモールギャップモードにおける電流測定処理の流れを示したフローチャートである。 ラージギャップモードにおける電流測定処理の流れを示したフローチャートである。 電流測定処理において電流計の計測する電流値の一例を示した図である。 ラージギャップモードにおける電流計測処理において、ナノ電極間の様子を示した概略図である。

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．電極基板および電流計測装置の構成＞
本発明の一実施形態に係る電極基板１と、電流計測装置９とについて、図１〜図８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および図６は、電流計測装置９を用いた電極基板１の押し曲げの様子を示した概略図である。図７および図８は、電極基板１の部分断面図である。

この電極基板１および電流計測装置９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、後述するナノ電極３４間に電圧を印加した状態でナノ電極３４間に生体高分子を通過させる。そして、ナノ電極３４と生体高分子との間に流れるトンネル電流を検知し、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。図１〜図４、図７および図８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、シリコン（Ｓｉ）により形成された基板層の上にポリイミドにより形成された基板層が重なった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などの、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、２つの接続用電極部３１と、２つの接続用電極部３１の間において第１方向に延びる配線部３２と、配線部３２の中央に配置された計測電極部３３とを有する。

金属層３０は、例えば、導体である金（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。なお、金属層３０は、複数の金属層を重ねて構成されてもよい。例えば、クロム（Ｃｒ）により形成された金属層の上に、上記の金、白金、銀、銅等の金属からなる金属層が重なる構造であってもよい。なお、その場合であっても、計測電極部３３は、１層の金属層のみから構成されることが好ましい。金属層３０の厚みは、例えば、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、計測電極部３３を液中で用いる場合に、金属層３０のうち計測電極部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。

２つの接続用電極部３１は、第１方向に離れて配置されている。２つの配線部３２はそれぞれ、各接続用電極部３１から計測電極部３３へ向かうにつれて次第にその幅が小さくなる。両側の配線部３２の間には、配線部３２よりも第２方向の幅が小さい計測電極部３３が配置される。図４に示すように、計測電極部３３は、１対のナノ電極３４により構成される。一対のナノ電極３４は、電極基板１に負荷（外力）がかかっていない状態では、図４に示すように、ナノ電極３４の先端部同士が接触した状態となっている。

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、計測電極部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。計測流路５３は、ナノ電極３４の先端部と上下に重なる位置に配置される。これにより、計測流路５３内を第２方向に移動する生体分子が、ナノ電極３４の間を通過しやすい。

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はナノ電極３４付近においてその幅が狭くなっている。これにより、電流値計測時に、生体高分子が、計測流路５３の延びる第２方向に沿う向きで、ナノ電極３４間を通過しやすい。

次に、電流計測装置９について、図５および図６を参照しつつ説明する。図５および図６は、電流計測装置９において電流計測を行う際の様子を示した図である。図５は、電極基板１がセットされた電流計測装置９の初期状態における様子を示した側面図である。図６は、電極基板１の押し曲げ時における電流計測装置９の様子を示した側面図である。なお、図６では、電極基板１の変形を誇張して示している。

図６に概念的に示すように、電流計測装置９は、載置台９１と、固定具９２と、押し上げ具９３と、昇降機構９４と、電源９５と、電流計９６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、計測電極部３３を挟んだ第１方向の２箇所において、電極基板１を上下から押えて固定する。

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、昇降機構９４に接続されている。昇降機構９４は、モータ９４１とピエゾアクチュエータ９４２とを有する。モータ９４１は、押し上げ具９３をミリメートル単位で大きく上下に移動させる。ピエゾアクチュエータ９４２は、押し上げ具９３をナノメートル単位で小さく上下に移動させる。昇降機構９４は、モータ９４１とピエゾアクチュエータ９４２とを組み合わせることにより、大きな動きと細かな動きとの双方を実現している。なお、昇降機構９４は、押し上げ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。

電源９５は、一対の接続用電極部３１間に電圧を印加する。電流計９６は、計測電極部３３のナノ電極３４間に流れる電流の電流値を測定する。

制御部９０は、昇降機構９４、電源９５および電流計９６とそれぞれ電気的に接続し、各部を制御する。本実施形態の制御部９０は、ＣＰＵ等の演算処理部、ＲＡＭ等のメモリ、およびハードディスクドライブ等の記憶部を備えたコンピュータにより構成されている。制御部の機能は、記憶部に記憶されたコンピュータプログラムに基づいて、演算処理部が動作することにより実現される。

電極基板１を電流計測装置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の計測電極部３３付近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。このとき、計測電極部３３の真下に押し上げ具９３が位置するように、電極基板１を配置する。

そして、電流計測時には、まず、電源９５により、接続用電極部３１間に所定の電圧を印加するとともに、電流計９６による電流値の計測を開始する。そして、昇降機構９４を駆動させて押し上げ具９３を押し上げて、ナノ電極３４の先端部同士の距離（電極間距離）を調整する。

図７は、初期位置における電極基板１の部分断面図である。図８は、押し上げ時における電極基板１の部分断面図である。図４および図７に示すように、電極基板１が押し曲げられていない状態では、ナノ電極３４の先端部同士は接触している。図８に示すように、押し上げ具９３を押し上げると、電極基板１の計測電極部３３付近が下面側から押し上げられる。すると、計測流路５３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３４同士が、図８中に破線矢印で示すように、互いに離れる方向へと移動する。その結果、電極間距離が拡がる。このように、押し上げ具９３によって電極基板１を押し上げることにより、電極間距離の調整を行う。

＜２．電極対の校正処理＞
次に、電極対である１対のナノ電極３４の校正処理について、図９を参照しつつ説明する。図９は、ナノ電極３４の校正処理の流れを示したフローチャートである。

ナノ電極３４の校正処理では、押し上げ具９３による電極基板１の押し上げと引き戻しとを繰り返して、ナノ電極３４の電極間距離ｄを変動させ、その間のナノ電極３４間に流れるトンネル電流の値を取得する。

校正処理において、まず、電極基板１を電流計測装置９に載置し、初期位置にセットする（ステップＳ１０１）。次に、制御部９０は、カウント数ｎをｎ＝１に設定する（ステップＳ１０２）。

そして、制御部９０は、基準電流Ｉｂを計測する（ステップＳ１０３）。具体的には、押し上げ具９３を押し上げて、ナノ電極３４間にトンネル電流が流れない程度の十分に大きな電極間距離を保ちつつ、ナノ電極３４間を流れる電流の電流値を計測する。これにより、リーク電流や電流計測装置９の装置構成や環境に起因する基準電流Ｉｂを計測できる。基準電流Ｉｂの計測後、制御部９０は、押し上げ具９３を初期位置に戻す。

押し上げ具９３が初期位置に戻った後、制御部９０は、押し上げ具９３による電極基板１の押し上げ工程を行う（ステップＳ１０４）。すなわち、制御部９０は、ナノ電極３４の電極間距離ｄが大きくなる方向へ操作を行う。なお、このステップＳ１０４における押し上げ工程と、後述するステップＳ１０６における引き下げ工程とにおいて、押し上げ具９３の押し上げおよび引き下げは、ピエゾアクチュエータ９４２への印加電圧Ｖｐを増減させることによって行う。このため、押し上げおよび引き下げを行うための操作量は、ピエゾアクチュエータ９４２への印加電圧Ｖｐの電圧値となる。印加電圧Ｖｐの電圧値が大きくなると、押し上げ具９３による押し上げ量が大きくなり、電極間距離ｄが大きくなる。一方、印加電圧Ｖｐの電圧値が小さくなると、押し上げ具９３による押し上げ量が小さくなり、電極間距離ｄが小さくなる。

ステップＳ１０４が開始されると、制御部９０は、押し上げ具９３による押し上げ中、電流計９６の計測した電流値が所定の第１閾値以下となったか否かを判断する（ステップＳ１０５）。

押し上げ工程の開始直後は、ナノ電極３４同士が接触している。このため、比較的大きな電流がナノ電極３４間に流れる。このため、押し上げ開始直後においては、ステップＳ１０５において、制御部９０は、電流計９６の計測した電流値が第１閾値よりも大きいと判断する。この場合、ステップＳ１０４を引き続き行いながら、再びステップＳ１０５へ戻る。

その後、ナノ電極３４の先端同士が離れると、ナノ電極３４間には、僅かなトンネル電流が流れる。そして、ナノ電極３４の電極間距離ｄが大きくなるにつれて、ナノ電極３４間に流れるトンネル電流は小さくなる。トンネル電流が次第に小さくなり、ステップＳ１０５において電流計９６の計測した電流値が第１閾値以下になったと判断すると、制御部９０は、押し上げ具９３による押し上げを停止し、ステップＳ１０６へと進む。

そして、制御部９０は、押し上げ具９３の引き下げ工程を行う（ステップＳ１０６）。すなわち、制御部９０は、ナノ電極３４の電極間距離ｄが小さくなる方向へ操作を行う。制御部９０は、押し上げ具９３の引き下げ中、電流計９６の計測した電流値が所定の第２閾値以上となったか否かを判断する（ステップＳ１０７）。

ステップＳ１０６において押し上げ具９３の引き下げが開始されると、ナノ電極３４の電極間距離ｄは次第に小さくなる。すなわち、ナノ電極３４間に流れるトンネル電流が次第に大きくなる。押し上げ具９３の引き下げ開始直後においては、ステップＳ１０７において、制御部９０は、電流計９６の計測した電流値が第２閾値よりも小さいと判断する。この場合、ステップＳ１０６を引き続き行いながら、再びステップＳ１０７へ戻る。

その後、ナノ電極３４の電極間距離ｄが次第に小さくなり、トンネル電流が次第に大きくなり、ステップＳ１０７において電流計９６の計測した電流値が第２閾値以上になったと判断すると、制御部９０は、押し上げ具９３の引き戻しを停止し、ステップＳ１０８へと進む。

このように、ステップＳ１０４の押し上げ工程と、ステップＳ１０６の引き下げ工程とにおいて、ナノ電極３４間に所定の電圧を印加しつつ、電極間距離ｄを変更させるように操作を行い、ナノ電極３４間の電流値Ｉを取得する。

本実施形態では、第１閾値は０．０１ｎＡであり、第２閾値は２．００ｎＡである。第１閾値は、基準電流Ｉｂよりも大きい値に設定する。また、第２閾値は、第１閾値よりも大きく、かつ、ナノ電極３４同士が接触した際に流れる電流値よりも小さい値に設定する。

続いて、制御部９０は、カウント数ｎが所定の繰り返し回数Ｎに達したか否かを判断する（ステップＳ１０８）。カウント数ｎが繰り返し回数Ｎに達していない場合、制御部９０は、ステップＳ１０９へと進み、カウント数ｎをインクリメントする。その後、ステップＳ１０４へと戻り、再び押し上げ具９３の押し上げを開始する。

一方、カウント数ｎが繰り返し回数Ｎに達している場合、制御部９０は、ステップＳ１１０へと進む。

このように、ステップＳ１０４の押し上げ工程と、ステップＳ１０６の引き下げ工程とをＮ回繰り返し行うことにより、後述する近似関数をより正確に求めることができる。

ここで、図１０は、ナノ電極３４の校正処理におけるピエゾアクチュエータ９４２への印加電圧Ｖｐおよびナノ電極３４間の電流値の経時変化の概略を示した図である。図１０において、１段目はピエゾアクチュエータ９４２への印加電圧Ｖｐ、２段目はナノ電極３４の電極間距離ｄ、３段目は電流計９６の検出したナノ電極３４間の電流値Ｉの経時変化を比例軸で示したもの、４段目は、電流計９６の検出したナノ電極３４間の電流値の経時変化を対数軸で示したものである。

上記の通り、本実施形態のステップＳ１０４およびステップＳ１０６において、押し上げ具９３の押し上げまたは引き下げを行うための操作量は、ピエゾアクチュエータ９４２への印加電圧Ｖｐである。本実施形態のピエゾアクチュエータ９４２は、印加電圧Ｖｐと押し上げ量とが略比例する。さらに、押し上げ量と、電極間距離ｄとが略比例する。したがって、印加電圧Ｖｐの電圧値の変化量と、電極間距離ｄの変化量とは略比例する。ここで、電極間距離ｄと印加電圧Ｖｐとの関係は、比例係数をαとすると、以下の式で表される。

ステップＳ１０４では、図１０に示すように、印加電圧Ｖｐを一定の割合で増加させる。このため、電極間距離ｄは略一定の割合で増加する。また、図１０に示すように、ステップＳ１０６では、印加電圧Ｖｐを一定の割合で減少させる。このため、ステップＳ１０６では、電極間距離ｄは略一定の割合で減少する。

一方、電極間距離ｄと、電極間を流れるトンネル電流Ｉｔとは、以下のような関係を有する。

なお、Ｋは定数である。βは、既知の定数である。一方、電流計９６の計測する電流値Ｉは、基準電流Ｉｂと、トンネル電流Ｉｔとを加算したものであるから、電流値Ｉは、以下の式で表される。

このため、図１０に示すように、ステップＳ１０４において、押し上げ具９３を次第に押し上げていくと、電流値Ｉは指数関数的に小さくなる。そして、ステップＳ１０６において、押し上げ具９３を次第に引き戻していくと、電流値Ｉは指数関数的に大きくなる。

ステップＳ１０８からステップＳ１１０へと進むと、制御部９０は、Ｎ回繰り返し行ったステップＳ１０４およびステップＳ１０６における押し上げ具９３に対する操作量と電流計９６の計測した電流値Ｉとの関係を近似した近似関数を算出する（ステップＳ１１０）。

図１１は、校正処理における印加電圧Ｖｐと電流値Ｉの計測データの一例を示した図である。図１２は、図１１の例の計測データの近似関数を示した図である。図１１中、黒いデータ点は、押し上げ工程（ステップＳ１０４）における計測データを示し、白いデータ点は、引き下げ工程（ステップＳ１０６）における計測データを示したものである。ステップＳ１０４〜ステップＳ１０７では、所定の時間間隔（例えば５０ｍｓｅｃ）ごとに、印加電圧Ｖｐと計測した電流値Ｉとを記憶する。

図１１に示すように、ステップＳ１０４およびステップＳ１０６における印加電圧Ｖｐと電流値Ｉとは、印加電圧Ｖｐが大きくなるにつれて、電流値Ｉが指数関数的に小さくなる。ステップＳ１１０では、この関係を用いて以下のような近似式を算出し、定数Ａ，Ｂ，Ｃを算出する。

このようにすれば、次のように各値が求まる。

以上より、電極間距離ｄと印加電圧Ｖｐとの比例係数αが以下の通り求められる。この比例係数αが、電極基板１ごとに求められる固有値である。

算出された比例係数αを、数式（１）に代入して、操作量である印加電圧Ｖｐと電極間距離ｄとの関係を推定した推定関数が算出される（ステップＳ１１１）。この比例係数αおよび推定関数を用いて、後述する電流測定処理を行う。

このような電極対の校正処理により、一対の電極（ナノ電極３４）に対する操作量（印加電圧Ｖｐ）と電極間電流値（電流値Ｉ）との関係が求められる。なお、上記の校正処理は、ナノ電極３４を純水や、純水に塩を加えた溶液中に配置して行われることが好ましい。このようにすれば、実際の生体高分子の電流測定処理における環境と近いため、電流測定処理において、より高精度にナノ電極３４の位置決めを行うことができる。

なお、本実施形態では、ステップＳ１１０の近似関数算出工程が、ステップＳ１０４の押し上げ工程における近似関数を算出する工程と、ステップＳ１０６の引き下げ工程における近似関数を算出する工程とを含む。すなわち、制御部９０は、押し上げ工程における計測データの近似式と、引き下げ工程における計測データの近似式とを別々に算出する。また、ステップＳ１１１の推定関数算出工程が、ステップＳ１０４の押し上げ工程における推定関数を算出する工程と、ステップＳ１０６の引き下げ工程における推定関数を算出する工程とを含む。すなわち、制御部９０は、押し上げ工程における推定関数と、引き下げ工程における推定関数とを別々に算出する。

ピエゾアクチュエータ９４２の印加電圧Ｖｐと移動量とについてのヒステリシスなどに起因して、押し上げ工程と引き下げ工程とでは、印加電圧Ｖｐと電流値Ｉとの関係にもヒステリシスが現れる。このため、押し上げ工程における近似関数および推定関数と、引き下げ工程における近似関数および推定関数とを別々に算出することが好ましい。

＜３．生体高分子の電流測定処理＞
続いて、電極基板１を用いた生体高分子の電流測定処理について、図１３〜図１５を参照しつつ説明する。図１３は、電極基板１を用いた電流測定処理の流れを示したフローチャートである。図１４は、スモールギャップモードにおける電流測定処理の流れを示したフローチャートである。図１５は、ラージギャップモードにおける電流測定処理の流れを示したフローチャートである。

生体高分子のトンネル電流を測定する場合、適切な電極間距離で測定を行うことが重要である。また、計測対象とする生体高分子ごとに、適切な電極間距離が異なる。この電流測定処理は、計測対象である生体高分子を含む溶液中で行われる。図１３に示すように、測定処理において、まず、制御部９０に、外部から目標とする電極間距離が入力される（ステップＳ２０１）。

次に、制御部９０は、ステップＳ２０１で入力された目標電極間距離が、所定の閾値以下であるか否かを判断する（ステップＳ２０２）。この閾値は、電極間距離が当該閾値となる場合のナノ電極３４間のトンネル電流値が、後述するベース電流Ｉｏに含まれる雑音成分よりも大きい値となるように設定される。

なお、ステップＳ２０２において、目標とする所望の電極間距離に相当する目標トンネル電流値Ｉｕが、所定の閾値以上であるか否かを判断してもよい。その場合、目標トンネル電流値Ｉｕは、例えば、前述した数式（２）を用いて算出される。

ステップＳ２０２において、目標電極間距離が閾値以下であると判断すると、制御部９０は、ステップＳ３００のスモールギャップモードにおける電流計測処理へと進む。一方、目標電極間距離が閾値よりも大きいと判断すると、制御部９０は、ステップＳ４００のラージギャップモードにおける電流計測処理へと進む。なお、ステップＳ３００およびステップＳ４００では、ナノ電極３４に所定の電圧を印加して、ナノ電極３４の間を通過する生体高分子のトンネル電流を測定する。

続いて、図１４を参照しつつ、スモールギャップモードにおける電流計測処理の流れについて説明する。まず、ナノ電極３４間にトンネル電流が流れないように電極間距離を十分大きくした状態で、基準電流Ｉｂの計測を行う（ステップＳ３０１）。基準電流Ｉｂの計測後は、押し上げ具９３を初期位置に戻す。

基準電流Ｉｂは、ステップＳ３０１において電流計９６の計測した電流値Ｉからベース電流Ｉｏを抽出することにより計測される。図１６は、計測された電流値Ｉの経時変化の一例を示した図である。図１６に示すように、生体高分子を含む液体中で電流値Ｉの計測をする場合、電流値Ｉは、ナノ電極３４間に生体高分子が存在していない場合に計測されるベース電流Ｉｏの成分と、ナノ電極３４間に生体高分子が通過した場合に計測されるサンプル電流Ｉｓの成分とを含む。サンプル電流Ｉｓは、生体高分子とナノ電極３４との間に流れるトンネル電流である。

図１６に示すように、サンプル電流Ｉｓは、ベース電流Ｉｏよりも大きな電流値を有する。このため、ベース電流Ｉｏとサンプル電流Ｉｓとを分離して計測が可能である。なお、ステップＳ３０１におけるサンプル電流Ｉｓは、所望の電極間距離における計測値ではないため、生体高分子の電流測定に用いることはできない。

ステップＳ３０１において、制御部９０は、計測した電流値Ｉから、ベース電流Ｉｏ成分を抽出し、当該成分から、ナノ電極３４間にトンネル電流が流れない状態におけるベース電流Ｉｏの電流値である基準電流Ｉｂを算出する。

次に、制御部９０は、目標とする電極間距離ｄに相当するトンネル電流の値である、目標合計電流値Ｉａを算出する（ステップＳ３０２）。具体的には、まず、数式（２）の電極間距離ｄに目標電極間距離を代入して、目標トンネル電流値Ｉｕを算出する。目標トンネル電流値Ｉｕは、目標とする電極間距離ｄに相当するトンネル電流の値である。そして、基準電流Ｉｂに目標トンネル電流値Ｉｕを加算して、目標合計電流値Ｉａを算出する。

その後、制御部９０は、押し上げ具９３による電極基板１の押し上げを行い、計測した電流値Ｉのベース電流Ｉｏが目標合計電流値Ｉａと一致する目標位置に、ナノ電極３４を配置する（ステップＳ３０３）。これにより、ナノ電極３４間の距離を、ナノ電極３４間に目標トンネル電流値のトンネル電流が流れる距離にすることができる。すなわち、ナノ電極３４間の距離を、所望の電極間距離とすることができる。

そして、制御部９０は、この目標位置において、生体高分子のトンネル電流を計測する電流計測工程を開始する（ステップＳ３０４）。このとき、上述の通り、ベース電流Ｉｏは、目標合計電流値Ｉａとなっている。電流値Ｉは、当該ベース電流Ｉｏの成分と、サンプル電流Ｉｓの成分とを含む。これにより、所望の電極間距離を保った状態で、サンプル電流Ｉｓを計測できる。

ステップＳ３０４によるサンプル電流Ｉｓの計測中、制御部９０は、計測終了条件となったか否かを判断する（ステップＳ３０５）。計測終了条件は、例えば、予め設定した期間の終了であってもよいし、外部からの終了指令であってもよい。

ステップＳ３０５において、計測終了条件になっていないと判断すると、制御部９０は、ステップＳ３０６へと進む。そして、ステップＳ３０４で計測したベース電流Ｉｏが所定の範囲内であるか否かを判断する（ステップＳ３０６）。ステップＳ３０６において判断が行われる所定の範囲は、目標合計電流値Ｉａを基準として設定される。例えば、ベース電流Ｉｏが、目標合計電流値Ｉａから±０．０００５ｎＡの範囲内であるか否かを基準とする。

ステップＳ３０６において、ベース電流Ｉｏが所定の範囲内であると判断すると、制御部９０は、ステップＳ３０４へと戻り、引き続き電流計測工程を行う。一方、ステップＳ３０６において、ベース電流Ｉｏが所定の範囲内でないと判断すると、制御部９０は、ステップＳ３０１へと戻り、電極位置をセットし直す。これにより、電流計測工程中に電極間距離が変化してしまった場合に、電極位置をセットし直し、所望の電極間距離での電流計測を行うことができる。

ステップＳ３０５において、制御部９０は、計測終了条件になったと判断すると、制御部９０は、電流計測処理を終了する。スモールギャップモードにおける電流計測処理は、以上の流れによって行われる。

続いて、図１５を参照しつつ、ステップＳ４００のラージギャップモードにおける電流計測処理の流れについて説明する。電流計測時における電極間距離が比較的大きい場合、当該電極間距離におけるトンネル電流の値は比較的小さくなる。当該トンネル電流の値が、基準電流Ｉｂのノイズ成分に比べて小さいと、基準電流Ｉｂと目標合計電流値Ｉａとの差がわかりにくくなる。このため、スモールギャップモードと同じ方法で電極位置を設定しようとしても、所望の電極間距離となる電極位置に正確にセットするのが困難である。そこで、以下に説明するラージギャップモードにより電極位置をセットすることにより、所望の電極間距離となるように電極位置をセットできる。

図１７は、ステップＳ４００のラージギャップモードにおける電流計測処理において、ナノ電極３４間の様子を示した概略図である。図１７に示すように、まず、ナノ電極３４間にトンネル電流が流れないように電極間距離を十分大きくした状態で、基準電流Ｉｂの計測を行う（ステップＳ４０１）。基準電流Ｉｂの計測後は、押し上げ具９３を初期位置に戻す。基準電流Ｉｂの計測は、スモールギャップモードのステップＳ３０１と同様に行う。

次に、制御部９０は、目標合計電流値Ｉａおよび移動操作量ΔＶｐを算出する（ステップＳ４０２）。具体的には、まず、中間目標位置とする中間電極間距離ｄ１に対応するトンネル電流値である中間トンネル電流値Ｉｖを算出する。中間目標位置とする中間電極間距離ｄ１は、最終目標位置とする目標電極間距離ｄ２よりも小さい電極間距離である。中間トンネル電流値Ｉｖは、数式（２）の電極間距離ｄに、中間電極間距離ｄ１を代入することにより算出される。そして、この中間トンネル電流値Ｉｖと、ステップＳ４０１で計測した基準電流Ｉｂとを加算して、中間目標合計電流値Ｉａを算出する。なお、中間トンネル電流値Ｉｖが、基準電流Ｉｂのノイズ成分よりも十分大きな電流値となるように、中間電極間距離ｄ１を設定する。

一方、移動操作量ΔＶｐは、中間目標位置である中間電極間距離ｄ１から最終目標位置である目標電極間距離ｄ２まで移動させるために必要な操作量である。この移動操作量ΔＶｐは、具体的には、中間電極間距離ｄ１から目標電極間距離ｄ２まで移動するためのピエゾアクチュエータ９４２への印加電圧Ｖｐの変化量である。この移動操作量ΔＶｐは、ステップＳ１０１〜Ｓ１１１の校正処理によって求められた推定関数に基づいて求められる。すなわち、数式（１）と、校正処理で求められた電極間距離ｄと印加電圧Ｖｐとの比例係数αとを用いて、以下の関係から求められる。

続いて、制御部９０は、押し上げ具９３による電極基板１の押し上げを行い、計測した電流値Ｉのベース電流Ｉｏが目標合計電流値Ｉａと一致する中間目標位置に、ナノ電極３４を配置する（ステップＳ４０３）。これにより、ナノ電極３４間の電極間距離ｄを、中間電極間距離ｄ１とすることができる。

その後、制御部９０は、印加電圧Ｖｐを、中間電極間距離ｄ１における印加電圧ＶｐにステップＳ４０２で算出した移動操作量ΔＶｐを加算した電圧値に変化させる。すなわち、ステップＳ４０２で算出した移動操作量ΔＶｐの分、操作を行う。これにより、制御部９０は、押し上げ具９３による電極基板１のさらなる押し上げを行い、ナノ電極３４間の電極間距離を、最終目標位置における目標電極間距離ｄ２にセットする（ステップＳ４０４）。

そして、制御部９０は、最終目標位置において、生体高分子のトンネル電流を計測する電流計測工程を開始する（ステップＳ４０５）。電流値Ｉは、ベース電流Ｉｏにサンプル電流Ｉｓが加わったものとなる。このように、所望の電極間距離を保った状態で、サンプル電流Ｉｓを計測できる。

ステップＳ４０５によるサンプル電流の計測中、制御部９０は、計測終了条件となったか否かを判断する（ステップＳ４０６）。ステップＳ４０６において、計測終了条件になっていないと判断すると、制御部９０は、ステップＳ４０７へと進む。

そして、制御部９０は、ステップＳ４０５の電流計測工程の開始から所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ４０７）。例えば、電流計測工程の開始から５分を当該所定時間とする。ステップＳ４０７において、所定時間が経過していないと判断すると、制御部９０は、ステップＳ４０５へと戻り、引き続き電流計測工程を行う。一方、ステップＳ４０７において、所定時間が経過したと判断すると、制御部９０は、ステップＳ４０１へと戻り、電極位置をセットし直す。このように、所定時間ごとに電極位置をセットし直すことにより、所望の電極間距離での電流計測を行うことができる。

ステップＳ４０６において、計測終了条件になったと判断すると、制御部９０は、電流計測処理を終了する。ラージギャップモードにおける電流計測処理は、以上の流れによって行われる。

本実施形態では、スモールギャップモードのステップＳ３０３における目標位置へのセット、および、ラージギャップモードのステップＳ４０３における中間目標位置へのセットにおいて、計測した電流値Ｉが目標合計電流値と一致するように電極間距離を設定した。しかしながら、本発明はこれに限られない。

例えば、ステップＳ３０３およびステップＳ４０３において、２段階の工程を経て、所望の目標位置または中間目標位置へとセットしても良い。その場合、第１段階として、校正処理において求められた比例係数αおよび推定関数に基づいて所定の電極間距離にセットする。その後、第２段階として、計測した電流値Ｉの変動量から電極間距離を推定しつつ、所望の目標位置または中間目標位置へとセットしてもよい。第１段階においては、電流値Ｉをモニタリングする必要が無いため、迅速に第１段階を行うことができる。すなわち、ステップＳ３０３およびステップＳ４０３にかかる時間を短縮できる。

＜４．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間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 電流計測装置
３４ ナノ電極
９０ 制御部
９３ 押し上げ具
９４ 昇降機構
９４１ モータ
９４２ ピエゾアクチュエータ

Claims (5)

1. 電極対に電圧を印加して、電極対の間を通過する生体高分子のトンネル電流を測定する電流測定方法であって、
   ａ）目標とする電極間距離に相当するトンネル電流の値を算出する工程と、
   ｂ）前記電極の間にトンネル電流が流れない電極間距離において、前記電極間に流れる基準電流の値を測定する工程と、
   ｃ）前記工程ａ）で算出した前記トンネル電流の値と、前記工程ｂ）で測定した前記基準電流の値とを加算して、目標合計電流値を算出する工程と、
   ｄ）前記電極間に流れるベース電流の値が、前記工程ｃ）で算出した前記目標合計電流値と一致する目標位置に前記電極を配置する工程と、
   を有する、電流測定方法。
2. 請求項１に記載の電流測定方法であって、
   ｅ）前記工程ｄ）の後に、前記目標位置において、前記生体高分子のトンネル電流を計測する工程
   をさらに有する、電流測定方法。
3. 請求項２に記載の電流測定方法であって、
   前記工程ｅ）の実行中に、前記ベース電流の値が前記目標合計電流値を基準とした所定の範囲内でない場合に、前記工程ｅ）の実行を中断し、前記工程ｂ）ないし先記工程ｄ）を再び行う、電流測定方法。
4. 電極対に電圧を印加して、電極対の間を通過する生体高分子のトンネル電流を測定する電流測定方法であって、
   Ａ）中間目標とする電極間距離に対応するトンネル電流の値を算出する工程と、
   Ｂ）前記電極の間にトンネル電流が流れない電極間距離において、前記電極間に流れる基準電流の値を測定する工程と、
   Ｃ）前記工程Ａ）で算出した前記トンネル電流の値と、前記工程Ｂ）で測定した前記基準電流の値とを加算して、中間目標合計電流値を算出する工程と、
   Ｄ）前記電極間に流れるベース電流の値が、前記工程Ｃ）で算出した前記中間目標合計電流値と一致する中間目標位置に前記電極を配置する工程と、
   Ｅ）中間目標とする電極間距離から、最終目標とする電極間距離までの操作量を算出する工程と、
   Ｆ）前記工程Ｄ）の後で、前記中間目標位置から前記工程Ｅ）で算出した前記操作量操作を行った最終目標位置に前記電極を配置する工程と、
   を有し、
   前記中間目標とする電極間距離は、前記最終目標とする電極間距離よりも小さい、電流測定方法。
5. 請求項４に記載の電流測定方法であって、
   Ｇ）前記工程Ｆ）の後に、前記最終目標位置において、前記生体高分子のトンネル電流を計測する工程
   をさらに有する、電流測定方法。
   
   

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