JP5011650B2 - Light detection method - Google Patents
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Description
本発明は例えば孔径約5nmの微小な孔における発光状態を検出するための光センサおよび光検知方法に関するものである。 The present invention relates to an optical sensor and an optical detection method for detecting a light emission state in a minute hole having a hole diameter of about 5 nm, for example.
従来、光を感知する方法としては、光によって電子状態が変化する感知部分を半導体基板に形成することで、感知部分に当たる光を高精度に感知していた。例えばその先行技術としては下記特許文献1が存在する。
しかしながら、従来では例えば孔径約5nmのような小さな孔内における発光状態を検出する技術はなかった。そこで本発明は、例えば孔径約5nmのような小さな孔内における発光状態を検出する光センサを提供することを目的とする。 However, conventionally, there has been no technique for detecting a light emission state in a small hole such as a hole diameter of about 5 nm. Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical sensor that detects a light emission state in a small hole having a hole diameter of about 5 nm, for example.
この目的を達成するために本発明は、半導体からなるプレートと、このプレートによって区画された第一、第二の領域と、前記プレート内に形成され、前記第一、第二の領域を接続する少なくとも一つ以上の微小貫通孔と、この第一、第二の領域内に備えられた測定電極とを備え、前記第一、第二の領域内および前記微小貫通孔内に電解性液体もしくはゲルを充填した。 To achieve this object, the present invention provides a plate made of semiconductor, first and second regions defined by the plate, and the first and second regions formed in the plate. At least one or more micro through holes and a measurement electrode provided in the first and second regions, and an electrolytic liquid or gel in the first and second regions and in the micro through holes. Filled.
この構成により、例えば孔径約5nmのような小さな孔内における発光状態を検出する光センサを提供することができる。 With this configuration, it is possible to provide an optical sensor that detects a light emission state in a small hole having a hole diameter of about 5 nm, for example.
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1について、図面を用いて説明する。図1は本発明の光センサの一部切り取り斜視図であり、図2は同断面図である。図1および図2において、1はシリコンからなるプレートであり、このプレート1の一部は肉薄部2となっている。プレート1および肉薄部2の材料であるシリコンはドーピング量が任意の範囲であらかじめ決められ、所望の電気伝導率を有する半導体である。さらに第一の領域4と第二の領域5は肉薄部2に設けられた微小貫通孔3によってのみ互いに接続されている。また、第一の領域4と第二の領域5内にはそれぞれ測定電極8,9が設置されており、これら測定電極8,9はさらに測定器(図示せず)へと接続されている。さらに第一の領域4、第二の領域5および微小貫通孔3の内部は、塩化ナトリウム、塩化カリウムなどの電解性液体10によって充たされている。電解性液体10は電解性ゲルであってもよい。さらに第一の領域4および第二の領域5には蓋板の一例としてキャップ6,7が当接されており、これにより第一の領域4、および第二の領域5は外部雰囲気から遮断されている。なお、キャップ6,7内の少なくとも一つは外部からの光を透過する材料でできている。
(Embodiment 1)
ここで、本実施の形態における光センサの測定系の等価回路は図4に示すように、測定電極8,9間には、測定電極8,9から微小貫通孔3の開口部までの抵抗R1(13),R2(14)と、微小貫通孔3内の抵抗Rh(15)とプレート内の抵抗Rp(16)、微小貫通孔3の壁面を伝わる表面抵抗Rs(17)によって構成される。このうち、R1(13),R2(14),Rh(15)は電解性液体10の伝導率によって決まるが、微小貫通孔3の形状は第一の領域4、第二の領域5に比べて圧倒的に小さいのでRh(15)>>R1(13),R2(14)の関係が成り立ち、電極間の抵抗は実質的に、Rh(15),Rp(16)およびRs(17)が並列に接続された回路によって決まる。一方、Rh(15),Rp(16)およびRs(17)は、肉薄部2の材料であるシリコンへあらかじめドーピングした不純物の量で決まっている。
Here, as shown in FIG. 4, the equivalent circuit of the measurement system of the optical sensor in the present embodiment has a resistance R <b> 1 between the
次に上記本発明の光センサを用いて、外部雰囲気の光エネルギー量を測定する方法について説明する。図3および図5は本発明の光センサの使用方法を示す断面図および拡大断面図である。ここで、図3に示す本実施の形態の光センサの測定電極8および9の間の電気的特性値である抵抗値を測定すると、図4で示された等価回路に従って抵抗値が観測される。
Next, a method for measuring the amount of light energy in the external atmosphere using the optical sensor of the present invention will be described. 3 and 5 are a sectional view and an enlarged sectional view showing a method of using the optical sensor of the present invention. Here, when the resistance value, which is an electrical characteristic value between the
次に図3に示すように、第一の領域4側から光を導入すると光は第一の領域4内を充たした電解性液体10中を散乱しながら透過し、図5に示すように微小貫通孔3内へも進入する。微小貫通孔3内へ進入した光は微小貫通孔3の孔内も照射することとなる。ここで微小貫通孔3の内壁は適切なドーピング処理が施されたシリコンでできており、光の照射によって特に微小貫通孔3内壁表面付近のホールもしくは電子移動度を変化させる。この変化は抵抗Rs(17)の変化となって、測定電極8,9の抵抗値変化として検知される。
Next, as shown in FIG. 3, when light is introduced from the first region 4 side, the light passes through the
なお、抵抗Rs(17)の変化を検出する際には、Rh(15)、Rp(16)の値がRs(17)と同じであるか、もしくは大きい方が望ましいため、微小貫通孔3の孔径を小さく、かつ長手方向の長さを長くする。 When detecting a change in the resistance Rs (17), it is desirable that the values of Rh (15) and Rp (16) are the same as or larger than those of Rs (17). The hole diameter is reduced and the length in the longitudinal direction is increased .
また、本実施の形態における光センサは、第一の領域4、第二の領域5を光透過性である透明なキャップ6,7で覆っているので、第一の領域4、第二の領域5を測定環境から分離できる。
Moreover, since the optical sensor in this Embodiment has covered the 1st area | region 4 and the 2nd area |
上記の構成により、測定環境としての外部雰囲気が液体であっても極めて簡便な構造で光検知が行われるのである。 With the above configuration, even if the external atmosphere as a measurement environment is a liquid, light detection is performed with a very simple structure.
なお、本実施の形態における光センサを溶液中で使用する場合には測定電極8,9が外部雰囲気溶液と触れないように適切な保護が必要であるが、図面ではこのことを省略している。
In addition, when using the optical sensor in this Embodiment in a solution, appropriate protection is required so that the
また、プレート1および肉薄部2は半導体で構成されており、これによってプレート1および肉薄部2の内部および表面のホールまたは電子移動度をドーピング量によって制御できるが、特にシリコンあるいはガリウムヒ素基板である場合には、肉薄部2への微小貫通孔3の形成が行いやすいという製造上の利点を有する。
In addition, the
また、測定電極8,9は銀、金、白金などが用いられるが、特に表面をAgClでコーティングすると、測定電極8,9が第一の領域4と第二の領域5を充たす電解性液体10との間で電気二重層容量を持たないため、直流に近い周波数成分の測定も容易に行えるので、より高精度な検知が可能である。
Further, the
なお、肉薄部2に設けた微小貫通孔3は、測定電極8,9間の抵抗値を正確に検知するために数個設けた構成とするのが望ましい。
It should be noted that it is desirable that several micro through
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2における光センサについて、図面を用いて説明する。
(Embodiment 2)
An optical sensor according to
図6に示すように、プレート1の片側を外部雰囲気に開放した構造とすることもでき、この場合は光センサを直接電解性液体10につけることで、溶液中の光エネルギー量を測定できる。
As shown in FIG. 6, it can also be set as the structure which open | released one side of the
さらに、図7は本実施の形態2の別の方法による光センサの模式断面図であるが、第二の領域5に吸引手段18が接続されていることを特徴とする。この吸引手段18は第一の領域4、第二の領域5を充たす物質が溶液である場合にはポンプなどの圧力減圧手段等であり、ゲルである場合には電解発生手段等である。例えば、吸引手段18が圧力減圧手段であると、溶液は第一の領域4側から第二の領域5側に流れ、吸引手段18が電解発生手段である場合にはゲル中の電解物質、例えば電荷を帯びた分子、細胞などが第一の領域4側から第二の領域5側へ流れることになる。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of an optical sensor according to another method of the second embodiment, and is characterized in that a suction means 18 is connected to the
以上の構成により、微小貫通孔3内を流れる微小な粒子、分子(例えば細胞、核酸、タンパク質などが考えられる)が発光している場合に、この光によって微小貫通孔3の内壁で検知される抵抗Rs(17)が下がるので、これらの粒子、分子が発光するエネルギー量を検出できる。
With the above configuration, when minute particles or molecules (for example, cells, nucleic acids, proteins, etc.) flowing in the minute through
上記の検出方法について図8を用いて説明する。ここで、微小貫通孔3に発光する核酸、タンパク質などを通過させ光を検知する際には、配列の結合状態によって発光状態が変化するアッセイ系を測定評価するために、この核酸配列19に蛍光修飾を施した上で、微小貫通孔3にこの核酸配列19を流入・流出させる。この構成により、核酸配列19が発光している状態を簡便な構造で高精度に検出できる。さらに、核酸配列19は通常、ひも状態の長細い形状であり、微小貫通孔3の孔径が十分小さい場合には、核酸配列19は図のように伸びた状態で通過する。そして、核酸配列19の特異配列箇所のみが発光するようにアッセイ系を構成すれば、特異配列箇所が通過したときのみ表面抵抗Rs(17)が変化するので、核酸配列19におけるこの特異配列の位置を測定することが可能となる。
The above detection method will be described with reference to FIG. Here, when light is detected by passing through a nucleic acid, protein, or the like that emits light through the micro through-
さらに図9に示すように、微小貫通孔3を通過させる粒子を細胞20とした場合には、細胞20を特定の化学物質との反応により細胞が発光するアッセイ系とし、この光を検出することによって細胞20と特定の化学物質との反応状態を知ることができる。
Furthermore, as shown in FIG. 9, when the particles that pass through the micro through-
以上のように、粒子あるいは分子の発光状態を極めて小さな孔の中で測定するので、個々の粒子あるいは分子の発光状態を高精度に測定できるのである。 As described above, since the light emission state of particles or molecules is measured in an extremely small hole, the light emission state of individual particles or molecules can be measured with high accuracy.
以上のように本発明にかかる光センサは、例えば孔径約5nmのような小さな孔内における発光状態を検出することができる。 As described above, the optical sensor according to the present invention can detect a light emission state in a small hole having a hole diameter of about 5 nm, for example.
1 プレート
2 肉薄部
3 微小貫通孔
4 第一の領域
5 第二の領域
6 キャップ
7 キャップ
8 測定電極
9 測定電極
10 電解性液体
13 抵抗R1
14 抵抗R2
15 抵抗Rh
16 抵抗Rp
17 抵抗Rs
18 吸引手段
19 核酸配列
20 細胞
DESCRIPTION OF
14 Resistance R2
15 Resistance Rh
16 Resistance Rp
17 Resistance Rs
18 Aspiration means 19
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