JP6063693B2

JP6063693B2 - 分析装置及び分析方法

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Publication number: JP6063693B2
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Inventors: 玲奈赤堀; 穴沢　隆; 隆穴沢; 理小澤
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Publication date: 2017-01-18
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Description

本発明は、生体ポリマの分析装置及び分析方法に関する。特に、DNA、RNAなどの核酸の分析を行う装置及び方法に関するものであり、核酸が伸長された状態で分析する方法に関する。

次世代DNAシーケンサとして伸長反応や、蛍光ラベルは行わずに、DNAの塩基配列を電気的に直接計測する手法が注目を浴びている。直接計測法には、現在3種類の方式が提案されている。第1の手法は、封鎖電流方式である。20〜60nmの薄膜に透過電子顕微鏡などで数nmのポア(ナノポア)を作製し、その薄膜の両側に電解質溶液を満たした液槽を設け、それぞれの液槽に電極を設けて電極間に電圧をかけると、ナノポアを通してイオン電流が流れる。イオン電流は一次近似としてナノポアの断面積に比例する。DNAがナノポアを通過する際に、DNAがナノポアを封鎖し、有効断面積が減少するため、イオン電流が減少する。この減少量を封鎖電流と呼ぶ。封鎖電流の大きさを元に、DNAの1本鎖と2本鎖との差異や、塩基の種類を判別する。第2の手法は、電極対を対向して設け、電極間に電圧をかけることにより、電極間を通過するDNAのトンネル電流を測定するトンネル電流方式である。トンネル電流の大きさから塩基の種類を判別する。第3の手法は、DNAの電荷量の変化を読み取り塩基識別をするFET方式である。MOSトランジスタにナノワイヤを形成し、ワイヤ近傍に封鎖電流方式と同様にナノポアを形成する。ゲート電圧を印加すると、ソース-ドレイン電流が流れる。この際、ナノワイヤ近傍に設けられたナノポアをDNAが通過すると、もっともワイヤ近傍に存在する塩基種に応じた電荷がナノワイヤ、ナノポア接合面に誘起され、伴ってソースドレイン電流が変化する。この電流変化から塩基の種類を判別する。
上記計測手法に加え、一塩基識別を実現するためには、大きく三つの要素を持つDNAの搬送制御法が必要である。一つは、DNAのセンサ通過速度をセンサの検出限界以下の速度(0.34um/s以下)で通過させることである。二つ目は、DNAの高次構造がほぐれた状態で読取を行うことである。三つ目は、対象物に対するセンサの相対位置は、検出される電流量に影響を与え得るため、センサ読取部位に対するDNA内の読取位置に揺らぎを引き起こすブラウン運動を制御することである。
このような中で、DNAの高次構造をほぐすための手法には、DNAシーケンサの前処理技術として、マイクロ流路の中にピラーを形成しDNAの高次構造をほぐししつつ電気泳動させることが出来ることが示されている(特許文献1-3、非特許文献１)。

特開２００４−１５６９２６号公報特開２００８−３９５４１号公報特開２００５−２６１３８９号公報

Terao, K. et al., J. Phys.:Condens.Matter 18, S653-S663 (2006)

前記従来例の技術を用いてDNA等の生体ポリマの搬送を図る場合、以下の課題が想定される。上述の従来技術にて開示されているピラーによる搬送制御は、高次構造をほぐすために存在しているため、搬送制御は可能であっても、センサ近傍でのブラウン運動を制御するには至らない。従来技術によってピラーによる搬送制御を応用して、センサ部でのDNA等の生体ポリマのブラウン運動を抑制したり、検出可能な速度で搬送制御を図る場合、以下の課題が想定される。即ち、生体ポリマの電気泳動方向に対して、センサの上流にピラーを設置したと仮定する。これにより、生体ポリマの泳動速度を抑制することは可能であるがセンサ部における生体ポリマのブラウン運動は抑制できず、生体ポリマのセンサに対する相対位置が揺らぐ。次に、センサの両端に上記構造を形成したとする。これにより全体として、ピラー間隔程度にまで運動領域を抑制することができるが、センサ部における生体ポリマのブラウン運動は抑制できない。そのため、生体ポリマの搬送速度においてはセンサの検出限界内に収まっても、生体ポリマのブラウン運動によりセンサ部に対する生体ポリマ中の塩基の相対位置が揺らぎ、読取精度が悪くなる。

上述した課題の少なくとも一の課題を解決するための本発明の一態様として、生体ポリマの流動速度を調整する第１の速度調整部を有する第１の流路と、第１の速度調整部よりも生体ポリマの流動速度が大きくなるように生体ポリマの流動速度を調整する第２の速度調整部を有する第２の流路と、第１の流路と第２の流路との間に位置する第３の流路と、生体ポリマを第３の流路を介して第１の流路から第２の流路へと流動させる試料流動機構と、第３の流路に位置する生体ポリマについて分析を行うセンサと、を分析装置に設けた。

本発明によって、生体ポリマがセンサの上流域、下流域にまたがってセンサ近傍を通過する際に、センサ下流域に存在するポリマ部位はセンサ上流域に存在するポリマ部位よりも早く泳動しようとするため、センサ上流域での生体ポリマ泳動速度に律速され、センサ近傍からセンサ下流域に存在するポリマを伸長させる力が働く。これにより生体ポリマのブラウン運動を抑制し、センサにおける安定した分析能を実現できる。

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。

生体ポリマ搬送装置の構成例を示す構成図。生体ポリマ搬送制御装置チップ115の内部の構成例を示す構成図。本実施形態の制御機構を持たない生体ポリマ搬送制御装置チップ115の内部の構成例を示す構成図。実施例１のピラーを用いた制御機構を持つ生体ポリマ搬送制御装置チップ115の内部の構成例を示す構成図。実施例１のピラーを用いた他の制御機構を持つ生体ポリマ搬送制御装置チップ115の内部の構成例を示す構成図。実施例１のピラーを用いた他の制御機構を持つ生体ポリマ搬送制御装置チップ115の内部の構成例を示す構成図。実施例１のゲル/ポリマを用いた制御機構を持つ生体ポリマ搬送制御装置チップ115の内部の構成例を示す構成図。実施例２の局在電場を用いた制御機構を持つ生体ポリマ搬送制御装置チップ115の内部の構成例を示す構成図。実施例５の狭窄部位を用いた制御機構を持つ生体ポリマ搬送制御装置チップ115の内部の構成例を示す構成図。実施例５の狭窄部位を用いた制御機構を持つ生体ポリマ搬送制御装置チップ115の内部の構成例を示す他の構成図。実施例５の狭窄部位を用いた制御機構を持つ生体ポリマ搬送制御装置チップ115の内部の構成例を示す他の構成図。実施例５の狭窄部位を用いた制御機構を持つ生体ポリマ搬送制御装置チップ115の内部の構成例を示す断面図。実施例３のＦＥＴを用いた制御機構を持つ生体ポリマ搬送制御装置チップ115の内部の構成例を示す構成図。実施例３のＦＥＴを用いた制御機構を持つ生体ポリマ搬送制御装置チップ115の内部の構成例を示す他の構成図。実施例４のナノポア型のデバイスの構成図。実施例６の生体ポリマを特定の配向を持たせて固定する構成の構成図。実施例６の生体ポリマを特定の配向を持たせて固定する構成の他の構成図。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

（実施例１）
本発明による、生体ポリマ搬送制御装置構成の一実施例を図１に示す。本実施例の生体ポリマ搬送制御装置114は、生体ポリマ搬送制御装置チップ115と、当該チップの制御や得られたデータの解析等の処理を行うためのPC116で構成される。さらに、図２を用いて、生体ポリマ搬送制御装置チップ115の内部の構成について説明する。生体ポリマ搬送制御装置チップ115の内部は、マイクロ流路101、ナノ流路102、生体ポリマの特性を解析するセンサ103、測定用電圧印加電流計測系104、生体ポリマ駆動機構105、センサ上流域106、センサ下流域107、センサ上流における生体ポリマの泳動速度を制御する障害物である搬送制御機構108、センサ下流における生体ポリマの泳動速度を制御する障害物である搬送制御機構109、生体ポリマ110、生体ポリマの前処理機構111、サンプル導入路および空気孔112、サンプル排出路および空気孔113から構成される。

ここで、ナノ流路102は、例えば2nm〜50nm程度の幅を持ち、マイクロ流路101は例えば100nm〜10um程度の幅を持つ溶液で満たされた空洞である。これらの流路は微細加工技術により形成可能であり、材料の例としては、SiN、SiO₂などが挙げられる。

なお、本実施例では、生体ポリマが流路中を電気泳動する際、この泳動方向に対し進行方向が下流、反対方向が上流であり、ナノ流路102より上流側のマイクロ流路101がセンサ上流域106、下流側のマイクロ流路101がセンサ下流域107である。
以下、本実施例における各構成部の機能を説明する。
サンプル導入路112より搬入された生体ポリマ110を含むサンプルは、前処理機構111によりセンサ上流域106に能動的に送られる。ここで、生体ポリマ110とは、単位構造の低分子（単量体、モノマー）が複数連結した多量体（オリゴマー）や高分子（ポリマ）のうち、生体に由来するものを示す。具体例としては、DNAやRNA、タンパク質などを指し、個々の生体によって異なるものである。また、poly(A)、poly(T)、poly(G)、poly(C)などのように、人為的に合成した分子も含む。

センサ上流域106への生体ポリマ110の送り方としては、例えば、電圧印加による濃縮や、パルス印加により搬送制御部における微細構造に入りやすくする。搬送制御部に入った生体ポリマは、搬送制御部により高次構造がほどけ、同時に搬送制御部における障害物に衝突しながら進むため、バルク中よりも泳動速度を落として進む。ナノ流路102を通過し、下流の障害物に到達すると、生体ポリマ110はひも状を維持したまま流路内部を通過することになる。

この際、ナノ流路102では、生体ポリマの特性解析が行われ、特性解析情報が得られる。ここで、生体ポリマの特性解析を行うためには、ナノ流路102にて、生体ポリマ110を構成する塩基ごとの電流特性の違いを測定する。つまり、測定用電圧印加電流計測計104の電源に電圧が印加されると、生体ポリマの特性を解析するセンサ103間にナノ流路102を介して電流が流れ、電流値は電流計測系で取得できる。トンネル電流方式の場合はトンネル電流を取得し、ＦＥＴセンサの場合はドレイン電流を取得する。上記電流は、生体ポリマ110のうち、ナノ流路102のセンサ前部領域に該当する部分の特性に応じて電流値が変化する。反映される生体ポリマ中の特性はセンサ幅、つまりナノ流路102によってセンサ103が隔てられている間隔に応じて決まるため、センサ幅が狭いほど高感度の特性解析が可能となる。測定で得られた情報は増幅処理、およびデジタル処理されて、チップ115と接続したPC116へと送られる。その後サンプルは電気泳動によりサンプル排出路及び空気孔112まで泳動し排出される。

センサ上流域106、センサ下流域107で用いる障害物である搬送制御機構108、障害物である搬送制御機構109の形態としては、固体材料または、ポリマ、ゲルが用いられる。固体材料の場合、加工が容易なシリコン、シリコンナイトライド、シリコンオキサイド、グラファイトなどがよい。加工形状は、ピラー、ナノ流路、多孔質などがある。特にピラーやナノ流路の断面は円、三角形、四角形、多角形が好ましいが、いずれの形状でも良い。

生体ポリマの特性を解析するセンサ103の周辺部は、マイクロ流路101、ナノ流路102、測定用電圧印加電流計測系104、生体ポリマ駆動機構105で構成される。ここでは、センサ103による解析を行うナノ流路102を含む流路に、生体ポリマ110が融解している電解質を満たし、流路の両端に電圧を印加することで、生体ポリマ110をセンサ上流域106からセンサ下流域107に電気泳動させ特性解析する手法を前提としている。このとき電解質中のイオンは、K⁺、Na⁺、Mg²⁺、Cl^-、TE buffer、 PBS bufferを想定している。

ここで、ナノ流路102を通過する生体ポリマ110の特性を解析するセンサ103は電気的変化を読み取る電極であり、封鎖電流、トンネル電流、FETシグナル等を読み取る。封鎖電流とは、ナノ流路102にKClなどの電解質（イオン）を含む水溶液を満たし、両チャンバー間に電圧をかけた際に、ナノ流路102を通してイオンが移動することで流れる電流（イオン電流）をいう。イオン電流はイオンの移動しやすさ、即ちナノ流路102の断面積に依存する。生体ポリマ110がナノ流路102を通過すると、ナノ流路102の有効断面積が減り、イオン電流が減少する。つまり、この生体ポリマ110がナノ流路102を通過する際にナノ流路102を封鎖するために電流が減少する現象が封鎖電流であり、この封鎖電流を測定することで、生体ポリマ110を構成する塩基ごとの電流特性の違いを測定できる。

ここで、ナノ流路102のサイズは測定対象によって適切な範囲があり、例えば１nm〜3nm、3nm〜10nm、10nm〜50nmである。dsDNA（2本鎖DNA）の直径は2.6nmであるため、dsDNAを測定するナノ流路102の径は3〜5nmが適当である。ssDNA（1本鎖DNA）の直径は1.5nmであるが、ヘアピン構造を作る可能性が高いため、ssDNAは修飾して測る場合があり、この場合ナノ流路102径は2〜3nmが適当である。

以下、図３〜図８を用いて、実施例1における生体ポリマ110の運動制御を行うための、生体ポリマ搬送制御装置チップ115の内部の具体的な構成例を説明する。
まず、図３で本実施形態の制御機構を持たない構成例について説明する。本構造において、生体ポリマ駆動機構105に電圧を印加すると、生体ポリマ110は、センサ上流域106のマイクロ流路から、流路直径相当の直径で回転運動しながらセンサ103が接続するナノ流路102を介して、再びセンサ下流域107のマイクロ流路に入る。生体ポリマ駆動機構105では、生体ポリマが融解した電解質溶液を満たした流路の両端に電圧を印加することで、生体ポリマ110を電気泳動させ、生体ポリマ110が溶液中で電荷をもつことにより電気泳動を実現する。ここでも、生体ポリマはマイクロ流路102の直径相当の直径で回転運動するようになる。なお、図１５を用いて後述するナノポア型のデバイスの場合は、ナノ流路上流・下流域においてマイクロ流路は存在しないため、センサ前後での生体ポリマはコイル状になって存在する。

生体ポリマ110、特にDNAはバルク水溶液中にて高次構造をとりながら泳動する。その際の直径をRgとする。Rg < Dの流路径をもつ構造内を通過させると、DNAは直径Dで回転運動しながら泳動する。このときの泳動速度は、センサ近傍に存在するナノ流路にかかった電界の力にのみ依存するため、生体ポリマ110を、概ね1〜10 ns/nt(0.34 m/s)程度の速度で泳動することになる。ここではこのバルク水溶液中での生体ポリマ110全体の平均泳動速度をv_bと定義する。この速度下では、検出限界(0.34um/s)を大きく超えるため、直鎖生体ポリマ110の特性解析を行うのは難しい。また、センサ上下流域106、 107で高次構造をとっているため、ブラウン運動が大きく、ナノ流路102における安定した測定が難しい。

そこで、本実施例では、図４のように、ナノ流路102の前後のセンサ上下流域106、 107におけるマイクロ流路101に、ピラー1061、1071でそれぞれ構成される搬送制御機構108、109を設ける。流路内部に、例えば、100nmピッチで100nmのピラー1061、1071を設けると、生体ポリマ110がピラーに沿って泳動する。このとき、ピラー1061、1071と衝突することで、生体ポリマ110とピラー1061、1071の間に電界による搬送力を妨げる向きの摩擦力が生じるため生体ポリマ全体の泳動速度を下げることが可能となる。生体ポリマが長いほど、この摩擦力の影響をうけて泳動速度が遅くなる。このときの生体ポリマ全体の平均泳動速度をv_pと定義すると、 v_b＞v_pの関係にある。この際、センサ上流域106・センサ下流域107におけるピラーの間隔相当の直径での回転運動を抑制し、ナノ流路102に対する生体ポリマ110の塩基特性の読取箇所の相対位置揺らぎを抑制するため、更に張力を加えることにより生体ポリマを伸長させることとした。
そこで、図４で説明した構成に加えて、更にセンサ上流域106、センサ下流域107における平均泳動速度に差を設けるために、ピラーサイズおよびピラー配置間隔を変えることにより生体ポリマの伸長を制御する構成例を以下に示す。

例えば、図５のようなピラー配置にすることで、センサ下流域107における搬送制御機構109での生体ポリマの泳動速度のピラーによる律速を緩和する。すなわち、センサ上流域106の搬送制御機構108に配置するピラー1061のサイズを、センサ下流域107の搬送制御機構109に配置するピラー1071のサイズよりも大きくする。ここで、図５のセンサ下流域107の搬送制御機構109にあるピラー1071のみで搬送制御した場合の生体ポリマの平均移動速度をv_p2とすると、 v_b＞v_p2＞v_pとなるピラーを設けた。ここで、搬送制御構造による摩擦力はバルク中でナノ流路に形成される電界による搬送力に対して大きいため、センサ上流域106の搬送制御機構108に生体ポリマ110全長が存在する際の平均泳動速度(v_上)、センサ下流域107の搬送制御機構109に生体ポリマ全長110が存在する際の平均泳動速度(v_下)を定義すると、 v_p2＞v_pの関係は、 v_下＞v_上の関係で言い換えることができる。

つまり、生体ポリマがセンサ上流域106、下流域107にまたがってナノ流路102を通過する際に、センサ上流106における生体ポリマの泳動速度とセンサ下流107における生体ポリマ110の泳動速度に差があると、センサ下流域107に存在するポリマ部位はセンサ上流域106に存在するポリマ部位よりも早く泳動しようとするため、センサ下流107における速度に対し、センサ上流106の搬送速度が律速となり、当該領域での生体ポリマに張力が働くことになり、結果ナノ流路102からセンサ下流域107にかけて存在する生体ポリマ110が伸長する。

このように、ピラーなどの構造体が複数連なった構造を取り、センサ上流域106、下流域107に設けられ、生体ポリマ泳動時の回転直径(ジャイロ径)を抑制することにより、ポリマが構造体に接触するなどして、泳動速度を抑制することができる。

上述の図５を用いて述べた構成例では、ピラー配置間隔は同じとし、上流のピラーよりも下流のピラーサイズよりも小さくすることで実現した。ここでのピラーのサイズは100nm〜500nmとし、隣り合うピラー間の間隔は〜100nmとした。

一方、図６を用いて、ピラー配置間隔をセンサ上流域106と下流域107で変えることによって生体ポリマーの伸長を制御する構成例を示す。図６に示す構成では、センサ上流域106の搬送制御機構108におけるピラー間隔を、センサ下流域107の搬送制御機構109におけるピラー間隔に対して小さくする。当該構成例では、ピラーの直径は〜100nmとし、ピラーのピッチは、100nm〜500nmとする。また、マイクロ流路101中での直鎖生体ポリマ110の泳動速度が、センサ下流域107の搬送制御機構109に対して、センサ上流域106の搬送制御機構108で遅くなる限りにおいて、各領域においてピラー間隔に勾配を持たせてもよい。

なお、上述の構成例では障害物としてピラーを用いる例を示したが、生体ポリマ110の搬送力を妨げる向きの摩擦力を生むような構造を有する障害物であればこれに限定されない。

次に、図７を用いて、搬送制御機構108、109において生体ポリマ110の泳動速度を制御する構成としてポリマやゲル材料を用いる構成例を説明する。ナノ流路102、及びセンサ上流域106及びセンサ下流域107はピラーの場合と同様の構造を持ち、センサ上流域106の搬送制御機構108に第一のゲル、センサ下流域107の搬送制御機構109に第二のゲルを配置する。ポリマ、ゲルの材料には、ポリエチレングリコール、酢酸、テトラメトキシシランの混合物で作られる無機系多孔質体、光硬化多孔質樹脂、光硬化ゲル、アガロース、ポリアクリルアミドゲル、ビーズを用いるのがよい。

ゲルを用いた場合の構成例としては、搬送制御機構108に配置された第一のゲルは、搬送制御機構109に配置された第二のゲルに対して、濃度は同じであるが、分子サイズが大きいものを用いる。同一濃度下で液中に存在する分子サイズが異なる場合、生体ポリマが泳動中にゲル分子と衝突する頻度は分子が大きくなるほど大きくなる。ゲル分子と衝突する頻度が高くなるほど、生体ポリマの泳動は阻害され、泳動速度は遅くなる。本実施例の場合、生体ポリマ110の泳動速度は搬送制御機構108中に対して搬送制御機構109では早くなる。また、別の構成例としては、両端に配置されるゲルの分子種は同じであるが、搬送制御機構108に配置された第一のゲルに対して、搬送制御機構109に配置された第二のゲルの濃度または濃度平均を低くする。

例えば、アガロースゲルは100nm〜300nm程度のナノポアを無数に形成しており、ナノポアのサイズはアガロースの濃度によって決まる。濃度が高いほどナノポアの径は小さくなり、電気泳動法においては、10%の濃度を用いることによって45mer(分子長15nm)〜120mer(分子長41nm)の、15％の濃度を用いることによって、25mer(分子長8.5nm)〜50mer(分子長17nm)のssDNAが分離できることが知られている。例えば、上流に15%、下流に10%の濃度のアガロースゲルを配置することによって、一本のDNAに対して、摩擦力を2倍程度変えることが可能となる。

以上、本実施例によって、生体ポリマ搬送制御装置において、生体ポリマがセンサ上流域106、ナノ流路102、センサ下流域107を通過する際に、センサ上流域106における生体ポリマ110の泳動速度とセンサ下流域107における生体ポリマ110の泳動速度に差を生じさせることで、生体ポリマへの張力を生じさせて、ナノ流路102での生体ポリマを伸長させるとともに、ブラウン運動を抑制することが可能となる。これにより、ナノ流路102において生体ポリマについての安定した塩基識別を実現できる。

（実施例２）
本発明の生体ポリマ搬送制御装置についての他の実施形態について図８を用いて説明する。本構造は、マイクロ流路101、ナノ流路102、生体ポリマ特性解析センサ103、測定用電圧印加電流計測系104、搬送用電圧印加系105、センサ上流域106、センサ下流域107、搬送制御部A 108、搬送制御部B 109、からなる。

上述した実施例１では、搬送制御機構108、109においてピラー等の物理的障害を構築して摩擦力の大きさを調整することで生体ポリマの泳動速度を制御する構成を示したが、本実施例２においては、電場がナノポアやナノ流路などのような100nm以下の非常に狭い領域で、局在電場をもつことを生体ポリマの泳動速度制御に利用した構成を示す。局在電場においては、当該領域を通過する生体ポリマに対し泳動速度を促す方向に力が働き、ポア径や、流路断面積が小さくなるほどその影響が大きくなる。従って、図８のようにセンサ下流域107の搬送制御機構109における電場1091の影響を、センサ上流域106の搬送制御機構108における電場1081の影響に対して大きくすることによって、センサ下流域107での泳動速度をセンサ上流域106での泳動速度よりも大きくして、生体ポリマ110の泳動速度の制御とブラウン運動の抑制を実現することが可能となる。

図８に示す構成例の場合、搬送制御機構108、 109において、ピラー等の物理的障害をマイクロ流路101の両端に配置する。ここで、向かい合う物理的障害は一定の間隔をもって互いに接しないように配置し、センサ下流域107の搬送制御機構109でのピラー等の制御構造の配置間隔302の大きさは、センサ上流域106の搬送制御機構108におけるピラー等の制御構造の配置間隔301に対して狭くし、センサ上流での制御構造配置長A 303とセンサ下流での制御構造配置長B 304は同じとする。もしくは、制御構造配置間隔301、302は上流下流において同じであるが、センサ下流での制御構造配置長B 304はセンサ上流での制御構造配置長A 303に対して長くすることでも実現する。

（実施例３）
本発明の生体ポリマ搬送制御装置に用いるセンサの他の実施形態について図１３、図１４を用いて説明する。本実施例３では、図２における生体ポリマの特性を解析するセンサ103において、ナノ流路102中にFETセンサを設けた場合の構成について述べる。

図１３はナノ流路102俯瞰図であり、流路を塞ぐ前500と塞いだ後501を図示した。流路中に設けられたFETセンサは、ナノ流路102、ソース電極502、ナノチャネル503、ドレイン電極504、支持基盤505、バックゲート電極506、流路を塞ぐ絶縁体キャップ507、ゲート電極508からなる。
本構造におけるセンシング原理は次の通りである。ソース電極502及びドレイン電極504間に電圧が印加されている状態で、ゲート電極508及びバックゲート電極506に電圧を印加すると、ソース電極、ドレイン電極間に電流が流れる。その際に、ナノ流路102に封入された生体ポリマがナノワイヤチャネル503近傍を通過すると生体ポリマの特性に応じた電荷がナノチャネル503、ナノ流路102間接合面に誘起され、伴ってソースドレイン間に流れていた電流が変化する。この変化量により生体ポリマの特性を見ることが出来る。

図１４のナノ流路102上面図510及び断面図511を用いて、構造の詳細を説明する。まず、ナノチャネルを形成する。その上部にチャネルと垂直に横断する横幅2nmのナノ流路を形成する。ここで、流路壁の一部は金属になっており、ソース、ドレインの役割を果たす。さらに流路に蓋をした後、センサ上部にゲートの役割を果たす金属を配置する。センサが設けられた流路の上流、および下流に搬送制御構造を設けることで、生体ポリマのより高精度な特性解析を実現する。またセンサは、流路中に複数箇所設けることで、読取精度を上げることが可能である。流路中のセンサ近傍部には、実施例６で説明する、配向制御機構509を作ることも可能である。

（実施例４）
本発明の生体ポリマ搬送制御装置についての他の実施形態について図１５を用いて説明する。本実施例では、生体ポリマの特性を解析するセンサ103において、ナノ流路102周辺部に配置するセンサにナノポアを採用する構成について述べる。

ここで、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。薄膜は主に無機材料から形成され、ナノポア部分以外は基本的に電気的絶縁体である。薄膜材料の例としては、SiN、SiO₂などが挙げられる。他に、有機物質、高分子材料などからなる絶縁体を含むこともできる。単層ではなく、複層でもよい。複層の場合、最も外側の材料は絶縁体である。薄膜は生体ポリマ特性解析を目的として電気的配線がなされ得る。

図１５にナノポア型センサの構造例600を示す。薄膜602にナノ流路の役割を果たすナノポアを設け、ナノポアを有する薄膜により電解質を封入するチャンバーをセンサ上部槽603およびセンサ下部の槽604に分離する。ここで薄膜602および電圧印加機構607は図２中の103及び104に対応する。また、センサ上部槽603はセンサ上流域106に、センサ下部槽604はセンサ下流域107に対応する。薄膜602を介して電圧印加機構607にてチャンバ両端に電圧を印加するとイオン電流が流れ、電流計測系で電流量が取得される。ナノ流路102を生体ポリマ110が通過すると、生体ポリマの断面積に応じてナノ流路を流れるイオン電流量が変化する。その変化量が生体ポリマの特性を表す。

そして、図７にて説明した構成と同様に、センサ上部槽603に封入するポリマ605はセンサ下部槽604に封入するポリマ606の濃度より濃くすることで、センサ近傍での生体ポリマ110のブラウン運動を抑制しつつ搬送制御を実現する。ここで、センサ上部槽603に封入するポリマ605はセンサ上流域106の搬送制御機構108に、センサ下部槽604に封入するポリマ606はセンサ下流域107の搬送制御機構109に対応する。

（実施例５）
本発明の生体ポリマ搬送制御装置についての他の実施形態について、図９、図１０、図１１、図１２を用いて説明する。本実施例では、狭窄部位を作成してブラウン運動の抑制を行うチップ構成について述べる。

まず、図１０，図１１を用いて、チップの作製例404を示す。図１０の408に空洞部分の形状を強調する。図９でも示すように、図１１の第一の構造405では、402の形状の空洞を、第二の構造406では、401の形状の空洞を設ける。直方体401および 402の形状をした空洞を図のように接合すると、接合面403を得る。この構造を流路の内空部とすることで接合面において狭窄部位を作ることが可能となる。図１２には構造作製例404の上面図409および断面図410、411を示す。白抜部は空洞412、斜線部は固体材料413である。

図１１で示した第一の構造405は、流路の縦方向が2nm程度、横方向は2nm以上の長さの空洞を持ち、流路長r₁で作製する。図１１で示した第二の構造406は、流路の横方向が2nm程度、縦方向は2nm以上の空洞を持ち、流路長r₂で作製する。さらに下流には、第一の構造と同様の構造405を持ち、流路長r₃で作製する。このとき、第一の構造と、第二の構造の接合部において、縦横長2nmｘ2nmの狭窄部位ができる。この部分において、DNAのブラウン運動が抑制される。センシング機構を第二の構造406中に作った場合、第二の構造406中の空洞401がナノ流路102に該当し、接合面403に出来る狭窄部位が図２中の搬送制御機構108および109に該当する。

また、生体ポリマに対する狭窄部位の密度が高い程、生体ポリマへの泳動方向に逆らう向きの摩擦が大きくなるため、狭窄部位の配置間隔密度を下流に向けて徐々に下げていくことにより、ナノ流路102上流及び下流における生体ポリマ110の泳動速度差を生じさせ、生体ポリマを伸長させられると同時に、狭窄部位が存在することによりブラウン運動を抑制することが可能となる。
（実施例６）
本発明の生体ポリマ搬送制御装置についての他の実施形態について図１６、図１７を用いて説明する。本実施例では、生体ポリマを特定の配向を持たせて固定する構成について述べる。図１６に示す構成はナノ流路102中に設けられるもので、生体ポリマのナノ流路102における配向制御を行う。

図１６は配向制御構造の断面図を示しており、ナノ流路102、搬送用電圧印加系105、流路構成絶縁体701、配向制御用電極702、配向制御用修飾分子703で構成される。図１７は704で示した部分の断面図である。以下、動作方法と、装置の概要を説明する。

基本的な、生体ポリマの搬送方法は実施例１に従うが、本実施例では、生体ポリマの流路中での位置制御、及び配向制御を行う。図１４中のセンサ近傍領域509において流路の下部および上部に電極を有する。流路下部にある電極がプラスに帯電するように、二電極間に電圧を印加すると、溶液中でマイナスに帯電している生体ポリマはプラスに帯電している電極の方に引き寄せられる。更に流路下部に存在する電極表面に、塩基と相補的に水素結合できる構造を持つ分子を修飾することで、修飾分子、生体ポリマ間で特異部位に対し水素結合をするため、生体ポリマを特定の配向を持たせて固定することが可能となる。修飾分子は、流路内部全面に固定しても構わない。修飾分子には、例えば、チオール化塩基分子、または、メルカプトベンザマイド、イミダゾールなどがある。

101…マイクロ流路、102…ナノ流路、103…センサ、104…測定用電圧印加電流計測系、105…生体ポリマ駆動機構、106…センサ上流域、107…センサ下流域、108…搬送制御機構、109…搬送制御機構、110…生体ポリマ、112…サンプル導入路および空気孔、113…サンプル排出路および空気孔、115…生体ポリマ搬送制御装置チップ、116…PC、502…FETセンサソース電極、503…FETセンサチャネル、504…FETセンサドレイン電極、505…支持基盤、506…バックゲート、507…絶縁体キャップ、508…ゲート電極、601…ナノポア、602…薄膜、603…センサ上部槽、604…センサ下部槽、702…配向制御用電極

Claims

試料ポリマの流動速度を調整する第１の速度調整部を有する第１の流路と、
前記第１の速度調整部よりも前記試料ポリマの流動速度が大きくなるように前記試料ポリマの流動速度を調整する第２の速度調整部を有する第２の流路と、
前記第１の流路と前記第２の流路との間に位置する第３の流路と、
前記試料ポリマを前記第３の流路を介して前記第１の流路から前記第２の流路へと流動させる試料流動機構と、
前記試料ポリマの前記第３の流路に位置する部分について分析を行う分析部と、を有する、ことを特徴とする分析装置。
請求項１に記載の分析装置であって、
前記第１の速度調整部と、前記第２の速度調整部と、は前記試料ポリマに対して物理的な移動抵抗を加えることによって前記試料ポリマの流動速度を調整し、
前記第１の速度調整部は、前記第２の速度調整部よりも大きい移動抵抗を前記試料ポリマに加える、ことを特徴とする分析装置。
請求項１に記載の分析装置であって、
前記第１の速度調整部は、前記第１の流路に配置された複数の障害物によって構成され、
前記第２の速度調整部は、前記第２の流路に配置された複数の障害物によって構成される、ことを特徴とする分析装置。
請求項３に記載の分析装置であって、
前記第１の速度調整部は、前記第２の速度調整部における前記複数の障害物よりも狭い間隔で配置された前記複数の障害物によって構成される、ことを特徴とする分析装置。
請求項３に記載の分析装置であって、
前記第１の速度調整部は、前記第２の速度調整部における前記障害物よりも大きい前記障害物によって構成される、ことを特徴とする分析装置。
請求項２に記載の分析装置であって、
前記第１の速度調整部は、前記第１の流路に設けられた、ポリマ又はゲルによって構成される構造物であり、
前記第２の速度調整部は、前記第２の流路に設けられた、ポリマ又はゲルによって構成される構造物である、ことを特徴とする分析装置。
請求項６に記載の分析装置であって、
前記第１の速度調整部のポリマ又はゲルの密度が、前記第２の速度調整部のポリマ又はゲルの密度よりも高い、ことを特徴とする分析装置。
請求項６に記載の分析装置であって、
前記第１の速度調整部のポリマ又はゲルを構成する分子の大きさが、前記第２の速度調整部のポリマ又はゲルを構成する分子の大きさよりも大きい、ことを特徴とする分析装置。
請求項２に記載の分析装置であって、
前記第１の速度調整部は、前記第１の流路に設けられた第１の狭窄部位であって、
前記第２の速度調整部は、前記第２の流路に設けられた第２の狭窄部位であって、前記第１の狭窄部位の個数は前記第２の狭窄部位の個数よりも多い、ことを特徴とする分析装置。
請求項１に記載の分析装置であって、
前記試料流動機構は、電気泳動によって前記試料ポリマを流動させる、ことを特徴とする分析装置。
請求項１０に記載の分析装置であって、
前記第１の速度調整部は、前記第１の流路に発生させた電場によって前記試料ポリマの流動速度を調整し、
前記第２の速度調整部は、前記第２の流路に発生させた電場によって前記試料ポリマの流動速度を調整し、
前記第２の速度調整部は、前記第１の速度調整部よりも大きい電場を発生させる、ことを特徴とする分析装置。
請求項１に記載の分析装置であって、前記第３の流路の流路幅は、前記第１の流路の流路幅及び前記第２の流路の流路幅よりも狭い、ことを特徴とする分析装置。
第１の流路と第２の流路と、前記第１の流路と前記第２の流路との間の第３の流路を用いた分析方法であって、
試料ポリマを前記第１の流路に導入し、
前記第１の流路において、前記試料ポリマを流動速度を調整して前記第３の流路へ流動させ、
前記第３の流路において、前記試料ポリマの前記第３の流路に位置する部分について分析を行い、
前記試料ポリマを前記第３の流路から前記第２の流路に流動させ、
前記第２の流路において、前記第１の流路よりも流動速度が大きくなるように流動させて前記試料ポリマを前記第２の流路から排出する、ことを特徴とする分析方法。