KR20120096012A - 유로 디바이스 및 그것을 포함하는 샘플 처리 장치 - Google Patents

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KR20120096012A
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Abstract

분자 1개가 흐르는 나노 사이즈 유로를 갖고, 그 근방에 적어도 1개의 전극쌍이 배치되고, 또한 상기 전극에 교류 전압을 인가하기 위한 교류 전원을 갖는 유로 디바이스. 이것은 분자 1개1개의 동정에 유용하다. 또한 분자 1개가 흐르는 나노 사이즈 유로, 분기부 및 복수의 분기 유로를 구비하고, i) 상기 나노 사이즈 유로의 근방이며 당해 나노 사이즈 유로를 사이에 끼도록 전극쌍이 배치되거나, 또는 ii) 전극쌍의 일방이 상기 나노 사이즈 유로의 근방에 배치되고, 타방이 상기 분기 유로의 근방에 배치된 유로 디바이스. 이것은 분자 1개의 분리에 유용하다. 본 유로 디바이스는 원리적으로 100%의 동정?분리 정밀도를 실현한다. 본 발명의 샘플 처리 장치는 유로 디바이스, 측정부 및 연산처리부를 구비하고 있다. 측정부는 나노 사이즈 유로에 설치된 전극쌍의 전극 사이에 전압(직류 또는 교류)을 인가하고, 분자 1개가 전극 사이를 통과할 때의 전기적 신호를 측정하여 분자 1개를 동정한다(도 1b 참조).

Description

유로 디바이스 및 그것을 포함하는 샘플 처리 장치{FLOW PATH DEVICE AND SAMPLE PROCESSING DEVICE INCLUDING SAME}
본 발명은 유로 디바이스 및 그것을 포함하는 샘플(여기에서는 「샘플」이란 샘플액임) 처리 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 예를 들면, 샘플에 포함되는 분자를 1개씩 동정(특정, 검지, 검출, 측정을 포함함) 또는 분리(분획 sorting을 포함함) 하는 것이 가능하다.
종래, 샘플 속에서 원하는 분자를 분리할 때는, 크로마토그래피 기술을 사용하는 것이 알려져 있다. 이 방법은 분리 담체라고 불리는 것으로의 분자의 흡착과 탈리를 반복하는 것으로, 확률 과정에서의 이동도의 차이에 의해 분자를 분리하는 것이다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 보다 구체적으로는, 예를 들면, 다공질의 입자(분리 담체)를 가득 채운 통(이러한 분리 담체를 가득 채운 유닛을 「컬럼」이라고 함)에, 다양한 분자를 포함하는 샘플을 흘린다. 그러면, 다공질의 구멍보다 작은 분자는 그 구멍에 들어갈 수 있지만, 구멍보다 큰 분자는 구멍에 들어갈 수 없어 그대로 통과된다. 즉, 구멍보다 작은 분자는 구멍에 들어가거나 나오거나 하기 때문에 이동속도가 늦어지고, 구멍보다 큰 분자는 구멍에 들어갈 수 없기 때문에 빨리 이동할 수 있다. 이 이동속도의 차이에 의해 분자를 분리한다.
일본 특개 2007-279028호 공보
(발명의 개요)
(발명이 해결하고자 하는 과제)
그렇지만, 특허문헌 1에 개시되는 것과 같은 종래의 크로마토그래피를 사용하는 방법으로는, 원리적으로(이상적인 조건하에서도) 원하는 분자를 100% 분리할 수 없다. 이것은, 분리 담체의 구멍에 분자가 들어가거나 나오거나 하는 것은 브라운 운동 하고 있는 분자가 우연히(여기가 확률 과정) 구멍에 들어가거나, 우연히 나오거나 하기 때문이다. 또한 크기가 비슷한 것은 동일하게 구멍에 들어가거나 나오거나 하기 때문에, 그것들을 구별하는 것이 어렵기 때문이다. 또한, 종래의 수법에 의하면, 여러 종류의 분자 속에서 몇 종류 정도는 분리할 수 있지만, 모두를 망라적으로 분리하는 것은 불가능하다.
본 발명은 상기와 같은 구멍의 사이즈에 의지하는 기계적 원리와는 전혀 다른 원리에 기초하여, 분자를 1개씩 동정 또는 분리할 수 있는 기술을 제공한다.
최근, 가공 기술이 진보하여, 단면의 크기가 나노미터 사이즈의 유로 즉 나노미터 사이즈 유로를 입수할 수 있게 되었다.
본 발명자는, 별도로, 나노미터 사이즈의 분자, 예를 들면, 생체 분자를 다루었고, 양자를 결부시킴으로써 나노미터 사이즈 유로에 「나노미터 사이즈의 분자를 포함하는 샘플」을 흘리면, 그 분자가 1개씩 흐르는 것이 가능한 것을 착상했다. 또한 본 발명자는 그 분자의 전기적 성질에 주목했다. 이 성질에는 분자에 전기적 자극을 주었을 때 또는 그 주고 있는 동안에 그 분자가 나타내는 전기적 성질도 포함된다.
그 결과, 본 발명자는 분자 1개가 흐르는 나노미터 사이즈 유로(여기에서는 나노미터 사이즈 유로를 단지 나노 사이즈 유로 또는 나노 유로라고 하는 경우가 있음)의 근방에 적어도 1개의 전극쌍을 배치한 유로 디바이스를 착상했다. 이 착상에 기초하여, 분자 1개가 흐르는 나노 사이즈 유로를 갖고, 그 근방에 적어도 1개의 전극쌍이 배치되고, 또한 상기 전극에 교류 전압을 인가하기 위한 교류 전원을 갖는 유로 디바이스를 발명했다(제 1 기본 발명).
도 1a는 가장 간단한 구성의 유로 디바이스 중 하나를 도시하는 개략 평면도이다. 나노 유로(12)를 위에서 보고 있다. 나노 유로(12)의 주변은 기판이다. 나노 유로는 도 1a와 같이 기판 위에 형성된 것이어도, 또는 파이프의 내부에 형성된 것이어도 되며, 한정되지 않는다. 전극쌍의 E1, E2를 통하여 교류 전원(AS)에 의해 분자 1개 1개에 교류 전압이 인가되고, 그 결과, 나노 유로를 1개씩 흐르는 분자의 전기적 성질을 측정할 수 있다. 이것으로, 분자 1개 1개를 동정할 수 있다. 이 경우, 교류 전압을 사용하므로, 고감도?고정밀도로 동정할 수 있다. 동정의 의미는 넓으며, 분자의 상태, 예를 들면, 분자의 입체구조(conformation)나 그 동적인 변화(동태)를 검지하는 것도 동정에 포함된다.
이와 같이 분자 1개의 동정(검지)을 할 수 있으면, 유로의 출구에서, 그 분자 1개를 특정적으로 포착할 수 있다. 따라서, 본 발명의 유로 디바이스는 샘플로부터 특정 분자만을 분리하는 것에 사용할 수 있다.
게다가, 분자는 전기적 자극(전기 신호)을 받음으로써 역학적으로 고유한 거동을 보이는 경우가 있다. 그 경우에는, 본 발명의 유로 디바이스의 출구에 복수의 분기 유로(나노미터 사이즈나 그것보다 굵어도 가능)를 준비해 두면, 유로를 흐르는 분자 1개씩에 특정한 전기적 자극을 줌으로써, 예를 들면, 제1종 분자는 제 1 역학적 거동을 나타내고, 그 결과, 제 1 분기 유로로 유도되고, 예를 들면, 제2종 분자는 제 2 역학적 거동을 나타내고, 그 결과, 제 2 분기 유로로 유도된다.
따라서, 본 발명은, 분자 1개가 흐르는 나노 유로, 분기부 및 복수의 분기 유로를 구비한 유로 디바이스를 제공한다(제 2 기본 발명). 분기 유로의 단면의 크기는 나노미터로부터 마이크로미터 사이즈이다.
도 1b는 복수의 분기 유로(12a, 12b)를 갖는 유로 디바이스 중 하나를 도시하는 개략 평면도이다. 분리에 유용한 유로 디바이스이다. 나노 유로(12)를 위에서 보고 있다. 나노 유로(12)의 주변은 기판이다. 나노 유로(12)의 출구측(도면에서 우측)은 분기부를 통하여 2개의 분기 유로(12a, 12b)로 분기되어, 유로 전체는 Y자형을 이루고 있다. 이 경우, 전극쌍은, i) 나노 유로(12)를 사이에 끼는 전극 E1과 E2, 또는 ii) 나노 유로(12)의 근방에 배치된 전극(E1)과 분기 유로에 배치된 전극(E3), 또는 iii) 나노 유로(12)의 근방에 배치된 전극(E2)과 분기 유로에 배치된 전극(E4)이다.
전극쌍(E2와 E4의 쌍, 또는 E2과 E1의 쌍)의 사이에 소정의 전압을 인가함으로써 샘플 중에 포함되는 소정의 분자(M)에 대하여 전기적 자극을 줌으로써 분자(M)는 분기 유로(12b)로 유도된다. 또한 본 발명은, 분자 1개가 흐르는 나노 유로, 분기부 및 복수의 분기 유로, i) 상기 나노 유로의 근방이며 당해 나노 유로를 사이에 끼도록 전극쌍이 배치되거나, 또는 ii) 전극쌍의 일방이 상기 나노 유로의 근방에 배치되고, 타방이 상기 분기 유로의 근방에 배치된 유로 디바이스를 제공한다(제 3 기본 발명).
이들 분기 유로를 갖는 유로 디바이스는, 예를 들면, 분리에 유용하다. 그러나, 다른 사용방법에서는, 분기 유로로부터 나노 유로를 향하여 샘플을 흘리는 사용방법도 있다.
기본적으로 「어떤 전극」을 향하여 잡아당기는(또는 반발시키는) 것이 가능하므로, 예를 들면, 도 1b에서 좌측에서 우측으로 분자(M)가 흘러가는 중에, 전극(E2)(또는 전극(E4))측으로 잡아당기면 하측 분기 유로(12b)로 유도할 수 있고, 전극(E1)(또는 전극(E3))측으로 잡아당기면 상측 분기 유로(12a)로 유도할 수 있다. 이 경우, 전기영동(electrophoresis)이라고 하여, 분자의 극성(+, -)을 이용하여 쿨롱력으로 유도할 수도 있지만, 유전영동(dielectrophoresis)이라고 하여, 「분자의 극성에 관계없이」 유도하는 것도 가능하다. 따라서, 유전영동력을 사용하면 분자의 극성을 신경 쓰지 않고 스위칭할 수 있으므로, 유전영동력은 범용성이 높다.
즉, 본 발명의 유로 디바이스를 사용하면, 샘플 중에 제1종 분자와 제2종 분자가 포함되어 있는 경우, 이들 분자 1개씩 샘플로부터 분리할 수 있다. 분자 1개씩이므로, 원리적으로는 순도 100%로 분리할 수 있다. 상이한 분기 유로→출구로의 유도(바꾸어 말하면, 분기 유로를 전환하는 스위칭 동작)에는, 스위칭을 행하는 모드와 스위칭을 행하지 않는 모드의 2개의 조작 모드가 있다.
(1) 스위칭을 행하는 모드
이 경우, 스위칭에 의해 전기적 자극을 변화시키는 서브 모드 1과, 스위칭에 의해 전극쌍을 선택하는 서브 모드 2로 나뉜다.
서브 모드 1에서는, 도 1b에서 좌측에서 우측으로 분자(M)가 흘러가는 중에, 미리 분자의 종류를 검지한 후, 전극쌍(E1, E2) 사이에 그 분자 A에 고유의 직류 전압 혹은 고유의 주파수 A의 교류 전압을 인가함으로써 분자 A를 분기 유로(12a)로 유도한다. 다른 분자 B의 종류를 검지했을 때는, 그 분자 B에 고유의 직류 전압 혹은 고유의 주파수의 교류 전압 B를 전극쌍(E1, E2)의 사이에 인가함으로써 분자 B를 분기 유로(12b)로 유도한다. 이 경우, 분자 A, B에 고유의 직류 전압 또는 고유의 주파수를 갖는 교류 전압은 복수 있는 경우도 있다.
서브 모드 2에서는, 도 1b에서 좌측에서 우측으로 분자(M)가 흘러가는 중에, 미리 분자의 종류를 검지한 후, 그 분자 A에 대응하는 전극쌍(전극(E1), 전극(E3))을 선택하고, 그것들 사이에 소정의 직류 전압 또는 소정의 주파수를 갖는 교류 전압 A를 인가함으로써 분자 A를 분기 유로(12a)로 유도한다. 다른 분자 B를 검지했을 때는, 그 분자 B에 대응하는 전극쌍(전극(E2), 전극(E4))을 선택하고, 그것들 사이에 소정의 직류 전압 또는 소정의 주파수를 갖는 교류 전압 B를 인가함으로써 분자 B를 분기 유로(12b)로 유도한다. 이 경우, 상기 직류 전압 또는 상기 주파수를 갖는 교류 전압 A와 상기 직류 전압 또는 상기 주파수를 갖는 교류 전압 B는 동일하여도 상이하여도 된다.
(2) 스위칭을 행하지 않는 모드
미리 분자를 검지하지 않고, 전극쌍(E1, E2)의 사이에, 또는 전극쌍(E1, E3)의 사이에, 또는 전극쌍(E2, E4)의 사이에, 분자 A에 고유의 직류 전압 또는 고유의 주파수의 교류 전압을 인가한다. 인가는 그곳을 통과하는 모든 분자에 행한다. 이것에 의해, 분자 A만을 소정의 분기로로 유도할 수 있다.
전체적으로 모든 분자를 개별적으로 분리 회수하기 위해서는, 1) 모드가 바람직하고, 단지 겨냥한 분자만을 취출하는 것과 같은 경우에는 2) 모드도 사용할 수 있다.
나노 유로로부터 분기부를 거쳐 복수의 분기 유로로의 분기의 방법은, 도 1b에 도시하는 Y자형에 한하지 않고, 예를 들면, 도 1c에 도시하는 형상이어도, 도 1d에 도시하는 형상이어도 된다. 또한 분기 유로의 수에는 상한은 없다.
또한, 본 발명에 따른 유로 디바이스는 분자의 동정이나 분리에 한하지 않고, 다른 목적으로도 사용 가능하다. 예를 들면, 나노 유로에 차례로 분자 A와 분자 B를 흘려보내고, 전극쌍을 통하여 전기적 자극을 줌으로써, 전기화학 반응이나 주위온도의 상승에 의해 분자 A와 분자 B를 반응시켜, 분자 AB 연결체를 합성할 수도 있다. 혹은, 나노 유로의 입구측에 복수의 입력부(단면의 크기는 나노미터의 사이즈이어도 마이크로미터의 사이즈이어도 됨)를 형성해도 되고, 그 수에 상한은 없다.
본 발명은, 또한, (도 1a) 분자 1개가 흐르는 나노 유로를 갖고, 그 근방에 적어도 1개의 전극쌍이 배치된 유로 디바이스, (도 1b) 상기 전극에 교류 전압을 인가하기 위한 교류 전원, 및 (도 1b) 상기 유로를 흐르는 샘플에 포함되는 분자 1개를 동정하는 측정부를 구비한 샘플 처리 장치를 제공한다(제 4 기본 발명).
본 발명은, 또한, (도 1a) 분자 1개가 흐르는 나노 유로, 분기부 및 복수의 분기 유로를 구비하고, i) 상기 나노 유로의 근방이며 당해 나노 유로를 사이에 끼도록 적어도 1개의 전극쌍이 배치되거나, 또는 ii) 전극쌍의 일방이 상기 나노 유로의 근방에 배치되고, 타방이 상기 분기 유로의 근방에 배치된 유로 디바이스 및 (도 1b) 상기 나노 유로를 흐르는 샘플에 포함되는 분자 1개에 상기의 전극쌍을 통하여 전기적 자극을 주고, 이것에 의해 상기 분자에 역학적 거동을 촉진하고, 이 역학적 거동에 의해 소정의 분기 유로로 상기 분자를 유도하는 스위칭부를 구비한 샘플 처리 장치를 제공한다 (제 5 기본 발명).
다음에 전기적 성질을 구체화한 응용 발명, 전기적 자극을 구체화한 응용 발명 및 역학적 거동을 구체화한 응용 발명을 본 발명의 하나로서 설명한다.
본 발명에 의한 샘플 처리 장치는 유로 디바이스와, 측정부와, 연산처리부를 구비하고 있다. 유로 디바이스는 처리 대상의 샘플을 주입하기 위한 주입부와, 단면의 크기가 나노미터 오더의 사이즈를 갖고, 샘플에 포함되는 분자를 이동시키기 위한 나노 유로를 함유하고 있다. 측정부는 나노 유로에 설치된 전극쌍 사이간에 전압을 인가하고, 분자가 전극쌍의 사이를 통과했을 때의 저항값 또는 임피던스를 측정한다. 또한 연산처리부는 측정부에 의해 측정된 저항값 또는 임피던스값에 기초하여 분자를 동정한다.
당해 샘플 처리 장치는, 또한, 나노 유로를 이동해 온 분자를 취출하기 위한 복수의 출력부와, 동정된 분자를 분리하는 분자 분리부를 구비하고 있다. 이 경우, 나노 유로에는 저항값 또는 임피던스값을 측정하는 측정부가 배치되고, 나노 유로는 분기부를 통하여 복수의 분기 유로 및 그 앞의 출력부에 연결되어 있다. 그리고, 분자 분리부는 동정된 분자를 나노 유로로부터 복수의 분기 유로 중 원하는 분기 유로로 유도한다.
본 발명에 의한 샘플 처리 장치는 샘플에 포함되는 분자를 종류마다 분리하는 장치이며, 유로 디바이스와, 측정부와, 연산처리부와, 분자 분리부를 구비하고 있다. 그리고, 유로 디바이스는 샘플을 주입하기 위한 주입부와, 단면의 크기가 나노미터 오더의 사이즈를 갖고, 상기 샘플에 포함되는 분자를 이동시키기 위한 나노 유로와, 나노 유로를 이동해 온 분자를 취출하기 위한 복수의 출력부를 포함하고 있다. 또한, 나노 유로는 분기부를 통하여 복수의 분기 유로 및 그 앞의 출력부에 연결되어 있다. 측정부는 나노 유로에 설치된 전극쌍 사이에 전압을 인가하고, 분자가 전극쌍 사이를 이동할(가로지를) 때의 저항 또는 임피던스를 측정한다. 또한 연산처리부는 측정부에 의해 측정된 저항값 또는 임피던스값과 분자를 관련시킨다. 그리고, 분자 분리부는 측정된 저항값 또는 임피던스값과 관련시켜진 분자를 나노 유로로부터 복수의 분기 유로 중 원하는 분기 유로로 유도한다.
상기의 샘플 처리 장치에 있어서, 나노 유로에는 복수의 전극쌍이 설치되고, 당해 각 전극쌍은 소정의 간격을 두고 배치하도록 해도 된다. 이 경우, 측정부는 분자가 각 전극쌍을 통과할 때의 저항 또는 임피던스를 측정한다. 또한 연산처리부는 저항값 또는 임피던스값의 측정시간차에 기초하여, 분자의 이동속도를 산출하고, 산출한 분자의 이동속도에 기초하여 전압을 인가(전기장을 인가함)할 타이밍을 제어한다.
또한, 상기의 장치에서, 분자 분리부는, 나노 유로측에 설치된 전극쌍 또는 공통의 전극으로 이루어지는 소정 전극과, 복수의 분기 유로측에 각각 설치된 복수의 출구 전극과, 소정 전극 사이 또는 그것과 출구 전극 사이에 전압을 인가하기 위한 전압 인가부와, i) 전극쌍으로 이루어지는 소정 전극 또는 ii) 소정 전극과 1개의 출구 전극의 쌍 또는 iii) 소정 전극과 다른 출구 전극의 쌍 또는 iv) 소정 전극과 다른 출구 전극의 쌍 또는 v) 소정 전극과 다른 ??????을 선택하기 위한 스위칭부를 가지고 있다. 그리고, 연산처리부는 동정된 분자의 정보에 기초하여 상기 i), ii), iii), iv), v) 중 어느 것과의 쌍을 결정하고, 직류 또는 교류 전압을 인가하도록 분자 분리부를 제어한다.
또한, 상기의 장치에서, 유로 디바이스는 친수성이 있는 절연체 재료로 구성된다. 이 경우, 샘플은 주입부로부터 나노 유로에 모세관 현상의 작용에 의해 도입된다. 다른 예로서 샘플에 직류 또는 교류 전압을 인가하기 위한 유도용 전극쌍의 일방의 전극을 주입부에 배치하고, 타방의 전극을 나노 유로에 배치하도록 해도 된다. 이 경우, 유도용 전극쌍 사이에 전기장을 발생시킴으로써, 샘플이 주입부로부터 나노 유로로 유도된다.
또한 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 의한 샘플 처리 장치는 유로 디바이스와, 직류 혹은 교류 전원과, 측정부와, 연산처리부를 구비하고 있다. 유로 디바이스는 처리 대상의 샘플을 주입하기 위한 주입부와, 단면의 크기가 나노미터 오더의 사이즈를 갖고, 샘플에 포함되는 분자를 이동시키기 위한 나노 유로를 함유하고 있다. 측정부는 나노 유로에 설치된 전극쌍의 전극 사이에 분자가 있을 때에 직류 혹은 교류 전압을 인가하여 저항 혹은 임피던스를 측정한다. 또한 연산처리부는 측정부에 의해 측정된 저항값 혹은 임피던스값에 기초하여 분자를 동정한다. 주입부의 단면의 크기는 나노미터로부터 마이크로미터 오더의 사이즈인 것이 바람직하다.
당해 샘플 처리 장치는, 또한, 단면의 크기가 나노미터로부터 마이크로미터 오더의 사이즈를 갖고, 나노 유로를 이동해 온 분자를 취출하기 위한 복수의 출력부와, 동정된 분자를 분리하는 분자 분리부를 구비하고 있다. 이 경우, 나노 유로는 분기부를 통하여 복수의 분기 유로 및 그 앞의 출력부에 연결되어 있다. 그리고, 분자 분리부는 동정된 분자를 나노 유로로부터 복수의 분기 유로 중 원하는 분기 유로로 유도한다.
또한 본 발명에 의한 다른 샘플 처리 장치는 샘플에 포함되는 분자를 종류마다 분리하는 장치이며, 유로 디바이스와, 직류 혹은 교류 전원과, 측정부와, 연산처리부와, 분자 분리부를 구비하고 있다. 그리고, 유로 디바이스는 샘플을 주입하기 위한 주입부와, 단면의 크기가 나노미터 오더의 사이즈를 갖고, 샘플에 포함되는 분자를 이동시키기 위한 나노 유로와, 나노 유로를 이동해 온 분자를 취출하기 위한 복수의 출력부를 포함하고 있다. 나노 유로는 분기부를 통하여 복수의 분기 유로 및 그 앞의 출력부에 연결되어 있다. 측정부는 나노 유로에 설치된 전극쌍의 전극 사이에 직류 혹은 교류 전압을 인가하여, 전극 사이에 분자가 있을 때의 저항 혹은 임피던스를 측정한다. 또한 연산처리부는 측정부에 의해 측정된 저항값 혹은 임피던스값과 분자를 관련시킨다. 그리고, 분자 분리부는 측정된 임피던스값과 관련시켜진 분자를 나노 유로로부터 복수의 분기 유로 중 원하는 분기 유로로 유도한다.
상기의 샘플 처리 장치에서, 나노 유로에는 복수의 전극쌍이 설치되고, 당해 각 전극쌍은 소정의 간격을 두고 배치되도록 해도 된다. 이 경우, 측정부는 분자가 각 전극쌍을 통과할 때의 저항 혹은 임피던스를 측정한다. 또한 연산처리부는 측정된 임피던스값의 측정시간차에 기초하여 분자의 이동 속도를 산출하고, 산출한 분자의 이동 속도에 기초하여 전압을 인가할(전기장을 인가함) 타이밍을 제어한다.
또한, 상기의 장치에서, 분자 분리부는 나노 유로측에 설치된 전극쌍 또는 공통 전극으로 이루어지는 소정 전극과, 복수의 분기 유로측에 각각 설치된 복수의 출구 전극과, 소정 전극 사이 또는 그것과 출구 전극 사이에 전압을 인가하기 위한 전압 인가부와, i) 전극쌍으로 이루어지는 소정 전극 또는 ii) 소정 전극과 1개의 출구 전극의 쌍 또는 iii) 소정 전극과 다른 출구 전극의 쌍 또는 iv) 소정 전극과 다른 출구 전극의 쌍 또는 v) 소정 전극과 다른 ??????을 선택하기 위한 스위칭부를 가지고 있다. 그리고, 연산처리부는 동정된 분자의 정보에 기초하여, 상기 i), ii), iii), iv), v) ?????중 어느 것과의 쌍을 결정하고, 전압을 인가하도록 분자 분리부를 제어한다.
또한, 상기의 장치에 있어서, 유로 디바이스는 친수성이 있는 절연체 재료로 구성된다. 이 경우, 샘플은 주입부로부터 나노 유로에 모세관 현상의 작용에 의해 도입된다. 다른 예로서 샘플에 전기장을 인가하기 위한 유도용 전극쌍의 일방의 전극을 주입부에 배치하고, 타방의 전극을 나노 유로에 배치하도록 해도 된다. 이 경우, 유도용 전극쌍 사이에 전기장을 발생시킴으로써, 샘플이 주입부로부터 나노 유로로 유도된다.
또한, 본 발명에 의한 샘플 처리 장치에서, 교류 전원은 나노 유로에 설치된 전극쌍의 전극 사이에 적어도 주파수를 변화시키면서 교류 전압을 인가하는 것이다.
한편, 측정부는 전극쌍 사이에 분자를 체류시키고, 분자의 환경을 변화시킴과 아울러, 교류 전원의 주파수를 바꾸면서 전극 사이에 교류 전압을 인가했을 때의 임피던스를 측정하도록 해도 된다. 그리고, 연산처리부는 측정부에 의해 측정된 임피던스값에 기초하여 분자의 구조나 그 동태를 검지한다. 또한 교류 전원은 나노 유로의 전극쌍 사이에 인가할 전압값이 가변이다. 이 때, 측정부는 교류 전원의 주파수 및 전압값을 바꾸면서 임피던스를 측정한다. 연산처리부는 교류 전원의 주파수 및 전압값을 변화시켰을 때의 임피던스값의 변화에 의해 분자의 입체구조(conformation)나 그 동적인 변화(동태)를 검지한다.
본 발명의 또 다른 특징은, 이하, 본 발명을 실시하기 위한 최량의 형태 및 첨부된 도면에 의해 밝혀지는 것이다.
본 발명에 의하면, 원리적으로 100%의 동정, 분리 정밀도를 실현하는 것이 가능하다. 소량의 샘플로부터도 종래의 수법에 비해 단시간에 원하는 분자를 동정 또는 분리할 수 있다. 따라서, 장치의 소형화가 가능하게 된다.
또한 본 발명에 의하면, 분자 사이즈가 동일해도 상이한 종류의 분자를 동정 또는 분리할 수 있어, 생체 분자의 입체구조나 그 동적인 변화(동태)를 검지할 수 있게 된다.
도 1a는 본 발명의 실시형태에 의한 유로 디바이스를 위에서 본 경우의 개략 구성예 (1)을 도시하는 도면.
도 1b는 본 발명의 실시형태에 의한 유로 디바이스를 위에서 본 경우의 개략 구성예 (2)를 도시하는 도면.
도 1c는 본 발명의 실시형태에 의한 유로 디바이스를 위에서 본 경우의 개략 구성예 (3)을 도시하는 도면.
도 1d는 본 발명의 실시형태에 의한 유로 디바이스를 위에서 본 경우의 개략 구성예 (4)를 도시하는 도면.
도 1e는 본 발명의 실시형태에 의한 유로 디바이스를 위에서 본 경우의 개략 구성예 (5)를 도시하는 도면.
도 2는 제 1 실시형태(도 1e)에 의한 유로 디바이스의 나노 유로를 위에서 본 경우의 상세 구성을 도시하는 도면.
도 3은 도 1e에 도시하는 유로 디바이스의 AA'에 있어서의 단면을 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 분자 분리 장치의 회로 구성을 도시하는 블럭도.
도 5는 본 발명의 제 1 및 제 2 실시형태의 변형예에서 사용된 샘플 도입부의 개략 구성을 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 제 1 실시형태의 변형예에 의한 분자 분리 장치의 회로 구성을 도시하는 블럭도.
도 7은 본 발명의 제 1 및 제 2 실시형태의 변형예에 의한 나노 유로의 구성을 도시하는 도면.
도 8은 사이즈가 15.0kbp인 DNA가 나노 유로를 이동하는 모습을 3.3ms의 간격으로 촬영한 도면(사진).
도 9는 사이즈가 15.0kbp인 DNA가 나노 유로를 이동할 때의 전류값의 변화를 나타내는 그래프.
도 10은 각 사이즈의 DNA 분자의 전류 측정값, 및 각 DNA 분자의 분리의 모습을 도시하는 도면.
도 11은 3개의 DNA 용액의 혼합액을 사용하여, 각 DNA 분자를 동시에 분리하는 실험의 결과를 도시하는 도면.
도 12는 제 2 실시형태에 의한 유로 디바이스의 나노 유로를 위에서 본 경우의 상세 구성을 도시하는 도면.
도 13은 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 분자 분리 장치의 회로 구성을 도시하는 블럭도.
도 14는 다른 분자(예를 들면, 생체 분자)가 유로를 이동하는 경우의 임피던스값의 변화의 예를 도시하는 도면.
도 15는 생체 분자(예)와 효소와의 반응 전후에 있어서의 분자의 입체 구조의 동적인 변화(동태)를 검지하는 원리를 설명하기 위한 도면.
도 16은 교류 전원의 주파수를 변화시키고, 각각의 주파수일 때에 전압을 소인했을 때의 실험결과를 도시하는 도면.
도 17은 본 발명의 제 2 실시형태의 변형예에 의한 분자 분리 장치의 회로 구성을 도시하는 블럭도.
도 18은 본 발명의 유로 디바이스의 제조 공정을 설명하기 위한 도면.
도 19는 직사각형 유로와 V자형 유로의 형성 공정을 설명하기 위한 도면.
도 20은 기판 위에 형성된 상이한 전극 패턴과 얻어지는 전기장을 도시하는 도면.
도 21은 전극 패턴을 형성하는 공정을 설명하기 위한 도면.
도 22는 전극 패턴 위에 절연막을 코팅하는 모습을 도시하는 도면.
도 23은 직사각형 유로와 V자형 유로의 특징을 비교 설명하기 위한 도면.
도 24는 실제로 제작한 유로 디바이스를 도시하는 도면(전자현미경 사진).
(발명을 실시하기 위한 형태)
본 발명은 이상적인 조건하에서는 원리적으로 100%의 정밀도로 분자(동일 사이즈이고 종류가 다른 분자이어도)를 동정하거나, 분리하거나 할 수 있고(종래의 방법에서는 이상적인 조건하에서도 100%의 정밀도로 분자를 분리하는 것은 불가능했음), 또한 분자의 입체 구조나 그 동적인 변화(동태)를 검지할 수 있고, 또한, 소형화를 가능하게 하는 분자 분리 장치(샘플 처리 장치의 일례)를 제공한다.
본 발명의 처리의 대상이 되는 샘플은 수용성의 분자를 친수성의 용매에 용해 또는 현탁한 것이어도 되고, 소수성의 분자를 소수성의 용매(예를 들면, 아세톤, 아세트산에틸, 아세트산메틸, 톨루엔 등)에 용해 또는 현탁시켜서 생성해도 된다. 이 용매는 분자를 나노 유로 중을 이동시키는 캐리어 매체가 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다. 단, 본 실시형태는 본 발명을 실현하기 위한 일례에 지나지 않고, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다. 또한 각 도면에서 공통된 구성에 대해서는 동일한 참조번호가 붙여져 있다.
I．제 1 실시형태
제 1 실시형태는, 나노 유로에 설치된 전극쌍의 전극 사이에 전압을 인가하고, 전극 사이에 분자가 존재할 때에 흐르는 전류로부터 저항을 측정하고, 그 측정된 저항값에 기초하여 분자를 동정하는 분자 분리 장치에 관한 것이다.
<분자 분리 장치에 있어서의 유로 디바이스 구성>
도 1e는 본 발명의 실시형태에 따른 분자 분리 장치(샘플 처리 장치)에서 사용되는 유로 디바이스(10)의 외관 구성을 도시하는 도면이다. 당해 유로 디바이스(10)는 기판 위에 형성된 샘플을 주입하기 위한 부위인 주입부(11)와, 분자의 동정 및 분리 처리를 행하는 부위인 나노 유로(12)와, 분리된 분자를 취출하기 위한 부위인 출력부(13 및 14)를 구비하고 있다.
당해 기판은 석영, 유리, 플라스틱, 또는 세라믹 등의 절연재료로 구성할 수 있지만, 기판의 친수성을 이용하여 샘플을 처리하는 경우(예를 들면, 모세관 현상을 이용하여 샘플을 나노 유로(12)에 도입하는 경우)에는 석영이나 유리로 구성하는 것이 중요하다. 나노 유로(12)는 지나치게 가늘어서 직접 샘플을 출납하는 것이 어렵기 때문에, 보다 사이즈가 큰 유로를 나노 유로의 인터페이스로서 이용하는 경우도 있다. 이 경우, 주입부(11), 출력부(13 및 14)는 나노 유로일 필요는 없고 보다 큰 사이즈의 유로이어도 상관없다. 주입부(11), 출력부(13 및 14)에 관하여, 예를 들면, 입출력구는 직경 1?3mm, 유로의 폭은 1?100㎛, 유로의 깊이는 1?10㎛ 정도이다. 또한, 나노 유로(12)는, 예를 들면, 폭 및 깊이가 모두 수nm?500nm이다. 또한, 각 유로의 길이는 특별히 제한은 없지만, 장치의 크기를 고려하여 결정하면 된다.
도 2는 나노 유로(12)의 보다 상세한 구성을 도시하는 도면이다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 나노 유로(12)는 복수의 분기 유로를 연결한 나노 유로(12)와, 나노 유로를 통과하는 분자를 동정하기 위한 측정용 나노 전극(122)과, 통과하는 샘플을 흐르는 전류로부터 저항을 측정하기 위한 측정용 전류계(123)와, 나노 유로의 분기부에 설치되어, 분자를 원하는 유로로 유도하기 위한 스위칭용 나노 전극(125)으로 구성되어 있다. 스위칭 시에 샘플 사이를 흐르는 전류로부터 저항을 측정하고, 당해 분자가 본래의 유로에 도입되어 있는지를 확인하기 위한 확인용 전류계(124)를 설치해도 된다.
측정용 나노 전극(122)은 복수 페어의 전극으로 구성되는 것이 바람직하다. 복수 페어 설치함으로써, 최초의 전극 페어로 저항을 측정한 분자가 하류의 전극 페어에 도달할 때까지의 시간을 측정하고, 나노 유로를 흐르는 분자의 유속을 검지하는 것이 가능하게 된다. 그리고, 이 유속을 기초로 스위칭용 나노 전극(125)에 도달할 때까지의 시간을 연산할 수 있어, 각 분자를 적절하게 원하는 유로로 분리할 수 있게 구성되어 있다. 나노 유로(12)의 분기 부분에 설치되어 있는 스위칭용 나노 전극(125)은 공통 전극과, 각 출구 유로에 설치된 출구 전극을 구비하고, 각 출구 전극과 공통 전극 사이에, 소정의 전압을 인가(전기장 환산으로, 예를 들면, 수MHz, 수MV/m 정도의 전기장)함으로써, 각 분자를 원하는 분기 유로로 유도할 수 있(스위치 ON)도록 되어 있다.
도 3은 유로 디바이스(10)(도 1e)의 AA'(측정용 나노 전극이 설치된 부분)에 있어서의 단면도이다. 유로 디바이스(10)는 기판(101)에 나노 유로(12)(실제는 전극의 두께보다도 얕음)를 형성하고, 그 위에 측정용 나노 전극(122)이나 스위칭용 나노 전극(125)을 배치한다. 그리고, 접착 부재(16)를 사용하여 유리판(15)과 기판(101)을 접착한다. 또한, 접착 부재(16)로서는, 예를 들면, PDMS(Polydimethylsiloxane)을 사용하여, 이것을 SiO2화시킨다. 이것에 의해, 나노 유로(12)의 깊이보다도 두꺼운 전극을 씌우면서 기판에 접착시킬 수 있게 된다.
<분자 분리 장치의 회로 구성>
도 4는 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 분자 분리 장치의 회로 구성을 도시하는 블럭도이다. 당해 분자 분리 장치는 각 구성 요소로부터의 정보를 취득하여 소정의 연산을 행하고, 필요에 따라 각 구성 요소를 제어하기 위한 연산처리부(40)와, 측정용 나노 전극(122)과, 측정용 전류계(123)와, 전극(122)에 전압을 인가하는 전원(도시 생략)을 갖는 측정부(41)와, 스위칭용 나노 전극(125)과, 확인용 전류계(124)와, 각 전극과 공통 전극 사이에 전압을 인가하는 전압 인가부(도시 생략)를 갖는 스위칭부(42)와, 각종 분자를 포함하는 샘플에 전압을 인가한 경우의 저항값과 각종 분자와의 대응 관계를 나타내는 저항값-분자 대응 테이블(43)과, 메모리(44)와, 유저가 소정의 지시 등을 입력하여, 분리 처리의 결과 등을 출력(표시)하는 정보 입력/출력부(45)를 구비하고 있다.
연산처리부(40)는 측정부(41)로부터 나노 유로(12)를 분자가 통과했을 때의 저항값을 취득하여, 이 저항값과 저항값-분자 대응 테이블(43)을 대조하고, 당해 통과한 분자의 종류를 동정한다(측정한 저항값은 메모리(44)에 일시적으로 저장됨). 샘플에 포함되는 분자가 미지인 경우에는 측정 저항값이 테이블(43) 내에는 없으므로, 각각 측정한 저항값을 메모리(44)에 저장하고, 분자의 종류가 미지인 채로 분리하게 된다. 단, 이하의 설명에서는 전류계로 전류값이 계측되기 때문에, 저항값을 측정하기 위해서는, 측정부(41)나 스위칭부(42)가 인가 전압과 전류값으로부터 저항값을 산출할 필요가 있는 것에 주의해야 한다.
또한 연산처리부(40)는 측정부(41)에 포함되는 측정용 나노 전극(122)의 복수의 전극쌍 사이를 통과하는 분자의 시간을 계측하고, 그 시간과 전극쌍 사이의 거리로부터 당해 분자의 유속을 연산한다. 그리고, 연산처리부(40)는, 예를 들면, 측정용 나노 전극(122)의 최후의 전극쌍으로부터 스위칭용 나노 전극(125)까지의 거리와 연산한 유속으로부터, 스위칭용 나노 전극의 어느 출구 전극과 공통 전극 사이에 전압(전기장)을 인가할지, 및 인가의 타이밍을 스위칭부(42)에 지시한다. 그 지시에 따라, 스위칭부(42)에서, 분자가 원하는 분기 유로에 끌려 들어가게 되어 있어, 분자의 분리를 실현할 수 있도록 되어 있다.
또한, 스위칭부(42)는 확인용 전류계(124)에 의해 분자가 통과했을 때의 저항을 측정하고, 그 측정값을 연산처리부(40)에 공급한다. 그리고, 연산처리부(40)는 그 저항값과 측정부(41)에서 측정한 저항값을 비교하여, 분리하는 분자의 종류에 에러가 없는지 확인할 수 있도록 해도 된다.
<분자 분리 장치의 동작>
(1) 샘플 주입 및 흐름 제어
우선, 주입부(11)에 샘플이 도입된다. 당해 샘플은 기지의 분자나 미지의 분자를 포함하고 있다. 당해 분자 분리 장치에 의하면, 샘플이 기지의 분자만을 포함하는 경우에는 분자의 종류마다 분자를 분류할 수 있고, 반면, 샘플이 미지의 분자를 포함하는 경우에는 분자의 종류가 미지인 채로 측정되는 저항값이 동일한 값을 나타내는 분자로서 분류할 수 있게 된다.
유로 디바이스(10)는 기판(101)이 석영 또는 유리 등으로 구성되어 있으므로, 유로의 벽면이 친수성을 가지고 있다. 그 때문에 샘플은 모세관 현상에 의해 자동적으로 주입부(11)→나노 유로(12)→출력부(13 및 14)(출구측)로 빨려 들어간다. 그리고, 출구 부분으로부터 나오는 액량은 극미량이기 때문에, 순간적으로 흘러나온 모든 캐리어 매체가 증발한다. 그 때문에 증발로 잃어버린 액체를 보충하기 위하여 모세관 현상으로 샘플이 자발적으로 계속해서 흘러, 일정량의 흐름이 나노 유로(12) 내에서 생기게 된다. 또한 증발하는 것은 캐리어 매체뿐이므로, 분자는 농축되어 분리 회수된다. 그 결과, 후공정에서 분자를 분석하는 경우, 매우 적절하다. 이것도 중요한 이점이다. 가령, 회수해도, 농도가 낮으면 종래의 어세이 분석의 감도가 낮으므로 분석할 수 없다.
또한 유로 디바이스(10)의 전체 혹은 일부분을 냉각함으로써, 유속을 어느 정도 제어할 수 있다. 예를 들면, 실온 부근에서는, 샘플이 나노 유로(12)로부터 출력부(13 및 14)에 도달하는 부분에서 모두 증발한다. 따라서, 이 증발을 막기 위하여 유로 디바이스(10)의 전체 혹은 일부를 냉각하면, 샘플은 출구까지 흐른다. 또한, 냉각하는 온도는 4?25℃(실온) 정도이면 된다.
여기에서는, 모세관 현상을 이용하여 샘플을 나노 유로(12)에 도입하고 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 후술과 같이(변형예), 전기적인 제어에 의해 샘플을 나노 유로에 도입할 수 있다.
(2) 단일 분자의 검지
나노 유로(12)의 나노 유로(12)의 폭은 나노미터 오더의 사이즈이기 때문에, 샘플에 포함되는 각 분자가 단일 분자의 형태로 나노 유로(12)를 이동한다.
본 발명의 제 1 실시형태에 의한 분자 분리 장치에서는, 측정부(41)는 전류계(123)를 사용하여 측정용 나노 전극(122)에서 전극쌍 사이를 흐르는 전류로부터 저항값을 측정하고 있다. 분자가 당해 측정용 나노 전극(122)을 통과하면 저항은 변화된다. 또한 분자(예를 들면, 분자 사이즈)가 상이하면, 저항도 상이하다. 이 성질을 이용하여 분자를 동정하는 것이 가능하게 된다.
연산처리부(40)는 이 측정한 저항값을 측정부(41)로부터 취득하고, 메모리(44)에 저장함과 아울러, 당해 취득한 저항값과 저항값-분자 대응 테이블(43)을 대조한다. 그리고, 연산처리부(40)는 취득한 저항값에 대응하는 분자가 테이블(43)에 포함되어 있으면 분자를 동정하여 분리 처리를 계속하고, 포함되어 있지 않으면 분자를 동정하지 않은 채 분리 처리를 계속하게 된다.
측정용 나노 전극(122)이 복수 페어의 전극으로 구성되어 있는 경우, 연산처리부(40)는, 각 전극 페어 사이에 발생하는 저항값의 시간 지연으로부터, 나노 유로(12)(의 전극 배치 개소)에 있어서의 이동 속도(유속)를 산출하고, 또한, 해당하는 분자가 몇 초 후에 나노 유로(12)의 분기부에 도달할지 산출한다. 이렇게 함으로써, 특정 분자에 대하여 모두 이동 속도를 산출할 수 있게 되어 있으므로, 이동 속도가 미지인 분자이어도 적절하게 분리 처리를 실행하는 것이 가능하게 된다. 또한, 본 실시형태에서는, 측정용 나노 전극(122)를 복수 페어의 전극으로 구성하도록 했지만, 이동 속도가 기지인 분자이면 복수 페어의 전극을 설치할 필요가 없어, 1쌍의 전극을 설치하면 족하다.
(3) 스위칭
상기한 바와 같이, 분리의 대상으로 되어 있는 분자가 나노 유로(12)의 분기부에 도달하는 타이밍을 알 수 있다. 따라서, 이 타이밍에, 분자의 종류 또는 그 전류값에 대응하여, 연산처리부(40)는 스위칭용 나노 전극(125)의 공통 전극과, 당해 대상의 분자를 유도할 유로측의 출구 전극 사이에 전기장을 인가한다. 그러면, 나노 유로로부터 유도할 유로인 분기 유로의 방향으로 유전영동, 전기영동, 전기침투류(Electroosmotic flow) 중 어느 하나가 작용하여, 분자가 당해 분기 유로로 유도된다.
또한, 본 실시형태에서는, 유로 디바이스(10)가 나노 유로와 그곳으로부터 분기되는 2개의 분기 유로를 가지고 있는 예가 제시되어 있지만, 이것에 한정된 것은 아니고, 분기 유로의 수는 분리할 분자의 종류 수만큼 설치할 수 있는 것은 물론이다. 또한 나노 유로로부터 복수의 분기(분기 유로)를 갖게 하는 방법으로서는 1개의 나노 유로로부터 동시에 복수 갈래의 분기 유로를 설치하여 분기시켜도 되고, 두 갈래 구성을 캐스케이드 형상으로 연결하고 최종적으로 복수 갈래로 분기시키는 것과 같은 구성이어도 되며, 분기 유로의 구성은 한정되지 않는다.
<변형예>
(1) 샘플 도입
(i) 상기의 실시형태에서는, 모세관 현상을 이용하여 샘플을 마이크로 유로로부터 나노 유로에 도입하고 있지만, 여기에서는 전기적인 제어에 의해 샘플을 나노 유로에 도입하는 수단을 설명한다. 이와 같이 전기적인 제어에 의해 샘플 도입을 실현하면, 고정밀도의 흐름 제어로부터 측정 정밀도나 분리 정밀도를 향상시킬 수 있고, 또한 유로 디바이스(10)의 기판(101)이 친수성일 필요가 없게 되어, 플라스틱이나 세라믹과 같은 재료로도 구성하는 것이 가능하게 된다.
도 5는 변형예에 의한 샘플 도입부(51)의 구성을 도시하는 도면이다. 샘플 도입부(51)는 샘플에 전기장을 인가하기 위한 전극쌍(511 및 512)과, 전원(513)을 갖는다. 단, 전극(511)은 주입부(11)측에, 전극(512)은 나노 유로(12)측에 설치되어 있다.
여기에서는 분자는 대전되어 있으므로, 마이너스로 대전되어 있는 분자에 대해서는, 도 5에 도시되는 방향으로 전기장을 인가하면, 각 분자는 나노 유로(12)의 방향으로 끌려 들어간다. 한편, 플러스로 대전되어 있는 샘플에 대해서는, 역의 방향으로 전기장을 인가하면 된다. 이와 같이, 샘플이 어느 쪽으로 대전되어 있는지에 따라 전기장을 인가하는 방향을 바꾸어 샘플의 분자를 나노 유로(12)에 도입할 수 있다.
도 6은 당해 변형예에 의한 분자 분리 장치의 회로 구성을 도시하는 블럭도이며, 도 4와의 차이는 샘플 도입부(51)를 가지고 있는 것뿐이다. 샘플 도입부(51)의 전극에 인가하는 전압(인가방향 및 전압값 등)은 정보 입력/출력부(45)로부터 입력된 지시에 따라, 연산처리부(40)에 의해 제어된다.
(ii) 또한 전기 침투류를 이용하여 샘플을 도입하는 것도 가능하다. 이 경우, 유로 디바이스(10)의 기판(101)의 재료로서는 유리 등의 친수성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 유리는 마이너스로 대전되어 있기 때문에, 샘플 중의 플러스 이온이 유리의 마이너스 전하에 끌어 당겨져, 전기 이중층이 형성된다. 여기에 전압을 인가하면, 샘플 중의 하전 부분이 움직이고, 이것에 끌려 샘플 전체가 흘러나간다. 이것이 전기 침투류를 사용한 샘플 도입의 원리이다. 또한, 전기 침투류의 경우, 표면의 대전은 정부 어느 쪽이어도 된다.
(2) 나노 유로의 구성(분자 측정 개소)
도 7은 유로 디바이스(10)에 있어서의 나노 유로(12)의 측정용 나노 전극(122)이 배치되는 개소의 다른 구성예를 도시하는 도면이다. 상기한 바와 같이, 측정용 나노 전극(122)을 사용하여, 나노 유로를 흐르는 분자를 검지하고, 그 이동 속도를 복수의 전극쌍에 있어서의 전류값 계측 타이밍의 차이에 의해 산출하고 있지만, 보다 적절하게 분자를 동정할 수 있도록 하기 위하여, 저항 측정 개소의 나노 유로의 폭을 그 개소 이외의 폭에 비해 좁게 설정한다. 이렇게 하면, 분자에 의한 전류변화분은, 분자의 체적/전극 간의 체적비에 비례하기 때문에, 전극 간의 체적이 감소함으로써 체적비가 커진다. 그 결과, 분자에 의한 전류변화분이 커지기 때문에 고감도의 저항 측정으로 연결된다고 할 수 있다.
<실험에 대해>
제 1 실시형태에서 설명한 원리 및 동작에 기초하여 행한 실험에 대하여 설명하고, 본 발명의 유효성을 제시한다.
(1) 나노 유로의 사양
전체의 길이가 150㎛, 깊이가 50?100nm, 폭이 50?500nm의 구조를 갖는 나노 유로를 사용하여 실험했다.
(2) 사용 샘플
사이즈가 15.0kbp(kilo base pairs), 33.5kbp, 48.5kbp의 3종류의 DNA에 대하여 각각 DNA 용액(샘플)을 제작하고, 실험에 사용했다. 각 샘플의 농도는 0.1×TBE 완충액 중 1fM가 되도록 조정했다. 또한, 계산상의 외관상의 각 DNA의 길이의 예측값은 15.0kbp의 DNA는 1.1㎛, 33.5kbp의 DNA는 2.4㎛, 48.5kbp의 DNA는 3.6㎛이었다.
(3) 측정용 나노 전극에 대한 인가 전압
0.1V
(4) 실험 내용
(i) 각 샘플을 나노 유로에 독립하여 도입하고, i) 유속을 측정하고, ii) DNA의 1분자를 동정하고, iii) 각 DNA에 대응시킨, 유로의 적절한 출력부로의 유도를 실행했다(실험 결과에 대해서는 도 8 내지 10 참조).
(ii) 각 샘플을 혼합한 새로운 샘플로부터, 각 DNA로 분리할 수 있는지 실험했다(실험 결과에 대해서는 도 11 참조).
(5) 실험 결과
(i) 도 8은 사이즈가 15.0kbp의 DNA 분자가 나노 유로를 이동하는 모습을 3.3ms의 간격으로 촬영한 도면(사진)이다. 또한, 나노 유로는 전극의 폭(1㎛)에 비해 극히 작으므로 도면상에서는 볼 수 없지만, 흰 수직선은 나노 유로를 이동하는 DNA의 위치를 나타내고 있다.
도 9는 사이즈가 15.0kbp의 DNA 분자가 나노 유로를 이동할 때의 전류값의 변화를 나타내는 그래프이며, 도 9(a)는 샘플을 소정 시간 계속해서 흘렸을 때의 전류값의 변화를 나타내고, 도 9(b)는 도 9(a) 중의 점선으로 둘러싸인 부분의 확대도이다.
도 9(a)에 있어서, 전류값에 큰 변화가 있는 부분(전류가 극소가 되는 부분)이 보이는데, 이 부분은 DNA가 나노 유로의 전극 부분을 통과중이며, DNA에 의해 전류의 흐름이 차단되기 때문에 전류값에 큰 변화가 생기는 것이다. 따라서, 도 9(b)에 도시하는 바와 같이, 도 8(a)의 상태에서는, DNA 분자는 아직 전극부에 도달하지 않았기 때문에, 전류값의 변화는 노이즈 만큼만(배경의 전류값은 약 1pA이었음)으로 되어 있지만, 도 8(b)의 상태에서는, DNA가 전극부를 통과중이며 전극 사이의 전류를 완전히 차단하고 있으므로 측정되는 전류값이 극소로 되어 있다. 상기한 바와 같이, 이 전류값으로부터 저항값을 구하여 분자를 동정하거나, 분자를 분리할 수 있게 된다. 또한 도 8(c) 및 (d)에서 도시하는 바와 같이, DNA와 전극의 중복 부분이 적어지면, 전류값도 도 8(a)의 상태로 되돌아가는 것을 알 수 있다.
도 10은 각 사이즈의 DNA의 전류측정값, 및 각 DNA의 분리의 모습을 도시하는 도면이다. 여기에서는, 세 갈래의 분기 유로를 갖는 나노 유로에 있어서, 15.0kbp 사이즈의 DNA는 좌측의 분기 유로로 유도되고(도 10A 참조), 33.5kbp 사이즈의 DNA는 중앙의 분기 유로로 유도되고(도 10B 참조), 48.5kbp 사이즈의 DNA는 우측의 분기 유로에 유도(도 10C)되도록 제어했다.
도 10의 각 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 각 DNA가 전극부를 통과할 때는, 각 DNA 특유의 전류값의 변화를 나타내고 있다. 그리고, 이들 분자 특유의 전류값의 변화에 기초하여 저항값을 구하고, 나노 유로의 분기부에 있어서 스위칭 동작을 실행함으로써, 원하는 분자를 원하는 분기 유로로 유도할 수 있는 것을 알 수 있다.
(ii) 계속해서, 상기 3개의 DNA의 혼합액을 사용하여, 각 DNA 분자를 동시에 분리하는 실험을 행했다. 도 11은 당해 혼합액의 분리실험의 결과를 나타내는 도면으로, 도 11(A)는 각 DNA 분자의 형광 발광 강도를 나타내고, 도 11(B)는 분리 전후의 각 DNA 분자의 형광 발광 강도를 나타내고 있다.
본 실험에서는, 각 DNA 분자에 대하여 6000개의 분자(1fM의 용액에 포함되는 분자수)를 준비했지만, 시간의 제약 등의 문제로부터 모든 분자를 카운트하지 않고, 최대 100개의 분자만을 카운트하고 실험을 종료했다.
도 11(B)로부터도 알 수 있는 바와 같이, 분리 전후의 각 DNA 분자의 형광 발광 강도는 거의 일치하고 있고, 따라서, 본 발명의 분자 분리 장치를 사용한 분리 처리가 적절하게 행해졌다고 할 수 있다.
II．제 2 실시형태
제 2 실시형태는, 나노 유로에 설치된 전극쌍의 전극 사이에 분자가 있을 때에 교류 전압을 인가하여 임피던스를 측정하고, 측정된 임피던스값에 기초하여 분자를 동정하는 분자 분리 장치에 관한 것이다.
<분자 분리 장치에 있어서의 유로 디바이스 구성>
제 2 실시형태에서 사용되는 유로 디바이스(10)의 외관 구성, 및 유로 디바이스(10)의 AA'(측정용 나노 전극이 설치된 부분)에 있어서의 단면 구성은 제 1 실시형태(도 1e 및 3 참조)와 동일하므로, 설명을 생략한다.
도 12는 제 2 실시형태에 의한 나노 유로(12)의 보다 상세한 구성을 도시하는 도면이다. 또한, 도 2와 동일한 구성에는 동일한 참조번호가 붙여져 있다.
도 12에 도시되는 바와 같이, 나노 유로(12)는 복수의 분기를 갖는 나노 유로(12)와, 분기 전의 나노 유로를 통과하는 분자에 교류 전압을 인가하기 위한 측정용 나노 전극(122)과, 측정용 나노 전극(122) 사이의 분자의 임피던스를 측정하기 위한 측정부(223)와, 나노 유로의 분기부에 설치되고, 분자를 원하는 분기 유로로 유도하기 위한 스위칭용 나노 전극(125)과, 스위칭 시에 분자의 임피던스를 측정하고, 당해 분자가 본래의 분기 유로로 유도되었는지를 확인하기 위한 확인용 전류계(224)를 설치해도 된다. 또한, 유전율을 분극률(분자 1개의 분극률은 그 내부구조의 국소적인 분극률의 총합이며, 유전율과 등가임)로 표현해도 지장이 없다. 요컨대, 교류 전압을 전극 사이에 인가했을 때의 위상 벗어남(지연 또는 진행)을 유전율 또는 분극률로서 측정한다.
측정용 나노 전극(122)은 복수 쌍의 전극으로 구성되는 것이 바람직하다. 복수 쌍 설치함으로써, 최초의 전극쌍에서 임피던스를 측정한 분자가 하류의 전극쌍에 도달할 때까지의 시간을 측정하여, 나노 유로를 흐르는 분자의 유속을 검지하는 것이 가능하게 된다. 그리고, 이 유속을 기초로, 스위칭용 나노 전극(125)에 도달할 때까지의 시간을 연산할 수 있고, 각 분자를 적절하게 원하는 유로로 유도할 수 있게 구성되어 있다. 나노 유로(12)의 분기 부분에 설치되어 있는 스위칭용 나노 전극(125)은 공통 전극과, 각 출구 유로에 설치된 출구 전극을 구비하고, 각 출구 전극과 공통 전극과의 사이에, 소정의 전압을 인가(전기장의 경우: 예를 들면, 수MHz, 수MV/m 정도의 전기장)함으로써, 각 분자를 원하는 유로로 유도(스위치 ON)하도록 되어 있다.
<분자 분리 장치의 회로 구성>
도 13은 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 분자 분리 장치의 회로 구성을 도시하는 블럭도이다. 당해 분자 분리 장치는 각 구성 요소로부터의 정보를 취득하여 소정의 연산을 행하고, 필요에 따라 각 구성 요소를 제어하기 위한 연산처리부(90)와, 측정용 나노 전극(122)과, 임피던스 측정부(223)를 갖는 측정부(91)와, 측정부(91) 내의 측정용 나노 전극(122)에 교류 전압을 인가하기 위한 전압?주파수 가변 교류 전원(96)과, 스위칭용 나노 전극(125)과, 확인용 전류계(224)와, 각 전극과 공통 전극 사이에 전압을 인가하는 전압 인가부(도시 생략)를 갖는 스위칭부(92)와, 측정용 나노 전극(122) 사이에 존재하는 각종 분자를 포함하는 샘플에 전압을 인가한 경우의 임피던스값과 각종 분자와의 대응 관계를 나타내는 임피던스-분자 대응 테이블(93)과, 메모리(44)와, 유저가 소정의 지시 등을 입력하여, 분리 처리의 결과 등을 출력(표시)하는 정보 입력/출력부(95)를 구비하고 있다.
연산처리부(90)는 측정부(91)로부터 나노 유로(12)를 분자가 통과했을 때의 저항값 또는 임피던스값을 취득하고, 이 임피던스값과 임피던스값-분자 대응 테이블(93)을 대조하고, 당해 통과한 분자의 종류를 동정한다(측정한 저항값 또는 임피던스값은 메모리(94)에 일시적으로 저장됨). 샘플에 포함되는 분자가 미지인 경우에는 측정 저항값 또는 임피던스값이 테이블(93) 내에는 없으므로, 각각 측정한 임피던스값을 메모리(94)에 저장하고, 임피던스값에 따라 분자의 종류가 미지인 채로 분리하게 된다.
또한 연산처리부(90)는 측정부(91)에 포함되는 측정용 나노 전극(122)의 복수의 전극쌍 사이를 통과하는 분자의 시간을 계측하고, 그 시간과 전극쌍 사이의 거리로부터 당해 분자의 유속을 연산한다. 그리고, 연산처리부(90)는, 예를 들면, 측정용 나노 전극(122)의 최후의 전극쌍으로부터 스위칭용 나노 전극(125)까지의 거리와 연산한 유속으로부터, 스위칭용 나노 전극의 어느 출구 전극과 공통 전극 사이에 전압을 인가할지, 및 인가의 타이밍을 스위칭부(92)에 지시한다. 그 지시에 따라, 스위칭부(92)에 있어서, 분자가 원하는 분기 유로에 유도되게 되어 있어, 분자의 분리를 실현할 수 있도록 되어 있다.
또한, 스위칭부(92)는 확인용 전류계(224)에 의해 분자가 통과했을 때의 임피던스를 측정하고, 그 측정값을 연산처리부(90)에 공급한다. 그리고, 연산처리부(90)는 그 임피던스값과 측정부(91)에서 측정한 임피던스값을 비교하여, 분리하는 분자의 종류에 에러가 없는지 확인할 수 있도록 해도 된다.
<분자 분리 장치의 동작>
(1) 샘플 주입 및 흐름 제어
우선, 유저에 의해 주입부(11)에 샘플이 적하된다. 당해 샘플은 기지의 분자나 미지의 분자를 포함하고 있다. 당해 분자 분리 장치에 의하면, 샘플이 기지의 분자만을 포함하는 경우에는 분자의 종류마다 분자를 분리할 수 있고, 한편, 샘플이 미지의 분자를 포함하는 경우에는 분자의 종류가 미지인 채 측정되는 임피던스값이 동일한 값을 나타내는 분자로서 분리할 수 있게 된다.
유로 디바이스(10)는 기판(101)의 전체면이 석영 또는 유리 등으로 구성되고, 유로의 벽면이 친수성을 가지고 있다. 그 때문에 샘플은 모세관 현상에 의해 자동적으로 주입부(11)→나노 유로(12)→출력부(13 및 14)(출구측)로 빨려 들어간다. 그리고, 출구 부분으로부터 나오는 액량은 극미량이기 때문에, 순간적으로 흘러나온 모든 캐리어 매체가 증발한다. 그 때문에 증발로 잃어버린 액체를 보충하기 위하여 모세관 현상으로 샘플이 자발적으로 계속해서 흘러, 일정량의 흐름이 나노 유로(12) 내에서 생기게 된다.
또한 유로 디바이스(10)의 전체 혹은 일부분을 냉각함으로써, 유속을 어느 정도 제어할 수 있다. 예를 들면, 실온 부근에서는 샘플이 나노 유로(12)로부터 출력부(13 및 14)에 도달하는 부분에서 모두 증발한다. 따라서, 이 증발을 막기 위하여 유로 디바이스(10)의 전체 혹은 일부를 냉각하면, 샘플은 출구까지 흐른다. 또한, 냉각하는 온도는 4?25℃(실온) 정도이면 된다.
여기에서는, 모세관 현상을 이용하여 샘플을 나노 유로(12)에 도입하고 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 후술과 같이(변형예), 전기적인 제어에 의해 샘플을 나노 유로에 도입할 수 있다.
(2) 단일 분자의 검지
나노 유로(12)의 폭은 나노미터 오더의 사이즈이기 때문에, 샘플을 구성하는 각 분자가 단일 분자로 나노 유로(12)를 이동한다.
본 발명에 의한 분자 분리 장치에서는, 측정부(91)는 전류계(223)를 사용하여 측정용 나노 전극(122)에서 전극쌍 사이를 흐르는 전류로부터 임피던스를 측정하고 있다. 분자가 당해 측정용 나노 전극(122)을 통과하면, 임피던스는 변화된다. 사이즈가 동일하여도 분자의 종류가 상이하면, 임피던스는 상이하다. 이 성질을 이용하여 분자를 동정하는 것이 가능하게 된다.
연산처리부(90)는 이 측정한 임피던스값을 측정부(91)로부터 취득하고, 메모리(94)에 저장함과 아울러, 당해 취득한 임피던스값과 임피던스-분자 대응 테이블(93)을 대조한다. 그리고, 연산처리부(90)는 취득한 임피던스값에 대응하는 분자가 테이블(93)에 포함되어 있으면 분자를 동정하여 분리 처리를 계속하고, 포함되어 있지 않으면 분자를 동정하지 않은 채로 분리 처리를 계속하게 된다.
도 14는 다른 분자(예를 들면, 생체 분자)가 유로를 이동하는 경우의 임피던스값의 변화의 예를 도시하는 도면이다. 도 14에 도시되는 바와 같이, 예를 들면, 생체 분자(B1)가 측정용 나노 전극(122) 사이에 있을 때의 주파수 변화에 대한 임피던스값 변화의 특성이 P1으로 표시되고, 생체 분자(B2)가 측정용 나노 전극(122) 사이에 있을 때의 주파수 변화에 대한 임피던스값 변화의 특성이 P2로 표시되는 것으로 한다. 이 주파수 변화는 전압?주파수 가변 교류 전원의 주파수를 소정 범위 내에서 소인시키는 것을 의미한다. 즉, 생체 분자(B1)에 관하여, 측정용 나노 전극(122) 사이에 체류시키고, 교류 전원의 주파수를 변화시키면, 그 주파수 변화에 대응하여 측정되는 임피던스값도 변화된다. 이 변화 특성을 그래프로 표시한 것이 P1이다. 생체 분자(B2)에 관해서도 마찬가지이다.
여기에서, 생체 분자(B1 및 B2)의 분자 사이즈는 거의 동일한 경우, 직류 전류를 측정용 나노 전극(122) 사이에 흘려서 측정된 저항값의 변화는 양자에 있어서 바뀌지 않는다. 이것으로는, 종류가 상이한 분자가 거의 동일 사이즈이면, 분자를 동정 또는 분리할 수는 없게 되어 버린다. 이 점에서, 생체 분자의 대표격인 단백질은 원래는 20 종류의 아미노산이 염주처럼 연결된 1개의 끈 모양 분자로 구성되어 있고(이것을 폴리펩티드라고 부름), 아미노산끼리의 상호작용에 의해 자발적으로 규칙적으로 접혀서(폴딩이라고 부름) 3차원의 입체 구조를 구성하고 있다. 당연히, 그 내부 구조나 전체의 구조는 개개의 분자에서 상이하다. 이러한 생체 분자에 외부로부터 교류 전기장을 인가하면, 내부의 국소적인 구조가 외부 전기장에 끌려서 분극되는데, 예를 들면, 주파수에 의해 외부 전기장에 추종하여 분극하는 곳이나 분극이 추종할 수 없어 지연(위상차)이 생기는 부분이 발생하고, 그러한 국소적인 내부의 분극의 총합으로서, 분자 전체의 분극률이 결정된다. 이러한 단일 분자가 갖는 분극 특성(분극률)을 전기 임피던스 측정에 의해 측정하면, 개개의 분자를 구별할 수 있게 된다. 그래서, 본 발명에서는, 측정용 나노 전극(122) 사이에 분자가 존재하는 경우, 그 사이즈가 동일하여도 종류가 상이하면, 임피던스 변화가 상이한 것에 주목하고, 이 성질을 이용하여 분자를 동정 또는 분리하도록 하고 있다.
예를 들면, 동정 또는 분리할 복수의 분자의 종류를 미리 알고 있는 경우에는, 분자에 고유한 주파수를 사용하여, 그 주파수에서의 임피던스값을 측정하고, 그 임피던스값에 대응하는 분자를 임피던스-분자 대응 테이블(43)에 기초하여 동정하면 된다. 한편, 동정 또는 분리할 복수의 분자의 종류를 미리 모르고 있는 경우에는, 우선은 1분자씩 측정용 나노 전극(122)에 체류시키고, 교류 전원에 있어서의 주파수를 소인시켜 당해 분자의 임피던스값 변화 특성(Pk)(k=1, 2, ???, n)을 취득한다. 그리고, 각각의 특성에 따라, 분자를 분리하고, 동 종류의 분자를 소정의 출력부에 유도한다.
또한, 임피던스의 검지 감도가 불충분한 경우 등에는, 동정 또는 분리할 분자에, 예를 들면, 페로센 등을 포함하는 도전성 분자를 라벨링 하도록 해도 된다. 이것에 의해, 유전율이나 도전율의 차이를 강조할 수 있으므로, 임피던스의 검지 감도를 높게 하는 것이 가능하게 된다.
또한 측정용 나노 전극(122)이 복수 페어의 전극으로 구성되어 있는 경우, 연산처리부(40)는 각 전극 페어 사이에 발생하는 임피던스 변화의 시간 지연으로부터, 나노 유로(12)(의 전극 배치 부의)에 있어서의 이동 속도(유속)를 산출하고, 또한, 해당하는 분자가 몇 초 후에 나노 유로(12)의 분기부에 도달할지 산출한다. 이와 같이 함으로써, 특정 분자에 대하여 차례로 이동 속도를 산출할 수 있게 되어 있으므로, 이동 속도가 미지인 분자이어도 적절하게 분리 처리를 실행하는 것이 가능하게 된다. 또한, 본 실시형태에서는, 측정용 나노 전극(122)을 복수 페어의 전극으로 구성하도록 했지만, 이동속도가 기지인 분자이면 복수 페어의 전극을 설치할 필요가 없이, 1쌍의 전극을 설치하면 족하다.
(3) 스위칭
상기한 바와 같이, 분리의 대상으로 되어 있는 분자가 나노 유로(12)의 분기부에 도달하는 타이밍을 알 수 있다. 따라서, 이 타이밍에, 분자의 종류 또는 그 임피던스값에 대응하여, 연산처리부(90)는 스위칭용 나노 전극(125)의 공통 전극과, 당해 대상의 분자를 유도할 유로측의 출구 전극 사이에 전기장을 인가한다. 그러면, 나노 유로로부터 유도할 유로인 분기 유로의 방향으로 유전영동, 전기영동, 전기침투류 중 어느 하나가 작용하여, 분자가 당해 분기 유로로 유도된다.
또한, 본 실시형태에서는, 유로 디바이스(10)가 분기 유로와 그곳으로부터 분기되는 2개의 분기 유로를 가지고 있는 예가 제시되어 있지만, 이것에 한정된 것은 아니고, 분기 유로의 수는 분리할 분자의 종류수 만큼 설치할 수 있는 것은 물론이다. 또한 나노 유로로부터 복수의 분기(분기 유로)를 갖게 하는 방법으로서는 1개의 분기 유로로부터 동시에 복수 갈래의 분기 유로를 설치하여 분기시켜도 되고, 두 갈래 구성을 캐스케이드 형상으로 연결하여 최종적으로 복수 갈래로 분기시키는 것과 같은 구성이어도 되고, 분기 유로의 구성은 한정되지 않는다.
(4) 단일 분자의 입체 구조의 전기적 동태 측정
본 발명의 제 2 실시형태에 의한 분자 분리 장치에 의하면, 상기((2) 및 (3))한 바와 같이, 다른 분자를 동정 또는 분리할 수 있을 뿐만 아니라, 단일 분자의 입체 구조나 그 동태를 측정할 수 있다. 이하, 단일 분자의 입체 구조의 전기적 동태 측정 처리에 대하여 설명한다.
(i) 전기적 동태 측정의 필요성에 대하여
생체 분자의 기능은 그 분자 구조에 유래한다고 하는 것이 구조 생물학의 기본 개념이며, 따라서 분자구조를 아는 것은, 그 기능을 이해하기 위한 최단의 길이 된다. 단, 가령 방대한 노동력을 소비하여 결정 해석이나 NMR 등에 의해 복잡한 정적, 준정적 구조가 결정되었다고 해도, 생체 분자의 기능의 본질인 환경 변화(반응 기질 농도, pH, 온도, 이온 농도 등등)에 수반되는 동적인 구조 변화를 파악할 수 없고서는 생체 분자의 구조와 기능을 이해한 것이 아니다. 향후의 분자 생물학이나 구조 생물학의 발전과, 프로테옴 해석이나 창약(創藥) 등에 있어서의 대규모의 단백질의 기능 해석으로의 응용, 게다가 생체 분자와 같은 분자 기계를 인위적으로 디자인하여 창조하거나 하는 것과 같은 나노 바이오테크놀로지로의 응용을 생각하는데, 생체 분자의 입체 구조(conformation)나 그 동적인 변화(동태)를 검지하는 수법과, 그것을 응용한 생체 분자의 기능 해석이나 동정 수법의 개발은 필연이라고 생각된다.
본 발명은 이러한 분자의 동태 검지에 있어서의 기초 연구로부터 응용까지의 폭넓은 유효성을 감안하여, 전기적인 생체 분자의 구조 측정법을 제공하는 것이다.
(ii) 종래의 수법 및 그 문제점
종래, 생체 분자를 해석하는 경우에는, X선 회절이나 NMR 등의 해석 수법을 사용하고 있고, 이것들에 있어서는 분자를 용액이나 결정의 상태에서 취급하고 있다. 이와 같이 생체 분자를 현탁액 또는 용액과 같은 다분자계에서 다루면, 개개의 분자에서 일어나고 있는 반응과 그것에 수반되는 구조 변화나 시간 응답 등의 정보가 다분자간의 임의적인 움직임의 평균화에 의해 상실되어 버린다. 한편, 결정화시키면 규칙적으로 배열되어 있는 결정의 주기성을 이용하여 정적인 입체 구조를 얻을 수 있는 반면, 생리적 환경으로부터 일탈해 버리기 때문에 중요한 입체 구조의 변화와 같은 동태에 관한 정보가 상실되어 버린다. 즉, 구조 해석의 분해능을 높이면 동태에 관한 정보가 얻어지지 않고, 동태의 정보를 얻으려고 하면 분해능을 높일 수 없다는 하는 딜레마가 종래의 X선 회절이나 NMR 등의 해석 수법에는 있다.
이것에 대해, 만약 1분자에만 주목한 조작이나 분석을 할 수 있는 것이라면, 개개의 분자에 있어서의 반응의 기본 과정에서 분자의 구조 변화와 그 시간 응답과 같은 분자 구조의 다이나믹스에 관한 정보를 얻을 수 있을 것이라고 생각된다. 그런데, 종래의 1분자 측정계에 있어서는, 그 분석 수법의 대부분은 형광 색소를 이용한 광학적인 검지에 한정되어 있다. 예를 들면, 형광 표지함으로써 모터 단백질과 같은 「움직이는」 단백질의 움직임을 가시화하거나, FRET라고 불리는 수법에서는 2개의 형광 색소 사이의 에너지 이동을 이용하여 국소적인 구조 변화를 검지하는 것 등이다. 이러한 수법은, 극히 방대한 시간과 수고를 소비하여 겨우 1 분자의 1 개소만을 측정할 수 있어서 극히 범용성이 부족하기 때문에, 일반적인 해석 수법으로 할 수 없는 것이 실상이다. 즉, 우선 X선 회절에서 입체 구조를 알고, 또한 전기영동이나 질량 해석에서 아미노산의 1차 배열 정보를 얻을 필요가 있다. 그리고, 특정 아미노산의 부위에만 형광 색소가 결합하는 유전자 조작을 하여, 관찰용의 테스트 분자를 만들지 않으면 안 된다. 이와 같이 테스트 분자 자체를 인공적으로 만들지 않으면 안 되어, 자연계의 분자를 그대로 사용할 수 없다.
본 발명의 실시형태에 의한 분자 분리 장치에 의하면, 자연계의 분자를 그대로 사용하여 분자의 입체구조(conformation)나 그 동적인 변화(동태)를 간단하게 측정할 수 있게 된다. 장치 구성은 상기한 것과 동일하지만, 측정의 방법이 상이하다. 이하, 당해 측정방법에 대하여 설명한다.
(iii) 생체 분자의 동태 변화의 측정의 원리에 대하여
도 15는, 예를 들면, 생체 분자와 효소와의 반응 전후에 있어서의 분자의 구조나 그 동태를 검지하는 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 15에 있어서, C1은 반응 전의 생체 분자의 구조를 모식적으로 나타내고, C2는 반응 중 혹은 반응 후의 생체 분자의 구조를 모식적으로 나타내고 있다. 또한 특성 P3은, 측정용 나노 전극(122) 사이에 있는 생체 분자가 C1 구조를 취할 때에, 당해 전극 사이에 교류 전압을 인가하고, 주파수를 어떤 범위에서 소인시켰을 때의 임피던스 특성을 나타낸다. 마찬가지로, 특성 P4는 측정용 나노 전극(122) 사이에 있는 동일한 생체 분자가 C2 구조를 취할 때에, 당해 전극 사이에 교류 전압을 인가하고, 주파수를 어떤 범위에서 소인시켰을 때의 임피던스 특성을 나타낸다. 이와 같이, 단일 분자이어도 구조에 변화가 일어나면, 측정되는 임피던스값에 변화가 생긴다. 이 성질을 이용하여, 분자의 구조나 그 동태를 실시간으로 검지할 수 있게 된다.
그런데, 유전영동력은 유전체(여기에서는 생체 분자)에 외부 전기장을 가했을 때에 생기는 유전체 내의 쌍극자의 배향이나 주위 용액의 카운터 이온 등에 의해 분자 표면에 유기되는 분극 전하가 외부 전기장과 상호 작용함으로써 얻어지는 효과이다. 즉, 충분한 외부 전기장 강도가 있으면 불과 1분자에 유기한 분극 전하를 이용하여 분자를 움직이게 하는 것이라면, 반대로 분자의 입체 구조(conformation)의 변화에 기인하는 분극률 변화를 전기 임피던스 측정으로부터 검지할 수 있다. 게다가, 유전영동력으로 강제적으로 분자에 분극을 유기하면서, 또는 분자의 입체 구조(conformation) 자체를 변형시키면서 측정함으로써, 예를 들면, 단백질의 고차 구조를 파괴하여 1차 구조인 1개의 폴리펩티드쇄로 되돌리면서 그 전기 임피던스를 측정하는 등 하여, 분자의 동정이나 그 구조의 다이내믹스를 분석하는 완전히 신규한 측정법을 생각할 수 있다.
(iv) 생체 분자의 입체 구조를 전기적으로 제어하면서 입체 구조를 측정하는 실시예
단일 분자의 구조의 동태 측정에 있어서는, 우선, 예를 들면, DNA 등의 생체 분자를 용해한 샘플을 준비한다.
다음에 이 샘플을 분자 분리 장치에 있어서의 유로 디바이스(10)의 주입부(10)에 주입하고, 당해 DNA를 1분자씩 나노 유로(12)의 측정용 나노 전극(122)까지 도입한다. 그리고, 당해 DNA 분자를 측정용 나노 전극(122) 사이에 체류시킨다.
계속해서, 교류 전원의 전압값(전기장 강도)을 소정의 값에 고정하고, 주파수를 일정 범위 내에서 소인했을 때의 임피던스를 측정한다. 또한 상기 전압값을 다른 값(최초의 값보다 큰 값)에 고정하고, 마찬가지로 주파수를 소인하여 임피던스를 측정한다. 이와 같이, 교류 전원의 전압값을 서서히 변화시키고, 각각의 전압값일 때에 주파수를 소인시킨다. DNA의 분극률(유전율)의 주파수 의존성을 이용하면, 특정 전기장 강도 이상, 또한 특정 주파수에서 유전영동력이 효과적으로 작용하여, DNA가 랜덤 코일로부터 직선적으로 잡아 늘여진다(도 16(a) 및 (b) 참조: 단, 도 16의 실험 장치에서는, 관찰을 쉽게 하기 위하여, 전극 간의 갭은 마이크로 오더로 되어 있음). 이것에 의해 유전영동력으로 강제적으로 분자에 분극을 유기하면서, 혹은 입체구조(conformation) 자체를 변형시키면서 측정할 수 있게 된다.
예를 들면, 도 16(c)에서 도시되는 바와 같이, 전기장 강도가 3MV/m, 주파수가 1kHz 이상인 경우에 DNA가 랜덤 코일로부터 직선적으로 잡아 늘여짐으로써 임피던스에 현저한 변화가 생긴다. 반대로, 이 임피던스값의 변화가 검지되면, DNA가 랜덤 코일로부터 직선적 DNA로 구조가 변화된 것을 알 수 있다.
여기에서는, 유전영동력에 의해 일어나는 구조 변화에 대하여 기술하고 있지만, 이것에 한정되지 않고, pH 변화, 온도 변화, 이온 농도 변화, 효소 반응 등에 의해 일어나는 구조 변화에 대해서도 마찬가지로 검지(측정)할 수 있다.
(v) 나노 유로를 사용하는 것에 의한 현저한 효과
폭이 큰(마이크로 오더 이상) 유로를 사용하는 경우, 수 개의 분자와 같은 극미량의 샘플의 측정에서는, 주위의 물분자의 수에 대한 측정대상의 분자수가 작아져 S/N이 저하되어 버린다. 또한 액 중의 측정의 경우, 측정 감도의 향상을 위해 고전압(도면 중에서는 MV/m도 인가하고 있음)을 인가하면 전극반응에 의해 전극이 분해되어 버린다고 하는 문제가 있다.
그러나, 나노 유로를 사용하면, 이들 문제를 해결할 수 있다. 즉, 나노 유로와 같이 측정 공간을 대폭 작게 함으로써 측정 대상이 되는 단일 분자 주위의 물 분자수를 제한할 수 있다. 이것에 의해 타겟 분자의 주위를 둘러싸는 물 분자의 열 운동에 의한 열 노이즈를 억제하여, 매크로한 측정계에서는 달성 불가능한 고감도화가 가능하게 된다. 게다가 체적이 작기 때문에, 농도의 관점에서는 실제로는 1분자인데도 농도가 높아진다.
또한 갭 길이가 나노미터 오더의 전극계에서는, 전극-용액 계면의 전기 이중층이 오버랩하여 실질적으로 무시할 수 있게 되기 때문에, 특히 저주파 영역에서의 초고감도화가 가능하게 된다. 통상, 고-액 계면에는 반드시 전기 이중층이 발생하고, 전기 측정에서는 이것이 캐패시턴스 성분으로서 포함되어 버려 측정의 정밀도를 낮추지만, 나노미터 사이즈계에서는 이것이 없어지기 때문에 절대 정밀도가 향상된다.
또한, 전기장 강도는 전극 간격에 비례하기(전기장 강도(V)=인가 전압(E)/갭 길이(d)) 때문에, 갭 길이가 짧으면 짧을수록 동일한 인가 전압으로 고전기장을 얻을 수 있다. 따라서, 나노 갭 전극은 전극 간격이 극단적으로 짧으므로, 전기 분해가 생기지 않는 전압에서 상기의 MV/m의 전기장 강도를 얻을 수 있다.
<변형예>
(1) 샘플 도입부, 및 그것을 갖는 분자 분리 장치의 구성
(i) 샘플 도입의 변형예에 대해서는, 제 1 실시형태와 동일한 구성(도 5 참조)을 적용하는 것이 가능하므로, 그 설명은 생략한다.
도 17은 당해 변형예에 의한 분자 분리 장치의 회로 구성을 도시하는 블럭도이며, 도 13과의 차는 샘플 도입부(51)를 가지고 있는 것뿐이다. 샘플 도입부(51)의 전극에 인가하는 전압(인가 방향 및 전압값 등)은 정보 입력/출력부(95)로부터 입력된 지시에 따라, 연산처리부(90)에 의해 제어된다.
(ii) 또한 전기 침투류를 이용하여 샘플을 도입하는 것도 가능하다. 이 경우, 유로 디바이스(10)의 기판(101)의 재료로서는 유리 등의 친수성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 유리는 마이너스로 대전되어 있기 때문에, 샘플 중의 플러스 이온이 유리의 마이너스 전하에 끌어 당겨져, 전기 이중층이 형성된다. 여기에 전압을 걸면, 샘플 중의 하전 부분이 움직이고, 이것에 끌려 샘플 전체가 흘러나간다. 이것이 전기 침투류를 사용한 샘플 도입의 원리이다. 또한, 전기 침투류의 경우, 표면의 대전은 정부(正負) 어느 쪽이어도 된다.
(2) 나노 유로의 구성(분자 검지 개소)
제 1 실시형태에 의한, 유로 디바이스(10)에 있어서의 나노 유로(12)의 측정용 나노 전극(122)이 배치되는 개소의 다른 구성예(도 7 참조)는 제 2 실시형태에도 적용 가능하다.
상기한 바와 같이, 제 2 실시형태에서는, 측정용 나노 전극(122)을 사용하여, 나노 유로를 흐르는 분자를 검지하고, 그 이동 속도를 복수의 전극쌍에 있어서의 임피던스 계측 타이밍의 차이에 의해 산출하고 있지만, 보다 적절하게 분자를 동정할 수 있도록 하기 위하여, 임피던스 측정 개소의 나노 유로의 폭을 그 개소 이외의 폭에 비해 좁게 설정한다. 이렇게 하면, 분자에 의한 전류 변화분은 분자의 체적/전극 간의 체적비에 비례하기 때문에, 전극 간의 체적이 줄어듬으로써 체적비가 커진다. 그 결과, 분자에 의한 임피던스 변화분이 커지기 때문에 고감도의 측정으로 이어진다고 할 수 있다.
III . 유로 디바이스의 제조예
이하, 제 1 및 제 2 실시형태에서 사용하는 유로 디바이스의 제조 방법의 일례를 설명한다.
(1) 제조 공정
도 18은 본 발명에 의한 유로 디바이스(10)의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다.
공정 1: 석영 또는 유리로 구성되는 기판의 위에 티탄을, 예를 들면, 1nm 두께로 진공증착시키고, 그 위에 금을, 예를 들면, 50?200nm 두께로 진공증착시킨다. 금은 전극의 재료가 되는 것이며, 티탄은 금과 기판을 접착시키기 위한 접착제로서 기능한다. 이것에 의해, 기판 위에 전극 재료가 입혀진다(도 18(A) 참조).
공정 2: 통상의 포트리소그래피 기술을 사용하여, 나노 전극 부분(예를 들면, 상기의 나노 전극(122)에 상당하는 부분)을 패터닝한다(도 18(B) 참조).
공정 3: 집속 이온빔(FIB) 또는 반응성 이온 에칭(RIE)을 사용하여, 공정 2에서 제작한 나노 전극 패턴 부착 기판을 깎아서 홈(나노 유로)을 제작한다. 나노 전극 패턴도 동시에 깎이기 때문에, 전극쌍도 동시에 제작된다(도 18(C) 참조).
공정 4: 공정 3에서 제작한 나노 유로의 단부를 더 깎아서 마이크로 유로(상기의 주입부(11)에 상당)를 제작한다(도 18(D) 참조).
공정 5: 석영 또는 유리에 스핀 코팅으로 실리콘 고무를, 예를 들면, 1㎛ 두께로 코팅하고, 예를 들면, 150℃까지 가온하여 고정시켜 덮개 부재를 제작한다(도 18(E) 참조).
공정 6: 공정 5에서 제작한 덮개 부재를 공정 4에서 제작한 유로재에 씌우고, 진공 UV광(파장 172nm), 산소 플라즈마, 대기압 플라즈마 등 중 어느 하나를 조사함으로써, 덮개 부재를 유로재에 접착한다(도 18(F) 참조).
(2) 유로 형상에 대하여
도 19는 형상이 상이한 유로를 제작하는 방법에 대하여 설명하기 위한 도면이다. 본 발명에서는, 단면이 직사각형인 유로와 V자형인 유로에 대하여 생각한다. 단, 직사각형 유로인 경우, 정확한 직사각형일 필요는 없고, 예를 들면, 바닥면이 둥근 모양을 띠고 있어도 된다. 또한 V자형 유로인 경우도, 정확하게 V자일 필요는 없고, 예를 들면, 유로의 바닥면으로 감에 따라 유로폭이 좁아져 있으면 된다.
직사각형 유로인 경우, 상기의 공정 2에 의해 전극 패턴을 형성한 기판의 위에 전자 빔 레지스트를 형성하고(도 19(A) 참조), 반응성 이온 에칭(RIE)을 사용하여 기판을 깎아, 나노미터 사이즈의 유로를 형성한다(도 19(B) 참조).
한편, V자형 유로인 경우, 상기의 공정 2에 의해 전극 패턴을 형성한 기판에 집속 이온빔(FIB)을 조사하여 기판을 깎아서 가공한다(도 19(A) 참조). 집속 이온빔(FIB)은 빔이 하나의 점에 집속하기 때문에, 빔 프로파일에 따른 형상(V자 형상)의 홈이 기판 위에 형성된다(도 19(B) 참조).
(3) 전극 패턴에 대하여
도 20은 기판 위에 형성된 상이한 전극 패턴에 대하여 설명하기 위한 도면이다. 도 20(A)는 전극 패턴이 유로 에지까지밖에 없는 패턴 1을 나타내고, 도 20(B)는 전극 패턴이 유로 내부에까지 들어가 있는 경우의 패턴 2를 나타내는 도면이다.
패턴 1의 경우, 전극이 기판 표면에 밖에 없기 때문에, 전극 사이에 생기는 전기력선(전기장)이 유로의 바닥부에까지 들어가지 않는다. 따라서, 패턴 1에서는, 유로의 바닥부에서는 통과 분자의 저항 또는 임피던스를 측정하는 것이 곤란하게 된다.
한편, 패턴 2의 경우, 전극이 유로 측면을 씌우도록 형성되어 있다. 따라서, 패턴 2에서는, 유로의 바닥부에서도 균일한 전기장을 만들 수 있으므로, 유로의 바닥부에서도 통과 분자의 저항 또는 임피던스를 측정할 수 있다.
(4) 전극 패턴 형성에 대하여
도 21은 도 20의 패턴 1 및 패턴 2의 전극 패턴을 형성하는 공정, 구체적으로는 도 18(C)에서 도시되는 공정 3의 상세를 설명하기 위한 도면이다.
공정 3-1: 전극이 표면에 패터닝된 기판을 준비하고(도 21(A) 참조), 반응성 에칭(RIE)으로 세로로 홈을 파거나, 또는 집속 이온빔(FIB)으로 에칭한다(도 21(B) 참조). 패턴 1(도 20(A))을 제작하는 경우에는 여기까지의 공정에서 종료시키면 된다. 패턴 2(도 20(B))를 제작하는 경우에는 이후의 공정을 계속한다.
공정 3-2: 직사각형 유로 및 V자형 유로 쌍방의 경우에서, 반응성 에칭에 있어서의 조건을 변경하고(예를 들면, 플라즈마 압력을 바꿈), 기판에 더 적용한다. 그러면, 기판에 대하여 세로방향 및 가로방향으로 홈을 더 깎을 수 있다. 그러면, 전극 패턴이 남겨지기 때문에, 유로의 에지 부분을 넘어 연장 설치된 상태(오버헹)가 된다 (도 21(C) 참조).
공정 3-3: 공정 3-2에서 제작된 기판을, 예를 들면, 물에 담그고 끌어올린다. 젖은 상태의 기판을 건조시키면, 표면장력으로 전극의 오버헹 부분이 유로 측면으로 가까이 끌어 당겨진다. 이렇게 하여, 전극 패턴이 유로 측면을 씌우는 구성이 실현된다(도 21(D) 참조).
(5) 전극의 절연막 코팅
도 22는 전극 패턴 위에 절연막을 코팅하는 모습을 도시하는 도면이다.
유로 디바이스의 사용시는, 나노 유로에 설치된 전극 패턴이 샘플에 직접 접촉되어 있으므로, 전극을 구성하는 금속이 샘플에 용해되어 버릴 가능성이 있다. 이와 관련하여, 직류 전압을 인가하여 저항을 측정하는 경우(제 1 실시형태)에는, 전극은 샘플에 접촉되어 있을 필요가 있으므로, 전극 패턴을 보호막 등으로 씌울 수는 없지만, 교류 전압을 인가하여 임피던스를 측정하는 경우(제 2 실시형태)에는, 고주파로 되면 될수록 전극이 샘플에 직접 접촉되어 있을 필요는 없다. 이 때문에, 전극 패턴의 표면을 절연막으로 피복하고, 그 절연막 너머로 임피던스 측정을 실행할 수 있다. 따라서, 전해 반응에 의한 전극의 용해를 방지할 수 있다.
이 절연막은, 예를 들면, SiO2나 Si3N4를 전극 패턴 위에 스퍼터링 하고, 예를 들면, 수nm?수100nm 두께의 막을 부착시킴으로써 형성할 수 있게 된다.
(6) 직사각형 유로와 V자형 유로의 비교
도 23은 직사각형 유로와 V자형 유로(전극 패턴이 나노 유로 측면에 없는 경우)의 특징을 비교하기 위한 도면이다.
우선, 도 23(A)를 참조하여 나노 유로에 있어서 전기 측정할 수 있는 범위를 검증하면, 직사각형 유로의 경우, 전기력선(전기장)이 돌아 들어가지 않는 영역이 많고, 특히 바닥면의 코너부에는 전기장이 존재하지 않는다. 한편, V자형 유로의 경우, 나노 유로의 V자 선단부에는 전기력선이 도달하고 있지 않지만, 전체적으로 전기장이 존재하지 않는 영역이 직사각형 유로의 경우보다 적다.
계속해서, 도 23(B)를 참조하여 나노 유로에 있어서 분자가 흐르는 위치(깊이 방향)에 대하여 검증하면, 직사각형 유로의 경우, 바닥면 부분의 폭이 분자의 직경보다도 크므로, 분자가 바닥면 부분을 흐르는 경우가 많다. 한편, V자형 유로의 경우, 나노 유로는 깊이 방향으로 폭이 좁아지고 있으므로, 분자는 전기장이 존재하지 않는 영역을 흐르는 경우가 적다.
따라서, 도 23(A) 및 (B)로부터 알 수 있는 바와 같이, V자형 유로의 경우, 유로 단면에 대한 전기력선의 충족율이 높고, 측정 영역의 비율이 넓어져 있다. 또한 V자형 유로의 경우, 바닥 부분이 좁아져 있기 때문에, 샘플에 포함되는 분자는 바닥 부분을 흐르기 어렵게 되어 있어, 측정 영역에만 흐를 가능성이 높아진다.
또한, 전극 패턴이 나노 유로 측면에 존재하는 경우(도 20(B) 및 도 21(D) 참조)에는, 직사각형 유로이어도 상기의 문제는 해소된다.
(7) 실제의 유로
도 24는 상기의 제조 방법에 따라 제작한 실제의 유로 디바이스를 도시하는 도면이다. 도 24로부터도 알 수 있는 바와 같이, 당해 유로 디바이스는 1개의 주입부와, 1개의 나노 유로와 3개의 분기 유로로 이루어지는 나노 유로와, 3개의 출력부와, (분자 속도 측정 전극 및 1분자 동정용 전극(측정용 나노 전극)과, 분기 유로에 할당하기 위한 전극(스위칭용 나노 전극)을 가지고 있다.
IV . 정리
(1) 본 발명에 의해 동정 또는 분리 가능한 분자는 나노미터 사이즈의 분자, 예를 들면, DNA, RNA, 단백질 전반, 폴리펩티드, 아미노산, 다당류, 지방질, 사이토카인, 시그널 전달 물질, 호르몬 등의 생체 분자이다. 생체 분자 이외에 일반적인 유기 고분자, 예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리카보네이트, 아크릴 등의 합성 수지나 나일론, 비닐 등의 합성 섬유, 실리콘 수지 등이나, 무기 고분자도 동정 또는 분리 가능하다. 또한 나노미터 사이즈의 입자상 물질, 예를 들면, 콜로이드나 나노 입자 등도 동정 또는 분리 가능하다.
(2) 본 발명의 샘플 처리 장치는 생물이 관계되는 모든 업종에 이용할 수 있다. 예를 들면, 병변세포의 검사, 병원성 박테이라의 검지, 인슐린의 모니터링 등의 휴대형 센서, 동식물 세포로부터의 유효 물질의 추출, 현장에서의 혈액검사 칩, 병리검사 칩(혈액 이외의 샘플 검사), 포터블 인체 모니터링(신체 상태의 모니터링), 인공장기용 센서, 현장에서의 감염 검사 칩, 독물 검사 칩 등의 의료 용도, 창약(제약)에 있어서의 신규 약품의 효과 검증, 약품 검사 칩, 투약 결과 분석 칩 등의 창약 용도, 독성 박테이라의 검지, 환경: 병원성 박테이라의 검사, 바이오 해저드 측정 칩, 환경에 있어서의 생물 오염을 현장에서의 계측(O-157 등) 등의 환경관계 용도, 프로테오믹스 등의 망라적인 단백질 해석 전반, 생화학: 단백질의 구조 해석, 생화학 반응의 해석 전반, DNA, 단백질의 시퀀싱, 프로테옴, 전사체, 에피지네틱스 등의 망라적 단백질 분석의 모든 분야 등의 생명과학에 있어서의 용도, 위생 모니터링(독성 박테리아 등의 번식 모니터링), 생산량의 모니터링(발효 전반에 있어서의 상태의 모니터링(맥주, 치즈 등)), 오염 검사 칩(O-157이나 BSE 등의 모니터링), 발효 장치 내에서의 효모의 활성 모니터링 등의 식품?위생 분야의 용도, 반창고 감각으로 사용할 수 있는 것과 같은 혈액 검사 칩(임신 검사, 당뇨병 검사, 그 외에, 모든 단백질의 측정에 의한 검지계) 등의 용도에 이용할 수 있다.
(3) 제 1 실시형태에서는, 나노 유로에 설치된 전극쌍의 전극 사이에서 분자를 이동시켰을 때의 저항 변화를 측정한다. 그리고, 연산처리부는 저항측정부에 의해 측정된 저항값에 기초하여 분자를 동정한다. 이와 같이, 나노 유로를 단일 분자씩 이동시키고, 분자가 전극쌍의 사이를 통과함으로써 발생하는 저항 변화의 정보를 취득하고, 그 정보에 기초하여 분자를 동정한다. 이것에 의해, 분자를 정밀하게 동정할 수 있게 됨과 아울러, 나노 유로를 사용하고 있으므로 장치의 소형화도 가능하게 된다.
나노 유로는 분기부와 당해 분기부로부터 복수의 출력부에 연결되는 복수의 분기 유로를 구비하고 있다. 그리고, 동정된 분자를 메인 유로로부터 복수의 분기 유로 중 원하는 분기 유로로 유도한다. 분자의 유도 처리는 메인 유로측에 설치된 공통 전극과, 복수의 분기 유로측에 각각 설치된 복수의 출구 전극과, 공통 전극과 복수의 출구 전극의 각각에 전압을 인가하기 위한 전압 인가부와, 공통 전극과 1개의 출구 전극의 페어를 선택하기 위한 스위칭부에 의해 실현된다. 그리고, 연산처리부는 동정된 분자의 정보에 기초하여 공통 전극과 출구 전극의 페어를 결정하고, 전압을 인가하도록 제어한다. 이와 같이 함으로써, 원하는 분자를 다른 분자와 분리하여 정확하게 취득할 수 있게 된다.
또한 제 1 실시형태에서는, 유로 디바이스는 처리 대상의 샘플을 주입하기 위한 주입부(본 실시형태에서는 마이크로미터 오더의 폭 및 깊이를 갖고 있지만, 샘플을 주입할 수 있으면 이 오더에 한정되지 않는 것은 당연하다.)와, 나노미터 오더의 폭 및 깊이를 갖고, 샘플에 포함되는 분자를 이동시키기 위한 나노 유로와, 마이크로미터 오더의 폭 및 깊이를 갖고, 나노 유로를 이동해 온 분자를 유도하여 취출하기 위한 복수의 출력부를 포함하고 있다. 또한, 나노 유로는 분기부와 당해 분기부로부터 상기 복수의 출력부에 연결되는 복수의 분기 유로를 구비하고 있다. 그리고, 나노 유로에 설치된 전극쌍의 전극 사이에 전압을 인가하고, 분자가 전극 사이를 통과했을 때의 저항을 측정한다. 또한 연산처리부는 측정된 저항값과 분자를 관련시킨다. 그리고, 측정된 전류값(임피던스값)과 관련시켜진 분자를 나노 유로로부터 복수의 분기 유로 중 원하는 분기 유로로 유도한다. 유도 처리는 나노 유로측에 설치된 공통 전극과, 복수의 분기 유로측에 각각 설치된 복수의 출구 전극과, 공통 전극과 복수의 출구 전극의 각각에 전압을 인가하기 위한 전압 인가부와, 공통 전극과 1개의 출구 전극의 페어를 선택하기 위한 스위칭부에 의해 실현된다. 이와 같이 함으로써, 샘플에 포함되는 분자의 종류가 미지이어도, 각 분자가 측정용 나노 전극 앞을 이동할 때의 저항값에 따라 분자를 분리할 수 있게 된다.
또한, 상기의 장치에 있어서, 나노 유로에는 복수의 전극쌍이 설치되고, 당해 각 전극쌍은 소정의 간격을 두고 배치하도록 해도 된다. 이 경우, 측정부는 분자가 각 전극쌍을 통과할 때의 저항을 측정한다. 또한 연산처리부는 저항값의 측정시간차에 기초하여 분자의 이동속도를 산출하고, 산출한 분자의 이동속도에 기초하여 전압(전기장이어도 됨)을 인가하는 타이밍을 제어한다. 이렇게 함으로써, 보다 정확하게 분자를 분리할 수 있게 된다.
또한 상기의 장치에 있어서, 유로 디바이스는 친수성이 있는 절연체 재료로 구성된다. 이 경우, 샘플은 주입부로부터 나노 유로에 모세관 현상의 작용에 의해 도입된다. 이와 같이 모세관 현상의 작용을 이용하면, 장치 구성이 더욱 간단하게 되어, 보다 소형화가 가능하게 된다. 다른 예로서 새로운 전극쌍의 일방의 전극을 주입부에 배치하고, 타방의 전극을 나노 유로에 배치하도록 해도 된다. 이 경우, 그 전극쌍 사이에 전기장을 발생시킴으로써, 샘플이 주입부로부터 나노 유로에 도입된다. 전기적으로 흐름을 제어할 수 있기 때문에, 보다 고정밀도의 측정이 가능하게 된다.
(4) 제 2 실시형태에서는, 나노 유로에 설치된 전극쌍의 전극 사이에 교류 전압을 인가하고, 전극 사이에 분자가 있을 때의 임피던스를 측정한다. 그리고, 연산처리부는 측정된 임피던스값에 기초하여 분자를 동정한다. 이와 같이, 나노 유로를 단일 분자씩 이동시키고, 분자가 전극쌍의 사이에 존재할 때의 임피던스값의 변화의 정보를 취득하고, 그 정보에 기초하여 분자를 동정한다. 이것에 의해, 동일 사이즈의 상이한 종류의 분자를 정밀하게 동정할 수 있게 됨과 아울러, 나노 유로를 사용하고 있으므로 장치의 소형화도 가능하게 된다.
나노 유로는 분기부와 당해 분기부로부터 복수의 출력부에 연결되는 복수의 분기 유로를 구비하고 있다. 그리고, 동정된 분자를, 나노 유로로부터 복수의 분기 유로 중 원하는 분기 유로에 유도한다. 분자의 유도 처리는 나노 유로측에 설치된 공통 전극과, 복수의 출력 유로측에 각각 설치된 복수의 출구 전극과, 공통 전극과 복수의 출구 전극의 각각에 전압(전기장)을 인가하기 위한 전압 인가부(전기장 인가부)와, 공통 전극과 1개의 출구 전극의 페어를 선택하기 위한 스위칭부에 의해 실현된다. 그리고, 연산처리부는 동정된 분자의 정보에 기초하여 공통 전극과 출구 전극의 페어를 결정하고, 전압을 인가하도록 제어한다. 이와 같이 함으로써, 원하는 분자를 다른 분자와 분리하여 정확하게 분리할 수 있게 된다.
또한 제 2 실시형태에서는, 유로 디바이스는 마이크로미터 오더의 폭 및 높이를 갖고, 처리 대상의 샘플을 주입하기 위한 주입부와, 나노미터 오더의 폭 및 깊이를 갖고, 샘플에 포함되는 분자를 이동시키기 위한 나노 유로와, 나노 유로를 이동해 온 분자를 분리하기 위한 복수의 출력부를 포함하고 있다. 나노 유로는 분기부를 통하여 당해 분기부로부터 상기 복수의 출력부에 연결되는 복수의 분기 유로를 가지고 있다. 그리고, 나노 유로의 메인 유로에 설치된 전극쌍의 전극 사이에 교류 전압을 인가하고, 전극 사이에 분자가 있을 때의 임피던스를 측정한다. 또한 연산처리부는 측정된 임피던스값과 분자를 관련시킨다. 그리고, 측정된 임피던스값과 관련시켜진 분자를 나노 유로로부터 복수의 분기 유로 중 원하는 분기 유로로 유도한다. 유도 처리는 나노 유로측에 설치된 공통 전극과, 복수의 분기 유로측에 각각 설치된 복수의 출구 전극과, 공통 전극과 복수의 출구 전극의 각각에 전압을 인가하기 위한 전압 인가부(전기장 인가부)와, 공통 전극과 1개의 출구 전극의 페어를 선택하기 위한 스위칭부에 의해 실현된다. 이와 같이 함으로써, 샘플에 포함되는 분자의 종류가 미지이어도, 각 분자가 측정용 나노 전극 앞을 이동할 때의 임피던스값에 따라 분자를 분리할 수 있게 된다.
또한, 상기의 장치에 있어서, 나노 유로에는 복수의 전극쌍이 설치되고, 당해 각 전극쌍은 소정의 간격을 두고 배치하도록 해도 된다. 이 경우, 측정부는 분자가 각 전극쌍을 통과할 때의 임피던스를 측정한다. 또한 연산처리부는 임피던스값의 측정시간차에 기초하여 분자의 이동속도를 산출하고, 산출한 분자의 이동속도에 기초하여 전압(전기장)을 인가하는 타이밍을 제어한다. 이렇게 함으로써, 보다 정확하게 분자를 분리할 수 있게 된다.
또한 상기의 장치에 있어서, 유로 디바이스의 기판은 친수성이 있는 절연체 재료로 구성된다. 이 경우, 샘플은 주입부로부터 나노 유로에 모세관 현상의 작용에 의해 도입된다. 이와 같이 모세관 현상의 작용을 이용하면, 장치 구성이 더욱 간단하게 되어, 보다 소형화가 가능하게 된다. 다른 예로서, 상기한 바와 같이, 새로운 전극쌍의 일방의 전극을 주입부에 배치하고, 타방의 전극을 나노 유로에 배치하도록 해도 된다. 이 경우, 그 전극쌍 사이에 전기장을 발생시킴으로써, 샘플이 주입부로부터 나노 유로에 도입된다.
또한, 전극쌍 사이에 분자(생체 분자)를 체류시키고, 분자의 환경을 변화(효소와 반응시키거나, 온도를 변화시키거나, pH를 변화시키거나, 이온 농도를 변화시키는 등)시킴과 아울러, 교류 전원의 주파수를 바꾸면서 전극 사이에 교류 전압을 인가했을 때의 임피던스를 측정한다. 그리고, 측정된 임피던스값에 기초하여 분자의 입체 구조나 그 동태를 검지한다. 또한, 교류 전원은 주파수 가변뿐만 아니라, 나노 유로의 전극쌍 사이에 인가할 전압이 가변이다. 이 경우, 교류 전원의 주파수 및 전압을 바꾸면서, 임피던스를 측정하고, 교류 전원의 주파수 및 전압을 변화시켰을 때의 임피던스값의 변화에 의해 분자의 입체 구조(conformation)와 그 동적인 변화(동태)를 검지한다. 이것에 의해 분자 (특히, 생체 분자)의 구조 변화를 동적으로 파악알 수 있게 되므로, 분자의 기능을 파악할 수 있게 된다.
(5) 상기의 실시형태에서는, 유로 디바이스가 1개의 주입부(11)와 복수의 출력부(14)를 가지고 있는 형태에 대하여 설명하고 있지만, 복수의 주입부와 복수의 출력부를 가지고 있어도 된다. 이 경우, 유로 디바이스는 복수의 주입부와, 각 주입부로부터 나노 유로에 연결되는 복수의 주입용 유로와, 1개의 나노 유로, 복수의 분기 유로, 복수의 출력부로 구성된다. 또한 유로 디바이스는 1개의 주입부와 1개의 출력부만 갖는 것이어도 된다. 이 경우, 유로 디바이스는 1개의 주입부와, 1개의 나노 유로와, 1개의 출력부로 구성된다. 이 유로 디바이스는, 예를 들면, 샘플이 1개의 특정 분자를 포함하는지 아닌지를 검사할 때 등에 이용된다.
M 분자
AS 교류 전원
E1, E2, E3, E4, E5, E6 전극
10 유로 디바이스
11 주입부
12 나노 유로
12a, 12b, 12c 분기 유로
13 출력부
14 출력부
15 유리
16 접착 부재
40 연산처리부
41 측정부
42 스위칭부
43 전류값-분자 대응 테이블
44 메모리
45 정보 입력/출력부
51 샘플 도입부
90 연산처리부
91 측정부
92 스위칭부
93 임피던스-분자 대응 테이블
94 메모리
95 정보 입력/출력부
96 교류 전원
101 기판
122 측정용 나노 전극
123 전류계
124 전류계
223 임피던스 측정부
224 확인용 임피던스 측정부
125 스위칭용 나노 전극
511 전극
512 전극
513 전원

Claims (39)

  1. 분자 1개가 흐르는 나노 사이즈 유로를 갖고, 그 근방에 적어도 1개의 전극쌍이 배치되고, 또한 상기 전극에 교류 전압을 인가하기 위한 교류 전원을 갖는 유로 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극이 상기 유로에 노출되어 있거나, 또는 상기 전극과 상기 유로 사이에 절연층이 있고, 그 때문에 상기 전극이 상기 유로에 노출되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 유로 디바이스.
  3. 분자 1개가 흐르는 나노 사이즈 유로, 분기부 및 복수의 분기 유로를 구비하고, i) 상기 나노 사이즈 유로의 근방이며 당해 나노 사이즈 유로를 사이에 끼도록 전극쌍이 배치되고, 또는 ii) 전극쌍의 일방이 상기 나노 사이즈 유로의 근방에 배치되고, 타방이 상기 분기 유로의 근방에 배치된 유로 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 전극이 상기 유로에 노출되어 있거나, 또는 상기 전극과 상기 유로 사이에 절연층이 있고, 그 때문에 상기 전극이 상기 유로에 노출되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 유로 디바이스.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 분기 유로의 단면의 크기가 나노미터 사이즈인 것을 특징으로 하는 유로 디바이스.
  6. 분자 1개가 흐르는 나노 사이즈 유로, 분기부 및 복수의 분기 유로를 구비한 유로 디바이스.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 분기 유로의 단면의 크기가 나노미터 사이즈인 것을 특징으로 하는 유로 디바이스.
  8. (1) 분자 1개가 흐르는 나노 사이즈 유로를 갖고, 그 근방에 적어도 1개의 전극쌍이 배치된 유로 디바이스, (2) 상기 전극에 교류 전압을 인가하기 위한 교류 전원, 및 (3) 상기 유로를 흐르는 샘플에 포함되는 분자 1개를 동정하는 측정부를 구비한 샘플 처리 장치.
  9. (1) 분자 1개가 흐르는 나노 사이즈 유로, 분기부 및 복수의 분기 유로를 구비하고, i) 상기 나노 사이즈 유로의 근방이며 당해 나노 사이즈 유로를 사이에 끼도록 전극쌍이 배치되고, 또는 ii) 전극쌍의 일방이 상기 나노 사이즈 유로의 근방에 배치되고, 타방이 상기 분기 유로의 근방에 배치된 유로 디바이스 및 (2) 상기 유로를 흐르는 샘플에 포함되는 분자 1개에 상기 전극쌍을 통하여 전기적 자극을 주고, 이것에 의해 상기 분자에 역학적 거동을 촉진하고, 이 역학적 거동에 의해 소정의 분기 유로로 상기 분자를 유도하는 스위칭부를 구비한 샘플 처리 장치.
  10. 제 9 항에 기재된 유로 디바이스에서, 상기 분기 유로의 단면의 크기가 나노미터 사이즈인 것을 특징으로 하는 유로 디바이스.
  11. 샘플에 포함되는 분자를 동정하는 샘플 처리 장치로서,
    샘플을 주입하기 위한 주입부와, 단면의 크기가 나노미터 오더의 사이즈를 갖고, 상기 샘플에 포함되는 분자를 이동시키기 위한 나노 사이즈 유로를 포함하는 유로 디바이스와,
    상기 나노 사이즈 유로에 설치된 전극쌍의 전극 사이에 전압을 인가하고, 상기 분자가 상기 전극 사이를 통과할 때의 임피던스를 측정하는 측정부와,
    상기 측정부에 의해 측정된 임피던스값에 기초하여 상기 분자를 동정하는 연산처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 나노 사이즈 유로를 이동해 온 분자를 취출하기 위한 복수의 출력부와,
    상기 동정된 분자를 분리하는 분자 분리부를 구비하고,
    상기 나노 사이즈 유로는 그 앞에 분기부와, 당해 분기부로부터 상기 출력부에 연결되는 복수의 분기 유로를 구비하고,
    상기 분자 분리부는 상기 동정된 분자를 상기 나노 유로로부터 상기 복수의 분기 유로 중 소정의 분기 유로로 유도하는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 분자 분리부는 상기 나노 유로측에 설치된 전극쌍 또는 공통의 전극으로 이루어지는 소정 전극과, 상기 복수의 분기 유로측에 각각 설치된 복수의 출구 전극과, 상기 소정 전극의 쌍 또는 상기 소정 전극과 상기 복수의 출구 전극 중 어느 것에 전압을 인가하기 위한 전압 인가부와, i) 상기 소정 전극의 쌍 또는 ii) 상기 소정 전극과 상기 복수의 출구 전극 중 어느 것과의 쌍을 선택하기 위한 스위칭부를 갖고,
    상기 연산처리부는 상기 동정된 분자의 정보에 기초하여 상기의 쌍을 선택하고, 상기 전압을 인가하도록 상기 분자 분리부를 제어하는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 나노 사이즈 유로에는 복수의 전극쌍이 설치되고, 당해 각 전극쌍은 소정의 간격을 두고 배치되어 있고,
    상기 계측부는 상기 분자가 상기 각 전극쌍을 통과할 때의 임피던스를 측정하고,
    상기 연산처리부는 측정한 임피던스값의 측정시간차에 기초하여 상기 분자의 이동속도를 산출하고, 산출한 분자의 이동속도에 기초하여 상기 전압을 인가할 타이밍을 제어하는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 유로 디바이스는 친수성이 있는 절연체 재료로 구성되고,
    상기 샘플은 상기 주입부로부터 상기 나노 사이즈 유로에 모세관 현상의 작용에 의해 도입되는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 샘플에 전압을 인가하기 위한 도입용 전극쌍의 일방의 전극이 상기 주입부에 배치되고, 타방의 전극이 상기 나노 사이즈 유로에 배치되고,
    상기 도입용 전극쌍 사이에 전기장을 발생시킴으로써, 상기 샘플이 상기 주입부로부터 상기 나노 사이즈 유로로 도입되는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 주입부는 단면의 크기가 마이크로미터 오더의 사이즈를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  18. 샘플에 포함되는 소정의 분자를 분리하는 샘플 처리 장치로서,
    샘플을 주입하기 위한 주입부와, 단면의 크기가 나노미터 오더의 사이즈를 갖고, 상기 샘플에 포함되는 분자를 이동시키기 위한 나노 사이즈 유로와, 상기 나노 사이즈 유로를 이동해 온 분자를 취출하기 위한 복수의 출력부를 포함하고, 상기 나노 사이즈 유로가 그 앞에 분기부와 당해 분기부로부터 상기 복수의 출력부에 연결되는 복수의 분기 유로를 구비한 유로 디바이스와,
    상기 나노 사이즈 유로에 설치된 전극쌍의 전극 사이에 전압을 인가하여, 상기 전극 사이를 상기 분자가 통과했을 때의 저항 또는 임피던스를 측정하는 측정부와,
    상기 측정부에 의해 측정된 저항값 또는 임피던스값과 분자를 관련시키는 연산처리부와,
    상기 측정된 저항값 또는 임피던스값과 관련시켜진 분자를 상기 나노 사이즈 유로로부터 상기 복수의 분기 유로 중 원하는 분기 유로로 유도하는 분자 분리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 분자 분리부는 상기 나노 사이즈 유로측에 설치된 전극쌍 또는 공통 전극으로 이루어지는 소정 전극과, 상기 복수의 분기 유로측에 각각 설치된 복수의 출구 전극과, 상기 소정 전극의 쌍 또는 상기 소정 전극과 상기 복수의 출구 전극 중 어느 것에 전압을 인가하기 위한 전압 인가부와, i) 상기 소정 전극의 쌍 또는 ii) 상기 소정 전극과 상기 복수의 출구 전극 중 어느 것과의 쌍을 선택하기 위한 스위칭부를 갖고,
    상기 연산처리부는 상기 측정된 저항값 또는 임피던스값의 정보에 기초하여
    상기의 쌍을 선택하고, 상기 전압을 인가하도록 상기 분자 분리부를 제어하는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 나노 사이즈 유로에는 복수의 전극쌍이 설치되고, 당해 각 전극쌍은 소정의 간격을 두고 배치되어 있고,
    상기 측정부는 상기 분자가 상기 각 전극쌍을 통과할 때의 저항 또는 임피던스를 측정하고,
    상기 연산처리부는 측정한 저항값 또는 임피던스값의 측정시간차에 기초하여 상기 분자의 이동속도를 산출하고, 산출한 분자의 이동속도에 기초하여 상기 전압을 인가할 타이밍을 제어하는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 유로 디바이스는 친수성이 있는 절연체 재료로 구성되고,
    상기 샘플은 상기 주입부로부터 상기 나노 사이즈 유로에 모세관 현상의 작용에 의해 도입되는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 샘플에 전압을 인가하기 위한 도입용 전극쌍의 일방의 전극이 상기 주입부에 배치되고, 타방의 전극이 상기 나노 사이즈 유로에 배치되고,
    상기 도입용 전극쌍 사이에 전기장을 발생시킴으로써, 상기 샘플이 상기 주입부로부터 상기 나노 사이즈 유로에 도입되는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 주입부는 단면의 크기가 마이크로미터 오더의 사이즈를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  24. 제 11 항에 있어서,
    또한, 상기 나노 사이즈 유로에 설치된 전극쌍의 전극 사이에 교류 전압을 인가하는 교류 전원을 갖고,
    상기 측정부는 상기 분자가 상기 전극쌍 사이를 통과할 때의 임피던스를 측정하는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 교류 전원은 주파수 가변의 교류 전원이며,
    상기 측정부는 상기 교류 전원의 주파수를 소정 범위 내에서 변화시켰을 때의 임피던스를 측정하는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  26. 제 24 항에 있어서,
    또한, 상기 나노 사이즈 유로를 이동해 온 분자를 취출하기 위한 복수의 출력부와,
    상기 동정된 분자를 분리하는 분자 분리부를 구비하고,
    상기 나노 사이즈 유로는 그 앞의 분기부와 당해 분기부로부터 상기 복수의 출력부에 연결되는 복수의 분기 유로를 구비하고,
    상기 분자 분리부는 상기 동정된 분자를 상기 나노 유로로부터 상기 복수의 분기 유로 중 원하는 분기 유로로 유도하는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 분자 분리부는 상기 나노 유로측에 설치된 전극쌍 또는 공통 전극으로 이루어지는 소정 전극과, 상기 복수의 분기 유로측에 각각 설치된 복수의 출구 전극과, 상기 소정 전극의 쌍 또는 상기 소정 전극과 상기 복수의 출구 전극 중 어느 것에 전압을 인가하기 위한 전압 인가부와, i) 상기 소정 전극의 쌍 또는 ii) 상기 소정 전극과 상기 복수의 출구 전극 중 어느 것과의 쌍을 선택하기 위한 스위칭부를 갖고,
    상기 연산처리부는 상기 동정된 분자의 정보에 기초하여 상기의 쌍을 선택하고 상기 전압을 인가하도록 상기 분자 분리부를 제어하는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 나노 사이즈 유로에는 복수의 전극쌍이 설치되고, 당해 각 전극쌍은 소정의 간격을 두고 배치되어 있고,
    상기 측정부는 상기 분자가 상기 각 전극쌍을 통과할 때의 임피던스를 측정하고,
    상기 연산처리부는 측정한 임피던스값의 측정시간차에 기초하여 상기 분자의 이동속도를 산출하고, 산출한 분자의 이동속도에 기초하여 상기 전압을 인가할 타이밍을 제어하는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  29. 제 24 항에 있어서,
    상기 유로 디바이스는 친수성이 있는 절연체 재료로 구성되고,
    상기 샘플은 상기 주입부로부터 상기 나노 사이즈 유로에 모세관 현상의 작용에 의해 도입되는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  30. 제 24 항에 있어서,
    상기 샘플에 전압을 인가하기 위한 도입용 전극쌍의 일방의 전극이 상기 주입부에 배치되고, 타방의 전극이 상기 나노 사이즈 유로에 배치되고,
    상기 도입용 전극쌍 사이에 전기장을 발생시킴으로써, 상기 샘플이 상기 주입부로부터 상기 나노 사이즈 유로에 도입되는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  31. 제 24 항에 있어서,
    상기 주입부 및 복수의 출력부는 단면의 크기가 마이크로미터 오더의 사이즈를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  32. 제 18 항에 있어서,
    상기 전압은 교류 전압인 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 분자 분리부는 상기 나노 사이즈 유로측에 설치된 전극쌍 또는 공통 전극으로 이루어지는 소정 전극과, 상기 복수의 분기 유로측에 각각 설치된 복수의 출구 전극과, 상기 소정 전극의 쌍 또는 상기 소정 전극과 상기 복수의 출구 전극 중 어느 것에 전압을 인가하기 위한 전압 인가부와, i) 상기 소정 전극의 쌍 또는 ii) 상기 소정 전극과 상기 복수의 출구 전극 중 어느 것과의 쌍을 선택하기 위한 스위칭부를 갖고,
    상기 연산처리부는 상기 측정된 임피던스값의 정보에 기초하여 상기의 쌍을 선택하여 상기 전압을 인가하도록 상기 분자 분리부를 제어하는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 나노 사이즈 유로에는 복수의 전극쌍이 설치되고, 당해 각 전극쌍은 소정의 간격을 두고 배치되어 있고,
    상기 측정부는 상기 분자가 상기 각 전극쌍을 통과할 때의 임피던스를 측정하고,
    상기 연산처리부는 측정한 임피던스값의 측정시간차에 기초하여 상기 분자의 이동속도를 산출하고, 산출한 분자의 이동속도에 기초하여 상기 전압을 인가할 타이밍을 제어하는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  35. 제 32 항에 있어서,
    상기 유로 디바이스는 친수성이 있는 절연체 재료로 구성되고,
    상기 샘플은 상기 주입부로부터 상기 나노 사이즈 유로에 모세관 현상의 작용에 의해 도입되는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  36. 제 32 항에 있어서,
    상기 샘플에 전기장을 인가하기 위한 도입용 전극쌍의 일방의 전극이 상기 주입부에 배치되고, 타방의 전극이 상기 나노 사이즈 유로에 배치되고,
    상기 도입용 전극쌍 사이에 전기장을 발생시킴으로써, 상기 샘플이 상기 주입부로부터 상기 나노 사이즈 유로에 도입되는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  37. 제 32 항에 있어서,
    상기 주입부 및 상기 복수의 출력부는 단면의 크기가 마이크로미터 오더의 사이즈를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  38. 샘플을 주입하기 위한 주입부와, 단면의 크기가 나노미터 오더의 사이즈를 갖고, 상기 샘플에 포함되는 분자를 이동시키기 위한 나노 사이즈 유로를 포함하는 유로 디바이스와,
    상기 나노 사이즈 유로에 설치된 전극쌍의 전극 사이에, 적어도 주파수를 변화시키면서 교류 전압을 인가하는 교류 전원과,
    상기 전극쌍 사이에 상기 분자를 체류시키고, 상기 분자의 환경을 변화시킴과 아울러, 상기 교류 전원의 주파수를 바꾸면서 상기 전극 사이에 교류 전압을 인가했을 때의 임피던스를 측정하는 측정부와,
    상기 측정부에 의해 측정된 임피던스값에 기초하여 상기 분자의 입체 구조 또는 그 동적인 변화를 검지하는 연산처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 교류 전원은 상기 나노 사이즈 유로의 전극쌍 사이에 인가할 최대전압값이 가변이며,
    상기 측정부는 상기 교류 전원의 주파수 및 최대전압값을 바꾸면서 상기 임피던스를 측정하고,
    상기 연산처리부는 상기 교류 전원의 주파수 및 최대전압값을 변화시켰을 때, 측정한 임피던스값의 변화에 의해, 상기 분자의 입체구조 또는 그 동적인 변화를 검지하는 것을 특징으로 하는 샘플 처리 장치.
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