WO2012043028A1 - 生体ポリマーの光学的解析装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
固体基板と、
前記固体基板に設けられた少なくとも1つのナノポアと、
前記固体基板に配置された少なくとも1つの導電性薄膜と
を備え、前記固体基板のナノポアを形成する一部に導電性薄膜が設けられ、外部光を照射することにより、前記ナノポアに進入した生体ポリマーのラマン散乱光を発生させることを特徴とする生体ポリマーの特性解析チップ。
[2]前記外部光を前記導電性薄膜に照射することにより、前記導電性薄膜が前記ナノポアの開口部に面する端部において近接場を発生させ、前記ナノポアに進入した生体ポリマーのラマン散乱光を発生させることを特徴とする[1]に記載の生体ポリマーの特性解析チップ。
[3]前記導電性薄膜が鋭角の端部を有し、該鋭角の端部が前記ナノポアの開口部に面して配置されていることを特徴とする[1]又は[2]に記載の生体ポリマーの特性解析チップ。
[4]前記導電性薄膜を少なくとも2つ備え、少なくとも2つの導電性薄膜が前記ナノポアの開口部をはさんで互いに対向して配置されていることを特徴とする[1]~[3]のいずれかに記載の生体ポリマーの特性解析チップ。
[5]前記導電性薄膜が金属で形成されていることを特徴とする[1]~[4]のいずれかに記載の生体ポリマーの特性解析チップ。
[6]前記導電性薄膜がグラファイトで形成されていることを特徴とする[1]~[4]のいずれかに記載の生体ポリマーの特性解析チップ。
[7]前記導電性薄膜の厚さが0.1nm~10nmであることを特徴とする[1]~[6]のいずれかに記載の生体ポリマーの特性解析チップ。
[8]前記固体基板が光を実質的に透過する薄膜部分を有し、該薄膜部分にナノポアが設けられていることを特徴とする[1]~[7]のいずれかに記載の生体ポリマーの解析チップ。
[9]前記固体基板の表面に前記導電性薄膜が配置されていることを特徴とする[1]~[8]のいずれかに記載の生体ポリマーの特性解析チップ。
[10]前記固体基板の前記ナノポアの中心軸方向における中間の深さに前記導電性薄膜が配置されていることを特徴とする[1]~[8]のいずれかに記載の生体ポリマーの特性解析チップ。
[11]前記ナノポアの深さが、生体ポリマーを構成するモノマー単位の3倍以上の大きさであることを特徴とする[1]~[10]のいずれかに記載の生体ポリマーの特性解析チップ。
[12]前記生体ポリマーが、核酸、ペプチド核酸、タンパク質、糖鎖、及びアプタマーからなる群より選択されることを特徴とする[1]~[11]のいずれかに記載の生体ポリマーの特性解析チップ。
[13]前記生体ポリマーの特性解析が核酸の塩基配列の決定である、[1]~[12]のいずれかに記載の生体ポリマーの特性解析チップ。
[14]生体ポリマーの特性解析装置であって、
[1]~[13]のいずれかに記載の生体ポリマーの特性解析チップと、
光源と、
フレームレート1kHz以上の1次元又は2次元検出器と
を備え、前記光源から外部光を前記解析チップに照射し、該解析チップにおける生体ポリマーのラマン散乱光を前記検出器を用いて検出することを特徴とする生体ポリマーの特性解析装置。
[15]前記検出器からの計測値を記録するフレームバッファメモリをさらに備えることを特徴とする[14]に記載の生体ポリマーの特性解析装置。
[16]前記検出器として光電子増倍機構を有する検出器を備えることを特徴とする[14]又は[15]に記載の生体ポリマーの特性解析装置。
[17]前記フレームレートに同期して、生体ポリマー中のモノマーを1単位ずつ前記ナノポア中に進入させる試料移動機構をさらに備えることを特徴とする[14]~[16]のいずれかに記載の生体ポリマーの特性解析装置。
[18][1]~[13]のいずれかに記載の生体ポリマーの特性解析チップに外部光を照射し、ナノポアに進入した生体ポリマーのラマン散乱光を発生させる工程と、
前記ラマン散乱光のスペクトルに基づいて生体ポリマーの特性を解析する工程と
を含むことを特徴とする生体ポリマーの特性解析方法。
[19]前記生体ポリマーが、核酸、ペプチド核酸、タンパク質、糖鎖、及びアプタマーからなる群より選択されることを特徴とする[18]に記載の生体ポリマーの特性解析方法。
[20]核酸の塩基配列を決定することを特徴とする[18]又は[19]に記載の生体ポリマーの特性解析方法。
[21]前記生体ポリマーが、前記ナノポアに進入することができない第2のポリマーを含む試料溶液中に存在することを特徴とする[18]~[20]のいずれかに記載の生体ポリマーの特性解析方法。
本発明による生体ポリマー特性解析用のナノポアチップの構成の一例を図1を用いて説明する。図1は、本実施例の生体ポリマー特性解析用のナノポアチップ100の模式図である。図示のようにナノポアチップ100は、基板110、ナノポア120、及び導電性薄膜130、などから構成される。図示の通り、基板110の最も広い面(以下基板面)と平行な平面をxy面、導電性薄膜130とナノポア120を結ぶ方向をx軸、xy面と垂直な方向をz軸と定義する。ナノポア120は、基板面と概垂直に形成される、換言するとナノポアの中心軸はz軸と平行である。
本実施例におけるナノポアチップ100は以下の手順で作製した。基板110としてシリコン基板を用い、その表面にLPCVD(減圧化学気相成長)により厚さ約20nmの酸化膜を形成した(この酸化膜は最終的に薄膜部分111となる)。電子ビーム(EB)リソグラフィにより基板底面に窓部のパターンを形成し、リアクティブイオンエッチングにより表面層を除去した後、KOH(水酸化カリウム)ウエットエッチによりシリコンを除去することにより、薄膜部分111を有する窓部112を形成した。導電性薄膜130として、銀の薄膜をスパッタリングにより基板表面に形成した。銀の膜厚は約5nmとした。銀の薄膜の上にレジストを塗布し、図1に示す三角形様のパターンをEBリソグラフィにより形成し、三角形様パターン以外の領域の銀をエッチングにより除去し、レジストを除去した。最後に、透過型電子顕微鏡(TEM)で基板を観察し、三角形の端部131にTEMの電子ビームを照射することにより、ナノポア120を形成した。ナノポアの内径は約10nmであった。本実施例では薄膜部分111を酸化シリコンを用いて形成したが、窒化シリコン等も同様に使用できる。
ナノポアチップ100の基板110は主としてシリコン(Si)で形成される。基板の厚さは約700μmである。基板の薄膜部分111は酸化シリコン(SiO2)で形成され、厚みも約20nmと薄い。従って、基板の窓部112において、レーザ光は薄膜部分111を通過して導電性薄膜130を照射する。導電性薄膜130をレーザ光で照射することにより、その端部131に強い近接場が生じる。レーザ光は端部先端に向かう方向、すなわちx軸方向に偏光させたものを用いることが好ましい。この近接場のz方向の厚みは導電性薄膜130の厚みと同程度、すなわち5~10nm程度である。
実施例1の変形例として、下記の構成のごときナノポアチップ100aを実施することが可能である。図9は、本変形例によるナノポアチップ100aの模式図である。図示のようにナノポアチップ100aは、基板110、ナノポア120、及び導電性薄膜130a、130b、などから構成される。すなわち、実施例1における導電性薄膜130に相当する導電性薄膜を2つ有し、それら(導電性薄膜130a、130b)の片方を180度回転させ、端部をナノポアに向き合わせて配置した点が、実施例1と異なる。図10は本変形例のナノポアチップ100aのナノポア120の中心軸121を含むxz断面の模式拡大図である。図示の通り、導電性薄膜130a、130bは薄膜部分111のz軸上方に形成され、それらの端部131a、131bは、ナノポア120の開口部の上端にそれぞれ面し、互いに対向している。つまり導電性薄膜130aと130bは、ナノポア120の孔径とほぼ同じ距離を隔てて設置される。
本発明による生体ポリマー特性解析用のマルチナノポアチップの構成の一例を図11を用いて説明する。図11は、本実施例2の生体ポリマー特性解析用のマルチナノポアチップ1100の模式図である。図示のようにマルチナノポアチップ1100は、基板1110、ナノポア1120、1121、及び導電性薄膜1130a、1130b、1131a、1131b、などから構成される。図示の通り、本実施例のマルチナノポアチップ1100は、ナノポア及び対向する導電性薄膜などからなる上記変形例の単位構造、すなわち図10に例示される単位構造を、1つの基板1110に複数有する。
本発明による生体ポリマー特性解析を行うナノポアチップの構成の一例を図13を用いて説明する。図13は、本実施例3のナノポアチップ100bのナノポア120の中心軸121を含むxz断面の模式拡大図である。基板110はz軸上方の基板面に薄膜部分111aを有し、その上に導電性薄膜130a、130bを有し、さらにその上に薄膜部分111bを有する。その他は実施例1の変形例(図10)と同様である。
本発明による生体ポリマー特性解析用のナノポアチップの構成の一例を図14を用いて説明する。図14は、本実施例4の生体ポリマー特性解析用のナノポアチップ100cの模式図である。図示のようにナノポアチップ100cは、基板110、ナノポア120、及び導電性薄膜130a、130b、配線パターン132a、132b、コンタクト133a、133b、などから構成される。配線パターン132a、132b、コンタクト133a、133bは、それぞれ導電性薄膜130a、130bと電気的に導通する。
本発明による生体ポリマー特性解析用のナノポアチップの構成の一例を図15及び図16を用いて説明する。図15は、本実施例5のナノポアチップ100dの模式図である。ナノポアチップ100dは、基板110、ナノポア120、及び導電性薄膜130c、130d、などから構成される。図示のように本実施例5は実施例3と類似であるが、主に以下の点が異なる。第1に、導電性薄膜130c、130dとして単層のグラファイト、すなわちグラフェン(graphene)を用いた。第2に、導電性薄膜130c、130dの平面形状は、枠状の構造により周囲を取り囲む形で互いに連結されている。換言すると、導電性薄膜130c、130dは、空隙134a、134bを有する1枚の薄膜状の構造物である。(空隙134a、134bもナノポア120の部分で互いに連結している)。第3に、ナノポア120の直径として2nmのものを採用した点が異なる。なお枠状の構造と、ナノポア120との距離は、プラズモンの減衰距離と同等かやや長い距離とした。このように2つの導電性薄膜130cや130dの長さをプラズモンの減衰距離と同程度の距離とすることにより、導電性薄膜130cや130dで発生したプラズモンをナノポア近傍に十分到達させることができる。
110 基板
111、111a 基板の薄膜部分
111b 薄膜部分
112 基板の窓部
120 ナノポア
121 ナノポアの中心軸
130、130a、130b、130c、130d 導電性薄膜
131、131a、131b 導電性薄膜の端部
132a、132b 配線パターン
133a、133b コンタクト
134a、134b 空隙
200 解析装置
210 光源
220 レンズ
230 ハーフミラー
240 対物レンズ
250 フィルター
260 分光検出器
270 終端
300 試料セル
310 上部部材
320 下部部材
330 O-リング
410、420、430 試料用流路
440 (下部)試料用チャンバー
450 電極用チャンバー
460、470 試料用接続ポート
480 (下部)電極用接続ポート
540 (上部)試料用チャンバー
580 (上部)電極用接続ポート
600 xyz微動ステージ
700 試料駆動装置
1100 マルチナノポアチップ
1110 基板
1120、1121 ナノポア
1130a、1130b、1131a、1131b 導電性薄膜
2000 マルチ解析装置
2261 プリズム、
2262 結像レンズ
2263 2次元検出器
Claims (21)
- 生体ポリマーの特性解析チップであって、
固体基板と、
前記固体基板に設けられた少なくとも1つのナノポアと、
前記固体基板に配置された少なくとも1つの導電性薄膜と
を備え、前記固体基板のナノポアを形成する一部に導電性薄膜が設けられ、外部光を照射することにより、前記ナノポアに進入した生体ポリマーのラマン散乱光を発生させることを特徴とする生体ポリマーの特性解析チップ。 - 前記外部光を前記導電性薄膜に照射することにより、前記導電性薄膜が前記ナノポアの開口部に面する端部において近接場を発生させ、前記ナノポアに進入した生体ポリマーのラマン散乱光を発生させることを特徴とする請求項1に記載の生体ポリマーの特性解析チップ。
- 前記導電性薄膜が鋭角の端部を有し、該鋭角の端部が前記ナノポアの開口部に面して配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の生体ポリマーの特性解析チップ。
- 前記導電性薄膜を少なくとも2つ備え、少なくとも2つの導電性薄膜が前記ナノポアの開口部をはさんで互いに対向して配置されていることを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の生体ポリマーの特性解析チップ。
- 前記導電性薄膜が金属で形成されていることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載の生体ポリマーの特性解析チップ。
- 前記導電性薄膜がグラファイトで形成されていることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載の生体ポリマーの特性解析チップ。
- 前記導電性薄膜の厚さが0.1nm~10nmであることを特徴とする請求項1~6のいずれか1項に記載の生体ポリマーの特性解析チップ。
- 前記固体基板が光を実質的に透過する薄膜部分を有し、該薄膜部分にナノポアが設けられていることを特徴とする請求項1~7のいずれか1項に記載の生体ポリマーの解析チップ。
- 前記固体基板の表面に前記導電性薄膜が配置されていることを特徴とする請求項1~8のいずれか1項に記載の生体ポリマーの特性解析チップ。
- 前記固体基板の前記ナノポアの中心軸方向における中間の深さに前記導電性薄膜が配置されていることを特徴とする請求項1~8のいずれか1項に記載の生体ポリマーの特性解析チップ。
- 前記ナノポアの深さが、生体ポリマーを構成するモノマー単位の3倍以上の大きさであることを特徴とする請求項1~10のいずれか1項に記載の生体ポリマーの特性解析チップ。
- 前記生体ポリマーが、核酸、ペプチド核酸、タンパク質、糖鎖、及びアプタマーからなる群より選択されることを特徴とする請求項1~11のいずれか1項に記載の生体ポリマーの特性解析チップ。
- 前記生体ポリマーの特性解析が核酸の塩基配列の決定である、請求項1~12のいずれか1項に記載の生体ポリマーの特性解析チップ。
- 生体ポリマーの特性解析装置であって、
請求項1~13のいずれか1項に記載の生体ポリマーの特性解析チップと、
光源と、
フレームレート1kHz以上の1次元又は2次元検出器と
を備え、前記光源から外部光を前記解析チップに照射し、該解析チップにおける生体ポリマーのラマン散乱光を前記検出器を用いて検出することを特徴とする生体ポリマーの特性解析装置。 - 前記検出器からの計測値を記録するフレームバッファメモリをさらに備えることを特徴とする請求項14に記載の生体ポリマーの特性解析装置。
- 前記検出器として光電子増倍機構を有する検出器を備えることを特徴とする請求項14又は15に記載の生体ポリマーの特性解析装置。
- 前記フレームレートに同期して、生体ポリマー中のモノマーを1単位ずつ前記ナノポア中に進入させる試料移動機構をさらに備えることを特徴とする請求項14~16のいずれか1項に記載の生体ポリマーの特性解析装置。
- 請求項1~13のいずれか1項に記載の生体ポリマーの特性解析チップに外部光を照射し、ナノポアに進入した生体ポリマーのラマン散乱光を発生させる工程と、
前記ラマン散乱光のスペクトルに基づいて生体ポリマーの特性を解析する工程と
を含むことを特徴とする生体ポリマーの特性解析方法。 - 前記生体ポリマーが、核酸、ペプチド核酸、タンパク質、糖鎖、及びアプタマーからなる群より選択されることを特徴とする請求項18に記載の生体ポリマーの特性解析方法。
- 核酸の塩基配列を決定することを特徴とする請求項18又は19に記載の生体ポリマーの特性解析方法。
- 前記生体ポリマーが、前記ナノポアに進入することができない第2のポリマーを含む試料溶液中に存在することを特徴とする請求項18~20のいずれか1項に記載の生体ポリマーの特性解析方法。
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