WO2020105318A1 - Biomolecule analysis device and biomolecule analysis method - Google Patents

Biomolecule analysis device and biomolecule analysis method

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WO2020105318A1
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Abstract

The present invention makes it possible to suppress generation of background noise and measure a subject molecule with high SN ratio. This biomolecule analysis device includes: a thin film having nanopores; a pair of liquid vessels accommodating an electrolytic solution and disposed so as to sandwich the thin film; a pair of electrodes respectively disposed on the pair of liquid vessels; and a measurement unit connected to the pair of electrodes. The device is characterized in that the electrolytic solution has biomolecules modified by modifying molecules dissolved therein and has a pH of greater than 8.0, and the modifying molecules are prevented from passing through the nanopores on their own when the electrolytic solution has a pH of greater than 8.0.

Description

生体分子分析装置及び生体分子分析方法Biomolecule analyzer and biomolecule analysis method
 本開示は、生体分子分析装置及び生体分子分析方法に関する。 The present disclosure relates to a biomolecule analysis device and a biomolecule analysis method.
 水溶液中に存在する分子や粒子の検出や解析を行う手段として、ナノポアデバイスを用いた技術が検討されている。ナノポアデバイスは、メンブレンに検出対象となる分子や粒子と同程度の大きさの孔(ナノポア)を設け、メンブレンの上下に設けられたチャンバを水溶液で満たし、両チャンバ中の水溶液に接触するよう電極を設けたものである。チャンバの片側に検出対象物を導入し、電極間に電位差を与えて電気泳動させることによりナノポアを通過させ、両電極間に流れるイオン電流(封鎖信号)の時間変化を計測することで、検出対象物の通過を検出したり、検出対象物の構造的な特徴を解析したりすることができる。 -Technology using nanopore devices is being investigated as a means to detect and analyze molecules and particles present in aqueous solutions. The nanopore device is provided with pores (nanopores) of the same size as the molecules or particles to be detected in the membrane, fills the chambers above and below the membrane with an aqueous solution, and contacts the aqueous solution in both chambers with electrodes. Is provided. The detection target is introduced into one side of the chamber, passed through the nanopores by applying a potential difference between the electrodes and electrophoresed, and the time change of the ionic current (blocking signal) flowing between both electrodes is measured to detect the detection target. It is possible to detect the passage of an object and analyze the structural characteristics of the detection target.
 ナノポアデバイスの製造において、機械的強度が高いこと等の理由から、半導体基板や半導体材料を半導体プロセスにより加工してナノポアを形成する方法が注目を集めている。このようなナノポア形成方法として、例えば非特許文献1には、メンブレンとしてシリコン窒化膜(SiNx膜)を用い、TEM(transmission electron microscope)装置を用いて、電子ビームの照射面積をメンブレン上に小さく絞り、エネルギーや電流をコントロールすることで、直径が10nm以下のナノポアを形成することが開示されている。 In the production of nanopore devices, a method of forming a nanopore by processing a semiconductor substrate or a semiconductor material by a semiconductor process has attracted attention because of its high mechanical strength. As such a method for forming nanopores, for example, in Non-Patent Document 1, a silicon nitride film (SiNx film) is used as a membrane, and a TEM (transmission electron microscope) device is used to reduce the irradiation area of an electron beam to a small area on the membrane. It is disclosed that nanopores having a diameter of 10 nm or less are formed by controlling energy and current.
 また、特許文献1、非特許文献2~4には、メンブレンの絶縁破壊を利用したナノポア形成方法が開示されている。これらの方法においては、まず、孔の空いていないSiNxメンブレンを挟む上下のチャンバに水溶液を満たし、各チャンバの水溶液中に電極を浸して両電極間に高電圧を印加し続ける。電極間の電流値が急激に上昇して(メンブレンが絶縁破壊して)、予め設定したカットオフ電流値に到達したところでナノポアが形成されたと判断し、高電圧の印加を停止することで、ナノポアを形成する。本ナノポア形成方式は、TEM装置を用いたナノポア形成に比べ、製造コストが大幅に削減され、スループットが向上するという利点がある。また、本ナノポア形成方式は、メンブレンにナノポアを形成した後、メンブレンをチャンバから取り外すことなく検出対象物の測定に移行できる。そのため、ナノポアが大気中の汚染物質に曝されることがなく、測定時のノイズが少なくなるという利点がある。 Further, Patent Document 1 and Non-Patent Documents 2 to 4 disclose nanopore forming methods utilizing dielectric breakdown of a membrane. In these methods, first, the upper and lower chambers sandwiching a non-perforated SiNx membrane are filled with an aqueous solution, the electrodes are immersed in the aqueous solution of each chamber, and a high voltage is continuously applied between both electrodes. When the current value between the electrodes suddenly rises (dielectric breakdown of the membrane) and the preset cutoff current value is reached, it is judged that the nanopores have been formed, and by stopping the application of high voltage, the nanopores are stopped. To form. The present nanopore forming method has advantages that the manufacturing cost is significantly reduced and the throughput is improved as compared with the nanopore formation using the TEM device. In addition, the present nanopore forming method can shift to measurement of the detection target without removing the membrane from the chamber after forming the nanopore in the membrane. Therefore, there is an advantage that the nanopore is not exposed to pollutants in the air and noise during measurement is reduced.
 ナノポアを用いた測定の用途として、水溶液中の検出対象物の検出及び計数がある。例えば非特許文献5には、水溶液中に存在する特定配列のDNAのみにPNAとPEGとを結合させ、PNA及びPEGが修飾されたDNAがナノポアを通過する際のイオン電流の変化を測定することで、特定配列を有するDNAの検出や計数を行うことが開示されている。 The purpose of measurement using nanopore is to detect and count the detection target in aqueous solution. For example, in Non-Patent Document 5, PNA and PEG are bound only to DNA having a specific sequence present in an aqueous solution, and a change in ionic current when DNA modified with PNA and PEG passes through a nanopore is measured. Discloses to detect and count DNA having a specific sequence.
 このように、検出対象物の検出及び計数を行うナノポア計測においては、検出対象物に対し修飾分子を結合させ、封鎖信号量や、封鎖時間の違いを計測することで検出及び定量を行う。 In this way, in the nanopore measurement that detects and counts the detection target, the modification molecule is bound to the detection target and the amount of blocking signal and the difference in the blocking time are measured to perform detection and quantification.
 ナノポアを用いた測定の別の用途として、DNAの塩基配列の解読(DNAシーケンシング)がある。すなわち、DNAがナノポアを通過する際のイオン電流の変化を検出することで、DNA鎖中の4種塩基の配列の決定をするという方法である。 Another application of measurement using nanopores is decoding the base sequence of DNA (DNA sequencing). That is, it is a method of determining the sequence of four types of bases in a DNA chain by detecting a change in ionic current when DNA passes through a nanopore.
国際公開第2013/167955号International Publication No. 2013/167955
 しかしながら、上記従来例のように、ナノポアを用いて検出対象物の検出及び計数を行うナノポア計測において、未結合の修飾分子が単体でナノポアを通過してしまうと、修飾分子由来の信号がバックグラウンドノイズとなってしまい、未修飾の計測対象分子と修飾分子のサイズが近しい場合、もしくは修飾された計測対象分子と修飾分子のサイズが近しい場合に、解析時にこれらの信号の違いを認識して修飾分子由来の信号を取り除くことが難しくなる。 However, as in the above-mentioned conventional example, in the nanopore measurement for detecting and counting the detection target using the nanopore, when the unbound modified molecule alone passes through the nanopore, the signal derived from the modified molecule becomes the background. If the size of the unmodified measurement target molecule is close to that of the modified molecule, or if the size of the modified measurement target molecule is close to the size of the modified molecule, the difference between these signals will be recognized and modified during analysis. It becomes difficult to remove the signal derived from the molecule.
 そこで、本開示は、バックグラウンドノイズの発生を抑制し、高SN比で対象分子を計測する生体分子分析装置及び生体分子分析方法を提供する。 Therefore, the present disclosure provides a biomolecule analysis device and a biomolecule analysis method for suppressing generation of background noise and measuring a target molecule with a high SN ratio.
 本開示の生体分子分析装置は、ナノポアを有する薄膜と、前記薄膜を挟むよう配置され、電解質溶液を収容する一対の液槽と、前記一対の液槽のそれぞれに配置される一対の電極と、前記一対の電極に接続される測定部と、を備え、前記電解質溶液は、修飾分子が修飾された生体分子が溶解され、pHが8.0より大きく、前記修飾分子は、前記電解質溶液のpHが8.0より大きい場合、単体では前記ナノポアの通過が阻止されることを特徴とする。 The biomolecule analysis device of the present disclosure is a thin film having nanopores, a pair of liquid tanks arranged so as to sandwich the thin film, and a pair of liquid tanks containing an electrolyte solution, and a pair of electrodes arranged in each of the pair of liquid tanks, A measuring unit connected to the pair of electrodes, wherein the electrolyte solution dissolves a biomolecule modified with a modifying molecule and has a pH of more than 8.0, and the modifying molecule has a pH of the electrolyte solution. Is larger than 8.0, the passage of the nanopore is blocked by itself.
 本開示に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、本開示の態様は、要素及び多様な要素の組み合わせ及び以降の詳細な記述と添付される特許請求の範囲の様態により達成され実現される。
 本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味に於いても限定するものではないことを理解する必要がある。
Further features related to the present disclosure will be apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings. Also, the aspects of the present disclosure are achieved and realized by the elements and combinations of various elements, and the following detailed description and the aspects of the appended claims.
It is to be understood that the description herein is merely exemplary in nature and is not intended to limit the scope or claims of the disclosure in any way.
 本開示によれば、バックグラウンドノイズの発生を抑制し、高SN比で対象分子を計測できる。
 前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
According to the present disclosure, generation of background noise can be suppressed and target molecules can be measured with a high SN ratio.
Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of the embodiments.
第1の実施形態に係るナノポア計測システムの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the nanopore measurement system which concerns on 1st Embodiment. ナノポア計測システムによる計測対象分子の定量方法を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the quantification method of the measurement object molecule by a nanopore measurement system. 計測対象分子を示す模式図(a)及び検体のナノポアへの導入の様子を示す模式図(b)である。It is a schematic diagram (a) which shows a molecule | numerator for measurement, and a schematic diagram (b) which shows a mode of introduction | transduction of a test substance into nanopore. 実験例1の評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of Experimental example 1. 実験例2の評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of Experimental example 2. 実験例3の評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of Experimental example 3. 第1の実施形態に係るナノポア計測システムのハードウェア外観構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the hardware external appearance structure of the nanopore measurement system which concerns on 1st Embodiment. 検体の前処理方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the pre-processing method of a sample. 第2の実施形態に係る修飾分子の結合方法を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the binding | bonding method of the modification molecule | numerator which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る修飾分子の結合方法を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the binding | bonding method of the modification molecule | numerator which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係る修飾分子の結合方法を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the binding | bonding method of the modification molecule | numerator concerning 3rd Embodiment. 第4の実施形態に係るナノポア計測システムの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the nanopore measurement system which concerns on 4th Embodiment.
 以下、図面に基づいて、本開示の実施の形態を説明する。なお、添付の図面は、本開示の原理に則った具体的な実施例を示しているが、それらは本開示の理解のためのものであり、決して本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。 Hereinafter, an embodiment of the present disclosure will be described based on the drawings. It should be noted that although the accompanying drawings show specific embodiments according to the principles of the present disclosure, they are for understanding of the present disclosure, and are not used for limiting interpretation of the present disclosure. It is not something that can be done.
[第1の実施形態]
 図1は、第1の実施形態に係るナノポア計測システムの構成を示す模式図である。ナノポア計測システムは、生体分子分析装置1と、コンピュータ端末108とを備える。生体分子分析装置1は、生体分子分析デバイス100、電流計106(測定部)及び電源107を備える。本実施形態において、分析対象となる計測対象分子109としては、例えば、核酸をモノマとするDNAやRNA、あるいはアミノ酸をモノマとするポリペプチドやタンパク質などの生体分子が挙げられる。本実施形態においては、一例として、生体分子分析装置1が計測対象となるDNAを計数する分子カウンティングデバイスである例を説明する。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the nanopore measurement system according to the first embodiment. The nanopore measurement system includes the biomolecule analysis device 1 and a computer terminal 108. The biomolecule analysis apparatus 1 includes a biomolecule analysis device 100, an ammeter 106 (measurement unit), and a power supply 107. In the present embodiment, the measurement target molecule 109 to be analyzed may be, for example, a biomolecule such as DNA or RNA having a nucleic acid as a monomer, or a polypeptide or protein having an amino acid as a monomer. In the present embodiment, as an example, an example in which the biomolecule analyzer 1 is a molecular counting device that counts the DNA to be measured will be described.
 生体分子分析デバイス100は、ナノポア101を有するナノポアデバイス102、液槽104A及び104B(一対の液槽)、並びに電極105A及び105B(一対の電極)を備える。生体分子分析デバイス100によるナノポア計測方式として、電極105A及び105B間に電圧を印加することにより計測対象分子109を電気泳動させてナノポア101へ導入する方式を採用する。なお、計測対象分子109のナノポア101への導入方式はこれに限定されず、その他の方式を採用してもよい。 The biomolecule analysis device 100 includes a nanopore device 102 having a nanopore 101, liquid tanks 104A and 104B (a pair of liquid tanks), and electrodes 105A and 105B (a pair of electrodes). As a nanopore measurement method by the biomolecule analysis device 100, a method of applying a voltage between the electrodes 105A and 105B to electrophorese the measurement target molecule 109 and introduce it into the nanopore 101 is adopted. The method of introducing the molecule 109 to be measured into the nanopore 101 is not limited to this, and other methods may be adopted.
 ナノポアデバイス102は、ナノポア101が形成された薄膜102Aと、薄膜102Aを挟持する薄膜固定部材102B及び102Cとを備える。 The nanopore device 102 includes a thin film 102A on which the nanopore 101 is formed, and thin film fixing members 102B and 102C that sandwich the thin film 102A.
 薄膜102Aは、中心に細孔を有するタンパク質が埋め込まれた両親媒性分子層からなる脂質二重層(バイオ式ナノポア)であってもよいし、半導体微細加工技術で形成可能な材質からなる薄膜(ソリッド式ナノポア)であってもよい。半導体微細加工技術で形成可能な材質としては、例えば窒化ケイ素(SiN)、酸化ケイ素(SiO)、酸窒化ケイ素(SiON)、酸化ハフニウム(HfO)、二硫化モリブデン(MoS)、グラフェンなどが挙げられる。 The thin film 102A may be a lipid bilayer (bio-type nanopore) composed of an amphipathic molecule layer in which a protein having a pore in the center is embedded, or a thin film composed of a material that can be formed by semiconductor microfabrication technology ( It may be a solid type nanopore). Materials that can be formed by the semiconductor fine processing technology include, for example, silicon nitride (SiN), silicon oxide (SiO 2 ), silicon oxynitride (SiON), hafnium oxide (HfO 2 ), molybdenum disulfide (MoS 2 ), and graphene. Is mentioned.
 薄膜102Aの厚さは、1Å~200nmとすることができ、状況に応じて1Å~100nmや、1Å~50nmとすることができ、例としては約5nmとすることができる。 The thickness of the thin film 102A can be set to 1 Å to 200 nm, and can be set to 1 Å to 100 nm or 1 Å to 50 nm depending on the situation, for example, about 5 nm.
 薄膜102Aは、積層体であってもよい。薄膜102Aを積層体とする場合、例えばSi/SiOの2層構造や、Si/SiO/Siの3層構造などとすることができる。3層構造の場合、中間層はポリシリコンであっても良い。積層数や各層の材質はこれらに限定されず、任意に変更可能である。 The thin film 102A may be a laminated body. If the thin film 102A and the laminate, for example, Si 3 N 4/2-layer structure or of SiO 2, can be a three-layer structure in the Si 3 N 4 / SiO 2 / Si 3 N 4. In the case of a three-layer structure, the intermediate layer may be polysilicon. The number of layers and the material of each layer are not limited to these, and can be changed arbitrarily.
 薄膜102Aは、例えば以下の手順で作製することができる。まず、725μm厚の8インチSiウエハの表面に、Si/SiO/Siを12nm/250nm/100nmで成膜し、裏面にSiを112nm成膜する。次に、表面最上部のSiを500nm四方反応性エッチングし、裏面のSiを1038μm四方反応性イオンエッチングする。さらに裏面については、エッチングにより露出したSi基板をTMAH(Tetramethylammonium hydroxide)により更にエッチングする。Siエッチングの間は、表面側SiOのエッチングを防ぐため、ウエハ表面を保護膜(ProTEK B3 primer and ProTEK B3、ブリューワーサイエンス社製、「ProTEK」は登録商標)で覆う。 The thin film 102A can be manufactured by the following procedure, for example. First, Si 3 N 4 / SiO 2 / Si 3 N 4 is deposited at a thickness of 12 nm / 250 nm / 100 nm on the surface of a 725 μm thick 8-inch Si wafer, and Si 3 N 4 is deposited at a thickness of 112 nm on the back surface. Then, Si 3 N 4 on the uppermost surface is subjected to 500 nm square reactive etching, and Si 3 N 4 on the rear surface is subjected to 1038 μm square reactive ion etching. Further, with respect to the back surface, the Si substrate exposed by the etching is further etched by TMAH (Tetramethylammonium hydroxide). During Si etching, the wafer surface is covered with a protective film (ProTEK B3 primer and ProTEK B3, manufactured by Brewer Science Co., Ltd., “ProTEK” is a registered trademark) in order to prevent etching of SiO on the surface side.
 次に、保護膜を取り除いた後、500nm四方で露出しているSiO層をBHF溶液(HF/NHF=1/60、8min)で取り除く。これにより、膜厚12nmの薄膜Siが露出した仕切り体が得られる。ポリシリコンが犠牲層に選択された場合は、KOHによるエッチングにより薄膜102Aが露出される。この段階では、薄膜102Aにナノポアは設けられていない。 Next, after removing the protective film, the SiO layer exposed in a square of 500 nm is removed with a BHF solution (HF / NH 4 F = 1/60, 8 min). Thereby, a partition body in which the thin film Si 3 N 4 having a film thickness of 12 nm is exposed is obtained. If polysilicon is selected for the sacrificial layer, etching with KOH exposes thin film 102A. At this stage, the nanopore is not provided in the thin film 102A.
 ナノポア101の寸法は、分析対象である計測対象分子109の修飾分子110の種類に応じて適切な寸法を選択することができ、例えば0.9nm~100nmであり、状況に応じて0.9nm~50nmとすることができ、具体的にはおよそ0.9nm以上30nm以下などである。例えば修飾分子110として、直径が約10nmであるストレプトアビジンを計測対象分子109に修飾した場合のナノポア径は、5nm~30nmとすることができ、状況に応じて5nm~15nmとすることができ、具体的には約10nmとすることができる。また、例えば直径が約30nmであるdCas9を修飾分子110とした場合のナノポア径は、40nm以下とすることができる。 The size of the nanopore 101 can be selected according to the type of the modified molecule 110 of the measurement target molecule 109 which is the analysis target, and is, for example, 0.9 nm to 100 nm, and 0.9 nm to 100 nm depending on the situation. The thickness can be set to 50 nm, and specifically, it is about 0.9 nm or more and 30 nm or less. For example, as the modified molecule 110, the nanopore diameter when streptavidin having a diameter of about 10 nm is modified on the measurement target molecule 109 can be 5 nm to 30 nm, and can be 5 nm to 15 nm depending on the situation. Specifically, it can be about 10 nm. Further, for example, when dCas9 having a diameter of about 30 nm is used as the modifying molecule 110, the nanopore diameter can be set to 40 nm or less.
 ナノポア101の深さは、薄膜102Aの厚さを調節することにより調節することができる。また、ナノポア101の水平面における断面の形状は、基本的には略円形であるが、略楕円形や略多角形とすることも可能である。 The depth of the nanopore 101 can be adjusted by adjusting the thickness of the thin film 102A. Further, the shape of the cross section of the nanopore 101 on the horizontal plane is basically substantially circular, but it may be substantially elliptical or polygonal.
 液槽104A及び104Bは、ナノポアデバイス102を挟むように配置され、それぞれ電解質溶液103が満たされる。液槽104A内に電極105Aが配置され、液槽104B内に電極105Bが配置される。液槽104A及び104Bは、封鎖電流の測定に影響を及ぼさない材質、形状及び大きさで形成される。電解質溶液103の容量は、例えばマイクロリットルオーダー又はミリリットルオーダーである。 The liquid tanks 104A and 104B are arranged so as to sandwich the nanopore device 102, and each is filled with the electrolyte solution 103. Electrode 105A is arranged in liquid tank 104A, and electrode 105B is arranged in liquid tank 104B. The liquid tanks 104A and 104B are formed of materials, shapes and sizes that do not affect the measurement of the blocking current. The capacity of the electrolyte solution 103 is, for example, on the order of microliters or milliliters.
 電解質溶液103に溶解される電解質として、例えば塩化カリウム(KCl)等のカリウム塩、塩化アンモニウム(NHCl)や硫酸アンモニウム((NHSO)等のアンモニウム塩、塩化マグネシウム(MgCl)や硫酸マグネシウム(MgSO)等のマグネシウム塩など、一般に用いられる電解質を使用することができる。電解質として、リチウム塩、ナトリウム塩、ルビジウム塩、セシウム塩等を使用してもよい。これらの電解質のうち、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。 As the electrolyte to be dissolved in the electrolyte solution 103, for example, potassium salt such as potassium chloride (KCl), ammonium salt such as ammonium chloride (NH 4 Cl) or ammonium sulfate ((NH 4 ) 2 SO 4 ), magnesium chloride (MgCl 2 ) Commonly used electrolytes such as magnesium salts such as magnesium sulfate (MgSO 4 ) and magnesium sulfate can be used. As the electrolyte, lithium salt, sodium salt, rubidium salt, cesium salt or the like may be used. Of these electrolytes, one kind may be used alone, or two or more kinds may be used in combination.
 電解質溶液103は、バッファを含む。バッファは、例えば、Tris、EDTA、リン酸緩衝生理食塩水(PBS)、非イオン性界面活性剤、Tris-HClなどを含むことができる。 The electrolyte solution 103 contains a buffer. The buffer can include, for example, Tris, EDTA, phosphate buffered saline (PBS), nonionic detergent, Tris-HCl, and the like.
 電解質溶液103として、一般的には、(NHSO、KCl、MgSO、非イオン界面活性剤及びTris-HClなどを含むものが用いられる。修飾分子110を導入しない側の液槽104Bには、計測対象分子109の自己相補鎖形成抑制のため、4M以上のUreaや、DMSO、DMF、NaOHを混在させることも可能である。電解質溶液103のより詳細な説明は後述する。 As the electrolyte solution 103, a solution containing (NH 4 ) 2 SO 4 , KCl, MgSO 4 , a nonionic surfactant, Tris-HCl, or the like is generally used. In order to suppress the formation of the self-complementary strand of the molecule 109 to be measured, it is possible to mix Urea of 4 M or more, DMSO, DMF, and NaOH in the liquid tank 104B on the side where the modifying molecule 110 is not introduced. A more detailed description of the electrolyte solution 103 will be given later.
 電極105A及び105Bは、電解質溶液103中の電解質と電子授受反応(ファラデー反応)を行うことが可能な材質で作製され、典型的には、ハロゲン化銀又はハロゲン化アルカリ銀で作製される。電位安定性及び信頼性の観点からは、銀又は塩化銀を使用することができる。 The electrodes 105A and 105B are made of a material capable of performing an electron transfer reaction (Faraday reaction) with the electrolyte in the electrolyte solution 103, and typically made of silver halide or alkali silver halide. From the viewpoint of potential stability and reliability, silver or silver chloride can be used.
 電極105A及び105Bは、分極電極となる材質で作製されてもよく、例えば金や白金などで作製されてもよい。その場合、安定的なイオン電流を確保するために電解質溶液103に電子授受反応を補助することができる物質、例えばフェリシアン化カリウム又はフェロシアン化カリウムなどを添加することができる。あるいは、電子授受反応を行うことが可能な物質、例えばフェロセン類をその分極電極表面に固定化することができる。 The electrodes 105A and 105B may be made of a material that becomes a polarized electrode, for example, gold or platinum. In that case, in order to secure a stable ionic current, a substance capable of assisting the electron transfer reaction, such as potassium ferricyanide or potassium ferrocyanide, can be added to the electrolyte solution 103. Alternatively, a substance capable of performing an electron transfer reaction, such as ferrocene, can be immobilized on the surface of the polarized electrode.
 電極105A及び105Bは、全体的に上記の材質で構成されていてもよいし、下地材(銅、アルミニウムなど)の表面に上記の材質が被覆されていてもよい。電極105A及び105Bの形状は特に限定されるものではないが、電解質溶液103と接する表面積が大きくなる形状を採用することができる。 The electrodes 105A and 105B may be entirely made of the above material, or the surface of a base material (copper, aluminum, etc.) may be coated with the above material. The shapes of the electrodes 105A and 105B are not particularly limited, but a shape having a large surface area in contact with the electrolyte solution 103 can be adopted.
 電極105A及び105Bは、配線と接合されて、電流計106の測定回路へと電気的信号が送られる。図1において図示は省略しているが、生体分子分析デバイス100の外周面には、電極105A及び105Bと電気的に接続された接続端子が設けられ、これにより電極105A及び105Bは、電源107及び電流計106と接続される。 The electrodes 105A and 105B are joined to the wiring, and an electric signal is sent to the measuring circuit of the ammeter 106. Although not shown in FIG. 1, connection terminals electrically connected to the electrodes 105A and 105B are provided on the outer peripheral surface of the biomolecule analysis device 100, whereby the electrodes 105A and 105B are connected to the power source 107 and It is connected to the ammeter 106.
 電流計106は、電極105Aと105Bとの間に流れるイオン電流を測定する。図示は省略しているが、電流計106は、電極105Aと105Bとの間に流れる電流を増幅するアンプと、アナログ/デジタル変換器とを有する。電流計106は、例えば有線又は無線でコンピュータ端末108に接続され、アナログ/デジタル変換器から、検出したイオン電流の電流値をデジタル信号としてコンピュータ端末108に出力する。 The ammeter 106 measures an ionic current flowing between the electrodes 105A and 105B. Although not shown, the ammeter 106 has an amplifier that amplifies the current flowing between the electrodes 105A and 105B, and an analog / digital converter. The ammeter 106 is connected to the computer terminal 108, for example, by wire or wirelessly, and outputs the current value of the detected ion current from the analog / digital converter to the computer terminal 108 as a digital signal.
 コンピュータ端末108は、例えばパーソナルコンピュータ、スマートフォン、タブレットなどの端末であり、各種データを処理するデータ処理部を有する。データ処理部は、電流計106から出力されたイオン電流の電流値に基づいて、計測対象分子109を計数したり、生体分子のモノマ配列情報を取得したりする。また、コンピュータ端末108は、電流計106の出力値や、データ処理部により算出されるデータ等を記憶する記憶部を備える。 The computer terminal 108 is, for example, a terminal such as a personal computer, a smartphone, or a tablet, and has a data processing unit that processes various data. The data processing unit counts the molecules to be measured 109 or acquires monomer sequence information of biomolecules based on the current value of the ionic current output from the ammeter 106. The computer terminal 108 also includes a storage unit that stores the output value of the ammeter 106, data calculated by the data processing unit, and the like.
 電源107から電極105A及び105Bに対し電圧が印加されると、ナノポア101の近傍に電場が生じ、電解質溶液103中で負に帯電した計測対象分子109は電気泳動し、ナノポア101内を通過する。その際、封鎖電流が流れる。生体分子分析デバイス100を用いた封鎖電流計測では、計測対象分子109の非存在下で計測される電流値を基準(ポア電流)とし、計測対象分子109を封入した際に観測される電流の減少(ナノポア101の計測対象分子109による封鎖)を計測し、分子の通過速度や状態を観測する。計測対象分子109がナノポア101を通過し終わると、取得電流値は、ポア電流に戻る。この封鎖時間から、計測対象分子109のナノポア通過速度を解析し、封鎖量から計測対象分子109の特性を解析することができる。 When a voltage is applied from the power supply 107 to the electrodes 105A and 105B, an electric field is generated in the vicinity of the nanopore 101, and the measurement target molecule 109 negatively charged in the electrolyte solution 103 is electrophoresed and passes through the inside of the nanopore 101. At that time, a blocking current flows. In the blockade current measurement using the biomolecule analysis device 100, the current value measured in the absence of the measurement target molecule 109 is used as a reference (pore current), and the current observed when the measurement target molecule 109 is encapsulated decreases. (Blocking of the nanopore 101 by the measurement target molecule 109) is measured, and the passing speed and state of the molecule are observed. When the measurement target molecule 109 has finished passing through the nanopore 101, the acquired current value returns to the pore current. It is possible to analyze the nanopore passage speed of the measurement target molecule 109 from this blocking time, and to analyze the characteristic of the measurement target molecule 109 from the blocking amount.
 ナノポア計測方式として、上記のように封鎖電流を計測する方式以外に以下の方法を採用することも可能である。一つは、電極105A及び105B以外にもう一対の電極をナノポア近傍に設け、該一対の電極の間に電圧を印加し、生体分子が通過した際に発生するトンネル電流の変化を計測する方法である。その他に、FETデバイスをナノポアメンブレンに設け、デバイスで取得されるトランジスタの信号変化を計測する方法がある。また、ナノポア近傍に照射された光の吸収、反射、蛍光特性などの光学的信号を計測することも可能である。 As the nanopore measurement method, it is possible to adopt the following method in addition to the method of measuring the blocking current as described above. One is a method in which, in addition to the electrodes 105A and 105B, another pair of electrodes is provided in the vicinity of the nanopore, a voltage is applied between the pair of electrodes, and a change in tunnel current generated when a biomolecule passes through is measured. is there. In addition, there is a method of providing a FET device on a nanopore membrane and measuring a signal change of a transistor acquired by the device. It is also possible to measure optical signals such as absorption, reflection and fluorescence characteristics of the light irradiated near the nanopore.
 なお、図1に示すように、電源107、電流計106及びコンピュータ端末108を生体分子分析デバイス100に対して別部材とするのではなく、電源107、電流計106及びコンピュータ端末108を生体分子分析デバイス100と一体構成としても良い。また、図示は省略しているが、生体分子分析デバイス100は、計測対象分子109などのサンプルを電解質溶液103に導入するためのサンプル導入口を備える。 As shown in FIG. 1, the power supply 107, the ammeter 106, and the computer terminal 108 are not separate members from the biomolecule analysis device 100, but the power supply 107, the ammeter 106, and the computer terminal 108 are used for biomolecule analysis. It may be integrated with the device 100. Although not shown, the biomolecule analysis device 100 includes a sample introduction port for introducing a sample such as the measurement target molecule 109 into the electrolyte solution 103.
 次に、薄膜102A中にナノポア101を形成する方法について説明する。ナノポア101は、例えば、透過型電子顕微鏡などによる電子ビーム照射や電圧印加による絶縁破壊などにより、薄膜102Aに形成される。 Next, a method of forming the nanopore 101 in the thin film 102A will be described. The nanopore 101 is formed on the thin film 102A by, for example, electron beam irradiation by a transmission electron microscope or the like, or dielectric breakdown by voltage application.
 電圧印加によるナノポア101の形成は、例えば以下の手順で行うことができる。薄膜102Aを生体分子分析デバイス100にセットする前に、Ar/O2 plasma(サムコ株式会社製)により、10W、20sccm、20Pa、45secの条件で、Si薄膜を親水化する。次に、生体分子分析デバイス100に薄膜102Aをセットする。その後、液槽104A及び104Bに電解質溶液103を満たし、液槽104A及び104Bのそれぞれに電極105A及び105Bを導入し、電圧を印加する。 The nanopore 101 can be formed by applying a voltage, for example, by the following procedure. Before setting the thin film 102A on the biomolecule analysis device 100, the Si 3 N 4 thin film is made hydrophilic by Ar / O 2 plasma (manufactured by Samco Co., Ltd.) under the conditions of 10 W, 20 sccm, 20 Pa, and 45 sec. Next, the thin film 102A is set on the biomolecule analysis device 100. After that, the liquid tanks 104A and 104B are filled with the electrolyte solution 103, the electrodes 105A and 105B are introduced into the liquid tanks 104A and 104B, and a voltage is applied.
 ここで、下側に位置する液槽104Bをcis槽と呼び、上側に位置する液槽104Aをtrans槽と呼ぶ。cis槽側の電極に印加する電圧Vcisを0Vに設定し、trans槽側の電極に電圧Vtransを印加する。電圧Vtransは、例えばパルス発生器(41501B SMU AND Pulse Generator Expander、アジレントテクノロジーズ社製)によりパルス電圧として印加される。ナノポア101の形成のために電圧を印加するプロセスは、例えば自作プログラム(Excel VBA、Visual Basic for Applications)で制御する。 Here, the liquid tank 104B located on the lower side is called a cis tank, and the liquid tank 104A located on the upper side is called a trans tank. The voltage Vcis applied to the electrode on the cis tank side is set to 0 V, and the voltage Vtrans is applied to the electrode on the trans tank side. The voltage Vtrans is applied as a pulse voltage by, for example, a pulse generator (41501B SMU AND Pulse Generator Expander, manufactured by Agilent Technologies). The process of applying a voltage to form the nanopore 101 is controlled by, for example, a self-made program (Excel VBA, Visual Basic for Applications).
 パルス電圧の印加後の電流値は、電流計106(4156B PRECISION SEMICONDUCTOR ANALYZER、アジレントテクノロジーズ社製)で読み取ることができる。ナノポア101の直径は、イオン電流値から見積もることができる。パルス電圧の印加前に形成されたナノポア101の直径に応じて電流値条件(閾値電流)を選択し、順次、ナノポア101の直径を大きくしつつ、目的とする直径を得る。 The current value after applying the pulse voltage can be read by the ammeter 106 (4156B PRECISION SEMICONDUCTOR ANALYZER, manufactured by Agilent Technologies). The diameter of the nanopore 101 can be estimated from the ion current value. A current value condition (threshold current) is selected according to the diameter of the nanopore 101 formed before the application of the pulse voltage, and the diameter of the nanopore 101 is successively increased to obtain the target diameter.
 条件選択の基準は表1の通りである。ここで、n番目のパルス電圧印加時間t(ただし、n>2の整数。)は、次式で決定される。 Table 1 shows the criteria for selecting the conditions. Here, the n-th pulse voltage application time t n (where n> 2 is an integer) is determined by the following equation.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
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Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
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 ナノポア101を形成するタイミングは、出荷時でも構わないし、計測直前でも構わない。一般に、EBリソグラフィーや電子線照射によって形成されたナノポア101は、出荷前に形成される。電圧印加によって形成されるナノポア101は出荷前でも計測直前でも構わない。ナノポア101の形成後、あるいは薄膜102Aの形成後に、塩溶液などに浸して出荷することで、ナノポア101の親水性を維持することが可能である。また、これにより、計測時に送液した際に気泡が噛んでしまうことを避けることが可能である。 The timing of forming the nanopore 101 may be at the time of shipment or immediately before measurement. Generally, the nanopore 101 formed by EB lithography or electron beam irradiation is formed before shipping. The nanopore 101 formed by applying a voltage may be before shipment or immediately before measurement. After forming the nanopore 101 or after forming the thin film 102A, the hydrophilicity of the nanopore 101 can be maintained by immersing it in a salt solution or the like before shipping. Further, by this, it is possible to avoid the bubbles from being bitten when the liquid is sent during the measurement.
 図1に示すように、計測対象分子109は、修飾分子110と共に電解質溶液103に導入される。計測対象分子109は、予め修飾分子110とバッファ中で結合させてから、電解質溶液103に導入されてもよい。ここで、計測対象分子109に結合可能な修飾分子110を計測対象分子109に対して過剰量混在させることで、計測対象分子109の定量性を上げることができる。これにより、電解質溶液103には、計測対象分子109に結合しなかった修飾分子110が一定数残存することになる。 As shown in FIG. 1, the measurement target molecule 109 is introduced into the electrolyte solution 103 together with the modifying molecule 110. The measurement target molecule 109 may be bound to the modification molecule 110 in a buffer in advance and then introduced into the electrolyte solution 103. Here, by mixing the modification molecule 110 capable of binding to the measurement target molecule 109 in an excessive amount with respect to the measurement target molecule 109, the quantitativeness of the measurement target molecule 109 can be improved. As a result, a certain number of modified molecules 110 that have not bound to the measurement target molecule 109 remain in the electrolyte solution 103.
 計測対象分子109が核酸である場合、計測対象分子109は負に帯電しているため、電極105A及び105Bに電圧を印加することで正極側に計測対象分子109が引き寄せられ、ナノポア101に導入される。電解質溶液103には、修飾分子110が修飾された計測対象分子109の他に、非計測対象分子114や、計測対象分子109に結合できなかった修飾分子110が混在する。 When the measurement target molecule 109 is a nucleic acid, the measurement target molecule 109 is negatively charged, and therefore the measurement target molecule 109 is attracted to the positive electrode side by applying a voltage to the electrodes 105A and 105B, and is introduced into the nanopore 101. It In the electrolyte solution 103, in addition to the measurement target molecule 109 modified with the modification molecule 110, the non-measurement target molecule 114 and the modified molecule 110 that cannot bind to the measurement target molecule 109 are mixed.
 図2は、本実施形態のナノポア計測システムによる計測対象分子109の定量方法を示す模式図である。生体分子分析デバイス100は、サンプル導入口140、ナノポアデバイス102及び電極基板150を備え、使い捨てチップとして用いられる。図2に示す例においては、ナノポアデバイス102は、複数のナノポア101を有するアレイデバイスである。 FIG. 2 is a schematic diagram showing a method of quantifying the measurement target molecule 109 by the nanopore measurement system of the present embodiment. The biomolecule analysis device 100 includes a sample introduction port 140, a nanopore device 102, and an electrode substrate 150, and is used as a disposable chip. In the example shown in FIG. 2, the nanopore device 102 is an array device having a plurality of nanopores 101.
 生体分子分析デバイス100は、電極105A及び105Bにそれぞれ接続された配線等により計測器170に接続される。計測器170は、電流計106、電源107、制御回路(図示せず)等を搭載し、コンピュータ端末108と有線又は無線で通信可能に構成される。 The biomolecule analysis device 100 is connected to the measuring instrument 170 by wiring or the like connected to the electrodes 105A and 105B, respectively. The measuring instrument 170 is equipped with an ammeter 106, a power source 107, a control circuit (not shown) and the like, and is configured to be capable of wired or wireless communication with the computer terminal 108.
 電解質溶液103には、検体(サンプル)として、計測対象分子A~C(計測対象分子109)と、それぞれこれらに結合可能なプローブA~C(修飾分子110)と、非計測対象分子D(非計測対象分子114)とが、例えば分注ノズル160を用いて生体分子分析デバイス100のサンプル導入口140から導入される。 In the electrolyte solution 103, measurement target molecules A to C (measurement target molecule 109), probes A to C (modification molecule 110) capable of binding to them, respectively, and non-measurement target molecule D (non-measurement target) are provided as analytes (samples). The molecule to be measured 114) is introduced from the sample introduction port 140 of the biomolecule analysis device 100 using, for example, the dispensing nozzle 160.
 図2に示すように、修飾分子110として、計測対象分子109の種類や特性などに応じて、異なる大きさ(体積)や異なる電気的特性のものを用いることで、各計測対象分子109に応じて異なる封鎖電流量や信号持続時間が計測されるため、各計測対象分子109の計数が可能となる。なお、図2に示す例においては、計測対象分子A~C及び非計測対象分子Dは一本鎖DNAであるが、これに限定されず、全体的又は部分的に二本鎖であってもよい。 As shown in FIG. 2, as the modified molecule 110, different sizes (volumes) and different electrical characteristics are used according to the type and characteristics of the measurement target molecule 109, so that the measurement target molecule 109 can be adjusted. Since different blocking current amounts and signal durations are measured, it is possible to count each measurement target molecule 109. In the example shown in FIG. 2, the measurement target molecules A to C and the non-measurement target molecule D are single-stranded DNAs, but the present invention is not limited to this, and even if they are wholly or partially double-stranded. Good.
 ユーザーは、生体分子分析デバイス100に上記検体を導入した後、電源107を駆動させて電極105Aと複数の電極105Bとの間に電圧を印加する。これにより、負に帯電している計測対象分子109及び非計測対象分子114は、ナノポア101近傍に形成された電位勾配により、ナノポア101に導入される。これら検体がナノポア101を通過すると、ナノポア101が封鎖されることによって電極105A及び105B間のイオン電流が減少し、電流計106の出力信号として検体通過イベントが観測される。 After introducing the sample into the biomolecule analysis device 100, the user drives the power supply 107 to apply a voltage between the electrode 105A and the plurality of electrodes 105B. As a result, the measurement target molecule 109 and the non-measurement target molecule 114, which are negatively charged, are introduced into the nanopore 101 due to the potential gradient formed in the vicinity of the nanopore 101. When these analytes pass through the nanopore 101, the nanopore 101 is blocked, so that the ionic current between the electrodes 105A and 105B decreases, and the analyte passage event is observed as an output signal of the ammeter 106.
 図2に示す例においては、電流計106の出力信号として、ナノポア101a~101cにおける検体通過イベントの結果の例を示している。1つの検体通過イベントは、1つの計測対象分子がナノポア101を通過したことを表しており、検体通過イベントの電流値及び経過時間は、計測対象分子を修飾する修飾分子110の体積や、修飾分子110とナノポア101との相互作用によって異なる。 In the example shown in FIG. 2, as an output signal of the ammeter 106, an example of the result of the sample passage event in the nanopores 101a to 101c is shown. One sample passage event indicates that one measurement target molecule has passed through the nanopore 101, and the current value and elapsed time of the sample passage event are the volume of the modified molecule 110 that modifies the measurement target molecule and the modified molecule. It depends on the interaction between 110 and the nanopore 101.
 電流計106は、コンピュータ端末108と通信することにより、検出信号をコンピュータ端末108に出力する。コンピュータ端末108は、電流計106の出力に基づいて、電流値と、計測対象分子のナノポア101の滞在時間とをプロットしたり、各計測対象分子の存在率を算出したりして、結果をディスプレイ(表示部)に表示する。コンピュータ端末108は、検体通過イベントの電流値や経過時間に基づいて、どの計測対象分子がナノポア101を通過したのかを判別し、また、検体通過イベントの数に基づいて、各計測対象分子を計数することができる。 The ammeter 106 outputs a detection signal to the computer terminal 108 by communicating with the computer terminal 108. Based on the output of the ammeter 106, the computer terminal 108 plots the current value and the residence time of the measurement target molecule in the nanopore 101, calculates the abundance rate of each measurement target molecule, and displays the result. It is displayed on the (display section). The computer terminal 108 determines which measurement target molecule has passed through the nanopore 101 based on the current value and elapsed time of the sample passage event, and counts each measurement target molecule based on the number of sample passage events. can do.
 しかしながら、電解質溶液103中で修飾分子110が計測対象分子109と同程度に帯電し、ナノポア101に導入された場合、修飾分子110がナノポア101を通過することになる。これにより、修飾された計測対象分子109に由来する封鎖信号と、修飾分子110のみに由来する封鎖信号に差が出なかったり、修飾分子110に由来する封鎖信号と、非計測対象分子114に由来する封鎖信号との差が出なかったりしてしまい、計測対象分子109及び非計測対象分子114の存在率を算出することが困難となる。 However, when the modified molecule 110 is charged to the same degree as the measurement target molecule 109 in the electrolyte solution 103 and is introduced into the nanopore 101, the modified molecule 110 passes through the nanopore 101. As a result, there is no difference between the blockade signal derived from the modified measurement target molecule 109 and the blockade signal derived only from the modified molecule 110, or the blockade signal derived from the modified molecule 110 and the non-measurement target molecule 114. There will be no difference from the blocked signal, and it will be difficult to calculate the abundance rates of the measurement target molecule 109 and the non-measurement target molecule 114.
 このように修飾分子110が単体でナノポア101を通過することを抑制するために、例えばPNA及びポリエチレングリコール(PEG)など、チャージを持たない(帯電しない)修飾分子110を用いる方法が考えられる。しかし、PEGを結合させるためには様々な化学反応を必要とし、また、PEGは直鎖状高分子であることから、修飾時の計測対象分子109由来の計測信号と、非修飾時の計測対象分子109由来の計測信号との差分を取ることが困難である。 In order to prevent the modified molecule 110 from passing through the nanopore 101 by itself as described above, a method of using an uncharged (uncharged) modified molecule 110 such as PNA and polyethylene glycol (PEG) can be considered. However, various chemical reactions are required to bond PEG, and since PEG is a linear polymer, the measurement signal derived from the measurement target molecule 109 at the time of modification and the measurement signal at the time of non-modification are measured. It is difficult to take the difference from the measurement signal derived from the molecule 109.
 上記の理由から、より高いSN比で計測信号を得るために、修飾分子110として、計測対象分子109よりも大きな分子量を有し、計測信号の差分が明瞭になるタンパク質が適していると考えられる。しかし、タンパク質には等電点があるため、上述のように、溶液の領域によってはタンパク質自体が電気泳動してしまい、ナノポア計測の妨げとなってしまう。このような課題を解決するためには、修飾分子110のみがナノポア101を通過できない状態を用意する必要がある。 For the above reason, in order to obtain a measurement signal with a higher SN ratio, it is considered that a protein having a larger molecular weight than the measurement target molecule 109 and having a clear difference in measurement signal is suitable as the modified molecule 110. .. However, since the protein has an isoelectric point, as described above, the protein itself is electrophoresed depending on the region of the solution, which hinders nanopore measurement. In order to solve such a problem, it is necessary to prepare a state in which only the modifying molecule 110 cannot pass through the nanopore 101.
 検体として導入される計測対象分子109、修飾分子110及び非計測対象分子114について説明する。図3(a)は、修飾分子110が修飾された計測対象分子109を示す模式図である。図3(a)に示す例においては、計測対象分子109は二本鎖であり、修飾分子110は、計測対象分子109に結合可能なPNA113と、修飾分子110及びPNA113を結合させるためのリンカー112とを有する。 The measurement target molecule 109, the modified molecule 110, and the non-measurement target molecule 114 introduced as the sample will be described. FIG. 3A is a schematic diagram showing the measurement target molecule 109 modified with the modification molecule 110. In the example shown in FIG. 3A, the measurement target molecule 109 is double-stranded, and the modified molecule 110 is the PNA 113 capable of binding to the measurement target molecule 109 and the linker 112 for binding the modified molecule 110 and the PNA 113. Have and.
 修飾分子110として、計測対象分子109より体積が大きく、ナノポア101を通過可能な大きさのものを用いることができる。修飾分子110の具体例としては、タンパク質で代表される高分子化合物がよい。特に、アビジン、ストレプトアビジン、ニュートラビジン、Cas9を失活させたdCas9などのヌクレアーゼ、ポリメラーゼ、抗体、抗原等が挙げられる。リンカー112としては、例えばPEGやビオチンなど、公知のリンカーを用いることができる。 As the modifying molecule 110, one having a larger volume than the measurement target molecule 109 and a size capable of passing through the nanopore 101 can be used. As a specific example of the modifying molecule 110, a polymer compound represented by a protein is preferable. In particular, avidin, streptavidin, neutravidin, nucleases such as inactivated Cas9 dCas9, polymerases, antibodies, antigens and the like can be mentioned. As the linker 112, a known linker such as PEG or biotin can be used.
 図3(a)に示すように、リンカー112を介して修飾分子110に結合したPNA113が計測対象分子109の対象部位にインベージョンし、部分的に三本鎖を形成する。これにより、計測対象分子109に修飾分子110が結合される。なお、PNA113の代わりにBNAやLNAを用いてもよい。PNA、BNA及びLNAは、計測対象分子109の対象部位に相補となる配列を有し、DNAよりも結合力が強いことから、熱解離した対象部位に置き換わって結合することで、修飾分子110を修飾することが可能となる。また、PNAやBNA、LNAが二本鎖の側溝に結合することで、修飾分子110を修飾することも可能である。 As shown in FIG. 3A, the PNA 113 bound to the modified molecule 110 via the linker 112 invades the target site of the measurement target molecule 109, and partially forms a triple chain. As a result, the modified molecule 110 is bound to the measurement target molecule 109. Note that BNA or LNA may be used instead of PNA 113. PNA, BNA, and LNA have a sequence complementary to the target site of the measurement target molecule 109 and have stronger binding force than DNA, so that the PNA, BNA, and LNA replace the target site that is thermally dissociated and bind to the modified molecule 110. It becomes possible to modify. It is also possible to modify the modifying molecule 110 by binding PNA, BNA, or LNA to the double-stranded ditch.
 図3(b)は、検体のナノポア101への導入の様子を示す模式図である。上述のように、修飾分子110は、計測対象分子109に対して過剰量添加されるため、電解質溶液103には、修飾分子110が結合した計測対象分子109、非計測対象分子114及び修飾分子110が混在する。図3(b)に示すように、修飾分子110が結合した計測対象分子109と、非計測対象分子114がナノポア101を通過し、修飾分子110単体ではナノポア101を通過しないようにすることで、修飾分子110単体によるバックグラウンドノイズを抑制する必要がある。 FIG. 3B is a schematic diagram showing how a sample is introduced into the nanopore 101. As described above, since the modified molecule 110 is added in an excessive amount to the measurement target molecule 109, the measurement target molecule 109 to which the modification molecule 110 is bound, the non-measurement target molecule 114, and the modification molecule 110 are added to the electrolyte solution 103. Are mixed. As shown in FIG. 3B, the measurement target molecule 109 to which the modified molecule 110 is bound and the non-measurement target molecule 114 pass through the nanopore 101, and the modified molecule 110 alone does not pass through the nanopore 101. It is necessary to suppress the background noise due to the modifier molecule 110 alone.
 本開示者らは、鋭意検討の結果、電解質溶液103のpHを8.0より大きくし、修飾分子110が単体でナノポア101を通過することを抑制し、バックグラウンドノイズを低減できることを見出した。換言すれば、修飾分子110は、pHが8.0より大きい溶液中ではナノポア101の通過が阻止される。電解質溶液103のpHは、状況に応じて8.5以上、あるいは9.0以上とすることができる。また、修飾分子110がタンパク質などの等電点を有する物質の場合は、電解質溶液103のpHを等電点以上にすることができる。 As a result of earnest studies, the present inventors have found that the pH of the electrolyte solution 103 is set to be higher than 8.0, the modifier molecule 110 can be prevented from passing through the nanopore 101 by itself, and the background noise can be reduced. In other words, the modifying molecule 110 is blocked from passing through the nanopore 101 in a solution having a pH higher than 8.0. The pH of the electrolyte solution 103 can be 8.5 or higher, or 9.0 or higher depending on the situation. Further, when the modifying molecule 110 is a substance having an isoelectric point such as a protein, the pH of the electrolyte solution 103 can be set to the isoelectric point or higher.
 以下、電解質溶液103のpHと修飾分子110のナノポア101の通過について、実験例を参照しつつ説明する。 Hereinafter, the pH of the electrolyte solution 103 and the passage of the modifying molecule 110 through the nanopore 101 will be described with reference to experimental examples.
<実験例1>
 実験例1においては、第1の実施形態に係るナノポア計測システムを用いて、修飾分子110としてのストレプトアビジン単体でのナノポアの通過を評価する。具体的には、薄膜102Aとして、シリコンナイトライド(窒化シリコン)を用い、電解質溶液103として、pHを3、5、7、8.5、11又は13に調整した濃度1MのKCl水溶液を用いて、液槽104Aにストレプトアビジンを導入し、電極105A及び105B間に0.1Vの電圧を印加した。電圧の印加開始0秒~60秒において、電極105A及び105B間の電流値を測定した。
<Experimental example 1>
In Experimental Example 1, the nanopore measuring system according to the first embodiment is used to evaluate passage of nanopores with streptavidin alone as the modifying molecule 110. Specifically, silicon nitride (silicon nitride) is used as the thin film 102A, and a 1M KCl aqueous solution having a pH adjusted to 3, 5, 7, 8.5, 11 or 13 is used as the electrolyte solution 103. Then, streptavidin was introduced into the liquid tank 104A, and a voltage of 0.1 V was applied between the electrodes 105A and 105B. The current value between the electrodes 105A and 105B was measured 0 to 60 seconds after the start of voltage application.
 図4は、実験例1の評価結果を示す図であり、電解質溶液103のpHに依存したストレプトアビジンのナノポア通過の様子を示している。図4(a)~(f)は、それぞれpHが3、5、7、8.5、11又は13の場合のイオン電流強度の時間変化を示している。ストレプトアビジンがナノポア101を通過すると、ナノポア101が封鎖されるため、電極105A及び105B間を流れる電流値が減少し、電流計106の出力結果において通過イベントが観測される。図4に示すように、電解質溶液103のpHが5の場合に最もストレプトアビジンの通過イベントが観測され、pHが8.5~13において通過イベントがほぼ観察されなくなることが分かった。 FIG. 4 is a diagram showing an evaluation result of Experimental Example 1, showing a state of streptavidin passing through the nanopore depending on the pH of the electrolyte solution 103. FIGS. 4 (a) to 4 (f) show changes with time of the ionic current intensity when the pH is 3, 5, 7, 8.5, 11 or 13, respectively. When streptavidin passes through the nanopore 101, the nanopore 101 is blocked, so that the current value flowing between the electrodes 105A and 105B decreases, and a passage event is observed in the output result of the ammeter 106. As shown in FIG. 4, it was found that the passage event of streptavidin was observed most when the pH of the electrolyte solution 103 was 5, and almost no passage event was observed when the pH was 8.5 to 13.
<実験例2>
 実験例2においては、修飾分子110としてストレプトアビジンを用い、ストレプトアビジン単体でのナノポア101の通過イベント数を評価する。具体的には、電解質溶液103として、pHを3、5、7.5、9、11又は13に調整した濃度1MのKCl水溶液を用い、液槽104Aにストレプトアビジンを導入し、電極105A及び105B間に1分間、0.1Vの電圧を印加した。通過イベントによる信号の出現回数をカウントし、30秒あたりの数を算出した。
<Experimental example 2>
In Experimental Example 2, streptavidin is used as the modifying molecule 110, and the number of passing events of the nanopore 101 with streptavidin alone is evaluated. Specifically, as the electrolyte solution 103, a 1M KCl aqueous solution having a pH adjusted to 3, 5, 7.5, 9, 11, or 13 was used, streptavidin was introduced into the liquid tank 104A, and the electrodes 105A and 105B were introduced. In the meantime, a voltage of 0.1 V was applied for 1 minute. The number of appearances of the signal due to the passing event was counted, and the number per 30 seconds was calculated.
 図5は、実験例2の評価結果を示す図であり、電解質溶液103のpHに依存したストレプトアビジンの30秒ごとの信号出現回数を示している。図5に示すように、電解質溶液103のpHが5の場合に最も信号出現回数が多く、pHが9~13の場合に、ストレプトアビジンによる信号の出現が抑制されることが分かった。 FIG. 5 is a diagram showing the evaluation results of Experimental Example 2, and shows the number of signal appearances of streptavidin every 30 seconds depending on the pH of the electrolyte solution 103. As shown in FIG. 5, it was found that the number of signal appearances was highest when the pH of the electrolyte solution 103 was 5, and the appearance of the signal due to streptavidin was suppressed when the pH was 9 to 13.
<実験例3>
 実験例3において、電解質溶液103としてpH8.5に調整した濃度1MのKCl水溶液を用い、電極105A及び105B間に0.2Vの電圧を印加して、ナノポア計測を行った。
<Experimental example 3>
In Experimental Example 3, a 1 M KCl aqueous solution adjusted to pH 8.5 was used as the electrolyte solution 103, and a voltage of 0.2 V was applied between the electrodes 105A and 105B to perform nanopore measurement.
 検体として、以下の表2に示すように、修飾分子110及び計測対象分子109としてそれぞれストレプトアビジン(SA)及びビオチン修飾された二本鎖DNAを用意した。ビオチン-ストレプトアビジン反応により、ストレプトアビジンを二本鎖DNAに修飾する。 As a sample, as shown in Table 2 below, a double-stranded DNA modified with streptavidin (SA) and biotin as the modified molecule 110 and the measurement target molecule 109, respectively, was prepared. Streptavidin is modified into double-stranded DNA by the biotin-streptavidin reaction.
 まず、検体の導入前にナノポア計測を行った後、ビオチン修飾された二本鎖DNAを電解質溶液103に導入し、ナノポア計測を行った。その後、ビオチン修飾された二本鎖DNAとストレプトアビジンとをバッファ中で結合させて、電解質溶液103に導入し、ナノポア計測を行った。 First, after measuring the nanopore before introducing the sample, the biotin-modified double-stranded DNA was introduced into the electrolyte solution 103, and the nanopore was measured. Then, the biotin-modified double-stranded DNA and streptavidin were bound in a buffer, introduced into the electrolyte solution 103, and nanopore measurement was performed.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
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 図6(a)は、実験例3における電圧値の時間変化を示すグラフである。図6(a)に示すように、検体導入前は信号が出現せず、ビオチン修飾された二本鎖DNA(dsDNA)を導入すると封鎖信号が確認される。さらにストレプトアビジンを結合した二本鎖DNA(SA修飾dsDNA)を導入すると、二本鎖DNA単体よりも大きな封鎖信号が得られたことがわかる。 FIG. 6A is a graph showing the time change of the voltage value in Experimental Example 3. As shown in FIG. 6 (a), a signal does not appear before the introduction of the sample, and a blocking signal is confirmed when biotin-modified double-stranded DNA (dsDNA) is introduced. Further, it was found that when a double-stranded DNA bound with streptavidin (SA-modified dsDNA) was introduced, a blocking signal larger than that of the double-stranded DNA alone was obtained.
 図6(b)は、実験例3における封鎖電流量の評価結果を示す散布図(左側)及びヒストグラム(右側)である。図6(b)の右側のヒストグラムは、封鎖電流量ごとの出現回数をカウントしたものである。このヒストグラムに対しガウスフィッティングを行い、ガウス分布の面積比から、ストレプトアビジン未修飾の二本鎖DNA(dsDNA)と、ストレプトアビジン修飾二本鎖DNA(SA修飾dsDNA)との量比を算出することができる。 FIG. 6B is a scatter diagram (left side) and a histogram (right side) showing the evaluation result of the blocking current amount in Experimental Example 3. The histogram on the right side of FIG. 6B is a count of the number of appearances for each blocking current amount. Gaussian fitting is performed on this histogram, and the amount ratio of streptavidin-unmodified double-stranded DNA (dsDNA) and streptavidin-modified double-stranded DNA (SA-modified dsDNA) is calculated from the area ratio of Gaussian distribution. You can
 図6(b)に示すように、ストレプトアビジン未修飾の二本鎖DNA由来の信号と、ストレプトアビジン修飾二本鎖DNA由来の信号とでは、封鎖信号量が大きく異なることが分かった。 As shown in FIG. 6 (b), it was found that the signal derived from the streptavidin-unmodified double-stranded DNA and the signal derived from the streptavidin-modified double-stranded DNA were significantly different in the amount of blocking signal.
 以上のように、実験例1~3の評価結果から、修飾分子110としてストレプトアビジンを用い、電解質溶液103をpH8.0より大きくすることで、バックグラウンドとなりうるストレプトアビジン単体のナノポア通過が抑制され、未修飾の二本鎖DNAに由来する信号と修飾された二本鎖DNAに由来する信号とを識別できることが示された。 As described above, from the evaluation results of Experimental Examples 1 to 3, when streptavidin is used as the modifying molecule 110 and the pH of the electrolyte solution 103 is set to be higher than 8.0, the passage of streptavidin alone, which may be the background, into nanopores is suppressed. It was shown that a signal derived from unmodified double-stranded DNA can be distinguished from a signal derived from modified double-stranded DNA.
 通常、タンパク質の等電点以上のpHを有する溶液中では、タンパク質の表面は負に帯電する。また、ナノポア計測においては、負電荷を有する物質は正極に誘引されてナノポアを通過し、その際に封鎖信号が確認される。 Normally, the surface of a protein is negatively charged in a solution having a pH above the isoelectric point of the protein. Further, in the nanopore measurement, a substance having a negative charge is attracted to the positive electrode and passes through the nanopore, at which time a blocking signal is confirmed.
 しかしながら、ストレプトアビジンは等電点が6.5~7.5であるにも関わらず、上述のようにpH8.5以上において封鎖信号が確認されず、pH5付近で最も信号出現量が多くなった。 However, despite the isoelectric point of streptavidin being 6.5 to 7.5, the blocking signal was not confirmed at pH 8.5 or higher as described above, and the signal appearance amount was the highest near pH 5. ..
 その理由として、ナノポア101が形成されている薄膜102Aはシリコンナイトライドであり、SiOも存在することから、分子が通過する流路の表面電荷はマイナスに帯電しており、ナノポア101の流路内にカチオンが多数存在し易い状態になっているためであると考えられる。加えて、ナノポア101を介して電界が印加されると、ナノポア101内部のカチオンが負極に引きつけられ、正極から負極に向かって電気浸透流が発生すると考えられている。また、その影響は塩濃度及びpHが高くなるほど大きくなることが計算により求められている(Yeh, L. et al., analytical chemistry, 85, 7527-7534 (2013))。 The reason is that the thin film 102A in which the nanopores 101 are formed is silicon nitride, and since SiO also exists, the surface charge of the channel through which the molecule passes is negatively charged, and the channel of the nanopore 101 is charged. It is considered that this is because many cations are easily present inside. In addition, it is considered that when an electric field is applied through the nanopore 101, cations inside the nanopore 101 are attracted to the negative electrode, and an electroosmotic flow is generated from the positive electrode toward the negative electrode. In addition, it has been calculated that the effect becomes greater as the salt concentration and pH increase (Yeh, L. et al., Analytical chemistry, 85, 7527-7534 (2013)).
 従って、等電点よりも大きいpH条件、特にアルカリ性溶液中では、タンパク質自体が有する帯電量よりも、電気浸透流によって受ける力の方が勝り、ナノポア通過が確認されなくなったと考えられる。 Therefore, under pH conditions higher than the isoelectric point, especially in alkaline solutions, the force exerted by the electroosmotic flow outweighs the electrostatic charge of the protein itself, and nanopore passage is no longer confirmed.
 一方で、タンパク質の等電点よりも小さなpH条件、特に酸性側においてナノポア通過が確認されたのは、電気浸透流の影響を全く受けなくなったために、僅かな負の帯電により電界で誘導されてナノポアを通過したためであると考えられる。等電点よりもはるかに低いpH条件下においては、タンパク質表面の正の帯電が支配的となり、ナノポア通過が抑制されている。実際、原子間力顕微鏡(AFM)によるタンパク質の計測を行った結果、等電点付近でマイナスに帯電している可能性が示唆されている(Almonte, L. et al., ChemPhysChem, 15, 2768-2773, (2014))。 On the other hand, it was confirmed that the nanopores passed under the pH condition smaller than the isoelectric point of the protein, especially on the acidic side, because it was completely unaffected by the electroosmotic flow and was induced by the electric field due to a slight negative charge. It is thought that this is because it passed through the nanopore. Under a pH condition much lower than the isoelectric point, the positive charge on the protein surface becomes dominant and the passage of nanopores is suppressed. Actually, the result of protein measurement by atomic force microscope (AFM) suggests that it may be negatively charged near the isoelectric point (Almonte, L. et al., ChemPhysChem, 15, 2768). -2773, (2014)).
 以上の理由により、特定の溶液条件とすることによって修飾分子110単体由来の信号を抑制しつつ、計測対象分子109の存在量や、計測対象分子109と非計測対象分子114との量比を計測することが可能となったと考えられる。 For the above reasons, the amount of the measurement target molecule 109 and the ratio of the measurement target molecule 109 to the non-measurement target molecule 114 are measured while suppressing the signal derived from the modified molecule 110 alone under the specific solution conditions. It is considered possible to do so.
 なお、ストレプトアビジンは、等電点が異なる種類のものであっても、中性条件と比較して、アルカリ条件とすると、特にpH11程度まで上げると、信号が出現しなくなることを確認した。 It was confirmed that streptavidin, even if it had different isoelectric points, showed no signal when compared to neutral conditions under alkaline conditions, especially when the pH was raised to about 11.
 図7は、本実施形態に係るナノポア計測システムのハードウェア外観構成を示す模式図である。図7に示す例においては、コンピュータ端末108はノートパソコンであり、生体分子分析装置1は、薄型の装置として提供される。図7(b)に示すように、生体分子分析装置1は、生体分子分析デバイス100、制御回路ユニット703及び簡易ディスプレイ705が一体となって構成される。 FIG. 7 is a schematic diagram showing a hardware appearance configuration of the nanopore measurement system according to the present embodiment. In the example shown in FIG. 7, the computer terminal 108 is a notebook computer, and the biomolecule analysis device 1 is provided as a thin device. As shown in FIG. 7B, the biomolecule analysis apparatus 1 is configured by integrating the biomolecule analysis device 100, the control circuit unit 703, and the simple display 705.
 図示は省略しているが、制御回路ユニット703は、上述の電流計106及び電源107や、制御回路、通信インターフェースを備える。制御回路は、制御回路ユニット703の各構成の動作を制御するための回路である。電源107により電極105A及び105B間に電圧を印加し、電流計106により電極105A及び105B間のイオン電流(封鎖電流)を測定する。通信インターフェースは、電流計106の出力信号をコンピュータ端末108に送信可能に構成される。 Although not shown, the control circuit unit 703 includes the above-described ammeter 106 and power supply 107, a control circuit, and a communication interface. The control circuit is a circuit for controlling the operation of each component of the control circuit unit 703. A voltage is applied between the electrodes 105A and 105B by the power supply 107, and an ionic current (blocking current) between the electrodes 105A and 105B is measured by the ammeter 106. The communication interface is configured to be able to send the output signal of the ammeter 106 to the computer terminal 108.
 簡易ディスプレイ705は、電流計106から受信した出力信号や、電極105A及び105B間の電圧値、計測時間など、各種データを表示可能に構成される。 The simple display 705 is configured to be able to display various data such as an output signal received from the ammeter 106, a voltage value between the electrodes 105A and 105B, and a measurement time.
 図7(c)に示すように、生体分子分析デバイス100は、制御回路ユニット703及び簡易ディスプレイ705から分離可能に構成され、使い捨て可能である。生体分子分析デバイス100は、上述のナノポアデバイス102及びサンプル導入口140や、溶液を封入する流路、並びに液槽104A及び104Bを構成するフローセルを備える。計測対象分子109や修飾分子110等を含む検体は、所定の前処理を行った後、サンプル導入口140から液槽104Aに導入される。このとき、液槽104Aには、pHが8.0より大きい電解質溶液103を共存させる。なお、検体の前処理用のシステムが生体分子分析デバイス100と一体となっていてもよく、この場合、生体分子分析デバイス100は、前処理用の攪拌システム、送液システム、温調システム等が搭載されていてもよい。 As shown in FIG. 7C, the biomolecule analysis device 100 is configured to be separable from the control circuit unit 703 and the simple display 705 and is disposable. The biomolecule analysis device 100 includes the nanopore device 102 and the sample introduction port 140 described above, a flow path for enclosing a solution, and a flow cell forming the liquid tanks 104A and 104B. The sample including the measurement target molecule 109, the modified molecule 110, and the like is introduced into the liquid tank 104A from the sample introduction port 140 after performing a predetermined pretreatment. At this time, the electrolyte solution 103 having a pH higher than 8.0 coexists in the liquid tank 104A. The system for pretreatment of the sample may be integrated with the biomolecule analysis device 100. In this case, the biomolecule analysis device 100 includes a stirring system for pretreatment, a liquid feeding system, a temperature control system, and the like. It may be installed.
 図8は、検体の前処理方法を示すフローチャートである。まず、ステップS10において、ユーザーは、抽出キットなどを用いて、例えば植物の細胞からDNA(生体分子)を抽出する。その後、ステップS21において、ユーザーは、ビーズ結合サイト付プライマを用いて、DNAの特定の対象領域を増幅する。ステップS30において、磁気ビーズをプライマのビーズ結合サイトに結合させて、DNAの特定の対象領域(計測対象分子)を回収する。ステップS40において、磁気ビーズが結合した計測対象分子を検体として生体分子分析装置1に導入し、ナノポア計測を行う。 FIG. 8 is a flowchart showing a sample pretreatment method. First, in step S10, a user uses an extraction kit or the like to extract DNA (biomolecule) from, for example, plant cells. Then, in step S21, the user amplifies a specific target region of DNA using the primer with a bead binding site. In step S30, the magnetic beads are bound to the bead binding sites of the primer to recover a specific target region (measurement target molecule) of DNA. In step S40, the measurement target molecule to which the magnetic beads are bound is introduced into the biomolecule analysis apparatus 1 as a sample, and nanopore measurement is performed.
 他の前処理方法として、上記ステップS21の代わりに、ステップS22として、抽出したDNAに対し特定部位検出用プライマを結合させて、計測対象分子となる部位を増幅させてもよい。その後、ステップS30において、磁気ビーズにより、増幅させたDNAを回収する。次に、ステップS31において、磁気ビーズを外し、ステップS32において、修飾分子を有する計測用プローブを結合させる。ステップS40において、計測用プローブが結合した計測対象分子を検体として生体分子分析装置1に導入し、ナノポア計測を行う。 As another pretreatment method, instead of step S21 described above, in step S22, a primer for detecting a specific site may be bound to the extracted DNA to amplify the site to be the molecule to be measured. Then, in step S30, the amplified DNA is collected by the magnetic beads. Next, in step S31, the magnetic beads are removed, and in step S32, the measurement probe having the modifying molecule is bound. In step S40, the measurement target molecule bound to the measurement probe is introduced as a sample into the biomolecule analysis apparatus 1 to perform nanopore measurement.
 また、さらに他の前処理方法として、上記ステップS21の代わりに、ステップS23として、抽出したDNAを断片化して、計測対象分子を含む複数のフラグメントを得るようにしてもよい。その後、ステップS30~S32、S40を上記と同様に行う。 As yet another pretreatment method, instead of step S21, the extracted DNA may be fragmented to obtain a plurality of fragments containing the molecule to be measured, as step S23. Then, steps S30 to S32 and S40 are performed in the same manner as above.
 本実施形態に係る生体分子を分析するためのナノポアデバイスは、上述した構成を要素として含む。ナノポアデバイスは、使用手順や使用量などを記載した説明書と共に提供され得る。電解質溶液は、即時使用可能な状態で提供されてもよいし、計測対象となる生体分子のみが混在していない状態で提供されてもよい。そのような形態及び調製は、当業者であれば理解することができる。ナノポアデバイスに関しても同様に、即時使用可能な状態でナノポアが形成されている状態で提供されてもよいし、提供先で形成される状態で提供されてもよい。 The nanopore device for analyzing biomolecules according to the present embodiment includes the above-mentioned configuration as an element. The nanopore device can be provided together with instructions describing use procedures, usage amounts, and the like. The electrolyte solution may be provided in a ready-to-use state or may be provided in a state where only the biomolecule to be measured is not mixed. Such forms and preparations will be understood by those of ordinary skill in the art. Similarly, regarding the nanopore device, the nanopore may be provided in a state in which the nanopore is formed in a ready-to-use state, or may be provided in a state in which the nanopore is formed at a destination.
 以上のように、本実施形態の生体分子分析装置1は、電解質溶液103のpHが8.0より大きく、修飾分子110が単体ではナノポア101に導入されない。また、修飾分子110が結合した計測対象分子109に由来する封鎖信号は、修飾分子110が結合していない分子に由来する封鎖信号と比較して、大きい信号となる。これにより、バックグラウンドノイズの発生を抑制でき、高SN比で、修飾分子110が結合した計測対象分子109に由来する封鎖信号と、非計測対象分子114に由来する封鎖信号とを得ることができる。従って、修飾分子110が結合した計測対象分子109を識別することが容易となり、測定精度を向上することができる。 As described above, in the biomolecule analysis apparatus 1 of the present embodiment, the pH of the electrolyte solution 103 is higher than 8.0, and the modifying molecule 110 alone is not introduced into the nanopore 101. In addition, the blockade signal derived from the measurement target molecule 109 to which the modified molecule 110 is bound becomes a larger signal than the blockade signal derived from the molecule to which the modified molecule 110 is not bound. Thereby, the generation of background noise can be suppressed, and the blockade signal derived from the measurement target molecule 109 to which the modified molecule 110 is bound and the blockade signal derived from the non-measurement target molecule 114 can be obtained with a high SN ratio. . Therefore, it becomes easy to identify the measurement target molecule 109 to which the modified molecule 110 is bound, and the measurement accuracy can be improved.
 本実施形態の生体分子分析装置は、例えば核酸から構成される生体分子の分析や、その分析情報を利用する試験、診断、治療、創薬、基礎研究などの分野に有用である。 The biomolecule analyzer of the present embodiment is useful in the fields of, for example, analysis of biomolecules composed of nucleic acids, and tests, diagnoses, treatments, drug discovery, basic research, etc. that use the analysis information.
[第2の実施形態]
 上記第1の実施形態においては、修飾分子110が結合したPNA113を二本鎖中に挿入することにより、修飾分子110を計測対象分子109に修飾する例を示したが、第2の実施形態においては、修飾分子110の修飾箇所が第1の実施形態と異なっている。第2の実施形態に係る生体分子分析装置や分析方法は、第1の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
[Second Embodiment]
In the above-described first embodiment, an example in which the modified molecule 110 is modified into the measurement target molecule 109 by inserting the PNA 113 to which the modified molecule 110 is bound into the double strand has been described, but in the second embodiment, Is different from the first embodiment in the modified portion of the modified molecule 110. The biomolecule analysis device and the analysis method according to the second embodiment are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof will be omitted.
 図9は、第2の実施形態に係る修飾分子110の結合方法を示す模式図である。図9に示す例においては、修飾分子110は、リンカー112を介して、計測対象分子109の特定の対象領域に結合可能なプライマ115に接続される。プライマ115は、対象領域の増幅の際に用いられる。このようなプライマ115を直接二本鎖の計測対象分子109に結合させることにより、対象部位にのみ修飾分子110を修飾することができる。 FIG. 9 is a schematic diagram showing a method of binding the modified molecule 110 according to the second embodiment. In the example shown in FIG. 9, the modified molecule 110 is connected via a linker 112 to a primer 115 capable of binding to a specific target region of the measurement target molecule 109. The primer 115 is used when amplifying the target region. By directly binding such a primer 115 to the double-stranded molecule to be measured 109, the modifying molecule 110 can be modified only on the target site.
 図10は、第2の実施形態に係る修飾分子110の他の結合方法を示す模式図である。図10に示す例においては、修飾分子110は、Nick enzymatic法により結合される。すなわち、特定の配列116に相補的なPNA113(プローブ)に対し修飾分子110を予め結合しておき、ニッキングエンドヌクレアーゼを用いて二本鎖DNA(計測対象分子109)のうち特定の配列116を切断し、解離した一本鎖の配列116にPNA113を結合させることにより、計測対象分子109を修飾する。配列116が切断された箇所は補修され、配列117が形成される。 FIG. 10 is a schematic diagram showing another binding method of the modified molecule 110 according to the second embodiment. In the example shown in FIG. 10, the modified molecule 110 is bound by the Nick enzymatic method. That is, the modifying molecule 110 is bound to the PNA 113 (probe) complementary to the specific sequence 116 in advance, and the specific sequence 116 of the double-stranded DNA (measurement target molecule 109) is cleaved using a nicking endonuclease. Then, the measurement target molecule 109 is modified by binding the PNA 113 to the dissociated single-stranded sequence 116. The cut portion of the array 116 is repaired to form the array 117.
 以上のように、本実施形態によれば、計測対象分子109の種類や特性、計測の目的などに応じて最適な手段で修飾分子110を計測対象分子109に修飾することができる。 As described above, according to this embodiment, the modified molecule 110 can be modified on the measurement target molecule 109 by an optimum means according to the type and characteristics of the measurement target molecule 109, the purpose of measurement, and the like.
[第3の実施形態]
 計測対象分子109が長鎖DNAの断片化により回収される場合、複数の断片が共存することとなる。このような場合に、計測対象分子109に由来する信号と非計測対象分子114に由来する信号とを分離する方法として、一つは、増幅により対象領域のみを増やすことで他の断片の影響を抑制することが挙げられる。また、他の手段として、断片化したサンプルに対し、各特長に応じて異なる修飾を行うことによって、計測対象分子109に由来する信号と非計測対象分子114に由来する信号とを分離することができる。
[Third Embodiment]
When the measurement target molecule 109 is recovered by fragmentation of long-chain DNA, a plurality of fragments coexist. In such a case, as a method of separating the signal derived from the measurement target molecule 109 and the signal derived from the non-measurement target molecule 114, one is to increase the target region only by amplification so as to reduce the influence of other fragments. It may be suppressed. In addition, as another means, it is possible to separate the signal derived from the measurement target molecule 109 from the signal derived from the non-measurement target molecule 114 by performing different modification on the fragmented sample according to each feature. it can.
 本実施形態においては、遺伝子組換え配列(GMO sequence)の存在率を計測する例について説明する。図11は、第3の実施形態に係る修飾分子110の結合方法を示す模式図であり、図11(a)は、遺伝子組換え対象配列の存在比を計測する手順を示している。図11(a)に示すように、まずゲノム(サンプル)を断片化して、遺伝子組換え配列が挿入された計測対象分子109と、遺伝子組換え配列が挿入されていない計測対象分子109と、非計測対象分子114とを得る。その後、遺伝子組換え配列が挿入された計測対象分子109と、遺伝子組換え配列が挿入されていない計測対象分子109とに対し、以下のように修飾分子110を修飾して、ナノポア計測を行い、各配列の存在比を算出する。 In the present embodiment, an example of measuring the abundance rate of gene recombination sequences (GMO sequence) will be described. FIG. 11 is a schematic diagram showing the method of binding the modified molecule 110 according to the third embodiment, and FIG. 11 (a) shows the procedure for measuring the abundance ratio of the gene recombination target sequence. As shown in FIG. 11A, first, the genome (sample) is fragmented, and the measurement target molecule 109 in which the gene recombination sequence is inserted, the measurement target molecule 109 in which the gene recombination sequence is not inserted, The measurement target molecule 114 is obtained. Then, the modified molecule 110 is modified as follows with respect to the measurement target molecule 109 in which the gene recombination sequence has been inserted and the measurement target molecule 109 in which the gene recombination sequence has not been inserted, and nanopore measurement is performed. The abundance ratio of each sequence is calculated.
 図11(b)は、断片化した配列に対する修飾分子110の修飾方法の一例を示す模式図である。図11(b)の左側及び中央の図に示すように、遺伝子組換え配列の挿入対象部位を有する計測対象分子109に共通する部位に修飾分子110aを修飾する。さらに、遺伝子組換え配列に対して結合可能な修飾分子110bを遺伝子組換え配列に結合させる。これにより、遺伝子組換え配列の挿入対象部位を有する計測対象分子109には、必ず1つ以上の修飾分子が結合することとなるため、修飾分子が結合しているものに由来する信号のみをカウントすればよい。修飾分子が結合しているもののうち、修飾分子が2つ結合しているものと、1つ結合しているものとでは、信号値に差が出るため、これらに由来する信号をそれぞれ識別することができる。これにより、遺伝子組換え配列が挿入された計測対象分子109と、遺伝子組換え配列が挿入されていない計測対象分子109との存在比を容易に算出することができる。 FIG. 11B is a schematic diagram showing an example of a modification method of the modification molecule 110 with respect to the fragmented sequence. As shown in the left and center views of FIG. 11B, the modifying molecule 110a is modified at a site common to the measurement target molecule 109 having the target site for insertion of the gene recombination sequence. Further, a modifying molecule 110b capable of binding to the gene recombination sequence is attached to the gene recombination sequence. As a result, one or more modified molecules are bound to the measurement target molecule 109 having the site of insertion of the gene recombination sequence, so that only signals derived from those to which the modified molecules are bound are counted. do it. Since the signal values of two modified molecules bound to each other and one modified molecule bound to each other differ from each other, the signals derived from them should be distinguished from each other. You can Thereby, the abundance ratio of the measurement target molecule 109 in which the gene recombination sequence is inserted and the measurement target molecule 109 in which the gene recombination sequence is not inserted can be easily calculated.
[第4の実施形態]
 図12は、第4の実施形態に係るナノポア計測システムの構成を示す模式図である。本実施形態のナノポア計測システムは、生体分子分析装置2と、コンピュータ端末108とを備える。本実施形態の生体分子分析装置2は、生体分子分析デバイス200が複数のナノポア101を有するナノポアデバイス102を備え、液槽104Bが複数の液槽に分割されている点で、第1の実施形態と異なる。
[Fourth Embodiment]
FIG. 12 is a schematic diagram showing the configuration of the nanopore measurement system according to the fourth embodiment. The nanopore measurement system of this embodiment includes a biomolecule analysis device 2 and a computer terminal 108. The biomolecule analysis device 2 of the present embodiment is the first embodiment in that the biomolecule analysis device 200 includes a nanopore device 102 having a plurality of nanopores 101, and a liquid tank 104B is divided into a plurality of liquid tanks. Different from
 ナノポアデバイス102は、複数のナノポア101が形成された薄膜102Aと、薄膜102Aを挟持する薄膜固定部材102B及び102Cとで構成される。ナノポア101は、薄膜102Aのいずれかの位置に形成されていれば良い。複数の薄膜102Aを配置する間隔は、使用する電極、電気測定系の能力に応じて、0.1μm~10μmとすることができ、状況に応じて0.5μm~4μmとすることができる。 The nanopore device 102 is composed of a thin film 102A on which a plurality of nanopores 101 are formed, and thin film fixing members 102B and 102C that sandwich the thin film 102A. The nanopore 101 may be formed at any position on the thin film 102A. The interval at which the plurality of thin films 102A are arranged can be set to 0.1 μm to 10 μm depending on the electrodes used and the capacity of the electrical measurement system, and can be set to 0.5 μm to 4 μm depending on the situation.
 薄膜固定部材102B及び薄膜102Aは、液槽104Aの構造の一部を構成する。また、薄膜102Aと薄膜固定部材102Cは、液槽104Bの構造の一部を構成する。薄膜固定部材102Cは、3つの隔壁により分離された4つの空間を有し、これらの空間がそれぞれ液槽104Bとして用いられる。なお、液槽104Aは、下側に位置する4つの液槽104Bに対する共通液槽として用いられる。液槽104Bの数は、4つに限定されるものではなく、任意に変更可能である。 The thin film fixing member 102B and the thin film 102A form a part of the structure of the liquid tank 104A. Further, the thin film 102A and the thin film fixing member 102C form a part of the structure of the liquid tank 104B. The thin film fixing member 102C has four spaces separated by three partition walls, and these spaces are respectively used as the liquid tank 104B. The liquid tank 104A is used as a common liquid tank for the four liquid tanks 104B located on the lower side. The number of liquid tanks 104B is not limited to four and can be changed arbitrarily.
 電極基板150は、各液槽104B中の電解質溶液103にそれぞれ接する複数の電極105Bを備える。このように、各液槽104Bには、単一のナノポア101と電極105Bが設けられており、薄膜固定部材102Cの隔壁により、液槽104B同士は互いに絶縁されている。このため、各ナノポア101を流れる電流を独立に計測することができる。 The electrode substrate 150 includes a plurality of electrodes 105B that are in contact with the electrolyte solution 103 in each liquid tank 104B. As described above, each liquid tank 104B is provided with the single nanopore 101 and the electrode 105B, and the liquid tanks 104B are insulated from each other by the partition wall of the thin film fixing member 102C. Therefore, the current flowing through each nanopore 101 can be measured independently.
 本実施形態における生体分子分析方法は第1の実施形態と同様であるため、説明を省略する。 Since the biomolecule analysis method in this embodiment is the same as that in the first embodiment, description thereof will be omitted.
 以上のように、本実施形態の生体分子分析装置2によれば、複数のナノポア101を有するため、効率的にナノポア計測を行うことができる。 As described above, according to the biomolecule analysis apparatus 2 of the present embodiment, the plurality of nanopores 101 is provided, so that nanopore measurement can be performed efficiently.
[変形例]
 本開示は、上述した実施形態に限定されるものでなく、様々な変形例を含んでいる。例えば、上述した実施形態は、本開示を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備える必要はない。また、ある実施形態の一部を他の実施形態の構成に置き換えることができる。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることもできる。また、各実施形態の構成の一部について、他の実施形態の構成の一部を追加、削除又は置換することもできる。
[Modification]
The present disclosure is not limited to the above-described embodiments and includes various modifications. For example, the above-described embodiment has been described in detail for the purpose of easily understanding the present disclosure, and does not necessarily have to include all the configurations described. Further, a part of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment. Further, the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Further, a part of the configuration of each embodiment may be added, deleted, or replaced with a part of the configuration of another embodiment.
 1、2…生体分子分析装置
 101…ナノポア
 102…ナノポアデバイス
 103…電解質溶液
 104…液槽
 105…電極
 106…電流計
 107…電源
 108…コンピュータ端末
 109…計測対象分子
 110…修飾分子
 112…リンカー
 113…PNA
 114…非計測対象分子
 115…プライマ
 116、117…配列
 140…サンプル導入口
 150…電極基板
 160…分注ノズル
 703…制御回路ユニット
 705…簡易ディスプレイ
1, 2 ... Biomolecule analyzer 101 ... Nanopore 102 ... Nanopore device 103 ... Electrolyte solution 104 ... Liquid tank 105 ... Electrode 106 ... Ammeter 107 ... Power supply 108 ... Computer terminal 109 ... Measurement molecule 110 ... Modification molecule 112 ... Linker 113 … PNA
114 ... Non-measurement target molecule 115 ... Primer 116, 117 ... Array 140 ... Sample introduction port 150 ... Electrode substrate 160 ... Dispensing nozzle 703 ... Control circuit unit 705 ... Simple display

Claims (15)

  1.  ナノポアを有する薄膜と、
     前記薄膜を挟むよう配置され、電解質溶液を収容する一対の液槽と、
     前記一対の液槽のそれぞれに配置される一対の電極と、
     前記一対の電極に接続される測定部と、を備え、
     前記電解質溶液は、修飾分子が修飾された生体分子が溶解され、pHが8.0より大きく、
     前記修飾分子は、前記電解質溶液のpHが8.0より大きい場合、単体では前記ナノポアの通過が阻止されることを特徴とする生体分子分析装置。
    A thin film having nanopores,
    A pair of liquid tanks arranged so as to sandwich the thin film and containing an electrolyte solution,
    A pair of electrodes arranged in each of the pair of liquid tanks,
    A measuring unit connected to the pair of electrodes,
    In the electrolyte solution, a biomolecule modified with a modifying molecule is dissolved, and the pH is higher than 8.0.
    The biomolecule analysis device, wherein the modifying molecule alone blocks passage of the nanopore when the pH of the electrolyte solution is higher than 8.0.
  2.  請求項1に記載の生体分子分析装置において、
     前記電解質溶液がpH8.5以上であることを特徴とする生体分子分析装置。
    The biomolecule analyzer according to claim 1,
    The biomolecule analysis device, wherein the electrolyte solution has a pH of 8.5 or more.
  3.  請求項1に記載の生体分子分析装置において、
     前記電解質溶液がpH9以上であることを特徴とする生体分子分析装置。
    The biomolecule analyzer according to claim 1,
    The biomolecule analysis device, wherein the electrolyte solution has a pH of 9 or more.
  4.  請求項1に記載の生体分子分析装置において、
     前記修飾分子がタンパク質であることを特徴とする生体分子分析装置。
    The biomolecule analyzer according to claim 1,
    A biomolecule analyzer, wherein the modified molecule is a protein.
  5.  請求項1に記載の生体分子分析装置において、
     前記修飾分子がストレプトアビジンであることを特徴とする生体分子分析装置。
    The biomolecule analyzer according to claim 1,
    The biomolecule analyzer, wherein the modified molecule is streptavidin.
  6.  請求項1に記載の生体分子分析装置において、
     前記生体分子が二本鎖であり、
     前記修飾分子が結合したPNA、BNA又はLNAが前記二本鎖の特定箇所に挿入されていることを特徴とする生体分子分析装置。
    The biomolecule analyzer according to claim 1,
    The biomolecule is double-stranded,
    A biomolecule analyzer, wherein PNA, BNA or LNA to which the modifying molecule is bound is inserted at a specific position of the double chain.
  7.  請求項1に記載の生体分子分析装置において、
     前記生体分子がプライマ部を有する二本鎖であり、
     前記修飾分子は、前記プライマ部の一か所又は複数か所に結合することを特徴とする生体分子分析装置。
    The biomolecule analyzer according to claim 1,
    The biomolecule is a double-stranded chain having a primer portion,
    The biomolecule analyzer, wherein the modifying molecule binds to one or more places of the primer part.
  8.  請求項1に記載の生体分子分析装置において、
     前記生体分子が二本鎖であり、
     前記二本鎖のうち切断された箇所に、前記修飾分子が結合したPNA、BNA又はLNAが結合していることを特徴とする生体分子分析装置。
    The biomolecule analyzer according to claim 1,
    The biomolecule is double-stranded,
    A biomolecule analyzer, wherein PNA, BNA, or LNA to which the modifying molecule is bound is bound to the cleaved portion of the double strand.
  9.  請求項1に記載の生体分子分析装置において、
     前記ナノポアの径が5nm~20nmであることを特徴とする生体分子分析装置。
    The biomolecule analyzer according to claim 1,
    The biomolecule analysis device, wherein the diameter of the nanopore is 5 nm to 20 nm.
  10.  請求項1に記載の生体分子分析装置において、
     前記薄膜の厚さが10nm~30nmであることを特徴とする生体分子分析装置。
    The biomolecule analyzer according to claim 1,
    A biomolecule analyzer, wherein the thin film has a thickness of 10 nm to 30 nm.
  11.  請求項1に記載の生体分子分析装置において、
     前記薄膜がシリコンナイトライドであることを特徴とする生体分子分析装置。
    The biomolecule analyzer according to claim 1,
    A biomolecule analyzer, wherein the thin film is silicon nitride.
  12.  請求項1に記載の生体分子分析装置において、
     前記測定部は、前記ナノポアの封鎖電流、トンネル電流又はトランジスタ電流のいずれかを計測することを特徴とする生体分子分析装置。
    The biomolecule analyzer according to claim 1,
    The biomolecule analysis device, wherein the measurement unit measures either a blocking current, a tunnel current or a transistor current of the nanopore.
  13.  ナノポアを有する薄膜と、
     前記薄膜を挟むよう配置され、電解質溶液を収容する一対の液槽と、
     前記一対の液槽のそれぞれに配置される一対の電極と、
     前記一対の電極に接続される測定部と、を備えた生体分子分析装置を準備するステップと、
     前記電解質溶液のpHが8.0より大きくなるよう調整するステップと、
     修飾分子と生体分子とを前記電解質溶液に導入するステップと、を含み、
     前記修飾分子は、前記電解質溶液のpHが8.0より大きい場合、単体では前記ナノポアの通過が阻止されることを特徴とする生体分子分析方法。
    A thin film having nanopores,
    A pair of liquid tanks arranged so as to sandwich the thin film and containing an electrolyte solution,
    A pair of electrodes arranged in each of the pair of liquid tanks,
    A step of preparing a biomolecule analysis device comprising a measurement unit connected to the pair of electrodes,
    Adjusting the pH of the electrolyte solution to be greater than 8.0,
    Introducing a modifying molecule and a biomolecule into the electrolyte solution,
    The biomolecule analysis method, wherein the modifying molecule alone blocks passage of the nanopore when the pH of the electrolyte solution is higher than 8.0.
  14.  請求項13に記載の生体分子分析方法において、
     前記生体分子を抽出するステップと、
     ビーズ結合サイトを有するプライマにより前記生体分子中の対象領域を増幅するステップと、
     ビーズにより前記対象領域を回収するステップと、をさらに含み、
     前記修飾分子と前記生体分子とを前記電解質溶液に導入するステップにおいて、前記修飾分子と、前記ビーズに結合した前記対象領域とを前記電解質溶液に導入することを特徴とする生体分子分析方法。
    The biomolecule analysis method according to claim 13,
    Extracting the biomolecule,
    Amplifying a region of interest in the biomolecule with a primer having a bead binding site,
    Further comprising collecting the region of interest with beads,
    In the step of introducing the modification molecule and the biomolecule into the electrolyte solution, the modification molecule and the target region bound to the beads are introduced into the electrolyte solution.
  15.  請求項13に記載の生体分子分析方法において、
     前記生体分子を抽出するステップと、
     特定部位検出用プライマによる前記生体分子中の対象領域を増幅する処理、あるいは前記生体分子を断片化して前記生体分子中の対象領域を得る処理のいずれか一方を行うステップと、
     前記対象領域を磁気ビーズに結合させ、磁石により前記磁気ビーズを回収するステップと、
     前記磁気ビーズから前記対象領域を外すステップと、をさらに含み、
     前記修飾分子と前記生体分子とを前記電解質溶液に導入するステップにおいて、前記対象領域と前記修飾分子とを前記一対の液槽のいずれか一方に導入することを特徴とする生体分子分析方法。
    The biomolecule analysis method according to claim 13,
    Extracting the biomolecule,
    A step of amplifying a target region in the biomolecule by a specific site detection primer, or a step of fragmenting the biomolecule to obtain a target region in the biomolecule, and
    Binding the region of interest to magnetic beads and collecting the magnetic beads with a magnet;
    Further removing the region of interest from the magnetic beads,
    In the step of introducing the modifying molecule and the biomolecule into the electrolyte solution, the target region and the modifying molecule are introduced into either one of the pair of liquid tanks.
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