(57)【要約】【課題】薄膜の初期不良を抑制する構造を提供する。【解決手段】測定対象を第１領域から第２領域へ通過させる溶液槽デバイスであって，前記第１領域と前記第２領域を隔てる１μｍ以下の厚さを有する絶縁性の薄膜と，前記薄膜の両面のうち一方の面側を支持する第１溶液槽と，前記薄膜の両面のうちもう一方の面側を支持する第２溶液槽と，前記第１および第２溶液槽の外側に設けられた第３の溶液槽を備えていることを特徴とする。【選択図】図９
2019032250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象を第１領域から第２領域へ通過させる溶液槽デバイスであって、
前記第１領域と前記第２領域を隔てる１μｍ以下の厚さを有する絶縁性の薄膜と、
前記薄膜の両面のうち一方の面側を支持する第１溶液槽と、
前記薄膜の両面のうちもう一方の面側を支持する第２溶液槽と、
前記第１および第２溶液槽の外側に設けられた第３溶液槽を備えられていることを特徴とする溶液槽デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の溶液槽デバイスであって、前記薄膜は、前記測定対象として生体ポリマを通過させることを特徴とする溶液槽デバイス。
【請求項３】
請求項２に記載の溶液槽デバイスであって、前記薄膜は、複数の領域に分割されていることを特徴とする溶液槽デバイス。
【請求項４】
請求項１に記載の溶液槽デバイスであって、前記薄膜の厚さは、２０ｎｍ以下であることを特徴とする溶液槽デバイス。
【請求項５】
請求項１に記載の溶液槽デバイスであって、前記薄膜は、直径１０ｎｍ以下の大きさの孔を含むことを特徴とする溶液槽デバイス。
【請求項６】
請求項１に記載の溶液槽デバイスであって、前記第３溶液槽はシート抵抗１０１３Ω以下の導電性を有することを特徴とする溶液槽デバイス。
【請求項７】
請求項１に記載の溶液槽デバイスであって、前記第１溶液槽と前記薄膜の前記一方の面とで囲まれた領域に第１溶液が存在し、前記第２溶液槽と前記薄膜の前記もう一方の面とで囲まれた領域に第２溶液が存在し、前記第３溶液槽と前記第１および第２溶液槽で囲まれた領域に第３溶液が存在していることを特徴とする溶液槽デバイス。
【請求項８】
請求項７に記載の溶液槽デバイスであって、前記第１溶液または前記第２溶液のいずれか一方と前記第３溶液を等電位にする電気的配線を有することを特徴とする溶液槽デバイス。
【請求項９】
請求項１に記載の溶液槽デバイスであって、前記第３溶液槽と前記第１溶液槽または前記第２溶液槽のいずれか一方が流路で接続されていることを特徴とする溶液槽デバイス。
【請求項１０】
溶液槽デバイスを破壊することなく前記溶液槽デバイスに対して溶液を導入する方法であって、
前記溶液槽デバイスは、
第１領域と第２領域を隔てる１μｍ以下の厚さを有する絶縁性の薄膜と、
前記薄膜の両面のうち一方の面側を支持する第１溶液槽と、
前記薄膜の両面のうちもう一方の面側を支持する第２溶液槽と、
前記第１および第２溶液槽の外側に設けられた第３溶液槽と、
を備え、
前記方法は、
前記第３溶液槽に溶液を導入するステップ、
前記第１または第２溶液槽のいずれか一方に溶液を導入するステップ、
前記第１または第２溶液槽の他方に溶液を導入するステップ、
を有することを特徴とする方法。
【請求項１１】
溶液槽デバイスを破壊することなく前記溶液槽デバイスに対して溶液を導入する方法であって、
前記溶液槽デバイスは、
第１領域と第２領域を隔てる１μｍ以下の厚さを有する絶縁性の薄膜と、
前記薄膜の両面のうち一方の面側を支持する第１溶液槽と、
前記薄膜の両面のうちもう一方の面側を支持する第２溶液槽と、
前記第１および第２溶液槽の外側に設けられた第３溶液槽と、
を備え、
前記第３溶液槽と前記第１溶液槽または前記第２溶液槽のいずれか一方が流路で接続されており、
前記方法は、
前記第１溶液槽または前記第２溶液槽のいずれか一方と流路で接続されている前記第３溶液槽に溶液を導入するステップ、
前記第３溶液槽と流路で接続されていない前記第１溶液槽または前記第２溶液槽に溶液を導入するステップ、
を有することを特徴とする方法。
【請求項１２】
溶液槽デバイスを破壊することなく前記溶液槽デバイスに対して溶液を導入するとともに孔を電気的に加工する方法であって、
前記溶液槽デバイスは、
第１領域と第２領域を隔てる１μｍ以下の厚さを有する絶縁性の薄膜と、
前記薄膜の両面のうち一方の面側を支持する第１溶液槽と、
前記薄膜の両面のうちもう一方の面側を支持する第２溶液槽と、
前記第１および第２溶液槽の外側に設けられた第３溶液槽と、
を備え、
前記第１溶液槽と前記薄膜の前記一方の面とで囲まれた領域に第１溶液が存在し、前記第２溶液槽と前記薄膜のもう一方の面とで囲まれた領域に第２溶液が存在し、前記第３溶液槽と前記第１および第２溶液槽で囲まれた領域に第３溶液が存在し、
前記第１溶液と前記第２溶液にはそれぞれ電極が設けられており、
前記方法は、
前記第３溶液槽に溶液を導入するステップ、
前記第１または第２溶液槽のいずれか一方に溶液を導入するステップ、
前記第１または第２溶液槽の他方に溶液を導入するステップ、
前記電極間に電圧を印加することにより前記薄膜に孔を加工するステップ、
を有することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，薄膜デバイスを用いた測定を行うための構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノポアシーケンサは，薄膜に埋め込まれたナノポアを通過する計測対象の電流値を計測するシステムである。たとえば，計測対象がＤＮＡ（Ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ）である場合，ＤＮＡがナノポアを通過すると，ＤＮＡを構成する塩基（アデニン（Ａ），グアニン（Ｇ），シトシン（Ｃ），チミン（Ｔ））の違いによって，ナノポアをふさぐ電流値（「封鎖電流値」という）に違いが生じる。これにより，ナノポアシーケンサは，塩基配列を特定することができる。
【０００３】
ナノポアシーケンサのＤＮＡ読み取り精度を決定する要因には，たとえば，ナノポアが形成される薄膜の膜厚やナノポアを通過する電流のノイズの大きさがある。薄膜の膜厚は薄い方が良い。ＤＮＡ鎖中に配列する４種塩基の隣同士の間隔は，およそ０．３４［ｎｍ］である。この間隔に比べて膜厚が厚くなるほどナノポア中に同時に多くの塩基が入るため，封鎖電流として得られる信号も複数塩基に由来した信号となる。そのため，塩基配列の決定精度が低下し，かつ，信号の解析も複雑になる。また，ノイズ電流は小さいほうが良い。封鎖電流の値にはノイズ電流が加算される。４種塩基の識別率を上げるために封鎖電流の低減が要求される。
【０００４】
非特許文献１は，ＤＮＡが薄膜のナノポアを通過する時の塩基種由来の封鎖電流の違いを観測することを開示する。非特許文献１では封鎖電流の識別率を上げるために，薄膜のＳｉＮメンブレンにナノポアが設けられ，絶縁膜が塗布される。これにより，デバイス容量が低減しノイズ電流が低減する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Venta, K., et al., Differentiation of Short, Single-Stranded DNA Homopolymers in Solid-State Nanopores, ACS Nano 7(5), p. 4629-4636 (2013).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
生体ポリマ計測用の薄膜は，薄膜両側の溶液間の電位差に影響を受けやすく，電位差により壊れるという課題がある。特に，ノイズ電流を低減するためにデバイス容量を下げるようにした場合，薄膜に初期欠陥が生じる確率が高くなる。
【０００７】
実験により，厚さ１２〜２０［ｎｍ］の薄膜メンブレンを有するデバイスに，絶縁膜を塗布してデバイス容量を下げることで，ノイズ電流が低減できることが確認された。一方，ノイズ低減した低容量デバイスの薄膜両面側のチャンバに溶液が満たされると，多くの場合，薄膜が壊れるという初期不良が生じることが確認された。この初期不良は非特許文献１で言及されていない。したがって，当該初期不良のメカニズムおよび対策は不明である。
【０００８】
検討の結果，この初期不良は，薄膜両側に満たした溶液の電荷差ΔＱにより，デバイス容量Ｃの低減に伴って薄膜にかかる電位差ΔＶ（＝ΔＱ／Ｃ）が増幅し，薄膜を絶縁破壊することによって生じると分かった。さらにこの電荷差の発生原因の主な要因の１つが，溶液を満たす溶液槽外側に生じる静電気であることが分かった。
【０００９】
静電気は，物質と物質が数ｎｍ以下の近傍にまで接近し，接触摩擦により帯電することにより発生する。二種類の物質が接触摩擦により帯電するとき，その帯電量は物質によって異なることが知られている。接触摩擦しうる物質と同じ素材で構成したり，帯電列で近い物質を用いる方法は，接触摩擦する相手物質を限定する。したがって，雰囲気条件の変化や他の物質との接触摩擦によって帯電する可能性がある。また，湿度を上げて放電を促したり，イオナイザーを用いるといった雰囲気条件を調整する対策は，雰囲気条件の調整機器のメンテナンスが必要である。また，雰囲気条件の調整機器の振動によるノイズが問題になる。
【００１０】
本発明は，薄膜の初期不良を抑制する構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願において開示される発明の一側面となる溶液槽デバイスは，測定対象を第１領域から第２領域へ通過させる溶液槽デバイスであって，前記第１領域と前記第２領域を隔てる１μｍ以下の厚さを有する絶縁性の薄膜と，前記薄膜の両面のうち一方の面側を支持する第１溶液槽と，前記薄膜の両面のうちもう一方の面側を支持する第２溶液槽と，前記第１および第２溶液槽の外側に設けられた第３の溶液槽を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の代表的な実施の形態によれば，溶液間の電位差による薄膜の破壊確率を低減することができる。前述した以外の課題，構成及び効果は，以下の実施例の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は，薄膜デバイスの断面図である。
【図２】図２は，デバイス容量とノイズ電流との関係を示すグラフである。
【図３】図３は，ノイズ電流とリーク電流との関係を示すグラフである。
【図４】図４は，溶液槽外側で生じた静電気によって初期欠陥が作られるメカニズムを示す説明図である。
【図５】図５は，実験セットアップを示す説明図（Ａ）と，静電気を与えた際の薄膜の両面側の電位差の時間変化を示すグラフ（Ｂ）である。
【図６】図６は，静電気の電荷密度差と薄膜の膜厚との関係を示すグラフである。
【図７】図７は，溶液槽で静電気を与えた際の電位差変化を示すグラフである。
【図８】図８は，溶液槽デバイスに与えた静電気由来の表面電位と薄膜デバイスに印加される電位差の実測値を示すグラフである。
【図９】図９は，実施例１にかかる静電気防止構造を有する溶液槽デバイスの第１の例の断面図である。
【図１０】図１０は，実施例１にかかる静電気防止構造を有する第１の例の溶液槽デバイスに溶液を満たした状態を示す断面図である。
【図１１】図１１は，実施例１にかかる静電気防止構造を有する第１の例の溶液槽デバイスに溶液を満たし，電気的配線を有する電極を配置した状態を示す断面図である。
【図１２】図１２は，実施例１にかかる静電気防止構造を有する第１の例の溶液槽デバイスに溶液を導入する手順を示した図である。
【図１３】図１３は，実施例１にかかる静電気防止構造を有する溶液槽デバイスの第２の例の断面図である。
【図１４】図１４は，実施例１にかかる静電気防止構造を有する溶液槽デバイスの第３の例の断面図である。
【図１５】図１５は，実施例１にかかる静電気防止構造を有する第３の例の溶液槽デバイスに溶液を導入する手順を示した図である。
【図１６】図１６は，ナノポアシーケンサの一例を示す説明図である。
【図１７】図１７は，ナノポアシーケンサのフローの一例を示す説明図である。
【図１８】図１８は，実施例１にかかる溶液槽デバイスを用いて薄膜デバイスに電気的方法により微小孔を加工する際の実測値を示した図である。
【図１９】図１９は，実施例２にかかる溶液槽デバイスの一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜実施の形態１＞
最初に，デバイス容量低減に伴うノイズ電流の低減効果，デバイス容量低減に付随して薄膜両面側に溶液を満たした際に生じる初期不良が発生する原理，およびこの初期不良を防ぐメカニズムを，実験結果に基づいて説明する。
【００１５】
＜薄膜デバイス＞
図１は，薄膜デバイスの断面図である。（Ａ）は絶縁膜５１が塗布されていない薄膜デバイスであり，（Ｂ）は絶縁膜５１が塗布された薄膜デバイスである。薄膜デバイスは，薄膜１００と，当該薄膜１００を支持する支持基板５２と，により構成される。薄膜１００の表面側（図１では上側）および裏面側（図１では下側）は，溶液１０３で満たされている。溶液１０３および薄膜デバイスは，不図示の溶液槽により封入される。薄膜１００は，たとえば，厚さ２０［ｎｍ］，面積１００［μｍ２］以下のＳｉＮ薄膜である。支持基板５２は，たとえば，厚さ７２５［μｍ］のシリコン基板である。
【００１６】
（Ａ）において，支持基板５２が存在する側の第１容量をＣ１，支持基板５２が存在しない側の領域の第２容量をＣ２とする。この薄膜デバイスの合成容量ＣはＣ＝Ｃ１＋Ｃ２となる。（Ｂ）において，支持基板５２が支持する裏面と反対側の薄膜１００の表面には，絶縁膜５１が塗布されている。支持基板５２が存在する側の第１容量をＣ１’，支持基板５２が存在しない側の領域の第２容量をＣ２とする。合成容量Ｃ’はＣ’＝Ｃ１’＋Ｃ２となる。
【００１７】
（Ｂ）の薄膜デバイスには絶縁膜５１が塗布されているため，（Ｂ）の薄膜デバイスの第１容量Ｃ１’は，（Ａ）の薄膜デバイスの第１容量Ｃ１よりも低い（Ｃ１＞Ｃ１’）。したがって，（Ｂ）の薄膜デバイスの合成容量Ｃ’は，（Ａ）の薄膜デバイスの合成容量Ｃよりも低減される（Ｃ＞Ｃ’）。
【００１８】
図２は，デバイス容量とノイズ電流との関係を示すグラフである。横軸はデバイス容量（薄膜デバイスの合成容量）であり，縦軸はノイズ電流である。図１の（Ｂ）において，絶縁膜５１の塗布量を増加すると，合成容量Ｃ’の低減によってノイズ電流を低減できることが確認された。その結果，非特許文献１と同様に，我々が製作した薄膜デバイスにおいてもノイズ電流はデバイス容量の低減に伴って単調に減少した。上記のとおり，絶縁膜５１の塗布による低ノイズ化を確認できた一方で，上述したように，ノイズ低減した低容量デバイスの薄膜１００両面側のチャンバに溶液１０３が満たされると，デバイス容量低減に付随して初期不良が発生することが判明した。
【００１９】
図３は，ノイズ電流とリーク電流との関係を示すグラフである。横軸はノイズ電流であり，縦軸はリーク電流である。図３のグラフは，初期不良の発生有無を示し，ノイズ電流の帯域を１［ＭＨｚ］とし，リーク電流の印加電圧を０．１［Ｖ］として，ノイズ電流とリーク電流とを比較した実験結果である。
【００２０】
この実験では，薄膜１００は壊れていないか，大きさ１［ｎｍ］程度の小さな欠陥が生じる程度であるとき，０．１［Ｖ］の電圧を印加した際に流れる電流値がおよそ１０−１０［Ａ］以下になる。一方で，薄膜１００に１［ｎｍ］以上の大きさの初期欠陥が生じたとき，０．１［Ｖ］の電圧印加時に初期欠陥を通じて，およそ１０−１０［Ａ］以上の電流が流れる。
【００２１】
図３に示したように，ノイズ電流が小さな溶液槽デバイスほど，低容量化される。従来の絶縁性材料のみを含む溶液槽デバイスでは，ノイズ電流の低減に伴ってリーク電流が大きくなる。一方，実施例１にかかる溶液槽デバイスは，後述するように，絶縁性材料で構成された第１および第２の溶液槽の外部を第３の溶液槽が覆っている。したがって，従来の溶液槽デバイスに比べてリーク電流は大きく減少し，初期欠陥の発生を抑制する。
【００２２】
＜初期欠陥の発生メカニズム＞
図４は，溶液槽外側で生じた静電気によって初期欠陥が作られるメカニズムを示す説明図である。（ａ）は初期状態，（ｂ）は（ａ）の次状態，（ｃ）は（ｂ）の次状態を示す。（ａ）初期状態では，溶液槽デバイスである溶液槽１０１，１０２の外部に静電気１０がなく，溶液１０３内に含まれている電荷量と溶液１０４内に含まれている電荷量とに差がないものとする。（ｂ）の状態において，溶液槽１０１の外側に静電気１０が生じたとすると，溶液槽１０１の外側で生じた静電気１０と溶液槽１０１内の溶液１０３内の電荷とにより，電気二重層が生じる。溶液槽１０１の外側で生じた静電気１０が仮に正の電荷を有していたとすると，電気二重層を構成する溶液１０３内電荷は負電荷であり，溶液１０３の拡散層やバルク溶液の電荷は正に偏る。
【００２３】
上側の溶液槽１０１が有する静電気１０の量と下側の溶液槽１０２が有する静電気１０の量とが異なったとき，溶液１０３と溶液１０４のそれぞれがもつ電荷量Ｑ１とＱ２に差が生じる。この溶液１０３，１０４間の電荷差ΔＱ＝｜Ｑ１−Ｑ２｜は，薄膜１００に電位差ΔＶ（＝ΔＱ／Ｃ）を与える。特に薄膜デバイスが持つ容量Ｃが小さいとき，電位差ΔＶは大きくなり，（ｃ）の状態のように薄膜１００を絶縁破壊して孔を生じさせる。
【００２４】
図５Ａは，実験セットアップを示す説明図である。実験セットアップは，静電気１０の発生により，薄膜１００を絶縁破壊する電位差を与えるための実験装置である。この実験では，静電気１０によって与えられた電荷差によって薄膜１００が壊れることがないように，デバイス容量が１０００［ｐＦ］の高容量の薄膜デバイスを用いた。
【００２５】
この実験の初期状態は，（Ａ−１）のように溶液１０３，１０４の間で電荷差が解消された状態とし，（Ａ−２）のように外部物体との接触摩擦により，溶液槽１０１の外側に静電気１０を与えた状態とする。外部物体とは，たとえば，溶液槽デバイスの設置面，溶液槽を保持する治具やユーザの手である。
【００２６】
図５Ｂは，静電気１０を与えた際の薄膜１００の両面側の電位差の時間変化を示すグラフである。グラフの横軸が時間を示し，縦軸が薄膜１００の両面側の電位差を示す。グラフでは，静電気１０を与えている時間を「＊」で示す。静電気１０を与えた後，電位差は２［Ｖ］に増加している。この電位差はデバイス容量を低減した際には，さらに大きくなると考えられる。例えば，１００［ｐＦ］の容量をもつ膜厚１０［ｎｍ］のＳｉＮを薄膜に用いると，電位差は２０［Ｖ］となる。このとき薄膜にかかる電場は２［Ｖ／ｎｍ］である。当該電場は，ＳｉＮ薄膜の絶縁破壊電圧１［Ｖ／ｎｍ］よりも大きいため，薄膜１００が壊れる。
【００２７】
このように薄膜１００が絶縁破壊によって孔が生じる条件は，薄膜デバイスのもつデバイス容量Ｃによって変化するが，その他にも薄膜１００の膜厚ｔ［ｎｍ］，薄膜１００の絶縁破壊電圧Ｅ［Ｖ／ｎｍ］や，溶液槽１０１，１０２で静電気１０が発生する面積Ｓ［ｍ２］，静電気１０の電荷密度差Δσ［Ｃ／ｍ２］によっても変化する。許容される静電気１０の電荷密度差Δσ［Ｃ／ｍ２］は次式で表される。
【００２８】
Δσ＝（Ｅ×ｔ×Ｃ）／Ｓ・・・・・（１）
【００２９】
図６は，静電気１０の電荷密度差Δσと薄膜１００の膜厚ｔとの関係を示すグラフである。横軸が膜厚ｔを示し，縦軸が電荷密度差Δσを示す。図７では，一例として，絶縁破壊電圧ＥをＥ＝１［Ｖ／ｎｍ］，溶液槽１０１，１０２で静電気１０が生じる面積ＳをＳ＝１［ｃｍ２］，デバイス容量ＣをＣ＝１０［ｐＦ］と仮定した。
【００３０】
絶縁体表面に発生しうる電荷密度は最大で±５×１０−５［Ｃ／ｍ２］であることから，この条件下では，膜厚１［μｍ］以下の薄膜デバイスで，静電気１０による絶縁破壊が生じうる。このように，式（１）を用いることで，許容される静電気１０の電荷密度差Δσをおおよそ見積もることができ，静電気対策の必要の有無が判別可能である。
【００３１】
図７は，溶液槽で静電気を与えた際の電位差変化を示すグラフである。実施例１の静電気防止機構を有する溶液槽デバイスは，溶液１０３，１０４間で発生する電位差を低減させる。図７は，図５Ｂと同様に溶液槽１０１の外側に静電気１０を与え，その後の電位差の時間変化を示す。０［ｓ］時点での電位差が，静電気１０を与えた直後の電位差に相当する。図７から分かるように，実施例１の静電気防止機構を有する溶液槽デバイスによって電位差を低減できると分かった。
【００３２】
図８には溶液槽デバイスにコントロールして与えた静電気由来の表面電位と，その際に実際に薄膜デバイスに印加される電位差の実測値の関係を示したグラフである。ここで，Ｖｓは静電気由来の表面電位，Ｖｅは薄膜デバイスに印加される電位差，Ｃｆは溶液槽デバイスの静電容量，Ｃｄは薄膜デバイスのデバイス容量である。Ｃｄは１０００[ｐＦ]，Ｃｆは３[ｐＦ]の条件下において実験を行った。溶液槽デバイスの電気的回路の等価回路は単純化すると，図８右に示した回路図のようにコンデンサの直列回路に電圧が印加された構造と見なす事ができる。この時，薄膜デバイスに印加される電圧Ｖｅは，次式で表される。
【００３３】
Ｖｅ＝（Ｃｆ／（Ｃｆ＋Ｃｄ））×Ｖｓ・・・・・（２）
【００３４】
式（２）で予測された理論直線と実測値から予測した回帰直線はほぼ一致しており，静電気由来の表面電位が薄膜デバイスに対して，式（２）にて電位差が実際に印加されることが判明した。
【００３５】
＜静電気防止機構を有する溶液槽デバイス例＞
続いて，実施例で用いる静電気防止機構を有する溶液槽デバイスについて，図９〜図１５を用いて説明する。溶液槽デバイスは，絶縁性の薄膜１００を第１溶液槽１０１，第２溶液槽１０２で挟み，第１および第２溶液槽の外側には第３溶液槽９０１が設けられ，第３溶液槽９０１と第１溶液槽１０１および第２溶液槽１０２の間には空隙９０２が存在することを特徴とする構造である。溶液槽デバイスは，本特徴的構造により外部の物体との接触摩擦により生じる静電気１０を低減する。
【００３６】
図９は，実施例１にかかる静電気防止構造を有する溶液槽デバイスの第１の例の断面図である。図９に示す溶液槽デバイス９００は，第１溶液槽１０１，第２溶液槽１０２の外側に第３溶液槽９０１を有する。第３溶液槽９０１と第１溶液槽１０１および第２溶液槽１０２との間には空隙９０２が設けられている。この空隙９０２には溶液で充填されていることが好ましい。第１，２，３，溶液槽には溶液を導入するための注入口１０５，１０６，１０７が設けられている。溶液槽１０１，１０２，９０１は，絶縁性の樹脂，たとえば，シート抵抗１０１４［Ω］以上のポリメチルメタクリレート樹脂などで構成される。第１溶液槽１０１と第２溶液槽１０２は，薄膜デバイスを支持する。薄膜デバイスは，薄膜１００と支持基板５２とを有する。溶液槽１０１，１０２の外側に生じる静電気１０が与える電場によって，溶液槽１０１，１０２内の気体，液体，固体を通じて，薄膜１００が絶縁破壊されることがある。空隙９０２に充填された溶液によって，第１溶液槽１０１および第２溶液槽１０２の外側に生じた静電気１０は緩和され，薄膜１００の絶縁破壊を防ぐ事が可能となる。静電気は主に２種類の電気的経路によって解放される。１つ目の経路は静電気を帯びた箇所の電荷が，溶液と接液する事により気中放電によって大気中へと電荷が解放されていく経路である。２つ目の経路は静電気を帯びた箇所の電荷がＧＮＤに接続された導電性の構造または電気的配線によって，ＧＮＤへと解放されていく経路である。これら２種の電気的経路により静電気によって蓄積された電荷は緩和される。第３溶液槽は導電性の構造であってもよく，たとえばシート抵抗１０１３［Ω］以下の樹脂や，典型的には金属であってもよい。溶液は静電気を逃がす能力を有する導電性溶媒を含んでいればよく，典型的には水溶液が好ましい。水以外にはメタノールやエタノールなどのアルコールなどの極性溶媒であってもよい。また，溶液には導電性を高める電解質が含まれていてもよい。また，導電性を有するイオン液体であってもよい。
【００３７】
第３溶液槽，たとえば，絶縁性の樹脂表面に界面活性剤を塗装した溶液槽であってもよい。これにより，溶液槽１０１，１０２の表面で水を吸着することにより導電性を高めることができる。また，第３溶液槽は絶縁性の樹脂表面に導電性材料を塗装または貼着した構造でもよい。あるいは第３溶液槽は，絶縁性の樹脂表面に導電性が高い金属で覆われるように真空蒸着による金属薄膜を形成した構造でもよい。これにより，静電気１０の効果的に漏洩することができる。
【００３８】
図１０は，図９の溶液槽デバイスの第１，２，３溶液槽に対して溶液を充填した際の断面図である。第１溶液１０８，第２溶液１０９，第３溶液１１０はそれぞれ第１，２，３溶液槽に対して充填されていることを特徴とする。この時，第３溶液が第１，２溶液槽と触れることにより，溶液槽デバイスが帯びていた表面電荷が第３溶液を介して解放され，静電気による薄膜の破壊を回避する事ができる。この際，後述するように電気的配線が設けられている事が好ましいが，溶液を介するだけで大気中などへ静電気が解放されるため，静電気を十分低減する事ができる。この際，第１溶液と第２溶液は電気的に絶縁していてもよい。
【００３９】
図１０に示した溶液槽デバイスの各溶液槽には電気的配線で接続された電極が配置されていることが好ましい。図１１にはそのような電極を有する図１０の溶液槽デバイスの断面図を示した。第１電極１１１，第２電極１１２，第３電極１１３は各溶液槽に対して配置され，それぞれ第１，２，３溶液と接液することによって電気的に接続されている。この際，第１溶液と第３溶液は電気的に等電位となるように接続されている事が好ましい。このような配置とすることにより，発生した静電気は電気的配線によって外部へと確実に解放される。典型的にはＧＮＤに接地することから，静電気はＧＮＤへと解放される。
【００４０】
第１溶液と第２溶液は電位差を発生させる電源１１４を介して電気的に接続される。後述するように電源１１４が発生する電位差を利用して薄膜１００に孔を電気的に加工し，第１領域から第２領域へと測定対象を移動させて分析する事が可能となる。
【００４１】
図１２には図１１に示した溶液槽デバイスに対して溶液を導入する手順を示す。まず第１に，第３溶液槽に対して注入口を介して第３溶液を導入する。第２に，第１溶液槽に第１溶液を導入する。最後に，第２溶液槽に第２溶液を導入する。このような工程を経る事により，第１，２溶液槽表面で帯電した静電気を解放してから，薄膜１００に対して溶液を導入することができるため，薄膜の破壊を確実に防ぐ事が可能となる。この際に，第３溶液と第１溶液は電気的配線によって接続されながら溶液を導入することによって確実な静電気の解放が実現される。尚，上記では第２に溶液を導入する手順として第１溶液槽に第１溶液を導入したが，第２溶液槽に第２溶液を先に導入した後に，第１溶液槽に第１溶液を導入する手順であっても良い。
【００４２】
上記手順によって，薄膜の破壊を防止しながら溶液を導入した後に電源１１４によって薄膜１００に電位差を与え，薄膜の絶縁破壊電圧以上の電位差を印加することによって，微小な孔を電気的に加工することが可能となる。薄膜の破壊を防止する事により，精度良く，かつ品質の良い孔を加工することができるようになる。
【００４３】
上記溶液槽デバイスは，必ずしも第３溶液槽が第１溶液槽および第２溶液槽をすべて覆うように囲っている必要は無く，第３溶液槽中の第３溶液が第１溶液槽および第２溶液槽の一部と接液している構造であれば良い。例えば，図９の溶液槽デバイスは第１溶液槽および第２溶液槽の一面が第３溶液槽の第３溶液と接液していない構造であるが，このような構造であっても静電気低減の効果は発揮される。第３溶液が接液した箇所の静電気が解放されるので，絶縁破壊防止の観点からは，第１溶液槽および第２溶液槽の全面が覆われていることがより望ましい。ただし，溶液注入口に存在すると第１溶液または第２溶液と混合してしまう恐れがあり，第１溶液槽または第２溶液槽に設けられた電極と接液すると，接液箇所で電気化学反応が進行し，電気的に接続されてしまい薄膜特性を正しく評価することができなくなる。そのため，溶液注入口や上記電極には第３溶液が接液しないことが望ましい。よって，装置配置の実現可能性から考え，図１１に示すように，溶液注入口や上記電極には第３溶液が接液していない構造が望ましい。また，第３溶液槽と大気が触れる面に静電気が存在する場合，第３溶液槽の静電容量に依存した電位差が，薄膜に印加されうる。そのため，第３溶液槽と大気が触れる面は静電気がたまらないよう，シート抵抗１０１３Ω以下の導電性の部材で構成されていることが望ましい。
【００４４】
図１３は実施例１にかかる静電気防止構造を有する溶液槽デバイスの第２の例の断面図である。図１３に示す第２の例の溶液槽デバイス１３００は，図９に示した溶液槽デバイスの第３溶液槽の注入口１０７を封じ，第３溶液を第３溶液槽に先に導入した後に封入した構造を有する。このような構造は，典型的なネジなどを用いる機械的組み立て方法や，射出成型方法，樹脂溶着などによって組み立てる事ができる。
【００４５】
図１４は，実施例１にかかる静電気防止構造を有する溶液槽デバイスの第３の例の断面図である。図１４に示す第３の例の溶液槽デバイス１４００は，第１溶液槽と第３溶液槽が流路１１５により接続されている事を特徴とする構造である。このように第１溶液槽と第３溶液槽を接続する事により，溶液を導入する手順を１回減らす事ができる。また，第３溶液槽を経由しながら第１溶液槽を通って溶液が通過することにより，第１溶液槽と第２溶液槽表面の帯電を除去しながら溶液を導入することが可能となる。
【００４６】
図１５には，図１４の溶液槽デバイスに溶液を導入する手順を示した。まず第１に，第３溶液槽の注入口を介して溶液を導入する。この際，第３溶液槽と第１溶液槽は流路１１５で接続されているため，流路を経由して第１溶液槽へと溶液が続いて導入され，第１溶液槽の注入口から溶液が排出される。次に第２溶液槽に溶液を導入する。このような工程を経る事により，第１，２溶液槽表面で帯電した静電気を解放してから，薄膜１００に対して溶液を導入することができるため，薄膜の破壊を確実に防ぐ事が可能となる。尚，流路１１５はＧＮＤに接地された第１溶液槽と第３溶液槽を繋ぐ形で接続することが好ましいが，電源と接続された第２溶液槽と第３溶液槽を接続する形で配置されてもよい。ただし，第１溶液槽と第２溶液槽は接続してはならない。
【００４７】
以下，第１〜第３の例の溶液槽デバイス９００〜１４００に共通の構成について説明する。薄膜デバイスは，たとえば７２５［μｍ］の厚さのシリコンの支持基板５２で，厚さ１［μｍ］，面積１００［μｍ２］以下のＳｉＮ薄膜１００を支持した構成としてもよい。薄膜デバイスをナノポアシーケンサのデバイスとして用いる場合，薄膜１００に絶縁膜を塗布する，支持基板５２にＳｉＯ２を用いてもよい。このように，デバイス容量を低減することにより，高周波成分のノイズを低減することができる。
【００４８】
また，図２で示したように，十分にノイズ電流を低減するには，デバイス容量を１００［pＦ］以下になるように絶縁膜を薄膜デバイスに形成することが望ましい。また，デバイス容量を低減していない薄膜デバイスであっても，薄膜デバイスの絶縁破壊電圧が小さい場合，または上下の溶液間に発生する初期電荷差ΔＱが大きい場合には，薄膜１００に発生する電位差ΔＶ（＝ΔＱ／Ｃ）が絶縁破壊電圧を上回り，薄膜１００に初期欠陥を与える可能性がある。そのため，デバイス容量を低減していないデバイスであったとしても，第１〜第３の例の溶液槽デバイス９００〜１４００による静電気発生の防止が有効である。
【００４９】
薄膜デバイスを封鎖電流計測に用いる場合には，薄膜１００の厚さは測定対象の大きさによって適切な厚みを選ぶ必要がある。たとえば，測定対象が１［μｍ］程度の大きさである場合，薄膜１００の膜厚は１［μｍ］程度であることが好ましい。一方で，測定対象として２０［ｎｍ］以下の幅または長さを有する生体ポリマを計測する場合，センサとしての分解能を高めるために膜厚２０［ｎｍ］以下の薄膜１００を用いる必要がある。このとき，図６で示したように，膜厚ｔが薄くなるほど絶縁破壊が生じる電荷密度差Δσも小さくなるため，静電気１０による初期不良の発生率が増加する。そのため，特に膜厚２０［ｎｍ］以下の薄膜１００を有する薄膜デバイスを第１〜第３の例の溶液槽デバイス９００〜１４００に実装することにより，静電気１０の発生を効果的に抑制することができる。
【００５０】
また，直径１０［ｎｍ］以下の孔が開いた薄膜１００を用いてもよい。薄膜１００が孔を有していると，ＤＮＡ等の生体ポリマを孔に通過させ，封鎖電流を計測することができる。ここで，薄膜１００の両面側に電解液を満たしたとき，孔が開いている薄膜１００であっても，孔径が小さい場合には孔部分で発生する溶液抵抗が大きいため，薄膜１００に０．０１［Ｖ／ｎｍ］以上の電位差が生じることがある。このように既に孔が開いている薄膜１００であっても，０．０１［Ｖ／ｎｍ］以上の高い電位差が１［ｓ］以上の時間与えられると薄膜１００に複数の孔が開いたり，孔が広がるといった不良が生じるため，静電気１０の防止が必要となる。
【００５１】
また，薄膜１００は孔を含まないものであってもよい。たとえば，薄膜１００に溶液１０３，１０４を満たし，その後薄膜１００に電圧を印加することによって，制御良く薄膜１００に直径１０［ｎｍ］以下の孔を開孔する手順を用いる場合，薄膜１００を溶液槽１０１，１０２に組み込んだ時点ではまだ孔が開いていない。孔が開いていない場合，薄膜１００にかかる電位差はより大きくなりやすく，制御不能な孔が薄膜１００上に開くことがある。そのため，孔が開いていない場合において，静電気１０の発生の防止は有効である。また，薄膜１００の素材はソリッドナノポアシーケンスができるようＳｉＮやＧｒａｐｈｅｎｅといった無機材料としてもよく，バイオナノポアシーケンスができるよう脂質二重膜にタンパク質ナノポアを埋め込んだバイオナノポアなどの有機材料であってもよい。
【００５２】
また，薄膜１００と溶液槽１０１，１０２の間には，液漏れを防ぐためＯリングを挟んでもよい。溶液槽内の溶液抵抗が小さいことは，ノイズ電流の低減に繋がる。したがって，注入口の流路長は５０［ｍｍ］以下にするのが望ましく，その流路径も直径１［ｍｍ］以上にするのが望ましい。
【００５３】
図１６は，ナノポアシーケンサの一例を示す説明図である。図１６に示すナノポアシーケンサ１６００は，図１１に示した第１の例の溶液槽デバイス９００の電極に接続し，コンピュータ１１７により，薄膜１００を通過する電流を計測する計測システムである。電流を計測するため，電極は電源や電流計１１６と接続される。コンピュータ１１７は，電流計１１６で計測した電流値を内部の記憶デバイスに保存する。
【００５４】
一例として，電極は，構造が単純で取扱が容易な電極Ａｇ／ＡｇＣｌ電極とし，溶液は，１Ｍ ＫＣｌ水溶液とした。また，溶液は，計測対象の生体ポリマとして，たとえば，ＤＮＡ，タンパク質，核酸を含む。また，計測対象は無機材料や有機材料のパーティクルでもよい。すなわち，計測対象は，ナノポアを通過するような物質を含む溶液であればよい。
【００５５】
計測対象がＤＮＡである場合，ナノポアシーケンサ１６００は，ＤＮＡがナノポアを通過した場合の封鎖電流値の大きさから，ＤＮＡを構成する塩基配列を特定することができる。また，計測対象がＤＮＡ以外の生体ポリマや無機材料のパーティクルといった計測対象である場合，ナノポアシーケンサ１５００は，これらがナノポアを通過した場合の封鎖電流値の大きさから，計測対象の大きさを推定することができる。図１７には図１６に示したナノポアシーケンサ構成を用いて、ＤＮＡを計測するまでの一連のフローを示した。図１２に示した手順を用いて、溶液槽に溶液を導入した後、薄膜デバイスに絶縁破壊電圧を印加することで，微小な孔を加工する。その後、第１または第２溶液槽のいずれかに計測対象、たとえばＤＮＡを含む溶液に置換し，薄膜デバイスを介して電位差を印加することにより，ＤＮＡは電気泳動されて微小な孔へと誘導されてＤＮＡを計測する事が可能となる。
【００５６】
図１８には図１１に示した溶液槽デバイスを用いて図１２に示した手順によって溶液を導入した後，薄膜デバイスに絶縁破壊電圧を印加することによって微小な孔を加工した際の実験図を示す。横軸は薄膜デバイスに印加したパルス状電圧の総累積印加時間を，縦軸はパルス電圧を印加した後の薄膜デバイスを流れる電流値を示している。実施例１にかかる溶液槽デバイスを用いる事で，薄膜は破壊されることなく，第１溶液と第２溶液が絶縁状態を維持したままを保つことができる。この状態にて絶縁破壊電圧に相当する電圧をパルス状に複数印加することによって，薄膜デバイスに微小孔を加工することができる。本実験ではデバイス容量１００［ｐＦ］，薄膜５［ｎｍ］，絶縁破壊電圧４［Ｖ］の条件にてパルス状の電圧を１０［ｍｓ］から徐々に対数的にパルス時間幅を増加させて印加し，パルス印加後の電流値を電圧０．１［Ｖ］を印加することで読み取った。この際，第１溶液と第２溶液は１ＭＫＣｌ溶液を使用している。パルス電圧を複数回印加した後，ナノポア径１．０［ｎｍ］に相当する電流値が流れる事を確認した。したがって，本溶液槽デバイスを用いる事によりデバイス容量の小さい条件下において，薄膜デバイスを破壊することなく，電気的方法によって微小孔を加工できることを確認した。
【００５７】
＜実施の形態２＞
実施例２は，実施例１に示した第１〜第３の例の溶液槽デバイス９００〜１４００を薄膜１００の平面方向にアレイ状に構成した溶液槽デバイスである。実施例２では，実施例１にかかる第１の例の溶液槽デバイス９００をアレイ状に構成した溶液槽デバイスについて説明するが，第２〜第３の例をアレイ状にてもよい。これにより，測定対象の測定の高速化を図る。
【００５８】
図１９は，実施例２にかかる溶液槽デバイスの一例を示す断面図である。図１９は，実施例１にかかる第１の例の溶液槽デバイス９００をアレイ状に構成した溶液槽デバイス１９００である。実施例２においても，溶液槽デバイス１９００は，第３溶液槽を有する。溶液槽１０１，１０２において，各薄膜１００の境界に隔壁を設け，溶液の流入，流出を抑制する。これにより，アレイ間のクロストークノイズを低減することができる。また，溶液槽１０１はアレイ間でつながっている構造となるが，溶液槽１０１は隔壁を設けて個別の溶液槽に分離しても良い。
【００５９】
以上説明したように，本実施例にかかる溶液槽デバイスによれば，薄膜の初期不良を抑制することができる。また，薄膜が，測定対象として生体ポリマを通過させる構成とすることにより，薄膜の初期不良を抑制した溶液槽デバイスを，生体ポリマの測定に利用することができる。また，薄膜を複数の領域に分割することにより，領域ごとに並列に測定対象を通過させることができ，測定時間の短縮化を図ることができる。また，薄膜の厚さを２０ｎｍ以下とすることにより，測定対象として２０［ｎｍ］以下の幅または長さを有する生体ポリマを計測する場合，溶液槽デバイスを用いたセンサとしての分解能を高めることができる。
【００６０】
また，膜厚２０［ｎｍ］以下の薄膜を用いることにより，静電気の発生を効果的に抑制することができる。また，薄膜が直径１０ｎｍ以下の大きさの孔を有することにより，ＤＮＡ等の生体ポリマを孔に通過させ，封鎖電流を計測することができる。また，第１溶液槽と薄膜の一方の面とで囲まれた領域に第１溶液を満たし，第２溶液槽と薄膜のもう一方の面とで囲まれた領域に第２溶液を存在させ，第１溶液と第２溶液のうちいずれか一方の溶液に測定対象を含めることにより，薄膜を介して電位差を第１溶液および第２溶液に与えることで，薄膜を通過する測定対象の封鎖電流を測定することができる。
【００６１】
なお，本発明は上記した実施例に限定されるものではなく，様々な変形例が含まれる。例えば，上記した実施例は本発明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ものに限定されるものではない。また，ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり，また，ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また，各実施例の構成の一部について，他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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