(57)【要約】【課題】高スループット、高空間分解能で高分子の検出及び分析が可能な分析装置、その分析装置に用いられる計測ユニット及び分析装置を提供する。【解決手段】分析装置用の計測ユニットは、第１の開口部を有する第１の薄膜と、前記第１の開口部と連結し、かつ前記第１の開口部の径よりも大きい径を有する第２の開口部を有する第２の薄膜とを備える。前記第２の開口部の周囲には、ソース電極とドレイン電極とチャネルとを備えるＦＥＴ構造が設けられている。この計測ユニットを用いて、測定対象による前記第１の開口部の部分的な封鎖に伴うＦＥＴ構造近傍の電位変化を検出する。【選択図】図１Ｃ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の開口部を有する第１の薄膜と、
前記第１の開口部と連結し、かつ前記第１の開口部の径よりも大きい径を有する第２の開口部を有する第２の薄膜とを備え、
前記第２の開口部の周囲には、ソース電極とドレイン電極とチャネルとを備えるＦＥＴ構造が設けられている、分析装置用の計測ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の計測ユニットにおいて、
前記第１の開口部の断面形状が円形の場合はその直径が、楕円形の場合はその短径が、多角形の場合はその内接円の直径が、１．０ｎｍ〜１０ｎｍであることを特徴とする計測ユニット。
【請求項３】
請求項１に記載の計測ユニットにおいて、
前記第１の薄膜の厚さが０．３３５〜２００ｎｍであることを特徴とする計測ユニット。
【請求項４】
請求項１に記載の計測ユニットにおいて、
前記第１の開口部の高さを前記第１の開口部の径の２乗で除した値が、前記第２の開口部の高さを前記第２の開口部の径の２乗で除した値の０．０１〜１００倍であることを特徴とする計測ユニット。
【請求項５】
請求項１に記載の計測ユニットにおいて、
前記第２の開口部の高さが前記第２の開口部の径の１００倍以下であることを特徴とする計測ユニット。
【請求項６】
請求項１に記載の計測ユニットにおいて、
前記第１の薄膜の材料がグラフェンであることを特徴とする計測ユニット。
【請求項７】
請求項１に記載の計測ユニットにおいて、
前記第２の薄膜に前記ＦＥＴ構造が複数設けられていることを特徴とする計測ユニット。
【請求項８】
第１の溶液槽と、
第２の溶液槽と、
前記第１の溶液槽と前記第２の溶液槽との間に配置された少なくとも１つの計測ユニットと、
制御部とを備え、
前記計測ユニットは、第１の開口部を有する第１の薄膜と、前記第１の開口部と連結し、かつ前記第１の開口部の径よりも大きい径を有する第２の開口部を有する第２の薄膜とを備え、前記第２の開口部の周囲には、ソース電極とドレイン電極とチャネルとを備えるＦＥＴ構造が設けられており、
前記制御部は、測定対象による前記第１の開口部の部分的な封鎖に伴う前記ＦＥＴ構造近傍の電位変化を検出することを特徴とする分析装置。
【請求項９】
請求項８に記載の分析装置において、
前記第１の開口部の断面形状が円形の場合はその直径が、楕円形の場合はその短径が、多角形の場合はその内接円の直径が、１．０ｎｍ〜１０ｎｍであることを特徴とする分析装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の分析装置において、
前記第１の薄膜の厚さが０．３３５〜２００ｎｍであることを特徴とする分析装置。
【請求項１１】
請求項８に記載の分析装置において、
前記第１の開口部の高さを前記第１の開口部の径の２乗で除した値が、前記第２の開口部の高さを前記第２の開口部の径の２乗で除した値の０．０１〜１００倍であることを特徴とする分析装置。
【請求項１２】
請求項８に記載の分析装置において、
前記第２の開口部の高さが前記第２の開口部の径の１００倍以下であることを特徴とする分析装置。
【請求項１３】
請求項８に記載の分析装置において、
前記第１の薄膜の材料がグラフェンであることを特徴とする分析装置。
【請求項１４】
請求項８に記載の分析装置において、
前記第２の薄膜に前記ＦＥＴ構造が複数設けられていることを特徴とする分析装置。
【請求項１５】
第１の溶液槽と第２の溶液槽との間に配置された少なくとも１つの計測ユニットに測定対象を通過させるステップであって、前記計測ユニットは、第１の開口部を有する第１の薄膜と、前記第１の開口部と連結し、かつ前記第１の開口部の径よりも大きい径を有する第２の開口部を有する第２の薄膜とを備え、前記第２の開口部の周囲には、ソース電極とドレイン電極とチャネルとを備えるＦＥＴ構造が設けられており、前記第１の開口部を貫通する方向の電場により前記測定対象が前記第１の開口部を通過するように制御する、ステップと、
前記測定対象による第１の開口部の部分的な封鎖に伴う前記ＦＥＴ構造近傍の電位変化を検出するステップと、を含む分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノポアに高分子を通過させて分析する装置、その装置で使用される計測ユニット、及び分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノポア式分析装置とは、核酸、タンパク質等の高分子をナノポアに通過させ、電気的に高分子を検出する分析装置である。ナノポア式分析装置の検出方法として封鎖電流方式が知られている（非特許文献１）。具体的な検出方法としては、まず、２個の溶液槽の間にナノポアを有する薄膜を設置する。溶液槽の間に電位勾配をかけることで、溶液槽に含まれる溶液のイオンがナノポア内を移動し、イオン電流が発生する。次に、片方の溶液槽に電荷を持った高分子を加えると、電位勾配により高分子はナノポアを通過する。高分子がナノポア内部を通過する際に、ナノポア内部のイオンの移動を部分的に封鎖するため、電流値が減少する。この電流値の減少により高分子を検出する方法である。
【０００３】
測定のスループットを向上させるためには、ナノポアの並列化が必要である。しかし、封鎖電流方式では、少なくとも片方の溶液槽のナノポア間に隔壁を設置し、ナノポア間の溶液を隔離することで、ナノポア間の信号の混在を防ぐ必要がある。ナノポア間に隔壁が必要なため、ナノポアの高集積化が困難である。
【０００４】
封鎖電流方式によるナノポア式分析装置をＤＮＡシークエンサーとして利用する場合には、ＤＮＡがナノポアを通過する際の４種塩基の封鎖電流量の違いを検出することで、塩基識別及び配列解読を行う。
【０００５】
また、封鎖電流方式以外の検出方法として、高分子がナノポアを通過する際のナノポア開口端近傍の電位変化を検出する方法も知られている（特許文献１、非特許文献２）。この方法を実施する装置は、構成要素として、２個の溶液槽と、ナノポアを有する薄膜と、溶液槽の間に電位勾配をかける電極と、ナノポア開口端近傍の電位を計測する電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ  ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＦＥＴ）構造とを含む。高分子がナノポア内部を封鎖することで、開口端近傍の電位が変化する。この電位変化をＦＥＴ構造で検出する。電位に基づいて高分子を検出するため、ナノポア間の溶液を隔離しなくても、ナノポア毎に独立して信号を検出することが可能である。そのため、ナノポア間の隔壁が不要で、高集積化が容易である。
【０００６】
非特許文献２（Ｆｉｇ．３ｃ）には、二本鎖ＤＮＡのナノポア通過によるナノポア近傍の電位変化の計算値が示されており、高分子の導入側の溶液の塩濃度が導出側の１００倍の場合に電位変化が最大となっている。また、非特許文献２（Ｆｉｇ．１ａ）には、高分子の導入側の溶液と導出側の溶液で塩濃度が等しい場合、二本鎖ＤＮＡの通過に伴うＦＥＴ信号を検出できないことが示されている。よって、高分子を感度良く検出するためには、高分子の導入側の溶液の塩濃度を導出側よりも高くすることが必要である。
【０００７】
しかし、高分子の導入側の塩濃度を高くすると、導入側の導電性が高くなり、電位変化が小さくなる。これにより、導入側のナノポア開口端近傍の電場が弱くなる（非特許文献２、Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｆｉｇｓ．５ｃ、ｄ）。その結果、塩濃度の勾配をつける前と比較して、高分子をナノポアに導入する力が弱くなるため、高分子のナノポア通過頻度が小さくなり、計測のスループットが低下するという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０３２７８４７号明細書
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】ＮＡＮＯ  ＬＥＴＴＥＲＳ  ２０１０、  Ｖｏｌ．１０、  ｐｐ．  ２９１５−２９２２
【非特許文献２】Ｎａｔｕｒｅ  Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ２０１１、  Ｖｏｌ．７、  ｐｐ．  １１９−２５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ナノポア式分析装置の空間分解能は、ナノポアの長さ（測定対象の通過方向の長さ）に依存する。例えば、ナノポア式分析装置をＤＮＡシークエンサーとして利用する場合には、一塩基ずつ配列を決定する必要があり、一塩基分の空間分解能を得ることが望ましい。空間分解能を一塩基分とするためには、ＤＮＡにより封鎖される部位の長さを一塩基分（０．３４  ｎｍ）以下にする必要がある。特許文献１（Ｆｉｇ．１）では、薄膜（基板）と電極の積層部にナノポアを形成している。そのため、ナノポアの長さは、薄膜の厚さに電極の厚さを加えたものになり、ナノポアの長さを短くするのは困難である。
【００１１】
また、特許文献１（Ｆｉｇ．２Ｃ）では、電極に隣接した薄膜にナノポアを形成しているが、ナノポア近傍に薄膜を支える構造がない。そのため、より薄い薄膜を作製し、ナノポアの長さを短くするのは困難である。よって、特許文献１に示された構成では十分に空間分解能を向上させるのは困難である。
【００１２】
本発明の目的は、高スループット及び高空間分解能で高分子の検出及び分析が可能な分析装置、その分析装置で用いられる計測ユニット、及び、分析方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、第１の開口部を有する第１の薄膜と、前記第１の開口部と連結し、かつ前記第１の開口部の径よりも大きい径を有する第２の開口部を有する第２の薄膜とを備え、前記第２の開口部の周囲には、ソース電極とドレイン電極とチャネルとを備えるＦＥＴ構造が設けられている計測ユニットを提供することによって、上記課題が解決できることを見出した。
すなわち、本発明は以下の発明を包含する。
【００１４】
（１）第１の開口部を有する第１の薄膜と、
前記第１の開口部と連結し、かつ前記第１の開口部の径よりも大きい径を有する第２の開口部を有する第２の薄膜とを備え、
前記第２の開口部の周囲には、ソース電極とドレイン電極とチャネルとを備えるＦＥＴ構造が設けられている、分析装置用の計測ユニット。
【００１５】
（２）前記第１の開口部の断面形状が円形の場合はその直径が、楕円形の場合はその短径が、多角形の場合はその内接円の直径が、１．０ｎｍ〜１０ｎｍである、（１）記載の計測ユニット。
【００１６】
（３）前記第１の薄膜の厚さが０．３３５〜２００ｎｍである、（１）記載の計測ユニット。
【００１７】
（４）前記第１の開口部の高さを前記第１の開口部の径の２乗で除した値が、前記第２の開口部の高さを前記第２の開口部の径の２乗で除した値の０．０１〜１００倍である、（１）記載の計測ユニット。
【００１８】
（５）前記第２の開口部の高さが前記第２の開口部の径の１００倍以下である、（１）記載の計測ユニット。
【００１９】
（６）前記第１の薄膜の材料がグラフェンである、（１）記載の計測ユニット。
【００２０】
（７）前記第２の薄膜に前記ＦＥＴ構造が複数設けられている、（１）記載の計測ユニット。
【００２１】
（８）第１の溶液槽と、
第２の溶液槽と、
前記第１の溶液槽と前記第２の溶液槽との間に配置された少なくとも１つの計測ユニットと、
制御部とを備え、
前記計測ユニットは、第１の開口部を有する第１の薄膜と、前記第１の開口部と連結し、かつ前記第１の開口部の径よりも大きい径を有する第２の開口部を有する第２の薄膜とを備え、前記第２の開口部の周囲には、ソース電極とドレイン電極とチャネルとを備えるＦＥＴ構造が設けられており、
前記制御部は、測定対象による前記第１の開口部の部分的な封鎖に伴う前記ＦＥＴ構造近傍の電位変化を検出する、分析装置。
【００２２】
（９）前記第１の開口部の断面形状が円形の場合はその直径が、楕円形の場合はその短径が、多角形の場合はその内接円の直径が、１．０ｎｍ〜１０ｎｍである、（８）記載の分析装置。
【００２３】
（１０）前記第１の薄膜の厚さが０．３３５〜２００ｎｍである、（８）記載の分析装置。
【００２４】
（１１）前記第１の開口部の高さを前記第１の開口部の径の２乗で除した値が、前記第２の開口部の高さを前記第２の開口部の径の２乗で除した値の０．０１〜１００倍である、（８）記載の分析装置。
【００２５】
（１２）前記第２の開口部の高さが前記第２の開口部の径の１００倍以下である、（８）記載の分析装置。
【００２６】
（１３）前記第１の薄膜の材料がグラフェンである、（８）記載の分析装置。
【００２７】
（１４）前記第２の薄膜に前記ＦＥＴ構造が複数設けられている、（８）記載の分析装置。
【００２８】
（１５）第１の溶液槽と第２の溶液槽との間に配置された少なくとも１つの計測ユニットに測定対象を通過させるステップであって、前記計測ユニットは、第１の開口部を有する第１の薄膜と、前記第１の開口部と連結し、かつ前記第１の開口部の径よりも大きい径を有する第２の開口部を有する第２の薄膜とを備え、前記第２の開口部の周囲には、ソース電極とドレイン電極とチャネルとを備えるＦＥＴ構造が設けられており、前記第１の開口部を貫通する方向の電場により前記測定対象が前記第１の開口部を通過するように制御する、ステップと、
前記測定対象による第１の開口部の部分的な封鎖に伴う前記ＦＥＴ構造近傍の電位変化を検出するステップと、を含む分析方法。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、高スループット及び高空間分解能で高分子の検出及び分析が可能となる。
本発明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、上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１Ａ】本発明の第１実施例を示す図であり、分析装置に用いられる計測ユニットの一例の斜視図である。
【図１Ｂ】本発明の第１実施例を示す図であり、分析装置に用いられる計測ユニットの別の例の斜視図である。
【図１Ｃ】図１ＡのＡ−Ａ線断面図である。
【図１Ｄ】図１Ａの上面図である。
【図１Ｅ】図１Ｂの上面図である。
【図１Ｆ】第１の薄膜の第１の開口部近傍の拡大斜視図である。
【図２】ＤＮＡが第１の開口部を通過した際の電位変化を示すグラフである。
【図３】開口部の抵抗比（第１の開口部／第２の開口部）とＤＮＡが第１の開口部を通過した際の電位変化の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第２実施例の構成を示す図である。
【図５】本発明の第２実施例における電気系統を示す図である。
【図６Ａ】本発明の第３実施例の構成を示す図である。
【図６Ｂ】図６ＡのＡ−Ａ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。なお、添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。なお、各図において共通の構成要素については同一の参照番号が付されている。
【００３２】
各実施例で述べる「ナノポア」とは、薄膜に設けたナノサイズの孔であり、薄膜の表裏を貫通する。ナノポアを有する薄膜は主に無機材料から形成される。薄膜材料の例としては、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、グラフェン（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）、グラファイト（Ｇｒａｐｈｉｔｅ）、Ｓｉなどが挙げられる。薄膜材料は、他に、有機物質、高分子材料などを含むこともできる。
【００３３】
［第１実施例］
図１Ａは、分析装置に用いられる計測ユニットの一例を示し、以下で説明する第２の開口部の形状が直方体である場合の斜視図である。図１Ｂは、計測ユニットの別の例を示し、第２の開口部の形状が円柱である場合の斜視図である。図１Ｃは、図１ＡのＡ−Ａ線断面図であり、ＸＹ面に平行でナノポアを通過する面における断面図である。図１Ｄは、図１Ａの上面図であり、図１Ｅは、図１Ｂの上面図である。
【００３４】
図１Ａにおいて、計測ユニットは、第１の薄膜１００と、第１の薄膜１００上に積層された第２の薄膜１０４とを備える。第１の薄膜１００は、第１の開口部１０５を有し、この第１の開口部１０５は、上記で説明したナノポアに相当するものである。第２の薄膜１０４は、第２の開口部１０６を有している。第２の薄膜１０４の材料として、上述した第１の薄膜１００用の材料と同じ材料を用いてもよいし、その他の材料を用いてもよい。第２の開口部１０６は、第１の開口部１０５と連結しており、第２の開口部１０６の径は、第１の開口部１０５の径よりも大きい。図１Ｄ及び図１Ｅの例では、上面視において、第１の開口部１０５は、第２の開口部１０６のほぼ中心の位置に配置されているが、この構成に限定されず、第１の開口部１０５と第２の開口部１０６が連結されていればよい。また、第１の開口部１０５は、複数設けられてもよい。
【００３５】
第２の薄膜１０４は、第２の開口部１０６の周囲にＦＴＥ構造を備える。このＦＴＥ構造は、チャネル１０１と、ソース電極１０２と、ドレイン電極１０３とから構成される。ソース電極１０２とドレイン電極１０３は、第２の開口部１０６を挟んで対向する位置にそれぞれ配置される。チャネル１０１は、ソース電極１０２とドレイン電極１０３とを接続するように配置されている。第２の開口部１０６は、チャネル１０１の位置を貫通している。例えば、チャネル１０１はノンドープのシリコンもしくはＰ型のシリコンもしくは低濃度のＮ型シリコンとし、ソース電極１０２及びドレイン電極１０３はＮ型のシリコン（Ｓｉ）とする。なお、ソース電極１０２及びドレイン電極１０３へのコンタクトとなる配線などが設けられるが、図１Ａ〜図１Ｅにおいては省略されている。
【００３６】
図１Ｆは、第１の薄膜１００の第１の開口部１０５近傍の拡大斜視図である。図１Ｆに示すように、測定対象であるＤＮＡ１０７は、第１の開口部１０５を通過する（図１Ｆ中のＤＮＡ１０７の各ブロックの連なりは、塩基の連なりを表している）。
【００３７】
本実施例の構成全体を導電性の溶液で満たし、Ｙ軸方向の電位勾配をかけることで、第１の開口部１０５および第２の開口部１０６に電位勾配が形成される。電位勾配をＹ軸正方向にかけ、前記導電性の溶液にＤＮＡ１０７を加えると、ＤＮＡ１０７は負電荷を有するため、第１の開口部１０５をＹ軸負方向に通過する。このように、第１の開口部１０５を貫通する方向の電場により、測定対象であるＤＮＡ１０７が第１の開口部１０５を通過するように制御される。本構成では、第１の開口部１０５のＤＮＡ通過に伴う第２の開口部１０６の電位変化をＦＥＴのチャネル電流値の変化として検出することでＤＮＡの検出及び分析を行う。
【００３８】
第１の開口部１０５をＤＮＡが通過する際に、第１の開口部１０５の溶液に含まれるイオンの移動が部分的に封鎖される。そのため、第１の開口部１０５の抵抗値は増加する。全体の電位差は変化しないため、第１の開口部１０５の封鎖により、第１の開口部１０５の電位差は増加し、第２の開口部１０６の電位差は減少する。その結果、第２の薄膜１０４に設置したＦＥＴ近傍の電位が変化し、ＦＥＴのチャネル電流値が変化する。
【００３９】
図２は、第１の開口部及び第２の開口部の電位変化の一例を示した図である。図２は、電圧１．０Ｖ、ＤＮＡの直径が１．４ｎｍ、第１の開口部１０５の径が２ｎｍ、第１の開口部１０５の高さ（測定対象が通過する方向の長さ）が１０ｎｍ、第２の開口部１０６の径が１０ｎｍ、第２の開口部１０６の高さ（測定対象が通過する方向の長さ）が１００ｎｍの例を示した。
【００４０】
ＤＮＡ通過有の電位とＤＮＡ通過無の電位の差分がＦＥＴの検出感度に比例すると考えられる。第２の開口部１０６では第１の開口部１０５に近い位置（Ｙ座標が小さい位置）でＤＮＡ通過有の電位とＤＮＡ通過無の電位の差分が大きくなるため、第２の開口部１０６のＦＥＴ構造を設置する位置は第１の開口部１０５に近い位置にすれば検出感度が高くなると考えられる。
【００４１】
非特許文献２で示されている従来の構成でＤＮＡを検出するためには、第１の開口部（ナノポア）前後の溶液に塩濃度の勾配が必要で、ＤＮＡの導入側の塩濃度を導出側よりも高くすることが必要である。ＤＮＡの導入側の電位差は導出側よりも低くなるため、第１の開口部の導入側の開口端近傍の電場は導出側よりも弱くなり、ＤＮＡの第１の開口部の通過頻度が小さくなる。これに対して、本実施例の構成では、第１の開口部１０５前後の溶液の塩濃度に勾配をつけなくてもＤＮＡ１０７の検出及び分析が可能である。よって、第１の開口部１０５の開口端近傍の電場が強く、ＤＮＡ１０７の第１の開口部１０５の通過頻度が増加する。そのため、ＤＮＡ１０７の検出頻度が増加し、計測のスループットが向上する。
【００４２】
また、本実施例では、第１の開口部１０５は第１の薄膜１００に形成されており、第１の開口部１０５の長さ（測定対象が通過する方向の長さ）は第１の薄膜１００の厚さとなる。さらに、第１の開口部１０５の近傍に第２の薄膜１０４が設置されており、第１の薄膜１００を安定な構造にしている。そのため、より薄い第１の薄膜１００を作製しやすい。第１の開口部１０５の径は第２の開口部１０６の径より小さいため、空間分解能は第１の開口部１０５が設置されている第１の薄膜１００の厚さにより決定される。そのため、第１の薄膜１００の厚さを薄くすることで、空間分解能を向上させることが出来る。特に、第１の薄膜１００の材質を一層のグラフェンとし、第１の薄膜１００の厚さを一塩基分（０．３４ｎｍ）以下の０．３３５ｎｍとすることも可能である。具体的な薄膜部分の厚さは、０．３３５ｎｍ〜２００ｎｍ、好ましくは０．３３５ｎｍ〜１００ｎｍ、より好ましくは０．３３５〜０．３４ｎｍである。
【００４３】
第１の開口部１０５の径は、解析対象の高分子の種類によって適切なサイズを選択することができる。ＤＮＡシークエンサーの解析対象である一本鎖ＤＮＡの直径は引き伸ばされていない状態で約１．４ｎｍであり、一本鎖ＤＮＡを解析するための第１の開口部径の適切な範囲は１．０ｎｍ〜１０ｎｍ程度、好ましくは１．０ｎｍ〜２．０ｎｍ程度である。
【００４４】
二本鎖ＤＮＡの直径は引き伸ばされていない状態で約２．６ｎｍであり、ｄｓＤＮＡを解析するための第１の開口部１０５の径の適切な範囲は２．０ｎｍ〜１０ｎｍ程度、好ましくは２．０ｎｍ〜４ｎｍ程度である。また、第１の開口部１０５の断面形状は円に限らず、楕円や多角形にすることも可能である。なお、上記で説明した径のサイズは、楕円に適用する場合はその短径に適用すればよく、多角形の場合はその内接円の直径に適用すればよい。
【００４５】
図３は、第１の開口部１０５の径が１．４５〜３ｎｍの場合の、開口部の抵抗比（第１の開口部１０５／第２の開口部１０６）とＤＮＡが第１の開口部１０５を通過した際の第２の開口部１０６の電位変化の関係の一例を示した図である。第１の開口部１０５と第２の開口部１０６の全体にかかる電圧を１Ｖ、ＤＮＡの直径を１．４ｎｍとした。抵抗比は開口部の高さを径の２乗で除した値の比で算出した。電位変化は第１の開口部１０５と第２の開口部１０６の境界位置の電位変化を示した。電位変化はＤＮＡ通過の検出感度に比例し、抵抗比０．１〜１で最大となる。抵抗比の適切な範囲は、０．０１〜１００、好ましくは０．１〜１０である。
【００４６】
第２の開口部１０６の作製において径に対する高さの比が大きい開口部の作製を試みた場合、製法上、第１の薄膜１００まで第２の開口部１０６が達しないおそれがある。そのため、第２の開口部１０６の高さは、径の１００倍以下が好ましい。
【００４７】
図１Ａ及び図１Ｂには、第２の開口部１０６が直方体、円柱である場合の斜視図を示したが、第２の開口部１０６のＸＺ方向の断面形状は長方形や円に限らず、他の多角形や楕円にすることも可能である。また、第２の開口部１０６を有する第２の薄膜１０４の設置位置は、ＤＮＡ導入側あるいはＤＮＡ導出側のどちらでもよい。第２の開口部１０６を有する第２の薄膜１０４がＤＮＡ導入側、ＤＮＡ導出側のどちらに設置された場合でも、第１の開口部１０５に含まれる高分子の検出が可能なため、その設置位置はＤＮＡ導入側、導出側のいずれかに限定されない。
【００４８】
本実施例によれば、第１の開口部前後の溶液に塩濃度勾配をつけずに高分子を検出することが可能となる。塩濃度勾配を高分子導出側に対して導入側を高くした検出方法と比較して、計測のスループットを向上させることができる。また、第１の薄膜の厚みを薄くすることで、空間分解能を向上させることができる。電荷を持つ高分子の分析が可能だが、特に１本鎖ＤＮＡ検出及びＤＮＡシークエンスに適している。このように、高分子の検出に塩濃度勾配が不要で、高分子による封鎖部位の厚みを薄くすることが可能な計測ユニットを提供できる。
【００４９】
［第２実施例］
図４は、第２実施例を示す。図４は、ナノポアＦＥＴアレイ化基板（以下、ＦＥＴアレイ基板と称する）を用いたＤＮＡ塩基配列測定システムの一構成を示す図である。
【００５０】
ＦＥＴアレイ基板２０１上には、２つ以上のナノポアＦＥＴ１１０がアレイ化されている計測ユニットが設けられており、この計測ユニットは、ディスポーザブルな消耗品として使用することが可能である。図４に示すように、ナノポアＦＥＴ１１０は、第１実施例として説明した計測ユニットに対応する。
【００５１】
ＤＮＡ塩基配列測定システムは、フローセル２３０を備える。フローセル２３０は、第１の溶液槽２０２と、第２の溶液槽２０３と、第１の溶液槽２０２と第２の溶液槽２０３の間に配置されたＦＥＴアレイ基板２０１とを備える。第１の溶液槽２０２と第２の溶液槽２０３は、仕切り体２５０により分けられており、仕切り体２５０には、ナノポアＦＥＴ１１０を備えるＦＥＴアレイ基板２０１が設置されている。本実施例では、ナノポアＦＥＴ１１０は、第２の溶液槽２０３側の溶液に接するように配置されている。したがって、図４に示すように、ナノポアＦＥＴ１１０は、第１の薄膜１００が上側になるように仕切り体２５０に設置されている。なお、ナノポアＦＥＴ１１０は、第１の溶液槽２０２側の溶液に接するように配置されてもよい。
【００５２】
第１の溶液槽２０２には注入路２０４を通ってポンプ２０５によってＤＮＡサンプル溶液容器２０６またはバッファー容器２０７内の溶液が注入される。これらの容器２０６、２０７には、それぞれバルブ２０８、２０９が取り付けてあり、注入する溶液をバルブ２０８、２０９の開閉によって選択できる。
【００５３】
第１の溶液槽２０２の溶液は、排出路２１０を通って、廃液容器２１１に貯められる。廃液容器２１１にもバルブ２１２が取り付けられており、廃液の逆流を防ぐことができる。同様に、第２の溶液槽２０３には、バッファー容器２１３からポンプ２１４で注入路２１５を通してバッファー溶液が注入される。余分な廃液は排出路２１６を通して、廃液容器２１７に排出される。図では省略されているが、ポンプ２０５、２１４とバルブ２０８、２０９、２１２はすべて制御部２４０につながれて、それらの動作は自動制御されている。
【００５４】
第１の溶液槽２０２には負電極２１９が浸漬されており、第２の溶液槽２０３には正電極２１８が浸漬されている。第２の溶液槽２０３はバッファー溶液で満たされている。第１の溶液槽２０２では本実施例の解読対象であるＤＮＡがバッファー溶液中を浮遊している。バッファー溶液にはイオン物質が含まれているので、第１の溶液槽２０２と第２の溶液槽２０３の間に電圧をかけることで、イオン電流が負電極２１９と正電極２１８の間に発生する。負電極２１９と正電極２１８の間には、両電極間に電圧を印加するための第一の電源２２０とイオン電流値を測定するための電流計２２１が設置される。また、この電流計２２１は、アンプ及びアナログディジタル(ＡＤ)コンバータを含んでいる。
【００５５】
図４に示す通り、第一の電源２２０と電流計２２１は、それぞれ制御部２４０に接続されており、制御部２４０が印加電圧を制御したり、取得された電流値を保存したりする。制御部２４０は、通常の中央処理部(ＣＰＵ)、メモリなどの記憶部、キーボードやディスプレイなどの入出力部、及び通信インタフェースを備えているコンピュータで構成できることは言うまでもない。
【００５６】
電流計２２１は、イオン電流とＤＮＡの第１の開口部１０５通過時の封鎖電流を測定することができる。正電極２１８には負電極２１９よりも１Ｖ程度高い電圧を印加する。これにより、第２の溶液槽２０３の電位が第１の溶液槽２０２より高くなる。第１の溶液槽２０２を浮遊するＤＮＡは負電荷を帯びているため、第１の開口部１０５を通過して、第２の溶液槽２０３に移動する。ＤＮＡを第１の溶液槽２０２ではなく、第２の溶液槽２０３に注入する構成にしてもよい。その場合は、負電極２１９に正電極２１８よりも高い電圧を印加すればよい。このように、第１の開口部１０５を貫通する方向の電場により、測定対象であるＤＮＡが第１の開口部１０５を通過するように制御される。
【００５７】
本構成では、制御部２４０が、電流計２２１から、イオン電流の情報とＤＮＡの第１の開口部１０５通過時の封鎖電流の情報を取得する。そして、制御部２４０は、第１の開口部１０５のＤＮＡ通過に伴う第２の開口部１０６の電位変化をＦＥＴのチャネル電流値の変化として検出する。これにより、制御部２４０は、ＤＮＡの検出及び分析を行う。なお、制御部２４０の検出結果は、上述のディスプレイなどでオペレータが確認することが可能である。
【００５８】
図５は、本実施例のＦＥＴアレイ基板２０１の電気系を示す回路図である。図５では、ＦＥＴアレイ基板２０１上に、３つのナノポアＦＥＴ１１０ａ、ナノポアＦＥＴ１１０ｂ、及びナノポアＦＥＴ１１０ｃが並べられている。これに限定されず、２つ以上のナノポアＦＥＴがアレイ化されればよい。好適には先に説明したように多数のナノポアＦＥＴが並べられる。図５ではナノポアＦＥＴを１次元に配列したが、２次元に配列しても構わない。
【００５９】
ナノポアＦＥＴ１１０ａにおいて、ソース電極１０２は第二の電源３０１ａに接続されている。同様に、他のナノポアＦＥＴ１１０ｂ、ナノポアＦＥＴ１１０ｃにおいても、ソース電極は、それぞれ、第二の電極３０１ｂ、３０１ｃに接続されている。ナノポアＦＥＴ１１０ａ、ナノポアＦＥＴ１１０ｂ、ナノポアＦＥＴ１１０ｃのそれぞれの電極には独立に異なる電圧を印加することが可能である。
【００６０】
ナノポアＦＥＴ１１０ａにおいて、ソース電極１０２とドレイン電極１０３の間に流れるチャネル電流は電流計３０２ａに内蔵されたアンプとアナログ−デジタル変換器（ＡＤコンバータ）でデジタル信号に変換され、制御部２４０のメモリに送られる。すべての電源３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃと電流計３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃはコネクタ３１０を介して制御部２４０に接続しており、各電源の電圧は制御部２４０で自動制御される。
【００６１】
本実施例によれば、第１の開口部前後の溶液に塩濃度勾配をつけずに高分子を検出することが可能となる。第１実施例で示したナノポアＦＥＴ構造をアレイ化して配置することで、計測のスループットをより向上させたＤＮＡ塩基配列測定システムを提供できる。
【００６２】
［第３実施例］
図６Ａ及び図６Ｂは、第３実施例を示す。図６Ａは斜視図であり、図６Ｂは、図６ＡのＡ−Ａ線断面図（図６ＡにおいてＸＹ面に平行で第１の開口部１０５を通過する面における断面図）である。第３実施例では、第１実施例で示したＦＥＴ構造が複数設けられている。図６Ａ及び図６Ｂで示したＦＥＴ構造は、上述と同様に、チャネル１０１と、ソース電極１０２と、ドレイン電極１０３とから構成される。
【００６３】
本実施例によれば、ＤＮＡの第１の開口部１０５通過に伴い、同じ領域のＤＮＡの封鎖に由来した２種類の電位変化を検出できるため、分析の精度を向上させることが可能である。
【００６４】
なお、本発明は上述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、上述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。
【００６５】
また、制御部２４０の処理、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、制御部２４０の処理、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記憶装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記憶媒体に置くことができる。
【００６６】
また、上述の実施例において制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１００    第１の薄膜
１０１    チャネル
１０２    ソース電極
１０３    ドレイン電極
１０４    第２の薄膜
１０５    第１の開口部
１０６    第２の開口部
１０７    ＤＮＡ
１１０、１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ    ナノポアＦＥＴ
２０１    ＦＥＴアレイ基板
２０２    第１の溶液槽
２０３    第２の溶液槽
２０４、２１５    注入路
２０５、２１４    ポンプ
２０６    ＤＮＡサンプル溶液容器
２０７、２１３    バッファー容器
２０８、２０９、２１２    バルブ
２１０、２１６    排出路
２１１、２１７    廃液容器
２１８    正電極
２１９    負電極
２２０    電源
２２１    電流計
２３０    フローセル
２４０    制御部
２５０    仕切り体
３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ    電源
３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ    電流計
３１０    コネクタ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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