JP2017187443A - 分析装置用ポリマー膜、分析装置、分析装置用基板、分析装置用ポリマー膜の製造方法、および分析装置用基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】Si基板等の基板から分離して使用可能であり、ナノポアの開口の歪みを低減する。【解決手段】分析装置用ポリマー膜は、ナノポア(12)が設けられたポリマー膜(11)を備えている。ナノポア(12)は、ポリマー膜(11)の表面(11a,11b)に設けられた開口(12a,12b)と、開口(12a,12b)からポリマー膜(11)を貫通するように設けられた内壁(12c)とを備えている。開口(12a,12b)の最小円(14)の直径に対する最大円(13)の直径の比が1.274以下である。【選択図】図1
Description
本発明は、分析装置用ポリマー膜、分析装置、分析装置用基板、分析装置用ポリマー膜の製造方法、および分析装置用基板の製造方法に関する。
ナノポアと呼ばれるナノメートルサイズの細孔を用いて、デオキシリボ核酸(DNA)、タンパク質、ウィルスおよび細菌などを分析するための分析装置の開発が進められている。
たとえば特許文献1には、シリコン(Si)基板上にSiN膜を積層した後に、窒化シリコン(SiN)膜をエッチングすることによりSiN膜に直径75nmの円形開口形状の貫通孔を形成した隔壁を用いた一粒子解析装置が開示されている(たとえば特許文献1の段落[0060]〜[0073]等参照)。
また、たとえば特許文献2には、シリコン、ガラス、石英、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリスチレン、ポリプロピレンに例示される電気的絶縁体材料に電子ビームやイオンビームを照射してナノポアを形成した固体基板を用いた核酸分析デバイスが開示されている(たとえば特許文献2の段落[0021]〜[0029]等参照)。
しかしながら、特許文献1の一粒子解析装置においては、SiN膜からなる隔壁を支持する基板であるSi基板が割れて破損しやすいという課題があった。
また、特許文献2の核酸分析デバイスにおいては、PDMS、PTFE、ポリスチレン、ポリプロピレンに例示される高分子材料に電子ビームやイオンビームを照射してナノポアを形成した場合にはナノポアの開口が大きく歪むという課題があった。
ここで開示された実施形態は、ポリマー膜を備え、ポリマー膜にはナノポアが設けられており、ナノポアは、ポリマー膜の表面に設けられた開口と、開口からポリマー膜を貫通するように設けられた内壁とを備え、開口の最小円の直径に対する最大円の直径の比が1.274以下である、分析装置用ポリマー膜である。
ここで開示された実施形態は、ポリマー膜を備え、ポリマー膜にはナノポアが設けられており、ナノポアは、ポリマー膜の表面に設けられた開口と、開口からポリマー膜を貫通するように設けられた内壁とを備え、ポリマー膜の厚さが1μm以下である、分析装置用ポリマー膜である。
ここで開示された実施形態は、上記の分析装置用ポリマー膜と、上記の分析装置用ポリマー膜上の補強材と、を備えた、分析装置用基板である。
ここで開示された実施形態は、上記の分析装置用ポリマー膜、または上記の分析装置用基板を備えた、分析装置である。
ここで開示された実施形態は、基板上に導電性材料を設置する工程と、導電性材料上にポリマー膜を設置する工程と、ポリマー膜にナノポアを形成する工程と、導電性材料を除去することによってポリマー膜を基板から分離する工程とを含み、ナノポアは、ポリマー膜の表面に設けられた開口と、開口からポリマー膜を貫通するように設けられた内壁とを備えている、分析装置用ポリマー膜の製造方法である。
ここで開示された実施形態は、基板上に可溶性材料を設置する工程と、可溶性材料上に厚さ1μm以下のポリマー膜を設置する工程と、ポリマー膜にナノポアを形成する工程と、可溶性材料を溶解させることによってポリマー膜を基板から分離する工程とを含み、ナノポアは、ポリマー膜の表面に設けられた開口と、開口からポリマー膜を貫通するように設けられた内壁とを備えている、分析装置用ポリマー膜の製造方法である。
ここで開示された実施形態は、上記の分析装置用ポリマー膜の製造方法により分析装置用ポリマー膜を製造する工程と、分析装置用ポリマー膜上に補強材を設置する工程と、を含む、分析装置用基板の製造方法である。
Si基板等の基板から分離して使用可能であり、ナノポアの開口の歪みを低減することができる分析装置用ポリマー膜を提供することができる。
以下、実施形態について説明する。なお、実施形態の説明に用いられる図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
<実施形態1>
図1に、実施形態1の分析装置用ポリマー膜の模式的な平面図を示す。図1に示すように、実施形態1の分析装置用ポリマー膜は、ポリマー膜11と、ポリマー膜11に設けられたナノポア12とを備えている。
図1に、実施形態1の分析装置用ポリマー膜の模式的な平面図を示す。図1に示すように、実施形態1の分析装置用ポリマー膜は、ポリマー膜11と、ポリマー膜11に設けられたナノポア12とを備えている。
ポリマー膜11としては、たとえば、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、シクロオレフィンポリマー(COP)、シクロオレフィンコポリマー(COC)、ジメチルポリシロキサン(PDMS)、ポリカーボネート(PC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリプロピレン(PP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド(PI)、ポリスチレン(PS)、ポリ乳酸(PLA)、SU−8、およびグラフェンからなる群から選択された少なくとも1つを含む有機高分子膜等を用いることができる。
図2に、図1のII−IIに沿った模式的な断面図を示す。図2に示すように、ナノポア12は、ポリマー膜11の第1の表面11aに設けられた第1の開口12aと、ポリマー膜11の第1の表面11aと反対側の第2の表面11bに設けられた第2の開口12bと、ポリマー膜11の第1の表面11aと第2の表面11bとの間を貫通するように第1の開口12aと第2の開口12bとの間に設けられた内壁12cと、を備えている。
実施形態1の分析装置用ポリマー膜においては、ナノポア12の第1の開口12aおよび第2の開口12bの少なくとも一方の開口の最小円の直径に対する最大円の直径の比(以下、「最大/最小円直径比」という。)が1.274以下となっている。
図3に、ナノポア12の第1の開口12aまたは第2の開口12bの模式的な拡大平面図を示す。ナノポア12の第1の開口12aまたは第2の開口12bの開口の中心を通り、かつ当該開口の外周上の任意の2点を結ぶ線分のうち最長の長さを直径D1とする仮想円を最大円13とする。また、ナノポア12の第1の開口12aまたは第2の開口12bの開口の中心を通り、かつ当該開口の外周上の任意の2点を結ぶ線分のうち最短の長さを直径D2とする仮想円を最小円14とする。最大/最小円直径比は、最小円14の直径D2に対する最大円13の直径D1の比(D1/D2)とされる。
なお、ナノポア12の第1の開口12aまたは第2の開口12bの開口の中心を通って当該開口の周縁上の任意の2点を結ぶ線分(ナノポア径)のうち最長の長さが1000nm未満である場合には、たとえば、ウィルス検査、分子間相互作用解析、RNAシークエンサー、およびDNAシークエンサー等に実施形態1の分析装置用ポリマー膜を用いることができる。また、ナノポア径が1000nmよりも大きい場合には、たとえば、細胞分取器、および1細胞カウンター等に実施形態1の分析装置用ポリマー膜を用いることができる。また、ナノポア径が1000nmよりも大きい場合には、実施形態1の分析装置用ポリマー膜を用いて、1000nm以上の径を有する異なる2つの粒子を分離することもできる。たとえば、1000nm以上の異なる径を有する2つの粒子(第一の粒子(径:d1)と第二の粒子(径:d2))を分離する場合に、d1>dp>d2の関係を満たすナノポア径dpを設定し、第二の粒子のみをナノポア12を通過させることによって、第一の粒子と第二の粒子とを分離することができる。
以下、図4〜図8を参照して、実施形態1の分析装置用ポリマー膜の製造方法の一例について説明する。まず、図4(a)および図4(b)に示すように、基板21上に導電性材料22を設置する工程を行なう。図4(a)は基板21上に設置された導電性材料22を上方から見たときの一例の模式的な平面図であり、図4(b)は図4(a)のIVb−IVbに沿った模式的な断面図である。
基板21上に導電性材料22を設置する工程は、たとえば、導電性材料22を溶媒に溶解した溶液をSi基板等の基板上に塗布した後にスピンコートし、溶媒を除去することによって行なうことができる。
次に、図5(a)および図5(b)に示すように、導電性材料22上にポリマー膜11を設置する工程を行なう。図5(a)は導電性材料22上に設置されたポリマー膜11を上方から見たときの一例の模式的な平面図であり、図5(b)は図5(a)のVb−Vbに沿った模式的な断面図である。
導電性材料22上にポリマー膜11を設置する工程は、たとえば、ポリマー膜11の原料となるポリマーを溶媒に溶解した溶液を導電性材料22上に塗布した後にスピンコートし、溶媒を除去することによって行なうことができる。
また、導電性材料22上にポリマー膜11を設置する工程は、ポリマー膜11の原料となるポリマーを融点以上に加熱して液状ポリマーを形成し、導電性材料22上に液状ポリマーを塗布した後にスピンコートし、液状ポリマーを冷却することによって行なってもよい。また、導電性材料22上にポリマー膜11を設置する工程は、粘着性を有するポリマーシート(ポリマー膜11)を導電性材料22上に貼り付けることによって行なってもよい。
次に、図6(a)および図6(b)に示すように、ポリマー膜11上に開口部25を有する補強材24を設置する工程を行なう。図6(a)はポリマー膜11上に設置された補強材24を上方から見たときの一例の模式的な平面図であり、図6(b)は図6(a)のVIb−VIbに沿った模式的な断面図である。
ポリマー膜11上に開口部25を有する補強材24を設置する工程は、たとえば、ポリマー膜11上に補強材24を設置した後に紫外光を照射し、ポリマー膜11の補強材24側の表面を活性化してポリマー膜11に補強材24を貼り合わせることにより行なうことができる。補強材24としては、たとえば、ポリマー膜11よりも厚いアクリル板などを用いることができる。なお、補強材24は必ずしも用いる必要がない。また、補強材24は補強の目的に限定されない。たとえば、ナノポア12が設けられた実施形態1の分析装置用ポリマー膜を流路を有するプレートに取り付けて分析装置を作製する場合には、流路を有する補強材24(流路を有するプレートを補強の目的にも使用する)をポリマー膜11に取り付けて、ポリマー膜11にナノポア12を形成することによって分析装置を効率良く製造することができる。すなわち、ポリマー膜11にナノポア12を形成して実施形態1の分析装置用ポリマー膜を形成した後に、実施形態1の分析装置用ポリマー膜を流路を有するプレートに取り付ける工程を省くことができる。
次に、図7(a)および図7(b)に示すように、ポリマー膜11にナノポア12を形成する工程を行なう。図7(a)はナノポア12の形成後のポリマー膜11上に設置された補強材24を上方から見たときの一例の模式的な平面図であり、図7(b)は図7(a)のVIIb−VIIbに沿った模式的な断面図である。
ポリマー膜11にナノポア12を形成する工程は、たとえば、補強材24の開口部25から露出しているポリマー膜11の表面に電子ビームまたはイオンビームを照射することにより行なうことができる。なお、ナノポア12を再現性良く形成する観点からは、集束イオンビーム(FIB)を照射することによりナノポア12を形成することが好ましい。また、補強材24の開口部25の大きさは、ナノポア12の開口の大きさの100倍以上となる場合がある。また、ポリマー膜11の表面にビームを照射してナノポア12を形成する際に、導電性材料22にもビームが照射されることによって導電性材料22にも孔が形成されてもよいが、導電性材料22には孔を形成しなくてもよい。
次に、図8(a)および図8(b)に示すように、導電性材料22を除去することによってポリマー膜11を基板21から分離する工程を行なう。図8(a)は基板21から分離されたポリマー膜11上の補強材24を上方から見たときの一例の模式的な平面図であり、図8(b)は図8(a)のVIIIb−VIIIbに沿った模式的な断面図である。
導電性材料22を除去することによってポリマー膜11を基板21から分離する工程は、たとえば、導電性材料22を溶解可能な溶媒で導電性材料22を溶解することによって行なうことができる。たとえば、ポリマー膜11および補強材24が水溶性ではなく、導電性材料22が水溶性である場合には、純水洗浄により、導電性材料22を水に溶解させることによって、導電性材料22を除去することができる。以上により、実施形態1の分析装置用ポリマー膜を製造することができる。
従来においては、絶縁性材料である有機高分子材料に電子ビームやイオンビームを照射してナノポアを形成する場合には、有機高分子材料の表面の帯電によりビームの照射位置がドリフトし、ナノポアの開口が大きく歪み、最大/最小円直径比は1.274よりも大きくなっていた。このようなナノポアの開口の歪みは、ナノポアの開口形状のばらつきを引き起こし、ひいては当該ナノポアを用いた分析装置の分析結果のばらつきにつながっていた。
しかしながら、実施形態1においては、導電性材料22上にポリマー膜11が設置されているため、ポリマー膜11の表面の電荷は導電性材料22を通してポリマー膜11の外部に放出することができる。これにより、ビーム照射によるナノポア12の形成時におけるポリマー膜11の表面の帯電量を従来よりも低減することができるため、ナノポア12の形成時におけるビームの照射位置のドリフトを抑え、ナノポアの開口の歪みを低減することができ、ひいては実施形態1の分析装置用ポリマー膜を用いた分析装置の分析結果のばらつきも低減し、分析精度も向上することができる。
図9および図10に、導電性材料22上にポリマー膜11が設置された状態でFIBの照射により形成された実施形態1の分析装置用ポリマー膜のナノポア12の開口の一例の写真を示す。また、図11および図12に、導電性材料22を用いることなく基板21上にポリマー膜11を直接設置した状態でFIBの照射により形成されたナノポアの開口の一例の写真を示す。
図9および図10と、図11および図12との比較から明らかなように、実施形態1の分析装置用ポリマー膜のナノポア12の開口は、基板上にポリマー膜を直接設置した状態でFIBの照射により形成されたナノポアの開口よりも歪みを低減できていることがわかる。
なお、ナノポア12の開口の歪みを低減して開口形状のばらつき、および実施形態1の分析装置用ポリマー膜を用いた分析装置の分析結果のばらつきを低く抑える観点からは、最大/最小円直径比は1.105以下であることがより好ましく、1.026以下であることがさらに好ましい。
図13に、最大/最小円直径比が1.026であるナノポア12の開口の一例の写真を示す。図13に示す例では、最大円13の直径D1は395nmとなっており、最小円14の直径D2は385nmとなっている。
図14に、最大/最小円直径比が1.274であるナノポア12の開口の一例の写真を示す。図14に示す例では、最大円13の直径D1は172nmとなっており、最小円14の直径D2は135nmとなっている。
図15に、最大/最小円直径比が1.105であるナノポア12の開口の一例の写真を示す。図15に示す例では、最大円13の直径D1は210nmとなっており、最小円14の直径D2は190nmとなっている。
また、実施形態1の分析装置用ポリマー膜は、ナノポア12が設けられたポリマー膜11をそのまま分析装置に用いることができるため、SiN膜のようにSi基板を支持基板として必要とせず、また、当然に、Si基板と比べて破損しにくい。なお、ポリマー膜11に補強材24を設けた分析装置用基板の状態で分析装置に用いてもよい。
また、実施形態1においては、樹脂などの有機高分子材料からなるポリマー膜11に対して精度良くナノポア12を形成することができ、材料の選択性が広がることによって、分析装置のコスト低減も可能となる。また、SiN膜などの無機材料にナノポア12を形成する場合と比べて、ナノポア12の形成時間も短縮することができ、ナノポア12の内壁12cへの親水化処理も可能となる。ナノポア12の内壁12cへの親水化処理を行なうことによって、分析対象を含む水が、ナノポア12の内壁12cを通過しやすくなる。
ナノポア12の内壁12cの少なくとも一部の親水化処理は、たとえば、ナノポア12の内壁12cの少なくとも一部に対して、酸素プラズマおよび紫外線の少なくとも一方を照射することにより行なうことができる。
また、ナノポアを用いた分析装置において、ナノポアが形成された膜は、厚さが数十nm程度の薄膜であることが要求される場合もあるが、樹脂などの有機高分子材料はスピンコートなどによりそのような薄膜とすることができる点で有用である。
<実施形態2>
図16に、実施形態2の分析装置用ポリマー膜の模式的な断面図を示す。実施形態2の分析装置用ポリマー膜は、ポリマー膜11の厚さが1μm以下であることを特徴としている。これは、本発明者が鋭意検討した結果、ポリマー膜11の厚さが1μm以下である場合には、ビームの照射によるナノポア12の形成時に、ビームの照射位置がドリフトする前にポリマー膜11の貫通が完了して、開口の歪みを低減したナノポア12が形成されることを見い出したことによるものである。
図16に、実施形態2の分析装置用ポリマー膜の模式的な断面図を示す。実施形態2の分析装置用ポリマー膜は、ポリマー膜11の厚さが1μm以下であることを特徴としている。これは、本発明者が鋭意検討した結果、ポリマー膜11の厚さが1μm以下である場合には、ビームの照射によるナノポア12の形成時に、ビームの照射位置がドリフトする前にポリマー膜11の貫通が完了して、開口の歪みを低減したナノポア12が形成されることを見い出したことによるものである。
以下、図17〜図19を参照して、実施形態2の分析装置用ポリマー膜の製造方法の一例について説明する。まず、図17(a)および図17(b)に示すように、基板21上に可溶性材料26を設置する工程を行ない、可溶性材料26上にポリマー膜11を設置する工程を行なう。図17(a)は可溶性材料26上に設置されたポリマー膜11を上方から見たときの一例の模式的な平面図であり、図17(b)は図17(a)のXVIIb−XVIIbに沿った模式的な断面図である。
基板21上に可溶性材料26を設置する工程は、たとえば、可溶性材料26を溶媒に溶解した溶液をSi基板等の基板上に塗布した後にスピンコートし、溶媒を除去することにより行なうことができる。
可溶性材料26上にポリマー膜11を設置する工程は、たとえば、ポリマー膜11の原料となるポリマーを溶媒に溶解した溶液を可溶性材料26上に塗布した後にスピンコートし、溶媒を除去することにより行なうことができる。
また、可溶性材料26上にポリマー膜11を設置する工程は、たとえば、ポリマー膜11の原料となるポリマーを融点以上に加熱して液状ポリマーを形成し、可溶性材料26上に液状ポリマーを塗布した後にスピンコートし、液状ポリマーを冷却することにより行なってもよい。また、たとえば、粘着性を有するポリマーシート(ポリマー膜11)を可溶性材料26上に貼り付けることにより、可溶性材料26上にポリマー膜11を設置してもよい。
なお、可溶性材料26は、実施形態1とは異なり、導電性材料でなくてもよい。
次に、図18(a)および図18(b)に示すように、ポリマー膜11上に開口部25を有する補強材24を設置する工程を行なう。図18(a)はポリマー膜11上に設置された補強材24を上方から見たときの一例の模式的な平面図であり、図18(b)は図18(a)のXVIIIb−XVIIIbに沿った模式的な断面図である。この工程は、たとえば実施形態1と同様にして行なうことができる。
次に、図18(a)および図18(b)に示すように、ポリマー膜11上に開口部25を有する補強材24を設置する工程を行なう。図18(a)はポリマー膜11上に設置された補強材24を上方から見たときの一例の模式的な平面図であり、図18(b)は図18(a)のXVIIIb−XVIIIbに沿った模式的な断面図である。この工程は、たとえば実施形態1と同様にして行なうことができる。
次に、図19(a)および図19(b)に示すように、ポリマー膜11にナノポア12を形成する工程を行なう。図19(a)はナノポア12の形成後のポリマー膜11上に設置された補強材24を上方から見たときの一例の模式的な平面図であり、図19(b)は図19(a)のXIXb−XIXbに沿った模式的な断面図である。この工程も、たとえば、実施形態1と同様にして行なうことができる。また、ポリマー膜11の表面にビームを照射してナノポア12を形成する際に、可溶性材料26にもビームが照射されることによって可溶性材料26にも孔が形成されてもよいが、可溶性材料26には孔を形成しなくてもよい。
上述のように、実施形態2においては、ポリマー膜11の厚さが1μm以下であるため、ビームの照射位置がドリフトする前にビームによるポリマー膜11の貫通が完了してナノポア12が形成される。これにより、ビーム照射におけるナノポア12の形成時のビームの照射位置のドリフトを抑え、ナノポア12の開口の歪みを低減することができる。
その後、可溶性材料26を溶解することによってポリマー膜11を基板21から分離する工程を行なう。この工程は、たとえば、実施形態1と同様に、ポリマー膜11および補強材24は溶解しないが、可溶性材料26を溶解可能な溶媒で可溶性材料26を溶解することによって除去することができる。以上により、実施形態2の分析装置用ポリマー膜を製造することができる。
実施形態2における上記以外の説明は実施形態1と同様であるため、その説明については省略する。
<実施形態3>
図20に、実施形態3の分析装置の模式的な構成を示す。図20に示すように、実施形態3の分析装置は、ナノポア12が設けられたポリマー膜11と、ポリマー膜11に接合された補強材24とからなる分析装置用基板27を備えている。また、実施形態3の分析装置は、分析装置用基板27により区画された第一のチャンバ34と第二のチャンバ41とを備えている。
図20に、実施形態3の分析装置の模式的な構成を示す。図20に示すように、実施形態3の分析装置は、ナノポア12が設けられたポリマー膜11と、ポリマー膜11に接合された補強材24とからなる分析装置用基板27を備えている。また、実施形態3の分析装置は、分析装置用基板27により区画された第一のチャンバ34と第二のチャンバ41とを備えている。
第一のチャンバ34には第一の電極31が設けられており、第一の電極31は、第一の電極31の一部が第一のチャンバ34の内部に露出するように設けられている。第一の電極31は、リード35を通して、アース36に接続されている。
第二のチャンバ41には第二の電極32が設けられており、第二の電極32は、第二の電極32の一部が第二のチャンバ41の内部に露出するように設けられている。第二の電極32は、リード40を通して、アース37に接続されている。電流計39および電源38は、リード40に第二の電極32側からこの順序で接続されている。
実施形態3の分析装置による分析は、たとえば以下のようにして行なうことができる。まず、第一のチャンバ34の内部および第二のチャンバ41の内部にそれぞれ液体を充填する。第一のチャンバ34の内部と第二のチャンバ41の内部とはナノポア12を通して液体が移動可能となっている。第一のチャンバ34の内部の液体には分析対象物である粒子33が含まれる。第一の電極31は第一のチャンバ34の内部に充填された液体に接しており、第二の電極32は第二のチャンバ41の内部に充填された液体に接している。
第一のチャンバ34の内部および第二のチャンバ41の内部に充填される液体は、第一の電極31と第二の電極32との間を通電可能な液体であってよい。通電可能な液体としては、たとえば、KCl水溶液などの電解質溶液、またはTE緩衝溶液若しくはPBS緩衝溶液などの緩衝溶液などを用いることができる。
第一のチャンバ34の内部および第二のチャンバ41の内部にそれぞれ液体が満たされた状態で、電源38により第一の電極31と第二の電極32との間に電流を流す。第一の電極31と第二の電極32との間の電流値を電流計39で経時的に測定する。第一のチャンバ34の内部の液体中の粒子33は拡散によりナノポア12を通って第二のチャンバ41の内部の液体に移動する。粒子33がナノポア12を通過するときに電流計39で測定される電流値は粒子33の大きさおよび形状に依存して低下する。
図21に、実施形態3の分析装置で測定される検出信号としての電流値の変化の一例を示す。図21の縦軸に電流値を示し、図21の横軸に測定時間を示す。ナノポア12内に粒子33が存在していない状態では、第一の電極31と第二の電極32との間の電流値は一定の電流値51を示す。この電流値51は基底値である。ナノポア12内を粒子33が通過するときには、第一の電極31と第二の電極32との間の電流値は粒子33の大きさおよび形状に依存して低下した電流値52となる。粒子33がナノポア12内を完全に通過した後には粒子33がナノポア12内を通過する以前のレベルの電流値53に回復する。
この現象は次のように説明できる。ナノポア12内を粒子33が通過するときには、電流パスであるナノポア12内のイオンなどの通電可能な液体中の通電物質が、粒子33の分だけ排除される。それにより、電流抵抗が上昇し、その結果、電流値が低下する。粒子33の通過が終了すれば、電流値は元のレベルに回復する。粒子33が一つ通過すれば、電流低下信号は一つ観測される。電流低下信号をカウントすれば、通過した粒子の数を数えることができる。ここで、粒子33の存在によりナノポア12内で排除されるイオンの量は、粒子33の大きさおよび形状に依存する。
<実施形態4>
図22に、実施形態4の分析装置の模式的な構成を示す。実施形態4の分析装置は、容器65を備えている。容器65の内部は、第一の電極61および第二の電極62と、これらの電極を挟持する2枚の分析装置用基板27とによって、第一の溶液槽66と第二の溶液槽67とに区画されている。
図22に、実施形態4の分析装置の模式的な構成を示す。実施形態4の分析装置は、容器65を備えている。容器65の内部は、第一の電極61および第二の電極62と、これらの電極を挟持する2枚の分析装置用基板27とによって、第一の溶液槽66と第二の溶液槽67とに区画されている。
第一の溶液槽66は、一方の側面に導入口68を備えるとともに、他方の側面に排出口69を備えている。また、第一の溶液槽66は、導入口68と排出口69との間に第一の核酸駆動手段63を備えている。
第二の溶液槽67は、一方の側面に導入口70を備えるとともに、他方の側面に排出口71を備えている。また、第二の溶液槽67は、導入口70と排出口71との間に第二の核酸駆動手段64を備えている。
また、第一の電極61と第二の電極62との間には電源(図示せず)と電流計(図示せず)とが接続されている。電源、電流計、第一の核酸駆動手段63、および第二の核酸駆動手段64は、図示しない制御およびデータ処理手段に接続されている。
実施形態4の分析装置による分析は、たとえば以下のようにして行なうことができる。まず、核酸72を解析する際には、解析対象である核酸72をバッファ溶液に混合して導入口68より第一の溶液槽66の内部に導入する。また、バッファ溶液のみを導入口70より第二の溶液槽67に導入する。
次に、第一の核酸駆動手段63および第二の核酸駆動手段64を駆動させることによって、核酸72を第一の溶液槽66から第二の溶液槽67に移動させる。核酸72の移動と同時に第一の電極61と第二の電極62との間に電源により電圧を印加して、第一の電極61と第二の電極62との間を流れる電流を電流計を用いて計測する。核酸72がナノポア12に導入されると電流値が減少する。電流値が減少したら、第一の電極61と第二の電極62との間に流れる電流により塩基種の識別が可能となるように、第一の核酸駆動手段63および第二の核酸駆動手段64により、核酸72がナノポア12を通過するスピードを調節する。塩基種の識別は、一定電圧の下で流れる電流値の違い、または各塩基の電流−電圧特性の違いにより識別する。
たとえば、実施形態4の分析装置を用いて、一定電圧の下で流れる電流値の違いにより、DNA鎖の塩基の識別を行う方法の一例について説明する。まず、予め、DNA鎖の塩基ATGCの1種類のみが連なったポリマーがナノポア12を通過するときのトンネル電流値を計測しておく。DNA鎖の塩基にはATGCの4種類があるが、これらの塩基の種類ごとに固有の電流値を計測しておき、制御およびデータ処理手段のメモリに記憶しておく。
次に、分析対象のDNA鎖がナノポア12を通過するときのトンネル電流を実際に計測し、その計測されたトンネル電流値と、予めメモリに記憶されているATGCの各塩基の種類に対応した電流値と、を比較する。これにより、分析対象のDNA鎖を構成する塩基の識別が可能となる。
図23に、実施形態4の分析装置において得られる電流値と測定時間との関係の一例を示す。図23の縦軸が電流値を示し、横軸が測定時間を示している。図23に示される例では、塩基Aが最も電流値が高く、塩基Gが2番目に電流値が高く、塩基Cが3番目に電流値が高く、塩基Tが最も電流値が低くなっている。そして、これらの塩基の電流値の違いによって、DNA鎖を構成する塩基を識別する。
以下、図24および図25の模式的な断面図を参照して、実施形態4の分析装置に用いられる電極61,62を備えたポリマー膜11の製造方法の一例について説明する。まず、図24に示すように、基板21上に、導電性材料22、ポリマー膜11、金属膜81、およびポリマー膜11をこの順に設置する。ここで、導電性材料22に代えて、または導電性材料22とともに可溶性材料26を設置してもよい。また、金属膜81は、たとえば、スパッタリング法または蒸着法等によってポリマー膜11上に堆積された後に、リソグラフィ技術等でパターニングされることによって形成することができる。
次に、図25に示すように、たとえば、電子ビーム、イオンビーム、またはFIB等のビーム82を、ポリマー膜11、金属膜81およびポリマー膜11の積層体に照射することによって、ポリマー膜11および金属膜81にナノポア12を形成する。金属膜81にナノポア12が形成されることによって、電極61,62を形成することができる。また、導電性材料22を用いることに代えて、または導電性材料22を用いるとともに、電極61,62にリードおよびアースを取り付けた状態でビーム82を照射することによって、ナノポア12の形成時におけるポリマー膜11の表面の帯電量を抑えることもできる。
その後、導電性材料22を除去して、ポリマー膜11、電極61,62およびポリマー膜11の積層体を基板21から分離することによって、実施形態4の分析装置に用いられる電極61,62を備えたポリマー膜11を形成することができる。その後、ポリマー膜11に補強材24を取り付ることもできるが、ポリマー膜11に補強材24を取り付けなくてもよい。
以上のように実施形態について説明を行なったが、上述の各実施形態の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
11 ポリマー膜、11a 第1の表面、11b 第2の表面、12 ナノポア、12a 第1の開口、12b 第2の開口、12c 内壁、13 最大円、14 最小円、21 基板、22 導電性材料、24 補強材、25 開口部、26 可溶性材料、27 分析装置用基板、31 第一の電極、32 第二の電極、33 粒子、34 第一のチャンバ、35,40 リード、36,37 アース、38 、39 電源、51,52,53 電流値、61 第一の電極、62 第二の電極、63 第一の核酸駆動手段、64 第二の核酸駆動手段、65 容器、66 第一の溶液槽、67 第二の溶液槽、68,70 導入口、69,71 排出口、72 核酸、81 金属膜、82 ビーム。
Claims (18)
- ポリマー膜を備え、
前記ポリマー膜には、ナノポアが設けられており、
前記ナノポアは、前記ポリマー膜の表面に設けられた開口と、前記開口から前記ポリマー膜を貫通するように設けられた内壁とを備え、
前記開口の最小円の直径に対する最大円の直径の比が1.274以下である、分析装置用ポリマー膜。 - 前記比が、1.105以下である、請求項1に記載の分析装置用ポリマー膜。
- 前記比が、1.026以下である、請求項2に記載の分析装置用ポリマー膜。
- ポリマー膜を備え、
前記ポリマー膜には、ナノポアが設けられており、
前記ナノポアは、前記ポリマー膜の表面に設けられた開口と、前記開口から前記ポリマー膜を貫通するように設けられた内壁とを備え、
前記ポリマー膜の厚さが1μm以下である、分析装置用ポリマー膜。 - 前記内壁の少なくとも一部は親水性である、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の分析装置用ポリマー膜。
- 前記ポリマー膜はポリメチルメタクリレートを含む、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の分析装置用ポリマー膜。
- 請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の分析装置用ポリマー膜と、前記分析装置用ポリマー膜上の補強材と、を備えた、分析装置用基板。
- 請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の分析装置用ポリマー膜、または請求項7に記載の分析装置用基板を備えた、分析装置。
- 基板上に導電性材料を設置する工程と、
前記導電性材料上にポリマー膜を設置する工程と、
前記ポリマー膜にナノポアを形成する工程と、
前記導電性材料を除去することによって前記ポリマー膜を前記基板から分離する工程とを含み、
前記ナノポアは、前記ポリマー膜の表面に設けられた開口と、前記開口から前記ポリマー膜を貫通するように設けられた内壁とを備えている、分析装置用ポリマー膜の製造方法。 - 前記導電性材料は水溶性であって、
前記導電性材料は水に溶解させることにより除去される、請求項9に記載の分析装置用ポリマー膜の製造方法。 - 前記開口の最小円の直径に対する最大円の直径の比が1.274以下である、請求項9または請求項10に記載の分析装置用ポリマー膜の製造方法。
- 前記比が、1.105以下である、請求項11に記載の分析装置用ポリマー膜の製造方法。
- 前記比が、1.026以下である、請求項12に記載の分析装置用ポリマー膜の製造方法。
- 基板上に可溶性材料を設置する工程と、
前記可溶性材料上に厚さ1μm以下のポリマー膜を設置する工程と、
前記ポリマー膜にナノポアを形成する工程と、
前記可溶性材料を溶解させることによって前記ポリマー膜を前記基板から分離する工程とを含み、
前記ナノポアは、前記ポリマー膜の表面に設けられた開口と、前記開口から前記ポリマー膜を貫通するように設けられた内壁とを備えている、分析装置用ポリマー膜の製造方法。 - 前記内壁の少なくとも一部を親水化する工程をさらに含む、請求項9〜請求項14のいずれか1項に記載の分析装置用ポリマー膜の製造方法。
- 前記内壁の少なくとも一部を親水化する工程は、酸素プラズマ処理および紫外線照射の少なくとも一方の方法により行なわれる、請求項15に記載の分析装置用ポリマー膜の製造方法。
- 前記ナノポアは、前記ポリマー膜に集束イオンビームを照射することによって形成される、請求項9〜請求項16のいずれか1項に記載の分析装置用ポリマー膜の製造方法。
- 請求項9〜請求項17のいずれか1項に記載の分析装置用ポリマー膜の製造方法により分析装置用ポリマー膜を製造する工程と、
前記分析装置用ポリマー膜上に補強材を設置する工程と、を含む、分析装置用基板の製造方法。
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- 2016-04-08 JP JP2016078015A patent/JP2017187443A/ja active Pending
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