JP5011650B2 - 光検知方法 - Google Patents

Description

本発明は例えば孔径約５ｎｍの微小な孔における発光状態を検出するための光センサおよび光検知方法に関するものである。

従来、光を感知する方法としては、光によって電子状態が変化する感知部分を半導体基板に形成することで、感知部分に当たる光を高精度に感知していた。例えばその先行技術としては下記特許文献１が存在する。
特開２００４−３６３３５４号公報

しかしながら、従来では例えば孔径約５ｎｍのような小さな孔内における発光状態を検出する技術はなかった。そこで本発明は、例えば孔径約５ｎｍのような小さな孔内における発光状態を検出する光センサを提供することを目的とする。

この目的を達成するために本発明は、半導体からなるプレートと、このプレートによって区画された第一、第二の領域と、前記プレート内に形成され、前記第一、第二の領域を接続する少なくとも一つ以上の微小貫通孔と、この第一、第二の領域内に備えられた測定電極とを備え、前記第一、第二の領域内および前記微小貫通孔内に電解性液体もしくはゲルを充填した。

この構成により、例えば孔径約５ｎｍのような小さな孔内における発光状態を検出する光センサを提供することができる。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１について、図面を用いて説明する。図１は本発明の光センサの一部切り取り斜視図であり、図２は同断面図である。図１および図２において、１はシリコンからなるプレートであり、このプレート１の一部は肉薄部２となっている。プレート１および肉薄部２の材料であるシリコンはドーピング量が任意の範囲であらかじめ決められ、所望の電気伝導率を有する半導体である。さらに第一の領域４と第二の領域５は肉薄部２に設けられた微小貫通孔３によってのみ互いに接続されている。また、第一の領域４と第二の領域５内にはそれぞれ測定電極８，９が設置されており、これら測定電極８，９はさらに測定器（図示せず）へと接続されている。さらに第一の領域４、第二の領域５および微小貫通孔３の内部は、塩化ナトリウム、塩化カリウムなどの電解性液体１０によって充たされている。電解性液体１０は電解性ゲルであってもよい。さらに第一の領域４および第二の領域５には蓋板の一例としてキャップ６，７が当接されており、これにより第一の領域４、および第二の領域５は外部雰囲気から遮断されている。なお、キャップ６，７内の少なくとも一つは外部からの光を透過する材料でできている。

ここで、本実施の形態における光センサの測定系の等価回路は図４に示すように、測定電極８，９間には、測定電極８，９から微小貫通孔３の開口部までの抵抗Ｒ１（１３），Ｒ２（１４）と、微小貫通孔３内の抵抗Ｒｈ（１５）とプレート内の抵抗Ｒｐ（１６）、微小貫通孔３の壁面を伝わる表面抵抗Ｒｓ（１７）によって構成される。このうち、Ｒ１（１３），Ｒ２（１４），Ｒｈ（１５）は電解性液体１０の伝導率によって決まるが、微小貫通孔３の形状は第一の領域４、第二の領域５に比べて圧倒的に小さいのでＲｈ（１５）＞＞Ｒ１（１３），Ｒ２（１４）の関係が成り立ち、電極間の抵抗は実質的に、Ｒｈ（１５），Ｒｐ（１６）およびＲｓ（１７）が並列に接続された回路によって決まる。一方、Ｒｈ（１５），Ｒｐ（１６）およびＲｓ（１７）は、肉薄部２の材料であるシリコンへあらかじめドーピングした不純物の量で決まっている。

次に上記本発明の光センサを用いて、外部雰囲気の光エネルギー量を測定する方法について説明する。図３および図５は本発明の光センサの使用方法を示す断面図および拡大断面図である。ここで、図３に示す本実施の形態の光センサの測定電極８および９の間の電気的特性値である抵抗値を測定すると、図４で示された等価回路に従って抵抗値が観測される。

次に図３に示すように、第一の領域４側から光を導入すると光は第一の領域４内を充たした電解性液体１０中を散乱しながら透過し、図５に示すように微小貫通孔３内へも進入する。微小貫通孔３内へ進入した光は微小貫通孔３の孔内も照射することとなる。ここで微小貫通孔３の内壁は適切なドーピング処理が施されたシリコンでできており、光の照射によって特に微小貫通孔３内壁表面付近のホールもしくは電子移動度を変化させる。この変化は抵抗Ｒｓ（１７）の変化となって、測定電極８，９の抵抗値変化として検知される。

なお、抵抗Ｒｓ（１７）の変化を検出する際には、Ｒｈ（１５）、Ｒｐ（１６）の値がＲｓ（１７）と同じであるか、もしくは大きい方が望ましいため、微小貫通孔３の孔径を小さく、かつ長手方向の長さを長くする。

また、本実施の形態における光センサは、第一の領域４、第二の領域５を光透過性である透明なキャップ６，７で覆っているので、第一の領域４、第二の領域５を測定環境から分離できる。

上記の構成により、測定環境としての外部雰囲気が液体であっても極めて簡便な構造で光検知が行われるのである。

なお、本実施の形態における光センサを溶液中で使用する場合には測定電極８，９が外部雰囲気溶液と触れないように適切な保護が必要であるが、図面ではこのことを省略している。

また、プレート１および肉薄部２は半導体で構成されており、これによってプレート１および肉薄部２の内部および表面のホールまたは電子移動度をドーピング量によって制御できるが、特にシリコンあるいはガリウムヒ素基板である場合には、肉薄部２への微小貫通孔３の形成が行いやすいという製造上の利点を有する。

また、測定電極８，９は銀、金、白金などが用いられるが、特に表面をＡｇＣｌでコーティングすると、測定電極８，９が第一の領域４と第二の領域５を充たす電解性液体１０との間で電気二重層容量を持たないため、直流に近い周波数成分の測定も容易に行えるので、より高精度な検知が可能である。

なお、肉薄部２に設けた微小貫通孔３は、測定電極８，９間の抵抗値を正確に検知するために数個設けた構成とするのが望ましい。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における光センサについて、図面を用いて説明する。

図６に示すように、プレート１の片側を外部雰囲気に開放した構造とすることもでき、この場合は光センサを直接電解性液体１０につけることで、溶液中の光エネルギー量を測定できる。

さらに、図７は本実施の形態２の別の方法による光センサの模式断面図であるが、第二の領域５に吸引手段１８が接続されていることを特徴とする。この吸引手段１８は第一の領域４、第二の領域５を充たす物質が溶液である場合にはポンプなどの圧力減圧手段等であり、ゲルである場合には電解発生手段等である。例えば、吸引手段１８が圧力減圧手段であると、溶液は第一の領域４側から第二の領域５側に流れ、吸引手段１８が電解発生手段である場合にはゲル中の電解物質、例えば電荷を帯びた分子、細胞などが第一の領域４側から第二の領域５側へ流れることになる。

以上の構成により、微小貫通孔３内を流れる微小な粒子、分子（例えば細胞、核酸、タンパク質などが考えられる）が発光している場合に、この光によって微小貫通孔３の内壁で検知される抵抗Ｒｓ（１７）が下がるので、これらの粒子、分子が発光するエネルギー量を検出できる。

上記の検出方法について図８を用いて説明する。ここで、微小貫通孔３に発光する核酸、タンパク質などを通過させ光を検知する際には、配列の結合状態によって発光状態が変化するアッセイ系を測定評価するために、この核酸配列１９に蛍光修飾を施した上で、微小貫通孔３にこの核酸配列１９を流入・流出させる。この構成により、核酸配列１９が発光している状態を簡便な構造で高精度に検出できる。さらに、核酸配列１９は通常、ひも状態の長細い形状であり、微小貫通孔３の孔径が十分小さい場合には、核酸配列１９は図のように伸びた状態で通過する。そして、核酸配列１９の特異配列箇所のみが発光するようにアッセイ系を構成すれば、特異配列箇所が通過したときのみ表面抵抗Ｒｓ（１７）が変化するので、核酸配列１９におけるこの特異配列の位置を測定することが可能となる。

さらに図９に示すように、微小貫通孔３を通過させる粒子を細胞２０とした場合には、細胞２０を特定の化学物質との反応により細胞が発光するアッセイ系とし、この光を検出することによって細胞２０と特定の化学物質との反応状態を知ることができる。

以上のように、粒子あるいは分子の発光状態を極めて小さな孔の中で測定するので、個々の粒子あるいは分子の発光状態を高精度に測定できるのである。

以上のように本発明にかかる光センサは、例えば孔径約５ｎｍのような小さな孔内における発光状態を検出することができる。

本発明の実施の形態１における光センサの一部切り取り斜視図 同光センサの断面図 同光センサの使用方法を示す断面図 同光センサの等価回路図 同光センサの使用方法を示す図３Ａ部の拡大断面図 本発明の実施の形態２における光センサの断面図 同実施の形態２における光センサの断面図 同実施の形態２における使用方法を示す拡大断面図 同実施の形態２における使用方法を示す拡大断面図

符号の説明

１ プレート
２ 肉薄部
３ 微小貫通孔
４ 第一の領域
５ 第二の領域
６ キャップ
７ キャップ
８ 測定電極
９ 測定電極
１０ 電解性液体
１３ 抵抗Ｒ１
１４ 抵抗Ｒ２
１５ 抵抗Ｒｈ
１６ 抵抗Ｒｐ
１７ 抵抗Ｒｓ
１８ 吸引手段
１９ 核酸配列
２０ 細胞

Claims (3)

1. 半導体からなるプレートと、このプレートによって区画された第一、第二の領域と、前記プレート内に形成され、前記第一、第二の領域を接続する少なくとも一つ以上の微小貫通孔と、前記第一、第二の領域内に備えられた測定電極とを備え、前記第一、第二の領域内および前記微小貫通孔内を電解性液体もしくはゲルで充填した光センサを用い、前記第一の領域の電解性液体もしくはゲル内に、外部からの特定の刺激により光を発する粒子もしくは分子またはこれらの集合体を混合する工程と、前記第一の領域から第二の領域へこの粒子もしくは分子またはこれらの集合体を流出させる工程と、前記第一の領域と第二の領域内に設置された測定電極間の電気特性値を調べることにより、外部からの刺激によって前記粒子もしくは分子またはこれらの集合体が発する光を検知する工程を有したことを特徴とする光検知方法。
2. 粒子が細胞であり、かつ前記刺激は化学物質によるものであって、前記刺激を受けた細胞が発する光を感知することを特徴とする請求項１記載の光検知方法。
3. 分子が核酸もしくはタンパク質であり、かつ前記刺激が励起光であって、前記励起光を受けた前記分子が発する光を感知する請求項２記載の光検知方法。

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