JP2012026986A - Nanopore-based analyzer and chamber for sample analysis - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、DNA,蛋白質などの分析サンプルをナノメートルサイズの細孔(以下、ナノポア)に通して分析する装置に関し、特に、分析サンプルの導入流路と、DNAや蛋白などをナノポアに通すための電圧を印加する電極に関する。 The present invention relates to an apparatus for analyzing an analysis sample such as DNA or protein through nanometer-sized pores (hereinafter referred to as nanopores), and in particular, for introducing an analysis sample introduction channel and DNA or protein through the nanopore. It relates to the electrode which applies the voltage.
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、DNAや蛋白質などの高分子ポリマーを分析する方法の開発が進められている。ナノポアを開けることは、技術的に難しかったが、初めに、バイオ分野において、脂質2重膜にイオンチャネルを導入することで実現された(非特許文献1)。また、ナノポアを使った測定方法も、生体のイオンチャネル計測に用いられるパッチクランプ法に準じた方法がとられた。次に、半導体プロセスを利用してナノポアを開けることが試みられ、イオンビームによる方法(非特許文献2)や電子線による方法(非特許文献3)が開発されてきた。 Development of methods for analyzing high molecular polymers such as DNA and proteins using nanopores called nanopores has been underway. Although it was technically difficult to open the nanopore, it was first realized in the bio field by introducing an ion channel into a lipid bilayer (Non-patent Document 1). In addition, the measurement method using nanopores was a method according to the patch clamp method used for biological ion channel measurement. Next, attempts have been made to open nanopores using a semiconductor process, and a method using an ion beam (Non-Patent Document 2) and a method using an electron beam (Non-Patent Document 3) have been developed.
ナノポアが作成できるにつれ、ナノポアを使ったDNAや蛋白質などの高分子を分析する方法が開発された。ナノポア式の分析で必要な主要技術は、以下の2つである。
1.検出技術:高分子がナノポアを通る際の物理的変化を検出
2.移動制御技術:高分子を移動させ、ナノポアを通す
As nanopores were created, methods for analyzing macromolecules such as DNA and proteins using nanopores were developed. The main technologies required for nanopore analysis are the following two.
1. Detection technology: Detects physical changes as the polymer passes through the nanopore. Movement control technology: Move polymer and pass nanopore
検出技術には、封鎖電流方式,トンネル電流方式,キャパシタンス方式がある。 The detection technology includes a blocking current method, a tunnel current method, and a capacitance method.
封鎖電流方式とは、高分子がナノポアの開口部を部分的に封鎖することによる影響を検出する方式である(非特許文献4)。具体的な構造としては、ナノポアを有する膜によって空間を2つに分離し、それぞれの空間にイオンを含む液体を充填し、且つ、電極を配置する。電極に一定の電圧を印加すると、イオンがナノポアを通って移動し、電流が流れる(イオン通過電流)。帯電した高分子が存在する場合、その高分子も電位差により、片側へ引き寄せられ、ナノポアを通る。その際、ナノポアの開口部が部分的に封鎖されるので、イオンが流れ難くなりイオン通過電流の大きさが低下する。この電流値低下を検出することにより、高分子の存在や成分を分析する方法である。イオンの流れにくさは、開口面積に加え、高分子の荷電状態やナノポア壁面との相互作用からの影響を受ける。 The blocking current method is a method for detecting the influence of the polymer partially blocking the opening of the nanopore (Non-patent Document 4). As a specific structure, the space is separated into two by a film having nanopores, each space is filled with a liquid containing ions, and electrodes are arranged. When a constant voltage is applied to the electrode, ions move through the nanopore and current flows (ion passing current). When a charged polymer is present, the polymer is also drawn to one side by the potential difference and passes through the nanopore. At that time, since the opening of the nanopore is partially blocked, ions hardly flow, and the magnitude of the ion passing current is reduced. This is a method of analyzing the presence and components of a polymer by detecting this decrease in current value. In addition to the opening area, the difficulty of ion flow is affected by the charge state of the polymer and the interaction with the nanopore wall surface.
トンネル電流方式とは、高分子がナノポアを通過する際、ナノポア近辺に設けられたトンネル電流用電極と高分子とのわずかな隙間にトンネル電流が流れ、それを検出することで、高分子の存在や成分を分析する方法である(非特許文献5,6)。 The tunnel current method means that when a polymer passes through a nanopore, the tunnel current flows through a small gap between the tunnel current electrode and the polymer near the nanopore, and the presence of the polymer is detected. And a method for analyzing components (Non-Patent Documents 5 and 6).
キャパシタンス方式とは、高分子がナノポアを通過する際、ナノポアが部分的に封鎖されるため、ナノポアを有する膜のキャパシタが変化し、それを検出することで、高分子の存在や成分を分析する方法である(非特許文献7)。 Capacitance method means that when the polymer passes through the nanopore, the nanopore is partially blocked, so the capacitor of the membrane having the nanopore changes, and the presence and components of the polymer are analyzed by detecting it. It is a method (nonpatent literature 7).
移動制御技術には、電位差移動方式,酵素移動方式,力学的移動方式がある。 The movement control technology includes a potential difference transfer method, an enzyme transfer method, and a mechanical transfer method.
電位差移動方式とは、上記、封鎖電流方式で出てきたように、ナノポアを有する膜によって分離された2つの空間に電極を配置し、電極に電圧を印加することで、帯電した高分子を電場の勾配にしたがって移動させる方法であり、利点として、単純な構造で実現可能である、高分子に余分な付加がかからないなどが挙げられる。 The potential difference transfer method is a method in which an electrode is placed in two spaces separated by a membrane having a nanopore and a voltage is applied to the electrode to generate an electric field. As an advantage, it can be realized with a simple structure, and no extra addition is applied to the polymer.
酵素移動方式とは、ナノポア近辺に酵素を配置し、高分子と酵素の反応を利用して高分子を移動させる方法である。例えば、高分子が1本鎖DNAの場合、DNAポリメラーゼをナノポア近辺に配置し、2本鎖合成反応を起こさせることで、一塩基ずつDNAを動かす方法がある。この方法では、DNAがDNAポリメラーゼ近辺に位置する必要があるので、電位差移動方式を併用し、DNAをナノポア近辺に集めることが、高効率化の点から望ましい。 The enzyme transfer method is a method in which an enzyme is arranged in the vicinity of the nanopore and the polymer is moved using a reaction between the polymer and the enzyme. For example, when the polymer is single-stranded DNA, there is a method of moving DNA one base at a time by placing a DNA polymerase near the nanopore and causing a double-stranded synthesis reaction. In this method, since the DNA needs to be located in the vicinity of the DNA polymerase, it is desirable from the viewpoint of high efficiency to use the potential difference transfer method and collect the DNA in the vicinity of the nanopore.
力学的移動方式とは、高分子をビーズに固定し、ビーズを光ピンセットで移動させることで、高分子の移動を実現する方式である。この方法では、高分子のビーズがついていない端部を、ナノポアに入れる必要があり、その際に、電位差移動方式が採用される。 The mechanical movement method is a method in which the polymer is moved by fixing the polymer to the beads and moving the beads with optical tweezers. In this method, it is necessary to put an end portion without a polymer bead into the nanopore, and at that time, a potential difference transfer method is adopted.
従って、電位差移動方式は、どの方法とも併用されるので、電位差を生み出す電極は、ナノポア式分析装置の必須構成要素である。 Therefore, since the potential difference transfer method is used in combination with any method, the electrode that generates the potential difference is an essential component of the nanopore analyzer.
従来のナノポア式分析装置には、ナノポアを有する膜を隔てて2つの空間がある。各空間には、試料や電気伝導の担体となるイオンを含んだ溶液を導入するための流入路と流出路が必要である。また、各空間には、試料やイオンを移動させる電位差を生み出すための電極が必要である。 A conventional nanopore type analyzer has two spaces across a membrane having nanopores. Each space requires an inflow path and an outflow path for introducing a sample and a solution containing ions serving as a carrier for electrical conduction. Each space requires an electrode for generating a potential difference for moving the sample and ions.
課題として、一つ又は複数のナノポアを含むチャンバは、流路と電極がそれぞれ必要であるが、配置スペースが限られ、スループットの向上を図るために、ナノポアを含むチャンバを複数並列に配置した場合、高密度化が難しい点が挙げられる。 As a problem, a chamber containing one or more nanopores requires a flow path and an electrode, respectively, but the arrangement space is limited, and in order to improve throughput, a plurality of chambers containing nanopores are arranged in parallel. It is difficult to increase the density.
本発明の目的は、流路と電極を配置するスペースを確保し、ナノポアを有するチャンバを高密度に配置して分析ができる、ナノポア式分析装置および試料分析用チャンバを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a nanopore type analyzer and a sample analysis chamber that can secure a space for arranging flow channels and electrodes, and can perform analysis by arranging a chamber having nanopores at high density.
本発明のナノポア式分析装置および試料分析用チャンバは、チャンバ内へ液体を流入および/または流出する部分と試料をナノポアへ通すために電圧を印加する電極部とが一体的に形成されている。 In the nanopore type analyzer and the sample analysis chamber of the present invention, a portion for inflowing and / or outflowing liquid into the chamber and an electrode portion for applying a voltage to pass the sample to the nanopore are integrally formed.
本発明により、ナノポア式の分析に必要な流路と電極の最小化が図れ、ナノポアを高密度に配置することができ、分析の高スループット化を図ることができる。 According to the present invention, the channels and electrodes necessary for nanopore analysis can be minimized, the nanopores can be arranged at high density, and the analysis can be performed at high throughput.
図1に本実施例のナノポア分析装置の概要を示す。本例のナノポア分析装置100は、単数又は複数本のナノポア101があいている基板102を含むチャンバ103,チャンバ103に純水104やイオン液体105を送液するためのポンプ機構106,試料トレイ107に配置された試料108を吸引・吐出のためのポンプ機構109,流路の開閉を行うバルブ110,122,123,チャンバ103や試料トレイ107と流路接続を行うノズル111,ノズル111の位置を変更して流路の変更を行うロボット112、を有する。また、チャンバ103内の流入路113と114の一部は導電性を有し、その導電部115と116は、電源117により電圧が印加され、増幅器118を介してアナログデジタルコンバータ(ADC)とデータロガー119に接続され、電気シグナルを取り出すことができる。流出路120と121は、チャンバ103内の余分な液体を廃液へ流すための流路である。
FIG. 1 shows an outline of the nanopore analyzer of this embodiment. The
ポンプ機構106は一方向に純水104やイオン液体105を送液するのみでよいので、液量の制御が厳しくなく、ロータリーポンプ,ダイアフラムポンプなどが用いられる。基板102の両側に別々の種類の液体、例えば、片方に純水、もう一方にイオン液体を送液するならば、ポンプ機構を2つ用意し、別々に動作させることも可能である。
Since the
ポンプ機構109は、試料108を高精度に吸引し、その後に吐出しなければならないため、シリンジポンプあるいはプランジャポンプが望ましい。
Since the
バルブ110,122,123、は電気シグナルにより開閉を行う電磁弁が用いられる。
As the
ロボット112は、ノズル111の位置を移動させるため、円筒座標系で駆動するθ−Z型のロボットが望ましい。試料108が試料トレイ107に、2次元平面上に配置される場合、例えば、96個や384個のウェルを有するプラスチックプレートの場合、ノズル111と試料108の位置関係を2次元的に変える必要があるので、ロボット112は、θ−Z型から更に回転1関節を加えたθ−φ−Z型(図2)か、X−Y−Z型(図3)にする必要がある。あるいは、ノズル111は、θ−Z型のロボット112により移動し、試料トレイ107が1軸のロボット112により移動をする構成(図4)が挙げられる。
The
電源117は、本実施例では直流であるが、直流と交流の重ね合わせでもよい。直流の場合、印加電圧に比例したイオン通過電流や高分子ポリマーがナノポアを通過する際の封鎖電流が観測される。直流と交流の重ね合わせの場合、交流成分の位相変化を検出することで、ナノポアのインピーダンス変化を知ることができ、高分子ポリマーの成分分析が可能となる。
The
図5に基板102の詳細を示す。チャンバ103内に配置されている基板201は、ベース202,膜203,コーティング層204で構成される。材質に関し、ベース202はシリコン、膜203は窒化シリコン,酸化シリコン、あるいは、炭化シリコン,コーティング層204は酸化シリコンからなる。膜203には、ナノポア205と呼ばれるナノメートルサイズの穴があいている。ナノポア205のサイズは、1nm〜100nmが望ましい。ナノポア205の作成方法は、Focused Ion Beamを用いた方法,電子線を用いた方法などにより実施される。膜203は酸化シリコンでもよい。コーティング層204は、絶縁,強度増大,親水性付加の機能を有し、膜203で機能を代替することもできる。
FIG. 5 shows details of the
図5に示す基板201は上部が膜203、下部がベース202であるが、以降に示すチャンバ301に配置されるときは、上部の膜203と下部のベース202は逆であっても構わない。
The
比較例として、図6に従来のチャンバ801を示す。チャンバ801は、基板802を隔てて2つの密封された空間803と804で構成され、流入路805,806と、流出路807,808、を介して導入される液体809で満たされている。液体は電荷の担い手となる多量のイオン(以下、イオン液体)と、分析対象となる少量の電荷を持った試料を含み、ナノポアの両側に配置された電極810,811で電圧をかけると、イオンと試料はナノポアを通って移動する。イオン液体としては、塩化カリウム水溶液など、電離しやすいものを用いる。
As a comparative example, a
次に、図7に本実施例のチャンバ312を示す。チャンバ312は、基板313を隔てて2つの密封された空間314と315で構成され、流入路316,317と、流出路318,319、を介して導入されるイオン液体320で満たされている。液体は電荷の担い手となる多量のイオン(以下、イオン液体)と、分析対象となる少量の電荷を持った試料を含み、ナノポアの両側に配置された、流路と一体化した電極321,322に電圧をかけると、イオンと試料はナノポアを通って移動する。
Next, FIG. 7 shows the
流路と一体化した電極322,323は、例えば、円筒形状の金属(金属パイプ)により構成されている。金属パイプは、一般的に電気化学の分野で用いられる銀/塩化銀で構成される。あるいは、ステンレス、白金、金、で構成されていても良い。金属パイプは、一部が直接的にイオン液体と接し、通電していればよい。従って、パイプ内面は高分子ポリマーなどの有機物が吸着しないよう4フッ化エチレンなどでコーティングされていることが望ましい。
The
あるいは、半導体プロセスにより流路を作成し、絶縁層を挟んで、表面に導電性のコーティングを行い、電極を有する流路を形成できる。例えば、材質をシリコンとした場合、シリコンの異方性エッチング,ボッシュプロセスなどの半導体プロセスにより流路を形成する。次に、絶縁層として酸化シリコンを表面に蒸着し、最後に、金、白金、チタンなどを表面にコーティングすることで、電極を有する流路が形成される。 Alternatively, a flow path having electrodes can be formed by creating a flow path by a semiconductor process, sandwiching an insulating layer, and conducting a conductive coating on the surface. For example, when the material is silicon, the flow path is formed by a semiconductor process such as anisotropic etching of silicon or a Bosch process. Next, silicon oxide is vapor-deposited on the surface as an insulating layer, and finally, gold, platinum, titanium, or the like is coated on the surface to form a channel having electrodes.
電極と流路の一体化による利点は、配置スペースの削減が可能となる点、チャンバ外部との接続が集約できるため、密閉性を高めやすい点、が挙げられる。さらに、電極と流入口が同じ位置に配置できるので、ナノポアへ近づけることができ、試料が拡散する影響を防ぎ、高精度の分析が可能である。 Advantages of the integration of the electrode and the flow path include that the arrangement space can be reduced, and that the connection with the outside of the chamber can be concentrated, so that the hermeticity can be easily improved. Further, since the electrode and the inlet can be arranged at the same position, the electrode can be brought close to the nanopore, and the influence of the diffusion of the sample can be prevented and high-precision analysis is possible.
本装置では、高分子がナノポアを通る際の物理的変化を検出することで、高分子の成分を分析する。例えば、高分子がDNAの場合、空間Aに流路を介してDNAを導入し、空間Aの電極をマイナスに、空間Bの電極をプラスとなるよう電圧を印加する。電位差により、溶液中のイオンやDNAは移動する。DNAはマイナスに帯電しているため、ナノポアを通過してプラス側に引き寄せられる。DNAがナノポアを通過する際に、ナノポアの開口部を塞ぎ、開口面積を減少させるので、液体中のその他のイオンが流れ難くなる。一定の電位差を印加している場合、イオンの流れ難さは、電流値の減少として検出されるので、その減少量を基に、DNAの塩基の種類や、DNAが1本鎖であるか2本鎖であるかを分析することができる。 In this device, the components of the polymer are analyzed by detecting physical changes as the polymer passes through the nanopore. For example, when the polymer is DNA, DNA is introduced into the space A via a flow path, and a voltage is applied so that the electrode in the space A is negative and the electrode in the space B is positive. Due to the potential difference, ions and DNA in the solution move. Since DNA is negatively charged, it passes through the nanopore and is attracted to the positive side. When DNA passes through the nanopore, the opening of the nanopore is blocked and the opening area is reduced, so that other ions in the liquid are difficult to flow. When a constant potential difference is applied, the difficulty of ion flow is detected as a decrease in current value. Based on the decrease, the type of DNA base and whether the DNA is single-stranded or 2 It is possible to analyze whether it is a main chain.
成分を分析する高分子は、DNA,RNA,タンパク質などが挙げられる。また、DNAやRNAの1本鎖や2本鎖、部分的な2本鎖なども検出可能である。 Examples of the polymer for analyzing the components include DNA, RNA, and protein. In addition, single strands, double strands, and partial double strands of DNA and RNA can be detected.
図8,図9を用いて、分析手順を示す。分析手順は、(1)ナノポアとチャンバの洗浄,(2)イオン流体の供給,(3)試料の吸引,(4)試料の吐出,(5)電圧の印加・測定、からなる。 The analysis procedure will be described with reference to FIGS. The analysis procedure consists of (1) cleaning of nanopores and chamber, (2) supply of ionic fluid, (3) suction of sample, (4) discharge of sample, and (5) application / measurement of voltage.
(1)ナノポアとチャンバの洗浄
図8は、チャンバ103へ純水104を供給している状態である。ノズル111はロボット112により、流入路113へ接続されている。バルブ110とバルブ122を開き、バルブ123は閉じ、ポンプ機構106を動作させ、純水104をチャンバ103へ送液する。以前に分析した試料を除去するため、チャンバ103の容量より多い量の純水104を流す。チャンバ103に入りきらない純水104は、流出路120,121により廃液として、外部へ送られる。
(1) Cleaning of nanopore and chamber FIG. 8 shows a state in which
(2)イオン液体の供給
図9は、チャンバ103へイオン液体105を供給している状態である。ノズル111はロボット112により、流入路113へ接続されている。バルブ110とバルブ123を開き、バルブ122を閉じ、ポンプ機構106を動作させ、イオン液体105をチャンバ103へ送液する。チャンバ103内の純水104をイオン液体105で置換するため、チャンバ103の容量より多い量のイオン液体105を流す。チャンバ103に入りきらないイオン液体105は、流出路120,121により廃液として、外部へ送られる。(1)ナノポアとチャンバの洗浄を純水ではなく、本工程により、イオン液体105で行ってもよい。
(2) Supply of Ionic Liquid FIG. 9 shows a state where the
(3)試料の吸引
図10に示すように、試料108の吸引を行う。まず、ポンプ機構106を停止し、次にバルブ110を閉じ、それから、ロボット112によりノズル111を試料位置まで移動させる。その後、シリンジポンプ109を引き、試料108を吸引する。
(3) Sample Aspiration As shown in FIG. 10, the
(4)試料の吐出
図11に示すように、試料108の吐出を行う。まず、ロボット112により、ノズル111をチャンバ流入路113まで移動させ、次に、シリンジポンプ109を押し、試料108をチャンバ103へ吐出する。
(4) Discharge of sample As shown in FIG. 11, the
(5)電圧の印加・測定
図12に示すように、定電圧の印加を行う。例えば、高分子ポリマーがマイナスに帯電しているDNA401の場合、導電部115はマイナスに導電部116はプラスに印加することで、DNA401はナノポアを通ってプラスの導電部116に引き寄せられる。その際、イオン液体105中のイオンも、それぞれの電荷に応じて、プラス側やマイナス側の電極に引き寄せられるが、DNAがナノポア101を通過している間は、穴(ナノポア101)が部分的に封鎖され、イオンが流れ難くなっているため、電流値が減少する。その状態を検出し、DNAの塩基の種類や、1本鎖か2本鎖かなどを検出する。
(5) Voltage application / measurement As shown in FIG. 12, a constant voltage is applied. For example, in the case of
繰り返し分析を行う場合は、再度、(1)ナノポアとチャンバの洗浄に戻り、チャンバ103内を洗浄した後、(3)試料の吸引で、前回と同じ、あるいは、前回とは違う試料を吸引して、分析を行う。洗浄は、(1)ナノポアとチャンバの洗浄の変わりに(2)イオン液体105の供給を実施してもよい。
When performing repeated analysis, return to (1) nanopore and chamber cleaning again, clean the inside of the
なお、密閉空間のチャンバに空気抜きのような構造があれば流入路と流出路を1本にすることができる。 If the chamber in the sealed space has a structure such as air vent, the inflow path and the outflow path can be made one.
また、流入路ではなく、流出路に電極を設けてもよい。この場合、電極つきの流出路をナノポアの近くに配置することが望ましい。 Moreover, you may provide an electrode not in an inflow path but in an outflow path. In this case, it is desirable to arrange the outflow channel with the electrode near the nanopore.
図13に別の流路構成を示す。チャンバ103内の基板102を挟んで片方に純水104、もう片方にイオン液体105を入れる場合など、両側で違う成分・濃度の液体を入れる際に適する構造である。ポンプ機構106と106′、バルブ122と122′、バルブ123と123′が配置される。溶液の種類を増やす場合、バルブを増やして、各々切り替えを行うことで、様々な液体を扱うことが可能である。
FIG. 13 shows another flow path configuration. This structure is suitable when liquids having different components and concentrations are placed on both sides, such as when
図14(a)(b)に試料をチャンバに導入する際の別の方法を示す。導電部115を有する流入路113と、導電部124を有する流路125はつながっていて、導電部115と導電部124の間に電圧を印加することで、試料108が試料トレイ107からチャンバ401へ移動する。具体的には、マイナスの電荷を有する高分子ポリマーを試料として動かす場合、導電部115に導電部124より高い電圧を印加すると、高分子ポリマーが導電部115へ引き寄せられるように移動する。図8のポンプ機構109を用いた方法では、ノズル111と流入路113の接続/切断があるが、この方法は、流路の接続/切断がないため、コンタミネーションの防止や、液体の乾燥防止につながる。
FIGS. 14A and 14B show another method for introducing a sample into the chamber. The
図15に示すとおり、導電部115に達した試料は、導電部116に導電部115より高い電圧をかけてナノポア101に通して検出を行う。また、試料の帯電状態や、測定条件に応じて、電圧の印加・切断や、電圧の向きの逆転などを行う。
As shown in FIG. 15, the sample that has reached the
図16に示すとおり、流出路120に導電部126を設けて導電部115との間に電圧を印加することで、試料を効率的に排出することも可能である。
As shown in FIG. 16, the sample can be efficiently discharged by providing a
図17(a)(b)に示すとおり、ロボット112により、流路126を移動させ、試料108の切り替えを行うこともできる。
As shown in FIGS. 17A and 17B, the
さらに、図18(a)(b)に示すとおり、ロボット112′により、試料トレイ107を移動させて、試料108の切り替えを行うこともできる。
Further, as shown in FIGS. 18A and 18B, the
図19に、ロボットを使わないで、試料108の切り替えを行う方法を示す。流路125と流路128の交点に導電部129を設け、導電部124と導電部129の間には電圧を印加し、導電部127と導電部129の間は同電位とする。すると、流路125にのみ試料108が流れ、導電部129に達する。その後、ナノポア101へ試料を流すため、導電部115,116へ電圧を印加すればよい。
FIG. 19 shows a method for switching the
次に、図20に示すとおり、導電部124と導電部129の間は同電位とし、導電部127と導電部129の間には電圧を印加する。すると、流路128にのみ試料108が流れ、導電部129に達し、同様に、導電部115,116へ電圧を印加し、ナノポア101へ試料を流す。
Next, as illustrated in FIG. 20, the
図21に複数のナノポアに複数の試料をそれぞれ導入する場合を示す。構成は、ナノポア1個の場合の導電部・流路・測定系を、測定試料の数分だけ並列化したものである。流入路114と導電部116は共通できるが、並列化してもかまわない。
FIG. 21 shows a case where a plurality of samples are respectively introduced into a plurality of nanopores. The configuration is such that conductive parts, flow paths, and measurement systems in the case of one nanopore are arranged in parallel by the number of measurement samples. The
また、図22に示すように流路が交差する箇所にバルブを設けることで、試料同士のコンタミネーションを防ぐことができる。 Also, as shown in FIG. 22, by providing a valve at a location where the flow paths intersect, contamination between samples can be prevented.
あるいは、図23に示すように、流路が交差する箇所に導電部130を設け、導電部130が導電部124や124′と同電位となるよう電圧を印加することで、試料同士のコンタミネーションを防ぐことができる。
Alternatively, as shown in FIG. 23, a conductive portion 130 is provided at a location where the flow paths intersect, and a voltage is applied so that the conductive portion 130 has the same potential as the
図24に高分子が通過する際の電流信号の変化を示す。通常状態では、ナノポア内をイオンが流れているが、高分子がナノポアに入ると、イオンが流れにくくなり、電流値が低下する。その低下の度合いにより、高分子の成分・状態を測定する。 FIG. 24 shows changes in the current signal when the polymer passes. In a normal state, ions flow through the nanopore, but when the polymer enters the nanopore, the ions hardly flow and the current value decreases. The component / state of the polymer is measured according to the degree of the decrease.
図25にチャンバ601と602が複数並列している場合の実施例を示す。電極・流路603と604はそれぞれ独立しているので、別々の試料を導入・分析をすることができる。試料を導入するノズル111が図1に示したように1本の場合、各々のチャンバ601,602に対して試料の吸引・吐出を繰り返す。ノズル111が複数本ある場合、一度に複数の試料を吸引・吐出可能である。高分子ポリマーの成分検出方式は、封鎖電流方式で実現可能であり、トンネル電流方式,キャパシタンス方式の場合、基板102上に、別途、トンネル電流検出用あるいは、キャパシタンス検出用の電極を実装すれば実現可能である。
FIG. 25 shows an embodiment in which a plurality of
図26にチャンバ605と606が複数並列している場合の別の実施例を示す。各ナノポアに対して、チャンバ及び電極・流路607,608がそれぞれ1対ずつ配置される。全ての流路は1つの流路609にまとまっているので、1つの試料を並列して分析することが可能である。また、電極部は分離されているので、各ナノポアに対して、電圧のOn/Offを同時に行うことができる。高分子ポリマーの成分検出は、封鎖電流方式で実現可能であり、トンネル電流方式,キャパシタンス方式の場合、基板に、別途、トンネル電流検出用あるいは、キャパシタンス検出用の電極を実装すれば実現可能である。
FIG. 26 shows another embodiment in which a plurality of
図27にチャンバ610が一つでナノポア611,612が複数個複数並列している場合の別の実施例を示す。電極・流路613,614がひとつあり、ナノポア611,612が複数個存在する。ナノポア611,612近辺には、トンネル電流検出用あるいは、キャパシタンス検出用の電極615,616がそれぞれのナノポア611,612に配置される。高分子ポリマーの成分検出は、トンネル電流方式,キャパシタンス方式で実現可能である。
FIG. 27 shows another embodiment in which one
図28では、チャンバの試料導入側が複数の空間617,618からなり、各空間にはナノポア620,621が配置され、導入側とは反対側の空間619が一つからなる。電極・流路622,623から、各々異なった試料を導入可能であり、電極・流路624との間に電圧が印加される。ナノポア620,621近辺には、トンネル電流検出用あるいは、キャパシタンス検出用の電極625,626がそれぞれのナノポア620,621に対して配置される。高分子ポリマーの成分検出は、トンネル電流方式,キャパシタンス方式で実現可能である。
In FIG. 28, the sample introduction side of the chamber is composed of a plurality of
図29に示すとおり、電極・流路628と629をナノポアの近傍に配置した場合、流路からナノポアに至るまでの拡散を小さく抑えることができ、1つのチャンバ627に複数の電極・流路を配置し、それぞれ異なる試料を導入することが可能である。また、試料がナノポアに達する時間を短縮することができる。
As shown in FIG. 29, when the electrodes /
また、図30に示すとおり、チャンバへ試料を導入する側は、並列処理する試料の数分の複数の電極・流路が必要であるが、反対側は最低限1個の電極・流路633があればよく、また、電極のみでもよい。
Further, as shown in FIG. 30, the side for introducing the sample into the chamber requires a plurality of electrodes / channels corresponding to the number of samples to be processed in parallel, but the opposite side has at least one electrode /
図31に示すとおり、トンネル電流やキャパシタンスによる計測の場合でも、電極・流路635と636を近傍に配置した場合、流路からナノポアに至るまでの拡散を小さく抑えることができ、1つのチャンバ634に複数の電極・流路を配置し、それぞれ異なる試料を導入することが可能である。また、試料がナノポアに達する時間を短縮することができる。
As shown in FIG. 31, even in the case of measurement using a tunnel current or capacitance, when the electrodes and flow
複数の電極・流路,複数のチャンバ,複数のナノポア,複数の電極とは、各要素が1次元あるいは2次元的に複数配置された構造を示す。図示では、各要素が2個で表示されているが、本実施例を限定するものではない。 A plurality of electrodes / channels, a plurality of chambers, a plurality of nanopores, and a plurality of electrodes indicate a structure in which a plurality of elements are arranged one-dimensionally or two-dimensionally. In the drawing, each element is displayed as two pieces, but the present embodiment is not limited to this.
本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に容易に理解されよう。 It will be readily appreciated by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the invention described in the claims.
100 ナノポア分析装置
101,205,611,612,620,621 ナノポア
102,201,313 基板
103,312,601,602,605,606,610 チャンバ
104 純水
105,320 イオン液体
106 ポンプ機構
107 試料トレイ
108 試料
110,110′,122,123 バルブ
111 ノズル
112 ロボット
113,114,316,317 流入路
115,116 導電部
117 電源
118 増幅器
119 データロガー
120,121,318,319 流出路
124,126,127,129,130 導電部
125,128 流路
202 ベース
203 膜
204 コーティング層
314,315,617,618,619 空間
321,322 電極
603,604,607,608,613,614,622,623,624 電極・流路
609 流路
615,616 測定電極
625,626 キャパシタンス検出用の電極
627,634 チャンバ
628,629,633,635,636 電極・流路
637,638 電極
100 Nanopore analysis apparatus 101,205,611,612,620,621 Nanopore 102,201,313 Substrate 103,312,601,602,605,606,610
Claims (21)
前記基板にはナノメートルサイズの細孔が設けられており、
前記チャンバ内の領域に電圧を印加することによって、前記細孔に試料を通過させて試料の分析を行う、ナノポア式分析装置において、
前記電圧を印加する電極部から、前記チャンバ内へ液体を流入および/または流出することを特徴とするナノポア式分析装置。 A chamber and a substrate provided in the chamber;
The substrate is provided with nanometer-size pores,
In the nanopore type analyzer that analyzes the sample by passing the sample through the pores by applying a voltage to the region in the chamber,
A nanopore analysis apparatus, wherein a liquid flows into and / or out of the chamber from an electrode portion to which the voltage is applied.
前記基板にはナノメートルサイズの細孔が設けられており、
前記チャンバ内の領域に電圧を印加することによって、前記細孔に試料を通過させて試料の分析を行う、ナノポア式分析装置において、
前記チャンバ内へ液体を流入および/または流出する部分の少なくとも一部が、前記電圧を印加する電極部によって形成されていることを特徴とするナノポア式分析装置。 A chamber and a substrate provided in the chamber;
The substrate is provided with nanometer-size pores,
In the nanopore type analyzer that analyzes the sample by passing the sample through the pores by applying a voltage to the region in the chamber,
The nanopore type analyzer characterized in that at least a part of a portion for inflowing and / or outflowing liquid into the chamber is formed by an electrode portion for applying the voltage.
前記基板にはナノメートルサイズの細孔が設けられており、
前記チャンバ内の領域に電圧を印加することによって、前記細孔に試料を通過させて試料の分析を行う、ナノポア式分析装置において、
前記チャンバ内へ液体を流入および/または流出する部分と前記電圧を印加する電極部とが一体的に形成されていることを特徴とするナノポア式分析装置。 A chamber and a substrate provided in the chamber;
The substrate is provided with nanometer-size pores,
In the nanopore type analyzer that analyzes the sample by passing the sample through the pores by applying a voltage to the region in the chamber,
A nanopore type analyzer characterized in that a portion for inflowing and / or outflowing liquid into the chamber and an electrode portion for applying the voltage are integrally formed.
複数の前記チャンバが配置されており、
少なくともいずれか2以上の前記チャンバへの液体の流入部分が、上流側で繋がっていることを特徴とするナノポア式分析装置。 In claim 3,
A plurality of the chambers are disposed;
The nanopore type analyzer characterized in that at least any two or more of the inflow portions of the liquid into the chamber are connected on the upstream side.
複数のチャンバで同じ基板を共有しており、チャンバ毎に該基板に細孔が設けられていることを特徴とするナノポア式分析装置。 In claim 4,
A nanopore analyzer characterized in that a plurality of chambers share the same substrate, and the substrate is provided with pores for each chamber.
複数の前記チャンバが配置されており、
複数のチャンバで同じ基板を共有しており、チャンバ毎に該基板に細孔が設けられていることを特徴とするナノポア式分析装置。 In claim 3,
A plurality of the chambers are disposed;
A nanopore analyzer characterized in that a plurality of chambers share the same substrate, and the substrate is provided with pores for each chamber.
一つの前記チャンバ内に、複数の前記細孔が設けられていることを特徴とするナノポア式分析装置。 In claim 3,
A nanopore analysis apparatus, wherein a plurality of the pores are provided in one chamber.
前記細孔がアレイ状に配列されていることを特徴とするナノポア式分析装置。 In claim 7,
A nanopore type analyzer characterized in that the pores are arranged in an array.
前記チャンバ内の前記基板によって隔てられた少なくとも一方側がさらに複数の領域に区切られており、該領域毎に前記基板に前記細孔が設けられていることを特徴とするナノポア式分析装置。 In claim 3,
At least one side separated by the substrate in the chamber is further divided into a plurality of regions, and the pore is provided in the substrate for each region.
前記チャンバ内の前記基板によって隔てられた試料導入側が複数の領域に区切られており、該領域毎に前記基板に前記細孔が設けられ、前記基板によって隔てられた他方側は一つの領域であることを特徴とするナノポア式分析装置。 In claim 3,
The sample introduction side separated by the substrate in the chamber is divided into a plurality of regions, the pores are provided in the substrate for each region, and the other side separated by the substrate is one region. Nanopore type analyzer characterized by that.
試料を吸引し、吸引した試料をチャンバ内へ吐出するためのポンプを備えていることを特徴とするナノポア式分析装置。 In claim 3,
A nanopore type analyzer having a pump for sucking a sample and discharging the sucked sample into the chamber.
垂直方向への駆動可能であり、所定の軸を中心に回転する分注機構を有することを特徴とするナノポア式分析装置。 In claim 3,
A nanopore type analyzer having a dispensing mechanism that can be driven in a vertical direction and rotates about a predetermined axis.
前記分注機構は、さらに、別の回転一関節を有することを特徴とするナノポア式分析装置。 In claim 12,
The dispensing mechanism further has another rotary joint, and the nanopore type analyzer.
XYZ方向への駆動が可能である分注機構を有することを特徴とするナノポア式分析装置。 In claim 3,
A nanopore type analyzer having a dispensing mechanism capable of being driven in the XYZ directions.
前記チャンバへ純水とイオン液体とを切り替えて供給するバルブを備えていることを特徴とするナノポア式分析装置。 In claim 3,
A nanopore type analyzer comprising a valve for switching pure water and ionic liquid to the chamber.
さらに、試料を切り替えて供給する別のバルブを備えていることを特徴とするナノポア式分析装置。 In claim 15,
Furthermore, the nanopore type | mold analyzer provided with another valve | bulb which supplies a sample by switching.
液体を流入および/または流出する部分と、ナノメートルサイズの細孔を有し内部の区画を仕切る基板と、前記基板の両側から前記チャンバへ電圧を印加する電極を備え、
前記流入および/または流出する部分と、前記電極が一体的に形成されていることを特徴とする試料分析用チャンバ。 In the sample analysis chamber used for nanopore analysis,
A portion for inflowing and / or outflowing liquid, a substrate having nanometer-sized pores and partitioning an internal compartment, and an electrode for applying a voltage from both sides of the substrate to the chamber,
A sample analysis chamber, wherein the inflow and / or outflow portion and the electrode are integrally formed.
電位差により、試料を試料トレイからチャンバへ送り、測定後、電位差によりチャンバから排出することを特徴とするナノポア式分析装置。 In claim 3,
A nanopore analyzer characterized in that a sample is sent from a sample tray to a chamber by a potential difference, and is discharged from the chamber by a potential difference after measurement.
複数の流路が交差する部分に、バルブあるいは、電極を有し、バルブの開閉あるいは、電圧の印加により、複数の流路間の試料の混合を防止することを特徴とするナノポア式分析装置。 In claim 3,
A nanopore type analyzer having a valve or an electrode at a portion where a plurality of flow paths intersect, and preventing mixing of a sample between the plurality of flow paths by opening / closing the valve or applying a voltage.
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