JP2018151397A - Single molecule recognition method, device, and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、単分子識別方法、装置、及びプログラムに関する。 The present invention relates to a single molecule identification method, apparatus, and program.
従来、タンパク質を構成するアミノ酸、核酸を構成するヌクレオチド、糖鎖を構成する単糖など、生体分子、特に生体高分子を構成する単分子を識別することが行われている。単分子の識別には、例えば、光、電気等をプローブ信号とする単分子測定を用いた識別法が存在する。単分子測定を用いた識別法では、対象試料に対して、蛍光分子や電気活性を有するプローブ分子を修飾することで、特定の単分子の検出を可能としている。 Conventionally, biomolecules such as amino acids constituting proteins, nucleotides constituting nucleic acids, and monosaccharides constituting sugar chains have been identified, particularly single molecules constituting biopolymers. For identification of single molecules, for example, there is an identification method using single molecule measurement using light, electricity or the like as a probe signal. In the identification method using single molecule measurement, a specific single molecule can be detected by modifying the target sample with a fluorescent molecule or a probe molecule having electric activity.
しかし、上述のプローブ分子を修飾する単分子の検出方法では、化学試薬が必要であることや、修飾効率が問題となる。さらに、特定の化学種のみしか検出できず、多種多様な分子種が混在する生体試料を対象とした単分子の識別には適用することができない、という問題がある。 However, the above-described method for detecting a single molecule for modifying a probe molecule requires a chemical reagent and has a problem of modification efficiency. Furthermore, there is a problem that only specific chemical species can be detected, and it cannot be applied to single molecule identification for biological samples in which a wide variety of molecular species are mixed.
また、多種多様な単分子を識別するためには、高感度な測定シグナルを得ること、及び測定シグナルの標準化が必要である。 In addition, in order to distinguish a wide variety of single molecules, it is necessary to obtain a highly sensitive measurement signal and to standardize the measurement signal.
高感度な測定シグナルを得ることができる単分子の識別方法として、電極間距離を1nm以下に固定したナノギャップ電極を用いて、単分子を流れるトンネル電流を測定することにより、単分子識別を行う技術が提案されている(例えば、特許文献1〜5参照)。トンネル電流を用いた測定では、単分子の電子エネルギー状態を直接測定することができる。
As a single molecule identification method capable of obtaining a highly sensitive measurement signal, single molecule identification is performed by measuring a tunnel current flowing through a single molecule using a nanogap electrode in which the distance between electrodes is fixed to 1 nm or less. Techniques have been proposed (see, for example,
また、測定シグナルの標準化に関連して、サンプルに混合する試薬に被検物質の測定に関与しない別の物質である内部標準物質を入れ、その内部標準物質を測定し、真のサンプルの採取量との誤差を補正することにより、正確な被検物質の定量値を得る電気化学的測定方法が提案されている(例えば、特許文献6及び7参照)。 In addition, in connection with standardization of measurement signals, the internal standard substance, which is another substance not involved in the measurement of the test substance, is put in the reagent mixed in the sample, the internal standard substance is measured, and the amount of true sample collected An electrochemical measurement method has been proposed in which an accurate quantitative value of a test substance is obtained by correcting the error (see, for example, Patent Documents 6 and 7).
トンネル電流測定のような、ギャップ電極を用いた微量電流測定による単分子識別では、測定の仕方や状態に応じて、測定結果が左右されるため、測定シグナルを標準化することが必要である。そこで、トンネル電流測定による単分子識別に、特許文献6及び7のような標準化を適用し、試料分子自体を内部標準物質とした相対コンダクタンスを定義することで、間接的な標準化を行うことは可能である。 In single-molecule identification based on a minute current measurement using a gap electrode, such as tunneling current measurement, the measurement result depends on the measurement method and state, and thus it is necessary to standardize the measurement signal. Therefore, it is possible to perform standardization indirectly by applying standardization as in Patent Documents 6 and 7 to single molecule identification by tunneling current measurement and defining relative conductance with the sample molecule itself as an internal standard substance. It is.
しかし、内部標準物質を十分に測定するために、測定時間が長時間化するという問題がある。また、上述のような標準化は、未知分子を含む試料には適用することができないため、未知分子を含む試料を測定する場合には、分離及び精製等の手順が必要となる。このように、ギャップ電極デバイスを用いた微量電流測定に、従来の標準化方法を適用するには、限定的な試料や条件下でしか適用することができない、という問題がある。 However, there is a problem that the measurement time becomes longer in order to sufficiently measure the internal standard substance. In addition, since the standardization as described above cannot be applied to a sample containing an unknown molecule, procedures such as separation and purification are required when measuring a sample containing an unknown molecule. Thus, in order to apply the conventional standardization method to the trace current measurement using the gap electrode device, there is a problem that it can be applied only under limited samples and conditions.
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、未知分子を含む試料に対しても、分離及び精製等の手順を必要とすることなく、ギャップ電極を用いた微量電流測定による単分子識別を行うことができるように標準化した単分子識別方法、装置、及びプログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and a sample containing unknown molecules can be simply measured by measuring a minute current using a gap electrode without requiring a procedure such as separation and purification. It is an object to provide a single molecule identification method, apparatus, and program that are standardized so that molecular identification can be performed.
上記目的を達成するために、本発明の単分子識別方法は、電極間を通過する際に電極間に流れる微量電流に応じたシグナルの大きさが既知で、かつ前記シグナルの大きさの変動が予め定めた変動範囲内となる標準物質が添加されると共に、少なくとも1種類以上の識別対象の単分子が含まれる試料に含まれる前記標準物質及び前記識別対象の単分子の各々が、前記電極間を通過した際に流れた微量電流に応じたシグナルを測定するステップと、測定された複数のシグナルに含まれる前記標準物質を示すシグナルを基準にして、前記複数のシグナルに含まれる他のシグナルが示す単分子の種類を識別するステップと、を含む。 In order to achieve the above object, the single molecule identification method of the present invention has a known signal magnitude corresponding to a minute current flowing between the electrodes when passing between the electrodes, and the fluctuation of the magnitude of the signal is known. A standard substance that falls within a predetermined variation range is added, and each of the standard substance and the single molecule to be discriminated included in a sample containing at least one type of single molecule to be discriminated is connected between the electrodes. Measuring a signal according to a small amount of current that flows when the signal passes through, and a signal indicating the standard substance included in the plurality of measured signals as a reference, the other signals included in the plurality of signals are Identifying the type of single molecule to be shown.
これにより、ギャップ電極を用いた微量電流測定のように、測定の仕方や状態に応じて、測定結果が左右される場合でも、標準物質を示す安定したシグナルを得ることができるため、未知分子を含む試料に対しても、分離及び精製等の手順を必要とすることなく、ギャップ電極を用いた微量電流測定による単分子識別を行うことができるように標準化することができる。 As a result, a stable signal indicating a standard substance can be obtained even when the measurement result depends on the measurement method and state, such as a minute current measurement using a gap electrode. It is also possible to standardize the contained sample so that single molecule identification can be performed by a minute current measurement using a gap electrode without requiring procedures such as separation and purification.
また、前記標準物質を、電気伝導性を有し、かつ前記識別対象の単分子と結合しない同一形状の物質とすることができる。これにより、識別対象の単分子を示すシグナルとの区別が容易な標準物質を示すシグナルを得ることができる。 In addition, the standard substance may be a substance having the same shape that has electrical conductivity and does not bind to the single molecule to be identified. Thereby, a signal indicating a standard substance that can be easily distinguished from a signal indicating a single molecule to be identified can be obtained.
また、前記標準物質を、前記電極間を通過する際の前記電極間に対する姿勢が同一となる物質とすることができる。これにより、測定毎の標準物質を示すシグナルの大きさが均一化される。 The standard substance may be a substance having the same posture with respect to the electrodes when passing between the electrodes. Thereby, the magnitude | size of the signal which shows the reference material for every measurement is equalize | homogenized.
また、前記標準物質の形状を、球形とすることができる。これにより、電極の構成にかかわらず、測定毎の標準物質を示すシグナルの大きさが均一化される。 Further, the shape of the standard substance can be a sphere. Thereby, the magnitude | size of the signal which shows the reference material for every measurement is equalized irrespective of the structure of an electrode.
また、前記標準物質を、金属ナノ粒子またはフラーレンとすることができる。 The standard substance may be metal nanoparticles or fullerene.
また、前記複数のシグナルに対する前記標準物質を示すシグナルの割合が予め定めた割合範囲となるように、前記試料に対する前記標準物質の濃度を最適化することができる。これにより、標準物質を示すシグナルを安定して検出することができると共に、標準物質を示すシグナルがノイズとなることを防止することができる。 Further, the concentration of the standard substance relative to the sample can be optimized so that the ratio of the signal indicating the standard substance to the plurality of signals falls within a predetermined ratio range. Thereby, it is possible to stably detect a signal indicating the standard substance and to prevent the signal indicating the standard substance from becoming noise.
また、前記識別するステップで、前記標準物質を示すシグナルに対する前記複数のシグナルの相対値、及び単分子の種類とシグナルの相対値との予め定めた関係に基づいて、前記他のシグナルが示す単分子の種類を識別することができる。 Further, in the identifying step, based on the relative value of the plurality of signals with respect to the signal indicating the standard substance and the predetermined relationship between the type of the single molecule and the relative value of the signal, the single signal indicated by the other signal is displayed. The type of molecule can be identified.
また、前記測定するステップで、異なる複数の電極間距離に対応した異なる複数の標準物質が添加された試料について、電極間距離が異なる複数の状態毎に、前記微量電流に応じたシグナルを測定し、前記識別するステップで、前記状態毎に、測定された複数のシグナルに含まれる該当の状態に対応した標準物質を示すシグナルと、前記他のシグナルとを比較し、各状態における比較結果に基づいて、前記他のシグナルが示す単分子の種類を識別することができる。これにより、より精度の高い識別を行うことができる。 Further, in the measuring step, for a sample to which a plurality of different standard substances corresponding to a plurality of different interelectrode distances are added, a signal corresponding to the minute current is measured for each of a plurality of states having different interelectrode distances. In the identifying step, for each state, a signal indicating a standard substance corresponding to the corresponding state included in a plurality of measured signals is compared with the other signals, and based on the comparison result in each state. Thus, the type of single molecule indicated by the other signal can be identified. Thereby, identification with higher accuracy can be performed.
また、本発明の単分子識別装置は、電極間を通過する際に電極間に流れる微量電流に応じたシグナルの大きさが既知で、かつ前記シグナルの大きさの変動が予め定めた変動範囲内となる標準物質が添加されると共に、少なくとも1種類以上の識別対象の単分子が含まれる試料が、前記電極間を通過する際に、微量電流が流れるように配置された電極対と、前記試料に含まれる前記標準物質及び前記識別対象の単分子の各々が、前記電極間を通過した際に流れた微量電流に応じたシグナルを測定する測定部と、前記測定部により測定された複数のシグナルに含まれる前記標準物質を示すシグナルを基準にして、前記複数のシグナルに含まれる他のシグナルが示す単分子の種類を識別する識別部と、を含んで構成することができる。 Further, the single molecule identification device of the present invention has a known signal magnitude corresponding to a minute current flowing between the electrodes when passing between the electrodes, and the fluctuation of the magnitude of the signal is within a predetermined fluctuation range. And a sample containing at least one type of identification target single molecule and an electrode pair arranged so that a small amount of current flows when the sample passes between the electrodes, and the sample Each of the standard substance and the single molecule to be identified included in a measurement unit that measures a signal according to a minute current that flows when passing between the electrodes, and a plurality of signals measured by the measurement unit And an identification unit for identifying the type of a single molecule indicated by another signal included in the plurality of signals on the basis of a signal indicating the standard substance included in the reference signal.
また、本発明の単分子識別プログラムは、コンピュータを、電極間を通過する際に電極間に流れる微量電流に応じたシグナルの大きさが既知で、かつ前記シグナルの大きさの変動が予め定めた変動範囲内となる標準物質が添加されると共に、少なくとも1種類以上の識別対象の単分子が含まれる試料が、前記電極間を通過する際に、微量電流が流れるように配置された電極対の電極間を、前記試料に含まれる前記標準物質及び前記識別対象の単分子の各々が通過した際に流れた微量電流に応じたシグナルを測定するように測定部を制御する測定制御部、及び前記測定部により測定された複数のシグナルに含まれる前記標準物質を示すシグナルを基準にして、前記複数のシグナルに含まれる他のシグナルが示す単分子の種類を識別する識別部として機能させるためのプログラムである。 In addition, the single molecule identification program of the present invention is a computer in which the magnitude of a signal according to a small amount of current flowing between electrodes when passing between the electrodes is known, and the fluctuation of the magnitude of the signal is predetermined. A reference material within a variation range is added, and at least one kind of identification target single molecule includes a pair of electrode pairs arranged so that a small amount of current flows when the sample passes between the electrodes. A measurement control unit that controls a measurement unit to measure a signal corresponding to a minute current that flows when each of the standard substance and the single molecule to be identified included in the sample passes between electrodes; and An identification unit for identifying a type of a single molecule indicated by another signal included in the plurality of signals based on a signal indicating the standard substance included in the plurality of signals measured by the measurement unit; Is a program for making the function Te.
本発明に係る単分子識別方法、装置、及びプログラムによれば、測定の仕方や状態に応じて、測定結果が左右されるギャップ電極を用いた微量電流測定においても、標準物質による安定したシグナルを得ることができるため、未知分子を含む試料に対しても、分離及び精製等の手順を必要とすることなく、ギャップ電極を用いた微量電流測定による単分子識別を行うことができるように標準化することができる。 According to the single molecule identification method, apparatus, and program according to the present invention, a stable signal from a standard substance can be obtained even in a minute current measurement using a gap electrode whose measurement result depends on the measurement method and state. Since it can be obtained, it is standardized so that samples containing unknown molecules can be identified by single-current measurement by measuring a minute current using a gap electrode without requiring procedures such as separation and purification. be able to.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下の実施の形態では、微量電流として、電極間を単分子が通過した際に流れるトンネル電流を測定する場合を例に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following embodiment, a case where a tunnel current that flows when a single molecule passes between electrodes as a minute current is measured will be described as an example.
<第1の実施の形態>
図1に示すように、第1の実施の形態に係る単分子識別装置10は、ナノギャップ電極対12、測定用電源18、電気泳動用電極対20、電気泳動用電源22、電流計24、及び制御部26を含んで構成されている。以下に、各構成について説明する。
<First Embodiment>
As shown in FIG. 1, the single
ナノギャップ電極対12は、一部に絶縁膜14を設けた対向する2つの電極が、試料50に含まれる単分子52及び標準物質54(詳細は後述)が電極間を通過する際に、トンネル電流が流れるような距離を隔てて配置されている。ナノギャップ電極対12の具体的な作製方法は特に限定されない。
The nano-
測定用電源18は、ナノギャップ電極対12に対して電圧を印加する。測定用電源18によってナノギャップ電極対12に印加する電圧の大きさは特に限定されず、例えば、0.25V〜0.75Vとすることができる。測定用電源18の具体的な構成は特に限定されず、適宜、公知の電源装置を用いることが可能である。
The
電気泳動用電極対20は、試料50に含まれる単分子52及び標準物質54の移動方向(図1中のブロック矢印A)に電界を形成するように配置される。電気泳動用電極対20の電極間に電界が形成されると、単分子52及び標準物質54が電気泳動により、電界方向に移動する。すなわち、単分子52及び標準物質54がナノギャップ電極対12の電極間を通過するように移動する。
電気泳動用電源22は、電気泳動用電極対20に対して電圧を印加する。電気泳動用電源22によって電気泳動用電極対20に印加する電圧の大きさは特に限定されず、ナノギャップ電極対12の電極間を単分子52及び標準物質54が通過する速さを制御することができる電圧を適宜設定することができる。電気泳動用電源22の具体的な構成は特に限定されず、適宜、公知の電源装置を用いることが可能である。
The
電流計24は、測定用電源18により電圧が印加されたナノギャップ電極対12の電極間を単分子52及び標準物質54が通過した際に生じるトンネル電流を測定する。電流計24の具体的な構成は特に限定されず、適宜、周知の電流測定装置を用いればよい。
The
制御部26は、単分子識別装置10の各構成を制御すると共に、測定されたトンネル電流に応じたシグナルに基づいて、単分子52の種類を識別する。
The
制御部26は、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、及び後述する単分子識別プログラムが格納されたROM(Read Only Memory)等を備えたコンピュータで構成することができる。このコンピュータで構成される制御部26は、機能的には、図2に示すように、電気泳動制御部30、測定制御部32、及び識別部34を含んだ構成で表すことができる。以下、各部について詳述する。
The
電気泳動制御部30は、単分子52及び標準物質54が、ナノギャップ電極対12の電極間を通過するように、電気泳動用電源22による電圧の印加を制御する。
The
測定制御部32は、ナノギャップ電極対12の電極間に流れるトンネル電流を測定するように電流計24を制御する。トンネル電流の測定時間は限定されないが、例えば、10分間、20分間、30分間、40分間、50分間、1時間とすることができる。また、測定制御部32は、電流計24で測定されたトンネル電流の電流値を取得し、取得した電流値からコンダクタンスを計算し、コンダクタンス−時間プロファイルを作成する。コンダクタンスは、トンネル電流を測定した際にナノギャップ電極対12に印可されていた電圧Vで、トンネル電流の電流値を除することにより、計算することができる。コンダクタンスを用いることにより、ナノギャップ電極対12間に印加する電圧値が測定毎に異なる場合でも、統一された基準のプロファイルを得ることができる。なお、測定毎にナノギャップ電極対12間に印加する電圧値を一定とした場合には、トンネル電流の電流値とコンダクタンスとは、同等に扱うことができる。
The
また、測定制御部32は、電流計24で測定されたトンネル電流を、電流増幅器を用いて一旦増幅してから取得するようにしてもよい。電流増幅器を用いることによって、微弱なトンネル電流の値を増幅することができるため、トンネル電流を高感度に測定することが可能となる。電流増幅器としては、例えば、市販の可変高速電流アンプ(Femto社製、カタログ番号:DHPCA−100)を用いることができる。
Alternatively, the
識別部34は、測定制御部32により作成されたコンダクタンス−時間プロファイルに表れる複数のシグナルに含まれる標準物質54を示すシグナルを基準にして、他のシグナルが示す単分子の種類を識別する。
The discriminating
図3に、コンダクタンス−時間プロファイルの模式的な一例を示す。コンダクタンス−時間プロファイルに表れる複数のシグナルとは、図3に示すように、ピーク値を有する部分であり、ピーク毎に1つのシグナルに対応する。従って、図3の例では、Aに示す部分には、1つのシグナルが存在し、Bに示す部分には、4つのシグナルが存在することを示している。 FIG. 3 shows a schematic example of a conductance-time profile. The plurality of signals appearing in the conductance-time profile is a portion having a peak value as shown in FIG. 3, and corresponds to one signal for each peak. Therefore, in the example of FIG. 3, it is shown that one signal exists in the portion indicated by A and four signals exist in the portion indicated by B.
また、図3の例で、Aに示す部分のシグナルは、標準物質54を示すシグナルであり、Bに示す部分のシグナル群に含まれる各シグナルは、単分子52を示すシグナルである。この場合、標準物質54を示すシグナルのコンダクタンス、及び標準物質54を示すシグナルのコンダクタンスに対する識別対象の単分子52の種類毎の相対コンダクタンスが既知であれば、各シグナルが示す単分子の種類を識別することができる。
In the example of FIG. 3, the signal of the portion indicated by A is a signal indicating the
具体的には、標準物質54の固有コンダクタンスに対する識別対象の単分子52の相対コンダクタンスを、相対コンダクタンステーブル36に予め記憶しておく。図4に、相対コンダクタンステーブル36の一例を示す。そして、識別部34は、図5に示すように、得られたコンダクタンス−時間プロファイルに表れた標準物質54を示すシグナル以外のシグナルのコンダクタンスと、相対コンダクタンステーブル36に記憶された識別対象の単分子52の相対コンダクタンスとを比較し、相対コンダクタンスが一致する単分子の種類を、そのシグナルが示す単分子の種類として識別する。なお、相対コンダクタンスが一致するとは、完全に一致する場合に限らず、両者の差が所定の閾値以下となる場合も含む。
Specifically, the relative conductance of the
ここで、上記のように、相対コンダクタンス値を用いて、各シグナルが示す単分子52の種類を識別するために、どのような標準物質54を用いることが好ましいかについて説明する。
Here, as described above, what
トンネル電流等のギャップ電極を用いた微量電流測定では、電極と、電極間を通過する分子との距離が、測定される微量電流の大きさに影響を与える。従って、電極間を通過する際の電極間に対する姿勢が均一とならない分子の場合、測定毎にコンダクタンス(シグナルの大きさ)にばらつきが生じてしまう。例えば図6に示すように、複数回の測定により得られたコンダクタンスのヒストグラムを作成した際に、ヒストグラムの分散が大きい物質は、標準物質54として用いることに適さない。そこで、標準物質54として、測定毎のコンダクタンスの変動が少ない物質を用いる。例えば図7に示すように、複数回の測定により得られたコンダクタンスのヒストグラムの分散が小さい物質が、標準物質54として用いることに適している。
In the measurement of a minute current using a gap electrode such as a tunnel current, the distance between the electrode and a molecule passing between the electrodes affects the magnitude of the measured minute current. Therefore, in the case of a molecule in which the posture with respect to the electrodes when passing between the electrodes is not uniform, the conductance (signal magnitude) varies for each measurement. For example, as shown in FIG. 6, when a histogram of conductance obtained by a plurality of measurements is created, a substance having a large variance in the histogram is not suitable for use as the
このように、測定毎のコンダクタンスの変動を少なくするためには、電極間を通過する際の電極間に対する姿勢が同一となる物質を標準物質54として用いる。例えば、電極間と物質の形状との関係で電極間を通過する際の姿勢が一意に定まる物質や、電気泳動等により、電極間を通過する際の姿勢が同一になるように制御できる物質などが挙げられる。また、物質の形状が球形であれば、電極との関係を考慮したり、電気泳動等の制御を行ったりすることなく、電極間を通過する際の姿勢が同一になる。
As described above, in order to reduce the variation in conductance for each measurement, a material having the same posture with respect to the electrodes when passing between the electrodes is used as the
また、標準物質54を示すシグナルは、基準として用いるため、識別対象の単分子52を示すシグナルとは明確に区別可能なシグナルとなることが好ましい。このため、標準物質54としては、電気伝導性を有し、識別対象の単分子と結合しない物質であることが好ましい。また、基準として安定したシグナルとするために、試料50内に含まれる標準物質は同一形状であることが好ましい。さらに、図3に示すように、単分子52を示すシグナルとの差が大きいことが望ましいため、識別対象の単分子52と比較して、大きな固有コンダクタンスを有する物質が好ましい。
In addition, since the signal indicating the
上記の条件を考慮して、標準物質54として、金属ナノ粒子またはフラーレンを用いることができる。金属ナノ粒子としては、例えば金ナノ粒子、銀ナノ粒子、銅ナノ粒子、アルミナノ粒子等が挙げられる。なお、識別対象の単分子52の大きさが0.5〜2nm程度の場合には、標準物質54としてフラーレンを用いることが適している。また、識別対象の単分子52の大きさが2nm以上の場合には、標準物質54として金ナノ粒子を用いることが適している。
In consideration of the above conditions, metal nanoparticles or fullerene can be used as the
次に、第1の実施の形態に係る単分子識別装置10を用いて行われる単分子識別方法について説明する。
Next, a single molecule identification method performed using the single
まず、少なくとも1種類以上の識別対象の単分子52を溶液に溶解させる。溶液は、特に限定されない。例えば、超純水を用いることができる。超純水は、例えば、ミリポア社のMilli−Q Integral 3 (装置名)(Milli−Q Integral 3/5/10/15 (カタログ番号))を用いることによって作製することができる。溶液中の単分子52の濃度は、特に限定されないが、例えば、0.01〜1.0μMである。
First, at least one or more types of identification target
次に、単分子52を溶解させた溶液に、上述したような標準物質54を添加する。溶液中の標準物質54の濃度は、コンダクタンス−時間プロファイルに表れる複数のシグナルに対する標準物質54を示すシグナルの割合が、所定範囲となるように最適化する。図8に示すように、標準物質54の濃度が低い場合には、コンダクタンス−時間プロファイルにおける標準物質54を示すシグナル(図8中のA)が少なくなるため、標準物質54を示すシグナルを安定して検出することができない。一方、標準物質54の濃度が高い場合には、コンダクタンス−時間プロファイルにおける標準物質54を示すシグナルが多くなり、そのシグナルがノイズとなる。そこで、識別の安定性とノイズの低減とのバランスを考慮した最適なシグナル数となるように、上記の所定範囲を定めておく。
Next, the
そして、試料50中にナノギャップ電極対12を配置し、測定用電源18により、ナノギャップ電極対12に電圧を印加すると共に、電気泳動用電源22により、電気泳動用電極対20に電圧を印加する。そして、制御部26を構成するコンピュータのCPUが、ROMに格納された単分子識別プログラムを読み出して実行することにより、単分子識別装置10により、図9に示す単分子識別処理が行われる。
Then, the
図9に示す単分子識別処理のステップS10で、測定制御部32が、電流計24を制御し、ナノギャップ電極対12の電極間を単分子52及び標準物質54が通過する際に生じたトンネル電流を、所定時間測定させる。
In step S10 of the single molecule identification process shown in FIG. 9, the
次に、ステップS12で、測定制御部32が、測定されたトンネル電流の電流値を取得し、測定点毎にコンダクタンスを計算し、例えば図3に示すようなコンダクタンス−時間プロファイルを作成する。次に、ステップS14で、識別部34が、相対コンダクタンステーブル36から、識別対象の単分子52の相対コンダクタンスを取得する。
Next, in step S12, the
次に、ステップS16で、識別部が、上記ステップS12で作成されたコンダクタンス−時間プロファイルと、上記ステップS14で取得した相対コンダクタンスとを比較して、各シグナルが示す単分子の種類を識別する。次に、ステップS18で、識別部34が、識別結果を出力して、単分子識別処理を終了する。
Next, in step S16, the identification unit compares the conductance-time profile created in step S12 with the relative conductance obtained in step S14, and identifies the type of single molecule indicated by each signal. Next, in step S18, the
以上説明したように、第1の実施の形態に係る単分子識別装置及び方法によれば、標準物質として、ナノギャップ電極間に流れるトンネル電流から作成したコンダクタンス−時間プロファイルにおけるコンダクタンスの変動が小さい物質を用いる。そして、コンダクタンス−時間プロファイルにおける標準物質を示すシグナルのコンダクタンスを基準にして、他のシグナルが示す単分子の種類を識別する。これにより、未知分子を含む試料に対しても、分離及び精製等の手順を必要とすることなく、ギャップ電極を用いた微量電流測定による単分子識別を行うことができるように標準化することができる。 As described above, according to the single molecule identification apparatus and method according to the first embodiment, as a standard substance, a substance having a small variation in conductance in a conductance-time profile created from a tunnel current flowing between nanogap electrodes. Is used. Then, based on the conductance of the signal indicating the standard substance in the conductance-time profile, the type of single molecule indicated by the other signal is identified. As a result, it is possible to standardize samples containing unknown molecules so that single molecules can be identified by measuring a minute current using a gap electrode without requiring procedures such as separation and purification. .
<第2の実施の形態>
次に、第2の実施の形態について説明する。なお、第1の実施の形態に係る単分子識別装置10と同一の部分については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment will be described. In addition, about the part same as the single
図10に示すように、第2の実施の形態に係る単分子識別装置210は、ナノギャップ電極対12A、12B、12C、測定用電源18、電気泳動用電極対20、電気泳動用電源22、電流計24、及び制御部226を含んで構成されている。
As shown in FIG. 10, the single
ナノギャップ電極対12A、12B、12Cの各々の構成は、第1の実施の形態におけるナノギャップ電極対12と同様である。ナノギャップ電極対12A、12B、12Cの各々は、各電極間の中心が同一軸上に並ぶように、絶縁膜14を介して積層されている。すなわち、ナノギャップ電極対12A、12B、12Cの各々の電極間により、単分子52及び標準物質54が通過する一つの通路を形成している。ナノギャップ電極対12Aの電極間距離はd1、ナノギャップ電極対12Bの電極間距離はd2、ナノギャップ電極対12Cの電極間距離はd3で各々異なる。図10の例では、d1>d2>d3である。例えば、d1=1.0nm、d2=0.7nm、d3=0.5nmとすることができる。
The configuration of each of the
制御部226は、図11に示すように、電気泳動制御部30、測定制御部232、及び識別部234を備えた構成で表すことができる。
As shown in FIG. 11, the
測定制御部232は、ナノギャップ電極対12A、12B、12Cの各々の電極間で生じたトンネル電流を、各々測定するように電流計24を制御する。また、測定制御部232は、電流計24で測定された電極間距離毎のトンネル電流の電流値を取得してコンダクタンスを計算し、電極間距離毎のコンダクタンス−時間プロファイルを作成する。
The
識別部234は、電極間距離毎のコンダクタンス−時間プロファイルに表れる複数のシグナルに含まれる、その電極間距離に対応した標準物質54を示すシグナルと、他のシグナルとを比較する。そして、識別部234は、電極間距離毎の比較結果に基づいて、他のシグナルが示す単分子の種類を識別する。
The
ここで、図12に、複数種類の単分子(図12の例ではアミノ酸)について、電極間距離d毎の相対コンダクタンスを示す。ここでの相対コンダクタンスとは、図12内のアミノ酸のうち、コンダクタンスが最大のものを1としたときの各アミノ酸のコンダクタンスである。図12の例では、電極間距離dは、d1=1.0nm、d2=0.7nm、及びd3=0.4nmである。図12に示すように、電極間距離dが0.4nmの場合には、His、Thr、Tyr、及びTrpの相対コンダクタンスが近似している。同様に、電極間距離dが0.7nmの場合には、CysとPro、及びTyrとTrpの相対コンダクタンスが近似している。同様に、電極間距離dが1.0nmの場合には、Cys、Pro、及びPheの相対コンダクタンスが近似している。このように、相対コンダクタンスが近似している場合には、単分子の種類を識別する際の識別精度が低下する恐れがある。 Here, FIG. 12 shows the relative conductance for each inter-electrode distance d for a plurality of types of single molecules (amino acids in the example of FIG. 12). Here, the relative conductance is the conductance of each amino acid when the conductance of amino acids in FIG. In the example of FIG. 12, the inter-electrode distance d is d1 = 1.0 nm, d2 = 0.7 nm, and d3 = 0.4 nm. As shown in FIG. 12, when the inter-electrode distance d is 0.4 nm, the relative conductances of His, Thr, Tyr, and Trp are approximated. Similarly, when the inter-electrode distance d is 0.7 nm, the relative conductances of Cys and Pro, and Tyr and Trp are approximated. Similarly, when the interelectrode distance d is 1.0 nm, the relative conductances of Cys, Pro, and Phe are approximated. Thus, when the relative conductance is approximate, the identification accuracy when identifying the type of a single molecule may be reduced.
そこで、電極間距離毎に識別可能な単分子を予め定めておく。また、電極間距離毎に、その電極間距離に対応した標準物質54を選択しておく。そして、電極間距離に対応した標準物質54の固有コンダクタンスに対する、その電極間距離で識別可能な識別対象の単分子52の相対コンダクタンスを、相対コンダクタンステーブル236に予め記憶しておく。図13に、相対コンダクタンステーブル236の一例を示す。
Therefore, a single molecule that can be identified for each inter-electrode distance is determined in advance. For each interelectrode distance, a
図14に、識別部234による識別処理を模式的に示す。識別部234は、図14に示すように、得られた電極間距離毎のコンダクタンス−時間プロファイルに表れた、その電極間距離に対応した標準物質54を示すシグナル以外のシグナルのコンダクタンスと、相対コンダクタンステーブル236に記憶された、その電極間距離で識別可能な識別対象の単分子52の相対コンダクタンスとを比較することにより、各シグナルが示す単分子の種類を識別する。識別部234は、その電極間距離のコンダクタンス−時間プロファイルからは識別することができなかったシグナル(図中「X」で示すシグナル)については、異なる電極間距離のコンダクタンス−時間プロファイルにおいて、単分子の種類を識別する。
FIG. 14 schematically shows identification processing by the
次に、第2の実施の形態に係る単分子識別装置210を用いて行われる単分子識別方法について説明する。
Next, a single molecule identification method performed using the single
まず、第1の実施の形態と同様に、少なくとも1種類以上の識別対象の単分子52を溶液に溶解させる。次に、単分子52を溶解させた溶液に、上述したような標準物質54を添加する。第2の実施の形態では、ナノギャップ電極対12A、12B、12Cの各々の電極間距離(d1、d2、d3)に対応した標準物質54をそれぞれ添加する。
First, as in the first embodiment, at least one type of identification target
そして、試料50中にナノギャップ電極対12A、12B、12Cを配置し、測定用電源18により、ナノギャップ電極対12A、12B、12Cの各々に電圧を印加すると共に、電気泳動用電源22により、電気泳動用電極対20に電圧を印加する。そして、制御部226を構成するコンピュータのCPUが、ROMに格納された単分子識別プログラムを読み出して実行することにより、単分子識別装置210により、図15に示す単分子識別処理が行われる。
Then, the
図15に示す単分子識別処理のステップS20で、測定制御部232が、電流計24を制御し、ナノギャップ電極対12A、12B、12Cの各々の電極間により形成された一つの通路を、単分子52及び標準物質54が通過する際に生じたトンネル電流を、所定時間測定させる。
In step S20 of the single molecule identification process shown in FIG. 15, the
次に、ステップS22で、測定制御部232が、測定されたトンネル電流の電流値を取得し、測定点毎にコンダクタンスを計算し、例えば図3に示すようなコンダクタンス−時間プロファイルを、電極間距離毎に作成する。次に、ステップS24で、識別部234が、変数iに1を設定する。
Next, in step S22, the
次に、ステップS26で、識別部234が、相対コンダクタンステーブル236から、電極間距離diに対応した単分子52の相対コンダクタンス、すなわち、電極間距離diで識別可能な識別対象の単分子52の相対コンダクタンスを取得する。
Next, in step S26, the
次に、ステップS28で、識別部234が、上記ステップS22で作成された電極間距離diのコンダクタンス−時間プロファイルと、上記ステップS26で取得した相対コンダクタンスとを比較して、各シグナルが示す単分子の種類を識別する。
Next, in step S28, the
次に、ステップS30で、識別部234が、全ての電極間距離diについて処理を終了したか否かを判定する。未処理の電極間距離diが存在する場合には、ステップS32へ移行して、iを1インクリメントして、ステップS26へ戻る。全ての電極間距離diについて処理が終了した場合には、ステップS34へ移行して、識別部234が、識別結果を出力して、単分子識別処理を終了する。
Next, in step S30, the
以上説明したように、第2の実施の形態に係る単分子識別装置及び方法によれば、複数の電極間距離のナノギャップ電極間で生じたトンネル電流から得られたコンダクタンスを用いることで、第1の実施の形態の効果に加え、より精度の高い識別を行うことができる。 As described above, according to the single molecule identification device and method according to the second embodiment, by using the conductance obtained from the tunnel current generated between nanogap electrodes having a plurality of interelectrode distances, In addition to the effects of the first embodiment, more accurate identification can be performed.
なお、第2の実施の形態では、ナノギャップ電極対12A、12B、12Cの各々を、各電極間の中心が同一軸上に並ぶように積層する構成について説明したが、これに限定されない。例えば、同一平面上に、ナノギャップ電極対12A、12B、12Cの各々を配置してもよい。この場合、ナノギャップ電極対12A、12B、12Cの各々に対応して電気泳動用電極を設けるなどして、単分子52及び標準物質54が、ナノギャップ電極対12A、12B、12Cの各々の電極間を順次通過するように制御すればよい。
In the second embodiment, the nanogap electrode pairs 12A, 12B, and 12C are described as being stacked so that the centers between the electrodes are aligned on the same axis. However, the present invention is not limited to this. For example, each of the nanogap electrode pairs 12A, 12B, and 12C may be disposed on the same plane. In this case, the
また、第2の実施の形態では、電極間距離が異なる複数のナノギャップ電極対を設ける場合について説明したが、1つのナノギャップ電極対の電極間距離を変更する機構を設けた構成としてもよい。例えば、てこの原理を利用して、力点、支点、及び作用点の幾何学的配置を調整することで、電極間距離を変更する構成とすることができる。より具体的には、ピエゾ素子によりナノギャップ電極対の一部を押し上げることにより、作用点となる電極端部を移動させて、電極間距離を変更する構成とすることができる。この場合、ピエゾ素子の押し上げ距離と電極間距離との対応関係に基づいて、所望の電極間距離に設定することができる。 In the second embodiment, the case where a plurality of nanogap electrode pairs having different interelectrode distances is provided has been described. However, a mechanism for changing the interelectrode distance of one nanogap electrode pair may be provided. . For example, the distance between the electrodes can be changed by adjusting the geometrical arrangement of the force point, the fulcrum, and the action point using the principle of leverage. More specifically, by pushing up a part of the nanogap electrode pair with a piezo element, the electrode end portion serving as the action point can be moved to change the inter-electrode distance. In this case, the desired inter-electrode distance can be set based on the correspondence between the push-up distance of the piezo element and the inter-electrode distance.
また、上記各実施の形態では、トンネル電流を測定する場合について説明したが、本発明は、あらゆるギャップ電極を用いた微量電流測定による単分子識別法の標準化として適用することができる。本発明の適用により、測定前の分離及び精製等の前処理が必要なくなり、高精度な単分子識別を、高選択的かつ広範囲にわたる実験条件で行うことができる。例えば、代表的なバイオ高分子核酸塩基鎖の測定に使用した場合、遺伝子シーケンサー及び遺伝子発現解析法の高精度化及び選択性向上が見込まれる。また、公衆衛生、安全、安心、環境分野で使われる高速、高感度、及び低コストなアレルゲン検査、疾病診断等へ応用することもできる。 In each of the above-described embodiments, the case where the tunnel current is measured has been described. However, the present invention can be applied as standardization of a single molecule identification method based on a minute current measurement using any gap electrode. Application of the present invention eliminates the need for pretreatment such as separation and purification prior to measurement, and enables highly accurate single molecule identification to be performed with high selectivity and over a wide range of experimental conditions. For example, when used for measurement of typical biopolymer nucleic acid base chains, higher accuracy and improved selectivity of gene sequencers and gene expression analysis methods are expected. It can also be applied to high-speed, high-sensitivity, low-cost allergen testing, disease diagnosis, etc. used in the fields of public health, safety, security, and environment.
本発明は、以上説示した各構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施の形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施の形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the configurations described above, and various modifications are possible within the scope of the claims, and the technical means disclosed in different embodiments are appropriately combined. The obtained embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
また、本願明細書中において、プログラムが予めインストールされている実施の形態として説明したが、外部の記憶装置や記録媒体等に格納されたプログラムを随時読み込んで、またインターネットを介してダウンロードして実行するようにしてもよい。また、当該プログラムを、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して提供することも可能である。 In the specification of the present application, the program has been described as an embodiment in which the program is installed in advance. However, the program stored in an external storage device or recording medium is read as needed, and is downloaded and executed via the Internet. You may make it do. In addition, the program can be provided by being stored in a computer-readable recording medium.
10、210 単分子識別装置
12 ナノギャップ電極対
24 電流計
26、226 制御部
32、232 測定制御部
34、234 識別部
36、236 相対コンダクタンステーブル
52 単分子
54 標準物質
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,210 Single
Claims (10)
測定された複数のシグナルに含まれる前記標準物質を示すシグナルを基準にして、前記複数のシグナルに含まれる他のシグナルが示す単分子の種類を識別するステップと、
を含む単分子識別方法。 A standard substance in which the magnitude of the signal according to the minute current flowing between the electrodes when passing between the electrodes is known and the fluctuation of the signal is within a predetermined fluctuation range is added, and at least A step of measuring a signal corresponding to a minute current that flows when each of the standard substance and the single molecule to be discriminated included in a sample containing one or more types of single molecules to be discriminated passes between the electrodes; When,
Identifying the type of a single molecule indicated by another signal included in the plurality of signals based on a signal indicating the standard substance included in the plurality of signals measured; and
A single molecule identification method comprising:
前記識別するステップで、前記状態毎に、測定された複数のシグナルに含まれる該当の状態に対応した標準物質を示すシグナルと、前記他のシグナルとを比較し、各状態における比較結果に基づいて、前記他のシグナルが示す単分子の種類を識別する請求項1〜請求項7のいずれか1項記載の単分子識別方法。 In the measuring step, for a sample to which a plurality of different standard substances corresponding to different inter-electrode distances are added, a signal corresponding to the trace current is measured for each of a plurality of states having different inter-electrode distances,
In the identifying step, for each state, a signal indicating a standard substance corresponding to a corresponding state included in a plurality of measured signals is compared with the other signals, and based on a comparison result in each state. The single molecule identification method according to any one of claims 1 to 7, wherein a type of a single molecule indicated by the other signal is identified.
前記試料に含まれる前記標準物質及び前記識別対象の単分子の各々が、前記電極間を通過した際に流れた微量電流に応じたシグナルを測定する測定部と、
前記測定部により測定された複数のシグナルに含まれる前記標準物質を示すシグナルを基準にして、前記複数のシグナルに含まれる他のシグナルが示す単分子の種類を識別する識別部と、
を含む単分子識別装置。 A standard substance in which the magnitude of the signal according to the minute current flowing between the electrodes when passing between the electrodes is known and the fluctuation of the signal is within a predetermined fluctuation range is added, and at least A sample containing one or more types of single molecules to be identified passes through the electrodes, and a pair of electrodes arranged so that a small amount of current flows;
Each of the standard substance contained in the sample and the single molecule to be identified measures a signal according to a minute current that flows when passing between the electrodes,
An identification unit for identifying a type of a single molecule indicated by another signal included in the plurality of signals with reference to a signal indicating the standard substance included in the plurality of signals measured by the measurement unit;
Single molecule identification device comprising:
電極間を通過する際に電極間に流れる微量電流に応じたシグナルの大きさが既知で、かつ前記シグナルの大きさの変動が予め定めた変動範囲内となる標準物質が添加されると共に、少なくとも1種類以上の識別対象の単分子が含まれる試料が、前記電極間を通過する際に、微量電流が流れるように配置された電極対の電極間を、前記試料に含まれる前記標準物質及び前記識別対象の単分子の各々が通過した際に流れた微量電流に応じたシグナルを測定するように測定部を制御する測定制御部、及び
前記測定部により測定された複数のシグナルに含まれる前記標準物質を示すシグナルを基準にして、前記複数のシグナルに含まれる他のシグナルが示す単分子の種類を識別する識別部
として機能させるための単分子識別プログラム。
Computer
A standard substance in which the magnitude of the signal according to the minute current flowing between the electrodes when passing between the electrodes is known and the fluctuation of the signal is within a predetermined fluctuation range is added, and at least When a sample containing one or more types of single molecules to be identified passes between the electrodes, the standard substance contained in the sample and the reference material included in the sample are arranged between the electrodes of the electrode pair arranged so that a minute amount of current flows. A measurement control unit that controls the measurement unit to measure a signal corresponding to a minute current that flows when each single molecule to be identified passes, and the standard included in the plurality of signals measured by the measurement unit A single molecule identification program for functioning as an identification unit for identifying a type of a single molecule indicated by another signal included in the plurality of signals on the basis of a signal indicating a substance.
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