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JP7440375B2 - Hole forming method and hole forming device - Google Patents
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Description

本開示は、孔形成方法及び孔形成装置に関する。 The present disclosure relates to a hole forming method and a hole forming apparatus.

水溶液中に存在する分子や粒子を検出する手段として、ナノポアを用いた技術が検討されている。ナノポアデバイスは、メンブレンに、検出対象となる分子や粒子と同程度の大きさの孔(ナノポア)を設け、メンブレンの上下チャンバを水溶液で満たし、両チャンバに水溶液に接触するよう電極を設けたものである。測定時には、チャンバの片側に測定対象である検出対象物を導入し、電極間に電位差を与えて検出対象物を電気泳動させることによりナノポアを通過させる。このときに両電極間に流れるイオン電流(封鎖信号)の時間変化を計測することで、検出対象物の通過を検出したり、検出対象物の構造的な特徴を解析したりすることができる。 Techniques using nanopores are being considered as a means of detecting molecules and particles present in aqueous solutions. A nanopore device has a membrane with pores (nanopores) that are about the same size as the molecules or particles to be detected, the upper and lower chambers of the membrane are filled with an aqueous solution, and electrodes are provided in both chambers to make contact with the aqueous solution. It is. During measurement, a detection target to be measured is introduced into one side of the chamber, and a potential difference is applied between the electrodes to cause electrophoresis of the detection target, thereby causing it to pass through the nanopore. By measuring the time change of the ionic current (blocking signal) flowing between the two electrodes at this time, it is possible to detect the passage of the object to be detected and to analyze the structural characteristics of the object to be detected.

ナノポアデバイスの製造において、機械的強度が高いこと等の理由から、半導体基板や半導体材料を半導体プロセスにより加工してナノポアを形成する方法が注目を集めている。このようなナノポア形成方法として、例えば非特許文献1には、メンブレンとしてシリコン窒化膜(SiNx膜)を用い、TEM(transmission electron microscope)装置を用いて、電子ビームの照射面積をメンブレン上に小さく絞り、エネルギーや電流をコントロールすることで、直径が10nm以下のナノポアを形成することが開示されている。 In the production of nanopore devices, a method of forming nanopores by processing a semiconductor substrate or semiconductor material using a semiconductor process is attracting attention because of its high mechanical strength. As a method for forming such nanopores, for example, in Non-Patent Document 1, a silicon nitride film (SiNx film) is used as a membrane, and a TEM (transmission electron microscope) device is used to narrow down the irradiation area of an electron beam onto the membrane. discloses that nanopores with a diameter of 10 nm or less can be formed by controlling energy and current.

また、特許文献1、非特許文献2~4には、メンブレンの絶縁破壊現象を利用したナノポア形成方法が開示されている。これらの方法においては、まず、孔の空いていないSiNxメンブレンを挟む上下のチャンバに水溶液を満たし、各チャンバの水溶液中に電極を浸し、両電極間に高電圧を印加し続ける。電極間の電流が急激に上昇して(メンブレンが絶縁破壊して)、所定のカットオフ電流に到達したところでナノポアが形成されたと判断し、高電圧の印加を停止することで、ナノポアを形成する。本ナノポア形成方式は、TEM装置を用いたナノポア形成に比べ、製造コストが大幅に削減され、スループットが向上するという利点がある。また、本ナノポア形成方式は、メンブレンにナノポアを形成した後、メンブレンをチャンバから取り外すことなく検出対象物の測定に移行できる。そのため、ナノポアが大気中の汚染物質に曝されることがなく、計測時のノイズが少なくなるという利点がある。 Furthermore, Patent Document 1 and Non-Patent Documents 2 to 4 disclose nanopore forming methods that utilize the dielectric breakdown phenomenon of membranes. In these methods, first, upper and lower chambers sandwiching a SiNx membrane with no holes are filled with an aqueous solution, electrodes are immersed in the aqueous solution in each chamber, and a high voltage is continuously applied between the two electrodes. When the current between the electrodes suddenly increases (dielectric breakdown of the membrane) and reaches a predetermined cut-off current, it is determined that a nanopore has been formed, and the application of high voltage is stopped to form a nanopore. . This nanopore formation method has the advantage that manufacturing costs are significantly reduced and throughput is improved compared to nanopore formation using a TEM device. Further, in this nanopore formation method, after forming nanopores in the membrane, it is possible to proceed to measurement of the detection target without removing the membrane from the chamber. Therefore, the nanopores are not exposed to pollutants in the atmosphere, which has the advantage of reducing noise during measurement.

ナノポアを用いた測定の用途として、DNAの塩基配列の解読(DNAシーケンシング)がある。すなわち、DNAがナノポアを通過する際の、ナノポアを通過するイオン電流の変化を検出することで、DNA鎖中の4種の塩基の配列を決定するという方法である。 One application of measurements using nanopores is the decoding of DNA base sequences (DNA sequencing). That is, this method determines the sequence of four types of bases in a DNA chain by detecting changes in the ionic current passing through the nanopore when DNA passes through the nanopore.

ナノポアを用いた測定の別の用途としては、水溶液中の特定対象物の検出及び計数がある。例えば非特許文献5には、水溶液中に存在する特定配列のDNAのみにPNAとPEGとを結合させ、PNA及びPEGで修飾されたDNAがナノポアを通過する際のイオン電流の変化を計測することで、特定配列を有するDNAの検出や計数を行う技術が開示されている。 Another application of measurements using nanopores is the detection and counting of specific objects in aqueous solutions. For example, Non-Patent Document 5 describes that PNA and PEG are bound only to DNA of a specific sequence present in an aqueous solution, and changes in ionic current are measured when the DNA modified with PNA and PEG passes through a nanopore. discloses a technique for detecting and counting DNA having a specific sequence.

このようなナノポア計測においては、検出対象物の大きさと、ナノポアの大きさとの関係が重要である。検出対象物の大きさになるべく近いナノポアを用いることで、検出対象物がナノポアを通過した際に生じる信号(イオン電流変化)のS/N比(signal/noise比)が向上する。検出対象物の大きさは様々であるので、高精度な計測を行うには、検出対象物の大きさに応じて様々な大きさのナノポアを精度よく形成する必要がある。 In such nanopore measurements, the relationship between the size of the object to be detected and the size of the nanopore is important. By using a nanopore that is as close to the size of the object to be detected as possible, the S/N ratio (signal/noise ratio) of the signal (change in ionic current) generated when the object to be detected passes through the nanopore is improved. Since the size of the object to be detected varies, in order to perform highly accurate measurement, it is necessary to accurately form nanopores of various sizes depending on the size of the object to be detected.

国際公開第2013/167955号International Publication No. 2013/167955

Jacob K Rosenstein, et al., Nature Methods, Vol.9, No.5, 487-492 (2012)Jacob K Rosenstein, et al., Nature Methods, Vol.9, No.5, 487-492 (2012) Harold Kwok, et al., PloS ONE, Vol.9, No.3, e92880. (2013)Harold Kwok, et al., PloS ONE, Vol.9, No.3, e92880. (2013) Kyle Briggs, et al., Nanotechnology, Vol.26, 084004 (2015)Kyle Briggs, et al., Nanotechnology, Vol.26, 084004 (2015) Kyle Briggs, et al., Small, 10(10):2077-86 (2014)Kyle Briggs, et al., Small, 10(10):2077-86 (2014) Trevor J. Morin, et al., PLoS ONE 11(5):e0154426. doi:10.1371/journal.pone.0154426Trevor J. Morin, et al., PLoS ONE 11(5):e0154426. doi:10.1371/journal.pone.0154426 Itaru Yanagi, et al., Scientific Reports, 4, 5000 (2014)Itaru Yanagi, et al., Scientific Reports, 4, 5000 (2014) Christopher E. Arcadia, et al., ACS NANO, 11, 4907-4915 (2017)Christopher E. Arcadia, et al., ACS NANO, 11, 4907-4915 (2017)

絶縁破壊現象を利用してメンブレンにナノポアを形成する場合、形成されるナノポアの大きさにはばらつきがあり、所望のナノポアの大きさとの乖離がしばしば生じる。そのため、ある検出対象物の測定を行う際に、その検出対象物の大きさに近いナノポアが形成される確率(歩留まり)は低い。 When nanopores are formed in a membrane using a dielectric breakdown phenomenon, the sizes of the formed nanopores vary and often deviate from the desired nanopore size. Therefore, when measuring a certain detection target, the probability (yield) of forming nanopores close to the size of the detection target is low.

そこで、本開示は、膜に所望の大きさの孔を歩留まり良く形成する技術を提供する。 Therefore, the present disclosure provides a technique for forming pores of a desired size in a film with high yield.

上記課題を解決するために、本開示の孔形成方法は、膜に孔を形成する方法であって、電解液中に設けられた前記膜を挟んで設置された第1の電極及び第2の電極間に第1の電流を印加することと、前記第1の電極及び前記第2の電極間に第1の電圧を印加し、そのときに前記第1の電極及び前記第2の電極間に流れる第2の電流を計測することと、前記第2の電流が所定の閾値以上であるか否かを判断することと、を含み、前記第1の電流は、前記閾値よりも大きく、前記第2の電流が前記閾値よりも小さい場合に、前記第1の電流の印加と、前記第1の電圧の印加及び前記第2の電流の計測と、を繰り返すことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the pore forming method of the present disclosure is a method of forming pores in a membrane, and includes a first electrode and a second electrode placed across the membrane provided in an electrolytic solution. applying a first current between the electrodes; and applying a first voltage between the first electrode and the second electrode; measuring a flowing second current; and determining whether the second current is greater than or equal to a predetermined threshold; the first current is greater than the threshold; When the second current is smaller than the threshold value, the application of the first current, the application of the first voltage, and the measurement of the second current are repeated.

本開示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、本開示の態様は、要素及び多様な要素の組み合わせ及び以降の詳細な記述と添付される特許請求の範囲の様態により達成され実現される。
本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味に於いても限定するものではない。
Further features related to the present disclosure will become apparent from the description herein and the accompanying drawings. Aspects of the present disclosure may also be realized and realized by means of the elements and combinations of various elements and aspects of the following detailed description and appended claims.
The descriptions in this specification are merely typical examples, and do not limit the scope of claims or application examples of the present disclosure in any way.

本開示の技術によれば、膜に所望の大きさの孔を歩留まり良く形成することができる。
上記以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
According to the technology of the present disclosure, holes of a desired size can be formed in a film with a high yield.
Problems, configurations, and effects other than those described above will be made clear by the following description of the embodiments.

従来例1に係るナノポア形成装置を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing a nanopore forming apparatus according to Conventional Example 1. FIG. 従来例1の他の構成を有するナノポア形成装置を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a nanopore forming device having another configuration of Conventional Example 1. 従来例1に係るナノポア形成方法を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining a nanopore forming method according to Conventional Example 1. 従来例2に係るナノポア形成方法を説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for explaining a nanopore forming method according to Conventional Example 2. 従来例3に係るナノポア形成装置を示す概略図である。3 is a schematic diagram showing a nanopore forming apparatus according to Conventional Example 3. FIG. 従来例3に係るナノポア形成方法を説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for explaining a nanopore forming method according to Conventional Example 3. 従来例3の課題を説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for explaining the problems of conventional example 3. 従来例3の変形例を説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for explaining a modification of conventional example 3. 第1の実施形態に係るナノポア形成方法のフローチャートである。3 is a flowchart of a nanopore forming method according to the first embodiment. 第1の実施形態に係るナノポア形成装置を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a nanopore forming device according to a first embodiment. 第1の実施形態に係るナノポア形成方法を実行するためのタイムチャートである。3 is a time chart for carrying out the nanopore formation method according to the first embodiment. 第1の実施形態の変形例に係るナノポア形成方法を実行するためのタイムチャートである。5 is a time chart for executing a nanopore forming method according to a modification of the first embodiment. 第1の実施形態の変形例に係るナノポア形成方法を実行するためのタイムチャートである。5 is a time chart for executing a nanopore forming method according to a modification of the first embodiment. 第2の実施形態に係るナノポア形成方法を実行するためのタイムチャートである。7 is a time chart for carrying out the nanopore formation method according to the second embodiment. 第2の実施形態の変形例に係るナノポア形成方法を実行するためのタイムチャートである。It is a time chart for carrying out the nanopore formation method based on the modification of 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係るナノポア形成方法のフローチャートである。It is a flow chart of a nanopore formation method concerning a 3rd embodiment. 第3の実施形態に係るナノポア形成方法を実行するためのタイムチャートである。7 is a time chart for carrying out a nanopore forming method according to a third embodiment. 第3の実施形態の変形例に係るナノポア形成方法を実行するためのタイムチャートである。7 is a time chart for executing a nanopore forming method according to a modification of the third embodiment. 第3の実施形態の変形例に係るナノポア形成方法を実行するためのタイムチャートである。7 is a time chart for executing a nanopore forming method according to a modification of the third embodiment. 第4の実施形態に係るナノポア形成方法のフローチャートである。It is a flow chart of a nanopore formation method concerning a 4th embodiment. 第4の実施形態に係るナノポア形成装置を示す概略図である。It is a schematic diagram showing a nanopore formation device concerning a 4th embodiment. 第4の実施形態に係るナノポア形成方法を実行するためのタイムチャートである。It is a time chart for carrying out the nanopore formation method concerning a 4th embodiment. 第4の実施形態の変形例に係るナノポア形成方法を実行するためのタイムチャートである。It is a time chart for carrying out the nanopore formation method concerning the modification of a 4th embodiment. 第4の実施形態の変形例に係るナノポア形成方法を実行するためのタイムチャートである。It is a time chart for carrying out the nanopore formation method concerning the modification of a 4th embodiment. 第5の実施形態に係るナノポア形成方法のフローチャートである。It is a flow chart of a nanopore formation method concerning a 5th embodiment. 第5の実施形態に係るナノポア形成方法を実行するためのタイムチャートである。7 is a time chart for carrying out a nanopore forming method according to a fifth embodiment. 第5の実施形態の変形例に係るナノポア形成方法を実行するためのタイムチャートである。It is a time chart for carrying out the nanopore formation method concerning the modification of a 5th embodiment. 第5の実施形態の変形例に係るナノポア形成方法を実行するためのタイムチャートである。It is a time chart for carrying out the nanopore formation method concerning the modification of a 5th embodiment. 第6の実施形態に係るパルス電流の形状の例を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an example of the shape of a pulse current according to a sixth embodiment. 第7の実施形態に係るナノポア形成装置を示す概略図である。It is a schematic diagram showing a nanopore formation device concerning a 7th embodiment.

以下、図面を参照して本開示の実施の形態を詳細に説明する。本開示の全図において、同一機能を有するものには同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は可能な限り省略するようにしている。実施の形態に記載するデバイスの構造及び材料は、本開示の思想を具現化するための一例であり、材料及び寸法などを厳密に特定するものではない。また、実施形態に記載される具体的な電圧値、電流値、並びに電流及び電圧の印加時間は、本開示の思想を具現化するための一例であり、それらを厳密に特定するものではない。 Embodiments of the present disclosure will be described in detail below with reference to the drawings. In all the figures of the present disclosure, parts having the same functions are given the same reference numerals, and repeated explanations thereof are omitted as much as possible. The structure and materials of the device described in the embodiments are examples for embodying the idea of the present disclosure, and the materials, dimensions, etc. are not strictly specified. Further, the specific voltage values, current values, and application times of current and voltage described in the embodiments are examples for embodying the idea of the present disclosure, and are not strictly specified.

本開示において、「孔形成(forming)方法」には、孔の開いていない膜に孔を作製する(create)方法と、既に膜に形成されている孔を所望の大きさまで拡大する(widen)若しくは調整する(adjust)方法と、のいずれの意味も含まれる。 In the present disclosure, the "pore forming method" includes a method of creating pores in a membrane with no pores, and a method of widening pores already formed in the membrane to a desired size. or a method of adjusting.

[従来例1]
まず、従来法における絶縁破壊を用いたナノポア形成方法(従来例1~3)について説明する。
[Conventional example 1]
First, conventional methods for forming nanopores using dielectric breakdown (Conventional Examples 1 to 3) will be described.

図1は、従来例1に係るナノポア形成方法を実現するためのナノポア形成装置1000を示す概略図である。ナノポア形成装置1000は、メンブレン101、電極104及び105、チャンバ110及び111、並びに制御回路2000を備える。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a nanopore forming apparatus 1000 for realizing a nanopore forming method according to Conventional Example 1. Nanopore forming device 1000 includes membrane 101, electrodes 104 and 105, chambers 110 and 111, and control circuit 2000.

チャンバ110及び111は、メンブレン101により隔てられる。メンブレン101としては、例えば厚み3~20nmのシリコン窒化膜(SiN膜)を用いることができる。チャンバ110には水溶液102が収容され、チャンバ111には水溶液103が収容される。水溶液102及び103としては、例えばKCl水溶液を用いることができる。チャンバ110には、溶液導入口106及び溶液出口107が設けられ、チャンバ111には、溶液導入口108及び溶液出口109が設けられている。チャンバ110中の水溶液102には電極104が接触し、チャンバ111中の水溶液103には電極105が接触している。電極104及び105は、制御回路2000に接続される。電極104及び105としては、例えばAg/AgCl電極を用いることができる。 Chambers 110 and 111 are separated by membrane 101. As the membrane 101, for example, a silicon nitride film (SiN film) with a thickness of 3 to 20 nm can be used. The chamber 110 houses an aqueous solution 102, and the chamber 111 houses an aqueous solution 103. As the aqueous solutions 102 and 103, for example, a KCl aqueous solution can be used. The chamber 110 is provided with a solution inlet 106 and a solution outlet 107, and the chamber 111 is provided with a solution inlet 108 and a solution outlet 109. An electrode 104 is in contact with the aqueous solution 102 in the chamber 110, and an electrode 105 is in contact with the aqueous solution 103 in the chamber 111. Electrodes 104 and 105 are connected to control circuit 2000. As the electrodes 104 and 105, for example, Ag/AgCl electrodes can be used.

制御回路2000は、電圧源2001及び電流計2002を有する。制御回路2000は、電圧源2001を駆動して、電極104及び105間に任意の電圧を印加する。また、制御回路2000は、電流計2002を用いて、電極104及び105間に流れる電流を計測し、計測した電流値を記憶装置(不図示)に記録する。さらに、制御回路2000は、計測した電流値の情報に基づいて、電極104及び105間への印加電圧を変化させることができる。 Control circuit 2000 includes a voltage source 2001 and an ammeter 2002. Control circuit 2000 drives voltage source 2001 to apply an arbitrary voltage between electrodes 104 and 105. Further, the control circuit 2000 measures the current flowing between the electrodes 104 and 105 using the ammeter 2002, and records the measured current value in a storage device (not shown). Further, the control circuit 2000 can change the voltage applied between the electrodes 104 and 105 based on information on the measured current value.

図2は、他の構成を有するナノポア形成装置1001を示す概略図である。ナノポア形成装置1001においては、メンブレン101が支持基板112により支持されている。また、シール材113がメンブレン101とチャンバ110との間に配置され、シール材114が支持基板112とチャンバ111との間に配置されている。その他の構成は図1のナノポア形成装置1000と同様である。支持基板112の材質としては、例えばシリコン(Si)を用いることができる。シール材113及び114は、例えばOリングであり、それぞれチャンバ110及び111内の水溶液の漏出を防止する。 FIG. 2 is a schematic diagram showing a nanopore forming device 1001 having another configuration. In the nanopore forming device 1001, the membrane 101 is supported by a support substrate 112. Further, a sealing material 113 is disposed between the membrane 101 and the chamber 110, and a sealing material 114 is disposed between the support substrate 112 and the chamber 111. The other configurations are the same as the nanopore forming apparatus 1000 in FIG. As the material of the support substrate 112, silicon (Si) can be used, for example. The sealing materials 113 and 114 are, for example, O-rings, and prevent leakage of the aqueous solution in the chambers 110 and 111, respectively.

一般に、ナノポア形成装置は、図2のナノポア形成装置1001のように支持基板112、並びにシール材113及び114を有している。以下、本明細書においては、図示の簡略化のため、支持基板112、並びにシール材113及び114を省略した図1のような簡易図を用いる。 Generally, a nanopore forming device has a support substrate 112 and sealants 113 and 114, like the nanopore forming device 1001 in FIG. Hereinafter, in this specification, a simplified diagram like FIG. 1 in which the support substrate 112 and the sealants 113 and 114 are omitted will be used for the sake of simplification of illustration.

図3は、従来例1に係るナノポア形成方法を説明するための図である。従来例1に係るナノポア形成方法を「定電圧印加方式」と称する。なお、この方式は非特許文献2にも開示されている。定電圧印加方式は、電極104及び105間に電圧V(電極間電圧)を印加した時に、電極104及び105間を流れる電流(電極間電流I)が約Ith(閾値電流)となるような大きさのナノポアを形成する方法である。 FIG. 3 is a diagram for explaining a nanopore forming method according to Conventional Example 1. The nanopore formation method according to Conventional Example 1 is referred to as a "constant voltage application method." Note that this method is also disclosed in Non-Patent Document 2. The constant voltage application method is such that when voltage V 1 (interelectrode voltage) is applied between electrodes 104 and 105, the current flowing between electrodes 104 and 105 (interelectrode current I) becomes approximately I th (threshold current). This is a method to form nanopores of a large size.

図3に示すように、定電圧印加方式では、制御回路2000を用いて、電極104及び105間に一定電圧Vを印加し(上図)、そのときに電極104及び105間を流れる電流を計測する(下図)。そして、制御回路2000は、計測された電極間電流IがIth以上となった場合に、電極104及び105間への電圧印加を停止する。電圧Vは、メンブレン101を絶縁破壊できる程度の高電圧である。 As shown in FIG. 3, in the constant voltage application method, a control circuit 2000 is used to apply a constant voltage V 1 between electrodes 104 and 105 (upper diagram), and at that time, the current flowing between electrodes 104 and 105 is controlled. Measure (see below). Then, the control circuit 2000 stops applying the voltage between the electrodes 104 and 105 when the measured interelectrode current I becomes equal to or greater than I th . The voltage V 1 is high enough to cause dielectric breakdown of the membrane 101 .

電極間電流Iの計測を完全に連続にすることはできないため、あるサンプリング間隔tsごとに電極間電流Iが記録される。その記録された電極間電流Iを図3の下図に黒点で示している。図3の下図に示されるように、計測された電極間電流Iは、ある時間を境に急激に上昇している。この時点は、メンブレン101が絶縁破壊し、微細ポアがメンブレン101に生成した時点である。その後も電圧Vがメンブレン101に印加され続け、電極間電流IがIth以上となった時点で、電圧Vの印加が停止される。これにより、電圧Vを印加した時に大きさが約Ithの電流が流れるようなナノポアを形成することができる。 Since it is not possible to measure the interelectrode current I completely continuously, the interelectrode current I is recorded at every sampling interval ts. The recorded interelectrode current I is shown in the lower part of FIG. 3 as a black dot. As shown in the lower diagram of FIG. 3, the measured interelectrode current I rapidly increases after a certain time. At this point, the membrane 101 undergoes dielectric breakdown and fine pores are generated in the membrane 101. Thereafter, the voltage V 1 continues to be applied to the membrane 101, and when the interelectrode current I reaches I th or more, the application of the voltage V 1 is stopped. Thereby, it is possible to form a nanopore through which a current having a size of about I th flows when a voltage V 1 is applied.

なお、先に述べた通り、電極間電流Iの計測は完全に連続には行えず、あるサンプリング間隔tsごとに計測されるので、あるサンプリング点での電極間電流IとIthとが完全に一致することはまずなく、実際は、計測(記録)された電極間電流IがIthを超えた時点で電圧の印加が停止されることとなる。また、制御回路2000が、計測された電極間電流IがIthを超えているかどうかを判断するのにもある時間を要する。そして、制御回路2000が、計測された電極間電流IがIthを超えていたと判断した場合に、電極104及び105間の電圧印加を停止するまでにもある時間がかかる。 As mentioned earlier, the interelectrode current I cannot be measured completely continuously, but is measured at a certain sampling interval ts, so the interelectrode current I and I th at a certain sampling point are completely It is unlikely that they will match, and in reality, the voltage application will be stopped when the measured (recorded) interelectrode current I exceeds I th . Furthermore, it takes a certain amount of time for the control circuit 2000 to determine whether the measured interelectrode current I exceeds I th . When the control circuit 2000 determines that the measured interelectrode current I exceeds I th , it takes a certain amount of time to stop applying the voltage between the electrodes 104 and 105.

つまり、定電圧印加方式では、電極間電流IがIthに到達した後も、ある程度の時間、電圧Vがメンブレン101に印加され続けることとなり、その間、ポアは広がり続ける。ポアはジュール熱(ポアを通過する電流×印加電圧)によって広がる。ポアが大きくなれば、電圧Vが印加されたときに流れる電流も大きくなり、ジュール熱も大きくなる。ジュール熱が大きくなればポアの大きさの広がるスピードはさらに速くなる。このように、定電圧印加方式では、電極間電流IがIthに到達した後も、電圧Vがある程度の時間メンブレン101に印加され続け、その間に加速度的にポアが広がる。したがって、実際に形成されるポアは、電圧Vの印加時に電流Ithが流れるような大きさのポアよりも大きくなる。 That is, in the constant voltage application method, even after the interelectrode current I reaches I th , the voltage V 1 continues to be applied to the membrane 101 for a certain period of time, and the pores continue to expand during that time. The pore expands due to Joule heat (current passing through the pore x applied voltage). The larger the pore, the larger the current flowing when voltage V1 is applied, and the larger the Joule heat. As the Joule heat increases, the speed at which the pore size expands becomes even faster. In this manner, in the constant voltage application method, even after the interelectrode current I reaches I th , the voltage V 1 continues to be applied to the membrane 101 for a certain period of time, during which time the pores expand at an accelerated rate. Therefore, the pore that is actually formed is larger than the pore that is large enough to allow current I th to flow when voltage V 1 is applied.

上述した通り、定電圧印加方式では、ポアが所望の大きさに達した後も、高いジュール熱が発生し続ける。このジュール熱によってポアが広がる程度は、メンブレンごとに異なる(同じ材料、同じ厚みのメンブレンを用いたとしても)。一気にポアが広がる場合もあれば、そうでない場合もある。したがって、形成されるポアの大きさにばらつきが生じ得る。 As described above, in the constant voltage application method, high Joule heat continues to be generated even after the pores reach a desired size. The degree to which the pores expand due to this Joule heat differs from membrane to membrane (even if membranes of the same material and thickness are used). Sometimes the pores expand all at once, and sometimes they don't. Therefore, variations may occur in the size of the pores formed.

また、メンブレン101を絶縁破壊できる程度の高電圧(V)を印加したときの電極間電流Iから、ナノポアの大きさを正確に算出することは困難である。この理由は以下の通りである。ナノポアが形成された後の電極間電流Iは、I=Inp+Inoiseと表すことができる。Inpは、ナノポアを通過する電流(ナノポア電流)である。水溶液102及び103のイオン濃度及びイオン移動度、メンブレン101の厚み及び材質、電極104及び105への印加電圧が分かっており、かつナノポア電流Inpが分かれば、ポアの大きさを推定することができる。一方、Inoiseは、ナノポア電流Inp以外のノイズとなる電流(ノイズ電流)であり、例えば、メンブレン101のうちポアが開いていない部分を伝導する電流であったり、メンブレン101の表面での化学反応又は電荷のやり取りに起因する電流であったりする。ノイズ電流Inoiseは、印加電圧が大きいほど大きくなる。また、ノイズ電流Inoiseは用いるメンブレン101ごとに異なる(同じ材料、同じ厚みのメンブレンを用いたとしても)。また、ノイズ電流Inoiseは、電圧印加の時間とともに変化する。定電圧印加方式では、メンブレン101を絶縁破壊できる程度の高電圧(V)を印加しているため、電極104及び105間を流れる電流は、ナノポア電流Inp以外のノイズ電流Inoiseの成分も大きい。したがって、ナノポア電流Inpだけを計測することはできないので、電極間電流Iから、正確なポアの大きさを推定することは困難である。また、ノイズ電流Inoiseはメンブレン101ごとに異なるため、複数のメンブレン101に対しそれぞれ電圧Vを印加した時に電流Ithが流れるようなポアを形成できたとしても、それらポアの大きさにはばらつきが生じ得る。 Further, it is difficult to accurately calculate the size of the nanopore from the interelectrode current I when a high voltage (V 1 ) high enough to cause dielectric breakdown of the membrane 101 is applied. The reason for this is as follows. The interelectrode current I after the nanopore is formed can be expressed as I=I np +I noise . I np is the current passing through the nanopore (nanopore current). If the ion concentration and ion mobility of the aqueous solutions 102 and 103, the thickness and material of the membrane 101, the voltage applied to the electrodes 104 and 105, and the nanopore current I np are known, the size of the pore can be estimated. can. On the other hand, I noise is a current that causes noise (noise current) other than the nanopore current I np . It may be an electric current resulting from a reaction or an exchange of charges. The noise current I noise increases as the applied voltage increases. Further, the noise current I noise differs depending on the membrane 101 used (even if membranes of the same material and thickness are used). Further, the noise current I noise changes with the time of voltage application. In the constant voltage application method, a high voltage (V 1 ) high enough to cause dielectric breakdown of the membrane 101 is applied, so the current flowing between the electrodes 104 and 105 includes components of the noise current I noise other than the nanopore current I np . big. Therefore, since it is not possible to measure only the nanopore current I np , it is difficult to estimate the exact size of the pore from the interelectrode current I. Furthermore, since the noise current I noise differs for each membrane 101, even if pores through which current I th flows when voltage V 1 is applied to each of multiple membranes 101 can be formed, the size of these pores will vary. Variations may occur.

[従来例2]
図4は、従来例2に係るナノポア形成方法を説明するための図である。従来例2に係るナノポア形成方法は、従来例1のナノポア形成装置1000と同様の装置を用いて実現できる。従来例2に係るナノポア形成方法を「パルス電圧印加方式」と称する。なお、この方式は非特許文献6にも開示されている。パルス電圧印加方式は、電極104及び105間に電圧Vを印加した時に、電極104及び105間を流れる電流(電極間電流I)が約Ith’(閾値電流)となるような大きさのナノポアを形成する方法である。
[Conventional example 2]
FIG. 4 is a diagram for explaining a nanopore forming method according to Conventional Example 2. The nanopore forming method according to Conventional Example 2 can be realized using an apparatus similar to the nanopore forming apparatus 1000 of Conventional Example 1. The nanopore formation method according to Conventional Example 2 is referred to as a "pulse voltage application method." Note that this method is also disclosed in Non-Patent Document 6. In the pulse voltage application method, when a voltage V 2 is applied between the electrodes 104 and 105, the current flowing between the electrodes 104 and 105 (interelectrode current I) is approximately I th ' (threshold current). This is a method for forming nanopores.

図4に示すように、パルス電圧印加方式では、制御回路2000を用いて、高電圧Vのパルス電圧の印加と、低電圧Vの印加時における電流計測とが繰り返される。制御回路2000は、低電圧Vの印加時に計測された電極間電流IがIth’以上となった場合、高電圧Vのパルス電圧の印加を停止する。 As shown in FIG. 4, in the pulse voltage application method, the control circuit 2000 is used to repeatedly apply a pulse voltage of high voltage V1 and measure current when applying low voltage V2 . The control circuit 2000 stops applying the pulse voltage of the high voltage V 1 when the interelectrode current I measured when the low voltage V 2 is applied becomes equal to or higher than I th ′.

パルス電圧印加方式は、定電圧印加方式と異なり、低電圧Vの印加時に電極間電流Iが約Ith’となるようなポアを形成する方法である。低電圧Vの値は、具体的には、電極間電流I=Inp+Inoiseのうち、ノイズ電流Inoiseがナノポア電流Inpに比べて十分小さくなるように設定される。したがって、メンブレン101にナノポアが形成された後、低電圧V印加時の電極間電流I(≒Inp)から、ほぼ正確にナノポアの大きさを算出することができる。したがって、従来例1の定電圧印加方式において生じ得る、ノイズ電流Inoiseのばらつきに起因したポアの大きさのばらつきは解決される。 The pulse voltage application method is different from the constant voltage application method in that a pore is formed such that the interelectrode current I becomes approximately I th ' when a low voltage V 2 is applied. Specifically, the value of the low voltage V2 is set such that the noise current Inoise is sufficiently smaller than the nanopore current Inp among the interelectrode current I= Inp + Inoise . Therefore, after the nanopores are formed in the membrane 101, the size of the nanopores can be almost accurately calculated from the interelectrode current I (≈I np ) when the low voltage V 2 is applied. Therefore, the variation in pore size caused by the variation in the noise current I noise , which may occur in the constant voltage application method of Conventional Example 1, is resolved.

しかしながら、実際に形成されるポアが、低電圧Vの印加時に大きさIth’の電流が流れるような大きさのポアよりも大きくなることがある。これは、高電圧Vのパルス電圧の印加中のどこかの時点(図4の例においては、4回目のパルス電圧の印加中のどこかの時点)で、ナノポアの大きさが、低電圧Vを印加した時に電極間電流IがIth’となるような大きさに到達するが、その後もそのパルス電圧の印加が終了するまでは、高電圧Vが電極104及び105間に印加され続けるためである。そしてその間、ジュール熱(ポアを通過する電流×印加電圧)によってポアは広がり続ける。ポアが大きくなれば、高電圧Vが印加されたときに流れる電流も大きくなり、ジュール熱も大きくなる。ジュール熱が大きくなればポアの広がるスピードはさらに速くなる。このように、パルス電圧印加方式では、ポアが所望の大きさに達した後も、パルス終了まで高電圧Vがメンブレン101に印加され続け、その間に加速度的にポアが広がる。 However, the pore that is actually formed may be larger than the pore that allows a current of magnitude I th ' to flow when the low voltage V 2 is applied. This means that at some point during the application of the high voltage pulse voltage V1 (in the example of FIG. 4, at some point during the application of the fourth pulse voltage), the size of the nanopore changes to the lower voltage. When V 2 is applied, the interelectrode current I reaches a magnitude of I th ', but even after that, the high voltage V 1 is applied between the electrodes 104 and 105 until the application of the pulse voltage is finished. This is so that it continues to be used. During that time, the pore continues to expand due to Joule heat (current passing through the pore x applied voltage). The larger the pore, the larger the current flowing when the high voltage V1 is applied, and the larger the Joule heat. As the Joule heat increases, the pore expands even faster. In this way, in the pulsed voltage application method, even after the pores reach a desired size, the high voltage V1 continues to be applied to the membrane 101 until the end of the pulse, during which time the pores expand at an accelerated rate.

上述した通り、パルス電圧印加方式では、ポアが所望の大きさに達した後も、高いジュール熱が発生し続ける。この高いジュール熱によってポアが広がる程度は、メンブレンごとに毎回異なる(同じ材料、同じ厚みのメンブレンを使ったとしても)。一気にポアが広がる場合もあれば、そうでない場合もある。したがって、形成されるポアの大きさにばらつきが生じ得る。 As described above, in the pulse voltage application method, high Joule heat continues to be generated even after the pores reach a desired size. The degree to which the pores expand due to this high Joule heat differs from membrane to membrane each time (even when using the same material and membrane thickness). Sometimes the pores expand all at once, and sometimes they don't. Therefore, variations may occur in the size of the pores formed.

パルス電圧印加方式の場合、あるパルス印加中のどこかの時点(図4の例においては、3回目のパルス電圧の印加中のどこかの時点)でメンブレン101に微細ポアが生成する。その後、低電圧Vの印加時の電極間電流Iが、一つ前の計測値より明確に大きくなる(左から4つ目のプロット)。ここで、メンブレン101に微細ポアが生成した後、そのパルスが終了するまでは高電圧Vが印加され続けていて、その間、生成したポアはジュール熱(ポアを通過する電流×印加電圧)によって広がり続ける。ポアが大きくなれば、高電圧Vが印加されたときに流れる電流も大きくなり、ジュール熱も大きくなる。ジュール熱が大きくなればポアの広がるスピードはさらに速くなる。このように、メンブレンに微細ポアが生成してから、その時に印加されているパルス電圧が終了するまでの間に、そのポアの大きさは加速度的に広がる。その結果、メンブレンに微細ポアを生成させたパルス電圧の印加が終了した時点で、すでに所望の大きさ(低電圧Vの印加時に電流Ithが流れるような大きさのナノポア)よりもかなり大きなポアとなる可能性もある。 In the case of the pulse voltage application method, fine pores are generated in the membrane 101 at some point during the application of a certain pulse (in the example of FIG. 4, at some point during the application of the third pulse voltage). After that, the interelectrode current I when the low voltage V 2 is applied becomes clearly larger than the previous measurement value (fourth plot from the left). Here, after the fine pores are generated in the membrane 101, the high voltage V1 continues to be applied until the pulse ends, and during that time, the generated pores are heated by Joule heat (current passing through the pores x applied voltage). Continue to expand. The larger the pore, the larger the current flowing when the high voltage V1 is applied, and the larger the Joule heat. As the Joule heat increases, the pore expands even faster. In this way, the size of the pores increases at an accelerating rate after the minute pores are generated in the membrane until the pulse voltage that is being applied at that time ends. As a result, at the end of the application of the pulsed voltage that generated the micropores in the membrane, the nanopores are already much larger than the desired size (i.e., nanopores of such a size that current I th flows when a low voltage V 2 is applied). There is also a possibility that it becomes a pore.

[従来例3]
図5は、従来例3に係るナノポア形成方法を実現するためのナノポア形成装置1002を示す概略図である。従来例3に係るナノポア形成方法を「定電流印加方式」と称する。なお、この方式は非特許文献7にも開示されている。
[Conventional example 3]
FIG. 5 is a schematic diagram showing a nanopore forming apparatus 1002 for realizing the nanopore forming method according to Conventional Example 3. The nanopore formation method according to Conventional Example 3 is referred to as a "constant current application method." Note that this method is also disclosed in Non-Patent Document 7.

従来例3に係るナノポア形成装置1002は、従来例1及び2のナノポア形成装置1000とほぼ同様であるが、制御回路3000の機能が制御回路2000と異なっている。 Nanopore forming device 1002 according to Conventional Example 3 is almost the same as nanopore forming device 1000 of Conventional Examples 1 and 2, but the function of control circuit 3000 is different from control circuit 2000.

制御回路3000は、電流源3001及び電圧計3002を有する。制御回路3000は、電流源3001の駆動により、電極104及び105間に任意の電流を印加する(流す)。また、制御回路3000は、電圧計3002により、電極104及び105間の電圧を計測し、計測した電圧値を記憶装置(不図示)に記録する。さらに、制御回路3000は、計測された電圧値の情報に基づいて印加電流を変化させることができる。 Control circuit 3000 includes a current source 3001 and a voltmeter 3002. The control circuit 3000 applies (flows) an arbitrary current between the electrodes 104 and 105 by driving the current source 3001. Further, the control circuit 3000 measures the voltage between the electrodes 104 and 105 using the voltmeter 3002, and records the measured voltage value in a storage device (not shown). Further, the control circuit 3000 can change the applied current based on information on the measured voltage value.

図6は、従来例3に係るナノポア形成方法を説明するための図である。定電流印加方式は、電極104及び105間への電流Iの印加時に、電極間の電圧が約Vth(閾値電圧)となるような大きさのナノポアを形成する方法である。 FIG. 6 is a diagram for explaining a nanopore forming method according to Conventional Example 3. The constant current application method is a method of forming a nanopore of such a size that the voltage between the electrodes becomes approximately V th (threshold voltage) when a current I 1 is applied between the electrodes 104 and 105.

図6に示すように、定電流印加方式では、制御回路3000を用いて、電極104及び105間に一定の電流Iが流れるように電流を印加し、メンブレン101にポアが形成された後、電極間電圧が所定の電圧Vth以下となった時点で、電流印加を停止する。 As shown in FIG. 6, in the constant current application method, a control circuit 3000 is used to apply a current so that a constant current I1 flows between electrodes 104 and 105, and after pores are formed in membrane 101, When the inter-electrode voltage becomes equal to or less than a predetermined voltage V th , current application is stopped.

定電流印加方式の現象を詳細に説明すると、以下の通りである。すなわち、ポアが形成されるまでは、電極104及び105間に一定の電流Iを流すことでメンブレン101に電荷が充電され、その結果、Q=CVの関係式に従って、電極間電圧も大きくなっていく。つまり、メンブレン101がキャパシタとなっている。そして、ある時点でポアが形成された後は、ポアを通じて電流が流れるようになるので、一定の電流Iを流すために必要な電極間電圧は急激に下がる。その後、形成されたポアが広がるにつれて電極間電圧は低下し、電極間電圧がVth以下となった時点で、電極間への電流の印加が停止される。 A detailed explanation of the phenomenon of the constant current application method is as follows. That is, until a pore is formed, the membrane 101 is charged with electric charge by flowing a constant current I1 between the electrodes 104 and 105, and as a result, the voltage between the electrodes increases according to the relational expression Q=CV. To go. In other words, membrane 101 serves as a capacitor. Then, after the pores are formed at a certain point, current begins to flow through the pores, so the inter-electrode voltage required to flow a constant current I1 drops rapidly. Thereafter, as the formed pores expand, the voltage between the electrodes decreases, and when the voltage between the electrodes becomes V th or less, the application of current between the electrodes is stopped.

定電流印加方式では、ポアが形成された直後から電極間電圧が自動的に下がる。そのため、電極間へ印加される電流Iが一定であるので、ジュール熱(ポアを通過する電流×印加電圧)は、ポアが形成された直後から下がる。そして、ポアが広がれば広がるほど、ジュール熱は下がる。したがって、ポアが形成された後に、ポアの急速な拡大は起こりにくい。一方、定電圧印加方式及びパルス電圧印加方式では、ポアが拡大する過程でジュール熱も増え続けるため、ポアの拡大速度は速い。したがって、定電流印加方式では、定電圧印加方式及びパルス電圧印加方式と比べ、所望の大きさのポア(電極間に印加される電流がIの時に電極間電圧がVthとなるような大きさのポア)により近いポアを形成することができる。また、定電流印加方式では、ポアの急速な拡大は起こりにくいため、ポアが、一気に所望の大きさを超えて大きくなってしまうことはない。そのため、形成されるポアの大きさのばらつきが小さくなる。 In the constant current application method, the voltage between the electrodes is automatically lowered immediately after the pores are formed. Therefore, since the current I1 applied between the electrodes is constant, Joule heat (current passing through the pore x applied voltage) decreases immediately after the pore is formed. And the more the pores expand, the lower the Joule heat. Therefore, rapid expansion of the pore is unlikely to occur after it is formed. On the other hand, in the constant voltage application method and the pulsed voltage application method, Joule heat continues to increase during the pore expansion process, so the pore expansion speed is fast. Therefore, in the constant current application method, compared to the constant voltage application method and the pulsed voltage application method, it is possible to create a pore of a desired size (such that the voltage between the electrodes becomes V th when the current applied between the electrodes is I 1 ). The pores can be formed closer to each other. Furthermore, in the constant current application method, rapid expansion of the pores is unlikely to occur, so the pores do not suddenly become larger than a desired size. Therefore, variations in the size of the pores formed are reduced.

しかしながら、本発明者らは、定電流印加方式の課題を発見した。図7は、定電流印加方式の課題を説明するための図である。電極104及び105間に一定の電流Iを流し、メンブレン101にポアが生成した後、電極間電圧がVth以下となったら電極間の電流Iの印加を停止することで、所望の大きさのポア(電極間に印加される電流がIの時に電極間電圧がVthとなるような大きさのポア)を形成する場合を想定する。この場合、図7に示す通り、長時間経過しても電極間電圧がVthに到達しない場合や、電極間電圧がVthに到達するまでに長い時間がかかる場合があることが分かった。この現象の起こりやすさは、VthとIの設定の仕方や、メンブレン101の材質及び厚みによって異なるが、Vthを低く設定した場合に起こりやすいことが分かった。長時間経過しても電極間電圧がVthに到達しないということは、ポアが所望の大きさまで広がらないということである。これはなぜかというと、先に述べた通り、定電流印加方式では、ポアが生成した後からジュール熱は減少し、また、ポアが拡大すればするほどジュール熱は減少するためである。そのため、ある程度ポアが拡大すると、ポアを拡大するのに十分なジュール熱が得られなくなってくる。そして、ポアの拡大がほぼ停止してしまう。 However, the present inventors discovered a problem with the constant current application method. FIG. 7 is a diagram for explaining the problems of the constant current application method. A constant current I1 is applied between the electrodes 104 and 105, and after pores are generated in the membrane 101, the application of the current I1 between the electrodes is stopped when the interelectrode voltage becomes Vth or less, thereby obtaining the desired magnitude. Assume that a large pore (a pore of such a size that the voltage between the electrodes becomes V th when the current applied between the electrodes is I 1 ) is formed. In this case, as shown in FIG. 7, it was found that the inter-electrode voltage may not reach V th even after a long period of time, or it may take a long time for the inter-electrode voltage to reach V th . The likelihood of this phenomenon occurring varies depending on how V th and I 1 are set and the material and thickness of the membrane 101, but it has been found that it is more likely to occur when V th is set low. If the interelectrode voltage does not reach V th even after a long period of time, it means that the pores do not expand to the desired size. The reason for this is that, as mentioned above, in the constant current application method, Joule heat decreases after pores are generated, and the more the pores expand, the more Joule heat decreases. Therefore, once the pores expand to a certain extent, it becomes impossible to obtain enough Joule heat to expand the pores. Then, pore expansion almost stops.

図8は、定電流印加方式の変形例を説明するための図である。上記の定電流印加方式の課題の解決策として、図8に示すように、電極間に印加する電流と電極間電圧の閾値とを十分に大きくするという方法が考えられる。つまり、電極間電流がIの時に電極間電圧がVthとなるような大きさのポアを形成する場合、例えば、電極間電流を10×Iとし、電極間電圧の閾値を10×Vthと設定する。これにより、ポアが形成された後のジュール熱は、電極間に印加する電流をIとし電極間電圧の閾値をVthと設定した場合にポアが形成された後のジュール熱よりも大きくなる。なお、ポアが形成されるときの電極間電圧の大きさは、電極間に印加する定電流の大きさにあまり依存しないので、ポアが広がりやすくなる。また、電極間電圧の閾値を大きくすることにより、その閾値に電極間電圧が長時間経っても到達しないケースは減少する。 FIG. 8 is a diagram for explaining a modification of the constant current application method. As a solution to the problem of the constant current application method described above, a method can be considered in which the current applied between the electrodes and the threshold value of the interelectrode voltage are made sufficiently large, as shown in FIG. In other words, when forming a pore of such a size that the interelectrode voltage is V th when the interelectrode current is I 1 , for example, the interelectrode current is 10 × I 1 and the interelectrode voltage threshold is 10 × V Set as th . As a result, the Joule heat after the pore is formed is larger than the Joule heat after the pore is formed when the current applied between the electrodes is set to I1 and the threshold value of the interelectrode voltage is set to Vth . . Note that the magnitude of the voltage between the electrodes when the pores are formed does not depend much on the magnitude of the constant current applied between the electrodes, so the pores tend to expand. Furthermore, by increasing the threshold value of the interelectrode voltage, the number of cases in which the interelectrode voltage does not reach the threshold value even after a long period of time is reduced.

しかしながら、この定電流印加方式の変形例では、出来上がるポアの大きさにばらつきが生じ得る。先に述べた通り、電極間電流はI=Inp+Inoiseと表すことができる。電極間の電圧が小さい場合は、ノイズ電流Inoiseがナノポア電流Inpよりも十分に小さくなる。しかしながら、電極間の電圧が大きくなると、ノイズ電流Inoiseの値が大きくなる。そのため、電極間電流がIの時に電極間電圧がVthとなるような大きさのポアと、電極間電流が10×Iの時に電極間電圧が10×Vthとなるような大きさのポアとでは、大きさが異なる。したがって、電極間電流を10×Iとし、電極間電圧の閾値を10×Vthと設定してポアを形成しても、所望の大きさのポア(電極間電流がIの時に電極間電圧がVthとなるような大きさのポア)とは異なるポアが形成される。また、ノイズ電流Inoiseはメンブレン101ごと、時間ごとに変化するので、電極間電流と電極間電圧の閾値(Vth)を大きくしてポアを形成した場合、出来上がるポアの大きさのばらつきが大きくなる。 However, in this modified example of the constant current application method, variations may occur in the sizes of the resulting pores. As mentioned above, the interelectrode current can be expressed as I=I np +I noise . When the voltage between the electrodes is small, the noise current I noise is sufficiently smaller than the nanopore current I np . However, as the voltage between the electrodes increases, the value of the noise current I noise increases. Therefore, a pore of such size that the inter-electrode voltage is V th when the inter-electrode current is I 1 , and a pore of such size that the inter-electrode voltage is 10 × V th when the inter-electrode current is 10 × I 1 . The pores differ in size. Therefore, even if a pore is formed by setting the interelectrode current to 10 × I 1 and the interelectrode voltage threshold to 10 × V th , the pore of the desired size (when the interelectrode current is I 1 A different pore size is formed such that the voltage is V th . In addition, since the noise current I noise changes from time to time for each membrane 101, when pores are formed by increasing the threshold value (V th ) of the interelectrode current and the interelectrode voltage, there is a large variation in the size of the resulting pores. Become.

[第1の実施形態]
<ナノポア形成方法>
図9は、第1の実施形態に係るナノポア形成方法のフローチャートである。第1の実施形態に係るナノポア形成方法は、電極間電流がIの時に、電極間電圧が約Vthとなるような大きさのナノポアを形成する方法である。以下において、各ステップの動作の主体をオペレータとして説明するが、各ステップは、制御コンピュータが制御回路の各素子を駆動することにより実行することもできる。
[First embodiment]
<Nanopore formation method>
FIG. 9 is a flowchart of the nanopore formation method according to the first embodiment. The nanopore forming method according to the first embodiment is a method of forming a nanopore having a size such that the inter-electrode voltage is about V th when the inter-electrode current is I 1 . In the following, each step will be explained assuming that the operator is the main person responsible for the operation, but each step can also be executed by the control computer driving each element of the control circuit.

(ステップS1)
オペレータは、電流源を駆動させ、メンブレンを挟んで設けられた電極間に、電流Iよりも大きく、パルス幅(時間幅)がtのパルス電流Iを印加する(流す)。パルス幅tは、例えば1μs以上10s以下、又は1ms以上1s以下に設定することができる。
(Step S1)
The operator drives the current source and applies (flows) a pulse current I 2 that is larger than the current I 1 and has a pulse width (time width) of t n between the electrodes provided with the membrane in between. The pulse width t n can be set, for example, to 1 μs or more and 10 s or less, or 1 ms or more and 1 s or less.

(ステップS2)
オペレータは、電圧源を駆動させ、メンブレンを挟んで設けられた電極間に電圧Vthを印加して、電流計により、その時の電極間電流Iを計測する。電圧Vthは、ノイズ電流Inoiseがナノポア電流Inpよりも十分に小さくなるような値に設定することができる。これにより、電圧Vthの印加時の電極間電流I(≒Inp)から、ほぼ正確にナノポアの大きさを算出することができる。したがって、ノイズ電流Inoiseのばらつきに起因するポアの大きさのばらつきを低減することができる。
(Step S2)
The operator drives the voltage source, applies a voltage V th between the electrodes provided across the membrane, and measures the current I between the electrodes using an ammeter. The voltage V th can be set to a value such that the noise current I noise is sufficiently smaller than the nanopore current I np . Thereby, the size of the nanopore can be almost accurately calculated from the interelectrode current I (≈I np ) when the voltage V th is applied. Therefore, variations in pore size caused by variations in the noise current I noise can be reduced.

具体的には、電圧Vthは、1mV以上1V以下の範囲に設定することができる。あるいは、電圧Vthは、1mV以上であり、電圧Vthを電極間に印加した時にメンブレンに掛かる電界が0.3V/nm以下となるように設定することができる。あるいは、電圧Vthは、ポアが形成されていない状態のメンブレンに電圧を印加した時に、メンブレンを流れる電流が1nA以下となるような電圧に設定することができる。あるいは、電圧Vthは、ポアが形成されていない状態のメンブレンに電圧を印加した時に、メンブレンを流れる電流がIの1/5以下となるような電圧に設定することができる。 Specifically, the voltage V th can be set in a range of 1 mV or more and 1V or less. Alternatively, the voltage V th can be set to be 1 mV or more and so that the electric field applied to the membrane when the voltage V th is applied between the electrodes is 0.3 V/nm or less. Alternatively, the voltage V th can be set to a voltage such that when a voltage is applied to the membrane in a state where no pores are formed, the current flowing through the membrane becomes 1 nA or less. Alternatively, the voltage V th can be set to a voltage such that when a voltage is applied to the membrane in a state where no pores are formed, the current flowing through the membrane is 1/5 or less of I 1 .

(ステップS3)
オペレータは、計測された電極間電流Iが電流I(閾値)以上であるかを判断する。電極間電流Iが電流Iよりも小さい場合(No)、処理はステップS4に移行する。電極間電流Iが電流I以上となった場合(Yes)、オペレータは、所望の大きさのポアが形成されたと判断して、処理を終了する。
(Step S3)
The operator determines whether the measured interelectrode current I is greater than or equal to the current I 1 (threshold). If the interelectrode current I is smaller than the current I1 (No), the process moves to step S4. If the interelectrode current I becomes equal to or greater than the current I1 (Yes), the operator determines that a pore of a desired size has been formed, and ends the process.

(ステップS4)
オペレータは、パルス電流Iの印加回数をn=n+1として、ステップS1に戻る。本実施形態においては、n回目のパルス電流Iのパルス幅をtとし、n+1回目のパルス電流Iのパルス幅をtn+1とした時、t=tn+1とすることができる。
(Step S4)
The operator sets the number of times of application of the pulse current I2 to n=n+1 and returns to step S1. In this embodiment, when the pulse width of the n-th pulse current I 2 is t n and the pulse width of the n+1-th pulse current I 2 is t n+1 , t n =t n+1 .

以上のように、第1の実施形態に係るナノポア形成方法は、水溶液(電解液)中に設けられたメンブレン(膜)を挟んで設置された電極間にパルス電流I(第1の電流)を印加することと、電極間に電圧Vth(第1の電圧)を印加して、電極間電流I(第2の電流)を計測することと、電極間電流Iが電流I(所定の閾値)以上となったか否かを判断することとを含み、パルス電流Iは電流Iよりも大きく設定されており、電極間電流Iが電流Iよりも小さい場合に、パルス電流Iの印加と、電圧Vthの印加及び電極間電流Iの計測と、が繰り返される。また、電極間電流Iが電流I以上となった場合に、所望の大きさのポア(電極間電流がI(閾値)の時に、電極間電圧が約Vthとなるような大きさのポア)が形成されたと判断できる。これにより、所望の大きさのポアを歩留まりよく形成することができる。本明細書において、本実施形態に係るナノポア形成方法の方式を「パルス電流印加方式」という場合がある。 As described above, the nanopore formation method according to the first embodiment uses a pulsed current I 2 (first current) between electrodes placed across a membrane provided in an aqueous solution (electrolyte). applying a voltage V th (first voltage) between the electrodes and measuring the inter-electrode current I ( second current); The pulse current I2 is set larger than the current I1, and when the interelectrode current I is smaller than the current I1 , the pulse current I2 is set to be larger than the current I1 . The application of the voltage V th and the measurement of the interelectrode current I are repeated. In addition, when the interelectrode current I becomes the current I 1 or more, a pore of a desired size (a pore of a size such that the interelectrode voltage becomes approximately V th when the interelectrode current is I 1 (threshold value)) It can be determined that pores) have been formed. Thereby, pores of a desired size can be formed with a high yield. In this specification, the method of forming nanopores according to this embodiment is sometimes referred to as a "pulse current application method."

<ナノポア形成装置>
図10は、第1の実施形態に係るナノポア形成方法を実現するためのナノポア形成装置100を示す概略図である。ナノポア形成装置100は、メンブレン101、電極104及び105(第1の電極及び第2の電極)、チャンバ110及び111(第1の液槽及び第2の液槽)、並びに制御回路200を備える。
<Nanopore formation device>
FIG. 10 is a schematic diagram showing a nanopore forming apparatus 100 for realizing the nanopore forming method according to the first embodiment. The nanopore forming device 100 includes a membrane 101, electrodes 104 and 105 (first electrode and second electrode), chambers 110 and 111 (first liquid tank and second liquid tank), and a control circuit 200.

チャンバ110及び111は、メンブレン101により隔てられる。メンブレン101としては、例えば厚み3~20nmのシリコン窒化膜(SiN膜)を用いることができる。チャンバ110には水溶液102が収容され、チャンバ111には水溶液103が収容される。水溶液102及び103としては、例えばKCl水溶液を用いることができる。チャンバ110には、溶液導入口106及び溶液出口107が設けられ、チャンバ111には、溶液導入口108及び溶液出口109が設けられている。チャンバ110中の水溶液102には電極104が接触し、チャンバ111中の水溶液103には電極105が接触している。電極104及び105は、制御回路200に接続される。電極104及び105としては、例えばAg/AgCl電極を用いることができる。 Chambers 110 and 111 are separated by membrane 101. As the membrane 101, for example, a silicon nitride film (SiN film) with a thickness of 3 to 20 nm can be used. The chamber 110 houses an aqueous solution 102, and the chamber 111 houses an aqueous solution 103. As the aqueous solutions 102 and 103, for example, a KCl aqueous solution can be used. The chamber 110 is provided with a solution inlet 106 and a solution outlet 107, and the chamber 111 is provided with a solution inlet 108 and a solution outlet 109. An electrode 104 is in contact with the aqueous solution 102 in the chamber 110, and an electrode 105 is in contact with the aqueous solution 103 in the chamber 111. Electrodes 104 and 105 are connected to control circuit 200. As the electrodes 104 and 105, for example, Ag/AgCl electrodes can be used.

制御回路200は、電流源201、可変電圧202、電流計203及びスイッチ204を備える。スイッチ204を接点Aに接続することにより、電極104及び105は、電流源201のある回路(第1の回路)に接続される。スイッチ204を接点Bに接続することにより、電極104及び105は、可変電圧202及び電流計203がある回路(第2の回路)に接続される。 The control circuit 200 includes a current source 201, a variable voltage 202, an ammeter 203, and a switch 204. By connecting switch 204 to contact A, electrodes 104 and 105 are connected to a circuit with current source 201 (first circuit). By connecting switch 204 to contact B, electrodes 104 and 105 are connected to a circuit (second circuit) with variable voltage 202 and ammeter 203.

図11は、第1の実施形態に係るナノポア形成方法をナノポア形成装置100により実行するためのタイムチャートである。図11に示すように、まず、スイッチ204を接点Aに接続した後、電流源201の駆動により、電流Iよりも大きいIのパルス電流を電極104及び105間に印加する。パルス電流のパルス幅はtである。パルス電流は、電極104及び105間に印加されている間、大きさがIで一定であり、矩形波である。本明細書では、このようなパルス電流を「定電流パルス」という。 FIG. 11 is a time chart for executing the nanopore forming method according to the first embodiment using the nanopore forming apparatus 100. As shown in FIG. 11, first, after connecting the switch 204 to the contact A, the current source 201 is driven to apply a pulse current of I2 , which is larger than the current I1 , between the electrodes 104 and 105. The pulse width of the pulse current is t n . The pulsed current is constant in magnitude I2 and is a square wave while being applied between electrodes 104 and 105. In this specification, such a pulsed current is referred to as a "constant current pulse."

パルス電流の印加終了後、スイッチ204を接点Aから接点Bに切り替える。そして、可変電圧202の駆動により、電極104及び105間に電圧Vthを印加して、その時の電極間電流Iを電流計203により計測する。電極間電流Iが電流I以上となっていなければ、スイッチ204を接点Bから接点Aに切り替え、その後、電流Iよりも大きいIのパルス電流を電極104及び105間に印加する。その時のパルス幅はtn+1であり、t=tn+1である。以上の手順を、電極104及び105間に電圧Vthを印加した時の電極間電流Iが電流I以上になるまで繰り返し、電極104及び105間に電圧Vthを印加した時の電極間電流IがI以上になった時点で処理は終了する。 After the application of the pulse current is finished, the switch 204 is switched from contact A to contact B. Then, by driving the variable voltage 202, a voltage V th is applied between the electrodes 104 and 105, and the current I between the electrodes at that time is measured by the ammeter 203. If the interelectrode current I is not greater than the current I1, the switch 204 is switched from the contact B to the contact A, and then a pulse current I2 larger than the current I1 is applied between the electrodes 104 and 105. The pulse width at that time is t n+1 , and t n =t n+1 . The above procedure is repeated until the interelectrode current I when the voltage V th is applied between the electrodes 104 and 105 becomes the current I 1 or more, and the interelectrode current when the voltage V th is applied between the electrodes 104 and 105 is The process ends when I becomes I1 or more .

図11に示す例においては、パルス電流の立ち上がるタイミングは、スイッチ204を接点Bから接点Aに切り替えた後に一定時間が経過した後であるが、パルス電流の立ち上がるタイミングと、スイッチ204を接点Bから接点Aに切り替えるタイミングとは、同時であってもよい。同様に、図11に示す例においては、スイッチ204を接点Aから接点Bに切り替えるタイミングは、パルス電流が立ち下がってから一定時間が経過した後であるが、スイッチ204を接点Aから接点Bに切り替えるタイミングと、パルス電流の立ち下がるタイミングとは、同時であってもよい。 In the example shown in FIG. 11, the timing at which the pulse current rises is after a certain period of time has elapsed after switching the switch 204 from contact B to contact A. The timing of switching to contact A may be simultaneous. Similarly, in the example shown in FIG. 11, the timing for switching the switch 204 from contact A to contact B is after a certain period of time has passed after the pulse current falls, but the switch 204 is switched from contact A to contact B. The switching timing and the falling timing of the pulse current may be the same.

スイッチ204を接点Aから接点Bに切り替えた後、電極104及び105間の電圧を一旦0Vに設定することで、パルス電流の印加によって電極104及び105間に生じた電位差を解消することができる。これにより、その後、電極104及び105間に電圧Vthを印加してその時の電極間電流Iを計測する時に、より正確に電極間電流Iを計測できる。 After switching the switch 204 from contact A to contact B, the voltage between electrodes 104 and 105 is temporarily set to 0V, thereby eliminating the potential difference generated between electrodes 104 and 105 due to the application of the pulse current. Thereby, when applying the voltage V th between the electrodes 104 and 105 and measuring the inter-electrode current I at that time, the inter-electrode current I can be measured more accurately.

定電流印加方式(従来例3)では、電極間電流がIの時に電極間電圧が約Vthとなるような大きさのナノポアを形成するときに、大きさIの定電流を電極間に印加していた。一方、パルス電流印加方式では、電極間電流がIの時に電極間電圧が約Vthとなるような大きさのナノポアを形成するときに、電流Iよりも大きいIの定電流パルスを印加している。そのため、ポアを通過する電流のジュール熱は、I×V=I×I×R(Rはナノポアの抵抗)となり、定電流印加方式のジュール熱I×V=I×I×R(Rはナノポアの抵抗)よりも大きくなる。したがって、パルス電流印加方式ではポアが広がりやすく、ポア形成後に所望の大きさまでポアが広がらない可能性や、所望のポアの大きさに到達するまでに長い時間がかかる可能性を低減できる。 In the constant current application method (Conventional Example 3), when forming a nanopore of a size such that the interelectrode voltage is approximately V th when the interelectrode current is I 1 , a constant current of magnitude I 1 is applied between the electrodes. was applied. On the other hand, in the pulsed current application method, when forming a nanopore of a size such that the interelectrode voltage is approximately V th when the interelectrode current is I 1 , a constant current pulse of I 2 larger than the current I 1 is applied. is being applied. Therefore, the Joule heat of the current passing through the pore is I 2 ×V = I 2 ×I 2 ×R (R is the resistance of the nanopore), and the Joule heat of the constant current application method is I 1 ×V = I 1 ×I 1 ×R (R is the resistance of the nanopore). Therefore, in the pulsed current application method, the pores tend to expand, and it is possible to reduce the possibility that the pores will not expand to the desired size after pore formation, or that it will take a long time to reach the desired pore size.

本発明者らが鋭意検討した結果、パルス電流IをI×1.5≦Iを満たすように設定することで、ポア形成後に所望の大きさまでポアが広がらない可能性や、所望のポアの大きさに到達するまでに非常に時間がかかる可能性を極めて少なくできることが分かった。また、パルス電流IをI×2≦Iを満たすように設定することで、それらの可能性をさらに低減できることが分かった。さらに、0.3V/nm<パルス電流I×パルス幅t÷電極間容量(C)÷メンブレンの厚み(nm)<2V/nmを満たすことによっても、それらの可能性をさらに低減できることが分かった。 As a result of intensive study by the present inventors, by setting the pulse current I 2 to satisfy I 1 ×1.5≦I 2 , there is a possibility that the pores will not expand to the desired size after pore formation, or that the desired size will be reduced. It has been found that the possibility of it taking a very long time to reach the pore size can be greatly reduced. Furthermore, it has been found that these possibilities can be further reduced by setting the pulse current I 2 to satisfy I 1 ×2≦I 2 . Furthermore, these possibilities can be further reduced by satisfying 0.3V/nm < pulse current I 2 × pulse width t n ÷ interelectrode capacitance (C) ÷ membrane thickness (nm) < 2V/nm. Do you get it.

さらに、本実施形態では、定電流パルスを用いているため、あるパルス電流の印加中にポアが開いた直後から、電極間電圧は下がり続ける。図11の例においては、5回目のパルス電流の印加中にポアが形成され、ポアが形成した直後から電極間電圧は下がり続ける。そのため、ポアが形成された直後から、その時に印加されていたパルス電流(5回目のパルス電流)が終了するまで、ジュール熱は下がり続ける。また、当然ながら、その後のパルス電流の印加によってポアを所望の大きさにまで拡大する工程においても、ポアが広がるにつれてジュール熱は下がる。そのため、あるパルス電流が印加された後に急速にポアが拡大して所望の大きさより遥かに大きなポアが形成される可能性が低い。つまり、本実施形態の方法では、あるパルス電流が印加された後に、ポアの急速な拡大は起こりにくいため、ポアが所望の大きさを大幅に超えて大きくなることはない。したがって、形成されるポアの大きさのばらつきが小さくなる。 Furthermore, in this embodiment, since a constant current pulse is used, the inter-electrode voltage continues to decrease immediately after the pore opens during application of a certain pulse current. In the example of FIG. 11, pores are formed during the application of the fifth pulse current, and the interelectrode voltage continues to decrease immediately after the pores are formed. Therefore, the Joule heat continues to decrease from immediately after the pores are formed until the pulse current (fifth pulse current) applied at that time ends. Naturally, also in the subsequent process of enlarging the pores to a desired size by applying a pulse current, the Joule heat decreases as the pores enlarge. Therefore, it is unlikely that the pores will expand rapidly after a certain pulse current is applied, resulting in the formation of pores much larger than the desired size. That is, in the method of this embodiment, rapid expansion of the pores is unlikely to occur after a certain pulse current is applied, so the pores will not grow significantly beyond the desired size. Therefore, variations in the size of the pores formed are reduced.

これに対して、パルス電圧印加方式(従来例2)では、あるパルス電圧の印加中にポアが形成された後も、そのパルス電圧の印加が終了するまで同じ電圧が印加され続ける。また、ポアが形成された後、その時に印加されているパルス電圧の印加が終了するまでポアは広がり、それによってポアを流れる電流は増える。その結果、ポアが形成された後、そのパルス電圧が終了するまでジュール熱は増加し続ける。また、このことは、形成されたポアを追加のパルス電圧の印加で拡大し、所望の大きさのポアに調整する過程においても同じである。 In contrast, in the pulse voltage application method (Conventional Example 2), even after a pore is formed during the application of a certain pulse voltage, the same voltage continues to be applied until the application of that pulse voltage ends. Furthermore, after the pore is formed, the pore expands until the application of the pulse voltage that is being applied at that time is terminated, thereby increasing the current flowing through the pore. As a result, after the pore is formed, Joule heating continues to increase until the pulse voltage is terminated. This also applies to the process of enlarging the formed pore by applying an additional pulse voltage to adjust the pore to a desired size.

<第1の実施形態の変形例1>
図12は、第1の実施形態の変形例1に係るナノポア形成方法をナノポア形成装置100により実行するためのタイムチャートである。本変形例1においては、電流源201の出力電流の設定値はIに固定とし、スイッチ204を接点A及び接点B間で切り替えることで、実効的に電極104及び105間にパルス電流が印加される。スイッチ204が接点Bに接続されているときは、電流源201のつながった回路は閉じていない。したがって、電流源201の出力電流の設定値をIのままにしても、電流源201からの電流が流れない。その代わり、電流源201の出力電圧は限界値まで上昇する。つまり、スイッチ204が接点Aに接続されている状態の期間(時間幅)が、パルス電流の時間幅tとなっている。スイッチ204が接点Bに接続されているときは、電圧をVthに設定して、電極間電流Iを計測する。計測される電極間電流Iが電流Iに達していなければ、スイッチ204を接点Bから接点Aに切り替えて、電極104及び105間に電流を流し、一定時間経過後、再度スイッチ204を接点Aから接点Bに切り替えて、電圧Vthにおける電極間電流Iを計測する。これを繰り返すことにより、パルス電流印加方式を実行する。
<Modification 1 of the first embodiment>
FIG. 12 is a time chart for executing the nanopore forming method according to the first modification of the first embodiment using the nanopore forming apparatus 100. In Modification 1, the set value of the output current of the current source 201 is fixed to I2 , and by switching the switch 204 between contact A and contact B, a pulse current is effectively applied between the electrodes 104 and 105. be done. When switch 204 is connected to contact B, the circuit connected to current source 201 is not closed. Therefore, even if the set value of the output current of the current source 201 is left at I2 , no current flows from the current source 201. Instead, the output voltage of current source 201 increases to a limit value. In other words, the period (time width) during which the switch 204 is connected to the contact point A is the time width t n of the pulse current. When switch 204 is connected to contact B, the voltage is set to V th and interelectrode current I is measured. If the measured interelectrode current I has not reached the current I1 , switch 204 is switched from contact B to contact A to flow current between electrodes 104 and 105, and after a certain period of time has passed, switch 204 is switched to contact A. to contact B, and measure the interelectrode current I at voltage V th . By repeating this, the pulse current application method is executed.

本変形例1は、電流源201の出力電流の設定値をパルス状にすることなく、実効的に電極104及び105間にパルス電流を印加できるため、電流源201に対するオペレーションが第1の実施形態(図11)と比べてよりシンプルになる。一方で、本変形例1では、スイッチ204を接点Bから接点Aに切り替えた時に、瞬間的に、電流源201の出力電圧の限界値に近い大きな電圧がかかる。この瞬間的な高電圧に起因して、ポアが予定以上に大きくなる可能性がある。逆に言うと、第1の実施形態は、スイッチ204を接点Bから接点Aに切り替えた後にパルス電流が立ち上がるので、瞬間的に大きな電圧がかかることはない。 Modification 1 can effectively apply a pulsed current between the electrodes 104 and 105 without making the set value of the output current of the current source 201 pulse-like, so that the operation for the current source 201 is similar to that of the first embodiment. It is simpler than (Fig. 11). On the other hand, in Modification 1, when the switch 204 is switched from the contact B to the contact A, a large voltage close to the limit value of the output voltage of the current source 201 is instantaneously applied. This instantaneous high voltage can cause the pore to become larger than expected. Conversely, in the first embodiment, the pulse current rises after the switch 204 is switched from contact B to contact A, so a large voltage is not instantaneously applied.

<第1の実施形態の変形例2>
図13は、第1の実施形態の変形例2に係るナノポア形成方法をナノポア形成装置100により実行するためのタイムチャートである。本変形例2においては、スイッチ204を接点Bから接点Aに切り替えた後、大きさIの定電流パルスを印加し、大きさIの定電流パルスの印加中にスイッチ204を接点Aから接点Bに切り替える。その後、スイッチ204が接点Bに接続されている間に、電流源201の出力電流の設定値を0にする。また、スイッチ204が接点Bに接続されている間に、電極104及び105間に電圧Vthを印加し、その時に流れる電極間電流Iを計測する。電極間電流IがIより小さければ、再度スイッチ204を接点Bから接点Aに切り替え、同様の手順を行う。最終的に、スイッチ204が接点Bに接続されている間に、電極104及び105間に電圧Vthを印加し、その時の電極間電流IがI以上となった時点で手順を終了する。
<Modification 2 of the first embodiment>
FIG. 13 is a time chart for executing the nanopore forming method according to the second modification of the first embodiment using the nanopore forming apparatus 100. In this modification example 2, after switching the switch 204 from contact B to contact A, a constant current pulse of magnitude I 2 is applied, and while the constant current pulse of magnitude I 2 is being applied, the switch 204 is switched from contact A to Switch to contact B. Thereafter, while the switch 204 is connected to contact B, the set value of the output current of the current source 201 is set to 0. Furthermore, while the switch 204 is connected to the contact B, a voltage V th is applied between the electrodes 104 and 105, and the inter-electrode current I flowing at that time is measured. If the interelectrode current I is smaller than I1 , switch 204 is switched from contact B to contact A again, and the same procedure is performed. Finally, while the switch 204 is connected to the contact B, a voltage V th is applied between the electrodes 104 and 105, and the procedure ends when the current I between the electrodes at that time becomes I 1 or more.

本変形例2におけるパルス電流Iの時間幅tは、電流源201の出力電流の設定値がIになってから、スイッチ204が接点Aから接点Bに切り替わるまでである。つまり、スイッチ204を接点Aから接点Bに切り替えるタイミングで、電極104及び105間に印加されているパルス電流も同時に立ち下げたい場合、スイッチ204を接点Aから接点Bに切り替えるタイミングを、電流源201の出力電流の設定値をIから0に立ち下げるタイミングより早くすることによって実現できる。これにより、電流源201の駆動によるパルス電流の立ち下げのタイミングを意識することなく、スイッチ204の切り替えによって自動的にパルス電流を立ち下げることができるので、オペレーションが簡単である。 The time width t n of the pulse current I 2 in Modification 2 is from when the set value of the output current of the current source 201 reaches I 2 until the switch 204 switches from contact A to contact B. In other words, if you want to simultaneously stop the pulse current applied between the electrodes 104 and 105 at the same time the switch 204 is switched from contact A to contact B, the timing for switching the switch 204 from contact A to contact B is set by the current source 20 This can be achieved by setting the set value of the output current earlier than the timing at which I falls from 2 to 0. As a result, the pulse current can be automatically reduced by switching the switch 204 without being aware of the timing of the fall of the pulse current by driving the current source 201, which simplifies the operation.

[第2の実施形態]
第1の実施形態においては、パルス電流のパルス幅(時間幅)は全ての回で同じであり、パルス電流の大きさも全て同じであることを説明した。第2の実施形態では、所望の大きさのポアを形成するのにかかる時間を短くするために、パルス電流の印加回数の増加とともにパルス幅を増加させる方法を提案する。第2の実施形態に係るナノポア形成方法は、第1の実施形態で説明したナノポア形成装置100を用いて実現できる。
[Second embodiment]
In the first embodiment, it has been explained that the pulse width (time width) of the pulse current is the same in all times, and the magnitude of the pulse current is also the same in all times. In the second embodiment, in order to shorten the time required to form a pore of a desired size, a method is proposed in which the pulse width is increased as the number of pulse current applications is increased. The nanopore forming method according to the second embodiment can be realized using the nanopore forming apparatus 100 described in the first embodiment.

図14は、第2の実施形態に係るナノポア形成方法をナノポア形成装置100により実行するためのタイムチャートである。図14に示すように、n回目のパルス電流のパルス幅をtとし、n+1回目のパルス電流のパルス幅をtn+1として、t<tn+1とする。その他の処理については第1の実施形態及びその変形例と同じであるので、説明を省略する。 FIG. 14 is a time chart for executing the nanopore forming method according to the second embodiment using the nanopore forming apparatus 100. As shown in FIG. 14, the pulse width of the n-th pulse current is t n , the pulse width of the n+1-th pulse current is t n+1 , and t n <t n+1 . Other processes are the same as those in the first embodiment and its modifications, so description thereof will be omitted.

このように、パルス電流のパルス幅をパルス電流の印加回数とともに増大させることにより、1回のパルス電流の印加でメンブレン又はポアに加わるストレス量が、パルス電流の印加回数とともに増加する。したがって、所望の大きさのポアが形成されるまでにパルス電流を印加すべき回数が少なくなり、その結果、所望の大きさのポアが形成されるまでの時間が短くなる。 In this way, by increasing the pulse width of the pulse current with the number of times the pulse current is applied, the amount of stress applied to the membrane or pore by one application of the pulse current increases with the number of times the pulse current is applied. Therefore, the number of times a pulse current must be applied until a pore of a desired size is formed is reduced, and as a result, the time required for a pore of a desired size to be formed is shortened.

第2の実施形態の方法は、例えば以下に説明するような課題に対して有効である。メンブレン101にポアが形成されるまでに必要な電流印加時間は、同じ厚み、同じ材料のメンブレンを用いたとしてもばらつきがある。したがって、電流Iを短時間印加しただけでポアが形成されることもあれば、長時間印加しなければポアが形成されないこともある。特に、電流Iを長時間印加しなければポアが形成されない場合、パルス幅tが短く、かつt=tn+1(パルス電流の印加回数によらずパルス幅が一定)に設定されていると、メンブレンにポアが形成されるまでに長い時間がかかってしまう。これに対し、本実施形態のようにパルス幅をt<tn+1とすることで、ポア形成までの時間を短縮できる。 The method of the second embodiment is effective, for example, for problems such as those described below. The current application time required until pores are formed in the membrane 101 varies even when membranes of the same thickness and material are used. Therefore, pores may be formed by applying the current I2 for a short time, or may not be formed if the current I2 is not applied for a long time. In particular, if a pore is not formed unless the current I2 is applied for a long time, the pulse width tn is short and set to tn = tn +1 (the pulse width is constant regardless of the number of times the pulsed current is applied). Therefore, it takes a long time for pores to form in the membrane. On the other hand, by setting the pulse width to t n <t n+1 as in this embodiment, the time until pore formation can be shortened.

<第2の実施形態の変形例>
第2の実施形態では、所望の大きさのポアを形成するのにかかる時間を短くするために、パルス電流の印加回数の増加とともにパルス幅を増加させた。これに対し、本実施形態の変形例においては、パルス電流の大きさを印加回数の増加と共に増加させることによって、所望の大きさのポアを形成するのにかかる時間を短縮する方法を提案する。
<Modification of the second embodiment>
In the second embodiment, in order to shorten the time required to form a pore of a desired size, the pulse width was increased as the number of pulse current applications was increased. In contrast, in a modification of the present embodiment, a method is proposed in which the time required to form a pore of a desired size is shortened by increasing the magnitude of the pulse current as the number of times of application increases.

図15は、第2の実施形態の変形例に係るナノポア形成方法をナノポア形成装置100により実行するためのタイムチャートである。図15に示すように、n回目のパルス電流の大きさをIとし、n+1回目のパルス電流の大きさIn+1として、I<In+1とする。ただし、パルス電流の最小値はI(閾値)よりも大きい。 FIG. 15 is a time chart for executing the nanopore forming method according to the modified example of the second embodiment using the nanopore forming apparatus 100. As shown in FIG. 15, the magnitude of the n-th pulse current is I n , the magnitude of the n+1-th pulse current I n+1 , and I n <I n+1 . However, the minimum value of the pulse current is larger than I 1 (threshold value).

パルス電流が大きくなればなるほど、そのパルス電流の印加中にポアが形成される確率が高くなるため、少ないパルス印加回数でメンブレン101へのポア形成が可能になる。また、パルス電流が大きくなればなるほど、そのパルスの印加中に、ポアはより広がりやすくなる。そのため、所望の大きさのポアが形成されるまでに印加すべきパルスの回数が少なくなり、その結果、所望の大きさのポアが形成されるまでの時間が短くなる。 The larger the pulse current, the higher the probability that pores will be formed during the application of the pulse current, so pores can be formed in the membrane 101 with fewer pulse applications. Also, the larger the pulse current, the more likely the pore will expand during the application of that pulse. Therefore, the number of pulses that must be applied until a pore of a desired size is formed is reduced, and as a result, the time required for a pore of a desired size to be formed is shortened.

[第3の実施形態]
第1及び第2の実施形態においては、ポアを有しないメンブレンに所望の大きさのポアを作製する方法について説明した。第3の実施形態においては、メンブレンに作製されたポアをより正確に所望の大きさに調整する方法を提案する。第3の実施形態において、所望の大きさのポアとは、電極間電圧がVthの時に、電極間電流が約I’(第2の閾値電流)となるような大きさのポアである。
[Third embodiment]
In the first and second embodiments, a method for creating pores of a desired size in a membrane without pores was described. In the third embodiment, we propose a method for more accurately adjusting the pores created in the membrane to a desired size. In the third embodiment, a pore of a desired size is a pore of a size such that when the interelectrode voltage is V th , the interelectrode current is approximately I 1 ′ (second threshold current). .

図16は、第3の実施形態に係るナノポア形成方法のフローチャートである。 FIG. 16 is a flowchart of a nanopore forming method according to the third embodiment.

(ステップS11~S14)
ステップS11~S14については、第1の実施形態で説明したステップS1~S4とほぼ同じであるので、説明を省略する。ただし、ステップS11で電極104及び105間に印加されるパルス電流を「第1のパルス電流I」という。ステップS14において、電圧Vthの印加時に計測された電極間電流Iが電流I(第1の閾値電流)以上となった場合(Yes)、処理はステップS15に移行する。
(Steps S11 to S14)
Steps S11 to S14 are almost the same as steps S1 to S4 described in the first embodiment, so their explanation will be omitted. However, the pulse current applied between the electrodes 104 and 105 in step S11 will be referred to as "first pulse current I2 ." In step S14, if the interelectrode current I measured when the voltage V th is applied becomes equal to or higher than the current I 1 (first threshold current) (Yes), the process moves to step S15.

(ステップS15)
オペレータは、電流源を駆動させ、メンブレンを挟んで設けられた電極間に、大きさが電流I’(第2の閾値電流)よりも大きく第1のパルス電流Iよりも小さい、パルス幅がtの第2のパルス電流I’を印加する。パルス幅tは、例えば1μs以上10s以下、又は1ms以上1s以下に設定することができる。
(Step S15)
The operator drives the current source to generate a pulse width that is larger than the current I 1 ' (second threshold current) and smaller than the first pulse current I 2 between the electrodes provided across the membrane. A second pulsed current I 2 ′ of t m is applied. The pulse width t m can be set, for example, to 1 μs or more and 10 s or less, or 1 ms or more and 1 s or less.

(ステップS16)
オペレータは、電圧源を駆動させ、メンブレンを挟んで設けられた電極間に電圧Vthを印加して、電流計により、その時の電極間電流Iを計測する。このときの電圧Vthは、第1の実施形態と同様に設定することができる。
(Step S16)
The operator drives the voltage source, applies a voltage V th between the electrodes provided across the membrane, and measures the current I between the electrodes using an ammeter. The voltage V th at this time can be set similarly to the first embodiment.

(ステップS17)
オペレータは、計測された電極間電流Iが電流I’以上であるかを判断する。電極間電流Iが電流I’よりも小さい場合(No)、処理はステップS18に移行する。電極間電流Iが電流I’以上となった場合(Yes)、オペレータは、ポアが所望の大きさになったと判断し、処理を終了する。
(Step S17)
The operator determines whether the measured interelectrode current I is greater than or equal to the current I 1 '. If the interelectrode current I is smaller than the current I 1 ' (No), the process moves to step S18. If the interelectrode current I becomes equal to or greater than the current I 1 ' (Yes), the operator determines that the pore has reached the desired size and ends the process.

(ステップS18)
オペレータは、第2のパルス電流I’の印加回数をm=m+1として、ステップS15に戻る。本実施形態においては、m回目の第2のパルス電流I’のパルス幅をtとし、m+1回目の第2のパルス電流I’のパルス幅をtm+1とした時、t=tm+1とすることができる。
(Step S18)
The operator sets the number of applications of the second pulse current I 2 ' to m=m+1 and returns to step S15. In this embodiment, when the pulse width of the m-th second pulse current I 2 ′ is t m , and the pulse width of the m+1-th second pulse current I 2 ′ is t m+1 , t m = t It can be m+1 .

図17は、第3の実施形態に係るナノポア形成方法をナノポア形成装置100により実行するためのタイムチャートである。図17においては、スイッチ204のタイムチャートは省略している。図17に示すように、まず、電流源201の駆動により、電流Iよりも大きい第1のパルス電流Iを電極104及び105間に印加した後、スイッチ204を接点Aから接点Bに切り替える。その後、可変電圧202の駆動により、電圧Vthを印加して、その時の電極間電流Iを電流計203により計測する。これを繰り返し、電圧Vth印加時の電極間電流Iが電流I以上となったら、電流源201の出力電流の設定値を変更して、Iよりも小さく電流I’よりも大きい第2のパルス電流I’を印加する。その後、スイッチ204を接点Aから接点Bに切り替えて、可変電圧202の駆動により、電圧Vthを印加して、その時の電極間電流Iを計測する。第2のパルス電流I’の印加と電圧Vth印加時の電流計測を繰り返し、電極間電流Iが電流I’以上となった時点で処理は終了する。 FIG. 17 is a time chart for executing the nanopore forming method according to the third embodiment using the nanopore forming apparatus 100. In FIG. 17, a time chart of the switch 204 is omitted. As shown in FIG. 17, first, by driving the current source 201, a first pulse current I2 larger than the current I1 is applied between the electrodes 104 and 105, and then the switch 204 is switched from contact A to contact B. . Thereafter, a voltage V th is applied by driving the variable voltage 202, and the interelectrode current I at that time is measured by the ammeter 203. Repeat this process, and when the interelectrode current I when voltage V th is applied becomes greater than or equal to current I 1 , change the set value of the output current of current source 201 so that the current I is smaller than I 2 and larger than current I 1 ′. 2 pulse current I 2 ' is applied. Thereafter, the switch 204 is switched from contact A to contact B, voltage V th is applied by driving the variable voltage 202, and interelectrode current I at that time is measured. The application of the second pulse current I 2 ′ and the current measurement when applying the voltage V th are repeated, and the process ends when the interelectrode current I becomes equal to or higher than the current I 1 ′.

以上のように、本実施形態では、閾値電流を2段階に設けている。すなわち、電流Iと電流I’の2つである。そして、電極間電流Iが電流I以上となった時点から、パルス電流をIからI’に落としている。これにより、パルス電流を1回印加するごとに広がるポアの広がり量を小さくすることができる。換言すれば、パルス電流を1回印加するごとに増大する、電圧Vth印加時の電極間電流Iの増加量を小さくすることができる。そのため、所望の大きさのポア(電極間電圧がVthの時に、電極間電流が約I’となるような大きさのポア)により近い大きさのポアを形成することができる。 As described above, in this embodiment, the threshold current is provided in two stages. That is, there are two currents: current I 1 and current I 1 '. Then, from the time when the interelectrode current I becomes equal to or higher than the current I1 , the pulse current is decreased from I2 to I2 '. This makes it possible to reduce the amount by which the pore expands each time a pulse current is applied. In other words, it is possible to reduce the amount of increase in interelectrode current I when voltage V th is applied, which increases each time a pulse current is applied. Therefore, it is possible to form a pore having a size closer to a desired size (a pore having a size such that the interelectrode current is about I 1 ' when the interelectrode voltage is V th ).

また、パルス電流IをI×1.5≦Iを満たすように設定し、パルス電流I’をI’×1.5≦I’を満たすように設定し、かつI>I’及びI’>Iを満たすように設定することにより、所望の大きさのポアにさらに近い大きさのポアを形成することができる。 Further, pulse current I 2 is set to satisfy I 1 ×1.5≦I 2 , pulse current I 2 ′ is set to satisfy I 1 ′×1.5≦I 2 , and I 2 By setting such that >I 2 ′ and I 1 ′>I 1 are satisfied, pores having a size closer to a desired size can be formed.

<第3の実施形態の変形例1>
第3の実施形態においては、第1のパルス電流のパルス幅及び大きさは全ての回で同じであり、第2のパルス電流のパルス幅及び大きさも全ての回で同じであることを説明した。これに対し、第3の実施形態の変形例1では、第2の実施形態に倣い、所望の大きさのポアを形成するのにかかる時間を短くするために、第1及び第2のパルス電流の印加回数の増加とともにパルス幅を増加させる方法を提案する。
<Modification 1 of the third embodiment>
In the third embodiment, it was explained that the pulse width and magnitude of the first pulse current are the same in all times, and the pulse width and magnitude of the second pulse current are also the same in all times. . On the other hand, in Modification 1 of the third embodiment, following the second embodiment, in order to shorten the time required to form a pore of a desired size, the first and second pulse currents are We propose a method to increase the pulse width as the number of applications increases.

図18は、第3の実施形態の変形例1に係るナノポア形成方法をナノポア形成装置100により実行するためのタイムチャートである。図18に示すように、まず、大きさIの第1のパルス電流のn回目のパルス電流のパルス幅をtとし、n+1回目の第1のパルス電流のパルス幅をtn+1として、t<tn+1とする。同様に、大きさI’のm回目の第2のパルス電流のパルス幅をtとし、m+1回目の第2のパルス電流のパルス幅をtm+1として、t<tm+1とする。これにより、1回のパルス電流の印加でメンブレン又はポアに加わるストレス量が、パルス電流の印加回数とともに増加する。したがって、所望の大きさのポアが形成されるまでにパルス電流を印加すべき回数が少なくなり、その結果、所望の大きさのポアが形成されるまでの時間が短くなる。 FIG. 18 is a time chart for executing the nanopore forming method according to the first modification of the third embodiment using the nanopore forming apparatus 100. As shown in FIG. 18, first, let the pulse width of the n-th pulse current of the first pulse current of magnitude I 2 be t n , and let the pulse width of the n+1-th first pulse current be t n+1 , and t Let n < t n+1 . Similarly, the pulse width of the m-th second pulse current of magnitude I 2 ′ is t m , the pulse width of the m+1-th second pulse current is t m+1 , and t m <t m+1 . As a result, the amount of stress applied to the membrane or pore by one pulse current application increases with the number of pulse current applications. Therefore, the number of times a pulse current must be applied until a pore of a desired size is formed is reduced, and as a result, the time required for a pore of a desired size to be formed is shortened.

<第3の実施形態の変形例2>
第3の実施形態の変形例2においては、第2の実施形態の変形例(図15)に倣い、第1及び第2のパルス電流の大きさをそれぞれ印加回数の増加と共に増加させることによって、所望の大きさのポアを形成するのにかかる時間を短縮する方法を提案する。
<Modification 2 of the third embodiment>
In the second modification of the third embodiment, following the modification of the second embodiment (FIG. 15), by increasing the magnitude of the first and second pulse currents as the number of times of application increases, We propose a method to reduce the time required to form pores of a desired size.

図19は、第3の実施形態の変形例2に係るナノポア形成方法をナノポア形成装置100により実行するためのタイムチャートである。図19に示すように、n回目の第1のパルス電流の大きさをIとし、n+1回目の第1のパルス電流の大きさIn+1として、I<In+1とする。ただし、第1のパルス電流の最小値は電流Iよりも大きい。Vth印加時の電極間電流がI以上となった後は、再度パルス電流を小さな値(第2のパルス電流)に設定する。m回目の第2のパルス電流の大きさをIとし、m+1回目の第2のパルス電流の大きさIm+1として、I<Im+1とする。ただし、第2のパルス電流の最小値は電流I’よりも大きい。 FIG. 19 is a time chart for executing the nanopore forming method according to the second modification of the third embodiment using the nanopore forming apparatus 100. As shown in FIG. 19, the magnitude of the n-th first pulse current is I n , the magnitude of the n+1-th first pulse current I n+1 , and I n <I n+1 . However, the minimum value of the first pulse current is larger than the current I1 . After the interelectrode current when V th is applied reaches I 1 or more, the pulse current is again set to a small value (second pulse current). The magnitude of the m-th second pulse current is I m , the magnitude of the m+1-th second pulse current I m+1 , and I m <I m+1 . However, the minimum value of the second pulse current is larger than the current I 1 '.

パルス電流が大きくなればなるほど、そのパルス電流の印加中にポアが形成される確率が高くなるため、少ないパルス印加回数でメンブレン101へのポア形成が可能になる。また、パルス電流が大きくなればなるほど、そのパルスの印加中に、ポアはより広がりやすくなる。そのため、所望の大きさのポアが形成されるまでに印加すべきパルスの回数が少なくなり、その結果、所望の大きさのポアが形成されるまでの時間が短くなる。 The larger the pulse current, the higher the probability that pores will be formed during the application of the pulse current, so pores can be formed in the membrane 101 with fewer pulse applications. Also, the larger the pulse current, the more likely the pore will expand during the application of that pulse. Therefore, the number of pulses that must be applied until a pore of a desired size is formed is reduced, and as a result, the time required for a pore of a desired size to be formed is shortened.

[第4の実施形態]
第1~第3の実施形態においては、所望の大きさのポア(電極間電流IがIの時に電極間電圧が約Vthとなるようなポア)を形成する方法として、電極間にパルス電流を印加した後、電圧Vthを印加して、その時の電極間電流Iを測定し、電極間電流Iが電流I(閾値)以上となった場合に、所望の大きさのナノポアが形成されたと判断するという方法を説明した。第4の実施形態においては、パルス電流印加方式によって所望の大きさのポア(電極間電流がIの時に電極間電圧が約Vthとなるようなポア)を形成する別の方法を提案する。
[Fourth embodiment]
In the first to third embodiments, as a method of forming a pore of a desired size (a pore such that when the interelectrode current I is I 1 , the interelectrode voltage is about V th ), a pulse is applied between the electrodes. After applying the current, apply the voltage V th and measure the inter-electrode current I at that time, and if the inter-electrode current I becomes equal to or higher than the current I 1 (threshold value), a nanopore of the desired size is formed. He explained how to determine that the In the fourth embodiment, we propose another method of forming a pore of a desired size (a pore such that the interelectrode voltage is approximately V th when the interelectrode current is I 1 ) using a pulse current application method. .

<ナノポア形成方法>
図20は、第4の実施形態に係るナノポア形成方法のフローチャートである。以下において、各ステップの動作の主体をオペレータとして説明するが、各ステップは、制御コンピュータが制御回路の各素子を駆動することにより実行することもできる。
<Nanopore formation method>
FIG. 20 is a flowchart of the nanopore formation method according to the fourth embodiment. In the following, each step will be explained assuming that the operator is the main person responsible for the operation, but each step can also be executed by the control computer driving each element of the control circuit.

(ステップS21)
オペレータは、電流源を駆動させ、メンブレンを挟んで設けられた電極間に、電流Iよりも大きく、パルス幅がtのパルス電流Iを印加する。パルス幅tは、例えば1μs以上10s以下、又は1ms以上1s以下に設定することができる。
(Step S21)
The operator drives the current source and applies a pulse current I2 , which is larger than the current I1 and has a pulse width tn , between the electrodes provided across the membrane. The pulse width t n can be set, for example, to 1 μs or more and 10 s or less, or 1 ms or more and 1 s or less.

(ステップS22)
オペレータは、電流源を駆動させ、メンブレンを挟んで設けられた電極間に電流Iを印加して、電圧計により、その時の電極間の電位差を計測する。
(Step S22)
The operator drives the current source to apply a current I1 between the electrodes provided across the membrane, and measures the potential difference between the electrodes at that time using a voltmeter.

(ステップS23)
オペレータは、計測された電極間の電位差が電圧Vth(閾値)以下であるかを判断する。電極間の電位差が電圧Vthよりも大きい場合(No)、処理はステップS24に移行する。電極間の電位差が電圧Vth以下となった場合(Yes)、オペレータは、所望の大きさのポアが形成されたと判断し、処理を終了する。
(Step S23)
The operator determines whether the measured potential difference between the electrodes is equal to or less than the voltage V th (threshold). If the potential difference between the electrodes is greater than the voltage V th (No), the process moves to step S24. If the potential difference between the electrodes becomes equal to or less than the voltage V th (Yes), the operator determines that a pore of the desired size has been formed, and ends the process.

電圧Vthは、ノイズ電流Inoiseがナノポア電流Inpよりも十分に小さくなるような値に設定するのが望ましい。 It is desirable to set the voltage V th to a value such that the noise current I noise is sufficiently smaller than the nanopore current I np .

具体的には、電圧Vthは、1mV以上1V以下の範囲に設定することができる。あるいは、電圧Vthは、1mV以上であり、電圧Vthを電極間に印加した時にメンブレンに掛かる電界が0.3V/nm以下となるように設定することができる。あるいは、電圧Vthは、ポアが形成されていない状態のメンブレンに電圧を印加した時に、メンブレンを流れる電流が1nA以下となるような電圧に設定することができる。あるいは、電圧Vthは、ポアが形成されていない状態のメンブレンに電圧を印加した時に、メンブレンを流れる電流がIの1/5以下となるような電圧に設定することができる。 Specifically, the voltage V th can be set in a range of 1 mV or more and 1V or less. Alternatively, the voltage V th can be set to be 1 mV or more and so that the electric field applied to the membrane when the voltage V th is applied between the electrodes is 0.3 V/nm or less. Alternatively, the voltage V th can be set to a voltage such that when a voltage is applied to the membrane in a state where no pores are formed, the current flowing through the membrane becomes 1 nA or less. Alternatively, the voltage V th can be set to a voltage such that when a voltage is applied to the membrane in a state where no pores are formed, the current flowing through the membrane is 1/5 or less of I 1 .

(ステップS24)
オペレータは、パルス電流Iの印加回数をn=n+1として、ステップS21に戻る。本実施形態においては、n回目のパルス電流のパルス幅をtとし、n+1回目のパルス電流Iのパルス幅をtn+1とした時、t=tn+1とすることができる。
(Step S24)
The operator sets the number of times the pulse current I2 is applied to n=n+1 and returns to step S21. In this embodiment, when the pulse width of the n-th pulse current is t n and the pulse width of the n+1-th pulse current I 2 is t n+1 , t n =t n+1 can be satisfied.

以上のように、第4の実施形態に係るナノポア形成方法は、水溶液(電解液)中に設けられたメンブレン(膜)を挟んで設置された電極間にパルス電流I(第1の電流)を流すことと、電極間に電流I(第2の電流)を印加して、電極間の電位差を計測することと、電極間の電位差が電圧Vth(所定の閾値)以下となったか否かを判断することとを含み、パルス電流Iは電流Iよりも大きく設定されており、電極間の電位差が電圧Vthよりも大きい場合に、パルス電流Iの印加と、電流Iの印加及び電極間の電位差の計測と、が繰り返される。また、電極間の電位差が電圧Vth以下となった場合に、所望の大きさのポア(電極間電流がIの時に、電極間電圧が約Vthとなるような大きさのポア)が形成されたと判断できる。これにより、所望の大きさのポアを歩留まりよく形成することができる。また、本実施形態においては、電流源のみを駆動すればよいため、処理が単純である。 As described above, the nanopore forming method according to the fourth embodiment uses a pulsed current I 2 (first current) between electrodes placed across a membrane provided in an aqueous solution (electrolytic solution). , applying a current I 1 (second current) between the electrodes and measuring the potential difference between the electrodes, and determining whether the potential difference between the electrodes is equal to or lower than the voltage V th (predetermined threshold). If the pulse current I 2 is set larger than the current I 1 and the potential difference between the electrodes is larger than the voltage V th , applying the pulse current I 2 and determining whether the current I 1 The application of and the measurement of the potential difference between the electrodes are repeated. Furthermore, when the potential difference between the electrodes becomes less than the voltage V th , a pore of a desired size (a pore of a size such that the inter-electrode voltage is approximately V th when the inter-electrode current is I 1 ) is formed. It can be concluded that it has been formed. Thereby, pores of a desired size can be formed with a high yield. Furthermore, in this embodiment, only the current source needs to be driven, so the processing is simple.

<ナノポア形成装置>
図21は、第4の実施形態に係るナノポア形成方法を実現するためのナノポア形成装置300を示す概略図である。ナノポア形成装置300は、第1の実施形態のナノポア形成装置100(図10)とほぼ同様であるが、制御回路400の構成が第1の実施形態の制御回路200と異なっている。制御回路400は、電流源201、スイッチ204及び電圧計205を有する。電流源201及び電圧計205は並列に配置されている。スイッチ204を接点Aに接続することにより、電極104及び105は、電流源201及び電圧計205がある回路に接続される。スイッチ204を接点Bに接続することにより、電極104及び105は、電流源201及び電圧計205がない回路(電極間が同電位となる回路)に接続される。
<Nanopore formation device>
FIG. 21 is a schematic diagram showing a nanopore forming apparatus 300 for realizing the nanopore forming method according to the fourth embodiment. The nanopore forming device 300 is almost the same as the nanopore forming device 100 (FIG. 10) of the first embodiment, but the configuration of the control circuit 400 is different from the control circuit 200 of the first embodiment. Control circuit 400 includes a current source 201, a switch 204, and a voltmeter 205. Current source 201 and voltmeter 205 are arranged in parallel. By connecting switch 204 to contact A, electrodes 104 and 105 are connected to a circuit in which current source 201 and voltmeter 205 are located. By connecting switch 204 to contact B, electrodes 104 and 105 are connected to a circuit without current source 201 and voltmeter 205 (a circuit in which the electrodes are at the same potential).

図22は、第4の実施形態に係るナノポア形成方法をナノポア形成装置300により実行するためのタイムチャートである。図22に示すように、まず、スイッチ204を接点Aに接続した後、電流源201の駆動により、電流Iよりも大きいIのパルス電流を電極104及び105間に印加する。パルス電流の幅はtである。 FIG. 22 is a time chart for executing the nanopore forming method according to the fourth embodiment using the nanopore forming apparatus 300. As shown in FIG. 22, first, after connecting the switch 204 to the contact A, the current source 201 is driven to apply a pulse current of I2 , which is larger than the current I1 , between the electrodes 104 and 105. The width of the pulse current is t n .

パルス電流の印加終了後、スイッチ204を接点Aから接点Bに切り替えることで、電極104及び105間の電位差が一旦0になり、パルス電流の印加によって電極104及び105間に生じた電位差を解消することができる。これにより、その後、電極104及び105間に電流Iを印加してその時の電極間電圧を計測する時に、より正確に電極間電圧を計測できる。 After the application of the pulse current is finished, by switching the switch 204 from contact A to contact B, the potential difference between the electrodes 104 and 105 becomes 0, and the potential difference generated between the electrodes 104 and 105 due to the application of the pulse current is eliminated. be able to. Thereby, when applying the current I1 between the electrodes 104 and 105 and measuring the inter-electrode voltage at that time, the inter-electrode voltage can be measured more accurately.

次に、再度スイッチ204を接点Bから接点Aに切り替える。次に、電流源201の駆動により、電極104及び105間に電流Iを印加して、その時の電極104及び105間の電圧(電位差)を電圧計205により計測する。電極104及び105間の電圧を計測するタイミングは、電極104及び105間に電流Iを印加してから一定時間経過後である。この一定時間は、電圧計測の回数に応じて変動させることはない。 Next, the switch 204 is switched from contact B to contact A again. Next, by driving the current source 201, a current I1 is applied between the electrodes 104 and 105, and the voltage (potential difference) between the electrodes 104 and 105 at that time is measured by the voltmeter 205. The voltage between the electrodes 104 and 105 is measured after a certain period of time has elapsed since the current I1 was applied between the electrodes 104 and 105. This fixed time is not changed depending on the number of voltage measurements.

電極間電圧が電圧Vth以下となっていなければ、スイッチ204を接点Aから接点Bに切り替え、電極間の電位差を一旦0にする。その後、再度スイッチ204を接点Bから接点Aに切り替える。 If the voltage between the electrodes is not lower than the voltage V th , the switch 204 is switched from contact A to contact B, and the potential difference between the electrodes is temporarily set to zero. Thereafter, the switch 204 is switched from contact B to contact A again.

その後、電流Iよりも大きいIのパルス電流を電極104及び105間に印加する。その時のパルス電流の幅はtn+1であり、t=tn+1である。以上の手順を、電極104及び105間に電流Iを印加した時の電極間電圧が電圧Vth以下になるまで繰り返し、電極104及び105間に電流Iを印加した時の電極間電圧がVth以下になった時点で処理は終了する。 Thereafter, a pulse current of I2 , which is larger than current I1 , is applied between electrodes 104 and 105. The width of the pulse current at that time is t n+1 , and t n =t n+1 . The above procedure is repeated until the voltage between the electrodes when the current I 1 is applied between the electrodes 104 and 105 becomes less than the voltage V th , and the voltage between the electrodes when the current I 1 is applied between the electrodes 104 and 105 becomes The process ends when the voltage becomes equal to or less than V th .

図22に示す例においては、パルス電流の立ち上がるタイミングは、スイッチ204を接点Bから接点Aに切り替えた後に一定時間が経過した後であるが、パルス電流の立ち上がるタイミングと、スイッチ204を接点Bから接点Aに切り替えるタイミングとは、同時であってもよい。同様に、図22に示す例においては、スイッチ204を接点Aから接点Bに切り替えるタイミングは、パルス電流が立ち下がってから一定時間が経過した後であるが、スイッチ204を接点Aから接点Bに切り替えるタイミングと、パルス電流の立ち下がるタイミングとは、同時であってもよい。 In the example shown in FIG. 22, the timing at which the pulse current rises is after a certain period of time has elapsed after switching the switch 204 from contact B to contact A. The timing of switching to contact A may be simultaneous. Similarly, in the example shown in FIG. 22, the timing for switching the switch 204 from contact A to contact B is after a certain period of time has passed after the pulse current falls, but the switch 204 is switched from contact A to contact B. The switching timing and the falling timing of the pulse current may be the same.

本実施形態においても、パルス電流IをI×1.5≦Iを満たすように設定することで、ポア形成後に所望の大きさまでポアが広がらない可能性や、所望のポアの大きさに到達するまでに非常に時間がかかる可能性を極めて少なくできる。また、パルス電流IをI×2≦Iを満たすように設定することで、それらの可能性をさらに低減できる。さらに、0.3V/nm<パルス電流I×パルス幅t÷電極間容量(C)÷メンブレンの厚み(nm)<2V/nmを満たすことによっても、それらの可能性をさらに低減できる。 In this embodiment as well, by setting the pulse current I 2 to satisfy I 1 ×1.5≦I 2 , the possibility that the pores will not expand to the desired size after pore formation or the desired pore size may be reduced. This greatly reduces the possibility that it will take a very long time to reach the goal. Furthermore, by setting the pulse current I 2 to satisfy I 1 ×2≦I 2 , these possibilities can be further reduced. Furthermore, these possibilities can be further reduced by satisfying 0.3V/nm<pulse current I2 ×pulse width tn ÷interelectrode capacitance (C)÷membrane thickness (nm)<2V/nm.

<第4の実施形態の変形例1>
第4の実施形態においては、パルス電流のパルス幅及び大きさは全ての回で同じであることを説明した。これに対し、第4の実施形態の変形例1では、第2の実施形態に倣い、所望の大きさのポア(電極間電圧がVthの時に、電極間電流が約I1となるような大きさのポア)を形成するのにかかる時間を短くするために、パルス電流の印加回数の増加とともにパルス幅を増加させる方法を提案する。
<Modification 1 of the fourth embodiment>
In the fourth embodiment, it has been explained that the pulse width and magnitude of the pulse current are the same in all times. On the other hand, in Modification 1 of the fourth embodiment, following the second embodiment, a pore of a desired size (a pore of a size such that the interelectrode current is approximately I1 when the interelectrode voltage is Vth) is used. In order to shorten the time required to form pores, we propose a method in which the pulse width is increased as the number of pulse current applications increases.

図23は、第4の実施形態の変形例1に係るナノポア形成方法をナノポア形成装置300により実行するためのタイムチャートである。図23に示すように、まず、大きさIのパルス電流のn回目のパルス電流のパルス幅をtとし、n+1回目のパルス電流のパルス幅をtn+1として、t<tn+1とする。その他の処理については上述の通りであるので、説明を省略する。 FIG. 23 is a time chart for executing the nanopore forming method according to the first modification of the fourth embodiment by the nanopore forming apparatus 300. As shown in FIG. 23, first, let the pulse width of the n-th pulse current of the magnitude I 2 be t n , and let the pulse width of the n+1-th pulse current be t n+1 , so that t n <t n+1. . Since the other processes are as described above, their explanation will be omitted.

このように、パルス電流のパルス幅をパルス電流の印加回数とともに増大させることにより、1回のパルス電流の印加でメンブレン又はポアに加わるストレス量が、パルス電流の印加回数とともに増加する。したがって、所望の大きさのポアが形成されるまでにパルス電流を印加すべき回数が少なくなり、その結果、所望の大きさのポアが形成されるまでの時間が短くなる。 In this way, by increasing the pulse width of the pulse current with the number of times the pulse current is applied, the amount of stress applied to the membrane or pore by one application of the pulse current increases with the number of times the pulse current is applied. Therefore, the number of times a pulse current must be applied until a pore of a desired size is formed is reduced, and as a result, the time required for a pore of a desired size to be formed is shortened.

<第4の実施形態の変形例2>
第4の実施形態の変形例2においては、第2の実施形態の変形例(図15)に倣い、パルス電流の大きさを印加回数の増加と共に増加させることによって、所望の大きさのポアを形成するのにかかる時間を短縮する方法を提案する。
<Modification 2 of the fourth embodiment>
In the second modification of the fourth embodiment, following the modification of the second embodiment (FIG. 15), a pore of a desired size is created by increasing the magnitude of the pulse current as the number of times of application increases. We propose a method to reduce the time it takes to form.

図24は、第4の実施形態の変形例2に係るナノポア形成方法をナノポア形成装置300により実行するためのタイムチャートである。図24に示すように、n回目のパルス電流の大きさをIとし、n+1回目のパルス電流の大きさIn+1として、I<In+1とする。ただし、パルス電流の最小値は電流Iよりも大きい。 FIG. 24 is a time chart for executing the nanopore forming method according to the second modification of the fourth embodiment by the nanopore forming apparatus 300. As shown in FIG. 24, the magnitude of the n-th pulse current is I n , the magnitude of the n+1-th pulse current I n+1 , and I n <I n+1 . However, the minimum value of the pulse current is larger than the current I1 .

パルス電流が大きくなればなるほど、そのパルス電流の印加中にポアが形成される確率が高くなるため、少ないパルス印加回数でメンブレン101へのポア形成が可能になる。また、パルス電流が大きくなればなるほど、そのパルスの印加中に、ポアはより広がりやすくなる。そのため、所望の大きさのポアが形成されるまでに印加すべきパルスの回数が少なくなり、その結果、所望の大きさのポアが形成されるまでの時間が短くなる。 The larger the pulse current, the higher the probability that pores will be formed during the application of the pulse current, so pores can be formed in the membrane 101 with fewer pulse applications. Also, the larger the pulse current, the more likely the pore will expand during the application of that pulse. Therefore, the number of pulses that must be applied until a pore of a desired size is formed is reduced, and as a result, the time required for a pore of a desired size to be formed is shortened.

[第5の実施形態]
第4の実施形態においては、ポアを有しないメンブレンに所望の大きさのポアを作製する方法について説明した。第5の実施形態においては、メンブレンに作製されたポアをより正確に所望の大きさに調整する方法を提案する。第5の実施形態において、所望の大きさのポアとは、電極間電流がIの時に、電極間電圧が約Vth’(第2の閾値電圧)となるような大きさのポアである。
[Fifth embodiment]
In the fourth embodiment, a method for producing pores of a desired size in a membrane without pores has been described. In the fifth embodiment, we propose a method for more accurately adjusting the pores created in the membrane to a desired size. In the fifth embodiment, a pore of a desired size is a pore of a size such that when the interelectrode current is I1 , the interelectrode voltage is approximately V th ' (second threshold voltage). .

図25は、第5の実施形態に係るナノポア形成方法のフローチャートである。 FIG. 25 is a flowchart of the nanopore forming method according to the fifth embodiment.

(ステップS31~S34)
ステップS31~S34については、第4の実施形態で説明したステップS21~S24とほぼ同じであるので、説明を省略する。ただし、ステップS31で電極104及び105間に印加されるパルス電流を「第1のパルス電流I」という。ステップS34において、電流Iの印加時に計測された電極間電圧が電圧Vth(第1の閾値電圧)以下となった場合(Yes)、処理はステップS35に移行する。
(Steps S31 to S34)
Steps S31 to S34 are almost the same as steps S21 to S24 described in the fourth embodiment, so their explanation will be omitted. However, the pulse current applied between the electrodes 104 and 105 in step S31 will be referred to as "first pulse current I2 ." In step S34, if the inter-electrode voltage measured when the current I 1 is applied becomes equal to or less than the voltage V th (first threshold voltage) (Yes), the process moves to step S35.

(ステップS35)
オペレータは、電流源を駆動させ、メンブレンを挟んで設けられた電極間に、大きさが電流Iよりも大きく第1のパルス電流Iよりも小さい、パルス幅がtの第2のパルス電流I’を印加する。パルス幅tは、例えば1μs以上10s以下、又は1ms以上1s以下に設定することができる。
(Step S35)
The operator drives the current source to generate a second pulse having a pulse width t m and having a magnitude greater than the current I 1 and smaller than the first pulse current I 2 between the electrodes provided across the membrane . Apply current I 2 '. The pulse width t m can be set, for example, to 1 μs or more and 10 s or less, or 1 ms or more and 1 s or less.

(ステップS36)
オペレータは、電流源を駆動させ、メンブレンを挟んで設けられた電極間に電流Iを印加して、電圧計により、その時の電極間電圧を計測する。
(Step S36)
The operator drives the current source, applies a current I1 between the electrodes provided with the membrane in between, and measures the inter-electrode voltage using a voltmeter.

(ステップS37)
オペレータは、計測された電極間電圧が電圧Vth’(第2の閾値電圧)以下であるかを判断する。電極間電圧が電圧Vth’よりも大きい場合(No)、処理はステップS38に移行する。電極間電圧が電圧Vth’以下となった場合(Yes)、オペレータは、ポアが所望の大きさになったと判断し、処理を終了する。
(Step S37)
The operator determines whether the measured interelectrode voltage is equal to or lower than the voltage V th ' (second threshold voltage). If the interelectrode voltage is greater than the voltage V th ' (No), the process moves to step S38. If the interelectrode voltage becomes equal to or lower than the voltage V th ' (Yes), the operator determines that the pore has reached the desired size and ends the process.

(ステップS38)
オペレータは、第2のパルス電流I’の印加回数をm=m+1として、ステップS35に戻る。本実施形態においては、m回目の第2のパルス電流I’のパルス幅をtとし、m+1回目の第2のパルス電流I’のパルス幅をtm+1とした時、t=tm+1とすることができる。
(Step S38)
The operator sets the number of applications of the second pulse current I 2 ' to m=m+1 and returns to step S35. In this embodiment, when the pulse width of the m-th second pulse current I 2 ′ is t m , and the pulse width of the m+1-th second pulse current I 2 ′ is t m+1 , t m = t It can be m+1 .

電圧Vth及びVth’は、ノイズ電流Inoiseがナノポア電流Inpよりも十分に小さくなるような値に設定することができる。具体的には、電圧Vth及びVth’は、1mV以上1V以下の範囲に設定することができる。あるいは、電圧Vth及びVth’は、1mV以上であり、電圧Vth及びVth’を電極間に印加した時にメンブレンに掛かる電界が0.3V/nm以下となるように設定することができる。あるいは、電圧Vth及びVth’は、ポアが形成されていない状態のメンブレンに電圧を印加した時に、メンブレンを流れる電流が1nA以下となるような電圧に設定することができる。あるいは、電圧Vth及びVth’は、ポアが形成されていない状態のメンブレンに電圧を印加した時に、メンブレンを流れる電流がIの1/5以下となるような電圧に設定することができる。 The voltages V th and V th ' can be set to values such that the noise current I noise is sufficiently smaller than the nanopore current I np . Specifically, the voltages V th and V th ' can be set in a range of 1 mV or more and 1 V or less. Alternatively, the voltages V th and V th ' can be set to be 1 mV or more, and the electric field applied to the membrane when the voltages V th and V th ' are applied between the electrodes is 0.3 V/nm or less. . Alternatively, the voltages V th and V th ' can be set to voltages such that when a voltage is applied to the membrane in which no pores are formed, the current flowing through the membrane is 1 nA or less. Alternatively, the voltages V th and V th ' can be set to voltages such that when a voltage is applied to the membrane in which no pores are formed, the current flowing through the membrane is 1/5 or less of I 1 .

図26は、第5の実施形態に係るナノポア形成方法をナノポア形成装置300により実行するためのタイムチャートである。図26においては、スイッチ204のタイムチャートは省略している。図26に示すように、まず、電流源201の駆動により、電流Iよりも大きい第1のパルス電流Iを電極104及び105間に印加した後、スイッチ204を接点Aから接点Bに切り替えて、一旦電極間の電位差を0にする。その後、スイッチ204を接点Bから接点Aに切り替えて、電流源201の駆動により、電流Iを印加する。電流Iを印加してから一定時間経過後、電極間の電圧を電圧計205により計測する。 FIG. 26 is a time chart for executing the nanopore forming method according to the fifth embodiment using the nanopore forming apparatus 300. In FIG. 26, a time chart of the switch 204 is omitted. As shown in FIG. 26, first, by driving the current source 201, a first pulse current I2 larger than the current I1 is applied between the electrodes 104 and 105, and then the switch 204 is switched from contact A to contact B. to temporarily reduce the potential difference between the electrodes to 0. Thereafter, the switch 204 is switched from the contact B to the contact A, and the current source 201 is driven to apply the current I1 . After a certain period of time has elapsed since the application of the current I1 , the voltage between the electrodes is measured by the voltmeter 205.

これを繰り返し、電極間電流がIの時の電極間電圧が電圧Vth以下となったら、電流源201の出力電流の設定値を変更して、Iよりも小さく電流Iよりも大きい第2のパルス電流I’を印加する。その後、電流Iを印加し、その最中の電極間電圧を計測する。第2のパルス電流I’の印加と電流Iの印加時の電圧計測を繰り返し、電極間電圧がVth’以下となった時点で処理は終了する。 Repeat this, and when the interelectrode voltage when the interelectrode current is I1 becomes less than the voltage Vth , change the setting value of the output current of the current source 201 so that it is smaller than I2 and larger than the current I1 . A second pulse current I 2 ' is applied. Thereafter, a current I1 is applied, and the voltage between the electrodes is measured during the application. The application of the second pulse current I 2 ′ and the voltage measurement during the application of the current I 1 are repeated, and the process ends when the interelectrode voltage becomes equal to or lower than V th ′.

以上のように、本実施形態では、閾値電圧を2段階に設けている。すなわち、電圧Vthと電圧Vth’の2つである。そして、電極間電圧がVth以下となった時点から、パルス電流をIからI’に落としている。これにより、パルス電流を1回印加するごとに広がるポアの広がり量を小さくすることができる。換言すれば、パルス電流を1回印加するごとに減少する、I印加時の電極間電圧の減少量を小さくすることができる。そのため、所望の大きさのポア(電極間電圧がVth’の時に、電極間電流が約Iとなるような大きさのポア)により近い大きさのポアを形成することができる。 As described above, in this embodiment, the threshold voltage is provided in two stages. That is, there are two voltages: voltage V th and voltage V th '. Then, from the time when the interelectrode voltage becomes equal to or lower than V th , the pulse current is decreased from I 2 to I 2 ′. This makes it possible to reduce the amount by which the pore expands each time a pulse current is applied. In other words, it is possible to reduce the amount of decrease in the interelectrode voltage when I1 is applied, which decreases each time a pulse current is applied. Therefore, it is possible to form a pore having a size closer to a desired size (a pore having a size such that the interelectrode current is approximately I 1 when the interelectrode voltage is V th ').

また、パルス電流IをI×1.5≦Iを満たすように設定し、パルス電流I’をI×1.5≦I’を満たすように設定し、かつI>I’>IならびにVth>Vth’を満たすように設定することにより、所望の大きさのポアにさらに近い大きさのポアを形成することができる。 Further, pulse current I 2 is set to satisfy I 1 ×1.5≦I 2 , pulse current I 2 ′ is set to satisfy I 1 ×1.5≦I 2 ′, and I 2 > By setting so that I 2 ′>I 1 and V th >V th ′ are satisfied, a pore having a size closer to a desired size can be formed.

<第5の実施形態の変形例1>
第5の実施形態においては、第1のパルス電流のパルス幅及び大きさは全ての回で同じであり、第2のパルス電流のパルス幅及び大きさも全ての回で同じであることを説明した。これに対し、第5の実施形態の変形例1では、第2の実施形態に倣い、所望の大きさのポアを形成するのにかかる時間を短くするために、第1及び第2のパルス電流の印加回数の増加とともにパルス幅を増加させる方法を提案する。
<Modification 1 of the fifth embodiment>
In the fifth embodiment, it was explained that the pulse width and magnitude of the first pulse current are the same in all times, and the pulse width and magnitude of the second pulse current are also the same in all times. . On the other hand, in Modification 1 of the fifth embodiment, following the second embodiment, in order to shorten the time required to form a pore of a desired size, the first and second pulse currents are We propose a method to increase the pulse width as the number of applications increases.

図27は、第5の実施形態の変形例1に係るナノポア形成方法をナノポア形成装置300により実行するためのタイムチャートである。図27に示すように、まず、大きさIの第1のパルス電流のn回目のパルス電流のパルス幅をtとし、n+1回目の第1のパルス電流のパルス幅をtn+1として、t<tn+1とする。同様に、大きさI’のm回目の第2のパルス電流のパルス幅をtとし、m+1回目の第2のパルス電流のパルス幅をtm+1として、t<tm+1とする。これにより、1回のパルス電流の印加でメンブレン又はポアに加わるストレス量が、パルス電流の印加回数とともに増加する。したがって、所望の大きさのポアが形成されるまでにパルス電流を印加すべき回数が少なくなり、その結果、所望の大きさのポアが形成されるまでの時間が短くなる。 FIG. 27 is a time chart for executing the nanopore forming method according to the first modification of the fifth embodiment by the nanopore forming apparatus 300. As shown in FIG. 27, first, let the pulse width of the n-th pulse current of the first pulse current of magnitude I 2 be t n , and let the pulse width of the n+1-th first pulse current be t n+1 , and t Let n < t n+1 . Similarly, the pulse width of the m-th second pulse current of magnitude I 2 ′ is t m , the pulse width of the m+1-th second pulse current is t m+1 , and t m <t m+1 . As a result, the amount of stress applied to the membrane or pore by one pulse current application increases with the number of pulse current applications. Therefore, the number of times a pulse current must be applied until a pore of a desired size is formed is reduced, and as a result, the time required for a pore of a desired size to be formed is shortened.

<第5の実施形態の変形例2>
第5の実施形態の変形例2においては、第2の実施形態の変形例(図15)に倣い、第1及び第2のパルス電流の大きさをそれぞれ印加回数の増加と共に増加させることによって、所望の大きさのポアを形成するのにかかる時間を短縮する方法を提案する。
<Modification 2 of the fifth embodiment>
In the second modification of the fifth embodiment, following the modification of the second embodiment (FIG. 15), by increasing the magnitude of the first and second pulse currents as the number of applications increases, We propose a method to reduce the time required to form pores of a desired size.

図28は、第5の実施形態の変形例2に係るナノポア形成方法をナノポア形成装置300により実行するためのタイムチャートである。図28に示すように、n回目の第1のパルス電流の大きさをIとし、n+1回目の第1のパルス電流の大きさIn+1として、I<In+1とする。ただし、第1のパルス電流の最小値は電流Iよりも大きい。電流I印加時の電極間電圧がVth以下となった後は、再度パルス電流(第2のパルス電流)を小さな値に設定する。m回目の第2のパルス電流の大きさをIとし、m+1回目の第2のパルス電流の大きさIm+1として、I<Im+1とする。ただし、第2のパルス電流の最小値は電流Iよりも大きい。電流I印加時の電極間電圧がVth’以下となるまで、第2のパルス電流を、印加回数の増加に伴って増大させる。 FIG. 28 is a time chart for executing the nanopore forming method according to the second modification of the fifth embodiment using the nanopore forming apparatus 300. As shown in FIG. 28, the magnitude of the n-th first pulse current is I n , the magnitude of the n+1-th first pulse current I n+1 , and I n <I n+1 . However, the minimum value of the first pulse current is larger than the current I1 . After the interelectrode voltage when the current I1 is applied becomes equal to or lower than Vth , the pulse current (second pulse current) is set to a small value again. The magnitude of the m-th second pulse current is I m , the magnitude of the m+1-th second pulse current I m+1 , and I m <I m+1 . However, the minimum value of the second pulse current is larger than the current I1 . The second pulse current is increased as the number of applications increases until the interelectrode voltage when applying the current I 1 becomes equal to or less than V th '.

パルス電流が大きくなればなるほど、そのパルス電流の印加中にポアが形成される確率が高くなるため、少ないパルス印加回数でメンブレン101へのポア形成が可能になる。また、パルス電流が大きくなればなるほど、そのパルスの印加中に、ポアはより広がりやすくなる。そのため、所望の大きさのポアが形成されるまでに印加すべきパルスの回数が少なくなり、その結果、所望の大きさのポアが形成されるまでの時間が短くなる。 The larger the pulse current, the higher the probability that pores will be formed during the application of the pulse current, so pores can be formed in the membrane 101 with fewer pulse applications. Also, the larger the pulse current, the more likely the pore will expand during the application of that pulse. Therefore, the number of pulses that must be applied until a pore of a desired size is formed is reduced, and as a result, the time required for a pore of a desired size to be formed is shortened.

[第6の実施形態]
第1~第5の実施形態では、パルス電流の形状を矩形波として説明したが、パルス電流の形状は必ずしも完全なる矩形波(定電流パルス)でなくてもよい。
[Sixth embodiment]
In the first to fifth embodiments, the shape of the pulse current is described as a rectangular wave, but the shape of the pulse current does not necessarily have to be a perfect rectangular wave (constant current pulse).

図29は、第6の実施形態に係るパルス電流の形状の例を示す図である。このような場合、図29に示すように、パルスの大きさは、パルス電流波形中の最大値と定義され、パルス幅は、パルスの立ち上がり地点から立ち下がり地点と定義される。なお、図29に示す例はあくまで一例であり、パルス電流の波形はこれらの形に限定されない。 FIG. 29 is a diagram showing an example of the shape of a pulse current according to the sixth embodiment. In such a case, as shown in FIG. 29, the magnitude of the pulse is defined as the maximum value in the pulse current waveform, and the pulse width is defined as the point from the rising point to the falling point of the pulse. Note that the example shown in FIG. 29 is just an example, and the waveform of the pulse current is not limited to these shapes.

[第7の実施形態]
第7の実施形態においては、制御コンピュータが制御回路の各素子を駆動することにより、各実施形態のナノポア形成方法を実行するナノポア形成装置について説明する。
[Seventh embodiment]
In the seventh embodiment, a nanopore forming apparatus will be described in which a control computer drives each element of a control circuit to execute the nanopore forming method of each embodiment.

図30は、第7の実施形態に係るナノポア形成装置500を示す概略図である。ナノポア形成装置500は、制御コンピュータ600をさらに備える点で、第1~第3の実施形態のナノポア形成装置100と異なっている。制御コンピュータ600は、制御回路200の電流源201、可変電圧202(電圧源)及びスイッチ204(スイッチング素子)の駆動を制御する。また、制御コンピュータ600は、電流計203の計測信号の入力を受け付ける。なお、制御回路200の代わりに、第4及び第5の実施形態で説明した制御回路400を用いてもよい。 FIG. 30 is a schematic diagram showing a nanopore forming device 500 according to the seventh embodiment. The nanopore forming apparatus 500 differs from the nanopore forming apparatus 100 of the first to third embodiments in that it further includes a control computer 600. Control computer 600 controls driving of current source 201, variable voltage 202 (voltage source), and switch 204 (switching element) of control circuit 200. Further, the control computer 600 receives input of a measurement signal from the ammeter 203. Note that the control circuit 400 described in the fourth and fifth embodiments may be used instead of the control circuit 200.

制御コンピュータ600は、制御部601、入力部602、出力部603及び記憶部604を有する。 The control computer 600 includes a control section 601, an input section 602, an output section 603, and a storage section 604.

入力部602は、例えばマウス、キーボード及びタッチパネルなどの入力デバイスにより実現される。ナノポア形成装置500のオペレータ(ユーザ)は、入力部602を介して、ナノポア形成方法を実行するのに必要なパラメータを入力することができる。具体的には、オペレータは、入力部602を介して、メンブレン101の材質及び厚み、所望のポアの大きさ、パルス電流の大きさ、パルス幅、スイッチ204の切り替えのタイミング、電圧Vth及びVth’、電流I及びI’をなど入力することができる。 The input unit 602 is realized by, for example, an input device such as a mouse, a keyboard, and a touch panel. An operator (user) of the nanopore forming apparatus 500 can input parameters necessary for executing the nanopore forming method via the input section 602. Specifically, the operator inputs the material and thickness of the membrane 101, desired pore size, pulse current size, pulse width, switching timing of the switch 204, voltages V th and V through the input unit 602. th ', currents I1 and I1 ', etc. can be input.

出力部603は、例えばディスプレイ及びスピーカなどの出力デバイスにより実現できる。出力部603は、例えば、オペレータが上記のパラメータを入力するためのGUI画面、ナノポア形成の状況及び結果などをディスプレイに表示する。 The output unit 603 can be realized by, for example, an output device such as a display and a speaker. The output unit 603 displays, for example, a GUI screen for the operator to input the above parameters, the status and results of nanopore formation, etc.

記憶部604は、ポアの大きさと、そのポアにある電圧を印加した時に流れる電流の大きさとの関係を、メンブレン101の厚み又は材質ごとに記憶する。このポアの大きさと、印加電圧及び電流との関係は、例えば、予め異なる条件で複数回行った計測に基づいて得られる検量線である。 The storage unit 604 stores the relationship between the size of the pore and the size of the current that flows when a certain voltage is applied to the pore, for each thickness or material of the membrane 101. The relationship between the size of the pore and the applied voltage and current is, for example, a calibration curve obtained based on measurements performed multiple times under different conditions.

制御部601は、例えばCPU又はMPUなどのプロセッサにより実現される。制御部601は、オペレータにより入力されたパラメータに基づいて、制御回路200の各素子を駆動するための指示値を算出し、当該指示値を各素子に出力する。制御回路200の各素子は、制御部601から受け取った指示値に基づいて駆動する。また、制御部601は、オペレータにより所望のポアの大きさとメンブレン101の材質及び厚みとが入力された場合、記憶部604に記憶された検量線を読み出し、検量線と入力されたポアの大きさに基づいて、電圧Vth又はVth’を電極104及び105間に印加した時の電流I又はI’を算出することができる。これにより、オペレータが、所望する大きさのポアにある電圧を印加した時にどのくらいの電流が流れるのかわからなくても、制御部601が自動的に電圧と電流を算出するので、所望の大きさのポアを形成することができる。 The control unit 601 is realized by, for example, a processor such as a CPU or an MPU. The control unit 601 calculates an instruction value for driving each element of the control circuit 200 based on parameters input by the operator, and outputs the instruction value to each element. Each element of the control circuit 200 is driven based on the instruction value received from the control section 601. Further, when the desired pore size and the material and thickness of the membrane 101 are input by the operator, the control unit 601 reads out the calibration curve stored in the storage unit 604, and compares the calibration curve and the input pore size. Based on this, the current I 1 or I 1 ′ when the voltage V th or V th ′ is applied between the electrodes 104 and 105 can be calculated. As a result, even if the operator does not know how much current will flow when a certain voltage is applied to a pore of the desired size, the control unit 601 automatically calculates the voltage and current, so that the pore of the desired size can be drawn. Can form pores.

[変形例]
本開示は、上述した実施形態に限定されるものでなく、様々な変形例を含んでいる。例えば、上述した実施形態は、本開示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必要はない。また、ある実施形態の一部を他の実施形態の構成に置き換えることができる。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることもできる。また、各実施形態の構成の一部について、他の実施形態の構成の一部を追加、削除又は置換することもできる。
[Modified example]
The present disclosure is not limited to the embodiments described above, and includes various modifications. For example, the embodiments described above are described in detail to explain the present disclosure in an easy-to-understand manner, and do not necessarily include all of the configurations described. Moreover, a part of a certain embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment. Moreover, the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Further, a part of the configuration of each embodiment can be added to, deleted from, or replaced with a part of the configuration of other embodiments.

100、300、500…ナノポア形成装置
101…メンブレン
102、103…水溶液
104、105…電極
106、108…溶液導入口
107、109…溶液出口
110、111…チャンバ
112…支持基板
113、114…シール材
200、400…制御回路
201…電流源
202…可変電圧
203…電流計
204…スイッチ
205…電圧計
600…制御コンピュータ
100, 300, 500... Nanopore forming device 101... Membrane 102, 103... Aqueous solution 104, 105... Electrode 106, 108... Solution inlet 107, 109... Solution outlet 110, 111... Chamber 112... Support substrate 113, 114... Seal material 200, 400...Control circuit 201...Current source 202...Variable voltage 203...Ammeter 204...Switch 205...Voltmeter 600...Control computer

Claims (17)

膜に孔を形成する方法であって、
電解液中に設けられた前記膜を挟んで設置された第1の電極及び第2の電極間に第1の電流を印加することと、
前記第1の電極及び前記第2の電極間に第1の電圧を印加し、そのときに前記第1の電極及び前記第2の電極間に流れる第2の電流を計測することと、
前記第2の電流が所定の閾値以上であるか否かを判断することと、を含み、
前記第1の電流は、前記閾値よりも大きく、
前記第2の電流が前記閾値よりも小さい場合に、前記第1の電流の印加と、前記第1の電圧の印加及び前記第2の電流の計測と、を繰り返すことを特徴とする孔形成方法。
A method of forming pores in a membrane, the method comprising:
Applying a first current between a first electrode and a second electrode placed across the membrane provided in the electrolytic solution;
Applying a first voltage between the first electrode and the second electrode, and measuring a second current flowing between the first electrode and the second electrode at that time;
determining whether the second current is greater than or equal to a predetermined threshold;
the first current is greater than the threshold;
A hole forming method characterized in that, when the second current is smaller than the threshold, applying the first current, applying the first voltage, and measuring the second current are repeated. .
前記第1の電圧は、1mV以上1V以下である、若しくは、1mV以上でありかつ前記第1の電圧を印加した時に前記膜にかかる電界が0.3V/nm以下となる電圧であることを特徴とする請求項1に記載の孔形成方法。 The first voltage is 1 mV or more and 1 V or less, or is 1 mV or more and is a voltage that causes an electric field applied to the film to be 0.3 V/nm or less when the first voltage is applied. The pore forming method according to claim 1. 前記第1の電圧は、前記孔の開いていない前記膜に対し前記第1の電圧を印加した際に、前記膜を通過する電流が1nA以下となる又は前記閾値の1/5以下となる電圧であることを特徴とする請求項1に記載の孔形成方法。 The first voltage is a voltage at which, when the first voltage is applied to the membrane without holes, the current passing through the membrane becomes 1 nA or less, or 1/5 or less of the threshold value. The pore forming method according to claim 1, characterized in that: 前記第1の電流は、前記閾値の1.5倍以上であることを特徴とする請求項1に記載の孔形成方法。 The hole forming method according to claim 1, wherein the first current is 1.5 times or more the threshold value. 0.3V/nm<前記第1の電流×前記第1の電流の1回の印加時間÷電極間容量÷メンブレンの厚み<2V/nmであることを特徴とする請求項1に記載の孔形成方法。 Hole formation according to claim 1, characterized in that 0.3V/nm<the first current×time for one application of the first current/interelectrode capacitance/thickness of the membrane<2V/nm. Method. 前記第1の電流の1回の印加時間は、1μs以上10s以下であることを特徴とする請求項1に記載の孔形成方法。 2. The pore forming method according to claim 1, wherein the time for one application of the first current is 1 μs or more and 10 seconds or less. 前記第1の電流の印加後に、前記第1の電流の印加により生じた、前記膜を挟んだ前記電解液間の電位差を解消することをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の孔形成方法。 2. The pore according to claim 1, further comprising, after applying the first current, eliminating a potential difference between the electrolytic solution with the membrane sandwiched therebetween, which is caused by the application of the first current. Formation method. 前記第1の電極及び前記第2の電極は、スイッチの切り替えにより、電流源を有する第1の回路、又は、電圧源及び電流計を有する第2の回路のいずれかに接続され、
前記第1の電流の印加後、前記スイッチの切り替えにより、前記第1の電極と前記第2の電極が前記第2の回路に接続され、
前記第2の電流が前記閾値よりも小さい場合に、前記第1の電極と前記第2の電極が、前記第2の回路から切り離され、前記第1の回路に接続されることを特徴とする請求項1に記載の孔形成方法。
The first electrode and the second electrode are connected to either a first circuit having a current source or a second circuit having a voltage source and an ammeter by switching a switch,
After applying the first current, the first electrode and the second electrode are connected to the second circuit by switching the switch,
When the second current is smaller than the threshold, the first electrode and the second electrode are disconnected from the second circuit and connected to the first circuit. The pore forming method according to claim 1.
膜に孔を形成する方法であって、
電解液中に設けられた前記膜を挟んで設置された第1の電極及び第2の電極間に第1の電流を印加することと、
前記第1の電極及び前記第2の電極間に前記第1の電流よりも小さい第2の電流を印加し、そのときに前記第1の電極及び前記第2の電極間に生じる電位差を計測することと、
前記電位差が所定の閾値以下であるか否かを判断することと、を含み、
前記電位差が前記閾値よりも大きい場合に、前記第1の電流の印加と、前記第2の電流の印加及び前記電位差の計測と、を繰り返すことを特徴とする孔形成方法。
A method of forming pores in a membrane, the method comprising:
Applying a first current between a first electrode and a second electrode placed across the membrane provided in the electrolytic solution;
A second current smaller than the first current is applied between the first electrode and the second electrode, and a potential difference generated between the first electrode and the second electrode at that time is measured. And,
determining whether the potential difference is less than or equal to a predetermined threshold;
A method for forming a hole, characterized in that when the potential difference is larger than the threshold, applying the first current, applying the second current, and measuring the potential difference are repeated.
前記閾値は、1mV以上1V以下である、若しくは、1mV以上でありかつ前記閾値の電圧を印加した時に前記膜にかかる電界が0.3V/nm以下となる電圧であることを特徴とする請求項9に記載の孔形成方法。 The threshold value is 1 mV or more and 1 V or less, or a voltage that is 1 mV or more and causes an electric field applied to the film to be 0.3 V/nm or less when the threshold voltage is applied. 9. The pore forming method according to 9. 前記閾値は、前記孔の開いていない前記膜に対し前記閾値の電圧を印加した際に、前記膜を通過する電流が1nA以下となる又は前記第2の電流の1/5以下となる電圧であることを特徴とする請求項9に記載の孔形成方法。 The threshold value is a voltage at which, when a voltage of the threshold value is applied to the membrane without holes, the current passing through the membrane becomes 1 nA or less, or 1/5 or less of the second current. The pore forming method according to claim 9, characterized in that: 前記第1の電流は、前記第2の電流の1.5倍以上であることを特徴とする請求項9に記載の孔形成方法。 10. The hole forming method according to claim 9, wherein the first current is 1.5 times or more as large as the second current. 0.3V/nm<前記第1の電流×前記第1の電流の1回の印加時間÷電極間容量÷メンブレンの厚み<2V/nmであることを特徴とする請求項9に記載の孔形成方法。 Hole formation according to claim 9, characterized in that 0.3V/nm<the first current×one application time of the first current/interelectrode capacitance/thickness of the membrane<2V/nm. Method. 前記第1の電流の1回の印加時間は、1μs以上10s以下であることを特徴とする請求項9に記載の孔形成方法。 10. The pore forming method according to claim 9, wherein the time for one application of the first current is 1 μs or more and 10 seconds or less. 前記第1の電流の印加後に、前記第1の電極と前記第2の電極を同電位にすることで、前記第1の電流の印加により生じた、前記膜を挟んだ前記電解液間の前記電位差を解消することをさらに含むことを特徴とする請求項9に記載の孔形成方法。 After the first current is applied, the first electrode and the second electrode are made to have the same potential, so that the voltage between the electrolytic solution with the membrane sandwiched therebetween, which is caused by the application of the first current, is The pore forming method according to claim 9, further comprising eliminating a potential difference. 膜に孔を形成する装置であって、
前記膜と、
前記膜を挟んで配置され、電解液を収容する第1の液槽及び第2の液槽と、
前記第1の液槽に配置された第1の電極と、
前記第2の液槽に配置された第2の電極と、
電流源を有する第1の回路と、
電圧源及び電流計を有する第2の回路と、
前記第1の電極及び前記第2の電極を前記第1の回路又は前記第2の回路のいずれか一方に接続するスイッチング素子と、を備える孔形成装置。
A device for forming pores in a membrane, the device comprising:
the membrane;
a first liquid tank and a second liquid tank that are arranged with the membrane in between and contain an electrolytic solution;
a first electrode disposed in the first liquid tank;
a second electrode disposed in the second liquid tank;
a first circuit having a current source;
a second circuit having a voltage source and an ammeter;
A hole forming device comprising: a switching element that connects the first electrode and the second electrode to either the first circuit or the second circuit.
前記電流源、前記電圧源及び前記スイッチング素子を制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、
前記電流源により、前記第1の電極及び前記第2の電極間に第1の電流を印加する処理と、
前記スイッチング素子を前記第1の回路から前記第2の回路に切り替える処理と、
前記電圧源により、前記第1の電極及び前記第2の電極間に第1の電圧を印加し、そのときに前記第1の電極及び前記第2の電極間に流れる第2の電流を前記電流計により計測する処理と、
前記第2の電流が所定の閾値以上であるか否かを判断する処理と、を実行し、
前記第1の電流は、前記閾値よりも大きく、
前記第2の電流が前記閾値よりも小さい場合に、前記第1の電流の印加と、前記第1の電圧の印加及び前記第2の電流の計測と、を繰り返すことを特徴とする請求項16記載の孔形成装置。
further comprising a control unit that controls the current source, the voltage source, and the switching element,
The control unit includes:
applying a first current between the first electrode and the second electrode by the current source;
a process of switching the switching element from the first circuit to the second circuit;
A first voltage is applied between the first electrode and the second electrode by the voltage source, and at that time, a second current flowing between the first electrode and the second electrode is converted into the current. A process of measuring with a meter,
and determining whether the second current is greater than or equal to a predetermined threshold;
the first current is greater than the threshold;
16. When the second current is smaller than the threshold, the application of the first current, the application of the first voltage, and the measurement of the second current are repeated. The pore forming device described.
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