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WO2019008736A1 - 薄膜デバイス保管装置，保管方法及び生体分子計測方法 - Google Patents

薄膜デバイス保管装置，保管方法及び生体分子計測方法 Download PDF

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WO2019008736A1
WO2019008736A1 PCT/JP2017/024927 JP2017024927W WO2019008736A1 WO 2019008736 A1 WO2019008736 A1 WO 2019008736A1 JP 2017024927 W JP2017024927 W JP 2017024927W WO 2019008736 A1 WO2019008736 A1 WO 2019008736A1
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WO
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solution
thin film
less
electrode
film device
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PCT/JP2017/024927
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English (en)
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Inventor
一真 松井
満 藤岡
佑介 後藤
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Hitachi High Tech Corp
Original Assignee
Hitachi High Technologies Corp
Hitachi High Tech Corp
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Publication date
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Priority to US16/624,265 priority patent/US11656219B2/en
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    • C12Q2565/60—Detection means characterised by use of a special device
    • C12Q2565/631—Detection means characterised by use of a special device being a biochannel or pore

Definitions

  • the present invention relates to a storage device, a storage method, and a biomolecule measurement method of a thin film device used in a current measurement device that measures an ion current when a subject passes through a nanopore.
  • nanopore sequencers are attracting attention as a method for electrically measuring the base sequence of DNA directly without conducting extension reaction or fluorescent labeling.
  • the nanopore device used in the nanopore sequencer has a thin film in which nanopores are embedded. A solution is disposed on both sides of the thin film, and the solution is in communication via the nanopore. At this time, when a voltage is applied to the nanopore through the solution, an ion current passing through the nanopore flows, and when DNA passes through the nanopore, the blockage of the nanopore differs depending on the difference in the bases constituting the DNA, and the current value is different. As it occurs, the base sequence can be determined.
  • bio nanopore method uses the pore of a modified protein (such as Mycobacterium smegmatis porin A (MspA)) embedded in a lipid bilayer membrane as a detection unit
  • solid-state nanopore system uses a pore processed into an inorganic material as a detection unit and It is Compared to bio-nanopore method, solid-state nanopore method has attracted attention as a method that can be read at low cost, with less reagent dependence and pretreatment steps.
  • MspA Mycobacterium smegmatis porin A
  • Non-Patent Document 1 a method of opening holes using electron beams such as TEM or etching is used.
  • TEM electron beams
  • transduction the method of carrying out the dielectric breakdown of the thin film by applying a high voltage to a thin film like a nonpatent literature 2, and making a hole is used.
  • the analyte is introduced into the solution, and the signal when passing through the nanopores is acquired.
  • Venta, K., et al. Differentiation of Short, Single-Stranded DNA Homopolymers in Solid-State Nanopores, ACS Nano 7 (5), pp. 4629-4636 (2013).
  • Yanagi, I., et al. Fabricating nanopores with diameters of sub-1 nm to 3 nm using multilevel pulse-voltage injection, Sci. Rep., 4 (5000) (2014).
  • Figures 1 and 2 show typical measurement procedures for solid-state nanopore sequencers.
  • the surface is hydrophilized after nanopore production using electron beams such as TEM or etching, and after the solution is introduced, the subject is introduced into the solution and measured.
  • surface hydrophilization treatment is carried out, and after introducing a solution, nanopores are manufactured using insulation breakdown, and an analyte is introduced into the solution and measured.
  • time such as one day or more passes from the hydrophilization treatment to the solution introduction, the hydrophilicity of the device surface gradually attenuates due to the adhesion of organic substances in the air to the surface, and the liquid I can not meet it. Therefore, it is necessary to introduce the solution within one day after the hydrophilization treatment.
  • the nanopore sequencer is sold as a product from a manufacturer to a customer, and the process described in FIG. 1 and FIG. 2 is considered to correspond to either the manufacturer process or the customer process.
  • O 2 plasma or the like is used in the hydrophilization treatment step, and the treatment on the customer side is difficult, so it is desirable to implement on the manufacturer side in order to reduce the unit cost.
  • the customer side it is necessary for the customer side to carry out the biomolecule introduction process so that the customer can inject the sample that he / she wants to measure. Therefore, it is necessary to transport the device from the manufacturer to the customer between the hydrophilization treatment and the biomolecule introduction step.
  • this transport process takes about a week, and also from the hydrophilization process to the biomolecule introduction process, considering the time to store the device for about 2 to 3 weeks on the customer side etc. It is assumed that it takes between one week and one month or more.
  • “storage” means a process until an electric potential difference is applied to the thin film by an external power source or the like, or biomolecular property analysis is performed. It is generally difficult to maintain the hydrophilicity of the device surface for a week to over a month.
  • the dielectric breakdown voltage of the film decreases in this manner, the film is broken down by the potential difference applied to the film due to the influence of static electricity or the like, and the energy required for producing a nanopore by changing the energy of the thin film is changed.
  • the dielectric breakdown voltage to be applied changes when fabricating nanopores by dielectric breakdown, the power of the electron beam changes when fabricating nanopores by TEM), and it becomes difficult to control the nanopore diameter, biological samples During measurement, the voltage applied to the nanopore (eg, 0.1 to 0.5 V) causes a problem that the diameter of the nanopore increases with time. This deterioration phenomenon has not been reported in the past, so the cause of the deterioration has not been clarified and the prevention method was also unknown.
  • the thin film device storage apparatus of the present invention in one aspect, is a thin film device having an insulating thin film containing Si and having a thickness of 100 nm or less, a solution having a solution in contact with the thin film, and a vessel for sealing the solution. And the solution is a solution satisfying the conditions (1) to (3) below.
  • a solution containing water at a volume ratio of 0% to 30% (2) A solution maintained at a freezing point or more and less than 15 ° C (3)
  • the storage method of a thin film device according to the present invention is, as one aspect, a storage method of a thin film device having an insulating thin film with a thickness of 100 nm or less containing Si, the step of hydrophilizing the thin film device, and hydrophilization Contacting the processed thin film device with a solution satisfying the conditions of any of the above (1) to (3) for storage;
  • a thin film device having an insulating thin film with a thickness of 100 nm or less containing no Si and containing any of the conditions (1) to (3) is used.
  • the step of bringing the solution into contact with the solution to be filled for storage and storing the thin film between the first electrode contacting the solution contacting the one surface of the thin film device and the second electrode contacting the solution contacting the other surface Applying a voltage higher than the dielectric breakdown voltage to form a hole in the thin film, introducing a biomolecule into a solution in contact with the first electrode or a solution in contact with the second electrode, the first electrode and the second Applying a potential difference between the electrodes and measuring a change in current value while the biomolecule is passing through the hole to examine the characteristics of the biomolecule.
  • the present invention it is possible to prevent a drop in the dielectric breakdown voltage which occurs when the insulating thin film containing Si is immersed in a solution.
  • the figure which shows the biomolecule measurement procedure using a general nanopore The figure which shows the biomolecule measurement procedure using a general nanopore.
  • the figure which shows the biomolecule measurement procedure using nanopore with conveyance to a customer, and storage The figure which shows the biomolecule measurement procedure using nanopore with conveyance to a customer, and storage.
  • Explanatory drawing which shows the dielectric breakdown voltage reduction mechanism of a SiN film.
  • the cross-sectional schematic diagram which shows the structural example of a thin film device storage apparatus.
  • the cross-sectional schematic diagram which shows the structural example of a thin film device storage apparatus The cross-sectional schematic diagram which shows the structural example of a thin film device storage apparatus.
  • the cross-sectional schematic diagram which shows the structural example of a thin film device storage apparatus The cross-sectional schematic diagram which shows the structural example of a thin film device storage apparatus.
  • the cross-sectional schematic diagram which shows the structural example of a thin film device storage apparatus The cross-sectional schematic diagram which shows the structural example of a thin film device storage apparatus.
  • the cross-sectional schematic diagram which shows the structural example of a thin film device storage apparatus The cross-sectional schematic diagram which shows the structural example of a thin film device storage apparatus.
  • the cross-sectional schematic diagram which shows the structural example of a thin film device storage apparatus The cross-sectional schematic diagram which shows the structural example of a thin film device storage apparatus.
  • the cross-sectional schematic diagram which shows the structural example of a thin film device storage apparatus The cross-sectional schematic diagram which shows the structural example of a thin film device storage apparatus.
  • the cross-sectional schematic diagram which shows the structural example of a thin film device storage apparatus The schematic diagram which shows the biomolecule measurement method using the thin film device stored.
  • the schematic diagram which shows the biomolecule measurement method using the thin film device stored The figure which shows the experimental result of a time-dependent change of a dielectric breakdown voltage.
  • the figure which shows the experimental result of a time-dependent change of a dielectric breakdown voltage The figure which shows the relationship between temperature and device life. The figure which shows the relationship between temperature and device life. The figure which shows the relationship between storage time and leakage current. The figure which shows the leak current in the solution condition which has a deterioration prevention effect. The figure which shows the leak current in the solution condition which has a deterioration prevention effect. The figure which shows the leak current in the solution condition which has a deterioration prevention effect. The figure which shows the leak current in the solution condition which has a deterioration prevention effect.
  • the film containing Si When the film containing Si is etched by H 2 O, the film becomes thinner and the dielectric breakdown voltage decreases. Further, since the thickness of the Si film used in the solid-state nanopore sequencer etc. is thin, it is considered that the problem of reduction in dielectric breakdown voltage has become apparent by slight etching.
  • the device lifetime the lifetime of the thin film device by the etching reaction shown in FIG. 5 (hereinafter simply referred to as the device lifetime) was established, and a method of prolonging the lifetime was considered.
  • a thin film used in a solid-state nanopore measuring apparatus has a thickness of 100 nm or less, and a thin film having a thickness of 10 nm or less is used when measuring a sample such as DNA.
  • the breakdown voltage decreases by 1 V or more, it means that the film thickness becomes thinner by 1 nm or more, and the film characteristics largely change, so the device life is the time until the breakdown voltage decreases 1 V [ defined as h / V].
  • each solution condition to be in contact with the thin film device is (i) an organic solvent (a solution with low H 2 O concentration), (ii) a low temperature solution, (iii) a solution containing a high concentration of salt , Can be realized.
  • the salt in the aqueous solution containing the salt, the salt is stabilized in a hydrated state, and in order for the water to etch the thin film, it is necessary to be dehydrated from the salt. Therefore, E can be increased by the hydration energy of the salt. Verification of the above hypotheses will be described in the experimental results described later. The details of the device life obtained by the conditions (i), (ii) and (iii) will also be described later in the experimental results.
  • a solution in contact with a thin film containing Si satisfies either of (i) a solution having a low H 2 O concentration, (ii) a low temperature solution, and (iii) a solution containing a high concentration of salt.
  • a solution having a low H 2 O concentration is typically an organic solvent, and typically a solution containing ethanol, methanol, 2-propanol, DMSO or the like can be used.
  • solutions such as (i) low H 2 O concentration and (ii) low temperature solution contain salts such as LiCl, NaCl, KCl, RbCl, MgCl 2 , CaCl 2 , SrCl 2 , BaCl 2 etc. at about 1 mol / L or less It may be a solution.
  • the solutions of (i), (ii) and (iii) may contain plural kinds of reagents, and may contain, for example, a pH adjuster, an enzyme and the like.
  • the device life needs to be one week or more.
  • a solution containing water in contact with a thin film containing Si in a volume ratio of 0% to 30% (2) a liquid temperature of not less than the freezing point but less than 15 ° C.
  • the minimum volume ratio of water ([H 2 O ′] / [H 2 O]) required to obtain the target Lt ′ can be calculated.
  • the device life Lt at the time of storage at 25 ° C. pure water was calculated from the results of FIG. 21 described later, and the volume ratio necessary to obtain Lt ′ ⁇ ⁇ 1 week or Lt ′ ⁇ 1 month was calculated. As a result, the above conditions (1) and (4) were obtained.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a thin film device storage apparatus according to the present embodiment.
  • 7 to 15 are schematic cross-sectional views showing another example of the thin film device storage apparatus.
  • the thin film device storage apparatus has a container including the first tank 11 and the second tank 12 and holds the thin film device to be stored.
  • Solution 1 is sealed in the first tank 11 and the second tank 12 of the container.
  • the thin film device is depicted as thin film 3.
  • the thin film 3 is disposed on one side of the first tank 11 of the container and on the other side in the second tank 12 and is in contact with the solution 1, and the solution filled in the first tank 11 and the second tank 12 1 are separated by a thin film 3.
  • Solution 1 satisfies any of the above conditions (1) to (3) which can achieve the device life of 1 week or more, and preferably, the above (4) to (6) of the device life of 1 month or more. Meet any of the conditions of Two or more of the conditions (1) to (6) may be satisfied at the same time so that the life can be further extended.
  • the solution 1 is preferably used as a solution when connecting an electrode to the solution 1 and applying a voltage in a process after storage, and is a solution containing a salt of 1 mmol / L or more used in general nanopore measurement Is preferred.
  • the solution 1 is a solution containing a salt less than 1 mmol / L, the electric conductivity is small, and a sufficient amount of current can not be obtained even when a voltage is applied. Needs to be replaced with a solution containing 1 mmol / L or more of salt.
  • the salt concentration may be increased so as to increase the electric conductivity, preferably 10 mmol / L or more, and more preferably 100 mmol / L or more.
  • ionizing cations can be used, and typically, a group element or group element such as Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, or Ba is used Is preferred.
  • ionizing anions can be used, and it is preferable to select according to the compatibility with the material of the electrode. For example, when silver halide is used as an electrode material, it is preferable to use an ion of a halide such as I, Br, or Cl as an anion.
  • the anion may be an organic anion represented by glutamate ion and the like.
  • the thin film 3 is made of an inorganic material, and the inorganic material may be any material that can be formed by semiconductor microfabrication technology, and typically is silicon nitride, silicon oxide, hafnium oxide, molybdenum disulfide, graphene, etc. Is a compound of Si that can be mass-produced by a semiconductor process, such as silicon nitride or silicon oxide. Since the thin film 3 is generally easily broken mechanically due to vibration or impact generated in the process of gripping with tweezers, it is preferable to provide a support structure 4 for supporting the thin film 3 as shown in FIG. As a structure for supporting the thin film 3, for example, a silicon support substrate having a thickness of about 725 ⁇ m can be used.
  • the thin film device referred to herein may be composed of only a thin film of an inorganic material, but preferably comprises a thin film and a supporting structure for supporting it.
  • the thin film 3 When the thin film 3 is etched by an aqueous solution, it is considered to be a significant change when it changes by 1% or more from the original film thickness, so when using a thin film with a film thickness of 100 nm or less The above changes are a problem. That is, storage in the solution 1 in the present example exerts an effect particularly in a thin film having a film thickness of 100 nm or less, and exerts an effect more in an ultra thin film having a film thickness of 10 nm or less changing 10% or more from the original film thickness.
  • the thickness of the thin film 3 is at least twice, preferably at least three times, more preferably at least five times as large as that of the monomer unit constituting the biological polymer.
  • the thickness is preferably 3 or more bases, for example, about 1 nm or more.
  • the thickness of the nanopore is thin in order to grasp the shape of the biopolymer and the constituents (type of the base etc.
  • the thickness of the nanopore is 100 nm or less in order to measure streptococcus or the like having a size of about 1 to 10 ⁇ m of a biological polymer and to grasp its linear shape.
  • the distance between bases is as short as about 0.5 nm, so the thickness of the nanopore is preferably 30 nm or less, more preferably Preferably it is 10 nm or less.
  • the shape of the nanopore is basically circular, it may be elliptical or polygonal.
  • a method of filling the solution 1 after applying O 2 plasma to the surface of the thin film 3 to make it hydrophilic A method of filling the solution 1 by removing the organic residue with a piranha solution etc. and hydrophilizing and then filling the solution 1, a method of filling the solution 1 by filling a solution with small surface tension such as ethanol once on the thin film surface and replacing the solution 1 It is good to use.
  • the thin film part which analyzes a living body polymer may be arrayed so that two or more may be put in order.
  • the nanopore array structure has the advantage that the measurement throughput can be dramatically increased.
  • the distance between the plurality of thin film portions can be set to 0.1 ⁇ m to 10 ⁇ m, preferably 0.5 ⁇ m to 4 ⁇ m, depending on the electrode used, the capability of the electric measurement system, and the processing limit of the semiconductor process.
  • the material of the solution tank such as the first tank 11 and the second tank 12 may be, for example, PMMA, and may be made of Teflon (registered trademark) or the like having excellent chemical resistance.
  • the volume of each solution tank is, for example, 100 mL or less.
  • the thin film device storage apparatus shown in FIG. 8 has a container provided with the first tank 11 and holds the thin film device to be stored. Solution 1 is sealed in a first vessel 11 of the container. In the case of FIG. 8, the thin film device is depicted as thin film 3.
  • ISFET Ion Sensitive Field Effect Transistor sensor
  • ISFET is an FET with an ion sensitive film covered on the gate surface to detect the surface potential between the solution and the ion sensitive film.
  • a thin film 3 of insulator such as SiO 2 , SiN, Al 2 O 3 or the like is used as the ion sensitive film of ISFET.
  • the condition is that the film thickness of the insulator is about 1 to 100 nm. Therefore, it is preferable to provide a support structure 4 for supporting the thin film 3 as shown in FIG.
  • a structure for supporting the thin film 3 for example, a silicon support substrate having a thickness of about 725 ⁇ m can be used.
  • the thin film device referred to herein may be composed of only a thin film of an inorganic material, but preferably comprises a thin film and a supporting structure for supporting it.
  • the thin film 3 is gradually etched from the wetted part with the solution and the sensor characteristics change. Therefore, it is necessary to consider the conditions of the solution 1 in the same manner as the configurations of FIG. 6 and FIG.
  • the device life to be achieved in the configuration in which the solution is filled on one side of the thin film 3 takes about one week when delivery to a customer, etc., so the device life needs to be at least one week.
  • the etching proceeds from the wetted part of the film 3 to the solution.
  • the device life is longer when the solution is filled. Therefore, in order to make the device life more than one week, the solution condition when achieving the device life more than one week when the solution is filled on both sides, the above condition (1) to (3) is satisfied It is enough if it is made. In addition, in order to achieve the device life of 1 month or more, any of the above conditions (4) to (6) may be satisfied.
  • the nanopores 2 may be provided in the thin film 3, and the nanopores 2 may be formed by a semiconductor process so as to allow mass production, and are formed by TEM electron beams so as to reduce the pore diameter. May be More preferably, it is preferable to use the nanopore 2 formed by dielectric breakdown by applying a high voltage to the thin film 3 so that a nanopore with a small pore diameter can be formed accurately, quickly and inexpensively.
  • nanopores are provided in the thin film at the stage of being incorporated in the container in this way, when the storage apparatus is delivered to the customer, it is not necessary to manufacture the nanopore at the customer side, the apparatus configuration is simplified, and measurement can be made immediately. It becomes.
  • the diameter of the nanopore is preferably determined more strictly depending on the measurement content, for example, in the case of analyzing biological polymers or beads having a diameter of about 10 nm, it is 100 nm or less, preferably 50 nm or less, specifically about 0.9 nm or more 10 nm or less.
  • the diameter of the nanopore used for analysis of single-stranded DNA having a diameter of about 1.4 nm is preferably about 1.4 nm to 10 nm, and more preferably about 1.4 nm to 2.5 nm.
  • the diameter of the nanopore used for analysis of double-stranded DNA having a diameter of about 2.6 nm is preferably about 3 nm to 10 nm, more preferably about 3 nm to 5 nm.
  • the first electrode 13 and the second electrode 14 are provided in the first tank 11 and the second tank 12, respectively, and the first electrode 13 is in the first tank 11.
  • the control and measurement device 17 may be a PC.
  • only one device configured by the power supply device 15, the ammeter 16 and the control and measurement device 17 is prepared to use the thin film device storage device as a consumable item. If it is used and a new thin film device storage device is used every time measurement is completed, it will be possible to measure inexpensively. That is, the thin film device storage apparatus provided with the electrodes 13 and 14 is used not only for storing the thin film device but also as an apparatus used for current measurement.
  • the electrodes such as the first electrode 13 and the second electrode 14 are preferably made of a material capable of performing an electron transfer reaction (Faraday reaction) with the electrolyte in the solution 1, and is typically halogenated It is made of silver or alkali silver halide. Silver halide is preferably used for the electrode from the viewpoint of the potential stability and the reliability.
  • the electrode may be made of a material to be a polarized electrode, and may be made of, for example, gold or platinum. In that case, it is preferable to add a substance capable of assisting the electron transfer reaction to the solution, such as potassium ferricyanide or potassium ferrocyanide, in order to secure a stable ion current. Alternatively, it is preferable to immobilize a substance capable of performing an electron transfer reaction, such as ferrocenes, on the surface of the polarized electrode.
  • all the electrodes may be made of the above-mentioned material, or the above-mentioned material may be coated on the surface of a base material such as copper, aluminum or the like.
  • the shape of the electrode is not particularly limited, but a shape in which the surface area in contact with the solution is large is preferable.
  • the electrodes are joined to the wiring and an electrical signal is sent to the measurement circuit.
  • the power supply unit 15 may be connected to the control and measurement device 17 so that the applied voltage can be controlled, and the ammeter 16 is also connected to a device such as a personal computer, thereby providing a measurement system for storing measured current as data. May be
  • the ammeter 16 may have an amplifier and an ADC (Analog to Digital Converter) that amplify the current flowing between the electrodes by application of a voltage.
  • ADC Analog to Digital Converter
  • the potential difference between the first electrode 13 and the second electrode 14 is large, it will lead to dielectric breakdown failure of the thin film 3. Therefore, it is necessary to adjust at least the potential difference and keep it below the dielectric strength of the thin film.
  • the dielectric strength of the thin film is generally 1 V / nm, and it is necessary to keep the electric field strength or less.
  • the potential difference between the first electrode 13 and the second electrode 14 is adjusted to be less than the dielectric breakdown voltage of the thin film such as 0 V so that voltage is not applied to the film with time.
  • the first electrode 13 and the second electrode 14 may be short-circuited.
  • the container be provided with an inlet and an outlet 31 as shown in FIG.
  • the container be provided with a sealing structure for volatilization prevention.
  • the seal structure 32 is provided at the flow channel inlet of the container, or a solution 32 (an organic solvent such as benzene Fluorinert if the solution 1 is an aqueous solution) is disposed so as not to mix with the solution 1.
  • a solution 32 an organic solvent such as benzene Fluorinert if the solution 1 is an aqueous solution
  • the solution 32 is filled in advance to the vicinity of the inlet and outlet 31 and then the solution 32 is dropped so as to cover the inlet and outlet 31. It is preferable that the area in which the solution 1 contacts air is narrow.
  • any temperature adjustment mechanism may be used as long as a heat transfer element (Peltier element or the like) is attached to the container of the thin film device storage device and heat is transferred to the solution 1 through the heat transfer element and the container.
  • a heat transfer element Peltier element or the like
  • the unit cost is likely to increase because it is necessary to prepare the Peltier element in each container. Therefore, as shown in FIG.
  • the temperature control mechanism 41 is disposed around the container holding the thin film device, specifically, a thin film device storage apparatus is provided to a refrigerator or a freezer by providing a thermostatic bath, a cold insulator or dry ice. It is preferable to make it into the form of putting.
  • a thin film device storage apparatus is provided to a refrigerator or a freezer by providing a thermostatic bath, a cold insulator or dry ice. It is preferable to make it into the form of putting.
  • One aspect of delivering the thin film device storage device from the manufacturer side to the customer and storing it on the customer side is, for example, delivery in a state where a cold insulating material or dry ice is arranged around the thin film device storage device Then store in a refrigerator or freezer.
  • FIG. 16 is a schematic view showing a biomolecule measuring method using the thin film device stored by the thin film device storage apparatus according to the present embodiment.
  • the thin film 3 is brought into contact with the solution 1.
  • the storage device may be transported from the manufacturer to the customer for a long time or may be stored for a long time.
  • FIG. 16 (B) insulation of the thin film 3 between the first electrode 13 and the second electrode 14 by a device comprising the power supply device 15, the ammeter 16 and the control and measurement device 17 etc.
  • a high voltage higher than the breakdown voltage is applied to form nanopores 2 in the thin film 3 by dielectric breakdown.
  • a biological polymer 51 such as DNA is introduced into a solution in contact with the first electrode 13 or a solution in contact with the second electrode 14 to form the first electrode 13 and the second electrode 13.
  • a potential difference is applied between the electrodes 14, and a biological sample is measured and analyzed from changes in ion current while the biological polymer 51 passes through the nanopore 2.
  • the first electrode 13 and the second electrode 14 are provided in the first tank 11 and the second tank 12, respectively.
  • the first electrode 13 may be in contact with the solution in the first tank 11
  • the second electrode 14 may be in contact with the solution in the second tank 12.
  • the biological polymer 51 to be analyzed may be any object that changes its electrical characteristics, particularly its resistance value, when it passes through the nanopore 2, and is composed of nucleic acid. Specifically, RNA (single stranded RNA or double stranded RNA), DNA (single stranded DNA or double stranded DNA), PNA (peptide nucleic acid), oligonucleotide, aptamer, and a combination thereof (eg, hybrid) Nucleic acid).
  • the biological polymer 51 may be present in a living body or may be derived from one existing in a living body.
  • polymers containing non-naturally occurring sequences or components such as poly (A), poly (T), artificially synthesized polymer molecules, nucleic acids prepared by nucleic acid amplification technology (eg, PCR) Also included are nucleic acids cloned into vectors.
  • Methods for preparing these biopolymers 51 are well known in the art, and a person skilled in the art can select an appropriate preparation method according to the type of biopolymer 51.
  • the analysis of the living body polymer 51 refers to the characterization of the nucleic acid that constitutes the living body polymer 51.
  • sequence determination analysis of the sequence order of the monomers of nucleic acid constituting biological polymer 51 (sequence determination), determination of nucleic acid length, detection of single nucleotide polymorphism, determination of number of biological polymers, structural polymorphism in biological polymers (copy Detection of several polymorphisms, insertions, deletions, etc.).
  • the solution 101 is preferably a solution containing a salt of 1 mmol / L or more used in general nanopore measurement.
  • the salt concentration may be increased so as to increase the electric conductivity, preferably 10 mmol / L or more, and more preferably 100 mmol / L or more.
  • ionizing cations can be used, and typically, a group element or group element such as Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, or Ba is used. Is preferred.
  • ionizing anions can be used, and it is preferable to select according to the compatibility with the material of the electrode. For example, when silver halide is used as an electrode material, it is preferable to use an ion of a halide such as I, Br, or Cl as an anion.
  • the anion may be an organic anion represented by glutamate ion and the like.
  • the procedure shown in FIG. 16 has an advantage that the number of operation steps can be reduced compared to the procedure in FIG.
  • a voltage may be applied while keeping the thin film device storage device at a low temperature at the time of nanopore opening as shown in FIG. 16 (B) or FIG. 17 (B). If the solution in the thin film device storage device is kept at low temperature and a voltage is applied to open it, the dielectric breakdown voltage of the thin film 3 can be increased, and soft breakdown is likely to occur when dielectric breakdown of a thin film with low dielectric breakdown voltage Can be prevented and the current characteristics can be stabilized.
  • the thin film device storage device may be measured while keeping the temperature of the thin film device storage at the time of measuring the living body polymer 51 as shown in FIG. 16 (C) or 17 (C). If the DNA etc. are measured while keeping the thin film device storage device at a low temperature, it is possible to delay the DNA nanopore passage rate.
  • the manufacturer side incorporates the thin film 3 subjected to the hydrophilization treatment into the first tank 11 and the second tank 12 of the container of the thin film device storage apparatus, and fills the solution tank with a 1 mol / L KCl aqueous solution.
  • the first electrode 13 and the second electrode 14 are provided in the first tank 11 and the second tank 12, respectively, and the first electrode 13 is in contact with the solution in the first tank 11, The second electrode 14 is in contact with the solution in the second tank 12.
  • the first electrode 13 and the second electrode 14 are short-circuited to set the potential difference to 0 V so that the thin film 3 is not deteriorated.
  • the thin film device storage device is delivered to the customer side in about one week by refrigeration transportation (in a state where cooling is maintained at + 2 ° C. to + 8 ° C., etc.).
  • the customer side stores the delivered thin film device storage device in the refrigerator for 2 to 3 weeks or more (in a state of being cooled and maintained at about 4 ° C), prepares the biological sample as the measurement sample, etc., and stores the thin film device.
  • the device is taken out and connected to the device constituted by the power supply device 15, the ammeter 16 and the control and measurement device 17.
  • a high voltage is applied to the thin film 3 by the power supply device 15, the ammeter 16 and the control and measurement device 17, and the nanopores 2 are provided by dielectric breakdown.
  • a biological sample 51 which is a measurement sample, is introduced to measure and analyze the biological sample when passing through the nanopore 2.
  • the solution is immersed and stored in the solution under various conditions so that the solution is in contact with both sides of the thin film of the thin film device containing the SiN film, and the thin film device is taken out of the solution and washed after a predetermined time elapses.
  • the device was filled with 1 mol / L CaCl 2 (normal temperature) at the top and bottom of the device, a voltage was applied to the thin film, and the breakdown voltage and the current value passing through the film were measured.
  • FIG. 18 shows the change with time of the dielectric breakdown voltage when the thin film device is stored in an aqueous solution of pure water, 100 mmol / L CaCl 2 , 1 mol / L CaCl 2 (in all cases, the temperature is 25 ° C.). From these results, it was found that the breakdown voltage V decreased linearly with time t under any storage conditions.
  • the film thickness decreases approximately linearly with the immersion time in H 2 O
  • the dielectric breakdown strength of the thin film is 1 V / nm
  • the dielectric breakdown voltage is approximately linear to the film thickness. That is, it is considered that the breakdown voltage decreases substantially linearly with the immersion time in H 2 O. Therefore, the experimental result that the breakdown voltage linearly decreases with time shown in FIG. 18 supports that the decrease in the breakdown voltage is derived from the etching by H 2 O.
  • 1 mol / L CaCl 2 suppresses the decrease in dielectric breakdown voltage, and it can be seen that it is effective in prolonging the life. This is because the 1 mol / L CaCl 2 aqueous solution contains a high concentration of salt, and the hydration of the salt with water changes the activation energy of the reaction in which the H 2 O etches the SiN film. It is thought that it led to the extension of life.
  • the above results support the hypothesis that H 2 O etches the SiN film, and also show that the solution can be extended in solution containing a high concentration of salt (1 mol / L or more).
  • FIG. 19 shows the change with time of the dielectric breakdown voltage when the thin film device is stored in pure water and the storage temperature is changed (25 ° C., 40 ° C., 60 ° C., 80 ° C.).
  • FIG. 19 (A) is represented by the logarithmic scale of the horizontal axis
  • FIG. 19 (B) is represented by the linear scale of the horizontal axis.
  • FIG. 19 (A) it was shown that the breakdown voltage decreased in a short time as the storage temperature was higher.
  • the straight lines shown in FIG. 19B indicate approximate straight lines when stored at each temperature, and it was found that the dielectric breakdown voltage V decreases linearly with respect to the storage time t under any storage conditions. This result is similar to the result of FIG. 18 and supports that the film deterioration is derived from the etching by H 2 O.
  • FIG. 20 the relationship between the time (device lifetime) Lt until the dielectric breakdown voltage is reduced by 1 V and the storage temperature T is summarized as shown in FIG. 20 based on FIG.
  • the black plots in FIG. 20 show the values obtained from the experimental data of FIG. 19, and the dotted lines show approximate straight lines.
  • the results in FIG. 20 indicate that lnLt ⁇ 1 / T, suggesting that the device life can be expressed by an Arrhenius-type relational expression, and the activation energy E when storing pure water can be calculated from the slope of the straight line.
  • FIG. 21 shows an Arrhenius-type relationship between the device life and the storage temperature when the thin film device is stored in pure water and a 1 mol / L aqueous solution of CaCl 2 based on the experimental results so far.
  • the results for pure water storage shown in FIG. 21 are obtained by changing the notation of the vertical axis and the horizontal axis of the approximate straight line shown in FIG. It is shown on the horizontal axis. Subsequently, when calculating the result at the time of 1 mol / L CaCl 2 aqueous solution storage shown in FIG. 21, first, from the result of FIG. 18, time (device life) Lt until the dielectric breakdown voltage at the time of storage at 25 ° C. Calculated.
  • a and [H 2 O] -n shown in (Equation 1) are considered to be the same as when storing pure water, and activation when storing 1 mol / L CaCl 2 aqueous solution by comparison with the device life when storing pure water
  • the energy was calculated to obtain FIG.
  • the minimum storage temperature (cooling temperature) required to obtain an arbitrary device life can be read from FIG. 21, and in order to obtain a device life of 1 week, pure water storage is less than 15 ° C., 1 mol / L CaCl 2 It turned out that it is less than 25 degreeC by aqueous solution storage.
  • in order to obtain a device life of 1 month it was found to be less than 5 ° C. for pure water storage and less than 15 ° C. for 1 mol / L CaCl 2 aqueous solution storage.
  • FIG. 22 shows the current value passing through the membrane when the thin film device is stored in pure water at 25 ° C. and a voltage of 0.1 V is applied.
  • the dielectric breakdown voltage is reduced to 0.1 V or less by storage in an aqueous solution, the dielectric breakdown occurs even at the time of application of a low voltage such as 0.1 V, which is performed in biomolecular measurement and the like.
  • a potential difference of 0.1 V or more may occur between the electrolytes filled above and below the thin film due to static electricity on the surface of the solution tank, and the film may also be broken down by the influence of the static electricity.
  • FIG. 23 shows the result of measuring the current value when 0.1 V is applied after storing thin film devices of the same film thickness in pure water at 25 ° C. and a solution of 1 mol / L CaCl 2 at 25 ° C. for 2 weeks.
  • FIG. 24 shows the result of measuring the current value when 0.1 V is applied after storing thin film devices of the same film thickness in pure water at 25 ° C. and 4 ° C. for 2 weeks.
  • FIG. 25 shows the result of measuring the current value when 0.1 V is applied after storing thin film devices of the same film thickness in pure water at 25 ° C. and in an organic solvent (IPA and DMSO) at 25 ° C.
  • the storage days were different, 3 or 4 days for pure water storage, and 2 months for organic solvent storage.
  • the leakage current passing through the hole was observed in the pure water storage, the leakage current could be suppressed in the organic solvent storage despite the long storage time. From the results, it was confirmed that the life can be extended by lowering the concentration of H 2 O by using an organic solvent in the solution during storage.
  • the experimental result of the film containing Si (SiN film) is exemplified, but it is obvious that the etching by H 2 O is not limited to the film containing Si, and the material of the film is graphene Even if the graphene is oxidized with H 2 O to become graphene oxide, it is considered that the graphene is eventually decomposed into CO 2 and the like, so this method can be applied.
  • the present invention is not limited to the embodiments described above, but includes various modifications.
  • the above-described embodiments are described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.

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Abstract

Ｓｉを含んだ厚さ１００ｎｍ以下の絶縁性の薄膜を有する薄膜デバイス３と，薄膜に接液する溶液と，溶液を密封する槽を有する容器とを備え，溶液は下記(1)乃至(3)のいずれかの条件を満たす溶液である，薄膜デバイス保管装置。　(1)体積比０％以上３０％以下の水を含む溶液　(2)凝固点以上１５℃未満に冷却維持された溶液　(3)濃度１ｍｏｌ／Ｌ以上飽和濃度以下の塩を含み，凝固点以上２５℃未満に冷却維持された溶液

Description

薄膜デバイス保管装置，保管方法及び生体分子計測方法
　本発明は，被検体がナノポアを通過するときのイオン電流を計測する電流計測装置に用いられる薄膜デバイスの保管装置，保管方法及び生体分子計測方法に関する。
　次世代ＤＮＡシーケンサの分野では，伸長反応や蛍光ラベルを行うことなく，ＤＮＡの塩基配列を電気的に直接計測する手法としてナノポアシーケンサが注目されている。ナノポアシーケンサで用いられるナノポアデバイスはナノポアが埋め込まれた薄膜を有している。薄膜を挟んだ両側には溶液が配置されており，この溶液はナノポアを介して連通している。このとき溶液を介してナノポアに対して電圧を印加すると，ナノポアを通過するイオン電流が流れ，ＤＮＡがナノポアを通過すると，ＤＮＡを構成する塩基の違いによってナノポアの塞がり方が異なり電流値に違いが生じるため，塩基配列を決定できる。
　ナノポアシーケンス方式には，ナノポアを構成する材料によって主にバイオナノポア方式とソリッドステートナノポア方式の２種類がある。バイオナノポア方式は脂質二重膜に埋め込まれた改変タンパク質（Mycobacterium smegmatis porin A（MspA）等）のポアを検出部としたものであり，ソリッドステートナノポア方式は無機材料に加工したポアを検出部としたものである。バイオナノポア方式と比較してソリッドステートナノポア方式は試薬依存度及び前処理工程が少なく，低コストに読み取れる方式として注目されている。
　ソリッドステートナノポアの製作方法には主に２種類あり，溶液導入前にナノポアを製作する方法と，溶液導入後にナノポアを製作する方法がある。溶液導入前にナノポアを作る場合，非特許文献１のようにＴＥＭ等の電子線やエッチングを利用して孔を開ける方法が用いられている。溶液導入後にナノポアを作る場合，非特許文献２のように薄膜に高電圧を印加することによって薄膜を絶縁破壊し，孔を開ける方法が用いられている。上記いずれかの方法でナノポアを製作した後，被検体を溶液に導入し，ナノポア通過時の信号を取得する。
Venta, K., et al., Differentiation of Short, Single-Stranded DNA Homopolymers in Solid-State Nanopores, ACS Nano 7(5), pp.4629-4636 (2013). Yanagi, I., et al., Fabricating nanopores with diameters of sub-1 nm to 3 nm using multilevel pulse-voltage injection, Sci. Rep., 4(5000) (2014).
　図１と図２は，ソリッドステートナノポアシーケンサの典型的な計測手順を示したものである。図１に示す手順ではＴＥＭ等の電子線やエッチングを利用してナノポア製作後に表面親水化処理を実施し，溶液を導入した後に被検体を溶液に導入して計測する。図２に示す手順では表面親水化処理を実施し，溶液を導入した後に，絶縁破壊を利用してナノポアを製作して被検体を溶液に導入して計測する。このとき親水化処理から溶液導入までの間に１日以上等の時間が経過すると，デバイス表面の親水性は表面への大気中の有機物等の付着によって徐々に減衰して，膜表面に液体を満たせなくなる。そのため，親水化処理後１日以内に溶液を導入する必要がある。
　ここでナノポアシーケンサをメーカから顧客へ製品として売り出す場合を想定し，図１と図２に記載の工程がメーカ側工程と顧客側工程のいずれに該当するか考える。親水化処理工程には一般にＯ2プラズマ等が使われており顧客側での処理が困難であることから，装置単価を下げるにはメーカ側で実施することが望ましい。一方で，生体分子導入工程は顧客が計測したいサンプルを投入できるように顧客側で実施する必要がある。そのため，親水化処理後から生体分子導入工程までの間に，メーカから顧客へとデバイスを搬送する必要がある。海外等へ搬送する時間を考慮すると，この搬送工程には１週間程度かかるほか，顧客側等でデバイスを２～３週間程度保管する時間も考慮すると，親水化処理工程から生体分子導入工程までの間に１週間～１ヶ月以上かかることが想定される。なお，本明細書において「保管」とは，薄膜に対して外部電源等により電位差を与えたり，生体分子特性解析を行うまでの工程を意味する。１週間～１ヶ月以上もの間，デバイス表面の親水性を維持することは一般に困難である。
　そのため図３と図４に示すように，親水化処理後メーカ側で溶液を導入した後に，顧客へと搬送する手順が考えられる。この方法であれば，大気中の有機物等の付着を溶液で保護できるため，親水性を保持したまま顧客へと搬送し，顧客側での長期保管も可能となる。またこの手順であれば顧客側で溶液を導入する必要がなくなり，顧客側での溶液導入機構が不要となることから，装置コストを安価に抑えられる。
　しかしながら，Ｓｉを含む薄膜を水溶液に浸すと経時的に絶縁破壊電圧が低下して，膜の品質が劣化することが判明した。このように膜の絶縁耐圧が小さくなると，静電気等の影響によって膜に与えられる電位差により膜が絶縁破壊されるほか，薄膜に高エネルギーを与えてナノポアを製作する際に必要となるエネルギーが変化して(例：絶縁破壊でナノポアを製作する際には印加すべき絶縁破壊電圧が変化，ＴＥＭでナノポアを製作する際には電子線のパワーが変化)，ナノポア径制御が困難になる，生体試料計測中におけるナノポアへの印加電圧（０．１～０．５Ｖなど）によって経時的にナノポア直径が広がる，といった問題が生じる。この劣化現象は従来報告例がなく，従ってその劣化の原因が明らかになっておらず防止方法も不明であった。
　本発明の薄膜デバイス保管装置は，一態様として，Ｓｉを含んだ厚さ１００ｎｍ以下の絶縁性の薄膜を有する薄膜デバイスと，前記薄膜に接液する溶液と，前記溶液を密封する槽を有する容器とを備えており，前記溶液は下記(1)乃至(3)のいずれかの条件を満たす溶液である。
　(1)体積比０％以上３０％以下の水を含む溶液
　(2)凝固点以上１５℃未満に冷却維持された溶液
　(3)濃度１ｍｏｌ／Ｌ以上飽和濃度以下の塩を含み，凝固点以上２５℃未満に冷却維持された溶液
　本発明の薄膜デバイスの保管方法は，一態様として，Ｓｉを含んだ厚さ１００ｎｍ以下の絶縁性の薄膜を有する薄膜デバイスの保管方法であって，薄膜デバイスを親水化処理する工程と，親水化処理された薄膜デバイスを上記(1)乃至(3)のいずれかの条件を満たす溶液に接液させて保管する工程と，を有する。
　また，本発明の生体分子計測方法は，一態様として，Ｓｉを含んだ孔のない厚さ１００ｎｍ以下の絶縁性の薄膜を有する薄膜デバイスを上記(1)乃至(3)のいずれかの条件を満たす溶液に接液させて保管する工程と，薄膜デバイスの一方の面に接液する溶液に接する第１の電極と他方の面に接液する溶液に接する第２の電極との間に薄膜の絶縁破壊電圧以上の電圧を印加して薄膜に孔を形成する工程と，第１の電極と接する溶液又は第２の電極と接する溶液に生体分子を導入する工程と，第１の電極と第２の電極の間に電位差を与え，生体分子が孔を通過している間の電流値変化を計測して生体分子の特性を調べる工程と，を有する。
　本発明により，Ｓｉを含んだ絶縁性の薄膜を溶液に浸漬した際に生じる絶縁破壊電圧の低下を防止することができる。
　上記した以外の課題，構成及び効果は，以下の実施形態の説明により明らかにされる。
一般的なナノポアを用いた生体分子計測手順を示す図。 一般的なナノポアを用いた生体分子計測手順を示す図。 顧客への搬送及び保管を伴う，ナノポアを用いた生体分子計測手順を示す図。 顧客への搬送及び保管を伴う，ナノポアを用いた生体分子計測手順を示す図。 ＳｉＮ膜の絶縁破壊電圧減少メカニズムを示す説明図。 薄膜デバイス保管装置の構成例を示す断面模式図。 薄膜デバイス保管装置の構成例を示す断面模式図。 薄膜デバイス保管装置の構成例を示す断面模式図。 薄膜デバイス保管装置の構成例を示す断面模式図。 薄膜デバイス保管装置の構成例を示す断面模式図。 薄膜デバイス保管装置の構成例を示す断面模式図。 薄膜デバイス保管装置の構成例を示す断面模式図。 薄膜デバイス保管装置の構成例を示す断面模式図。 薄膜デバイス保管装置の構成例を示す断面模式図。 薄膜デバイス保管装置の構成例を示す断面模式図。 保管された薄膜デバイスを用いた生体分子計測方法を示す模式図。 保管された薄膜デバイスを用いた生体分子計測方法を示す模式図。 絶縁破壊電圧の経時変化の実験結果を示す図。 絶縁破壊電圧の経時変化の実験結果を示す図。 温度とデバイス寿命の関係を示す図。 温度とデバイス寿命の関係を示す図。 保管時間とリーク電流の関係を示す図。 劣化防止効果のある溶液条件でのリーク電流を示す図。 劣化防止効果のある溶液条件でのリーク電流を示す図。 劣化防止効果のある溶液条件でのリーク電流を示す図。
　以下，図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお，実施の形態を説明するため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し，その繰り返しの説明は可能な限り省略した。また，本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で，その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。
　図面等において示す各構成の位置，大きさ，形状，範囲などは，発明の理解を容易にするため，実際の位置，大きさ，形状，範囲などを表していない場合がある。このため，本発明は，必ずしも，図面等に開示された位置，大きさ，形状，範囲などに限定されない。
　本明細書で引用した刊行物，特許公報は，そのまま本明細書の説明の一部を構成する。
　本明細書において単数形で表される構成要素は，特段文脈で明らかに示されない限り，複数形を含むものとする。
　ここでは，まずＳｉを含んだ絶縁性の薄膜の絶縁破壊電圧が減少するメカニズムの推定と検証を行い，メカニズムに基づいた解決方法を検討した。Ｓｉを含む膜(ＳｉＮ膜など)を高温・高圧・高湿度下等の環境に置くと，空気中の水蒸気によってＳｉ膜が酸化され，さらに酸化膜が水蒸気と反応することで，やがて揮発することが知られている。本実施例で用いるＳｉ膜の保管環境は高温・高圧には該当しないが，多量のＨ2Ｏが膜近傍に存在しており，長期間接液することで図５に示すようなエッチング反応が進むと考えられる。Ｈ2ＯによりＳｉを含む膜がエッチングされると，膜が薄くなり絶縁破壊電圧が減少する。またソリッドステートナノポアシーケンサ等で用いるＳｉ膜の厚さは薄いため，僅かなエッチングによって絶縁破壊電圧減少という課題が顕在化したと考えられる。
　続いて，図５で示すエッチング反応による薄膜デバイスの寿命（以下，単にデバイス寿命という）を立式し，長寿命化の手法について考察した。ソリッドステートナノポアを用いた計測装置で用いる薄膜は一般に厚さ１００ｎｍ以下であり，ＤＮＡなどのサンプルを計測する際には厚さ１０ｎｍ以下の薄膜が使われる。こうした計測において，一般に絶縁破壊電圧が１Ｖ以上減少すると，膜厚が１ｎｍ以上薄くなったことを意味し，膜特性として大きく変化することから，デバイス寿命は絶縁破壊電圧が１Ｖ低下するまでの時間［ｈ／Ｖ］と定義した。図５で示すエッチング反応（Ｈ2Ｏのｎ次反応：ＳｉＮ＋ｎＨ2Ｏ→ＳｉＯ，Ｓｉ（ＯＨ）4，ｎ≧１）はアレニウス型の反応式に従うことから，デバイス寿命Ｌt［ｈ／Ｖ］は次式で表せる。
　　　Ｌｔ＝Ａ×ｅE/RT×［Ｈ2Ｏ］-n　　　・・・（式１）
ただし［Ｈ2Ｏ］はＨ2Ｏ濃度［ｍｏｌ／Ｌ］，Ｔは絶対温度［Ｋ］，Ｅは活性化エネルギー［Ｊ／ｍｏｌ］であり，Ａ，Ｒ（≒８．３１４Ｊ／（ｍｏｌ・Ｋ））は定数である。
　上式より，Ｌｔを増加するには，(i)［Ｈ2Ｏ］の低減，(ii)Ｔの低減，(iii)Ｅの増加，のいずれかの対策が必要だと判明した。具体的な対策方法としては，それぞれ薄膜デバイスと接液する溶液条件を，(i)有機溶媒（Ｈ2Ｏ濃度が低い溶液），(ii)低温溶液，(iii)高濃度の塩を含む溶液，とすることで実現できる。(iii)については，塩を含む水溶液では塩が水和した状態で安定化しており，水が薄膜をエッチングするためには，塩から脱水和させる必要がある。そのため塩の水和エネルギーによってＥを増加できる。以上の仮説の検証は，後述の実験結果で説明する。また(i)，(ii)，(iii)の各条件によって得られるデバイス寿命の詳細についても後述の実験結果で説明する。
　前述のとおり，Ｓｉを含む薄膜と接液する溶液を，(i)Ｈ2Ｏ濃度が低い溶液，(ii)低温溶液，(iii)高濃度の塩を含む溶液，のいずれかの条件を満たす溶液として薄膜デバイスを保管することで，薄膜デバイス表面の親水性を維持したまま，薄膜の劣化を防止できる。(i)Ｈ2Ｏ濃度が低い溶液とは典型的には有機溶媒であり，典型的にはエタノールやメタノールや２－プロパノールやＤＭＳＯ等を含んだ溶液を用いることができる。販売されているものでは，９９．５％エタノール，９９．８％メタノール，９９．７％２－プロパノール，９９．５％ＤＭＳＯなどがあり，このような溶液を用いるとよい。また(i)Ｈ2Ｏ濃度が低い溶液や(ii)低温溶液は，ＬｉＣｌ，ＮａＣｌ，ＫＣｌ，ＲｂＣｌ，ＭｇＣｌ2，ＣａＣｌ2，ＳｒＣｌ2，ＢａＣｌ2などの塩を１ｍｏｌ／Ｌ以下程度含むような溶液であってもよい。(i)，(ii)，(iii)の溶液には複数種類の試薬が含まれていてもよく，例えばｐＨ調整剤や酵素等が含まれていてもよい。
　また前述のとおり，顧客への配送などを行う場合１週間程度かかることから，デバイス寿命は１週間以上である必要がある。デバイス寿命１週間以上を達成するには，Ｓｉを含む薄膜と接液する溶液を，(1)体積比０％以上３０％以下の水を含む溶液，(2)液温が凝固点以上１５℃未満の溶液，(3)濃度１ｍｏｌ／Ｌ以上飽和濃度以下の塩を含む溶液であって液温が凝固点以上２５℃未満の溶液，のいずれかの溶液条件とすればよい。数値の根拠については後述する。
　また薄膜デバイスを搬送するだけでなく，顧客側で保管して，計測できることが好ましく，現実的な運用方法として２～３週間以上保管できることが好ましいことから，配送にかかる１週間を考慮すると，全体として１ヶ月以上保管できることが好ましい。デバイス寿命１ヶ月以上を達成するには，(4)体積比０％以上５％以下の水を含む溶液，(5)液温が凝固点以上５℃未満の溶液，(6)濃度１ｍｏｌ／Ｌ以上飽和濃度以下の塩を含む溶液であって，液温が凝固点以上１５℃未満の溶液，のいずれかの条件を満たせばよい。上記(1)(2)(3)と同様，数値の根拠については後述する。
　なお，Ｈ2Ｏ濃度が低い溶液での保管条件については次のように算出した。Ｈ2Ｏ濃度が低い溶液でのデバイス寿命をＬｔ’，Ｈ2Ｏ濃度を［Ｈ2Ｏ’］とすると，水の体積比（［Ｈ2Ｏ’］／［Ｈ2Ｏ］）は次式で表せる。
　［Ｈ2Ｏ’］／［Ｈ2Ｏ］＝（Ｌｔ／Ｌｔ’）1/n≧Ｌｔ／Ｌｔ’ ・・・（式２）
　この式から，ある温度でのデバイス寿命Ｌｔを計測すれば，目標となるＬｔ’を得るのに最低限必要な水の体積比（［Ｈ2Ｏ’］／［Ｈ2Ｏ］）を算出できる。ここでは，後述する図２１の結果から２５℃純水での保管時のデバイス寿命Ｌｔを算出し，Ｌｔ’≧１week又はＬｔ’≧１monthを得るのに必要な体積比を算出した。その結果，上記条件(1)及び(4)を得た。
　図６は，本実施例による薄膜デバイス保管装置の構成例を示す断面模式図である。また，図７から図１５は，薄膜デバイス保管装置の他の構成例を示す断面模式図である。
　図６に示すように，薄膜デバイス保管装置は，第１の槽１１と第２の槽１２を備える容器を有し，保管すべき薄膜デバイスを保持している。容器の第１の槽１１と第２の槽１２には溶液１が密封されている。図６の場合，薄膜デバイスは薄膜３として描かれている。薄膜３は片面が容器の第１の槽１１，もう一方の面が第２の槽１２に配置されて溶液１に接液し，第１の槽１１と第２の槽１２に充填された溶液１は，薄膜３によって分離されている。溶液１はデバイス寿命１週間以上を達成できる上述の(1)～(3)の条件のいずれかを満たすものであり，好ましくは，デバイス寿命１ヶ月以上を達成できる上述の(4)～(6)の条件のいずれかを満たすものである。より長寿命化できるように，(1)～(6)のうち２つ以上の条件を同時に満たすものであってもよい。
　また溶液１は，保管後の工程で溶液１に電極を繋いで電圧を印加する際の溶液としても使えることが好ましく，一般的なナノポア計測で用いられる１ｍｍｏｌ／Ｌ以上の塩を含む溶液であることが好ましい。溶液１を１ｍｍｏｌ／Ｌ未満の塩を含む溶液とした場合，電気伝導度が小さく電圧を印加しても十分な電流量が得られず電流計測が困難となるため，電圧印加前には溶液１を１ｍｍｏｌ／Ｌ以上の塩を含む溶液に置換する工程が必要となる。また電流計測時におけるシグナルを向上させるためには，電気伝導度が上がるように塩濃度を高くすればよく，好ましくは１０ｍｍｏｌ／Ｌ以上，より好ましくは１００ｍｍｏｌ／Ｌ以上である。溶液１に含まれるカチオンとしては，電離するカチオン類を用いることができ，典型的にはＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａなどの一族元素又は二族元素を用いることが好ましい。溶液１に含まれるアニオンとしては，電離するアニオン類を用いることができ，電極の材質との相性によって選定することが好ましい。例えば電極材質としてハロゲン化銀を用いた場合，Ｉ，Ｂｒ，Ｃｌなどのハロゲン化物のイオンをアニオンとして用いることが好ましい。またアニオンは，グルタミン酸イオン等に代表される有機アニオン類であってもよい。
　薄膜３は無機材料で構成されており，無機材料は半導体微細加工技術で形成できる材質であればよく，典型的には窒化ケイ素，酸化ケイ素，酸化ハフニウム，二硫化モリブデン，グラフェンなどであり，好ましくは半導体プロセスで量産可能なＳｉの化合物である窒化ケイ素や酸化ケイ素などである。ピンセットで把持するといった工程で発生する振動や衝撃によって，薄膜３は一般に力学的に破壊されやすいことから，図７に示すように薄膜３を支持する支持構造４が設けられていることが好ましい。薄膜３を支持する構造としては，例えば厚さ７２５μｍ程度のシリコン製の支持基板を用いることができる。例えば，厚さ１μｍ以下，面積１００μｍ2以下のＳｉＮ薄膜を支持基板によって支持した薄膜デバイスが使用される。このように本明細書でいう薄膜デバイスは，無機材料の薄膜だけから構成されていてもよいが，好ましくは薄膜とそれを支持する支持構造を備えている。
　薄膜３が水溶液によってエッチングされるとき，元の膜厚から１％以上変化すると顕著な変化だと考えられることから，膜厚１００ｎｍ以下の薄膜を用いるときに絶縁破壊電圧１Ｖ以上（すなわち膜厚１ｎｍ以上）の変化が問題となる。すなわち，本実施例における溶液１への保管は，特に膜厚１００ｎｍ以下の薄膜において効力を発揮し，元の膜厚から１０％以上変化する膜厚１０ｎｍ以下の極薄膜ではより効力を発揮する。
　計測内容によって薄膜３の厚さを，より厳密に定めることが好ましく０．１ｎｍ以上１００ｎｍ以下とする必要がある。被検体として生体ポリマなどを分析する場合には，生体ポリマを構成するモノマ単位の２倍以上，好ましくは３倍以上，より好ましくは５倍以上の厚さとする。例えば生体ポリマが核酸から構成されている場合には，厚さは塩基３個以上の大きさ，例えば約１ｎｍ以上とすることが好ましい。一方でナノポアセンサの分解能という観点でみると，生体ポリマの形状や構成物質（ＤＮＡであれば塩基の種類等）を把握するためには，ナノポアの厚さは薄いことが好ましい。例えば生体ポリマの大きさが１～１０μｍ程度の連鎖球菌などを計測し，その直鎖状に連なった形状を把握するためには，ナノポアの厚さは１００ｎｍ以下にすることが好ましい。さらに生体ポリマが核酸から構成されているＤＮＡの塩基種などを解析するためには，塩基毎の間隔が０．５ｎｍ程度と短いことから，ナノポアの厚さは３０ｎｍ以下にすることが好ましく，より好ましくは１０ｎｍ以下である。これにより，生体ポリマの形状や構成物質などを高分解能で解析可能となる。また，ナノポアの形状は，基本的には円形であるが，楕円形や多角形とすることも可能である。
　薄膜３の表面に液体が接液するように処理してから溶液１を満たす必要があり，具体的にはＯ２プラズマを薄膜３の表面に当てて親水化してから溶液１を満たす方法や，ピラニア溶液等で有機残渣を除去し親水化してから溶液１を満たす方法や，エタノール等の表面張力が小さな溶液を一度薄膜表面に満たした後に溶液１へ置換することで溶液１を満たす方法などを用いるとよい。
　生体ポリマを分析する薄膜部は複数個が並ぶようにアレイ化されていてもよい。ナノポアアレイ構造では，計測のスループットを飛躍的に上昇させることができるという利点がある。このナノポアアレイ構造ではナノポアを有する薄膜部を規則的に配列することが好ましい。複数の薄膜部を配置する間隔は，使用する電極，電気測定系の能力や半導体プロセスの加工限界などに応じて，０．１μｍ～１０μｍ，好ましくは０．５μｍ～４μｍとすることができる。
　第１の槽１１，第２の槽１２などの溶液槽の素材は例えばＰＭＭＡであってもよく，耐薬品性にすぐれたテフロン（登録商標）などで構成されていてもよい。各溶液槽の容量は例えば１００ｍＬ以下のものを使用する。
　図６，図７ではナノポアＤＮＡシーケンサ等のセンサで用いられるような，薄膜３の両側に溶液を満たす構成を記載した。しかし当然のことながら，溶液が薄膜３をエッチングする現象は，図５で示したように薄膜３の片側にのみ溶液を満たす構成であっても発生する。そのため，図８に示すように薄膜３の片側にのみ溶液１を満たす構成であっても本明細書に記載のエッチング防止効果を得ることができる。図８に記載の薄膜デバイス保管装置は，第１の槽１１を備える容器を有し，保管すべき薄膜デバイスを保持している。容器の第１の槽１１には溶液１が密封されている。図８の場合，薄膜デバイスは薄膜３として描かれている。図８の構成は，Ion Sensitive Field Effect Transistorセンサ（ＩＳＦＥＴ）等のセンサで用いられる。ＩＳＦＥＴはイオン感応膜でゲート表面上を覆ったＦＥＴで，溶液－イオン感応膜間の表面電位を検出する。ＩＳＦＥＴのイオン感応膜にはＳｉＯ2，ＳｉＮ，Ａｌ2Ｏ3などの絶縁体の薄膜３が用いられる。ただし絶縁体の膜厚は１～１００ｎｍ程度であることが条件となる。そのため，図９に示すように薄膜３を支持する支持構造４が設けられていることが好ましい。薄膜３を支持する構造としては，例えば厚さ７２５μｍ程度のシリコン製の支持基板等を用いることができる。図９に示すセンサをＦＥＴとして機能させるために，Ｓｉの支持基板上にソース電極及びドレイン電極を設け，ソース電極及びドレイン電極の上にＳｉＯ2やＳｉＮなどの絶縁膜を設けているような構成であってもよい。このように本明細書でいう薄膜デバイスは，無機材料の薄膜だけから構成されていてもよいが，好ましくは薄膜とそれを支持する支持構造を備えている。
　図８，図９のように薄膜３の片側に溶液を満たす構成であっても，溶液との接液箇所から徐々に薄膜３はエッチングされてセンサ特性が変化することから，デバイス寿命を延ばすためには，溶液１の条件は図６や図７の構成と同様に配慮する必要がある。薄膜３の片側に溶液を満たす構成での達成すべきデバイス寿命は，顧客への配送などを行う場合１週間程度かかることから，デバイス寿命は１週間以上である必要がある。また薄膜デバイスを搬送するだけでなく，顧客側で保管して，計測できることが好ましく，現実的な運用方法として２～３週間以上保管できることが好ましいことから，配送にかかる１週間を考慮すると，全体として１ヶ月以上保管できることが好ましい。薄膜３の片側に溶液を満たしたときのデバイス寿命と，薄膜３の両側に溶液を満たしたときのデバイス寿命を比較すると，薄膜３と溶液との接液箇所からエッチングが進むことから，片側に溶液を満たした場合の方がデバイス寿命は長くなる。よって，デバイス寿命を１週間以上とするには，両側に溶液を満たしたときにデバイス寿命１週間以上を達成するときの溶液条件，上述の(1)～(3)の条件のいずれかを満たすものにすれば十分である。また，デバイス寿命１ヶ月以上を達成するには，上述の(4)～(6)の条件のいずれかを満たすものにすればよい。
　図１０以降の図で示す構成は，ナノポアＤＮＡシーケンサ等のセンサに適用することを想定し，薄膜の両側に溶液を満たす構成を記載する。図１０に示すように薄膜３中にナノポア２を設けてもよく，ナノポア２は大量生産ができるよう半導体プロセスによって形成されていてもよく，孔径が小さくなるようにＴＥＭの電子線で形成されていてもよい。より好ましくは，孔径の小さなナノポアを精度良く，素早く，安価に形成できるように，薄膜３に高電圧を与えることで絶縁破壊によって形成されたナノポア２を用いるとよい。このように容器に組み込んだ段階で薄膜にナノポアを設けると，この保管装置を顧客等に配送した際に，顧客側でナノポア製作を行う必要がなくなり，装置構成が簡易になり，即座に計測可能となる。
　計測内容によってナノポアの直径はより厳密に定めることが好ましく，例えば直径１０ｎｍ程度の生体ポリマやビーズなどを分析する場合には１００ｎｍ以下，好ましくは５０ｎｍ以下であり，具体的にはおよそ０．９ｎｍ以上１０ｎｍ以下などである。例えば直径が約１．４ｎｍである１本鎖ＤＮＡの分析に用いるナノポアの直径は，好ましくは１．４ｎｍ～１０ｎｍ程度，より好ましくは１．４ｎｍ～２．５ｎｍ程度である。また，例えば直径が約２．６ｎｍである２本鎖ＤＮＡの分析に用いるナノポアの直径は，好ましくは３ｎｍ～１０ｎｍ程度，より好ましくは３ｎｍ～５ｎｍ程度である。
　図１１に示すように，第１の電極１３と第２の電極１４がそれぞれ第１の槽１１，第２の槽１２に設けられていて，第１の電極１３は第１の槽１１内の溶液に接し，第２の電極１４は第２の槽１２内の溶液に接した状態にしておくと，図１２に示すように液槽外に別途設けられた電源装置１５や電流計１６や制御及び測定装置１７で構成された回路系に簡易に接続することが可能になる。制御及び測定装置１７はＰＣであってもよい。図１１のような構造の薄膜デバイス保管装置にすると，例えば，電源装置１５や電流計１６や制御及び測定装置１７で構成された装置を１つだけ用意して，薄膜デバイス保管装置を消耗品として活用し，計測が終わるごとに新しい薄膜デバイス保管装置を用いるようにすれば，安価に計測することが可能となる。すなわち，電極１３，１４を付設した薄膜デバイス保管装置は，薄膜デバイスを保管するだけではなく，電流計測に利用するための装置としても用いられる。
　第１の電極１３や第２の電極１４などの電極は，溶液１中の電解質と電子授受反応（ファラデー反応）を行うことが可能な材質で作製されることが好ましく，典型的にはハロゲン化銀又はハロゲン化アルカリ銀で作製されたものである。電位安定性及び信頼性の観点からは，銀塩化銀を電極に使用することが好ましい。電極は，分極電極となる材質で作製されてもよく，例えば金や白金などで作製されてもよい。その場合は，安定的なイオン電流を確保するために溶液に電子授受反応を補助することができる物質，例えばフェリシアン化カリウム又はフェロシアン化カリウムなどを添加することが好ましい。あるいは，電子授受反応を行うことが可能な物質，例えばフェロセン類をその分極電極表面に固定化することが好ましい。
　電極の構造は，電極全てが前記材質で構成されていてもよく，あるいは前記材質が銅，アルミニウムなどの下地材の表面に被覆されていてもよい。電極の形状は特に限定されるものではないが，溶液と接液する表面積が大きくなる形状が好ましい。電極は配線と接合されて，測定回路へと電気信号が送られる。電源装置１５は印加電圧を制御できるように制御及び測定装置１７と繋げていてもよく，電流計１６についてもパソコンなどの装置に繋ぐことで，計測した電流をデータとして保存する計測システムとなっていてもよい。電流計１６は，電圧の印加によって電極間に流れる電流を増幅するアンプとＡＤＣ（Analog to Digital Converter）を有していてもよい。
　第１の電極１３と第２の電極１４の電位差が大きいと薄膜３の絶縁破壊不良に繋がることから，少なくとも電位差を調整して薄膜の絶縁耐力以下に保つ必要がある。薄膜の絶縁耐力は，一般に１Ｖ／ｎｍとされており，この電界強度以下になるように保つ必要がある。好ましくは膜に経時的に電圧が印加されることがないように，第１の電極１３と第２の電極１４の電位差が０Ｖなど，薄膜の絶縁破壊電圧未満になるように調整されていればよく，図１３に示すように第１の電極１３と第２の電極１４が短絡された構造などであると良い。
　また溶液１を第１の槽１１と第２の槽１２内に導入しやすいように，図１４に示すように容器には導入口及び排出口３１が設けられていることが好ましい。このとき導入口及び排出口３１を通じて，溶液１は経時的に揮発する可能性があるため，容器には揮発防止用の封止構造が備えられていることが望ましい。具体的には，容器の流路導入口にシール構造３２を設ける，溶液１と混合しない溶液３２（溶液１が水溶液であればベンゼン・フロリナートなどの有機溶媒）を配置するなどの構造である。溶液３２を配置する際には，例えば溶液１を予め導入口及び排出口３１近傍まで満たしておき，その後導入口及び排出口３１を覆うように溶液３２を滴下する，といった手順で構築する。溶液１が空気と接触する面積が狭くなることが好ましい。
　溶液１を冷却して低温の溶液とするためには，温度調整機構を設ける必要がある。具体的には，薄膜デバイス保管装置の容器に熱伝素子（ペルチェ素子など）を貼り付けておき，熱伝素子と容器を介して溶液１に熱を伝えるような温度調整機構であればよい。ただしペルチェ素子などを薄膜デバイス保管装置の容器に貼り付ける形態は，各容器にペルチェ素子を用意する必要があるため単価コストが上がりやすい。そのため，図１５に示すように薄膜デバイスを保持する容器の周囲に温度調整機構４１を配置する，具体的には恒温槽や保冷材やドライアイス等を設ける，薄膜デバイス保管装置を冷蔵庫や冷凍庫に入れるといった形態にすることが好ましい。上記の薄膜デバイス保管装置をメーカ側から顧客へ配送して，顧客側で保管する一態様としては，例えば薄膜デバイス保管装置の周囲に保冷材やドライアイス等を配置した状態で配送し，顧客側では冷蔵庫や冷凍庫に保管する，といったものである。
　図１６は，本実施例による薄膜デバイス保管装置で保管された薄膜デバイスを用いた生体分子計測方法を示す模式図である。まず図１６（Ａ）に示すように薄膜３を溶液１に接液した状態にする。このとき，溶液１を用いたことにより薄膜３の劣化が防止されているため，この保管装置を長時間かけてメーカから顧客へ搬送したり，長期保管するなどの処理を行ってもよい。
　続いて図１６（Ｂ）に示すように，電源装置１５と電流計１６と制御及び測定装置１７で構成された装置等によって第１の電極１３と第２の電極１４の間に薄膜３の絶縁破壊電圧以上の高電圧を印加し，絶縁破壊によって薄膜３にナノポア２を形成する。最後に図１６（Ｃ）に示すように，第１の電極１３と接する溶液又は第２の電極１４と接する溶液にＤＮＡなどの生体ポリマ５１を導入して，第１の電極１３と第２の電極１４の間に電位差を与え，生体ポリマ５１がナノポア２を通過している間のイオン電流の変化から生体試料を計測・解析する。
　図１６（Ａ）に示す薄膜デバイス保管装置には，図１１で示したように，第１の電極１３と第２の電極１４がそれぞれ第１の槽１１及び第２の槽１２に設けられていて，第１の電極１３は第１の槽１１内の溶液に接し，第２の電極１４は第２の槽１２内の溶液に接した状態としてもよい。このような構成にすると，液槽外に別途設けられた電源装置１５や電流計１６や制御及び測定装置１７で構成された回路系に簡易に接続可能となる。あるいは，電極が設けられていない図１６（Ａ）に示す薄膜デバイス保管装置で保管した薄膜デバイスを，計測時に薄膜デバイス保管装置から取り出して図１６（Ｂ）に示す電極が設けられた計測用の容器に設置してもよい。
　分析対象となる生体ポリマ５１は，ナノポア２通過時に電気的特性，特に抵抗値を変化させる対象物であればよく，核酸から構成されるものである。具体的には，ＲＮＡ（一本鎖ＲＮＡ若しくは二本鎖ＲＮＡ），ＤＮＡ（一本鎖ＤＮＡ若しくは二本鎖ＤＮＡ），ＰＮＡ（ペプチド核酸），オリゴヌクレオチド，アプタマー，並びにそれらの組み合わせ（例えば，ハイブリッド核酸）である。生体ポリマ５１は，生体に存在するものであってもよいし，又は生体に存在するものから誘導されるものであってもよい。例えば，自然には存在しない配列や構成要素を含むポリマ，例えばpoly(A)，poly(T)などの配列，人為的に合成されたポリマ分子，核酸増幅技術（例えばＰＣＲ）によって調製された核酸，ベクターにクローニングされている核酸なども含まれる。これらの生体ポリマ５１の調製方法は，当技術分野で周知であり，当業者であれば，生体ポリマ５１の種類に応じて適宜調製方法を選択することができる。本実施例において，生体ポリマ５１の分析とは，生体ポリマ５１を構成する核酸の特性解析を指す。例えば，生体ポリマ５１を構成する核酸のモノマの配列順序の分析（配列決定），核酸の長さの決定，一塩基多型の検出，生体ポリマ数の決定，生体ポリマ中の構造多型（コピー数多型，挿入，欠失など）の検出などを指す。
　溶液１に含まれる塩の濃度が１ｍｍｏｌ／Ｌ未満などであり，電流計測を実施するにあたって十分な電気伝導度が得られない場合には，図１７に示すように，溶液１から電流計測用の溶液１０１に置換する必要がある。溶液１０１は一般的なナノポア計測で用いられる１ｍｍｏｌ／Ｌ以上の塩を含む溶液であることが好ましい。また電流計測時におけるシグナルを向上させるためには，電気伝導度が上がるように塩濃度を高くすればよく，好ましくは１０ｍｍｏｌ／Ｌ以上，より好ましくは１００ｍｍｏｌ／Ｌ以上である。溶液１０１に含まれるカチオンとしては，電離するカチオン類を用いることができ，典型的にはＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａなどの一族元素又は二族元素を用いることが好ましい。溶液１０１に含まれるアニオンとしては，電離するアニオン類を用いることができ，電極の材質との相性によって選定することが好ましい。例えば電極材質としてハロゲン化銀を用いた場合，Ｉ，Ｂｒ，Ｃｌなどのハロゲン化物のイオンをアニオンとして用いることが好ましい。またアニオンは，グルタミン酸イオン等に代表される有機アニオン類であってもよい。ただし，図１７の手順と比較して図１６に示す手順の方が作業工程が少なくて済む，という利点がある。
　溶液１に低温の溶液を用いた場合においては，図１６（Ｂ）や図１７（Ｂ）などのナノポア開孔時に，薄膜デバイス保管装置を低温に保ったまま電圧を印加してもよい。薄膜デバイス保管装置の溶液を低温に保ったまま電圧印加して開孔すると，薄膜３の絶縁破壊電圧を高めることができ，絶縁破壊電圧の低い薄膜を絶縁破壊する際に発生しやすいソフトブレークダウンを防止し，電流特性を安定化させることができる。また溶液１に低温の溶液を用いた場合においては，図１６（Ｃ）や図１７（Ｃ）などの生体ポリマ５１計測時に，薄膜デバイス保管装置を低温に保ったまま計測してもよい。薄膜デバイス保管装置を低温に保ったままＤＮＡなどを計測すると，ＤＮＡのナノポア通過速度を遅延化させることが可能となる。
　以上で述べた計測方法の具体例の１つは次のとおりである。まずメーカ側が親水化処理済の薄膜３を薄膜デバイス保管装置の容器の第１の槽１１及び第２の槽１２内に組み込み，１ｍｏｌ／Ｌ ＫＣｌ水溶液を溶液槽内に満たす。このとき，第１の電極１３と第２の電極１４がそれぞれ第１の槽１１，第２の槽１２に設けられていて，第１の電極１３は第１の槽１１内の溶液に接し，第２の電極１４は第２の槽１２内の溶液に接した状態にしておく。また第１の電極１３と第２の電極１４とは短絡させて電位差を０Ｖとしておき，薄膜３が劣化しないようにしておく。その後，薄膜デバイス保管装置を冷蔵輸送（＋２℃～＋８℃等で冷却維持された状態）で１週間程度かけて顧客側へと届ける。顧客側では届けられた薄膜デバイス保管装置を冷蔵庫に２～３週間以上保管（４℃程度で冷却維持された状態）して，計測サンプルである生体試料の準備等を整えてから，薄膜デバイス保管装置を取り出し，電源装置１５と電流計１６と制御及び測定装置１７で構成された装置に接続する。そして，電源装置１５と電流計１６と制御及び測定装置１７によって薄膜３に高電圧を与え，絶縁破壊によってナノポア２を設ける。最後に，計測サンプルである生体試料５１を導入して，ナノポア２通過時の生体試料を計測・解析する。
　以下に，本実施例の効果を検証した実験例を示す。本実験では，ＳｉＮ膜を含む薄膜デバイスの薄膜の両側に溶液が接液するように，各種条件の溶液に浸して保管し，一定時間経過後に薄膜デバイスを溶液中から取り出して洗浄した後，薄膜デバイスの上下に１ｍｏｌ／Ｌ ＣａＣｌ2（常温）を満たして薄膜に電圧を印加し，絶縁破壊電圧や膜を通過する電流値を計測した。
　まず前述のように，ＳｉＮ膜を含む薄膜デバイスを長期間水溶液中に保管すると，徐々にＳｉＮ膜がエッチングされて絶縁破壊電圧が減少することを検証した。図１８は，薄膜デバイスを純水，１００ｍｍｏｌ／Ｌ ＣａＣｌ2，１ｍｏｌ／Ｌ ＣａＣｌ2の水溶液中に保管したときの絶縁破壊電圧の経時変化を示したものである（温度はいずれも２５℃）。この結果から，いずれの保管条件においても絶縁破壊電圧Ｖが時間ｔに対して線形に減少することが判明した。一般に薄膜の深さ方向へのエッチングレートは一定であることから，Ｈ2Ｏへの浸漬時間に対してほぼ線形に膜厚が薄くなると考えられ，また薄膜の絶縁破壊強度は１Ｖ／ｎｍであり，絶縁破壊電圧は膜厚に対してほぼ線形である。すなわち，Ｈ2Ｏへの浸漬時間に対してほぼ線形に絶縁破壊電圧が減少すると考えられる。そのため，図１８に示す絶縁破壊電圧が時間に対して線形に減少するという実験結果は，絶縁破壊電圧の減少がＨ2Ｏによるエッチングに由来することを支持するものである。
　１ｍｏｌ／Ｌ ＣａＣｌ2は，純水や１００ｍｍｏｌ／Ｌ ＣａＣｌ2と比較して絶縁破壊電圧の減少が抑制されており，長寿命化に効果があることが分かる。これは１ｍｏｌ／Ｌ ＣａＣｌ2水溶液では高濃度の塩が含まれており，塩が水と水和することでＨ2ＯがＳｉＮ膜をエッチングする反応の活性化エネルギーを変動させるため，このように長寿命化に繋がったと考えられる。以上の結果はＨ2ＯがＳｉＮ膜をエッチングするという仮説を支持するものであり，また高濃度の塩（１ｍｏｌ／Ｌ以上）を含む溶液では長寿命化できることを示している。
　図１９は，薄膜デバイスを純水で保管し，かつ保管温度を変化（２５℃，４０℃，６０℃，８０℃）させたときの絶縁破壊電圧の経時変化を示したものである。図１９（Ａ）は横軸対数スケール，図１９（Ｂ）は横軸線形スケールで表記した。図１９（Ａ）から明らかなように，保管時の温度が高いほど，絶縁破壊電圧は短時間で減少することが示された。図１９（Ｂ）に示す直線は各温度で保管した際の近似直線を示しており，いずれの保管条件においても保管時間ｔに対して絶縁破壊電圧Ｖは線形に減少することが判明した。この結果は図１８の結果と同様であり，膜の劣化がＨ2Ｏによるエッチングに由来することを支持するものである。
　また図１９をもとに絶縁破壊電圧が１Ｖ低減するまでの時間(デバイス寿命)Ｌｔと保管温度Ｔの関係をまとめると，図２０のようになる。図２０中の黒のプロットは図１９の実験データから得られた値を示しており，点線は近似直線を示している。図２０の結果はｌｎＬｔ∝１／Ｔとなることを示し，デバイス寿命がアレニウス型の関係式で表せることを示唆しており，直線の傾きから純水保管時の活性化エネルギーＥを算出できる。
　図２１は，これまでの実験結果をもとに，薄膜デバイスを純水と１ｍｏｌ／Ｌ ＣａＣｌ2水溶液で保管したときの，デバイス寿命と保管温度のアレニウス型の関係式を示したものである。図２１に示す純水保管時の結果は，図２０で示した近似直線の縦軸と横軸の表記を変えたものであり，デバイス寿命Ｌｔを縦軸対数スケールで表記し，保管温度Ｔを横軸に示した。続いて図２１に示す１ｍｏｌ／Ｌ ＣａＣｌ2水溶液保管時の結果を算出する際には，まず図１８の結果から２５℃保管時の絶縁破壊電圧が１Ｖ低減するまでの時間(デバイス寿命)Ｌｔを算出した。（式１）に示すＡや［Ｈ2Ｏ］-nは純水保管時と同一であると考え，純水保管時のデバイス寿命と比較することで１ｍｏｌ／Ｌ ＣａＣｌ2水溶液保管時の活性化エネルギーを算出し，図２１を得た。図２１から任意のデバイス寿命を得るのに最低限必要となる保管温度（冷却温度）を読み取ることができ，デバイス寿命１週間を得るには，純水保管では１５℃未満，１ｍｏｌ／Ｌ ＣａＣｌ2水溶液保管では２５℃未満，と判明した。また，デバイス寿命１ヶ月を得るには，純水保管では５℃未満，１ｍｏｌ／Ｌ ＣａＣｌ2水溶液保管では１５℃未満，と判明した。
　図２２は，薄膜デバイスを２５℃の純水で保管し，０．１Ｖの電圧を印加したときに膜を通過する電流値を示したものである。水溶液中での保管により絶縁破壊電圧が減少して０．１Ｖ以下まで減少すると，生体分子計測等で実施されるような０．１Ｖなどの低電圧印加時であっても絶縁破壊する。また，薄膜の上下に満たされた電解液間には溶液槽表面の静電気によって０．１Ｖ以上の電位差が生じることもあり，こうした静電気の影響によっても膜が絶縁破壊する。膜内に絶縁破壊された孔が存在すると，０．１Ｖ印加時にその孔を通じてイオン電流が流れるため１×１０-10Ａ以上のイオン電流が発生する。そのため電流値が１×１０-10Ａを超えるかを調べることで，膜が絶縁破壊されたか判別できる。図２２で示すように時間経過に伴って１×１０-10Ａを超える薄膜デバイスが増加しており，これはＨ2Ｏによるエッチングによって絶縁破壊電圧が徐々に減少し，静電気や０．１Ｖ印加時の電圧によって絶縁破壊したことを示している。この結果からも，水溶液中での長期保管によって絶縁破壊電圧が減少することを確認できた。
　図２３は，同じ膜厚の薄膜デバイスを２５℃の純水及び２５℃の１ｍｏｌ／Ｌ ＣａＣｌ2の溶液に２週間保管した後，０．１Ｖ印加時の電流値を計測したものである。結果，純水保管では孔を通過するリーク電流が観測されたのに対して，１ｍｏｌ／Ｌ ＣａＣｌ2保管ではリーク電流を抑制できた。この結果からも，１ｍｏｌ／Ｌ ＣａＣｌ2を用いることにより，長寿命化することを確認できた。
　図２４は，同じ膜厚の薄膜デバイスを２５℃及び４℃の純水に２週間保管した後，０．１Ｖ印加時の電流値を計測したものである。結果，２５℃保管では孔を通過するリーク電流が観測されたのに対して，４℃保管ではリーク電流を抑制できた。この結果から，保管時の温度をより下げることにより，長寿命化することを確認できた。
　図２５は，同じ膜厚の薄膜デバイスを２５℃の純水及び２５℃の有機溶媒（ＩＰＡとＤＭＳＯ）に保管した後，０．１Ｖ印加時の電流値を計測したものである。保管日数はそれぞれ異なり，純水保管では３又は４日，有機溶媒保管では２ヶ月とした。結果，純水保管では孔を通過するリーク電流が観測されたのに対して，有機溶媒保管では保管時間が長いのにも関わらずリーク電流を抑制できた。この結果から，保管時の溶液に有機溶媒を用いてＨ2Ｏ濃度を下げることにより，長寿命化することを確認できた。
　以上の実験例では，Ｓｉを含む膜（ＳｉＮ膜）での実験結果を例示したが，当然のことながらＨ2ＯによるエッチングはＳｉを含む膜に限定されるものではなく，膜の材質がグラフェンなどであってもグラフェンがＨ2Ｏで酸化されて酸化グラフェンとなり，やがてＣＯ２などに分解されると考えられることから，本手法を適用できる。
　なお，本発明は上記した実施例に限定されるものではなく，様々な変形例が含まれる。例えば，上記した実施例は本発明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ものに限定されるものではない。また，ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり，また，ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また，各実施例の構成の一部について，他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１　溶液
２　ナノポア
３　薄膜
４　支持構造
１１　第１の槽
１２　第２の槽
１３　第１の電極
１４　第２の電極
１５　電源装置
１６　電流計
１７　制御及び測定装置
３１　導入口及び排出口
３２　シール構造
４１　温度調整機構
５１　生体ポリマ

Claims (15)

  1. 　Ｓｉを含んだ厚さ１００ｎｍ以下の絶縁性の薄膜を有する薄膜デバイスと，
    　前記薄膜に接液する溶液と，
    　前記溶液を密封する槽を有する容器とを備え，
    　前記溶液は下記(1)乃至(3)のいずれかの条件を満たす溶液である，薄膜デバイス保管装置。
    　(1)体積比０％以上３０％以下の水を含む溶液
    　(2)凝固点以上１５℃未満に冷却維持された溶液
    　(3)濃度１ｍｏｌ／Ｌ以上飽和濃度以下の塩を含み，凝固点以上２５℃未満に冷却維持された溶液
  2. 　前記薄膜デバイスを挟んで配置された第１の槽と第２の槽を有する容器を備え，
    　前記第１の槽及び前記第２の槽にはそれぞれ前記薄膜と接液する前記溶液が密封されている請求項１に記載の薄膜デバイス保管装置。
  3. 　前記溶液の温度を調整する機構を有する，請求項１に記載の薄膜デバイス保管装置。
  4. 　前記溶液は下記(4)乃至(6)のいずれかの条件を満たす溶液である，請求項１に記載の薄膜デバイス保管装置。
    　(4)体積比０％以上５％以下の水を含む溶液
    　(5)凝固点以上５℃未満に冷却維持された溶液
    　(6)濃度１ｍｏｌ／Ｌ以上飽和濃度以下の塩を含み，凝固点以上１５℃未満に冷却維持された溶液
  5. 　前記第１の槽には第１の電極が，前記第２の槽には第２の電極が，それぞれ前記溶液に接した状態で配置されており，
    　前記第１の電極と前記第２の電極が短絡されている，請求項２に記載の薄膜デバイス保管装置。
  6. 　前記薄膜の厚さが１０ｎｍ以下である，請求項２に記載の薄膜デバイス保管装置。
  7. 　前記薄膜には直径０．１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の孔が設けられている，請求項２に記載の薄膜デバイス保管装置。
  8. 　前記第１の槽及び前記第２の槽は前記溶液の揮発防止用の封止構造を有する，請求項２に記載の薄膜デバイス保管装置。
  9. 　Ｓｉを含んだ厚さ１００ｎｍ以下の絶縁性の薄膜を有する薄膜デバイスの保管方法であって，
    　前記薄膜デバイスを親水化処理する工程と，
    　親水化処理された前記薄膜デバイスを下記(1)乃至(3)のいずれかの条件を満たす溶液に接液させて保管する工程と，
    　を有する薄膜デバイスの保管方法。
    　(1)体積比０％以上３０％以下の水を含む溶液
    　(2)凝固点以上１５℃未満に冷却維持された溶液
    　(3)濃度１ｍｏｌ／Ｌ以上飽和濃度以下の塩を含み，凝固点以上２５℃未満に冷却維持された溶液
  10. 　前記溶液は下記(4)乃至(6)のいずれかの条件を満たす溶液である，請求項９に記載の薄膜デバイスの保管方法。
    　(4)体積比０％以上５％以下の水を含む溶液
    　(5)凝固点以上５℃未満に冷却・維持された溶液
    　(6)濃度１ｍｏｌ／Ｌ以上飽和濃度以下の塩を含む溶液であって，凝固点以上１５℃未満に冷却維持された溶液
  11. 　Ｓｉを含んだ孔のない厚さ１００ｎｍ以下の絶縁性の薄膜を有する薄膜デバイスを下記(1)乃至(3)のいずれかの条件を満たす溶液に接液させて保管する工程と，
    　前記薄膜デバイスの一方の面に接液する溶液に接する第１の電極と他方の面に接液する溶液に接する第２の電極との間に前記薄膜の絶縁破壊電圧以上の電圧を印加して前記薄膜に孔を形成する工程と，
    　前記第１の電極と接する溶液又は前記第２の電極と接する溶液に生体分子を導入する工程と，
    　前記第１の電極と前記第２の電極の間に電位差を与え，前記生体分子が前記孔を通過している間の電流値変化を計測して前記生体分子の特性を調べる工程と，
    　を有する生体分子計測方法。
    　(1)体積比０％以上３０％以下の水を含む溶液
    　(2)凝固点以上１５℃未満に冷却維持された溶液
    　(3)濃度１ｍｏｌ／Ｌ以上飽和濃度以下の塩を含む溶液であって，凝固点以上２５℃未満に冷却維持された溶液
  12. 　前記溶液は下記(4)乃至(6)のいずれかの条件を満たす溶液である，請求項１１に記載の生体分子計測方法。
    　(4)体積比０％以上５％以下の水を含む溶液
    　(5)凝固点以上５℃未満に冷却維持された溶液
    　(6)濃度１ｍｏｌ／Ｌ以上飽和濃度以下の塩を含み，凝固点以上１５℃未満に冷却維持された溶液
  13. 　前記溶液は前記(2)又は(3)の条件を満たす溶液であり，
    　前記薄膜に孔を形成する工程においても前記溶液の冷却条件を変えずに孔を形成する，請求項１１に記載の生体分子計測方法。
  14. 　前記薄膜に孔を形成する工程の前に，前記溶液を濃度１００ｍｍｏｌ／Ｌ以上飽和濃度以下の塩を含む溶液で置換する工程を有する，請求項１１に記載の生体分子計測方法。
  15. 　前記薄膜の厚さが１０ｎｍ以下である，請求項１１に記載の生体分子計測方法。
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