JP2004170232A - Electrophoretic device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気泳動により分析を行うことを目的とした電気泳動デバイスに関し、特に極微量の試料を高速かつ高分離で分析することができ、マイクロチップとも称される電気泳動デバイスに関するものである。
このような電気泳動デバイスは、生化学、分子生物学、臨床、例えばDNA(デオキシリボ核酸)や蛋白質の解析分野などで利用されている。
【0002】
【従来の技術】
極微量のDNAや蛋白質などを分析する場合には、従来から電気泳動法が用いられており、その装置化技術の例としてキャピラリー電気泳動装置がある。キャピラリー電気泳動装置は、内径が100μm以下のガラスキャピラリー内に泳動バッファを充填し、一端側に試料を導入した後、両端間に高電圧を印加して分析対象物をキャピラリー内で展開させるものである。キャピラリー内は容積に対して表面積が大きい、すなわち冷却効率が高いことから、高電圧の印加が可能となり、DNAなどの極微量試料を高速、かつ高分解能にて分析することができる。
【0003】
近年、取扱いが煩雑なガラスキャピラリーに代わって、分析の高速化、装置の小型化が期待できる形態として、2枚の基板を接合して形成された電気泳動デバイスが提案されている(非特許文献1参照。)。
【0004】
その電気泳動デバイスの例を図4に示す。一対の透明基板1,2からなり、一方の基板2の表面には、(B)に示されるように互いに交差する注入流路4と分離流路5を形成し、他方の基板1には、(A)に示されるように注入流路4及び分離流路5の両端に対応する位置にリザーバ3を貫通穴として設け、それらの基板1,2を(C)に示されるように重ねて接合したものである。
このような従来の電気泳動デバイスは、試料導入は互いに交差する注入流路4と分離流路5とからなるクロスインジェクターデザインの流路を用いることを基本としている。
【0005】
この電気泳動デバイスを使用するときは、いずれかのリザーバ3から泳動バッファを注入流路4及び分離流路5中に注入する。その後、注入流路4の一方の端のリザーバ3に試料を約1〜2μl(マイクロリットル)注入した後、各リザーバ3にそれぞれ電極を差し込むか、又は予め各リザーバ3に形成された電極を用いて、電気泳動的に注入流路4に試料を均一にかつ交差部6で分離流路5側に広がらないように電圧を複数箇所印加しながら所定の電圧を印加し、試料を注入流路4と分離流路5の交差部6に導く。
【0006】
次に、印加電圧を分離流路5に切り替え、かつ注入流路4にも交差部6から逆方向に試料が移動するよう電圧を印加して、交差部6の試料のみを分離流路5に導入し、電気泳動分離を行なう。分離流路5の適当な位置に検出器を配置しておくことにより、分離成分の検出を行なう。
【0007】
このような電気泳動デバイスを用いた分析は、従来のキャビラリー電気泳動分析と比較して、高速分析が可能、溶媒消費量が極めて少ない、必要とするサンプルが極微量、装置の小型化が可能などの利点を有する。これらの特徴は、上記した分析化学の分野において従来の分析装置では実現が困難であった現場(オンサイトやベッドサイド)分析を可能とするものとして、またDNA分析などの分野に対しては高速分析の視点からスクリーニングに有利なものとして有望視されている。
【0008】
上述した電気泳動デバイスでは、一般に光学的な検出法が採用されることが多く、この際に迷光を防ぐ目的で光学スリットを設けることによりS/N比を改善することができる。
【0009】
本発明者らは、効率的に光学スリットを形成する方法として、2枚の基板の接合界面に遮光性をもつ薄膜を介在させ、それを光学スリットとして利用する方法を提案している(特許文献1参照。)。
その光学スリットの遮光膜に当たった光はその遮光膜によって遮られて検出器に入射しなくなり、検出感度が向上する。
【0010】
【非特許文献1】
D. J. Harrison et al., Science 261 (1993) pp. 895−897
【特許文献1】
特開2000−121547号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、上述した電気泳動デバイスでは、試料の導入及び分離に2本の交差した流路、4つの電極により溶液の流れをコントロールする方法が多く採用されているが、電気泳動では各電極に高電圧を印加するために、例えば試料の導入時に印加した電圧により接合界面の薄膜中を微小なリーク電流が流れ、分離流路中に気泡が発生する等の不具合が起こる場合がある。
【0012】
本発明は、電気泳動デバイスの接合界面に遮光などの目的で薄膜が設けられている場合に、その薄膜中をリーク電流が流れることによる不具合が発生するのを抑えることを目的とするものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の電気泳動デバイスは、内部に分離流路を含む流路が形成されるように2枚の基板が接合され、各流路の端部にリザーバが形成されており、前記流路及びリザーバに泳動バッファが充填され、前記リザーバを介して流路に電圧が印加されて前記分離流路への試料導入と分離流路での試料成分の分離がなされる電気泳動デバイスにおいて、前記両基板の接合界面に導電性を持った薄膜が存在しており、かつ前記薄膜には少なくとも高電圧が印加される部分ではリザーバと流路間のその薄膜の電気抵抗を高めるための加工が施されていることを特徴とするものである。
【0014】
接合界面に存在する薄膜の抵抗率は、その材料及び成膜方法、熱処理等によって変化する。しかしながら、条件を最適化しても必ずしも十分な抵抗値が得られるとは限らない。そのため、本発明は界面に存在する薄膜を加工することによって目的とする部分の電流経路を高抵抗化したものである。
【0015】
電気泳動デバイスでは、一般に注入流路と分離流路と呼ばれる2本の交差した流路を用い、注入流路の一端にあるリザーバ(試料導入口)に入れた試料を、電圧(あるいは電気浸透流)をコントロールして、分離流路との交点付近に存在するプラグのみを切り分けて分離流路に導入する。実際には、注入流路及び分離流路の両端にある電極に印加する電圧を切り替えることによって、流路中の電位勾配を変化させるわけであるが、各電極に印加された電圧に伴う電流が、流路以外に接合界面に存在する薄膜にも一定量以上の電流が流れた場合には、その電子が流路に到達した場所で流路中の液体と電子の授受が起こり、結果として気泡発生等の不具合が起こる。本発明により、流路デザインに合わせて、電極から流路への電流経路を細くしたり、分断したりする加工により、電流経路を高抵抗化したので、気泡発生等の不具合を抑えることができる。
【0016】
その加工は、微細加工技術を利用し、例えば流路加工と同時に実施することも可能である。その場合には作製工程を複雑化させることなく目的とする特性を得ることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
基板の素材としては、石英ガラスやパイレックス(登録商標)などのガラス板の他、樹脂板も使用することができる。
接合界面に存在する薄膜は遮光膜とすることができる。遮光膜としては、Si(シリコン)薄膜のほか、Cr(クロム)などの金属薄膜など、測定光に対し、吸収係数の大きい膜であれば使用することができる。
【0018】
また、接合界面に存在するその薄膜は、基板に流路を形成する際の微細加工技術において、基板をエッチングする際のマスクとして使用できるように、そのエッチングに対して基板との間に大きな選択比をもつものであれば、なお好都合である。
【0019】
図1に一実施例の電気泳動デバイスを示す。図2は図1のA−A’線位置での断面図である。
基板1、2はガラス基板、例えば石英ガラス基板である。ガラス基板1の片面には、液体試料用流路として用いる微小な流路4,5(注入流路4と分離流路5)、及び各リザーバ(電極)3と流路4,5間の電流経路を高抵抗化させるための溝15がエッチングにより形成されている。ガラス基板2には、例えばサンドプラスト加工のような方法で貫通穴が形成されており、これが試料や泳動バッファを入れるリザーバ(▲1▼〜▲4▼)3となる。このリザーバ3が電圧を印加するための電極部にあたる。この2枚のガラス基板1,2を例えばフッ酸接合法等の方法で接合することによって、本発明の電気泳動デバイスを実現することができる。
【0020】
注入流路4と分離流路5は互いに交差するように形成され、両流路4、5の両端にリザーバ(▲1▼〜▲4▼)3が配置されている。流路4,5は、幅が数100μm以下、例えば10〜200μm、深さが数100μm以下、例えば2〜90μmである。注入流路4は長さが数mm〜数十mm、分離流路5は長さが10〜100mmである。
【0021】
ガラス基板1のエッチングは、Si薄膜13をマスクに形成されており、エッチングマスクのSi薄膜13が光学スリットとして残されている。
【0022】
電流経路を高抵抗化させるための溝15は、リザーバ3の周囲と流路4,5に沿うように形成されていることによりSi薄膜13をパターン化しており、電極が配置されるリザーバ3から流路4又は5への電流経路を細くしたり、リザーバ3と流路4又は5との間を分断したりしている。これにより、リザーバ3と流路4又は5との間の電流経路が高抵抗化されている。
【0023】
この電気泳動デバイスを使用するとき、いずれかのリザーバ3から泳動バッファを注入流路4及び分離流路5中に注入、1つのリザーバ、例えば、リザーバ▲3▼に試料を約1〜2μl(マイクロリットル)注入した後、電気泳動的に注入流路4に試料を均一にかつ交差部で分離流路5側に広がらないように各リザーバ3により所定の電圧を印加し、試料をリザーバ▲2▼の方向に移動させ、注入流路4と分離流路5の交差部に導く。その後、適当なタイミングで印加電圧を分離流路5に切り替え、かつ注入流路4にも交差部から逆方向に試料が移動するよう電圧を印加して、交差部の試料のみを分離流路5に導入し、電気泳動分離を行なう。
【0024】
分離流路5の適当な位置に検出器を配置しておくことにより、分離成分の検出を行なう。分離ピークの検出は種々の方法で行なうことができる。例えば、検出位置における光学的な蛍光検出、UV(紫外線)吸収検出、化学発光検出、作用電極と検出電極を設けた電気化学検出、あるいは分離流路末端から工レクトロスプレイ法によりイオン化して質量分析計で検出するなどの方法がある。
【0025】
ここで、試料導入及び電気泳動分離のために、例えばリザーバ▲3▼に高電圧を印加した場合、高抵抗化用の溝15がないときは分離流路5のリザーバ▲3▼の近くの部分(図1で直下の部分)に気泡が発生するおそれがあるが、本実施例のシリコン薄膜13のパターンでは、リザーバ▲3▼を囲むように形成された溝5のために、この部分の電流経路の抵抗が、例えば10倍以上に増加させられているために、気泡発生を抑制することができる。
【0026】
次に、この実施例の電気泳動デバイスを作製する方法を図3により説明する。ここでは、溝15及び流路4,5をまとめて溝8と表現する。
(a)まず、ガラス基板1を洗浄した後、薄膜形成装置、例えばスパッタ成膜装置にて遮光膜を兼ねるエッチング保護膜としてSi薄膜13を3000Åの厚さに成膜し、さらにその上にエッチング保護膜をパターニングするたのフォトレジスト16として、例えばAZ4620を3000rpmの回転速度で40秒間スピンコートする。この時、レジスト16の厚さは、約7μmとなる。使用するフォトレジストの材質や厚みは特に限定されるものではなく、後のエッチング工程に耐える材質や厚みであればよい。また、エッチング保護膜の材料及び厚さも特に限定されるものではなく、後の基板エッチング工程に耐える材質及び厚みであればよい。ここでは実施例に合わせてSi薄膜を使用している。
【0027】
(b)次に、フォトマスク7を用いてフォトレジスト16を露光し、その後、現像する。フォトレジスト16の露光は、一般に半導体製造に用いられているアライナを用いて行うことができる。現像液は用いるフォトレジストを現像するために使用できるものであれば特に限定されるものではない。
【0028】
(c)次に、SF6ガス中での高周波プラズマを用いたドライエッチングにより、Si薄膜13をパターニングする。ここでもエッチングガスは特に限定されるものではなく、Siが問題なくエッチングされるガスであればよい。
【0029】
(d)パターニングされたSi薄膜13及びフォトレジスト16をマスクとして、基板1を例えば46%フッ酸水溶液にてエッチングして、溝8を形成する。ここでも基板1のエッチング液は特に限定されるものではなく、石英ガラスがエッチングできる溶液であればよい。
【0030】
(e)フォトレジスト16を除去した後、Si薄膜13の表面を酸化して、Si膜の表面にシリコン酸化膜4aを形成する。
【0031】
(f)一方、ガラス基板2に対しては、(f)に示されるように、例えばサンドブラスト法などの加工方法により、リザーバ3用の貫通孔を形成しておく。
【0032】
(g)最後に、溝8及びシリコン薄膜13を形成したガラス基板1と、貫通孔3を形成したガラス基板2を重ね合わせ、例えば1%のフッ酸水溶液を界面に介在させ、必要に応じて1MPa程度の加重を印加しつつ、室温で24時間放棄することにより、ガラス基板1と2を接合させて図1に示される実施例の電気泳動デバイスを形成する。なお、工程(d)におけるガラス基板1のエッチングをドライエッチングで行ってもよい。
【0033】
上記実施例に上げた材料及び作成方法は一例であり、本発明の材料・加工方法を限定するものではない。
また、実施例では溝15は基板までエッチングされているが、薄膜13を除去するのみでも同等の効果が得られる。
【0034】
【発明の効果】
本発明の電気泳動デバイスによれば、分離用流路を含む流路が形成されている基板の接合界面に導電性を持った薄膜が存在しており、かつその薄膜には各リザーバと流路間のその薄膜の電気抵抗を高めるための加工が施されているので、基板界面で各リザーバと流路間に存在する薄膜の電気抵抗を大幅に増加させることが可能であり、試料注入及び分析時の気泡発生等の問題を回避することができる。
また、その加工は薄膜に溝を設けたりパターン化する程度の簡単な加工ですむ。特に、分離用流路を含む流路と同時に形成するようにすれば、作製工程を増加することもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施例の電気泳動デバイスを示す概略平面図である。
【図2】図1のA−A’線位置での断面図である。
【図3】同実施例の電気泳動デバイスを製作する方法を概略的に示す工程断面図である。
【図4】従来の電気泳動デバイスを示す図であり、(A)は一方の基板の平面図、(B)は他方の基板の平面図、(C)は両基板を重ねて接合した状態での側面図である。
【符号の説明】
1,2 ガラス基板
3 リザーバ
4 注入流路
5 分離流路
13 Si薄膜
15 高抵抗化のための溝[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrophoresis device for performing analysis by electrophoresis, and more particularly to an electrophoresis device capable of analyzing a very small amount of sample with high speed and high separation, and also referred to as a microchip. .
Such electrophoresis devices are used in biochemistry, molecular biology, clinical practice, for example, in the field of DNA (deoxyribonucleic acid) and protein analysis.
[0002]
[Prior art]
When a very small amount of DNA, protein, or the like is analyzed, an electrophoresis method has been conventionally used, and a capillary electrophoresis apparatus is an example of a technique for realizing the apparatus. A capillary electrophoresis device is a device in which a glass capillary having an inner diameter of 100 μm or less is filled with an electrophoresis buffer, a sample is introduced into one end side, and a high voltage is applied between both ends to develop an analyte in the capillary. is there. Since the inside of the capillary has a large surface area with respect to the volume, that is, high cooling efficiency, a high voltage can be applied, and a very small amount of sample such as DNA can be analyzed at high speed and with high resolution.
[0003]
In recent years, an electrophoretic device formed by joining two substrates has been proposed as a form in which high-speed analysis and miniaturization of the apparatus can be expected in place of a glass capillary which is complicated to handle (Non-Patent Document) 1).
[0004]
FIG. 4 shows an example of the electrophoresis device. An
In such a conventional electrophoretic device, the sample introduction is basically based on the use of a cross-injector design flow path composed of an
[0005]
When using this electrophoresis device, the electrophoresis buffer is injected into the
[0006]
Next, the applied voltage is switched to the
[0007]
Analysis using such an electrophoresis device can perform high-speed analysis, consumes very little solvent, requires a very small amount of sample, and can reduce the size of the device, compared to conventional capillary electrophoresis analysis. It has advantages such as. These features make it possible to perform on-site (on-site or bedside) analysis, which was difficult to achieve with conventional analyzers in the field of analytical chemistry described above, and high-speed analysis in fields such as DNA analysis. Promising as an advantage in screening from an analytical point of view.
[0008]
In the above-described electrophoretic device, generally, an optical detection method is often adopted. At this time, an S / N ratio can be improved by providing an optical slit for the purpose of preventing stray light.
[0009]
The present inventors have proposed a method of forming an optical slit efficiently by interposing a light-shielding thin film at a bonding interface between two substrates and using the thin film as an optical slit (Patent Document 1) 1).
Light hitting the light-shielding film of the optical slit is blocked by the light-shielding film and does not enter the detector, thereby improving detection sensitivity.
[0010]
[Non-patent document 1]
D. J. Harrison et al. , Science 261 (1993) pp. 895-897
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-121547
[Problems to be solved by the invention]
In general, in the above-described electrophoresis device, a method of controlling the flow of a solution by using two crossed flow paths and four electrodes for introducing and separating a sample is often used. In the electrophoresis, a high voltage is applied to each electrode. For example, a small leak current may flow through the thin film at the junction interface due to the voltage applied when the sample is introduced, and a problem such as generation of bubbles in the separation channel may occur.
[0012]
An object of the present invention is to suppress the occurrence of problems caused by leakage current flowing through a thin film when a thin film is provided at the junction interface of the electrophoretic device for light shielding or the like. .
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In the electrophoretic device of the present invention, the two substrates are joined so that a flow path including a separation flow path is formed therein, and a reservoir is formed at an end of each flow path. An electrophoresis device in which a migration buffer is filled, a voltage is applied to the flow channel via the reservoir, and a sample is introduced into the separation flow channel and sample components are separated in the separation flow channel. A conductive thin film is present at the bonding interface, and the thin film is subjected to processing for increasing the electrical resistance of the thin film between the reservoir and the flow path at least in a portion where a high voltage is applied. It is characterized by the following.
[0014]
The resistivity of the thin film existing at the bonding interface changes depending on the material, the film formation method, the heat treatment, and the like. However, even if the conditions are optimized, a sufficient resistance value is not always obtained. Therefore, in the present invention, the resistance of the current path of the target portion is increased by processing the thin film existing at the interface.
[0015]
An electrophoresis device uses two crossed flow paths, generally called an injection flow path and a separation flow path, and applies a sample placed in a reservoir (sample inlet) at one end of the injection flow path to a voltage (or electroosmotic flow). ) Is controlled so that only the plugs near the intersection with the separation flow path are cut out and introduced into the separation flow path. Actually, by switching the voltage applied to the electrodes at both ends of the injection flow path and the separation flow path, the potential gradient in the flow path is changed, but the current accompanying the voltage applied to each electrode is changed. When a certain amount or more of current flows through the thin film at the bonding interface in addition to the flow path, the liquid in the flow path exchanges electrons with the electrons where the electrons reach the flow path, resulting in bubbles Problems such as occurrence occur. According to the present invention, the current path from the electrode to the flow path is made thinner or cut in accordance with the flow path design, thereby increasing the resistance of the current path, so that problems such as bubble generation can be suppressed. .
[0016]
The processing can be performed at the same time as, for example, the processing of the flow channel by utilizing the fine processing technology. In that case, desired characteristics can be obtained without complicating the manufacturing process.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As a material of the substrate, a resin plate can be used in addition to a glass plate such as quartz glass or Pyrex (registered trademark).
The thin film existing at the bonding interface can be a light-shielding film. As the light-shielding film, any film having a large absorption coefficient with respect to the measurement light, such as a metal thin film such as Cr (chromium) in addition to a Si (silicon) thin film, can be used.
[0018]
In addition, the thin film present at the bonding interface has a large selection between the substrate and the etching so that it can be used as a mask when etching the substrate in a microfabrication technique for forming a flow path in the substrate. It is even more advantageous if it has a ratio.
[0019]
FIG. 1 shows an electrophoresis device according to one embodiment. FIG. 2 is a sectional view taken along the line AA ′ in FIG.
The
[0020]
The
[0021]
The etching of the
[0022]
The
[0023]
When this electrophoretic device is used, the electrophoresis buffer is injected from one of the
[0024]
By arranging a detector at an appropriate position in the
[0025]
Here, for example, when a high voltage is applied to the reservoir (3) for sample introduction and electrophoretic separation, if there is no
[0026]
Next, a method of manufacturing the electrophoretic device of this embodiment will be described with reference to FIG. Here, the
(A) First, after cleaning the
[0027]
(B) Next, the
[0028]
(C) Next, the Si
[0029]
(D) Using the patterned Si
[0030]
(E) After removing the
[0031]
(F) On the other hand, as shown in (f), a through hole for the
[0032]
(G) Finally, the
[0033]
The materials and manufacturing methods described in the above embodiments are merely examples, and do not limit the materials and processing methods of the present invention.
Further, in the embodiment, the
[0034]
【The invention's effect】
According to the electrophoretic device of the present invention, a conductive thin film exists at the bonding interface of the substrate on which the flow path including the separation flow path is formed, and the thin film has a reservoir and a flow path. Since the processing to increase the electrical resistance of the thin film is performed, the electrical resistance of the thin film existing between each reservoir and the flow path at the substrate interface can be greatly increased, and the sample injection and analysis can be performed. Problems such as generation of bubbles at the time can be avoided.
In addition, the processing is as simple as forming a groove or patterning the thin film. In particular, if it is formed simultaneously with the flow path including the separation flow path, the number of manufacturing steps does not increase.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view showing an electrophoretic device according to one embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along a line AA ′ in FIG.
FIG. 3 is a process cross-sectional view schematically showing a method of manufacturing the electrophoretic device of the embodiment.
4A and 4B are diagrams showing a conventional electrophoretic device, wherein FIG. 4A is a plan view of one substrate, FIG. 4B is a plan view of the other substrate, and FIG. FIG.
[Explanation of symbols]
1, 2
Claims (6)
前記両基板の接合界面に導電性を持った薄膜が存在しており、かつ前記薄膜には少なくとも高電圧が印加される部分ではリザーバと流路間のその薄膜の電気抵抗を高めるための加工が施されていることを特徴とする電気泳動デバイス。The two substrates are joined so that a flow path including a separation flow path is formed therein, a reservoir is formed at an end of each flow path, and the flow path and the reservoir are filled with an electrophoresis buffer. An electrophoretic device in which a voltage is applied to the flow path via a reservoir to introduce a sample into the separation flow path and separate a sample component in the separation flow path,
A conductive thin film is present at the bonding interface between the two substrates, and at least in a portion where a high voltage is applied to the thin film, processing for increasing the electrical resistance of the thin film between the reservoir and the flow path is performed. An electrophoretic device characterized by being applied.
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