JP2001510276A - アッセイに用いるための微小構造の製造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ウェル又はチャネルの表面微小構造を有する装置を生産するための方法であって、プラスチック基体上に硬化性材料として微小構造をスクリーン印刷し、そして該材料を硬化させることを含む方法。このような装置は、照射により重合可能な又は解重合可能な材料を基体に適用し、各々ネガ型又はポジ型フォトレジストを適用し、その構造を照射し、そして非重合又は解重合化材料を除去することにより得ることもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 発明の分野 本発明は、アッセイに用いるための微小構造の作製に関する。

【０００２】 発明の背景 種のテスト及び定量のため、分子間の結合反応のモニターのため、ドラッグデ
リバリーのための微小流体システムの製造のため、遺伝子分析のため、及び臨床
的診断アッセイのための微小構造の生産にかなりの関心が集まっている。特に、
化学的合成のため、組合せ化学のため、高スループットスクリーニングアッセイ
のため及び結合反応のためにより小さなマイクロプレートの開発に関心が増加し
ている。伝統的な９６ウェルマイクロタイタープレートは、プレート上に例えば
２３０４までの多数のウェルが存在するシステムに取って代わりつつある。

【０００３】 多数の小さなウェルを有するプレートはかなりの利点を有し、これには、少量
の高価な試薬の使用及びプレート上でスクリーニングし得る多数の反応によりコ
ストを削減し、処理量を最大にすることがある。同じ装置上で液体をバルブ調節
し及びポンプするための微小構造を作り出すことも要求される。 発明の概要 本発明の一態様によれば、微小構造を製造するための方法は、シート材料上で
のスクリーン印刷の使用を含む。本発明の第２の態様によれば、微小構造はフォ
トレジスト技術によって得られる。

【０００４】 本発明の方法は、低コストで、大量に、プラスチック基体上に微小構造を製造
することができる。用いる技術に依存して、それらは３〜５μｍまで小さな分解
能を有する微小構造の生産を許容する。１つの特定の実施形態において、その微
小構造は、医薬及び診断工業に関心のある反応を行うために化学品、試薬又は他
の材料がその中に分配されるマイクロタイタープレートアレイの形態である。こ
の方法により作られた装置は、液体サンプルの分析のため、結合パートナー間の
結合の検出のため、ドラッグデリバリーのため及び組合せ化学及び他の反応のた
めに用いることができる。

【０００５】 発明の記載 典型的には、本発明の装置は、非伝導性基体、例えばポリエステル、ポリプロ
ピレン、ポリカーボネートもしくはポリビニルクロライド又はガラスもしくはセ
ラミック上に置かれたパターン、例えばウェル又はチャネルのパターンを含む。
この層は必要に応じて適切に疎水性によるよう処理することができる。

【０００６】 スクリーン印刷を用いる場合、スクリーン印刷可能な層の連続層がシート材料
上に構築されて要求されるパターンを供する。その材料は、そのパターンにより
形成されたウェル内で行われる反応のために必要な適切な耐性、表面エネルギー
又は表面張力特徴を供するように選択される。例えば、極めてアグレッシブな溶
媒（例えばＴＨＦ，ＤＭＦ，ＮＭＰ，ＤＭＳＯ、キシレン又はジオキサン）中で
反応を行う組合せ化学反応のために、印刷可能な層は、溶媒に対して耐性である
ことが知られているゲル−ゾルシステム、架橋エポキシ樹脂又は他の化学的もし
くはＵＶ架橋ポリマーを部分的に含み得る。高スループットスクリーニング分野
における適用のため、又はレセプター結合反応をスクリーニングするため、用い
るシステムは水性であり；この場合、そのインクは、有利には、正確な表面張力
及び湿潤性因子を供するように選択され；溶媒に対する耐性はあまり重要でない
。基体も、要求される耐性特徴又はタンパク質もしくは他の結合因子に付着する
能力を供するように選択することができる。

【０００７】 スクリーン印刷を用いることにより、そのパターンの分解能は５０〜７０μｍ
まで下がり得る。これにより、各々のウェルの直径は５０〜７０μｍまで下げる
ことができる。例えば、ウェルは、５０〜５００μｍの直径であり、それらは５
〜１００μｍの深さであり得る。 別の実施形態において、３〜５μｍ程度の小さな分解能を有する微小構造は、
ホトイメージング法により、スクリーン印刷された絶縁層内に形成することがで
きる。この方法において、光の適用により重合することができる物質又は光の適
用により破壊される結合を有し得るものの使用を含むホトイメージングにより構
造が作られる。これらの光感受性材料は、光像形成性レジストとしても知られる
。それらの使用は、ガラス上で処理することにより作られたものに匹敵する、こ
れらの適用のための特性を有する、プラスチック基体内の微小構造の作製のため
の低コストの便利な方法を供する。

【０００８】 本方法の典型的な適用において、装置は、必要に応じて親水性化するよう処理
することができる非伝導性基体上に置かれたパターンを含む。光像形成可能な疎
水性層、例えば光像形成性ネガ型レジストは、蒸着、シルクスクリーン印刷、ス
ピンコーティング又はリトグラフ印刷のような方法により基体材料上に析出され
る。

【０００９】 要求されるパターンの像は装置の表面に保持され、次にそのシステムは適切な
期間、適切な光源に露出される。次にその光像形成可能な層は露出されたこれら
の領域内の光源により光重合される。マスクによりおおわれた領域において、光
像形成性層は重合しないままである。それゆえ、マスクは、次のステップにおい
て現像液により溶けてなくなるレジストへ領域をおおうようにデザインされる。

【００１０】 次に装置は、適切な時間、光像形成性層が重合しなかった領域を溶かし出して
その下の層を表に出す現像液に露出される。この方法において、規則的なパター
ンを作製することができる。 本発明の別の実施形態においては、ポジ型光像形成レジスト（この場合、レジ
スト内の分子間の結合は光を適用した時に破壊される）で、同じ基体を用いる。
この場合、ポジ型レジストは所定の方法により先の層に適用され、マスクはその
コートされた装置上におかれる。そのマスクは次の段階で現像液により溶け出す
レジストの領域を露出するようにデザインされる。そのアセンブリーは光源に露
出され、その光に露出されたレジストの領域は光により破壊された分子間結合を
有し、次の段階に用いる現象液中にそれらを溶かす。レジストの露出されない領
域は影響を受けず、現像液に対して耐性である。これにより、次に装置を現象液
に露出した場合、レジストはその露出した領域において現像液により溶け出しパ
ターンが表れる。

【００１１】 装置を作製する別の方法は、乾燥自立構造（ｆｒｅｃｓｔａｎｄｉｎｇ）光像
形成フィルムレジスト、例えば５〜５０μｍの使用に関する。先の手順により記
述されるようなこれらのフィルムレジストのパターンは、基体上に形成すること
ができる。 これら全ての方法において、装置の他の露出領域を損傷させないであろうマイ
ルドな溶液（水性又は非水性）中で現像され得るレジストが選択される。あるい
は、現像液から装置の極めてセンシティブな部分を保護するためにマスクを装置
に適用することができる。

【００１２】 一回で数千の装置を作製することができる。これにより、本方法は、多くの工
業的及びヘルスケア適用のために要求される多量低コスト生産のために適する。
その装置は一回用いて捨てることができるほど十分に安く製造することができ、
それにより再使用に関する持ち越し又は記憶の問題を防止することができる。 本発明により作製された装置は、種の分析に用いるために要求されるいくつか
の特徴を有する。例えば、均一の大きさ及び形状の規則的なパターンを作ること
ができる。そのパターンは、いずれの形状、例えば円、正方形、方形又は帯状の
ものであり得る。更に、スクリーン印刷される層の下部の基体のために、種々の
材料、例えば処理されたプラスチック及びプラスチック／金属ラミネートを用い
ることができる。それらの層は、以下に記述するように、付加的な分子の結合を
増強するように改変することができる。

【００１３】 パターンを形成した後、そのパターンを、分析、例えば金属、タンパク質、酵
素、触媒及び特定の結合パートナー、例えば抗体、抗原、ＤＮＡ又はＲＮＡ、ア
ビジン、ビオチン又は遺伝子プローブの析出又は結合もしくは吸着のために改変
することができる。これらは、いくつかの方法、例えばインクジェット印刷、電
気めっき、電着及びマイクロディスペンシングにより析出させることができる。

【００１４】 そのパターンにおける結合の分析は、例えば蛍光、光散乱又は吸収分析により
、行うことができる。光の出力は上から、又は透明な基体を用いるなら下から読
みとることができる。 カバースリップを装置の上におくことができる。これは、例えばキャピラリー
作用又は拡散により、装置を通る流れを補助することができる。

【００１５】 本発明の方法は微小電気泳動分析構造の製造のために用いることができる。こ
れらの構造は、細胞系の融合を促進するため、細胞成分、例えばタンパク質、Ｄ
ＮＡプラスミドもしくはゲノムＤＮＡを抽出するために細胞の溶解を促進するた
め、又は細胞成分を分離するために、生物細胞の操作のために用いることができ
る。細胞成分の分離を行うために装置上の電極間にポテンシャル勾配を設定する
ことができる。

【００１６】 種々の微小構造のいずれも得ることができる。例えば、細胞の破壊、脂質及び
タンパク質成分の沈殿、及びパターン上の別の部位でのＤＮＡの分析により、分
析のためにＤＮＡの分離を行うようにパターンを形成することができる。 別の実施形態において、チャンバー及び構造は、ろ過、細胞溶解及び細胞ソー
ティングを行うために、細胞の大きさと同じオーダーで作ることができる。これ
は、細胞サイトメトリー及び血液学において重要である。その構造内に作製され
た電極間の電気泳動を、細胞系の融合、細胞成分の分離、ＤＮＡ／ＲＮＡ分離及
びタンパク質分離を行うために用いることができる。

【００１７】 パターンは、微小パターンでの流体の動き、例えば音の流れを介して薄膜上を
伝達する超音波又は微小流状システム内での細胞の電気浸透性ポンピングについ
ての技術と組み合わせて用いることもできる。 パターンは、リガンド及びモニターされ得るそれらの結合パートナーの間に結
合反応がおこる小さな反応チャンバー又は反応部位／ウェルの形成のために成形
することもできる。例は、組合せ化学、タンパク質とレセプターとの間の結合、
並びに部位内のＲＮＡ／ＤＮＡと溶液内の相補性遺伝子配列との間の結合反応で
ある。後者は、遺伝子マッピング及び診断に適用できるであろう。

【００１８】 別の実施形態において、微小構造は、サンプル中のＤＮＡ／ＲＮＡを分析し又
は配列決定するためにＤＮＡ／ＲＮＡがアレイに結合するマイクロアレイである
。サンプルＤＮＡ／ＲＮＡ間の結合は、蛍光、ルミネセンス又は他の分析技術に
よりモニターすることができる。 別の実施形態において、その構造は、アッセイに用いる細胞単層を含む。細胞
は、吸収、吸着、共有結合により、又は別の方法により装置内の表面に結合され
る。

【００１９】 一般的な例では、マイクロタイタープレートは、ポリプロピレン又は他のプラ
スチックシート上におかれたスクリーン印刷可能な層により形成されたマイクロ
ウェルのアレイから作製される。そのウェルは、５０μｍの直径まで小さくされ
るが、好ましくは１〜０．５mmの直径のオーダーである。各々のマイクロプレー
ト上に数千のウェルが配置される。それらの層により形成された各々のウェルの
深さは５〜１００μｍの範囲である。ウェルの深さを数百μｍに増加させるため
にスクリーン印刷可能な試薬のいくつかの層を加えることができる。そのウェル
は、ウェル内に分配された試薬で、医薬又は診断産業に用いるために適した反応
のために用いられる。ウェルは、その産業において反応をモニターするために現
在用いられるいずれかの方法、例えばＥＬＩＳＡ、蛍光結合、ルミネセンス及び
光散乱により読み取られる。

【００２０】 ポリマー基体、例えばポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエステル、ポリカ
ーボネート及びポリテトラフルオロエチレン上にＵＶ架橋インクを用いて印刷さ
れた微小チャネル構造で、ポリメラーゼ鎖反応（ＰＣＲ）及びリガーゼ鎖反応（
ＬＣＲ）のような化学的増幅反応を行うことができる。 図１は、多重ウェルアレイを示す。図２は、サンプル／緩衝液リザーバ１、直
径０．５〜３mm（１ｄ）、及びチャンネルを介して接続した反応／混合チャンバ
ー２、例えば０．０５〜０．５mm幅（３ｄ）、並びに収集／癈水リザーバ４を含
むチャネル構造を示す。

【００２１】 本発明の一実施形態において、マイクロチャネルは、ポリマー基体上に析出さ
せた。Ｅｌｅｃｔｒａ ＰｏｌｙｍｅｒｓからのＣａｒａｐａｃｅのようなＵＶ
架橋性ポリマー層上へのホトマスクの使用によりパターン形成される。ＵＶ光に
露出させた後、その微小構造は、炭酸ナトリウム水溶液でプラスチックシートを
処理することにより開発される。マイクロチャネル構造は、マイクロチャネルに
沿って温度制御を供するために、スクリーン印刷され、又は重層された伝導層の
伝導層上におくことができる。あるいは、マイクロチャネルはスクリーン印刷す
ることができる。このような実施形態を図３に示す。ここには、サーモスタット
伝導層５、入口６及び出口７を含む。

【００２２】 電気泳動及びクロマトグラフィーのような分離法を、スクリーン印刷及び写真
印刷法によりポリマー基体上に作られたマイクロチャネル上で行うことができる
。印刷されたマイクロチャネルの表面特性は、そのチャネルの内壁上にアニオン
、カチオン及び機能的な反応基を含む種々の化学種を生産するための化学的手段
により、変化させ、又は改変させることができる。

【００２３】 一実施形態において、印刷されたマイクロチャネルの内壁上に残ったエポキシ
基は、二官能性分子、典型的には主に負電荷の表面を作るために１又は複数のメ
チレン基により分離された一級アミン及びカルボキシ基と反応させることができ
る。負電荷は、ポリマー及び界面活性剤のような表面活性剤の受動的吸着によっ
ても導入することができる。電気泳動分離は、分離チャネルを横切る電位差の適
用により行うことができる。

【００２４】 別の実施形態において、マイクロチャネルの改変は、親水性及び荷電した表面
を供するために、プラスチック基体上に、エポキシ樹脂又は官能化ビニル樹脂含
有シリカ微小粒子の薄層を印刷することにより行われる。 別の実施形態において、アフィニティー及びイオン交換クロマトグラフィーを
含むクロマトグラフィー分離を、マイクロチャネルの内壁へのリガンド及びイオ
ノゲン基の共有結合により行うことができる。リガンドは、抗体、抗原、酵素、
基質、ホルモン、レセプター及び合成有機分子を含み得る。あるいは、マイクロ
チャネルは、固定した分離媒体、例えば天然のポリマー、例えばアガロース、デ
ンプン及びセルロース、並びに合成クロマトグラフィー媒体、例えばポリアクリ
ルアミド、ポリスチレン−ジビニルベンゼン及びシリカを満たすことができる。
これらのゲルで満たされたマイクロチャネルは、慣用的なクロマトグラフィー技
術を用いて“ナノスケール”分離を行うのに用いることができる。

【００２５】 この型の典型的なマイクロチャネル構造を図４に示す。チャネル８は例えば０
．０５〜０．５mm幅である。それは、荷電した種、リガンドＬ又は固定相ＳＰを
含む；図５及び６を参照のこと。 更なる実施形態において、液体ハンドリング／操作のためにデザインされた構
造を、スクリーン印刷及び／又は写真印刷を用いてマイクロチャネル内に作製す
ることができる。このような構造には、フリット、フィルター、バルブ及びポン
プがある。例えば、図７は、マイクロチャネル内の、フィルター９、固定相１０
及びフリット１１を示す。同様に、図８は、磁石粒子１２及び開いた（Ｏ）又は
閉じた（Ｃ）バルブを示す。

【００２６】 装置は、小さな携帯用の装置と共に用いることができる。この方法において、
種の現地分析のために、又は一般医院又は病院内でのサンプルの分析のために完
全に携帯用の装置を作製することができる。その装置からの出力は、溶液中の被
検体のレベルに関連する。 装置は、サンプルを容器から装置に運ぶためのサンプルセル又は多孔質層も含
み得る。サンプルセル又は多孔質層は、装置のパターンに達する前にサンプルを
プレ処理するための緩衝液及び／又は他の試薬も含み得る。例えば、サンプル細
胞又は多孔質層は、血漿又は完全な血液の流れを補助するために緩衝塩又は界面
活性剤を含み得る。本発明のこの態様によるアッセイ装置は、読み取りのための
装置にはめ込まれる使い捨てユニットとして用いることができる。

【００２７】 以下の例は本発明を詳述する。 実施例１ 直径３００〜５００μｍ及び深さ１００μｍの寸法のマイクロウェルのアレイ
を、ポリプロピレン又はポリスチレンから作られたプラスチックシート上に誘電
性材料の層（Electra Polymers and Chemicals Ltd, Kent, UK) をスクリーン印
刷して、９６ウェルマイクロタイタープレートと同様のフットプリントを伴う９
６００ウェルのプレートを供する。その印刷されたアレイは８０℃で数時間で硬
化する。ウェルの深さは、誘電性材料の更なる層を印刷することにより増加させ
ることができる。次にそのウェルを用いてそのウェルに分散させた試薬で結合反
応を行うことができる。そのウェルでの反応のモニターは、蛍光及びルミネセン
スを含むセンシティブな技術により行われる。

【００２８】 実施例２ 直径２０〜２５μｍのマイクロウェルのアレイを、ホトマスクの使用によりプ
ラスチックシート上に析出させたＵＶ架橋性ポリマー層（Ｃａｒａｐａｃｅ）上
にパターン形成した。ＵＶ光に露出した後、ウェルを、そのプラスチックシート
を炭酸ナトリウム溶液で処理することにより現像した。

【００２９】 実施例３ ポリプロピレン５００μｍ厚のシート（Adhesive & Display Products, North
ampton, UK) に、ＵＶ架橋性インク（Ｃａｒａｐａｃｅ）の約５０μｍ厚の層を
印刷した。そのマイクロチャネル構造を、ポジ型ホトマスクを用いて層上に露出
した。その露出されなかったチャネルを炭酸ナトリウム溶液ではぎとった。その
マイクロチャネル構造は、各々２つの交差した直線状のチャネル１．５及び４cm
長に対応する。チャネルは１００μｍ幅で４０〜５０μｍの深さであった。チャ
ネルの末端に、３mm直径の穴をサンプル、緩衝液及び収集リザーバとして各々ド
リルであけた。そのチャネルは、２５０μｍ厚の裏面に接着剤のついたＭｙｌａ
ｒシートでおおった。

【００３０】 色のある染料を１つの口に注入し、毛管作用によるチャネルを介しての流れを
観察した。このような回路は、チャネル内の種の流速及び流れの方向の両方を動
電学的に制御するために、チャネルの端の４つの穴に管材を接続することにより
形成されたリザーバに挿入された電極と合わせて用いることができる。あるいは
、伝導性電極は、伝導性インクをスクリーン印刷することによりその穴の基部に
印刷することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 Ｆｉｇｕｒｅ１は、本発明により製造され得る多重ウェル装置の部分的に拡大
した概略平面図である。

【図２，３及び４】 Ｆｉｇｕｒｅ２，３及び４は、各々、本発明により製造され得る更なる装置の
概略平面図である。

【図５，６，７及び８】 Ｆｉｇｕｒｅ５，６，７及び８は上記装置内のチャネルの概略断面図である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１２年１月１４日（２０００．１．１４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０３Ｆ 1/00 Ｇ０１Ｎ 27/26 ３３１Ｅ (72)発明者 マッカン，ジェームズ イギリス国，ケンブリッジ シービー４ １エックスティー，ダウンハムズ レー ン，ダウンハムズ ハウス，ケンブリッジ センサーズ リミティド (72)発明者 イーペン，セイジ イギリス国，ケンブリッジ シービー４ １エックスティー，ダウンハムズ レー ン，ダウンハムズ ハウス，ケンブリッジ センサーズ リミティド (72)発明者 ローウュ，クリストファー ロビン イギリス国，ケンブリッジ シービー４ １エックスティー，ダウンハムズ レー ン，ダウンハムズ ハウス，ケンブリッジ センサーズ リミティド

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ウェル又はチャネルの表面微小構造を有する装置を製造する
   ための方法であって、プラスチック基体上に硬化性材料として微小構造をスクリ
   ーン印刷し、そして該材料を硬化させる１又は複数のステップを含む方法。
2. 【請求項２】 ウェル又はチャネルの表面微小構造を有する装置を製造する
   ための方法であって、照射により重合可能であるか又は解重合可能である材料を
   基体に適用し、各々ネガ型又はポジ型フォトレジストを適用し、該構造に照射し
   、そして非重合又は解重合化材料を除去することを含む方法。
3. 【請求項３】 前記ウェル又はチャネルが少くとも５０μｍの幅を有するこ
   とを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 【請求項４】 前記ウェル又はチャネルが少くとも３μｍの幅を有すること
   を特徴とする請求項２に記載の方法。
5. 【請求項５】 前記装置が、１００を超えるウェルを含むことを特徴とする
   先の請求項のいずれかに記載の方法。
6. 【請求項６】 前記装置が、５０〜５００μｍの直径のウェルを含むことを
   特徴とする先の請求項のいずれかに記載の方法。
7. 【請求項７】 前記装置が、５〜３００μｍの深さのウェルを含むことを特
   徴とする先の請求項のいずれかに記載の方法。
8. 【請求項８】 前記装置がチャネルを含み、該チャネルをおおうことを更に
   含む請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
9. 【請求項９】 前記チャネルの先端にリザーバを形成することを更に含む請
   求項８に記載の方法。
10. 【請求項１０】 前記リザーバに電極を挿入することを更に含む請求項９に
    記載の方法。