JP2003517607A - 浸透層の結合化学および結合方法 - Google Patents

浸透層の結合化学および結合方法

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JP2003517607A JP2001545843A JP2001545843A JP2003517607A JP 2003517607 A JP2003517607 A JP 2003517607A JP 2001545843 A JP2001545843 A JP 2001545843A JP 2001545843 A JP2001545843 A JP 2001545843A JP 2003517607 A JP2003517607 A JP 2003517607A
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Abstract

(57)【要約】 共有結合浸透層を有する電子的にアドレス指定可能なマイクロチップ、ならびに、マイクロチップに共有結合した浸透層を作製する方法を提供する。共有結合は電極とシラン誘導体との使用を組合せることに由来する。かかる化学は、浸透層が電極表面から層間剥離することを防ぎつつ、マイクロチップの電極に電気的バイアスを印加する能力を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 発明の分野 本発明は、基板表面に対するポリマー性材料の層の結合に関する。より詳細に
は、本発明は、マイクロチップ回路の金属電極のごとき導電性基板に多孔性のポ
リマー性材料を共有結合する化学および方法に関する。
【0002】 発明の背景 以下の記載は、本発明に関連する情報を提供する。本明細書に提供するいずれ
かの情報が本発明において特許請求する発明に対して先行技術となることも、特
にまたは暗黙的に参照したいずれかの刊行物が本発明に対して先行技術となるこ
とも断じて許容されない。
【0003】 溶液中の一点から他の場所へ核酸およびタンパク質のごとき生物材料を指向さ
せるために用いる電子的にアドレス指定可能なマイクロチップの技術において、
マイクロチップは、電極表面から発生するいずれの電気化学も電極自体も溶液中
のいずれの生物材料も損傷しないように、マイクロチップ電極からの電位が当該
マイクロチップを覆う溶液に並進するように設計されていなければならない。一
般的に、マイクロチップ電極の上に沈積された多孔性膜の層を使用することによ
って、かかる損傷からの保護が提供されている。通常、かかる層には、各々、ア
ガロースまたはポリアクリルアミドのごとき天然ポリマーまたは合成ポリマーに
由来する材料が含まれている。これらのタイプの材料により、電極表面で発生し
た電気化学生成物が、その多孔性マトリクスまたは“浸透層”を通って該電極の
すぐ上方の溶液に移動することが許容される。
【0004】 前記したもののごとき材料は所望の品質を有する多孔性膜の役割において有用
であることが見出されているが、マイクロチップ基板上にかかる膜を層形成する
ために一般的に用いられている方法のために、該膜は電極表面から分離または“
層間剥離”し易いことが見出されている。この層間剥離は、電極への電位の印加
および電極から放出される荷電イオンおよび気体からの物理的破壊によって生じ
る浸透層と電極との間の界面における化学的構成の変化によって生じると考えら
れている。かかる層間剥離は、“微視的層間剥離”および“巨視的層間剥離”の
見地から考察し得る。
【0005】 微視的層間剥離には、浸透層と電極自体との間の化学界面の電気化学的分解が
含まれる。それは、浸透層中の上昇した隆起の形成、または共焦点顕微鏡によっ
て適当に見た場合には層間剥離した層からの光の散乱に起因して見える小環によ
って観察され、浸透層の性質における一貫性の損失を生じる(おそらく、電界均
一性の制御の消失に起因する)。一方、巨視的層間剥離は、浸透層とチップ基板
との間の表面エネルギーの不整合によって発生し、マイクロチップ表面全体にわ
たって拡り得る浸透層剥離(リフト−オフ)を生じる。浸透層は液体オーバレイ
中に存在する分析物を化学的に固定する手段を提供するため、巨視的層間剥離に
よるその物理的消失はバイオアッセイの間に破滅的なチップの欠陥を生じる。
【0006】 本明細書中で考慮するマイクロチップのごとき電子的にアドレス指定可能なシ
ステムは、2の電極(すなわち、一方は正の電位で位置するアノードと、他方は
負の電位で位置するカソード)の間の電圧低下(V)と、これらの電極間を流れ
る電流(I)との間に、下式: V=R×I (1) [式中、Rはアノードとカソードとの間の媒体の抵抗である] の関係を確立するオームの法則に従う。浸透層がかかる電極上に存在するシステ
ムにおいては、Rの値は該浸透層の物理的性質および化学的性質によって大部分
決る。したがって、式(1)に従うと、電極に加わる電位間の差はそれらを流れ
る電流の強度または密度に直接的に比例する。本明細書中に記載する発明は、電
流と電圧との間の関係を用い、ここにおいて、電流密度は少なくとも0.04n
A/μmおよび/または電圧降下は1〜3Vである。電流密度は電流を支持す
るために用いる電極の面積で除した電流として定義される。
【0007】 さらに、本明細書中に記載するもののごとき電子的駆動システム内のヌクレオ
チド・オリゴマーのごとき荷電生体分子の移動の有効性は、アノードおよびカソ
ードによる各々正および負に帯電した電気化学種の適当なグラジエントの発生に
依存する。例えば、有効な核酸(すなわち、DNAまたはRNAのいずれか)輸
送は、アノードの電位が“飽和カロメル電極(SCE)”に対して+1.29V
よりも大きい場合にはプロトンおよびヒドロキシルアニオンの発生によって行い
得る。かかる要求している操作条件に付する場合には、かかるシステムは微視的
およびしばしば巨視的な層間剥離を起こすようであるため、非共有結合浸透層で
は満足し得ないことが明らかになる。さらに、荷電分子の輸送効率は電流密度を
上昇させるに従って上昇し、したがって、より大きな電圧降下および電流密度で
の操作に望ましい運転およびしたがって常に強固な浸透層に対する要望が存在す
る。
【0008】 したがって、電子マイクロチップ基板および特に電極パッド自体からの層間剥
離から浸透層を維持する方法に対していまだに要望が存在する。本発明者らは、
浸透層の性能に顕著な増大を提供する浸透層結合化学における改善を見出した。
詳細には、本発明者らは、電子的にアドレス指定可能なマイクロチップ技術に適
用した場合には該マイクロチップと浸透層マトリクスとの間に取込まれ得る共有
化学結合系の発見により微視的および巨視的な層間剥離の問題を解決した。この
化学は、ポリマー、ヒドロゲル、グリオキシルアガロース、ポリアクリルアミド
、メタクリルアミドのポリマー、他の合成モノマーから生成する材料、およびゾ
ルゲル法を介して生成した多孔性無機酸化物を含む種々の浸透層組成物に適用可
能であり、少なくとも0.04nA/μmの電流密度および/または1〜3V
の電圧降下に耐えることができる。
【0009】 発明の概要 本発明は、電子的にアドレス指定可能なマイクロチップの表面に多孔性“浸透
層”を共有結合するためのユニークな系を提供する。好ましい態様において、共
有結合は、浸透層の化学基と金属/ケイ化物、金属/金属または有機物の電極と
の間に存在する。好ましい金属/ケイ化物の電極には、ケイ化白金(PtSi)
、ケイ化タングステン(WTi)、ケイ化チタン(TiSi)およびケイ化金(
AuSi)が含まれる。好ましい金属/金属の電極には、白金/チタン(PtT
i)および金/チタン(AuTi)が含まれる。好ましい有機物の電極には、ポ
リ(フェニレン・ビニレン)、ポリチオフェンおよびポリアニリンのごとき材料
が含まれる。
【0010】 この態様の例においては、共有結合には金属/Si表面のシラノール基にリン
カーを結合するための結合機構および浸透層にリンカーを結合するための異なる
基を提供する結合基が含まれる。金属/金属の電極および有機物の電極を用いる
場合には、電極に対するリンカーの結合機構は、電極に結合するリンカーの基が
特定の金属および有機分子の反応性中心と反応して共有結合を形成する点におい
ては同じである。
【0011】 特に好ましい態様において、結合基は式:
【0012】
【化3】
【0013】 [式中、Xはアクリレート、メタクリレート、アクリルアミド、メタクリルアミ
ド、アリル、ビニル、アセチル、(置換または置換されていない)アミン、エポ
キシまたはチオールであり; スペーサーはアルキル、アリール、(エチレングリコールまたはポリエチレン
グリコールのごとき)モノ−もしくはポリ−アルコキシ、モノ−もしくはポリ−
アルキルアミン、モノ−もしくはポリ−アミド、チオエーテル誘導体、またはモ
ノ−もしくはポリ−ジスルフィドであり; AおよびBは酸素−Rのいずれかの組合せ(ここに、RはH、メチル、エチル
、プロピル、イソプロピルまたは他の直鎖もしくは分岐鎖の炭化水素のごときア
ルキル、Cl、BrまたはX−スペーサーのものと同様の官能基)であり;およ
び Cは酸素−R(ここに、RはH、メチル、エチル、プロピル、イソプロピルま
たは他の直鎖もしくは分岐鎖の炭化水素のごときアルキル、Cl、Brまたはい
ずれかの他の加水分解性の基)である] によって定義される。
【0014】 金属/Siの電極の例においては、ケイ化物基を含むこれらの結合基は、電極
表面の酸素基に結合したヒドロキシル基と反応し得る。リンカーのもう1の末端
において、X基は、浸透層ポリマーの反応性中心との共有的反応に利用可能であ
る化学基を含む。
【0015】 もう1の態様において、浸透層は、電極からその電極を覆う溶液に電荷を伝達
するのに好適な材料である。浸透層に用いるポリマーを構成することが予想され
る材料には、限定されるものではないが、アガロース、グリオキシルアガロース
、アルキルアミド、メタクリルアミド、ポリアクリルアミド、他の合成モノマー
から生成した材料、およびゾルゲル法(Brinkerら, Sol-Gel Science, Academic
Press, San Diego, 1990)を介して生成する多孔性無機酸化物が含まれ得る。
【0016】 ポリマー性浸透層を作製するために用いる合成モノマーには、エポキシド、限
定されるものではないが、酸素に二重結合しかつもう1の酸素、窒素、硫黄、ハ
ロゲンもしくは炭素に単結合した炭素に二重結合が直接結合している置換された
または置換されていないα,β不飽和カルボニルを含むアルケニル基;二重結合
が酸素、窒素、ハロゲン、燐または硫黄に単一で結合しているビニル;酸素、窒
素、ハロゲン、燐または硫黄に結合した炭素に二重結合が単一で結合しているア
リル;もう1の炭素に単一で結合しついでこれが酸素、窒素、ハロゲン、燐また
は硫黄に単一で結合している炭素に二重結合が単一で結合しているホモアリル;
ならびに、2の炭素原子間に三重結合が存在するアルキニル基よりなる群から選
択されるものが含まれ得る。
【0017】 もう1の態様において、共有結合した浸透層は、アノードが+1.29V/S
CEを超える電位で帯電し、および/または、カソードが−0.89V/SCE
未満で帯電している間、層間剥離から維持される。特に好ましい態様において、
両電極間の電流は、マイクロチップの電極の上方の溶液中の分子の輸送を誘導す
るのに十分な密度を有する。かかる密度は、好ましくは0.04〜1nA/μm
である。
【0018】 好ましい態様の詳細な説明 帯電分子を溶液中の1の点から他の点に輸送するために用いる電子的にアドレ
ス指定可能なマイクロチップの技術においては、輸送された分子は、マイクロチ
ップの電極および電極にバイアスを印加して溶液に電界を付与する場合に電極に
生成するイオンとの直接的な接触から保護しなければならない。保護は、絶縁膜
、すなわち、輸送された分子を障害することなく電極から溶液へ電荷の流動も許
容する浸透層によって提供される。典型的には、絶縁膜は、アガロースまたは架
橋ポリアクリルアミドのごときポリマー性材料である。これらの材料は、それら
が、多孔性であって、電極で生成した電気化学生成物が覆っている溶液に逃げる
ことを許容する点において理想的である。
【0019】 より詳細には、かかる絶縁膜材料には、限定されるものではないが、アガロー
ス、グリオキシルアガロース、アクリルアミド、メタクリルアミド、ポリアクリ
ルアミド、他の合成モノマーから生成される材料、およびゾルゲル法を介して生
成される多孔性無機酸化物が含まれ得る。ポリマー性浸透層を作製するために用
いる合成モノマーには、エポキシド、限定されるものではないが、酸素に二重結
合しもう1の酸素、窒素、硫黄、ハロゲンもしくは炭素に単結合している炭素に
二重結合が直接結合している置換されているかまたは置換されていないα,β不
飽和カルボニルを含むアルケニル基;二重結合が酸素、窒素、ハロゲン、燐もし
くは硫黄に単独で結合しているビニル;酸素、窒素、ハロゲン、燐もしくは硫黄
に結合している炭素に二重結合が単独で結合しているアリル;酸素、窒素、ハロ
ゲン、燐もしくは硫黄に単独で結合している炭素に単独で結合しているもう1の
炭素に二重結合が単独で結合しているホモアリル;ならびに、2の炭素原子間に
三重結合が存在するアルキニル基が含まれる。
【0020】 図1は、リンカー基の電極表面への結合を示す化学構造の概要である。 図2は、電極に対して浸透層を共有結合するプロセスを示す概略図である。こ
の図の例においては、電極を250mTorr(250W)にて5分間のアルゴ
ンプラズマで処理している。これにより、表面にヒドロキシル官能基を有する電
極を清浄化する。ついで、室温にて5分間の蒸着につづく90℃にて2時間の硬
化によるごとく、リンカーを電極に結合する。このプロセスは、浸透層に結合し
得る反応性基を残す。図の例においては、反応性のアミン基を有するリンカーを
用い、ここではアミン基が浸透層マトリクスの反応性基に結合させるために利用
可能である。リンカーと浸透層の反応性中心との間の結合は、シッフ塩基反応を
用いて行い得る。 図3AおよびBは、層間剥離の前(A)および後(B)の、リンカー基を用い
ずに浸透膜を電極表面に結合させた個々の電極の部分イメージの共焦点顕微鏡写
真である。 図4A−Dは、種々の程度の層間剥離の、蒸気により沈着させたAEAPSを
用いて浸透膜を電極表面に結合させた個々の電極の部分イメージの共焦点顕微鏡
写真である。 図5AおよびBは、AEAPSを用いて浸透膜を電極表面に結合させた80μ
m直径のPt(A)およびPtSi(B)電極の部分イメージの共焦点顕微鏡写
真である。図5Aにおいては、500nA(0.1nA/μm)にて2分間の
第2の直流インパルス時にPt電極が層間剥離し始めた。それに対して、PtS
i電極は、500nA(0.1nA/μm)の第2の直流インパルス後にも層
間剥離を示さなかった。 図6AおよびBならびに図7AおよびBは、化学結合基を用いないで浸透膜を
Pt電極に沈積させた(6Aおよび7A)か、AEAPSを用いて浸透膜をPt
Si電極表面に結合させた(6Bおよび7B)電極アレイの部分イメージの共焦
点顕微鏡写真である。このイメージは、浸透層の共有結合を有していないPtお
よび共有結合を有するPtSiに層間剥離を引起こす繰返しバイアス印加のレベ
ルを示している。 図8、9および10は、アガロースでオーバレイしたPt電極の部分イメージ
の共焦点顕微鏡写真である。図8においては、イメージの焦平面を電気的バイア
ス印加の前の電極の上方3μmに設定している。これは、ビーズがフォーカシン
グされていることによって示されるごとく、浸透層の表面が電極の3μm上方に
存在することを示している。図9においては、電気的バイアス印加の間に変化し
ていない焦平面を示している。図10においては、電極の4μm上方の焦平面を
が示されており、これは、浸透層の頂部に静止しているビーズが電極からより大
きな距離でフォーカスされるようになるように、浸透層を上昇させる層間剥離が
生じたことを示している。 図11は、同心リングの存在によって示されるごとく、図10の浸透層が層間
剥離したことの確認を示す共焦点顕微鏡写真である。 図12および13は、アクリルアミド浸透層とPtSi電極とがが共有結合さ
れていることを示す電極の部分イメージの共焦点顕微鏡写真である。図12は、
+2μA(0.4nA/μm)の2分間のバイアス印加後に、焦平面が変化し
ないままであることを示している。図13は、この電極で層間剥離が全く起こっ
ていないことを確認するしている。
【0021】 前記したごとく、電子的にアドレス指定可能なマイクロチップの最適な機能性
には、1のパッドから他のパッドへの電位の均一性および一貫性を向上するため
に、多孔性絶縁層または浸透層が電極と接触したままであることが重要である。
図1に示すごとく、浸透層は少なくとも2の反応性中心を有する結合基によって
電極に結合し得る。図1に示すもののごとく好適な特徴を有するリンカーを、表
Iに掲載する。
【0022】
【表1】
【0023】
【表2】
【0024】 特に好ましい態様において、本発明の共有結合化学を有するマイクロチップは
、APS、AEAPS、AHAPS、MOTSおよびAMPTSと表すリンカー
を用いる。
【0025】 図2は1の態様の概略図を示し、ここではAEAPSを用いて電極を浸透層に
結合している。この例においては、まず、PtSi電極マイクロチップをアルゴ
ンプラズマを用いて250mTorrおよび250Wにて5分間処理する。つい
で、そのチップを室温にて5分間の蒸着によってAEAPSで処理し、ついで9
0℃にて2時間加熱することによってチップ上に硬化させる。これにより、リン
カーがPtSi電極のケイ化物基のヒドロキシル基に共有結合する。リンカーが
マイクロチップに結合したら、浸透ポリマー(例えば、グリオキシルアガロース
)を電極表面にオーバレイし、シッフ塩基反応および還元が生じて浸透ポリマー
(例えば、グリオキシルアガロース)上で利用可能なアルデヒド官能基にAEA
PSのアミン基が結合するように、NaBHCN存在下で処理する。浸透層ポ
リマーとしてポリアクリルアミドを用いる場合には、浸透層を構成することにな
るモノマーとMOTSまたはAMPTSリンカー-誘導化電極の表面に存在する
ビニル基との間でUV−開始フリーラジカル重合反応を行わせ、それによって、
単一工程で浸透層を合成し、かつ、それを電極に共有的に係留させ得る。
【0026】 種々のリンカーおよび結合反応条件を用いて浸透層を結合させた後の種々の層
間剥離閾値を示す実施例を以下に提供する。
【0027】 実施例1 2の方法のうちの1によってAPSまたはAEAPSのいずれかを沈積させた
後に、アガロース浸透層マトリクスをPtSi電極マイクロチップに結合させた
。 APSおよびAEAPSは、0.1重量%のシラン/無水MeOH溶液にチッ
プを室温にて1時間曝すことによって沈積させた。そのチップをEtOH中で濯
ぎ、90℃にて1時間硬化させた。並行する実験においては、APSおよびAE
APSリンカーを、湿潤雰囲気中、室温にて5分間、正味ケイ素の蒸気によって
マイクロチップ上に沈積させ、つづいて90℃にて2時間硬化させた。
【0028】 アガロース浸透層を結合させた後に、マイクロチップを電子アッセイに付し、
そこでは、モデル236 Source−Measureユニット(Keithley Instruments Inc
., Cleveland, OH)を用いて、各々200、500、700および1000nA
mp/80μmパッド(すなわち、0.04、0.10、0.14および0.20n
A/μm)にて、3の直流(DC)インパルスで2分間バイアスを印加した。
一連の3のDCインパルスの後に、電極に一連の150の負のパルスのバイアス
を印加し、その各々は0.1秒間の−0.2nA/μmのON状態につづく0.
2秒間の0nA/μmのOFF状態からなる。表IIに示すごとく、リンカー
の蒸着を用いた結合スキームは、80μmの電極に対して700nAまでのDC
インパルス(0.14nA/μm)の層間剥離からの保護を提供した。
【0029】
【表3】
【0030】 図3および4に示すごとく、共有リンカー結合を用いないで浸透層を電極にア
ニールさせた場合(図3AおよびB)、低レベルのDC(第2のDCパルス後に
200nA(0.04nA/μm))で層間剥離が生じるであろう。反対に、
蒸着を用いて電極に適合されたAEAPSを用いた場合には、電極を700nA
(0.14nA/μm)の第2のDCパルスに曝すまで層間剥離は見られなか
った(層間剥離は遮断後3分に、パッド面積の25%までひろがった)が、第3
のDC遮断後2分までに完全な層間剥離がみられた(図4A−D)。
【0031】 実施例2 この実施例においては、電極からの浸透層の層間剥離を多層浸透層を用いて試
験し、ここではスピンコーティング技術を用いて層を適用し、ついで反応させて
結合基を層に一緒におよび電極に共有結合させた。
【0032】 詳細には、PtSi電極を有するマイクロチップを10分間の酸素プラズマに
つづく10分間のアルゴンプラズマで清浄化した。ついで、AEAPSを5分間
蒸着させ、つづいて真空下、90℃にて硬化させた。その後、室温にて10分間
攪拌し、ついで7分間煮沸し、その後65℃のASC装置のリザーバーに1.2
μmで濾過しておいた2.5%のグリオキシルアガロース溶液(NuFix)を
含む第1の層溶液を、自動スピンコーティング装置(ASC)を用いてマイクロ
チップ上にスピン沈積させた。第1の層を沈積させた後に、10mMのリン酸ナ
トリウム、ASCのリザーバーに0.2μmにて濾過して室温にて維持した25
0mMのNaCl(pH7.2)中に5mg/mlでストレプトアビジン(Scrip
ps)を含む第2の層を同様に沈積させた。最上層を5,000rpmでスピンコ
ーティングした一方、最下層は1500または2500rpmのいずれかでスピ
ンコートした。ストレプトアビジンとグリオキシルアガロースとの間に、および
AEAPS表面とグリオキシルアガロースとの間に生成するシッフ塩基を還元す
る反応は、コートしたマイクロチップを0.2MのNaBHCN、0.1Mのリ
ン酸ナトリウム(pH7.4)で室温にて1時間処理することによって行った。
未反応部位のキャッピングは、0.1MのGly/0.1MのNaBHCN、0
.1Mのリン酸ナトリウム(pH7.4)を室温にて30分間チップに適用するこ
とによって行った。最後に、処理したマイクロチップを徹底的に濯ぎ、脱イオン
水に30分間浸漬し、ついで室温にて一晩風乾した。
【0033】 下記の表IIIに示すごとく、最下位層の沈積に2の異なる回転速度を用いて
、基板が平板白金電極またはPtSi電極のいずれかを含む場合の二重浸透層の
厚さを調べた。結果は、スピンコーティングが変化可能な厚さの浸透層の沈積を
生じたことを示している。
【0034】
【表4】
【0035】 この実施例で作製したチップを、層間剥離に対する抵抗性について試験した。
白金電極マイクロチップに関しては、50mMの新鮮なヒスチジン緩衝液中で2
の別々のチップから9の電極パッドを個々にアドレス指定した。これらのパッド
は、500nA/80μmパッド(0.1nA/μm)の第2の2分間の直流
パルス後に一貫した層間剥離を示した(図5A)。それに対して、同一条件下で
、2のPtSiマイクロチップから6のパッドを個々にアドレス指定した。これ
らのPtSiパッドは数μA/パッドまで層間剥離しなかった(図5B)。した
がって、AEAPS結合リンカーを用いたPtSi電極は、層間剥離からの保護
を提供した。
【0036】 実施例3 この実施例においては、PtSi電極、アガロースおよびアミノプロピルシラ
ンを用いる本発明の共有結合法が、交流条件下の浸透層の層間剥離に対しても保
護することを示すデータを示す。ここでは、AEAPSを用いて浸透層に結合し
たPtおよびPtSiのマイクロチップを、2のパルス化したバイアス印加プロ
トコールを用いて試験した。
【0037】 両方のプロトコールとも、50mMのL−ヒスチジン緩衝液を用いて行った。
詳細には、プロトコールAにおいては、マイクロチップを+800nA/パッド
(0.16nA/μm)にて38ミリ秒(ms)、−800nA/パッドにて
25msバイアス印加し、各パルスにつき3のパッドを用いて合計25秒間循環
させた。プロトコールBにおいては、マイクロチップを+1.6μA/パッド(
0.32nA/μm)にて19ms、−1.6μA/パッドにて12msバイア
ス印加し、各々、同時にアドレス指定した3パッドに合計14秒間循環した。イ
メージは、INM共焦点顕微鏡(Leica)を用いて撮った。
【0038】 図6Aは、プロトコールAにつづいて0、4、8、12または16回繰返しの
プロトコールBを用いてバイアスを印加したPtチップを示す。このイメージは
、8回繰返しのプロトコールBの後に層間剥離が開始することを示している。そ
れに対して、PtSiチップ(図6B)は、8回目のバイアス印加時に極めて小
さい程度までの層間剥離しか示さなかった。層間剥離の閾値をより正確に定義す
るために、2、4、6および8回のバイアス印加繰返しを用いて、より小さいス
トリンジェンシー上昇でチップをアッセイした。Pt電極においては、6回のバ
イアス繰返し回数で層間剥離が開始した(図7A)。それに対して、PtSiチ
ップは、同レベルの電気力学ストレスでより小さい層間剥離効果しか示さなかっ
た(図7B)。
【0039】 全体的な結果は、前記プロトコールBの6回目の適用の間に障害が起こり始め
、循環繰返しが増加するに従って層間剥離が増大することを示している。この層
間剥離効果は、PtSiチップにおいてはあまり顕著でなかった。
【0040】 実施例4 この実施例においては、PtおよびPtSiチップに対してアクリルアミド−
ベースのヒドロゲルのごとき合成浸透層を結合するためのリンカーとしてメタク
リロイルシランを用いる。さらに、浸透層の一体性は、それに共焦点顕微鏡をフ
ォーカシングし得る参照としてガラスビーズを浸透層の表面に適用する技術を用
いて調べた。これにより、浸透層の厚さを決定することができ、層間剥離として
かかる事象に起因する浸透層の歪みをモニターすることが容易になる。
【0041】 図8は、アガロース浸透層を有するPtマイクロチップを示し、ここでは電気
バイアスを印加する前の層の厚さは3.0±0.5μmと測定された。図は、電極
上方のビーズの位置の焦点を示している。したがって、下方に存在している電極
のフォーカスは僅かに外れている。図9は、浸透層の観察し得る歪みがない、直
流の+200nA(0.04nA/μm)でバイアスを印加した間の同じ電極
を示している。ビーズは正のバイアスにより電極に移動している。この2分間の
バイアス印加の後、インパルスを終結させ、電極の外観の変化について観察した
。図10に示されているごとく、電極の中心上に静止しているビーズは、該ビー
ズを焦平面に戻すために必要な垂直シフトに基づいて、電極の上方4.0±0.5
の場所まで運動した。したがって、浸透層は、1μmの拡大を受けた。図11に
示されているごとく、この拡大は、電極パッドの端部に見える同心リングの存在
によって示されるごとく、電極からの浸透層の層間隔離(微視的層間剥離)に関
係しているようである。さらに、ここに示していない他の実験において、本発明
者らは、層間剥離と共に発生する2〜6μmの浸透層の厚さの歪みを観察してい
る。
【0042】 もう1の実験において、MOTSリンカーを介してPtSi電極に固定された
アクリルアミド−ベースのヒドロゲル浸透層を+200nA(0.04nA/μ
)のバイアス印加に2分間曝し、層間剥離について調べた。図12は、電極
表面の6μm上方の浸透層の頂部に静止しているビーズを示す。ビーズはバイア
ス印加を終結させた後にも電極上方の同じ位置に残っており、これは、浸透層の
歪みが全く起こらなかったことを示している。図13は、電極に焦点を位置させ
た同じパッドを示している。層間剥離の小環は全く観察されなかった。電気力学
ストレスを+5μA(1nA/μm)、2分間増加させた場合、浸透層が膨脹
して見えるように該層が歪むことが観察された。しかしながら、電極からの層間
剥離は全く観察されなかった。上記実験の結果を表IVに示す。
【0043】
【表5】
【0044】 1nA/μmの範囲の電流密度が層間剥離に対して抵抗性の結合化学を有す
るマイクロチップの操作において有用であることを示すこれらの結果を記載し、
本発明者らは、層間剥離が存在しない本発明の結合化学を用いて電極に結合させ
た浸透層を有するマイクロチップでは、少なくとも10nA/μmの範囲の電
流密度を用い得ることもさらに意図する。
【0045】 本発明の改善点および他の態様は、前記の教示、記載および関連図面の恩恵を
有する本発明が関係する技術分野の当業者に明らかであろう。したがって、本発
明は、開示した特定の態様に限定されるものではなく、添付する請求の範囲内に
存在する改善点および他の態様をも包含する。本明細書中の全ての参考文献は出
典明示して本明細書の一部とみなす。
【0046】
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、リンカー基の電極表面への結合を示す化学構造の図であ
る。
【図2】 図2は、電極に浸透層を共有結合するプロセスを示す概略図であ
る。
【図3A】 図3Aは、層間剥離前の、リンカー基を用いずに浸透膜を電極
表面に結合させた個々の電極の部分イメージの共焦点顕微鏡写真である。
【図3B】 図3Bは、層間剥離後の、リンカー基を用いずに浸透膜を電極
表面に結合させた個々の電極の部分イメージの共焦点顕微鏡写真である。
【図4A】 図4Aは、種々の程度の層間剥離の、蒸気により沈着させたA
EAPSを用いて浸透膜を電極表面に結合させた個々の電極の部分イメージの共
焦点顕微鏡写真である。
【図4B】 図4Bは、種々の程度の層間剥離の、蒸気により沈着させたA
EAPSを用いて浸透膜を電極表面に結合させた個々の電極の部分イメージの共
焦点顕微鏡写真である。
【図4C】 図4Cは、種々の程度の層間剥離の、蒸気により沈着させたA
EAPSを用いて浸透膜を電極表面に結合させた個々の電極の部分イメージの共
焦点顕微鏡写真である。
【図4D】 図4Dは、種々の程度の層間剥離の、蒸気により沈着させたA
EAPSを用いて浸透膜を電極表面に結合させた個々の電極の部分イメージの共
焦点顕微鏡写真である。
【図5A】 図5Aは、AEAPSを用いて浸透膜を電極表面に結合させた
80μm直径のPt電極の部分イメージの共焦点顕微鏡写真である。
【図5B】 図5Bは、AEAPSを用いて浸透膜を電極表面に結合させた
80μm直径のPtSi電極の部分イメージの共焦点顕微鏡写真である。
【図6A】 図6Aは、化学結合基を用いないで浸透膜をPt電極に沈積さ
せた電極アレイの部分イメージの共焦点顕微鏡写真である。
【図6B】 図6Bは、AEAPSを用いて浸透膜をPtSi電極表面に結
合させた電極アレイの部分イメージの共焦点顕微鏡写真である。
【図7A】 図7Aは、化学結合基を用いないで浸透膜をPt電極に沈積さ
せた電極アレイの部分イメージの共焦点顕微鏡写真である。
【図7B】 図7Bは、AEAPSを用いて浸透膜をPtSi電極表面に結
合させた電極アレイの部分イメージの共焦点顕微鏡写真である。
【図8】 図8は、電気的バイアス印加の前にイメージの焦平面を電極の上
方3μmに設定した、アガロースでオーバレイしたPt電極の部分イメージの共
焦点顕微鏡写真である。
【図9】 図9は、電気的バイアス印加の間の無変化の焦平面を示す、アガ
ロースでオーバレイしたPt電極の部分イメージの共焦点顕微鏡写真である。
【図10】 図10は、電極の4μm上方の焦平面を示す、アガロースでオ
ーバレイしたPt電極の部分イメージの共焦点顕微鏡写真である。
【図11】 図11は、同心リングの存在によって示されるごとく、図10
の浸透層が層間剥離したことの確認を示す共焦点顕微鏡写真である。
【図12】 図12は、+2μA(0.4nA/μm)にて2分間のバイ
アス印加後に焦平面が変化しないまま残っていることを示す、アクリルアミド浸
透層が共有結合されたPtSi電極を示す電極の部分イメージの共焦点顕微鏡写
真である。
【図13】 図13は、図12の電極で層間剥離が全く起こっていないこと
を確認する、電極の部分イメージの共焦点顕微鏡写真である。
【手続補正書】
【提出日】平成14年8月1日(2002.8.1)
【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
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【化1】 [式中、Xはアクリレート、メタクリレート、アクリルアミド、メタクリルアミ
ド、アリル、ビニル、アセチル、アミン、置換されたアミン、エポキシおよびチ
オールよりなる群から選択され; スペーサーはアルキル、アリール、モノ−もしくはポリ−アルコキシ、エチレ
ングリコール、ポリエチレングリコール、モノ−もしくはポリ−アルキルアミン
、モノ−もしくはポリ−アミド、チオエーテル誘導体およびモノ−もしくはポリ
−ジスルフィドよりなる群から選択され; AおよびBは酸素−R、Cl、BrおよびX−スペーサー基またはそれらのい
ずれかの組合せよりなる群から選択され、ここにRはH、アルキル、メチル、エ
チル、プロピル、イソプロピルおよび4〜10の炭素原子の分岐鎖もしくは直鎖
のアルキルであって; Cは酸素−R、ClおよびBrよりなる群から選択される加水分解性基であっ
て、ここにRはH、分岐鎖のアルキル、メチル、エチル、プロピル、イソプロピ
ルおよび4〜10の炭素原子の分岐鎖もしくは直鎖のアルキルである] を有する請求項1記載の方法。
【化2】 よりなる群から選択されるエポキシ誘導体リンカーである請求項5記載の方法。
【請求項29】 該重合をモノマー間、およびモノマーとリンカーの第2の
反応性基との間で行う請求項1記載の方法。
【手続補正書】
【提出日】平成14年11月19日(2002.11.19)
【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
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【化1】 [式中、Xはアクリレート、メタクリレート、アクリルアミド、メタクリルアミ
ド、アリル、ビニル、アセチル、アミン、置換されたアミン、エポキシおよびチ
オールよりなる群から選択され; スペーサーはアルキル、アリール、モノ−もしくはポリ−アルコキシ、エチレ
ングリコール、ポリエチレングリコール、モノ−もしくはポリ−アルキルアミン
、モノ−もしくはポリ−アミド、チオエーテル誘導体およびモノ−もしくはポリ
−ジスルフィドよりなる群から選択され; AおよびBは酸素−R、Cl、BrおよびX−スペーサー基またはそれらのい
ずれかの組合せよりなる群から選択され、ここにRはH、アルキル、メチル、エ
チル、プロピル、イソプロピルおよび4〜10の炭素原子の分岐鎖もしくは直鎖
のアルキルであって; Cは酸素−R、ClおよびBrよりなる群から選択される加水分解性基であっ
て、ここにRはH、分岐鎖のアルキル、メチル、エチル、プロピル、イソプロピ
ルおよび4〜10の炭素原子の分岐鎖もしくは直鎖のアルキルである] を有する請求項1記載の方法。
【化2】 よりなる群から選択されるエポキシ誘導体リンカーである請求項5記載の方法。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェーン・クロッツ アメリカ合衆国92126カリフォルニア州サ ンディエゴ、ウエストリー・プレイス6913 番 (72)発明者 ダン・スモルコ アメリカ合衆国91935カリフォルニア州ジ ャムル、ビー・バレー・ロード20555番 (72)発明者 トーマス・ジェイ・オノフリー アメリカ合衆国92078カリフォルニア州サ ン・マルコス、ソノマ・ストリート590番

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 a.少なくとも1の電極; b.浸透層;および c.該少なくとも1の電極を該浸透層に結合するリンカー基を含み、 ここに、該リンカー基が共有結合によって該電極および浸透層に結合し、該共
    有結合が少なくとも0.04nA/μmの電流密度に耐えることができること
    を特徴とする電子的にアドレス指定可能なマイクロチップ。
  2. 【請求項2】 該浸透層が、ポリマー、ヒドロゲル、ゾルゲル法を介して生
    成した多孔性無機酸化物、アガロース、グリオキシルアガロースおよびアクリル
    アミド、メタクリルアミドまたは合成モノマーのいずれかから合成されるポリマ
    ーよりなる群から選択される請求項1記載の電子的にアドレス指定可能なマイク
    ロチップ。
  3. 【請求項3】 該電極が、ケイ化白金(PtSi)、ケイ化タングステン(
    WTi)、ケイ化チタン(TiSi)、ケイ化金(AuSi)、白金/チタン(
    PtTi)、金/チタン(AuTi)、ポリ(フェニレン・ビニレン)、ポリチ
    オフェンおよびポリアニリンよりなる群から選択される請求項1記載の電子的に
    アドレス指定可能なマイクロチップ。
  4. 【請求項4】 該リンカーが、式: 【化1】 [式中、Xはアクリレート、メタクリレート、アクリルアミド、メタクリルアミ
    ド、アリル、ビニル、アセチル、アミン、置換されたアミン、エポキシおよびチ
    オールよりなる群から選択され; スペーサーはアルキル、アリール、モノ−もしくはポリ−アルコキシ、エチレ
    ングリコール、ポリエチレングリコール、モノ−もしくはポリ−アルキルアミン
    、モノ−もしくはポリ−アミド、チオエーテル誘導体およびモノ−もしくはポリ
    −ジスルフィドよりなる群から選択され; AおよびBは酸素−R、Cl、BrおよびX−スペーサー基またはそれらのい
    ずれかの組合せよりなる群から選択され、ここにRはH、分岐アルキル、メチル
    、エチル、プロピル、イソプロピルおよび4〜10の炭素原子の分岐鎖もしくは
    直鎖のアルキルであって、Cは酸素−R、ClおよびBrよりなる群から選択さ
    れ、ここに、RはH、分岐アルキル、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル
    および4〜10の炭素原子の分岐鎖もしくは直鎖のアルキルである] を有する請求項1記載の電子的にアドレス指定可能なマイクロチップ。
  5. 【請求項5】 該リンカーが、APS、AEAPS、AHAPS、MOTS
    およびAMPTSよりなる群から選択される請求項4記載の電子的にアドレス指
    定可能なマイクロチップ。
  6. 【請求項6】 a.電子的にアドレス指定可能なマイクロチップの金属/ケ
    イ化物、金属/金属または有機物の電極をリンカー分子と接触させて該リンカー
    で層形成された電極の生成物を形成させ; b.(a)の該生成物を浸透層マトリクスと接触させ;ついで c.(a)の該生成物およびマトリクスを化学反応に付することを含み、ここ
    に工程(a)、(b)および(c)の結果が該リンカーの第1の反応性基と該電
    極との間および該リンカーの第2の反応性基と該浸透層マトリクスとの間の共有
    結合であり、該共有結合が少なくとも0.04nA/μmの電流密度に耐える
    ことができることを特徴とする反応性基を有する浸透層を該電極に共有結合させ
    る方法。
  7. 【請求項7】 該金属/ケイ化物の電極が、ケイ化白金(PtSi)、ケイ
    化タングステン(WTi)、ケイ化チタン(TiSi)およびケイ化金(AuS
    i)よりなる群から選択される請求項6記載の方法。
  8. 【請求項8】 該金属/金属の電極が、白金/チタン(PtTi)および金
    /チタン(AuTi)よりなる群から選択される請求項6記載の方法。
  9. 【請求項9】 該有機物の電極が、ポリ(フェニレン・ビニレン)、ポリチ
    オフェンおよびポリアニリンよりなる群から選択される請求項6記載の方法。
  10. 【請求項10】 該リンカーが、式: 【化2】 [式中、Xはアクリレート、メタクリレート、アクリルアミド、メタクリルアミ
    ド、アリル、ビニル、アセチル、アミン、置換されたアミン、エポキシおよびチ
    オールよりなる群から選択され; スペーサーはアルキル、アリール、モノ−もしくはポリ−アルコキシ、エチレ
    ングリコール、ポリエチレングリコール、モノ−もしくはポリ−アルキルアミン
    、モノ−もしくはポリ−アミド、チオエーテル誘導体およびモノ−もしくはポリ
    −ジスルフィドよりなる群から選択され; AおよびBは酸素−R、Cl、BrおよびX−スペーサー基またはそれらのい
    ずれかの組合せよりなる群から選択され、ここにRはH、分岐アルキル、メチル
    、エチル、プロピル、イソプロピルおよび4〜10の炭素原子の分岐鎖もしくは
    直鎖のアルキルであって、Cは酸素−R、ClおよびBrよりなる群から選択さ
    れる加水分解性の基、ここに、RはH、分岐アルキル、メチル、エチル、プロピ
    ル、イソプロピルおよび4〜10の炭素原子の分岐鎖もしくは直鎖のアルキルで
    ある] を有する請求項6記載の方法。
  11. 【請求項11】 該リンカーが、APS、AEAPS、AHAPS、MOT
    SおよびAMPTSよりなる群から選択される請求項10記載の方法。
  12. 【請求項12】 該浸透層が、ポリマー、ヒドロゲル、ゾルゲル法を介して
    生成した多孔性無機酸化物、アガロース、グリオキシルアガロースおよびアクリ
    ルアミド、メタクリルアミド、ポリアクリルアミドまたは合成モノマーから合成
    されるポリマーよりなる群から選択される請求項6記載の方法。
  13. 【請求項13】 該リンカーと浸透層との間の該結合がシッフ塩基反応から
    生じる請求項6記載の方法。
  14. 【請求項14】 該リンカーの該第2の反応性基がアミン基を含む請求項6
    記載の方法。
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