JP2004184340A - Ｄｎａプローブ固定電極の製造方法 - Google Patents

Abstract

【解決課題】ＤＮＡプローブの固定電極において、金電極を高密度で基板上に設置でき、加工コストも低廉とすることができる方法を開示することを目的とする。
【解決手段】本発明は、基板と、該基板上に設置された電気回路と、該電気回路上に突設される複数の金電極とからなるＤＮＡプローブ固定電極の製造方法において、金電極をワイヤボンディング法により接合することを特徴とするＤＮＡプローブ固定電極の製造方法である。ここで、金電極の設置後、基板の少なくとも金電極を設置した面を絶縁性樹脂、ガラス、セラミクス等の絶縁性物質で被覆し、金電極を研磨する工程をくわえることで、金電極表面を平坦とし高精度の遺伝子解析を行うことができる。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＤＮＡマイクロアレイを適用する遺伝子検査のための装置に使用され、ＤＮＡプローブを設置、固定するための固定電極の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
２０世紀後半において生命科学最大の課題であったヒトゲノム・プロジェクトの終了を迎えようとしている現在、この分野における今後の関心は、この膨大な情報を利用した医薬、医療方法の開発にある。この今後の研究課題の基板技術として注目されているのが、ＤＮＡマイクロアレイを用いたＤＮＡ検査技術である。
【０００３】
ＤＮＡマイクロアレイは、遺伝子の塩基配列、及び塩基配列上のＳＮＰ（一塩基多型）を検出する手段である。この方法では、まず、多数の異なったＤＮＡプローブを固相基板上に高密度に並べて固定する。そして、この複数のＤＮＡプローブに対し、予め標識したサンプル（ターゲット）ＤＮＡを接触させ、ハイブリダイゼーションの発生の有無により各プローブからのシグナルを検出するものである。
【０００４】
従来、このＤＮＡマイクロアレイによるＤＮＡ検出方法においては、サンプルＤＮＡの標識として蛍光色素を利用することが多かったが、蛍光標識による検出は、必ずしも精度が高いとはいえず、高精度で分析を行うためには大型で高価な分析装置が必要であった。
【０００５】
そこで、蛍光標識よりも簡便かつ高精度にハイブリダイゼーションの検出を可能とする手法として、検出を電気化学的に行う方法が知られている。この電気化学的検出方法は、ＤＮＡプローブを導電性物質で修飾して電極上に固定し、これにサンプルＤＮＡをハイブリダイゼーションさせることにより反応後の電流を測定してハイブリダイゼーションの検出を行うものである（この方法の詳細については、特許文献１参照。）。
【０００６】
そして、ＤＮＡマイクロアレイを用いた電気化学的な検査方法に供される装置としては、特許文献２記載のものがある。この装置は、図５で示すようなＤＮＡプローブの固定電極を中心としてなる装置である。ここで、図５で示すＤＮＡプローブの固定電極は、基板１００に形成された電気回路（図示せず）上に、ピン状の金電極１０２を複数突設させたものである。そして、ＤＮＡ検査に際しては、金電極１０２の端部それぞれに複数の異なるＤＮＡプローブを固定し、この固定電極をサンプルＤＮＡと接触させて、各電極における電流変化からハイブリタイゼーションの有無を検出するのである。
【０００７】
【特許文献１】特開平９−２８８０８０号公報
【特許文献２】特開２００１−２４２１３５公報
【０００８】
ところで、ＤＮＡチップを用いる遺伝子解析においては、特定の目的のために少数の種類の遺伝子情報を解析する場合と、網羅的に多数の遺伝子情報を解析する場合がある。そして、後者のような網羅的な解析の効率的な実現のためには、ＤＮＡプローブの固定電極について、数万個の電極を高集積度で有する固定電極を適用することが必要となる。
【０００９】
また、遺伝子解析の精度を確保するためには、電極表面の清浄度及び平坦度（傷、段差の有無）も極めて重要である。電極表面が汚染されていると、測定結果が得られる前にＤＮＡが電極から剥げ落ちたり、一つの電極上に固定されるＤＮＡの数にバラツキが生じ、その結果測定結果に悪影響を及ぼすこととなるからである。また、電極表面の平坦度に関しては、電極表面上の傷は汚染物が滞留する原因になりやすい。そこで、ＤＮＡプローブの固定電極は、酸又はアルカリ等による洗浄を行ったり、電極上に傷が存在する場合には表面を研磨して傷を削りとり平坦とすることが必要となる場合があることから、洗浄、研磨によって電極が剥離、消失したり、表面積が変化しないような構造のものが好ましい。
【００１０】
以上のような要求に応え得る固定電極を製造する技術としては、半導体プロセスを適用した加工技術が第一に考えられる。半導体プロセスは、高精度の微細加工が可能だからである。しかし、半導体プロセスを適用する場合、精度はともかく、加工装置のコスト等を考慮すると加工コストの上昇が懸念される。また、半導体プロセスにより製造される固定電極は、積層膜で構成されているため研磨を行なうことは不可能である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上のような背景のもとになされたものであり、ＤＮＡプローブの固定電極において、金電極を高密度で基板上に設置でき、加工コストも低廉とすることができる方法を開示することを目的とする。更に、洗浄、研磨されても電極を消失、変化させることのない固定電極を製造する方法についても提供する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は上記課題を解決すべく検討を行なった結果、金電極の形成方法として、ワイヤボンディング技術を応用することを見出した。ワイヤボンディングとは、配線板上の半導体集積回路素子（ＬＳＩ、ＵＬＳＩ）の入出力端子と配線板上の端子とを接続する場合等に一般的に適用されている技術である。このワイヤボンディングにおいては、極細の金線（２０〜１５０μｍ）を取り扱うことができ、μｍオーダーでの接合加工が可能である。本発明者等は、本願の対象となるＤＮＡプローブの固定電極について、金電極を高密度で設置する場合にもワイヤボンディング法が有効であると考え本発明を想到した。
【００１３】
即ち、本発明は、基板と該基板に設置された電気回路と、該電気回路上に突設される複数の金電極とからなるＤＮＡプローブ固定電極の製造方法において、前記金電極をワイヤボンディング法により接合することを特徴とするＤＮＡプローブ固定電極の製造方法である。
【００１４】
以下、本発明に係る方法につき、図１及び図２を用いて詳細に説明する。本発明に係る固定電極の製造方法では、まず、基板１００に電気回路１０１を製造する（図１（ａ））。この電気回路の製造においては、基板の表面（金電極を設置する面）に必要となる全ての電気回路を形成しても良いが、基板としていわゆるビルドアップ基板（多層配線基板）を適用し、立体的に電気回路を形成しても良い。ビルドアップ基板を適用する場合、各層に形成した電気回路を全て裏面で集約して外部装置へ接続することが可能であるため、固定電極のサイズを小さくすることができるという利点がある。
【００１５】
図１（ａ）は、基板表面にのみ電気回路を形成するときの例であるが、電気回路の製造方法は、電気回路を構成する配線により各種の方法が適用できる。例えば、薄膜の電気回路を製造するのであれば、蒸着法、スパッタリング法が、厚膜の電気回路を製造するのであれば、スクリーン印刷法が適用できる。また、プリント基板を使用しても差し支えない。基板の材質は、特に限定されることはないが、コストや電気回路の形成方法等から決定される。電気回路の製造が蒸着法、スパッタリング法による場合は、アルミナ、サファイア、シリコン、酸化シリコンを適用し、スクリーン印刷による場合には、ガラス、アルミナ等のセラミクス基板を適用する。プリント基板の場合には、紙−エポキシ樹脂、ガラス−エポキシ樹脂、ガラス−テフロン（登録商標）樹脂、フェノール樹脂といった樹脂基板を適用する。また、電気回路の構成材料としては電気導電性の観点から、炭素、金、銀、パラジウム、白金、アルミニウム、銅、ニッケルといった導電材料が好ましい。
【００１６】
尚、ビルドアップ基板を適用する場合も、まず基板に電気回路を形成することとなるが、電気回路の形成法は基本的に上記と同様である。また、この場合の基板の材質は、内部にビアを有するアルミナ等のセラミック基板や樹脂基板を適用する。電気回路の構成材料は、上記と同様である。但し、ビルドアップ基板を適用する場合、最裏面に形成する外部接続用のピン、回路の形成は、この段階で行っても良いが、後述する金電極の設置、樹脂被覆、或いは研摩の後いずれの段階で行ってもよい。
【００１７】
基板に電気回路を形成したら、次に、電気回路上にワイヤボンディング法により金線を接合し、金電極を形成する。ここで、ワイヤボンディング法を分類すると、ネ−ルヘッドボンディング法、超音波ボンディング法、サーモソニックボンディング法があるが、本発明では、ネ−ルヘッドボンディング法によるのが好ましい。金線の接合に最適な方法であり、金線を強固に電気回路に接合することができる。また、比較的簡易な接合プロセスであり、量産にも適しているからである。
【００１８】
このネ−ルヘッドボンディング法による金線の接合工程は、図１（ｂ）のようになる。まず、キャピラリ２０１から突出する金線２００の先端をアーク２０２で溶融しボール２０３とする。次に、ボール２０３を電気回路１０１の目的の箇所に押し付け圧着する。そして、キャピラリ２０１を垂直に引き上げて所望の高さになった段階で金線を切断することによりピン形状の電極１０２とすることができる。このときの電極１０２の長さ（キャピラリの引き上げ距離）は、ボール２０３の径の１０倍以内とするのが好ましい。１０倍を超えると、その後の工程で金線が変形しやすくなるからである。尚、キャピラリ引き上げ後の金線の切断は、工具（カッター等）で切断しても、引きちぎって切断しても良い。また、電極の高さを稼ぐために、ボールの上にボールを再度重ねたうえで金線を接合しても良い。
【００１９】
以上の工程を繰り返し行なうことで、電気回路上に複数の電極を突設させることができる。尚、本発明で用いる金線は、金純度８０原子％以上、直径２０〜１５０μｍの金線が好ましい。
【００２０】
ところで、先に説明したように、電極表面の傷の存在は、汚染物の滞留の要因となり得るため、電極の端面は平坦であることが好ましい。従って、上記工程により設置された電極は表面研磨しておくことが好ましい。このように電極を研磨する場合、電気回路から突設する電極は変形するおそれがある。そこで、このような研磨を考慮する構成として、電極の周囲を絶縁性の物質で覆い、電極側面を固定・保護することにより、電極の変形を防ぐことができると考える。
【００２１】
そこで、この電極の絶縁物質による被覆及び電極先端の研磨を考慮すれば、金線接合後の基板を絶縁性物質で被覆し、その後研磨を行なう工程を有するのが好ましい。この絶縁性物質としては、研磨、切削加工が可能な絶縁性樹脂、ガラス、セラミクスが好ましいが、特に、研磨後に残留する研磨粒子を初めとする汚染物質を除去するため、あるいは、再利用のために固定電極を洗浄することを考慮すれば、一般的な洗浄剤（酸、アルカリ、有機溶媒）に対して不溶なものが好ましい。絶縁性物質として好ましい具体例としては、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、ポリイミド、エポキシ樹脂が挙げられる。
【００２２】
この基板への樹脂被覆及び研磨の工程について説明するのが図２である。図２では、金電極１０２を設置した後（図２（ａ））、基板１００の表面を絶縁性物質で被覆する（図２（ｂ））。この樹脂の被覆は、図のように接合した電極全体を被覆しても良いが、金電極の先端を露出させて被覆しても構わない。更に、被覆する面は金電極を設置した面を片面のみ被覆してもよく、裏面も含めて全体を被覆しても良い。
【００２３】
そして、樹脂１０３の硬化後、電極端部を研磨する。これにより電極の先端部は平坦となる。このとき金電極を研磨すると、金線の径に等しい直径の電極となるが（図２（ｃ））、金電極の根元のボール部分まで研磨すると、より大径の（金線径の５倍程度までの）電極とすることができる（図２（ｄ））。
【００２４】
以上の工程により製造される固定電極は、その表面に金電極の端部のみが露出されたものとなっており、この電極端部にＤＮＡプローブを固定して使用する。また、使用後の固定電極は洗浄することで再使用が可能となる。また、電極に傷が発生した場合は、研磨することにより傷を取り除くことができる。これは、切削研磨が可能な材料で被覆していることによるものである。この際、各金電極は樹脂により固定されているので、変形することがなく安定的に繰り返し使用することができる。また、本発明に係る固定電極では、金線の断面積は一定であるので、研磨によっての断面積を変化させることなく長期間の繰り返し使用が可能となる。
【００２５】
このようにワイヤボンディングを適用したＤＮＡプローブ固定電極の製造法によれば、金電極を高密度で設置することができる。そして、ワイヤボンディングを適用することにより、金電極の密度を自由に調節することができる。即ち、本発明では高密度で金線を配置することができるが、任意の密度、本数の金電極を設置することができる。特定の目的のために少数の種類の遺伝子情報を解析するための少数の金電極が設置された固定電極を製造することができる。また、このように金電極の数を変更する場合においても、本発明においてはボンディング装置の設定を変更するだけで対応可能であり、固定電極の製造を効率的にかつ低コストで行なうことができる。更に、金電極の径を変更する場合においても、本発明ではボンディングで使用する金線の太さを変えるだけで良いので効率的である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を図面と共に説明する。
【００２７】
１インチ×１インチのアルミナ基板を用意し、この基板に電気回路を形成した。電気回路の形成は、金−ガラスペーストを用いたスクリーン印刷法により、印刷後、１５０℃で３０分乾燥し、更に８５０℃で１時間焼成して回路を形成した。この金からなる電気回路の膜厚は１５μｍであった。
【００２８】
次に、電気回路上の必要個所にワイヤボンディング用ボンダーにより電極を設置した。このときの金線は、線径３５μｍを用いた。電極の設置は先に説明したように、金線先端のボール形成、ボール部の圧着、ボンダーのキャピラリ引き上げ、金線の切断の順に行った。このとき電極の長さ（切り残した金線の長さ）は、電気回路表面から１００μｍとした。電極は２５０μｍ間隔で配置した。この間隔は、１インチ角の領域に１００００本の電極を設置することに相当する。
【００２９】
そして、基板の電気回路側の表面をポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）で被覆した。このときの樹脂の被覆厚さは６００μｍとし、電極全体が覆われるようにした。また、この樹脂被覆の際には電気回路の外部へのコネクション部分をマスキングしている。
【００３０】
樹脂硬化後、研磨機により樹脂表面を研摩した。この研磨は、樹脂の厚さが７０μｍとなるまで行った。この研磨により、樹脂と共に金線の先端も研磨され、表面に金線の鏡面端面が出現した。
【００３１】
本実施形態で製造したＤＮＡプローブ固定電極の外観を図３に示す。この固定電極につき、任意の電極端面と設置した電気回路の外部へのコネクション部分との導通を確認したところ、両者間の導通が確認された。また、電極端面は傷のない光沢面が得られると共に周囲の樹脂との段差もないことが確認された。更に、製造した固定電極を洗浄したところ、電極と樹脂との間の汚染物の滞留が生じないことが確認された。
【００３２】
次に、このＤＮＡプローブ固定電極の電気化学応答特性の評価を行った。この評価は、５００μＭフェロセンカルボン酸を含む０．２Ｍリン酸緩衝溶液中に固定電極を浸漬し、ディファレンシャルパルスボルタモグラフィー（ＤＰＶ）を測定することにより行った。測定は任意の７個の金電極について行った。この試験で測定されたＤＰＶボルタモグラム波形を図４に示す。
【００３３】
図４から、本実施形態に係るＤＮＡプローブ固定電極は、各金電極において安定した電気化学応答特性を示し、高精度の解析が可能であることが確認された。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ＤＮＡプローブの固定電極の製造に際して金電極を高密度で設置することができる。また、本発明は、設置する金電極の数を自在に制御することができ、任意の密度、本数の金電極を設置することができる。本発明によれば、網羅的に多数の遺伝子情報を解析するために多数の金電極が高密度で配置された固定電極のみならず、特定の目的のために少数の種類の遺伝子情報を解析するために少数の金電極が設置された固定電極をも自在に製造することができる。そして、本発明により製造される固定電極は、洗浄、研磨がなされても、金電極の消失、破損が生じるのおそれがなく、繰り返し使用も可能である。また、本発明により製造されるＤＮＡプローブの固定電極は、各電極で同レベルの電気化学応答特性を有し、高精度の遺伝子観察を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＤＮＡプローブ固定電極の製造方法の一態様として、電気回路及び金電極の設置工程を説明する図。
【図２】本発明に係るＤＮＡプローブ固定電極の製造方法の一態様として、絶縁性物質の被覆及び表面研磨の工程を説明する図。
【図３】本実施形態で製造したＤＮＡプローブ固定電極の外観を示す図。
【図４】本実施形態にＤＮＡプローブ固定電極について測定されたＤＰＶボルタモグラム波形。
【図５】従来のＤＮＡプローブ固定電極の外観を示す図。
【符号の説明】
１００ 基板
１０１ 電気回路
１０２ 金電極
１０３ 絶縁性物質

Claims (7)

1. 基板と、該基板に設置された電気回路と、該電気回路上に突設される複数の金電極とからなるＤＮＡプローブ固定電極の製造方法において、
   前記金電極をワイヤボンディング法により接合することを特徴とするＤＮＡプローブ固定電極の製造方法。
2. 直径２０〜１５０μｍの金線をワイヤボンディング法により接合する請求項１記載のＤＮＡプローブ固定電極の製造方法。
3. 金電極の設置後、基板の少なくとも金電極を設置した面を絶縁性物質で被覆し、金電極を研磨する工程を含む請求項１又は請求項２記載のＤＮＡプローブ固定電極の製造方法。
4. 絶縁性物質として、絶縁性樹脂を被覆する請求項１〜請求項３記載のＤＮＡプローブ固定電極の製造方法。
5. 絶縁性樹脂は、ポリエチレンテレフタラート樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂である請求項４記載のＤＮＡプローブ固定電極の製造方法。
6. 絶縁性物質として、セラミクス又はガラスを被覆する請求項３記載のＤＮＡプローブ固定電極の製造方法。
7. 請求項１〜請求項６記載の方法により製造されるＤＮＡプローブ固定電極。

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