JP2005245331A - Device for forming thin film, thin film device and method for producing the film device - Google Patents

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Takashi Funakoshi
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瑞穂 村橋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device for forming a thin film on the basis of a quite new principle, that can keep excellent stability of the thin film without any influence of artificial manipulation, a thin film device and a method for producing the film device. <P>SOLUTION: The film is formed by covering micropores formed on a base plate. At this time, a hole-closing phenomenon with a solvent is utilized to form the thin film. In other words, a solution formed by dissolving the materials for forming the thin film into a solvent is fed on the base plate having the micropores to form the thin film so as to close the micropores by swelling the film with the solvent. Then, the solvent is vaporized to open the micropores and to extend the formed thin film. The thin film is, for example, lipid film. The base plate is of a silicone resin, for example, of a polydimethylsiloxane. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、例えば細胞膜の機能解析に利用可能な平面脂質膜等の自己組織化薄膜を形成するための薄膜形成用デバイスに関するものであり、さらには、かかる薄膜形成用デバイスを用いて形成された薄膜デバイス、及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a thin film forming device for forming a self-assembled thin film such as a planar lipid film that can be used for functional analysis of a cell membrane, for example, and further formed using such a thin film forming device. The present invention relates to a thin film device and a manufacturing method thereof.

細胞膜で起こる分子機能を解析するためには、注目すべきタンパク質の挙動を詳細に観察必要があるが、実際の細胞膜を構成する要素は極めて複雑に存在し、単一の機能に着目した解析は非常に困難なものとなる。   In order to analyze the molecular functions that occur in the cell membrane, it is necessary to observe in detail the behavior of remarkable proteins, but the elements that make up the actual cell membrane are extremely complex, and analysis focusing on a single function It will be very difficult.

そこで提案されたのが、細胞膜の最も単純な構成要素である脂質二重膜を人工的に構築し、特定のタンパク質だけを挿入し解析を行う人工膜モデルである。人工膜モデルには、細胞のように閉じた球状をもつリポソームモデルと微小孔に平面的に脂質膜を形成させる平面脂質膜モデルの2つのタイプに分けることができる。   Therefore, an artificial membrane model that artificially constructs a lipid bilayer membrane, which is the simplest component of a cell membrane, and inserts only a specific protein for analysis is proposed. Artificial membrane models can be divided into two types: a liposome model having a closed sphere like a cell and a planar lipid membrane model in which a lipid membrane is formed planarly in micropores.

リポソームは、脂質分子が水中で自発的に形成する分子集合体で、脂質分子が2次元的に並んだ二重層構造を有する。一般的にフラスコ内で容易に作製することができ、膜挿入型のタンパク質やペプチドをリポソーム膜に取り込むことができる。しかしながら、挿入された膜タンパク質の機能や特性を解析する場合には、リポソーム内の反応検出が蛍光標識等による間接的な方法となる。   Liposomes are molecular aggregates in which lipid molecules spontaneously form in water and have a bilayer structure in which lipid molecules are arranged two-dimensionally. In general, it can be easily prepared in a flask, and membrane-inserted proteins and peptides can be incorporated into the liposome membrane. However, when analyzing the function and characteristics of the inserted membrane protein, reaction detection in the liposome is an indirect method using a fluorescent label or the like.

一方、平面脂質膜のモデルは、微小孔を用いて形成される。このモデル系は、脂質膜を挟んで2つのコンポーネントの組成を任意に設定できることや、膜を透過する物質の移動が分析できる長所を持っている。特に、脂質膜を挟んだイオン電流の検出や膜電位の制御が可能であることから、神経伝達に関わるイオンチャネル機能の解析に多く情報を与える実験系として用いられている。当然のことながら、これらの神経生理に関わるイオンチャネルの研究は、実際の細胞を用いた観察が行われ、電気生理学的手法であるパッチクランプ法と呼ばれる細胞膜を透過するイオン電流を検出する方法が一般的に行われる。しかしながら、より詳細なチャネルタンパク質の挙動や分子間の相互作用を直接的に理解するためには、平面脂質膜のモデル系による観察が有効だとされている。   On the other hand, a model of a planar lipid membrane is formed using micropores. This model system has the advantage that the composition of the two components can be arbitrarily set across the lipid membrane, and the movement of the substance that permeates the membrane can be analyzed. In particular, since it is possible to detect an ionic current sandwiching a lipid membrane and control a membrane potential, it is used as an experimental system that gives much information to analysis of ion channel functions related to nerve transmission. Naturally, research on these ion channels related to neurophysiology involves observations using actual cells, and there is a method for detecting ion currents that pass through cell membranes, called the patch clamp method, which is an electrophysiological technique. Generally done. However, in order to directly understand the detailed behavior of channel proteins and the interaction between molecules, it is considered that observation with a planar lipid membrane model system is effective.

例えば、2002年に柳田らの研究グループの報告では、目的とするイオンチャネルタンパク質の一分子レベルで解析を行うために、アガロース基板上に人工脂質平面膜系を構築し、これによって、受容体−リガンドの結合で起こる構造変化を電気・光学的に同時測定することを成功させている。   For example, in the report of Yanagida et al.'S research group in 2002, an artificial lipid planar membrane system was constructed on an agarose substrate in order to analyze the target ion channel protein at a single molecule level. We have succeeded in simultaneously measuring the structural changes caused by the binding of ligands electrically and optically.

ところで、これまで提案されてきた平面脂質膜の形成方法としては、1962年にMuellerらによって報告されたペインティング法と、1986年にMontalらによって報告された張り合わせ法と呼ばれる2つの方法が有名である(非特許文献1を参照)。これらの膜形成方法は、脂質分子の展開の方法が異なるだけであり、直径数100μmの微小孔が形成されたポリテトラフルオロエチレンシート(いわゆるテフロン(登録商標)シート)を用いる点では同じである。   By the way, two methods called the painting method reported by Mueller et al. In 1962 and the bonding method reported by Montal et al. Yes (see Non-Patent Document 1). These membrane formation methods are the same in that a polytetrafluoroethylene sheet (so-called Teflon (registered trademark) sheet) in which micropores with a diameter of several hundreds μm are formed is used, except that the method for developing lipid molecules is different. .

ペインティング法では、脂質分子をデカン溶媒に分散させ、その溶液を刷毛やピペットによって微小孔を塞ぐように塗布する。そうすると、脂質溶液が微小孔の両側から水溶液に挟まれた状態になり、疎水性相互作用によって脂質分子が自発的に二重層を形成するという原理である。また、張り合わせ法は、ラングミュア・ブロジェット(Langmuir-Blodgette)法という単分子膜形成技術を平面膜形成に応用したもので、先ず、微小孔を挟んだ2つの溶液の気−液界面に脂質分子の単分子層を形成させる。次に、その単分子膜の界面を上昇させ、両側の単分子膜同士が微小孔の中で張り合わせるようにする。それにより、目的とする平面脂質二重層が形成される仕組みである。
岡田泰伸 編者、"新パッチクランプ実験技術法", p208-224, 吉岡書店 (2001)
In the painting method, lipid molecules are dispersed in a decane solvent, and the solution is applied with a brush or pipette so as to close the micropores. If it does so, it will be in the state where the lipid solution became the state pinched | interposed into the aqueous solution from the both sides of a micropore, and it is a principle that a lipid molecule spontaneously forms a bilayer by hydrophobic interaction. In addition, the laminating method is an application of a monomolecular film formation technique called the Langmuir-Blodgette method to planar film formation. First, lipid molecules are formed at the gas-liquid interface of two solutions sandwiching micropores. To form a monomolecular layer. Next, the interface of the monomolecular film is raised so that the monomolecular films on both sides are bonded together in the micropores. As a result, the target planar lipid bilayer is formed.
Okada Yasunobu Editor, "New Patch Clamp Experiment Method", p208-224, Yoshioka Shoten (2001)

これらの形成方法の手順は、手作業で行える単純な操作であるが、その単純さゆえに、ナノレベルの分子膜の制御を脂質分子の自己組織化に依存せざる負えないものであり、脂質膜形成の再現性が作業する実験者の熟練した技術が必要となる。例えば、ペインティング法に見られるように、刷毛を用いて脂質を塗布する場合では、用いる刷毛の形状、材質、また、使用者の操作方法によって、微小孔に付着する脂質成分は、非常に不均一であり、形成される二重層構造の特性を大きく左右する。張り合わせ法における単分子膜の形成についても、単分子膜であろうという憶測に基づく操作であり、界面の振動や壁面との相互作用を精密に制御しているわけではない。   The procedure of these formation methods is a simple operation that can be performed manually, but because of its simplicity, the control of nano-level molecular membranes cannot but depend on the self-assembly of lipid molecules. The skill of the experimenter working on the reproducibility of formation is required. For example, as seen in the painting method, when applying lipid using a brush, the lipid component adhering to the micropores is very low depending on the shape and material of the brush used and the user's operation method. It is uniform and greatly affects the properties of the double layer structure formed. Formation of a monomolecular film in the bonding method is also an operation based on the speculation that it may be a monomolecular film, and does not precisely control the vibration of the interface and the interaction with the wall surface.

また、これらの方法によって形成される脂質膜の安定性に関与する最も重要な要素は、実験に用いる微小孔の形状と材質表面が示す脂質分子との相互作用である。一般的には、疎水性を示すポリテトラフルオロエチレンシートが用いられるが、これは、用いる有機溶媒に対して安定であることや、脂質分子の疎水部分を基板表面へ配向させるという目的によるものである。   The most important factor involved in the stability of the lipid membrane formed by these methods is the interaction between the shape of the micropores used in the experiment and the lipid molecules exhibited by the material surface. In general, polytetrafluoroethylene sheets exhibiting hydrophobicity are used. This is because they are stable with respect to the organic solvent used and for the purpose of orienting the hydrophobic portion of the lipid molecule to the substrate surface. is there.

さらに、微小孔の作製にあたっては、放電による孔加工や、鈍角に尖ったステンレス棒の押し込みよって形成される窪みを剃刀で削り取る方法等によって、シャープなエッジを持つ微小孔を作製する方法が用いられている。これらの微小孔の作製方法は、実験室レベルでの工作技術によって簡便に作製できる方法として、個々の実験者によって試行錯誤の末に提案された方法であり、精密な微小孔の再現性や実験者同士が共通したツールとして基準化されたものではない。   Furthermore, in the production of microholes, a method of producing microholes with sharp edges is used, such as drilling by electric discharge or scraping a hollow formed by pushing a stainless steel bar with an obtuse angle with a razor. ing. These micropore fabrication methods were proposed by individual experimenters after trial and error as methods that can be easily fabricated by laboratory-level machining techniques. It is not standardized as a common tool between the two.

そのため、現状で報告されている平面脂質膜モデルを用いた実験結果について、用いられている脂質膜形成方法によるばらつきの影響が、どの程度目的とする現象に影響を及ぼしたものなのか、比較して判断することは難しい。   Therefore, the results of experiments using the planar lipid membrane model reported at present are compared to the extent to which the effect of variation due to the lipid membrane formation method used has affected the target phenomenon. It is difficult to judge.

したがって、量産化が可能で、より精密な微小孔の作製を実現することができ、さらに刷毛塗り法や張り合わせ法といった人為的操作が少なく、より機械化された平面脂質膜の形成方法が必要である。   Therefore, mass production is possible, it is possible to produce more precise micropores, and there is a need for a more mechanized method for forming a planar lipid membrane with less manual operations such as brushing and pasting. .

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、人為的な操作等によって形成される薄膜の安定性が大きく左右されることがない、全く新しい原理に基づく薄膜形成用デバイス、薄膜デバイス及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been proposed in view of such conventional circumstances, and is intended for thin film formation based on a completely new principle, in which the stability of the thin film formed by an artificial operation or the like is not greatly affected. An object is to provide a device, a thin film device, and a manufacturing method thereof.

本発明者らは、微小フロー操作によれば、生体分子のハンドリングや送液の切り替えが素早く行えることから、脂質分子を目的の場所に配置し、膜形成を促す水溶液の界面移動を行うのに有効ではないかと考えるに至った。また、脂質溶液を展開させる方法として、基板材料そのものが機械的に変形し、脂質分子の薄膜化を促すという原理を応用することで、基板上のマイクロ空間に脂質膜構造を構築することができるのではないかと考えるに至った。本発明は、これらの着想に基づいて完成されたものである。   Since the present inventors can quickly handle biomolecules and switch between liquid feeds according to the microflow operation, the lipid molecules are placed at a target location to move the interface of an aqueous solution that promotes film formation. It came to think that it might be effective. In addition, as a method for developing a lipid solution, a lipid membrane structure can be constructed in a microspace on the substrate by applying the principle that the substrate material itself is mechanically deformed to promote thinning of lipid molecules. I came to think that it might be. The present invention has been completed based on these ideas.

すなわち、本発明の薄膜形成用デバイスは、微小孔を有し溶媒により膨潤する基板を備え、前記膨潤による前記微小孔の閉孔により、当該微小孔を覆うように薄膜が形成されることを特徴とする。   That is, the thin film forming device of the present invention includes a substrate having micropores that swells with a solvent, and the thin film is formed so as to cover the micropores by closing the micropores due to the swelling. And

本発明の薄膜形成用デバイスでは、溶媒による微小孔の膨潤(閉孔)動作により、微小孔を覆うように薄膜が自動的に形成される。これにより、基板上に平面かつアレイ状に薄膜を配置することが可能である。また、形成される膜は、これを挟んで2つの微小空間を持つように配置される。   In the thin film forming device of the present invention, the thin film is automatically formed so as to cover the micropores by the operation of swelling (closed pores) of the micropores with the solvent. Thereby, it is possible to arrange | position a thin film on a board | substrate planarly and in an array form. Further, the film to be formed is arranged so as to have two minute spaces with the film interposed therebetween.

また、本発明の薄膜デバイスは、基板に形成された微小孔を覆って薄膜が形成されてなり、前記薄膜は前記微小孔が閉孔状態で形成され、微小孔の開孔によって引き伸ばされていることを特徴とする。さらに、本発明の薄膜デバイスの製造方法は、基板に形成された微小孔を覆って薄膜を形成する薄膜デバイスの製造方法であって、溶媒による微小孔の閉孔現象を利用して前記薄膜を形成することを特徴とする。   Further, the thin film device of the present invention is formed by covering a minute hole formed in the substrate, and the thin film is formed with the minute hole being closed and stretched by the opening of the minute hole. It is characterized by that. Furthermore, the thin film device manufacturing method of the present invention is a thin film device manufacturing method for forming a thin film by covering a micropore formed in a substrate, and the thin film device is formed by utilizing a micropore closing phenomenon caused by a solvent. It is characterized by forming.

例えば、マイクロデバイス作製に用いられるシリコーン樹脂(ポリジメチルシロキサン)は、ある種の有機溶媒に対して可逆的に膨潤・収縮する性質を有する。このような材質の基板に微小孔を形成し、ここに脂質を溶解した有機溶媒を供給すると、有機溶媒の膨潤により微小孔の閉孔動作が起こる。その後、有機溶媒が気化すると、微小孔が元の形状に変化し、微小孔上に形成された脂質の層は、開孔動作によって水平方向に引き伸ばされる。これにより、脂質分子が例えば二分子膜として構成される膜構造が構築される。前記動作は、何ら人為操作によるものではなく、したがって、人為的要因等によって薄膜の安定性が左右されることはない。   For example, a silicone resin (polydimethylsiloxane) used for microdevice fabrication has a property of reversibly swelling and shrinking with a certain organic solvent. When micropores are formed in a substrate of such a material and an organic solvent in which lipids are dissolved is supplied to the substrate, a micropore closing operation occurs due to swelling of the organic solvent. Thereafter, when the organic solvent is vaporized, the micropores change to the original shape, and the lipid layer formed on the micropores is stretched in the horizontal direction by the opening operation. Thereby, a membrane structure in which lipid molecules are configured as, for example, a bilayer membrane is constructed. The above operation is not caused by any artificial operation, and therefore, the stability of the thin film is not affected by an artificial factor or the like.

本発明は、微小孔アレイチップの材料の膨張特性を利用して薄膜形成を行うものであり、平面膜の内側にマイクロスケールの空間を構築することができ、また、一度に多数の薄膜アレイを同時に形成することができる。しかも、人為的要因等によって薄膜の安定性が左右されることもない。   The present invention performs thin film formation by utilizing the expansion characteristics of the material of the micropore array chip, and can construct a microscale space inside the planar film. Also, a large number of thin film arrays can be formed at one time. They can be formed simultaneously. In addition, the stability of the thin film is not affected by human factors.

このように、基板上のマイクロ空間に平面膜型の薄膜構造(例えば脂質分子の二分子膜構造等)を構築することができれば、オンチップへの微小化、また他のマイクロ分析技術との統合化が期待でき、従来の生体膜研究で用いられる人工膜モデルを用いた受容体への薬理解析が、連続的かつ微少量のサンプルで行えるバイオチップ等として応用できることが期待できる。   In this way, if a planar membrane-type thin film structure (such as a bilayer structure of lipid molecules) can be constructed in the micro space on the substrate, miniaturization to on-chip and integration with other micro analysis technologies It can be expected that the pharmacological analysis of the receptor using the artificial membrane model used in conventional biological membrane research can be applied as a biochip that can be performed continuously and with a very small amount of sample.

以下、本発明を適用した薄膜形成用デバイス、薄膜デバイス、及びその製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, a thin film forming device, a thin film device, and a manufacturing method thereof to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.

これまで様々な人工的な分子膜が提案され、実際の細胞膜の構造や機能を理解する上で多くの情報を与えてきた。その中でも、細胞の構成要素であるリン脂質が水溶液中で自己組織化によって形成する二分子膜構造は、実際の細胞膜を最も単純化した人工膜モデルと見なすことができ、細胞膜で起こる様々な生理現象の理解に役立ってきた。一例を挙げると、神経生理で重要な機能を果たすアセチルコリン受容体は、シビレエイ等の発電器官から単離することができ、それらを脂質膜に挿入することにより、そのチャネル機能を発現できることが報告された。   Various artificial molecular membranes have been proposed so far, and much information has been given to understand the structure and functions of actual cell membranes. Among them, the bilayer structure formed by self-assembly of phospholipids, which are cell components, can be regarded as the most simplified artificial membrane model of the actual cell membrane. It has been helpful in understanding the phenomenon. For example, it has been reported that acetylcholine receptors that play important functions in neurophysiology can be isolated from power generation organs such as Sybilei and can express their channel function by inserting them into lipid membranes. It was.

このように注目すべき受容体のみを膜に挿入したモデル系の構築によって、イオンチャネルの物理化学的現象をより明確に解析することが可能となった。さらに、受容体に作用する神経伝達物質や毒物等の直接的な薬理作用メカニズムの観察も可能となった。このように平面脂質膜を使った人工膜モデルは、受容体研究に大きな貢献を果たしてきた。さらに、近年では、生物の持つ優れた分子メカニズムを工学的な観点から応用する試みも盛んに行われ、細胞膜が形成するナノ構造の形成原理が、バイオマテリアルの研究や超分子構造による分子素子の設計に大きく活かされている。特に生体が分子を特異的に認識する機能は、極めて興味深く、バイオセンサーへ応用する試みが多くなされている。例えば、生物の味覚にならった味覚センサーや酵素の持つ選択的な触媒作用を利用した血糖値センサー等の研究が行われている。   Thus, the construction of a model system in which only notable receptors are inserted into the membrane makes it possible to analyze the physicochemical phenomena of ion channels more clearly. Furthermore, it has become possible to observe direct pharmacological mechanisms of neurotransmitters and toxins that act on receptors. Thus, artificial membrane models using planar lipid membranes have contributed greatly to receptor research. Furthermore, in recent years, many attempts have been made to apply the superior molecular mechanisms of living organisms from an engineering point of view, and the principle of the formation of nanostructures formed by cell membranes has become the basis of research on biomaterials and molecular devices based on supramolecular structures. Greatly utilized in design. In particular, the function of a living body specifically recognizing molecules is extremely interesting, and many attempts have been made to apply it to biosensors. For example, researches are being conducted on taste sensors that follow the tastes of living organisms and blood glucose level sensors that utilize the selective catalytic action of enzymes.

ここで注目すべきことは、これらの生体分子が持つインテリジェントな機能の多くが、細胞膜を舞台とした現象である。ゆえにこれらの分子機械のメカニズムを解明し、応用していくこためには、いかに細胞膜の環境を人工的に構成し、分子デバイスの基盤として安定に構築できるかが大きな課題であると考えられる。   What should be noted here is that many of the intelligent functions of these biomolecules are phenomena that take place in the cell membrane. Therefore, in order to elucidate the mechanism of these molecular machines and apply them, it is considered that the major issue is how to construct the cell membrane environment artificially and stably build it as the basis of molecular devices.

一方、近年目覚しく発展を遂げた半導体微細加工技術によって、様々な基板上にマイクロスケールのパターニングや3次元的な造型が行えるようになってきた。これらの加工技術によって作製できる微小構造を様々な科学分野に応用する試みが始まっている。その中でも微小空間を利用した化学反応系では、従来の実験系で用いられる試薬量の100分の1から10000分の1程度にまで微小化できることや、また、マイクロスケールに伴う物質拡散効果や表面積の効果が顕著に反映されることから、これらの現象を利用した新規の溶液反応を提案する研究も行われている。   On the other hand, microscale patterning and three-dimensional molding can be performed on various substrates by a semiconductor microfabrication technology that has been remarkably developed in recent years. Attempts have been made to apply microstructures that can be produced by these processing techniques to various scientific fields. In particular, chemical reaction systems using microspaces can be made as small as 1/100 to 10,000 times less than the amount of reagents used in conventional experimental systems, and the substance diffusion effect and surface area associated with microscales. Since the effect of the above is remarkably reflected, research for proposing a novel solution reaction using these phenomena has also been conducted.

さらに、これらの微小空間で起こる反応を検出するための分析装置の小型化も進められ、従来の溶液分析のプロセスを数センチ角のチップ上で統合して行うμTAS(Micro Total Analysis system)と称するデバイスの開発が注目を集めている。これらの技術は、バイオテクノロジー分野の分析技術として大きく展開されると期待されており、その分析デバイスの有用性として、試料サンプルの少量化、反応・測定時間の短縮化、また、測定システムの小型化等が挙げられる。   Furthermore, miniaturization of analyzers for detecting reactions occurring in these microspaces is also progressing, and this is called μTAS (Micro Total Analysis system), which integrates conventional solution analysis processes on a chip of several centimeters square. Device development is drawing attention. These technologies are expected to be widely deployed as analytical technologies in the biotechnology field. The usefulness of these analytical devices is to reduce the amount of sample samples, shorten reaction and measurement times, and reduce the size of measurement systems. For example.

本発明者らも、マイクロスケールの微小構造パターンを利用することによって、目的とする生体分子を効率よく配置させ、化学的分析を行うシステムの研究を進めてきた。その際、微小量の溶液サンプルを送液制御する方法として微小流路構造による送液システムを検討してきた。本発明は、このような微小フロー技術を利用して、新しい平面脂質膜の形成方法を提案するものである。   The inventors of the present invention have also been researching a system for performing chemical analysis by efficiently arranging desired biomolecules by utilizing a microscale microstructure pattern. At that time, as a method for controlling the delivery of a minute amount of a solution sample, a solution delivery system using a microchannel structure has been studied. The present invention proposes a new method for forming a planar lipid membrane using such a microflow technique.

本発明の薄膜形成用デバイスは、微小孔が規則的に閉孔する動作を利用して薄膜形成を行うものである。そこで、先ず、微小孔の閉孔動作に基づく薄膜(例えば脂質膜)形成の原理について説明する。本発明における薄膜形成の原理は、図1に示すようなものである。   The thin film forming device of the present invention performs thin film formation by utilizing the operation of regularly closing micropores. First, the principle of forming a thin film (for example, lipid membrane) based on the micropore closing operation will be described. The principle of thin film formation in the present invention is as shown in FIG.

すなわち、図1(a)に示すように、微小孔3を有する基板(シリコーン樹脂膜)2を形成したスライドガラス1を用意し、図1(b)に示すように、微小孔3の上面に薄膜形成材料を溶媒に溶解した溶液4、例えば脂質(Phosphatidylcholine)のヘキサン溶液を滴下する。すると、基板2であるシリコーン樹脂膜は、溶媒(ヘキサン)による膨潤作用によって図中矢印方向に膨潤し、微小孔3の閉孔動作が起こる。その後、溶媒は、常温において即座に気化することにより、図1(c)に示すように、シリコーン樹脂膜2の表面に薄膜形成材料のみからなる薄い薄膜5が形成される。同時に、溶媒の気化に伴い微小孔3が元の形状に変化し、図1(d)に示すように、微小孔3の上面に形成された薄膜5は、この開孔の動作によって水平方向に引き伸ばされる。これによって、例えば、脂質分子により形成される二分子膜構造に近づけることができる。   That is, as shown in FIG. 1 (a), a slide glass 1 on which a substrate (silicone resin film) 2 having a minute hole 3 is formed is prepared, and as shown in FIG. A solution 4 in which a thin film forming material is dissolved in a solvent, for example, a hexane solution of lipid (Phosphatidylcholine) is dropped. Then, the silicone resin film as the substrate 2 swells in the direction of the arrow in the figure due to the swelling action by the solvent (hexane), and the closing operation of the micropores 3 occurs. Thereafter, the solvent is immediately vaporized at room temperature, whereby a thin thin film 5 made of only a thin film forming material is formed on the surface of the silicone resin film 2 as shown in FIG. At the same time, the micropores 3 change to the original shape as the solvent evaporates. As shown in FIG. 1D, the thin film 5 formed on the top surface of the micropores 3 is moved horizontally by the opening operation. Stretched. Thereby, for example, it can be approximated to a bilayer structure formed by lipid molecules.

以上の原理によって本発明の薄膜デバイスは形成されるが、ここで薄膜5を構成する薄膜形成材料としては、前記脂質に限らず、分子配向し得る分子であれば任意の材料を用いることができる。ただし、前記細胞膜の環境を人工的に構成するという観点からは、脂質であることが好ましい。また、薄膜5は、2分子膜が想定されるが、これに限らず、単分子膜等であってもよい。   Although the thin film device of the present invention is formed by the above principle, the thin film forming material constituting the thin film 5 is not limited to the lipid, and any material can be used as long as it is a molecule capable of molecular orientation. . However, lipid is preferable from the viewpoint of artificially constructing the environment of the cell membrane. The thin film 5 is assumed to be a bimolecular film, but is not limited thereto, and may be a monomolecular film or the like.

基板2を構成する材料としては、前記のようにシリコーン樹脂膜が最適であるが、これに限らず、溶媒により膨潤し、微小孔の閉孔動作を行い得るものであれば、これに限らない。したがって、使用する溶媒との組み合わせで適宜選定すればよく、例えば前記のように溶媒として有機溶媒の1種であるヘキサンを用いる場合には、基板2を構成する材料として、シリコーン樹脂等を用いる。なお、シリコーン樹脂としては、例えばポリジメチルシロキサンからなる樹脂材料を挙げることができる。   The material constituting the substrate 2 is optimally a silicone resin film as described above. However, the material is not limited to this as long as it can swell with a solvent and perform a micropore closing operation. . Therefore, it may be appropriately selected depending on the combination with the solvent to be used. For example, when hexane, which is one kind of organic solvent, is used as the solvent as described above, a silicone resin or the like is used as a material constituting the substrate 2. In addition, as a silicone resin, the resin material which consists of polydimethylsiloxane can be mentioned, for example.

基板2には、微小孔3が形成されているが、この微小孔3は、例えばアレイ状に配列形成され、これにより薄膜デバイスを一括して多数形成することができる。微小孔3の寸法であるが、例えば孔の径は、20μm〜100μmであることが好ましい。微小孔3の径が前記範囲を越えて大きすぎると、閉孔動作が難しくなるおそれがある。逆に、前記範囲を下回っても、円滑な閉孔動作が難しくなるおそれがあり、また、微小孔3により構成される空間が小さすぎて、使用上、制約が生ずるおそれもある。微小孔3の深さは、40μm〜100μ程度とすればよいが、前記閉孔動作を円滑に行うためには、孔径が大きいほど微小孔3の深さを深くすることが好ましい。   The substrate 2 has microholes 3 formed therein. For example, the microholes 3 are arranged in an array so that a large number of thin film devices can be collectively formed. Although it is the dimension of the micropore 3, it is preferable that the diameters of a hole are 20 micrometers-100 micrometers, for example. If the diameter of the minute hole 3 exceeds the above range, the closing operation may be difficult. On the contrary, even if it falls below the above range, smooth closing operation may be difficult, and the space constituted by the micro holes 3 may be too small, and there may be restrictions in use. The depth of the microhole 3 may be about 40 μm to 100 μm. However, in order to smoothly perform the closing operation, it is preferable to increase the depth of the microhole 3 as the hole diameter increases.

微小孔3は、基板2を貫通する貫通孔であることが好ましいが、必ずしもこれに限定されず、薄膜が形成される面とは反対側の面が塞がれていてもよい。ただし、その場合には、微小孔3によって形成される空間の利用に制約が生ずるおそれがある。   The microhole 3 is preferably a through-hole penetrating the substrate 2, but is not necessarily limited thereto, and the surface opposite to the surface on which the thin film is formed may be blocked. However, in that case, there is a possibility that the use of the space formed by the minute holes 3 may be restricted.

前記微小孔3は、例えばフォトリソ技術により容易に形成することができる。具体的には、フォトリソ技術により微小孔に対応するレジストパターンを形成し、これを鋳型としてシリコーン樹脂等を流し込む。すると、レジストパターン部分が微小孔となって基板2に転写される。   The micro holes 3 can be easily formed by, for example, a photolithography technique. Specifically, a resist pattern corresponding to the minute holes is formed by photolithography, and silicone resin or the like is poured using this resist pattern as a mold. Then, the resist pattern portion is transferred to the substrate 2 as a minute hole.

前記微小孔3の上面に形成された薄膜5は、微小孔の開孔によって引き伸ばされることになる。したがって、基板2と薄膜5は、ある程度強固に結合していることが好ましい。このような観点から、基板2の表面(薄膜形成面)に対して、表面処理を施しておくことも有効である。表面処理としては、基板2と薄膜5の密着性を改善し得るものであれば如何なるものであってもよく、例えば、シランカップリング剤による表面処理や、酸素プラズマ処理等を挙げることができる。表面処理に用いるシランカップリング剤としては、ア ミノ基を有するシランカップリング剤が効果が高い。   The thin film 5 formed on the upper surface of the minute hole 3 is stretched by opening the minute hole. Therefore, it is preferable that the substrate 2 and the thin film 5 are firmly bonded to some extent. From such a viewpoint, it is also effective to perform a surface treatment on the surface of the substrate 2 (thin film forming surface). The surface treatment may be any surface treatment that can improve the adhesion between the substrate 2 and the thin film 5, and examples thereof include surface treatment with a silane coupling agent and oxygen plasma treatment. As the silane coupling agent used for the surface treatment, a silane coupling agent having an amino group is highly effective.

前述のように、本発明の薄膜デバイスの作製に際しては、溶媒による微小孔3の閉孔現象を利用し、基板2に形成された微小孔3を覆って薄膜5を形成する。すなわち、微小孔3が形成された基板2上に薄膜形成材料を溶媒に溶解した溶液4を供給し、溶媒の膨潤により前記微小孔3が閉孔した状態で膜形成を行い、その後、溶媒の蒸発により前記微小孔3を開孔させ、形成された薄膜5を引き伸ばす。   As described above, when the thin film device of the present invention is manufactured, the thin film 5 is formed so as to cover the micro holes 3 formed in the substrate 2 by utilizing the phenomenon of the micro holes 3 being closed by the solvent. That is, a solution 4 in which a thin film forming material is dissolved in a solvent is supplied onto the substrate 2 on which the micropores 3 are formed, and film formation is performed in a state where the micropores 3 are closed by swelling of the solvent. The minute holes 3 are opened by evaporation, and the formed thin film 5 is stretched.

このとき、溶媒としては前記有機溶媒を用いるのが通常であるが、これに限らず、例えば、薄膜形成材料の種類によっては、水系の溶媒を用いることも可能である。   At this time, the organic solvent is usually used as the solvent. However, the present invention is not limited to this. For example, depending on the type of the thin film forming material, an aqueous solvent may be used.

前記作製方法では、基本的には、薄膜形成材料の疎水基及び親水基の溶媒、あるいは空気に対する親和性を利用して薄膜形成材料(分子)の分子配向を行うが、さらに、例えば前記形成方法を微小フロー系の中に組み込むことによって、より自動化された薄膜の形成、及び分子配向制御を行うことが可能である。この場合、微小孔3を溶液が通過するようなフローチャネルを構築し、薄膜形成に必要な溶液の送液、有機溶媒の除去、水溶液の注入を連続的に行う。   In the production method, basically, the molecular orientation of the thin film forming material (molecule) is performed by utilizing the affinity of the hydrophobic group and hydrophilic group of the thin film forming material with the solvent or air. Can be incorporated into a micro flow system to form a more automated thin film and control molecular orientation. In this case, a flow channel in which the solution passes through the micropores 3 is constructed, and solution feeding, organic solvent removal, and aqueous solution injection necessary for thin film formation are continuously performed.

マイクロフローチャネルを用いた場合でも同様に薄膜形成を行うことができるが、その原理は、図2に示すようなものである。この場合には、基板2上に第2のスライドガラス6を微小間隔を持って配置し、スリットを形成する。そして、このスリットをマイクロフローチャンネルとし、先ず、図2(a)に示すように、マイクロフローチャネルの開放端に溶液(脂質を有機溶媒に溶解した溶液)4を滴下する。すると、溶液4は、キャピラリー効果によって、流路内に送液され、微小孔3の上面を流れる。それと同時に有機溶媒(例えばヘキサン)によるシリコーン樹脂の膨潤が起き、微小孔3が閉孔となる。そして、有機溶媒の気化に伴い、気液界面が流路を進行し、微小孔3表面に薄膜形成材料分子(脂質分子)が薄くコートされ、薄膜5が微小孔3の上面に配置・薄膜化される。次いで、今度は、マイクロフローチャネルの開放端に水7を滴下する。すると、水7は、やはり、キャピラリー効果によって、流路内に送液され、微小孔3の上面、すなわち薄膜5上を流れる。その結果、薄膜形成分子の親水基側が、流れる水に向かって配向し、自己組織化が行われる。この場合、送液操作を毛細管現象によって行っているので、薄膜形成操作は溶液の滴下のみで済み、極めて簡略化することができる。   Even when a microflow channel is used, a thin film can be formed in the same manner, but the principle is as shown in FIG. In this case, the second slide glass 6 is arranged on the substrate 2 with a minute interval to form a slit. Then, this slit is used as a microflow channel. First, as shown in FIG. 2A, a solution 4 (solution in which lipid is dissolved in an organic solvent) 4 is dropped onto the open end of the microflow channel. Then, the solution 4 is fed into the flow path by the capillary effect and flows through the upper surface of the micropore 3. At the same time, the silicone resin swells with an organic solvent (for example, hexane), and the micropores 3 are closed. As the organic solvent evaporates, the gas-liquid interface advances through the flow path, the surface of the micropores 3 is thinly coated with thin film forming material molecules (lipid molecules), and the thin film 5 is disposed on the upper surface of the micropores 3 and thinned. Is done. Next, water 7 is dropped on the open end of the microflow channel. Then, the water 7 is also fed into the flow path by the capillary effect, and flows on the upper surface of the micropore 3, that is, on the thin film 5. As a result, the hydrophilic group side of the thin film-forming molecule is oriented toward the flowing water, and self-organization is performed. In this case, since the liquid feeding operation is performed by a capillary phenomenon, the thin film forming operation only requires dropping of the solution, and can be extremely simplified.

以下、本発明を具体的な実験結果に基づいて説明する。   Hereinafter, the present invention will be described based on specific experimental results.

(フォトリソグラフィー技術による微小孔の作製)
シリコンウェハを3×4cm角に切り、超純水による超音波洗浄を5分間行った。次にシリコンウェハをアセトン溶液に浸し、煮沸洗浄を5分間行った。さらにフッ酸溶液〔フッ酸(10ml)/フッ化アンモニウム(60ml)〕に5分間浸し、ウェハ表面にある酸化膜を除去し、超純水による洗浄の後、窒素ガスによって乾燥させた。このシリコンウェハにフォトレジスト(SU8−50)を滴下し、スピンコーターによって、任意の膜厚として展開させた。これを95℃、30分間の条件でホットプレートによりプリベイクした。 次に、マスクアライナー装置によって、予め容易したマスクパターンをUV露光した。その後、95℃、30 minの条件でホットプレートによりポストベイクとした。これをSU8現像液に浸し、シリコンウェハ上にフォトレジストによる凹凸のパターンを持つ鋳型が作製できた。
(Preparation of micropores by photolithography technology)
The silicon wafer was cut into 3 × 4 cm squares and subjected to ultrasonic cleaning with ultrapure water for 5 minutes. Next, the silicon wafer was immersed in an acetone solution and boiled and washed for 5 minutes. Further, it was immersed in a hydrofluoric acid solution [hydrofluoric acid (10 ml) / ammonium fluoride (60 ml)] for 5 minutes to remove the oxide film on the wafer surface, washed with ultrapure water, and then dried with nitrogen gas. Photoresist (SU8-50) was dropped onto this silicon wafer, and developed with an arbitrary film thickness by a spin coater. This was prebaked with a hot plate at 95 ° C. for 30 minutes. Next, an easy mask pattern was exposed to UV with a mask aligner. Then, it post-baked with the hotplate on the conditions of 95 degreeC and 30 min. This was immersed in a SU8 developer, and a mold having a concavo-convex pattern of photoresist on a silicon wafer could be produced.

一方、商品名Silpot184(ダウコーニング社製)と商品名Catalysts Silpot184(ダウコーニング社製)を10:1で混ぜ合わせてPDMS溶液とした。それを10分間、デシケータを用いて脱気した。このPDMS約40mgを先に作製したSU8鋳型に流し込み、その上面にスライドガラスを載せ、全体をクランプで固定した。これを80℃で1.5時間加熱した。加熱後、室温になるまで静置し、固化したPDMS樹脂を鋳型から取り出した。この時、PDMSシートは、スライドガラス上に強固に張り付いており、数十マイクロメートルの厚さを持つPDMSシートを支持するのに都合の良い張り合わせとなっており、以下で行う実験では、このようにスライドガラス上にPDMSシートが張り合わせたものをアレイチップとして用いた。   On the other hand, the trade name Silpot184 (manufactured by Dow Corning) and the trade name Catalysts Silpot184 (manufactured by Dow Corning) were mixed at 10: 1 to obtain a PDMS solution. It was degassed using a desiccator for 10 minutes. About 40 mg of this PDMS was poured into the previously prepared SU8 mold, a slide glass was placed on the upper surface, and the whole was fixed with a clamp. This was heated at 80 ° C. for 1.5 hours. After heating, the mixture was allowed to stand until it reached room temperature, and the solidified PDMS resin was taken out from the mold. At this time, the PDMS sheet is firmly attached to the slide glass, and is a convenient lamination for supporting the PDMS sheet having a thickness of several tens of micrometers. As described above, a PDMS sheet laminated on a slide glass was used as an array chip.

以上のプロセスを図3及び図4に模式的に示す。鋳型を形成するには、図3(a)に示すように、シリコンウェハ11上にフォトレジストを滴下し、レジスト層12を形成する。そして、マスクパターン13を介してUV露光する。このUV露光によって、図3(b)に示すように、UV光が照射された部分のレジスト層12aが硬化する。これを現像すれば、図3(c)に示すように、レジスト層12aが残存する鋳型が形成される。次に、図4(a)に示すように、PDMS14を前記鋳型の上に流し込む。硬化した後、鋳型から剥がし取れば、図4(b)に示すように、PDMS14に微小孔14aが形成される。図5は、PDMS14へのマイクロ凹凸パターン(微小孔14a)の形成例を示すものである。微小孔14aは、直径aμm、深さdμm、間隔Lμmで形成されている。   The above process is schematically shown in FIGS. In order to form a mold, as shown in FIG. 3A, a photoresist is dropped on the silicon wafer 11 to form a resist layer 12. Then, UV exposure is performed through the mask pattern 13. By this UV exposure, as shown in FIG. 3B, the resist layer 12a in the portion irradiated with UV light is cured. If this is developed, a template in which the resist layer 12a remains is formed as shown in FIG. Next, as shown in FIG. 4A, the PDMS 14 is poured onto the mold. If it peels off from a casting_mold | template after hardening, as shown in FIG.4 (b), the micropore 14a will be formed in PDMS14. FIG. 5 shows an example of forming a micro uneven pattern (micropores 14 a) on the PDMS 14. The micro holes 14a are formed with a diameter of a μm, a depth of d μm, and an interval of L μm.

(微小孔の形状による閉孔過程の条件検討)
前述の作製プロセスにしたがい、直径が20μm、厚み40〜60μmのPDMSチップを作製した。このチップ表面にヘキサン溶液を滴下すると、図6に模式的に示すように、開孔[図6(a)]、及び閉孔[図6(b)]という構造変化が観察される。これは、ヘキサン溶液がPDMSに浸透し、一時的な膨潤によると考えられる。この膨潤は、ヘキサン溶液の蒸発に伴い即座に本来の形状に戻ることが分かった。そこで、このようなPDMSの微小孔が構造変化を行う条件として、いくつかの微小孔の孔径の大きさ、また、PDMSシートの厚みなどに注目し、条件の異なるチップを作製し、比較検討を行った。
(Examination of conditions for the closing process by the shape of the micropores)
In accordance with the manufacturing process described above, a PDMS chip having a diameter of 20 μm and a thickness of 40 to 60 μm was manufactured. When a hexane solution is dropped onto the surface of the chip, structural changes such as opening [FIG. 6A] and closing hole [FIG. 6B] are observed as schematically shown in FIG. This is probably because the hexane solution penetrates PDMS and is temporarily swollen. This swelling was found to return immediately to its original shape as the hexane solution evaporated. Therefore, as conditions for such PDMS micropores to undergo structural changes, pay attention to the size of the diameters of several micropores and the thickness of the PDMS sheet, etc. went.

先ず、微小孔の大きさとシート厚による条件の検討を行った。微小孔の大きさa=10μm,20μm,50μm,100μm,200μmに対して、それぞれに40〜200μmの任意の厚み(深さdに相当する。)を持つPDMSシートを作製し、ヘキサン滴下に伴う微小孔の膨潤の挙動について観察を行った。その結果を図7に示す。これより、微小孔が完全に閉孔の構造変化を起こすためには、微小孔の直径の大きさaに比例したPDMSシートの厚み(深さd)が必要であることが分かった。例えば、直径100μmの微小孔アレイを作製した場合では、PDMS厚が40μm,60μmでは、膨張が不十分となり、完全に微小孔が閉じることができなかった。また、直径200μmの微小孔の場合では、PDMS厚を200μmにした場合でも、膨潤はするものの、閉孔が完全に起こることはなかった。   First, conditions based on the size of the micropores and the sheet thickness were examined. PDMS sheets having arbitrary thicknesses (corresponding to a depth d) of 40 to 200 μm are prepared for the micropore size a = 10 μm, 20 μm, 50 μm, 100 μm, and 200 μm, respectively, and accompanying the dropping of hexane. Observation was made on the swelling behavior of the micropores. The result is shown in FIG. From this, it was found that the thickness (depth d) of the PDMS sheet proportional to the size a of the diameter of the micropores is necessary for the micropores to completely change the closed pore structure. For example, when a micropore array having a diameter of 100 μm was produced, when the PDMS thickness was 40 μm and 60 μm, the expansion was insufficient and the micropores could not be completely closed. Further, in the case of micropores having a diameter of 200 μm, even when the PDMS thickness was 200 μm, the pores swelled but the pores did not completely occur.

次に、微小孔の大きさと孔の配列間隔による条件検討を行った。微小孔の大きさa=10μm,20μm,50μm,100μm,200μmに対して、それぞれに孔の配列の間隔L=10μm,20μm,50μm,100μm,200μmのパターンを持つPDMSシートを作製し、ヘキサン滴下に伴う微小孔の膨潤の挙動について観察を行った。その結果を図8に示す。これらの観察において、微小孔間の距離が離れ過ぎた場合では、微小孔同士の膨潤の相互作用が起こらず、個々に同心円状の膨潤が起こり、格子状の閉孔動作が起こらないことが分かった。例えば、100μmの微小孔の場合では、100μmより小さい間隔では、お互いの微小孔が作用するのに対して、200μmに離れた場合では、お互いの作用は起きなかった。   Next, conditions were examined based on the size of the micropores and the spacing between the holes. PDMS sheets having a pattern of hole arrangement intervals L = 10 μm, 20 μm, 50 μm, 100 μm, and 200 μm are prepared for the micropore size a = 10 μm, 20 μm, 50 μm, 100 μm, and 200 μm, respectively, and hexane is dropped. Observations were made on the behavior of the micropore swelling associated with. The result is shown in FIG. In these observations, it is found that when the distance between the micropores is too large, the interaction between the micropores does not occur, concentric swelling occurs individually, and the lattice-like pore closing operation does not occur. It was. For example, in the case of 100 μm micropores, the mutual micropores act at intervals smaller than 100 μm, whereas when they are separated by 200 μm, the mutual action does not occur.

(PDMS微小孔の閉孔現象を利用した脂質膜の形成)
微小孔の閉孔動作が生じる微小孔パターンであった直径20μmの微小孔アレイチップを用いて、図1に示した原理に基づく操作を行い、顕微鏡により観察を行った。その結果、先ず、脂質溶液を滴下直後に微小孔が即座に格子状に閉じた。その後、ヘキサンの気化が始まり、脂質溶液の界面が小さくなり、その界面の移動に伴い、脂質分子が薄くコートされた。完全にヘキサンが気化すると同時に閉じていた微小孔が開き、閉孔上面にコートされた脂質膜が引き伸ばされ、光の干渉模様を示す薄膜として形成される様子が見られた。結果を図9に示す。
(Formation of lipid membranes utilizing PDMS micropore closing phenomenon)
An operation based on the principle shown in FIG. 1 was performed using a micro-hole array chip having a diameter of 20 μm, which was a micro-hole pattern in which a micro-hole closing operation occurred, and observation was performed with a microscope. As a result, first, immediately after the lipid solution was dropped, the micropores were immediately closed in a lattice pattern. Thereafter, hexane vaporization began, the interface of the lipid solution became smaller, and as the interface moved, lipid molecules were thinly coated. As soon as hexane was completely vaporized, the closed micropores were opened, and the lipid film coated on the top surface of the closed pores was stretched to form a thin film showing a light interference pattern. The results are shown in FIG.

薄膜に生じる干渉模様は、流動的に色が変化し、数分後には、形成した薄膜はすべて破裂した。これらの干渉模様は、微小孔の閉孔の向きと対応しており、縦に閉じた微小孔には、横縞が、また、横にとじた微小孔には、縦縞として観察された(図10参照)。これらの光の干渉模様は、サブミクロンの薄膜に生じる現象であり、干渉模様の個々の色は、形成した膜厚に対応することが知られている。このことから、これらの微小孔に生じた脂質分子の薄膜構造は、干渉縞の方向に対して、垂直方向に膜厚の勾配があると考えられる。その形成機構として、図11に示すように、閉孔の端の部分では、膨潤は小さく、中央部分では、大きく構造変化が起こると考えられ、それに応じた脂質膜の引き伸ばし効果が起きているものと推測される。   The interference pattern generated in the thin film changed its color in a fluid manner, and after a few minutes, all of the formed thin film was ruptured. These interference patterns correspond to the direction of the closed micropores. Horizontal stripes were observed in the vertically closed micropores, and vertical stripes were observed in the horizontally closed micropores (FIG. 10). reference). These interference patterns of light are a phenomenon that occurs in a submicron thin film, and it is known that each color of the interference pattern corresponds to the formed film thickness. From this, it is considered that the thin film structure of lipid molecules generated in these micropores has a film thickness gradient in a direction perpendicular to the direction of the interference fringes. As the formation mechanism, as shown in FIG. 11, it is considered that the swelling is small in the end portion of the closed pore, and the structural change is considered to occur largely in the central portion, and the effect of stretching the lipid membrane is generated accordingly. It is guessed.

(PDMSの表面処理による脂質膜の形成の検討)
先の実験で形成された脂質膜は、非常に不安定であり、数分以内で破裂することが分かった。そこで、形成される脂質膜をより安定に存在させるために、PDMS表面に脂質分子との吸着を強めるような官能基を修飾することを試みた。具体的には、シランカップリング剤により、PDMS表面にアミノ基を修飾し、その効果について検討した。また、PDMSの表面改質として、酸素プラズマによるシラノール基の導入の効果についても比較検討した。
(Examination of lipid membrane formation by surface treatment of PDMS)
The lipid membrane formed in previous experiments was found to be very unstable and rupture within minutes. Therefore, in order to make the formed lipid membrane more stable, an attempt was made to modify a functional group that enhances the adsorption with lipid molecules on the PDMS surface. Specifically, the amino group was modified on the PDMS surface with a silane coupling agent, and the effect was examined. In addition, as a surface modification of PDMS, the effect of introducing silanol groups by oxygen plasma was also compared.

PDMSの表面にアミノ基を修飾するにあたって、3−アミノプロピルトリエトキシシラン(APTES:3-Aminopropyltriethoxysilane,チッソ株式会社製)を用いた。その化学式は化1に示す通りである。   In modifying the amino group on the surface of PDMS, 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES: 3-Aminopropyltriethoxysilane, manufactured by Chisso Corporation) was used. Its chemical formula is as shown in Chemical Formula 1.

Figure 2005245331
Figure 2005245331

また、PDMS表面に酸素プラズマ処理を行う際には、以下の装置を用いた。
反応性イオンエッチング装置(SAMCO、RIE−10R) 反応条件:100scm,200W,O2ガス使用,9.0Pa,10sec
Moreover, the following apparatus was used when performing oxygen plasma treatment on the PDMS surface.
Reactive ion etching equipment (SAMCO, RIE-10R) Reaction conditions: 100 scm, 200 W, O 2 gas used, 9.0 Pa, 10 sec

先ず、PDMSへの表面処理の比較として、処理前、酸素プラズマ処理後、アミノ基修飾後の接触角の測定結果を表1に示す。アミノ基を導入した場合では、処理前と比べて、接触角は、ほとんど変化しなかった。また、酸素プラズマ処理後では、親水性の表面なるが、時間の経過に従って、親水性の効果は、元の状態まで失われることが知られている。そこで、この後の実験では、酸素プラズマ処理の3時間後のサンプルを用いて観察を行った。   First, as a comparison of surface treatment to PDMS, Table 1 shows the measurement results of contact angles before treatment, after oxygen plasma treatment, and after amino group modification. In the case of introducing an amino group, the contact angle hardly changed compared to before the treatment. Further, after the oxygen plasma treatment, the surface becomes hydrophilic, but it is known that the hydrophilic effect is lost to the original state as time passes. Therefore, in the subsequent experiment, observation was performed using a sample 3 hours after the oxygen plasma treatment.

Figure 2005245331
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次に、微小孔のパターンと表面処理の異なる微小孔チップを用いて、前項と同様な脂質膜形成の操作を行い、その観察結果を表2にまとめた。   Next, using the micropore chip having a different micropore pattern and surface treatment, the same lipid membrane formation operation as in the previous section was performed, and the observation results are summarized in Table 2.

Figure 2005245331
Figure 2005245331

微小孔の径が10μmの場合には、脂質膜の引き伸ばしが小さく、薄膜が形成することはなかった。また、径が100μmの微小孔では、脂質膜の引き伸ばしが起こるが、動作が大きいために、薄膜が直ぐに破れてしまった。一方、孔径20μmの微小孔では、引き伸ばしの動作に対して、薄膜が形成でき、特に、アミノ基を修飾した場合では、図12に示すような様々な色を呈する薄膜が形成することがわかった。この場合、図12(a)に示すように、微小孔が開いた直後では、膜中央付近に薄っすら色が付き始め、図12(b)に示すように、次第に平らな面として広がっていく様子が観察できた。これらの薄膜が呈する色は、薄膜特有の光の干渉模様だと考えられる。さらに、干渉模様が単色であることから、非常に均一で、サブミクロンの薄さの構造であることが示唆された。   When the micropore diameter was 10 μm, the stretch of the lipid membrane was small, and no thin film was formed. In addition, in a micropore having a diameter of 100 μm, the lipid membrane is stretched, but because of the large operation, the thin film was immediately broken. On the other hand, it was found that a thin film having a pore diameter of 20 μm can form a thin film for the stretching operation, and in particular, when an amino group is modified, thin films having various colors as shown in FIG. 12 are formed. . In this case, as shown in FIG. 12 (a), immediately after the micropores are opened, the film starts to be slightly colored near the center of the film, and gradually spreads as a flat surface as shown in FIG. 12 (b). I was able to observe how it went. The color exhibited by these thin films is considered to be a light interference pattern peculiar to the thin films. Furthermore, since the interference pattern was monochromatic, it was suggested that the structure was very uniform and submicron thin.

次に、作製した膜について、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、表面構造の詳細について観察を行った。その結果を図13に示す。図13(a)に示すような球状に膨らんだ構造は、微小孔上面に形成した薄膜が、高真空によって引き伸ばされた構造であると考えられる。また、形成された脂質の薄膜は、微小孔の上面を覆うように配置されていることが確認できる。さらに、図13(b)に示す拡大図から、破れた膜断片を確認することができ、これらの膜がサブミクロンの非常に薄い膜であることが示唆された。図13(c)は、前記図13(a)、(b)の観察結果から推測される脂質薄膜の形成状態である。微小アレイチップ21上に図13(c)に示すような状態で脂質薄膜22が形成されているものと推測される。   Next, the details of the surface structure of the produced film were observed using a scanning electron microscope (SEM). The result is shown in FIG. The spherically expanded structure as shown in FIG. 13A is considered to be a structure in which the thin film formed on the upper surface of the micropore is stretched by high vacuum. Further, it can be confirmed that the formed thin film of lipid is arranged so as to cover the upper surface of the micropore. Furthermore, from the enlarged view shown in FIG. 13 (b), broken film fragments could be confirmed, suggesting that these films were very thin films of submicrons. FIG. 13C shows the formation state of the lipid thin film inferred from the observation results of FIGS. 13A and 13B. It is presumed that the lipid thin film 22 is formed on the microarray chip 21 in the state as shown in FIG.

以上の実験において、アミノ基でPDMS表面を修飾し、また、微小孔の直径が20μmのアレイチップを用いた場合に、図12に示す脂質膜構造が、同時に複数個形成された。これらの薄膜は、様々な色を呈することから、厚さの異なる膜が形成されていると考えられる。その中に、黒色の部分を持つ脂質膜が形成していることを確認した(図14参照)。一般的に、脂質分子が形成する二重層構造は、10nm以下の厚みであり、光の干渉が起こらず、黒色に見えることが知られている。したがって、今回、確認できた黒色部分では、脂質分子の二重層構造が形成されているものと考えられる。   In the above experiment, when the PDMS surface was modified with an amino group and an array chip having a micropore diameter of 20 μm was used, a plurality of lipid membrane structures shown in FIG. 12 were formed at the same time. Since these thin films exhibit various colors, it is considered that films having different thicknesses are formed. It was confirmed that a lipid film having a black portion was formed therein (see FIG. 14). In general, it is known that the double layer structure formed by lipid molecules has a thickness of 10 nm or less, does not cause light interference, and appears black. Therefore, it is considered that a double-layer structure of lipid molecules is formed in the black portion confirmed this time.

(微小フロー系による平面脂質膜の形成)
前述の操作と同様な手順に従って、PDMSマイクロパターン(微小孔アレイ)を作製した。そして、図15に示すように、微小孔アレイ31の上面に流路構造のチップ32を張り合わせ、さらに両面をスライドガラス33,34で挟み込んで実験を行った。
(Formation of planar lipid membrane by micro flow system)
A PDMS micropattern (micropore array) was prepared according to the same procedure as described above. Then, as shown in FIG. 15, a chip 32 having a flow path structure was bonded to the upper surface of the microhole array 31 and the both surfaces were sandwiched between slide glasses 33 and 34 to conduct an experiment.

膜形成過程の観察を図16に示す。先ず、フローチャネルインジェクション部分(微小流路の導入部分)に脂質溶液を滴下した。すると、キャピラリー現象によって、図16(b)に示すように、脂質溶液がフローチャネル内に浸透した。そして、溶液に触れた微小孔は、膨潤により構造変化を起こし、格子状に閉孔した。数十秒後、フローチャネル内のヘキサンがフローチャネル端から次第に気化し、図16(c)に示すように、フローチャネル内の溶液の体積が減少した。そして、ヘキサン溶液が気化した部分では、図16(d)に示すように、微小孔の開孔動作が始まり、微小孔上面に脂質膜が伸ばされた。   The observation of the film formation process is shown in FIG. First, the lipid solution was dropped into the flow channel injection portion (the introduction portion of the microchannel). Then, as shown in FIG. 16B, the lipid solution permeated into the flow channel due to the capillary phenomenon. And the micropore which touched the solution caused a structural change due to swelling and closed in a lattice shape. After several tens of seconds, hexane in the flow channel gradually vaporized from the end of the flow channel, and the volume of the solution in the flow channel decreased as shown in FIG. And in the part which the hexane solution vaporized, as shown in FIG.16 (d), opening operation | movement of a micropore started and the lipid membrane was extended on the micropore upper surface.

その後、先の「PDMS微小孔の閉孔現象を利用した脂質膜の形成」の項で観察されたものと同じ干渉模様をもつ脂質膜が形成できた。これらの膜は、数分の内に破裂した。そこで、膜形成後に脂質膜の安定化を行うために水溶液を膜表面に送液したところ、図16(g)に示すように、黒い泡状の構造となった。このように、微小孔上面に形成した膜を水溶液中に置いた場合、消失過程が起こった。大気中では、干渉模様を呈していた薄膜が、水溶液中で黒色に見えるようになったことから、以下の可能性が考えられる。1つは、膜上面の水溶液と膜内側の空気の屈折率が異なることが原因であること。また、もう一つは、膜が破れ、微小孔内の空気が泡としてスタックした状態であり、次第にPDMS内に空気が吸収するためであることも考えられる。これは、PDMSが気体を非常に透過しやすい性質を持つことによる。   Thereafter, a lipid membrane having the same interference pattern as that observed in the previous section “Formation of lipid membrane using PDMS micropore closing phenomenon” could be formed. These membranes ruptured within minutes. Therefore, when an aqueous solution was sent to the membrane surface in order to stabilize the lipid membrane after the membrane was formed, a black foam-like structure was formed as shown in FIG. Thus, when the film | membrane formed on the micropore upper surface was set | placed in aqueous solution, the disappearance process occurred. In the atmosphere, the thin film that had an interference pattern appears black in an aqueous solution, so the following possibilities are considered. One is that the refractive index of the aqueous solution on the upper surface of the film is different from that of the air inside the film. Another possibility is that the membrane is broken and the air in the micropores is stacked as bubbles, and the air gradually absorbs into the PDMS. This is because PDMS has the property of being very permeable to gas.

本発明における膜形成の基本原理を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the basic principle of film formation in this invention. フロー形成系による脂質膜の形成原理を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the formation principle of the lipid membrane by a flow formation system. フォトリソグラフィー技術による鋳型の作製過程を示す模式図であり、(a)は露光工程、(b)は硬化状態、(c)は現像による鋳型形成状態を示す。It is a schematic diagram which shows the preparation process of the casting_mold | template by a photolithographic technique, (a) is an exposure process, (b) is a hardening state, (c) shows the casting_mold | template formation state by image development. 鋳型の転写によるマイクロ凹凸パターンの形成を示す模式図であり、(a)はPDMS流し込み状態、(b)は形成された凹凸パターンを示す。It is a schematic diagram which shows formation of the micro uneven | corrugated pattern by transcription | transfer of a casting_mold | template, (a) is a PDMS pouring state, (b) shows the formed uneven pattern. 形成された微小孔アレイを示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the formed micropore array. ヘキサン滴下による微小孔の開孔状態(a)、閉孔状態(b)を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the open state (a) of the micropore by hexane dripping, and the closed state (b). 微小孔の大きさ及びシートの厚み(微小孔の深さ)と閉孔動作の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the magnitude | size of a micropore, the thickness of a sheet | seat (depth of a micropore), and closing operation | movement. 微小孔の大きさ及び間隔と閉孔動作の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the magnitude | size and space | interval of a micropore, and closing operation | movement. 微小孔上面に形成した脂質分子薄膜の写真である。It is a photograph of the lipid molecule thin film formed on the micropores. 脂質分子薄膜における光の干渉模様と閉孔の向きとの対応を示す写真である。It is a photograph which shows a response | compatibility with the interference pattern of light and the direction of a closed hole in a lipid molecule thin film. 光の干渉模様から推測される膜の断面構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross-sectional structure of the film | membrane estimated from the interference pattern of light. アミノ基修飾した場合の膜形成の様子を示す写真であり、(a)は微小孔開孔直後の様子、(b)は5分後の様子を示す。It is a photograph which shows the mode of film formation at the time of amino group modification, (a) shows a mode immediately after micropore opening, (b) shows a mode after 5 minutes. 形成した脂質膜のSEM観察像であり、(a)は400倍SEM像、(b)は1000倍SEM像、(c)は断面予想図である。It is a SEM observation image of the formed lipid membrane, (a) is a 400 times SEM image, (b) is a 1000 times SEM image, (c) is a cross-sectional prediction figure. 脂質膜に形成された黒色領域を示す写真である。It is a photograph which shows the black area | region formed in the lipid membrane. 微小フロー系による平面脂質膜の形成に用いたチップの構成を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the structure of the chip | tip used for formation of the planar lipid membrane by a micro flow system. 微小フロー系による脂質膜の形成過程を示す写真である。It is a photograph which shows the formation process of the lipid membrane by a micro flow system.

符号の説明Explanation of symbols

1 スライドガラス、2 基板(シリコーン樹脂)、3 微小孔、4 溶液、5 薄膜、11 シリコンウェハ、12 レジスト層、13 マスクパターン、14 PDMS、14a 微小孔、21 微小アレイチップ、22 脂質薄膜、31 微小孔アレイ、32 流路構造チップ、33,34 スライドガラス 1 slide glass, 2 substrate (silicone resin), 3 micropores, 4 solution, 5 thin film, 11 silicon wafer, 12 resist layer, 13 mask pattern, 14 PDMS, 14a micropore, 21 microarray chip, 22 lipid thin film, 31 Micropore array, 32 channel structure chip, 33, 34 slide glass

Claims (35)

微小孔を有し溶媒により膨潤する基板を備え、前記膨潤による前記微小孔の閉孔により、当該微小孔を覆うように薄膜が形成されることを特徴とする薄膜形成用デバイス。   A device for forming a thin film, comprising: a substrate having micropores that is swollen by a solvent; and a thin film is formed so as to cover the micropores by closing the micropores due to the swelling. 前記微小孔はアレイ状に配列形成されていることを特徴とする請求項1記載の薄膜形成用デバイス。   2. The thin film forming device according to claim 1, wherein the micropores are arranged in an array. 前記基板を構成する材料は、シリコーン樹脂であることを特徴とする請求項1又は2記載の薄膜形成用デバイス。   3. The thin film forming device according to claim 1, wherein the material constituting the substrate is a silicone resin. 前記シリコーン樹脂は、ポリジメチルシロキサンからなることを特徴とする請求項3記載の薄膜形成用デバイス。   4. The thin film forming device according to claim 3, wherein the silicone resin is made of polydimethylsiloxane. 前記基板表面が表面処理されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の薄膜形成用デバイス。   5. The thin film forming device according to claim 1, wherein the surface of the substrate is surface-treated. 前記基板表面がシランカップリング剤により表面処理されていることを特徴とする請求項5記載の薄膜形成用デバイス。   6. The device for forming a thin film according to claim 5, wherein the surface of the substrate is surface-treated with a silane coupling agent. 前記シランカップリング剤がアミノ基を有することを特徴とする請求項6記載の薄膜形成用デバイス。   The thin film forming device according to claim 6, wherein the silane coupling agent has an amino group. 前記基板表面が酸素プラズマ処理により表面処理されていることを特徴とする請求項5記載の薄膜形成用デバイス。   6. The device for forming a thin film according to claim 5, wherein the surface of the substrate is surface-treated by oxygen plasma treatment. 前記微小孔の径が20μm〜100μmであることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項記載の薄膜形成用デバイス。   The device for forming a thin film according to any one of claims 1 to 7, wherein a diameter of the micropore is 20 µm to 100 µm. 前記微小孔の深さが40μm〜100μであることを特徴とする請求項9記載の薄膜形成用デバイス。   The device for forming a thin film according to claim 9, wherein the depth of the micropore is 40 μm to 100 μm. 前記微小孔は、基板を貫通する貫通孔であることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項記載の薄膜形成用デバイス。   The device for forming a thin film according to claim 1, wherein the micro hole is a through hole penetrating the substrate. 基板に形成された微小孔を覆って薄膜が形成されてなり、
前記薄膜は、前記微小孔が閉孔した状態で形成され、微小孔の開孔によって引き伸ばされていることを特徴とする薄膜デバイス。
A thin film is formed covering the micropores formed in the substrate,
The thin film is formed in a state where the micropores are closed, and is stretched by opening the micropores.
前記薄膜の表裏両側に空間が形成されていることを特徴とする請求項12記載の薄膜デバイス。   The thin film device according to claim 12, wherein spaces are formed on both sides of the thin film. 前記薄膜は、脂質膜であることを特徴とする請求項12又は13記載の薄膜デバイス。   The thin film device according to claim 12 or 13, wherein the thin film is a lipid film. 前記薄膜は、分子配向した単分子膜又は2分子膜であることを特徴とする請求項12乃至14のいずれか1項記載の薄膜デバイス。   The thin film device according to claim 12, wherein the thin film is a molecularly oriented monomolecular film or a bimolecular film. 前記基板を構成する材料は、溶媒により膨潤することを特徴とする請求項12乃至15のいずれか1項記載の薄膜デバイス。   The thin film device according to claim 12, wherein the material constituting the substrate is swollen by a solvent. 前記基板を構成する材料は、シリコーン樹脂であることを特徴とする請求項16記載の薄膜デバイス。   The thin film device according to claim 16, wherein the material constituting the substrate is a silicone resin. 前記シリコーン樹脂は、ポリジメチルシロキサンからなることを特徴とする請求項17記載の薄膜デバイス。   The thin film device according to claim 17, wherein the silicone resin is made of polydimethylsiloxane. 前記基板表面が表面処理されていることを特徴とする請求項12乃至18のいずれか1項記載の薄膜デバイス。   The thin film device according to claim 12, wherein the substrate surface is surface-treated. 前記基板表面がシランカップリング剤により表面処理されていることを特徴とする請求項19記載の薄膜デバイス。   The thin film device according to claim 19, wherein the substrate surface is surface-treated with a silane coupling agent. 前記シランカップリング剤がアミノ基を有することを特徴とする請求項20記載の薄膜デバイス。   The thin film device according to claim 20, wherein the silane coupling agent has an amino group. 前記基板表面が酸素プラズマ処理により表面処理されていることを特徴とする請求項19記載の薄膜デバイス。   The thin film device according to claim 19, wherein the substrate surface is surface-treated by oxygen plasma treatment. 前記微小孔の径が20μm〜100μmであることを特徴とする請求項12乃至22のいずれか1項記載の薄膜デバイス。   The thin film device according to any one of claims 12 to 22, wherein a diameter of the micropore is 20 µm to 100 µm. 前記微小孔の深さが40μm〜100μであることを特徴とする請求項23記載の薄膜デバイス。   24. The thin film device according to claim 23, wherein the depth of the micropore is 40 [mu] m to 100 [mu] m. 前記微小孔は、基板を貫通する貫通孔であることを特徴とする請求項12乃至24のいずれか1項記載の薄膜デバイス。   25. The thin film device according to claim 12, wherein the micro hole is a through hole penetrating the substrate. 基板に形成された微小孔を覆って薄膜を形成する薄膜デバイスの製造方法であって、
溶媒による微小孔の閉孔現象を利用して前記薄膜を形成することを特徴とする薄膜デバイスの製造方法。
A method of manufacturing a thin film device that covers a micropore formed in a substrate to form a thin film,
A method of manufacturing a thin film device, wherein the thin film is formed by utilizing a phenomenon of micropores closed by a solvent.
微小孔が形成された基板上に薄膜形成材料を溶媒に溶解した溶液を供給し、溶媒の膨潤により前記微小孔が閉孔した状態で膜形成を行い、その後、溶媒の蒸発により前記微小孔を開孔させ、形成された薄膜を引き伸ばすことを特徴とする請求項26記載の薄膜デバイスの製造方法。   A solution in which a thin film forming material is dissolved in a solvent is supplied onto a substrate on which micropores are formed, and film formation is performed in a state where the micropores are closed by swelling of the solvent, and then the micropores are formed by evaporation of the solvent. 27. The method of manufacturing a thin film device according to claim 26, wherein the thin film is formed by stretching the formed thin film. 前記薄膜形成材料として脂質を用い、前記溶媒として有機溶媒を用いることを特徴とする請求項27記載の薄膜デバイスの製造方法。   28. The method of manufacturing a thin film device according to claim 27, wherein lipid is used as the thin film forming material and an organic solvent is used as the solvent. 薄膜形成の後、薄膜上に水溶液を注入することを特徴とする請求項28記載の薄膜デバイスの製造方法。   29. The method of manufacturing a thin film device according to claim 28, wherein an aqueous solution is injected onto the thin film after the thin film is formed. 前記基板の薄膜形成面上にスリットを形成しておき、このスリットを利用して前記有機溶媒及び水溶液を注入することを特徴とする請求項29記載の薄膜デバイスの製造方法。   30. The method of manufacturing a thin film device according to claim 29, wherein a slit is formed on a thin film forming surface of the substrate, and the organic solvent and the aqueous solution are injected using the slit. 薄膜形成前に、基板に対して表面処理を行うことを特徴とする請求項26乃至30のいずれか1項記載の薄膜デバイスの製造方法。   31. The method of manufacturing a thin film device according to claim 26, wherein a surface treatment is performed on the substrate before forming the thin film. 前記表面処理は、シランカップリング剤により行うことを特徴とする請求項31記載の薄膜デバイスの製造方法。   32. The method of manufacturing a thin film device according to claim 31, wherein the surface treatment is performed with a silane coupling agent. 前記表面処理は、酸素プラズマにより行うことを特徴とする請求項31記載の薄膜デバイスの製造方法。   32. The method of manufacturing a thin film device according to claim 31, wherein the surface treatment is performed by oxygen plasma. 前記微小孔は、フォトリソ技術により形成することを特徴とする請求項26乃至33記載の薄膜デバイスの製造方法。   34. The method of manufacturing a thin film device according to claim 26, wherein the microhole is formed by a photolithography technique. 前記微小孔は、フォトリソ技術により微小孔に対応するレジストパターンを形成し、これを基板に転写することにより形成することを特徴とする請求項34記載の薄膜デバイスの製造方法。   35. The method of manufacturing a thin film device according to claim 34, wherein the micro holes are formed by forming a resist pattern corresponding to the micro holes by a photolithography technique and transferring the resist pattern to a substrate.
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