JP2005351773A - マイクロアレイ作製用ヘッドおよびマイクロアレイ作製用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プローブを含有する液体のスポットを、簡易な操作で高密度かつ均一に形成することができ、また、スポットの形成に際する液体同士の汚染やプローブの活性低下が防止されるマイクロアレイ作製用ヘッド、および、かかるマイクロアレイ作製用ヘッドを備えるマイクロアレイ作製用装置を提供すること。
【解決手段】マイクロアレイ作製用ヘッド１は、基板上にプローブを含有する液体を散点状に付着させて、マイクロアレイを作製するためのものであり、液体を排出する排出口２１と、排出口２１で開放し、液体を移送する液体移送路８と、液体移送路８内に回転可能に収納され、排出口２１から一部が露出する球体５とを、それぞれ複数有している。このマイクロアレイ作製用ヘッド１は、液体移送路８を介して移送した液体を、球体５の表面に付着させ、この状態で球体５を基板に接触させることにより、基板上に液体を供給するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロアレイ作製用ヘッドおよびマイクロアレイ作製用装置に関するものである。

現在、遺伝子やタンパク質の解析技術はめざましいものがあり、特定の病気やガンに関与する機構も明らかになってきている。マイクロアレイは、これら遺伝子のＤＮＡやＲＮＡ、タンパク質をターゲットとして解析を行うデバイスであり、疾病の診断・体質検査等に用いられているとして、期待されている。このマイクロアレイとしては、ＤＮＡマイクロアレイやプロテインマイクロアレイがある。

ＤＮＡマイクロアレイは、基板上に、多種類の核酸（プローブ）を配置したデバイスである。これに標識した標的ＤＮＡまたはＲＮＡ（ターゲット）をハイブリダイズさせ、ハイブリッド形成によるシグナル強度を検出装置で検出することにより配列特異的に結合した核酸を解析する。
プロテインアレイは、抗体やレセプター等の、タンパク質（ターゲット）と特異的に相互作用する物質（プローブ）を基板上に配置したデバイスである。
これにタンパク質を含むサンプル（例えば、血清、尿、髄液、関節液、唾液、組織ホモジネートなどの生体サンプルや細胞培養上清、培養細胞破砕液等）を接触させ、捕捉されたタンパク質を各種検出方法により検出し、特異的に結合したタンパク質を解析する。

従来、これらのマイクロアレイにプローブを配置する方法としては、基板上に、これらプローブを含有する液体をスポッターによりスポット状（点状）に供給するスポッティング法が知られている。
スポッターとしては、複数の接触ピンが並設されたヘッドを用い、ウェルプレートに収容された液体に接触ピンを浸し、液体が付着した接触ピンを、基板に接触させることによりスポットを形成するタイプ（例えば、特許文献１参照。）と、複数のノズルが並設されたヘッド（インクジェットヘッド）を用い、ノズルから液体を吐出させ、基板上に滴下することによりスポットを形成するタイプ（例えば、特許文献２参照。）等がある。

しかしながら、接触ピンを用いる方法では、ピン同士の間隔を狭くするのが困難であり、また、ヘッドに設けられるピンの数にも限界がある。このため、多種類のスポットを高密度に形成するためには、ウェルプレートに接触ピンを浸し、基板に接触させた後、接触ピンを洗浄し、再びウェルプレートに浸して、基板の他の位置に接触ピンを接触させるという作業を繰り返し行わなければならない。

このような作業は極めて煩雑であり、洗い残しによる液体同士の汚染（コンタミネーション）も問題となる。さらに、スポットの大きさや形状を制御するのも難しい。
一方、インクジェットヘッドを用いる方法では、微細加工技術によりノズルの高密度化が比較的容易であるため、微細なスポットを高密度に形成することが可能である。
しかしながら、液滴の着弾位置にズレが生じる場合があり、これにより隣り合うスポット同士で液体が混ざり合い、不良品となってしまう可能性がある。

特許第３２９９２１２号 特開２００１−１８６８８０号公報

本発明の目的は、プローブを含有する液体のスポットを、簡易な操作で高密度かつ均一に形成することができ、また、スポットの形成に際する液体同士の汚染やプローブの活性低下が防止されるマイクロアレイ作製用ヘッド、および、かかるマイクロアレイ作製用ヘッドを備えるマイクロアレイ作製用装置を提供することにある。

このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明のマイクロアレイ作製用ヘッドは、基板上に液体を散点状に付着させて、マイクロアレイを作製するためのマイクロアレイ作製用ヘッドであって、
前記液体を排出する排出口と、
該排出口で開放し、前記液体を移送する液体移送路と、
前記液体移送路内に回転可能に収納され、前記排出口から一部が露出する球体とを、それぞれ複数有し、
前記液体移送路を介して移送した前記液体を、前記球体の表面に付着させ、この状態で前記球体を基板に接触させることにより、前記基板上に前記液体を供給するように構成されていることを特徴とする。
これにより、プローブを含有する液体のスポットを、簡易な操作で高密度かつ均一に形成することができ、また、スポットの形成に際する液体の汚染やプローブの活性低下を防止することができる。

本発明のマイクロアレイ作製用ヘッドでは、前記排出口と反対側において前記各液体移送路にそれぞれ連通し、前記液体を収納する複数の液体収納部を有することが好ましい。
これにより、液体収納部に液体を供給することにより、この液体が、排出口に順次供給されるようになり、排出口への液体の供給が容易になる。
本発明のマイクロアレイ作製用ヘッドでは、前記排出口同士の間隔は、前記液体収納部同士の間隔よりも小さいことが好ましい。
これにより、排出口同士の間隔にかかわらず、液体収納部同士の間隔を適宜設定することができるので、ピペットや分注装置等による液体収納部へ液体を供給する操作が容易になるとともに、高密度で多数のスポットを同時に形成できる。

本発明のマイクロアレイ作製用ヘッドでは、前記液体移送路は、その前記液体収納部の近傍において屈曲または湾曲していることが好ましい。
これにより、マイクロアレイ作製用ヘッドの小型化（特に薄型化）を図ることができ、多数の液体収容部を平面内に配置できるので、液体の供給を容易に行える。
本発明のマイクロアレイ作製用ヘッドでは、前記液体移送路は、その前記排出口の近傍において屈曲または湾曲していることが好ましい。
これにより、マイクロアレイ作製用ヘッドの小型化（特に薄型化）を図ることができる。

本発明のマイクロアレイ作製用ヘッドでは、前記球体を前記基板に接触させる前の状態で、前記球体と前記液体移送路の内面の前記排出口と対向する部分との間には、間隙が形成されていることが好ましい。
これにより、複数の球体の間でサイズ（大きさ）のバラツキがある場合や、球体を接触させる基板に厚さのバラツキ（表面にうねり）がある場合等でも、そのバラツキが間隙により吸収され、各球体を基板に対して一様に接触させることができる。その結果、基板上に形成されるスポットのスポット径がバラツクのをより確実に防止することができる。

本発明のマイクロアレイ作製用ヘッドでは、前記液体移送路は、前記排出口の近傍において、その横断面積が前記排出口に向かって漸減する横断面積漸減部を有し、
該横断面積漸減部の存在により、前記球体が前記液体移送路から離脱することが阻止されていることが好ましい。
これにより、球体は任意の方向に回転可能となるため、マイクロアレイ作製用ヘッドは、各球体を基板に接触させた状態で、面方向において任意の方向に移動させることができるようになる。
本発明のマイクロアレイ作製用ヘッドでは、前記横断面積漸減部の内面は、円錐台の側面形状または角錐台の側面形状をなしていることが好ましい。

本発明のマイクロアレイ作製用ヘッドでは、前記球体の最大断面積をＡ［ｍｍ^２］とし、前記排出口の開口面積をＢ［ｍｍ^２］としたとき、Ａ／Ｂは、１．１〜４．５なる関係を満足することが好ましい。
これにより、球体が安定的に保持され、スポットサイズのばらつきが低減するため、精度の高い検出が可能となる。

本発明のマイクロアレイ作製用ヘッドでは、前記球体の表面および／または前記液体移送路の内面の少なくとも一部に、親水化処理が施されていることが好ましい。
これにより、球体の表面や液体移送路の内面の液体に対する濡れ性が高くなり、液体を排出口へより効率よく移送することができる。
本発明のマイクロアレイ作製用ヘッドでは、前記球体の表面および／または前記液体移送路の内面の少なくとも一部は、生体適合性を有するポリマーを主とする材料で被覆されていることが好ましい。
これにより、プローブへの悪影響を防止して、その活性が低下または消失するのを防止することができる。その結果、検出精度（ターゲットの捕捉能）の高いスポットが形成できるようになる。

本発明のマイクロアレイ作製用ヘッドでは、当該マイクロアレイ作製用ヘッドは、その前記排出口が開口する側の面の少なくとも一部に、撥水化処理が施されていることが好ましい。
これにより、マイクロアレイ作製用ヘッドの下面に液体が付着するのが防止され、付着した液体が影響することにより、球体から基板への液体の供給量が変動するのを確実に防止することができる。
本発明のマイクロアレイ作製用ヘッドでは、前記プローブは、ヌクレオチド、核酸、ペプチドおよびタンパク質のうちの少なくとも１種を含有するものであることが好ましい。
本発明のマイクロアレイ作製用ヘッドは、ＤＮＡチップやプロテインチップ等を作製する際への適用に適する。

本発明のマイクロアレイ作製用装置は、本発明のマイクロアレイ作製用ヘッドを備えることを特徴とする。
これにより、プローブを含有する液体のスポットを、簡易な操作で高密度かつ均一に形成することができ、またスポットの形成に際する液体の汚染やプローブの活性低下を防止することができる。
本発明のマイクロアレイ作製用装置では、前記マイクロアレイ作製用ヘッドを複数備え、該複数のマイクロアレイ作製用ヘッドが交換可能となっていることが好ましい。
これにより、基板上に形成するスポットの数を格段に増大させることができる。

以下、本発明を添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明のマイクロアレイ作製用ヘッドを示す縦断面図、図２は、図１に示すマイクロアレイ作製用ヘッドを一部拡大して示す縦断面図、図３は、図１に示すマイクロアレイ作製用ヘッドの平面図（内部透視図）である。
なお、以下では、図１および図２中、上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」として、また、液体の移送方向に沿った方向での断面を「縦断面」、液体の移送方向に対してほぼ直交する方向での断面を「横断面」として説明する。

図１〜図３に示すマイクロアレイ作製用ヘッド１は、第１の基板２、第２の基板３および第３の基板４とが、順次積層・接合されて構成された本体部９を有している。第１の基板２、第２の基板３および第３の基板４は、それぞれ、平面視において略等しい面積を有する板状に形成されている。
このマイクロアレイ作製用ヘッド１は、本体部９の下面（第１の基板２の下側の面）９１に形成された複数の排出口２１と、本体部９内に形成され、各排出口２１でそれぞれ開放する複数の液体移送路８と、各液体移送路８（後述する第３の液体移送路８３）内に回転可能に収納され、排出口２１から一部が露出（突出）する球体５とを有している。
また、マイクロアレイ作製用ヘッド１は、排出口２１と反対側において各液体移送路８にそれぞれ連通する複数の液体収納部７を有している。各液体収納部７は、本体部９の上面（第３の基板４の上側の面）９２で開放し、供給口７１が形成されている。

このようなマイクロアレイ作製用ヘッド１は、プローブを含有する液体６を、供給口７１から液体収納部７に供給し、液体移送路８を介して移送し、球体５の表面に付着させる。そして、この状態で、球体５を基板１０１に接触させることにより、排出口２１から液体６を排出する。これにより、基板１０１上に液体６を散点状に供給・付着させ、複数のスポット１０２が配列されたマイクロアレイ１０を作製することができる。

液体移送路８は、毛細管現象を利用して、液体収納部７に収納された液体６を排出口２１（球体５）に向かって移送する。
本実施形態では、液体移送路８は、液体収納部７近傍の第１の液体移送路８１と、第１の液体移送路８１に連続する第２の液体移送路８２と、第２の液体移送路８２に連続する排出口２１近傍の第３の液体移送路８３とで構成されている。

第２の液体移送路８２は、液体移送路８の主要部を構成し、本体部９の面方向に略平行となるように形成されている。一方、第１の液体移送路８１および第３の液体移送路８３は、それぞれ、本体部９の厚さ方向にほぼ平行となるように形成されている。これにより、液体移送路８は、排出口２１近傍および液体収納部７近傍の２箇所において屈曲（または湾曲）している。このような構成により、マイクロアレイ作製用ヘッド１の小型化（特に薄型化）を図ることができる。

また、このマイクロアレイ作製用ヘッド１では、排出口２１同士の間隔が液体収納部７（供給口７１）同士の間隔よりも小さくなるように設定されている。このため、第２の液体移送路８２は、図３に示すように、排出口２１と液体収納部７とを接続すべく、本体部９の面方向においても、その一部において屈曲（または湾曲）するように形成されている。

第２の液体移送路８２の平均横断面積は、特に限定されないが、０．０５〜０．１ｍｍ^２程度であるのが好ましい。横断面積が小さ過ぎると、液体６の粘度等によっては、液体６が流れ難くなり、液体移送路８内で液体６の滞留が生じるおそれがあり、一方、横断面積が大き過ぎると、毛細管現象による液体６の移送が困難となり、やはり、液体移送路８内で液体６が滞留するおそれがある。
なお、第２の液体移送路８２の横断面積は、液体６の移送方向（長手方向）に沿って、ほぼ一定であっても、変化する部分を有していてもよい。
第１の液体移送路８１のサイズは、液体収納部７から第２の液体移送路８２に液体６を効率よく供給し得るように、適宜設定される。
また、第３の液体移送路８３内には、球体５が収納されるため、第３の液体移送路８３のサイズは、球体５が円滑に回転し得るように、適宜設定される。

液体移送路８の横断面形状は、例えば、長方形、正方形、菱形等の四角形、三角形、六角形、八角形、円形、楕円形等のいかなるものであってもよい。
また、液体移送路８の長さ（全長）は、マイクロアレイ作製用ヘッド１のサイズや液体移送路８の平均横断面積等によって適宜設定され、特に限定されないが、１００ｍｍ以下であるのが好ましい。
このような液体移送路８は、その内面の少なくとも一部（好ましくは、ほぼ全面）に親水化処理が施されているのが好ましい。これにより、液体移送路８の内面の液体６に対する濡れ性が高くなり、液体６を液体移送路８内を排出口２１に向かって、より効率よく移送することができる。

この親水化処理は、例えば、オゾン処理、プラズマ処理、グロー放電、コロナ放電、紫外線照射等の物理活性化処理や、界面活性剤、水溶性シリコーン、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリビニルアルコール等の付与（塗布）、親水性を有する官能基の導入等により行うことができる。
官能基を導入する方法としては、導入すべき官能基を有するカップリング剤を用いて表面処理する方法等が挙げられる。また、第１の基板２および第２の基板３が、それぞれ、例えばシリコンで構成されている場合には、熱酸化処理等を行い、酸化膜を形成することにより親水性を付与することができる。
なお、本体部９（第１の基板２および第２の基板３）自体を、アクリル樹脂等の親水性の高い材料で構成するようにしてもよい。

また、液体移送路８は、その内面の少なくとも一部（好ましくは、ほぼ全面）が生体適合性ポリマーを主とする材料で被覆されているのが好ましい。これにより、液体６を液体移送路８内を移送する際に、プローブへの悪影響を防止して、その活性が低下または消失するのを防止することができる。その結果、検出精度（ターゲットの捕捉能）の高いスポット１０２が形成できるようになる。

生体適合性を有するポリマーとしては、例えば、ポリウレタン、ポリアクリルアミド、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレンカーボネート、ポリプロピレンカーボネート、ポリエチレンサクシネート、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン、ポリ（ヒドロキシエチル）（メタ）アクリレート、フィブリン、リグニン、ポリオルニチン、ポリロタキサン等が挙げられる。
また、生体適合性を有するポリマーとして、比較的親水性の高いものを選択することにより、前記親水化処理を省略することもできる。

液体移送路８（第３の液体移送路８３）内には、球体５が回転可能に収納されている。この球体５は、その一部が排出口２１から露出（突出）するように設けられている。
そして、第３の液体移送路８３は、排出口２１の近傍において、その横断面積が排出口２１に向かって漸減する横断面積漸減部８３１を有している。この横断面積漸減部８３１の存在により、すなわち、横断面積漸減部８３１において球体５が支持されることにより、球体５が液体移送路８から離脱するが阻止されている。

また、球体５は、横断面積漸減部８３１により支持されることにより、任意の方向に回転可能となっている。このため、マイクロアレイ作製用ヘッド１は、各球体５を基板１０１に接触させた状態で、面方向において任意の方向に移動させることができる。
この横断面積漸減部８３１の内面の形状としては、特に限定されないが、例えば、横断面形状が円形、楕円形等をなす円錐台の側面形状、横断面形状が三角形、四角形、六角形等をなす角錐台の側面形状等が挙げられるが、角錐台の側面形状であるのが好ましい。横断面積漸減部８３１の内面を角錐台の側面形状とすることにより、球体５と横断面積漸減部８３１の内面との接触面積を小さくすることができる。これにより、球体５液体移送路８内で回転する際に、摩擦抵抗を小さくすることができ、球体５を効率よく回転させることができる。

ここで、球体５の最大断面積をＡ［ｍｍ^２］とし、排出口２１の開口面積をＢ［ｍｍ^２］としたとき、Ａ／Ｂは、１．１〜４．５なる関係を満足するのが好ましい。Ａ／Ｂが前記下限値未満の場合、球体５を安定保持できず、一方、Ａ／Ｂが前記上限値を上回ると、球体５の露出量が不足し、球体５のみを基板１０１に確実に接触させることが困難になる。
具体的には、球体５の最大断面積Ａは、０．０１〜１ｍｍ^２程度であるのが好ましい。

また、排出口２１同士の間隔は、基板１０１のサイズや、形成するスポット１０２の数等に応じて適宜設定され、特に限定されないが、０．０５〜１ｍｍ程度であるのが好ましい。排出口２１同士の間隔が狭過ぎると、液体６の１スポット当りの供給量、液体６の粘度および表面張力等によっては、形成されるスポット１０２同士が重なってしまい、コンタミネーションが発生するおそれがあり、一方、排出口２１同士の間隔が広過ぎると、スポット密度を高くするのが困難になる。

また、球体５を基板１０１に接触させる前の状態で、球体５と液体移送路８の内面の排出口２１と対向する部分との間には、間隙８３２が形成されている。これにより、各球体５は、それぞれ、マイクロアレイ作製用ヘッド１の厚さ方向（上下方向）に若干移動することができるようになっている。このため、複数の球体５の間でサイズ（大きさ）のバラツキがある場合や、球体５を接触させる基板１０１に厚さのバラツキ（基板１０１の表面にうねり）がある場合等でも、そのバラツキが間隙８３２により吸収され、各球体５を基板１０１に対して一様（均一）に接触させることができる。その結果、基板１０１上に形成されるスポット１０２のスポット径がバラツクのをより確実に防止することができる。

球体５も、その表面の少なくとも一部（好ましくは、ほぼ全面）に、親水化処理が施されているのが好ましい。これにより、球体５の表面の液体６に対する濡れ性が高くなるため、液体６の球体５への追従性が良くなり、球体５の回転にともなって液体６を排出口２１からより効率よく排出することができる。その結果、基板１０１上に形成されるスポット１０２の形状や大きさの制御が容易になる。

また、球体５の内面の少なくとも一部（好ましくは、ほぼ全面）は、生体適合性を有するポリマーを主とする材料で被覆されているのが好ましい。これにより、プローブの活性低下がより確実に防止され、検出精度（ターゲットの捕捉能）の高いスポット１０２が形成できるようになる。
これらの親水化処理の方法および生体適合性を有するポリマーには、それぞれ、前述したのと同様のものを用いることができる。

また、かかる親水化処理および生体適合性を有するポリマーを付与する処理は、必要に応じて、マイクロアレイ作製用ヘッド１の他の部位（例えば、液体収納部７の内面等）に施すようにしてもよい。
マイクロアレイ作製用ヘッド１の下面（第１の基板２の下側の面）９１、すなわち、排出口２１が開口する側の面の少なくとも一部（好ましくは、ほぼ全面）には、撥水化処理が施されているのが好ましい。これにより、マイクロアレイ作製用ヘッド１（本体部９）の下面９１に液体６が付着するのが防止され、付着した液体６が影響することにより、球体５から基板１０１への液体６の供給量が変動するのを確実に防止することができる。

撥水化処理は、例えば、フッ素樹脂等の撥水性を有するポリマーの付与（塗布）、撥水性を有する官能基の導入等のより行うことができる。撥水性を有する官能基を導入する方法としては、フッ素を含む長鎖官能基を有するカップリング剤等を用いて表面処理を行う方法等が挙げられる。
なお、撥水化処理は、排出口２１の周辺部に選択的に行うようにしてもよい。

次に、前述したようなマイクロアレイ作製用ヘッド１を備えるマイクロアレイ作製用装置について説明する。
図４は、図１に示すマイクロアレイ作製用ヘッドを備えるマイクロアレイ作製用装置を示す斜視図である。
なお、以下では、図４中、左右方向をＸ軸方向、紙面斜め前後方向をＹ軸方向、上下方向をＺ軸方向として説明する。

図４に示すマイクロアレイ作製用装置１１は、基台１１１と、ヘッド移動機構１１２と、ヘッド移動機構１１２を駆動させる駆動部１１３とを有している。
ヘッド移動機構１１２は、Ｘ軸移動機構１１４と、Ｙ軸移動機構１１５と、Ｚ軸移動機構１１６とで構成されている。
Ｘ軸移動機構１１４は、例えば、タイミングベルト機構やボールネジ機構等により、Ｘ軸方向に往復移動するキャリッジ１１４ａを備えている。このキャリッジ１１４ａにＺ軸移動機構１１６が搭載され（設けられ）ている。
Ｙ軸移動機構１１５は、例えば、タイミングベルト機構やボールネジ機構等により、Ｚ軸移動機構１１６ごと、Ｘ軸移動機構１１４をＹ軸方向に往復移動させる。
Ｚ軸移動機構１１６は、マイクロアレイ作製用ヘッド１を固定・保持する保持部１１６ａと、この保持部１１６ａに対してほぼ垂直に固定された棒状の支持体１１６ｂと、支持体１１６ｂをＺ軸方向に移動させる駆動源１１６ｃとで構成されている。
ヘッド移動機構１１２は、このような構成により、マイクロアレイ作製用ヘッド１を３次元方向に移動し得るように構成されている。

駆動部１１３は、数値制御方式等の制御方式によって、ヘッド移動機構１１２を駆動する。この駆動部１１３の制御により、基板１０１に対するマイクロアレイ作製用ヘッド１の位置や球体５の接触位置を決定することができる。
また、基台１１１上には、基板１０１を載置する基板載置部１１７と、マイクロアレイ作製用ヘッド１を載置するヘッド載置部１１８と、前処理部１１９とが設けられている。

本実施形態のマイクロアレイ作製用装置１１は、２つのマイクロアレイ作製用ヘッド１を備えており、これに対応して、２つのヘッド載置部１１８が設けられている。そして、２つのマイクロアレイ作製用ヘッド１を交換して使用可能となっている。これにより、基板１０１上に形成するスポット１０２の数を格段に増大させることができる。
前処理部１１９は、清浄な表面を有し、マイクロアレイ作製用ヘッド１の球体５を基板１０１に接触させる前に、球体５を接触させて、その表面全体に液体６を付与する前処理を行う部分である。このような前処理を行うことにより、基板１０１上により確実にスポット１０２を形成することができる。

以上のようなマイクロアレイ作製用装置１１によるマイクロアレイ１０の作製は、例えば、次のようにして行われる。
図５は、図１に示すマイクロアレイ作製用ヘッドの排出口から液体を送り出す様子を示す縦断面図、図６は、図１に示すマイクロアレイ作製用ヘッドによりスポットを形成する様子を示す縦断面図、図７は、図１に示すマイクロアレイ作製用ヘッドにより作製されたマイクロアレイを示す平面図である。
なお、以下では、図５および図６中、上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」として説明する。

ここで、プローブを含有する液体６について説明する。
プローブには、例えば血液、尿、唾液、髄液のような生体サンプル（検査対象物）に含まれる標的物質（ターゲット）を捕捉し得る物質を用いることができる。
例えば、ターゲットがＤＮＡやＲＮＡのような核酸である場合には、プローブとしては、これらの核酸とハイブリダイゼーション（相補的に結合）する核酸やヌクレオチド（オリゴヌクレオチド）等を用いることができる。このような核酸としては、例えばｃＤＮＡやＰＣＲ産物等が用いられる。

また、これらの核酸およびオリゴヌクレオチドは、それぞれ、一部が他原子により置換されたものであってもよく、蛍光分子等の標識が導入されたものであってもよい。
また、ターゲットが特定のタンパク質である場合には、プローブとしては、このタンパク質を特異的に捕捉（例えば、吸着、結合等）するもの等が用いられる。
具体的には、抗原、抗体、レセプター、酵素等のタンパク質、ペプチド（オリゴペプチド）が挙げられる。
また、これらのタンパク質およびペプチドは、それぞれ、一部が他原子により置換されたものであってもよく、蛍光分子等の標識が導入されたものであってもよい。
なお、プローブとしてタンパク質を使用する場合、このプローブとなるタンパク質を表面に発現した細胞（生細胞）を液体６に混合してもよい。

液体６の調製に用いる媒質（溶媒または分散媒）としては、プローブの種類に応じて適宜選択され、特に限定されないが、前述したようなプローブの場合には、例えば水や各種緩衝液等が好適に用いられる。
また、この媒質には、粘度や表面張力等を制御する各種添加剤が添加されていてもよい。このような添加剤としては、単価アルコール、多価アルコール、界面活性剤等が挙げられる。

液体６の粘度は、１〜１０ｃｐｓ程度であるのが好ましい。液体６の粘度が低過ぎると、排出口２１から液体６が不本意に流れ出てしまい、スポット１０２の形状や寸法を制御するのが困難になるおそれがあり、一方、液体６の粘度が高過ぎると、液体移送路８や排出口２１において液体６が滞留し、液体６の移送や排出口２１からの液体６の排出が円滑に行われないおそれがある。

また、液体６の表面張力は、１０〜６０ｍＮ／ｍ程度であるのが好ましく、２０〜４０ｍＮ／ｍ程度であるのがより好ましい。液体６の表面張力を前記範囲とすることにより、適正な寸法および形状のスポット１０２をより確実に形成することができる。
また、液体６は、予め脱気処理を行っておくのが好ましい。これにより、液体移送路８内において液体６に気泡が生じるのが確実に防止され、気泡の発生により液体６の移送が妨害されるのが防止される。

［１］ まず、各ヘッド載置部１１８に、それぞれ、マイクロアレイ作製用ヘッド１を載置した状態で、各液体収納部７に所定の液体６を供給する。
液体６の供給方法は、特に限定されず、例えば、ピペットを用いた手法により、各液体収納部７にそれぞれ液体６を供給してもよく、分注装置を用いて複数の液体収納部７に一括して液体６を供給するようにしてもよい。
また、各液体収納部７に供給する液体６は、液体収納部７同士で、プローブの濃度や種類が異なっていてもよく、同じであってもよい。
液体収納部７に液体６を供給すると、液体６は、毛細管現象により液体移送路８内を排出口２１まで移送され、球体５に接触する（図５（ａ）参照）。

［２］ 次に、ヘッド移動機構１１２の保持部１１６ａにマイクロアレイ作製用ヘッド１を、例えば吸着等により保持する。
［３］ 次に、マイクロアレイ作製用ヘッド１を前処理部１１９の上方に移動させた後、下降させる。これにより、各球体５を前処理部１１９の表面に接触させる。
次いで、マイクロアレイ作製用ヘッド１を所定の方向（図示では、Ｙ軸方向）に僅かに移動させる（図５（ｂ）参照）。これにより、球体５が前処理部１１９の表面に接触した状態で転がり、液体６が球体５の回転に追従して排出口２１から送り出される（排出される）。その結果、球体５の表面の排出口２１から露出する部分に、液体６が確実に付着した状態になる（図６（ａ）参照）。

［４］ 次に、マイクロアレイ作製用ヘッド１を基板載置部１１７の上方に移動させる。
ここで、基板１０１としては、特に限定されないが、例えば、ガラス、シリコン、金属（例えば金、銀、銅、アルミニユウム、白金等）、金属酸化物（例えばＳｒＴｉＯ_３、ＬａＡｌＯ_３、ＮｄＧａＯ_３、ＺｒＯ_２、酸化ケイ素等）、樹脂（例えばポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート）等よりなる基板を用いることができる。

また、基板１０１は、１種類の材料で構成されたもの（単層基板）でもよく、複数種の材料を組み合わせたもの（例えば、複数層の積層基板等）であってもよい。
なお、基板１０１としては、ガラス基板を用いるのが好適である。ガラス基板は、入手の容易さ、低コストであること等から好ましい。
また、基板１０１には、必要に応じて、表面処理が施されていてもよい。表面処理としては、例えば、プローブを基板１０１の表面に確実に固定するための処理（固相化処理）等が挙げられる。
固相化処理としては、プローブと共有結合またはイオン結合する官能基、例えばチオール基、アミノ基、イソシアネート基、クロライド基、エポキシ基等を導入する処理等が挙げられる。

基板１０１としてガラス基板を用いる場合には、前記官能基は、これを有するカップリング剤（例えば、シラン系カップリング剤、ジルコニウム系カップリング剤、アルミニウム系カップリング剤等）で処理することにより導入することができる。
その他、固相化処理としては、プローブが核酸やヌクレオチドの場合、ポリ−Ｌ−リジンの被着、プラズマ重合膜の形成等の方法を用いるようにしてもよい。また、活性化エステルを基板１０１に被着させる表面処理を行うとともに、プローブの末端（例えば、二重鎖ＤＮＡ断片のセンス鎖末端）をアミノ化するようにしてもよい。これにより、活性化エステルとアミノ基の共有結合を介してプローブが基板１０１に強固に固定される。
一方、プローブがタンパク質やペプチドである場合、タンパク質とアミド結合を形成する活性基を、基板１０１の表面に導入する表面処理等を行う。これにより、プローブを基板１０１に強固に固定することができる。活性基としては、カルボニルイミダゾール基、エポキシ基等が挙げられる。

［５］ 次に、マイクロアレイ作製用ヘッド１を下降させ、各球体５を基板１０１に接触させる。これにより、各球体５の表面に付着した液体６が基板１０１に点状（スポット状）に供給され、付着する（図６（ｂ）参照）。その結果、基板１０１上には、スポット１０２が複数形成される。
基板１０１への液体６の供給量は、特に限定されないが、１０〜５００ｐＬ程度であるのが好ましい。また、スポット１０２のスポット径は、１０〜３００μｍ程度であるのが好ましい。液体６の供給量が少な過ぎる場合や、スポット径が小さ過ぎる場合には、プローブの種類や濃度等によっては、基板１０１に付着するプローブの量が少なくなることから、検出精度が低下するおそれがある。また、液体６の供給量が多過ぎる場合や、スポット径が大き過ぎる場合には、スポット密度を高くした場合等に、スポット１０２同士が重なってしまい、コンタミネーションが発生するおそれがある。

なお、基板１０１への液体６の供給量やスポット径は、球体５の親水性、本体部９の下面９１の撥水性、排出口２１と球体５との間の隙間の寸法、液体６の粘度および表面張力、基板１０１の表面特性、湿度等の外部環境等により制御することができる。
また、スポット１０２の平面形状（基板１０１の鉛直上方から見た形状）は、一般には円形形状とされるが、非円形形状であってもよい。この非円形形状としては、例えば、楕円形、十字型、記号、数字等が挙げられる。

基板１０１上には、スポット１０２を１種類の形状で形成してもよく、２種類以上の形状を組み合わせて形成するようにしてもよい。
非円形形状のスポット１０２を形成する場合、このものは、マイクロアレイ１０上の特定位置を識別するための位置標識として用いてもよく、プローブの種類や、検査・解析の結果を示すための形状としてもよい。これにより、このマイクロアレイ１０を用いる検査・解析が容易になる。
このような非円形形状のスポット１０２は、例えば、複数の円形形状のスポット１０２を重ねたり、基板１０１上で球体５を移動させることにより形成することができる。

［６］ 次に、液体６のスポット１０２が形成された基板１０１を、必要に応じて、インキュベート（加温）するようにしてもよい。これにより、プローブを基板１０１上により確実に定着（固定）させることができる。
インキュベートの方法としては、例えば、基板１０１を加熱する方法、液体６を加熱する方法等を用いることができる。加熱の方法としては、例えば、ヒータによる加熱、レーザ光の照射、赤外線や電磁波の付与等のうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
インキュベートの温度は、２５〜４０℃程度が好ましい。また、インキュベートの時間も、特に限定されないが、前記温度範囲で行う場合には、３０分〜２４時間程度であるのが好ましい。

以上のような工程を、マイクロアレイ作製用ヘッド１を交換して繰り返し行うことにより、図７に示すようなマイクロアレイ１０が得られる。
以上説明したようなマイクロアレイ作製用ヘッド１では、液体６が送り出される部分、すなわち排出口２１を接触ピンに比べて狭い間隔（高い配設密度）で多数形成できるので、マイクロアレイ１０のスポット１０２を簡易な操作で高密度かつ均一に形成することができる。

また、本実施形態のマイクロアレイ作製用ヘッド１は、排出口２１と液体収納部７との双方を有しており、液体収納部７に収容された液体６が順次排出口２１に供給される。このため、マイクロアレイ作製用ヘッド１を使用する毎に、液体６を供給する操作や洗浄する操作を省略することができる。したがって、スポット１０２の形成を高速で行うことができ、また、液体６の洗い残しによる相互汚染（コンタミネーション）を確実に回避することができる。

また、液体収納部７同士の間隔と排出口２１同士の間隔とを異ならせることにより、排出口２１同士の間隔を狭くしつつも、液体収納部７同士の間隔を比較的広くすることができる。このため、ピペットや分注装置等による液体収納部７へ液体６を供給する操作が容易になる。
また、液体移送路８内の液体６を、球体５の回転により緩やかに排出口２１から送り出し、そのまま基板１０１上に接触させるので、液体６が外部環境に曝されたり、衝撃を受ける機会が少なく、液体６中のプローブの活性を高度に維持することができる。

次に、図１に示すマイクロアレイ作製用ヘッド１の製造方法の一例について説明する。
図８および図９は、それぞれ、図１に示すマイクロアレイ作製用ヘッドの製造方法を説明するための図（縦断面図）である。
なお、以下では、図８および図９中、上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」として説明する。
また、実際には、液体移送路８および液体収納部７を多数形成するが、ここでは、説明をわかりやすくするために、それぞれ１つを形成する場合を代表に説明する。

＜１＞ まず、第１の基板２を用意して、排出口２１となる開口を有する貫通孔、すなわち、横断面積漸減部８３１となる貫通孔を形成する。
第１の基板２としては、例えば、シリコン基板、ガラス基板、セラミックス基板、金属基板等を用いることができる。
この第１の基板２の平均厚さは、特に限定されないが、１００〜６００μｍ程度であるのが好ましい。第１の基板２の平均厚さを前記範囲とすることにより、球体５を収納するのに適当な深さの貫通孔を容易かつ確実に形成することができる。
また、貫通孔の形成方法としては、例えば、エッチング、ブラスト加工、レーザ加工等が挙げられる。
以下では、第１の基板２としてシリコン基板２４を用いて、エッチングにより貫通孔２４２を形成する場合を代表に説明する。

＜１ａ＞ まず、図８（ａ）に示すように、シリコン基板２４の一方の面２４１に、例えば熱酸化処理等を行うことにより、酸化膜２４３を形成する。
この熱酸化処理の方法としては、特に限定されず、例えば、スチーム酸化、ウェット酸化、ドライ酸化、高圧酸化、希釈酸素酸化等のいずれを用いてもよい。

＜１ｂ＞ 次に、酸化膜２４３上にレジスト材料を塗布し、フォトマスクを介して露光した後、現像する。これにより、貫通孔２４２を形成する部分に開口部を有するレジスト層を形成する。
このレジスト層をマスクとして、例えばウェットエッチング等により、酸化膜２４３をエッチングする。
ウェットエッチングを行う場合、エッチング液としては、選択比（酸化膜のエッチングレート／シリコンのエッチングレート）が極めて大きいものを使用するのが好ましい。このようなエッチング液としては、例えば、フッ化水素水溶液等が挙げられる。
以上のようにして、図８（ｂ）に示すように、酸化膜２４３の貫通孔２４２に対応する部分に開口部２４４を形成する。

＜１ｃ＞ 次に、開口部２４４が形成された酸化膜２４３をマスクとして、例えばアルカリエッチング液を用いたウェットエッチング等により、シリコン基板２４をエッチングする。
アルカリエッチング液としては、例えば、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）等が挙げられる。
この場合、シリコン基板２４には、異方性エッチングされるものが好適である。これにより、貫通孔２４２をより迅速かつ高精度で形成することができる。
このようなシリコン基板２４としては、その面方位が（１００）のものを用いるのが好適である。

ここで、面方位（１００）のシリコン基板２４を、アルカリエッチング液でエッチングすると、エッチング速度が（１００）結晶格子面よりも（１１１）結晶格子面の方が著しく小さいことから、このエッチングは、シリコン基板２４の厚さ方向に比較的速く進行して貫通する。このとき、厚さ方向のエッチングは、（１１１）結晶格子面が露出したところで著しく遅くなるので、貫通孔２４２の内面は、（１１１）結晶格子面とほぼ平行な傾斜面となる。

これにより、図８（ｃ）に示すような貫通孔２４２が形成される。なお、前記開口部２４４の平面視形状を角形とすることにより、貫通孔２４２の内面を角錐台の側面形状となるように形成することができる。
また、貫通孔２４２のサイズ（横断面積）は、開口部の大きさを設定することにより変えることができる。

＜２＞ 次に、図９（ａ）に示すように、第２の基板３としてガラス基板を用い、液体移送路８を画成するための凹部３１（溝３１ａおよび貫通孔３１ｂ）を形成する方法について説明する。
この溝３１ａは、例えば、クロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）のエッチング保護膜を形成した後、フォトリソグラフィー法により溝３１ａのパターンを形成し、このエッチング保護膜をマスクとしてエッチングすることにより形成することができる。
貫通孔３１ｂは、レーザ加工、機械加工等を用いて形成することができる。

＜３＞ 次に、図９（ｂ）に示すように、球体５を、その一部が開口から露出するように、シリコン基板２４（第１の基板２）の貫通孔２４２内に配置する。
球体５には、例えば、スチール等の金属、ガラス、石英、アルミナ等のセラミックス、ポリスチレン等の樹脂等からなる球状粒子を使用することができる。

＜４＞ 次に、図９（ｃ）に示すように、液体移送路８を画成するように、シリコン基板２４（第１の基板２）に第２の基板３を積層して、接合する。
ここで、第２の基板３をシリコン基板で構成した場合、シリコン基板２４と第２の基板３とは、例えば、直接接合法により接合することができる。
また、第２の基板３を、例えば硼珪酸ガラス（可動イオンを含有するガラス）を主材料とする基板で構成した場合、シリコン基板２４と第２の基板３とは、例えば、陽極接合法により接合することができる。
その他、シリコン基板２４（第１の基板２）と第２の基板３との接合方法としては、例えば、接着剤による接着等が挙げられる。

＜５＞ 次に、図９（ｄ）に示すように、第３の基板４に液体収納部７となる貫通孔４１を形成する。
＜６＞ 次に、図９（ｅ）に示すように、液体移送路８と貫通孔４１とが連通するように、第２の基板３に第３の基板４を積層して、前記工程＜４＞と同様にして接合する。
以上のような工程を経て、マイクロアレイ作製用ヘッド１が製造される。

このような製造方法では、３枚の基板をそれぞれ加工し、接合するといった簡易な工程でマイクロアレイ作製用ヘッド１を製造することができる。
また、横断面積漸減部８３１となる貫通孔２４２を、異方性エッチングにより形成するので、排出口２１を精密な形状で高密度に形成することができる。したがって、マイクロアレイ１０のスポット１０２を簡易な操作で高密度かつ均一に形成することができる。

以上、本発明のマイクロアレイ作製用ヘッドおよびマイクロアレイ作製用装置について説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
例えば、本発明のマイクロアレイ作製用ヘッドおよびマイクロアレイ作製用装置の各部の構成は、同様の機能を発揮し得る任意のものと置換することができ、あるいは、任意の構成のものを付加することもできる。

本発明のマイクロアレイ作製用ヘッドを示す縦断面図である。 マイクロアレイ作製用ヘッドを一部拡大して示す縦断面図である。 マイクロアレイ作製用ヘッドの平面図である。 マイクロアレイ作製用装置を示す斜視図である。 排出口から液体を送り出す様子を示す縦断面図である。 スポットを形成する様子を示す縦断面図である。 マイクロアレイを示す平面図である。 マイクロアレイ作製用ヘッドの製造方法を説明するための図である。 マイクロアレイ作製用ヘッドの製造方法を説明するための図である。

符号の説明

１……マイクロアレイ作製用ヘッド ２……第１の基板 ２１……排出口 ２４……シリコン基板 ２４１……面 ２４２……貫通孔 ２４３……酸化膜 ２４４……開口部 ３……第２の基板 ３１……凹部 ３１ａ……溝 ３１ｂ……貫通孔 ４……第３の基板 ４１……貫通孔 ５……球体 ６……液体 ７……液体収納部 ７１……供給口 ８……液体移送路 ８１……第１の液体移送路 ８２……第２の液体移送路 ８３……第３の液体移送路 ８３１……横断面積漸減部 ８３２……間隙 ９……本体部 ９１……下面 ９２……上面 １０……マイクロアレイ １０１……基板 １０２……スポット １１……マイクロアレイ作製用装置 １１１……基台 １１２……ヘッド移動機構 １１３……駆動部 １１４……Ｘ軸移動機構 １１４ａ……キャリッジ １１５……Ｙ軸移動機構 １１６……Ｚ軸移動機構 １１６ａ……保持部 １１６ｂ……支持体 １１６ｃ……駆動源 １１７……基板載置部 １１８……ヘッド載置部 １１９……前処理部

Claims (15)

1. 基板上に液体を散点状に付着させて、マイクロアレイを作製するためのマイクロアレイ作製用ヘッドであって、
   前記液体を排出する排出口と、
   該排出口で開放し、前記液体を移送する液体移送路と、
   前記液体移送路内に回転可能に収納され、前記排出口から一部が露出する球体とを、それぞれ複数有し、
   前記液体移送路を介して移送した前記液体を、前記球体の表面に付着させ、この状態で前記球体を基板に接触させることにより、前記基板上に前記液体を供給するように構成されていることを特徴とするマイクロアレイ作製用ヘッド。
2. 前記排出口と反対側において前記各液体移送路にそれぞれ連通し、前記液体を収納する複数の液体収納部を有する請求項１に記載のマイクロアレイ作製用ヘッド。
3. 前記排出口同士の間隔は、前記液体収納部同士の間隔よりも小さい請求項２に記載のマイクロアレイ作製用ヘッド。
4. 前記液体移送路は、その前記液体収納部の近傍において屈曲または湾曲している請求項２または３に記載のマイクロアレイ作製用ヘッド。
5. 前記液体移送路は、その前記排出口の近傍において屈曲または湾曲している請求項１ないし４のいずれかに記載のマイクロアレイ作製用ヘッド。
6. 前記球体を前記基板に接触させる前の状態で、前記球体と前記液体移送路の内面の前記排出口と対向する部分との間には、間隙が形成されている請求項５に記載のマイクロアレイ作製用ヘッド。
7. 前記液体移送路は、前記排出口の近傍において、その横断面積が前記排出口に向かって漸減する横断面積漸減部を有し、
   該横断面積漸減部の存在により、前記球体が前記液体移送路から離脱することが阻止されている請求項１ないし６のいずれかに記載のマイクロアレイ作製用ヘッド。
8. 前記横断面積漸減部の内面は、円錐台の側面形状または角錐台の側面形状をなしている請求項７に記載のマイクロアレイ作製用ヘッド。
9. 前記球体の最大断面積をＡ［ｍｍ^２］とし、前記排出口の開口面積をＢ［ｍｍ^２］としたとき、Ａ／Ｂは、１．１〜４．５なる関係を満足する請求項１ないし８のいずれかに記載のマイクロアレイ作製用ヘッド。
10. 前記球体の表面および／または前記液体移送路の内面の少なくとも一部に、親水化処理が施されている請求項１ないし９のいずれかに記載のマイクロアレイ作製用ヘッド。
11. 前記球体の表面および／または前記液体移送路の内面の少なくとも一部は、生体適合性を有するポリマーを主とする材料で被覆されている請求項１ないし１０のいずれかに記載のマイクロアレイ作製用ヘッド。
12. 当該マイクロアレイ作製用ヘッドは、その前記排出口が開口する側の面の少なくとも一部に、撥水化処理が施されている請求項１ないし１１のいずれかに記載のマイクロアレイ作製用ヘッド。
13. 前記プローブは、ヌクレオチド、核酸、ペプチドおよびタンパク質のうちの少なくとも１種を含有するものである請求項１ないし１２のいずれかに記載のマイクロアレイ作製用ヘッド。
14. 請求項１ないし１３のいずれかに記載のマイクロアレイ作製用ヘッドを備えることを特徴とするマイクロアレイ作製用装置。
15. 前記マイクロアレイ作製用ヘッドを複数備え、該複数のマイクロアレイ作製用ヘッドが交換可能となっている請求項１４に記載のマイクロアレイ作製用装置。

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