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Abstract

基板を処理する方法であって、該方法は基板に接している電解質および表面近傍で電解質に接している電極の配列を設け、かつ少なくとも１つの電極近傍の基板を修正する活性レドックス生成物を生成させるように少なくとも１つの電極の電位を変えることを含み、第２のレドックス生成物によって活性レドックス生成物が消滅可能となるように電解質を選ぶことを特徴とする方法である。この方法は表面に結合されたオリゴヌクレオチドのようなオリゴマーの段階的化学合成にとりわけ適切である。A method of treating a substrate, the method comprising an array of an electrolyte in contact with the substrate and an electrode in contact with the electrolyte near the surface, and generating an active redox product that modifies the substrate in the vicinity of at least one electrode Changing the potential of the at least one electrode to cause the second redox product to select the electrolyte such that the active redox product can be extinguished. This method is particularly suitable for the stepwise chemical synthesis of oligomers such as oligonucleotides attached to a surface.

Description

【０００１】
本発明は電気化学的方法を用いる基板処理に関する。より詳細には、本発明は電気化学的方法を用いる基板の化学的修正法に関する。
多くのデバイスは表面に特定物質のパターンを必要とする。半導体チップは該デバイスの周知の例である。該デバイスの極く最近の例はＤＮＡチップであって、これは固体表面に結合されたオリゴヌクレオチドの配列を含む（Ｇ．Ｒａｍｓａｙ，Ｎａｔｕｒｅ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９８，ｖｏｌ．１６，４０−４４）。
【０００２】
該デバイスの性質は表面上の物質の特質およびパターンによって決まる。さらに、既存デバイスの改良が一方では小型化の要求により、他方では化学的及び物理学的特徴を合わせ持つ新規タイプの表面に対する要望によって加速されている。したがって、表面上にパターンを必要とするデバイスを加工する新規方法に対する絶えざる要望がある。
【０００３】
表面の特定領域の処理には幾つかの方法がある。１つの方法は写真平版技術を使用する。表面の特定領域を写真平版用マスクで覆い、露出領域を紫外線に暴露することによって修正する。この方法は半導体の製造に広く用いられており、感光性化合物を塗布した半導体ウエハーの表面に開口部をつくる。
【０００４】
写真平版法はＤＮＡチップの製造にも使用されている。この方法では、光不安定性保護基を有するオリゴヌクレオチドを固体表面に結合させる。表面領域は写真平版用マスクで覆い、表面の露出領域に紫外線を照射する。したがって、光不安定性保護基を表面の暴露領域から除くことができる（Ｇ．Ｒａｍｓａｙ，Ｎａｔｕｒｅ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９８，ｖｏｌ．１６，４０−４４）。
【０００５】
ＷＯ９３／２２４８０は電気化学的方法を用いる表面処理法を記載している。この方法では、表面を覆う電解質および表面近傍の電極の配列が設けられる。該配列の１つ以上の電極の電位を変えることによって、１つ以上の電極近傍の表面を修正することができる。使用した電解質はトリエチルアミンと硫酸とのアセトニトリル溶液である。
【０００６】
米国特許第６，０９３，３０２号は基板上の特定位置に物質を置く電気化学的方法を述べている。この物質は電極で生じ、通常電極近傍の物質と反応する。緩衝または捕捉溶液の使用が記載されている。緩衝または捕捉溶液は電極の極近傍から離れる試薬との反応によって、処理される基板の溶解能を向上させるためのものである。しかし、緩衝又は捕捉物質を含有するバルク溶液は特定電極から拡散し去る試薬だけでなく、特定電極近傍の基板において反応しようとする試薬をも捕捉するという欠点を有する。
【０００７】
ＳｃｈｕｓｔｅｒらのＳｃｉｅｎｃｅ，２０００，２８９，９８−１０１は表面を処理する電気化学的方法の溶解能を向上させる他の方法を述べている。Ｓｃｈｕｓｔｅｒは拡散時間を限定するために複雑な電流パルスのシ−ケンスを使用する。
【０００８】
本発明の目的は電気化学的手段を用いて基板を修正する改良法を提供することにある。とくに本発明の目的は優れた溶解能によって基板を修正する方法を提供することにある。
したがって、本発明は第１の電極によって生じた第１のレドックス生成物の拡散を制御する方法であって、前記第１電極近傍の第２電極によって第２レドックス生成物を生じさせ、第１及び第２電極が電解質と接触しており、ここで前記電解質が、第２レドックス生成物によって第１レドックス生成物が消滅可能となるようなものである方法を提供する。
【０００９】
好ましくは、第２電極は対向電極である。
好ましくは、第１レドックス生成物は活性レドックス生成物であって、電極近傍の基板を修正するために用いることができる。
【００１０】
したがって、別の態様では、本発明は基板を処理する方法であって、該方法は基板に接している電解質および基板近傍にあって電解質に接している１つ以上の電極を設け、かつ少なくとも１つの電極近傍の基板を修正する活性レドックス生成物を生じさせるように少なくとも１つの電極の電位を変えることを含み、該電解質が、第２レドックス生成物によって該活性レドックス生成物が消滅可能となるようなものであることを特徴とする方法を提供する。
【００１１】
消滅可能とは、第２レドックス生成物が、第１レドックス生成物と反応してその反応性を修正することができ、その結果第１レドックス生成物は当初の形状と同じようには反応しないことを意味する。第１レドックス生成物が活性レドックス生成物である場合には、活性レドックス生成物と第２レドックス生成物との反応は活性レドックス生成物が基板を修正することを妨げる。たとえば、活性レドックス生成物が酸の場合には、第２レドックス生成物は塩基であることができる。酸と塩基の反応は酸を消滅させて、それが基板を修正するのを妨げる。
【００１２】
好ましい態様では、消滅反応は電解質中の１つ以上の物質を再生させる。
活性レドックス生成物とは基板を修正することができる酸化または還元生成物を意味する。活性レドックス生成物は、電解質中の物質の酸化または還元によって直接生じさせることができる。あるいはまた、活性レドックス生成物は電解質中の物質の酸化又は還元に続く電解質中の他の物質との１つ以上の後続反応によって間接的に生じさせることができる。
【００１３】
通常、活性レドックス生成物は電極表面に生成する。ついで活性レドックス生成物はその近傍の基板を修正することができる。酸は活性レドックス生成物の好ましい例である。酸は基板上の多種類の反応、たとえば脱離、置換、転位および化学エッチングに関与することができる。好ましくは、活性レドックス生成物が酸の場合には、その酸を用いて基板から酸不安定性保護基を除去する。
【００１４】
酸不安定性保護基は当業者には周知であって、たとえばアセタール類（たとえばメトキシメチル、メチルチオメチル、（２−メトキシエトキシ）メチル、ベンゾイルオキシメチル、β−（トリメチルシリル）エトキシメチル、テトラヒドロピラニル、ベンジリデン、イソプロピリデン、シクロヘキシリデン、シクロペンチリデン）、エステル類（たとえばベンゾイル、ベンゾイルオキシカルボニル、第三級ブトキシカルボニル）、エーテル類（たとえばトリチル、ジメトキシトリチル、第三級ブチル）及びシリルエーテル類（たとえば第三級ブチルジメチルシリル、トリメチルシリル、トリエチルシリル）が含まれる。好ましくは、酸不安定性保護基がトリチルまたはジメトキシトリチル（ＤＭＴ）エーテルであり、これらはオリゴヌクレオチドの合成に通常用いられる保護基である。
【００１５】
同様に、活性レドックス生成物は塩基であることができる。塩基は基板上の種々の反応に関与することができる。たとえば、塩基は塩基不安定性保護基を除くのに用いることができる。
【００１６】
塩基不安定性保護基は当業者には周知であって、たとえば、９−フルオレニルメトキシカルボニル（Ｆｍｏｃ）およびシアノエチル基が含まれる。
ラジカルは活性レドックス生成物の他の例である。ラジカルは基板上のラジカル反応を開始させるのに用いることができる。ラジカルを生成させるための電気化学的方法は当業者には周知である。ラジカルを電気化学的に発生させるのに通常用いられる１つの方法はカルボキシレートアニオンの酸化である。
【００１７】
ハロゲンは活性レドックス生成物の別の例である。ハロゲンは、たとえば基板上の酸化反応または付加反応に用いることができる。ハロゲンは対応するハライドイオンの酸化によって電気化学的に生成させることができる。
【００１８】
活性レドックス生成物の前記及び他の例は当業者には容易に明らかであろう。
本発明の方法は基板を処理するのに用いられる。本明細書で用いる基板という用語は電極に近接して、活性レドックス生成物によって修正することができる任意の物質を指す。基板は電極から分離させることができ、その場合に基板を電極近傍に置き、ついでレドックス反応の終了後に電極近傍から離す。あるいはまた、基板を電極自体または電極と同一表面に結合させることができる。必要ならば、レドックス反応が行われた後、基板を電極またはそれと同一表面からはがすことができる。
【００１９】
したがって、１つの態様では、基板は電極から分離され、かつ電極に近接する物質の表面である。このように、基板はガラス、プラスチック、固体繊維マトリックス、金属、半導体またはゲル物質の表面であることができる。この物質の表面はレドックス反応によって直接修正することができる。さらに、この態様において、物質の表面は、物質を結合させていることができる。たとえば、有機化合物を公知の方法によって物質表面に結合させ（そして任意にそれからはがす）ことができる。このように、物質の表面に結合された物質はレドックス反応によって修正することができる。
【００２０】
他の態様では、基板はリンカー基によって、電極と同一表面または電極自体に結合された物質である。米国特許第６，０９３，３０２号はこの集成装置の後者を述べており、すなわちリンカー基によって基板を電極に結合させる。
【００２１】
本発明の方法はＷＯ９３／２２４８０に記載された方法に類似する。しかし、本発明の方法は電解質の選択の点で異なる。ＷＯ９３／２２４０はトリメチルアミンと硫酸とのアセトニトリル溶液である電解質を使用する。本発明は活性レドックス生成物が少なくとも１種の他のレドックス生成物によって消滅可能となる電解質を使用する。この電解質の利点は電解質を生じさせた電極を速やかに包囲する領域に活性レドックス生成物を正確に閉じ込めることができるということである。
【００２２】
ＷＯ９３／２２４８０に記載された方法では、特定領域における酸の閉じ込めを電極電位の変動によって制御する。しかし、本発明者らは電解質がトリエチルアミンと硫酸とのアセトニトリル溶液であると、長時間の電解後に酸が閉じ込められないことを発見した。酸の不十分の閉じ込めは処理する基板の不十分な溶解能をもたらす。例えば、アノードの極く近傍から拡散し去るプロトンは電極間の帯域内の基板において反応することができる。このように拡散したプロトンの偶発的な反応は高分解能パターン化基板を得るという立場からは望ましくない。本発明により電解質を選ぶことによって、先行技術の電解質の問題を回避することができる。活性レドックス生成物が少なくとも１つの他のレドックス生成物により消滅可能となるように電解質を選ぶことは本発明の重要な特徴である。
【００２３】
当業者は、他のレドックス生成物によって消滅可能となる活性レドックス生成物を生じさせる電解質の多くの例について認識している。
このような電解質の例はＩ-とＳ4Ｏ6 2-の組み合わせである。アノードにおけるヨージドの酸化はヨウ素（活性レドックス生成物）を生成し、一方カソードにおけるＳ4Ｏ6 2-の還元はＳ2Ｏ3 2-を生成し、これはアノードにおいて生成したヨウ素を消滅させることができる。電解質中の反応は次のように表すことができる：
アノード：
【００２４】
【化１】

Figure 2005502032
【００２５】
カソード：
【００２６】
【化２】
Figure 2005502032
【００２７】
該反応によるヨウ素の消滅：
【００２８】
【化３】
Figure 2005502032
【００２９】
好ましくは、活性レドックス生成物が酸で、消滅レドックス生成物がアニオン、好ましくは有機ラジカルアニオンである。通常、酸はアルコール（任意の脂肪族または芳香族アルコールであることができる）の酸化によってアノードに生成する。該電解質においては、消滅するアニオンは通常適当な物質の還元によってカソードに生成する。多くの物質がカソードで還元されてアニオンを生成し、これがアノードで生成した酸を消滅させることができる。たとえば、溶解した分子状酸素はカソードで還元され、それによってＯ2 -および／またはＯ2 2-を生成させることができる。
【００３０】
適当なレドックス生成物を生成させる電解質の例はケトンと対応するアルコールとの組み合わせである。アノードにおけるアルコールの酸化はプロトン（活性レドックス生成物）を生成し、一方カソードにおけるケトンの還元はラジカルアニオンを生成し、これがアノードで生成したプロトンを消滅させることができる。
【００３１】
電解質中の反応は次のように表すことができる：
アノード：
【００３２】
【化４】
Figure 2005502032
【００３３】
カソード：
【００３４】
【化５】
Figure 2005502032
【００３５】
式中Ｒ1およびＲ2は独立的に任意に置換されたＣ1ないしＣ15ヒドロカルビル（ここで３個までのＣ原子はＮ、Ｏおよび／またはＳ原子で置換させることができる）から選ばれるか；またはＲ1およびＲ2が一体となって任意に置換されたＣ1ないしＣ15シクロヒドロカルビレン（ここで３個までのＣ原子は任意にＮ、Ｏおよび／またはＳ原子で置換させることができる）を形成する。
【００３６】
好ましくは、Ｒ1及びＲ2は独立的に任意に置換されたＣ1-8アルキル、Ｃ3-8シクロアルキルまたはフェニル基から選ばれる。
「ヒドロカルビル」という用語は本明細書では炭素と水素からなる一価の基を指すのに用いられる。したがってヒドロカルビル基はアルキル、アルケニル及びアルキニル基（直鎖状ならびに分枝鎖状）、シクロアルキル（ポリシクロアルキルを含む）、シクロアルケニル及びアリール基、ならびにアルキルシクロアルキル、アルキルポリシクロアルキル、アルキルアリール、アルケニルアリール、アルキニルアリール、シクロアルキルリールおよびシクロアルケニルアリール基のような前記の結合物を含む。
【００３７】
「ヒドロカルビレン」という用語は本明細書では炭素と水素からなる二価の基を指すのに用いられる。したがってシクロヒドロカルビレン基はシクロアルキレン、シクロアルケニレンおよびアリーレン基を含む。
【００３８】
「アリール」という用語は本明細書ではフェニル、ナフチルまたはアントラシルのような芳香族基を指すのに用いられる。あるいはまた、アリール基がＯ、Ｎおよび／またはＳで置換された炭素原子を有する場合には、アリールという用語はピリジル、ピロリル、チエニル、フラニル、イミダゾリル、トリアゾリル、キノリニル、イソキノリニル、オキサゾリルまたはイソオキサゾリルのような複素環式芳香族基を指す。
【００３９】
本明細書で任意の置換基に言及する場合には、該置換基は好ましくはＣ1ないしＣ6アルキル、Ｃ1ないしＣ6アルコキシ、チオ、Ｃ1ないしＣ6アルキルチオ、カルボキシ、カルボキシ（Ｃ1ないしＣ6）アルキル、ホルミル、Ｃ1ないしＣ6アルキルカルボニル、Ｃ1ないしＣ6アルキルカルボニルアルコキシ、ニトロ、トリハロメチル、ヒドロキシ、Ｃ1ないしＣ6アルキルヒドロキシ、ヒドロキシ（Ｃ1ないしＣ6）アルキル、アミノ、Ｃ1ないしＣ6アルキルアミノ、ジ（Ｃ1ないしＣ6アルキル）アミノ、アミノカルボキシ、Ｃ1ないしＣ6アルキルアミノカルボキシ、ジ（Ｃ1ないしＣ6アルキル）アミノカルボキシ、アミノカルボキシ（Ｃ1ないし6）アルキル、Ｃ1ないしＣ6アルキルアミノカルボキシ（Ｃ1ないしＣ6）アルキル、ジ（Ｃ1ないしＣ6アルキル）アミノカルボキシ（Ｃ1ないしＣ6）アルキル、Ｃ1ないしＣ6アルキルカルボニルアミノ、Ｃ5ないしＣ8シクロアルキル、Ｃ5ないしＣ8シクロアルキル（Ｃ1ないしＣ6）アルキル、Ｃ1ないしＣ6アルキルカルボニル（Ｃ1ないしＣ6アルキル）アミノ、ハロ、Ｃ1ないしＣ6アルキルハロ、スルファモイル、テトラゾイル及びシアノから選ばれる。
【００４０】
本明細書で用いる「ハロ」または「ハロゲン」はヨウ素、臭素、塩素またはフッ素を指す。
電解質のレドックス特性を変えるために、Ｒ1およびＲ2の性質を変化させることができる。たとえば、Ｒ1およびＲ2への置換基の導入は酸化または還元が起こる電位を変えることができる。
【００４１】
ケトン／アルコール電解質の好ましい例は適当な有機溶剤中の２−プロパノン／イソプロパノールおよびベンゾフェノン／ベンズヒドロールである。
適当な電解質の他の例はベンゾキノン／ヒドロキノン及びそれらの誘導体である。該電解質は下記の組み合わせであることができる：
【００４２】
【化６】
Figure 2005502032
【００４３】
式中Ｒ3、Ｒ4、Ｒ5及びＲ6は独立的に下記から選ばれる：
水素、ハロ、ニトロ、ヒドロキシル、チオ、ニトロ、アミノ、任意に置換されたＣ1ないしＣ15ヒドロカルビル（ここで３個までのＣ原子は任意にＮ、Ｏおよび／またはＳ原子で置換させることができる）；または
Ｒ3およびＲ4ならびに／またはＲ5及びＲ6が一体となって任意に置換されたＣ1ないしＣ15シクロヒドロカルビレン（式中Ｃ原子を３個までＮ、Ｏおよび／またはＳ原子で置換させることができる）を形成する。
【００４４】
好ましくは、Ｒ3、Ｒ4、Ｒ5およびＲ6は水素、任意に置換されたＣ1-8アルキルから独立的に選ばれるかまたはＲ3／Ｒ4およびＲ5／Ｒ6が一体となってフェニレンのような任意に置換されたＣ5−Ｃ12アリ−レン基を形成する。
【００４５】
電解質のレドックス特性を変えるため、たとえば酸化または還元が起こる正確な電位を変えるために、Ｒ3、Ｒ4、Ｒ5及びＲ6の性質を変化させることができる。ベンゾキノン／ヒドロキノン誘導体を原料とする電解質の好ましい例は適当な溶剤中のアントラキノン／アントラキノールおよびジュロキノン／ジュロキノールである。
【００４６】
好ましい態様では、電解質はアセトニトリル中のベンゾキノンとヒドロキノンの混合物を含む。この混合物は水素イオンである活性レドックス生成物をもたらす。水素イオン（プロトン）はベンゾキノンラジカルアニオンによって消滅可能となる。
【００４７】
具体的にはヒドロキノンはアノードで酸化されてベンゾキノンとプロトンを生成する：
【００４８】
【化７】
Figure 2005502032
【００４９】
ヒドロキノンの酸化によって遊離したプロトンはほとんどアノードに局在化して、その近傍の基板を修正することができる。たとえば、プロトンは酸不安定性保護基を有する基板を脱保護することができる。
【００５０】
ベンゾキノンはカソードで還元されてベンゾキノンラジカルアニオンを生成する：
【００５１】
【化８】
Figure 2005502032
【００５２】
ベンゾキノンラジカルアニオンはアセトニトリルのような溶剤中では比較的安定な種である。このラジカルアニオンは下記の反応により、アノードの極く近傍から脱離する偶発的なプロトンを消滅させる：
【００５３】
【化９】
Figure 2005502032
【００５４】
このようにして、電極に生じた活性レドックス生成物、たとえばアノードに生じたプロトンを局在化させることによって処理される基板領域の溶解能を向上させることができる。
【００５５】
本発明に用いられる電解質は水、ＴＨＦ（テトラヒドロフラン）、メタノール、エタノール、ＤＭＦ（ジメチルホルムアミド）、ジクロロメタン、ジエチルエーテル、ＤＭＳＯ（ジメチルスルホキシド）またはアセトニトリルのような適当な溶剤を含むことができる。当業者には、溶剤の選択が電極におけるレドックス反応および／または消滅反応の動力学または平衡に影響することがあることが理解されよう。溶剤は溶解している種の反応性、たとえば錯体形成、水素結合、双極子相互作用または電荷非局在化に影響することがある。好ましくは、溶剤はラジカルアニオンを安定化させることができる非プロトン性溶剤である。非プロトン性溶剤の例はジクロロメタン、ＤＭＦ、ＤＭＳＯ、アセトニトリル及びＴＨＦである。より好ましくは溶剤がアセトニトリルである。
【００５６】
好ましい態様では、電解質はさらに伝導率向上剤を含む。伝導率向上剤は電解質の伝導率を高める物質である。伝導率向上剤が存在しない場合よりも低電圧で電解を行うことができるように、電解質の伝導率を高めることが望ましい。電解質に可溶なイオン物質がこの目的に適している。たとえば、電解質がアセトニトリルのような有機溶剤を含む場合には、適当な伝導率向上剤はテトラブチルアンモニウムヘキサフルオロホスフェートのようなテトラ（Ｃ1-8アルキル）アンモニウム塩であることができる。
【００５７】
当業者には電解質中の塩が、単に電解質の伝導率を高める以外に効果をもたらし得ることが理解されよう。塩は電極における消滅反応および／またはレドックス反応の働力学または平衡に影響を及ぼすことができる。塩の存在が溶解状態にある帯電種間の静電的相互作用に影響を及ぼすことは公知である。逆に、これは反応性に影響を及ぼすことができる。たとえば、電解質がヒドロキノン／ベンゾキノンのアセトニトリル溶液である場合には、テトラブチルアンモニウムヘキサフルオロホスフェートの添加は消滅反応の程度を修正するのみならず伝導率を高めることが認められた。
【００５８】
本発明の方法はＷＯ９３／２２４８０に記載されているような装置を用いて行うことができる。ＷＯ９３／２２４８０に記載されている装置は絶縁面上に離間した電極の配列を含む。電極は、電位を変えるために電気接続手段を備えた白金の析出物である。
【００５９】
しかし、本発明の方法はイリジウム電極を用いて行うのが好ましいことが認められている。したがって、本発明は、表面を有する電気絶縁物質のブロック、および表面に離間して配列しているイリジウムの析出物を含み、各析出物が電位を変えるために電気接続手段を備えている、本明細書に記載した方法で用いるのに適する電極の配列を設ける。
【００６０】
イリジウムを用いる利点はそれが導電性にすぐれ、化学的に不活性であるという点にある。さらに、イリジウムは本発明の方法を用いて行うことができる高電位において劣化を生じない。従来、白金が電極物質として用いられていた。しかし、白金は、とくに高電極電位において、シリコンウエハーのような物質に十分に接着しないことが認められた。本明細書に述べた内部消滅反応は、処理される基板において溶解能の著しい損失なしに高電極電位の長時間使用を可能にする。高電極電位の使用は電極の設計変更を必要とした。
【００６１】
アルミニウム、銀及び金を含む多くの金属について電極としての適性を試験した。しかし、驚くべきことに、本発明者らはイリジウムが電極として優れた最良の物質であることを認めた。イリジウムは電解中劣化せずに、酸化シリコンウエハーのような物質によく接着することが認められた。
【００６２】
不溶性ポリマー、セラミック酸化物（たとえばアルミナ）または酸化シリコンウエハーのような適当な物質から電極の配列を形成させる物質のブロックを作ることができる。好ましくは、該物質は酸化シリコンウエハーである。
【００６３】
適当な方法を用いてイリジウム電極の配列を作ることができる。好ましい態様では、電極の配列を下記工程を含む方法によって作る：
（ｉ）表面に二酸化シリコン層を有するシリコンウエハーを設け；
（ｉｉ）離間して配列をなしたイリジウムを二酸化シリコン表面に析出させ；そして
（ｉｉｉ）２００−５００℃の範囲の温度の空気中でイリジウムをアニールする。
【００６４】
典型的な方法では、シリコンウエハー上の二酸化シリコン層にポシティブ有機フォトレジストを適用する。適当なフォトマスクを通してフォトレジストを紫外線に暴露して、二酸化シリコンの領域を露出させる。電子ビームガンを用いて物質表面にイリジウム金属を析出させる。ついでフォトレジスト層を除いて電極の配列を露出させる。最後に、イリジウム電極を空気中でアニールしてウエハー表面に対する接着性を向上させる。典型的には、イリジウムを約３５０℃で１５分から３時間、好ましくは約１時間アニールする。
【００６５】
アニーリング工程はイリジウムの二酸化シリコンに対する接着性にとって重要である。イリジウムが２５４５℃の融点を有すると仮定すると、約３５０℃の温度におけるアニーリングの効果は驚くべきものである。５０ｎｍのイリジウム層の場合でさえも、アニールされた電極は鋼鉄のスクラペル刄によるスクラッチに耐え得ることが認められている。さらに、イリジウム電極は本発明の方法で用いることができる苛酷な化学的環境、高電位及び高電流に耐えることができる。
【００６６】
電極は０．５ｍｍ未満に離間した平行線の配列であるのが好ましい。電極は好ましくは、０．１−２００ミクロン、より好ましくは１−１００ミクロン、さらに好ましくは１０−６０ミクロンに離間している。
【００６７】
１つ以上の電極を対向電極として使用するのが好ましい。電気化学的に基板を処理する通常の方法とは対照的に、修正される基板は電極または対向電極を形成しないことが好ましい。したがって、本発明の方法はＷＯ９３／２２４８０に記載されている方法に類似することができる。さらに、処理される基板は電気絶縁面であることができる。
【００６８】
好ましい態様では、本発明はいくつかの処理を順次行う方法を提供する。したがって、配列の電極は、配列中の１つ以上の電極の選択された１組の電位を変えることによって各処理を行うように接続するのが好ましい。
【００６９】
好ましくは、本発明の方法において、処理される基板は固体表面に結合された物質を含む。固体表面は電極を有する表面であることができる。好ましくは、固体表面は電極近傍の異なる面である。活性レドックス生成物は固体に結合された物質の化学的修正を生じさせるために用いることができる。当業者は多くの活性レドックス生成物および対応する化学的修正を着想することができる。好ましい態様では、処理される基板は酸不安定性保護基を有する物質を含む。この好ましい態様では、電解質中で酸を生じる電位におけるアノードとして配列中の少なくとも１つの電極を接続することによって処理を行う。ついで、このように生じた酸はアノード近傍領域内の表面に結合された物質から酸不安定性保護基を除去する。
【００７０】
しかし、活性レドックス生成物が基板における種々の化学反応に関与し得ることは理解されよう。１つの潜在的用途はＳｃｈｕｓｔｅｒらがＳｃｉｅｎｃｅ，２０００，２８９，９６−１０１に述べた電気化学的微細加工技術にある。Ｓｃｈｕｓｔｅｒが述べたツールは、本発明による電解質を用い、レドックス生成物の拡散を防ぐために対向電極のリングでプローブチップを包囲することによって適応させることができる。このように、本発明は既存のナノスケールパターン化技術に適用することができる。たとえば、表面から少量の物質の除去を必要とするエッチングまたはナノ加工用に酸を用いることができる。
【００７１】
あるいはまた、酸によって促進させる有機又は無機反応に酸を関与させることもできる。当業者は本発明への使用に適するかもしれない極めて多くの潜在的反応を知っていよう。有機反応の例にはエポキシド開環、多重結合への付加、転位、置換（たとえば第三級アルコールのＳNＩ置換）、脱離、エノールの後続反応を伴うエノール生成、および有機酸塩の単純なプロトン付加がある。
【００７２】
同様に、活性レドックス生成物がハロゲンである場合には、ハロゲンを温和な酸化、基板の漂白またはハロゲン化に関与させることができる。活性レドクッス生成物はハライドイオンであることもでき、それを置換反応に用いることができる。
【００７３】
本発明の方法は、表面に結合された小さな有機化合物のライブラリの合成に用いることもできる（たとえばＳｃｈｒｅｉｂｅｒ，Ｓｃｉｅｎｃｅ ２０００，２８７，１９６４−１９６９参照）。小さな有機化合物のライブラリは薬剤発見の分野で重要である。本方法を適用できる反応の範囲はそれが該ライブラリの合成に最適であることを意味する。
【００７４】
好ましくは、オリゴヌクレオチド、多糖類およびタンパク質のようなオリゴマーの段階的化学合成に本発明の方法が用いられる。より好ましくは、本発明の方法はオリゴヌクレオチドの合成に用いられる。
【００７５】
１組のオリゴマーの合成法は下記：
（ａ）保護基を有する物質の配列、基板に接している電解質および基板近傍にあって電解質に接触している電極の配列を結合させた基板を設け；
（ｂ）選択された物質から保護基を除く活性レドックス生成物を生成させるように１つ以上の電極の電位を選択的に変え；
（ｃ）保護モノマーと工程（ｂ）で作った脱保護物質とをカップルさせ；そして
（ｄ）１組のオリゴマーを合成するように、工程（ｂ）の工程で選んだ１つ以上の電極を変えながら、工程（ｂ）および（ｃ）を繰り返し、
活性レドックス生成物が少なくとも他の１つのレドックス生成物によって消滅可能となるように電解質を選ぶことを特徴とした工程を含むことができる。
【００７６】
オリゴヌクレオチドの合成において前記の方法を用いる場合には、活性レドックス生成物が好ましくはプロトンで、保護基が好ましくはフラニルヒドロキシル基を保護するトリチルまたはジメトキシトリチル（ＤＭＴ）基のような酸不安定性保護基である。当業者にはＷＯ９３／２２４８０に記載されているようにこの方法がＤＮＡチップの連結合成に特に適していることが理解されよう。
【００７７】
前記の方法はペプチドの合成に用いることもできる。たとえば、アノードに生じたプロトンを用い、窒素原子から第三級ブチルオキシカルボニル（Ｂｏｃ）保護基の逐次除去によってペプチドを合成することができる。他のオリゴマーの合成も当業者には容易に明らかであろう。
【００７８】
図面を参照しながら本発明をさらに詳細に説明しよう。
図１について説明すると、電極の配列が高抵抗率の酸化シリコンウエハー（１）上に配置されており、その上面にイリジウム層が析出している。ポジティブレジスト写真平版法を用いシリコンウエハー上のイリジウム層中にギャップ（２）を形成させて、平行電極の配列（３）を得る。各電極及び各ギャップの幅は約４０ミクロンである。電極配列の上にシリコンウエハー（４）を置く。シリコンウエハーを修正して表面にＤＭＴ保護ヌクレオシドを存在させる。
【００７９】
図２について説明すると、電極の配列および基板の一部が示されている。中央の電極がアノードで他の２つの電極がカソードである。アセトニトリル中にベンゾキノンおよびヒドロキノンを含む電解質が電極および処理される基板と接触している。アノードにおいて、ヒドロキノンを酸化して、ベンゾキノンおよびプロトンを生成させる。大部分のプロトンはアノード近傍の基板領域に閉じ込められる。したがって、閉じ込められたプロトンは基板に結合された保護ヌクレオチド部分からＤＭＴ基を除去する。しかし、プロトンの一部はアノードとカソードとの間の帯域に拡散することができる。
【００８０】
カソードにおいて、ベンゾキノンの還元によってベンゾキノンラジカルアニオンが生成する。ベンゾキノンラジカルアニオンは比較的安定な種で、アノードとカソードとの間の帯域に拡散することができる。ベンゾキノンラジカルアニオンはこの帯域内に拡散しているプロトンを消滅させて、図示のようにヒドロキノン及びベンゾキノンを生成させる。したがって、拡散したプロトンはアノード近傍でない基板領域における反応を阻止する。電極間の領域においてプロトンが偶発的に反応するのを阻止することによって、パターン化された基板の分解能が改善される。
【００８１】
図２はまた基板の特定領域からの前記脱トリチル化に続く基板の次の処理をも示す。標準条件下で遊離ヒドロキシル基をアセチル化してＤＭＴ基の残部を除去する。得られた遊離ヒドロキシル基を蛍光染料（Ｃｙ５ ホスホルアミダイト）で処理し、共焦点検鏡法によって基板のイメージ化を可能にする。したがって、初期の脱トリチル化工程の分解能を好適に解析することができる。しかし、前記の方法論を用いて基板の選択された領域にオリゴマーを合成できることは容易に明らかであろう。
【００８２】
図３について説明すると、共焦点検鏡法を用いて、１．３３Ｖの一定電位における電解時間変動の影響を示す。この図において、明るい領域は、電解中にＤＭＴ基が除去されなかった基板領域の蛍光を示す。その後蛍光染料Ｃｙ５で残留ＤＭＴ基を置換させる。明るい領域は通常隣接カソードである。暗い領域は電解中にＤＭＴ基が除去された領域である。得られた遊離ヒドロキシル基を非蛍光性アセチル基でアセチル化する。暗い領域は通常隣接アノードである。
【００８３】
図３は、２．０ｓ後には、アノード隣接領域にはＤＭＴ基が完全に除去されることを示す。さらに、パターン化基板の分解能は８０ｓ後も変わらない。アノードおよびカソード近傍領域に該当するシャープに示された筋がある。これは長時間の電解後でさえも、電解中に生じたプロトンはアノード近傍領域に完全に閉じ込められていることを示す。
【００８４】
図４（ａ）および（ｂ）は電極の配列からのカソードの除去の著しい効果を示す。暗い領域はＤＭＴ基が除去された領域を示す。電極電位を１．３３Ｖに固定する。いったん中央のカソードを除去すると、アノードに生じたプロトンは中央領域内に自由に拡散することができる。これは明らかにアノーに生じたプロトンを消滅させることができる種を生成させるカソードを有するという閉じ込め効果を示す。
【００８５】
本発明の方法を下記の実施例でさらに詳細に説明する。
（実施例）
（実験の部）
（電極アセンブリ）
通常のポジティブレジスト写真平版法を用いて高抵抗率の酸化シリコンウエハー上にイリジウム金属（厚さ５０ｎｍ）電極を生成させた。酸化シリコンウエハーをポジティブフォトレジスト層で被覆しフォトマスクを通して紫外線に暴露した。ウエハーを脱イオン水で洗い、１００℃で２０分焼き、次いで反応性イオンエッチングで「脱スカム」した。長さ約７５００ミクロン、幅４０ミクロンの９６個の平行電極の配列を得るようにフォトマスクを選んだ。隣接電極間のギャップは約４０ミクロンであった。
【００８６】
電子ビーム法によってウエハー上にイリジウムを析出させた。イリジウム金属を真空蒸発器内のるつぼに入れ、２，３個のウエハーを真空蒸発器内のるつぼから約２０ｃｍのところに置いた。チャンバーを３×１０-6Ｔｏｒｒに排気し、５ｋＶで３００ｍＡにセットした電子ビームガンで金属を約３分間加熱することによってウエハーに５００ｎｍのイリジウムを被覆した。
【００８７】
ついでウエハーを超音波アセトン浴中に３０分間入れてフォトレジスト層を除き、こうして電極の配列を露出させた。空気中で電極を３５０℃で約１時間アニールして、ウエハー基板との接着力を高め、かつ反応性イオンエッチングで洗浄した。
【００８８】
加熱アニーリング及び洗浄工程後、各電極をそれぞれ超音波金線ボンディングによって印刷回路板に接続し、そこではディジタル制御化「アナログスイッチ」集積回路が一定の非ブロック化工程のために選んだ電極を活性化させる。多重独立操作性増幅器制御電圧源として電流を加えた。平行低ノイズ計装増幅器帰還回路は絶えず各電極においてナノアンプ精密電流を測定した。この操作のためにとくにプログラムされたコンピューターがすべての電圧、タイミング、及び電極切替ならびに収集した電流測定データを制御した。
【００８９】
（固体支持体アセンブリ）
研磨した二酸化シリコンウエハーをパターン化した基板支持体として使用した。電気化学的パターン化に先立って、ウエハー表面をリンカー分子で機能化して、有機試薬を結合させた（Ｇｒａｙ，Ｄ．Ｅ．，ＣａｓｅＧｒｅｅｎ，Ｓ．Ｃ．，Ｆｅｌｌ，Ｔ．Ｓ．，Ｄｏｂｓｏｎ，Ｐ．Ｊ．＆Ｓｏｕｔｈｅｒｎ，Ｅ．Ｍ．Ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｉｃ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＤＮＡ ｐｒｏｂｅｓ ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄ ｏｎ ａ ｃｏｍｂｉｎａｔｏｒｉａｌ ａｒｒａｙ．Ｌａｎｇｍｕｉｒ １３，２８３３−２８４２（１９９７））。ウエハーを５ｍｌのグリシドオキシプロピルトリメトキシシラン含有アンプルとともに、容積が１９．１ｌの真空炉のチャンバーに入れた。炉を１８５℃に加熱した後、アンプルを２０５℃に加熱して、チャンバーを２５−３０ｍＢａｒに脱気した。約２．５ｍｌのシランの蒸発後、チャンバーを減圧下（１０-3Ｔｏｒｒ）で冷却した。グリシドオキシプロピルトリメトキシシラン誘導ウエハーを微量硫酸含有ポリエチレングリコール１００％溶液中に浸せきすることによって「リンカー分子」を結合させた。ついで通常のオリゴヌクレオチド合成法により、ＤＭＴ含有ホスホルアミダイトをポリエチレングリコールの遊離ヒドロキシルに共有結合させた（Ｂｅａｕｃａｇｅ，Ｓ．Ｌ．＆Ｉｙｅｒ，Ｒ．Ｐ．Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｏｌｉｇｏｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅｓ ｂｙ ｔｈｅ Ｐｈｏｓｐｈｏｒａｍｉｄｉｔｅ Ａｐｐｒｏａｃｈ．Ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ ４８，２２２３−２３１１（１９９２））。このように調製したウエハー基板をパターン化に使用するために１ｃｍ平方に切断した。
【００９０】
（実施例１）
電極の配列（前記のように調製）を固体支持体から２０ミクロン離れた距離に置いた。固体支持体を前記のように調製して、チミジンホスホルアミダイトをポリエチレングリコールリンカー分子に結合させた。チミジンホスホルアミダイトはＤＭＴ基によって５’−ヒドロキシル基を保護した。
【００９１】
電解質溶液（２５ｍＭ ヒドロキノン／２５ｍＭ キノン／２５ｍＭ テトラブチルアンモニウムヘキサフルオロホスフェートの無水アセトニトリル溶液）を電極の配列と固体支持体との間のキャビティに導入した。ついで選択されたアノードをカソードに対して１．３３Ｖにセットして、図３に示すように、電圧を２から８０ｓ維持した。
【００９２】
電解後に、シリコンウエハーをアセトニトリルで洗い、標準法を用いて無水酢酸でアセチル化した。この工程で、露出したヒドロキシ基を有するシリコンウエハーのＤＭＴ脱保護部分のみをアセチル化した。
【００９３】
ついで基板全体をジクロロ酢酸のジクロロメタン溶液で処理することによって、電気化学的工程で除去されなかったＤＭＴ基を除去した。こうして露出したヒドロキシル基を、標準のホスホルアミデイトカップリング法を用いて蛍光染料Ｃｙ５にカップルさせ、その結果共焦点検鏡法でＣｙ５の蛍光を観察することによって、酸の電気化学的生成によって生じたパターンを明らかにした。この工程順序を図２に示す。
【００９４】
図３は１．３３Ｖにおける電解時間増大の影響を示す。約２．０ｓ後、いったん最大帯域幅に達すると、電解８０．０ｓ後でさえも、基板の分解能は維持される。
（実施例２）
さきに述べた通りに実施例１を正確に繰り返したが、ただし選択されたアノードにおいては１．３３Ｖの電圧を１６ｓ維持した。図４（ａ）および（ｂ）に示したように、カソード除去の著しい効果を調べた。中央のカソードを除いた場合には、拡散したプロトンの制御がない。拡散したプロトンは中央領域になだれ込むことができ、アノード周囲に局在化しない。これは、図４（ｂ）の蛍光基を含まない中央の暗い領域によって実証される。
【００９５】
（実施例３）
固体支持体上の１７量体オリゴマーの合成において、電気化学的に制御されたＤＭＴ脱保護１６工程とともに、実施例１に述べた一般的方法を使用した。使用法は実施例１と同じであったが、ただし電極の配列は基板表面から４０ミクロン離れた距離に置いた。
【００９６】
ジメトキシトリチル（ＤＭＴ）保護デオキシアデノシン（ｄＡ）残基の均一被覆を、標準ホスホルアラミダイトカップリング化学を用いて固体支持体上のポリエチレングリコールリンカー基にカップルさせた。
【００９７】
アセトニトリルによる徹底的な洗浄後、実施例１に用いた電解質を電極の配列と固体支持体との間のキャビティに導入した。選択されたアノードに１．３３Ｖの電位を９ｓ加えて、その近傍のＤＭＴ基を除去した。２つのカソードによって該アノードの側面を包囲させた。
【００９８】
アセトニトリルによるなお一層の洗浄に続いて、標準ホスホルアラミドカップリング法を用いて、ＤＭＴ保護ヌクレオチド残基を露出ヒドロキシル基にカップルさせた。得られた三価のリン結合をヨウ素で酸化して五価のリン結合を得、さらにシリコンウエハー全体をアセトニトリルに続いてジクロロメタンで洗った。固体支持体上のオリゴヌクレオチドの合成に用いた標準のカップリング及び酸化工程は当該分野では周知である（たとえばＡＢＩ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ Ｍａｎｕａｌ，Ｓｅｃｔｉｏｎ ２：“Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｆｏｒ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ ＤＮＡ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ”参照）。
【００９９】
ホスホルアミダイトカップリング工程に導入したＤＭＴ保護ヌクレオチド残基を変えて、この方法を繰り返した。このようにして、固体支持体上にオリゴヌクレオチドを合成した。
【０１００】
２種の１７量体オリゴヌクレオチド：野生型“Ａ”ヒトのヘモグロビンｍＲＮＡおよび対応する“Ｓ”型鎌型赤血球変位体ｍＲＮＡの合成において、適切にプログラムされたコンピューターにより制御された自動装置でこの方法を使用した。１７量体は固体支持体の一定のストリップ上にすぐれた収率で形成された。ＷＯ９３／２２４８０に記載されているように、この方法がＤＮＡチップの連結合成に使用可能なことは当業者には容易に理解されよう。
【０１０１】
いうまでもなく本発明は実施例によって述べただけであり、細部の変更が本発明の範囲内に入ることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】図１は本発明の方法を実施するのに適当な装置を示した図である。
【図２】図２は基板の選択された領域の修正可能な方法を図示した図である。
【図３】図３は電解時間を変動させる効果を示した図である。
【図４】図４は電極の配列からカソードを除去する効果を示した図である。[0001]
The present invention relates to substrate processing using electrochemical methods. More particularly, the present invention relates to a method for chemically modifying a substrate using an electrochemical method.
Many devices require a pattern of specific material on the surface. A semiconductor chip is a well-known example of the device. A very recent example of the device is a DNA chip, which contains a sequence of oligonucleotides bound to a solid surface (G. Ramsay,Nature Biotechnology1998, vol. 16, 40-44).
[0002]
The nature of the device depends on the nature and pattern of the material on the surface. Furthermore, improvements to existing devices are accelerated on the one hand by miniaturization requirements and on the other hand by the desire for new types of surfaces that combine chemical and physical characteristics. Accordingly, there is a continuing need for new methods of processing devices that require patterns on the surface.
[0003]
There are several ways to treat a specific area of the surface. One method uses photolithography technology. A specific area of the surface is covered with a photolithographic mask and the exposed area is corrected by exposure to ultraviolet light. This method is widely used in the manufacture of semiconductors, and an opening is formed on the surface of a semiconductor wafer coated with a photosensitive compound.
[0004]
The photolithographic method is also used in the production of DNA chips. In this method, an oligonucleotide having a photolabile protecting group is attached to a solid surface. The surface area is covered with a photolithographic mask, and the exposed area of the surface is irradiated with ultraviolet rays. Thus, photolabile protecting groups can be removed from exposed areas of the surface (G. Ramsay,Nature Biotechnology1998, vol. 16, 40-44).
[0005]
WO 93/22480 describes a surface treatment method using an electrochemical method. In this method, an array of electrolyte covering the surface and electrodes near the surface is provided. By changing the potential of one or more electrodes in the array, the surface near the one or more electrodes can be modified. The electrolyte used is an acetonitrile solution of triethylamine and sulfuric acid.
[0006]
U.S. Pat. No. 6,093,302 describes an electrochemical method of placing material at a specific location on a substrate. This material is generated at the electrode and usually reacts with the material in the vicinity of the electrode. The use of a buffer or capture solution is described. The buffer or capture solution is for improving the solubility of the substrate to be treated by reaction with a reagent leaving the immediate vicinity of the electrode. However, a bulk solution containing a buffer or a trapping substance has a drawback in that it captures not only the reagent that diffuses away from the specific electrode, but also the reagent to be reacted on the substrate in the vicinity of the specific electrode.
[0007]
Schuster et al.Science, 2000,28998-101 describe other methods for improving the solubility of electrochemical methods for treating surfaces. Schuster uses a complex sequence of current pulses to limit the diffusion time.
[0008]
It is an object of the present invention to provide an improved method of modifying a substrate using electrochemical means. In particular, it is an object of the present invention to provide a method for correcting a substrate with excellent dissolution ability.
Accordingly, the present invention is a method for controlling the diffusion of a first redox product produced by a first electrode, wherein a second redox product is produced by a second electrode in the vicinity of the first electrode, A method is provided wherein the second electrode is in contact with an electrolyte, wherein the electrolyte is such that the first redox product can be extinguished by the second redox product.
[0009]
Preferably, the second electrode is a counter electrode.
Preferably, the first redox product is an active redox product and can be used to modify the substrate near the electrode.
[0010]
Accordingly, in another aspect, the present invention is a method of treating a substrate, the method comprising an electrolyte in contact with the substrate and one or more electrodes in proximity to and in contact with the substrate, and at least one Changing the potential of at least one electrode to produce an active redox product that modifies a substrate in the vicinity of one electrode such that the electrolyte can be extinguished by the second redox product. Provided is a method characterized by
[0011]
Expirable means that the second redox product can react with the first redox product to modify its reactivity, so that the first redox product does not react in the same way as the original shape. Means. When the first redox product is an active redox product, the reaction of the active redox product with the second redox product prevents the active redox product from modifying the substrate. For example, if the active redox product is an acid, the second redox product can be a base. The reaction between the acid and the base causes the acid to disappear, preventing it from modifying the substrate.
[0012]
In preferred embodiments, the quenching reaction regenerates one or more substances in the electrolyte.
By active redox product is meant an oxidation or reduction product that can modify the substrate. The active redox product can be produced directly by oxidation or reduction of substances in the electrolyte. Alternatively, the active redox product can be generated indirectly by one or more subsequent reactions with other substances in the electrolyte following oxidation or reduction of the substance in the electrolyte.
[0013]
Usually, an active redox product is formed on the electrode surface. The active redox product can then modify the nearby substrate. Acid is a preferred example of an active redox product. The acid can participate in many types of reactions on the substrate, such as elimination, substitution, rearrangement and chemical etching. Preferably, when the active redox product is an acid, the acid is used to remove the acid labile protecting group from the substrate.
[0014]
Acid labile protecting groups are well known to those skilled in the art and include, for example, acetals (eg, methoxymethyl, methylthiomethyl, (2-methoxyethoxy) methyl, benzoyloxymethyl, β- (trimethylsilyl) ethoxymethyl, tetrahydropyranyl, Benzylidene, isopropylidene, cyclohexylidene, cyclopentylidene), esters (eg, benzoyl, benzoyloxycarbonyl, tertiary butoxycarbonyl), ethers (eg, trityl, dimethoxytrityl, tertiary butyl) and silyl ethers ( For example, tertiary butyldimethylsilyl, trimethylsilyl, triethylsilyl). Preferably, the acid labile protecting group is trityl or dimethoxytrityl (DMT) ether, which are the protecting groups commonly used in the synthesis of oligonucleotides.
[0015]
Similarly, the active redox product can be a base. The base can participate in various reactions on the substrate. For example, a base can be used to remove a base labile protecting group.
[0016]
Base labile protecting groups are well known to those skilled in the art and include, for example, 9-fluorenylmethoxycarbonyl (Fmoc) and cyanoethyl groups.
A radical is another example of an active redox product. Radicals can be used to initiate radical reactions on the substrate. Electrochemical methods for generating radicals are well known to those skilled in the art. One commonly used method for generating radicals electrochemically is the oxidation of carboxylate anions.
[0017]
Halogen is another example of an active redox product. Halogen can be used, for example, for the oxidation reaction or addition reaction on the substrate. Halogen can be generated electrochemically by oxidation of the corresponding halide ion.
[0018]
These and other examples of active redox products will be readily apparent to those skilled in the art.
The method of the present invention is used to process a substrate. As used herein, the term substrate refers to any material that can be modified by an active redox product in proximity to an electrode. The substrate can be separated from the electrode, in which case the substrate is placed in the vicinity of the electrode and then separated from the vicinity of the electrode after completion of the redox reaction. Alternatively, the substrate can be bonded to the electrode itself or to the same surface as the electrode. If necessary, after the redox reaction is performed, the substrate can be peeled off from the electrode or the same surface.
[0019]
Thus, in one aspect, the substrate is a surface of a material that is separated from and proximate to the electrode. Thus, the substrate can be the surface of glass, plastic, solid fiber matrix, metal, semiconductor or gel material. The surface of this material can be modified directly by a redox reaction. Further, in this embodiment, the surface of the substance can be bound with the substance. For example, the organic compound can be bound (and optionally peeled off) to the material surface by known methods. In this way, the substance bound to the surface of the substance can be modified by a redox reaction.
[0020]
In other embodiments, the substrate is a substance bound to the same surface as the electrode or to the electrode itself by a linker group. U.S. Pat. No. 6,093,302 describes the latter of this assembly, i.e., the substrate is attached to the electrode by a linker group.
[0021]
The method of the present invention is similar to the method described in WO 93/22480. However, the method of the present invention differs in the choice of electrolyte. WO 93/2240 uses an electrolyte which is an acetonitrile solution of trimethylamine and sulfuric acid. The present invention uses an electrolyte in which the active redox product can be extinguished by at least one other redox product. The advantage of this electrolyte is that the active redox product can be accurately confined to the region that rapidly surrounds the electrode that produced the electrolyte.
[0022]
In the method described in WO93 / 22480, acid confinement in a specific region is controlled by variation in electrode potential. However, the present inventors have found that when the electrolyte is an acetonitrile solution of triethylamine and sulfuric acid, the acid is not confined after long-time electrolysis. Insufficient acid confinement results in inadequate solubility of the substrate being processed. For example, protons diffusing away from the immediate vicinity of the anode can react on the substrate in the zone between the electrodes. Such accidental reaction of diffused protons is undesirable from the standpoint of obtaining a high resolution patterned substrate. By choosing an electrolyte according to the present invention, the problems of prior art electrolytes can be avoided. It is an important feature of the present invention to select the electrolyte so that the active redox product can be extinguished by at least one other redox product.
[0023]
Those skilled in the art are aware of many examples of electrolytes that produce active redox products that can be extinguished by other redox products.
Examples of such electrolytes are I-And SFourO6 2-It is a combination. Iodine oxidation at the anode produces iodine (an active redox product), while S at the cathode.FourO6 2-Reduction of S2OThree 2-Which can extinguish iodine produced at the anode. The reaction in the electrolyte can be expressed as:
anode:
[0024]
[Chemical 1]
Figure 2005502032
[0025]
Cathode:
[0026]
[Chemical formula 2]
Figure 2005502032
[0027]
The disappearance of iodine by the reaction:
[0028]
[Chemical 3]
Figure 2005502032
[0029]
Preferably, the active redox product is an acid and the annihilation redox product is an anion, preferably an organic radical anion. Usually, the acid is generated at the anode by oxidation of an alcohol (which can be any aliphatic or aromatic alcohol). In the electrolyte, the disappearing anion is usually generated at the cathode by reduction of a suitable substance. Many materials are reduced at the cathode to produce anions, which can extinguish the acid produced at the anode. For example, dissolved molecular oxygen is reduced at the cathode, thereby causing O2 -And / or O2 2-Can be generated.
[0030]
An example of an electrolyte that produces a suitable redox product is a combination of a ketone and the corresponding alcohol. Alcohol oxidation at the anode produces protons (active redox products), while reduction of the ketone at the cathode produces radical anions that can extinguish the protons produced at the anode.
[0031]
The reaction in the electrolyte can be expressed as:
anode:
[0032]
[Formula 4]
Figure 2005502032
[0033]
Cathode:
[0034]
[Chemical formula 5]
Figure 2005502032
[0035]
Where R1And R2Are independently optionally substituted C1Or C15Selected from hydrocarbyl, wherein up to 3 C atoms can be replaced by N, O and / or S atoms; or R1And R2Is optionally replaced with C1Or C15Forms cyclohydrocarbylene, wherein up to 3 C atoms can be optionally substituted with N, O and / or S atoms.
[0036]
Preferably R1And R2Are independently optionally substituted C1-8Alkyl, C3-8Selected from cycloalkyl or phenyl groups.
The term “hydrocarbyl” is used herein to refer to a monovalent group consisting of carbon and hydrogen. Thus, hydrocarbyl groups include alkyl, alkenyl and alkynyl groups (both linear and branched), cycloalkyl (including polycycloalkyl), cycloalkenyl and aryl groups, and alkylcycloalkyl, alkylpolycycloalkyl, alkylaryl, Such conjugations as alkenyl aryl, alkynyl aryl, cycloalkyl reel and cycloalkenyl aryl groups are included.
[0037]
The term “hydrocarbylene” is used herein to refer to a divalent group consisting of carbon and hydrogen. Thus, cyclohydrocarbylene groups include cycloalkylene, cycloalkenylene and arylene groups.
[0038]
The term “aryl” is used herein to refer to an aromatic group such as phenyl, naphthyl or anthracyl. Alternatively, when the aryl group has a carbon atom substituted with O, N and / or S, the term aryl is as pyridyl, pyrrolyl, thienyl, furanyl, imidazolyl, triazolyl, quinolinyl, isoquinolinyl, oxazolyl or isoxazolyl. A heterocyclic aromatic group.
[0039]
When any substituent is referred to herein, the substituent is preferably C1Or C6Alkyl, C1Or C6Alkoxy, thio, C1Or C6Alkylthio, carboxy, carboxy (C1Or C6) Alkyl, formyl, C1Or C6Alkylcarbonyl, C1Or C6Alkylcarbonylalkoxy, nitro, trihalomethyl, hydroxy, C1Or C6Alkyl hydroxy, hydroxy (C1Or C6) Alkyl, amino, C1Or C6Alkylamino, di (C1Or C6Alkyl) amino, aminocarboxy, C1Or C6Alkylaminocarboxy, di (C1Or C6Alkyl) aminocarboxy, aminocarboxy (C1Or6) Alkyl, C1Or C6Alkylaminocarboxy (C1Or C6) Alkyl, di (C1Or C6Alkyl) aminocarboxy (C1Or C6) Alkyl, C1Or C6Alkylcarbonylamino, CFiveOr C8Cycloalkyl, CFiveOr C8Cycloalkyl (C1Or C6) Alkyl, C1Or C6Alkylcarbonyl (C1Or C6Alkyl) amino, halo, C1Or C6Selected from alkylhalo, sulfamoyl, tetrazoyl and cyano.
[0040]
As used herein, “halo” or “halogen” refers to iodine, bromine, chlorine or fluorine.
To change the redox properties of the electrolyte, R1And R2The nature of can be changed. For example, R1And R2Introduction of substituents into can change the potential at which oxidation or reduction occurs.
[0041]
Preferred examples of ketone / alcohol electrolytes are 2-propanone / isopropanol and benzophenone / benzhydrol in suitable organic solvents.
Other examples of suitable electrolytes are benzoquinone / hydroquinone and their derivatives. The electrolyte can be a combination of:
[0042]
[Chemical 6]
Figure 2005502032
[0043]
Where RThree, RFour, RFiveAnd R6Is independently selected from:
Hydrogen, halo, nitro, hydroxyl, thio, nitro, amino, optionally substituted C1Or C15Hydrocarbyl (wherein up to 3 C atoms can optionally be replaced by N, O and / or S atoms); or
RThreeAnd RFourAnd / or RFiveAnd R6Is optionally replaced with C1Or C15Cyclohydrocarbylene is formed, wherein up to 3 C atoms can be substituted with N, O and / or S atoms.
[0044]
Preferably RThree, RFour, RFiveAnd R6Is hydrogen, optionally substituted C1-8Independently selected from alkyl or RThree/ RFourAnd RFive/ R6Are optionally substituted C such as phenyleneFive-C12An arylene group is formed.
[0045]
To change the redox properties of the electrolyte, for example to change the exact potential at which oxidation or reduction occurs, RThree, RFour, RFiveAnd R6The nature of can be changed. Preferred examples of electrolytes based on benzoquinone / hydroquinone derivatives are anthraquinone / anthraquinol and duroquinone / duroquinol in a suitable solvent.
[0046]
In a preferred embodiment, the electrolyte comprises a mixture of benzoquinone and hydroquinone in acetonitrile. This mixture yields an active redox product that is hydrogen ions. Hydrogen ions (protons) can be extinguished by the benzoquinone radical anion.
[0047]
Specifically, hydroquinone is oxidized at the anode to produce benzoquinone and protons:
[0048]
[Chemical 7]
Figure 2005502032
[0049]
Most of the protons liberated by the oxidation of hydroquinone are localized at the anode and can modify the nearby substrate. For example, protons can deprotect substrates having acid labile protecting groups.
[0050]
Benzoquinone is reduced at the cathode to produce a benzoquinone radical anion:
[0051]
[Chemical 8]
Figure 2005502032
[0052]
The benzoquinone radical anion is a relatively stable species in solvents such as acetonitrile. This radical anion extinguishes incidental protons that desorb from the immediate vicinity of the anode by the following reaction:
[0053]
[Chemical 9]
Figure 2005502032
[0054]
In this way, the solubility of the substrate region to be treated can be improved by localizing the active redox product produced at the electrode, for example the proton produced at the anode.
[0055]
The electrolyte used in the present invention may contain a suitable solvent such as water, THF (tetrahydrofuran), methanol, ethanol, DMF (dimethylformamide), dichloromethane, diethyl ether, DMSO (dimethylsulfoxide) or acetonitrile. One skilled in the art will appreciate that the choice of solvent can affect the kinetics or equilibrium of the redox and / or quenching reactions at the electrode. Solvents can affect the reactivity of dissolved species, such as complex formation, hydrogen bonding, dipole interactions, or charge delocalization. Preferably, the solvent is an aprotic solvent capable of stabilizing radical anions. Examples of aprotic solvents are dichloromethane, DMF, DMSO, acetonitrile and THF. More preferably, the solvent is acetonitrile.
[0056]
In a preferred embodiment, the electrolyte further includes a conductivity improver. The conductivity improver is a substance that increases the conductivity of the electrolyte. It is desirable to increase the conductivity of the electrolyte so that electrolysis can be carried out at a lower voltage than when no conductivity improver is present. An ionic substance that is soluble in the electrolyte is suitable for this purpose. For example, if the electrolyte includes an organic solvent such as acetonitrile, a suitable conductivity improver may be a tetra (C1-8Alkyl) ammonium salts.
[0057]
Those skilled in the art will appreciate that salts in the electrolyte can have effects other than merely increasing the conductivity of the electrolyte. The salt can affect the kinetics or equilibrium of the annihilation and / or redox reaction at the electrode. It is known that the presence of salt affects the electrostatic interaction between charged species in solution. Conversely, this can affect reactivity. For example, when the electrolyte is a hydroquinone / benzoquinone acetonitrile solution, the addition of tetrabutylammonium hexafluorophosphate has been found to not only modify the degree of extinction but also increase the conductivity.
[0058]
The process according to the invention can be carried out using an apparatus as described in WO 93/22480. The device described in WO 93/22480 includes an array of electrodes spaced on an insulating surface. The electrodes are platinum deposits with electrical connection means to change the potential.
[0059]
However, it has been found that the method of the present invention is preferably performed using an iridium electrode. Accordingly, the present invention comprises a block of electrically insulating material having a surface and iridium precipitates spaced apart on the surface, each deposit comprising an electrical connection means for changing the potential. An array of electrodes suitable for use in the method described in the specification is provided.
[0060]
The advantage of using iridium is that it is highly conductive and chemically inert. Furthermore, iridium does not degrade at the high potentials that can be performed using the method of the present invention. Conventionally, platinum has been used as an electrode material. However, it has been observed that platinum does not adhere well to materials such as silicon wafers, especially at high electrode potentials. The internal annihilation reaction described herein allows long-term use of a high electrode potential without significant loss of solubility in the substrate being processed. The use of a high electrode potential required electrode design changes.
[0061]
Many metals including aluminum, silver and gold were tested for suitability as electrodes. Surprisingly, however, the inventors have recognized that iridium is the best material excellent as an electrode. Iridium was found to adhere well to materials such as silicon oxide wafers without degradation during electrolysis.
[0062]
A block of material can be made from an appropriate material such as an insoluble polymer, ceramic oxide (eg, alumina) or silicon oxide wafer to form an array of electrodes. Preferably, the material is a silicon oxide wafer.
[0063]
An array of iridium electrodes can be made using any suitable method. In a preferred embodiment, the electrode array is made by a method comprising the following steps:
(I) providing a silicon wafer having a silicon dioxide layer on the surface;
(Ii) depositing spaced apart iridium on the silicon dioxide surface; and
(Iii) annealing iridium in air at a temperature in the range of 200-500 ° C.
[0064]
In a typical method, a positive organic photoresist is applied to a silicon dioxide layer on a silicon wafer. The photoresist is exposed to UV light through a suitable photomask to expose the silicon dioxide region. Iridium metal is deposited on the material surface using an electron beam gun. The electrode array is then exposed except for the photoresist layer. Finally, the iridium electrode is annealed in air to improve adhesion to the wafer surface. Typically, iridium is annealed at about 350 ° C. for 15 minutes to 3 hours, preferably about 1 hour.
[0065]
The annealing process is important for the adhesion of iridium to silicon dioxide. Assuming that iridium has a melting point of 2545 ° C., the effect of annealing at a temperature of about 350 ° C. is surprising. It has been observed that even in the case of a 50 nm iridium layer, the annealed electrode can withstand scratching by a steel scrampel. Furthermore, the iridium electrode can withstand the harsh chemical environment, high potential and high current that can be used in the method of the present invention.
[0066]
The electrodes are preferably an array of parallel lines spaced less than 0.5 mm. The electrodes are preferably spaced 0.1-200 microns, more preferably 1-100 microns, and even more preferably 10-60 microns.
[0067]
One or more electrodes are preferably used as the counter electrode. In contrast to the usual methods of electrochemically treating a substrate, the substrate to be modified preferably does not form an electrode or counter electrode. Therefore, the method of the present invention can be similar to the method described in WO93 / 22480. Furthermore, the substrate to be processed can be an electrically insulating surface.
[0068]
In a preferred embodiment, the present invention provides a method for performing several processes sequentially. Accordingly, the electrodes of the array are preferably connected to perform each treatment by changing a selected set of potentials of one or more electrodes in the array.
[0069]
Preferably, in the method of the invention, the substrate to be treated comprises a substance bound to a solid surface. The solid surface can be a surface with electrodes. Preferably, the solid surface is a different surface near the electrode. The active redox product can be used to cause chemical modification of the material bound to the solid. One skilled in the art can envision many active redox products and corresponding chemical modifications. In a preferred embodiment, the substrate to be treated comprises a material having an acid labile protecting group. In this preferred embodiment, the treatment is performed by connecting at least one electrode in the array as an anode at a potential that produces acid in the electrolyte. The acid thus generated then removes the acid labile protecting group from the material bound to the surface in the region near the anode.
[0070]
However, it will be understood that the active redox product can participate in various chemical reactions on the substrate. One potential use is by Schuster et al.Science, 2000,289, 96-101. The tool described by Schuster can be adapted using the electrolyte according to the present invention and surrounding the probe tip with a ring of counter electrodes to prevent diffusion of the redox product. Thus, the present invention can be applied to existing nanoscale patterning technology. For example, acids can be used for etching or nanofabrication that requires the removal of a small amount of material from the surface.
[0071]
Alternatively, the acid can be involved in an organic or inorganic reaction promoted by the acid. Those skilled in the art will be aware of the numerous potential reactions that may be suitable for use in the present invention. Examples of organic reactions include epoxide ring opening, addition to multiple bonds, rearrangement, substitution (eg tertiary alcohol SNI substitution), elimination, enol formation with subsequent enol reaction, and simple protonation of organic acid salts.
[0072]
Similarly, if the active redox product is a halogen, the halogen can be involved in mild oxidation, substrate bleaching or halogenation. The active redox product can also be a halide ion, which can be used in the substitution reaction.
[0073]
The methods of the invention can also be used to synthesize libraries of small organic compounds bound to a surface (eg, Schreiber,Science  2000,287, 1964-1969). Small organic compound libraries are important in the field of drug discovery. The range of reactions to which this method can be applied means that it is optimal for the synthesis of the library.
[0074]
Preferably, the method of the invention is used for the stepwise chemical synthesis of oligomers such as oligonucleotides, polysaccharides and proteins. More preferably, the method of the invention is used for the synthesis of oligonucleotides.
[0075]
A method for synthesizing a set of oligomers is as follows:
(A) providing a substrate to which an array of substances having a protecting group, an electrolyte in contact with the substrate, and an electrode in the vicinity of the substrate and in contact with the electrolyte are combined;
(B) selectively altering the potential of one or more electrodes to produce an active redox product that removes the protecting group from the selected material;
(C) coupling the protecting monomer with the deprotecting material made in step (b); and
(D) repeating steps (b) and (c), changing one or more electrodes selected in step (b) to synthesize one set of oligomers,
A step characterized by selecting an electrolyte such that the active redox product can be extinguished by at least one other redox product.
[0076]
When using the above method in the synthesis of the oligonucleotide, the active redox product is preferably a proton and the acid labile, such as a trityl or dimethoxytrityl (DMT) group, preferably protecting the furanyl hydroxyl group Protecting group. One skilled in the art will appreciate that this method is particularly suitable for ligated synthesis of DNA chips, as described in WO 93/22480.
[0077]
The above methods can also be used for peptide synthesis. For example, peptides can be synthesized by sequential removal of tertiary butyloxycarbonyl (Boc) protecting groups from nitrogen atoms using protons generated at the anode. The synthesis of other oligomers will be readily apparent to those skilled in the art.
[0078]
The invention will be described in more detail with reference to the drawings.
Referring to FIG. 1, an electrode array is disposed on a silicon oxide wafer (1) having a high resistivity, and an iridium layer is deposited on the upper surface thereof. A gap (2) is formed in the iridium layer on the silicon wafer using a positive resist photolithographic method to obtain an array (3) of parallel electrodes. The width of each electrode and each gap is about 40 microns. A silicon wafer (4) is placed on the electrode array. The silicon wafer is modified so that DMT protected nucleosides are present on the surface.
[0079]
Referring to FIG. 2, the arrangement of electrodes and a portion of the substrate are shown. The central electrode is the anode and the other two electrodes are the cathode. An electrolyte comprising benzoquinone and hydroquinone in acetonitrile is in contact with the electrode and the substrate to be treated. At the anode, hydroquinone is oxidized to produce benzoquinone and protons. Most protons are confined in the substrate region near the anode. Thus, the trapped proton removes the DMT group from the protected nucleotide moiety bound to the substrate. However, some of the protons can diffuse into the zone between the anode and cathode.
[0080]
At the cathode, benzoquinone radical anions are generated by reduction of benzoquinone. The benzoquinone radical anion is a relatively stable species and can diffuse into the zone between the anode and the cathode. The benzoquinone radical anion extinguishes the protons diffusing in this zone and produces hydroquinone and benzoquinone as shown. Thus, the diffused protons prevent reaction in the substrate region that is not near the anode. By preventing accidental reaction of protons in the region between the electrodes, the resolution of the patterned substrate is improved.
[0081]
FIG. 2 also shows the next processing of the substrate following said detritylation from a specific area of the substrate. The free hydroxyl group is acetylated under standard conditions to remove the remainder of the DMT group. The resulting free hydroxyl group is treated with a fluorescent dye (Cy5 phosphoramidite) to allow imaging of the substrate by confocal microscopy. Therefore, the resolution of the initial detritylation process can be suitably analyzed. However, it will be readily apparent that oligomers can be synthesized in selected regions of the substrate using the methodology described above.
[0082]
Referring to FIG. 3, the effect of electrolysis time variation at a constant potential of 1.33 V is shown using confocal microscopy. In this figure, the bright area shows the fluorescence of the substrate area where the DMT group was not removed during electrolysis. Thereafter, the residual DMT group is substituted with the fluorescent dye Cy5. The bright areas are usually adjacent cathodes. The dark area is the area where the DMT group has been removed during electrolysis. The resulting free hydroxyl group is acetylated with a non-fluorescent acetyl group. The dark areas are usually adjacent anodes.
[0083]
FIG. 3 shows that after 2.0 s, the DMT group is completely removed in the anode adjacent region. Furthermore, the resolution of the patterned substrate remains unchanged after 80s. There are sharply shown streaks that correspond to the areas near the anode and cathode. This indicates that even after prolonged electrolysis, protons generated during electrolysis are completely confined in the region near the anode.
[0084]
Figures 4 (a) and (b) show the significant effect of removing the cathode from the array of electrodes. The dark area indicates the area where the DMT group has been removed. The electrode potential is fixed at 1.33V. Once the central cathode is removed, protons generated at the anode are free to diffuse into the central region. This clearly shows the confinement effect of having a cathode that produces a species that can annihilate protons generated in the ano.
[0085]
The method of the present invention is described in further detail in the following examples.
(Example)
(Experimental part)
(Electrode assembly)
An iridium metal (thickness 50 nm) electrode was formed on a high resistivity silicon oxide wafer using a normal positive resist photolithography method. A silicon oxide wafer was coated with a positive photoresist layer and exposed to UV light through a photomask. The wafer was washed with deionized water, baked at 100 ° C. for 20 minutes, and then “de-scummed” by reactive ion etching. The photomask was chosen to obtain an array of 96 parallel electrodes approximately 7500 microns long and 40 microns wide. The gap between adjacent electrodes was about 40 microns.
[0086]
Iridium was deposited on the wafer by the electron beam method. Iridium metal was placed in the crucible in the vacuum evaporator and a few wafers were placed about 20 cm from the crucible in the vacuum evaporator. 3 × 10 chamber-6The wafer was coated with 500 nm iridium by evacuating to Torr and heating the metal with an electron beam gun set to 300 mA at 5 kV for about 3 minutes.
[0087]
The wafer was then placed in an ultrasonic acetone bath for 30 minutes to remove the photoresist layer, thus exposing the array of electrodes. The electrode was annealed in air at 350 ° C. for about 1 hour to increase the adhesion with the wafer substrate and was cleaned by reactive ion etching.
[0088]
After heating annealing and cleaning process, each electrode is connected to printed circuit board by ultrasonic gold wire bonding, where digitally controlled “analog switch” integrated circuit activates selected electrode for certain deblocking process Make it. Current was applied as a multiple independent operability amplifier control voltage source. The parallel low noise instrumentation amplifier feedback circuit constantly measured the nanoamp precision current at each electrode. A computer specially programmed for this operation controlled all voltage, timing, and electrode switching and collected current measurement data.
[0089]
(Solid support assembly)
A polished silicon dioxide wafer was used as a patterned substrate support. Prior to electrochemical patterning, the wafer surface was functionalized with linker molecules to bind organic reagents (Gray, DE, CaseGreen, SC, Fell, TS, Dobson, P J. & Southern, EM Ellipsometric and interferometric char- acterization of DNA probes on a combinatorial array.Langmuir  13, 2833-2842 (1997)). The wafer was placed in a vacuum furnace chamber with a volume of 19.1 l along with 5 ml glycidoxypropyltrimethoxysilane containing ampoule. After heating the furnace to 185 ° C, the ampoule was heated to 205 ° C and the chamber was evacuated to 25-30 mBar. After evaporation of about 2.5 ml of silane, the chamber is under reduced pressure (10-3(Torr). “Linker molecules” were attached by immersing the glycidoxypropyltrimethoxysilane-derived wafer in a 100% solution of polyethylene glycol in traces of sulfuric acid. The DMT-containing phosphoramidite was then covalently bound to the free hydroxyl of polyethylene glycol by conventional oligonucleotide synthesis methods (Beaucage, SL & Iyer, RP Advances in the Synthesis of Oligonucleotides by the Phosphoramide.Tetrahedron  48, 2223-2311 (1992)). The wafer substrate thus prepared was cut into 1 cm square for use in patterning.
[0090]
Example 1
The array of electrodes (prepared as described above) was placed at a distance of 20 microns from the solid support. A solid support was prepared as described above to attach thymidine phosphoramidite to a polyethylene glycol linker molecule. Thymidine phosphoramidite protected the 5'-hydroxyl group with a DMT group.
[0091]
An electrolyte solution (25 mM hydroquinone / 25 mM quinone / 25 mM tetrabutylammonium hexafluorophosphate in anhydrous acetonitrile) was introduced into the cavity between the electrode array and the solid support. The selected anode was then set to 1.33 V with respect to the cathode, and the voltage was maintained from 2 to 80 s, as shown in FIG.
[0092]
After electrolysis, the silicon wafer was washed with acetonitrile and acetylated with acetic anhydride using standard methods. In this step, only the DMT deprotected portion of the silicon wafer having an exposed hydroxy group was acetylated.
[0093]
The entire substrate was then treated with a dichloromethane solution of dichloroacetic acid to remove DMT groups that were not removed by the electrochemical step. By electrochemically generating the acid by coupling the thus exposed hydroxyl group to the fluorescent dye Cy5 using standard phosphoramidate coupling methods, and thus observing the fluorescence of Cy5 with confocal microscopy. The resulting pattern was revealed. This process sequence is shown in FIG.
[0094]
FIG. 3 shows the effect of increasing electrolysis time at 1.33V. Once the maximum bandwidth is reached after about 2.0 s, the resolution of the substrate is maintained even after 80.0 s of electrolysis.
(Example 2)
Example 1 was repeated exactly as described above, except that the selected anode maintained a voltage of 1.33 V for 16 s. As shown in FIGS. 4 (a) and (b), the significant effect of cathode removal was investigated. When the central cathode is removed, there is no control of diffused protons. The diffused protons can sneak into the central region and do not localize around the anode. This is demonstrated by the central dark region that does not contain the fluorescent group of FIG.
[0095]
(Example 3)
In the synthesis of the 17-mer oligomer on the solid support, the general method described in Example 1 was used, along with the 16 steps of electrochemically controlled DMT deprotection. The method of use was the same as in Example 1, except that the electrode array was placed at a distance of 40 microns from the substrate surface.
[0096]
A uniform coating of dimethoxytrityl (DMT) protected deoxyadenosine (dA) residues was coupled to a polyethylene glycol linker group on a solid support using standard phosphoramidite coupling chemistry.
[0097]
After thorough cleaning with acetonitrile, the electrolyte used in Example 1 was introduced into the cavity between the electrode array and the solid support. A potential of 1.33 V was applied to the selected anode for 9 s to remove the DMT group in the vicinity thereof. Two anodes surrounded the side of the anode.
[0098]
Following further washing with acetonitrile, DMT-protected nucleotide residues were coupled to exposed hydroxyl groups using standard phosphoraramid coupling methods. The obtained trivalent phosphorus bond was oxidized with iodine to obtain a pentavalent phosphorus bond, and the whole silicon wafer was washed with acetonitrile followed by dichloromethane. Standard coupling and oxidation steps used to synthesize oligonucleotides on solid supports are well known in the art (eg,ABI Synthesizer Manual, Section 2: See “Chemistry for Automated DNA Synthesis”).
[0099]
This method was repeated, changing the DMT protected nucleotide residues introduced into the phosphoramidite coupling step. In this way, oligonucleotides were synthesized on the solid support.
[0100]
Two 17-mer oligonucleotides: This method with an automatically programmed computer-controlled automated device in the synthesis of wild type “A” human hemoglobin mRNA and the corresponding “S” sickle erythrocyte mRNA. It was used. The 17-mer formed in excellent yield on a constant strip of solid support. One skilled in the art will readily appreciate that this method can be used for ligated synthesis of DNA chips, as described in WO 93/22480.
[0101]
Of course, it will be understood that the present invention has been described by way of example only and that variations in detail fall within the scope of the invention.
[Brief description of the drawings]
[0102]
FIG. 1 shows an apparatus suitable for carrying out the method of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a modifiable method of selected areas of a substrate.
FIG. 3 is a diagram showing the effect of varying the electrolysis time.
FIG. 4 is a diagram showing the effect of removing the cathode from the array of electrodes.

Claims (29)

第１の電極により生じた第１のレドックス生成物の拡散を制御する方法であって、前記第１電極近傍の第２電極によって第２レドックス生成物を生じさせ、該第１及び第２電極が電解質と接しており、ここで前記電解質が、該第２レドックス生成物によって該第１レドックス生成物が消滅可能となるようなものである方法。A method of controlling diffusion of a first redox product produced by a first electrode, wherein a second redox product is produced by a second electrode in the vicinity of the first electrode, and the first and second electrodes are In contact with an electrolyte, wherein the electrolyte is such that the first redox product is extinguished by the second redox product. 該第２電極が対向電極である請求項１記載の方法。The method of claim 1, wherein the second electrode is a counter electrode. 該第１レドックス生成物が活性レドックス生成物である請求項１または２記載の方法。The method of claim 1 or 2, wherein the first redox product is an active redox product. 該活性レドックス生成物を該電極近傍の基板を修正するために使用する請求項３記載の方法。4. The method of claim 3, wherein the active redox product is used to modify a substrate near the electrode. 基板を処理する方法であって、該方法が、該基板に接触している電解質および該基板近傍にあって該電解質に接触している１つ以上の電極を設け、かつ少なくとも１つの電極近傍の基板を修正する活性レドックス生成物を生じさせるように少なくとも１つの電極の電位を変えることを含み、該電解質が、第２レドックス生成物によって該活性レドックス生成物が消滅可能となるようなものであることを特徴とする方法。A method of treating a substrate, the method comprising providing an electrolyte in contact with the substrate and one or more electrodes in proximity to the substrate and in contact with the electrolyte, and in the vicinity of at least one electrode Changing the potential of at least one electrode to produce an active redox product that modifies the substrate, wherein the electrolyte is such that the active redox product can be extinguished by a second redox product. A method characterized by that. 該活性レドックス生成物がプロトンである請求項３ないし５記載の方法。6. A process according to claims 3 to 5 wherein the active redox product is a proton. 該第２レドックス生成物が有機ラジカルアニオンである前記請求項中いずれか１つの項記載の方法。A process according to any one of the preceding claims, wherein the second redox product is an organic radical anion. 該電解質がヒドロキノンおよびベンゾキノン、またはそれらの誘導体の溶液である前記請求項中いずれか１つの項記載の方法。The method according to any one of the preceding claims, wherein the electrolyte is a solution of hydroquinone and benzoquinone, or derivatives thereof. 該電解質が
Figure 2005502032
の溶液である前記請求項中いずれか１つの項記載の方法。
式中Ｒ3、Ｒ4、Ｒ5およびＲ6は独立して下記から選ばれる：
水素、ハロ、ヒドロキシル、チオ、ニトロ、アミノ、任意に置換されたＣ1ないしＣ15ヒドロカルビル（ここで３個までのＣ原子は任意にＮ、Ｏおよび／またはＳ原子で置換させることができる）；または
Ｒ3およびＲ4ならびに／またはＲ5およびＲ6は一体となって任意に置換されたＣ1ないしＣ15シクロヒドロカルビレン（ここで３個までのＣ原子は任意にＮ、Ｏおよび／またはＳ原子で置換させることができる）を形成する。The electrolyte
Figure 2005502032
 A method according to any one of the preceding claims, which is a solution of
Wherein R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are independently selected from:
Hydrogen, halo, hydroxyl, thio, nitro, amino, optionally substituted C 1 to C 15 hydrocarbyl (where up to 3 C atoms can optionally be replaced by N, O and / or S atoms) Or R 3 and R 4 and / or R 5 and R 6 together are optionally substituted C 1 to C 15 cyclohydrocarbylene (where up to 3 C atoms are optionally N, O and / Or can be substituted with S atoms). 該電解質がヒドロキノンおよびベンゾキノンのアセトニトリル溶液である前記請求項中いずれか１つの項記載の方法。A method according to any one of the preceding claims, wherein the electrolyte is an acetonitrile solution of hydroquinone and benzoquinone. 該電解質がさらに伝導率向上剤を含む前記請求項中いずれか１つの項記載の方法。A method according to any one of the preceding claims, wherein the electrolyte further comprises a conductivity improver. 該伝導率向上剤がテトラ（Ｃ1-8アルキル）アンモニウム塩である請求項７記載の方法。The method of claim 7, wherein the conductivity improver is a tetra (C 1-8 alkyl) ammonium salt. １つ以上の該電極が対向電極として用いられ、修正される該基板が電極および対向電極のいずれをも形成しない請求項５ないし１２のいずれか１つの項記載の方法。13. A method according to any one of claims 5 to 12, wherein one or more of the electrodes is used as a counter electrode and the substrate to be modified does not form either an electrode or a counter electrode. 幾つかの処理を順次行うために、該配列の選択された１組の１つ以上の該電極の電位を変えることによって各処理を行うように配列の電極を接続する前記請求項中いずれか１つの項記載の方法。Any one of the preceding claims, wherein the electrodes of the array are connected to perform each process by changing the potential of one or more of the selected set of one or more of the electrodes in order to perform several processes sequentially. The method described in one section. 該基板が表面に結合された物質の配列を含む前記請求項中いずれか１つの項記載の方法。A method according to any one of the preceding claims, wherein the substrate comprises an array of substances bound to a surface. 該表面が酸化シリコンウエハ−の表面である請求項１５記載の方法。The method of claim 15, wherein the surface is a surface of a silicon oxide wafer. 処理される物質が酸不安定性保護基を含む請求項１５記載の方法。16. The method of claim 15, wherein the material to be treated contains an acid labile protecting group. 該表面上の物質から酸不安定性保護基を除くために配列の少なくとも１つの電極を電位におけるアノードとして接続することによって各処理を行う請求項１７記載の方法。18. The method of claim 17, wherein each treatment is performed by connecting at least one electrode of the array as an anode at potential to remove acid labile protecting groups from the material on the surface. オリゴマーの段階的化学合成中に前記または各処理を行う請求項１４ないし１８のいずれか１つの項記載の方法。The method according to any one of claims 14 to 18, wherein the or each treatment is performed during the stepwise chemical synthesis of the oligomer. 下記：
（ａ）保護基を有する物質の配列、該基板に接触している電解質および該基板近傍にあって該電解質に接触している電極の配列を結合させた基板を設け；
（ｂ）選択された物質から該保護基を除く活性レドックス生成物を生じさせるように１つ以上の該電極の電位を選択的に変え；
（ｃ）保護モノマーと工程（ｂ）で生じさせた脱保護物質をカップリングさせ；そして
（ｄ）１組のオリゴマーを合成するように、工程（ｂ）で選ばれた１つ以上の電極を変えながら、工程（ｂ）及び（ｃ）を繰り返す
工程を含み、該活性レドックス生成物が少なくとも１つの他のレドックス生成物によって消滅可能となるように該電解質を選ぶことを特徴とする１組のオリゴマーの合成法。following:
(A) providing a substrate to which an array of substances having a protecting group, an electrolyte in contact with the substrate, and an array of electrodes in the vicinity of the substrate and in contact with the electrolyte are combined;
(B) selectively altering the potential of one or more of the electrodes to produce an active redox product that removes the protecting group from the selected material;
(C) coupling the protective monomer with the deprotection material produced in step (b); and (d) connecting one or more electrodes selected in step (b) to synthesize a set of oligomers. A set of steps characterized in that the electrolyte is selected such that the active redox product can be extinguished by at least one other redox product, comprising repeating steps (b) and (c) while changing Synthesis method of oligomer. 物質の配列を表面に結合させ、前記表面に該オリゴマーを合成させる請求項２０記載の方法。21. The method of claim 20, wherein an array of substances is attached to the surface and the oligomer is synthesized on the surface. 該オリゴマーがオリゴヌクレオチドである請求項２０または２１記載の方法。The method according to claim 20 or 21, wherein the oligomer is an oligonucleotide. 該活性レドックス生成物がプロトンで該保護基が酸不安定性保護基である請求項２０または２２記載の方法。23. A method according to claim 20 or 22 wherein the active redox product is a proton and the protecting group is an acid labile protecting group. 該電解質が請求項８ないし１２に定義された通りである請求項２０ないし２３のいずれか１つの項記載の方法。24. A method according to any one of claims 20 to 23, wherein the electrolyte is as defined in claims 8-12. 該配列の１つ以上の電極を対向電極として使用する請求項２０ないし２４のいずれか１つの項記載の方法。25. A method according to any one of claims 20 to 24, wherein one or more electrodes of the array are used as counter electrodes. 表面を有する絶縁物質のブロックおよび該表面の配列中に離間しているイリジウムの析出物を含み、各析出物が電位を変えるために電気接続手段を備えている前記請求項中いずれか１つの項の方法に用いるのに適する電極の配列。12. A method as claimed in any preceding claim, comprising a block of insulating material having a surface and iridium deposits spaced apart in the array of surfaces, each deposit comprising electrical connection means for changing the potential. An arrangement of electrodes suitable for use in the method. 絶縁物質のブロックが酸化シリコンウエハーである請求項２６記載の配列。27. The array of claim 26, wherein the block of insulating material is a silicon oxide wafer. イリジウム析出物が離間した平行線状をなす請求項２６または２７記載の配列。28. An array according to claim 26 or 27, wherein the iridium precipitates are in the form of spaced parallel lines. 下記：
（ｉ）該表面に二酸化シリコン層を有するシリコンウエハーを設け；
（ｉｉ）離間した配列をなしたイリジウムを該二酸化シリコン面に析出させ；そして
（ｉｉｉ）２００−５００℃の範囲の温度の空気中で該イリジウムをアニールする
工程を含む方法によって前記配列を作る請求項２６ないし２８記載の配列。following:
(I) providing a silicon wafer having a silicon dioxide layer on the surface;
(Ii) depositing spaced arrays of iridium on the silicon dioxide surface; and (iii) making the arrays by a method comprising annealing the iridium in air at a temperature in the range of 200-500 ° C. 29. The sequence according to item 26 to 28.
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