JP2005522219A - 疎水性ゾーン装置 - Google Patents

Abstract

疎水性領域によって境界がつけられた親水性領域を有するアッセイチップの製造および使用方法が提供される。これが望ましい理由は、これによってユーザーが水性媒質中の試薬を親水性領域上に付着させることができる一方で、疎水性領域は試薬が親水性領域から流れ出るのを防ぐからである。したがってこれらの試薬は親水性領域において隔離され、試薬のあらゆる損失または希釈を最小限にすることができる。好ましい実施態様において、チップ表面は、疎水性領域によって境界がつけられた複数の親水性領域を特徴とし、これによってユーザーは、サンプルの相互汚染なく同じチップ上で複数のアッセイを行なうことができる。この装置は、オリゴヌクレオチドが電気化学的分析のために金電極に付着される遺伝子分析の分野にとって特に有利である。

Description

この発明は、遺伝子サンプルを分析することができる親水性ゾーンに好ましくは境界をつけている疎水性ゾーンを有する遺伝子分析用チップに関する。

遺伝子分析の分野において、いくつかの種類のDNAチップがある。これらはすべて、「DNAチップ」と呼ばれるが、これらは互いにまったく異なっていることがある。

DNAチップの1つの種類は、DNAマイクロアレイまたは遺伝子チップ（GENECHIP）（商標）（アフィメトリックス社（Affymetrix）の商標）である。これらのチップは一般的に、基板上の合成ポリヌクレオチドアレイである。この基板は、ガラス、シリコン（二酸化ケイ素で覆われているもの）、ポリマーなどであり得る。ポリヌクレオチドアレイは、フォトリソグラフィー（アフィメトリックス、米国特許第5，143，854号、米国特許第5，405，783号、米国特許第5，445，934号）、インクジェット印刷（アジレント・テクノロジーズ（Agilent Technologies））、電気化学（コンビマトリックス（CombiMatrix）、米国特許第6，093，302号）、またはマスクレス光指向性（light−directed）製造（ニンブルジェン（NimbleGen））に基づいた技術を用いて基板上で合成される。S．Singh−Gasson、R．Green、Y．Yue、C．Nelson、F．Blattner、M．Sussman、およびF．Cerrinaの、「デジタルマイクロミラーアレイを用いた、光指向性オリゴヌクレオチドマイクロアレイのマスクレス製造（Maskless Fabrication of Light−Directed Oligonucleotide Microarrays Using a Digital Micromirror Array）」、Nature Biotechnology、第17巻、974〜978ページ、1999年10月参照。この分析は通常、ハイブリダイゼーションをベースとする。検体核酸または「標的」が、DNAアレイとともにインキュベートされ、このアレイ上の各DNAプローブとのハイブリダイゼーションの程度が、標的の完全な補体であるものを同定するために評価される。これには、遺伝子サンプルからの、断片化されて標識された標的混合物の調製が必要である。ハイブリダイゼーションを監視するために、共焦点エピ蛍光（epifluorescence）走査が、蛍光標識と組み合わせて用いられる。サンプル調製工程は、様々な試薬の加工処理を含み、これは、チップから離れて手作業で、または統合（integrated）ポリカーボネートカートリッジ中で実施される。R．C．Anderson、X．Su、G．J．Bogdan、およびJ．Fenton、「自動多工程遺伝アッセイのためのミニチュア統合装置（A Miniature Integrated Device for Automated Multistep Genetic Assays）」、Nucleic Acids Research、第28巻、12号、2000年参照。

米国特許第6，221，586号において、Bartonは、電極上に吸着されたオリゴヌクレオチド二本鎖内の塩基スタッキング摂動の電気化学的検出のための組成物および方法について記載している。具体的にはこの技術は、電極上に固定されたDNA二本鎖に付着させられた挿入レドックス活性部分を利用する。ついで、この二本鎖に沿って電流が流される。塩基スタッキング摂動によって引起こされた中断は、この二本鎖の電気抵抗の測定に基づいて検出可能である。

これらの型のDNAチップの多くの製造において、試薬DNAを含んでいる液体が基板上に堆積させられ、液体が除去され（例えば蒸発によって）、試薬DNAが、チップ上で別々の画定区域に残される。この液体を所望の画定ゾーン中に維持することは、問題のあることがある。水性液体の小滴を堆積させることによって形成されるDNAアレイを提供する試みの1つは、Brennanの米国特許第6，210，894号に開示されている。この特許は、誘導体化された親水性結合部位が疎水性領域によって取り囲まれている、基板上の機能を与えられた結合部位のアレイを開示している。

疎水性ゾーンまたは領域を有するチップにおける重大な問題点は、アッセイの実施の間のチップの湿潤性である。チップの表面全体に多量の通常の溶液、例えばサンプル溶液、洗浄溶液、緩衝液、または試薬溶液を注ぐことが望ましいことが多い。疎水性表面が、このようなアッセイ工程を妨害することは理解できる。さらには疎水性層を堆積または除去するためのマスキングおよびエッチング工程は、常に望ましいとはかぎらない。最終的に、多くのアッセイでは、チップ上の試薬が直接または間接的に電極に付着させられる必要がある。これらの問題点の少なくともいくつかに、本発明が取り組む。

本発明の1つの側面は、遺伝子分析用チップ上の疎水性ゾーンである。好ましくはこの疎水性ゾーンは、試薬サンプルを分析することができる親水性ゾーンに境界をつける。

本発明のもう1つの側面は、複数の小滴を電極上に配置する方法であって、複数の親水性ゾーンにおいて小滴を配置することができる複数の電極を有する基板を提供する工程であって、各親水性ゾーンが疎水性ゾーンによって境界がつけられる工程；および複数の親水性ゾーン中に別々の水性小滴を加える工程を含む方法である。好ましくはこの疎水性ゾーンはフルオロポリマーを含んでいる。この疎水性ゾーンは、親水性ゾーンを完全に取り巻いている実線であってもよい。あるいはまた、この疎水性ゾーンは破線であってもよい。どちらの場合も、基板の親水性表面は、この疎水性ラインの内側および外側の両方で露出させられていてもよい。好ましくは疎水性ゾーンは、チップの表面に疎水性材料を堆積させ、ついでこれの一部分をエッチングして取り去ることによって画定される。

本発明のもう1つの側面において、上記の堆積させられた小滴は試薬を含んでおり、アッセイの実施のために基板上の異なるゾーンに加えることができる。これらの試薬としては、DNA、RNA、酵素、抗原、ペプチド、ペプチド類似体、抗体、その他の型の特異的結合分子、基板、自然界に存在している、組み換え、またはキメラである、化学試薬、レドックス部分、化学的または生物学的センサーまたはセンサー分子、有機化合物などを含んでいてもよい。好ましい実施態様において、これらの試薬はDNAを挙げることができる。本発明のもう1つの側面において、これらの試薬は、乾燥させられた異なる試薬が複数の異なる親水性ゾーンに提供されるように、基板上で乾燥させることができる。

本発明のもう1つの側面は、各々が少なくとも1つの試薬を含んでいる複数の空間的に分離されている試薬ゾーンであって、比較的親水性であるゾーン；およびこれらの試薬ゾーンの各々を取り囲んでいる比較的疎水性のラインを含んでいるアッセイ表面である。このアッセイ表面はさらに、試薬を含んでいない疎水性ラインの外側に位置する比較的親水性の領域を含んでいてもよい。好ましくはアッセイ試薬が、このアッセイ表面に堆積させる。好ましい実施態様において、これらのアッセイ試薬はDNAを含んでいる。異なる試薬が、異なる試薬ゾーンに配置されてもよい。アッセイ表面の作製において、この基板はシリコンウエハーを含んでいてもよい。さらにはこのアッセイ表面は、試薬ゾーンと物理的および／または電気的に接触している複数の導電体を含んでいてもよい。好ましくは各試薬ゾーンは、異なる導電体と接触している。さらには連続している液体層が、複数の試薬ゾーンの表面を覆っていてもよい。さらには外部電極は、液体層と接触させて配置することもでき、このようにして回路を完成させて、電気化学的測定を試薬について行なうことができる。

本発明のもう1つの側面は、アッセイの実施方法であって、複数の試薬ゾーンを特徴とするアッセイ表面を提供する工程であって、各試薬ゾーンが疎水性材料によって取り囲まれており、試薬がこの試薬ゾーンのところでアッセイ表面に結合させられており、親水性区域が、この表面上で疎水性材料の内側および外側の両方に位置している工程；液体層がこのアッセイ表面を覆うようにこのアッセイ表面に液体サンプルを多量に注ぐ工程；および試薬ゾーンでの検体（もし存在すれば）と試薬との間の相互作用を検出する工程を含む方法である。好ましくは試薬と検体との相互作用が、前記試薬ゾーン中で測定可能な電気信号を生じる。好ましくはこの電気信号は、試薬ゾーンと電気的に接触している複数の第一電極の1つまたはそれ以上、および液体サンプルと電気的に接触している1つまたはそれ以上の第二電極を通って測定される。第二電極は、電気信号が生成される試薬ゾーンから遠いところに位置していてもよい。

本発明のもう1つの側面は、複数の試薬を含んでいるゾーンを含む表面を有する基板であって、これらの試薬を含んでいるゾーンは比較的親水性であり、各々比較的より親水性でないゾーンによって境界がつけられており、親水性ゾーンが、これらの表面の構造の結果として親水性でない方のゾーンと区別されている基板を含むアッセイ装置である。好ましくはこの親水性ゾーンは、親水性でない方のゾーンよりも滑らかである。この親水性でない方のゾーンはまた、その疎水性を向上させるために、フルオロポリマーを含んでいてもよい。

本開示において、試薬が別々のゾーンに結合させられているアッセイチップを製造するための様々な方法および装置が提供される。本開示は、主としてDNAチップの状況において本発明について記載しているが、この開示の多くの側面は、様々なほかの試薬が結合させられるアッセイチップにも適用することができると理解され、認識されるであろう。したがってDNAに加えて、結合されるアッセイ試薬としては、限定的ではないが、酵素、RNA、抗原、ペプチド、ペプチド類似体、抗体、ほかの型の特異的結合分子、基板、受容体、化学試薬、レドックス部分、化学的または生物学的センサーまたはセンサー分子、有機化合物などを挙げることができる。したがって特許請求の範囲において具体的に要求されている場合以外は、DNAおよびDNAチップについての言及は、一例であると考えるべきであり、限定的なものではない。

本発明の1つの側面において、アッセイチップは、電気化学的分析に用いるのに特に適している。これらの実施態様において、本発明は、基板、比較的親水性のゾーンを取り囲んでいる比較的疎水性のゾーン、および試薬が1つまたはそれ以上の電極に付着されている、疎水性ゾーン内に位置する1つまたはそれ以上の電極を有するアッセイ装置を含む。

A．チップの設計および製造
本発明のチップ10の1つの実施態様が、図1に図解されている。この図面は、表面に2つのアッセイ領域12を有するチップ10の断面図である。この図解されている実施態様は、説明を容易にするためにただ2つの領域を示しているのであって、限定するためではない。本発明の多くの実施態様において、チップ10は、多数のより多くの領域、例えば5、10、20、30、50、100、200、1,000またはそれ以上の領域を有すると理解される。これらのアッセイ領域は好ましくは、規則的な二次元アレイとして配列される。

チップ10は、チップの本体としての役目を果たす基板14を含んでいる。この基板は、好ましくは半導体グレードの、単結晶質および多結晶質シリコンを含むシリコン製であり得る。あるいはまたこれは、プラスチックまたはその他のポリマー材料、ガラス、または複合材料から構成されてもよく、これには、通常のプリント基盤材料のあらゆるものが含まれる。図解されている実施態様において、基板14は好ましくは、二酸化ケイ素またはほかの適切な誘電性材料の1つまたはそれ以上の絶縁層を含んでいる。このことは、基板14がシリコンである時に特に有用であるが、基板14それ自体が誘電性材料である時は必ずしも必要とされない。図1では、上部16と底部20とを有する基板14が示されている。第一上部絶縁層22および底部絶縁層24が、それぞれ基板の上部16および底部20に示されている。1つまたはそれ以上の電極26が、第一上部絶縁層22の上に形成されている。一般的には、少なくとも1つ、時には2つまたはそれ以上の電極26が、各アッセイ領域12に形成されている。第一上部絶縁層24は、シリコン基板からこれらの電極を絶縁する。電極は、金またはほかの貴金属から形成されていることが有利であるが、試薬を上に付着させることができるあらゆる導電性材料であってもよい。これには、限定的ではないが、白金、パラジウム、ロジウム、炭素電極、例えばグラッシーカーボン、酸化物電極、または半導体電極が含まれる。これらの電極はまた、表面上に導電性ポリマーを含んでいてもよい。金電極が特に好ましい。電極26は、所望の連結点または電気接点32に導電性パスを形成する導電体30に連結されている（図2参照）。

好ましくは第二上部絶縁層34が、第一上部絶縁層22および導電体34を覆って形成され、アッセイの実施の間、導電体30をチップ10の表面の露出させられた部分から分離する。第二上部絶縁層34は、二酸化珪素から形成されていることが有利であるが、ポリマーを包含するほかの絶縁材料も、チップ10の様々な実施態様において用いることができる。例えば基板14がプリント基盤の基板である場合は、絶縁保護コーティング（conformal insulating coating）が用いられてもよい。ウインドウ36が、好ましくは第二上部絶縁層34中にパターン形成され、電極26への流体および電気的連結を与える。

疎水性層40は、チップ10の上に、および第二上部絶縁層34を覆うように提供されることが有利である。この疎水性層40は、本発明がチップ10の表面上での小滴制御を与える1つの方法である。チップの製造の間、複数の異なる試薬が、チップ10の異なるアッセイ領域12の中に堆積させられることが有利である。これらの試薬は一般的に、液体、好ましくは水性液体の微小滴42中に含まれており、従って非常に迅速に乾燥して、アッセイ領域12および電極26の表面上に試薬を堆積させる。しかしながらこれらの小さいサイズおよび迅速な乾燥にもかかわらず、なんらかの形態の小滴制御がいつでも利用できるのでなければ、これらはチップ10の望ましくない領域上に依然として広がることがある。疎水性層40は、小滴42を拘束するのに役立つ。図1に図解されている疎水性層40は、アッセイ領域を取り囲み、このような小滴制御の方法を提供し、ほかのアッセイ領域中への分散又は核酸、あるいは異なる小滴42が混ざり合うことを防ぐ。アッセイ領域12を疎水性層40で取り囲むことによって、チップ表面は、疎水性層と二酸化ケイ素もしくは金との間の疎水性差に基づいて異なる湿潤性を示す。

疎水性層40は有利には、アッセイ領域12内部の表面よりも疎水性であるか、またはより親水性でないあらゆる材料から形成されてもよい。いくつかの適切な材料には、フルオロカーボン、例えばフルオロカーボンポリマーが含まれる。このようなポリマーは、珍しい疎水性を示すことがよく知られている。あるいはまた、様々な有機ポリマーを包含するほかの疎水性材料も用いることができる。本発明において用いることができる特に適切なフルオロポリマーの1つは、旭硝子株式会社から商標サイトップ（CYTOP）として販売されている、パーフルオロ（アルケニルビニルエーテル）の共重合によって得られた環化された透明な光学ポリマーである。この材料は、ポリテトラフルオロエチレンの疎水特性に非常に似た疎水特性を有するが、あるいくつかの過フッ素化溶媒中に可溶であり、薄い層として基板に加えることができる。サイトップは、米国では、デラウエア州ウイルミントンのベレックス・インターナショナル・コーポレーション（Bellex International Corporation，Wilmington，Delaware）より入手できる。CTL−809Mと呼ばれるサイトップ材料が、スピンコーティング用に特に好ましい。

1つの好ましい実施態様において、疎水性層40は、チップ10の表面全体（または少なくとも画定された領域）を覆って連続層として加えられ、ついで選択された位置において除去される。具体的には、疎水性層40は有利には、アッセイ領域12および電極26を露出させるために除去される。疎水性層と比較して、電極およびアッセイ領域12における二酸化ケイ素は、水性試薬によって容易に湿らせることができるが、一方で、疎水性層40で覆われた区域はそれができない。この制御された表面特性は、異なる配列を有するDNA分子もしくは異なるほかの試薬を、チップ上の異なるアッセイ領域12中に（および異なる電極26上）に置くのを補助する。

図2は、4つのアッセイ領域12を有する本発明のチップ10の単純なバージョンを図解している。上記のように、チップ10のデザインのほとんどは、より多数のアッセイ領域を有する。図解された実施態様において、電極26は、比較的短い導体32によって電気接点32に連結されている。しかしながらこれは単に例証のみを目的とする。実際には、導体32ははるかに長くてもよく、基板14の厚さを横断するか、または縁部もしくは（ワイヤーの形態で）別の器具類まで延びるか、または回路であってもよい。

正確に制御されたロボットシステムを用いることによって、正確な容積のDNA分子を有する溶液の滴を、これらのアッセイ領域のいくつかまたは全部の上に堆積させることができる。ロボットまたはコンピュータ制御された位置決定（spotting）装置をこのプロセスに用いることができる。これらの開口部は互いに分離されているので、異なる配列を有するDNA分子（もしくはほかの異なる試薬）を、混合することなく隣接しているアッセイ領域上に堆積させることができる。

図3A〜3Hは、シリコンウエハーを用いる製造プロセスの一例の段階的な工程を図解している。このプロセスは、＜100＞配向を有する4インチ単一結晶質シリコンウエハー基板14を用いて開始される。まず図3Bを参照すると、1．5mm厚さの二酸化ケイ素の上部層22および底部層24が、1，050°Cで6時間、これらのウエハーの上部16および底部20上で成長させられる。次に図3Cを参照すると、100Aのクロムおよび3，000Aの金の層26が、ウエハー14上に熱によって蒸着させられる。クロム層は、接着層としての役目を果たし、金の二酸化ケイ素への接着を改善する。

次に図3Dを参照すると、ついでクロム／金層がパターン化され、クロムおよび金エッチング剤でエッチングされ、電極26および導体30（ならびに必要に応じて、電気接点32）を画定する。その後、図3Eに図解されているように、3，000Aの厚さの二酸化ケイ素の層が、450°Cで30分間低圧化学蒸着（LPCVD）反応器においてウエハー上に蒸着させられ、第二上部絶縁層34が形成される。この二酸化ケイ素層は多くの場合、半導体産業において低温酸化物（LTO）と呼ばれる。ついでこのLTO層34はパターン化され、図3Fに示されているように、緩衝化されたフッ化水素酸でエッチングされ、金電極を暴露させる。

図3Gを参照すると、旭硝子株式会社からの非晶質フルオロカーボンポリマーであるサイトップ（ポリテトラフルオロエチレンと同様な疎水特性を有するもの）の1mm厚さの層が、ついでウエハー上にスピンコーティングされ、180°Cで1時間硬化され、疎水性層40が形成される。サイトップ層40がパターン化され、酸素プラズマでエッチングされて、ウインドウ36が、したがってアッセイ領域12が画定される。好ましくは、電極26を取り囲んでいるサイトップのリングが残されるように、サイトップ層がエッチングされる。このリングはこれによって、2つの親水性ゾーン、すなわちリング内部に1つ、外側に1つに分けられる。より好ましくは、少なくとも1つのリングが複数の電極の各々を取り囲み、これによって各電極の周りに境界を生じる。ここに水性サンプルを保持することができ、同様に境界がつけられたほかの水性サンプルから隔離することができる。最後に、これらのウエハーはダイスカットされ、テストのために準備される。

チップ10上のサイトップまたはほかの疎水性層40は、表面張力制御の機能を果たす。実験調査は、個々の緩衝溶液の滴を、図1に示されているようにテフロン（登録商標）開口部の内部に容易に形成することができることを示している。これによってユーザーは、異なるDNA分子もしくはほかの試薬を異なる電極上に付着させることができる。

本発明の1つの側面は、アッセイの実施の間にチップ10の上部表面全体16、または試薬を支持しているアッセイ領域12または電極26が位置している少なくともこれらの部分全体を湿らせる能力である。いくつかのアッセイではさらに、DNA分子が堆積させられた後、緩衝溶液、ゲノムサンプル、およびほかの試薬が、チップ上のすべての電極に到達しなければならないということが要求されるので、疎水性リングが好ましい。この実施態様は、図4に平面図として示されている。この実施態様において、1つの疎水性リングが各電極26の周りに作られる。あるいはまた図5に示されているように、単一電極の周りの多重リングもまた、水性サンプルをさらに確実に収容するために用いることができる。最後に、図6に示されているように、疎水性リングを構成する疎水性層40は、必ずしも連続的である必要はないが、その代わりに、十分に疎水性の材料40が電極26を取り囲んで小滴制御を与えるかぎり、不連続な形状を形成してもよい。

電極26が位置しているアッセイ領域12を取り囲んでいる疎水性材料のリングまたはラインの使用することによって、試薬の小滴が電極の上に堆積させられても、リング44は、試薬小滴の容積が十分に小さいものであるかぎり、この小滴を内側に保持する。しかしながらこのような小滴制御は、チップの製造の間のみ望まれることが多い。このアッセイの実施の間、チップの表面全部、または少なくとも複数のアッセイ領域12に、好ましくは連続的で均一な単一試薬、液体、またはサンプルを多量に注ぐことが望ましいことがある。リングの比較的小さい表面積によって、チップ表面の多くは親水性であり、これらの試薬は、チップ表面全体に容易に分配されうる。このことは、米国特許第6，210，894号のように、アッセイ表面全体（別のアッセイ領域を除く）が疎水性層でコーティングされている場合の結果とは対照的であることに注目されたい。この配列は、チップ表面全体を湿らせる際、または単一液体をアッセイ領域全部と接触させる際に重大な問題を生じる。

米国特許第6，221，586号または第5，591，578号に記載されているタイプのアッセイの実施において、各々1つまたはそれ以上の電極26を中に有する複数のアッセイ領域12に、通常の液体を多量に注ぐことが望ましい。図4に図解されているように、チップ10の表面は、1つまたはそれ以上の通常の電極を含んでいることが有利である。「通常の」という用語は、特定の極性を推論させず、これはアッセイ型に応じて変わってもよく、むしろこの通常の電極46が、アッセイ領域12中で電極26の1つ以上で、好ましくは様々なアッセイ領域12における様々な電極26の全部で回路を完成することを意味している。このようにして本発明のアッセイ装置は、アッセイ領域12に電気信号を生成しうる。これはその領域の電極26を通って流れ、ここで電気回路は、アッセイの実施の間、チップ10の表面に溢れている水性液体を通って、通常の電極46と1つまたはそれ以上のアッセイ電極26との間で完成される。この水性液体が、複数の前記電極26および／または46と接触しているかぎり、これはその厚さとは無関係に、1つの「層」と考えられる。さらにはこの層は、水性層であることは必須ではなく、実際、特定のアッセイに必要な導電性を与えるあらゆる導電性液体、流体、または層が、本発明において意図される。

一般的には、このアッセイの実施において、アッセイ領域12中で検体と試薬との間で相互作用が発生する。アッセイ領域はまた、試薬ゾーンまたは親水性ゾーンと考えることもできる。多くの適切なアッセイにおいて、この相互作用は、電気信号、例えば電流を生じるかまたは引起こす。例えば米国特許第6，221，586号および第5，591，578号参照。さらにはこれらのアッセイおよびその他のアッセイにおいて、試薬は、アッセイ領域12において共有結合（covalent）または非共有結合手段を通して、好ましくは電極26に付着させられる。このような付着（例えば抗体、アビジン／ビオチン、またはその他の特異的相互作用、流体静力学的相互作用、水素結合、様々な共有結合方法）を実施するための多くの技術が知られているが、金電極を用いる時に特に好ましい付着方法の1つは、金／チオール相互作用である。上記引例により具体的に記載されているように、チオール基で誘導体化されたポリヌクレオチドは、金表面と容易に反応し、これに付着する。1つの好ましい実施態様において、複数の二本鎖DNAの一本の鎖は各々、このようなチオール媒介付着を用いて金電極に付着させられる。この結果、独特のきっちりと充填された規則正しいDNA単層を生じる。ついで、米国特許第6，221，586号にさらに十分に示されているように、各二本鎖の非チオール誘導体化鎖は除去され、金電極上に一本鎖DNA捕獲試薬の規則正しいアレイが残される。この規則正しい分子アレイは、金電極と、DNAの電荷と反対の電荷を有する溶液状部分との接触を実質的に防ぐのに十分に密集しており、そして／または連続している。

上記の製造プロセスにおいて、多くのほかのこれに代わる材料およびプロセスも用いることができる。第一に、基板はガラスまたはその他のセラミック材料であってもよく、これは好ましくは平らで滑らかである。第二に、底部の熱成長した二酸化ケイ素は、これらが十分に滑らかで、次の蒸着工程において高温に耐えることができるならば、窒化ケイ素、ほかの手段によって付着された二酸化ケイ素、またはほかのポリマー材料と替えることもできる。第三に、導電層は金である必要はなく、あらゆる適切な材料、例えば白金、パラジウム、ロジウム、炭素組成物、酸化物、または半導体であってもよい。金が選択される場合、この層は、DNA分子またはほかの試薬をその上に付着させることができるほど十分に滑らかであるならば、蒸着させられるか、スパッタリングされるか、または電気めっきされてもよい。第四に、LTO層は、スピンオン（spin−on）誘電性材料（半導体産業において通常用いられているもの）またはほかのポリマー材料、例えばポリイミド、パリレンなどと替えられてもよい。第五に、ほかの材料、例えばデュポン社からのテフロン（登録商標）AF非晶質フルオロポリマーまたは改質パリレンが、疎水性層として用いられてもよい。最後に、本明細書に具体的に挙げられている温度、時間、および寸法を変更して、当業者によって理解されているように、実質的に同じ特性および機能を有するチップを生産することができる。

最後に、滑らかな平面と粗い表面とは、異なる湿潤特性を有する。表面制御は、チップ上の微小粗さを選択的にパターン化することによって達成することができる。特に基板上の微小粗面化（microroughening）リング構造は、図7に示されている疎水性テフロン（登録商標）リングと同じ目的に対して用いることができる。この図面は、アッセイ領域12上に配置された水性小滴を示している。この小滴は、定位置に保持されるが、その理由は、アッセイ領域12の比較的滑らかな表面が、たとえ表面材料が同じであっても、微小粗面化されたリング50の比較的粗い表面よりも親水性であるからである。好ましくはこの微小粗さは、当該分野の標準的技術を用いて、表面上に溝をパターン化し、エッチングすることによって達成される。これらの溝は、正方形、円形、かどのあるもの、なんらかのほかの形状、または形状の組み合わせであってもよい。好ましくはこれらの溝は、微小粗面化された表面50全体において実質的に均一であり、これらの溝のサイズは、幅および深さの両方が10A〜10mmの範囲内にある。

あるいはまた、微小粗面化は、疎水性材料と組み合わせて用いられてもよい。図8はまた、アッセイ領域12上で定位置に維持されている小滴も示している。ここではアッセイ領域12を取り囲んでいる区域は、疎水性テフロン（登録商標）リング44および微小粗面化されたリング50の両方であるので、特に疎水性である。好ましくは疎水性材料（例えばサイトップまたはテフロン（登録商標））がまず表面に付着され、ついで微小粗面化が、疎水性材料に対して直接実施される。微小粗面化は、疎水性層に溝をエッチングするために、通常のフォトリソグラフィープロセスおよび酸素プラズマを用いて実施することができる。上記のように、これらの溝は、正方形、円形、かどのあるもの、なんらかのほかの形状、または形状の組み合わせであってもよい。好ましくはこれらの溝は実質的に均一であり、これらのサイズは、幅および深さの両方が10A〜10mmの範囲内にある。

本発明のDNAチップの断面図であり、疎水性ゾーン内の液体小滴の保持を示している。 疎水性ゾーンによって境界がつけられた親水性ゾーン内に電気接点を有するDNAチップの上部平面図である。 ３Ａ〜３Ｈは、本発明のDNAチップとして製造されるシリコンウエハーの断面図であり、製造プロセスにおける段階的なエッチングおよび堆積工程を図解している。 本発明のDNAチップの上部平面図であり、可能な電極パターンおよび疎水性層の配置を図解している。 本発明のDNAチップの上部平面図であり、別の疎水性ゾーンの配列を図解している。 本発明のDNAチップの上部平面図であり、さらに別の代替疎水性ゾーンの配列を図解している。 チップの表面上で微小粗面化することによって疎水性ゾーンが作製される、本発明のDNAチップの断面図である。 疎水性ゾーンが疎水性材料および微小粗面化の両方を用いて作製される、本発明のDNAチップの断面図である。

Claims (29)

1. 複数の小滴を電極上に配置する方法であって、
   複数の親水性ゾーンにおいて小滴を配置することができる複数の電極を有する基板を提供する工程であって、各親水性ゾーンが疎水性ゾーンによって境界がつけられる工程；および
   複数の前記親水性ゾーン中に異なる水性小滴を加える工程、
   を含む方法。
2. 前記疎水性ゾーンがフルオロポリマーを含んでいる、請求項1に記載の方法。
3. 前記疎水性ゾーンが連続的であり、親水性ゾーンを完全に取り巻いている、請求項1に記載の方法。
4. 前記疎水性ゾーンが、親水性ゾーンを取り囲んでいる疎水性材料の一本のラインを含んでおり、したがってこの基板の親水性表面が、この疎水性ラインの内側と外側の両方で露出させられている、請求項1に記載の方法。
5. この疎水性ラインが実線である、請求項4に記載の方法。
6. この疎水性ラインが破線である、請求項4に記載の方法。
7. さらに、基板上に疎水性材料の連続層を加え、ついでこの疎水性材料の一部分を除去して基板を露出させることによって疎水性ゾーンを形成する工程も含む、請求項1に記載の方法。
8. この疎水性材料が、エッチングによって除去される、請求項7に記載の方法。
9. これらの小滴が試薬を含んでおり、付加工程が、基板上の異なるゾーンに異なる試薬を加えることを含んでいる、請求項1に記載の方法。
10. これらの試薬が生物学的試薬である、請求項9に記載の方法。
11. これらの試薬がDNAを含んでいる、請求項10に記載の方法。
12. さらに、基板上の試薬を乾燥させて、異なる親水性ゾーンに異なる乾燥した試薬を提供する工程も含む、請求項9に記載の方法。
13. 各々が少なくとも1つの試薬を含んでいる、複数の空間的に分離されている試薬ゾーンであって、比較的親水性であるゾーン；および
    これらの試薬ゾーンの各々を取り囲んでいる比較的疎水性のライン、
    を含んでいるアッセイ表面。
14. さらに、疎水性ラインの外側に位置する比較的親水性の領域も含み、これらの領域が試薬を含んでいない、請求項13に記載のアッセイ表面。
15. これらの試薬ゾーンにおける試薬がDNAを含んでいる、請求項13に記載のアッセイ表面。
16. それぞれが異なる前記試薬ゾーンに位置する複数の異なる試薬を含んでいる、請求項13に記載のアッセイ表面。
17. 前記基板がシリコンウエハーを含んでいる、請求項13に記載のアッセイ表面。
18. さらに、前記試薬ゾーンと機能的に接触している複数の導電体も含んでいる、請求項13に記載のアッセイ表面。
19. 前記試薬ゾーンの各々が、それぞれ異なる前記導電体と接触している、請求項18に記載のアッセイ表面。
20. さらに、複数の前記試薬ゾーンの上にある連続液体層も含んでいる、請求項19に記載のアッセイ表面。
21. さらに、前記液体層と電気的に接触している電極も含み、この層が複数の前記試薬ゾーンと電気的に接触している、請求項20に記載のアッセイ表面。
22. アッセイの実施方法であって、
    複数の試薬ゾーンを含んでいるアッセイ表面を提供する工程であって、各試薬ゾーンが疎水性材料によって取り囲まれており、試薬がこの試薬ゾーンのところでアッセイ表面に結合しており、親水性区域が、前記表面上で疎水性材料の内側および外側の両方に位置している工程；
    液体層がこのアッセイ表面を覆うように、このアッセイ表面に液体サンプルを多量に注ぐ工程；および
    試薬ゾーンでの検体（もし存在すれば）と試薬との間の相互作用を検出する工程、
    を含む方法。
23. 試薬と検体との相互作用が、前記試薬ゾーン中で測定可能な電気信号を生成する、請求項22に記載の方法。
24. さらに、前記試薬ゾーンと電気的に接触している複数の第一電極の1つまたはそれ以上、および液体サンプルと電気的に接触している1つまたはそれ以上の第二電極を通る電気信号を測定する工程も含む、請求項23に記載の方法。
25. 第二電極は、前記電気信号が生成される試薬ゾーンから遠いところに位置している、請求項24に記載の方法。
26. 複数の試薬を含んでいるゾーンをその上に含む表面を有する基板であって、これらの試薬を含んでいるゾーンが比較的親水性であり、各々比較的より親水性でないゾーンによって取り囲まれており、親水性ゾーンは、前記ゾーンにおける表面のテキスチャーの結果として、親水性でない方のゾーンと区別される基板、
    を含むアッセイ装置。
27. 親水性ゾーンが、親水性でない方のゾーンよりも滑らかである、請求項26に記載のアッセイ装置。
28. 親水性でない方のゾーンがフルオロポリマーを含んでいる、請求項26に記載のアッセイ装置。
29. 親水性でない方のゾーンが、フルオロポリマーを含んでいる、請求項27に記載のアッセイ装置。

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