JP2006006243A - ナノピラー、その製造方法およびナノピラーを用いたマイクロチップ - Google Patents

Abstract

【課題】
耐性の高いナノピラーを得る。
【解決手段】
マイクロチップ基板への金薄膜の蒸着を１０〜２０ｎｍの厚さに行い、その後チップを４００〜６００度で１時間程度熱処理して自己組織化させることにより、金属によるランダムピラー構造のナノピラーを基板上に形成させる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ＤＮＡなどの生体高分子試料をサイズに応じて分離するために使用することのできるナノピラー、その製造方法およびナノピラーを用いたマイクロチップに関する。

ＤＮＡのサイズ分離は、ＤＮＡのシーケンスを決定したり、ＳＮＰｓ（一塩基多型）の検出などによるＤＮＡ診断、ＤＮＡタイピング、ＤＮＡ検定など広く使われている技術であり、今後ますます需要が増えるため、その取り扱いの容易化と高速化は重要な課題である。

ＤＮＡのサイズ分離には、従来、アガロースやポリアクリルアミドなどのゲルやポリマー中を電気泳動させ、その網目構造に制限を受けながら移動する速度が、ＤＮＡの大きさに依存することを利用したゲル電気泳動が主流であった。

しかし、一般的に長時間の泳動が必要なことや、分離するサイズに応じてゲルやポリマーの組成を変える必要があったり、大きなＤＮＡの分離には途方もない時間が必要だったりするため、使いにくいという問題があった。

近年、ゲルの網目構造をリソグラフィーなどを用いて作製したピラー構造の人工的な構造物に置き換え、サイズ分離を試みる手法がいくつか報告されている（非特許文献１参照。）。ピラー構造とは、泳動方向に直交する方向に延びた微細な棒状のピラーが高密度に形成されている構造である。
S. W. Turner, A. Perez, A. Lopez and H.G. Graighead, J. Vac. Sci. Technol., B16(6), Nov/Dec, pp. 3835-3840(1998) Micro Total Analysis Systems 2003 Vol.2 p1315-1318

従来は、Ｘ線リソグラフィーとＤｅｅｐ−ＲＩＥや、ナノスタンピング等で石英ガラスや樹脂材料にナノピラーを作製していた。しかし従来のナノスタンピングで得られるナノピラーは材質が樹脂のため、高温による滅菌処理に問題があったり、また、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ等で得られる、材質が石英のナノピラーの場合は、有機溶媒耐性が低く、アルカリや酸（フッ酸）に対しても劣化を引き起こすなどの問題があった（非特許文献２参照。）。
本発明は、耐性の高いナノピラーとその製造方法及びそのようなナノピラーを用いたチップを提供することを目的とする。

本発明のナノピラーは、金属製で複数の形状が混在したランダムピラー構造を含むナノピラーである。
金属は自己組織化する金属であり、その一例は金又は白金であり、耐熱、滅菌、耐有機溶媒性、耐酸性、耐アルカリ性、又は耐薬品性を有している。
ここで、「自己組織化」とは散逸系での秩序形成が行われる性質を言う。

本発明のマイクロチップは、基板内部に流路が形成され、前記流路の少なくとも一部を遮って本発明による金属製ナノピラーが設けられていることを特徴とするものである。
本発明のナノピラー製造方法は、基板へ自己組織化する金属薄膜の蒸着を行い、その後前記基板を熱処理して金属を自己組織化させることによって、ランダムナノピラー構造を前記基板上に形成させる方法である。

従来のナノピラーは形状が一定のものに揃えられているのに対して、本発明のナノピラーはランダムピラーであるという違いがある。そのため、フィルタレーション（ろ過）のような用途に適したものとなる。
従来法ではナノスタンピング等で樹脂材料にナノピラーを形成していた。しかし、ＤＮＡを抽出する場合は樹脂材料チップでは２００度滅菌操作に耐えられず、変形などを起こす場合がある。

また、石英を用いたナノピラーチップでは、分析時間が長くなることや、酸（フッ酸）やアルカリ等の溶媒に曝された場合ナノピラーに劣化が起こることで分離機能が損なわれるという恐れがあり、耐薬品性に問題があった。
それに対し、本発明でナノピラーの材料として金属を用いるので、従来品に比べ高温（２００度）の滅菌処理や高い耐有機溶媒性、耐酸性、耐アルカリ性、耐薬品性、耐熱性をもち、連続分析や耐久性の面で非常に優れた効果を有する。

特に金属として金又は白金を用いた場合には耐薬品性が特にすぐれている。
そのようなマイクロチップは生体高分子分離装置として利用することができる。
本発明の製造方法によれば、基板へ金属薄膜を蒸着し、その後熱処理するだけでランダムナノピラー構造を容易に形成させることができる。

本発明でのナノピラーの一実施例をその製造法とともに説明する。
図１（Ａ）に示すように、ナノピラーを形成するマイクロチップは、ベースとなる石英製の下基板１０にマイクロ流路（深さ１５０ｎｍ）を、例えばリソグラフィーとエッチングなどによって形成する。
基板１０の流路内に、金を２０ｎｍの厚さになるように蒸着する。このとき、金属マスクなどのマスクを用いることにより、流路部分２０のみに金を蒸着するようにする。

次に窒素雰囲気下で基板１０を６００℃で１時間熱処理して、金の自己組織化により基板１０の流路内にランダムナノピラー構造を形成させる。
基板１０には、流路２０の拡大図（Ｂ）のようなランダムナノピラーが形成された。
サンプル入り口１２及び出口１４が形成されたカバーガラス１６を基板１０の流路形成面にフッ酸接合により密着して接合し、マイクロチップ基板とした。
カバーガラス１６へのサンプル入り口１２及び出口１４は、サンドブラスト法などによって形成した。

本発明の製造条件は、上記記載の内容には限定されない。例えば、金薄膜の厚さが１０ｎｍ、熱処理温度が４００℃の場合も金の自己組織化によってナノピラーが形成される。しかし、蒸着膜の厚さが厚すぎるとナノピラーは形成されなくなる。例えば、金薄膜の厚さが８５ｎｍとなると、熱処理温度が６００℃でも、ナノピラーは形成されない。
ナノピラーの形成条件としては、金薄膜の厚さに関しては５０ｎｍ以下の場合が好ましく、熱処理温度に関しては金薄膜の厚さが大きくなる程、高い温度が必要になる傾向を示している。

図２は基板に金薄膜を１０ｎｍ蒸着し、その後４００℃で１時間熱処理したあとの表面形状のＡＦＭ（原子間力顕微鏡）画像を示している。図２の尺度は縦及び横が０〜５μｍ、高さが０〜１８８ｎｍになるように表示してある。図中のピラーは幅が３００〜５００ｎｍ、高さが２０〜２００ｎｍで形状も大きさも不揃いのランダムナノピラー構造である。

図３は金薄膜を２０ｎｍ蒸着し、その後６００℃で１時間熱処理したあとの表面形状のＡＦＭデータを示している。図３の尺度は縦及び横が０〜３０μｍ、高さが０〜１５０ｎｍになるように表示してある。１つのピラーの幅が１〜２μｍ、高さが２０〜２００ｎｍであるランダムナノピラー構造である。

図４は図３の条件で製造したナノピラーをほぼ垂直上側から観察したＡＦＭ画像である。
図５は図４中の線Ａ−Ｂと線Ｃ−Ｄの断面形状を示している。図６及び図７の上側の図は図４中の線Ａ−Ｂと線Ｃ−Ｄの線に沿った表面粗さ、下側の図は表面の凹凸を周波数分布として表したものである。
図５〜７より、本発明によって形成されたナノピラーは高さが５０〜１７０ｎｍで変動し、間隔も不揃いのランダム構造であることがわかる。

図８は金薄膜を８５ｎｍの厚さに蒸着し、その後６００℃で１時間熱処理したあと、表面形状を基板のほぼ垂直上側から観察したものである。図８の尺度は縦及び横が０〜１．２５μｍ、高さが０〜１０ｎｍになるように表示してある。
図９は図８中の線Ａ−Ｂと線Ｃ−Ｄの断面形状を示している。図１０及び１１の上側の図は図８中の線Ａ−Ｂと線Ｃ−Ｄの線に沿った表面粗さ、下側の図は表面の凹凸を周波数分布として表したものである。
図９〜１１より、形成された金属の高さは０〜３ｎｍで、ピラーは形成されておらず、平坦な表面に近いものとなっていることがわかる。

本発明のマイクロチップ基板の流路には金のピラーが形成されているため、このマイクロチップ基板は耐熱、滅菌、耐有機溶媒製、耐酸性及び耐アルカリ性などの性質を有している。このことから、マイクロチップの高温による滅菌作用には問題は生じない。
この性質を利用し、マイクロチップ基板を生体高分子装置に組み込み、流路中のフィルターとして用いると、μＴＡＳ(Micro Total Analysis Systems)や電気泳動チップなどに応用することができ、例えば、ＤＮＡやタンパク質の分離などを行なうことが可能な装置とすることができる。

実施例の説明では金属ナノピラーを形成する際に金蒸着を行なったが、白金で同様の操作を行なった場合も、基板上にランダムナノピラーが自己組織化し、金で行なった場合と同様の結果が得られた。

ナノピラーをマイクロチップ中のフィルターとして用いることで、生体高分子の分離を行なうために利用することができる。

（Ａ）はマイクロチップ基板の分解斜視図であり、（Ｂ）はランダムナノピラー構造が形成された流路部分の拡大平面図である。 金による一実施例のナノピラーのＡＦＭ画像（金膜厚１０ｎｍ）である。 金による他の実施例のナノピラーのＡＦＭ画像（金膜厚２０ｎｍ）である。 図３のナノピラーをほぼ垂直方向から観察したＡＭＦ画像である。 図４中のＡ−Ｂ，Ｃ−Ｄ断面におけるピラーの断面形状図である。 上側の図は図４中のＡ−Ｂ断面におけるピラーの表面粗さ図、下側の図は表面の凹凸分布図である。 上側の図は図４中のＣ−Ｄ断面におけるピラーの表面粗さ図、下側の図は表面の凹凸分布図である。 金膜厚８５ｎｍとした場合の熱処理後の表面のＡＦＭ画像である。 図８中のＡ−Ｂ，Ｃ−Ｄ断面におけるピラーの断面形状図である。 上側の図は図８中のＡ−Ｂ断面におけるピラーの表面粗さ図、下側の図は表面の凹凸分布図である。 上側の図は図８中のＣ−Ｄ断面におけるピラーの表面粗さ図、下側の図は表面の凹凸分布図である。

符号の説明

１０ マイクロチップ基板
１２ 試料導入穴
１４ 試料排出穴
１６ カバーガラス
２０ ナノピラー形成流路

Claims (5)

1. 金属製で、複数の形状が混在したランダムピラー構造を含むナノピラー。
2. 前記金属は自己組織化する金属である請求項１に記載のナノピラー。
3. 前記金属は金又は白金である請求項２に記載のナノピラー。
4. 基板内部に流路が形成され、前記流路の少なくとも一部を遮って請求項１から３のいずれかに記載のナノピラーが設けられていることを特徴とするマイクロチップ。
5. 請求項１から３のいずれかに記載のナノピラーの製造法であって、基板へ自己組織化する金属薄膜を数十ｎｍ以下の厚さに蒸着法によって形成するステップと、その後前記基板を熱処理して金属を自己組織化させるステップとを備えていることを特徴とするナノピラー製造方法。