JP2006177878A

JP2006177878A - 光導波路を用いた蛍光分析用バイオチップ及びそれを用いたバイオチップモジュール

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Publication number: JP2006177878A
Application number: JP2004373546A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Okubo; 博行大久保
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2006-07-06

Abstract

【課題】充分な蛍光強度が得られ、かつ、小型な蛍光分析用バイオチップ及びそれを用いたバイオチップモジュールを提供するものである。
【解決手段】本発明に係る蛍光分析用バイオチップは、主としてDNA或いはRNAの塩基の同定に用いられ、DNA或いはRNAを含んだ試料溶液と色素溶液の混合液の流路１２０がチップ本体に形成されたものであり、チップ本体に、屈折率の高いコア１０２と屈折率の低いクラッド１０３を有し、蛍光分析のための励起光を導波させる光導波路１０４を設け、その光導波路１０４の少なくとも一部を、流路１２０と近接し、かつ、並行する結合領域１１１としたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、主としてDNA或いはRNAの塩基の同定に用いる蛍光分析用バイオチップに関するものである。

従来、液体試料におけるDNA（デオキシリボ核酸）或いはRNA（リボ核酸）の含有量を測定する方法として、バイオチップによる方法が知られている（非特許文献１参照）。

従来のバイオチップとして、図６〜図９に示すような構成のものがある。

図６に示すように、バイオチップモジュールの、ソルベント注入口３０１からDNA或いはRNAを含んだ試料溶液Ｓ１が注入され、色素溶液注入口３０２からローダミンとエタノールとを１：１、２：１、３：１のいずれかの混合比で混ぜた色素溶液Ｓ２が注入される。

それら試料溶液Ｓ１と色素溶液Ｓ２はバイオチップモジュールの混合領域３０３で混合される。図７は、図６における要部６７のＸ−Ｚ面断面図である。チップ本体３６２と蓋部材３６１とで囲まれた空間部である混合領域３０３は、溝深さの深いチャネル３０６で形成されており、このチャネル３０６によって、試料溶液Ｓ１と色素溶液Ｓ２は速やかに混合される。

混合された試料溶液Ｓ１及び色素溶液Ｓ２（以下、混合液という）は、レーザキャビティ領域３０４に導入される。図８は、図６における要部６８のＸ−Ｚ面断面図である。混合領域３０３と連通して形成されるレーザキャビティ領域３０４は、混合領域３０３のチャネル３０６よりも溝深さの浅いチャネル３０７で形成される。

図９は、従来のバイオチップモジュールのレーザキャビティ領域における断面図である。シリコン基板４０８に形成された混合領域３０３は、深くエッチングされた領域であり、高アスペクト比チャネルになっている。高アスペクト比チャネルを形成するため、シリコン基板４０８上には、SU-8などの重合体４０５の層が設けられ、これによりチップ本体が構成される。ここで言う高アスペクト比とは、混合領域３０３のチャネル深さ（図９中では上下方向）とチャネル幅（図９中では左右方向）の比率（深さ/幅）が大きいことを意味している。レーザキャビティ領域３０４におけるシリコン基板４０８の上面には、下部鏡面４０７が設けられる。

チップ本体における混合領域３０３などの形成面側（図９中では上側）に蓋部材が設けられ、これによりバイオチップモジュールが構成される。蓋部材は、パイレックス（登録商標）ガラス製の蓋本体４０３で構成され、チップ本体側（図９中では下側）にPMMA（Poly Methyl Meth Acrylate：ポリメチルメタアクリレート）層４０４を有する。蓋本体４０３とPMMA層４０４の境界部における下部鏡面４０７と対向する位置に、ハーフミラーである上部鏡面４０１が設けられる。

混合領域３０３からレーザキャビティ領域３０４へ導入された混合液は、蓋本体４０３の斜め上方から入射される励起光（Pumping Laser Light）Ｌ１により励起され、レーザキャビティ領域３０４において蛍光発光する。

その蛍光発光した光は、上部鏡面４０１と下部鏡面４０７との間で共振し、光強度が強められ、色素レーザ光Ｌ２としてバイオチップモジュールの垂直上方に出射され、光検出器４１０により測定される。その後、混合液は、排出部４０６を経由して排出される。

BIOPHOTONICS INTERNATIONAL,Dec.2003,p.50〜51

従来のバイオチップモジュールは、蛍光発光した光を、レーザキャビティ領域３０４の厚み方向（図９中では上下方向）に共振させていたために、充分な蛍光強度を得ることができなかった。

また、従来のバイオチップモジュールでは、バイオチップモジュールの斜め上方から励起光Ｌ１を照射すると共に、バイオチップモジュールの上方に色素レーザ光Ｌ２を出射させ、その光Ｌ２を光検出器４１０によって検出していた。このため、バイオチップモジュールとしては、バイオチップの他に、励起光用レーザ光源及び光検出器４１０が必要となるため、バイオチップモジュール全体の装置構成が大きくなるという問題があった。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、充分な蛍光強度が得られ、かつ、小型な蛍光分析用バイオチップ及びそれを用いたバイオチップモジュールを提供することにある。

上記目的を達成すべく本発明に係る蛍光分析用バイオチップは、主としてDNA或いはRNAの塩基の同定に用いられ、DNA或いはRNAを含んだ試料溶液と色素溶液の混合液の流路がチップ本体に形成された蛍光分析用バイオチップにおいて、上記チップ本体に、屈折率の高いコアと屈折率の低いクラッドを有し、蛍光分析のための励起光を導波させる光導波路を設け、その光導波路の少なくとも一部を、上記流路と近接し、かつ、並行する結合領域としたものである。

ここで、光導波路のコア屈折率は、混合液の屈折率とほぼ等しく調整される。

チップ本体は、基板上に設けたクラッドの層と、そのクラッド層内部に設けたコアとで構成され、そのクラッド層の表面に流路が形成される。

一方、本発明に係るバイオチップモジュールは、前述した蛍光分析用バイオチップを用いたバイオチップモジュールであって、バイオチップの流路の、結合領域よりも下流側の位置に、その他の部分よりも溝深さの浅い間隙部を形成し、この間隙部を流れる上記混合液に臨んで光検出手段を設けたものである。

また、本発明に係るバイオチップモジュールは、前述した蛍光分析用バイオチップを用いたバイオチップモジュールであって、バイオチップの流路の、結合領域よりも下流側の位置に、流路を流れる上記混合液に臨んで光検出手段を設けたものである。

ここで、光検出手段は、バイオチップの流路形成面を覆う蓋部材に埋設することが好ましい。

本発明の蛍光分析用バイオチップによれば、励起光が導波される光導波路のコアと流路を流れる混合液の間で光電力を１００％結合させるため、混合液中の塩基を充分な蛍光強度で発光させることができるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

本発明の好適一実施の形態に係る蛍光分析用バイオチップの上面図を図１に示す。また、図１の２−２線断面図を図２に、図１の３−３線断面図を図３に示す。

図１に示すように、本実施の形態に係る蛍光分析用バイオチップは、主としてDNA或いはRNAの塩基の同定に用いるもので、流路１２０と光導波路１０４を備えている。チップ本体は、図２，図３に示すように、基板１０１上にクラッド層１０３を設けてなる。流路１２０は、このチップ本体（クラッド層１０３）の表面に形成される。また、光導波路１０４は、クラッド層１０３と、そのクラッド層１０３の最下部に設けられた（クラッド層１０３の内部に配置され、かつ、基板１０１とクラッド層１０３の境界面に臨んで設けられた）コア１０２とで構成される。クラッド層１０３の表層には、高アスペクト比チャネルを形成するべく、SU-8やPMMAの層（図示せず）が設けられる。

流路１２０は、流れ方向上流側から順に、塩基を含んだ試料溶液を注入し流すための第１注入部１０５及び色素溶液を注入し流すための第２注入部１０６と、試料溶液と色素溶液の混合液が流れる合流路１０８と、合流路１０８を経て導入された混合液の蛍光強度を測定するための領域である間隙部（光検出部）１０９と、混合液を排出するための排出部１１０とを有する。第１注入部１０５と第２注入部１０６は交差合流部１０７において交差合流し、１本の流路（合流路１０８）となる。間隙部１０９の溝深さは、流路の他の部分（第１注入部１０５、第２注入部１０６、合流路１０８、及び排出部１１０）よりも浅く形成される。例えば、第１注入部１０５、第２注入部１０６、合流路１０８、及び排出部１１０は溝深さが５０μｍの高アスペクト比チャネル、間隙部１０９は溝深さが１０μｍの低アスペクト比チャネルとされる。

また、光導波路１０４は、蛍光分析のための励起光が導波される。光導波路１０４は、合流路１０８（流路）と近接し、かつ、その長手方向に並行する結合領域１１１を少なくとも１箇所以上有する。光導波路１０４のコア１０２は、その屈折率が混合液の屈折率とほぼ同じになるように調整される。これによって、結合領域１１１において、光導波路１０４と合流路１０８が光結合による方向性結合器を形成する。結合領域１１１の長さは例えば１ｍｍとされ、また、この結合領域１１１における光導波路１０４と合流路１０８の離間距離は、コア寸法（コア幅）と同程度の距離が好ましく、例えば約６μｍとされる。ここで、結合領域１１１の長さは、後述する光電力の結合が１００％となるように設計段階で微調整され、例えば、数μｍから数ｍｍの間で任意に選択される。

第１注入部１０５に試料溶液の注入手段が、第２注入部１０６に色素溶液の注入手段がそれぞれ接続され、また、光導波路１０４に励起光発振手段が光学的に接続される。

本実施の形態に係る蛍光分析用バイオチップは、例えば、以下に示すような工程を経て作製される。先ず、図２、図３に示したように、例えば石英で構成される基板１０１上に、例えばSiO₂−GeO₂で構成されるコア膜をプラズマCVD法により成膜し、そのコア膜の上面にマスク（例えば、WSi膜）を成膜する。このWSi膜の上面にフォトリソグラフィ、ドライエッチングを順次施し、リッジ状のコア１０２が形成される。このコア１０２に熱処理を施すことにより、不純物成分が除去され、微視的なガラス構造を有する安定した膜が得られる。

次に、リッジ状のコア１０２上に、コア１０２と同様にプラズマCVD法を用いてクラッド層１０３を成膜する。このクラッド層１０３に熱処理を施すことでチップ本体が得られ、クラッド層１０３の内部にコア１０２を有する光導波路１０４が形成される。

ここで、光導波路１０４のコア１０２の屈折率は、合流路１０８を流れる混合液の屈折率とほぼ等しくする必要があるため、コア膜の構成材料としては、SiO₂に例えばTa₂O₅、Nb₂O₅、GeO₂などの酸化物をドーピングしたもの、LiNbO₃単体、又はLiNbO₃に各種ドーパントをドーピングしたものなどが挙げられる。コア膜の屈折率が混合液の屈折率とほぼ等しくなるように、ドーパントのドーピング量がコントロールされる。また、クラッド１０３は、コア１０２よりも屈折率の低い材料で形成される。

次に、成膜されたクラッド層１０３上にマスク（例えば、WSi膜）を成膜する。このWSi膜の上面にフォトリソグラフィ、ドライエッチングを順次施し、チップ本体に、基板１０１にまで達する深さの第１注入部１０５、第２注入部１０６、合流路１０８、及び排出部１１０が形成される。また、同様の方法を用い、チップ本体に、第１注入部１０５などよりも溝深さの浅い間隙部１０９が形成される。これによって、蛍光分析用バイオチップが得られる。

この蛍光分析用バイオチップの上面に蓋部材１１５を設けることで、バイオチップモジュールが得られる。蛍光分析用バイオチップ及び蓋部材１１５は、接着層１１６を介して貼り合わされる。蓋部材１１５には光検出手段１１４が一体に設けられており、蓋部材１１５の下面の間隙部１０９と対向する位置に光検出手段１１４が埋設される。つまり、光検出手段１１４は、溝深さの浅い間隙部１０９を流れる混合液に臨んで配置される。光検出手段１１４としては、後述する蛍光強度を測定できるものであれば特に限定するものではなく、例えば、図９に示した光検出器４１０などが適用可能である。また、蓋部材１１５は、例えば、パイレックス（登録商標）ガラス製の蓋本体で構成される。その蓋本体のチップ本体側（図２，３中では下側）の表層には、例えば、PMMA層（図示せず）が設けられる。

次に、本実施の形態に係る蛍光分析用バイオチップの作用について説明する。

まず、励起光が光導波路１０４に導入される。また、第１注入部１０５の注入口からは塩基を含んだ試料溶液が注入され、第２注入部１０６の注入口からはローダミンとエタノールが一定の混合比で混合された色素溶液が注入される。試料溶液と色素溶液は交差合流部１０７で混合されて混合液となる。この混合液中において、試料溶液中の塩基が色素溶液中の色素と反応する。その後、混合液は、合流路１０８、間隙部１０９を経て排出部１１０へと達し、排出される。

本実施の形態に係る蛍光分析用バイオチップにおいては、光導波路１０４のコア１０２の屈折率と塩基を含んだ混合液の屈折率が略等しくなるように、コア１０２の屈折率を調整している。また、光導波路１０４と合流路１０８が近接し、並行する結合領域１１１の長さを、光導波路１０４のコア１０２と合流路１０８を流れる混合液の間で光電力の結合が生じるように調整している。つまり、本実施の形態に係る蛍光分析用バイオチップは、従来のバイオチップの構造に、光導波路及び方向性結合器を付加した構造となっている。光導波路１０４と合流路１０８の結合領域１１１が方向性結合器として機能することから、光導波路１０４のコア１０２と合流路１０８を流れる混合液の間で光電力の結合が生じる。

その結果、光導波路１０４のコア１０２に導入された励起光は、結合領域１１１において、光のモード結合によって、合流路１０８を流れる混合液側に１００％光結合される。このため、コア１０２を伝搬する励起光の光電力は、全て、結合領域１１１において合流路１０８を流れる混合液に移行（移動）する。よって、混合液中の、DNA或いはRNAと反応した色素に反応する塩基は十分な光強度の励起光で照射されるため、充分な蛍光強度が得られ、例えば従来の１０倍以上の大きな蛍光強度となる。なお、第１注入部１０５の注入口からアミノ酸又はタンパク質を注入し、第２注入部１０６から、相当する色素溶液を注入することにより、アミノ酸又はタンパク質の定量評価を行うこともできる。

合流路１０８で充分に蛍光発光した混合液中の塩基、アミノ酸、又はタンパク質は、間隙部１０９へ導入される。蛍光発光した塩基が間隙部１０９を通過する際、その蛍光強度が光検出手段１１４によって検出、測定される。この時、混合液中の塩基が、充分な蛍光強度で発光しているため、混合液中の塩基を精度よく検出、判別することができ、従来よりも大きなダイナミックレンジで定量評価を行うことができる。

また、本実施の形態に係る蛍光分析用バイオチップによれば、光導波路１０４をチップ本体内部に設けており、その光導波路１０４を励起光が導波するため、励起光に外的要因による影響が及ぶおそれはない。よって、信頼性（分析精度）の高い蛍光分析用バイオチップが得られる。

一方、本実施の形態に係る蛍光分析用バイオチップを用いたバイオチップモジュールによれば、光検出手段１１４は、蓋部材１１５に埋め込まれており、蓋部材１１５と一体に設けられている。このため、本実施の形態のバイオチップモジュールは、図９に示したバイオチップモジュールと比べて装置構成を大幅に小さくすることができると共に、図９に示した光検出器４１０のようにバイオチップに対する位置合わせを行う必要がない。

また、本実施の形態のバイオチップモジュールは、従来のバイオチップモジュールのように、レーザキャビティ領域において十分な強度を得るために、蛍光発光した光を共振させる必要がない。このため、図９に示した上部鏡面４０１、下部鏡面４０７などの部材が不要となり、装置構成がより簡易で、安価なバイオチップモジュールとなる。

次に、本発明の他の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

本発明の他の好適一実施の形態に係る蛍光分析用バイオチップの上面図を図４に示す。また、図４の５−５線断面図を図５に示す。尚、図１〜図３と同様の部材には同じ符号を付しており、これらの部材については説明を省略する。

図４に示すように、本実施の形態に係る蛍光分析用バイオチップは、図１〜図３に示した前実施の形態に係る蛍光分析用バイオチップと略同様の構成であるが、流路１４０が間隙部を有していない点で異なる。また、本実施の形態に係る蛍光分析用バイオチップを用いたバイオチップモジュールは、前実施の形態に係る蛍光分析用バイオチップを用いたバイオチップモジュールと、光検出手段１１４の埋設位置が異なる。

流路１４０は、流れ方向上流側から順に、第１注入部１０５及び第２注入部１０６と、合流路１０８と、合流路１０８を経て導入された混合液を排出するための排出部１１０とを有する。流路１４０の各部は全て同じ溝深さとされ、例えば、溝深さが５０μｍの高アスペクト比チャネルとされる。

バイオチップモジュールの蓋部材１１５には光検出手段１１４が一体に設けられており、蓋部材１１５の下面の、合流路１０８における結合領域１１１のすぐ下流部と対向する位置に光検出手段１１４が埋設される。つまり、光検出手段１１４は、合流路１０８における結合領域１１１のすぐ下流を流れる混合液に臨んで配置される。

本実施の形態に係る蛍光分析用バイオチップにおいても、前実施の形態に係る蛍光分析用バイオチップと同様の作用効果が得られる。

また、本実施の形態に係る蛍光分析用バイオチップによれば、流路１４０が全て同じ溝深さであり、図２に示した間隙部１０９を必要としないことから、その製造プロセスが、前実施の形態に係る蛍光分析用バイオチップの製造プロセスと比較して、より簡易となる。よって、本実施の形態に係る蛍光分析用バイオチップは、前実施の形態に係る蛍光分析用バイオチップよりも安価に製造することができる。

さらに、本実施の形態に係る蛍光分析用バイオチップを用いたバイオチップモジュールは、光検出手段１１４を、合流路１０８における結合領域１１１のすぐ下流の部分に設けている。この位置に設けた光検出手段１１４を用いることで、励起光により結合領域１１１において蛍光発光された混合液中の塩基の蛍光強度を、蛍光発光直後に検出することができる。よって、効率のよい蛍光強度の検出が可能となる。

本実施の形態においては、蛍光分析用バイオチップの製造プロセスをより簡易にするために、流路１４０が間隙部を有さない場合について説明を行ったが、流路１４０の光検出手段１１４と対向する位置に間隙部を設けるようにしてもよい。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。

本発明の好適一実施の形態に係る蛍光分析用バイオチップを用いたバイオチップモジュールの上面図である。図１の２−２線断面図である。図１の３−３線断面図である。本発明の他の好適一実施の形態に係る蛍光分析用バイオチップを用いたバイオチップモジュールの上面図である。図４の５−５線断面図である。従来のバイオチップの平面概略図である。図６における要部６７のＸ−Ｚ面断面図である。図６における要部６８のＸ−Ｚ面断面図である。従来のバイオチップモジュールのレーザキャビティ領域における断面図である。

符号の説明

１０２コア
１０３クラッド
１０４光導波路
１１１結合領域
１２０流路

Claims

主としてDNA或いはRNAの塩基の同定に用いられ、DNA或いはRNAを含んだ試料溶液と色素溶液の混合液の流路がチップ本体に形成された蛍光分析用バイオチップにおいて、上記チップ本体に、屈折率の高いコアと屈折率の低いクラッドを有し、蛍光分析のための励起光を導波させる光導波路を設け、その光導波路の少なくとも一部を、上記流路と近接し、かつ、並行する結合領域としたことを特徴とする光導波路を用いた蛍光分析用バイオチップ。
上記光導波路のコア屈折率を上記混合液の屈折率とほぼ等しく調整した請求項１記載の光導波路を用いた蛍光分析用バイオチップ。
上記チップ本体が、基板上に設けた上記クラッドの層と、そのクラッド層内部に設けた上記コアとで構成され、そのクラッド層の表面に上記流路を形成した請求項１又は２記載の光導波路を用いた蛍光分析用バイオチップ。
請求項１から３いずれかに記載の光導波路を用いた蛍光分析用バイオチップを用いたバイオチップモジュールであって、上記バイオチップの流路の、上記結合領域よりも下流側の位置に、その他の部分よりも溝深さの浅い間隙部を形成し、この間隙部を流れる上記混合液に臨んで光検出手段を設けたことを特徴とするバイオチップモジュール。
請求項１から３いずれかに記載の光導波路を用いた蛍光分析用バイオチップを用いたバイオチップモジュールであって、上記バイオチップの流路の、上記結合領域よりも下流側の位置に、流路を流れる上記混合液に臨んで光検出手段を設けたことを特徴とするバイオチップモジュール。
上記光検出手段を、上記バイオチップの流路形成面を覆う蓋部材に埋設した請求項４又は５記載のバイオチップモジュール。