JP2006300726A

JP2006300726A - フォトニック結晶集積型分離・計測デバイス

Info

Publication number: JP2006300726A
Application number: JP2005122735A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Misawa; 弘明三澤; Tsuguo Ueno; 貢生上野
Original assignee: Hokkaido University NUC
Current assignee: Hokkaido University NUC
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】効率的にサンプル中の成分を分離、検出することができる。
【解決手段】光導波路とサンプルを流すマイクロ流路を備えたマイクロ流路チップであって、前記光導波路と前記マイクロ流路の交叉領域にナノピラーフォトニック結晶構造を有し、マイクロ流路中の前記交叉領域の上流にナノピラー構造物を有する分離場を備えることを特徴とするマイクロ流路チップ。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ流路チップ及びマイクロ分析装置に関する。

サンプル中の物質をシリカやアルミナなどを充填したカラムを用いて、液体クロマトグラフィーにより分離し、光吸収や質量分析により検出する場合、比較的大型の装置や多量の試薬が必要となる。

マイクロ流路中（キャピラリーやマイクロチップ）において、電気泳動により蛍光標識した成分の分離を行う方法が知られている（例えば、特許文献１〜３）。

しかしながら、このような方法では分離対象物質を予め蛍光標識しておく必要があり、操作が煩雑であった。
特開２００４−３１７３４０号公報特開２００４−３２５３０４号公報特開２００２−３２３６３１号公報

本発明は、サンプル中の成分の分離及び検出を行うことができるマイクロ流路チップ及びマイクロ分析装置を提供することを目的とする。

本発明は、以下のマイクロ流路チップ及びマイクロ分析装置を提供するものである。
１．光導波路とサンプルを流すマイクロ流路を備えたマイクロ流路チップであって、前記光導波路と前記マイクロ流路の交叉領域にナノピラーフォトニック結晶構造を有し、マイクロ流路中の前記交叉領域の上流にナノピラー構造物を有する分離場を備えることを特徴とするマイクロ流路チップ。
２．マイクロ流路チップを構成する基板の材質がSOI基板（Si基板上にSiO₂層とSi層を形成した基板）であることを特徴とする、項1記載のマイクロ流路チップ。
３．マイクロ流路のサイズが、幅1000μm以下、深さ100μm以下であることを特徴とする、項１記載のマイクロ流路チップ。
４．前記ナノピラー構造物の幅または直径が50〜300nm程度であることを特徴とする項１記載のマイクロ流路チップ。
５．前記ナノピラー構造物がイオン交換基を有し、対象サンプルに対しイオン交換機能を具備することを特徴とする、項１記載のマイクロ流路チップ。
６．前記交叉領域に2次元ナノピラーフォトニック結晶構造を有することを特徴とする、項1から項５のいずれかに記載のマイクロ流路チップ。
７．前記交叉領域に形成された2次元ナノピラーフォトニック結晶のピラーの幅または直径が200〜300nm程度、ピラー構造間距離が1μm以下であることを特徴とする、項６記載のマイクロ流路チップ。
８．流路中を流れるサンプルに対し、分離と検出を一括して行うことが出来る項１〜７のいずれかに記載のマイクロ流路チップ。
９．項１〜８のいずれかに記載のマイクロ流路チップ、サンプルのマイクロ流路への供給手段、光導波路から放出される光を分光分析する分光分析装置、光導波路に光を供給する光源を備えたマイクロ分析装置。

マイクロ流路中にナノピラー構造物を作製し、このナノ構造物を用いてサンプル中の成分を分離し、その下流にあるナノピラーフォトニック結晶構造により成分の検出を行うことで、高い分解能を有する分離・精製システムを構築する。この方法は、ナノピラー構造に様々な化学修飾を行うことにより、吸着クラマトグラフィーやイオン交換クロマトグラフィーの原理に基づくサンプル中の多様な成分の分離・分析に応用が可能である。一方、溶液の流れに直交してプローブ光を導入することにより、ナノピラー構造物を分離場として用いるだけでなく、光検出のためのフォトニックデバイスとして分離した成分を高感度にセンシングするシステムに応用することができる。光検出の原理は、フォトニックバンドギャップの欠陥（フォトニック結晶中の任意に作製した欠陥構造による）に基づく線幅の小さいスペクトルが、媒体の屈折率変化により鋭敏にシフトすることを利用して行う。マイクロ流路に直交したプローブ光の導入は、チップ内に光導波路を集積することにより可能となり、高い技術と機能が集積した分離・光検出デバイスになるものと期待される。

また、DNAなどの分離に応用する場合、従来法の電気泳動に比べてゲルフリー且つ色素フリーで分離・検出することが可能である特徴を有する。したがって、蛍光色素による前処理等を省くことが出来るため、一枚のチップ上に分離と光センシングが同時に行うことが可能なシステムが構築でき、さらにデバイスを小型化することが出来るのも特徴の一つである。
さらに、従来の液体クロマトグラフィーによる検出に比べて、本発明では分離するためのサンプルや溶媒それに伴う廃液量を低減することが可能である。

本発明において、マイクロ流路は、分離対象となる物質を含むサンプルを流すものである。サンプルは、ポンプ（Ｐ）などの装置により送液されても良く、マイクロ流路の両端の貯留槽において電場をかけて電気泳動的にサンプル中の分離対象物質をマイクロ流路において移動させても良い。

本発明のチップは、光導波路を含む。この光導波路は、マイクロ流路と交叉（好ましくは直交）し、該交叉領域（検出場）にはナノピラーフォトニック結晶構造（光学素子）が形成されている。また、マイクロ流路の前記交叉領域の上流には、サンプル中の成分を分離するための分離場が設けられている。

本発明のマイクロ流路チップは、光導波路とサンプルを流すマイクロ流路を備えたマイクロ流路チップの基板の上部を覆う蓋材を設けるのが望ましい。

基板の素材としては、特に限定されないが、例えばＳＯＩ基板（Si基板上にSiO₂層とSi層を形成した基板）などのシリコン系の材料を使用することができる。

基板の上部を覆う蓋材としては、ガラス（例えばパイレックス（登録商標）ガラス）を好ましく使用できる。蓋材と基板との接着は、例えば蓋材がガラスで基板がＳＯＩなどのシリコン系の材料或いは金属等の場合には、陽極接合によって好ましく実施することができる。或いは、陽極接合に代えて、光または熱硬化性樹脂により接着してもよい。陽極接合により基板と蓋材を接合する場合、基板と蓋材の熱膨張率が近似しているのが好ましい。例えば基板としてＳＯＩ基板を使用した場合、蓋材にはパイレックス（登録商標）ガラスを好ましく使用できる。

検出場を構成するフォトニック結晶構造は、欠陥（周期構造の乱れ）を有する。この欠陥の存在により、フォトニックバンドギャップの範囲内の非常に狭い領域の波長のみを透過させる。検出場に流入する溶液中にサンプル中の成分が存在すると、前記透過光のピークが敏感にシフトするため、サンプルからの分離成分の存在を検出できる。

検出場のフォトニック結晶は、ナノピラー構造を有するのが好ましい。ナノピラーフォトニック結晶の各ナノピラーのサイズ（幅または直径）は200〜300nm程度、ピラー構造間距離は1μm以下、ピラーの高さは5〜10μｍ程度であるのが好ましい。ナノピラーのサイズ及び間隔により透過光の波長が決められるので、上記のようなサイズ及び間隔が好ましい。

結晶場のフォトニック結晶の材質としては特に限定されないが、例えばシリコンまたはシリコン酸化物などが好ましく例示される。

マイクロ流路中の分離場には、ナノピラー構造物が配置される。該ナノピラー構造物は、微細加工技術により精密に設計することが可能であるため、分離場の空隙率を制御することにより、流体の圧力損失と分離分解能を最適化できる。

マイクロ流路のサイズは、幅1000μm以下、好ましくは500μm以下、より好ましくは100μm以下であり、深さ100μm以下、好ましくは50μm以下、より好ましくは10μm以下である。

ナノピラー構造物は、サブマイクロメートルまたはそれ以下のサイズを有するのが好ましい。個々のピラーのサイズ（幅または直径）は50〜300nm程度、ピラー構造間距離は1μm以下程度、ピラーの高さは5〜10μｍ程度である。

フォトニックバンドギャップの波長は、媒体の屈折率、格子定数や周期に大きく依存する。そのためサブマイクロメートルの加工が本発明では重要となる。また、分離場においては、ナノピラーのサイズが分離分解能に依存する。吸着サイトが大きい、つまり、比表面積が大きいサブマイクロメートルのピラー構造を用いることにより、マイクロメートルオーダーのピラー構造に比べて分離能も向上する。

分離部のナノピラー構造物の材質は、特に限定されないが、シリコン或いはシリコン酸化物などが挙げられ、好ましくはシリコンが挙げられる。

ナノピラー構造物は、化学的に修飾することができ、種々の官能基を付与することができる。

例えば、基板としてSOI基板を使用し、電子線リソグラフィー／ICPドライエッチングにより、分離場及び検出場のナノピラー構造を作製することができる。この場合、シリコン層表面の自然酸化膜（SiO₂）層の表面のOH基に種々のシランカップリング剤を反応させて、カチオン基（特にアンモニウム）或いはアニオン基（例えばスルホン酸、カルボン酸等）を導入し、イオン交換能を付与することができる。また、C18等の疎水性官能基を導入することで、種々の物質の分離能を改善することができる。ナノピラー構造物の表面修飾法は、公知の方法に従い容易に実施できる。

光導波路を通る光は、前記交叉領域（検出場）を通過し、光検出器に導かれ、これにより前記交叉領域に達した物質を分析することができる。

光導波路は、屈折率の高いコアを屈折率の低いクラッドで覆うことにより、全反射が起こり、光を内部に閉じこめている。光導波路に導入される光は、通常赤外光が使用される。赤外光の波長（または波数）としては、1500〜2000 nm（または5000〜6667cm^-1）が好ましく使用できる。

本発明の好ましい１つの実施形態において、光導波路はＳＯＩ基板の表面のシリコン層がコアとなって、下方向は酸化シリコン層、上方向は接着したガラス製の蓋材（例えばパイレックス（登録商標）ガラス）または空気、左右はエッチングにより加工した空間（空気）がクラッドになる。

本発明の一つの実施形態において、前記分離場で分離された成分が複数のナノピラーを有するフォトニック結晶構造からなる検出場に到達すると、フォトニック結晶を透過したプローブ光のスペクトルから得られるフォトニックバンドギャップあるいはフォトニック結晶の欠陥構造（任意に設計可能）に由来した鋭いピークを持つスペクトルは、分離された成分の存在下における屈折率の変化に基づきシフトする。このスペクトルのシフトを光検出器で検出することにより、ナノピラーフォトニック結晶構造に到達した成分の定量分析が可能になる。例えば、DNAなどのサンプルを一枚のチップ上で分離・検出することが可能である。また、本手法は蛍光色素などを必要としないため、サンプルの前処理などをすることなく、分離・検出を行うことができる。

また、マイクロチップ上で、分離された成分をフォトニック結晶により光検出することで、システム全体の小型化を図ることができる。

本発明で使用される光導波路及びマイクロ流路を構成する材料は、これらの入射光及び出射光を吸収しないような材料が使用されるのが好ましく、例えばシリコン或いはその酸化物を例示できる。

本発明のマイクロ流路チップは、サンプルのマイクロ流路への供給手段、光導波路から放出される光を分光分析する分光分析装置と、光導波路に光を供給する光源と組み合わせてマイクロ分析装置を形成し、該分析装置によりサンプル中の成分を分析することができる。マイクロ流路内のサンプル中の成分の移動を電気泳動により行う場合には、マイクロ流路中に２つのポート（電極を設置可能である）を設け、該ポート間で通電することにより、成分をマイクロ流路内で移動させることができる。

サンプルのマイクロ流路への供給手段としては、通常ポンプが使用される。

分光分析装置は、光源の波長に合わせた通常の赤外分析装置が使用できる。
サンプル供給手段と光源は、マイクロ流路チップと一体化されていても良く、別々に形成されていても良い。

サブマイクロメートルまたはそれ以下のサイズのピラー構造を作製することにより、ハロゲンランプのような汎用の光源を用いた光との相互作用（フォトニックバンドギャップ）を誘起することが可能になる。

サンプル中の分離対象となる成分は、特に限定されず、天然または合成の低分子化合物及び高分子物質（モノマー、オリゴマー、ポリマーを含む）、植物ないし微生物からの抽出物等が挙げられる。具体的には、ＤＮＡ、ＲＮＡ等のポリヌクレオチド、タンパク質、ペプチド、糖脂質、糖蛋白、多糖、オリゴ糖、二糖、単糖、アミノ酸、脂質、リン脂質、或いは他の生理活性物質、あるいは、微生物、植物、動物等からの抽出物などの天然物質、及び任意の合成物質が挙げられる。

本発明では、フォトニック結晶による検出を一枚のチップ上に集積化している点が重要である。このような構成とすることで、分離したサンプルの蛍光標識等を省けるからである。

図１に、本発明のマイクロ流路チップを示す。

該マイクロ流路チップは、幅100μm深さ10μm程度のマイクロ流路と分離場、フォトニック結晶としてのナノピラー構造（検出場）を流路内に作製する。分離場のナノピラー構造は、表面を化学修飾することによりクロマトグラフィーの充填剤と同様な役割を果たす。図１のチップの左側から分離するサンプル（例えばDNAやRNA、タンパク質などを含む生体サンプル）を含む溶液を流し、分離場において分子の吸着の度合いによりサンプルの分離を行う。一方、図１のような設計で光導波路を作製し、効率よく流路内のナノピラーフォトニック結晶（検出場）に光を導入する。フォトニック結晶を透過したプローブ光のスペクトルから得られるフォトニックバンドギャップあるいはフォトニック結晶の欠陥構造（任意に設計可能）に由来した鋭いピークを持つスペクトルは、分離された成分存在下における屈折率の変化に基づきシフトする。また、本手法は蛍光色素などを必要としないため、サンプルの前処理などをすることなく、分離・検出を行うことができる。

マイクロ流路におけるサンプルの移動は、例えば図２Ａに示されるように、マイクロ流路の両端の貯留槽に電極を設置して、電気泳動により行ってもよく、図２Ｂに示されるように、液クロと同様に、ポンプによる送液により行ってもよい。電気泳動で十字に泳動することにより、サンプル中の成分の分離能を向上させることができる。

本発明のマイクロ流路チップの１つの実施形態を示す。（Ａ）は電気泳動による分離の例を示す。（Ｂ）は液クロによる分離の例を示す。（Ａ），（Ｂ）において、上段はマイクロ流路チップの平面図を示し、下段は、実際の使用の態様を示す説明図である。

Claims

光導波路とサンプルを流すマイクロ流路を備えたマイクロ流路チップであって、前記光導波路と前記マイクロ流路の交叉領域にナノピラーフォトニック結晶構造を有し、マイクロ流路中の前記交叉領域の上流にナノピラー構造物を有する分離場を備えることを特徴とするマイクロ流路チップ。
マイクロ流路チップを構成する基板の材質がSOI基板であることを特徴とする、請求項1記載のマイクロ流路チップ。
マイクロ流路のサイズが、幅1000μm以下、深さ100μm以下であることを特徴とする、請求項１記載のマイクロ流路チップ。
前記ナノピラー構造物の幅または直径が50〜300nm程度であることを特徴とする請求項１記載のマイクロ流路チップ。
前記ナノピラー構造物がイオン交換基を有し、対象サンプルに対しイオン交換機能を具備することを特徴とする、請求項１記載のマイクロ流路チップ。
前記交叉領域に2次元ナノピラーフォトニック結晶構造を有することを特徴とする、請求項1から請求項５のいずれかに記載のマイクロ流路チップ。
前記交叉領域に形成された2次元ナノピラーフォトニック結晶のピラーの幅または直径が200〜300nm程度、ピラー構造間距離が1μm以下であることを特徴とする、請求項６記載のマイクロ流路チップ。
流路中を流れるサンプルに対し、分離と検出を一括して行うことが出来る請求項１〜７のいずれかに記載のマイクロ流路チップ。
請求項１〜８のいずれかに記載のマイクロ流路チップ、サンプルのマイクロ流路への供給手段、光導波路から放出される光を分光分析する分光分析装置、光導波路に光を供給する光源を備えたマイクロ分析装置。