JP2007170828A - 光学検査用基板および光学検査ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】光学的な悪影響を抑えつつ流路の閉塞を防止できるようにした光学検査用基板を提供する。
【解決手段】基板１の内部に設けられた流路１０に試料を流通させた状態で、流路１０内の試料に光を照射して得られる特定波長の検出光を受光器２０で検出する方法に用いられる基板１であって、流路１０の内壁面に微細な凹凸（凸部１２）が周期的に設けられており、該凹凸の周期が前記検出光の波長の５０％以下であることを特徴とする光学検査用基板。
【選択図】図１

Description

本発明は、μ―ＴＡＳなどの分析用基板として好適な光学検査用基板および光学検査ユニットに関する。

近年、μ―ＴＡＳの開発が盛んになりつつある。ここで言うμ―ＴＡＳとは、数１００ｎｍから数１００μｍ幅の微細な流路を基板に加工し、流路内で試料や反応物の輸送、混合、分離などを行うことにより、分析の前処理から検出までを同一基板内で終わらせるシステムのことである。

μ―ＴＡＳの開発、使用において問題になることの１つに、流路の閉塞がある。特に流路の内部に流す試料に蛋白質や細胞などの生体高分子が含まれる場合は、流路内壁への試料の吸着が起き易いため、流路の閉塞が生じ易い。
これを防ぐために、流路内壁に親水性の被膜または撥水性の被膜を形成することも考えられるが、光学検出部にも被膜が形成されると透過率の減少など光学的な悪影響が生じてしまう。また光学検出部だけを除いて、被膜を精度良く形成することは技術的に非常に難しい。

下記特許文献１には、ＤＮＡの鎖長を解析するバイオチップにおいて、光学検出部の流路（深さ３μｍ、幅２０μｍ）内に、直径２５０〜３００ｎｍ、高さ３μｍの突起物集合体を設けることが記載されている。ここでは流路内に突起物集合体を設けることによる光学的な影響については全く考慮されていない。
特開２００４−２８８７８３号公報

μ―ＴＡＳのような、流路を備えた光学検査用基板においては、透過率の減少や、バックグラウンドノイズの増大などの光学的な悪影響を及ぼさないという条件が求められるが、そのような条件を満たしつつ、流路の閉塞を防止できる方法は未だ提案されていない。
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、光学的な悪影響を抑えつつ流路の閉塞を防止できるようにした光学検査用基板および光学検査ユニットを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の光学検査用基板は、基板の内部に設けられた流路に試料を流通させた状態で、該流路内の試料に光を照射して得られる特定波長の検出光を検出する方法に用いられる基板であって、該流路の内壁面に微細な凹凸が周期的に設けられており、該凹凸の周期が前記検出光の波長の５０％以下であることを特徴とする。
また本発明は、本発明の光学検査用基板と、前記特定波長の検出光を検出する受光器を備えた光学検査ユニットを提供する。

本発明の光学検査用基板およびこれを備えた光学検査ユニットによれば、光学的な悪影響を抑えつつ流路の閉塞防止効果が得られる。

＜第１の実施形態＞
図１、２は、本発明の光学検査ユニットの第１の実施形態を示したもので、図１は光学検査用基板（以下、単に基板ということもある。）１の光学検出部を断面視した図であり、図２は流路下面の一部を拡大して示した斜視図である。符号１０は流路を示す。なお、図面は基板１の表面の一部を拡大して模式的に示している（以下、同様）。
本実施形態の基板１は板状の下部材１１と、板状の上部材２１が積層された積層体からなっている。該積層体の積層方向をＺ方向、Ｚ方向に垂直な面内において流路１０内を試料が流れるときの流れ方向をＹ方向、Ｚ方向とＹ方向に垂直な方向をＸ方向とする。本実施形態の基板１は、Ｚ方向に垂直な面が水平面となる状態で使用される。ここでは、便宜上、Ｚ方向において上部材２１側を上側、下部材１１側を下側とする。

本実施形態の光学検査ユニットは、基板１と、基板１の光学検出部の下側に設けられた受光器２０を備えている。本実施形態の光学検査ユニットにおいては、基板１の光学検出部の上側に光源３０が配置されており、該光源３０から流路１０内の試料に光（入射光）が照射されて、基板１の下側へ出射される特定波長の検出光が受光器２０で検出されるようになっている。
光源３０および受光器２０は、検出に用いられる検出光の波長に応じて、既存のものから適宜選択して用いることができる。

基板１の流路１０は、試料の流れ方向（Ｙ方向）に垂直な断面形状が矩形である。本発明において、断面形状が矩形である流路とは、４つの平面で囲まれた形状の流路であり、隣り合う平面がなす角部が曲面となっているものも含む。
流路１０の内壁面のうち、下面１０ａと両側面１０ｂ、１０ｃは、それぞれ下部材１１に形成された凹溝の底面および両側壁からなっており、流路１０の上面１０ｄは上部材２１の下面からなっている。すなわち、上面に凹溝が設けられた下部材１１の上に、該凹溝の開口を塞ぐように上部材２１を積層することにより、内部に流路１０を備えた基板１が形成されている。
流路１０のＸ方向における幅およびＺ方向における高さは、それぞれ独立に１μｍ〜５００μｍの範囲内であることが好ましい。１μｍ未満であれば、流通される試料溶液にとって抵抗となる内壁面の凹凸に比較して十分な流路断面積を確保できず、５００μｍより大きければ、流路内を流通される試料溶液の層流が阻害されて検査精度が低下する。幅のより好ましい範囲は１０μｍ〜２００μｍであり、高さのより好ましい範囲は１０μｍ〜２００μｍである。また幅と高さの比（幅／高さの値）は０．２〜５が好ましく、０．５〜２がより好ましい。

流路１０の下面１０ａおよび上面１０ｄには、微細な凹凸がＸ方向とＹ方向の２つの繰り返し方向に沿ってそれぞれ一定の周期で繰り返し形成されている。本実施形態における凹凸は、連続した凹部１３が海状に存在し、その中に独立した凸部１２が島状に存在する海島構造をなしている。
本実施形態において凸部１２のＸ方向に垂直な断面形状、およびＹ方向に垂直な断面形状はいずれも矩形である。全部の凸部１２において、Ｘ方向における幅Ｗｘ、Ｙ方向における幅Ｗｙ、Ｘ方向における凸部１２の間隔Ｓｘ、Ｙ方向における凸部１２の間隔Ｓｙは、それぞれ均一である。また、Ｚ方向における凸部１２の高さＤも均一である。

本発明において、凹凸の繰返し方向および凹凸の周期は、凹部および凸部のうち連続してない形状のものを基準にして以下のようにして決める。本実施形態では独立した島部をなしている凸部１２を基準にする。
まず、任意の第１の凸部１２に着目し、それと隣り合う凸部１２のうち、距離が最も近い第２の凸部１２を選ぶ。第１の凸部１２の側壁上の任意の点Ａ１から、第２の凸部１２の側壁上の対応する点Ａ２（一方向への平行移動により重なり合う同じ位置の点）に至る方向を第１の繰り返し方向とする。前記点Ａ１から点Ａ２までの距離Ｐ１が第１の周期となる。
次に、前記第１の凸部１２に隣接する凸部１２のうち、前記第１の繰り返し方向上にあるものを除いて、距離が最も近い第３の凸部１２を選ぶ。第１の凸部１２の側壁上の任意の点Ａ３から、第３の凸部１２の側壁上の対応する点Ａ４に至る方向を第２の繰り返し方向とする。前記点Ａ３から点Ａ４までの距離Ｐ２が第２の周期となる。
本実施形態における凸部１２の周期は、Ｘ方向における第１の周期（Ｐ１＝（Ｗｘ＋Ｓｘ）の値）と、Ｙ方向における第２の周期（Ｐ２＝（Ｗｙ＋Ｓｙ）の値）の２通り存在する。
なお、第３の繰り返し方向における第３の周期と、第２の繰り返し方向における第２の周期とが等しい場合は、どちらを第２の周期としてもよいものとする。

本発明において凹凸の周期は、検出光の波長の５０％以下とされる。好ましくは該検出光波長の２０％以下である。
本実施形態のように、繰り返し方向が複数存在する場合、すなわち凸部１２の周期が複数存在する場合は、該複数の周期の値のうちの少なくとも１つが前記の範囲であればよく、全ての周期の値が前記の範囲であることが好ましい。
凹凸の周期（本実施形態では凸部１２の周期）を前記の範囲とすることにより、凹凸が周期的に設けられている面（本実施形態では流路１０の下面１０ａおよび上面１０ｄ）に検出光が達したときに散乱、屈折、回折、干渉等が生じるのを抑えることができる。これにより、凹凸の存在に起因して、光学検出におけるバックグラウンドノイズが上昇するのを抑えることができる。
検出光の波長とは、流路１０に流通される試料中の検出対象物質を定性的にまたは定量的に検出するために、受光器２０で光学的に検出する光の波長であり、たとえば蛍光物質を標識として用いた光学検出においては、所定の波長の励起光を入射光として照射したときに該蛍光物質が放つ蛍光の波長である。

蛍光の波長、すなわち検出光の波長は、検出に使用される蛍光物質によって異なるが、４５０〜７００ｎｍが好ましい。たとえばＤＮＡチップの検出においては、励起波長として４７５ｎｍ、５３２ｎｍ、６３５ｎｍが多用され、対応する蛍光の波長としては、それぞれ５１０〜６４０ｎｍ、５５０〜６６５ｎｍ、６４５〜６８０ｎｍが用いられる。具体例としては、波長４７５ｎｍの励起光を照射したときに波長５０５ｎｍの蛍光を放つ蛍光物質が標識として用いられる。したがって、たとえば凹凸の周期を２５０ｎｍ以下とすれば、蛍光の波長が５０５ｎｍ以上の範囲である光学検出において、前記バックグラウンドノイズの上昇を抑える効果を得ることができる。該凹凸の周期の上限は２００ｎｍ以下がより好ましい。

凹凸の周期の下限値は特に制限されないが、成形の容易性の点で、１０ｎｍ以上が好ましく、５０ｎｍ以上がより好ましい。１００ｎｍ以上であれば十分である。

Ｚ方向における凸部１２と凹部１３の差、すなわち本実施形態では凸部１２の高さＤは、凹凸の形状に応じて、凹凸が安定して得られる大きさに設定することができる。流路１０に流通される試料の吸着を防止する点からは、該Ｚ方向における凸部１２と凹部１３の差が１０ｎｍ以上であることが好ましく、５０ｎｍ以上であることがより好ましい。
本実施形態のように凸部１２が柱状である場合は、凸部１２の倒れを防止するうえで、また光学検出における悪影響を防止するうえで、凸部１２の高さＤが検出光の波長の２倍の値以下であることが好ましく、５００ｎｍ以下がより好ましい。また凸部１２の高さＤの下限値は、成形の容易性の点で、１０ｎｍ以上が好ましく、５０ｎｍ以上がより好ましい。凸部１２が柱状である場合、凸部１２の倒れを防止するうえで、凸部１２のアスペクト比（高さ／幅）が１５以下であることが好ましい。

また、凹部および凸部のうち連続してない形状のもの、本実施形態においては独立した島部をなしている凸部１２の、Ｘ方向における幅ＷｘおよびＹ方向における幅Ｗｙは、成形の容易性の点から１０ｎｍ以上が好ましく、２５ｎｍ以上がより好ましい。また凸部１２のＸ方向における間隔ＳｘおよびＹ方向における間隔Ｓｙは、成形の容易性の点から１０ｎｍ以上が好ましく、２５ｎｍ以上がより好ましい。

基板１を構成する材料は、少なくとも入射光（励起光）が流路１０に達するまでの光路を含む部分が、該入射光（励起光）の波長において透明であることが必要である。また少なくとも検出光が流路１０から受光器２０に至る光路を含む部分は、該検出光の波長において透明であることが必要である。
本明細書において、特定の波長領域において透明であるとは、該波長領域での透過率が９０％以上であることをいう。
基板１を構成する材料は、バイオチップに代表的に用いられる蛍光標識の蛍光波長の領域である４５０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲で透明であるものが好ましい。具体例としては、石英ガラス、ソーダライムガラス、ホウケイ酸ガラス等のガラス材料；フッ素樹脂；含ケイ素樹脂等が挙げられる。これらのうちでも、特に蛍光バックグラウンドの低さ、平坦性、入手のしやすさの点でホウケイ酸ガラスまたはソーダライムガラスがより好ましい。
基板１を構成する複数の板状部材（本実施形態では下部材１１および上部材２１）は屈折率が互いに等しいことが好ましく、したがって同じ材料で構成されることが好ましい。

流路１０の下面１０ａは、たとえば下部材１１の上面に凹溝を形成した後、該凹溝の底面に凹凸パターンを設けることによって形成できる。また、流路１０の上面１０ｄは、上部材２１の所定の領域に凹凸パターンを設けることによって形成できる。
流路１０の下面１０ａおよび上面１０ｄのそれぞれに凹凸を形成する方法は、微細な凹凸パターンを形成するための既知の方法を適宜用いることができる。
たとえば、凹凸を形成する面に直接ＥＢ（電子線）を照射して加工するリソグラフィー法；基板上にリソグラフィー法によりエッチングマスクを形成した後、該エッチングマスクを介してエッチングを行う方法；マスクを介した塗布法によりエッチングマスクを形成した後、該エッチングマスクを介してエッチングを行う方法；射出成型、切削加工等の機械的な加工を行う方法；光硬化性樹脂の成形により母型を作製した後、この母型を用いて光硬化性樹脂を成形し光照射により硬化する方法（２Ｐ成型法）；ポリマーを溶剤に溶かした溶液を型に流し込んだ後に溶媒を留去して乾固させる方法；インプリント−リソグラフィー法；インクジェット法等が挙げられる。
なお、前記インプリント−リソグラフィー法は、モールド（転写型）を基板表面にプレスして、モールドの形状を基板表面に転写した後に紫外線照射するタイプのインプリント−リソグラフィー法、プレス後に加熱するタイプのインプリント−リソグラフィー法、プレス前に加熱するタイプのインプリント−リソグラフィー法、およびソフトリソグラフィー法を含む。
これらの方法のうちでも、生産性の点からは、インプリント−リソグラフィー法が好ましい。

本発明の光学検査用基板は、基板１の内部に設けられた流路１０に試料を流通させた状態で、流路１０内の試料に光を照射して得られる特定波長の検出光を検出する方法に用いられる。
試料としては任意の溶液または分散液を用いることができる。
試料に含有される物質は、特に制限されず、たとえば細胞、ＤＮＡ、ＲＮＡ、蛋白質、有機化合物、無機化合物等が挙げられる。
細胞の具体例としては、ヒトや動植物由来の細胞、ウィルス、カビ等の細菌・古細菌類等が挙げられる。
蛋白質の具体例としては、水溶性蛋白質、ケラチン、コラーゲン、フィブロイン、セリシン、糖蛋白質、バクテリオロドプシン等の膜蛋白質、コート蛋白質、アルブミン、血清等が挙げられる。
ＤＮＡやＲＮＡの具体例としては、生体物質から抽出増幅したｃＤＮＡ、人工合成されたオリゴＤＮＡ等が挙げられる。
有機化合物の具体例としては、アミノ基を含む含ケイ素化合物、アルコキシ基を含む含ケイ素化合物、フッ素を含む含ケイ素化合物等の含ケイ素化合物；スルホン酸基、カルボン酸基、水酸基、エステル基やアルキル基等を含むフッ素化合物；蛍光色素；フラーレンやフラーレン誘導体；遷移金属を含む有機金属化合物（特に希土類元素を含む有機金属化合物）；クラウンエーテル、フェナントロリンやポルフィリン等の大環式化合物；等が挙げられる。
無機化合物の具体例としては、酸化チタン、二酸化ケイ素等の金属酸化物微粒子；窒化チタン等の窒化金属；白金、金、銀、銅、ゲルマニウム等の金属微粒子；炭素化合物等が挙げられる。
試料に含有されている物質は、１種でもよく２種以上でもよい。また検出対象物質そのものであってもよく、検出対象物質とそれ以外の物質とが結合したものであってもよい。
試料に含有されている物質として好適なものは、従来の方法では流路の閉塞を生じ易い固体状物質であり、たとえば蛋白質、糖、細胞、細胞代謝物である。

本実施形態の基板１は、流路１０の下面１０ａおよび上面１０ｄに微細な凹凸パターンが、Ｘ方向およびＹ方向において周期的に設けられている。これにより、該流路１０に流通される試料中の物質が流路１０の内壁に吸着するのが防止され、流路１０の閉塞が防止される。
また、流路１０の内壁面が平坦でないと検出光の回折や干渉が生じてバックグラウンドノイズを増大させることが懸念されるが、本実施形態の基板１は、流路１０の下面１０ａおよび上面１０ｄに設けられている微細な凹凸パターンの周期が、検出光の波長の５０％以下であるため、該凹凸パターンが形成された面に達した検出光が、回折や干渉を生じるのを防止することができる。したがって、流路１０の内壁面に凹凸を設けたことによるバックグラウンドノイズの増大を抑えることができる。また、流路１０の内壁面上に被膜を設ける方法では、光透過率の減少が生じ得るが、本実施形態では、凹凸を形成しない状態と、凹凸を形成した状態とで、光透過率はほとんど変化しない。
したがって本実施形態の基板１によれば、光学的な悪影響を抑えつつ流路１０の閉塞を防止できる。
また本実施形態の光学検査ユニットは、光学的な悪影響を抑えつつ流路１０の閉塞が防止されるため、高精度の光学検査を安定して行うことができる。

＜変形例＞
凸部１２のＸ方向に垂直な断面形状およびＹ方向に垂直な断面形状は、図１、２のような矩形に限らず、適宜変更できる。たとえばＸ方向に垂直な断面形状およびＹ方向に垂直な断面形状の一方または両方が、台形または三角形であってもよい。いずれの形状の場合も、凹凸の周期は上記と同様にして決められる。

また流路１０の下面１０ａおよび上面１０ｄに設けられる微細な凹凸パターンの平面形状（Ｚ方向から見たときのパターン形状）は、図２のような矩形に限らず適宜変更できる。図３〜６は変形例を示したものである。図中符号２は凸部（斜線部分）を示し、３は凹部を示している。これらの図において、第１の繰り返し方向における周期をＰ１で示し、第２の繰り返し方向における周期をＰ２で示す。

図３の例はいずれも、連続した凹部３が海状に存在し、その中に独立した凸部２が島状に存在する海島構造である。
図３の（ａ）と（ｂ）は凸部２の平面形状が円形であり、（ｃ）は三角形であり、（ｄ）は六角形である。いずれも凸部２の形状および大きさは均一である。

図４の例はいずれも、連続した凸部２が海状に存在し、その中に独立した凹部３が島状に存在する海島構造である。
図４の（ａ）と（ｂ）は凹部３の平面形状が円形であり、（ｃ）は三角形であり、（ｄ）は六角形であり、（ｅ）は四角形である。いずれも凹部３の形状および大きさは均一である。

図５の例はいずれも、凸部２および凹部３の両方が独立しており、隣り合う凸部２どうし、および隣り合う凹部３どうしが点で接している構造である。図５の（ａ）と（ｂ）は凸部２の平面形状が円形であり、（ｃ）は凸部２および凹部３の平面形状が三角形であり、（ｄ）は凸部２および凹部３の平面形状が四角形である。いずれも凸部２および凹部３の形状および大きさはそれぞれ均一である。

図６の例は、Ｘ方向に沿って帯状に延びる凸部２と凹部３が、Ｙ方向において等間隔で交互に存在している例である。凸部２の形状および大きさは均一である。この例において繰り返し方向はＹ方向（第１の繰り返し方向）のみである。
本発明において、流路の内壁面に設けられる凹凸パターンは、少なくとも試料の流れ方向（上記の実施形態ではＹ方向）に対して凸部２と凹部３の境界面が交わる（平行でない）ことが必要である。したがって、図６の例のように凸部２および凹部３の平面形状が帯状である場合は、その繰り返し方向が試料の流れ方向と平行となるように凹凸パターンを配置する。

なお、上記第１の実施形態では、流路の下面１０ａと上面１０ｄに凹凸を設けたが、流路１０の内壁面（下面１０ａ、上面１０ｄおよび両側面１０ｂ、１０ｃ）のうち、少なくともいずれか一つの面に凹凸を設けることにより、試料中の物質の流路内壁への吸着を抑えて、流路閉塞防止効果を得ることができる。凹凸パターンの形成容易性の点からは下面１０ａと上面１０ｄの少なくとも一方に設けることが好ましく、両方に設けるとより高い流路閉塞防止効果を得ることができる。
流路の側面１０ｂ、１０ｃに凹凸パターンを設ける場合は、凹凸パターンの形成容易性の点から、図６の例のように凸部２および凹部３の平面形状が帯状であるパターン形状が好ましい。
流路１０の内壁面のうちの異なる二面以上に凹凸パターンを設ける場合、該異なる面における凹凸パターンの形状は互いに同じであってもよく、異なっていてもよい。

また、基板１に設けられる流路１０の全長のうち、一部に凹凸を設けてもよく全部に凹凸を設けてもよい。より高い流路閉塞防止効果を得るためには、全部に設けることが好ましい。また光学検出を精度良く行うためには、少なくとも光学検出部の流路内壁に、周期が上記特定の範囲である凹凸パターンを設けることが好ましい。
本明細書における光学検出部とは、基板１のうち、光源３０からの光（入射光）が基板１を経て受光器２０に至る光路が存在する部分をいう。
なお上記第１の実施形態では、基板１の上側に光源３０が配置され、基板１を挟んだ下側に受光器２０が配置されているが、光源３０と受光器２０を基板１に対して同じ側に配置してもよい。例えば、基板１の上側から流路内の試料に光を照射し、試料で生じた検出光（蛍光）のうち上側に出射される光を受光器２０で検出する構成でもよい。この場合、光源３０と受光器２０とは一体であってもよい。

上記第１の実施形態において、流路１０のＹ方向に垂直な断面形状は矩形であるが、これに限らず適宜変更することができる。矩形でない場合は、流路の試料の流れ方向に垂直な断面形状における長径を幅の値とし、短径を高さの値とする。
光学検出部における底面がＺ方向に垂直な平面である必要と、光学検出部と流路部とを一度の工程で形成する容易さの点からは流路１０の断面形状は矩形であることが好ましい。

また、上記第１の実施形態において、基板１は２枚の板状部材（下部材１１と上部材２１）の積層体からなっているが、３枚以上の板状部材が積層された積層体であってもよい。
また、上記第１の実施形態では、基板１の外側に受光器２０を設けたが、基板１内に受光器２０が組み込まれた構成としてもよい。

本発明にかかる光学検査用基板の例を示す断面図である。 図１の一部を拡大して示した斜視図である。 凹凸パターンの変形例を示す平面図である。 凹凸パターンの変形例を示す平面図である。 凹凸パターンの変形例を示す平面図である。 凹凸パターンの変形例を示す平面図である。

符号の説明

１ 光学検査用基板
２ 凸部
３ 凹部
１０ 流路
１０ａ 流路の下面
１０ｄ 流路の上面
１２ 凸部
１３ 凹部
２０ 受光器

Claims (5)

1. 基板の内部に設けられた流路に試料を流通させた状態で、該流路内の試料に光を照射して得られる特定波長の検出光を検出する方法に用いられる基板であって、
   該流路の内壁面に微細な凹凸が周期的に設けられており、該凹凸の周期が前記検出光の波長の５０％以下であることを特徴とする光学検査用基板。
2. 前記流路の、試料の流れ方向に垂直な断面における幅および高さがいずれも１μｍ〜５００μｍの範囲内である請求項１に記載の光学検査用基板。
3. 前記基板が板状部材を積層した積層体からなっており、該板状部材の積層方向を上下方向とするとき、前記流路の試料の流れ方向に垂直な断面形状が矩形であり、前記凸部が、少なくとも前記流路の上面および／または下面に設けられている請求項１または２に記載の光学検査用基板。
4. 前記検出光の波長が４５０ｎｍ〜７００ｎｍである請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学検査用基板。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学検査用基板と、前記特定波長の検出光を検出する受光器を備えた光学検査ユニット。
   
   
   
   
   

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