JP2008298575A - 電極および製造方法とそれを用いた検出装置と検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電極対と空洞を備えたデバイスの電極対の厚みがばらつくことなく、もって電極厚みで規定される空洞深さを高精度に、かつ安価に製造する方法を提供する。
【解決手段】本発明の第１の態様は、一対の基板群で挟まれた内部に導電性を有する少なくとも一対の印刷電極群と、前記一対の印刷電極群と前記基板群で挟まれた空洞である中空部とを有する電極を前記基板群で挟まれた距離である、前記中空部の深さを規定して作製する方法であって、前記基板の一方の上に、前記中空部の前記深さに等しい直径を有する第一の微粒子と、前記第一の微粒子より小さい直径を有する第二の導電性微粒子を含むインクを印刷する工程A、前記工程Aにて作製された前記印刷電極の上に他方の前記基板を配置する工程Bからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、微小な中空構造を持つ電極、および製造する方法に関する。特に、本発明は、免疫反応（抗原抗体反応）や遺伝子反応などの生物学的反応において生じる反応生成物を検出する検査用チップ及びその製造方法に関する。

近年、様々な健康診断チップが開発されている。これら健康診断チップの殆どは、マイクロタス（μ−ＴＡＳ：Micro Total Analysis System）と呼ばれる微小流路構造を持つカード型のデバイスである。流路を微細化すると、生体から抽出するサンプル量は微量でよい点等で非常に有用である。また、流路の微細化により健康診断チップを含む装置全体を小型化できれば、比較的大規模の病院だけでなく、診療所や家庭での診断を行うＰＯＣＴ（Point of care test：その場診断）用途に用いることが可能となる。しかしながら、流路を５０μｍ以下に微細化することは通常、高価な設備を使用する半導体加工技術が必要であり、産業応用を遠ざける一因となっている。

医療分野や生化学分野においては、抗原抗体反応により生成された凝集物を検出して抗原や抗体の存在を検査し、病気の診断や解析が行われている（例えば、特許文献１、２、３）。

特許文献１に開示されている方法は、抗原や抗体などの反応性物質をスチレン系重合体粒子などの担体に担持させ、反応液に交流電圧を印加し、粒子を配向させた後に、電圧印加を停止した時の凝集度合いで抗原抗体反応を定量する。この測定に使用するセンサ基板は、厚さ１０〜５０μｍの金属箔の表裏面にプラスチックフィルムをラミネートして作製する。金属箔を電極対に、その電極対の間に生じた空洞を流路として利用する。よって、流路の厚みは金属箔の厚みで形成される。

この流路内に注入された反応液中の粒子担体の挙動を厚み方向からの観測・画像解析する目的において、空洞の厚みを規定できることは、極めて重要である。空洞の厚みを撮像系の焦点深度以内にまで薄くすることができれば、粒子が深さ方向に運動しても、粒子像がぼけず、画像解析できるからである。

実際には金属箔は厚さ１０〜５０μｍと非常に薄く、プラスチックフィルムの間に挟む時に取り扱いが難しいことが挙げられる。金属箔に容易にしわや重なりが生じ、電極部の厚みが実際には金属箔の厚みより大きくなってしまう。そのため、電極の厚みで規定するはずの空洞の厚みはデバイスごとにばらつく。また、プラスチックフィルムを熱と圧力をかけてラミネートして金属箔に圧着させる。

空洞部は、深さが１０〜５０μｍ、幅が５００〜１０００μｍと著しく扁平な空洞であり、プラスチックフィルムを圧着した際にフィルムのたわみ変形によって中央部がひずみ、中央部の深さは意図した間隔ではなく、最悪、互いに貼り付き空洞を生じない。このため、反応液が空洞内に注入できない。あるいは、逆に、実際に空洞内で粒子挙動を観測する際に焦点外へ移動するなどの誤差が生じ、正しく粒子数を判別できない。

電極対の厚みを規定する目的で、金属箔を用いる以外にも金属層を形成させる方法がある。第一に、スパッタや蒸着に代表される堆積工法は、通常０．５μｍ厚以下であり、厚さ５０μｍ程度の厚みまで堆積させるのは多大な時間を要するため適さない。第二に、グラビア印刷やスクリーン印刷に代表される印刷工法では、用いるスクリーンマスクの厚みと印刷条件と導電性微粒子の大きさを適切に選べば、導電性を持ちながら、電極の厚さを１０〜５０μｍで規定して形成させることができるが、本目的には適さない。

例えば、電極部の厚みを１０μｍで規定するためには、直径が５μｍ以下の導電性微粒子を用いて電極内で微粒子を２〜３層に堆積させる必要がある。直径が５〜１０μｍ程度と電極厚みに等しい導電性微粒子を用いると、電極で微粒子が一層に並ぶため、最密充填下でも互いに点接触しかできず、導電性を確保できないためである。

溶液であるインクを用いるため、印刷工法によって形成された電極部の断面形状は柱状ではなく山なりとなるため、上面に基板を置いた時に一点に重みがかかる。しかも、電極内で微粒子が２〜３層に堆積しており、互いにはインクのバインダー成分によって保持されているため、上面に基板を置くと基板の重みで容易に電極が凹み、崩れ、電極の厚みが場所によって減少するため、空洞の厚みを規定できない。
特開２００３−７５４４１号公報 特開平７−８３９２８号公報 特開昭５９−１７３７６１号公報 特開２００６−３２６９８号公報

前記従来の発明において、空洞の厚みを規定するために、空洞の厚みに等しい直径を持つシリカ微粒子を粘着層に含ませた両面接着シートが市販されている。一例を挙げると、このシートはシリカ微粒子の直径が７μｍで粘着層厚みが１５μｍである。このシートを用いて空洞を形成する場合に以下の課題がある。

上面の基板と下面の基板でこのシートを挟みこみ、熱と圧力を同時にかけて、粘着層を溶かしながらシリカ微粒子自体の剛性で上面と下面の基板の間隔は保持され、空洞の厚みが規定される。粘着層は導電性を有しない。さらに、粘着層は溶けるに従い、水平方向に拡がるため、空洞の幅は規定できない。たとえ、粘着層に導電性があっても、拡がると導電性を確保できない。粘着層は等方的に拡がるため、空洞の幅方向の直線性は確保できない。上面と下面の基板に樹脂を用いると、金属箔の場合と同様に、フィルムのたわみ変形、フィルムへのシリカ微粒子のめりこみが生じる。

本発明は、電極対と空洞を備えたデバイスの電極対の厚みがばらつくことなく、樹脂基板で挟み込む時にも電極対の厚みが変形することなく、もって電極厚みで規定される空洞深さを高精度に、かつ安価に製造する方法と空洞内での正確な粒子の認識を実現できるデバイスを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、一対の基板群で挟まれた内部に導電性を有する少なくとも一対の印刷電極群と、前記一対の印刷電極群と前記基板群で挟まれた空洞である中空部とを有する電極を前記基板群で挟まれた距離である、前記中空部の深さを規定して作製する方法であって、前記基板の一方の上に、前記中空部の前記深さに等しい直径を有する第一の微粒子と、前記第一の微粒子より小さい直径を有する第二の導電性微粒子を含むインクを印刷する工程Ａ、前記工程Ａにて作製された前記印刷電極の上に他方の前記基板を配置する工程B、インクを乾燥させる工程Ｃからなるので、第一の微粒子が一層に並んだ厚みを持った電極対をスクリーン印刷により実現できる。しかし、第一の微粒子が一層に並ぶだけでは電極対は導電性を持たず、電極として機能しない。

第一の微粒子が該球形であるため互いに点で接触し、微粒子間にすきまが生じる。第二の導電性微粒子は直径が小さいので、第一の微粒子のすきまを埋めるように並び、電極対に容易に導電性を付与することができる。インクを乾燥させる工程Ｃで、乾燥と同時に溶媒が飛び、インク中のバインダー成分の密着効果により、上方の基板と下方の基板とも電極対を密着させることができる。

かかる構成は、電極対の厚みをばらつきなく、第一の微粒子の直径で山なりではなく、複数の点で、高精度に規定することができ、もって、中空部の深さを容易にかつ確実に規定でき、電極対も導電体として機能させることができる。インクの乾燥と上方基板の接着を同時に処理し、しかも貼り付けには溶媒の乾燥に伴うバインダー成分の密着によって行われ、圧力がかからないので、樹脂基板を用いても基板が変形・たわむこともなく、微粒子が基板にめりこむこともなく、電極の厚みも凹むこともなく、両基板で電極対を挟むデバイスを短時間で作製することに寄与し、作製個数の面からも重要である。さらに、スクリーン印刷工法を用いることで、デバイスを安価に大量に素早く製造することができ、製造上有利である。

本発明の別の態様は、前記インクに含まれる前記第一の微粒子が導電性を備えるので、前記電極対の導電率を上げることができる。これは、電極対の長さが長くなったり、厚みが薄くなったりしたときにも、電極対の抵抗を下げることに寄与するため、デバイスの設計の自由度が増すことに相当する。また、第二の導電性微粒子に対する第一の微粒子との含有比率を大きくすることができる。言い換えれば、第一の微粒子が導電性を持っているので、電極対の導電を確保する第二の導電性微粒子を最低限ある含有率で混合させなければならない下限値に縛られないインクを印刷に使用することができる。かかる構成は、インク配合の自由度を増す効果があり、高精細な電極（印刷幅が３０μｍから１００μｍ）をかすれることなく、にじむことなく作製することに寄与する。

本発明の別の態様は、前記インクに含まれる前記第一の微粒子と前記第二の導電性微粒子を合わせた含有割合が全体の９％から９４％を占めるので、かかる含有割合は、第一の微粒子を確実に一層に配置することができることに寄与し、含有比率を変えることで任意の空洞高さと幅を持つデバイスを確実に製造できる。なぜなら、最終的な電極対の幅は、印刷版スクリーンの開口幅と、基材に対するインクの濡れ性による印刷幅の拡がりに依存する。最終的な電極対の厚みは、適切に保たれた印刷版スクリーンの厚みと、印刷幅の拡がりによる乾燥前インク厚みの減少に依存する。基材に対するインクの濡れ性による拡がりは、インクに含有される溶媒成分の量に依存するため、微粒子含有量を調整することで可変できる。

具体的に述べると、第一に、スクリーンの厚みとメッシュの開口径が、基材に印刷されるインクの体積を決定する。その内の一定割合のインクが工程Ａで基材に転写される。第二に、転写されたインクに含まれる溶媒成分の量に応じて、基材に対するインクの濡れが変化し拡がり幅と乾燥前インク厚みを決定する。溶媒成分が多いほど、基材に対してよく濡れ拡がるため、幅が大きくなり、インク厚みが小さくなる。第三に、転写されたインクは、含有割合に合わせた溶媒成分の体積分を乾燥により減らし、導電性を得るとともに、最終的な厚みとなる。例えば、スクリーンの厚みを３５μｍ厚とする。基材への転写割合はスキージ移動速度などの印刷条件により５０％から７５％で調整可能である。よって、基材に転写されるインク幅は、スクリーンの開口＋１５μｍ程度、インク厚みは１７μｍ厚〜２６μｍ程度になる。本発明者らは、上記の含有割合により、溶媒成分の乾燥で厚みはさらに１／３から１／４程度になることを見出した。よって、最終的な電極厚みは、７〜８μｍとすることができる。

さらに、かかる含有割合は、電極対の抵抗値を調整することができる。インクは、溶媒成分と導電性微粒子成分以外に、基材との密着性・導電性微粒子同志の密着性を確保する、誘電性のバインダー成分が含有されている。バインダー成分の含有割合を減らし、微粒子の含有割合を高めると、電極対の抵抗値を下げることができる。低抵抗の電極対は、空洞部に大きな電圧を印加することができ、粒子の配向を短時間で実現できる。

本発明の別の態様は、前記第一の微粒子の第一の直径Ｄ１が２〜１５μｍであり、かつ、前記第二の導電性微粒子の第二の直径Ｄ２がＤ１の１７％以上５３％以下であるので、かかる構成は、２〜１５μｍの空洞高さを持つ中空部を任意に製造できるとともに、電極対の導電率も低抵抗で確保できる。さらに電極対の頂面の表面は、一様な高さを持たず、局所的に第一の直径の高さを持ち、残りの部分を第二の導電性微粒子が１〜２層配置された高さで、第二の直径の曲率を持った凹凸形状となる。かかる頂面形状を持つ電極対は、凹凸形状部でのエッジ効果により電圧印加時に電界集中部を多く持つ。このため、空洞部内の粒子に大きな誘電泳動力を与えることが可能となる。粒子を短時間で配向させ、粒子配向数を大きくすることに寄与する。

本発明の別の態様は、前記第二の導電性微粒子に対する前記第一の微粒子の存在比率が、体積比で０．２７％〜８００％であるので、かかる存在比率により、電極対の抵抗値を調整することができる。つまり、第一の微粒子に対して、電極の面積の方向に亘る導電性を確保する、第二の導電性微粒子の存在比率を上げると、抵抗値を低くすることができる。電極対間に大きな電圧を印加でき、誘電泳動による粒子の配向を短時間で行うことができる。さらに、第二の導電性微粒子に対して、電極厚みを規定する、第一の導電性微粒子の存在比率を上げると、上方の基板を支える点が多くなり、中空部の厚みの規定をより確実に行うことができる。これは、上方の基板が樹脂からなる場合、ガラスに比べ樹脂フィルムは、大きな表面粗さを持ち、剛性が低いため、本構成が有利である。

本発明の別の態様は、前記基板郡が樹脂より選ばれるので、製造上有利である。ガラスやセラミックに比べ樹脂は加工性がよい。切削が容易、金型による抜きも可能で外形加工が簡単である。成型もできる。これらの特長は、製造時間を短縮することに寄与し、製造設備を選ばない。設備の低価格化にもつながり、また樹脂自体の調達コストが低いことから、電極基板を低価格にて製造することができる。

本発明の別の態様は、前記工程Ａの後に、前記第一の微粒子を含む接着性を有するインクを印刷する工程Ｄからなるので、確実に上方基板を電極厚みを保ったまま接着できる。電極対と接着剤の作成を印刷のみで行うことができる。設備を共通化することができ、製造上容易である。

本発明の別の態様は、前記工程Ｂの後に、前記中空部以外の前記基板で挟まれた空洞に接着剤を流し込む工程Ｅからなるので、上方基板を電極対上に配置した後でも接着することができる。また、毛細管現象で中空部以外の前記基板で挟まれた空洞に接着剤が自発的に流れ込むため、高度な接着剤の位置決め処理が必要ない。さらに、確実に封止ことができ、空洞内に注入された反応液は漏れ出すことがない。しかも、特許文献１に開示されるような、熱や圧力を印加した上でのラミネート工法による接着方法ではないため、例えば、上方基板が熱や圧力によって変形しやすい樹脂基板に用いても、空洞部がたわむことなく、確実に空洞部の深さを規定することができる。

本発明の別の態様は、一対の基板群で挟まれた内部に導電性を有する少なくとも一対の電極群と、前記一対の電極群と前記基板群で挟まれた空洞である中空部とを有する電極であって、前記電極群が、前記中空部の深さを規定する第一の高さと、前記電極の導電性を確保する第二の高さを有するので、かかる構成のデバイスは、中空部の深さが規定されている構成を簡便に作り出すことができる。空洞内で粒子を運動させれば、深さが規定されていることにより、その運動を一定な方向のみに生じさせることができる。

本発明の別の態様は、少なくとも一方の基板の一部が透明性を有するので、空洞内の様子を観察することができる。特に深さが規定されているので、空洞内での粒子の挙動を焦点からぼけることなく認識できる。

本発明の別の態様は、電極を使った、被検出溶液中に含まれる、生体試料を検出する検出装置であって、一対の基板群で挟まれた内部に導電性を有する少なくとも一対の電極群と、前記一対の電極群と前記基板群で挟まれた空洞である中空部と中空部に配置され、被検出溶液中の生体試料と特異的に結合する担体を有し、前記電極群が、前記中空部の深さを規定する第一の高さと、前記電極の導電性を確保する第二の高さを有する電極と、前記電極郡につながり、電極間に交流電圧を印加する電圧印加手段と、前記中空部を観察・撮像する観察手段と、前記観察手段にて撮像された画像を解析する解析手段を備えており、
この装置を使った、被検出溶液中に含まれる、生体試料を検出する検出方法は、電極の前記中空部を、被検出溶液で満たす工程、前記電圧印加手段に交流電圧を印加する工程、前記電圧印加手段による前記交流電圧の印加を停止する工程、前記観察手段にて前記中空部の一部を撮像する工程、前記解析手段による撮像された画像を解析する工程からなるので、交流電圧印加で担体を誘電泳動し、交流電圧印加後の抗体を吸着させた担体の凝集度で抗体に特異的に結合する抗原の量を検出する原理を用いれば、抗原抗体反応により生じる粒子の凝集を検出して抗原や抗体の存在を検査することができる。電極対のかかる2段形状を持つ電極対は、凹凸形状部でのエッジ効果により電圧印加時に電界集中部を多く持つ。このため、空洞部内の粒子に大きな誘電泳動力を与えることが可能となる。粒子を短時間で配向させ、粒子配向数を大きくすることに寄与する。

本発明の電極を製造する方法によれば、第一の微粒子により中空部の深さを規定し、第一の導電性微粒子より小さい第二の導電性微粒子が電極対内での導電を確保することで、デバイスの電極対の厚みがばらつくことなく、もって電極厚みで規定される空洞深さを高精度に、かつ安価に製造できる。さらに、空洞内での正確な粒子の認識を実現できるデバイスを実現することができる。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１から図２は、本発明の第１実施形態に係る電極基板２を示す。

図１に示すように、この電極基板２は、下面基板２１、上面基板２２、一対の電極３Ａ、３Ｂ、流路４を備える。一対の電極３Ａ、３Ｂは、ある一定の間隔を経て配置されている。下面基板２１、上面基板２２は、電極３Ａ、３Ｂを挟むように配置されている。この構成により、流路４は、頂面を上面基板２２、底面を下面基板２１、左右の壁面を電極３Ａ、３Ｂにて形成されている。

電極３Ａ、３Ｂの構造を概説する。

電極３Ａ、３Ｂは、第一の微粒子３１と、導電性を有する第二の微粒子３２と、微粒子同士を内抱し、基材に固定化するバインダー成分３３からなる。ここで、第一の微粒子３１の第一の直径５１は、電極高さ５４Ａ，５４Ｂを形成している。第二の微粒子３２の第二の直径５２は、第一の直径５１より小さいため、第一の微粒子３１群からなるスキマを埋めるよう配置されている。導電性を持つ第二の微粒子３２により、電極３Ａ、３Ｂは導電性を持つ。

かかる構成により、電極３Ａ、３Ｂの厚み５４Ａ，５４Ｂをばらつきなく、第一の微粒子３２の直径５１であり、高精度で規定することができ、もって、流路深さ５３を容易にかつ確実に規定でき、電極３Ａ、３Ｂも導電体として機能させることができる。

図３は、電極基板２を製造する方法を示すフローチャートである。

本実施形態の電極基板２の製造方法は、下面基板２１上に第一の微粒子３１と第二の微粒子３２を含むインク３０を印刷する工程Ａと、こうして作製した電極３Ａ、３Ｂの上に上面基板２２を配置させる工程Ｂ、インク３０を乾燥させる工程Ｃからなる。

工程Ａにおいて、電極３Ａ、３Ｂが印刷され、下面基板２１上に形成される。印刷方法は当業者に公知の印刷技術が用いられる。代表的な例としてスクリーン印刷が挙げられる。予め電極形状に応じたスクリーン版３７を用意し、下面基板２１の上に置き、所定量のインク３０をスクリーンの端に載せ、スキージ等を用い、スクリーン上でインクを刷りつけることで下面基板２１に電極３Ａ、３Ｂが印刷される。

工程Ｂにおいて、下面基板２１に対して上面基板２２を配置させる方法は、第一の微粒子３１の配列が崩れず、第一の微粒子３１の直径５１で流路深さ５３が保たれるなら、任意である。通常、上面基板２２は、下面基板２１に対して正しい位置に来るよう位置合わせされた後に上面から置かれる。特許文献１に開示される、上面基板を電極３Ａ、３Ｂに過度な熱や圧力をかけてラミネートする配置方法は、上面基板２２が樹脂やプラスチックの場合は好ましくない。樹脂やプラスチックは熱に対して変形する。また、剛性が弱いため、圧力に対しても第一の微粒子３１が上面基板２２にめりこむといった弊害が起こるためである。

工程Ｃにおいて、インク３０中に含まれる溶媒成分３４が散逸し、バインダー成分３３の働きにより、電極３Ａ、３Ｂは上面基板２２と下面基板２１にしっかり密着して封止される。

かかる方法は、インクの乾燥と上方基板の接着を同時に処理し、両基板で電極対を挟むデバイスを短時間で作製することに寄与し、作製個数の面からも重要である。

工程Ａにおいて印刷されるインク３０は、第一の微粒子３１、第二の微粒子３２、バインダー成分３３、および溶媒成分３４を少なくとも含む。

第一の微粒子３１は、第一の直径５１を有する概球形からなる。材質は、絶縁性であっても、導電性を備えていてもよい。

第一の微粒子３１が導電性を有する場合は、電極３Ａ、３Ｂの導電率を上げることができる。これは、電極３Ａ、３Ｂの長さが長くなったり、厚みが薄くなったりしたときにも、電極の抵抗を下げることに寄与するため、デバイスの設計の自由度が増す。さらに、第二の導電性微粒子３２に対する第一の微粒子３１との含有比率を大きくすることができる。言い換えれば、第一の微粒子３１が導電性を持っているので、電極３Ａ、３Ｂの導電を確保する第二の導電性微粒子３２を最低限ある含有率で混合させなければならない下限値に縛られないインク３０を印刷に使用することができる。かかる構成は、インク配合の自由度を増す効果があり、高精細な電極（印刷幅が３０μｍから１００μｍ）をかすれることなく、にじむことなく作製することに寄与する。

第二の微粒子３２は、第一の直径５１より小さな第二の直径５２を有する概球形からなる。形状は、どの径も第一の直径５１を超えなければ、球状に限定されず、楕円断面を持つ形状でも、正方形でもよい。材質は、導電性を備える材料から選ばれる。

インク３０に含まれる第一の微粒子３１と第二の導電性微粒子３２を合わせた含有割合が全体の７０重量％から９５重量％を占めることが望ましい。かかる含有割合は、第一の微粒子を確実に一層に配置することができることに寄与し、含有比率を変えることで任意の空洞高さと幅を持つデバイスを確実に製造できる。

なぜなら、最終的な電極対の幅は、印刷版スクリーン３７の開口幅と、基材に対するインクの濡れ性による印刷幅の拡がりに依存する。最終的な電極３Ａ、３Ｂの高さ５４Ａ、５４Ｂは、適切に保たれた印刷版スクリーン３７の厚みと、印刷幅の拡がりによる乾燥前インク厚みの減少に依存する。基材に対するインクの濡れ性による拡がりは、インクに含有される溶媒成分３４の量に依存するため、微粒子含有量を調整することで可変できる。

具体的に述べると、第一に、スクリーン３７の厚みとメッシュの開口径が、基材に印刷されるインクの体積を決定する。その内の一定割合のインクが工程Ａで基材に転写される。第二に、転写されたインクに含まれる溶媒成分３４の量に応じて、基材に対するインクの濡れが変化し拡がり幅と乾燥前インク厚みを決定する。溶媒成分３４が多いほど、基材に対してよく濡れ拡がるため、幅が大きくなり、インク厚みが小さくなる。第三に、転写されたインクは、含有割合に合わせた溶媒成分３４の体積分を乾燥により減らし、導電性を得るとともに、最終的な厚み５４Ａ、５４Ｂとなる。例えば、スクリーン３７の厚みを３５μｍ厚とする。

基材への転写割合はスキージ移動速度などの印刷条件により５０％から７５％で調整可能である。よって、基材に転写されるインク幅は、スクリーンの開口＋１５μｍ程度、インク厚みは１７μｍ厚〜２６μｍ程度になる。上記の含有割合により、溶媒成分の乾燥で厚みはさらに１／３から１／４程度になる。よって、最終的な電極厚み５４Ａ、５４Ｂは、７〜８μｍとすることができる。この場合は、予め直径５１を８μｍとする第一の微粒子３１をインク３０に含有させることにより、電極厚み５４Ａ、５４Ｂを８μｍに規定することができる。

さらに、含有割合によって電極３Ａ、３Ｂの抵抗値を調整することができる。インク３０は、溶媒成分３４と導電性微粒子成分以外に、基材との密着性・導電性微粒子同志の密着性を確保する、誘電性のバインダー成分３３が含有されている。バインダー成分３３の含有割合を減らし、微粒子の含有割合を高めると、電極３Ａ、３Ｂの抵抗値を下げることができる。

低抵抗の電極対は、空洞部に大きな電圧を印加することができ、粒子の配向を短時間で実現できる。しかしながら、電極３Ａ、３Ｂを基板に密着させるには、最低１μｍ厚に相当するバインダー成分３３の量が必要である。よって、上記の含有割合は９４％を超えることはできない。また、バインダー成分３３が全体の８１％以上を占めることに相当する、含有割合９％を下回ると、第一の微粒子３１が１層にならんでも電極厚み５４Ａ、５４Ｂを規定するのはバインダー厚みになるため、流路深さ５３を規定できなくなる。

第一の微粒子３１の第一の直径５１（Ｄ１）は、設計する流路深さ５３と等しく選ばれる。第一の直径５１は、代表的には、２〜１５μｍである。より好ましくは、７〜１０μｍである。また、第二の微粒子３２の第二の直径５２（Ｄ２）は、第一の直径５１より小さいことが必要である。より好ましくは、第二の直径Ｄ２は、Ｄ１の１７％以上５３％以下である。かかる構成は、２〜１５μｍの流路深さ５３を持つ流路を任意に製造できる。Ｄ２が１７％以下なら、第二の微粒子３２が２層に形成されても、Ｄ１の直径５１を超えないため、第一の微粒子３１の直径５１で流路深さ５３を規定できる。

また、Ｄ２が５３％以上なら、第二の微粒子３２の上に第一の微粒子３１が乗り上げて配置されることがなく、第一の微粒子３１の直径５１で流路深さ５３を規定できる。電極３Ａ、３Ｂの導電率も低抵抗で確保できる。

さらに電極３Ａ、３Ｂの頂面の表面は、一様な高さを持たず、局所的に第一の直径５１の高さを持ち、残りの部分を第二の導電性微粒子３２が１〜２層配置された高さで、第二の直径５２の曲率を持った凹凸形状となる。かかる頂面形状を持つ電３Ａ、３Ｂ対は、凹凸形状部でのエッジ効果により電圧印加時に電界集中部を多く持つ。このため、流路４内の粒子６に大きな誘電泳動力を与えることが可能となる。粒子６を短時間で配向させ、粒子配向数を大きくすることに寄与する。

第二の導電性微粒子３２に対する第一の微粒子３１の存在比率が、０．２７％〜８００％であることが望ましい。かかる存在比率により、電極３Ａ、３Ｂの抵抗値を調整することができる。つまり、第一の微粒子３１に対して、電極の面積の方向に亘る導電性を確保する、第二の導電性微粒子３２の存在比率を上げると、抵抗値を低くすることができる。

電極対間に大きな電圧を印加でき、誘電泳動による粒子の配向を短時間で行うことができる。さらに、第二の導電性微粒子３２に対して、電極厚み５４Ａ、５４Ｂを規定する、第一の導電性微粒子３１の存在比率を上げると、上面基板２１を支える点が多くなり、流路６の深さ５３の規定をより確実に行うことができる。これは、上面基板２１が樹脂からなる場合、ガラスに比べ樹脂フィルムは、大きな表面粗さを持ち、剛性が低いため、本構成が有利である。

第一の微粒子３１の材料は任意である。シリカビーズ、ポリスチレンを主体とするラテックスビーズなどがありうる。第二の微粒子３２は、導電性を持てば材料は問わない。金、銀、白金、鉄、アルミ、銅などの金属や導電性カーボンなどの導電性材料からなる微粒子が好適に選ばれる。もっとも好適なものは銀である。

バインダー成分３３は、当業者に公知の材料から選ばれる。例えば樹脂としてエチルセルロース樹脂やアルキド樹脂等を使用できる。

溶媒成分３４は、当業者に公知の材料から選ばれる。例えば、テルピネオールやジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート等を用いることができる。

上面基板２１と下面基板２２の材料は、絶縁体で構成されている。絶縁材料の例としては、有機材料、およびガラス、無機絶縁材料、半導体材料から選ばれる。有機材料は、ポリエチレン、エチレン、ポリプロピレン、ポリイソブチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、不飽和ポリエステル、含フッ素樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール、アクリル樹脂、ポリアクリロニトリル、ポリスチレン、アセタール樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアミド、フェノール樹脂、ユリア樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、スチレン・アクリロニトリル共重合体、アクリロニトリル・ブタジエンスチレン共重合体、シリコン樹脂、ポリフェニレンオキサイド及びポリスルホン等の群から選ばれる。ガラスは、アルカリガラス、アルカリソーダガラス、ホウケイ酸ガラス、石英ガラス等である。無機絶縁材料は、アルミナ、サファイア、フォルステライト、炭化ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素の群から選ばれる。半導体材料は、単結晶シリコン、アモルファスシリコン、炭化ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素等である。

少なくとも一方の基板の一部が透明性を有していることが望ましい。流路４内の様子を観察することができる。特に深さが規定されているので、流路４内での粒子６の挙動を焦点からぼけることなく認識できる。例えば、抗原抗体反応により生じる粒子の凝集を検出して抗原や抗体の存在を検査することができる。

電極３Ａ、３Ｂの高さ５４Ａ、５４Ｂは、第一の微粒子の直径５１で規定される。電極３Ａ、３Ｂの電極幅５６Ａ、５６Ｂは、導電性を有するなら任意である。具体的には、電極幅５６Ａ、５６Ｂは、１０μｍから５ｍｍの間から選ばれ、より好ましくは、３０μｍ以上１ｍｍ以下である。電極長さも電気的接続を取る端子から取れるに足る長さであれば任意であり、１ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、好適には４ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。電極の抵抗値は、０．００１Ω・ｍ〜１０００ｋΩ・ｍであり、好適には、１００Ω・ｍ以下であることが望ましい。

流路深さ５３は、第一の微粒子の直径５１で規定される。流路４の流路幅５５は必要な量の生体試料溶液５が注入できる溶液を持てば任意であり、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、好適には０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。流路の幅は、電極３Ａ、３Ｂの間に印加される電圧とともに、流路にかかる電界強度を決定する。流路の内部の表面は、親水性であっても、疎水性であっても、いずれの表面を一部または全部に備えていてもよい。また、粒子の吸着を抑制する表面処理が施されていてもよい。

流路４は、流路４内に液体５を導けるように、注入口と排出口を別途備えていてもよい。注入口と排出口は、流路４とつながっていれば、上面基板２１もしくは、下面基板２２に設けてあってもよい。

作製した電極基板２を使った免疫反応の測定方法を以下に概説する。免疫反応は、抗体を吸着させた粒子６の凝集度で抗体に特異的に結合する抗原の量を検出する原理に基づく。まず、電極基板２の流路４に粒子６を所定の濃度で分散させた溶液５が投入される。次に、電極３Ａ、３Ｂに電圧が印加され、粒子６が流路４内で誘電泳動を受け、流路４内で数珠つなぎ様に並んだ挙動（以下、パールチェーン）を示す。最後に、電圧印加を停止し、所定の時間を経た時の粒子の凝集度を総粒子数に対する２個以上に凝集した粒子の総数の面積比で判定する。

上記の測定を実現できる測定装置１を示す。測定装置１は、電極基板２、撮像手段１０、電圧印加手段１２、解析装置１３からなる。

電圧印加手段１２は、電極基板２の電極３Ａ、３Ｂに所定の電圧を印加することができる。電圧は、直流電圧、交流電圧のいずれでもよいが、望ましくは交流電圧である。電圧の波形および周波数、電圧値は適切に選ばれる。一例としては、周波数は１００Ｈｚから１００ｋＨｚ、波形は矩形波もしくは正弦波、三角波から選ばれる。電圧値は、１Ｖｐ−ｐから１００Ｖｐ−ｐである。好適には１０Ｖｐ−ｐから３０Ｖｐ−ｐである。

撮像手段１０は、電極基板２の流路４内での粒子６の挙動を観察・撮像することができる。電極基板２の上面基板２１もしくは下面基板２２の少なくともいずれか一方は透明性を有するので、撮像手段１０によって容易に撮像することができる。撮像手段１０と電極基板２の間に設置された対物レンズ１１によって、流路４内の様子は拡大されて撮像される。撮像は動画であっても、静止画であってもよい。

解析装置１３は、撮像手段１０で撮像された画像を処理することができる。例えば、画像の中の粒子の数をカウントすることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る電極基板２の構造を図６、図７に示す。従って、以下の説明においてこれらの図面を参照する。第２実施形態に係る電極基板２は、電極３Ａ、３Ｂの流路４とは対向する方向に、流路４を密閉する接着層７Ａ、７Ｂを設けた点が第１実施形態と異なる。

図８は、第２実施形態に係る電極基板２を製造する方法を示すフローチャートである。

工程Ａの後に、第一の微粒子３１を含む接着性を有する接着性インク３８を印刷する工程Ｄを新たに設ける点が第１実施形態と異なる。以下では、上記２つの相違点について詳述する。

工程Ｄでは、第一の微粒子３１を含む接着性を有する接着性インク３８を印刷する。この工程により、電極３Ａ、３Ｂの流路４とは対向する位置に接着層７Ａ、７Ｂが第一の微粒子３１の直径５１で規定された厚みで形成される。

かかる構成により、上面基板２１を確実に流路厚み５３を保ったまま接着できる。図８に示したように、電極乾燥工程Ｃを基板配置工程Ｂの前にも後にも行うことができる。つまり、基板配置工程Ｂの前に電極乾燥工程Ｃを行う場合は、工程Ａにて第一の微粒子３１と第二の導電性微粒子３２を含むインク３０を下面基板２２に印刷した後、インク３０を乾燥し、電極３Ａ、３Ｂを作製する（工程Ｃ）。

その後、再度第一の微粒子３１を含む接着性インク３８を下面基板２２に印刷する（工程Ｄ）。上面基板２１を下面基板２２の上に配置し（工程Ｂ）、接着性インク３８を乾燥させ、上面基板２１を電極３Ａ、３Ｂの上に接着する。また、基板配置工程Ｂの後に電極乾燥工程Ｃを行う場合は、工程Ａにてインク３０を下面基板２２に印刷した後（工程Ａ）、続いて再度第一の微粒子３１を含む接着性インク３８を下面基板２２に印刷する（工程Ｄ）。

上面基板２１を下面基板２２の上に配置し（工程Ｂ）、接着性インク３８と電極インク３０を同時に乾燥させ、上面基板２１を電極３Ａ、３Ｂの上に接着する。これら２つの方法のいずれでもデバイスを作製できることは、製造上の自由度が増す。例えば、電極インク３０の乾燥条件が、上面基板２１の耐熱温度より高い場合は、先に電極の乾燥工程Ｃを行った後に、接着インク３８にて上面基板２１と接着することができる。粒子６を電極を形成後（工程Ｃ）、後で乗せすることも可能であり、粒子６が電極インク３０の乾燥条件に用いる温度に耐えない場合などは有効である。また、接着性インク３８の高さは流路高さ５３に等しいので、流路４を確実に密閉することができ、流路４内部に液体５を注入するためには望ましい。

さらに、電極対と接着剤の作成を印刷のみで行うことができる。設備を共通化することができ、製造上容易である。

接着層７Ａ、７Ｂは、第一の微粒子３１を含む接着性を有する接着性インク３８の印刷で作製されるため、電極３Ａ、３Ｂと同じ高さを持つ。接着層７Ａ、７Ｂは、電極対３Ａ、３Ｂと接する構成に限定されず、位置は任意である。接着性インク３８の印刷方法もインク３０の印刷方法と同様の技術を用いて作成される。

（第３実施形態）
本発明の第２実施形態に係る電極基板２の構造を図９に示す。本発明の第３実施形態に係る電極基板２の構造は、接着剤４０が第一の微粒子３１を含まないことを除いて、第２実施形態である、図５、６に最終的に等しくなる。接着層７Ａ、７Ｂの作製方法のみが違う。図１０は、第３実施形態に係る電極基板２を製造する方法を示すフローチャートである。

上面基板２１を配置する工程Ｂの後に、流路４以外の上面基板２１と下面基板２２で挟まれた空間８Ａ、８Ｂに接着剤４０を流し込む工程Ｅを新たに設けた点が第１実施形態と異なる。以下では、上記の相違点について詳述する。

工程Ｅでは、空間８Ａ、８Ｂが非常に小さいため、接着剤４０を毛細管現象を利用することで空間８Ａ、８Ｂを埋めるように自発的に流し込むことができる。高度な接着剤の位置決め処理が必要ない。さらに、確実に流路４を中空構造として封止ことができ、流路４内に注入された反応液５は漏れ出すことがない。しかも、特許文献１に開示されるような、熱や圧力を印加した上でのラミネート工法による接着方法ではないため、例えば、上面基板２１が熱や圧力によって変形しやすい樹脂基板に用いても、流路４がたわむことなく、確実に流路４の深さ５３を規定することができる。粒子６が熱等に弱い場合にも、粒子６を前に乗せても後から入れて置くこともできるため、製造上も有利である。

以下、本発明をより具体的に例示する。これらの実施例は、本発明を限定するものではない。

本実施例は、第１の実施形態にかかる実施例である。実施例１として、図２から図３に示す流路４を有する電極基板２を試作した。実施例１の電極基板２の流路４において、粒子５の挙動を観測する実験を行った。

（電極基板２の作製）
清浄に処理された１５０ｍｍ角、厚み０．２５ｍｍのポリエチレンテレフタレート（以下、ＰＥＴ）基板（東洋紡社製コスモシャイン４３００）を用意した。印刷用インクは、藤倉化成社製導電ペーストを用いた。平均粒径７μｍのシリカ微粒子と平均粒径２μｍの銀微粒子を４０％：６０％に調整した銀ペーストを用いた。印刷スクリーンを使って、電極３Ａ、３ＢをＰＥＴ基板上に印刷した。電極幅は１ｍｍ、電極対の間隔は０．５ｍｍ、電極長さ３０ｍｍの一対の矩形電極が作製できた。

上面基板にも同様のＰＥＴ基板を用いた。上面基板は、注入口と排出口として１ｍｍ角の貫通孔を形成させた。下面基板と上面基板を貼り合わせ、６０度のオーブンに入れ、１８０分間置いて、電極の溶媒成分を乾燥させて、下面基板と上面基板を電極３Ａ、３Ｂに貼りあわせて電極基板２を作製した。

（評価）
本実施例の電極基板２の流路４の深さをレーザ変位計（キーエンス社製）にて上方からレーザを照射し、反射した高さから測定した。流路の深さは７μｍとなった。一方、電極３Ａ、３Ｂの両端の表面抵抗をテスターにて測定した。抵抗値は１０Ωとなり、導通している。よって、流路の深さを電極に混在させた７μｍの微粒子で規定し、電極を作製できたことが確認された。

（電圧印加実験）
作製した電極基板２の電極対に電圧を印加する実験を行った。粒子６は、平均直径２μｍのラテックスビーズ（バングス社）に、抗体を吸着させたものを用いた。緩衝液の組成は、５０ｍＭ 塩化ナトリウム、２０ｍＭグリシン ｐＨ８．６、０．１％ ＢＳＡである。粒子６を終濃度０．１％となるよう、バッファー溶液に希釈して調整した。注入口から粒子溶液を１μＬ投入し、電極対に１００ｋＨｚ、２０Ｖｐ−ｐの矩形波電圧を波形発生器を使って印加した。観測は、オリンパス社製倒立顕微鏡を用いて、透過光観察した。粒子６は流路４内で誘電泳動を受け、流路４内で数珠つなぎ様に並んだ挙動（以下、パールチェーン）が観測された。特に、流路４の深さが７μｍで規定されているので、粒子６は２層に重なることなく、また、観測している顕微鏡の焦点から外れることもなく、粒子の輪郭がはっきりと観測された。

電圧印加を３０秒間続けた後、印加を停止し、１分間放置後の粒子挙動を再び観測した。その時の粒子６の凝集度を、以下の式により求めた。そして、３画面の平均をとって凝集度とし、反応性を測定した。

凝集度＝（２個以上に凝集した粒子総数の面積）／（総粒子数の面積）×１００（％）
（結果）
粒子６に結合させた抗体に対して特異的に結合する抗原を１×１０＾８Ｍの濃度で含む溶液に対しては、凝集度が６８±３％となった。抗原を１×１０＾１０の濃度で含む溶液に対しては、凝集度が３１±４％となり、粒子６に結合させた抗体に対して特異的に結合する抗原の濃度に応じた応答を取得した。本発明は、免疫反応（抗原抗体反応）や遺伝子反応などの生物学的反応において生じる反応生成物を検出した。

本発明の電極基板及び電極基板の作製方法は、生体試料、特に血液等に含まれるタンパク質等の生体構成成分を分析するデバイスとして有用である。このため、血液試料中に含まれるタンパクや健康指標物質を分離、精製、反応、検出するＰＯＣＴ（Point of care test その場診断）診断バイオセンサ等の用途にも応用できる。

本発明にかかる電極および製造方法とそれを用いた検出装置と検出方法は第一の微粒子により中空部の深さを規定し、第一の導電性微粒子より小さい第二の導電性微粒子が電極対内での導電を確保することで、デバイスの電極対の厚みがばらつくことなく、もって電極厚みで規定される空洞深さを高精度に、かつ安価に製造できる。さらに、空洞内での正確な粒子の認識を実現できるデバイスを実現することが可能となり、本発明は、微小な中空構造を持つ電極、および製造する方法に関する。特に、本発明は、免疫反応（抗原抗体反応）や遺伝子反応などの生物学的反応において生じる反応生成物を検出する検査用チップ及びその製造方法等として有用である。

本発明の第１実施形態に係る電極基板を示す、図２のA−A’線での部分断面図 本発明の第１実施形態に係る電極基板の部分上面図 本発明の第１実施形態に係る電極基板の作製方法の例を説明するためのフローチャート 工程Ａを示す図 工程Ｂを示す図 本発明の第２実施形態に係る電極基板を示す、図７のI−I線での部分断面図 本発明の第２実施形態に係る電極基板の部分上面図 本発明の第２実施形態に係る電極基板の作製方法の例を説明するためのフローチャート 本発明の第３実施形態に係る電極基板を示す、図７のI−I線での部分断面図 本発明の第３実施形態に係る電極基板の作製方法の例を説明するためのフローチャート 実施例１における抗原と凝集度の関係を示す実験結果を示す図

符号の説明

１ 測定装置
２ 電極基板
３Ａ，３Ｂ 電極
４ 流路
５ 液体、生体試料溶液
６ 粒子
７Ａ，７Ｂ 接着層
８Ａ，８Ｂ 空間
９ 端子
１０ 撮像手段
１１ 対物レンズ
１２ 電圧印加手段
１３ 解析装置
２１ 下面基板
２２ 上面基板
２３ 注入口
２４ 空気穴
３０ インク
３１ 第一の微粒子
３２ 第二の微粒子
３３ バインダー成分
３４ 溶媒成分
３５ 第３の接着性微粒子
３６ 第二の接着性バインダー成分
３７ スクリーン
３８ 接着性インク
４０ 接着剤
５１ 第一の直径
５２ 第二の直径
５３ 流路深さ（厚み）
５４Ａ，５４Ｂ 電極高さ（厚み）
５５ 流路幅
５６Ａ，５６Ｂ 電極幅
５７Ａ，５７Ｂ 接着層高さ（厚み）
５８ 接着層幅

Claims (12)

1. 一対の基板群で挟まれた内部に
   導電性を有する少なくとも一対の電極群と、
   前記一対の電極群と前記基板群で挟まれた空洞である中空部とを
   有する電極を
   前記基板群で挟まれた距離である、前記中空部の深さを規定して作製する方法であって、
   前記基板の一方の上に、
   前記中空部の前記深さに等しい直径を有する第一の微粒子と、
   前記第一の微粒子より小さい直径を有する第二の導電性微粒子を含む
   インクを印刷する工程Ａ、
   前記工程Ａにて作製された前記電極の上に他方の前記基板を配置させる工程B、
   前記インクを乾燥させる工程Ｃ、
   を有する電極を製造する方法。
2. 前記インクに含まれる前記第一の微粒子が導電性を備える請求項１に記載の電極を製造する方法。
3. 前記インクに含まれる前記第一の微粒子と前記第二の導電性微粒子を合わせた含有割合が全体の９％から９４％を占める、
   請求項１または２に記載の電極を製造する方法。
4. 前記第一の微粒子の第一の直径Ｄ１が２〜１５μｍであり、
   かつ、前記第二の導電性微粒子の第二の直径Ｄ２が前記直径Ｄ１の１７％以上５３％以下である、請求項２に記載の電極を製造する方法。
5. 前記第二の導電性微粒子と前記第一の微粒子の体積比が０．２７％〜８００％である、
   請求項４記載の電極を製造する方法。
6. 前記基板郡が樹脂より選ばれる、請求項１から５に記載の電極を製造する方法。
7. 前記工程Ａの後に、前記第一の微粒子を含む接着性を有するインクを印刷する工程Ｄからなる、請求項１記載の電極を製造する方法。
8. 前記工程Ｂの後に、前記中空部以外の前記基板で挟まれた空洞に接着剤を流し込む工程Ｅからなる、請求項１記載の電極を製造する方法。
9. 一対の基板群で挟まれた内部に
   導電性を有する少なくとも一対の電極群と、
   前記一対の電極群と前記基板群で挟まれた空洞である中空部とを
   有する電極であって、
   前記電極群が、少なくとも２種以上の直径を持つ粒子を有し、かつ、少なくとも１種以上が導電性を有することを特徴とする電極。
10. 少なくとも一方の基板の一部が透明性を有する、請求項９記載の電極。
11. 電極を使った、被検出溶液中に含まれる、生体試料を検出する検出装置であって、
    一対の基板群で挟まれた内部に導電性を有する少なくとも一対の電極群と、
    前記一対の電極群と前記基板群で挟まれた空洞である中空部と
    中空部に配置され、被検出溶液中の生体試料と特異的に結合する担体を有し、
    前記電極群が、
    前記中空部の深さを規定する第一の高さと、
    前記電極の導電性を確保する第二の高さを
    有する電極と、
    前記電極郡につながり、電極間に交流電圧を印加する電圧印加手段と、
    前記中空部を観察・撮像する観察手段と、
    前記観察手段にて撮像された画像を解析する解析手段を備えた、
    検出装置。
12. 請求項１１に記載の検出装置を用いて、被検出溶液中に含まれる、生体試料を検出する検出方法であって、
    一対の基板群で挟まれた内部に導電性を有する少なくとも一対の電極群と、
    前記一対の電極群と前記基板群で挟まれた空洞である中空部と
    中空部に配置され、被検出溶液中の生体試料と特異的に結合する担体を有し、
    前記電極群が、
    前記中空部の深さを規定する第一の高さと、
    前記電極の導電性を確保する第二の高さを
    有する電極の前記中空部を、被検出溶液で満たす工程、
    前記電圧印加手段に交流電圧を印加する工程、
    前記電圧印加手段による前記交流電圧の印加を停止する工程、
    前記観察手段にて前記中空部の一部を撮像する工程、
    前記解析手段による撮像された画像を解析する工程からなる、
    検出方法。

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