JP2009085607A - 生体分子検出素子及び生体分子検出素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板表面に2個以上の金属微粒子(半径r)104を軸対称に隣接して固定し、基板表面に固定したプローブ分子106がその金属微粒子群の重心点から距離R ≦6rの位置にあるようにする。
【選択図】図1
Description
(1) 基板表面へのポジ型電子線レジストの塗布
(2) 電子線描画及び現像による開口形成
(3) リンカー分子層の形成I(金属微粒子固定ドット:リンカー分子A)
(4) 蛍光増強用金属微粒子の固定
(5) プローブ分子固定用金属微粒子の固定
(6) レジスト剥離
(7) リンカー分子層の形成II
(8) 吸着阻害分子の形成I(吸着阻害分子C)
(9) プローブ分子の固定
(10) 表面吸着阻害分子の形成II(金属微粒子表面:吸着阻害分子D)
(1) 基板表面へのポジ型電子線レジストの塗布:図2(a)
先ず担体基板201を洗浄する。具体的には例えば、基板201をNaOH水溶液等のアルカリ性水溶液で洗浄した後、HCl水溶液等の酸性水溶液で洗浄し、純水ですすいだ後に乾燥する。あるいは、硫酸と過酸化水素を約4:1で混合した溶液で有機物汚染を洗浄する。基板としては、ガラス基板(スライドガラス)、石英基板、プラスチック基板等を用いることができる。また、金属コーティング基板等でもよい。基板の材質は、表面にシラノール基を有するものが好ましい。
電子線描画は、目的の解像度を満たす電子線描画装置によって実行する。ここでは、実効解像度(最小加工寸法)10nmの電界放射型電子線描画装置を用い、ドットパターンを描画する。基本パターンは円形であり、サイズは最小20nmφから100nmφ程度が主要な値である。電子線走査フィールドは、75μm〜2400μm角の範囲であり、必要に応じて走査フィールドを繋ぎ合わせ、照射面積を確保する。走査フィールド内ではx方向、y方向それぞれ数万ステップ程度に分割され、各ステップにてスポット径約2〜3 nmの EB (electron beam)がパルス照射される。レーザー干渉計を用いた高精度アライメント機構を用い、走査フィールド繋ぎ精度は3σで50nm以下(走査フィールド600μmの場合)程度を確保する。電子線描画パターンはCADデータとして設計し、コンピュータ制御により描画を実行する。描画パターンはナノ孔加工であり、スループットの観点からポジ型レジストが向いている。ポジ型電子線レジスト塗布基板を電子線描画した後、所定の有機溶剤系現像液に浸漬して、照射部のレジストを除去し、さらにリンス液で洗浄して蛍光増強用金属微粒子を固定するための開口パターン203及びプローブ分子固定用金属微粒子を固定するための開口パターン204を得る。φ20nmからφ100nmの開口パターンは光学顕微鏡では観察できないので、電子顕微鏡及び原子間力顕微鏡(AFM)を用いてパターン解像検査を行う。
電子線レジスト開口パターンを形成した基板を、リンカー分子Aの溶液に浸漬し、開口パターン底の酸化膜(SiO2)表面に反応させる。リンカー分子Aとしては、金属微粒子と結合する活性基を持つシランカップリング剤などを使用する。シランカップリング剤としては、例えば、基板表面にアミノ基を固定する場合には、3-アミノプロピルトリメトキシシラン(3-aminopropyltrimthoxysilane)、3-アミノプロピルトリエトキシシラン(3-aminopropyltriethoxysilane)、N-(2-aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane)、(aminoethyl-aminomethyl) phenethyltrimethoxysilane等を用いることができる。一方、基板表面にチオール基を固定する場合には、3-mercaptopropyltrimethoxysilane等を用いることができる。溶媒としては、例えば、エタノール、メタノール、トルエン、ベンゼン、水等を用いることができる。反応温度は、通常、20℃〜85℃の範囲である。ここで、リンカー分子Aは、開口部の酸化膜表面とはシラノール基と共有結合で固定されるが、レジスト表面部では表面に結合基が存在しないため物理吸着しているだけである。リンカー分子Aのアミノ基又はチオール基が基板と反対側に露出し、それによって次工程の金属微粒子と結合する。
基板表面の活性基と金属微粒子の相互作用により、基板表面に金属微粒子を固定する。図2(d)は、金属微粒子205が固定された担体表面の様子を示す。金属微粒子材料としては、貴金属類である金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムのいずれか、あるいはそれらの合金を用いることができる。あるいは、これらの貴金属類で作られた微粒子上に他の貴金属がコーティングされたもの、例えば金微粒子上に銀がコーティングされた金属微粒子を用いてもよい。金属微粒子径は、金属微粒子の基板への固定安定性という観点から10nm以上が望ましい。一方、蛍光を増強させるという観点から、金属微粒子径は蛍光増強効果が得られる10nm以上1mm以下を用いるのが良い。
工程(4)と同様に、基板表面の活性基と金属微粒子の相互作用により、基板表面にプローブ分子固定用金属微粒子を固定する。図2(e)は、プローブ分子固定用の金属微粒子207が固定化された担体表面の様子を示す。金属微粒子207の材料としては、貴金属類である金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムのいずれか、あるいはそれらの合金を用いることができる。あるいは、これらの貴金属類で作られた微粒子上に他の貴金属がコーティングされたもの、例えば金微粒子上に銀がコーティングされた金属微粒子を用いてもよい。金属微粒子径は、金属微粒子の基板への固定安定性という観点から10nm以上が望ましい。一方で、蛍光増強用の金属微粒子よりも小さい方が望ましい。
専用レジスト剥離液に工程(5)が終了した基板を浸漬し、レジストを溶解除去する。この際、レジスト上に吸着している金属微粒子及びリンカー分子Aがリフトオフにより除去され、基板表面に共有結合したリンカー分子Aからなる微粒子固定ドットとその上に固定された金属微粒子だけが残る。この段階で重要なことは、金属微粒子が、各サイトに一個ずつ固定されていることと、ドットパターンへの金属微粒子固定充填率が高いこと、ドット外のエリアには金属微粒子の残留付着が無いことである。
基板表面のうち、金属微粒子が固定されていない表面に、後のプロセスで生体分子や試薬が非特異的に吸着する可能性が高い。これらの非特異吸着は、デバイスとして用いた場合のノイズとなるため、徹底的に防止する必要がある。このため金属微粒子固定ドットパターン以外のエリアに吸着阻害分子を固定し、対策する。図2(g)は、この目的のために、まずリンカー分子Bを形成した様子を示す。ここで、金属微粒子固定ドットに用いた、アミノ基やチオール基を含むシランカップリング剤を用いると、既に表面に固定されている金属微粒子表面に対しても反応するために、最終的な金属微粒子表面へのプローブ固定の障害にもなりかねない。そこで、ここでは金属微粒子とは相互作用せず、基板表面とだけ反応するリンカー分子が望ましい。このような物質として、例えばエポキシ基やカルボキシル基を持つシランカップリング剤が有望である。
工程(7)で形成したリンカー分子Bの上に、生体分子の非特異吸着を防止する分子として吸着阻害分子Cを結合させる。リンカー分子Bが、上記エポキシ基を持つシランカップリング剤の場合は、エポキシ基やカルボキシル基と反応するアミノ基や水酸基等を持つ吸着阻害分子が有効であり、具体的には、アミノ基を末端にもつ低分子量のポリエチレングリコール(PEG)や水酸基を持つカルボキシメチルデキストラン(CM-Dextran)などが使える。ただし、リンカー分子Bのみで充分非特異吸着を防止できる場合には、吸着阻害分子Cは必ずしも必要ではない。
この工程では、プローブ分子固定用の金属微粒子上に、この金属微粒子と結合することができる官能基を持つプローブ分子を反応させ、金属微粒子上にプローブ分子を固定する。図2(i)は、プローブ分子をPとして、基板表面の様子を示す。
プローブ分子固定用の金属微粒子表面で、プローブDNAが固定されなかった領域は、検体の生体分子を吸着させる可能性がある。よって、このプローブDNA固定部以外の金属微粒子表面をブロッキングする。図2(j)は、吸着阻害分子Dを用いて、金属微粒子表面をブロッキング処理した後の基板表面の様子を示す。
前述の(1)〜(10)に述べた工程を経て作成した生体分子検出素子表面に、蛍光修飾された検体試料溶液を反応させる。ここではプローブ分子304としてプローブDNAを用い、検出用生体分子として核酸を用いた場合について図3を用いて説明する。簡略化のためリンカー分子、吸着阻害分子などは図示を省略した。これに対して、蛍光分子305によって蛍光修飾されたターゲットDNA306が検体試料として供給された状況を図3(a)に示す。ここで、プローブDNAとターゲットDNAの塩基配列が完全に相補的である場合は互いに速やかに反応し、図3(b)のように相補的水素結合307で結合した2本鎖DNAを形成する。これがハイブリダイゼーション反応である。
まず、前述の(1)〜(8)に述べた工程によって、図7に示すように、蛍光増強用の金属微粒子群とプローブ分子固定用の金属微粒子を基板表面上にグリッド状に並べた。工程(2)において、電子線描画する際に、レジスト開口パターンを繰返しグリッド状に加工していく。工程(9)において、図8に示すように、配列解析対象となる単一分子DNA801を固定するためのプローブ分子802を基板701上に金属微粒子703を介して配列させる。702は軸対称に配置した蛍光増強用の金属微粒子である。プローブ分子を固定する際には、プローブ分子固定用の金属微粒子に対して一本のプローブ分子が固定するように、プローブ分子固定溶液の濃度を調整する。
(工程1)基板表面へのポジ型電子線レジストの塗布工程:図12(a)
担体基板1201として、平坦性の高い熱酸化膜100nm付き4インチSi基板を用いた。基板を0.1wt%のNaOH水溶液で洗浄し、更に0.1wt%のHCl水溶液で洗浄し、純水で充分すすいだ後に乾燥した。ここで、レジストとして用いたポジ型レジストは、主鎖切断型のレジストである。レジストをアニソールで希釈し、スピンコーターを用いてコーティングした。コーティング後、溶剤を除去するためにN2フロー中180℃、20minベークした。本実施例では、レジスト膜厚は充分薄く、かつEB加工による膜減りが見られない60nm膜厚(レジスト:アニソール=1:3希釈)とした。また、EB描画中の基板の帯電を防止するため、塗布したレジスト膜1202の上に導電性ポリマー(ポリイソチアナフテンスルホネート)溶液をコーティングした。この溶液は、導電性ポリマーをコロイド粒子にし、界面活性剤を用いて分散させたものである。同じスピンコーターを用いて導電性ポリマー1203をコーティングした後、溶剤を除去するためにN2フロー中で100℃、10minベークした。
電子線走査フィールド内ではx方向、y方向それぞれ60,000ステップに分割され、各ステップにてスポット径約2〜3nmの電子線をパルス照射する。どのステップ位置で電子線照射をするかを、CADソフトを用いて指定することにより、所望のパターンを形成する。電子線加工開口径は、固定させる金属微粒子と同等である必要がある。本実施例では、安定に固定でき、かつ蛍光増強効果を得ることができる直径30nmの金ナノ粒子を蛍光増強用の金ナノ粒子として用いた。また、直径15nmの金ナノ粒子をプローブ分子固定用の金ナノ粒子として用いた。直径30nmの金ナノ粒子を孤立固定できるよう、金ナノ粒子固定用のEB開口径をφ35nmとした。
電子線レジスト開口パターンを形成した基板を、シランカップリング剤である3-アミノプロピルトリメトキシシラン(3-aminopropyltrimthoxysilane, APTMS)溶液に浸漬した。尚、APTMSを希釈する溶媒としてメタノールを用いた。反応温度は室温、反応時間は5分とし、反応後、メタノールで充分洗浄し乾燥した。この結果、開口孔底にAPTMSが吸着する。この基板を80℃で2hrアニールした。このアニールプロセスによって、APTMSと開口孔底のSiO2の間にシロキサン結合が形成され、開口孔底が安定にアミノ化される。一方、レジスト上にもAPTMSが吸着するため、レジスト上にもAPTMSが残留する。
直径が30nmの金ナノ粒子表面全面にNHSエステルをコーティング1207した。具体的には、片側の末端に金と反応するチオール基を持ち、もう片方の末端にNHSエステルを有する分子を用いて金ナノ粒子全面をコーティングした。次に、開口孔底部をアミノ化した基板に、コーティングを施した金ナノ粒子クエン酸溶液を作用させた。反応温度は室温であり、反応時間は20時間である。この時、金ナノ粒子は表面NHSエステルと表面のアミノ基が反応してアミド結合を形成し金ナノ粒子1206が固定される。金ナノ粒子を反応させた後、充分純水洗浄した。
基板に、直径が15nmの金ナノ粒子クエン酸溶液を作用させた。反応温度は室温であり、反応時間は20時間である。金ナノ粒子表面はクエン酸で覆われ負電荷を持つ。一方、アミノ化された表面は正電荷を持つため、金ナノ粒子は表面のアミノ基と引き合い、金ナノ粒子1208が固定される。金ナノ粒子を反応させた後、充分純水洗浄した。
基板をジメチルアセトアミドに3分浸漬させ、レジストを除去した。この際、レジスト上に付着した金ナノ粒子が基板に再付着しないよう、充分量のジメチルアセトアミドを使用した。ジメチルアセトアミドに浸漬後、エタノール洗浄と純水洗浄を充分に行った。このプロセスによって、レジスト上に吸着された金ナノ粒子もリフトオフされ、開口部に固定された金ナノ粒子のみが残留する。
金ナノ粒子30nmを格子状に配列させた基板をエタノールに浸漬し乾燥後、エポキシ基をコーティングした。Diisopropylethylamine 0.8%が添加された3-Glycidoxypropyltrimethoxysilane(GOPS) 7.7%の脱水トルエン溶液中で、上記基板を85℃下で2hr反応させることによってエポキシ基を金ナノ粒子が固定されていない領域にコーティングした。反応後、脱水トルエン及びエタノールで洗浄し乾燥させた。
工程6及び7でエポキシ基をコーティングした基板をエタノール洗浄した後、基板表面とチオール基を末端に持つ50mer 1本鎖プローブDNA溶液を金ナノ粒子コーティング領域であるそれぞれ200μm角エリアにスポッティングした。用いたDNAの塩基配列は1種類であり、1種類のプローブDNA(1209)を100点にスポットした。その5’末端側からの塩基配列を下記に示す。
AGTCGAGCGGTAGCACAGAGAGCTTGCTCTCGGGTGACGAGCGGCGGACG
プローブDNAを固定した基板に、プローブDNAと完全相補的な配列をもち、3’末端に蛍光分子Cy3を標識した一本鎖のターゲットDNAをハイブリダイゼーションさせた。ハイブリダイゼーション溶液として5×SSC(Standard Saline Citrate)と0.5%SDS溶液Sodium Dodecyl Sulphate)の混合液を用いた。ターゲットDNA量を0.1amolから1fmol まで変化させ、それぞれ42℃で20時間ハイブリダイゼーションさせた。その後、2×SSC、0.1%SDS溶液、2×SSC溶液で洗浄を行い、乾燥した。乾燥させた基板表面に対し、蛍光スキャナーを用いて励起光を入射し、表面からの蛍光強度を測定した。励起レーザー光の波長は532nmであり、このレーザー光をスポットエリアでスキャンさせた。発生した蛍光を光電子倍増管で検出した。測定した蛍光強度はハイブリダイゼーション反応したターゲットDNA量に比例するものである。
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAGTCGAGCGGTAGCACAGAGAGCTTGCTCTCGGGTGACGAGCGGCGGACG
Claims (19)
- 基板の表面に半径rの金属微粒子とプローブ分子とが規則的に複数配列され、
それぞれが複数の前記金属微粒子とプローブ分子とを含む検出スポットが複数設けられ、
各検出スポットは、中心間距離dが 2r≦d≦4r を満たすように隣接配置された複数の前記金属微粒子と、当該隣接配置された複数の金属微粒子によって囲まれた領域内に固定されたプローブ分子とを含むことを特徴とする生体分子検出素子。 - 請求項1記載の生体分子検出素子において、前記検出スポット内で前記金属微粒子は前記基板の表面に回転対称に配列されていることを特徴とする生体分子検出素子。
- 請求項1記載の生体分子検出素子において、前記プローブ分子は、当該プローブ分子に最も近接した2つの前記金属微粒子の重心点から距離6r以内にあることを特徴とする生体分子検出素子。
- 請求項1記載の生体分子検出素子において、前記金属微粒子は貴金属類に属する金属、貴金属類に属する金属の合金又は貴金属類に属する金属の積層体からなることを特徴とする生体分子検出素子。
- 請求項1記載の生体分子検出素子において、前記金属微粒子は直径が10nm以上1mm以下であることを特徴とする生体分子検出素子。
- 請求項1記載の生体分子検出素子において、前記1つの検出スポットに含まれる金属微粒子の数が2個以上5個以下であることを特徴とする生体分子検出素子。
- 請求項1記載の生体分子検出素子において、前記プローブ分子が核酸であることを特徴とする生体分子検出素子。
- 請求項1記載の生体分子検出素子において、前記プローブ分子は半径rと異なる半径r’の金属微粒子に固定されていることを特徴とする生体分子検出素子。
- 請求項8記載の生体分子検出素子において、r’<r であることを特徴とする生体分子検出素子。
- 請求項8記載の生体分子検出素子において、前記半径r’の金属微粒子は、複数の前記半径rの金属微粒子の間に位置することを特徴とする生体分子検出素子。
- 基板表面に半径rの金属微粒子とプローブ分子とが規則的に複数配列され、中心間距離dが2r≦d≦4r を満たすように隣接配置された複数の前記金属微粒子と当該隣接配置された複数の金属微粒子によって囲まれた領域内に固定されたプローブ分子とを含む検出スポットを複数有する生体分子検出素子の製造方法において、
基板表面に金属微粒子を固定する工程と、
前記基板表面に吸着阻害分子を固定する工程と、
前記金属微粒子にプローブ分子を固定する工程と、
を有することを特徴とする生体分子検出素子の製造方法。 - 請求項11記載の生体分子検出素子の製造方法において、前記基板に半径rの第一の金属微粒子を固定する工程と、半径rより小さな半径r’の第二の金属微粒子を固定する工程を有し、前記半径r’の第二の金属微粒子に前記プローブ分子を固定することを特徴とする生体分子検出素子の製造方法。
- 請求項11記載の生体分子検出素子の製造方法において、1つの検出スポット含まれる前記金属微粒子の数は2個以上5個以下であり、前記検出スポット内で前記金属微粒子は前記基板の表面に回転対称に配列されていることを特徴とする生体分子検出素子の製造方法。
- 基板表面に半径rの金属微粒子とプローブ分子とが規則的に複数配列され、中心間距離dが2r≦d≦4r を満たすように複数の前記金属微粒子が隣接配置され、前記プローブ分子が前記隣接配置された複数の金属微粒子の重心点から距離6r以内にある生体分子検出素子を用いて、
前記生体分子検出素子の前記プローブ分子と蛍光標識された試料生体分子とを反応させる工程と、
反応後の生体分子検出素子に励起光を照射する工程と、
前記プローブ分子が固定された領域から発生する蛍光を検出する工程と
を有することを特徴とする生体分子検出方法。 - 請求項14記載の生体分子検出方法において、前記隣接配置された複数の金属微粒子は前記基板の表面に回転対称に配列されていることを特徴とする生体分子検出方法。
- 基板表面に半径rの金属微粒子とプローブ核酸分子とが規則的に複数配列され、中心間距離dが2r≦d≦4r を満たすように複数の前記金属微粒子が隣接配置され、前記プローブ核酸分子が前記隣接配置された複数の金属微粒子の重心点から距離6r以内にある生体分子検出素子を用いて、
前記生体分子検出素子の前記プローブ核酸分子と被シーケンシング核酸分子とを反応させる工程と、
前記被シーケンシング核酸分子に、蛍光標識されたヌクレオチドを反応させる工程と、
前記生体分子素子に励起光を照射する工程と、
前記標識されたヌクレオチドから発生する蛍光を検出する工程と
を有することを特徴とする生体分子検出方法。 - 請求項16記載の生体分子検出方法において、前記隣接配置された複数の金属微粒子は前記基板の表面に回転対称に配列されていることを特徴とする生体分子検出方法。
- 生体分子検出素子を用いて核酸分子のシーケンシングを行うシーケンシング装置において、
基板表面に半径rの金属微粒子とプローブ核酸分子とが規則的に複数配列され、中心間距離dが2r≦d≦4r を満たすように複数の前記金属微粒子が隣接配置され、前記プローブ核酸分子が前記隣接配置された複数の金属微粒子の重心点から距離6r以内にあり、前記プローブ核酸分子に被シーケンシング核酸分子を固定した生体分子検出素子を保持する保持部と、
前記生体分子検出素子にシーケンシングに必要な試薬を供給するためのフローセルと、
前記生体分子検出素子に励起光を照射する照射系と、
前記生体分子検出素子からの蛍光を検出する検出系と、
蛍光検出データからシーケンシングを行うためのデータ解析系と
を有することを特徴とするシーケンシング装置。 - 請求項18記載のシーケンシング装置において、前記隣接配置された複数の金属微粒子は前記基板の表面に回転対称に配列されていることを特徴とするシーケンシング装置。
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