JP2015059874A - マイクログルコースセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】微小針型グルコースセンサの新しい微細加工方法を提供すること。【解決手段】微小キャピラリー１上の電極２は微小パターン３を有し、電極内に酵素を有するグルコースセンサ。微小キャピラリー上へのグルコースセンサの作製方法であって、３Ｄナノインプリントモジュールによって微小キャピラリーを覆い、その上に微小パターンをインプリントすることと、インプリントされた微小キャピラリー上にＰｔ金属薄膜を堆積させ、該Ｐｔ金属薄膜上をレジストで覆うことと、フォトリソグラフィーモジュールによって微小キャピラリーを覆い、フォトリソグラフィープロセスを実行することと、前期Ｐｔ金属薄膜をパターニングし、それを薄いレジスト層で覆い、パターニングすることと、パターニングされた微小キャピラリー上にＡｇ薄膜を形成し、ＨＣｌ溶液に浸してＡｇ薄膜をＡｇＣｌに転換して電極とすることと、電極内に酵素を導入することとを含む方法。【選択図】図１

Description

本発明は、３ＤＭＥＭＳベースの露光技術、ナノインプリント技術、および他の微細加工プロセスを組み合わせた微小針型マイクログルコースセンサに関する。

糖尿病は、現代人が直面している主な公衆衛生問題のうちの一つである。グルコースレベルが正常な生理学的範囲である１１０ｍｇ／ｄＬ±２５ｍｇ／ｄＬ内に厳しく制限されている場合、糖尿病の合併症は制御され得ることが良く知られている（非特許文献１）。糖尿病患者に対する血液のグルコースレベルを測定することは、１９７１年に発表された（非特許文献２）。加えて、グルコースは、食品、飲料、生物流体の主な中間体のうちの一つであるから、糖値の低価格の現地での測定は、特に食品産業、生理学的処理、バイオ燃料セルの高品質生産と高効率のために特に必要である（非特許文献２）。結果として、高信頼性と高性能のグルコース測定デバイスの開発に多大な努力がなされている（非特許文献３）。

さまざまなグルコース測定方法が開発されており、そのうちのいくつかは市販されている。これらグルコース測定技術は測定原理に基づき、光学的、経皮、電気化学、ピエゾ電気、熱電気、音響に分類される（非特許文献２、３、特許文献１）。例えば糖尿病への応用などの、オートメーション化された、早くて正確な医療、バイオテクノロジーへの応用のために必要とされることによる要求は、グルコース測定では、レスポンスが早く（１〜５ｍｉｎ．）、精度が良く（最大偏差が１０ｍｇ／ｄＬ以下）、高感度（２ｍｇ／ｄＬ）、大きいレンジ（２０〜６００ｍｇ／ｄＬ）、高い安定性（操作中±５％）である（非特許文献２）。その結果、グルコース測定の主流は、いまだに、その単純な原理と、開発が進んでいることから、電気化学バイオセンサである。電気化学バイオセンサは、電子化学活性物質の酸化または減少に基づく電流測定の原則、またはグルコン酸が局所的に生成されることによる局所的なｐＨの変動に基づいた電位差測定の原則に基づいて構成される。電位差測定のグルコースセンサは感度に限界があるが、検体の濃度変化の振幅が数オーダーに渡る場合は有効となりえる。電位差測定のグルコースセンサは、電気化学グルコースバイオセンサの発展の主な基準となる、検体の濃度に線形に依存する信号を得ることが出来る。電流測定のグルコースセンサは、通常、電気化学（電荷移動）反応のメカニズムに基づき、３つの異なるカテゴリに分類される。電荷移動のメカニズムは、（１）自然状態における酵素によるグルコースの酸化、（２）低分子量化合物を用いた仲介（ｍｅｄｉａｔｅｄ）電荷移動、（３）通常伝導性有機塩より構成される、酵素から特定の電極までの直接電荷移動、を含む。近年、ナノ物質の発展とともに、非酵素グルコースセンサがこの１５年で急激に発展している。金属と炭素の電極における直接グルコース酸化のメカニズムは、いまだ不確定ではあるが、高感度、長時間安定の可能性、熱の影響に対する抵抗、低価格、単純で再現可能な製造方法をもたらす。

米国特許第５６０５１５２号明細書 米国特許第５１６５４０７号明細書 米国特許第５５８６５５３号明細書 米国特許第７９７６４９２号明細書 特願２００９−１６８４９６号公報 特願２００６−０４５２３１号公報

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異なる形状と大きさ、または異なる電極材料を用いた、さまざまな電気化学グルコースセンサが存在するが、小型針型グルコースセンサは、その少ない浸潤と高感度により、皮下のグルコース濃度を測定するといった応用に適している（特許文献２−４、非特許文献１−４）。加えて、通常、微細加工技術を用いて製造されるため、より多くの機能を実現するために他の電子部品を集積することが可能である。例えば、小型針型電気化学センサは同時に数種の検体を測定することに使用できる。近年、中空針型構造が、（１）高精度が実現可能、（２）流体輸送が可能、であるために、グルコースセンサとして注目されている。しかし、実際、多くの微細加工技術は平面プロセスから構成されるが、小型針型グルコースセンサは複雑なプロセスに関連している。加えて、中空針型構造を製造することは困難であり、さらに微小電極を集積することはより難しい（非特許文献５、６）。その結果、上述の技術は経済的に競争力のあるものとはいえない。つまり、中空小型針型電気化学センサの製造のための新たな微細加工技術が開発されるべきである。他の微小調査応用における、流体輸送と、光学的、電気的なものを含む信号伝送に関連した微細加工方法も必要である。よって、微小電極と他の微小構造を、中空（キャピラリー）および中空でないファイバー状基板上に集積することに多くの努力が費やされている。実際、ファイバーの微細加工技術は以下の要求に沿ったものである。
（１）小さなファイバーの限られた表面上の高効率電極、
（２）多層構造アライメントといった、異なる機能材料の集積が容易、
（３）大量生産が容易。

本願において、上述した試みの多くを経済的に解決する、ファイバー上に微小パターンと構造を作製する３ＤＭＥＭＳベースの露光技術を開示する（特許文献５）。高感度で、多数の機能材料を集積するためには、多大な努力が必要である。ナノおよび多孔質材料は電極表面領域を著しく増加させることはすでに知られている。メソ多孔質電極は酵素を捉えて包むことが出来る（非特許文献７―９）。その結果、これらは、伝達物質の必要性がないまま直接電子移動を達成するために、最近のグルコースセンサに用いられている。他の電気化学反応システムにおける同様の要求がある。近年、出願人は、微小燃料セルへの応用のためのナノインプリント電極を発明した（特許文献６）。ナノインプリント技術は、他の応用においても開発が試みられている。しかし現在まで、ナノインプリント技術のグルコースセンサ、および微小針型基板上に作製されるほかの電気化学電極への応用は報告されていない。

本願において、微小針型グルコースセンサと、３ＤＭＥＭＳベースの露光技術、ナノインプリント技術、および他の微細加工プロセスを組み合わせた微小針型グルコースセンサの新しい微細加工方法とを提供する。

図１（ａ）は本発明にかかる電気化学グルコースセンサの概略図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の拡大図である。 本発明にかかる３Ｄ微細加工モジュールの概略図であり、図２（ａ）は高解像度フォトリソグラフィーの３Ｄ微細加工モジュールを、図２（ｂ）３Ｄナノインプリントモジュールを示す図である。 本発明にかかる、フォトリソグラフィーに対するモジュールの製作過程を示す概略図である。 本発明にかかる、３Ｄナノインプリントモールドに対するモジュールの製作過程を示す概略図である。 本発明にかかる、ファイバー上の電気化学電極の製作過程を示す概略図である。

ファイバーおよび同様の材料は、従来のウエハと比較して多くの良く知られた有利な点を有する。特に、中空のファイバー、すなわちキャピラリーは、薬物および化学物質を運ぶために、中空構造が流体のチャネルとして利用できることから、医療、ヘルスケアへの応用において必要である。もちろん、中空構造は、化学物質の運搬以外の、信号伝送のためのほかの機能構造に代わることが出来る。ファイバー物質は、さまざまな寸法と形状を有することが出来る。直径は数μｍから数ｍｍに渡る。形状は、円、方形、多角形などである。マイクロセンサはファイバー上に作製される。複数本のファイバーは、単一のファイバーの形状の所望の製品に機械加工され、または他の電子部品とともに組み立てられる。

図１は、本発明の代表的な電気化学グルコースセンサの概略図である。グルコースセンサは中空ファイバー、すなわちキャピラリー１上に作製されている。図１において、グルコースセンサは３電極構造を有している。もちろん、２電極構造も機能する。電極２ａ〜２ｃの領域には、微小パターンが形成されている。電極は、リング状、方形、円形、などの形状をなす。電極のサイズは、数〜１００平方μｍである。１または全ての電極はナノインプリントパターン３ａ〜３ｃによって修正される。微細パターンのサイズは、数ｎｍから数１０μｍである。これらの形状は、柱状、ドット、ホール、および複雑な形状をなす。もちろん、微細パターンは、基板上に直接形成されるだけでなく、ＵＶ反応性材料の層および（酵素、導電性高分子、などの）ほかの機能性材料との混合の層上に作製されてもよい。このようなナノインプリントパターンは、電気化学反応のために大きな領域に提供されるだけでなく、酵素やナノ物質に対するサポートを行う。これらのナノインプリントパターンは、電極において生物学的修飾の役に立ち、高感度が期待される。

図２は、本発明の３Ｄ微細加工モジュールの概略図である。ファイバー基板上にナノインプリントパターンによって電気化学グルコースセンサを量産するために、図２に示すような、新たなタイプの３Ｄ微細加工モジュールが必要である。フォトリソグラフィーとナノインプリントのそれぞれのための、２種の３Ｄ微細加工モジュールが必要である。図２（ａ）は高解像度フォトリソグラフィーの３Ｄ微細加工モジュールを示す。図２（ｂ）は３Ｄナノインプリントモジュールである。３ＤナノインプリントモジュールはＵＶナノインプリントまたは熱ナノインプリントにも利用できる。３Ｄフォトリソグラフィーモジュールは、クオーツといった、優れた機械的性質を有するＵＶ透過性材料によって作製されている。ＵＶナノインプリントモジュールは、透過性、非透過性のどちらの場合もある。非透過性モジュールは、アライメント操作が不要であるときに可能である。アライメントが必要な場合、３Ｄナノインプリントモジュールはアライメントマークを適合させるために、少なくとも局所的に透過性でなければならない。これら３Ｄ微細加工モジュールを用いて、ナノインプリント構造を含む高解像度パターンが、連続前進（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｓｔｅｐｐｉｎｇ−ｆｏｒｗａｒｄｌｙ）モードにおいて高い生産性をもって、ファイバー上に作製される。

ファイバー上に微細構造を作製するナノインプリントモードは３種類あり、（１）スライディングナノインプリント、（２）連続ナノインプリント、（３）連続前進ナノインプリント、である。スライディングナノインプリントモードの型は従来の方法によって用意できる。しかしながら、スライディングナノインプリントモードは、型とファイバーの動きと関連しており、最小の操作で連続モードを実現することが困難であるために、比較的生産性が低い。連続ナノインプリントモードは、用意するのが困難であるローラー形式の型を必要とする。連続前進ナノインプリントは、図２に示すような３Ｄ微細加工モジュールを必要とする。熱インプリント技術はこれら微細加工に対して、大きなアスペクト比、よって大きな反応領域をもって、使用される。ＵＶナノインプリント技術は、パターンがファイバー基板上にＵＶ感応性高分子コーティングで形成される場合、高い生産性効率により、勧められる。本発明は、（３）連続前進ナノインプリントに主に関する。

曲面に対して使用できる３Ｄ露光モジュールは、投影リソグラフィー、ソフトリソグラフィー、および他のリソグラフィー技術を用いて用意することが出来る。モジュール基板は、平面基板、ハーフパイプ基板のどちらを用いても用意できる。平面基板は、平面基板上のトレンチ構造を直接微細加工することに関連している。実際、投影リソグラフィー技術は、深さ１００μｍ以下のトレンチに対してのみ使用することが出来る。加えて、投影リソグラフィーは解像度に制限があり、したがってマスクパターンが制限され、このことはナノインプリントプロセスにそぐわない。３Ｄ微細加工モジュールにおいて高解像度パターンを実現するために、マルチフォトニック重合ベースの直接レーザー書き込み技術が使用される。その結果、直径１００ｎｍ構造がハーフパイプ構造内に形成される。３Ｄ微細加工モジュールの製造方法は以下の通りである。

モジュール基板は、微細加工と高精度機械加工技術を組み合わせて用意される。モジュール基板は、ガラス、クオーツ、金属、透過性、非透過性を含む他の材料であってよい。平面基板だけでなく、ハーフパイプ基板を使用することも出来る。図３は、リフトオフプロセスを利用した、ハーフパイプ基板上の、フォトリソグラフィーに対するモジュールの製作過程を示す。必要とされる洗浄がなされる（図３（ａ））。薄いレジスト材料５がハーフパイプ基板上に設置される（図３（ｂ））。マルチフォトニック重合ベースの直接レーザー書き込み技術が、ハーフパイプ基板内部の微細パターンを形成するために使用される。厚さ数１０から１０００ｎｍの金属の薄膜が堆積される。残りのレジストパターンは除去され、マスク金属パターン６が形成される（図３（ｃ））。直接エッチングプロセスを用いて露光モジュールの微細パターンを形成しても良い。。図４は、連続前進モードの３Ｄナノインプリントモールドの製作過程を示す。金属の層７を、ハーフパイプ基板８内に堆積させる（図４（ａ））。次に厚いレジストモールド９が、マルチフォトニック重合ベースの直接レーザー書き込み技術を使用して形成される（図４（ｂ））。次に、優れた機械特性を有するニッケル合金フィルムまたは他の材料１０が電気めっきされる（図４（ｃ））。次に、レジストモールドおよびシード層が除去される（図４（ｄ））。非透過性ハーフパイプ基板を使用することが出来る。実際には、アライメントが可能となり、より複雑な微細構造が実現できることから、クオーツおよび他の透過性ハーフパイプ基板が好ましい。ファイバー基盤が高分子ベースである場合はより好ましい。

［実施例：ファイバー上のナノインプリント電気化学電極］
図５は、ナノインプリントおよびフォトリソグラフィー技術の組み合わせを使用したファイバー上の電気化学電極の作製過程を示す。ファイバー１１は、図２（ｂ）および図４に示す本発明のナノインプリントモジュールによって挟まれ、微小パターン１２が形成される（図５（ｂ））。ナノインプリントされたファイバーは、Ｐｔ金属薄膜で覆われる。次に、レジスト１３ａ〜１３ｃによって覆われ、図２（ａ）および図３に示す、本願発明の３Ｄ露光モジュール（ただし、微細パターンが図２（ａ）のものとは異なる）に導入され、フォトリソグラフィープロセスが実行される（図５（ｃ））。現像後、Ｐｔフィルムは、基本の電極１４ａ〜１４ｃを形成するためにパターニングされる（図５（ｄ））。リファレンス電極を形成するために、薄いレジストフィルム１５が形成され、パターニングされる。厚さ３００ｎｍのＡｇ薄膜が形成され、その表面が厚さ約２００ｎｍのＡｇＣｌ層１６に修正され（図５（ｅ））レジストが除去される（図５（ｆ））。次に、酵素と他の機能性材料がインクジェット法によってワーク電極１６（ＡｇＣｌ層１６）内に導入される。ナノインプリントパターンの存在のため、酵素および他の機能性材料はワーク電極１６内によく閉じ込められる。薄い、または厚いフィルムを形成するためにスプレーコーティング技術が使用される。浸漬被覆技術も可能である。パッシベーション層が形成される場合、酵素は、ディッピング法によってナノインプリント電極上に形成されることが出来る。

以下に本実施例の詳細を述べる。

本発明の３Ｄ露光モジュールは次のようにして作製される。ハーフパイプ基板を用いて、３Ｄ露光モジュールが形成される。ハーフパイプ基板は、高精度機械加工によって形成される。ハーフパイプ基板にスパッタリングを行い１２０ｎｍの厚さのＣｒ薄膜を形成される。次に、薄いレジストフィルムが、ハーフパイプ基板内に形成される。次に、マルチフォトニック重合ベースの直接レーザー書き込み技術を使用して微細パターンがハーフパイプ基板上に直接形成される。現像後、Ｃｒ薄膜のエッチャント内でエッチングされる。

本願発明の３Ｄ露光モジュールを使用して、ファイバー上の電気化学電極は次のようにして作製される。直径３３０μｍポリイミドキャピラリーが基板として使用された。３Ｄナノインプリントモジュールは図４のプロセスを用いてクオーツ基板上に形成された。５０ｎｍ厚のＣｒ／Ｃｕ薄膜がハーフパイプ構造の基板上にスパッタされ、次に厚いレジスト溶液で覆われた。マルチフォトニック重合ベースの直接レーザー書き込み技術を使用して、直径５００ｎｍ、高さ２００ｎｍのピラーアレイが形成された。次に１５０ｎｍ厚のＮｉフィルムが電気めっきされた。次にレジストモジュールとＣｒ／Ｃｕシード層が除去された。ナノインプリントモジュールを使用して、直径５００ｎｍピラー構造がポリイミドキャピラリー上に直接形成される。ピラー構造は高さが約１００ｎｍ、ピッチは１μｍである。次に、ナノインプリントされたポリイミドキャピラリーは、Ｐｔ金属薄膜で覆われる。厚さ３μｍのＳｈｉｐｌｅｙ１８３０フォトレジストがスプレーコーティングを用いて基板上に形成される。レジストに覆われたファイバーは、３Ｄ露光モジュール内に導入され、アライメント操作が実行される。薄いＰｔフィルムはパターニングされ、電極構造が形成される。３電極構造の場合、レジスト層を除去したあと、キャピラリーは、ＡｇＣｌ／Ａｇリファレンス電極を形成するために、再度薄いレジストフィルムに覆われ、パターニングされる。ＡｇＣｌ／Ａｇリファレンス電極は次のように形成される。３００ｎｍの厚さのＡｇフィルムが形成され、リフトオフ法によってパターニングされる。次に、ＨＣｌ溶液に浸され、ＡｇフィルムがＡｇＣｌに転換される。ナノインプリントパターンは酵素をワーク電極内に閉じ込めることが出来るため、作製されたグルコースセンサは再現性が良い。

１ キャピラリー
２ａ、２ｂ、２ｃ 電極
３ａ、３ｂ、３ｃ ナノインプリントパターン
４、８ ハーフパイプ基板
５、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ レジスト材料
６ 金属膜
７ 金属の層
９ レジストモールド
１０ ニッケル合金フィルムまたは他の材料
１１ ファイバー
１２ 微小パターン
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 基本の電極
１５ レジストフィルム
１６ ＡｇＣｌ層

Claims (9)

1. 微小キャピラリー上へのグルコースセンサ作製のための３Ｄ微細加工モジュールであって、
   ハーフパイプ基板と、
   前記ハーフパイプ基板上の金属薄膜と、
   を含み、前記金属薄膜は微細パターンを形成していることを特徴とする３Ｄ微細加工モジュール。
2. 前記微細パターンは、前記微小キャピラリー上にピラー構造を形成するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の３Ｄ微細加工モジュール。
3. 前記ハーフパイプ基板がＵＶ透過型であって、ナノインプリントプロセスがＵＶベースであることを特徴とする請求項１に記載の３Ｄ微細加工モジュール。
4. ナノインプリントプロセスが熱ベースであることを特徴とする請求項１に記載の３Ｄ微細加工モジュール。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の３Ｄ微細加工モジュールを用いて作製したグルコースセンサであって、
   微小キャピラリーと、
   微小キャピラリー上に電極と
   を含み、前記電極は微小パターンを有し、前記電極内に酵素を有することを特徴とするグルコースセンサ。
6. 微小キャピラリー上へのグルコースセンサ作製のためのフォトリソグラフィーモジュールの作製方法であって、
   ハーフパイプ基板内にレジスト材料を設置することと、
   マルチフォトニック重合ベースの直接レーザー書き込み技術を使用して前記ハーフパイプ内の微細パターンを形成することと、
   前記ハーフパイプ基板内に金属薄膜を堆積させることと、
   前記レジスト材料を除去することと
   を備えた方法。
7. 微小キャピラリー上へのグルコースセンサ作製のための３Ｄナノインプリントモジュールの作製方法であって、
   ハーフパイプ基板内に金属のシード層を堆積させることと、
   前記ハーフパイプ基板内にレジスト材料を設置することと、
   マルチフォトニック重合ベースの直接レーザー書き込み技術を使用して前記ハーフパイプ内の微細パターンを形成することと、
   前記ハーフパイプ基板内に、ニッケル合金フィルムを堆積させることと、
   前記レジスト材料および前記シード層を除去することと
   を備えた方法。
8. 微小キャピラリー上へのグルコースセンサの作製方法であって、
   請求項７に記載の方法で作製された３Ｄナノインプリントモジュールによって前記微小キャピラリーを覆い、前記微小キャピラリー上に微小パターンをインプリントすることと、
   インプリントされた前記微小キャピラリー上にＰｔ金属薄膜を堆積させることと、
   前記Ｐｔ金属薄膜上をレジストで覆うことと、
   請求項６に記載の方法で作製されたフォトリソグラフィーモジュールによって前記微小キャピラリーを覆い、フォトリソグラフィープロセスを実行することと、
   前記Ｐｔ金属薄膜をパターニングすることと、
   前記Ｐｔ金属薄膜がパターニングされた前記微小キャピラリーを薄いレジスト層で覆い、パターニングすることと、
   前記パターニングされた前記微小キャピラリー上にＡｇ薄膜を形成することと、
   前記Ａｇ薄膜が形成された前記微小キャピラリーをＨＣｌ溶液に浸し、Ａｇ薄膜をＡｇＣｌに転換して電極とすることと、
   前記電極内に酵素を導入することと
   を備えた方法。
9. 前記微細パターンは、ピラー構造であることを特徴とする請求項８に記載の方法。

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