JP2016197077A - サンプル検出デバイス用のサンプル捕集装置、及び該サンプル捕集装置を含むサンプル検出デバイス - Google Patents
サンプル検出デバイス用のサンプル捕集装置、及び該サンプル捕集装置を含むサンプル検出デバイス Download PDFInfo
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Abstract
【課題】サンプル捕集装置を用いて大気中に浮遊する微小サンプルを捕集し、同サンプルを検出する。【解決手段】第１基板２上に形成され、捕捉したサンプルを測定部に移動するためのサンプル移動流路３、及び該サンプル移動流路３に形成されたサンプル捕集孔４、を含み、前記サンプル捕集孔４は前記サンプル移動流路３から第１基板２を貫通する貫通孔であり、前記サンプル移動流路３に充填する導電性溶液が前記サンプル捕集孔４を通じて第１基板２上に液滴を形成することにより周囲のサンプルを捕集する。【選択図】図３
Description
本発明は、サンプル検出デバイス用のサンプル捕集装置、及び該サンプル捕集装置を含むサンプル検出デバイスに関する。特に、ＰＭ２．５、ウィルス、花粉、菌、毒素等の身の回りの微小な有害・危険物質を短時間で測定することができ、且つ装置を小型化・モバイル化するためのサンプル検出デバイスのサンプル捕集に用いることができるサンプル捕集装置、及び該サンプル捕集装置を含むサンプル検出デバイスに関する。
大気中に含まれる細胞、菌、花粉、ＰＭ２．５等の微小サンプルの大きさ、個数等を正確に測定することは、健康な生活を送る上で大切な情報であり、簡単且つ精度よく測定できることが望まれている。
図１は、サンプルの大きさや個数等の測定方法の従来技術を示しており、シリコン等の基板上に形成した細孔（マイクロポア）をサンプルが通過する際に生じるイオン電流の変化を測定することで、サンプルの体積の差異を識別している。
図２は、サンプルの大きさや個数等の測定方法の他の従来技術を示しており、細孔を通過するサンプルの状態をより詳しく測定するため、マイクロ流路を形成した基板を横置きにすることで細孔部分を蛍光顕微鏡で観察できるようにし、イオン電流の測定に加えマイクロポアの周りの事象を直接観察する方法も知られている（非特許文献２参照）。
Ｗａｓｅｅｍ Ａ．ｅｔ ａｌ．，Ｌａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ， Ｖｏｌ．１２， ｐｐ．２３４５−２３５２ （２０１２）
Ｎａｏｙａ．Ｙ ｅｔ ａｌ．，"Ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｉｎｇｌｅ−ｐａｒｔｉｃｌｅ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｖｉａ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｅｎｓｉｎｇ"， ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ ＲＥＰＯＲＴＳ， Ｖｏｌ．３， ｐｐ．１−７（２０１３）
しかしながら、上記非特許文献１及び２に記載されている測定方法（装置）は、サンプルを導電性溶液に高濃度に分散する必要がある。そのため、大気中に希薄に浮遊する細胞、菌、花粉、ＰＭ２．５等の微小サンプルを分析するためには、大気中のサンプルを吸引・濃縮する必要があり、装置が大型化してしまうという問題がある。
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされた発明であり、鋭意研究を行ったところ、（１）基板上に形成したサンプル移動流路に基板を貫通するサンプル捕集孔を設けることで、サンプル移動流路に充填する導電性溶液がサンプル捕集孔を通り基板上に液滴を形成できること、（２）大気中に液滴を晒すことで、大気中に浮遊する細胞、菌、花粉、ＰＭ２．５等の微小サンプルを捕集できること、（３）サンプル移動流路に電場をかけることで、液滴で捕集した微小サンプルを電気泳動によりサンプル移動流路内で移動できること、を新たに見出した。
すなわち、本発明の目的は、大気中に浮遊する微小サンプルを捕集するためのサンプル捕集装置、及びサンプル捕集装置を含むサンプル検出デバイスを提供することである。
本発明は、以下に示す、サンプル検出デバイス用のサンプル捕集装置、及び該サンプル捕集装置を含むサンプル検出デバイスに関する。
（１）第１基板上に形成され、捕捉したサンプルを測定部に移動するためのサンプル移動流路、及び
該サンプル移動流路に形成されたサンプル捕集孔、
を含み、
前記サンプル捕集孔は前記サンプル移動流路から第１基板を貫通する貫通孔であり、前記サンプル移動流路に充填する導電性溶液が前記サンプル捕集孔を通じて第１基板上に液滴を形成することで周囲のサンプルを捕集できるサンプル検出デバイス用のサンプル捕集装置。
（２）前記サンプル移動流路の一方の端部に導電性溶液を充填する充填孔が形成され、他方の端部には導電性溶液を排出する排出孔が形成されている上記（１）に記載のサンプル捕集装置。
（３）前記サンプル移動流路の他端側に複数の分岐流路が形成されている上記（１）又は（２）に記載のサンプル捕集装置。
（４）前記サンプル移動流路に、サンプルを分離するサンプル分離部が形成されている上記（１）〜（３）の何れか一に記載のサンプル捕集装置。
（５）前記サンプル移動流路のサンプル捕集孔以外の部分に、ピラーが形成されている上記（１）〜（４）の何れか一に記載のサンプル捕集装置。
（６）前記サンプル移動流路の両端に捕集したサンプルを電気泳動により移動させるための電極が形成されている上記（１）〜（５）の何れか一に記載のサンプル捕集装置。
（７）前記サンプル移動流路が、非直線形状である上記（１）〜（６）の何れか一に記載のサンプル捕集装置。
（８）上記（１）〜（７）の何れか一に記載のサンプル捕集装置、
前記サンプル捕集装置に液密に接合する第２基板を含み、
前記サンプル捕集装置により捕集されたサンプルを測定する測定部、
を含むサンプル検出デバイス。
（９）前記測定部が、前記サンプル捕集装置のサンプル移動流路を挟むように形成した電極である上記（８）に記載のサンプル検出デバイス。
（１０）前記測定部が、前記第２基板に形成されたポア及び該ポアに形成した電極を含む上記（８）に記載のサンプル検出デバイス。
（１１）第１基板、該第１基板に液密に接合する第２基板、前記第１基板及び／又は前記第２基板に形成されたサンプルの電気泳動用の電極を含み、
前記第２基板は、捕集したサンプルを測定部に移動するためのサンプル移動流路、及びサンプルを測定する測定部、を含み、
前記第１基板には、前記サンプル移動流路に被さる部分に第１基板を貫通するサンプル捕集孔が形成され、前記サンプル移動流路に充填する導電性溶液が前記サンプル捕集孔を通じて第１基板上に液滴を形成することで周囲のサンプルを捕集できるサンプル検出デバイス。
該サンプル移動流路に形成されたサンプル捕集孔、
を含み、
前記サンプル捕集孔は前記サンプル移動流路から第１基板を貫通する貫通孔であり、前記サンプル移動流路に充填する導電性溶液が前記サンプル捕集孔を通じて第１基板上に液滴を形成することで周囲のサンプルを捕集できるサンプル検出デバイス用のサンプル捕集装置。
（２）前記サンプル移動流路の一方の端部に導電性溶液を充填する充填孔が形成され、他方の端部には導電性溶液を排出する排出孔が形成されている上記（１）に記載のサンプル捕集装置。
（３）前記サンプル移動流路の他端側に複数の分岐流路が形成されている上記（１）又は（２）に記載のサンプル捕集装置。
（４）前記サンプル移動流路に、サンプルを分離するサンプル分離部が形成されている上記（１）〜（３）の何れか一に記載のサンプル捕集装置。
（５）前記サンプル移動流路のサンプル捕集孔以外の部分に、ピラーが形成されている上記（１）〜（４）の何れか一に記載のサンプル捕集装置。
（６）前記サンプル移動流路の両端に捕集したサンプルを電気泳動により移動させるための電極が形成されている上記（１）〜（５）の何れか一に記載のサンプル捕集装置。
（７）前記サンプル移動流路が、非直線形状である上記（１）〜（６）の何れか一に記載のサンプル捕集装置。
（８）上記（１）〜（７）の何れか一に記載のサンプル捕集装置、
前記サンプル捕集装置に液密に接合する第２基板を含み、
前記サンプル捕集装置により捕集されたサンプルを測定する測定部、
を含むサンプル検出デバイス。
（９）前記測定部が、前記サンプル捕集装置のサンプル移動流路を挟むように形成した電極である上記（８）に記載のサンプル検出デバイス。
（１０）前記測定部が、前記第２基板に形成されたポア及び該ポアに形成した電極を含む上記（８）に記載のサンプル検出デバイス。
（１１）第１基板、該第１基板に液密に接合する第２基板、前記第１基板及び／又は前記第２基板に形成されたサンプルの電気泳動用の電極を含み、
前記第２基板は、捕集したサンプルを測定部に移動するためのサンプル移動流路、及びサンプルを測定する測定部、を含み、
前記第１基板には、前記サンプル移動流路に被さる部分に第１基板を貫通するサンプル捕集孔が形成され、前記サンプル移動流路に充填する導電性溶液が前記サンプル捕集孔を通じて第１基板上に液滴を形成することで周囲のサンプルを捕集できるサンプル検出デバイス。
本発明のサンプル捕集装置を使うことで、大気中に浮遊する細胞、菌、花粉、ＰＭ２．５等の微小サンプルを捕集することができる。したがって、公知のサンプル検出デバイスと組み合わせることで、大気中に浮遊する微小サンプルを捕集及び濃縮する装置が不要であり、サンプル検出デバイスを小型化及びモバイル化することができる。
以下に、サンプル検出デバイス用のサンプル捕集装置（以下、「捕集装置」と記載することがある。）、及び該サンプル捕集装置を含むサンプル検出デバイス（以下、「デバイス」と記載することがある。）について詳しく説明する。
図３（１）は、本発明の捕集装置１の概略を示す上面図で、図３（２）は図３（１）のＡ−Ａ’断面図である。捕集装置１は、第１基板２に形成され捕捉したサンプルを測定部に移動するためのサンプル移動流路３、サンプル移動流路３に形成され基板２を貫通する貫通孔であるサンプル捕集孔４を少なくとも含み、サンプル移動流路３に導電性溶液を充填するための充填孔５、導電性溶液を排出するための排出孔６を形成してもよい。
図４は、捕集装置１のサンプル捕集原理を説明する図である。捕集装置１と後述する第２基板を液密に接合しデバイス１を作製した後、充填孔５又は任意のサンプル捕集孔４を通してサンプル移動流路３に導電性溶液を充填する。サンプル移動流路３が導電性溶液で満たされると、導電性溶液はサンプル捕集孔４を通り第１基板２上に液滴７を形成する。そして、液滴７は大気に晒されることから、大気中に浮遊しているサンプル８が液滴７に付着する。付着したサンプル８は、後述する電気泳動用電極を用いてサンプル移動流路３に電場をかけることでサンプル移動流路３内を電気泳動し、測定部に移動する。したがって、従来から使用しているデバイスの一部を設計変更するのみで、大気中を浮遊している微小サンプルを捕集・測定できるので、デバイスを小型化できる。
図５は、図４に示す捕集装置１を含むデバイス１０の一例を示す断面図である。図５に示すデバイス１０は、捕集装置１に第２基板１１を液密に接合して作製している。また、電気泳動用の電極１２は第２基板１１に形成しているが、電極１２は導電性液体に接触できれば特に制限は無い。例えば、サンプル移動流路３の両端部の壁面に形成してもよい。また、電極１２の一方を第２基板１１、他方を第１基板２に形成してもよい。図５に示すデバイスの場合、測定部は第１基板２のサンプル移動流路３に形成した細孔部分（図４の９）を挟むように図示しない測定電極を形成し、細孔部分９をサンプル８が通過する際のイオン電流を測定すればよい。
図６は、測定部として第２基板１１にサンプルが通過するポア１３を形成したデバイス１０の断面図である。図６に示すデバイス１０は、捕集装置１にポア１３を形成した第２基板１１を液密に接合し、更に、ポア１３を通過したサンプルを回収する空間を形成するための第３基板１４を液密に接合している。また、電極１２の一方を第２基板１１の第３基板１４側に形成することで、サンプル移動流路３に入ったサンプル８がポア１３に流れやすくしている。なお、上記の電極１２の一方は第３基板１４に形成してもよい。図６に示すデバイスの場合、測定部はポア１３を挟むように図示しない測定電極を形成し、サンプル８がポア１３を通過する際のイオン電流を測定すればよい。なお、ポア１３は複数形成してもよい。
サンプル移動流路３の幅及び深さは、サンプルのサイズより大きければ特に制限は無いが、測定部の形態に応じて、最適となるように調整すればよい。例えば、図３に示すようにサンプル移動流路３を挟むように測定電極を形成する場合、測定感度はサンプルが通過する細孔部分の体積が少なくないほど感度が高くなる。そのため、サンプル移動流路３の少なくとも一部を測定対象サンプルが通過できるサイズよりやや大きめのサイズとすることが望ましい。例えば、空気中のＰＭ２．５の直径は約２．５μｍであるので、サンプル移動流路３の幅及び深さは、３μｍ程度の大きさであればよい。また、スギ花粉の直径は約２０〜４０μｍ、ヒノキ花粉の直径は２８μｍ〜４５μｍ程度と言われているので、幅及び深さは約５０μｍ程度であればよい。
また、測定部を図６に示すポア１３と測定電極で形成する場合は、サンプル移動流路３の幅及び深さは特に制限は無い。なお、サンプル移動流路３の抵抗成分Ｒは、
Ｒ＝導電性溶液の抵抗率×（流路の長さ）／（流路の高さ×流路の幅）
で表される。なお、測定部をポア１３と測定電極で形成する場合、測定感度を高くするためにはポア１３の断面積が小さい方が好ましいのでポア１３の抵抗は大きくなる。サンプル移動流路３と測定部の抵抗の差は少ない方が好ましいことから、測定対象サンプルのサイズ等を考慮し、サンプル移動流路３の抵抗が大きくなるように設計すればよい。抵抗を大きくするためには、例えば、サンプル移動流路３を長くすればよいので、非直線状にすればよい。なお、本発明において「非直線」とは、サンプル移動流路３に直線部分が含まれない、又は、サンプル移動流路３が直線部分と折り返し部分を含むことを意味する。直線部分が含まれない例としては、渦巻き状が挙げられる。また、直線部分と折り返し部分を含む例としては、図７に示すようにサンプル移動流路３を折り返して同じ方向に旋回する形状、蛇腹形状等が挙げられる。サンプル移動流路３を長くすることで、サンプル移動流路３の抵抗を大きくすることができ、更にサンプル捕集孔４をより多く形成できるので、サンプルの捕集効率が向上する。
Ｒ＝導電性溶液の抵抗率×（流路の長さ）／（流路の高さ×流路の幅）
で表される。なお、測定部をポア１３と測定電極で形成する場合、測定感度を高くするためにはポア１３の断面積が小さい方が好ましいのでポア１３の抵抗は大きくなる。サンプル移動流路３と測定部の抵抗の差は少ない方が好ましいことから、測定対象サンプルのサイズ等を考慮し、サンプル移動流路３の抵抗が大きくなるように設計すればよい。抵抗を大きくするためには、例えば、サンプル移動流路３を長くすればよいので、非直線状にすればよい。なお、本発明において「非直線」とは、サンプル移動流路３に直線部分が含まれない、又は、サンプル移動流路３が直線部分と折り返し部分を含むことを意味する。直線部分が含まれない例としては、渦巻き状が挙げられる。また、直線部分と折り返し部分を含む例としては、図７に示すようにサンプル移動流路３を折り返して同じ方向に旋回する形状、蛇腹形状等が挙げられる。サンプル移動流路３を長くすることで、サンプル移動流路３の抵抗を大きくすることができ、更にサンプル捕集孔４をより多く形成できるので、サンプルの捕集効率が向上する。
サンプル移動流路３の途中には、捕集したサンプルを分離するサンプル分離部を形成してもよい。図８はサンプル分離部の実施形態を示す図で、サンプル移動流路３にピラー２０を所定の間隔で形成することで、サイズの大きなサンプルを捕捉し分析対象サンプルのみを通過させる例を示しているが、サンプル分離部はサイズ分離ができれば特に制限は無い。例えば、図８に示すピラーに代え、スリットを形成してもよい。また、サンプル移動流路３を形成した後に市販のサイズ分離フィルターを挿入してもよい。
サンプルの捕集効率を高めるためには、第１基板２に形成するサンプル移動流路３の面積を大きくし、更に、サンプル捕集孔４も多く形成することが望ましい。しかしながら、サンプル移動流路３の面積を大きくすると第２基板１１との間の空洞部分が多くなり、サンプル捕集装置１の強度が低下するという問題が発生する。そのため、サンプル移動流路３のサンプル捕集孔４以外の部分に、補強用のピラーを形成してもよい。補強用のピラーは、サンプルの通過を阻害しなければ大きさや形状に特に制限は無いが、サンプルが電気泳動により移動し易くするため、ランダムではなく規則正しく配置することが好ましい。なお、補強用のピラーを所定間隔で形成することで、サンプル分離用のピラー２０と補強用のピラーを共通化してもよい。サンプル移動流路３へのピラーの形成は後述するサンプル捕集装置１と一体的に製造することができる。
図６に示すポア１３と測定電極で測定部を形成するデバイス１０の場合、サンプル移動流路３の端部に分岐流路を複数形成し、第２基板１１にも、分岐流路に応じて複数のポア１３を形成してもよい。図９は分岐流路３１を複数形成したイメージ図で、第１基板２の表面の図示を省略してある。矢印はサンプルが移動する方向を示している。図９に示す例では、サンプル移動流路３に接続する分岐流路３１と分岐流路３１の間に、サンプル分離流路３の下流側に向かうにしたがって間隔を狭くしたサンプル分離ピラー２０を形成することで、サンプル分離流路３の上流側に接続する分岐流路３１ほど大きなサンプルが流れ込みやすくなる。分離ピラーの間隔は、形成する分岐流路３１の本数及び分離サンプルの大きさにより適宜調整すればよい。
図１０は、サンプル捕集装置１の製造工程の一例を示す図である。
（１）第１基板２の両面にポジ型フォトレジスト４１をスピンコートで塗布する。
（２）第１基板２のサンプル移動流路３を形成する面に、サンプル移動流路３を形成する個所に光が照射するようにフォトマスクをする。サンプル移動流路３内にサンプル分離部及び／又はピラー２０を形成する場合は、サンプル分離部及び／又はピラー２０を形成する部分には光が照射せず、その周りに光が照射するようにフォトマスクをする。露光・現像処理し、光を照射した部分のポジ型フォトレジスト４１を除去する（以下、除去した部分を「エッチング部分」と記載する。）。
（３）エッチング部分をＢｏｓｃｈプロセス等の手法を用いてエッチングをする。なお、エッチングは、第１基板２を貫通しないように、所定の厚みを残しておく。
（４）第１基板２のサンプル移動流路３を形成する面のポジ型フォトレジスト４１を除去する。
（５）第１基板２の他の面に、導電性溶液を充填するための充填孔５、導電性溶液を排出するための排出孔６、サンプル捕集孔４を形成する個所に光が照射するようにフォトマスクをする。露光・現像処理し、光を照射した部分のポジ型フォトレジスト４１を除去する。
（６）エッチング部分をＢｏｓｃｈプロセス等の手法を用い、反対側に貫通するまでエッチングをする。
（７）第１基板２上のポジ型フォトレジスト４１を除去する。
（１）第１基板２の両面にポジ型フォトレジスト４１をスピンコートで塗布する。
（２）第１基板２のサンプル移動流路３を形成する面に、サンプル移動流路３を形成する個所に光が照射するようにフォトマスクをする。サンプル移動流路３内にサンプル分離部及び／又はピラー２０を形成する場合は、サンプル分離部及び／又はピラー２０を形成する部分には光が照射せず、その周りに光が照射するようにフォトマスクをする。露光・現像処理し、光を照射した部分のポジ型フォトレジスト４１を除去する（以下、除去した部分を「エッチング部分」と記載する。）。
（３）エッチング部分をＢｏｓｃｈプロセス等の手法を用いてエッチングをする。なお、エッチングは、第１基板２を貫通しないように、所定の厚みを残しておく。
（４）第１基板２のサンプル移動流路３を形成する面のポジ型フォトレジスト４１を除去する。
（５）第１基板２の他の面に、導電性溶液を充填するための充填孔５、導電性溶液を排出するための排出孔６、サンプル捕集孔４を形成する個所に光が照射するようにフォトマスクをする。露光・現像処理し、光を照射した部分のポジ型フォトレジスト４１を除去する。
（６）エッチング部分をＢｏｓｃｈプロセス等の手法を用い、反対側に貫通するまでエッチングをする。
（７）第１基板２上のポジ型フォトレジスト４１を除去する。
なお、上記は製造方法の一例を示しているに過ぎず、他の製造方法であってもよい。例えば、以下の手順が挙げられる。
（１）第１基板２の一方の面からサンプル捕集孔４、導電性溶液を充填するための充填孔５、導電性溶液を排出するための排出孔６をエッチングする。
（２）他方の面からも、サンプル捕集孔４、導電性溶液を充填するための充填孔５、導電性溶液を排出するための排出孔６をエッチングし、第１基板２にサンプル捕集孔４、導電性溶液を充填するための充填孔５、及び導電性溶液を排出するための排出孔６用の貫通孔を形成する。
（３）第１基板２の一方の面に、サンプル移動流路３、必要に応じてサンプル分離部及び／又はピラー２０をエッチングにより形成する。
（１）第１基板２の一方の面からサンプル捕集孔４、導電性溶液を充填するための充填孔５、導電性溶液を排出するための排出孔６をエッチングする。
（２）他方の面からも、サンプル捕集孔４、導電性溶液を充填するための充填孔５、導電性溶液を排出するための排出孔６をエッチングし、第１基板２にサンプル捕集孔４、導電性溶液を充填するための充填孔５、及び導電性溶液を排出するための排出孔６用の貫通孔を形成する。
（３）第１基板２の一方の面に、サンプル移動流路３、必要に応じてサンプル分離部及び／又はピラー２０をエッチングにより形成する。
第１基板２は、半導体製造技術の分野で一般的に用いられている絶縁性の材料であれば特に制限は無い。例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰ、ＳｉＮ等が挙げられる。
ポジ型フォトレジスト９としては、ＯＦＰＲ、ＴＳＭＲ Ｖ５０、ＰＭＥＲ等、半導体製造分野で一般的に使用されているものであれば特に制限はない。また、ポジ型に代え、ネガティブ型フォトレジストを用いてもよく、ＳＵ−８、ＫＭＰＲ等、半導体製造分野で一般的に使用されているものであれば特に制限はない。その場合、露光する個所がポジ型と反対となるようにフォトマスクをすればよい。フォトレジストの除去液は、ジメチルホルムアミドとアセトン等、半導体分野で一般的な除去液であれば特に制限はない。
第２基板１１は、図５に示す測定電極をサンプル捕集装置１に形成する実施形態の場合は、第１基板２と同様の材料で作製した板状部材を使用すればよい。また、図６に示す第２基板１１にポア１３を形成する場合は、図１０に示したエッチング部分がポア１３となるようにポジ型フォトレジストとフォトマスクを調整し、ポア１３を形成すればよい。なお、ポア１３の抵抗成分Ｒ’は、
Ｒ’＝導電性溶液の抵抗率×（ポアの深さ）／（ポアの断面積）
で表されるので、測定対象サンプルのサイズ等を考慮し、ポア１３の抵抗が小さくなるように設計すればよい。また、第２基板１４も、第１基板２と同様の材料で作製すればよい。
Ｒ’＝導電性溶液の抵抗率×（ポアの深さ）／（ポアの断面積）
で表されるので、測定対象サンプルのサイズ等を考慮し、ポア１３の抵抗が小さくなるように設計すればよい。また、第２基板１４も、第１基板２と同様の材料で作製すればよい。
電気泳動用の電極１２、測定電極は、アルミニウム、銅、白金、金、銀、チタン等の公知の導電性金属を用いて、第１基板２、第２基板１１を作製後、フォトリソグラフィやプリンター等により形成すればよい。
第１基板２及び第２基板１１は、微細な流路や孔に導電性溶液を充填し易くするため親水化処理をしてもよい。親水化処理方法としては、プラズマ処理、界面活性剤処理、ＰＶＰ（ポリビニルピロリドン）処理、光触媒等が挙げられ、例えば、第１基板２及び第２基板１１の表面を１０〜３０秒間プラズマ処理することで、表面に水酸基を導入することができる。
デバイス１０に充填する導電性溶液は電気が通れば特に制限は無く、ＴＥバッファー、ＰＢＳバッファー、ＨＥＰＥＳバッファー等が挙げられる。
上記したデバイス１０は、サンプル捕集装置１側にサンプル移動流路３を形成しているが、第２基板１１側にサンプル移動流路３、必要に応じてサンプル移動流路３内にサンプル分離部及び／又はピラー２０を形成し、サンプル捕集装置１には、サンプル捕集孔４、導電性溶液を充填するための充填孔５、導電性溶液を排出するための排出孔６のみを形成してもよい。その場合、デバイス１０は以下の手順で作製することができる。
（１）第２基板１１の片面にポジ型フォトレジスト４１をスピンコートで塗布する。
（２）サンプル移動流路３を形成する個所に光が照射するようにフォトマスクをする。サンプル移動流路３内にサンプル分離部及び／又はピラー２０を形成する場合は、サンプル分離部及び／又はピラー２０を形成する部分には光が照射せず、その周りに光が照射するようにフォトマスクをする。
（３）露光・現像処理し、光を照射した部分のポジ型フォトレジスト４１を除去する（以下、除去した部分を「エッチング部分」と記載する。）。
（４）エッチング部分をＢｏｓｃｈプロセス等の手法を用いてエッチングをする。なお、エッチングは、第２基板１１を貫通しないように、所定の厚みを残しておく。
（５）第２基板１１のサンプル移動流路３を形成する面のポジ型フォトレジスト４１を除去する。
（６）次に、サンプル捕集装置１の作製を行う。先ず、第１基板２の片面にポジ型フォトレジスト４１をスピンコートで塗布する。
（７）サンプル捕集孔４、導電性溶液を充填するための充填孔５、導電性溶液を排出するための排出孔６を形成する個所に光が照射するようにフォトマスクをする。
（８）露光・現像処理し、光を照射した部分のポジ型フォトレジスト４１を除去する（以下、除去した部分を「エッチング部分」と記載する。）。
（９）エッチング部分をＢｏｓｃｈプロセス等の手法を用い、反対側に貫通するまでエッチングをする。
（９）第２基板１１上のポジ型フォトレジスト４１を除去する。
（１）第２基板１１の片面にポジ型フォトレジスト４１をスピンコートで塗布する。
（２）サンプル移動流路３を形成する個所に光が照射するようにフォトマスクをする。サンプル移動流路３内にサンプル分離部及び／又はピラー２０を形成する場合は、サンプル分離部及び／又はピラー２０を形成する部分には光が照射せず、その周りに光が照射するようにフォトマスクをする。
（３）露光・現像処理し、光を照射した部分のポジ型フォトレジスト４１を除去する（以下、除去した部分を「エッチング部分」と記載する。）。
（４）エッチング部分をＢｏｓｃｈプロセス等の手法を用いてエッチングをする。なお、エッチングは、第２基板１１を貫通しないように、所定の厚みを残しておく。
（５）第２基板１１のサンプル移動流路３を形成する面のポジ型フォトレジスト４１を除去する。
（６）次に、サンプル捕集装置１の作製を行う。先ず、第１基板２の片面にポジ型フォトレジスト４１をスピンコートで塗布する。
（７）サンプル捕集孔４、導電性溶液を充填するための充填孔５、導電性溶液を排出するための排出孔６を形成する個所に光が照射するようにフォトマスクをする。
（８）露光・現像処理し、光を照射した部分のポジ型フォトレジスト４１を除去する（以下、除去した部分を「エッチング部分」と記載する。）。
（９）エッチング部分をＢｏｓｃｈプロセス等の手法を用い、反対側に貫通するまでエッチングをする。
（９）第２基板１１上のポジ型フォトレジスト４１を除去する。
なお、第２基板１１に測定部用のポア１３を形成する場合は、第２基板１１のサンプル移動流路３を形成した面とは反対側に、ポア１３を形成する個所に光が照射するようにフォトマスクをし、上記（３）と同様の手順を行った後、エッチング部分をサンプル移動流路３に貫通するまでエッチングし、次いで、ポジ型フォトレジスト４１を除去すればよい。その後、電気泳動用の電極１２及び測定電極を、フォトリソグラフィやプリンター等により形成すればよい。
以下に実施例を掲げ、本発明を具体的に説明するが、この実施例は単に本発明の説明のため、その具体的な態様の参考のために提供されているものである。これらの例示は本発明の特定の具体的な態様を説明するためのものであるが、本願で開示する発明の範囲を限定したり、あるいは制限することを表すものではない。
〔捕集装置１の作製〕
＜実施例１＞
以下の手順により、捕集装置１を作製した。
（１）３０ｍｍ角の大きさにダイシングした厚さ３００μｍのＳｉ基板の両面にポジ型フォトレジスト（ＯＦＰＲ）をスピンコートした。
（２）ＬＥＤ描画により、Ｓｉ基板の一方の面に、サンプル捕集孔４、導電性溶液を充填するための充填孔５、導電性溶液を排出するための排出孔６をパターニングした。
（３）現像後、Ｂｏｓｃｈプロセスにより、２５０μｍの深さまでＳｉ基板をエッチングした。
（４）残ったレジストを剥離液によって除去後、今度はＳｉ基板の他方の面をＬＥＤ描画により、サンプル捕集孔４、導電性溶液を充填するための充填孔５、導電性溶液を排出するための排出孔６のパターニングを行った。
（５）現像後、Ｂｏｓｃｈプロセスにより、貫通するまでＳｉ基板をエッチングした。残ったレジストを剥離液によって除去した。
（６）Ｓｉ基板の一方の面に、ＯＦＰＲをスピンコートし、ＬＥＤ描画によりサンプル移動流路３、補強用のピラー２０をパターニングした。
（７）ＢｏｓｃｈプロセスによりＳｉ基板をエッチングし、残ったレジストを剥離液により剥離した。
（８）ＣＶＤプロセスによりＳｉ基板の両面にＳｉＯ2を蒸着することで、全面を親水化させた。
＜実施例１＞
以下の手順により、捕集装置１を作製した。
（１）３０ｍｍ角の大きさにダイシングした厚さ３００μｍのＳｉ基板の両面にポジ型フォトレジスト（ＯＦＰＲ）をスピンコートした。
（２）ＬＥＤ描画により、Ｓｉ基板の一方の面に、サンプル捕集孔４、導電性溶液を充填するための充填孔５、導電性溶液を排出するための排出孔６をパターニングした。
（３）現像後、Ｂｏｓｃｈプロセスにより、２５０μｍの深さまでＳｉ基板をエッチングした。
（４）残ったレジストを剥離液によって除去後、今度はＳｉ基板の他方の面をＬＥＤ描画により、サンプル捕集孔４、導電性溶液を充填するための充填孔５、導電性溶液を排出するための排出孔６のパターニングを行った。
（５）現像後、Ｂｏｓｃｈプロセスにより、貫通するまでＳｉ基板をエッチングした。残ったレジストを剥離液によって除去した。
（６）Ｓｉ基板の一方の面に、ＯＦＰＲをスピンコートし、ＬＥＤ描画によりサンプル移動流路３、補強用のピラー２０をパターニングした。
（７）ＢｏｓｃｈプロセスによりＳｉ基板をエッチングし、残ったレジストを剥離液により剥離した。
（８）ＣＶＤプロセスによりＳｉ基板の両面にＳｉＯ2を蒸着することで、全面を親水化させた。
図１１（１）は、実施例１で作製した捕集装置１の全体の写真である。なお、充填孔５、及び排出孔６はシールドされており写っていない。図１１（２）はサンプル捕集孔４を形成したエリアを拡大した写真で、黒い部分がサンプル捕集孔４である。サンプル捕集孔４の直径は約２０μｍであった。また、サンプル捕集孔４の重心位置には、補強用のピラー２０を形成した。
＜実施例２＞
サンプル移動流路３を渦巻き状となるように設計した以外は、実施例１と同様の手順でサンプル捕集装置１を作製した。図１２は実施例２で作製したサンプル捕集装置１の写真である。
サンプル移動流路３を渦巻き状となるように設計した以外は、実施例１と同様の手順でサンプル捕集装置１を作製した。図１２は実施例２で作製したサンプル捕集装置１の写真である。
〔デバイスの作製〕
＜実施例３＞
先ず、以下の手順で第２基板１１を作製した。
厚さ５０ｎｍのＳｉ3Ｎ4膜で両面が被覆されたＳｉウェハー（厚さ０．３ｍｍ）上のＳｉ3Ｎ4膜を、反応性イオンエッチング法により部分的に除去（１ｍｍ四方の四角い穴の空いたメタルマスクで基板を覆ってエッチングを行った。）した後、ＫＯＨ水溶液を用いたＳｉ（１００）の異方性エッチングによりＳｉ3Ｎ4メンブレンを作製した。続いて、電子線描画法を用いてマイクロポアを描画し、反応性イオンエッチング法によりＳｉ3Ｎ4を掘削することで、ポア１３をメンブレン中に作製した。電気泳動電極および測定電極は、銀／塩化銀ペーストを白金棒に塗布し、その後加熱することで形成した。
＜実施例３＞
先ず、以下の手順で第２基板１１を作製した。
厚さ５０ｎｍのＳｉ3Ｎ4膜で両面が被覆されたＳｉウェハー（厚さ０．３ｍｍ）上のＳｉ3Ｎ4膜を、反応性イオンエッチング法により部分的に除去（１ｍｍ四方の四角い穴の空いたメタルマスクで基板を覆ってエッチングを行った。）した後、ＫＯＨ水溶液を用いたＳｉ（１００）の異方性エッチングによりＳｉ3Ｎ4メンブレンを作製した。続いて、電子線描画法を用いてマイクロポアを描画し、反応性イオンエッチング法によりＳｉ3Ｎ4を掘削することで、ポア１３をメンブレン中に作製した。電気泳動電極および測定電極は、銀／塩化銀ペーストを白金棒に塗布し、その後加熱することで形成した。
次いで、実施例２で作製したサンプル捕集装置１、第２基板１１を液密に接合し、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）で作製した第３基板を第２基板に液密に接合することで、デバイス１０を作製した。
〔液滴生成の確認〕
＜実施例４＞
超純水を、実施例３で作製したデバイスの充填孔５からデバイス１０に充填した。図１３は、サンプル捕集孔４に液滴が生成したことを示す写真である。
＜実施例４＞
超純水を、実施例３で作製したデバイスの充填孔５からデバイス１０に充填した。図１３は、サンプル捕集孔４に液滴が生成したことを示す写真である。
〔捕捉したサンプルの電気泳動の確認〕
＜実施例５＞
次に、液滴に付着したサンプルがサンプル移動流路３を電気泳動で流れるか確認を行った。上記実施例１のサンプル捕集装置１のサンプル捕集孔４が形成されているエリアのサンプル移動流路３にサンプル分離部としてマイクロスリット（間隔：２μｍ）を形成した以外は、実施例１と同様の手順でサンプル捕集装置１を作製した。次いで、透明な材料であるＰＤＭＳを用いて電気泳動用電極を蒸着した第２基板１１を作製し、サンプル捕集装置１と液密に接合することでデバイス１０を作製した。
次に、導電性溶液としてＰＢＳバッファーをサンプル移動流路３に充填し、サンプル捕集孔４に液滴を作製した。作製した液滴に、サンプルとして蛍光分子でラベルされたポリスチレン微粒子（粒径約１μｍ）を付着し、電気泳動用電極に通電した。
＜実施例５＞
次に、液滴に付着したサンプルがサンプル移動流路３を電気泳動で流れるか確認を行った。上記実施例１のサンプル捕集装置１のサンプル捕集孔４が形成されているエリアのサンプル移動流路３にサンプル分離部としてマイクロスリット（間隔：２μｍ）を形成した以外は、実施例１と同様の手順でサンプル捕集装置１を作製した。次いで、透明な材料であるＰＤＭＳを用いて電気泳動用電極を蒸着した第２基板１１を作製し、サンプル捕集装置１と液密に接合することでデバイス１０を作製した。
次に、導電性溶液としてＰＢＳバッファーをサンプル移動流路３に充填し、サンプル捕集孔４に液滴を作製した。作製した液滴に、サンプルとして蛍光分子でラベルされたポリスチレン微粒子（粒径約１μｍ）を付着し、電気泳動用電極に通電した。
図１４（１）は通電直後の写真で、矢印の方向にサンプルが流れる様に通電している。図１４（２）は通電開始約１分後の写真であり、スリットの上流側でサンプルがトラップされていることを確認した（白丸で囲まれている部分）。
以上の結果より、サンプル捕集装置１のサンプル捕集孔４に形成した液滴で捕捉したサンプルは、サンプル捕集孔４を通りサンプル移動流路３内を電気泳動により移動することが確認できた。
以上の結果より、サンプル捕集装置１のサンプル捕集孔４に形成した液滴で捕捉したサンプルは、サンプル捕集孔４を通りサンプル移動流路３内を電気泳動により移動することが確認できた。
本発明のデバイスを用いることで、大気中を浮遊する微小サンプルを別途捕集及び濃縮する装置を必要とせず、自動的に捕集・分析することができる。したがって、スマートフォン等の小型デバイスに組み込むことで、身の回りの危険物質を分析する機器の開発に有用である。
Claims (11)
- 第１基板上に形成され、捕捉したサンプルを測定部に移動するためのサンプル移動流路、及び
該サンプル移動流路に形成されたサンプル捕集孔、
を含み、
前記サンプル捕集孔は前記サンプル移動流路から第１基板を貫通する貫通孔であり、前記サンプル移動流路に充填する導電性溶液が前記サンプル捕集孔を通じて第１基板上に液滴を形成することで周囲のサンプルを捕集できるサンプル検出デバイス用のサンプル捕集装置。 - 前記サンプル移動流路の一方の端部に導電性溶液を充填する充填孔が形成され、他方の端部には導電性溶液を排出する排出孔が形成されている請求項１に記載のサンプル捕集装置。
- 前記サンプル移動流路の他端側に複数の分岐流路が形成されている請求項１又は２に記載のサンプル捕集装置。
- 前記サンプル移動流路に、サンプルを分離するサンプル分離部が形成されている請求項1〜３の何れか一項に記載のサンプル捕集装置。
- 前記サンプル移動流路のサンプル捕集孔以外の部分に、ピラーが形成されている請求項１〜４の何れか一項に記載のサンプル捕集装置。
- 前記サンプル移動流路の両端に捕集したサンプルを電気泳動により移動させるための電極が形成されている請求項１〜５の何れか一項に記載のサンプル捕集装置。
- 前記サンプル移動流路が、非直線形状である請求項１〜６の何れか一項に記載のサンプル捕集装置。
- 請求項１〜７の何れか一項に記載のサンプル捕集装置、
前記サンプル捕集装置に液密に接合する第２基板を含み、
前記サンプル捕集装置により捕集されたサンプルを測定する測定部、
を含むサンプル検出デバイス。 - 前記測定部が、前記サンプル捕集装置のサンプル移動流路を挟むように形成した電極である請求項８に記載のサンプル検出デバイス。
- 前記測定部が、前記第２基板に形成されたポア及び該ポアに形成した電極を含む請求項８に記載のサンプル検出デバイス。
- 第１基板、該第１基板に液密に接合する第２基板、前記第１基板及び／又は前記第２基板に形成されたサンプルの電気泳動用の電極を含み、
前記第２基板は、捕集したサンプルを測定部に移動するためのサンプル移動流路、及びサンプルを測定する測定部、を含み、
前記第１基板には、前記サンプル移動流路に被さる部分に第１基板を貫通するサンプル捕集孔が形成され、前記サンプル移動流路に充填する導電性溶液が前記サンプル捕集孔を通じて第１基板上に液滴を形成することで周囲のサンプルを捕集できるサンプル検出デバイス。
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