JP2017099300A

JP2017099300A - サンプル検出用デバイス、サンプル検出装置及びイオン電流の検出方法

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Publication number: JP2017099300A
Application number: JP2015233120A
Authority: JP
Inventors: 真楠筒井; Makusu Tsutsui; 正輝谷口; Masateru Taniguchi; 川合　知二; Tomoji Kawai; 知二川合; 謙太郎土井; Kentaro Doi; 聡恭川野; Satoyuki Kawano; 頌二田中; Shoji Tanaka
Original assignee: Osaka University NUC
Current assignee: Osaka University NUC
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2017-06-08
Anticipated expiration: 2035-11-30
Also published as: JP6714924B2

Abstract

【課題】サンプルが検出孔を通過する時のイオン電流を検出する時に、サンプルが通過する位置を制御できるサンプル検出用デバイス、サンプル検出装置及びイオン電流の検出方法を提供する。【解決手段】基板、該基板に形成されたサンプルが通過する検出孔、該検出孔をサンプルが通過する時にサンプルの位置を制御するための少なくとも３以上のサンプル制御用電極、を含むサンプル検出用デバイス。【選択図】図３

Description

本発明は、サンプル検出用デバイス、サンプル検出装置及びイオン電流の検出方法に関する。特に、サンプルを検出するための検出孔に電気的なトラップ場を発生させることで、サンプルが検出孔を通過する時のサンプルの位置が制御できるサンプル検出用デバイス、サンプル検出装置及びイオン電流の検出方法に関する。

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、個数等を正確に検出することは、健康な生活を送る上で大切な情報であり、簡単且つ精度よく検出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検出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検出することで、サンプルの体積の差異を識別している。

ＷａｓｅｅｍＡ．ｅｔａｌ．，ＬａｂｏｎａＣｈｉｐ，Ｖｏｌ．１２，ｐｐ．２３４５−２３５２（２０１２）

非特許文献１に記載されている検出方法（デバイス）の場合、サンプル検出の空間分解能は細孔を浅くするほど向上する。そのため、近年は、細孔の直径に比して深さが浅い低アスペクト比のデバイスの研究開発が進められている。ところで、細孔のアスペクト比を小さくするとサンプルが細孔のどこを通過するかで敏感にイオン電流信号の大きさが変化するという問題が新たに生じた。しかしながら、現状では、細孔を通過する時のサンプルの位置を制御するための方法（デバイス）は知られていない。

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）サンプルが通過する検出孔に面するように少なくとも３以上のサンプル制御用電極を形成し、（２）サンプルが検出孔を通過する時に、検出孔に面するように形成したサンプル制御用電極に交流電場を印加することで、サンプルが検出孔を通過する位置を制御できること、を新たに見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明の目的は、サンプルが検出孔を通過する時のイオン電流を検出する時に、サンプルが通過する位置を制御できるサンプル検出用デバイス、サンプル検出装置及びイオン電流の検出方法を提供することである。

本発明は、以下に示す、サンプル検出用デバイス、サンプル検出装置及びイオン電流の検出方法に関する。

（１）基板、該基板に形成されたサンプルが通過する検出孔、該検出孔をサンプルが通過する時にサンプルの位置を制御するための少なくとも３以上のサンプル制御用電極、を含むサンプル検出用デバイス。
（２）前記サンプル制御用電極が偶数である請求項１に記載のサンプル検出用デバイス。
（３）前記サンプル制御用電極に交流電場を印加するための交流電源を含む上記（１）又は（２）に記載のサンプル検出用デバイス。
（４）サンプルが前記検出孔を通過する時のイオン電流を計測するための検出部を含み、前記検出部がローパスフィルタを含む上記（１）〜（３）の何れか一に記載のサンプル検出用デバイス。
（５）前記サンプル制御用電極が、先端部分のみが露出するように形成されている上記（１）〜（４）の何れか一に記載のサンプル検出用デバイス。
（６）上記（１）〜（５）の何れか一に記載のサンプル検出用デバイス、及び、サンプルを捕集し、該捕集したサンプルを前記検出孔に移送するためのサンプル捕集機構、を含むサンプル検出装置。
（７）前記捕集機構は、第２基板、該第２基板に形成され捕捉したサンプルを前記検出孔に移送するためのサンプル移送流路、及び、該サンプル移送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送流路から前記第２基板を貫通する孔であり、前記サンプル移送流路に充填する電解質溶液が前記サンプル捕集孔を通じて前記第２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、上記（６）に記載のサンプル検出装置。
（８）前記サンプル移送流路の一方の端部に電解質溶液を充填する充填孔が形成され、他方の端部には電解質溶液を排出する排出孔が形成されている上記（７）に記載のサンプル検出装置。
（９）捕集したサンプルを電気泳動により移送させるための一対の電気泳動用電極が、前記検出孔を挟む位置関係に形成されている上記（７）又は（８）に記載のサンプル検出装置。
（１０）基板に形成した検出孔をサンプルが通過する時のイオン電流を検出する方法であって、サンプル制御用電極に交流電場を印加することで前記検出孔にトラップ場を形成し、サンプルが前記検出孔を通過する位置を制御する、イオン電流の検出方法。

本発明のサンプル検出用デバイス、サンプル検出装置及びイオン電流の検出方法を用いることで、サンプルが検出孔を通過する時の位置を制御できる。したがって、サンプルが検出孔を通過する時のイオン電流の検出精度を向上することができる。

図１は、サンプルの大きさや個数等の検出方法の従来技術を示す図である。図２は、本発明のデバイス１の概略を示す図である。図３は、サンプルの位置制御の原理を説明するための図で、図３（Ａ）は印加する周波数が高周波条件（ｆ_CM＞０）の場合、図３（Ｂ）は印加する周波数が低周波条件（ｆ_CM＜０）の場合の図である。図４は、本発明のデバイス１の検出部を説明するための図である。図５（Ａ）は、サンプル捕集機構１１の一例の上面図で、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＡ−Ａ’断面図である。図６は、捕集機構１１のサンプル捕集原理を説明する図である。図７は、デバイス１と捕集機構１１を組み合わせた検出装置１０の断面図である。図８は、検出装置１０の他の実施形態を示す図である。図９はサンプル分離部の実施形態を示す図である。図１０（Ａ）〜（Ｇ）は、サンプル捕集機構１１の製造工程の一例を示す図である。図１１は、図面代用写真で、図１１（Ａ）は作製したデバイス１のＳＥＭ写真で、図１１（Ｂ）は検出孔３付近を拡大した写真である。図１２は、実施例１で作製したデバイス１を用いた実験系を表す図である。図１３は、周波数が２ＭＨｚ、５ＭＨｚ、１０ＭＨｚ（実施例２）、及び０ＭＨｚ（比較例１）の時の測定したイオン電流の測定結果である。図１４は、図１３で検出した個々のサンプルのイオン電流の測定値を重ねたグラフで、図１４（Ａ）は０ＭＨｚ（比較例１）で２１個のサンプル、図１４（Ｂ）は２ＭＨｚ（実施例２）で２６個のサンプル、図１４（Ｃ）は５ＭＨｚで４６個のサンプルを重ね合わせたグラフである。

以下に、サンプル検出用デバイス（以下、単に「デバイス」と記載することがある。）、サンプル検出装置（以下、単に「検出装置」と記載することがある。）及びイオン電流の検出方法（以下、単に「検出方法」と記載することがある。）について詳しく説明する。

図２は、本発明のデバイス１の概略を示す図である。本発明のデバイス１は、基板２、基板２に形成されたサンプルが通過する検出孔３、検出孔３をサンプルが通過する時にサンプルの位置を制御するための少なくとも３以上のサンプル制御用電極４を含んでいる。デバイス１は、後述する交流電源、検出部と組み合わせてサンプルが検出孔３を通過する時のイオン電流を検出できるが、図２に示すデバイス１は、公知のイオン電流検出装置の検出用デバイスとして組込むこともできる。その場合、必要に応じで交流電源、後述するローパスフィルタ等を追加すればよい。

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。また、基板２は、ＳｉＮ、ＳｉＯ₂、グラフェン、ＢＮ、ＭｏＳ₂、ＨｆＯ₂等の材料を用い、固体メンブレンと呼ばれる薄膜状に形成してもよい。

検出孔３は、基板２を貫通するように形成されている。イオン電流を検出する際には、検出孔３の体積が少ないほど感度が高くなる。したがって、上記基板２を薄くするとともに、検出孔３の大きさは、検出したいサンプルの大きさよりは大きいが、大き過ぎないように適宜調整すればよい。検出孔３は、後述する実施例で説明するとおり、エッチング等により形成すればよい。

サンプル制御用電極４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、フォトリソグラフィやプリンター等により基板２の上面又は下面に形成すればよい。サンプル制御用電極４の配置は、後述するように検出孔３にトラップ場を形成できれば特に制限は無く、サンプル制御用電極４の先端４１部分が検出孔３に突出していてもよいし、検出孔３の外周と一致してもよいし、トラップ場が形成できる範囲内であれば、検出孔３の外周より外側であってもよい。なお、本発明のデバイス１を用いてイオン電流を検出する時、デバイス１の周囲は電解質溶液で満たされる。したがって、サンプル制御用電極４を基板２の上面又は下面に形成すると電流がリークするおそれがある。その場合、サンプルが検出孔３を通過する時のイオン電流の計測には影響はないが、電流がリークすることで、サンプルの位置を制御するトラップ場が弱くなる恐れがある。そのため、サンプル制御用電極４は、先端４１のみが露出し、その他の部分は露出しないことが好ましい。その他の部分を露出しないようにするためには、例えば、基板２の上面又は下面にサンプル制御用電極４を形成した後、絶縁層をスパッタリング等により形成すればよい。絶縁層としては、ＳｉＯ₂、ＳｉＮｘ、ＳｉＯＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ_3、Ｔａ₂Ｏ_5、ＨｆＯ₂等が挙げられるが、絶縁性の材料であれば特に制限はない。

本発明は、サンプル制御用電極４に交流電場を印加することで、サンプルが検出孔３を通過する時の位置を制御できる。図３は、サンプルの位置制御の原理を説明するための図で、サンプル制御用電極４を略９０度の間隔で４個形成し、相対するサンプル制御用電極４を回路５１、５２で接続している。そして、交流電源５３により回路５１に接続するサンプル制御用電極４に交流電場を印加し、交流電源５４により回路５２に接続するサンプル制御用電極４に交流電場を印加するが、その際、位相を９０度ずらしている。サンプル制御用電極４に交流電場を印加することで、検出孔３には誘電泳動（ｄｉｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ：ＤＥＰ）の原理によるトラップ場が形成される。誘電泳動は、以下の式で表すことができる。

上記式中、εp’は粒子の複素誘電率を表し、εｗ’は溶液の複素誘電率を表し、ε’は複素誘電率を表し、ε₀は真空誘電率を表し、εは比誘電率を表し、σは導電率を表し、ｉは√-1を表し、ωは交流電圧の周波数を表す。

トラップ場は、印加する周波数が高周波条件（ｆ_CM＞０）の場合は図３（Ａ）に示すように検出孔３の中央に誘導するように形成され、低周波条件（ｆ_CM＜０）の場合は図３（Ｂ）に示すようにサンプル制御用電極４に引き寄せられるように形成される。つまり、印加する交流電場の周波数により、サンプルを検出孔３の中央に誘導、又はサンプルを検出孔３の周囲側に誘導することができる。また、誘導する力の強さは、印加する電圧で制御することができる。「ｆ_CM」が０となる周波数は、サンプルの誘電率及び導電率、溶液の誘電率及び導電率等により変わる。したがって、使用する電解質溶液の濃度等のパラメータを勘案し、印加する周波数を適宜設定すればよい。

サンプル制御用電極４の個数及び配置は、上記のとおりトラップ場を形成できれば特に制限はない。サンプル制御用電極４の間隔が開きすぎるとサンプルの位置制御が難しくなることから、サンプル制御用電極４は少なくとも３以上で形成することが好ましい。また、サンプル制御用電極４は略等間隔となるように配置することが制御上好ましい。隣り合うサンプル制御用電極４に印加する交流電流の位相は、例えば「３６０度÷サンプル制御用電極４の個数」ずらせばよく、サンプル制御用電極４が３個の場合は１２０度、４個の場合は９０度、６個の場合は６０度ずらせばよい。なお、前記の位相のずれは単なる例示に過ぎず、トラップ場を形成できれば異なる数値であってもよい。また、サンプル制御用電極４が奇数の場合、相対するサンプル制御用電極４がないので個々のサンプル制御用電極４に交流電場を印加する必要があるが、偶数の場合は相対するサンプル制御用電極４に同時に交流電場を印加することができる。したがって、サンプル制御用電極４は、偶数の電極を等間隔で配置することが効率の観点から望ましい。

交流電源５３、５４は、公知の交流電源装置を用いればよい。なお、図３に示す例では、交流電源を２つ用いているが、マルチチャンネルの交流電源を用いれば単一の交流電源であってもよい。

図４は、本発明のイオン電流の検出部を説明するための図である。検出部６は、検出孔３を挟むように形成し、電解質溶液中のイオンを輸送するための直流電流を印加する電気泳動用電極６１及び６２、サンプルが検出孔３を通過した時のイオン電流を検出する電流計６３、ローパスフィルタ６４を少なくとも含んでいる。電気泳動用電極６１及び６２は、サンプル制御用電極４と同様の材料で形成すればよい。また、電流計も公知の電流計を用いればよい。

検出部６は、ローパスフィルタ６４を含むことを特徴としている。本発明では、サンプル制御用電極４に交流電場を印加することで、サンプルが検出孔３を通過する時の位置を制御しているが、ローパスフィルタ６４を用いるとサンプル検出に用いる直流イオン電流成分と交流電流が干渉することを抑制できる。ローパスフィルタは、印加する交流電場の周波数より低い周波数の電流のみが通過できるものであれば特に制限はなく、市販されているものを用いればよい。

デバイス１は、公知のイオン電流検出装置の検出部分に組み込んで用いることができるが、大気中の花粉、ＰＭ２．５等のサンプルを捕集し、該捕集したサンプルを検出孔３に移送するためのサンプル捕集機構１１と組み合わせて、新たな検出装置１０として提供することもできる。

図５は、サンプル捕集機構１１の一例の上面図で、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＡ−Ａ’断面図である。捕集機構１１は、第２基板１２に形成され捕捉したサンプルをデバイス１の検出孔３に移送するためのサンプル移送流路１３、サンプル移送流路１３に形成され第２基板１２を貫通するサンプル捕集孔１４を少なくとも含み、サンプル移送流路１３に電解質溶液を充填するための充填孔１５、電解質溶液を排出するための排出孔１６を形成してもよい。サンプル移送流路１３は流路幅を徐々に狭くしていくことで細幅部１９を形成し、細幅部１９の下に検出孔３を配置することで、サンプルを効率的に測定することができる。

図６は、捕集機構１１のサンプル捕集原理を説明する図である。捕集機構１１とデバイス１の基板２を液密に接合し、充填孔１５又は任意のサンプル捕集孔１４を通してサンプル移送流路１３に電解質溶液を充填する。サンプル移送流路１３が電解質溶液で満たされると、電解質溶液はサンプル捕集孔１４を通り第２基板１２上に液滴１７を形成する。そして、液滴１７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１８が液滴１７に付着する。付着したサンプル１８は、電気泳動用電極６１及び６２を用いてサンプル移送流路１３に電場をかけることでサンプル移送流路１３内をサンプルが電気泳動し、デバイス１の検出孔３に移動する。

図７は、デバイス１と捕集機構１１を組み合わせた検出装置１０の断面図である。図７に示すデバイス１０は、検出孔３を形成した基板２と捕集機構１１とを液密に接合し、更に、検出孔３を通過したサンプル１８を回収する空間を形成するための第３基板２０を液密に接合している。電気泳動用電極６１及び６２は基板２の検出孔３を挟んで反対方向に形成すればよい。例えば、電気泳動用電極６１は基板２の上面又は捕集機構１１に、電気泳動用電極６２は基板２の下面又は第３基板２０に形成すればよい。電気泳動用電極６１及び６２を上記のように形成することで、サンプル移送流路１３に入ったサンプル１８が検出孔３に流れ易くするとともに、サンプル１８が検出孔３を通過する時のイオン電流を計測するための計測用電極の役割もしている。

サンプル移送流路１３の幅及び深さは特に制限は無い。なお、サンプル移送流路１３の抵抗成分Ｒは、
Ｒ＝電解質溶液の抵抗率×（流路の長さ）／（流路の高さ×流路の幅）
で表される。そして、検出孔３でサンプルを検出する場合、検出感度を高くするためには検出孔３の断面積が小さい方が好ましいので検出孔３の抵抗は大きくなる。サンプル移送流路１３と検出孔３の抵抗の差は少ない方が好ましいことから、検出対象サンプルのサイズ等を考慮し、サンプル移送流路１３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、サンプル移送流路１３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、サンプル移送流路１３に直線部分が含まれない、又は、サンプル移送流路１３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８に示すようにサンプル移送流路１３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。サンプル移送流路１３を長くすることで、サンプル移送流路１３の抵抗を大きくすることができ、更にサンプル捕集孔１４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。

サンプル移送流路１３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９はサンプル分離部の実施形態を示す図で、サンプル移送流路１３にピラー２１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９に示すピラーに代え、スリットを形成してもよい。また、サンプル移送流路１３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２基板１２に形成するサンプル移送流路１３の面積を大きくし、更に、サンプル捕集孔１４も多く形成することが望ましい。しかしながら、サンプル移送流路１３の面積を大きくすると第２基板１２との間の空洞部分が多くなり、サンプル捕集装置の強度が低下するという問題が発生する。そのため、サンプル移送流路１３のサンプル捕集孔以外の部分に、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２１と補強用のピラーを共通化してもよい。サンプル移送流路１３へのピラーの形成は後述するサンプル捕集機構１１と一体的に製造することができる。

図１０は、サンプル捕集機構１１の製造工程の一例を示す図である。
（Ａ）第２基板１２の両面にポジ型フォトレジスト３０をスピンコートで塗布する。
（Ｂ）第２基板１２のサンプル移送流路１３を形成する面に、サンプル移送流路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する。サンプル移送流路１３内にサンプル分離部及び／又はピラー２１を形成する場合は、サンプル分離部及び／又はピラー２１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３０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。）。
（Ｃ）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１２を貫通しないように、所定の厚みを残しておく。
（Ｄ）第２基板１２のサンプル移送流路１３を形成する面のポジ型フォトレジスト３０を除去する。
（Ｅ）第２基板１２の他の面に、電解質溶液を充填するための充填孔１５、電解質溶液を排出するための排出孔１６、サンプル捕集孔１４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３０を除去する。
（Ｆ）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。
（Ｇ）第２基板１２上のポジ型フォトレジスト３０を除去する。

第２基板１２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３０としては、ＯＦＰＲ、ＴＳＭＲＶ５０、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。

基板２及び第２基板１２は、微細な流路や貫通孔に電解質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、基板２及び第２基板１２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。

検出装置１０に充填する電解質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。

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。

〔デバイス１の作製〕
＜実施例１＞
まず、両表面に５０ｎｍの窒化シリコン膜を持つ面方位（１００）のシリコンウエハー（Ｅ＆ＭＣＯ．，ＬＴＤ）を２９ｍｍ四方に切った。基板の一方の面に約５００μｍ四方の領域の孔が形成されているエッチング防止用のメタルマスクをかぶせ、ＲＩＥ装置（ＲＩＥ−１０ＮＲ、ＳＡＭＣＯＣＯ．，Ｌｔｄ）によって、孔が形成されている５００μｍ四方の領域のみ窒化シリコン膜を除去し、シリコン表面をむき出しにした。その後、むき出しにした部分のシリコンのみを選択的に水酸化カリウム水溶液（和光純薬株式会社）によって、約３時間かけて１２５℃のホットプレート（ＨｏｔｐｌａｔｅＮＩＮＯＳＮＤ−１、ＡｓＯｎｅＣＯ．，Ｌｔｄ）上でウェットエッチングを行った。この操作により、基板の他方の面の窒化シリコン膜に到達するまでシリコンをエッチングした。窒化シリコン膜に到達したシリコンの孔は約１５０μｍ四方であった。

次に、約１５０μｍ四方のシリコン孔の上の窒化シリコン膜上にＬ字型のアライメントマーカーを有する引出用電極４２を次の手順で作製した。先ず、フォトレジスト（ＡＺ５２０６Ｅ、ＡＺＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓｋ．ｋ．ＣＯ．，ＬＴＤ）を基板上に塗布し、スピンコートにより厚さ約２μｍに薄膜化した。スピンコートにはスピンコーター（ＭＳ−Ａ１００、ＭＩＫＡＳＡＣＯ．，ＬＴＤ）を使用した。その後、ホットプレート（ＭＨ−１８０、ＡＳＯＮＥＣＯ．，ＬＴＤ）を用いて９０℃で５分間プレベークした。プレベークによりレジスト中の溶媒を蒸発させ、その後の溶質の反応性を高めた。

次に、引出用電極４２のパターンを持つフォトマスクを用いて、紫外線露光機（ＭＡ−１０、ＵＳＨＩＯＣＯ．，ＬＴＤ）により１０秒間感光させた。その後、ホットプレートを用いて１２０℃で５分間ポストベークした。これは、露光によって得たエネルギによるフォトレジスト溶液の重合を促すため、またポジ型であるレジストをネガ型にする画像反転作用のためであるである。次に、フォトマスクを用いず、紫外線露光機により全面を１０秒間全面露光した。これにより、レジストがネガ型として決定された。最後に、現像溶液（ＮＭＤ−３、東京応化工業株式会社）に１分３０秒浸し、ＭｉｌｌｉＱ水によりリンスを行い、レジスト薄膜から引出用電極４２のパターンを除去した。

ホットプレートを用いて、１２０℃で１分間ポストベークし、基板を乾燥させた。この際、残ったレジストは、内側に切れ込む逆テーパ型となっている。次に、高周波マグネトロンスパッタリング装置（ＳＶＣ−７００ＬＲＦ、ＳＡＮＹＵＥＬＥＣＴＲＯＮＣＯ．，Ｌｔｄ）を用いて白金および金の電極を基板上に作製した。白金は金の基板への密着性を高めるため、金の蒸着を行う前に蒸着した。また、金を蒸着した後にも再び白金を蒸着した。その後、紫外線を約１５分間照射することによりレジスト基板から剥離しやすい状態にし、ＤＭＦ（ＮＮ−ジメチルホルムアミド）に１３時間以上浸しリフトオフ法により引出用電極４２パターン以外の余分なレジスト・蒸着金属を取り除いた。

次に電子線描画法によって、４個のサンプル制御用電極４のパターン作製を次の手順で行った。先ず、ＥＢレジスト（ＺＥＰ５２０Ａ−７、ＺＥＯＮＣＯ．，ＬＴＤ）を基板上に塗布し、スピンコートにより薄膜化した。その後、ホットプレートを用いて１８０℃で２分３０秒間プレベークした。描画時の基板表面のチャージアップを防止するため、エスペイサー（昭和電工株式会社）スピンコートし、１１０℃のホットプレートによって１分間加熱した。次に、ＥＢリソグラフィ装置（ＪＳＭ−７００１ＦＪＥＯＬ／ＳＡＮＹＵＥＬＥＣＴＲＯＮ）によって電極間隔が１μｍのサンプル制御用電極４のパターンを描画した。それと同時に、後の検出孔３の描画プロセスのアライメントマーカーとなるマーカーも描画した。現像液に２分間浸し、サンプル制御用電極４のパターン部分のレジストを除去し、乾燥させた。サンプル制御用電極４のパターンの現像が完了すると、一時間以内にスパッタリング装置により、スパッタリングを行った。これは現像が終了してから放置しておくと、現像した部分が有機物で汚れ、金属を蒸着した際の密着性が悪くなるからである。スパッタリングでは引出用電極４２を作製した際と同じ条件で、白金および金を蒸着した。その後、同様に紫外線を約１５分間照射することによりレジスト基板から剥離しやすい状態にし、ＤＭＦ（ＮＮ−ジメチルホルムアミド）に１３時間以上浸しリフトオフ法によりサンプル制御用電極４のパターン以外の余分なレジスト・蒸着金属を取り除いた。

次に、基板上にＳｉＯ_２層の形成を行った。このＳｉＯ_２層により、サンプル制御用電極４の先端４１以外の部分と電解質溶液が直接接触することを避けることができ、サンプル制御用電極４２表面からの電流リークが抑えられる。具体的には、スパッタリングにより、サンプル制御用電極４が作製された基板上に厚さ２０ｎｍ〜３０ｎｍのＳｉＯ_２層を形成した。

最後に、電子線描画法により検出孔３のパターンの描画を行った。サンプル制御用電極４と同時に作製したアライメントマーカーをもとに、サンプル制御用電極４の先端部分に直径１．５μｍの検出孔３を描画した。現像液に２分３０秒浸して現像を行い、ＲＩＥ装置によって反応性エッチングにより検出孔３を貫通した。

検出孔３を貫通後、プラズマクリーナー（Ｍａｒｃｈ、ＪＥＯＬＣＯ．，ＬＴＤ）により、１５０Ｗで５分間酸素プラズマにさらすことによって表面の余分なレジストを除去し、ＤＭＦに浸すことで残存レジストを取り除いてデバイス１が完成した。図１１（Ａ）は作製したデバイス１のＳＥＭ写真で、図１１（Ｂ）は検出孔３付近を拡大した写真である。作製したデバイス１の検出孔３は直径約１．５μｍの円筒状で、サンプル制御用電極４は略９０度で等間隔に配置され、先端４１の間隔は約１μｍであった。

〔イオン電流の測定〕
＜実施例２〜４及び比較例１＞
先ず、実施例１で作製したデバイス１を用いた実験系（図１２参照）を作製した。具体的には、交流電源として２チャンネルのファンクションジェネレータ（ＷａｖｅｆｏｒｍＧｅｎｅｒａｔｏｒ３３５００Ｂ、ＡｇｉｌｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、Ｉｎｃ．）を用い、電気泳動用電極６１、６２として銀塩化銀電極を用い、銀塩化銀電極への電圧の印加にはピコアンメータ・ソース（６４８７、ＫｅｉｔｈｌｅｙＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＩｎｃ．）を用い、アンプには電流ノイズを低減する目的で周波数１００ｋＨｚのローパスフィルタを備え、２５０ｋＨｚの高時間分解能を持つパッチクランプ用高速電流電圧変換アンプ（Ａｘｏｐａｔｃｈ２００Ｂ、ＭｏｌｅｃｕｌａｒＤｅｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．）を用い、データの取得にはデジタイザ（ＰＸＩ−５９２２、ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＣｏ．）を用いた。そして、取得したデータは、ＲＡＩＤドライブＨＤＤ（ＨＤＤ−８２６３、ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＣｏ．）に格納した。

実験用のサンプルは、カルボキシル基修飾ポリスチレン粒子（ＴｈｅｒｍｏＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製、直径約０．７８μｍ）を電解質溶液（ＴＥバッファー：ニッポンジーン社製ＴＥ（ｐＨ８．０））に分散したものを用いた。

次に、デバイス１の基板２の上下にポリマーブロックを貼り付け、ブロックに空けた穴を通してサンプルを分散した溶液を細孔部に導入し、同様の穴に差し込んだ電気泳動用電極６１、６２を用いてＶ_ｂ＝０．２Ｖを印加した上で、電解質溶液中のイオンの輸送に起因する定常なイオン電流が流れることを確認してから、ファンクションジェネレータのスイッチを入れた。サンプル制御用電極４には、振幅Ｖ_ｐｐ＝１．０Ｖ、周波数ｆ＝２ＭＨｚ（実施例２）、５ＭＨｚ（実施例３）および１０ＭＨｚ（実施例４）、位相の９０度異なる交流電圧を印加した。そして、再びイオン電流が定常状態に落ち着くまで、Ｖ_ｂ＝０．２Ｖを印加した際に流れるイオン電流Ｉ_ｉｏｎを計測した。

図１３は、周波数が２ＭＨｚ（実施例２）、５ＭＨｚ（実施例３）、１０ＭＨｚ（実施例４）、及び０ＭＨｚ（比較例１）の時の測定したイオン電流の測定結果である。なお、周波数が２ＭＨｚの場合は低周波条件となり、サンプルはサンプル制御用電極４に引き寄せられる。逆に、５ＭＨｚ及び１０ＭＨｚの場合は高周波条件となり、サンプルは検出孔３の中央に誘導される。周波数０ＭＨｚは、交流電場を印加していないので、従来技術に相当する。

図１３から明らかなように、印加する交流電場の周波数が高くなるにしたがって、測定するイオン電流の値が大きくなることが分かった。また、１秒間にサンプルが通過した数を見ると、比較例１の交流電場を印加しない０ＭＨｚの時が１個であるのに対して、交流電場を印加した場合は、高周波条件又は低周波条件に拘らず、多くのサンプルを検出した。これは、サンプル制御用電極４に交流電場を印加すると、個々のサンプル制御用電極４はプラス・マイナスが常に反転する。そのため、検出孔３やサンプル制御用電極４付近のサンプルに、誘導・離間方向の力が交互に付与され、検出孔３やサンプル制御用電極４にサンプルが吸着されず、速やかに検出孔３を通過したためと考えられる。一方、交流電場を印加しない場合は、サンプルがサンプル制御用電極４等に当接したあと検出孔３の壁面を引きずるように移動したためと考えられる。

図１４は、図１３で検出した個々のサンプルのイオン電流の測定値を重ねたグラフである。図１４（Ａ）は０ＭＨｚ（比較例１）で２１個のサンプル、図１４（Ｂ）は２ＭＨｚ（実施例２）で２６個のサンプル、図１４（Ｃ）は５ＭＨｚ（実施例３）で４６個のサンプルを重ね合わせたグラフである。
サンプルが検出孔３の真上から真下に真っ直ぐに流れた場合は、検出孔３に入り出るまでの速度はほぼ同じである。そのため、イオン電流の変化の測定値は、ピークを挟んでほぼ対称になり、図１４（Ａ）の“Ｃｅｎｔｅｒ”に示すような波形になる。一方、サンプルが検出孔３の壁面を引きずるように移動した場合は、図１４（Ａ）の“Ｔｒａｐ”に示すように、サンプルが検出孔３に入ってからピーク値を示すまでの時間は、ピーク値から通常状態に戻る時間より長くなる。そして、検出孔３の中心からずれた位置をサンプルが通過する場合は、図１４（Ａ）の“Ｏｆｆ−ａｘｉｓ”に示すように、“Ｃｅｎｔｅｒ”及び“Ｔｒａｐ”の間の波形になる。
図１４（Ｂ）及び（Ｃ）から明らかなように、低周波条件（実施例２）の場合は、サンプル制御用電極４側に引き寄せられる“Ｔｒａｐ”が多く、高周波条件（実施例３）の場合は、検出孔３の中央に誘導される“Ｃｅｎｔｅｒ”が多かった。

図１３及び図１４に示す結果より、サンプル制御用電極４を形成し、検出孔３に交流電場を印加することで、（１）検出孔３を通過する時のサンプルの位置を制御できること、（２）サンプルに誘導・離間方向の力が交互に付与されることから、単位時間当たりのサンプルの検出効率が向上すること、（３）交流電場を高周波条件となるように印加し、サンプルを中央に誘引すると、より検出効率が向上すること、が明らかとなった。

本発明のデバイス１を用いることで、サンプルの検出効率が向上する。したがって、イオン電流を測定する機器の測定部として用いることができるので、検出装置の開発に有用である。

Claims

基板、該基板に形成されたサンプルが通過する検出孔、該検出孔をサンプルが通過する時にサンプルの位置を制御するための少なくとも３以上のサンプル制御用電極、を含むサンプル検出用デバイス。
前記サンプル制御用電極が偶数である請求項１に記載のサンプル検出用デバイス。
前記サンプル制御用電極に交流電場を印加するための交流電源を含む請求項１又は２に記載のサンプル検出用デバイス。
サンプルが前記検出孔を通過する時のイオン電流を計測するための検出部を含み、前記検出部がローパスフィルタを含む請求項１〜３の何れか一項に記載のサンプル検出用デバイス。
前記サンプル制御用電極が、先端部分のみが露出するように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検出用デバイス。
請求項１〜５の何れか一項に記載のサンプル検出用デバイス、及び、
サンプルを捕集し、該捕集したサンプルを前記検出孔に移送するためのサンプル捕集機構、を含むサンプル検出装置。
前記捕集機構は、第２基板、該第２基板に形成され捕捉したサンプルを前記検出孔に移送するためのサンプル移送流路、及び、該サンプル移送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送流路から前記第２基板を貫通する孔であり、前記サンプル移送流路に充填する電解質溶液が前記サンプル捕集孔を通じて前記第２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、請求項６に記載のサンプル検出装置。
前記サンプル移送流路の一方の端部に電解質溶液を充填する充填孔が形成され、他方の端部には電解質溶液を排出する排出孔が形成されている請求項７に記載のサンプル検出装置。
捕集したサンプルを電気泳動により移送させるための一対の電気泳動用電極が、前記検出孔を挟む位置関係に形成されている請求項７又は８に記載のサンプル検出装置。
基板に形成した検出孔をサンプルが通過する時のイオン電流を検出する方法であって、
サンプル制御用電極に交流電場を印加することで前記検出孔にトラップ場を形成し、サンプルが前記検出孔を通過する位置を制御する、
イオン電流の検出方法。