JP2018027018A - 生体分子熱変性装置及びその製造方法 - Google Patents

生体分子熱変性装置及びその製造方法 Download PDF

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正輝 谷口
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Abstract

【課題】生体分子の検出、識別に必要なサンプルの少量化と、生体分子の変性の高速化を図る生体分子熱変成装置及び該装置の製造方法の提供。
【解決手段】生体分子熱変性装置１０は、低熱伝導性の基板１２と、基板１２上に作製された抵抗加熱式のヒータ１４と、基板１２上にヒータ１４に並べて作製された温度計測器１６と、基板１２、ヒータ１４及び温度計測器１６の上に積層されたシリコン酸化膜１８と、シリコン酸化膜１８上に重ねられたカバー部材２０と、シリコン酸化膜１８におけるヒータ１４及び温度計測器１６と重なる領域に形成されたナノ流路２２と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、生体分子熱変性装置及びその製造方法に関する。
シリコン基板上にマイクロヒータと流路を組み上げた微細反応器が開示されている（特許文献１参照）。
米国特許第５６７４７４２号公報
マイクロ流路を用いた生体分子検出・識別デバイスは、検査時間の高速化及び小サンプル化に大きく貢献している。生体分子の一例であるＤＮＡの検出に際しては、増幅やハイブリダイゼーション等の処理のために高温で熱処理を行い、ＤＮＡを一本鎖の状態にしておく必要がある。同様に、生体分子の一例であるタンパク質の検出に際しては、アミノ酸の鎖が短いペプチドの状態にしておく必要がある。
しかしながら、上記した従来例では、シリコン基板の厚さによって流路の深さが決定されるため、流路を浅くすることができない。従って、ヒータで加熱するチャンバーの容量が大きくなり、生体分子の変性に時間がかかると考えられる。
本発明は、上記事実を考慮して、生体分子の検出、識別に必要なサンプルの少量化と、生体分子の変性の高速化を図ることを目的とする。
請求項１の発明（生体分子熱変性装置）は、低熱伝導性の基板と、前記基板上に作製された抵抗加熱式のヒータと、前記基板上に前記ヒータに並べて作製された温度計測器と、前記基板、前記ヒータ及び前記温度計測器の上に積層されたシリコン酸化膜と、前記シリコン酸化膜上に重ねられたカバー部材と、前記シリコン酸化膜における前記ヒータ及び前記温度計測器と重なる領域に形成されたナノ流路と、を有する。
この生体分子熱変性装置では、ヒータが抵抗加熱式であり、電圧を印加して電流を流すことにより、ジュール熱により温度が上昇する。ジュール熱の量は、電圧の二乗に比例する。ヒータがナノ流路と重なるように該ヒータのサイズを小さくすることで、ジュール熱の発生密度を上げることができる。これにより、ヒータ上に位置するナノ流路の温度を少ないジュール熱で上昇させて、周囲への熱伝導を抑制することができる。このヒータは、低熱伝導性の基板上に作製されているので、該基板側への熱伝導も抑制される。
更に、小さなヒータは熱容量が小さいため、短時間のうちに定常温度に達することから、高速な温度変調（加熱）が可能になる。温度制御は、温度計測器を用いて行われる。このヒータ及び温度計測器をシリコン酸化膜で覆い、このシリコン酸化膜にナノ流路を形成することにより、ナノ流路内を通過する生体分子を局所的に高速に加熱して、安定して変性させることができる。ナノ流路は深さが１μｍ以下の流路であるため、生体分子の検出、識別に必要なサンプルが少なくて済む。
請求項２の発明は、請求項１に記載の生体分子熱変性装置において、前記ナノ流路の長さ方向及び幅方向には、複数の柱状部が夫々配列されている。
この生体分子熱変性装置では、絡み合った生体分子が、ナノ流路に配列された複数の柱状部の間を流れる間にほどけて行く。この生体分子を、上記したようにヒータにより加熱して変性させることにより、該生体分子の分子レベルでの検出、識別を高速化することができる。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の生体分子熱変性装置において、前記ヒータと前記温度計測器は、前記ナノ流路の幅方向に並べられている。
この記載の生体分子熱変性装置では、温度計測器を用いた温度制御の際のパラメータを低く抑えることができるため、複雑な温度制御を行う必要がない。
請求項４の発明は、請求項１又は請求項２に記載の生体分子熱変性装置において、前記ヒータと前記温度計測器は、前記ナノ流路の長さ方向に並べられている。
この生体分子熱変性装置では、ヒータをナノ流路の幅方向に広く配置することができ、該ナノ流路を流れる生体分子を効率的に加熱して変性させることができる。
請求項５の発明（生体分子熱変性装置の製造方法）は、低熱伝導性の基板上に、抵抗加熱式のヒータを作製する工程と、前記基板上に前記ヒータに並べて温度計測器を作製する工程と、基板、前記ヒータ及び前記温度計測器の上に、シリコン酸化膜を積層する工程と、前記シリコン酸化膜における前記ヒータ及び前記温度計測器と重なる領域に、ナノ流路を形成する工程と、前記シリコン酸化膜上にカバー部材を重ねる工程と、を有する。
この生体分子熱変性装置の製造方法では、生体分子の検出、識別に必要なサンプルの少量化と、生体分子の変性の高速化が可能な生体分子熱変性装置を製造することができる。
請求項６の発明は、請求項５に記載の生体分子熱変性装置の製造方法において、前記ナノ流路の長さ方向及び幅方向に配列された複数の柱状部を作製する工程を更に有する。
この生体分子熱変性装置の製造方法では、生体分子の分子レベルでの検出、識別の高速化を可能にする生体分子熱変性装置を製造することができる。
以上説明したように、本発明によれば、生体分子の検出、識別に必要なサンプルの少量化と、変性の高速化が可能となる、という優れた効果が得られる。
ヒータと温度計測器が流路の幅方向に並べられた生体分子熱変性装置を示す平面図である。 生体分子熱変性装置を示す、図１における２−２矢視断面図である。 ヒータと温度計測器が流路の長さ方向に並べられた生体分子熱変性装置を示す平面図である。 試験結果を示す線図である。
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づき説明する。
［生体分子熱変性装置］
図１，図２において、本実施形態に係る生体分子熱変性装置１０は、低熱伝導性の基板１２と、ヒータ１４と、温度計測器１６と、シリコン酸化膜１８と、カバー部材２０と、ナノ流路２２と、を有している。生体分子とは、例えばＤＮＡやペプチドである。
基板１２についての低熱伝導性とは、熱伝導率が５Ｗ／（ｍＫ）以下であることを意味する。基板１２の材料としては、ガラス、石英、ポリプロピレン等が用いられる。
図２において、ヒータ１４は、基板１２上に作製されており、抵抗加熱式となっている。このヒータ１４は、例えばプラチナ製のマイクロヒータである。基板１２上には、ヒータ１４の両端に夫々接続された電極２４，２６が設けられている。電極２４，２６は、制御部２８に接続される。制御部２８により制御された電圧が、電極２４，２６に対して印加されるようになっている。
図２において、温度計測器１６は、基板１２上にヒータ１４に並べて作製されている。この温度計測器１６は、例えばプラチナ製の抵抗温度計である。基板１２上には、温度計測器１６の両端に夫々接続された電極３４，３６が設けられている。図１に示されるように、ヒータ１４と温度計測器１６は、ナノ流路２２の幅方向に並べられている。なお、図３に示されるように、ヒータ１４と温度計測器１６が、ナノ流路２２の長さ方向に並べられていてもよい。温度計測器１６には、温度検出器３８が接続されている。温度検出器３８の検出値は、制御部２８にフィードバックされるようになっている。
図１において、温度計測器１６及びヒータ１４は、平面視で略四角形とされている。この温度計測器１６及びヒータ１４の一辺の長さａは例えば５〜１００μｍである。また、図２において、厚さｔ１４，ｔ１６は例えば夫々１０〜１００ｎｍである。
図２において、シリコン酸化膜１８は、ＳｉＯ２の薄膜であり、基板１２、ヒータ１４及び温度計測器１６の上に積層されている。基板１２の表面を基準としたシリコン酸化膜１８の厚さＴは、ナノ流路２２の深さｄよりも厚く、例えば、０．１〜２μｍである。
カバー部材２０は、シリコン酸化膜１８上に重ねられている。カバー部材２０としては、ガラス、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）等が用いられる。このカバー部材２０は、ナノ流路２２の天井部を構成している。
ナノ流路２２は、シリコン酸化膜１８におけるヒータ１４及び温度計測器１６と重なる領域に形成されている。ナノ流路２２とは、深さが１μｍ以下（ナノメートルオーダー）の溝である。具体的には、ナノ流路２２の深さは、例えば１０〜１０００ｎｍである。図１に示されるように、ナノ流路２２の幅ｗは、例えば０．５〜１００μｍである。図２に示されるように、ヒータ１４及び温度計測器１６と、ナノ流路２２との間には、シリコン酸化膜１８が介在している。図示は省略するが、ナノ流路２２には、生体分子の溶液の入口と出口が設けられている。この溶液は、例えば制御部２８による電気泳動により、矢印Ａ方向に流れるようになっている。
ナノ流路２２の長さ方向及び幅方向には、複数の柱状部３０が夫々配列されている。柱状部３０の高さは、ナノ流路２２の深さｄと同等である。柱状部３０はナノメートルオーダーのピラー（柱）であるため、これをナノピラーと言うこともできる。柱状部３０は例えば円柱であるが、その直径は任意である。柱状部３０の直径をより細くして、本数をより多くしてもよい。
（作用）
本実施形態は、上記のように構成されており、以下その作用について説明する。図１において、本実施形態に係る生体分子熱変性装置１０では、ヒータ１４が抵抗加熱式であり、電圧を印加して電流を流すことにより、ジュール熱により温度が上昇する。ジュール熱の量は、電圧の二乗に比例する。ヒータ１４がナノ流路２２と重なるように該ヒータ１４のサイズを小さくすることで、ジュール熱の発生密度を上げることができる。これにより、ヒータ１４上に位置するナノ流路２２の温度を少ないジュール熱で上昇させて、周囲への熱伝導を抑制することができる。このヒータ１４は、低熱伝導性の基板１２上に作製されているので、該基板１２側への熱伝導も抑制される。このため、ヒータ１４による局所的な加熱が可能となる。
更に、小さなヒータ１４は熱容量が小さいため、短時間のうちに定常温度に達することから、高速な温度変調（加熱）が可能になる。温度制御は温度計測器１６を用いて、生体分子の溶液が例えば９５℃となるように行われる。このヒータ１４及び温度計測器１６をシリコン酸化膜１８で覆い、このシリコン酸化膜１８にナノ流路２２を形成することにより、ナノ流路２２内を通過する生体分子を局所的に高速に加熱して、安定して変性させることができる。ナノ流路２２は深さが１μｍ以下の流路であるため、生体分子の検出、識別に必要なサンプルが少なくて済む。
生体分子のサンプルは、ある程度絡みあった状態にある。この生体分子は、ナノ流路２２に配列された複数の柱状部３０の間を流れる間に次第にほどけて行く。この生体分子を、上記したようにヒータ１４により加熱して変性させることにより、該生体分子の分子レベルでの検出、識別を高速化することができる。また、柱状部３０を設けることにより、ＰＤＭＳからなるカバー部材２０をシリコン酸化膜１８に重ねる際に、該カバー部材２０が撓んでナノ流路２２の底に接着されることを防止することができる。
図１に示される生体分子熱変性装置１０では、ヒータ１４と温度計測器１６が、ナノ流路２２の幅方向に並べられているので、温度計測器１６を用いた温度制御の際のパラメータを低く抑えることができ、複雑な温度制御を行う必要がない。
図３に示される生体分子熱変性装置１０では、ヒータ１４と温度計測器１６は、ナノ流路２２の長さ方向に並べられているので、ヒータ１４をナノ流路２２の幅方向に広く配置することができる。従って、ナノ流路２２を流れる生体分子を効率的に加熱して変性させることができる。
このように、本実施形態に係る生体分子熱変性装置１０は、ヒータ１４の熱容量と加熱の局所性により、従来のヒータと比較して高速、低消費電力であり、放熱器が不要である。また、観測した温度の情報をヒータ制御にフィードバックすることで、局所的な温度制御を可能にしている。この生体分子熱変性装置１０については、チップを用いた簡易な生体分子検査及び次世代の生体分子シーケンサ上の組込みデバイスとしての応用が期待される。
［生体分子熱変性装置の製造方法］
本実施形態に係る生体分子熱変性装置の製造方法は、低熱伝導性の基板１２上に、抵抗加熱式のヒータ１４を作製する工程と、基板１２上にヒータ１４に並べて温度計測器１６を作製する工程と、基板１２、ヒータ１４及び温度計測器１６の上に、シリコン酸化膜１８を積層する工程と、シリコン酸化膜１８におけるヒータ１４及び温度計測器１６と重なる領域に、ナノ流路２２を形成する工程と、シリコン酸化膜１８上にカバー部材２０を重ねる工程と、を有している。更に、本実施形態に係る生体分子熱変性装置１０の製造方法は、ナノ流路２２の長さ方向及び幅方向に配列された複数の柱状部３０を作製する工程を有している。
ヒータ１４及び温度計測器１６は、例えば電子ビームリソグラフィ法とスパッタリングを用いて作製される。シリコン酸化膜１８は、例えばＣＶＤ法を用いて作製される。
ナノ流路２２及び柱状部３０は、例えば電子ビームリソグラフィ法を用いてパターンを描画した後に、反応性イオンエッチングによりシリコン酸化膜１８を処理することにより作製される。
この生体分子熱変性装置の製造方法では、生体分子の検出、識別に必要なサンプルの少量化と、生体分子の変性の高速化が可能な生体分子熱変性装置を製造することができる。また、この生体分子熱変性装置の製造方法では、生体分子の分子レベルでの検出、識別の高速化を可能にする生体分子熱変性装置を製造することができる。
（実施例）
図１，図２に示される生体分子熱変性装置１０を用いて、１８塩基対からなるＤＮＡの変性を観測した。生体分子熱変性装置１０の各部の寸法は次のとおりである。
［流路］
ｗ＝２５μｍ
ｄ＝５００ｎｍ
［ヒータ及び温度計測器］
ａ＝２０μｍ
平面視での線幅は夫々１μｍである。
［シリコン酸化膜］
ｔ＝４００ｎｍ
ＤＮＡの末端には蛍光分子と消光分子が合成されており、一本鎖状態では蛍光が観測され、二本鎖状態では消光するように設定されている。このＤＮＡの溶液を流路２２に流し、ヒータ１４により加熱を行いながら、蛍光像の変化を全反射蛍光顕微鏡にて基板１２側から観測した。その結果は、図４に示されるとおりである。図４において、横軸は時間（秒）、縦軸は蛍光強度を示している。また、実線は、流路２２におけるヒータ１４の位置での蛍光強度を示し、破線はヒータ１４より下流での流路２２の蛍光強度を示している。
図４より、ヒータ１４による加熱を開始してから１秒以内に、流路２２での蛍光強度の増加が観察されることから、ＤＮＡを高速に変性できていることがわかる。加熱開始時には、温度上昇のため、バックグラウンドの蛍光強度が一旦下がるが、流路２２では時間が経つにつれて一本鎖になったＤＮＡが増えるため、蛍光強度が上がる。ヒータ１４の位置では、該ヒータ１４が蛍光を遮蔽するため、蛍光強度が上がらない。
１０ 生体分子熱変性装置
１２ 基板
１４ ヒータ
１６ 温度計測器
１８ シリコン酸化膜
２０ カバー部材
２２ ナノ流路
３０ 柱状部

Claims (6)

  1. 低熱伝導性の基板と、
    前記基板上に作製された抵抗加熱式のヒータと、
    前記基板上に前記ヒータに並べて作製された温度計測器と、
    前記基板、前記ヒータ及び前記温度計測器の上に積層されたシリコン酸化膜と、
    前記シリコン酸化膜上に重ねられたカバー部材と、
    前記シリコン酸化膜における前記ヒータ及び前記温度計測器と重なる領域に形成されたナノ流路と、
    を有する生体分子熱変性装置。
  2. 前記ナノ流路の長さ方向及び幅方向には、複数の柱状部が夫々配列されている請求項１に記載の生体分子熱変性装置。
  3. 前記ヒータと前記温度計測器は、前記ナノ流路の幅方向に並べられている請求項１又は請求項２に記載の生体分子熱変性装置。
  4. 前記ヒータと前記温度計測器は、前記ナノ流路の長さ方向に並べられている請求項１又は請求項２に記載の生体分子熱変性装置。
  5. 低熱伝導性の基板上に、抵抗加熱式のヒータを作製する工程と、
    前記基板上に前記ヒータに並べて温度計測器を作製する工程と、
    基板、前記ヒータ及び前記温度計測器の上に、シリコン酸化膜を積層する工程と、
    前記シリコン酸化膜における前記ヒータ及び前記温度計測器と重なる領域に、ナノ流路を形成する工程と、
    前記シリコン酸化膜上にカバー部材を重ねる工程と、
    を有する生体分子熱変性装置の製造方法。
  6. 前記ナノ流路の長さ方向及び幅方向に配列された複数の柱状部を作製する工程を更に有する請求項５に記載の生体分子熱変性装置の製造方法。
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