JP3877564B2 - 電気泳動チップとその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極微量の液体試料中の成分を検出する場合に利用される電気泳動用チップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、『science, Vol.261, P.895-897 (1993)』に記載されているように、ガラス（例えば、パイレックス（Corning Glass Works社（米国）の登録商標）ガラス）基板を材料とした電気泳動部材上に液体試料を導入するための流路と液体試料を分離するための流路を、半導体製造技術を基盤とするマイクロマシニング技術を用いて形成した電気泳動装置が開発されている。この電気泳動装置で用いる電気泳動部材を電気泳動チップと呼ぶ。電気泳動チップを用いた電気泳動装置は、従来のキャピラリー電気泳動装置と比較して、高速分析が可能、溶媒消費量が極めて少ない、必要とするサンプルが極微量、装置の小型化が可能などの利点を有する。
【０００３】
これらの特徴は、分析化学の分野において従来の分析装置では実現が困難であった、現場（オンサイト又はベッドサイド）分析を可能とするものとして、またＤＮＡ（デオキシリボ核酸）分析などの分野に対しては高速分析による多検体処理が可能なものとして、また創薬分野などのハイスループットスクリーニングに有利なものとして有望視されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、電気泳動チップを用いた電気泳動は、高速処理が可能な有効な分析手法ではあるが、電気泳動チップは従来のキャピラリーと比較して以下の製造上の違いがある。すなわち
（１）材料として平板状のガラス基板を用いること、
（２）製造工程が複雑であり、多数の工程を通して作製されること、
である。
【０００５】
（１）については選択できる基板により、また（２）については製造上必要な処理を実施することにより、結果として得られる内面のシラノール基濃度、すなわちＯＨ基濃度が決まってしまうため、工程上のばらつき等によりＯＨ基濃度がばらつくことになる。
【０００６】
電気泳動分析では電気浸透流が大きく影響するが、電気浸透流は流路内面のＯＨ基濃度と強い相関をもっている。電気泳動チップを用いた電気泳動では、電気泳動チップの流路内面のＯＨ基濃度がばらつく結果、電気浸透流速がばらつき、分析結果に影響を与えてしまうことになる。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、分析再現性に優れた電気泳動チップを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的のため電気泳動チップ作製に用いる材料基板のＯＨ基濃度を制御し、また電気泳動チップ作製工程中又は工程後にＯＨ基濃度を制御する操作を行なう。
本発明の電気泳動チップは、液体試料を導入するための試料導入口、導入された液体試料の流路、及び液体試料を排出する試料排出口が設けられたガラス製電気泳動チップであって、流路内面のシラノール基含有量が熱処理により所定の濃度（０を除く）になるように制御されていることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の製造方法は、電気泳動チップ流路内面のシラノール基含有量を制御するために、この電気泳動チップのガラス材料を熱処理したときのＯＨ基拡散係数及び濃度分布情報を用い、流路内面のシラノール基含有量が所望の濃度になるように熱処理条件を制御する電気泳動チップの製造方法である。
【０００９】
【作用】
電気泳動チップのガラス材料基板作製時の熱処理により、基板内のＯＨ基が外方拡散し、表面濃度が定まる。このときの熱処理条件（温度・時間）を制御することにより、拡散係数及び拡散時間が決まり、基板中のＯＨ基濃度が制御される。また、電気泳動チップ作製時及び作製後の熱処理によっても同様に制御される。
電気泳動分析においては、それぞれの分析毎に様々なＯＨ基濃度の要求仕様があるため、そのような要求仕様に応えて所定のＯＨ基濃度を有する電気泳動チップを供給できる本発明は非常に有意義である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の電気泳動チップの一実施例である。（Ａ）は平面図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ線位置での断面図、（Ｃ）はそのＢ−Ｂ線位置での断面図である。
本図において１，２はガラス基板、例えば合成石英基板である。ガラス基板１，２として合成石英基板を用いると、ＯＨ基濃度の制御が容易になる。ガラス基板１の片面には、数１００μｍ以下の幅、深さを持ち液体試料用流路として用いる微小な流路溝８が形成されている。一方、ガラス基板２には試料導入又は排出のための穴３が形成されている。両基板１，２の接合すべき面を向かい合わせて密着させ、後で説明するフッ酸溶液による接合などの手段で気密に接合することで内部に液体試料用の流路溝８が形成されている。このような構成の電気泳動チップにおいて、液体試料用の微小な流路溝８の一部を測定室８ａとして使用すれば、十分に微小な体積の測定室８ａを実現できる。測定室８ａの部分には検出光４が照射され測定が行なわれる。
【００１１】
流路８の内面表面には通常ＯＨ基が存在し、その濃度によって流路内壁−溶液間の電位差、ひいては電気浸透流の大きさが定まる。その電気浸透流の大きさＶｅｏは下記の式（１）によって定まる。
Ｖｅｏ＝−（εζ／η）Ｅ （１）
（ここで、ε：泳動液の誘電率、η：泳動液の粘性率、ζ：流路内璧−溶液間の電位差（ゼータ電位））
【００１２】
次に、上述した電気泳動チップを作製するプロセスについて図２により説明する（Trans. IEE Japan, Vol.119-E, No.10, Oct., 1999 「電気泳動用石英ガラス製マイクロチップの開発」参照）。
【００１３】
まず、図２（ａ）に示したように、合成石英製のガラス基板１を洗浄した後、薄膜形成装置（例えばスパッタ成膜装置）にてエッチング保護膜５、例えば膜厚３０００Åのシリコン（Ｓｉ）薄膜を形成する。さらにその上に、エッチング保護膜５をパターニングするためのフォトレジスト６、例えばＡＺ４６２０（Clariant社製）を３０００ｒｐｍ、４０秒間の条件にてスピンコートする。使用するフォトレジスト６の材質及び厚みは特に限定されるものではなく、後のエッチング工程における溶液に耐える材質及び厚みであればよい。また、エッチング保護膜５の材料及び厚みも特に限定されるものではなく、後のガラス基板１のエッチング工程における溶液に耐える材質及び厚みであればよい。
【００１４】
次いで、図２（ｂ）に示したように、フォトマスク７を用いてフォトレジスト６を露光し、続いて現像してフォトレジスト６をパターニングする。ここで、フォトレジスト６の露光は、一般に半導体製造に用いられているアライナを用いて行なうことができる。露光後のフォトレジスト６を現像する現像液は、用いるフォトレジストを現像するために使用されているものであれば、特に限定されるものではない。
【００１５】
続いて、図２（ｃ）に示したように、ＳＦ₆ガス中での高周波プラズマを用いたドライエッチングにより、フォトレジスト６のパターンをマスクとしてエッチング保護膜５をパターニングする。ここで、エッチングガスは特に限定されるものではなく、シリコンが問題なくエッチングされるガスであればよい。
【００１６】
さらに、図２（ｄ）に示したように、パターニングされたエッチング保護膜５及びフォトレジスト６をマスクとして、石英ガラス基板１を例えば４６％フッ酸水溶液にてエッチングして試料用流路溝８を形成する。ここで、石英ガラス基板１のエッチング液は特に限定されるものでなく、石英ガラスが問題なくエッチングされる溶液であればよい。
【００１７】
続いて、図２（ｅ）に示したように、フォトレジスト６を完全に除去した後、エッチング保護膜５をエッチング除去する。
【００１８】
一方、他方のガラス基板２に対しては、図２（ｆ）に示したように、例えばサンドブラスト等の加工により液体試料導入又は排出のための貫通穴３を形成しておく。
【００１９】
最後に、（ａ）〜（ｅ）の工程により試料用の流路溝８を形成したガラス基板１と工程（ｆ）により貫通穴３を形成したガラス基板２を重ね合わせ、例えば１％のフッ酸水溶液を界面に介在させ、必要に応じて１ＭＰａ程度の荷重を印加しつつ、室温で２４時間放置することで、ガラス基板１と２を接着させて電気泳動チップ（ｇ）を完成する。
【００２０】
次に、熱処理によるＯＨ基濃度制御について記述する。
まず、電気泳動チップに用いる合成石英基板は、製造時の熱処理によって基板内及び表面のＯＨ基濃度が制御される。このためには、
（１）熱処理条件を変化させ、ＯＨ基分布を実験的に求めることによって拡散係数を知る、
（２）（１）で求めた拡散係数の値を用いて、計算によって所望の表面ＯＨ基濃度を得るための条件を求める。
【００２１】
（２）の計算には拡散現象を記述するのに良く知られた、Fickの拡散方程式（（２）式）を用いる。
∂Ｃ／∂ｔ＝Ｄ（∂²Ｃ／∂ｘ²） （２）
（ここで、Ｃ：ＯＨ基の濃度、Ｄ：拡散係数、ｘ：距離、ｔ：時間）
【００２２】
加工時（図２における工程（ａ））、及び加工後（図２における工程（ｇ）後）の熱処理についても同様であり、この場合も複数段の熱処理の結果として所望の表面ＯＨ基濃度を得るための熱処理条件を求めることは容易である。
【００２３】
図３に計算例を示す。サンプルは厚さが２５０μｍの合成石英基板で、ＯＨ基濃度は基板の厚さ方向に対して均一で、５０ｐｐｍとする。上記の（１）に示したように熱処理条件を変化させてＯＨ基分布を実験的に求め、拡散係数を求めると、１１００℃での熱処理におけるＯＨ基の拡散係数は１×１０^-9ｃｍ²／secであった。この合成石英基板に１１００℃、３時間の熱処理を施すと、熱処理前には基板の厚さ方向に対して均一に５０ｐｐｍの濃度で存在したＯＨ基が、その熱処理中の表面からの外方拡散により、熱処理後には表面濃度２ｐｐｍの濃度分布を持つようになる。
【００２４】
図４に図１に示した本電気泳動チップを用いた光学測定装置の一例を示す。電気泳動チップは流路溝８の測定室８ａ部分の表面側に検出光を入射させるための入射窓、裏面側に検出光を出射させるための出射窓を形成し、その他の部分からは外乱光の侵入を防ぐために、入射窓と出射窓を除いてその表面と裏面が遮光膜で被われている。
【００２５】
図４において、２１は重水素ランプ、タングステンランプ及び分光器が内蔵されて所定の波長の光を送り出す紫外可視光源、２２はフォトダイオードアレイ検出器を使用した測光光学系を有する光検出器であり、いずれも紫外可視測定に一般的に用いられるものである。２３はステージであり、検出計セル２０としてこの電気泳動チップを位置決めできる凹部２４が設けられている。そして、検出計セル２０をこの凹部２４に挿入することにより、ステージ２３に形成された入口流路２５と検出計セル２０の試料導入口２６とが密着でき、ステージ２３に形成された出口流路２７と検出計セル２０の試料排出口２８とが密着できるようになっている。さらに、光源２１からの光が検出計セル２０の入射窓から入射でき、出射窓からの光が光検出器２２に入射して受光されるようになっている。これにより、ステージ２３の凹部２４に検出計セル２０としてこの電気泳動チップをセットすれば、光学測定が可能になる。
【００２６】
この電気泳動チップはフォトファブリケーション技術にて高精度に形成した幅、深さともに微小で流路断面積が分離キャピラリーカラムとほぼ同程度な流路を測定室として使用するため、分離能力を損なわない程度に微小な体積の測定室を実現できる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の電気泳動チップ及びその製造方法によれば、流路内面のＯＨ基濃度を制御することにより、電気浸透流が制御され、分析のばらつきを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である電気泳動チップの構成図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ線位置での断面図、（Ｃ）はそのＢ−Ｂ線位置での断面図である。
【図２】図１の電気泳動チップの製造方法を示す工程断面図である。
【図３】合成石英基板における熱処理前後のＯＨ基濃度深さ方向分布の例である。
【図４】一実施例の電気泳動チップを検出計セルとして用いて測定をする光学装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１，２ ガラス基板
３ 試料導入又は排出のための穴
４ 検出光
８ 流路溝
８ａ 測定室

Claims (5)

1. 液体試料を導入するための試料導入口、導入された液体試料の流路、及び液体試料を排出する試料排出口が設けられたガラス製電気泳動チップであって、
   流路内面のシラノール基含有量が熱処理により所定の濃度（０を除く）になるように制御されていることを特徴とする電気泳動チップ。
2. 前記ガラスが合成石英ガラスである請求項１に記載の電気泳動チップ。
3. 液体試料を導入するための試料導入口、導入された液体試料の流路、及び液体試料を排出する試料排出口が設けられたガラス製電気泳動チップを製造する方法であって、
   この電気泳動チップのガラス材料を熱処理したときのＯＨ基拡散係数及び濃度分布情報を用い、流路内面のシラノール基含有量が所望の濃度になるように熱処理条件を制御する電気泳動チップの製造方法。
4. 前記ガラス材料として合成石英ガラスを使用し、その材料の製造時にシラノール基含有量を制御する請求項３に記載の電気泳動チップの製造方法。
5. チップ作製時の熱処理もしくは作製後の熱処理又はそれらの組合わせによりシラノール基含有量を制御する請求項３又は４に記載の電気泳動チップの製造方法。

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