JP3984557B2 - 電気泳動デバイス - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多数の柱状突起が設けられた柱状構造体と、この柱状構造体を有する電気泳動デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、バイオテクノロジーの一分野であるＤＮＡ、ＲＮＡ等の解析技術や分離技術が注目されている。従来、ＤＮＡ分離手段として、網目状のゲルやポリマーを用いた電気泳動法が知られている。
最近では、半導体製造プロセスを利用して、シリコン基板上に微細な柱が林立している柱状構造体を設け、これをゲルやポリマーの代わりに用いる技術が報告されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−２１１２３２号公報（第４、５頁、図７、８）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
柱状構造体を特に電気泳動デバイスのフィルタとして用いる場合は、試料の目詰まりや柱の欠損が生じると、新品に交換する必要がある。すなわち、消耗品という観点からは、多量生産でき、安価であることが要求される。
従来のシリコン製の柱状構造体は、レジストのパターニング、エッチング、酸化等の多数の工程を用いて製作されるために、製造コストが高いという問題がある。
【０００５】
本発明は、安価な柱状構造体および電気泳動デバイスを提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）請求項１の電気泳動デバイスは、多数の柱状突起を有する樹脂製柱状構造体と、樹脂製柱状構造体と一体的に形成された樹脂製基板と、樹脂製基板に設けられ、樹脂製柱状構造体を含んで形成された微小流路と、樹脂製基板に設けられ、分離前の試料が充填される第１リザーバと、樹脂製基板に設けられ、分離された試料が回収される第２リザーバと、微小流路を上流から下流に移動する試料に電界を印加して試料を第２リザーバに回収する回収手段とを備え、試料の移動方向と直交する方向における多数の柱状突起間の間隙を、上流側が広く、下流側が狭くなるように異ならせたことを特徴とする。
【０００７】
（２）請求項２の電気泳動デバイスは、多数の柱状突起を有する樹脂製柱状構造体と、樹脂製柱状構造体と一体的に形成された樹脂製基板と、樹脂製基板に設けられ、樹脂製柱状構造体を含んで形成された微小流路と、樹脂製基板に設けられ、分離前の試料が充填される第１リザーバと、樹脂製基板に設けられ、分離された試料が回収される第２リザーバと、微小流路を上流から下流に移動する試料に電界を印加して試料を第２リザーバに回収する回収手段とを備え、柱状突起の径がその高さ方向で変化していることを特徴とする。
【０００８】
（３）請求項３の発明は、請求項１または２に記載の電気泳動デバイスにおいて、樹脂製柱状構造体は、フォトリソグラフィによりシリコン基板に多数の柱状突起を形成し、その柱状突起の表面を熱酸化させ、酸化された柱状突起の表面に多結晶シリコンを成膜して成る柱状構造体を母型として製作し、母型に電気メッキまたは無電解メッキにより金属を堆積させ、堆積後に母型を溶解除去して製作した金型を用いて射出成形により形成することを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、請求項１または２に記載の電気泳動デバイスにおいて、樹脂製柱状構造体は、フォトリソグラフィによりシリコン基板に多数の柱状突起を形成し、その柱状突起の表面を熱酸化させ、酸化された柱状突起の表面に多結晶シリコンを成膜し、その多結晶シリコン膜を熱酸化させ、酸化された多結晶シリコン膜上に多結晶シリコンを成膜して成る柱状構造体を母型として製作し、母型に電気メッキまたは無電解メッキにより金属を堆積させ、堆積後に母型を溶解除去して製作した金型を用いて射出成形により形成することを特徴とする。
（５）請求項５の発明は、請求項１または２に記載の電気泳動デバイスにおいて、樹脂製柱状構造体は、フォトリソグラフィによりシリコン基板に多数の柱状突起を形成し、その柱状突起の表面に多結晶シリコンを成膜して成る柱状構造体を母型として製作し、母型に電気メッキまたは無電解メッキにより金属を堆積させ、堆積後に母型を溶解除去して製作した金型を用いて射出成形により形成することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による柱状構造体および電気泳動デバイスについて、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）−柱状構造体−
図１は、本発明の第１の実施の形態による柱状構造体の構造を模式的に示す部分斜視図である。図中、手前のＡ面は、柱状構造体１の切断面である。
【００１０】
柱状構造体１は、プラスチック基板２と柱状突起（ピラー）３から構成され、Ａ面にて示されるように、プラスチック基板２とピラー３とは一体構造である。多数のピラー３が配列されて成るピラーアレイ（pillar array）４は、プラスチック基板２の凹部５全体に林立している。但し、ピラーアレイ４の状態を見易くするために、凹部５の中間部分にあるピラーアレイについては、図示が省略されている。
【００１１】
ピラー３の高さは、通常、凹部５の深さに等しい。また、ピラー３の配列ピッチおよびピラー３同士の間隙は、いずれも一定である場合が多いが、後述するように、場所によって異なっていてもよい。
【００１２】
先ず、プラスチック製の柱状構造体１の製造工程について説明する。製造工程は、金型の製造工程との柱状構造体１の製造工程に大別される。
図２は、金型の製造工程を説明するための部分断面図である。但し、ピラーアレイ１４の中間部分に存在するピラー１３は、図示を省略されている。
【００１３】
図２（ａ）は、柱状構造体１を製作するための母型１１を示す。母型１１は、例えば公知のマイクロマシーニングを用いてシリコン材料から製作されたものである。シリコン基板１２上には、多数のピラー１３からなるピラーアレイ１４が形成されている。母型１１の構造、製造工程については後に詳述する。
図２（ｂ）は、母型１１の表面に下地膜２１が成膜された状態を示す。下地金属としてＴｉおよびＰｄを用い、下地膜２１は、スパッタリング法により連続して成膜される。Ｔｉ、Ｐｄの膜厚は、それぞれ１００ｎｍ、２０ｎｍと非常に薄い。
【００１４】
図２（ｃ）は、下地膜２１の導電性を利用して、電気メッキ法により、下地膜２１の上にＮｉ材２２を厚く析出させて製作した金型２０を示す。メッキ液の組成は、スルファミン酸ニッケル（Ｎｉ(ＮＨ２ＳＯ３)・４Ｈ２Ｏ）約１．４Ｍと臭化ニッケル(ＮｉＢｒ２)約０．０１４Ｍとホウ酸(Ｈ３ＢＯ３)約０．５Ｍの混合液に界面活性剤（ピット防止剤）等を適量加えたものである。処理条件は、液温５０℃、電流密度０．１Ａ／ｄｍ２であり、Ｎｉの析出速度約１．２μｍ／ｈｒを考慮して処理時間が設定されている。
【００１５】
また、Ｎｉ材２２を析出させて金型２０を製作する手法として、無電解メッキ法を用いることもできる。この方法は、電界をかけずに析出物を析出させるので、母型の形状に依存する電界集中とは無縁であり、ピラー３同士の間隙にも均一にＮｉが析出するという長所がある。
無電解メッキの場合、メッキ液の組成は、硫酸ニッケル(ＮｉＳＯ４)・６Ｈ２Ｏ約０．１Ｍと次亜リン酸ナトリウム（ＮａＨ２ＰＯ２)・Ｈ２Ｏ）約０．２Ｍと有機酸塩等の混合液である。処理条件は、液温６０℃からスタートし、約1時間で９０℃まで昇温し、その後９０℃を維持する。Ｎｉの析出速度約１２μｍ／ｈｒを考慮して処理時間が設定されている。
【００１６】
図２（ｄ）は、図２（ｃ）に示されたシリコン製の母型１１を溶解除去して、金型２０のみが残された状態を示す。母型１１を溶解するエッチング液としては、濃度１５％のＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）水溶液が用いられる。処理条件は、液温８０℃のＴＭＡＨ水溶液に浸漬し、溶解速度（エッチング速度）３０〜４０μｍ／ｈｒを考慮して処理時間が設定されている。
なお、エッチング液としては、ＫＯＨ（水酸化カリウム）水溶液を用いることもできる。
【００１７】
このようにして製作された金型２０を用いて、柱状構造体１の成型を行う。
溶融または流動状態にあるプラスチック材料の成型加工法としては、射出成型、圧縮成型、押出成型、紫外線硬化等がある。特に射出成型は、他の成型法と比べて、複雑形状を有する高精度部品の加工に適しており、部品の寸法安定性にも優れている。また、現在の射出成型機は、生産の自動化がなされており、多量生産が可能である。
【００１８】
射出成型に用いられる樹脂材料には、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＡＢＳ樹脂、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の熱可塑性樹脂、およびフェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂がある。
【００１９】
本実施の形態の柱状構造体１は、市販の射出成型機を用いて、１７０〜２７０℃に加熱されたＰＭＭＡを５×１０７Ｐａの射出圧力で５０℃に保温されている金型２０のキャビティに射出することによって製作される。柱状構造体１は、射出後に所定時間保温され、冷却された後に金型から取り出される。この簡単な操作で、柱状構造体１が製作される。柱状構造体１は、もちろん母型１１と同一形状である。１個の金型２０から成型できる柱状構造体１の個数（すなわち金型の寿命）は、主としてピラー３の径に依存するが、１００〜１０００個である。
【００２０】
続いて、図３，４を参照して、母型１１、すなわち柱状構造体１１の構造と製作工程を説明する。
図３は、本発明の第１の実施の形態による柱状構造体を製作するための母型の構造を模式的に示す部分斜視図である。図４は、図３の母型の製作工程を示す部分断面図である。
【００２１】
図３において、母型１１、すなわち柱状構造体１１は、シリコン基板１２と柱状突起１３から構成され、シリコン基板１２とピラー１３とは一体構造である。多数のピラー３が配列されて成るピラーアレイ１４は、シリコン基板１２の凹部１５に形成されている。ピラー１３の高さは、通常、凹部１５の深さに等しい。また、ピラー１３の配列ピッチおよびピラー１３同士の間隙は、いずれも一定である場合が多いが、後述するように、場所によって異なっていてもよい。
【００２２】
材質上の観点からは、シリコン基板１２は、内部から表面に向かって、シリコン母材１２ｂ、シリコン酸化物層１１１、多結晶シリコン膜１１２の順に構成されている。ピラー１３は、内部がシリコン酸化物層１１１になっており、その外側に多結晶シリコン膜１１２が形成された材質構成である。しかし、ピラー１３が太い場合には、シリコン基板１２と同じように、中心部にシリコンが存在する材質構成になることもある。いずれにしろ、基板表面１２ａ、凹部１５の底面、凹部１５の側面およびピラー１３の表面１３ａは、いずれも多結晶シリコン膜１１２になっている。
【００２３】
ここで、図４を参照しながら柱状構造体１１の製作工程を説明する。図４は、柱状構造体の製作手順を説明するための部分断面図であり、各ピラーの中心軸を通る面で切断した図である。製作工程は、（ａ）から（ｆ）まで順に進む。ピラー１３は、工程が進むにつれて材質と体積が変化してゆくので、各工程でのピラーは、１３ｂ〜１３ｆの符号で表す。
【００２４】
図４（ａ）は、シリコン基板１２上に塗布されたフォトレジスト膜１００にピラーアレイ１４となる形状をパターニングしたときの状態を示す。
図４（ｂ）は、ＩＣＰ−ＲＩＥ（inductively coupled plasma - reactive ion etching）により、シリコン基板１２をエッチングしたときのピラーの状態を示す。例えば、エッチング深さを１０μｍとした場合、各ピラー１３ｂの径は２μｍであり、各ピラー１３ｂの高さは１０μｍであり、ピラー１３ｂ同士の間隔、すなわち配列ピッチは４μｍである。
【００２５】
ＩＣＰ−ＲＩＥは、０．０５〜１Ｐａの比較的低い圧力下で、高密度プラズマ中のプロセスガスのイオンと試料表面との化学反応を利用して試料をエッチングするものであり、異方性の高いエッチング加工ができる。プロセスガスとしては、ＣＣｌ２Ｆ２あるいはＣＦ４等の酸化性ガスが用いられる。
【００２６】
図４（ｃ）は、熱酸化により、シリコン酸化物層１１１が形成されたピラー１３ｃの状態を示す。熱酸化には、Ｏ２ガスを用いたドライ酸化、水蒸気またはＨ２Ｏ＋Ｏ２混合ガスを用いたスチーム酸化等がある。１０５０℃で１０時間の熱酸化を行うと、シリコン酸化物は２μｍの厚さとなるので、ピラー１３ｃはすべてシリコン酸化物となり，体積膨張が生ずる。なお、熱酸化以外の酸化法、例えばＯ２ガスをイオン化するプラズマ酸化やエチレングリコール液を用いた陽極酸化によりシリコン酸化物を形成してもよい。また、例えば、酸化物のターゲットにＡｒイオンを照射するスパッタリング法を用いて、ピラー１３ｂに酸化物を堆積させてもよい。
【００２７】
図４（ｄ）は、ＬＰＣＶＤ（low pressure chemical vapor deposition）により、多結晶シリコン膜１１２ａを２００ｎｍ堆積させたピラー１３ｄの状態を示す。
ＬＰＣＶＤは、１０〜１０３Ｐａの減圧下で試料を加熱し、熱エネルギーによる気相化学反応で試料表面に膜を生成させる成膜方法である。この方法は、膜の着き回りに優れ、均一な膜厚が得られるという長所がある。多結晶シリコンの成膜では、プロセスガスとしてＳｉＣｌ４＋Ｈ２あるいはＳｉＨ４が用いられる。
【００２８】
図４（ｅ）は、１０５０℃で２時間の再度の熱酸化により、多結晶シリコン膜１１２ａが酸化されてシリコン酸化物層１１１が追加して形成されたピラー１３ｅの状態を示す。
【００２９】
図４（ｆ）は、図４（ｅ）のピラー１３ｅの表面に多結晶シリコン膜１１２を５０ｎｍ堆積させたピラー１３ｆの状態を示す。この状態は、図３に示したものと同じ状態である。
【００３０】
次に、ピラー１３同士の間隙の調整について説明する。間隙は、ピラー１３の熱酸化による体積膨張を制御することと多結晶シリコン膜１１２および１１２ａの成膜時の膜厚を制御することで正確に調整される。
熱酸化の理論によると、シリコン酸化物の体積の４４％が酸化前のシリコンの体積に相当する。従って、熱酸化後のピラー１３ｃの半径をＲｃ、熱酸化前のピラー１３ｂの半径をＲｂとすると、式１の関係がある。
【数１】
Ｒｃ３＝Ｒｂ３／０．４４・・・（１）
しかし、熱酸化の実験によると、式２の関係が成り立つので、本実施の形態では、式２を用いる。
【数２】
Ｒｃ３＝Ｒｂ３／０．５５・・・（２）
【００３１】
多結晶シリコン膜を熱酸化させた場合は、多結晶シリコン膜が極めて薄いので、式１に関して平面的な近似が成り立つ。すなわち、多結晶シリコン膜の熱酸化前の膜厚をｔ１、熱酸化後の膜厚をｔ２とすると、式３の関係が成り立つ。式３は、実験値に適合することが確認されている。
【数３】
ｔ２＝ｔ１／０．４４・・・（３）
【００３２】
式２および式３を熱酸化条件の設定に適用すれば、ピラー３の体積膨張量を制御することができる。また、ＬＰＣＶＤを用いた多結晶シリコンの膜厚を制御することによっても、ピラー１３の径の増加量を制御することができる。ＬＰＣＶＤを用いた多結晶シリコンの成膜においては、１ｎｍの精度で膜厚を制御できるので、ピラー３同士の間隙も１ｎｍの精度で制御できる。
【００３３】
例えば、図４（ｂ）、（ｃ）において、ピラー３ｂの径は２μｍであるから、完全に熱酸化を行えば、式２から、ピラー１３ｃの径は２．４４μｍとなる。また、図４（ｄ）、（ｅ）において、多結晶シリコン膜１１２ａを２００ｎｍ堆積したピラー１３ｄの径は２．８４μｍとなり、完全に熱酸化を行えば、式３から、ピラー１３ｅの径は３．３５μｍとなる。２００ｎｍ厚の多結晶シリコン膜１１２ａは、１０５０℃×１．５時間の熱酸化条件で完全に酸化することができるが、実際には完全酸化を期するために、１０５０℃×２時間の熱酸化条件を選択している。
【００３４】
しかし、多結晶シリコン膜を一度に厚く成膜すると、膜厚制御の精度が低下する。また、熱酸化の際に、膜の内部ほど酸化速度は低下する。従って、多結晶シリコン膜を比較的薄く成膜して熱酸化を行う方が、膜厚精度も向上し、酸化速度も大きくなる。多結晶シリコンの成膜と熱酸化を繰り返すことによって、ピラー１３同士の間隙Ｇの精度も向上し、処理全体としての効率も上がる。
【００３５】
図４（ｄ）と（ｅ）の工程を繰り返して行うことにより、例えば、２回目として、８０ｎｍ厚の多結晶シリコン膜を形成した後に完全酸化を施せば、ピラー１３ｅの径は３．３５μｍから３．７１μｍに増える。（ｂ）の工程で、ピラー１３ｂの配列ピッチは４μｍであるから、ピラー１３ｅ同士の間隙は、０．２９μｍとなる。
【００３６】
図４（ｆ）の工程において、ピラー１３ｆの最表面には多結晶シリコン膜１１２が成膜される。この多結晶シリコン膜１１２には熱酸化を施さない。例えば、多結晶シリコン膜１１２の厚さを５０ｎｍとすると、ピラー１３ｆの径は３．８１μｍとなり、ピラー１３ｆ同士の間隙Ｇは、０．１９μｍとなる。
【００３７】
上述のような製造方法を用いて柱状構造体１１を作製することにより、最終的なピラー１３同士の間隙Ｇを１ｎｍの精度で形成することができる。
【００３８】
なお、上述の製作工程を簡略化して、図４（ｄ）の工程で完了としてもよい。また、ピラー１３同士の間隙Ｇの精度を厳しく問われない場合には、図４（ｃ）の工程で完了としてもよい。また、図４（ｃ）〜（ｅ）の工程を省略して、図４（ｂ）の無酸化のピラー１３ｂに直接に多結晶シリコン膜１１２を成膜して完了としてもよい。これらの簡略化された製作プロセスでは、母型１１の製作費は低下するが、反面、簡略化に応じて、金型２０の寸法精度はラフになり、柱状構造体１のピラー３同士の間隙精度もラフになる。
【００３９】
（第２の実施の形態）−電気泳動デバイス−
図５は、本発明の第２の実施の形態による電気泳動デバイスの全体構成を模式的に示す平面図である。以下、柱状構造体１Ａの各構成要素の符号は、図１の柱状構造体１のものを用いる。
図６は、本発明の第２の実施の形態による電気泳動デバイスの微小流路を模式的に示す部分透視図である。図６においては、凹部５内に林立しているピラーアレイ４は図示を省略されている。
【００４０】
図５に示されるように、柱状構造体１Ａ、リザーバー３１〜３４、チャンネル３５，３６および電極３７ａ，３７ｂ，３８ａ，３８ｂは、プラスチック基板２Ａに設けられている。電気泳動デバイス３０は、プラスチック基板２Ａと透明基板４０とが貼り合わされて構成される。柱状構造体１Ａ、リザーバー３１〜３４およびチャンネル３５，３６は、同時に、第１実施の形態の柱状構造体１と同一の製造方法で、プラスチック基板２Ａと一体に形成される。
図５は、透明基板４０を透してプラスチック基板２Ａを見た図に相当する。透明基板としては、厚さ５０〜５００μｍのＰＭＭＡ、ＰＣ、ＰＥＴ等のシートまたはフィルムが用いられる。
【００４１】
４個のリザーバー３１〜３４は、外部から供給されたＤＮＡ分子、ＲＮＡ分子等のサンプルを貯蔵したり、電気泳動により分離されたサンプルを回収するための窪みである。チャンネル３５と３６は、例えば５０μｍの幅を有し、交差部分Ｃで互いに連通している溝である。チャンネル３５は、リザーバー３２と３４に接続され、チャンネル３６は、リザーバー３１と３３に接続されている。
【００４２】
柱状構造体１Ａは、電気泳動デバイス３０のチャンネル３６の一部分を構成している。柱状構造体１Ａは、交差部分Ｃからリザーバー３３寄りに０．１〜０．３ｍｍ程度離れた箇所に配設される。柱状構造体１Ａのチャンネルに沿った長さは、ＤＮＡ分子等を分離できる泳動距離に基づいて設定され、例えば０．３〜５０ｍｍの範囲である。
【００４３】
電極３７ａ，３７ｂ，３８ａ，３８ｂは、プラスチック基板２Ａ上にＡｕ，Ｐｔ等の導電膜を蒸着あるいはスパッタリングを用いて形成される。プラスチック基板２Ａは、絶縁体なので、直接に電極を形成し電界を印加しても、プラスチック基板２Ａの表面を流れる電流による電圧降下やショート等の問題は生じない。
【００４４】
電極３７ａはリザーバー３２の近傍に、電極３７ｂはリザーバー３４の近傍に配置されている。また、電極３８ａはリザーバー３１の近傍に、電極３８ｂはリザーバー３３の近傍に配置されている。
図５では、電極３７ａ，３７ｂは、それぞれ直流電源３７ｃの負極、正極に接続される。また、電極３８ａ，３８ｂは、それぞれ直流電源３８ｃの負極、正極に接続される。但し、後述するように、電気泳動処理を行うときには、負極は接地、正極も随時接地に切り替えられる。
【００４５】
プラスチック基板２Ａは、柱状構造体１Ａ、リザーバー３１〜３４、チャンネル３５，３６および電極３７ａ，３７ｂ，３８ａ，３８ｂが設けられた後に、シリコーンゴムを介して圧着によって透明基板４０と貼り合わされる。
【００４６】
プラスチック基板２Ａの表面２ａおよび各々のピラー３の頭部３ａは、透明基板４０と強固に接合される。図６に示されるように、柱状構造体１Ａの凹部５は、透明基板４０により上部が閉塞され、矢印方向に延在するトンネル状の微小流路１０が形成される。
微小流路１０にＤＮＡ分子、ＲＮＡ分子等のサンプルを流したときに、これらが外部に漏れる恐れはない。同様に、図５に示されるリザーバー２１〜２４およびチャンネル２５，２６からサンプルが外部に漏れる恐れもない。
【００４７】
他の貼り合わせ法としては、透明なシアノアクリレート系接着剤や紫外線硬化型接着剤を介して接着する方法がある。
なお、貼り合わせの前に、透明基板４０には、リザーバー３１〜３４にそれぞれ連通するように位置決めされた４つの貫通孔（不図示）が形成される。貫通孔の径は、１〜３ｍｍである。貫通孔の形成には、プレス抜き加工、超音波加工等が用いられる。
【００４８】
このようにして、安価で多量生産可能なａｌｌ ｐｌａｓｔｉｃ製の電気泳動デバイス３０が完成する。
なお、透明基板４０は、プラスチック製でなくともよい。例えば、透明基板４０をガラス、石英等の透明な無機材料で作り、接着剤を介してプラスチック基板２Ａと貼り合わせてもよい。
【００４９】
次に、図５を参照しながら、本実施の形態の電気泳動デバイス３０を用いてＤＮＡを分離する手順を説明する。
分析用バッファー液が電気泳動デバイス３０内に注入された後、蛍光試薬で染色されたＤＮＡサンプルは、リザーバー３２に供給される。ＤＮＡサンプルは、各種の分子サイズを有する混合サンプルである。電極３７ｂを正極として電圧が印加される。このとき、電極３７ａ，３８ａ，３８ｂは接地されている。ＤＮＡ分子はマイナスに帯電しているので、チャンネル３５内を紙面上で下から上に向って移動する。
【００５０】
ＤＮＡサンプルが交差部分Ｃに移動してきたときに、電極３８ｂを正極として電圧が印加される。このとき、電極３７ａ，３７ｂ，３８ａが接地されている。ＤＮＡサンプルは、向きを変えてチャンネル３６内を紙面上で右から左に向って移動し、微小流路１０内を通過していき、リザーバー３３で回収される。
【００５１】
ＤＮＡサンプルが微小流路１０内を通過する様子は、蛍光顕微鏡により、透明基板４０を透して観察することができる。蛍光顕微鏡の対物レンズは、その光軸が透明基板４０の表面と直交するように、微小流路１０の真上にセットされる。透明基板４０の厚さは、５０〜５００μｍであるが、観察倍率が高いときには、焦点深度が短いので、薄い透明基板を用いるのが望ましい。
【００５２】
微小流路１０の長さを１ｍｍ、ピラー同士の間隙を３００ｎｍ、電極２８ａと２８ｂ間の印加電圧を６００Ｖとして、分子サイズ２００ｂｐと３００ｂｐのＤＮＡサンプルを用いて、電気泳動処理を行った。蛍光顕微鏡による観察において、ＤＮＡ分子が微小流路１０内を移動している状態が観察できた。また、２種類のＤＮＡ分子の分離が確認できた。
【００５３】
本実施の形態の電気泳動デバイス３０では、微小流路１０内に林立するピラー同士の間隙は３００ｎｍであったが、本発明はこれのみに限られず、ＤＮＡサンプルの分子サイズに応じて適宜選択することができる。分子サイズが大きい場合は、ピラー同士の間隙を広くし、分子サイズが小さい場合は、ピラー同士の間隙を狭くするのが、短時間で正確な分離を可能にする。ピラー同士の間隙は、母型１１の形状に依存する。
ピラー同士の間隙は、５ｎｍ〜１０μｍの範囲が好適である。生体試料を分離する電気泳動デバイスに柱状構造体を用いる場合、ＤＮＡ、細胞、タンパク質のサイズは、ほぼこの範囲にあるので、どのような生体試料の分離にも対応できる。
【００５４】
また、ピラーアレイ４の配列ピッチは、一定でなくともよい。微小流路１０の上流部分では配列ピッチを大きくし、下流部分では配列ピッチを小さくしてもよい。また、配列ピッチは、連続的に変化するようにしてもよい。分子サイズが広範囲にわたるＤＮＡサンプルに対しては、大きな分子サイズのＤＮＡの目詰まりを防止できるとともに、小さな分子サイズのＤＮＡの分離も正確に行うことができる。ピラーアレイ４の配列ピッチも、母型１１の形状に依存する。
【００５５】
さらに、ピラー３の形状は、ストレートな円柱であったが、ピラーの径が高さ方向に変化するように形成してもよいし、ピラーの形状が部分的に屈曲していてもよい。ピラー同士の間隙が広い部分は、大きな分子サイズのＤＮＡの目詰まりを防止する効果があり、ピラー同士の間隙が狭い部分は、小さな分子サイズのＤＮＡの分離を正確に行うことができる。
ピラー３は、プラスチック製であり、弾性を有するので、射出成型の最終工程の離型作業で破損することはない。
【００５６】
本発明の柱状構造体は、電気泳動デバイスのみならず、微小パーティクルフィルタ等の各種のフィルタにも適用できる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、プラスチック製とすることにより、安価な柱状構造体および電気泳動デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る柱状構造体の構造を模式的に示す部分斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る柱状構造体の製作工程を示す部分断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る柱状構造体の母型を模式的に示す部分斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る柱状構造体の母型の製作工程を示す部分断面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る電気泳動デバイスの全体構成を模式的に示す平面図である。
【図６】本発明の第２実施の形態に係る電気泳動デバイスの構成要素である微小流路を模式的に示す部分透視図である。
【符号の説明】
１，１Ａ：柱状構造体
２，２Ａ：プラスチック基板
３：ピラー（柱状突起）
４：ピラーアレイ
５：凹部
１０：微小流路
１１：母型（柱状構造体）
２０：金型
３０：電気泳動デバイス
３１〜３４：リザーバー
３５，３６：チャンネル
３７ａ，３７ｂ，３８ａ，３８ｂ：電極
４０：透明基板
【発明の属する技術分野】
本発明は、多数の柱状突起が設けられた柱状構造体と、この柱状構造体を有する電気泳動デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、バイオテクノロジーの一分野であるＤＮＡ、ＲＮＡ等の解析技術や分離技術が注目されている。従来、ＤＮＡ分離手段として、網目状のゲルやポリマーを用いた電気泳動法が知られている。
最近では、半導体製造プロセスを利用して、シリコン基板上に微細な柱が林立している柱状構造体を設け、これをゲルやポリマーの代わりに用いる技術が報告されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−２１１２３２号公報（第４、５頁、図７、８）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
柱状構造体を特に電気泳動デバイスのフィルタとして用いる場合は、試料の目詰まりや柱の欠損が生じると、新品に交換する必要がある。すなわち、消耗品という観点からは、多量生産でき、安価であることが要求される。
従来のシリコン製の柱状構造体は、レジストのパターニング、エッチング、酸化等の多数の工程を用いて製作されるために、製造コストが高いという問題がある。
【０００５】
本発明は、安価な柱状構造体および電気泳動デバイスを提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）請求項１の電気泳動デバイスは、多数の柱状突起を有する樹脂製柱状構造体と、樹脂製柱状構造体と一体的に形成された樹脂製基板と、樹脂製基板に設けられ、樹脂製柱状構造体を含んで形成された微小流路と、樹脂製基板に設けられ、分離前の試料が充填される第１リザーバと、樹脂製基板に設けられ、分離された試料が回収される第２リザーバと、微小流路を上流から下流に移動する試料に電界を印加して試料を第２リザーバに回収する回収手段とを備え、試料の移動方向と直交する方向における多数の柱状突起間の間隙を、上流側が広く、下流側が狭くなるように異ならせたことを特徴とする。
【０００７】
（２）請求項２の電気泳動デバイスは、多数の柱状突起を有する樹脂製柱状構造体と、樹脂製柱状構造体と一体的に形成された樹脂製基板と、樹脂製基板に設けられ、樹脂製柱状構造体を含んで形成された微小流路と、樹脂製基板に設けられ、分離前の試料が充填される第１リザーバと、樹脂製基板に設けられ、分離された試料が回収される第２リザーバと、微小流路を上流から下流に移動する試料に電界を印加して試料を第２リザーバに回収する回収手段とを備え、柱状突起の径がその高さ方向で変化していることを特徴とする。
【０００８】
（３）請求項３の発明は、請求項１または２に記載の電気泳動デバイスにおいて、樹脂製柱状構造体は、フォトリソグラフィによりシリコン基板に多数の柱状突起を形成し、その柱状突起の表面を熱酸化させ、酸化された柱状突起の表面に多結晶シリコンを成膜して成る柱状構造体を母型として製作し、母型に電気メッキまたは無電解メッキにより金属を堆積させ、堆積後に母型を溶解除去して製作した金型を用いて射出成形により形成することを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、請求項１または２に記載の電気泳動デバイスにおいて、樹脂製柱状構造体は、フォトリソグラフィによりシリコン基板に多数の柱状突起を形成し、その柱状突起の表面を熱酸化させ、酸化された柱状突起の表面に多結晶シリコンを成膜し、その多結晶シリコン膜を熱酸化させ、酸化された多結晶シリコン膜上に多結晶シリコンを成膜して成る柱状構造体を母型として製作し、母型に電気メッキまたは無電解メッキにより金属を堆積させ、堆積後に母型を溶解除去して製作した金型を用いて射出成形により形成することを特徴とする。
（５）請求項５の発明は、請求項１または２に記載の電気泳動デバイスにおいて、樹脂製柱状構造体は、フォトリソグラフィによりシリコン基板に多数の柱状突起を形成し、その柱状突起の表面に多結晶シリコンを成膜して成る柱状構造体を母型として製作し、母型に電気メッキまたは無電解メッキにより金属を堆積させ、堆積後に母型を溶解除去して製作した金型を用いて射出成形により形成することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による柱状構造体および電気泳動デバイスについて、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）−柱状構造体−
図１は、本発明の第１の実施の形態による柱状構造体の構造を模式的に示す部分斜視図である。図中、手前のＡ面は、柱状構造体１の切断面である。
【００１０】
柱状構造体１は、プラスチック基板２と柱状突起（ピラー）３から構成され、Ａ面にて示されるように、プラスチック基板２とピラー３とは一体構造である。多数のピラー３が配列されて成るピラーアレイ（pillar array）４は、プラスチック基板２の凹部５全体に林立している。但し、ピラーアレイ４の状態を見易くするために、凹部５の中間部分にあるピラーアレイについては、図示が省略されている。
【００１１】
ピラー３の高さは、通常、凹部５の深さに等しい。また、ピラー３の配列ピッチおよびピラー３同士の間隙は、いずれも一定である場合が多いが、後述するように、場所によって異なっていてもよい。
【００１２】
先ず、プラスチック製の柱状構造体１の製造工程について説明する。製造工程は、金型の製造工程との柱状構造体１の製造工程に大別される。
図２は、金型の製造工程を説明するための部分断面図である。但し、ピラーアレイ１４の中間部分に存在するピラー１３は、図示を省略されている。
【００１３】
図２（ａ）は、柱状構造体１を製作するための母型１１を示す。母型１１は、例えば公知のマイクロマシーニングを用いてシリコン材料から製作されたものである。シリコン基板１２上には、多数のピラー１３からなるピラーアレイ１４が形成されている。母型１１の構造、製造工程については後に詳述する。
図２（ｂ）は、母型１１の表面に下地膜２１が成膜された状態を示す。下地金属としてＴｉおよびＰｄを用い、下地膜２１は、スパッタリング法により連続して成膜される。Ｔｉ、Ｐｄの膜厚は、それぞれ１００ｎｍ、２０ｎｍと非常に薄い。
【００１４】
図２（ｃ）は、下地膜２１の導電性を利用して、電気メッキ法により、下地膜２１の上にＮｉ材２２を厚く析出させて製作した金型２０を示す。メッキ液の組成は、スルファミン酸ニッケル（Ｎｉ(ＮＨ２ＳＯ３)・４Ｈ２Ｏ）約１．４Ｍと臭化ニッケル(ＮｉＢｒ２)約０．０１４Ｍとホウ酸(Ｈ３ＢＯ３)約０．５Ｍの混合液に界面活性剤（ピット防止剤）等を適量加えたものである。処理条件は、液温５０℃、電流密度０．１Ａ／ｄｍ２であり、Ｎｉの析出速度約１．２μｍ／ｈｒを考慮して処理時間が設定されている。
【００１５】
また、Ｎｉ材２２を析出させて金型２０を製作する手法として、無電解メッキ法を用いることもできる。この方法は、電界をかけずに析出物を析出させるので、母型の形状に依存する電界集中とは無縁であり、ピラー３同士の間隙にも均一にＮｉが析出するという長所がある。
無電解メッキの場合、メッキ液の組成は、硫酸ニッケル(ＮｉＳＯ４)・６Ｈ２Ｏ約０．１Ｍと次亜リン酸ナトリウム（ＮａＨ２ＰＯ２)・Ｈ２Ｏ）約０．２Ｍと有機酸塩等の混合液である。処理条件は、液温６０℃からスタートし、約1時間で９０℃まで昇温し、その後９０℃を維持する。Ｎｉの析出速度約１２μｍ／ｈｒを考慮して処理時間が設定されている。
【００１６】
図２（ｄ）は、図２（ｃ）に示されたシリコン製の母型１１を溶解除去して、金型２０のみが残された状態を示す。母型１１を溶解するエッチング液としては、濃度１５％のＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）水溶液が用いられる。処理条件は、液温８０℃のＴＭＡＨ水溶液に浸漬し、溶解速度（エッチング速度）３０〜４０μｍ／ｈｒを考慮して処理時間が設定されている。
なお、エッチング液としては、ＫＯＨ（水酸化カリウム）水溶液を用いることもできる。
【００１７】
このようにして製作された金型２０を用いて、柱状構造体１の成型を行う。
溶融または流動状態にあるプラスチック材料の成型加工法としては、射出成型、圧縮成型、押出成型、紫外線硬化等がある。特に射出成型は、他の成型法と比べて、複雑形状を有する高精度部品の加工に適しており、部品の寸法安定性にも優れている。また、現在の射出成型機は、生産の自動化がなされており、多量生産が可能である。
【００１８】
射出成型に用いられる樹脂材料には、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＡＢＳ樹脂、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の熱可塑性樹脂、およびフェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂がある。
【００１９】
本実施の形態の柱状構造体１は、市販の射出成型機を用いて、１７０〜２７０℃に加熱されたＰＭＭＡを５×１０７Ｐａの射出圧力で５０℃に保温されている金型２０のキャビティに射出することによって製作される。柱状構造体１は、射出後に所定時間保温され、冷却された後に金型から取り出される。この簡単な操作で、柱状構造体１が製作される。柱状構造体１は、もちろん母型１１と同一形状である。１個の金型２０から成型できる柱状構造体１の個数（すなわち金型の寿命）は、主としてピラー３の径に依存するが、１００〜１０００個である。
【００２０】
続いて、図３，４を参照して、母型１１、すなわち柱状構造体１１の構造と製作工程を説明する。
図３は、本発明の第１の実施の形態による柱状構造体を製作するための母型の構造を模式的に示す部分斜視図である。図４は、図３の母型の製作工程を示す部分断面図である。
【００２１】
図３において、母型１１、すなわち柱状構造体１１は、シリコン基板１２と柱状突起１３から構成され、シリコン基板１２とピラー１３とは一体構造である。多数のピラー３が配列されて成るピラーアレイ１４は、シリコン基板１２の凹部１５に形成されている。ピラー１３の高さは、通常、凹部１５の深さに等しい。また、ピラー１３の配列ピッチおよびピラー１３同士の間隙は、いずれも一定である場合が多いが、後述するように、場所によって異なっていてもよい。
【００２２】
材質上の観点からは、シリコン基板１２は、内部から表面に向かって、シリコン母材１２ｂ、シリコン酸化物層１１１、多結晶シリコン膜１１２の順に構成されている。ピラー１３は、内部がシリコン酸化物層１１１になっており、その外側に多結晶シリコン膜１１２が形成された材質構成である。しかし、ピラー１３が太い場合には、シリコン基板１２と同じように、中心部にシリコンが存在する材質構成になることもある。いずれにしろ、基板表面１２ａ、凹部１５の底面、凹部１５の側面およびピラー１３の表面１３ａは、いずれも多結晶シリコン膜１１２になっている。
【００２３】
ここで、図４を参照しながら柱状構造体１１の製作工程を説明する。図４は、柱状構造体の製作手順を説明するための部分断面図であり、各ピラーの中心軸を通る面で切断した図である。製作工程は、（ａ）から（ｆ）まで順に進む。ピラー１３は、工程が進むにつれて材質と体積が変化してゆくので、各工程でのピラーは、１３ｂ〜１３ｆの符号で表す。
【００２４】
図４（ａ）は、シリコン基板１２上に塗布されたフォトレジスト膜１００にピラーアレイ１４となる形状をパターニングしたときの状態を示す。
図４（ｂ）は、ＩＣＰ−ＲＩＥ（inductively coupled plasma - reactive ion etching）により、シリコン基板１２をエッチングしたときのピラーの状態を示す。例えば、エッチング深さを１０μｍとした場合、各ピラー１３ｂの径は２μｍであり、各ピラー１３ｂの高さは１０μｍであり、ピラー１３ｂ同士の間隔、すなわち配列ピッチは４μｍである。
【００２５】
ＩＣＰ−ＲＩＥは、０．０５〜１Ｐａの比較的低い圧力下で、高密度プラズマ中のプロセスガスのイオンと試料表面との化学反応を利用して試料をエッチングするものであり、異方性の高いエッチング加工ができる。プロセスガスとしては、ＣＣｌ２Ｆ２あるいはＣＦ４等の酸化性ガスが用いられる。
【００２６】
図４（ｃ）は、熱酸化により、シリコン酸化物層１１１が形成されたピラー１３ｃの状態を示す。熱酸化には、Ｏ２ガスを用いたドライ酸化、水蒸気またはＨ２Ｏ＋Ｏ２混合ガスを用いたスチーム酸化等がある。１０５０℃で１０時間の熱酸化を行うと、シリコン酸化物は２μｍの厚さとなるので、ピラー１３ｃはすべてシリコン酸化物となり，体積膨張が生ずる。なお、熱酸化以外の酸化法、例えばＯ２ガスをイオン化するプラズマ酸化やエチレングリコール液を用いた陽極酸化によりシリコン酸化物を形成してもよい。また、例えば、酸化物のターゲットにＡｒイオンを照射するスパッタリング法を用いて、ピラー１３ｂに酸化物を堆積させてもよい。
【００２７】
図４（ｄ）は、ＬＰＣＶＤ（low pressure chemical vapor deposition）により、多結晶シリコン膜１１２ａを２００ｎｍ堆積させたピラー１３ｄの状態を示す。
ＬＰＣＶＤは、１０〜１０３Ｐａの減圧下で試料を加熱し、熱エネルギーによる気相化学反応で試料表面に膜を生成させる成膜方法である。この方法は、膜の着き回りに優れ、均一な膜厚が得られるという長所がある。多結晶シリコンの成膜では、プロセスガスとしてＳｉＣｌ４＋Ｈ２あるいはＳｉＨ４が用いられる。
【００２８】
図４（ｅ）は、１０５０℃で２時間の再度の熱酸化により、多結晶シリコン膜１１２ａが酸化されてシリコン酸化物層１１１が追加して形成されたピラー１３ｅの状態を示す。
【００２９】
図４（ｆ）は、図４（ｅ）のピラー１３ｅの表面に多結晶シリコン膜１１２を５０ｎｍ堆積させたピラー１３ｆの状態を示す。この状態は、図３に示したものと同じ状態である。
【００３０】
次に、ピラー１３同士の間隙の調整について説明する。間隙は、ピラー１３の熱酸化による体積膨張を制御することと多結晶シリコン膜１１２および１１２ａの成膜時の膜厚を制御することで正確に調整される。
熱酸化の理論によると、シリコン酸化物の体積の４４％が酸化前のシリコンの体積に相当する。従って、熱酸化後のピラー１３ｃの半径をＲｃ、熱酸化前のピラー１３ｂの半径をＲｂとすると、式１の関係がある。
【数１】
Ｒｃ３＝Ｒｂ３／０．４４・・・（１）
しかし、熱酸化の実験によると、式２の関係が成り立つので、本実施の形態では、式２を用いる。
【数２】
Ｒｃ３＝Ｒｂ３／０．５５・・・（２）
【００３１】
多結晶シリコン膜を熱酸化させた場合は、多結晶シリコン膜が極めて薄いので、式１に関して平面的な近似が成り立つ。すなわち、多結晶シリコン膜の熱酸化前の膜厚をｔ１、熱酸化後の膜厚をｔ２とすると、式３の関係が成り立つ。式３は、実験値に適合することが確認されている。
【数３】
ｔ２＝ｔ１／０．４４・・・（３）
【００３２】
式２および式３を熱酸化条件の設定に適用すれば、ピラー３の体積膨張量を制御することができる。また、ＬＰＣＶＤを用いた多結晶シリコンの膜厚を制御することによっても、ピラー１３の径の増加量を制御することができる。ＬＰＣＶＤを用いた多結晶シリコンの成膜においては、１ｎｍの精度で膜厚を制御できるので、ピラー３同士の間隙も１ｎｍの精度で制御できる。
【００３３】
例えば、図４（ｂ）、（ｃ）において、ピラー３ｂの径は２μｍであるから、完全に熱酸化を行えば、式２から、ピラー１３ｃの径は２．４４μｍとなる。また、図４（ｄ）、（ｅ）において、多結晶シリコン膜１１２ａを２００ｎｍ堆積したピラー１３ｄの径は２．８４μｍとなり、完全に熱酸化を行えば、式３から、ピラー１３ｅの径は３．３５μｍとなる。２００ｎｍ厚の多結晶シリコン膜１１２ａは、１０５０℃×１．５時間の熱酸化条件で完全に酸化することができるが、実際には完全酸化を期するために、１０５０℃×２時間の熱酸化条件を選択している。
【００３４】
しかし、多結晶シリコン膜を一度に厚く成膜すると、膜厚制御の精度が低下する。また、熱酸化の際に、膜の内部ほど酸化速度は低下する。従って、多結晶シリコン膜を比較的薄く成膜して熱酸化を行う方が、膜厚精度も向上し、酸化速度も大きくなる。多結晶シリコンの成膜と熱酸化を繰り返すことによって、ピラー１３同士の間隙Ｇの精度も向上し、処理全体としての効率も上がる。
【００３５】
図４（ｄ）と（ｅ）の工程を繰り返して行うことにより、例えば、２回目として、８０ｎｍ厚の多結晶シリコン膜を形成した後に完全酸化を施せば、ピラー１３ｅの径は３．３５μｍから３．７１μｍに増える。（ｂ）の工程で、ピラー１３ｂの配列ピッチは４μｍであるから、ピラー１３ｅ同士の間隙は、０．２９μｍとなる。
【００３６】
図４（ｆ）の工程において、ピラー１３ｆの最表面には多結晶シリコン膜１１２が成膜される。この多結晶シリコン膜１１２には熱酸化を施さない。例えば、多結晶シリコン膜１１２の厚さを５０ｎｍとすると、ピラー１３ｆの径は３．８１μｍとなり、ピラー１３ｆ同士の間隙Ｇは、０．１９μｍとなる。
【００３７】
上述のような製造方法を用いて柱状構造体１１を作製することにより、最終的なピラー１３同士の間隙Ｇを１ｎｍの精度で形成することができる。
【００３８】
なお、上述の製作工程を簡略化して、図４（ｄ）の工程で完了としてもよい。また、ピラー１３同士の間隙Ｇの精度を厳しく問われない場合には、図４（ｃ）の工程で完了としてもよい。また、図４（ｃ）〜（ｅ）の工程を省略して、図４（ｂ）の無酸化のピラー１３ｂに直接に多結晶シリコン膜１１２を成膜して完了としてもよい。これらの簡略化された製作プロセスでは、母型１１の製作費は低下するが、反面、簡略化に応じて、金型２０の寸法精度はラフになり、柱状構造体１のピラー３同士の間隙精度もラフになる。
【００３９】
（第２の実施の形態）−電気泳動デバイス−
図５は、本発明の第２の実施の形態による電気泳動デバイスの全体構成を模式的に示す平面図である。以下、柱状構造体１Ａの各構成要素の符号は、図１の柱状構造体１のものを用いる。
図６は、本発明の第２の実施の形態による電気泳動デバイスの微小流路を模式的に示す部分透視図である。図６においては、凹部５内に林立しているピラーアレイ４は図示を省略されている。
【００４０】
図５に示されるように、柱状構造体１Ａ、リザーバー３１〜３４、チャンネル３５，３６および電極３７ａ，３７ｂ，３８ａ，３８ｂは、プラスチック基板２Ａに設けられている。電気泳動デバイス３０は、プラスチック基板２Ａと透明基板４０とが貼り合わされて構成される。柱状構造体１Ａ、リザーバー３１〜３４およびチャンネル３５，３６は、同時に、第１実施の形態の柱状構造体１と同一の製造方法で、プラスチック基板２Ａと一体に形成される。
図５は、透明基板４０を透してプラスチック基板２Ａを見た図に相当する。透明基板としては、厚さ５０〜５００μｍのＰＭＭＡ、ＰＣ、ＰＥＴ等のシートまたはフィルムが用いられる。
【００４１】
４個のリザーバー３１〜３４は、外部から供給されたＤＮＡ分子、ＲＮＡ分子等のサンプルを貯蔵したり、電気泳動により分離されたサンプルを回収するための窪みである。チャンネル３５と３６は、例えば５０μｍの幅を有し、交差部分Ｃで互いに連通している溝である。チャンネル３５は、リザーバー３２と３４に接続され、チャンネル３６は、リザーバー３１と３３に接続されている。
【００４２】
柱状構造体１Ａは、電気泳動デバイス３０のチャンネル３６の一部分を構成している。柱状構造体１Ａは、交差部分Ｃからリザーバー３３寄りに０．１〜０．３ｍｍ程度離れた箇所に配設される。柱状構造体１Ａのチャンネルに沿った長さは、ＤＮＡ分子等を分離できる泳動距離に基づいて設定され、例えば０．３〜５０ｍｍの範囲である。
【００４３】
電極３７ａ，３７ｂ，３８ａ，３８ｂは、プラスチック基板２Ａ上にＡｕ，Ｐｔ等の導電膜を蒸着あるいはスパッタリングを用いて形成される。プラスチック基板２Ａは、絶縁体なので、直接に電極を形成し電界を印加しても、プラスチック基板２Ａの表面を流れる電流による電圧降下やショート等の問題は生じない。
【００４４】
電極３７ａはリザーバー３２の近傍に、電極３７ｂはリザーバー３４の近傍に配置されている。また、電極３８ａはリザーバー３１の近傍に、電極３８ｂはリザーバー３３の近傍に配置されている。
図５では、電極３７ａ，３７ｂは、それぞれ直流電源３７ｃの負極、正極に接続される。また、電極３８ａ，３８ｂは、それぞれ直流電源３８ｃの負極、正極に接続される。但し、後述するように、電気泳動処理を行うときには、負極は接地、正極も随時接地に切り替えられる。
【００４５】
プラスチック基板２Ａは、柱状構造体１Ａ、リザーバー３１〜３４、チャンネル３５，３６および電極３７ａ，３７ｂ，３８ａ，３８ｂが設けられた後に、シリコーンゴムを介して圧着によって透明基板４０と貼り合わされる。
【００４６】
プラスチック基板２Ａの表面２ａおよび各々のピラー３の頭部３ａは、透明基板４０と強固に接合される。図６に示されるように、柱状構造体１Ａの凹部５は、透明基板４０により上部が閉塞され、矢印方向に延在するトンネル状の微小流路１０が形成される。
微小流路１０にＤＮＡ分子、ＲＮＡ分子等のサンプルを流したときに、これらが外部に漏れる恐れはない。同様に、図５に示されるリザーバー２１〜２４およびチャンネル２５，２６からサンプルが外部に漏れる恐れもない。
【００４７】
他の貼り合わせ法としては、透明なシアノアクリレート系接着剤や紫外線硬化型接着剤を介して接着する方法がある。
なお、貼り合わせの前に、透明基板４０には、リザーバー３１〜３４にそれぞれ連通するように位置決めされた４つの貫通孔（不図示）が形成される。貫通孔の径は、１〜３ｍｍである。貫通孔の形成には、プレス抜き加工、超音波加工等が用いられる。
【００４８】
このようにして、安価で多量生産可能なａｌｌ ｐｌａｓｔｉｃ製の電気泳動デバイス３０が完成する。
なお、透明基板４０は、プラスチック製でなくともよい。例えば、透明基板４０をガラス、石英等の透明な無機材料で作り、接着剤を介してプラスチック基板２Ａと貼り合わせてもよい。
【００４９】
次に、図５を参照しながら、本実施の形態の電気泳動デバイス３０を用いてＤＮＡを分離する手順を説明する。
分析用バッファー液が電気泳動デバイス３０内に注入された後、蛍光試薬で染色されたＤＮＡサンプルは、リザーバー３２に供給される。ＤＮＡサンプルは、各種の分子サイズを有する混合サンプルである。電極３７ｂを正極として電圧が印加される。このとき、電極３７ａ，３８ａ，３８ｂは接地されている。ＤＮＡ分子はマイナスに帯電しているので、チャンネル３５内を紙面上で下から上に向って移動する。
【００５０】
ＤＮＡサンプルが交差部分Ｃに移動してきたときに、電極３８ｂを正極として電圧が印加される。このとき、電極３７ａ，３７ｂ，３８ａが接地されている。ＤＮＡサンプルは、向きを変えてチャンネル３６内を紙面上で右から左に向って移動し、微小流路１０内を通過していき、リザーバー３３で回収される。
【００５１】
ＤＮＡサンプルが微小流路１０内を通過する様子は、蛍光顕微鏡により、透明基板４０を透して観察することができる。蛍光顕微鏡の対物レンズは、その光軸が透明基板４０の表面と直交するように、微小流路１０の真上にセットされる。透明基板４０の厚さは、５０〜５００μｍであるが、観察倍率が高いときには、焦点深度が短いので、薄い透明基板を用いるのが望ましい。
【００５２】
微小流路１０の長さを１ｍｍ、ピラー同士の間隙を３００ｎｍ、電極２８ａと２８ｂ間の印加電圧を６００Ｖとして、分子サイズ２００ｂｐと３００ｂｐのＤＮＡサンプルを用いて、電気泳動処理を行った。蛍光顕微鏡による観察において、ＤＮＡ分子が微小流路１０内を移動している状態が観察できた。また、２種類のＤＮＡ分子の分離が確認できた。
【００５３】
本実施の形態の電気泳動デバイス３０では、微小流路１０内に林立するピラー同士の間隙は３００ｎｍであったが、本発明はこれのみに限られず、ＤＮＡサンプルの分子サイズに応じて適宜選択することができる。分子サイズが大きい場合は、ピラー同士の間隙を広くし、分子サイズが小さい場合は、ピラー同士の間隙を狭くするのが、短時間で正確な分離を可能にする。ピラー同士の間隙は、母型１１の形状に依存する。
ピラー同士の間隙は、５ｎｍ〜１０μｍの範囲が好適である。生体試料を分離する電気泳動デバイスに柱状構造体を用いる場合、ＤＮＡ、細胞、タンパク質のサイズは、ほぼこの範囲にあるので、どのような生体試料の分離にも対応できる。
【００５４】
また、ピラーアレイ４の配列ピッチは、一定でなくともよい。微小流路１０の上流部分では配列ピッチを大きくし、下流部分では配列ピッチを小さくしてもよい。また、配列ピッチは、連続的に変化するようにしてもよい。分子サイズが広範囲にわたるＤＮＡサンプルに対しては、大きな分子サイズのＤＮＡの目詰まりを防止できるとともに、小さな分子サイズのＤＮＡの分離も正確に行うことができる。ピラーアレイ４の配列ピッチも、母型１１の形状に依存する。
【００５５】
さらに、ピラー３の形状は、ストレートな円柱であったが、ピラーの径が高さ方向に変化するように形成してもよいし、ピラーの形状が部分的に屈曲していてもよい。ピラー同士の間隙が広い部分は、大きな分子サイズのＤＮＡの目詰まりを防止する効果があり、ピラー同士の間隙が狭い部分は、小さな分子サイズのＤＮＡの分離を正確に行うことができる。
ピラー３は、プラスチック製であり、弾性を有するので、射出成型の最終工程の離型作業で破損することはない。
【００５６】
本発明の柱状構造体は、電気泳動デバイスのみならず、微小パーティクルフィルタ等の各種のフィルタにも適用できる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、プラスチック製とすることにより、安価な柱状構造体および電気泳動デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る柱状構造体の構造を模式的に示す部分斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る柱状構造体の製作工程を示す部分断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る柱状構造体の母型を模式的に示す部分斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る柱状構造体の母型の製作工程を示す部分断面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る電気泳動デバイスの全体構成を模式的に示す平面図である。
【図６】本発明の第２実施の形態に係る電気泳動デバイスの構成要素である微小流路を模式的に示す部分透視図である。
【符号の説明】
１，１Ａ：柱状構造体
２，２Ａ：プラスチック基板
３：ピラー（柱状突起）
４：ピラーアレイ
５：凹部
１０：微小流路
１１：母型（柱状構造体）
２０：金型
３０：電気泳動デバイス
３１〜３４：リザーバー
３５，３６：チャンネル
３７ａ，３７ｂ，３８ａ，３８ｂ：電極
４０：透明基板
Claims (5)
- 多数の柱状突起を有する樹脂製柱状構造体と、
前記樹脂製柱状構造体と一体的に形成された樹脂製基板と、
前記樹脂製基板に設けられ、前記樹脂製柱状構造体を含んで形成された微小流路と、
前記樹脂製基板に設けられ、分離前の試料が充填される第１リザーバと、
前記樹脂製基板に設けられ、分離された試料が回収される第２リザーバと、
前記微小流路を上流から下流に移動する前記試料に電界を印加して前記試料を前記第２リザーバに回収する回収手段とを備え、
前記試料の移動方向と直交する方向における前記多数の柱状突起間の間隙を、前記上流側が広く、下流側が狭くなるように異ならせたことを特徴とする電気泳動デバイス。 - 多数の柱状突起を有する樹脂製柱状構造体と、
前記樹脂製柱状構造体と一体的に形成された樹脂製基板と、
前記樹脂製基板に設けられ、前記樹脂製柱状構造体を含んで形成された微小流路と、
前記樹脂製基板に設けられ、分離前の試料が充填される第１リザーバと、
前記樹脂製基板に設けられ、分離された試料が回収される第２リザーバと、
前記微小流路を上流から下流に移動する前記試料に電界を印加して前記試料を前記第２リザーバに回収する回収手段とを備え、
前記柱状突起の径がその高さ方向で変化していることを特徴とする電気泳動デバイス。 - 請求項１または２に記載の電気泳動デバイスにおいて、
前記樹脂製柱状構造体は、
フォトリソグラフィによりシリコン基板に多数の柱状突起を形成し、その柱状突起の表面を熱酸化させ、酸化された柱状突起の表面に多結晶シリコンを成膜して成る柱状構造体を母型として製作し、前記母型に電気メッキまたは無電解メッキにより金属を堆積させ、堆積後に前記母型を溶解除去して製作した金型を用いて射出成形により形成することを特徴とする電気泳動デバイス。 - 請求項１または２に記載の電気泳動デバイスにおいて、
前記樹脂製柱状構造体は、
フォトリソグラフィによりシリコン基板に多数の柱状突起を形成し、その柱状突起の表面を熱酸化させ、酸化された柱状突起の表面に多結晶シリコンを成膜し、その多結晶シリコン膜を熱酸化させ、酸化された多結晶シリコン膜上に多結晶シリコンを成膜して成る柱状構造体を母型として製作し、前記母型に電気メッキまたは無電解メッキにより金属を堆積させ、堆積後に前記母型を溶解除去して製作した金型を用いて射出成形により形成することを特徴とする電気泳動デバイス。 - 請求項１または２に記載の電気泳動デバイスにおいて、
前記樹脂製柱状構造体は、
フォトリソグラフィによりシリコン基板に多数の柱状突起を形成し、その柱状突起の表面に多結晶シリコンを成膜して成る柱状構造体を母型として製作し、前記母型に電気メッキまたは無電解メッキにより金属を堆積させ、堆積後に前記母型を溶解除去して製作した金型を用いて射出成形により形成することを特徴とする電気泳動デバイス。
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