JP4727148B2 - 生物又は生化学分析マイクロシステム用のコンポーネント - Google Patents

Description

本発明は、生物又は生化学分析マイクロシステム用のコンポーネントに関するものである。さらには前記コンポーネントを製造する方法に関するものである。

生物又は生化学分析用のマイクロシステムは、支持体又は基板の表面（複数のゾーンを備えてもよい）が一又は二以上の複数の機能を提供するように選択された支持体又は基板から作製されるものである。前記機能は化学的機能性（化学的官能性）又は電気的機能性であってもよい。

化学的機能性は、生物又は生化学要素が支持体に固定される必要があるときに含まれる。一般的には、支持体は、良く制御されたカップリング化学、例えば、シラン化によって生物又は生化学要素の固定（アンカリング）を可能にする、ガラス製又はシリコン製である。

電気的機能性は、マイクロチャンネル又はマイクロリザーバにおける流体の循環のために含まれる。流体循環マイクロシステムは通常、電気浸透のような動電学的な（電気運動）ポンピングを用いて、支持体に作製されたマイクロチャンネル又はマイクロリザーバで流体を循環させる。前記ポンピング手段は、電気的活性面の存在を必要とする。電気的活性面の存在と組み合わせて高電界を用いて流体を流れさせるものである。ガラス製、シリカ製又はシリカ被覆シリコン製の公知の支持体は前記ポンピング手段によく適している。

従って、ガラス製、シリカ製又はシリカ被覆シリコン製の支持体は、化学的及び電気的機能性を得るのによく適している。

前記マイクロシステムを製造する際、ポリマー、プラスチック及び接着剤のような不活性材料を用いることが増加している。しかしながら、前記不活性材料に生物又は生化学要素を固定するための化学は、化学的構成に依存し、実施には不適当である。マイクロチャンネルを形成するための鋳造プラスチック、感光性ポリマー又はマイクロ構造を形成するための樹脂のような材料は、それらに生物又は生化学要素を容易に固定するのが可能であれば、非常に広く使用されるだろう。また、それらの材料は廉価であり、大量生産に使用される。

さらに、動電学的な流れは従来のポリマーのような材料においては問題があり、荷電表面を生成するためにプラズマ活性のような高価な技術の使用を必要とする。しかしながら、これは、処理された表面を確実に活性化するわけではないことが示されている。従って、システムは時間が経てば徐々に変化する。

本発明は、上述の問題に対する解決手段を提供する。これは、（ポリマー、樹脂、プラスチック、接着剤等）化学的不活性材料の使用によって、生物又は生化学分析マイクロシステム用のコンポーネント支持体を作製を可能にするものである。ここで、その材料の表面はそれらが機能化を可能とするように処理されて、生物又は生化学要素の固定を可能とする。前記処理は、表面上に機能化可能材料層を堆積することにある。生物又は生化学要素は、従来技術例えば、シラン化技術によってグラフト（移植、接ぎ木）してもよい。

機能化（機能付与）可能材料は、鋳造ポリマー、感光性若しくは非感光性ポリマー、又はスクリーン印刷接着剤であってもよい支持体の構造化（structured）表面又は支持体の平坦表面に堆積してもよい。機能化可能材料層は、構造化コンポーネントの形成後に堆積してもよい。それは、コンポーネントの表面の一部だけを被覆するために、マイクロテクノロジーで使用する技術（プラズマ又は化学エッチング）でエッチングしてもよい。

堆積された材料は、動電学的なポンピングによって流体の循環を可能とする、コンポーネントに電気的機能性を付与する材料であってもよい。

結果として、本発明の目的とされるものは、支持体から形成されかつ少なくとも一の化学的機能化表面ゾーンを有する生物又は生化学分析マイクロシステム用のコンポーネントであって、前記ゾーンにおいて、生物又は生化学要素を固定するための化学的性質の形成を可能とするため、及び／又は、電気的に、前記ゾーンにおいて電荷の形成を可能とするためのものであって、前記支持体が不活性材料から成ると共に、前記機能化表面ゾーンを提供するために化学的及び／又は電気的機能化可能材料層で被覆された少なくとも一の部分を備えることを特徴とする。

好適には、前記部分は、ポリマー、プラスチック、樹脂及び接着剤の中から選択された材料から成ってもよい。ポリマーはポリイミドであってもよい。

前記部分はそれ全体を支持体を成してもよい。

支持体は、前記部分を支持する基板を備えてもよい。基板は、ガラス、シリコン、ポリマー及び金属の中から選択された材料製であってもよい。

前記部分は構造化されていてもよい。

機能化可能材料は、シリカ、合成シリカ及び窒化シリコンの中から選択するのが好都合である。

前記表面ゾーンは、その表面ゾーン上で、生物要素の結合を保証するのに適した化学的官能基、又は他の化学的官能基を支持してもよい。

前記表面ゾーンは、その表面ゾーン上で、電荷の存在を保証するのに適した化学的機能を支持してもよい。

本発明の他の目的とされるものは、支持体から生物又は生化学分析マイクロシステム用のコンポーネントを製造する方法であって、前記支持体は、前記ゾーンにおいて生物又は生化学要素を固定するための化学的性質の形成を可能とするため、及び／又は電気的に、前記ゾーンにおいて電荷の形成を可能とするために少なくとも一の化学的機能化表面ゾーンを有することを必要とするものであるところの方法は、
−不活性材料から成る少なくとも一の部分を備えた支持体を準備する段階と、
−前記機能化表面ゾーンを提供するために、化学的及び／又は電気的機能化可能材料層を前記部分上に堆積する段階と、
を備えることを特徴とする。

準備段階は、基板上に不活性材料から成る前記部分を形成することを備えてもよい。不活性材料から成る前記部分は堆積によって形成してもよい。

必要なら、機能化可能材料層を堆積する段階の前に、前記部分に構造化段階を実施してもよい。

準備段階は、不活性材料から成る前記部分の鋳造を備えてもよい。

機能化可能材料層の堆積は、ゾル−ゲル法によって得られた合成シリカの堆積であってもよい。

機能化可能材料層の堆積は、シリカ又は蒸発又はスパッタリング法によって得られる窒化シリコンの堆積であってもよい。

さらに、この方法は、機能化可能材料層をエッチングする段階を備えてもよい。前記エッチングはプラズマエッチング又は化学エッチングであってもよい。

本発明は、非限定的に実施例を示した以下の詳細な説明を添付図面を参照して読むことによって、さらによく理解され、他の利点及び特徴がより明確になるだろう。
図１Ａから図１Ｃは、ガラス製の基板からの生物又は生化学分析マイクロシステム用のコンポーネントの作製を示している。

ガラス基板に生物又は生化学分析マイクロシステムを形成することは厄介である。数μｍ以上のエッチングでは、ガラスに含まれる不純物がエッチングの障害となります。従って、ガラスをフッ化水素酸を含む溶液を用いて化学的手段によってエッチングします。ガラスの化学的エッチングは等方性エッチングであって、形成されたパターンの形状及び寸法を制限する。本発明は、感光性又は非感光性ポリマー、感光性樹脂又は接着剤のような構造化可能材料にコンポーネントを形成することによってガラスのエッチングを除くことを可能にするものである。前記構造化可能材料は、合成シリカ、シリカ又は蒸発又はスパッタリング法によって得られる窒化シリコンのような機能化可能材料、又は構造化可能材料上に堆積したい他の機能化可能材料で被覆する。

機能化はガラス基板上で直接実施しないで、構造化可能材料上に堆積される機能化可能材料の仲介によって実施する。構造化可能材料を支持する基板は多様である。これは、ガラス製、シリコン製、ポリマー製、金属製、又は、構造化可能材料層を堆積できる他の材料から成るものであってもよい。

図１Ａは、直径100mmのシートから成る基板１０を示している。基板１０上には、構造化可能材料層１１を堆積する。これは、商品名“プロビマイド（Probimide）7510”の名で商品化されている感光性ポリイミドポリマーである。層１はスピンコーターによって3000rpmの速度で堆積し、それから加熱プレート上で110℃でアニールする。基板１０及び層１１で支持体を形成する。

層１１にマスクを介して紫外線を照射し、それから、所望のコンポーネントを得るために現像する。これを図１Ｂに示す。層１１は基板１０を露出する開口１２の存在によって構造化される。

次いで、ポリイミドを加熱プレート上で150℃でアニールし、次いで、熱処理オーブンで300℃でアニールする。

図１Ｃは、層１１上への構造化可能材料層の堆積後に得られるコンポーネントを示す。前記構造化可能材料は例えば、ハネウェル社から商品名“SOG512”で商品化されている合成シリカである。合成シリカはスピンコーターによって1000rpmの速度で堆積し、それから加熱プレート上でまず110℃で次いで250℃でアニールする。

図２Ａはから図２Ｃは、機能化可能マイクロチャンネルを有する鋳造プラスチックからのコンポーネントの形成を示している。

生物又は生化学コンポーネントの作製に用いる鋳造プラスチックの使用は、コンポーネントは機能化するので非常に将来性のある技術である。本発明は、鋳造構造例えば、マイクロチャンネルの一部の合成シリカによる機能化を可能にする。

図２Ａは、鋳造で形成されたチャンネル２１を備えた鋳造プラスチック製の支持体２０を示している。支持体２０の上部に保護材料層２２を堆積する。これは、マイクロテクノロジーで使用する感光性樹脂である。その樹脂はスピンコーターによって2000rpmの速度で堆積し、次いでオーブンで90℃でアニールする。

図２Ｂで示したように、蒸発ユニットにおいてシリカを蒸発することによって得られるシリカ層を支持体に堆積する。シリカ層は、保護材料層２２上に堆積物２３と、チャンネル２１のベース上に堆積物２４を形成する。

保護層を薬品浴、例えば、アセトン浴で除去する。その溶解は、その表面上に堆積されたシリカの除去につながる。得られる結果を図２Ｃに示す。チャンネル２１のベースに含まれるシリカ層２４だけが残る。

本発明は、機能化に対して化学的に不活性な材料の表面全体又は表面の一部を生物的に又は生化学的に機能化する全ての場合において応用できる。これは、電気的に活性な材料層を使用することが必要なときに、新たな応用が見つかる。

機能化可能材料の性質に依存して、それを機能化するために異なる技術を用いてもよい。シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン又は合成シリコンのような材料の場合では、シラン化処理によって、生物要素又は化学的機能の取り付けをその後に保証する前記化学的機能の表面に取り付けることを可能とする。

異なる種類のシランを用いてもよい。それぞれが、機能化される材料の表面に固定するために固有のプロトコルを有する。使用するシランの選択は、直接、又は化学反応あるいは生物機能の取付をその後実施するために用いる化学機能に依存する。最も広く用いるシランの中で、アミノプロピル、トリエトキシシラン、アミノプロピル ジメチルエトキシシラン エポキシシラン、２−（ヒドロキシエチル）−３−アミノプロピル トリエトキシシランを引用してもよい。

例として、アミノプロピル トリエトキシシラン用に使用されるシラン化プロトコルは以下の通りである：
−表面上にシラノール機能を作るために、30秒間150ワットで酸化プラズマ（Nextral 310）によって表面を処理する段階と；
−12時間95％エタノールで10％シラン溶液にインキュベートする段階と；
−蒸留水ですすぐ段階と；
−オーブンで3時間110℃でアニールする段階。

合成されたオリゴヌクレオチドを直接アルデヒド機能（官能基）に付けてもよいし、又は、オリゴヌクレオチドをＮＨ_２官能基で合成するならばグルタルアルデヒドの仲介によって付けてもよい。

このシラン化技術によって、オリゴヌクレオチド、プロテイン、又は、機能化材料（アミン、アルデヒド酸、活性化エステル官能基等）に付けられるシラン上に存在する官能基に適合する他の生物あるいは化学要素を付けることが可能となる。

機能化される材料は金の層であれば、前記金属層の表面上にチオール又はジスルフィド化合物のアタッチメントを利用する。シランについては、異なるチオールによって、機能化された層の表面上に所望の化学反応に要する化学的機能（化学官能基）を得ることが可能となる。金属表面上にチオールを付ける技術は、例えば、以下の文献、すなわち、J. Am. Chem. Soc.の１９８９年の第III巻第1号の321頁から335頁に掲載されたベイン（C.D.BAIN）らによる“溶液から有機チオールの自発アセンブリによって単層膜の金の上への形成”によって公知である。

例えば、外界温度で無水エタノールに3時間1mM溶液をインキュベートすることによって、メルカプト−プロピオン酸又はシスタミンのグラフトを引用してもよい。

電気的機能化のために、上述のプロトコルに従って、機能化される層上にアミノプロピルトリエトキシシランをグラフトすることによって、合成シリカ、シリコン、窒化シリコン及び酸化シリコンの表面上に電荷を得てもよい。酸媒体（例えば、0.2M HCl）中での処理によって、シランのアミノ基を保護し、機能化材料の表面上に電荷を得ることが可能となる。

本発明は、生物又は生化学分析システム及び“ラボ−オン−チップ”システムの分野で使用するのが好都合である。

本発明の生物又は生化学分析マイクロシステム用の第１のコンポーネントの形成を示す断面図である。 本発明の生物又は生化学分析マイクロシステム用の第１のコンポーネントの形成を示す断面図である。 本発明の生物又は生化学分析マイクロシステム用の第１のコンポーネントの形成を示す断面図である。 本発明の生物又は生化学分析マイクロシステム用の第２のコンポーネントの形成を示す断面図である。 本発明の生物又は生化学分析マイクロシステム用の第２のコンポーネントの形成を示す断面図である。 本発明の生物又は生化学分析マイクロシステム用の第２のコンポーネントの形成を示す断面図である。

符号の説明

１０ 基板
１１，２０ 部分
１３，２４ 電気的機能化可能材料層
２２ 保護層
２３，２４ 機能化可能材料層

Claims (5)

1. 支持体から生物又は生化学分析マイクロシステム用のコンポーネントを製造する方法であって、前記支持体は、少なくとも一の化学的機能化表面ゾーンを有することを必要とし前記化学的機能化表面ゾーンにおいて生物又は生化学要素を固定するための化学的性質の形成を可能とし、及び／又は少なくとも一の電気的機能化表面ゾーンを有することを必要とし前記電気的機能化表面ゾーンにおいて電荷の形成を可能とするものである、方法において、
   −不活性材料から成り、チャンネルを有する少なくとも一の部分（２０）を備えた支持体を準備する段階であって、前記不活性材料は、ポリマー、プラスチック、樹脂及び接着剤の中から選択される段階と、
   −機能化される表面ゾーンを除いて前記部分（２０）上に保護層（２２）を積層する段階と、
   −前記機能化表面ゾーンを提供するために、化学的及び／又は電気的機能化可能材料層（２３，２４）を前記部分（２０）の全体上に積層する段階であって、前記機能化可能材料は、シリカ、合成シリカ及び窒化シリコンの中から選択される段階と、
   −前記保護層（２２）の除去によって保護層（２２）を被覆する機能化可能材料層（２３）を除去する段階であって、前記層（２４）が前記部分（２０）の前記チャンネルの各々の底部に残される段階と、を備えたことを特徴とする方法。
2. 前記機能化可能材料層（２３，２４）の積層は、ゾル−ゲル法によって得られた合成シリカの積層であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記機能化可能材料層（２３，２４）の積層は、蒸着又はスパッタリング法によって得られるシリカ又は窒化シリコンの積層であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記機能化可能材料層をエッチングする段階をさらに備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記機能化可能材料層のエッチングはプラズマエッチング又は化学エッチングであることを特徴とする請求項４に記載の方法。

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