JP4798949B2 - プラズマ重合による被膜の調製 - Google Patents

Description

本発明は不均一なプラズマ重合表面を製造する方法および前記方法により得ることができる表面を含んで成る製品に関する。

分子の構築は、調節可能なレベルの架橋、摩擦摩耗もしくは溶解度特性を有する表面上へのポリマー物質の三次元構造物の形成である。化学的構築は化学官能基（特定の反応性部分もしくは基の存在）の処理（ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）を意味する。これらの表面はアッセイ用製品、質量分光計プローブ、微量流体システムまたはマイクロアレー装置または、弁、スイッチもしくはポンプのような微量機器における用途を有することができる。

最近、固相のアッセイシステムの使用が多数の生物学的試料の処理および／もしくは分析を著しく容易にさせてきた。これは著しく自動化された方法になってきた。具体的には、固相のアッセイは測定される物質の固体もしくは少なくとも半固体表面上への固定化または生物学的物質を測定するために使用される物質の固定化のいずれかを含んで成る。これらのアッセイから誘動された結果は様々なヒトの障害の臨床医の診断において、臨床医を著しく補助してきた。それらはまた、環境当局に環境汚染物の存在並びに我々の環境および／もしくは食品中に存在する可能性がある様々な感染性物質の存在のモニターを可能にさせてきた。この種のアッセイはしばしば根気が要り、時間がかかる。アッセイは感受性がよく、信頼性が高いことが重要である。

ゲノム分析は具体的にはゲノム配列研究からもたらされる配列情報（ＤＮＡ、ＲＮＡもしくは蛋白質）の分析を伴なう。この目的のために固定化される生体分子は具体的にはマイクロアレー（ｍｉｃｒｏａｒｒａｙ）と呼ばれる。アレーはシート上の異なる部位に異なる生体分子が適用される二次元シートである。これは同時にそして通常の固相アッセイよりもずっと小規模で生体分子のスクリーニングを容易にする。具体的には生体分子は化学的カップリングもしくは吸着により固定化される。最近は生体分子のアレーは、分子をアレーの表面に結合させるもしくは結合されることを可能にする条件下で試料のアリコートを析出させることにより作成される。あるいはまた、もしくは更に加えて、生体分子はアレー表面で合成され、直接もしくは間接的に固定化させることができる。１アレーに適用される異なる試料数は数千に達することができる。アレーを形成するための試料の適用は「アレープリンター」（例えば実際的ゲノム分析学（Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｇｅｎｏｍｉｃｓ），ＩＢＣ図書館シリーズ（ｌｉｂｒａｒｙ ｓｅｒｉｅｓ）；Ｓｏｕｒｈｅｒｎ ＥＭ，ＤＮＡ Ｃｈｉｐｓ：大規模なオリゴヌクレオチドへのハイブリッド形成による配列の分析（Ａｎａｌｙｓｉｎｇ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｂｙ Ｈｙｂｒｉｄｉｓａｔｉｏｎ ｔｏ Ｏｌｉｇｏｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅｓ ｏｎ ａ Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ），Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ Ｇｅｎｅｔｉｃｓ，１２：１１０−５，１９９６中の遺伝子発現マイクロアレー（Ｇｅｎｅ Ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｍｉｃｒｏ−Ａｒｒａｙｓ），ゲノム分析のための新手段（Ａ Ｎｅｗ Ｔｏｏｌ ｆｏｒ Ｇｅｎｏｍｉｃｓ），Ｓｈａｌｏｎ，Ｄ，を参照されたい）の使用により容易にすることができる。マイクロアレーの分析は、例えば特許文献１中に開示されたように、アレーからもたらされたデータを外挿するために使用される市販の「アレーリーダー」により実施される（特許文献１参照）。アレーは具体的には個別に作成され、唯一回使用されて、後廃棄される。従って、高度の再現性および最小の誤差を伴なって製造されるアレーを作成することが著しく望ましい。

同様に、最近のゲノム分析計画は実質的な量の蛋白質配列情報を提供してきた。これは蛋白質の構造／機能の分析を著しく容易にして、新規の蛋白質配列への機能の指定の補助になった。この種の分析は具体的には蛋白質分析学（ｐｒｏｔｅｏｍｉｃｓ）と呼ばれる。

マイクロアレー基板は具体的にはガラス、プラスチック（例えばポリエチレンテレフタレート、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ポリビニルクロリド、ポリプロピレンもしくはポリスチレン）、ニトロセルロース、ナイロンから製造される。

固相アッセイは具体的には興味をもたれる分子で被覆された複数のウェルを含むアッセイ皿中で実施される。これらの複数ウェル適用皿は通常、興味をもたれる１種もしくは複数の分子に可変性親和性を有することができるガラスもしくはプラスチックのいずれかから製造される。アッセイ用製品の製造に使用されるプラスチックにはポリエチレンテレフタレート、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ポリビニルクロリド、ポリプロピレンもしくはポリスチレンが含まれる。

複数ウェルの皿はそれらの表面に選択された分子のそれらの親和性および／もしくは貯留性を改善するように化学的に処理することができる。もちろん、処理された表面は高い親和性および貯留性を伴なって標的分子と結合するが、しかし更にまた、結合された分子に、全部ではないにしても大部分のその生物学的活性を保持させて、それにより感受性の高い信頼性のあるアッセイを提供することが著しく望ましい。

固相表面に対するこのような処理法の１例は特許文献２に記載されている（特許文献２参照）。当該特許は表面を多糖類と結合させる処理につき記載している。この方法で処理された表面は抗体および抗原の双方に増加した親和性を示す。特許文献３はポリスチレンのようなプラスチックから製造されたアッセイ容器の使用に対する代替物として特殊化された樹脂から製造された固相アッセイ表面につき記載している（特許文献３参照）。具体的には特許文献３はフッ素化樹脂のポリテトラフルオロエチレンの使用を開示している（特許文献３参照）。特許文献４はポリエチレンイミンで固相のアッセイ表面を被覆することを記載している（特許文献４参照）。処理表面は低レベルの非特異的吸着および高濃度の標的分子の結合を示す。

微小流体システムは、装置の寸法が、表面張力が重力を支配するようなものである、規模を落した流体流動装置である。この結果として、装置の内面の特性が装置の効力に大きな影響を有する。微小流体装置は具体的には、ポリカーボネートのようなポリマーもしくはケイ素から構成される。

更に、「ラブオンナチップ（ｌａｂ ｏｎ ａ ｃｈｉｐ）」は１種の規模を縮小された実験室実験もしくは通常の方法を小規模で適用させる一連の実験である。

特許文献５において、我々はプラズマ重合による製品の処理を開示している（特許文献５参照）。

プラズマ重合は複雑な幾何学構造をもち、調節可能な化学官能性をもつ基板上に、極めて薄い（例えば約２００ｎｍ）架橋ポリマーフィルムをめっきさせる方法である。その結果、物質の表面化学特性は、そのように処理された基板のバルク特性に影響を与えずに、修飾されることができる。プラズマもしくはイオン化ガスは一般に電界により励起される。それらはイオン、電子、中性物（ｎｅｕｔｒａｌｓ）（ラジカル、準安定、基底および励起状態の物質）および電磁光線を含んで成る著しく反応性の化学的環境物である。減圧下で、電子温度がイオンおよび中性物の温度と実質的に異なる環境（ｒｅｇｉｍｅ）を達成することができる。このようなプラズマは「冷」プラズマもしくは「非平衡」プラズマと呼ばれる。このような環境においては、多数の揮発性有機化合物（例えば化合物を含む揮発性アルコール、化合物を含む揮発性酸、化合物を含む揮発性アミン、または生のもしくは他のガス（例えばＡｒ）を含む揮発性炭化水素）が重合して（非特許文献１参照）、プラズマと接する表面および流れ（ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）の下流のものの双方を被覆することが示された。その有機化合物はしばしば「モノマー」と呼ばれる。めっき体はしばしば「プラズマポリマー」と呼ばれる。このような重合法の利点は潜在的に極めて薄い、ピンホールのないフィルムのメッキ、プラズマポリマーを広範囲の基板上にめっきすることができ、方法が溶媒を要さないそしてプラズマモノマーの汚染がないこと：が含まれる。低電力、具体的には１０^−２Ｗ／ｃｍ^３の条件下では、実質的な程度の最初のモノマーの化学特性を保持するプラズマポリマーフィルムを調製することができる。例えば、アクリル酸のプラズマ重合フィルムはカルボキシル基を含む（非特許文献２参照）。低電力環境は連続波電力を低下させるかもしくは電力をオン、オフに脈動させることにより達成することができる。

炭化水素との、官能基を有する１種もしくは複数の化合物の共−重合は、生成されるプラズマコポリマー（ＰＣＰ）中の表面官能基濃度に対してある程度の制御を可能にする（非特許文献３参照）。モノマーは適当にはエチレンにより飽和されている。従って官能基をもつ化合物は例えば不飽和カルボン酸、アルコールもしくはアミンであることができ、他方炭化水素は適当にはアルケンである。プラズマ重合により、更にエチレンオキシド型の分子（例えばテトラエチレングリコールモノアリルエーテル）をめっきして、「汚染物のない（’ｎｏｎ−ｆｏｕｌｉｎｇ’）」表面を形成することもできる（非特許文献４参照）。ペルフルオロ−化合物（すなわちペルフルオロヘキサン、ヘキサフルオロプロピレンオキシド）をめっきして、疎水性／超疎水性表面を形成することもできる（非特許文献５参照）。

この方法は表面が独特な化学的および物理的特性を有するために有利である。例えば、表面は前記表面に露出された生物学的分子に対して増加した親和性を有し、結合された分子のアッセイを可能にする。表面は均一で、表面に結合された生物学的分子の再現可能な、感受性の高い分析を可能にする。同様に、基板の表面の湿潤性、接着性および摩擦／摩耗特性を調節可能な、予言可能な方法で修飾することができる。

特許文献５に開示された方法は、それに生体分子が特異性および親和性を伴なって結合する均一なプラズマ重合した表面を提供することに関しては有効であるが、様々な化学的もしくは物理的特性を有する表面を提供するためには十分多様ではない。

本明細書に開示された方法は、不均一で異なる化学的および／もしくは物理的特性を有する局所的表面領域を区画する表面を提供させる。我々はこれらの表面を化学および地形学の双方において「パターン化した」ものと言及する。その効果はパターン化される表面上に平行移動される１個もしくは複数のマイクロメータ規模の孔をとおして一定の割合のプラズマを引き去る（ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆｆ）ことにより実施される。あるいはまた、プラズマを先端もしくは微細毛細管内で励起して、それを次に分子構造物および化学物質を表面上に「描く（ｗｒｉｔｅ）」ために使用することができる。化学物質および分子構造物は重要なプラズマのパラメーター（電力、流量、脈動負荷サイクルもしくはモノマーの組成）を変更する、または書き付け中に物理的、電気的もしくは磁力手段によりプラズマの「引き去り（ｄｒａｗｎ ｏｆｆ）」部分を変更することにより垂直方向に（Ｚ−方向）そして／もしくは横方向に（Ｘ−Ｙ面）変化させることができる。これらの表面は異なる分子の固定化およびミクロン規模の分子濃度を可能にする。同様に、この方法は表面上の局所的湿潤性、付着性および摩擦／摩耗特性を制御し、微小流体学における適用をもつために使用することができる。

化学および地形学の組み合わせはスイッチ、弁およびポンプとして働くことができるミクロメーター規模の構造物の製造を可能にする。

本明細書に我々は化学的および構造的な微小パターンもしくは具体的には三次元に延伸する勾配を特徴とする表面を提供する、「プラズマ書き付け（ｐｌａｓｍａ ｗｒｉｔｉｎｇ）」と呼ばれる方法を開示し、ここでＸ−Ｙ面は表面により区画され、Ｚ−方向は実質的にそれに垂直である。本発明は、非特許文献６に記載のようなマスクもしくはステンシルを前以て形成する必要なしに、そして同一方法の一部として単一面上に形成された異なる構造物の数もしくは種類に制約されることなしに、ある表面上に化学的および分子的双方の構造物を形成して、二次元もしくは三次元のパターンを形成する方法に関する。
米国特許第５，５４５，５３１号明細書 独国特許第２０１６６８７号明細書 国際公開第８６０３８４０号パンフレット 国際公開第９８１９１６１号パンフレット 国際公開第０１／３１３３９号パンフレット Ｈ．Ｋ．Ｙａｓｕｄａ，Ｐｌａｓｍａ Ｐｏｌｙｍｅｒｉｓａｔｉｏｎ，Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，Ｌｏｎｄｏｎ １９８５） Ｈａｄｄｏｗ外，Ｌａｎｇｍｕｉｒ，Ｖｏｌ １６：５６５４−６０，２０００ Ｂｅｃｋ外，Ｐｏｌｙｍｅｒ ３７：５５３７−５５３９，１９９６ Ｂｅｙｅｒ外，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ３６：１８１−９，１９９７ Ｃｏｕｌｓｏｎ外，Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ １２：２０３１−２０３８，２０００ Ｄａｉ外，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｂ １０１：９５４８−５４（１９９７）

本発明の１アスペクトに従うと、基板に対して不均一なプラズマ重合表面をめっきするための方法が提供される。

不均一とは不均一な化学的および／もしくは物理的構造を有する表面を意味する。

本発明の更なるアスペクトに従うと、表面上に少なくとも１種のプラズマモノマーをめっきすること（ここで前記モノマーのめっき中に、処理される表面上にわたりモノマー源を移動させて不均一なポリマー表面を製造する手段が提供される）；を含んで成る、基板の少なくとも１表面の少なくとも一部を調製する方法が提供される。

まだ更なるアスペクトにおいて、前記基板表面上に少なくとも１種のプラズマモノマーをめっきすること（ここで前記モノマーのめっき中に、モノマー源および処理される基板表面の相対的移動を誘起させて不均一なプラズマポリマー表面を製造する手段が提供される）：を含んで成る、基板の少なくとも１表面の少なくとも一部を調製する方法が提供される。

本発明の好ましい方法において、前記手段は前記基板を前記モノマー源に対して移動させる。

本発明の代わりの方法において、前記手段は前記モノマー源を前記基板に対して移動させる。

基板およびプラズマ源は精密ＸＹＺ平行移動台のいずれかの側に添付される。ＸＹＺ台は１個の固定化されたフランジおよび１個の移動するフランジを含んで成る。従って、基板およびプラズマ源は相互に対して移動される。

本明細書に開示された本発明は、場合によっては異なる濃度でそしてミクロメーターの解像度（ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）で空間的に制限されたパターンの異なる化学物質および分子構造物をもつプラズマポリマーのメッキを可能にする。これは、有利には；異なる生物学的分子および異なる濃度の生物学的分子の結合および／もしくは分離、その後のそれらの検出および分析を容易にし、湿潤性、摩擦および摩耗並びに付着性のような表面の特性を局所的に修飾し、そして化学物質および構造物の組み合わせによりスイッチ、弁もしくはポンプとして働く（適当な刺激の受容時に）構造物を製造する；著しく明確な化学的および物理的表面特性をもつ製品の生産を可能にする。

本発明の好ましい方法において、少なくとも２種のモノマーから形成された２種以上のプラズマポリマー、好ましくは複数のモノマーから形成された複数のプラズマポリマーを含んで成る表面が提供される。

本発明の更に好ましい方法において、前記の表面は、そこで前記のプラズマポリマーの濃度が前記の表面全体もしくはその一部で不均一である少なくとも１種のモノマーの少なくとも１種のプラズマポリマーを含んで成る。

本発明の更に好ましい方法において、前記の表面は、そこで少なくとも１種のプラズマポリマーの濃度が前記の表面全体もしくはその一部で不均一である、２種以上のモノマーの２種以上のプラズマポリマーを含んで成る。

本発明の更に好ましい方法において、前記のモノマーは揮発性アルコールである。

本発明のそれに代わる方法において、前記のモノマーのパターンは揮発性の酸である。

まだ更なるそれに代わる方法において、前記のモノマーは揮発性アミンである。

本発明の更なる方法において、前記のモノマーは揮発性炭化水素である。

本発明のまだ更なる好ましい方法において、前記のモノマーは揮発性炭化フッ素である。

本発明のまだ更に好ましい方法において、前記のモノマーはエチレンオキシド−型分子である。

本発明の更に好ましい方法において、前記のモノマーは揮発性シロキサンである。

本発明のまだ更に好ましい方法において、前記のモノマーはアリルアルコール、アクリル酸、オクタ−１，７−ジエン、アリルアミン、ペルフルオロヘキサン、テトラエチレングリコールモノアリルエーテルもしくはヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）：から成る群から選択される少なくとも１種である。

本発明の更に好ましい方法において、前記のモノマーは単一のモノマーから成る。

当該モノマーは好ましくは、本質的に、エチレン性不飽和有機化合物から成る。

モノマーは好ましくは、本質的に単一の、エチレン性不飽和有機化合物から成る。

モノマーは好ましくは、エチレンオキシド型分子（例えばトリグリム）から成る。

化合物は好ましくは、アルケン（例えば、２０個までの炭素原子、そしてより通常には１２個まで、例えば８個の炭素原子を含む）、カルボン酸（特にα，β−不飽和カルボン酸、例えばアクリル酸もしくはメタクリル酸）、アルコール（特に不飽和アルコール）またはアミン（特に不飽和アミン）である。

モノマーは好ましくは、２種以上の、エチレン性不飽和有機化合物の混合物から成る。

化合物は好ましくは、アルケン（例えば、２０個までの炭素原子、そしてより通常には１２個まで、例えば８個の炭素原子を含む）、カルボン酸（特にα，β−不飽和カルボン酸）、アルコール（特に不飽和アルコール）またはアミン（特に不飽和アミン）：から成る群から選択される。

「アルケン」は１個もしくは２個以上のＣ＝Ｃ二重結合を含む直線状および分枝アルケン、そのうちで直線状アルケンが好ましいが、例えば、オクタ−１，７−ジエンのようなオクタジエンを表わす。ジエンは好ましい群のアルケンを形成する。

モノマーは本質的に飽和有機化合物から成ることができる。モノマーは芳香族化合物、複素環式化合物もしくは１個もしくは２個以上の炭素−炭素三重結合を含む化合物から成ることができる。

あるいはまた、前記ポリマーはコ−ポリマーである。前記コ−ポリマーは好ましくは、少なくとも１種の炭化水素を含む少なくとも１種の有機モノマーを含んで成る。前記の炭化水素は好ましくは、アルケン、例えばオクタ−１，７−ジエンのようなジエンである。

その方法はまた、プラズマを形成するための他の化合物、例えばそして限定にはよらないが、エチルアミン、ヘプチルアミン、メタクリル酸、プロパノール、ヘキサン、アセチレンもしくはジアミノプロパンの使用を包含する。

モノマーは好ましくは、少なくとも６．６×１０^−２ｍｂａｒの蒸気圧を有する重合可能なモノマーである。１．３×１０^−２ｍｂａｒ未満の蒸気圧を有するモノマーは、加熱によりそれらの蒸気圧を十分に上昇させることができない場合は、一般に適当ではない。

本発明の好ましい方法において、前記の１種もしくは複数のモノマーは前記の表面上に空間的に分離された点にめっきされる。

本発明の更に好ましい方法において、前記の１種もしくは複数のモノマーは前記の表面上に経路もしくは線にめっきされる。

本発明のまだ更に好ましい方法において、前記の点および／もしくは線は異なるポリマー化合物であることができる。

本発明のまだ更に好ましい方法において、線、経路もしくは点の化学組成および／もしくは官能性はその長さおよび高さに沿って不均一であることができる。

本発明のまだ更に好ましい方法において、線もしくは経路はループもしくは閉鎖回路の形態にあることができる。

本発明のまだ更に好ましい方法において、めっきされたプラズマポリマーから成らない領域は非結合表面を提供する重合エチレン−オキシド型モノマーから成ることができる。

本発明の好ましい方法において、前記のプラズマはそれから最初のモノマー化合物を含むフィルムを得ることができる低電力条件下に維持される。低電力条件は具体的には、１０^−２Ｗ／ｃｍ^３の連続波電力もしくは脈動プラズマの場合には同等な時間−平均電力を表わす。

本発明の更なるアスペクトに従うと、本発明に従う方法により得ることができる表面を含んで成る基板が提供される。

前記の基板は好ましくはガラス、プラスチック（例えばポリエチレンテレフタレート、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ポリビニルクロリド、ポリプロピレンもしくはポリスチレン）、ニトロセルロースまたはナイロン、金属、セラミックス、石英、複合構造物（例えばガラス上の金属フィルム）またはシリコンウェファー：から成る群から選択される。

本発明の好ましい態様において、前記基板はアッセイ用製品の一部である。

本発明の更に好ましい態様において、前記アッセイ用製品はマイクロアレーである。

代わりの好ましい態様において、前記アッセイ用製品は微量滴定板である。

代わりの好ましい態様において、前記製品は質量分光分析計に使用のためのプローブ部品である。

更なる態様において、前記の表面は細胞および／もしくは蛋白質および／もしくは高分子を分離するための製品の一部である。表面はアフィニティ精製母材の一部であることができる。

代わりの好ましい態様において、前記の基板は微小流体装置もしくはその一部（例えば弁、スイッチ、誘動チャンネル、結合部位、ポンプ）を含んで成る。

本発明が、物理的に不均一で、「パターンを書き込んだ（ｐａｔｔｅｒｎｅｄ）」と呼ばれるプラズマ重合された表面の提供に関することは明白であろう。本発明はマイクロメーターの精度で「引き去（ｄｒａｗｎ）」されることができる２種以上の単一のパターンを付けた化学物質を含む表面（実際的にはその数に実際的限度はない）の提供に関する。このような表面はＤａｉ外（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｂ １０１：９５４８−５４，１９９７）のステンシル法により得ることはできない。基板の形態は単にプラズマのパターンの最大解像度に影響を与えるだけである。

パターンはセンチメーターから約５ミクロンまでの規模のあらゆる組み合わせの、線、円、ループ、配列（ａｒｒａｙ）もしくはあらゆる想像できる幾何学的形状から成ることができる。これにはｚ−軸（高さ）に沿う物質もまた化学的および物理的相異を示す３−次元のパターンが含まれる。従って、表面の異なる局所的領域上に異なる「化学物質（ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）」を含む層を含んで成るナノメーターの特徴物を表面上に「成長（ｇｒｏｗｎ）」させることができる。

ポリマーは、それがプラズマを形成するようにさせることができるとすれば、実質的にあらゆる化合物（特に有機化合物）からめっきされることができる。これを、加熱することによりもしくはキャリヤーガス、例えば、室温で少なくとも６．６×１０^−２ｍｂａｒの蒸気圧を有するモノマーの使用により実施することができるが、これは具体的には、化合物が揮発性でなければならないことを意味する。従って、あらゆる化学的官能基を含む微小な点もしくはそのアレー、または微細経路を形成することができ、そして単一の基板上にめっきさせることができる異なる化合物数に限度はない。これは、「モノトーンの（ｍｏｎｏｔｏｎｅ）」パターンをめっきすることができるのみである以前に開示されたプラズマポリマーのパターン書き込み法と対照的である。描かれたポリマーは必ずしも何か官能性物質を含むわけではなく−炭化水素の出発化合物は本質的に官能性物質のブランクな表面をめっきするであろう。汚染のない表面上の官能化パターンの提供は最初に、エチレンオキシド型のモノマーにより均一にプラズマ重合された表面上に書き込むことにより実施することができる。プラズマポリマーのパターン書き込みの最近開示された方法は２種以上の化合物を含む表面の形成を可能にさせない。更に、基板上にポリマーを書き込むこの方法を使用することは閉鎖ループおよび回路の表面上への形成−被覆されたマスクの使用により除外された表面パターン書き込みのアスペクト、を可能にする。

あるいはまた、もしくはそれと併せて、処理期間中に、プラズマの操作により、その長さに沿って変動可能な濃度の化合物（例えばポリマーもしくはプラズマ）、本明細書では「勾配表面」と呼ばれる、具体的には微細勾配、を有するパターンを書き込むことができる。本発明は少なくとも１軸（ＸＹＺ）に沿って、具体的にはその長さに沿って、変動可能な濃度のプラズマもしくはポリマーを有するプラズマ重合された表面を包含する。更に本発明は制御された方法でめっきされた複数のプラズマポリマーを含んで成る表面を包含する。

化合物の勾配を形成するために、プラズマの組成は表面に対する書き込み要素の相対的移動に付随して変化される。プラズマの組成のこのような変化は１種もしくは複数のモノマーの温度を変化させ、１種もしくは複数のモノマーまたは１種もしくは複数のキャリヤーガスの部分圧もしくは混合比率を増加させることにより、あるいはシステム中へ入力される電力の振幅もしくは脈動の型もしくは振動数を変化させることにより達成することができる。

本発明のまだ更なるアスペクトに従うと、アレープリンターとともに使用のための本発明に従うアッセイ用製品が提供される。

本発明の更なるアスペクトに従うと、アレーリーダーとともに使用のための本発明に従うアッセイ用製品が提供される。

今や本発明を例としてのみにより、そして以下の図面、材料および方法について説明される。

材料および方法
プラズマ重合の方法は国際公開第０１／３１３３９号パンフレットに開示され、その全体が引用により取り入れられている。

プラズマ「書き込み」装置のスキーム図は図１に示される。装置はマスク板により分離された、しかし共通の真空システムを共有する２個の真空室から成る。一番上の室はいくつかのモノマー流入口および、プラズマを励起するための電極を有する。下方の室は、その上にパターンを描かれる基板が固定化されている、精密なＸＹＺ操作台を含む。

「書き込み（ｗｒｉｔｅｒ）」要素は表面上に化学物質を「書き込む」ために使用される小さい特徴物を含む「ペン先（ｎｉｂ）」から成る。このようなペン先の例には、単一の孔、複数の孔および、その寸法が２ミクロンから数センチメーターまでにわたることができるが、より具体的には５〜１０００ミクロンの領域にある単一もしくは複数のスロットが含まれる。ペン先は（例えば）微細毛細管の場合には、プラズマ源の一体的部分であることができる。この場合には、「ペン先」の用語は毛細管の先端の出口を表わす。

プラズマは国際公開第０１／３１３３９号パンフレットに記載されたように、所望の組成の均一なフィルムをめっきするために要されると考えられるような組成物（１種もしくは複数のモノマーまたは１種もしくは複数のキャリヤーガスと併せた１種もしくは複数のモノマーの）から由来する。

具体的には、モノマーは加熱もしくは噴霧により、またはキャリヤーガスの使用によりまたは室温以下におけるそれ自身の蒸気圧のいずれかにより、気相中に存在するように誘動することができる有機化合物から成る。プラズマ室内の圧力は具体的には約１×１０^−２ｍｂａｒであり、通常は１０^−３ｍｂａｒ〜１ｍｂａｒの範囲内にある。プラズマ重合のための作業圧力は通常、１０^−５ｍｂａｒと大気圧以上の間である。

他のプラズマシステム、例えば、マイクロウェーブ、脈動ｒｆ、ｄｃ、大気、小型放電（ｍｉｃｒｏｄｉｓｃｈａｒｇｅ）、微細毛細管を使用することができ、これらのプラズマ源を一体化させるために前記の説明を適用する方法は当業者には明白であろう。

書き込み要素はＸＹＺマニピュレーター上に固定化された試料の表面上を平行移動される。試料もしくはプラズマ源のいずれかまたは双方を他方に対して移動させることができる。このような移動は手動でもしくはコンピューター制御モーターの作用により制御されて、表面上に所望の特徴物の形状を書き込むことができる。移動速度は書き込み要素の寸法、プラズマポリマーのめっき速度およびめっきされたフィルムの要求厚さを知ることにより容易に計算することができる。

化学物質の勾配を形成するためには、プラズマの組成を、表面に対する、書き込み要素の相対的移動に付随して変化させる。プラズマの組成のこのような変化は１種もしくは複数のモノマーの温度を変化させることにより、１種もしくは複数のモノマーまたは１種もしくは複数のキャリヤーガスの部分圧もしくは混合比率を増加することにより、あるいはシステム中に入力される電力の振幅もしくは脈動の型もしくは振動数を変更することにより達成することができる。プラズマ組成の変更のその他の方法は当業者に周知である。

試料はマスク板に極めて近位になるように（しかし接触させないで）持ち上げる。マスク板はめっきされる特徴物を区画する小さい出口をもつステンレス鋼の板から成る。めっきの性状はプラズマが出口により誘動されて、その下方の表面上にポリマーのめっきを形成するようなものである。しかし、この出口はほとんど、表面上に映像を形成するための単純な「ステンシル」とは異なり、基板上に官能化されたポリマー材料を書き込むための「ペン」として使用されることに注目されたい。

双方の室は２−段階ロータリーポンプにより支持されたターボ分子ポンプから成る共通の真空システムを使用して真空にされる。装置全体の基礎圧力は〜１０^−５ｍｂａｒである。

プラズマはｒｆ発電機（Ｃｏａｘｉａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＵＫ）により上方の室内で励起され、そして１種もしくは複数のモノマーの流量並びにプラズマの電力および脈動の型を調節することにより、所望のプラズマ組成を選択する。

微小な点としてのプラズマポリマーの「書き込み」
アリルアミンをＡｌｄｒｉｃｈ（ＵＫ）から購入して、使用前に溶解ガスを除去するために数回の凍結−ポンプ−融解サイクルを繰り返した。基板としてシリコンウェファーを使用し、イソプロピルアルコールで洗浄後、両面粘着テープを使用してＸＹＺ台に取り付けた。〜１００ミクロンの孔から成るマスクをマスク板に付け、基板をマスク板の数ミクロン以内まで持ち上げた。

微細制御針の弁を使用して上方の室内に〜５ｓｃｃｍのモノマー流量を設定した。その後、上方室内でプラズマを励起し、約３０秒間維持して、マスク板の直下の基板の領域上にアリルアミンのプラズマポリマーの微小な点を与えた。

カルボン酸の化学官能基の更なる点を、モノマー化合物をアリルアミンからアクリル酸に変更することによりアミンの点に沿って書き込む。

微細経路としてのプラズマポリマーの「書き込み」
方法はプラズマ微小点につき前記のものと同様である。微細経路をめっきするためには、プラズマ組成物を同様に維持し、試料をマスク板の下方を移動して、プラズマを有効に使用して、基板上に経路および特徴物を「描く」。

プラズマ勾配の「書き込み」
２種の異なるモノマー化合物を使用することにより官能性物質の勾配をめっきした。アリルアミンおよびアクリル酸をＡｌｄｒｉｃｈ（ＵＫ）から購入して、溶解気体を除去するために数回の凍結−ポンプ−融解サイクルにかけた。１個の〜１００ミクロンの孔から成るマスクをマスク板に付け、基板としての１片のシリコンウェファーを、接触させずに（前記のように）マスクにできるだけ近位に持ち上げた。最初にアクリル酸のモノマー供給物のみを使用してプラズマを励起した。次にモノマーガスの混合物をマスクの下方の試料の直線移動に付随して変化させた。従って初回のめっきは全体的にアクリル酸プラズマポリマーから成り、他方その後のめっきはアリルアミンとアクリル酸の混合物から成り、そしてめっきの最終部分は全体的にアリルアミンから成った。従って実験期間中、試料の移動範囲にわたり、表面の組成はカルボン酸基により支配されるものからアミン基が支配するものに滑らかに変化した。

微細勾配物は単に２−官能性の勾配に限定はされず、あらゆる数のモノマーを使用して連続的に変化する表面特徴物を形成することができる。同様に、他の特性の勾配：湿潤性の勾配（超疎水性から親水性まで）、架橋密度、付着性および厚さの変化の勾配、を考えることができる。それらの特性が何であることができるかに拘わらず、異なる特性をもつあらゆる２種以上のポリマーを結合する化学的に連続した領域を含んで成る勾配を形成することができる。ポリマーはｎ−次元の母数−空間における１点を占るように見え−母数空間の寸法と独立したこのような２点間には常に直接的経路が存在するであろう。

前記の例はその方法を具体的に示すために約１００ミクロンの特徴物スケールを使用している。実際的には、上方の境界としてミリメーターもしくはセンチメーターの規模で、下端の１ミクロンまで表面に描くことが要求されると考えられる。

プラズマの書き込み法を制御するためにプラズマシステムには、実施することができると考えられる変化物がある。プラズマはＤＣ、高周波（脈動もしくは連続波）またはマイクロウェーブ光線を使用して励起させることができるか、あるいはそれはミクロメーター規模の毛細管内もしくはその先端で励起させることができる。幾つかの比較的揮発性の弱いモノマーに対してはキャリヤーガスが関与するかも知れない。その方法は、改善された精度および書き込み方法の自動化のためのプラズマパラメーターおよびＸＹＺ台の位置を管理するために簡単なコンピューターシステムから利益を得ることができる。更に、実験は上方の室内のプラズマおよび下方の室内の試料について説明したが、パターンの形成は、システムの構成部品の配置に関係なく、マスク板により試料がプラズマから隔離されることのみを要請する。

適用電磁界によりマスク領域内のプラズマ組成を変化させることができる。これらはプラズマを更に焦点合わせするための「レンズ」として使用することができると考えられる。それらはまた、プラズマのイオン成分およびラジカル成分の相対的寄与を増加もしくは減少させるために、−極端には、基板に到達する物質をラジカル物質の平行ビームもしくはイオンの低エネルギービームに減少させるために使用することもできる。
基板材料上への直接的めっきに加えて、書き込みの前に表面を洗浄するか、もしくは地形学的特徴物を基板中にエッチングするために前処理を使用することができる。これは単一の処理で表面上に３−次元の官能化構造物（例えば底部に沿ってめっきされたアミン官能基をもつ「溝（ｔｒｅｎｃｈ）」）の構成を可能にする。

これらのプラズマめっきされたパターンを使用することができると考えられる多数の領域が存在する。微小点およびマイクロアレーは、例えばゲノム分析学およびＤＮＡの早急なスクリーニング、蛋白質分析学および免疫診断学における化学的もしくは生化学的相互作用の顕微鏡的「試験管」として使用することができる。めっきされた官能基は、ＤＮＡ、ＲＮＡ、蛋白質、ペプチド、ポリペプチド、リガンド、プトレオグリカン、炭水化物、ヌクレオチド、オリゴヌクレオチドのような存在物を固定化するために使用することができる。あるいはまた、それらは化学的手段によるその後の誘導体化のための反応部位として働くことができる。

微小点およびマイクロアレーからの次の高度化は単一の官能性物質の微小パターンを形成することである。縞、経路およびより複雑な形状を、同一基板上に異なる官能基を使用し、異なる化学物質を含む官能性パターンを同一基板上に存在させ、そして更にループおよび回路の形成を可能にすることによりめっきさせることができる。これらの特徴物は「微細弁（ｍｉｃｒｏｖａｌｖｅｓ）」として少量の液体の輸送、少量の試薬の吸着のためそして付着性を制御するために微細流体学において使用することができる。

微細勾配物は物理的もしくは化学的特性（例えば質量、電荷、サイズ、疎水性）の差に基づいて生体分子の混合物を分離するために使用されることができると考えられる。これはゲル電気泳動法およびゲル透過クロマトグラフィーに類似する。勾配は異なる特性（電荷、サイズ等）により類似混合物を分離するために使用することができると考えられる。

書き込まれた特徴物の化学物質は非官能性炭化水素表面（アルカン、アルケン、芳香族型化合物からめっきされた）から、あらゆる他の考えられる化学基までの範囲にわたることができる。例えば、アミン、酸、アルコール、エーテル、エステル、イミン、アミド、ケイトン（ｋｅｙｔｏｎｅ）、アルデヒド、無水物、ハロゲン、チオール、カルボニル、シリコーン、炭化フッ素。更に、電気伝導性であるプラズマポリマーをめっきすることができる。取り込まれた官能性物質に対する唯一の限定は低圧（〜１０^−５ｍｂａｒ）において気相（加熱してもしくは加熱せずに）で存在させることができる出発化合物が存在しなければならないことである。反応性気体（Ｎ_２、Ｏ_２、Ｈ_２Ｏ）もしくは非反応性気体（Ａｒ）を使用して異なる化学物質を形成することができる。これらの気体はまた、すべて同様な方法の一部として基板中に特徴物をエッチングするために使用することもできる。

同一基板材料上にあらゆる組み合わせもしくは配列のあらゆる数の前記官能性物質の混合物を含むパターンを形成することができる。

センチメーター規模から約１０ミクロンまでの官能性物質の勾配を含む表面が可能である。勾配は２種の異なる化学物質間の連続的変化の領域である。直線を常に空間の２点間に引くことができるのと同様に、勾配は常に、異なる化学物質のあらゆる２種の領域間に構成することができる。

ポリマーの微細パターン、マイクロアレー、微細勾配および微細経路をあらゆる基板材料上に書くことができる。例えば、ガラス、セラミックス、金属、半導体および（それらに限定はされないが）ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリビニルクロリド（ＰＶＣ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含むポリマー。

ペルフルオロヘキサンをＡｌｄｒｉｃｈ（ＵＫ）から購入し、使用前の溶解気体を除去するための数回の凍結−ポンプ−融解サイクルを除いて、受領したままで使用した。基板として１枚の１３ｍｍのガラスのカバースリップ（ｃｏｖｅｒｓｌｉｐ）を使用し、アセトンおよびイソプロピルアルコールで洗浄し、次にＸＹＺマニピュレーター上に配置し、反応容器の基底圧力（＜１０^−３ｍｂａｒ）までポンプで圧力を下げた。５００ミクロンの円形断面の書き込み要素を励起室と試料表面間に配置した。微細制御針弁を使用して２．４ｃｍ^３ _ｓｔｐ分^−１のペルフルオロヘキサン蒸気の流量を達成した。これはめっき中３．４×１０^−２ｍｂａｒの反応容器圧力を与えた。めっき中固定化されたままの書き込み要素で２分間にわたり１０Ｗの連続波電力でプラズマを励起して、ペルフルオロヘキサン化学物質の「点」を残した。

炭化フッ素のプラズマポリマーはそれらの性状により疎水性であるが、他方、ガラス基板は比較的親水性である。点を通常の光学顕微鏡を使用して写真撮影し、凝縮水蒸気は接触角を対比する領域を示す。これは図２に示される。背景物質に対比されたプラズマポリマーの異なる湿潤性が水滴に異なる形状を持たせる。

アクリル酸およびオクタ−１，７−ジエンのモノマーをＡｌｄｒｉｃｈ（ＵＫ）から購入し、使用前の溶解気体を除去するための数回の凍結−ポンプ−融解サイクルを除いて、受領したままで使用した。最初に、オクタジエンのプラズマポリマーの均一層を２ｃｍ^３ _ｓｔｐ分^−１の流量および１０Ｗの連続波電力を使用して１枚の１３ｍｍのガラスのカバースリップ上にめっきして、その上に親水性（カルボン酸）化学物質を書くための疎水性背景面を提供した。オクタジエンで被覆されたガラスのカバースリップをＸＹＺマニピュレーター上に配置し、システムを反応容器の基底圧力（＜１０^−３ｍｂａｒ）までポンプで空気を抜いた。励起室と試料表面間に１００ミクロンの書き込み要素を配置した。微細制御針弁を使用して４ｃｍ^３ _ｓｔｐ分^−１のアクリル酸の流量を設定した（これは２．２×１０^−２ｍｂａｒの反応容器圧力を与えた）。次にプラズマを１．８×１０^−２ｍｂａｒの圧力および５Ｗの連続波電力で２分間励起し、その間に書き込み要素は表面上を最初にＸ−方向（０．５ｍｍ／分で）に１分間、次にＹ−方向（０．５ｍｍ／分で）に１分間平行移動させた。

めっきされたアクリル酸化合物は背景のオクタジエン表面よりずっと親水性であり、従ってこれらの２領域間の対比は表面上に水蒸気を凝集させ、次に通常の光学顕微鏡を使用してそれらを直接観察することにより可視化させた（図３）。図３は書き込み要素により書かれた直角の一対の直線を示す。映像は前記と同様な方法により形成された。

アクリル酸およびアリルアミンモノマーをＡｌｄｒｉｃｈ（ＵＫ）から購入し、使用前の溶解気体を除去するための数回の凍結−ポンプ−融解サイクルを除いて、受領したままで使用した。基板材料として１３ｍｍのガラスのカバースリップを使用し、ＸＹＺ試料台に付け、システム基底圧力（＜１０^−３ｍｂａｒ）までポンプで圧力をかけた。１ｃｍの書き込み要素を使用し、最初に試料表面全体がプラズマに露出されるように配置した。４ｃｍ^３ _ｓｔｐ分^−１のアリルアミンから成るプラズマを５Ｗの連続波電力および１．９×１０^−２ｍｂａｒの反応容器圧力でプラズマ室内で励起した。書き込み要素を１３分間１ｍｍ／分の速度で表面上を移動させた。同時にアリルアミンの流量を針の弁を緩徐に制御しながら減少させ、１２分後にモノマーの流れが４ｃｍ^３ _ｓｔｐ分^−１流量のアクリル酸および〜２×１０^−２ｍｂａｒの圧力から成るようにアクリル酸蒸気の流れに置き換えた。総モノマー流量は常に４ｃｍ^３ _ｓｔｐ分^−１に維持された（ｃｍ^３ _ｓｔｐ分^−１における２種のモノマーの流量の比率は理想的動態を推定するとそれらのモル比に等しい）。

試料表面に沿った化学物質の緩徐な変化を分析するために、それをカバースリップ上で５００ミクロン間隔でＸ−線光電子分光計を使用して分析した。各地点における元素の組成は酸素／炭素および窒素／炭素の比率として図４に示す。

図４は５Ｗの一定電力および１．０ｍｍ／分の書き込み要素に対する試料の移動速度における、１００％アリルアミンの組成から１００％アクリル酸まで、書き込み要素の移動に付随して変化した酸素および窒素の化合物の勾配を示す。

プラズマ重合装置である。 ペルフルオロヘキサンのプラズマポリマーの５００ミクロンの点に凝縮する水蒸気の写真映像である。 ９０度の屈曲部を含む、アクリル酸のプラズマポリマーの１００ミクロン幅の線に凝縮する水蒸気の写真映像である。 １１ｍｍの距離にわたるアクリル酸／アリルアミンの勾配物のＸＰＳにより測定された、元素の組成を示すグラフである。

Claims (34)

1. 基板の少なくとも１表面の少なくとも一部を調製する方法であって、
   前記表面上に少なくとも１種のプラズマモノマーをめっきすること、
   ただし、前記モノマーのめっき中に、めっきされる表面上の特徴物を区画する少なくとも１つの孔を有し、かつ前記基板に接触せず近接されたマスク板により前記基板がモノマー源から分離された条件下において、前記基板の表面を前記モノマー源に対し相対的に移動させて不均一なプラズマポリマー表面を製造する手段が提供される、を含んで成る方法。
2. 前記手段が前記モノマー源に対して前記基板を移動させる請求項１記載の方法。
3. 前記手段が前記基板に対して前記モノマー源を移動させる請求項１記載の方法。
4. 表面が少なくとも１種のモノマーの少なくとも１種のプラズマポリマーを含んで成り、そこで前記プラズマポリマーの濃度が前記表面全体もしくはその一部上で不均一である、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 少なくとも２種のモノマーから形成された２種以上のプラズマポリマーを含んで成る表面が提供される、前記請求項のいずれかに記載の方法。
6. 少なくとも１種のプラズマポリマーの濃度が前記表面全体もしくはその一部上で不均一である、請求項５のいずれかに記載の方法。
7. モノマーが室温で少なくとも６．６×１０^-2ｍｂａｒの蒸気圧を有するアルコールである前記請求項のいずれかに記載の方法。
8. 前記モノマーが室温で少なくとも６．６×１０^-2ｍｂａｒの蒸気圧を有する酸である請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
9. モノマーが室温で少なくとも６．６×１０^-2ｍｂａｒの蒸気圧を有するアミンである請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
10. モノマーが室温で少なくとも６．６×１０^-2ｍｂａｒの蒸気圧を有する炭化水素である請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
11. モノマーが室温で少なくとも６．６×１０^-2ｍｂａｒの蒸気圧を有する炭化フッ素である請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
12. モノマーがエチレンオキシド−型の分子である請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
13. モノマーが室温で少なくとも６．６×１０^-2ｍｂａｒの蒸気圧を有するシロキサンである請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
14. 前記モノマーがアリルアルコール、アクリル酸、オクタ−１，７−ジエン、アリルアミン、ペルフルオロヘキサン、テトラエチレングリコールモノアリルエーテルもしくはヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）：から成る群から選択される少なくとも１種である請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
15. 前記ポリマーが単一のモノマーから成る請求項４〜１４のいずれかに記載の方法。
16. 前記モノマーが、エチレン性不飽和有機化合物から成る請求項１５記載の方法。
17. モノマーが、単一の、エチレン性不飽和有機化合物から成る請求項１６記載の方法。
18. モノマーがエチレンオキシド型の分子から成る請求項１７記載の方法。
19. 化合物がアルケン、カルボン酸、アルコールもしくはアミンである請求項１６もしくは１７記載の方法。
20. モノマーが２種以上の、エチレン性不飽和有機化合物の混合物から成る請求項１５記載の方法。
21. 化合物がアルケン、カルボン酸、アルコールもしくはアミン：から成る群から選択される請求項２０記載の方法。
22. モノマーが飽和有機化合物から成る請求項１５記載の方法。
23. モノマーが芳香族化合物もしくは複素環式化合物から成る請求項１５記載の方法。
24. モノマーが少なくとも６．６×１０^-2ｍｂａｒの蒸気圧を有する前記請求項のいずれかに記載の方法。
25. ポリマーがコポリマーである請求項４〜１４のいずれかに記載の方法。
26. コポリマーが少なくとも１種の炭化水素を含む少なくとも１種の有機モノマーを含んで成る請求項２５記載の方法。
27. 炭化水素がアルケンである請求項２６記載の方法。
28. １種もしくは複数のモノマーが空間的に分離された点で前記表面上にめっきされる前記請求項のいずれかに記載の方法。
29. １種もしくは複数のモノマーが経路（ｔｒａｃｋｓ）もしくは線（ｌｉｎｅｓ）で前記表面上にめっきされる請求項１〜２７のいずれかに記載の方法。
30. 点および／もしくは線が異なるポリマー化学物質（ｐｏｌｙｍｅｒ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）を有する請求項２８もしくは２９記載の方法。
31. 線、経路もしくは点の化学組成がその長さおよび高さに沿って不均一である請求項３０記載の方法。
32. 請求項１〜３１のいずれかに記載の方法により得ることができる表面を含んで成る基板であって、微量流体装置（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ ｄｅｖｉｃｅ）もしくはその一部を更に含んで成る基板。
33. 請求項３２記載の基板を含んで成るアッセイ用製品であって、アレープリンター（ａｒｒａｙ ｐｒｉｎｔｅｒ）とともに使用のためのアッセイ用製品。
34. 請求項３２に記載の基板を含んで成るアッセイ用製品であって、アレーリーダー（ａｒｒａｙ ｒｅａｄｅｒ）とともに使用のためのアッセイ用製品。

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