JP2010208885A - シリコン構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】バイオスクリーニングにおいて標的物質を回収するために用いる構造体であって、加工性が高くまたは融点が低くかつ密度が小さなシリコンを用いて、表面積が大きくかつ磁気特性を帯びたシリコン構造体を提供する。
【解決手段】基材１１と、基材１１のシリコンを主成分とする表面に直接接合された二酸化珪素を主成分とする複数の繊維状突起物１２とを備えたシリコン構造体１０であり、繊維状突起物１２に磁性体を担持させた。二酸化珪素からなる複数の繊維状突起物１２を互いに絡み合うように密集して形成させることにより、表面積を増大しかつ、繊維状突起物１２に磁性体１３を担持させることにより磁気分離が可能で高効率な回収を可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオスクリーニング技術に用いるシリコン構造体に関するものである。

たんぱく質精製、抗体精製、細胞分離、ＤＮＡシーケンサー等のバイオスクリーニングにおいて、粒子ビーズを用いることにより標的物質を回収する技術が用いられている。粒子ビーズを用いることにより、標的物質を表面に多量に固定できるだけでなく、標的物質以外の非特異的な吸着を抑制することができる。さらにこのような粒子ビーズに磁気特性を持たせることにより、高速でかつ多量の処理を可能にする、いわゆるハイスループット化技術に関する開発が盛んに行われている。このような、バイオスクリーニング技術を用いることにより、疫病に関わる遺伝子の情報に基づく薬剤の開発技術や、遺伝情報の個人差に基づく一人一人にあったいわゆるテーラーメイド治療の開発が可能になることが期待される。

なお、この出願に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００６−１３１７７１号公報

近年、標的物質とする物質と特異的に反応する物質をできる限り多く表面に固定するために、なるべくサイズが小さく、かつ表面積が大きな粒子ビーズが求められている。すなわち表面積が小さいと、高効率的に標的物質が回収できず、多くの粒子ビーズや標的物質が必要となることや所望の標的物質量が得られないという課題があった。さらに、磁性吸着によるスクリーニングを可能とするためには、粒子ビーズに磁気特性を持たせる必要があった。これらを可能とする技術としてＳｉＣからファイバーを形成する方法が、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、１９９８、８、８、ｐ．１８５９−１８６４で報告されている。この技術を用いることにより、磁性体を含有したファイバーを形成することで、より多くの表面積と磁気特性とを併せ持つ構造を形成することができる。しかし、この方法は基材となる層にＳｉＣを用いるために、加工性が低く、基材を表面積の大きな構造に加工するのが困難であった。また、融点が高いため、溶融させる方法においても三次元的な構造を持つ基材を得るのが困難であった。さらに、ＳｉＣは密度が高いため、磁性に吸着を行う際に強力な磁石を用いなければ、効果的に磁性吸着を行うことが困難であった。

そこで、本発明は加工性が高くまたは融点が低くかつ密度が小さなシリコンを用いて、表面積が大きくかつ磁気特性を帯びたシリコン構造体を実現することを目的とする。

そして、この目的を達成するために本発明は、基材と、前記基材のシリコンを主成分とする表面に直接接合された二酸化珪素を主成分とする複数の繊維状突起物とを備えたシリコン構造体であり、前記繊維状突起物に磁性体を担持させたシリコン構造体としたものである。

これにより、本発明は、表面積が大きくかつ親水性及び／または保水性が極めて高い領域を実現することができる。従って、複雑な形状でありながら、標的物質と特異的に反応する物質を数多く表面上に固定できるために、たんぱく質精製、抗体精製、細胞分離、ＤＮＡシーケンサー等のバイオスクリーニング用のデバイスに応用することができる。さらに、繊維状突起物に磁性体が担持されているため、磁気分離による分離精製を可能とする。つまり、磁石を用いて迅速に分離でき磁石を取り去ったときに容易再分散することで、高効率的に標的物質の回収を行うことが出来るので、高速バイオスクリーニング用のシリコン構造体を提供することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１におけるシリコン構造体１０について図面を用いて説明する。

図１及び図２に示すように、本実施の形態１のシリコン構造体１０は、基材１１と、この基材１１のシリコンを主成分とする表面に直接接合された二酸化珪素を主成分とする複数の繊維状突起物１２とを備えている。基材１１は、単結晶シリコンからなるシリコン基板からなる。

ここで直接接合とは、基材１１と繊維状突起物１２を構成する原子または分子が直接結合している状態を示し、通常は分子間が共有結合している状態である。また、これらの結合面には接着剤などを用いておらず、基材１１と繊維状突起物１２を構成する原子または分子以外の材料は含まれていない。繊維状突起物１２を、接着剤などを用いることなく基材１１に形成することが可能であるため、耐熱性を高めることができるとともに、不純物などが混入しないシリコン構造体１０を実現することができる。

上記構成により、二酸化珪素を主成分とする繊維状突起物１２がモケット状あるいは網目状に複数形成されているため、二酸化珪素の表面積が大きくなる。そして、このように表面積が大きい領域においては、二酸化珪素の表面張力を大きく受ける液体材料、例えば水などは、二酸化珪素の表面に強く引っ張られて繊維状突起物１２の周辺に保水される。

従って、親水性及び／または保水性が極めて高い領域を実現し、さらに単位面積当たりの表面積が非常に大きいシリコン構造体１０を実現することができる。

さらに、二酸化珪素を主成分とする繊維状突起物１２は表面積が大きいと共に複雑な形状をとりうるので、細胞表面や内部を模倣したプローブの足場を形成することができる。これは例えば、プローブに糖鎖を用いてウイルス感染の解析を行う場合、その糖鎖の種類のみならず、密度がスクリーニングにとって重要であるが、二酸化珪素を主成分とする繊維状突起物１２にプローブを固定することで、実際の感染に模倣した状況でのスクリーニングを可能にする。

また、二酸化珪素を主成分とする繊維状突起物１２やシリコンを主成分とする基材１１は、バイオチップで標準的に用いられている材料を用いているので、ＤＮＡチップやプロテインチップなどに利用されているような既存のプローブ固定法をそのまま適用できる。

ここで、繊維状突起物１２が存在することにより大きな親水性・保水性を有する理由について説明する。

二酸化珪素はもともと、親水性の高い材料であるが、二酸化珪素を薄膜状で形成し、その表面に空気中などの外部からの汚れが付着した場合、二酸化珪素からなる薄膜は、水を引っ張る表面張力が小さくなり、表面積が小さい場合には結果として親水性が相対的に相当失われる。これに対して、本実施の形態１のシリコン構造体１０における繊維状突起物１２は、単位面積当たりの表面積が極めて大きくなっていることから、単位面積当たりの表面張力が汚れ等の付着によって小さくなった場合であっても、全体としての表面積が大きいことから、水に引っ張られる力はあまり失われず、結果として親水性・保水性を長期間保持することができるシリコン構造体１０を実現することができる。

このような構造であることから、本発明の実施の形態１における繊維状突起物１２は、液状物質との親和性に優れているため、気泡発生を低減することができる。すなわち、本発明の実施の形態１においては、液状物質が速やかに繊維状突起物１２側面を伝わって広がっていくため、各種分析でのバイオスクリーニング時等において流体の濡れ性が高まり、気泡の発生を抑制することができる。

ここで、一部のプローブ及び抗体は乾燥になると変質するため、親水性・保水性を有したバイオチップは適応性という観点においても優れている。

なお、これらの繊維状突起物１２は、互いに絡み合うように密着して、それぞれ縮れた形状をしているだけでなく、自由な方向へと枝分かれしているようなものが混在していてもよい。繊維状突起物１２が互いに絡み合いかつ、複数に枝分かれしていることにより、繊維状突起物１２がより強固に形成される。さらに、この構造により、流体からの水圧が生じた場合であっても、複数の繊維状突起物１２が水圧による外部応力を分散するため、折れにくい構造とすることができる。さらに、この繊維状突起物１２を形成した領域を反応部として利用し、反応物質を繊維状突起物１２に結合させることにより、反応物質の結合量を増大することができ、反応をより促進することができる。

また、これらの繊維状突起物１２の組成は、単結晶の二酸化珪素と比較して折れにくい構成となっているが、これは本発明の実施の形態１における繊維状突起物１２がアモルファスの二酸化珪素からなっているからであると考えられる。なお、この繊維状突起物１２が形成された領域をＸ線分光分析で測定すると、図４に示したように、基材１１として用いたＳｉ（１１０）に起因する２θ／ｄｅｇｒｅｅ＝約４７度の領域にあるピークを除き、大きなピークはなく、この結果より繊維状突起物１２はアモルファスの二酸化珪素からなることが示唆される。

なお、本発明の実施の形態１では、基材１１としては、単結晶シリコンからなるシリコン基板を用いたが、表面がシリコンで形成されていればよく、基材１１内部までの材質は問わない。

また、表面のシリコンは単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファス等の状態であっても構わない。しかしシリコンは、加工性に優れているため切削工程において利便性があるとともに、融点が低いため、立体的構造を形成し易いため、望ましい。

なお、基材１１にシリコンのみを用いると、シリコンは微細かつ複雑な形状に加工することができるが、シリコンが疎水性であるため、液体の濡れ性が低いため気泡が発生する場合がある。しかし、本発明の実施の形態１のように表面が親水性の高い繊維状突起物１２で覆われることは、微小なシリコン構造体１０における気泡の低減に有用となる。

また、本発明の実施の形態１の基材１１の形状は、表面積を大きく保持するためにも粒子状であることが望ましい。さらに、略球状にすることにより、最も表面積が大きいため、好ましい。この他、多面体、円柱等、立体的構造でありかつ表面積が大きい構造であれば構わない。

さらに、本発明の実施の形態１においては、繊維状突起物１２に磁性体１３を担持させる構成とした。ここで、磁性体１３には強磁性体であるＣｏを用いた。また、ここで、担持するとは、磁性体１３が繊維状突起物１２に含有されているあるいは、直接接合している状態を示す。上記構成により、磁気分離による分離精製を可能とする。

具体的には、図３に示すように繊維状突起物１２先端部に磁性体１３が担持されていることが、より望ましい。シリコン構造体１０の最表面に磁気特性を持つことができるため、磁気分離による分離精製能が向上するからである。この構成により、本発明の実施の形態１におけるシリコン構造体１０は、液体中において凝集せず分散しているが、磁石を用いて迅速に分離でき、さらに磁石を取り去ったときに容易に再分散することで、高効率的に標的物質の回収を行うことが出来るので、高速バイオスクリーニング用の機能性に優れたシリコン構造体１０を提供することができる。

なお磁性体１３には、Ｃｏを用いたが、Ｆｅ、Ｎｉの金属や、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｏ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ等の鉄と鉄族遷移金属が含有された合金や、サマリウム磁石やネオジウム磁石等の化合物や、磁鉄鉱、マグタイト、バリウム磁石等の酸化物等、磁石に吸着する強磁性体であれば、磁気分離による分離精製を容易とすることができる。

次に、本発明の実施の形態１におけるシリコン構造体の製造方法について説明する。

まず始めに、第一の工程として、基材１１としてシリコン粒子を形成する。具体的には、るつぼ内でシリコンを溶融させ、加圧によりノズルからシリコンを滴下させる。滴下されたシリコンは表面張力により球状化する。さらに、自由落下させながら、凝固させることで略球状のシリコン粒子となる。この時、シリコン粒子の直径は１〜１．５ｍｍ程度である。

なお、シリコン粒子の形成方法は上記の方法に限らず、ガラスビーズの表面を還元することにより形成してもよい。この他にも、基材となる材料に対し、シリコンを主成分とする薄膜をＣＶＤ法などの成膜法により作製することにより形成してもよい。

また、基材１１の形状は、表面積を大きく保持するためにも粒子状であることが望ましい。さらに、略球状にすることにより、最も表面積が大きいため、好ましい。この他、多面体、円柱等、立体的構造でありかつ表面積が大きい構造であれば構わない。

また、ブレードダイシングやステルスダイシングなどの切断する方法やエッチングや研磨によりこれらの形状を形成してもよい。なお、単位質量当たりの表面積を増大させるためには、粒径をより小さくするほうが望ましい。この場合には、溶融させたシリコンの滴下量を精密に制御することで、粒径の制御が可能である。

次に、第二の工程として、シリコン粒子に触媒として磁性体１３を注入し、磁性体１３含有シリコン粒子を形成する。磁性体１３が触媒となり、シリコン粒子に二酸化珪素を主成分とした繊維状突起物１２を成長させることができる。

シリコン粒子への磁性体の注入には、イオン注入法を用いるのが適している。イオン注入法とはイオンを電気的に加速して個体にぶつけることで、特定の元素を基材内に注入する方法であり、深さ方向の濃度分布の制御性がよい。これにより、より高精度に触媒となる磁性体１３を注入することができる。

今回はイオン注入を用いたが、気相拡散あるいは、固相拡散といった熱拡散を用いることにより、一度にシリコン粒子全面に磁性体１３を注入することができる。

さらに、パターニングを用いることにより、特定部位にのみ磁性体１３を注入することも可能である。

また、レジスト膜より部分的に保護し、シリコン粒子の一部に磁性体１３となる元素を主成分とする薄膜を形成することによって触媒としてもよい。この場合は、任意の成膜法によって形成が可能であるが、ＣＶＤ法が被覆性の観点から望ましい。

また、基材１１自体に磁性体１３となる元素を含有したものを用いてもよい。この場合、シリコンの溶融原料の中に任意の原料を添加すればよい。この場合は、基材１１内部にも磁気特性を持つため、より容易に磁性体１３によるスクリーニングが可能となる。

また、この時、磁性体１３がシリコン粒子表面の特定の部位にのみ高濃度に分散している場合や、シリコン粒子表面の一部にのみ含有されれば、その後の繊維状突起物１２の成長にともない、表面積が拡大する効果を有することができる。しかし、反応性の観点から、シリコン粒子の表面全体に均一に磁性体１３を担持させることで、さらなる表面積の拡大が期待できる。

次に、第三の工程として、磁性体１３含有シリコン粒子に、Ｃ、Ｆ、Ｈ元素から成るシード層を形成する。このシード層は、Ｃ、Ｆ、Ｈ元素からなる有機ポリマーからなる層であり、プラズマＣＶＤ法などを用いることにより、ＣＦ_４、ＣＨＦ_３、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_３Ｈ_８、Ｃ_４Ｆ_８等のフッ化炭素系の少なくともいずれか一つのガスを用いてプラズマ中で分解することにより有機ポリマー膜よりなるシード層を形成することができる。プラズマ中において、前記ガスはＣＦ、ＣＦ_２、ＣＦ_３等の結合手が切断された状態に分解され、これらにＨ原子が加わり、再結合することによって、様々な組み合わせのポリマー分子ができる。しかし、後の工程で二酸化珪素からなる繊維状突起物１２が形成されるためには、シード層のこれらの分子の組み合わせの配列順序は特に重要ではなく、Ｃ、Ｆ、Ｈが結合されている状態であればよい。従って、このときのＣ、Ｆ、Ｈ元素は様々な組み合わせ配列の分子が成立することからここでは特に限定しない。

ここで、磁性体１３を含むガスを上記のガスとともに使用することによっても、磁性体１３を触媒として利用することが可能である。この場合は前記のイオン注入等の方法は必要ではない。また、シード層形成前に、レジスト膜を形成しパターニングを行うことにより、特定の部位にのみ二酸化珪素を形成することができる。これは、基材１１となる表面にシリコンが主成分となる部分とそれ以外の部分を設けることによっても同様の効果が得られる。これにより、ある特定の部分にのみ優先的に標的物質を得ることができる。

その後、第四の工程として、シード層を形成させた磁性体１３含有シリコン粒子を１０００〜１１００℃の高温かつ低酸素濃度での熱処理により、一酸化珪素が蒸発した後に表面上に再付着して凝集し、二酸化珪素が成長する。この時、一酸化珪素はシリコン粒子表面に一体に広がって再付着するため、シリコン粒子表面に全体的に二酸化珪素が主成分の繊維状突起物１２が成長する。

ここで、低酸素濃度とは、熱処理時の酸素分圧が低いことを示しており、減圧化であっても他のガスによって置換されていてもよい。他のガスとは、例えばＮ_２、Ａｒ、ＣＯ等であり、Ｏ_２、Ｏ_３、Ｈ_２Ｏとは異なり、酸化性の低いガスである。なお、酸素分圧が低すぎると、一酸化珪素が生じることができなくなるので、望ましい酸素分圧は数千Ｐａから１０^−６Ｐａの範囲である。

このような製造方法によって、二酸化珪素薄膜を形成しないで、基材１１表面に磁性体１３を担持した繊維状突起物１２を形成したシリコン構造体１０を作製することができる。

以上のように、本発明によるシリコン構造体は、例えばたんぱく質精製、抗体精製、細胞分離、ＤＮＡシーケンサー等のバイオスクリーニングシステム等に有用である。

本発明の実施の形態１におけるシリコン構造体の断面図 同シリコン構造体表面のＳＥＭ写真 図１のＡ部拡大断面図 同シリコン構造体表面のＸ線分光分析結果を示す図

１０ シリコン構造体
１１ 基材
１２ 繊維状突起物
１３ 磁性体

Claims (2)

1. 基材と、
   前記基材のシリコンを主成分とする表面に直接接合された二酸化珪素を主成分とする複数の繊維状突起物とを備えたシリコン構造体であり、
   前記繊維状突起物に磁性体を担持させたシリコン構造体。
2. 前記基材の形状が、
   粒子状である請求項１に記載のシリコン構造体。