WO2012077324A1

WO2012077324A1 - バイオチップおよびこれを用いたアレイ基板

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Publication number: WO2012077324A1
Application number: PCT/JP2011/006784
Authority: WO
Inventors: 健樹山本; 将也中谷; 誠高橋
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Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2012-06-14
Anticipated expiration: 2013-06-07

Abstract

バイオチップは、基材と、基材の表面に設けられた繊維状の反応部と、反応部を複数に分割する境界部とを備える。これによりバイオチップの反りを抑制することができる。

Description

バイオチップおよびこれを用いたアレイ基板

　本発明は、マイクロ流体チップ、細胞培養チップ等のバイオチップおよびこれを用いたＤＮＡアレイ、プロテインアレイ、糖鎖アレイ等のアレイ基板に関する。

　近年、バイオチップに注目が集まっている。バイオチップは、生体の分子認識機構に基づいてタンパク質、遺伝子、低分子量のシグナル分子などを計測する。レセプター、リガンド、アプタマー、レクチン、抗原－抗体反応などの選択特異的な結合や酵素などの選択触媒反応に着目し、所定のデバイスを用いてモニターすることにより、分子の計測が行われる。

　バイオチップを配置させたアレイ基板が、近年、創薬開発、臨床診断等の医学薬学の分野において、遺伝子解析、ＳＮＰｓ（一塩基多型）分析、物質間相互作用解析などの様々な解析に用いられている。

　基材表面に予め反応場領域を設け、その反応場領域毎に目的となる検出用物質をそれぞれ固定した後、試料となる溶液を滴下する。そして、検出用物質と試料中に含有されている標的物質との間の相互作用を進行させ、蛍光強度などによりその相互作用の度合いを検出することで解析する。このようなことに用いられる基板をアレイ基板と言う。

　また、アレイ基板においては検出物質の検出感度の向上のために、検出物質と相互作用が発生する反応場領域における相互作用強度を上げる必要があるので、反応場領域の表面積を大きくすることが求められる。このため、反応場領域に繊維状、多孔質膜などの反応部を備えたバイオチップを設けることによって、表面積を大きくしている。

　しかし、従来のバイオチップでは、基材と基材表面に形成された反応部との熱膨張係数が異なることによりバイオチップに反りが発生し、基材と反応部との密着性が低い場合には、反応部が剥離することがある。

　例えば、シリコンからなる基材上に反応部として酸化シリコンのファイバーを直接接合により設けた場合、シリコンと酸化シリコンとの熱膨張係数の違いによってバイオチップが反ることがある。すなわち、シリコンが酸化シリコンに比べて熱膨張係数が大きいために、シリコン基材の中心がもり上がるような反りが発生し、反応部が基材から剥離することがある。

　さらに、反応部の剥離が発生しない場合においても、反応部に反りが発生するためにこれらバイオチップを用いたアレイ基板の測定における検出精度が低くなることがある。

　アレイ基板を用いて試料を正確に測定するためには、各反応部に設けられたバイオチップに液滴を滴下した際に構成されるスポット径が均一であることが求められる。しかし、反応部に反りが発生すると、測定時にバイオチップに滴下した液滴が大きく広がり、スポット径が不均一となる。その結果、検出感度が低下したり、正確な濃度が判断できなくなる場合がある。さらに、液滴が目的のバイオチップではなく隣接したバイオチップに混入し、正確な測定が困難となる場合がある。

　このようにスポット径が不均一になることにより正確な解析ができず、結果としてアレイ基板の検出精度が低下することがある。

　なお、上記アレイ基板と類似する例を開示するものとして例えば以下の先行技術文献が挙げられる。

特開２００８－０２０４１２号公報

　本発明のバイオチップは、基材と、基材の表面に設けられた繊維状の反応部と、反応部を複数に分割する境界部とを備える。

図１は、本発明の実施の形態におけるアレイ基板の斜視図である。図２は、図１におけるアレイ基板の２－２断面図である。図３は、本発明の実施の形態におけるバイオチップの断面図である。図４は、本発明の実施の形態におけるバイオチップの上面図である。図５は、本発明の実施の形態における他のバイオチップの断面図である。図６は、本発明の実施の形態における他のバイオチップの上面図である。図７は、本発明の実施の形態における他のバイオチップの断面図である。図８は、本発明の実施の形態における他のバイオチップの上面図である。図９は、本発明の実施の形態における他のアレイ基板の断面図である。図１０は、本発明の実施の形態における他のバイオチップの断面図である。図１１は、本発明の実施の形態における他のバイオチップの断面図である。図１２は、本発明の実施の形態における他のバイオチップの断面図である。

　以下、本実施の形態におけるバイオチップおよびこれを用いたアレイ基板について、図面を用いて説明する。また以下の記載は本発明の一実施例であり、本発明は以下の各実施例に限定されるものではない。

　図１は、本発明の実施の形態におけるアレイ基板の斜視図である。図２は、図１におけるアレイ基板の２－２断面図である。図３は、本発明の実施の形態におけるバイオチップの断面図である。図４は、本発明の実施の形態におけるバイオチップの上面図である。

　図１に示すように、アレイ基板１は、複数の窪みが形成された樹脂からなるプレート２と、この窪みに埋設された略正方形状のバイオチップ３とを有する。図２に示すように、バイオチップ３は、シリコンからなる基材４と、基材４の表面に形成された反応部５を有する。バイオチップ３が略正方形状の場合、各バイオチップ３の一辺は１００μｍ～１０ｍｍ程度である。図３に示すように、反応部５は複数のファイバー５ａから構成されており、ファイバー５ａと基材４とが直接接合されている。ファイバー５ａは酸化シリコンを主成分としている。ここで、「直接接合」とは、基材４上に反応部５が直接形成され、基材４と反応部５とを構成する原子または分子が直接結合している状態を指し、通常は分子と分子が共有結合をしている状態である。本実施の形態では、基材４の表面の珪素原子とファイバー５ａ中の珪素原子とが、酸素原子を介して共有結合している。また、基材４と反応部５の接合面には接着剤などが用いられておらず、基材４と反応部５とを構成する原子または分子以外の材料を含んでいない。

　本実施の形態では、基材４は、単結晶シリコンで形成されているシリコン基板を用いた。しかし、ほかにも例えば、多結晶シリコン、酸化シリコン、石英、ホウケイ酸ガラス、アモルファスシリコン等を基材４に用いることができる。

　反応部５は、例えば酸化シリコンを主成分としたファイバー５ａからなり、好ましくはアモルファスの二酸化珪素を主成分としたファイバー５ａからなる。

　反応部５として用いるファイバー５ａの太さは、０．０１μｍ～１μｍ程度である。ファイバー５ａは、互いに絡み合うように密集し形成されていても、自由な方向へ枝分かれしているものが混在して形成されていてもよい。ファイバー５ａが互いに絡み合い、膜状物となっていることによって、反応部５が基材４に対し強固に接合される。また、ファイバー５ａが複数の枝分かれをしている場合も、反応部５が基材４に対し強固に接合される。あるいは、複数のファイバー５ａが互いに同方向に配向していてもよい。しかし、複数のファイバー５ａが様々な方向に向かって形成されている方が、ファイバー５ａが互いに絡み合うことによって、反応部５と基材４が強固に接合されるため望ましい。

　また、従来、ナノインプリント法によって容器原料を加熱し軟化し、容器原料に突起物、培養面を規定する形状が形成された金型を押し付けることによって、金型の形状を容器原料に転写し、容器に突起群を形成させる方法が開示されていた。しかし、本実施の形態によると、従来の転写に比べより細く、表面積の大きい反応部５を形成できるため好ましい。

　図３に示すように、バイオチップ３は、基材４と、基材４の表面に設けられた繊維状の反応部５と、反応部５を複数に分割する境界部６とを備えている。すなわちバイオチップ３の反応部５はシリコンからなる基材４の表面に境界部６を介して複数に分割して形成されている。図４に示すように一つのバイオチップ３に複数の反応部５が設けられている。好ましくは境界部６が縦横に複数形成され、反応部５がアレイ基板１の窪みと平行になるように格子状に形成されている。

　境界部６はバイオチップ３の少なくとも一箇所に形成されていれば良いが、境界部６を複数箇所形成することによりさらに反りを抑制することができる。

　ここで、境界部６により区切られた格子の形状は、一般的には正方形となるが必ずしも正方形である必要はない。または格子の最小辺の大きさは数μｍ以上であることが望ましい。

　次に本実施の形態のバイオチップ３の代表的な製造方法を説明する。しかし、ここで述べる製造方法によって本発明を制限するものではない。

　シリコンからなる基材４に境界部６を形成するために境界部６を形成する位置にレジストによりマスクを形成する。これにより、レジストマスクを設けた部分、つまり境界部６以外の基材４の表面に選択的に触媒層等を形成することにより、反応部５であるファイバー５ａを形成する。

　ファイバー５ａは、境界部６以外の基材４の表面に金属触媒層をスパッタリングし熱処理することで形成される。これらの方法を用いることで基材４を構成するシリコンを原料としたアモルファスの二酸化珪素を主成分としたファイバー５ａを、選択的に、所望の位置にのみ形成できる。

　以下に本実施の形態のバイオチップ３における効果を説明する。本実施の形態においては、バイオチップ３に設けられた反応部５の剥離を防止するとともに、バイオチップ３を用いたアレイ基板１の検出精度を向上できる。

　従来、バイオチップの基材と基材表面とに形成された反応部との熱膨張係数が異なることにより、バイオチップに反りが発生し、基材と反応部との密着性が低い場合には剥離が発生する場合がある。特に、シリコンからなる基材上に酸化シリコンからなるファイバーを直接接合により設けた場合、シリコンと酸化シリコンとの熱膨張係数の違いによってバイオチップが反ることがある。複数のファイバーは突起物ではなく、膜状物であり、ファイバーはその一本一本が絡み合って、膜状物と基材とが直接接合している。さらにシリコンは酸化シリコンに比べて熱膨張係数が大きいので、基板と反応部との熱膨張係数が異なってしまい、ファイバーからなる膜状物全体に応力（変位）がかかる。その結果、シリコン基材の中心がもり上がるような反りが発生するためにファイバーが基材から剥離する場合がある。これに対して、基材４上に形成された反応部５が境界部６によって複数に分割して形成されることによって、基材４であるシリコンにかかる応力が緩和され、基材４の反りやそれに伴うファイバー５ａの基材４からの剥離を低減することができる。

　また、反りが抑制されることにより、アレイ基板１を用いての測定時にバイオチップ３に滴下した試料溶液のスポット径が広がることなく、バイオチップ３の反応部５の上に捕捉される。そのため、検出感度が低下することなく確実に相互作用を起こすことができる。さらに、反りの抑制により、滴下した試料溶液が目的のバイオチップ３ではなく隣接したバイオチップ３に誤って混入されることがない。そのために、それぞれのバイオチップ３での試料溶液のスポット径や濃度が均一になる。従って、解析精度が正確になり、検出精度の高いアレイ基板１が得られる。

　また、反応部５として、酸化シリコンを主成分としたファイバー５ａを用いると反応部５の材料に起因する蛍光強度が低くなり、ノイズの発生を抑制できる。さらに、酸化シリコンを主成分としたファイバー５ａは化学的に安定な材料であるため、様々な表面処理を施せる。さらに、酸化シリコンを主成分としたファイバー５ａにより単位面積当たりの表面積を増加し、検出精度を向上できる。

　なお、バイオチップ３の製造方法において、反応部５としてファイバー５ａを形成した後に、高温を保持したまま、ＮＦ₃雰囲気中でアニールすることによって、バイオチップ３は、より反りにくく、剥がれを抑制できる。これは酸化膜中において、Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ結合が切断され、ＳｉＯ₂格子が開放的になり、圧縮応力が緩和されるためである。この際、ファイバー５ａの中にフッ素（Ｆ）が残留する。

　また、その他にもバイオチップ３の製造方法において、反応部５としてファイバー５ａを形成した後に、コロナ放電を行うことで、より反りにくく、剥がれを抑制したバイオチップ３が得られる。コロナ放電印加前のファイバー５ａは圧縮応力が印加された状態であるため、エリプソメーター等で測定可能な屈折率は約１．４７２である。しかし、コロナ放電が印加されると、格子の緩和が起こるため屈折率は約１．４６となる。なお、コロナ放電以外にも、プラズマを用いた類似の処理を行っても同様の効果が得られる。

　また、シリコン（１１１）を基材４として用い、基材４の一部を原料としてファイバー５ａを形成することによって、より反りにくく、剥がれを抑制したバイオチップ３を提供することができる。酸化シリコンの応力は結晶方位に依存し、シリコン（１１１）を基材４として用いた場合が一番応力が小さいためである。

　また、反応部５の膜厚を小さくすることによって、より反りにくく、剥がれを抑制したバイオチップ３が得られる。基材４の反りの大きさは、Ｓｔｏｎｅｙの式に従う。つまり、反応部５の膜厚が大きくなると基材４の反りは大きくなる。反応部５の剥離を防止するためには、反応部５の膜厚を小さくするほうがよく、３０μｍ程度の膜厚であることが好ましい。

　図５は、本発明の実施の形態におけるバイオチップ１３の断面図である。図６は、本発明の実施の形態におけるバイオチップ１３の上面図である。本実施の形態では境界部６に突起７が形成されている。図５、図６に示すように基材４の表面をエッチングすることで、境界部６として格子状に突起７を形成し、突起７が形成されていない領域に反応部５を設けた場合であっても図３、図４の場合と同様の効果を奏する。さらに、突起７が逆テーパー形状であればより効果が高い。

　なお、突起７の高さは、反応部５の高さより低いことが好ましい。例えば、反応部５に対して、微小液体サンプルをマイクロポンプピペット等により塗布する場合、狙いの位置に微小液体サンプルを塗布するためには、反応部５にできるだけ近づけて塗布する必要がある。突起７の高さが反応部５の高さより低いと、突起７にマイクロポンプピペット等が干渉する恐れがない。そのため反応部５に近づけて塗布することが可能となるので、微小液体サンプルの位置精度が高くなり、精度の高い測定が可能となる。微小液体サンプルには、例えば、たんぱく質やＤＮＡ等の特定の生体材料が含まれた溶液を用いることがあり、検出用物質、標的物質の両方を塗布するために用いることがある。

　ただし、数種類の異なる生体材料を検出用物質として用いる場合は、突起７の高さは、反応部５の高さより高くてもよい。例えば、数種類の異なる生体材料を検出用物質として反応部５の異なる箇所に塗布し、その数種類の検出用物質に対して、標的物質が含まれる試料を滴下していくことがある。また、反応部５に単一の検出物質を塗布した後に、数種類の異なる標的物質が含まれる試料を滴下していくことがある。

　反応部５を有効に用いて、検出のシグナルを大きくするためには、反応部５の深さ方向全体に検出用物質が塗布されていることが望ましい。そのために、検出物質が含まれる溶液は反応部５が十分浸るほどの溶液量が必要なことがある。突起７の高さが、反応部５の高さより高い場合には、反応部５が溶液に浸っても、突起７によって数種類の検出物質の混合を防ぐことが可能となる。その結果、数μｍ^２程度の微小領域であっても精度良く測定できる。

　同様に、数種類の標的物質が含まれる溶液を反応部５に塗布する際にも、反応を十分に促進するためには、反応部５が十分浸るほどの溶液量が必要なことがある。この場合も突起７によって数種類の標的物質の混合を防ぐことができる。

　図７は、本発明の実施の形態におけるバイオチップ２３の断面図である。図８は、本発明の実施の形態におけるバイオチップ２３の上面図である。本実施の形態では、境界部は基材に設けられた凹部である。図７、図８に示すように基材４の表面をエッチングすることで、境界部６として格子状に凹部８を形成し、凹部８が形成されていない領域に反応部５を設けた場合であっても図3、図４の場合と同様の効果を奏する。

　なお、境界部６に突起７あるいは凹部８を設けた場合に、突起７の上面や側面、あるいは凹部８の側面や底面に、基材４と異なる材料の層（図示せず）を設けてもよい。すなわち、境界部６の上面に基材４とは異なる材料の層を設けることによって、境界部６におけるファイバー５ａの形成がより低減される。その結果、パターニング性が向上する。ここで、基材４とは異なる材料の層とは、含まれる成分が完全に一致している場合であっても密度、抵抗率、屈折率、結晶方位等の特性が異なる場合もこれに当てはまる。好ましくは、基材４とは異なる材料の層とは、基材４と主成分が一致している層であり、基材４がシリコンの場合には酸化シリコンや窒化シリコン等が望ましい。

　なお、本実施の形態においては、反応部５はファイバーで形成したが、多孔質膜やナノチューブといった空隙率が大きく例えば数ｍ²／ｇの比表面積の大きいものであれば、同様の効果を奏することができる。特に、反応部５を無機材料で構成することが望ましい。反応部５を無機材料で構成することにより、耐熱性や耐薬品性に優れた反応部５を得ることが可能となる。

　なお、本実施の形態においては、ファイバー５ａを基材４に直接接合して形成させたが、直接接合していなくても良い。しかし、複数のファイバー５ａの一本一本が基板４と直接接合することにより、反応部５にかかる応力が分散されるため、ファイバー５ａの基板４からの剥離をさらに抑制できるので、直接接合することが望ましい。

　なお、本実施の形態においては、樹脂からなるプレート２を用いたが、基材４と同様の材料からなるものをプレート２として用いてもよく、基材４をプレート２と一体化して用いても良い。そうすることにより、製造工程での工数を削減できる。

　なお、図９に示すように、アレイ基板２０においてプレート２２がアレイ状に貫通孔２４を有しており、この貫通孔２４にバイオチップ３、１３、２３が埋設された構成であってもよい。あるいは、貫通孔２４のプレート２２の下面に突起部２６を設け、突起部２６に接触するようにバイオチップ３、１３、２３を挿入し設置してもよい。この場合、バイオチップ３、１３、２３の位置決めが容易となり、バイオチップ３、１３、２３の高さを均一にすることが可能となる。

　なお、接着剤を用いてプレート２やプレート２２の表面上に、各バイオチップ３、１３、２３を接着させてもよい。

　さらに、本実施の形態のバイオチップ３、１３、２３は製造されてから実際に使用されるまでに、水分のない環境または水分量が少ない環境で保管することが望ましい。水分のない環境で保管すると、反応部５であるファイバー５ａの応力の変化を低減でき、バイオチップ３、１３、２３の長期安定性が向上する。その際、保管されたファイバー５ａの中に含まれる水分量が少なくなる。ファイバー５ａの中に含まれる水分量はＴＤＳ等の分析を用いることで定量化が可能である。

　水分のない環境で保管するためには、バイオチップ３、１３、２３をパッケージ内に封入する。パッケージは、例えばアルミニウム、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、環状ポリオレフィンの樹脂などを用いることができる。

　そして、水分を吸着するような材料と一緒に封入する。水分を吸着するような材料とは例えば、シリカゲル、ゼオライト、塩化リチウムやトリエチレングリコール、水分ゲッター剤等である。

　または、水分を含まないガスでパッケージ内を充填してもよい。水分を含まないガスとは、Ｎ₂やＡｒ等の不活性ガスが望ましいが、Ｏ₂等のガスによっても、バイオチップ３、１３、２３の変質を起こさないようなものであって、水分濃度が低下していればよい。また、加圧圧縮した空気またはガスを同封してもよい。この場合、空気に含むことのできる水分（飽和水蒸気量）が低下するため、水分量を低減した封入が可能となる。

　なお、本実施の形態においては、バイオチップ３、１３、２３をアレイ基板１として用いる例で説明したが、これに限らずマイクロ流体チップや細胞培養チップとして用いてもよい。また、本実施の形態においては、反応部５を反応場として用いたが、反応場として用いる以外にも、イオン交換吸着剤、フィルター材料、ガスセンサー、電極として用いてもよい。

　イオン交換吸着剤は、排水の浄化（重金属イオンの吸着）、各種ガスの吸着、脱酸素剤の助剤、工業用ガスの脱水、副生ガスの吸着分離等に用いられる。イオン交換吸着剤をファイバー５ａで構成することにより、より高い反応効率が得られる。ファイバー５ａをイオン交換吸着剤として用いる場合には、マイクロ流体チップの中に反応部５を形成するのが望ましい。例えば、マイクロ流体チップ中に反応部５を埋め込むことや、基材４に流路溝を形成し、溝底面に反応部５を形成したりすることによってイオン交換吸着剤を用いたデバイスを形成できる。マイクロ流体チップに形成された反応部５に反りが発生していると、流体抵抗が増加したり、均一に流体が通りにくくなる。反応部５を境界部６によって分割することで、マイクロ流体チップの反りを低減できる。それにより、流体抵抗を低減し、均一に流体を通すことによって、信頼性の高い処理が可能となる。また、基材４を封止する必要がある場合には、基材４の反りにより、接合が困難となる場合があり、本構成により反りを低減することにより接合の信頼性が向上する。

　ファイバー５ａは、溶液から特定の物質のみを抽出するため、分離フィルター、分析フィルター、除菌フィルター等の各種フィルター材料に用いることができる。フィルター材料をファイバー５ａで構成することにより、より高い分離効率が得られる。フィルター材料として用いる場合は、流路デバイス中に反応部５を形成することが望ましい。例えば、流路デバイス中に反応部５を有するバイオチップを埋め込むことによってフィルターを有するデバイスが形成できる。流路デバイスは、平板プレートでもキャピラリ型でも可能である。あるいは、基材４に流路溝を形成し、溝底面に反応部５を形成したり、基材４に流路溝を形成し、流路溝底面に基材４を貫通する貫通孔を形成し、貫通孔の上面に反応部５を形成したりすることによっても流路デバイスを形成できる。サンプル溶液を流す方向は、反応部５と基材４が接合している面に対して、平行であっても垂直であってもよい。

　流路デバイス中の反応部５に反りが発生していると、流体抵抗が増加したり、均一に流体が通りにくくなる。反応部５を境界部６によって分割することで、流路デバイスの反りを低減できる。それにより、流体抵抗を低減し、均一に流体を通すことによって、信頼性の高い処理が可能となる。また、基材４を封止する必要がある場合には、基材４の反りにより、接合が困難となる場合があり、本構成により反りを低減することにより信頼性が向上する。

　反応部５をガスセンサーの検知材料として用いることもできる。一般的に、ガスセンサーの検知材料としては、ＳｎＯ_２、ＺｎＯ、ＺｒＯ_２、Ｙ－ＺｒＯ_２（イットリウム安定化ジルコニア）等が用いられる。ＳｎＯ_２、ＺｎＯの場合、酸化物半導体の表面（検知材料の表面）でガスが吸着・反応することにより生じる電気抵抗変化を検出する。ＺｒＯ_２、Ｙ－ＺｒＯ_２を用いる場合、イオン導電体で電池を構成しガスによる起電力を検知材料で検出することによりガスセンサーを構成する。検知材料として、繊維状構造体の反応部５を用いることによって反応効率が向上し、高い検知能が得られる。

　また、ガスセンサーの構造においては、検知部を気密化することが検出感度の観点で望ましい。ガスセンサーを微細加工により形成する場合、基材をその他の接合材料（例えば封止材料）と接合する必要がある。検知材料は基材と接合材料によって形成された空間内に形成されている。そのとき、検知材料にファイバー５ａを用いることにより基材に反りが発生すると、接合材料との接合が困難になる。反応部５を境界部６によって分割することで、基材および電極の反りを低減でき、接合の安定性が高くなる。その結果、ガスセンサーの信頼性を高めることができる。これらのことは、検知材料の種類や検知するガスの種類には依存しない。

　反応部５を電池の電極として用いることが可能である。電解液の両側に例えばアルミニウム、コバルトなど異なる材料からなる電極を配置することで、電極でイオン化傾向係数が異なる場合、電解液内のイオンが電極間を移動することになり、電流を取り出す電池とすることができる。電池の電極材料としては、正極としてＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＦｅＰＯ_４、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉｘＭｅｙＯ_２等が用いられる。また、負極としては、Ｌｉ、Ｓｉ、ＳｉＯ、Ｓｎ－Ｍｅ、Ｓｉ－Ｍｅ、Ｃ、ＨＣ、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２、Ｌａ_３Ｃｏ_２Ｓｎ_７等が用いられる。これらをファイバー５ａとすることで、高容量、高い反応性、高速充放電等が得られる。

　電極間の距離は上記イオンの移動時間を決める要素であり、イオンを流れやすくする、つまり電池の内部抵抗を小さくするためには電極間距離は極力小さい方が良い。電極材料を繊維状構造体で形成した場合、基材および電極に反りを持つことにより、電極間の距離が変化すると、電池の内部抵抗が安定しなくなる。また、基材および電極により大きな反りを持つと、電極間のショートを発生させる危険性が増す。反応部５を境界部６によって分割することで、基材および電極の反りを低減できる。それにより、信頼性の高い電池を形成できる。

　以下、本実施の形態における他のバイオチップおよびこれを用いたアレイ基板について図１０、図１１を用いて説明する。なお、図３、図４と同様の構成をなすものは同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。図３、図４と異なる点は、基材１４の表面に凹凸部１６が存在し、複数の反応部１５が基材１４の表面に直接接合し形成されている点である。

　図１０は、本発明の実施の形態におけるバイオチップ３３の断面図である。バイオチップ３３は、基材１４の表面に凹凸部１６を有したシリコン層からなる基材１４と、酸化シリコンを主成分とした複数のファイバー１５ａからなる反応部１５を有する。基材１４の表面のファイバー１５ａが固定される面とファイバー１５ａとが直接接合している。

　反応部１５は、例えば酸化シリコンを主成分としたファイバー１５ａからなり、好ましくはアモルファスの二酸化珪素を主成分としたファイバー１５ａからなる。

　次に本実施の形態のバイオチップの代表的な製造方法を説明する。

　シリコンからなる基材１４の表面に、サンドブラスト加工によって表面に凹凸部１６を形成する。

　基材１４の表面に凹凸部１６を形成する方法としては、機械研磨、レーザー加工、放電加工、化学的エッチング、物理的エッチングなどの方法が用いられる。

　また、凹凸部１６を生じる層を基材１４の表面として用いてもよい。例えばポリシリコンをＣＶＤ法を用いて、５８０℃～６００℃の温度で形成すればよい。凹凸部１６を生じる層は、特に材料は問わないが、反応を効率的に起こすためには、シリコンを主成分とする層が望ましい。これらの方法を用いて、基材１４表面にＲａ=１０μｍ以下の凹凸部１６を形成する。

　その後に、触媒層（図示せず）を基材１４の表面に塗布し、シリコン層を原料とすることで、反応部１５であるファイバー１５ａを形成することができる。

　なお、製造方法はこれに限定される訳ではなく、最終的に基材１４の表面に凹凸部１６が存在していればよい。例えば、凹凸部１６の存在する酸化シリコン層にシリコン層および触媒を塗布し、シリコン層を原料としてシリコン層を消費するまで、ファイバー１５ａを形成する方法であってもよい。その結果、凹凸部１６の存在する酸化シリコン層の表面にファイバー１５ａが直接接合される。

　以下に本実施の形態のバイオチップ３３における効果を説明する。本実施の形態においては、バイオチップ３３に設けられた反応部１５の剥離を防止するとともに、バイオチップ３３を用いたアレイ基板の検出精度を向上できる。すなわち、基材１４の表面に凹凸部１６を生じる層が存在することにより、基材１４表面とファイバー１５ａ間にアンカー効果が生じる。そしてその結果、反応部１５が基材１４から剥離しにくくなる。

　図１１は、本発明の実施の形態におけるバイオチップ４３の断面図である。

　図１１において、基材１４とファイバー１５ａとが接合している基材表面１７が酸化シリコン層１７ａからなり、酸化シリコン層１７ａと反応部１５であるファイバー１５ａとが直接接合している。このように反応部１５と接合する表面が反応部１５と同じ材料で形成されていることが望ましい。この場合、基材１４表面とファイバー１５ａとの接触点を点接触ではなく面接触にすることができるため、ファイバー１５ａの基材１４からの剥離を低減することができる。また、酸化シリコンを主成分としたファイバー１５ａは熱膨張係数が異なるシリコン層と直接接合されておらず、主成分が同じ酸化シリコン層１７ａに直接接合されることになる。そのため、反応部１５にかかる応力を低減させることができ、剥離や反りを抑制できる。

　以下、本実施の形態における他のバイオチップについて図１２を用いて説明する。なお、図３、図４と同様の構成をなすものは同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。

　図１２は、本発明の実施の形態におけるバイオチップ５３の断面図である。図１２に示すように、基材１４はその基材表面１７全体が反応部１５と同じ材料で形成されている。

　すなわち、基材表面１７の全体に酸化シリコン層１７ａをさらに形成し、酸化シリコン層１７ａと、反応部１５であるファイバー１５ａとが直接接合している。例えば、シリコンからなる基材１４に、反応部１５であるファイバー１５ａを形成した後に、基材表面１７としてファイバー１５ａの材料と同等となる酸化シリコン層１７ａを形成する。すなわちシリコン基材１４の表面全体を酸化シリコン層１７ａでコーティングする。この場合、基材１４に対して、等方的に酸化シリコン層１７ａが形成される。そのため、酸化シリコン層１７ａによって引き起こされる基材１４の反りを低減できる。

　すなわち、酸化シリコン層１７ａは基材１４の全面でなくとも、反応部１５と対向している面に形成されていれば良いが、基材１４の全面に形成した方が基材１４の反りをさらに低減できる。

　図１１、図１２に示すように、基材表面１７に酸化シリコン層１７ａを形成するためには、ＣＶＤ法、スパッタリング法、ＣＳＤ法、熱酸化等が挙げられる。熱酸化による方法は、高額な真空装置を必要とせず、簡易な方法により一度に複数基板の処理が可能であり生産性の観点から望ましい。具体的には、基材１４を石英管内に置き、炉を９００℃～１１５０℃に加熱し、酸素ガスと水素ガスを１：２の割合で送り込み炉の導入口に近いところで水蒸気（Ｈ₂Ｏ）を作り、これをシリコンからなる基材１４の表面に送り酸化させるウエット酸化を用いる。基材１４の表面に酸素（Ｏ₂）の侵入を妨げるようなファイバー１５ａが形成されていたとしても、ウエット酸化を用いることで、Ｈ₂Ｏの作用によりＯ₂の基材１４表面への拡散が容易となるため、生産効率が向上する。

　なお、ガス導入口から酸素ガスを送り込み、シリコンからなる基材１４の表面のシリコン層を酸化させ酸化シリコン層１７ａを形成するドライ酸化や、ＨＣｌあるいはＣｌ₂などのハロゲンを添加した雰囲気での酸化も使用できる。

　形成された酸化シリコン層１７ａがＣＶＤ法により形成されたものか、熱酸化によるものかは、その屈折率あるいは密度を測定する事で確認できる。ＣＶＤ法による酸化シリコン層は、屈折率が約１．４６であり、熱酸化による酸化シリコン層は、屈折率が約１．４８となる。なお、この屈折率は、６３２．８ｎｍ波長のＨｅ－Ｎｅレーザーを用い、エリプソメトリで測定した値である。また酸化シリコン層１７ａの密度は、直接測定することは困難な為、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）のエッチングレートから分析できる。ＢＨＦ（４８％ＨＦ：１１ｇＮＨ₄Ｆ／６８０ｍｌ　Ｈ₂Ｏ）を用いた場合は、ＣＶＤ法による酸化シリコン層はそのエッチングレートが約２０Å／ｍｉｎとなり、熱酸化による酸化シリコンは約６．８～７．３Å／ｍｉｎとなる。

　また、上記のような方法を用いなくても、ファイバー１５ａの形成工程での温度調整において、バイオチップ３、１３、２３、３３を第一の工程で１０００℃～１１００℃で形成し、第二の工程でファイバー１５ａの軟化温度以上の１２００℃以上に上げることにより、基材１４に固定された部分のファイバー１５ａが熱溶融され、基材１４に融着される。この結果、基材１４の表面と反応部１５との接触面積をより大きくすることができる。そのため、反応部１５の基材１４からの剥離を低減できる。このときに１２００℃以上の温度では、必ずしもファイバー１５ａを形成させる必要はない。

　なお、反応部１５の材料として、ホウ素（Ｂ）やリン（Ｐ）といった無機物がドープされていることが望ましい。ドープされていない酸化シリコンを用いる場合は軟化温度が１１６０℃と比較的高いが、リンがドープされたＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓ）は、軟化点が１０００℃前後、ＢＳＧ（Ｂｏｒｏｓｉｌｉｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓ）やＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ　Ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｇｌａｓｓ）の軟化点は約９００℃程度と軟化温度が低い。そのため、ファイバー１５ａ中にＢやＰをドープさせることにより、熱溶融させる温度を低下することができ、生産性が向上する。

　以下、本実施の形態におけるバイオチップの他の例について説明する。なお、本実施の形態では、図３～図８、図１０～図１２のバイオチップを細胞培養チップとして用いる。

　細胞培養チップは、近年、医療目的に使われる細胞培養の技術が進歩し、皮膚の移植や、少量の細胞から角膜、歯、骨、臓器など複雑な器官への移植に向けた培養技術において活用されている。

　従来の細胞培養チップは、ガラスや樹脂などからなる容器に細胞と親和性の高い材料をコーティングさせたチップが用いられる。このようなチップを用いることによって、細胞をその細胞と親和性のある表面上で培養できるが、培養した細胞と細胞培養チップとの密着力が強いために細胞培養チップから細胞を剥離させることが困難となる場合がある。その結果、培養した細胞は、機械的に剥がすことにより物理的な損傷が与えられ、トリプシンなどの酵素を用いて化学的な処理によって剥がすことにより、細胞表面の膜タンパク質が破壊されて、移植後の細胞組織への定着率が低下する場合がある。

　本実施の形態のバイオチップでは、反応部５の上で細胞を培養できる。本実施の形態のバイオチップを用いることによって、培養細胞の下方に適度な空隙を形成できるので、従来に比べて培養細胞を効率よく剥離できる。さらに、空隙により栄養物や老廃物がより効率よく運搬されるため、培養効率をさらに向上できる。

　さらに、反応部５の反りが抑制されているので、隣接する反応場５と培養細胞が混ざり合うのを抑えられるため、コンタミネーションを低減できる。

　また、反応部５に撥水性を持つ材料を塗布し、その上に培養液を滴下し、その培養液の中において細胞を培養する場合、反応部５の反りが大きいと、培養液を安定的に保持するのが困難となる。そのため、本実施の形態のバイオチップを用いることで培養液を安定的に保持できる。

　本発明のバイオチップおよびこれを用いたアレイ基板は、マイクロ流体チップ、細胞培養チップ等のバイオチップおよびＤＮＡアレイ、プロテインアレイ、糖鎖アレイ等のアレイ基板に用いられる。

　１，２０　　アレイ基板
　２，２２　　プレート
　３，１３，２３，３３，４３，５３　　バイオチップ
　４　　基材
　５，１５　　反応部
　５ａ，１５ａ　　ファイバー
　６　　境界部
　７　　突起
　８　　凹部
　１４　　基材
　１６　　凹凸部
　１７　　基材表面
　１７ａ　　酸化シリコン層
　２４　　貫通孔
　２６　　突起部

Claims

基材と、
前記基材の表面に設けられた繊維状の反応部と、
前記反応部を複数に分割する境界部と、
を備えた
バイオチップ。
前記反応部は格子状に形成されている
請求項１に記載のバイオチップ。
前記境界部に突起が形成されている
請求項１に記載のバイオチップ。
前記境界部は前記基材と同じ材料で前記基材と一体に形成されており、前記境界部の上面には前記基材とは異なる材料の層が形成されている
請求項３に記載のバイオチップ。
前記境界部は前記基材に設けられた凹部である
請求項１に記載のバイオチップ。
前記基材表面は凹凸状である
請求項１に記載のバイオチップ。
前記反応部は、酸化シリコンで形成されている
請求項１に記載のバイオチップ。
前記反応部は、アモルファスの二酸化珪素で形成されている
請求項１に記載のバイオチップ。
前記基材がシリコンを主成分とする材料で形成されている
請求項１に記載のバイオチップ。
前記基材の表面全体が前記反応部と同じ材料で形成されている
請求項１に記載のバイオチップ。
プレートと、
前記プレート上に配置された複数のバイオチップとを備え、
前記バイオチップは
　基材と、
　前記基材の表面に設けられた繊維状の反応部と、
　前記反応部を複数に分割する境界部とを有する、
アレイ基板。
前記基材の表面は凹凸状である
請求項１１記載のアレイ基板。