JP2004045055A - マイクロピペット - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＮＡチップの製造等、微小体積の液滴を高密度に整列固定するために使用されるマイクロピペットにおいて、高密度に多数の微小スポットを配列することができ、構造が簡素で製造が容易なマイクロピペットを提供する。
【解決手段】シリコン基体１には、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、台形台状の複数個の微細なキャビティ２が行列状に配置されて形成されている。シリコン基体１の上面上には、筐体５がシリコン基体１の上面を閉塞するようにして配置され、シリコン基体１の上面と筐体５に囲まれた圧力室４が形成されている。マスフローコントローラ７により加圧室４の圧力を調整することにより、試料溶液をキャビティ２内に吸入し、又は吐出することができる。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造工程におけるシリコンの微細加工技術によって製造することができ、ＤＮＡチップの製造等、微小体積の液滴を高密度に整列固定するために使用されるマイクロピペットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、顕微鏡スライドガラス上に、数千以上のＤＮＡ断片を微小スポットとして整列固定したＤＮＡチップが登場し、遺伝子構造の解析に用いられている。このＤＮＡチップの製造において、微小スポットを作製する方法としては、ＱＵＩＬＬ方式、ピン＆リング方式、スプリング方式のものが広く用いられている。しかしながら、いずれの方式でも、機械加工によってピン先を形成する方法であり、ピン先を整列固定する取り付けでは、微小スポット間の間隔を一定に保つことが必要となる。更に、各微小スポットの容量のばらつき及び形状のばらつきを抑制することも必要である。
【０００３】
また、ＤＮＡの解析速度を短縮するために、高密度に微小スポットを配列したいという要求が高まり、これに対応すると共に、生産性を高めたＤＮＡチップの製造装置が求められている。
【０００４】
ＱＵＩＬＬ方式は、ピン先に溝を刻み込み、基板とピン先を接触させて前記構内の試料を基板上に移して微小スポットを作製する方法であり、万年筆にみられる毛細管現象を利用している。しかし、基板との衝突の衝撃によるピン先の変形及び溝部の洗浄の不完全さから生じるクロスコンタミネーションが問題であった。
【０００５】
また、ピン＆リング方式は、試料溶液をリング状にリザーブし、このリング内を貫くピンでリング内の試料を捉え、ピンと基板との接触によって基板上に微小スポットを作製する方法である。しかしながら、このピン＆リング方式は、構造が複雑で、数千から数万のスポットを作製するリングの洗浄・乾燥工程が数百から数千回必要となり、生産性が悪い。
【０００６】
更に、スプリングピン方式は、ピン先に付着した試料を基板に押しつけて、基板上に微小スポットを作製する方法であり、スプリングを内蔵したピンにより基板への損傷を和らげる。しかしながら、１回のリザーブで１回のスポットしかできず、効率が劣る。また、大気中にさらすため、試料溶液が乾燥して、スポットができなくなるといった不具合も生じやすい。
【０００７】
これらの機械加工で作製したスポッタは、微細化の問題がある。同時に多数個の微小スポットを形成するには、先端径を細く、またスポットのピッチを狭くして高密度に配列する必要があるが、このような加工が技術的に難しい。
【０００８】
更にまた、プリンタで用いられるインクジェット方式も検討されているが、構造が複雑で、数千から数万の流路とアクチュエータを形成することは、装置が大型化すると共に、製造コストが高くなるという問題点がある。
【０００９】
このような問題点を解消するものとして、特開２００１−１２４７８９に開示されたマイクロピペットがある。この従来のマイクロピペットにおいては、セラミックスからなる基体に圧電／電歪素子を備え、注入口からキャビティに注入した試料溶液を、圧電／電歪素子の駆動によってキャビティの体積を変化させ、吐出口から一定量の試料溶液を吐出するものである。この従来技術においては、一度の試料液注入でも繰り返しスポットを行うことができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この公開公報に記載された従来技術では、圧電素子／電歪素子の極小化の限界から、高密度に多数の微小スポットを配列することが難しく、構造も複雑になるという問題点がある。
【００１１】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、高密度に多数の微小スポットを配列することができ、構造が簡素で製造が容易なマイクロピペットを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るマイクロピペットは、シリコン基体と、このシリコン基体のエッチングによってシリコン基体の一面側が大きく他面側が小さく開口するように形成された複数個のキャビティと、前記シリコン基体の前記一面上に設けられて気体を封入する圧力室を区画する筐体と、を有し、前記圧力室の圧力を調整することにより前記キャビティ内に液滴を吸引することを特徴とする。
【００１３】
このマイクロピペットにおいて、前記シリコン基体の前記他面にて各前記キャビティに接続された複数個のノズルを設けることができる。
【００１４】
また、前記キャビティと前記圧力室との間を仕切るダイヤフラム状シール材を設けることができる。
【００１５】
更に、前記キャビティの内面に設けられた親水性被膜と、前記シリコン基体の前記他面に設けられた疎水性被膜とを設けるか、又は前記キャビティの内面に設けられた親水性被覆と、前記シリコン基体の前記一面及び前記他面に設けられた疎水性被覆とを設けることができる。
【００１６】
本発明においては、シリコンの基体のエッチングによりキャビティを形成するから、半導体装置の製造工程で使用する微細加工技術を利用して、微細な形状のキャビティを高精度で形成することができる。また、数千から数万個のスポットを作製可能なキャビティを、一括して低コストで容易に製造することができる。
【００１７】
また、本発明においては、液体の吐出量は圧力室内を加減圧することによって調整するので、微量調整することができる。更に、キャビティ内とアレイ面（シリコン基体面）の親水性及び疎水性を調節することによって、疎水性面で液滴が止まり、親水性表面では液滴が馴染みやすいために、液滴の保持及び吸い上げを自己制御することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の第１実施形態に係るマイクロピペットを示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線による断面図と制御装置を示す図である。シリコン基体１には、台形台状の複数個の微細なキャビティ２が行列状に配置されて設けられている。このキャビティ２は、シリコン基体１の上面（一面）側が大きく開口して開口部３ｂとなり、下面（他面）側が小さく開口して吐出部３ａとなっている。また、キャビティ２の側面２ａは平面であり、シリコン基体１の上面及び下面に対して傾斜している。そして、シリコン基体１の上面上には、４個の側壁５ａと上壁５ｂとから構成される金属製筐体５がシリコン基体１の縁部上にシリコン基体１の上面を閉塞するようにして配置されている。これにより、シリコン基体１の上面上に筐体５に囲まれた圧力室４が形成される。なお、筐体５はシリコン基体１に接着剤により固定されている。但し、この筐体５とシリコン基体１とを固定する手段は接着剤に限らない。また、筐体５は金属製に限らず、例えば、樹脂又はセラミックスにより筐体を成形することも可能である。例えば、筐体をガラス製とした場合、この筐体とシリコン基体とを接合する手段として、陽極接合を使用できる。これにより、耐水性、耐薬品性及び耐熱性に若干問題がある接着剤を使用する必要がなくなる。なお、陽極接合とは、４００℃程度の高温で、４００Ｖ程度の電圧をガラス−シリコン基体間に印加し、ガラス中のＮａイオンを引き寄せて空乏層を広げ、発生した強力な静電気力でガラスとシリコン基体とを密着させてＳｉ−Ｏの共有結合をつくるものであり、シリコン基体と筐体（ガラス）とを接着剤以上に強固に固着することができる。
【００１９】
筐体５の１個の側壁５ａには、配管６が挿通しており、この配管６により、外部のマスフローコントローラ７と、圧力室４とが連通している。マスフローコントローラ７には、圧力モニタ調圧弁７ａ、７ｂが設けられており、配管６から分岐した配管６ａが圧力モニタ調圧弁７ａに接続され、同じく配管６から分岐した配管６ｂが圧力モニタ調圧弁７ｂに接続されている。そして、窒素ガスが圧力モニタ調圧弁７ａを介して所定の圧力に制御されつつ、圧力室４内に供給される加圧工程と、圧力室４内のガスが圧力モニタ調圧弁７ｂにより圧力を制御しつつ排気される排気工程とが切り替わるようになっている。
【００２０】
このマイクロピペットにおいては、シリコンからなる平板状の基体１に、エッチングによって行列状に配置されたキャビティを形成するので、微細なキャビティを高精度で且つ容易に形成することができる。例えば、面方位が（１００）のシリコン基板上に、酸化膜を形成し、この酸化膜上にフォトレジストを形成し、フォトリソグラフィによりキャビティのパターンを前記レジストに形成する。その後、前記レジストのパターンをマスクとして前記酸化膜を緩衝フッ酸溶液でエッチングし、酸化膜のパターンを形成する。そして、この酸化膜をマスクとして、シリコン基体１を異方性エッチングすることにより、キャビティ２を形成する。シリコンの異方性エッチング液は、ＫＯＨ又はＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムヒドロキシド溶液）等を使用することができる。このキャビティ２は、例えば、基体１の上面の開口部３ｂが１辺長３００μｍの正方形をなし、ピッチが５００μｍである。このようにして、シリコン基体１に、例えば、１００×１００個のキャビティ２のアレイを形成する。
【００２１】
上述の如く構成された本実施形態のマイクロピペットにおいては、シリコン基体１の下面に形成した小孔の吐出部３ａがノズルとして機能し、圧力室４に接続されたマスフローコントローラ７により、圧力室４内の圧力を減じることにより、吐出部３ａから試料溶液がキャビティ２内に吸引され、圧力室４内の圧力を高くすることにより、キャビティ２内の試料溶液を吐出部３ａから液滴状に吐出する。
【００２２】
本実施形態においては、シリコン基体１のエッチング加工によって、キャビティ２を高精度で形成することができるので、容易に且つ高精度で微小キャビティを有するマイクロピペットを製造することができる。また、このキャビティ２に、圧力室４内の圧力を減圧して試料液体をリザーブし、キャビティ２内の加圧によって、試料液体をキャビティ下部の吐出部３ａから微量吐出させ、液滴を形成する。このとき、隣接するノズルから吐出した液滴と混じり合わないように、ノズル面に疎水処理を施して、液滴とノズル面との接触角を上げると共に、吐出量が多くなりすぎないように制御する。この状態を保持したまま、ノズル面と基材上面とを接触させると、高密度に再現性よく、スポットを形成することができる。このようにして、高密度に多数の微小スポットを配列することができる。
【００２３】
次に、図３は本発明の第２実施形態に係るマイクロピペットを示す断面図である。図３において、図１及び図２と同一構成物には、同一符号を付してその詳細な説明は省略する。シリコン基体１の下面に設けられた吐出部３ａに、金属又はポリイミド等の樹脂からなるノズル１０が設けられている。このノズル１０は小径筒状をなし、吐出部３ａと連通するようにして、例えば、接着等によりシリコン基体１の下面に固定されている。
【００２４】
これによって、基材へ接触によるスポット時に、過度の衝撃によって液滴がつぶれるなどして試料液滴が隣接したスポットと混合してしまうことがなく、良好なスポット痕の形状を得ることができる。
【００２５】
次に、本発明の第３実施形態について、図４（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図４（ａ）、（ｂ）において、図１、２と同一構成物には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。本実施形態においては、シリコン基体１の上面（圧力室４側の面）に、軟質の例えばシリコーンゴム膜又はポリウレタン膜からなるダイヤフラムシール１１を圧力隔壁として設けたものである。このシリコーンゴムフィルム又はポリウレタン膜の厚さは、例えば、１５μｍであり、その表面に、ポリジメチルシロキサンをスピンコートして、表面を酸素プラズマによって表面処理し、密着性を高めた上で、シリコン基体１の上面（キャビティ２を区画するシリコン基体１のフレームの上面）に貼り付けて固定されている。
【００２６】
このように構成されたマイクロピペットにおいては、ダイヤフラムシール１１が、圧力室２とキャビティ２との間に介在し、圧力気体と、試料溶液との接触を防止する。このため、試料溶液をキャビティ２内に吸引した状態で保持しても、試料溶液は蒸発しない。また、ダイヤフラムシール１１の伸縮しやすさはゴムのヤング率に応じて調整できるため、第１実施形態のように、直接気液が接触する場合のように、圧力室２の圧力変化に敏感になることはなく、より制御性が良くなる。
【００２７】
次に、図５（ａ）乃至（ｃ）を参照して本発明の第４実施形態について説明する。図５（ａ）乃至（ｃ）において、図１及び図２と同一構成物には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。吐出部３ａが設けられた面は、シリコン基体１の下面であり、シリコンはもともと疎水性である。しかし、本実施形態においては、このシリコン基体１の下面に、ＣＶＤ（化学気相堆積法）によって疎水性のフルオロカーボン等を堆積することにより、疎水性膜１２が形成されている。また、キャビティ内面となる、キャビティ２の側面２ａ及びシリコン基体１の上面（圧力室４側の面）には、同じくＣＶＤ（化学気相堆積法）によって、シリコン酸化膜のような親水性膜１３が堆積されている。
【００２８】
これにより、キャビティ内面に液滴はなじみ、吐出部３ａが形成されたシリコン基体１の下面は液滴１６を撥水するようになる。このため、キャビティ２内に注入した試料溶液は、圧力室４の圧力変動がない場合は、親水性膜１３による試料溶液の表面張力によってキャビティ２内に漏れが発生することなく保持される。また、キャビティ２内への液の注入は、毛細管力によって駆動され、例えば、シリコン基体１の吐出面を、補充槽１４内の試料溶液１５内に浸漬すれば、マスフローコントローラ７による圧力調整をすることなく、キャビティ２内に試料溶液が自動的に補充される。
【００２９】
即ち、リザーブタンクとなるキャビティ内部を親水性被覆することで、リザーブタンクへの試料溶液を溜め込む際に、毛細管力を利用して試料溶液を吸引することができるようになる。従って、圧力室を減圧して、差圧によって吸引する必要がなくなる。また、吐出口を疎水性被覆すると、キャビティから吐出面への液だれを防ぐ効果が得られるとともに、吐出した液滴１６が撥水し、隣接する吐出口と接触・混合することを防止できる。この非可否的な試料溶液の流動性変化によって、マイクロピペットとしての制御性を高めることができる。
【００３０】
次に、本発明の第５実施形態について説明する。図６（ａ）は本発明の第５実施形態のマイクロピペットを示す斜視図、図６（ｂ）は同じくその断面図である。図６（ａ）及び（ｂ）において、図１、図２及び図５と同一構成物には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。本実施形態においては、シリコン基体１の下面（吐出面）及び上面（圧力室側の面）に疎水性膜１２が形成され、キャビティ２の側面に親水性膜１３が形成されている。つまり、シリコン基体１により構成されるフレームの上面１ａにも、疎水性膜１２が形成されている。
【００３１】
本実施形態においては、シリコン基体１の上面の隣接するキャビティ２間を隔てるフレーム上面１ａが疎水性膜１２により撥水処理されているので、キャビティ２の容積以上に吸引された試料溶液は、図６（ｂ）に示すように、キャビティ２の上方で表面張力により盛り上がり、それ以上試料溶液が吸引されることを防止することができる。このため、結果的に、キャビティ２の容積以上に試料溶液が吸引されることを防止できる。そして、吐出した液滴は表面張力によって形状を保ったままキャビティ下面に形成することができる。
【００３２】
図７は図３に示す本発明の第２実施形態のマイクロピペットの応用例を示す図である。試料容器２０に設ける試料溶液の供給アレイ２１をノズル１０の位置に対応するように配置し、各供給アレイ２１に貯留する試料溶液を個別に異なるものとすれば、マイクロピペットの各キャビティ２に相互に異なる液体を所望の位置にアレイ状に配置することが可能である。
【００３３】
また、図８に示すように、本実施形態のマイクロピペットとＤＮＡチップ３１との間にスペーサ３０を設けることもできる。つまり、本実施形態のマイクロピペットによって、吐出面と相対するスライドガラスに試料液滴１６を転写させる。これにより、液滴１６は転写基板に接触するが、このとき、キャビティ下面と基板（ＤＮＡチップ３１）が接触しないように注意する必要がある。接触すると、完全に液滴がつぶれ、隣の試料液滴と混合してしまう。そこで、位置を機械的に制御する方法として、キャビティ下面に弾力性のあるスペーサ３０を挿入する。このスペーサ３０の材質は、スライドガラスに接触しても、コンタミネーションがないもの、例えばシリコーンゴムが好適である。
【００３４】
図８に示すように、スペーサ３０の厚さは液滴１６が完全につぶれないように例えば０．１ｍｍとする。スペーサ３０は基板とノズルが直接接触することを防止するため、ノズルの汚れを抑制することができる。また、スペーサ３０として、弾性体を使用すれば、基板の検査エリアに衝撃によるダメージが入りにくい。
【００３５】
図９は加圧室内の圧力調整方法の変形例を示す図である。筐体３２として、上面に放熱用フィン３２ａを設けたものを使用する。この筐体３２は、キャビティ２の上方の部分は薄い谷部３２ｂである、この筐体はシリコン基板により形成することができる。谷部３２ｂの下面、即ち、圧力室４側の面に、発熱体３３が設けられている。なお、この場合のマイクロピペットは、ダイヤフラムシール１１が設けられたものを使用する。
【００３６】
このように、キャビティ２に整合する各位置に発熱体３３が設けられ、筐体３２とシリコン基体１との間に液状媒体３４が封入されている。そして、発熱体３３の発熱によって媒体３４内に発生した気泡３５により、圧力室３４内の体積が変化し、これにより、ダイヤフラムシール１１が変形し、キャビティ２内の試料溶液を押し出したり、キャビティ２内に試料溶液を吸引したりすることができる。
【００３７】
また、図１０は加圧室内の圧力調整方法の他の変形例を示す図である。筐体４０として、シリコン基体１の若干上方の位置に、ダイヤフラムシール１１と平行に他のダイヤフラムシール４１を設けたものを使用する。そして、このダイヤフラムシール４１の上面には、キャビティ２に整合する位置に黒体４２を着色する。そして、光導波路４３により、Ｈｅ−Ｎｅレーザ等のレーザ光を各黒体４２に導き、レーザ光を黒体４２に照射できるようにする。
【００３８】
これにより、レーザ光の照射を受けた黒体４２が短時間で、急速加熱され、気泡気泡４４が発生する。このようにして、図９の場合と同様に、加圧室の圧力を調整することができる。なお、レーザ加熱の代わりに、ランプにより加熱することもできる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るマイクロピペットによれば、ＤＮＡチップの製造に使用される微小スポットを、半導体微細加工技術を応用して製造するので、微小スポットを高密度で形成することができ、各スポットの容量のばらつきを防止し、形状のばらつきを抑制することができる。これにより、マイクロピペットの生産性が向上し、低コスト化できるだけでなく、ＤＮＡチップの生産性も飛躍的に改善することができる。
【００４０】
また、シリコン基体表面の疎水性及び親水性を制御することにより、液滴の制御性が向上し、圧力制御によるスポットにおいても微量制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のマイクロピペットを示す斜視図である。
【図２】同じく、第１実施形態のマイクロピペットの断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態のマイクロピペットを示す断面図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第３実施形態のマイクロピペットを示す断面図である。
【図５】（ａ）乃至（ｃ）は本発明の第４実施形態のマイクロピペットを示す断面図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第５実施形態のマイクロピペットを示す夫々斜視図及び断面図である。
【図７】本発明のマイクロピペットの応用例を示す断面図である。
【図８】本発明のマイクロピペットの他の応用例を示す断面図である。
【図９】本発明のマイクロピペットの更に他の応用例を示す断面図である。
【図１０】本発明のマイクロピペットの更に他の応用例を示す断面図である。
【符号の説明】
１：シリコン基体
２：キャビティ
３ａ：吐出部
３：開口部
４：加圧室
５、３２，４０：筐体
１２：疎水性膜
１３：親水性膜

Claims (5)

1. シリコン基体と、このシリコン基体のエッチングによってシリコン基体の一面側が大きく他面側が小さく開口するように形成された複数個のキャビティと、前記シリコン基体の前記一面上に設けられて気体を封入する圧力室を区画する筐体と、を有し、前記圧力室の圧力を調整することにより前記キャビティ内に液滴を吸引することを特徴とするマイクロピペット。
2. 前記シリコン基体の前記他面にて各前記キャビティに接続された複数個のノズルを有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロピペット。
3. 前記キャビティと前記圧力室との間を仕切るダイヤフラム状シール材を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロピペット。
4. 前記キャビティの内面に設けられた親水性被膜と、前記シリコン基体の前記他面に設けられた疎水性被膜とを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロピペット。
5. 前記キャビティの内面に設けられた親水性被覆と、前記シリコン基体の前記一面及び前記他面に設けられた疎水性被覆とを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロピペット。

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