JP3999398B2 - 小型化学反応装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学反応、特にＤＮＡ増幅反応に用いられる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化学反応の１つであるポリメラーゼ連鎖反応（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ、以下ＰＣＲと略す）は、様々な種類の核酸の混合物中から特定の核酸配列を増幅する方法である。この方法は、混合物中に２種類以上のプライマーと熱安定性酵素及び４種類のデオキシリボヌクレオシド三リン酸（ｄＡＴＰ、ｄＣＴＰ、ｄＧＴＰ、ｄＴＴＰ）を入れて核酸を分離する工程と、前記プライマーを結合する工程と、熱安定性酵素によってプライマーが結合した核酸を鋳型としてハイブリダイゼーションする工程とからなり、これらの操作を、少なくとも１回以上繰り返すことにより、特定の核酸配列を増幅することが可能になる。
【０００３】
ＰＣＲを効率よく行うためには、加熱及び冷却を高速且つ高精度に行うことが必要である。加熱及び冷却を高速且つ高精度に行うために、必要であるのは、主に以下のような２つの条件である。
【０００４】
第１の条件は、反応容器が、熱伝導率の高い材質で形成されていることである。
【０００５】
シリコン、アルミニウム、銅等は高い熱伝導率を有しているため、反応セルの材質として有利である。その中でもシリコンは、半導体プロセス技術を用いて加工することが容易であり、且つ加熱体及び温度検出部等の様々なデバイスを、高い精度を保ちつつ、材質表面に直接形成することが可能であるので優れている。
【０００６】
第２の条件は、容器の直ぐ近傍に、できるだけ熱的絶縁体を介在しない状態で、加熱体及び温度検出部を形成することである。
【０００７】
反応液と加熱体及び温度検出部との間に熱的絶縁体が、全く存在しない条件を満たすことが可能な装置は、該反応を行う反応セル内に加熱体及び温度検出部を設置した装置である。しかしながら、反応セル内に加熱体及び温度検出部を設置することは、製作コスト及びランニングコストが高いことが問題である。
【０００８】
例えば、特開平５−３１７０３０は、そのような装置を開示している。該発明は、シリコンウェハを微小なチャンバ状に加工し、その底部にペルチエ素子を形成した反応容器である。この装置は、反応セル内部に温度調節部を有しているため、反応容器内の温度を精密に制御することができる。しかし、多数のペルチエ素子を用いた場合、加熱及び冷却に大きな電流を必要とするため、電気抵抗が問題である。更に、多数の配線を並列に制御する装置は、製造コストもランニングコストも非常に高いことが欠点である。
【０００９】
一方、反応セルの外側に加熱体及び温度検出部を配置する装置については、反応の温度制御に対する高精度と、反応セルの十分な強度とを同時に満たすものを提供することは困難である。即ち、反応セル内における温度管理の精度を向上するために、反応セルと加熱体及び温度検出部とをより近接しようとした場合、反応セルの壁が薄くなり、その結果、反応セルの強度が不足し、破損することが問題となるのである。
【００１０】
例えば、特表平７−５０８９２８は、シリコンウェハをエッチングにより加工し、反応セルを形成した装置を開示している。この装置の製造工程では、ウエットケミカルエッチング液として水酸化カリウム水溶液を用いた異方性エッチング法が用いられている。同時に、シリコンウェハのエッチング停止方法は、窒化シリコン膜を利用する方法を使用している。窒化シリコンは、反応セルの形状を決めるためのマスキングにも一般的に使用され、最も簡便なエッチングの停止方法である。特表平７−５０８９２８における反応セルの製造方法の概要は、１）基板であるシリコンウェハの両面に窒化シリコン膜を形成する；２）反応セルの形態に合わせ、その開口部の窒化シリコン膜を除去し、残った窒化シリコン膜をマスクとして用いてシリコンウェハをエッチングする；３）反応セルの開口部から底部に至るまでの部分に当たるシリコンをエッチングにより削り去るというものである。その結果、反応セルの底部として、窒化シリコン膜だけが残る。即ち、この窒化シリコン膜により反応セルの底部が形成される。窒化シリコン膜は、製法上の制約によって最大でも数ミクロンの膜厚で形成することしかできない。これは、加熱体及び温度検出部と上記反応セル内の反応試薬との距離を短縮するためには非常に有利であるが、その反面、窒化シリコンの脆さが問題となる。即ち、反応セルの底部の強度が不足するため生じる反応セルの破損が問題となるのである。急熱及び急冷の繰り返しを必要とするＰＣＲでは、これはより深刻な問題である。特表平７−５０８９２８では、窒化シリコン膜を挟んで反応セルの外側に加熱及び温度検出用の部材を配置している。
【００１１】
また、シリコン底部を残さずに反応セルを形成する場合であって、且つ加熱体の形状が一様でなくパターンを描いているような場合には、パターンとパターンの間は発熱しないため、微小な範囲で、温度分布が生じ、反応が不均一になる欠点があった。
【００１２】
このような問題を解決する方法として、エッチング時に、シリコンウェハを薄い厚さで残して底部とする方法がある。反応セル底部としてシリコンウェハを薄く残すことにより、微小な熱分布を緩和し、反応セル溶液に伝えるために温度分布を均一にすることが可能になる。従来技術では、シリコン基板をアルカリ液を用いたウエットエッチングで処理する場合、エッチングの停止方法として、時間を設定する方法、又は、窒化シリコン膜を設置する方法が使用される。或いは電気化学エッチング法では電気的にエッチングを停止する方法が用いられる。しかし、このような従来の方法では、シリコン基板を必要なだけ薄く加工することは困難である。
【００１３】
また、ＰＣＲ等の反応時に、１つの反応セルを繰り返して加熱及び冷却することなく、温度の調節を可能にする装置も開発されている。例えば、特表平７−５０６２５８は、反応セルをシリコン基板のエッチングにより形成する装置であるが、予め所定の温度に調製した反応チャンバを複数用意し、その反応チャンバの間を繰り返し試料溶液を移動させることを特徴としている。これにより加熱及び冷却時の内部圧力の変化を少なくすることが可能になる。しかし、そのためには、反応液を反復して移送することが可能な精密なポンプが必要である。特表平７−５０８９２８では、窒化シリコン膜を挟んでポンプ装置を配置している。また、完全に密閉しなければ、ポンプ動作に支障を来たす。そのため、試料溶液の注入方法が複雑になり、製造コストが非常に高くなることは必須であろう。
【００１４】
また、場合によっては、基板の材質として、シリコンウェハの代わりにガラス等の材質を選択する必要性が生じる。ガラス等の非晶質は、シリコン単結晶又は他結晶体に比べて熱伝導率が非常に小さいことが問題になる。小型化学反応装置を作製した場合には、反応セル内部に大きな熱分布が生じ、精度の高いＰＣＲは不可能となる。従って、反応セルの底部はなるべく薄い方がよいとされるが、このような場合にも反応セル底部の強度不足が大きな問題となっている。特表平７−５０８９２８では、検出感度と機械強度との間のバランスを考慮して３μｍ±１０％の薄い窒化シリコン膜を境界層として、その外側に加熱体、温度検出体、ポンプ装置等を配置している。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、小型化学反応装置の性能を維持したまま、反応セルの薄い部分の強化された小型化学反応装置を提供すること、前記反応セルを複数具備するにも関わらず低コストである小型化学反応装置を提供すること、及びそのような反応セルを簡単に且つ低コストで形成する方法を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、下記の（１）〜（８）によって達成される。
【００１７】
（１）基板と、該基板の表面に開口して設けられた１つ以上の反応セルと、前記基板の裏面側に形成された肉厚の樹脂膜と、前記樹脂膜に埋設された加熱体及び温度検出とを具備する小型化学反応装置。
【００１８】
（２）請求項１に記載の小型化学反応装置であって、前記反応セル内壁部は高い熱伝導率を有する材質で形成され、且つ少なくとも前記基板の厚さの薄い部分に樹脂膜が形成されている小型化学反応装置。
【００１９】
（３）請求項１に記載の小型化学反応装置であって、前記樹脂膜の膜厚が５μｍ以上、２００μｍ以下である小型化学反応装置。
【００２０】
（４）請求項２に記載の小型化学反応装置であって、前記基板の厚さの薄い部分にホウ素原子が高濃度で含まれている小型化学反応装置。
【００２１】
（５）請求項１に記載の小型化学反応装置であって、前記反応セルを複数個で具備し、且つ該反応セルの数よりも少ない個数で具備された加熱体及び温度検出を具備する小型化学反応装置。
【００２２】
（６）請求項１に記載の小型化学反応装置であって、更に、前記基板に具備される反応セルの開口部を覆うように配置された第２の基板を具備し、請求項１に記載の第１の基板及び第２の基板の一方又は両方に複数の穴が設けられている小型化学反応装置。
【００２３】
（７）請求項６に記載の小型化学反応装置であって、前記複数の穴が光透過性薄膜で閉鎖されている小型化学反応装置。
【００２４】
（８）請求項７に記載の小型化学反応装置であって、前記穴の面積が０．１平方ｍｍ以上１００平方ｍｍ以下であり、且つ短辺が１ｍｍ以内の矩形状の窓である小型化学反応装置。
【００２５】
【発明の実施の形態】
Ｉ．小型化学反応装置
本発明の小型化学反応装置（以下、装置ともいう）は、化学反応を行うための小型反応装置であり、特に、ＰＣＲを効率よく行うための反応装置である。本発明の装置を用いてＰＣＲを行った場合、反応セル内に含まれる反応液に対し、正確な温度測定と迅速な昇温、降温を行うことが可能である。従って、高速、高精度、高増幅率のＰＣＲ反応を行うことができる。以下、本装置について詳細に説明する。
【００２６】
本発明の小型化学反応装置は、基板の表面側に開口して具備された反応セルと、前記基板の反応セルを具備していない裏面側に具備された樹脂膜と、前記樹脂膜に埋設されることにより具備される加熱体及び温度検出部とからなる。
【００２７】
本発明において、前記反応セルの底部が、前記加熱体により加熱又は冷却され、それにより反応セル内の反応液の温度が調節される。更に、該反応セル底部の温度を、温度検出部でモニターして管理することにより、該反応液の温度の高速且つ高精度な調節が可能になる。
【００２８】
好ましい態様において、本発明の小型化学反応装置は、前述の第１の基板の他に、第２の基板を具備する。第２の基板は、第１の基板の該反応セルの開口部を覆うように配置され、主に蓋としての役割を果たし、それにより、反応液の蒸発等を防止する。
【００２９】
本発明の小型反応装置の形状は、加工の容易さから正方形又は長方形の形状が好ましい。しかし、本発明においてはこれに限定されず、例えば菱形、六角形若しくは八角形等の多角形、円形、楕円形状が可能である。
【００３０】
Ｉ−１．基板
本発明の第１の基板の表面側に、凹部が形成され、この凹部を反応セルとして使用することが可能である。
【００３１】
本発明の第１の基板は、反応セルの壁面を直接構成する。従って、反応セル内の反応液の温度を、高速且つ精密に管理するためには、本発明の第１の基板が、高い熱伝導率を有する材質であることが好ましい。第１の基板は、シリコン単結晶板（以下、シリコンウェハとも称す）、石英、パイレックス等の非晶質基板、アルミニウム、ステンレス等の金属基板、フッ素樹脂、ポリプロピレン等の有機基板が好ましく、シリコンウェハは、半導体プロセス技術により容易に加工することができるので最も好ましい。
【００３２】
一般的に、第１の基板の形状は本装置の形状により決定される。例えば、本装置の形状が長方形状である場合、第１の基板の大きさは、長辺は好ましくは０．１ｃｍから１５ｃｍであり、短辺は好ましくは０．１ｃｍから１５ｃｍであり、厚さは０．０１ｃｍから０．５ｃｍである。
【００３３】
また、本発明の第１の基板に、反応セルの破壊、又は反応液の突沸を防止するための脱気用の穴を設けてもよい。
【００３４】
更に、本発明の第１の基板に、反応液の状態を観察するための穴を形成してもよい。また、これらの穴を光透過性の膜で閉鎖してもよい。
【００３５】
このような光透過性の膜として使用することが可能な材質は、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、及び樹脂フィルム等、並びにパイレックスガラス、アルカリガラス、及び鉱物油等のミネラルオイルである。
【００３６】
一般的に、小型化学反応装置を使用する場合、反応セル内に試料溶液するときに同時に気泡が混入する可能性がある。気泡が混在する場合、反応セル内の試料溶液を加熱すると、気泡との気水界面での蒸発が生じて気泡が膨張し、内部圧力が高まる。その結果、反応セルの破壊や試料溶液の突沸が生じる。２枚の基板の一方又は両方に形成した貫通穴は、膨張する気泡を外部に逃がすことで、そのような危険性を低めることが可能である。また、２枚の基板の一方又は両方に形成した貫通穴は、反応セルの破壊や試料の突沸を防ぐ機能を有する他に、後述するインターカレート色素を用いるＤＮＡ増幅の結果の検出方法にも利用することも可能である。
【００３７】
化学反応、特にＰＣＲを行う装置の場合、ＰＣＲ試薬の中にＤＮＡの２本鎖の中に入り込んで蛍光特性が変化する蛍光色素を入れ、ＰＣＲを行うのと同時にＤＮＡが増幅されているかどうかを蛍光強度によって検出する方法が近年盛んに行われている。前述のような働きをする色素をインターカレーター色素と呼び、数多くの種類が知られている。
【００３８】
もっとも良く使われているインターカレーター色素はエチジウムプロミドである。インターカレーター色素を用いてＤＮＡ増幅反応を検出するためには装置に励起光の入射と蛍光の検出を行う窓を２枚の基板の一方又は両方に形成する必要がある。この窓は、上述した第１及び第２の基板に形成する穴に相当する。
【００３９】
この窓は貫通穴でも光透過性薄膜が形成されていても良い。窓を貫通穴とした場合、試料溶液の出し入れもこの穴を通して行う事が可能となる。動作手順としては、試料溶液を反応セル内に入れた後、穴にミネラルオイル等の沸点と光透過率が高く、ＰＣＲ反応を阻害しない材料で反応セルを密閉する。次に加熱冷却を繰り返す時に外部から励起光を穴を通して反応セル内部の試料溶液に照射し、発した蛍光を穴を通して検出する。このように蛍光強度をモニターすることでＤＮＡが増幅しているかどうかを同時に測定する事が可能となる。それにより、従来必要であったＰＣＲ後の電気泳動等での検出が不要となり、測定時間を大幅に短縮することか可能である。
【００４０】
光透過性膜として窒化シリコン膜を使用する場合、反応セルの形成と同時期に形成することが可能である。即ち、目的となる穴を高濃度のアルカリ溶液でエッチングする際に、エッチングを開始する面とは反対の面にも窒化膜を形成しておき、その窒化膜でエッチングを停止すれば、窒化膜を光透過性薄膜として形成することができる。これは、穴を形成してから窓材を形成するよりも簡単であり、低コスト化が可能になる。
【００４１】
しかし、この方法で作られる光透過性薄膜としての窒化膜の膜厚は、０．０１μｍ〜１０μｍ程度が限界であり、大変薄く、破損しやすい光透過性薄膜となってしまう。従って、光透過性薄膜を形成した穴の面積を、０．１平方ｍｍ以上１００平方ｍｍ以下且つ、短辺が１ｍｍ以内の矩形状の窓とすることで、光透過性薄膜の薄さをカバーすることのできる十分な強度が得られる。また、穴を小さくすることによる面積の不足は、穴を多数空けることで透過光照射不足を補うことができる。このとき、穴の面積が０．１平方ｍｍ以下では穴が小さすぎ、穴を複数開けたとしても透過光が十分照射されない。例えば、蛍光強度により反応達成度を検出する場合には、蛍光強度が弱くなり、その検出が困難になる。また、前述の面積が１００平方ｍｍであり、且つ短辺が１ｍｍ以上の形状では、光透過性薄膜が大きくなりすぎ、破損の原因となる。
【００４２】
また、上記の穴に光透過性薄膜を形成させることにより、ミネラルオイル等を蓋とすることなく、より簡便な操作により、ＤＮＡの増幅程度をＰＣＲと同時に測定するための穴が形成できる。このような方法により、簡便で低コストな装置が提供できる。
【００４３】
また、本発明の第１の基板にシリコンウェハを使用する場合、該シリコンウェハに高濃度のホウ素原子をドープすることが好ましい。シリコンウェハのエッチングをしない片側に、ホウ素原子を高濃度でドープさせることにより、容易に、且つ膜厚の再現性良く、エッチングを停止することが可能である。これは、高濃度のホウ素原子により、アルカリ性エッチング液によるエッチングレートが極端に小さくなるためである。
【００４４】
従来技術で見られるように、エッチングの際に、シリコンウェハを完全にエッチング仕切らず、薄く残したシリコンを反応セルの底部とする場合、エッチングの停止方法が問題となる。均一な厚さを維持し、且つ必要な程度に薄く残すことは、従来の反応セル製造技術を用いた場合、達成することが不可能である。本発明では、シリコンウェハのエッチングをしない片側にホウ素原子を高濃度でドープしておくことにより、目的の反応セルの底部を形成することを達成した。
【００４５】
ドープするホウ素原子の好ましい濃度は、１×１０^１９から１×１０^２０原子／ｃｍ^３であり、より好ましい濃度は１×１０^２０原子／ｃｍ^３である。
【００４６】
上述した通り、本発明の第２の基板は、第１の基板の該反応セルの開口部に配置され、主に蓋としての役割を果たす。従って、第２の基板の大きさは、第１の基板と同じ大きさが好ましいが、これに限定するものではない。
【００４７】
第２の基板として用いることが可能な材質には、石英、パイレックス等のガラス基板、シリコンウェハ、アルミニウム、ステンレス等の金属基板、フッ素樹脂、ポリプロピレン等の有機基板がある。反応セル内の視認性の観点から、石英、パイレックス等のガラス基板が優れている。また、熱伝導率の高さからはシリコンウェハが優れている。
【００４８】
また、本発明の第２の基板は、第１の基板に設けられた反応セルの位置に合わせ、試料溶液を出し入れするための穴を施設してもよい。また、第１の基板と同様に、本発明の第２の基板に、脱気用の穴を設けてもよく、また、反応液の状態を観察するための穴を形成してもよい。
【００４９】
Ｉ−２．反応セル
本発明の好ましい態様において、反応セルの形状は、その中において化学反応、特にＰＣＲを行うために都合がよい形態であれば、どのような形態を用いてもよい。反応セル大きさは、１辺が２〜５０mm、深さが０．１〜１．０mmであることが適当であるが、深さの浅い反応セルの方が、深いセルよりも加熱体からの伝熱効率が高くなるので好ましい。反応セルの大きさは、上記範囲内で目的の試料溶液量と考え合わせ適宜選択する。
【００５０】
また、ＰＣＲを行う場合、１〜２℃の反応温度の違いが反応産物に大きく影響する。従って、温度調節を迅速に且つ精密に行うために、反応セルの底部の厚さは、５μｍから２００μｍが好ましく、３０μｍから１００μｍがより好ましい。
【００５１】
本発明の反応セルは、第１の基板に単数で配置することも、複数で配置することも可能である。
【００５２】
また、本発明の反応セルの内側に、窒化シリコン膜を形成してもよく、容器内壁の表面を親水化することにより、非特異的吸着を抑制してもよい。例えば、シリコン酸化膜を、反応セルの側壁部、有機薄膜層及び基板に成膜することにより、表面を親水化することが可能である。
【００５３】
本発明の小型化学反応装置は、ＰＣＲ以外の生化学試験や免疫学的試験等に用いてもよい。目的とする反応に応じて、必要な表面処理を第1及び／又は第２の基板に施すことが可能である。
【００５４】
Ｉ−３．樹脂膜
本発明の装置の樹脂膜は、第１の基板の反応セルが開口していない片側に形成される。
【００５５】
上述した通り、本発明の第１の基板は、その加工の容易さからシリコンウェハを使用することが好ましい。シリコンウェハを基板材料として使う場合、アルカリ溶液でのエッチングによる反応セルの形成する方法が一般的に用いられる方法であるが、反応セル内の温度を十分に管理するためには、ある程度の薄さが要求される。目的とする反応を行うためには、加熱及び冷却を行う場合に生じる内部圧力の変化や、本発明の小型化学反応装置を他の装置と組合わせる場合に生じる外部からの加圧に対して、十分な強度を持たせる必要がある。本発明は、該薄い部分に十分な強度を持たせるために、肉厚の樹脂膜を形成する。
【００５６】
樹脂膜は、少なくとも表面の反応セルの開口により第１の基板の厚みの不足する部分の裏面側に配置することが好ましいが、第１の基板の裏面全体に配置してもよい。
【００５７】
また、上述した通り、本発明は、前記樹脂膜内に加熱体及び温度検出部を埋設している。加熱体及び温度検出部を、十分な機械的強度が保証できると共に熱拡散が過度にならない程度の５μｍ以上、２００μｍ以下、好ましくは８から５０μｍの肉厚の該樹脂膜内に埋設して配置することにより、加熱体及び温度検出部から、反応セルまでの距離を、反応セルの破損や傷を防止しながら最も加熱及び温度検出し易い２．５μｍ以下、好ましくは０．５μｍから２．０μｍという近傍位置にまで短縮することが可能になる。それにより加熱体の熱効率が向上し、且つ反応セル内の溶液の温度を正確に測定することが可能になる。
【００５８】
本発明の好ましい態様における樹脂膜は、反応セルの底部の壁の薄い部分を強化する役割と、該樹脂膜中に加熱体及び温度検出部を保持するための電気絶縁体としての役割とを同時に果たすことが可能である。従って、製作プロセスの簡略化、及び低コスト化が可能になる。
【００５９】
本発明の装置に使用する樹脂膜は、非水溶性であり、０℃から１００℃までの温度範囲で耐熱性があり、強い強度を有し、且つ電気絶縁性に優れていることが必要である。そのような要求を満たすことが可能な具体的な材料は、テフロン等のフッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ポリカーボネート、ポリプロピレン樹脂、塩化ビニル樹脂等である。中でもポリイミド樹脂は成膜とパターニングの容易さから好適である。
【００６０】
また、ポリイミドは、約３５０℃までの耐熱性を有している。従って、ポリイミドを使用した場合、金属薄膜の成膜プロセスがポリイミド膜上ででき、それにより種々の作製プロセスが容易になり、製造工程が短縮できる。
【００６１】
ポリイミドを用いた場合の好ましい樹脂膜の厚さは、５μｍ以上２００μｍ以下である。このとき、５μｍ未満、特に４μｍ以下では、強度の不足を補うためには薄すぎ、製造、梱包、運搬等の間に亀裂が生じたり、折れることも有り得ることが判明した。また、ポリイミドにより形成した樹脂膜は、シリコンウェハに比べ熱伝導率が小さいので、２００μｍ以上の厚さがある場合には、加熱速度及び冷却速度が低下する。
【００６２】
Ｉ−４．加熱体
本発明の装置に用いることが可能な加熱体は、効率よく反応セルを加熱できる部材であればよく、ある程度、抵抗率の高い金属が適している。炭化ケイ素、チタン、ニッケル−クロム合金等のある程度の抵抗値を持っている材質が適切である。より好ましくは、ニッケルクロム、チタン等の金属である。
【００６３】
また、本発明で使用できる加熱体の形状は、反応セル内の試料溶液を効率よく加熱できる形状であれば特に限定されない。例えば、反応セルの全体を加熱できるように蛇行形状の加熱体としてもよい。
【００６４】
また、加熱体は、１つの反応セルに対して１つである必要はなく、２つ以上の加熱体を備えておき、反応セルの中心部と周辺部という様に各部を別々に加熱できるようにしてもよい。或いは、複数の反応セルを１つの加熱体により、加熱してもよい。全ての反応セルを個別に温度制御しないことで、製作コスト及びランニングコストを下げることが可能になり、また使用時の利便性も向上される。
【００６５】
Ｉ−５．温度検出部
本発明の小型化学反応装置は、樹脂膜内に温度検出部を具備する。
【００６６】
該温度検出部は抵抗率の温度依存性が高く、また０℃〜１００℃の温度範囲において抵抗率が直線状に変化する金属が好ましく、例えば白金、チタン等を好適に使用することができる。
【００６７】
本発明で使用可能な温度検出部の形状は、反応セル内の温度を効率よく検出できる形状であれば特に限定されない。例えば、Ｕ字形状とすることができる。また、温度検出部は１つである必要はなく、２つ以上の温度検出部を備えておき、反応セルの中心部と周辺部という様に各部の温度を別々に測定できるようにしてもよい。
【００６８】
或いは、複数の反応セルを１つの加熱体により、加熱してもよい。全ての反応セルを個別に温度制御しないことで、製作コスト及びランニングコストを下げることが可能になり、また使用時の利便性も向上される。
【００６９】
また、温度検出部と加熱体との間に電気絶縁層を形成することも好ましい。電気絶縁層として使用可能な材質は、酸化シリコン、窒化シリコン、ポリイミド等であるが、ポリイミドがより好ましい。第１の基板の裏面と温度検出部との間に位置するポリイミド樹脂膜の厚さは、２．５μｍ以下、好ましくは０．５μｍから２．０μｍである。この範囲より、厚いと温度検出の検出の応答速度が低下し、温度変化を精度良く検出できないことがある。また、温度検出部と加熱体との間に位置するポリイミド樹脂膜の厚さは、１．０μｍから１０μｍが好ましい。
【００７０】
Ｉ−６．任意の構成要素
本発明の小型化学反応装置において、第１の基板と第２の基板は接合されていることが好ましい。ここで、前記２枚の基板からなる部材をモジュールと呼ぶ。このモジュールのみであっても、電気接点に電源及びコントローラー等を接続することにより作動できる。該配線及び外部接続端子部には、抵抗が小さい金属が好ましく、アルミニウムがより好ましい。ただし、アルミニウムで作製した外部接続端子部はハンダが付きにくいのでアルミニウムの上に銅やニッケル等の金属膜を形成しておくことが好ましい。
【００７１】
更に、本発明の用途に応じて必要となる如何なる任意の構成要素を、更に具備することが可能であることも当業者には明白であろう。
【００７２】
Ｉ−７．枠部材
前述したように、該モジュールのみであっても電気接点に電源、コントローラー等を接続すれば作動できるが、試料溶液の出し入れ等が困難であるため、枠材料と組み合わせて小型化学反応装置とすることが好ましい。
【００７３】
枠部材は、接着剤、ネジ又ははめ込み等の手段によって該モジュールに固定することが好ましい。このように、モジュール部分を枠部材と組み合わせることによって試料溶液の注入が容易な小型化学反応装置を製作することができる。また、枠部材は裏面にモジュール部分を組み込むための穴を具備してよく、更に、効率よく放熱をするための穴を具備してもよい。
【００７４】
枠部材は樹脂又は金属によって作られることが好ましい。樹脂材料としてはポリイミド、テフロン、ポリカーボネート等の１００℃以上の耐熱性を有している材料が望ましい。また、金属としては銅、アルミニウム、ステンレススティール、マグネシウム合金、チタン合金等様々な材料が適応できる。
【００７５】
モジュール部分と枠部材の間にシリコンゴム等のパッキング材を挿入しても良い。
【００７６】
また、該モジュール部分と枠部材とを組合わせた部材を、更に、電極を具備するアタッチメント部材と組み合わせ、電気コンタクトを取ることも可能である。更に、反応セル内の試料溶液の温度を強制的に下げるためにアタッチメントの内部に電動ファンを設けることも可能である。
【００７７】
Ｉ−８．ＤＮＡ増幅システム
上記に説明した本発明の小型反応装置を、以下に説明するＤＮＡ増幅システムと組合わせて用いることも可能である。
【００７８】
ＤＮＡ増幅システムは、例えば、ＰＣＲ反応を行う試料を貯蔵するための導入試料溶液容器、温度検出部反応セルでＰＣＲ増幅反応が行われた試料溶液をストックするための排出試料容器、温度検出装置、加熱体検出装置、制御装置、試料導入管、試料排出管、ポンプ及びバルブ等から構成することが可能であるが、これに限定されるものではない。
【００７９】
また、試料導入部及び試料排出部を具備してもよい。この場合、該試料導入部及び試料排出部はＤＮＡ等の試料の非特異的吸着の少ない材料、柔軟性の高い材料から選択することが好ましい。本発明においては、ＤＮＡ等の非特異的吸着が少ないことからテフロンチューブ、ポリプロピレンチューブ等が適しているが、柔軟性の高さの観点からはシリコンゴムチューブも優れている。
【００８０】
また、本発明の小型化学反応装置は、ＰＣＲ以外の化学的反応に応用することが可能である。
【００８１】
ＩＩ．小型化学反応装置の製造方法
ＩＩ−１．第１の基板及び反応セル
本発明の基板及び反応セルは、基板の材質に応じ、それ自体当業者に公知の方法により製造することが可能である。例えば、シリコンを基板に使用した場合、例えば、ウェットエッチング法、ドライエッチング法等の種々の半導体技術を用いて製造することが可能である。
【００８２】
本発明の好ましい態様の１つである、シリコンウェハを基板として使用する装置を例に、基板及び反応セルの製造方法を説明するが、これに限定されるものではない。
【００８３】
先ず第１に、窒化シリコン膜を任意の膜厚でシリコンウェハ表面に成膜し、反応セルの形状にフォトリソグラフィ等の技術を利用してパターニングした後、ＴＭＡＨ等のアルカリ水溶液を用いるフォトレジストを除去する。第２に、前記シリコンウェハを水酸化カリウム、ＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａ Ｍｅｔｈｙｌ Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｉｄｅ）等の高濃度のアルカリ溶液中に浸漬することでエッチングする。
【００８４】
第３に、反応セルの底に薄い部分を残してエッチングを終了させる。この場合、エッチング終了の判断は、エッチング時間を測定して終了する等のそれ自体公知の何れの方法を用いてもよいが、反応セルの底の部分に高濃度のホウ素原子をドープさせることによる方法が好ましい。ホウ素原子のドーピングにより、エッチング速度は極端に遅くなる。この原理を利用することにより、反応セルの底部の薄い部分の厚さを、容易に再現性よく均一化する事が可能である。
【００８５】
第４に、エッチングが終了した後、フッ酸溶液に浸漬させて窒化シリコン膜を除去する。
【００８６】
以上のようにして得られた反応セルを具備する第１の基板に、以下の方法により樹脂膜を形成する。
【００８７】
ＩＩ−２．樹脂膜、加熱部及び温度検出部
本発明の小型反応装置に具備される樹脂膜は、それ自体公知の種々の方法により形成することが可能である。また、樹脂膜の中に埋設されて具備される加熱部及び温度検出部も、当業者に公知の種々の方法により形成することが可能である。
【００８８】
以下に、シリコン基板を用いた場合の１製造方法を例示する。ＩＩ−１の工程で得られた第１の基板に、エッチングによる反応セルの開口を行わない裏面側にポリイミドを成膜する。ポリイミドの成膜方法は前駆体であるポリアミド酸をスピンコート法によって成膜した後に、ポリイミド膜に変性することにより得ることが可能である。
【００８９】
次に、温度検出部をポリイミド膜上に形成する。温度検出部の材質により、その形成方法を選択する必要がある。チタン薄膜により温度検出部を形成することが、加熱体とのプロセスの整合性を考慮した場合にはより好ましい。しかし、これに限られるものではない。
【００９０】
チタン薄膜は、スパッタ法により成膜することが可能である。成膜したチタン薄膜上にフォトレジストを形成し、目的とする形状にパターニングする。フッ酸と硝酸の混合液等のパターニング溶液中に浸漬することによりチタン膜をパターニングする。続いて、アセトン等のフォトレジストを溶解する溶液に浸漬することによりフォトレジストを除去する。
【００９１】
次に温度検出部の上に電気絶縁層としてポリイミド膜を成膜する。成膜方法は、例えば、ポリアミド酸をスピンコート法によって成膜した後に、フォトレジストを成膜し、温度検出部の電気接点の部分のポリアミド酸膜をパターニングした後、フォトレジストを除去し、加熱によりポリイミド膜を形成することが可能である。
【００９２】
加熱体の形成方法は、使用する材質に応じ、それ自体公知の適切な方法から選択してよい。温度検出部にチタンを用いる場合、加熱体も同様にチタンを使用することが好ましい。このように温度検出部と加熱体との材質を同一にする事で、プロセスを均一化でき、低コストや設計の自由度の向上が可能となる。
【００９３】
加熱体は、温度検出部の形成方法と同様にスパッタ法により形成することが可能である。パターニングされ、フォトレジストを除去しし、加熱体の上に更にポリイミドを成膜し、エッチングにより温度検出部と加熱体の電気接点部分のみを露出させることが好ましい。
【００９４】
また、上記方法では温度検出部及び加熱体のパターンは、すべてチタン膜のみで形成することになるが、反応セルに対応しない部分までチタン膜で形成した場合、反応セルの温度の測定が不正確になる。その加熱体の加熱効率が落ちる等の不具合が心配される。本発明の装置では、温度検出部及び加熱体を反応セルに対応する部分のみに形成し、金やアルミニウム等の抵抗値の低い材料により配線することで上記の問題を解決できる。この場合、電気接点部は、金又はアルミニウムが露出した状態になる。更に、アルミニウムは表面が酸化しやすいため、更に、金等により酸化防止膜を形成することが好ましい。
【００９５】
ＩＩ−３．第２の基板
第２の基板であるシリコンウェハへの試料溶液流入穴の形成は、第１の基板に反応セルを形成する方法と同様にして行うことが可能である。但し、該試料溶液流入穴は、反応セルに対する方法とは異なり、エッチングを途中で中止せず、シリコンウェハの裏面側面まで完全にエッチングし、貫通穴を形成する必要がある。
【００９６】
ＩＩ−４．モジュール
本発明のモジュールを形成するために、第１の基板と第２の基板とを接合する。本発明の装置において使用することが可能な接合方法は、接着剤による方法と、陽極接合による方法、熱融着による方法等であるが、これに限られるものではない。
【００９７】
本発明の装置に使用することが可能な接着剤は、例えば、シリコーン系、ゴム系等である。特に、ＰＣＲ反応に本発明の装置を使用する場合には、ポリメラーゼ酵素の活性を阻害しない接着剤を選択しなくてはならない。そのような接着剤の例は、シリコーン系である。
【００９８】
しかし、接着剤による方法は、反応セルと試料溶液流入穴等が形成されている基板部材の接合面のみに接着剤を均一に塗布する方法が難しいため、陽極接合による方法が最も好ましい。
【００９９】
シリコン表面の酵素反応に対する阻害性や、タンパク質に対する吸着性等を防止するために、ガラス膜を前記２枚の基板の接合面に形成してもよい。これにより、反応効率の向上が得られる場合がある。ガラス膜の形成は、スパッタ法等のそれ自体公知の方法によって行うことが可能である。
【０１００】
また、モジュールの電気接点に、電源、コントローラー等を接続する方法は、従来公知の方法により行うことが可能である。
【０１０１】
ＩＩ−５．光透過性薄膜
第１の基板に光透過性薄膜を形成する手段として、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、樹脂フィルム等が考えられる。しかし、作製の容易さから、窒化シリコン膜を光透過性薄膜とすることが好ましい。窒化シリコン膜で光透過性薄膜を形成する場合、反応セルの形成と同時に穴を形成することが可能である。この場合、高濃度のアルカリ溶液でエッチングする際に、エッチングを開始する面とは反対の面である裏面に、窒化膜を形成し、その窒化膜でエッチングを停止すれば、該窒化膜が光透過性薄膜として形成される。このように光透過性薄膜を形成することが好ましい方法であるが、これに限定されるものではない。
【０１０２】
第２の基板であるシリコンウェハに、試料溶液流入穴を形成する方法も、窒化シリコン膜をマスクにした方法により行うことが可能であるが、これに限定されるものではない。
【０１０３】
ＩＩ−４．枠部材
枠部材は、目的により選択された材質に応じて、それ自体公知の方法により製造することが可能である。
【０１０４】
ＩＩＩ．実施例
更に、本発明の小型化学反応装置について、以下に４つの実施例を挙げることにより更に詳しく説明する。しかし、これに限定されるものではない。
【０１０５】
ＩＩＩ−１．第１の実施の形態
図１〜１５を用いて、本発明の第１の実施の形態を示す。
【０１０６】
図１は、本発明の好ましい実施例である小型化学反応装置の一部分をなす第１の基板である。基板１は、複数の反応セル２を具備する。
【０１０７】
図２は、図１中に示す線Ａ−Ａ’に沿って基板１を切断した断面を示す。第１の基板の反応セルの形成されていない片側に、樹脂膜３が形成されている。
【０１０８】
図３は、図２に示される円Ｂで囲まれる部分を示している。図３に示す通り、複数の反応セルの底部には、基板１の薄い部分４が残っており、また、樹脂膜３の内部には加熱体５及び温度検出部６が埋設されている。
【０１０９】
図４は、図１に示される第１の基板の樹脂膜３を示している。加熱体の電気接点７及び温度検出部の電気接点８は、樹脂膜の外側に露出している。この部分の電気接点に、電源及びコントローラー等を接続すれば作動する。
【０１１０】
図５は、図３中に示される線Ｃ−Ｃ’に沿って切断した断面を示す。加熱体５は、樹脂膜３に埋設され、且つ全ての反応セルに対応する位置に配置されている。また、温度検出部の電気接点８が、図に示すように加熱体５と重ならない位置に形成されている。
【０１１１】
図６は、図３中に示される線Ｄ−Ｄ’に沿って切断された断面を示している。温度検出部６は、樹脂膜３に埋設され、且つ、全ての反応セルに対応する位置に図に示すように形成されている。
【０１１２】
図７は、小型化学反応装置の一部分をなす第２の基板を示している。第１の基板の反応セルの長手方向の両端に対応する位置に、且つ夫々の反応セル１つに対し２つずつ、第２の基板９は試料溶液流入穴１０を有している。
【０１１３】
図８は、図７中に示される線Ｅ−Ｅ’に沿って切断された断面を示す。
【０１１４】
図９は、図１〜６に示される第１の基板と、図７〜８に示される第２の基板とを重ね合わせる様子を示している。
【０１１５】
図１０は、図９に示される２枚の基板を重ね合わせたモジュール部分を、図７中に示す線Ｅ−Ｅ’に沿って切断したときの断面を示す。夫々の試料溶液流入穴１０と、夫々の反応セル２が重なり合うように、該２枚の基板は（１及び９）は接合される。
【０１１６】
図１１は、図１０と同様に図９に示されるモジュール部分を、図７中に示す線Ｇ−Ｇ’に沿って切断した断面を示している。
【０１１７】
図１２は、小型化学反応装置の一部をなす枠部材１１を示す。枠部材１１は、図７に示される夫々の試料流入穴に対応した位置で、試料流入口１２を有している。
【０１１８】
図１３は、図１２中に示される線Ｇ−Ｇ’に沿って切断した断面を示している。ここで示される通り、図９に示されるモジュール部分をはめ込む穴１３と、放冷穴１４が形成されている。ここで、試料流入口１２は、モジュールをはめ込む穴１３の反対側にテーパが施される。
【０１１９】
図１４は、図９で示されるモジュール部分と、図１２で示される枠部材１１を組み合わせる様子を示している。該モジュール部分は、枠部材の穴１３にはめ込まれ、押え部材１５で固定される。図示していないが、押え部材は、接着剤又はネジ止される。
【０１２０】
図１５は、図１４で示されたモジュール部分と枠部材とを組合わせた小型化学反応装置を、アタッチメント部材１６に装着する様子を示している。アタッチメント部材１６には、電極１７が設けられている。前記小型化学反応装置を、ガイド溝１８を通して挿入した場合、加熱体の電気接点７及び温度検出部の電気接点８が、電極１７と接触し、電気コンタクトを得ることができる。
【０１２１】
以上が、第１の実施の形態の構成である。本発明の小型化学反応装置は、反応セル２をその表面に開口するように形成した第１の基板と、試料溶液流入穴１０を形成した第２の基板とを接合したモジュール部分（図９〜１１）を、枠部材に組み込み（図１４）、押え部材で一体化した構成（図１４）を有する。更に、モジュール部分と枠部材１１とからなる前記小型化学反応装置を挿入するアタッチメント部材１６と組み合わせることで（図１５）、電源及びコントローラーと電気的に接続し（図示せず）、温度制御を行うことができる。以下、それぞれの部材について製造方法を詳述するが、これに限定されるものではない。
【０１２２】
シリコンウェハからなる基板部材に反応セル２を形成するために、先ず、窒化シリコン膜を４０００Aの膜厚でシリコンウェハ表面に成膜した。次に、反応セルの形状にフォトリソグラフィ技術によりパターニングした。反応セルの形状は短辺２ｍｍ、長辺２０ｍｍとし、基板部材の形状は短辺３０ｍｍ、長辺４０ｍｍとした。また、シリコンウェハの厚さは０．５ｍｍとした。８つの反応セル２を形成した。このシリコンウェハを水酸化カリウム溶液に浸漬することでエッチングした。反応セルの底に薄い部分を残してエッチングを終了させる判断は、反応セルの底の部分に１×１０^２０原子／ｃｍ^３のホウ素をドーピングすることで行った。
【０１２３】
エッチングが終了した後、フッ酸溶液に浸漬させて窒化シリコン膜を除去し、エッチングをしなかった面にポリイミドを成膜した。ポリイミドの成膜方法は、前駆体であるポリアミド酸をスピンコート法によって形成し、更に、３５０℃で１時間加熱し、ポリイミド膜に変性した。ポリイミド膜の膜厚は、約１μｍとした。次に温度検出部をポリイミド膜上に形成する。温度検出部を、チタン薄膜により形成した。チタン薄膜は、スパッタ法によって膜厚４０００Aに成膜した。成膜したチタン薄膜上にフォトレジストをスピンコート法によって成膜した。
【０１２４】
その後、図６に示す形状にパターニングし、フッ酸と硝酸の混合液中に浸漬し、チタン膜をパターニングした。純水洗浄後、アセトンに浸漬しフォトレジストを除去した。次に、温度検出部の上に電気絶縁層としてポリイミド膜を成膜した。ポリイミド膜の成膜法は、以下の通りである。ポリアミド酸をスピンコート法によって形成し、１５０℃で３０分間加熱した後、ポリアミド酸膜の上にフォトレジストをスピンコート法で形成した。次に、温度検出部の電気接点の部分のポリアミド酸膜をパターニングした後で、フォトレジストを除去した。これを、３５０℃で１時間加熱することにより、電気接点の部分のみを露出させたポリイミド膜を形成した。
【０１２５】
加熱体の材質にはチタンを選択した。このように温度検出部と加熱体との材質を同一にすることで、プロセスを均一化でき、低コストや設計の自由度の向上が可能となる。加熱体としてのチタン膜は膜厚４０００Aとし、前述の方法と同様にスパッタ法によって成膜した。加熱体は、図５に示す形状に前述と同様の方法によってパターニングされ、フォトレジストを除去した。加熱体の上に更にポリイミドを成膜し、前述と同様の方法によって温度検出部と加熱体の電気接点部分のみを露出した。温度検出部及び加熱体は、反応セルに対応する部分のみチタン膜で形成し、他の必要な配線にはアルミニウムを用いた。電気接点部で、アルミニウムを露出した。アルミニウムは表面が酸化しやすいので、更に金による酸化防止膜を形成した。
【０１２６】
次に、第２の基板の具体的な製造例を示す。シリコンウェハに試料溶液流入穴を形成した。これは、窒化シリコン膜をマスクとして用いて、０．５ｋｇ／ｌの水酸化カリウム溶液に浸漬することで形成する。ここで、前述した、第１の基板１における反応セル２の形成方法と違うところはエッチングを途中で中止せず、反対面までエッチングし、貫通穴を形成する点である。その後、フッ酸溶液に浸漬し、窒化シリコン膜を除去した。
【０１２７】
上記２枚の基板を、陽極接合法によって２枚の基板部材を接合した。また、ガラス膜をスパッタ法によって前記２枚の基板の接合面に形成した。この接合した前記２枚の基板からなる部材が、モジュール部分である。
【０１２８】
枠部材１１にはポリカーボネートを、押え部材１５にはアルマイト処理をしたアルミニウムを選択した。枠部材は、裏面にモジュール部分を組み込むための穴１３があり、更に効率よく放熱をするための穴１４が開口している。この穴１３に、前記モジュール部分を挿入し、押え部材１５で抑えて組み上げた。ここで、前記モジュール部分の試料溶液流入穴１０と、枠部材の穴１２の位置は一致しているので、この穴を通して試料溶液をモジュールの反応セル２内に注入することができる。
【０１２９】
また、モジュール部分と枠部材１１の間にシリコンゴムを用いたパッキング材を挿入した。穴１２は、使い捨ての樹脂製ピペットチップの先端を差し込める径にした。ピペットチップで計量した試料溶液を直接反応セル２に注入できる。更に、穴１２の上部にテーパを形成し、ピペットチップを差し込み易い構造にした。また、押え部材１５は、温度検出部６及び加熱体５の電気接点を避けるような形状にした。枠部材１１と押え部材１５は、はめ込みによって固定した。このように枠部材と組み合わせることにより、試料溶液の注入が容易な小型化学反応装置を製作できた。
【０１３０】
また、小型化学反応装置を、図１５に示すようにアタッチメント部材１６に挿入して固定した。ここで、アタッチメント部材１６に形成された電極１７は、小型化学反応装置の電気接点の位置と一致するように配置した。従って、小型化学反応装置を挿入することにより、簡単に電気的コンタクトが得られる。この様に固定化された小型化学反応装置は、試料溶液の出し入れも容易である。即ち、アタッチメント部材１６に挿入した後で、試料溶液を注入すること、温度制御を伴う反応を行うこと、更に、試料溶液を取り出すことが容易に行える。
【０１３１】
また、アタッチメントの内部に電動ファンを設けた（図示せず）。
【０１３２】
ＩＩＩ−２．第２の実施の形態
図１６〜２１に本発明の第２の実施の形態を示す。
【０１３３】
図１６は、本発明の好ましい実施例である小型化学反応装置の一部分をなす第１の基板１９である。第１の基板１９は、複数の反応セル２０を有している。
【０１３４】
図１７は、図１６中に示す線Ｈ−Ｈ’に沿って切断した断面を拡大したものである。第１の基板１９の反応セル２０の形成されていない面に、樹脂膜２２が設けられている。反応セル２０の底部には、基板部材１９の薄い部分２１が残っている。樹脂膜２２の内部には、加熱体２４と温度検出部２３が埋設されている。
【０１３５】
図１８は、図１６に示される第１の基板１９の裏面側に形成された樹脂膜２２を示している。加熱体の電気接点２５，２７，２９，３１及び温度検出部の電気接点２６，２８，３０，３２が形成されている。
【０１３６】
図１９は、図１７中に示される線Ｉ−Ｉ’に沿って切断した断面である。樹脂膜２２に、４つの加熱体３２，３３，３４，３５が、それぞれ４つの反応セルに対応した位置に埋設され配置されている。また、温度検出部の電気接点２６，２８，３０，３２が形成されている。
【０１３７】
図２０は、図１７中に示される線Ｊ−Ｊ’に沿って切断された断面を示している。温度検出部３６，３７，３８，３９が、樹脂膜２２に埋設された状態で、且つ加熱体２４と同様に反応セル２０に対応した位置に形成されている。
【０１３８】
図２１は、小型化学反応装置の一部分を第２の基板４０である。反応セル２０の長手方向の両端に位置に、且つ１つの反応セル当たり２つずつの割合で、第２の基板４０は試料溶液流入穴４１を有する。
【０１３９】
以上が、第２の実施の形態の構成である。本発明の小型化学反応装置は、多数の反応セルを形成した第１の基板（図１６〜２０）と試料溶液流入穴４１を形成した第２の基板（図２１）とを接合して形成したモジュール部分を、枠部材と押え部材によって一体化した構造を持つ（図示せず）。枠部材及び押え部材は、実施の形態１で示した各部材を、試料流入穴の位置と数を変更することにより形成することが可能である。
【０１４０】
本実施の形態の反応セル２０は、第１の基板１９に１６個形成した。これらの反応セル２０の全てを、個別に温度制御するのではなく、４個の反応セル毎に温度制御ができるように加熱体３２，３３，３４，３５と温度検出部３６，３７，３８，３９を形成した。
【０１４１】
反応セル２０、ポリイミド膜２２、加熱体２３、温度検出部２４の形成方法は実施の形態１と同様に行った。反応セルの形状は、短辺２ｍｍ、長辺１０ｍｍとし、基板部材の形状は短辺３０ｍｍ、長辺４０ｍｍとした。シリコンウェハの厚さは０．５ｍｍとした。
【０１４２】
本実施の形態の小型化学反応装置の電気接点は、計１６個必要であるが、この１６個の電気接点を、基板長辺４０ｍｍに１列に並べ、且つ両端にスペースを取ることを考慮すると、電気接点の幅は１ｍｍ、間隔は約１ｍｍとなった。仮に、これ以上の電気接点を一列に並べたい場合には、基板部材を大きくしない限り、電極とのコンタクト精度のため困難である。仮に、電気接点を２列又は３列にした場合、それらを配置することは可能であるが、加熱体２４、温度検出体２３との配線が難しくなる。従って、大幅に電気接点の数、すなわち加熱体２４、温度検出部２３の数を増やすことは難しい。
【０１４３】
また、例えば、ＰＣＲ反応を行う場合、プライマーとＤＮＡのハイブリダイゼーションの温度を特定することは、非特異増幅の防止等の点から大変重要である。しかし、酵素濃度、ＰＨ等の条件も合わせて考えなければならないため、実際には数種類の試薬を同温度条件でテストすることが必要となる。そのような場合、本実施の形態の小型化学反応装置を用いることで、上記実験が一度に実行できるようになる。更に、前記実験においては、すべての反応セルを別々の温度条件で実験する必要はない。
【０１４４】
本実施の形態は、様々に想定される実験条件に対応することが可能である。また、装置構成を簡単にして低コスト化を図れる点で大変有用である。
【０１４５】
ＩＩＩ−３．第３の実施の形態
図２２〜２６に本発明の第３の実施の形態を示す。
【０１４６】
図２２は、小型化学反応装置の一部分をなす第１の基板である。第１の基板４２は、図に示す通り複数の反応セル４３を有している。
【０１４７】
図２３は、小型化学反応装置の一部分をなす第２の基板である。基板部材４４は、それぞれの反応セルの長手方向の両端と、長手方向の長さを２分する位置に、計３つの穴４５が形成される。
【０１４８】
図２４は、図２２に示される第１の基板４２と、図２３に示される第２の基板４４とを、第１の実施の形態を示す図９に示されるのと同様に接合しモジュール部分を形成した後、前記モジュール部分を、図２３中に示される線Ｋ−Ｋ’に沿って切断した断面を示している。第２の基板４４には、試料流入口を兼ねた穴４５が形成されている。第１の基板４２には、反応セル４３と樹脂膜４６が形成されている。樹脂膜４６内には、加熱体４７と温度検出部４８が埋設されている。
【０１４９】
図２５は、図２４に示したモジュール部分に、ピペットチップ４９を用いて試料溶液を注入する様子を表している。
【０１５０】
図２６は、図２５に示されるように試料溶液５０を注入した後に、ミネラルオイル５１をそれぞれの穴に滴下した様子を示している。本実施の形態のモジュール部分は、更に枠部分と押え部材によって一体化された構成になっているが、枠部材及び押え部材は図示していない。これらは、上述の第２の実施の形態において述べた方法と同様に形成することが可能である。
【０１５１】
本実施の形態の小型化学反応装置において、試料流入穴を兼ねた穴４５が、第２の基板４４に施設されていることが特徴である。この穴４５は、試料溶液を注入するためにピペットチップを直接挿入することが可能である。試料溶液５０を注入した後で、ミネラルオイル５１を添加して穴を封入する。それにより、試料溶液５０を加熱しても、液が蒸発することはない。反応が終了した後は、ピペットチップを再度差し込み、試料溶液を取り出すことが可能である。また、反応セルに多数の穴が空いているので、試料溶液中に気泡が入ってしまった場合でも、加熱に伴い気泡が膨張した後に、穴から圧力を抜くことができ、それにより反応セルの破壊や突沸を防止できる。
【０１５２】
本発明の実施の形態では、試料溶液の出し入れを簡単にすることと、反応セルの破壊や試料溶液の突沸を防止することが可能である。
【０１５３】
ＩＩＩ−４．第４の実施の形態
図２７〜３０に本発明の第４の実施の形態を示す。
【０１５４】
図２７は、小型化学反応装置の一部分をなす第１の基板である。第一の基板５２は、複数の反応セル５３を有している。
【０１５５】
図２８は、小型化学反応装置の一部分をなす第２の基板である。第２の基板５４は、夫々の反応セル５３の両端に相当する位置に、試料流入穴５５が形成される。また、反応セルの長手方向の長さを２分する位置に複数の穴５６が開いている。
【０１５６】
図２９は、図２７に示される第１の基板５２と図２８に示される第２の基板５４とを、第１の実施の形態を示す図９と同様に接合しモジュール部分とした後で、図２８の示す線Ｌ−Ｌ’に沿って切断した断面を示している。第２の基板５４には、試料流入穴５５及び光透過性薄膜５７が形成されている穴５６がある。第１の基板５２には、反応セル５３と樹脂膜５８とが形成される。樹脂膜５８内に、加熱体５９と温度検出部６０が埋設されている。
【０１５７】
図３０は、図２９で示されるモジュール部分に試料溶液６５を注入する様子を示している。励起光照射装置６１から、励起光６２を、試料溶液６５に照射し、試料溶液６５から生じた蛍光６４を検出器６３で検出する。
【０１５８】
本実施の形態のモジュールは、第１、第２及び第３の実施の形態と同様に、枠部材と押え部材によって一体化された構成である（図示せず）。枠部材及び押え部材は、各々第２の実施の形態と同様に形成することが可能である。
【０１５９】
以上が、第４の実施の形態の構成である。本実施の形態の小型化学反応装置は、光透過性薄膜５７を有した穴５６が形成されていることを特徴とする。光透過性薄膜５７は、窒化シリコン膜からなる。これは、第１の実施の形態で述べた、試料流入穴５５を形成する方法を応用して制作することができる。窒化シリコン膜を、エッチングの停止膜として使用するため、穴５５，５７をエッチングした際に、穴の底部に窒化シリコン膜が残る。この窒化シリコン膜の面にフォトレジストを塗布し、マスクで穴（５７）の周囲を保護し、フォトレジストをパターニングした。更に、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｃｔｈｉｎｇ）装置によってフォトレジストを除去し、露出している窒化シリコン膜をドライエッチングで除去した。その後、第１の実施の形態と同様に、陽極接合法によりモジュール部分を制作した。更に、第２の実施の形態と同様な方法により、モジュール部分と枠部材を、押さえ部材により一体化し、小型化学反応装置を完成した（図示せず）。
【０１６０】
ＰＣＲ反応は、この小型化学反応装置にインターカレート色素を含む試料溶液を注入して行う。このとき、ＤＮＡが増幅していれば、インターカレート色素が、ＤＮＡの２本鎖の間に入り込み、蛍光を発するようになる。従って、装置外部に設置した励起光照射装置６１からの励起光６２を、光透過性薄膜５７を形成した穴５６を経て、試料溶液６５に照射すれば、インターカレート色素から生じた蛍光６４が、光透過性薄膜５７を形成した穴５６を再度経て、検出部６３に到達する。これにより、ＰＣＲ反応によってＤＮＡが増幅程度を、ＰＣＲ反応と同時に測定することが可能になる。
【０１６１】
ここで、光透過性薄膜５７を形成した穴５６は、短辺０．５ｍｍ、長辺２ｍｍの穴を９個集積したものである。これにより、約５０００Aである非常に薄く脆い窒化シリコン膜を使用しても、十分な強度を得ることができる。
【０１６２】
本実施の形態は試料溶液中にインターカレーター色素を含み、ＰＣＲ反応と同時にＤＮＡ増幅の程度を確認できるため、ＰＣＲ後の電気泳動等の手段に比べ時間短縮と低コスト化に大変有利である。しかも、光透過性薄膜を形成させた穴を小さくすることによって、十分な強度を有し、実用的である。
【０１６３】
【発明の効果】
本発明は、基板の表面に反応セルを形成しことにより基板の一部が薄くなり、強度不足となった基板の裏面側に樹脂薄間を形成することにより、該基板の強度不足を補うことが可能である。また、同時に、前記樹脂膜中に加熱体及び温度検出部を埋設して配置することにより、製造コストを低くすることが可能である。
【０１６４】
本発明は、シリコンウェハを基板とした場合であって、且つ反応セルをアルカリ液によるウェットエッチング法により形成する場合、シリコンウェハのエッチングをしない片側にホウ素原子を高濃度でドーピングすることにより、容易に且つ精度良く、エッチングを停止することが可能である。これにより、形成する膜厚の再現性を向上することが可能である。
【０１６５】
本発明は、反応セルの配置及び大きさ等を変更することにより、様々に想定される実験条件に対応することが可能である。また、多数の反応セルの幾つかを纏めて制御することで、装置構成を簡略化することが可能である。これにより低コスト化が図れ、且つ利便性が向上する。
【０１６６】
本発明は、試料溶液の出し入れを簡単に行うことが可能である。また、小さい脱気用の穴を設けることにより、反応セルの破壊や試料溶液の突沸を防止することが可能である。
【０１６７】
本実施の形態は試料溶液中にインターカレーター色素を含み、ＰＣＲ反応と同時にＤＮＡ増幅を確認できるため、ＰＣＲ後の電気泳動等の手段に比べ時間短縮と低コスト化に大変有利である。しかも、光透過性薄膜を形成させた穴を小さくすることによって、十分な強度を有し、実用的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 好ましい態様である小型化学反応装置の第１の基板の表面側を示す図。
【図２】 図１に示される線Ａ−Ａ’に沿って切断した断面図。
【図３】 図２に示される円Ｂの拡大図。
【図４】 図１の第１の基板の裏面側に設置された樹脂膜を示す図。
【図５】 図３に示される線Ｃ−Ｃ’に沿って切断した断面図。
【図６】 図３に示される線Ｄ−Ｄ’に沿って切断した断面図。
【図７】 図１に示す第１の基板と組合わせて使用することを目的とする第２の基板を示す図。
【図８】 図７に示される線Ｅ−Ｅ’に沿って切断した断面図。
【図９】 第１の基板と第２の基板とを重ねあわせる様子を示す図。
【図１０】 図９に示される第１の基板と第２の基板とを重ねあわせて構成されるモジュール部分を、図７に示される線Ｅ−Ｅ’に相当する位置に沿って切断した断面図。
【図１１】 図９に示される第１の基板と第２の基板とを重ねあわせて構成されるモジュール部分を図７に示される線Ｆ−Ｆ’に相当する位置に沿って切断した断面図。
【図１２】 枠部材を示す図。
【図１３】 図１２に示される線Ｇ−Ｇ’に沿って切断された断面図。
【図１４】 図９のモジュール部分と枠部材を組合わせる様子を示す図。
【図１５】 図１４で示されたモジュール部分と枠部材とを組合わせた部材をアタッチメント部材に挿入する様子を示す図。
【図１６】 第２の好ましい態様における小型反応装置の第１の基板を示す図。
【図１７】 図１６に示される線Ｈ−Ｈ’に沿って切断された断面図。
【図１８】 図１６に示される第１の基板の裏面側に設置される樹脂膜を示す図。
【図１９】 図１７に示される線Ｉ−Ｉ’に沿って切断された断面図。
【図２０】 図１７に示される線Ｊ−Ｊ’に沿って切断された断面図。
【図２１】 図１６に示す第１の基板と組合わせて使用することを目的とする第２の基板を示す図。
【図２２】 第３の好ましい態様における小型反応装置の第１の基板を示す図。
【図２３】 図２２に示す第１の基板と組合わせて使用することを目的とする第２の基板を示す図。
【図２４】 図２２の第１の基板と図２３の第２の基板とを重ねあわせてモジュール部分とした後に、図２３に示される線Ｋ−Ｋ’に相当する位置に沿って切断した断面図。
【図２５】 図２４に示されるモジュールに、ピペットチップを用いて試料溶液を注入する様子を示す図。
【図２６】 図２５に示されるようにモジュールに試料を注入した後に、ミネラルオイルを各穴に滴下した様子を示す図。
【図２７】 第４の好ましい態様における第１の基板を示す図。
【図２８】 図２７の第１の基板と組合わせて使用することを目的とする第２の基板を示す図。
【図２９】 図２７に示す第１の基板と図２８に示す第２の基板とを重ねあわせて構成されるモジュール部分を、図２８に示される線Ｌ−Ｌ’に相当する位置に沿って切断した断面図。
【図３０】 図２９で示されるモジュールに試料溶液を注入した後に、励起光照射装置からの励起光を試料溶液中に照射し、それにより生じる試料溶液からの蛍光を検出器で検出している様子を示す図。
【符号の説明】
１．第１の基板、２．反応セル、３．樹脂膜、４．基板の薄い部分、５．加熱体、６．温度検出部、９．第２の基板、１０．試料溶液流入穴、１１．枠部材、１２．試料流入口、１３．モジュール用はめ込み穴、１４．放冷穴、１５．押え部材、１６．アタッチメント部材、１８．ガイド溝、２０．反応セル、２１．基板の薄い部分、２２．樹脂膜、２３．温度検出部、２４．加熱体、４６．樹脂膜、４７．加熱体、４８．温度検出部、５１．ミネラルオイル、５７．光透過性薄膜、５８．樹脂膜、５９．加熱体、６０．温度検出部、６１．励起光照射装置、６２．励起光、６３．検出器、６４．蛍光、６５．試料溶液

Claims (5)

1. 基板と、該基板の表面に開口して設けられた１つ以上の反応セルと、前記基板の裏面側に形成された３０μｍ〜２００μｍの肉厚の電気絶縁性の樹脂膜と、前記樹脂膜に反応セルから０．５μｍ以上２．５μｍ以下の距離に配置されるように埋設された加熱体及び温度検出部を具備する小型化学反応装置であって、前記基板がシリコン単結晶板であり、前記樹脂膜が少なくとも前記基板の反応セル底面の裏面に形成され、前記基板の反応セル底面より当該樹脂膜側の領域には、当該反応セル底面よりも上方の領域よりも高濃度のホウ素原子が含まれる小型化学反応装置。
2. 請求項１に記載の小型化学反応装置であって、前記反応セルを複数個で具備し、且つ該反応セルの数よりも少ない個数で具備された加熱体及び温度検出部を具備する小型化学反応装置。
3. 請求項１に記載の小型化学反応装置であって、更に、前記基板に具備される反応セルの開口部を覆うように配置された第２の基板を具備し、請求項１に記載の第１の基板及び第２の基板の一方又は両方に複数の穴が設けられている小型化学反応装置。
4. 請求項３に記載の小型化学反応装置であって、前記複数の穴が光透過性薄膜で閉鎖されている小型化学反応装置。
5. 請求項４に記載の小型化学反応装置であって、前記穴の面積が０．１平方ｍｍ以上１００平方ｍｍ以下であり、且つ短辺が１ｍｍ以内の矩形状の窓である小型化学反応装置。

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