JP4412071B2 - Filter, manufacturing method thereof, and microchip using the filter - Google Patents

Description

本発明は、ＤＮＡなどの生体高分子試料をサイズに応じて分離するために使用することのできるフィルター、その製造方法およびそのフィルターを用いたマイクロチップに関する。 The present invention relates to a filter that can be used for separating a biopolymer sample such as DNA according to size, a manufacturing method thereof, and a microchip using the filter .

ＤＮＡのサイズ分離は、ＤＮＡのシーケンスを決定したり、ＳＮＰｓ（一塩基多型）の検出などによるＤＮＡ診断、ＤＮＡタイピング、ＤＮＡ検定など広く使われている技術であり、今後ますます需要が増えるため、その取り扱いの容易化と高速化は重要な課題である。   DNA size separation is a widely used technology such as DNA diagnosis, DNA typing, and DNA testing by determining DNA sequences and detecting SNPs (single nucleotide polymorphisms). Therefore, easy handling and high speed are important issues.

ＤＮＡのサイズ分離には、従来、アガロースやポリアクリルアミドなどのゲルやポリマー中を電気泳動させ、その網目構造に制限を受けながら移動する速度が、ＤＮＡの大きさに依存することを利用したゲル電気泳動が主流であった。   For size separation of DNA, gel electrophoresis using gels and polymers such as agarose and polyacrylamide that has been conventionally electrophoresed and the movement speed is limited by the network structure depends on the size of the DNA. Electrophoresis was mainstream.

しかし、一般的に長時間の泳動が必要なことや、分離するサイズに応じてゲルやポリマーの組成を変える必要があったり、大きなＤＮＡの分離には途方もない時間が必要だったりするため、使いにくいという問題があった。   However, it is generally necessary to run for a long time, change the composition of the gel or polymer according to the size to be separated, or because tremendous time is required to separate large DNA, There was a problem that it was difficult to use.

近年、ゲルの網目構造をリソグラフィーなどを用いて作製したピラー構造の人工的な構造物に置き換え、サイズ分離を試みる手法がいくつか報告されている（非特許文献１参照。）。ピラー構造とは、泳動方向に直交する方向に延びた微細な棒状のピラーが高密度に形成されている構造である。
S. W. Turner, A. Perez, A. Lopez and H.G. Graighead, J. Vac. Sci. Technol., B16(6), Nov/Dec, pp. 3835-3840(1998) Micro Total Analysis Systems 2003 Vol.2 p1315-1318 In recent years, several methods have been reported in which size separation is attempted by replacing the gel network structure with an artificial structure having a pillar structure produced by lithography (see Non-Patent Document 1). The pillar structure is a structure in which fine rod-like pillars extending in a direction orthogonal to the migration direction are formed with high density.
SW Turner, A. Perez, A. Lopez and HG Graighead, J. Vac. Sci. Technol., B16 (6), Nov / Dec, pp. 3835-3840 (1998) Micro Total Analysis Systems 2003 Vol.2 p1315-1318

従来は、Ｘ線リソグラフィーとＤｅｅｐ−ＲＩＥや、ナノスタンピング等で石英ガラスや樹脂材料にナノピラーを作製していた。しかし従来のナノスタンピングで得られるナノピラーは材質が樹脂のため、高温による滅菌処理に問題があったり、また、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ等で得られる、材質が石英のナノピラーの場合は、有機溶媒耐性が低く、アルカリや酸（フッ酸）に対しても劣化を引き起こすなどの問題があった（非特許文献２参照。）。
本発明は、耐性の高いナノピラーとその製造方法及びそのようなナノピラーを用いたチップを提供することを目的とする。 Conventionally, nanopillars have been produced in quartz glass or resin materials by X-ray lithography, Deep-RIE, nanostamping, or the like. However, since the nanopillars obtained by conventional nanostamping are made of resin, there are problems with sterilization treatment at high temperatures, and in the case of nanopillars made of quartz, such as Deep-RIE, the organic solvent resistance is low. Also, there are problems such as causing deterioration with respect to alkalis and acids (hydrofluoric acid) (see Non-Patent Document 2).
An object of the present invention is to provide a highly resistant nanopillar, a method for producing the nanopillar, and a chip using such a nanopillar.

本発明のフィルターは、金属製で複数の形状が混在したランダムピラー構造を含むナノピラーからなるフィルターである。
金属は自己組織化する金属であり、その一例は金又は白金であり、耐熱、滅菌、耐有機溶媒性、耐酸性、耐アルカリ性、又は耐薬品性を有している。
ここで、「自己組織化」とは散逸系での秩序形成が行われる性質を言う。 Filter of the present invention is a filter comprising nanopillar containing random pillar structure in which a plurality of shapes are mixed with metal.
The metal is a metal that self-assembles, and an example thereof is gold or platinum, which has heat resistance, sterilization, organic solvent resistance, acid resistance, alkali resistance, or chemical resistance.
Here, “self-organization” refers to the property of order formation in a dissipative system.

本発明のマイクロチップは、基板内部に流路が形成され、前記流路の少なくとも一部を遮って本発明によるフィルターが設けられていることを特徴とするものである。
本発明のフィルター製造方法は、基板へ自己組織化する金属薄膜の蒸着を行い、その後前記基板を熱処理して金属を自己組織化させることによって、ランダムナノピラー構造を前記基板上に形成させる方法である。 The microchip of the present invention is characterized in that a channel is formed inside a substrate, and the filter according to the present invention is provided by blocking at least a part of the channel.
The filter manufacturing method of the present invention is a method of forming a random nanopillar structure on a substrate by vapor-depositing a metal thin film that self-assembles on the substrate and then heat-treating the substrate to self-assemble the metal. .

従来のナノピラーは形状が一定のものに揃えられているのに対して、本発明のナノピラーはランダムピラーであるという違いがある。そのため、フィルタレーション（ろ過）のような用途に適したものとなる。
従来法ではナノスタンピング等で樹脂材料にナノピラーを形成していた。しかし、ＤＮＡを抽出する場合は樹脂材料チップでは２００度滅菌操作に耐えられず、変形などを起こす場合がある。 There is a difference that conventional nanopillars are arranged in a uniform shape, whereas the nanopillars of the present invention are random pillars. Therefore, it becomes a thing suitable for uses, such as filtration (filtration).
In the conventional method, nano pillars are formed on a resin material by nano stamping or the like. However, when DNA is extracted, the resin material chip cannot withstand 200-degree sterilization and may be deformed.

また、石英を用いたナノピラーチップでは、分析時間が長くなることや、酸（フッ酸）やアルカリ等の溶媒に曝された場合ナノピラーに劣化が起こることで分離機能が損なわれるという恐れがあり、耐薬品性に問題があった。
それに対し、本発明でナノピラーの材料として金属を用いるので、従来品に比べ高温（２００度）の滅菌処理や高い耐有機溶媒性、耐酸性、耐アルカリ性、耐薬品性、耐熱性をもち、連続分析や耐久性の面で非常に優れた効果を有する。 In addition, in the nanopillar chip using quartz, there is a possibility that the separation function may be impaired due to degradation of the nanopillar when it is exposed to a solvent such as an acid (hydrofluoric acid) or an alkali, There was a problem with chemical resistance.
On the other hand, since metal is used as the material of the nanopillar in the present invention, it has higher temperature (200 degrees) sterilization treatment and higher organic solvent resistance, acid resistance, alkali resistance, chemical resistance, and heat resistance compared to conventional products. Very effective in terms of analysis and durability.

特に金属として金又は白金を用いた場合には耐薬品性が特にすぐれている。
そのようなマイクロチップは生体高分子分離装置として利用することができる。
本発明の製造方法によれば、基板へ金属薄膜を蒸着し、その後熱処理するだけでランダムナノピラー構造を容易に形成させることができる。 Particularly when gold or platinum is used as the metal, the chemical resistance is particularly excellent.
Such a microchip can be used as a biopolymer separator.
According to the production method of the present invention, a random nanopillar structure can be easily formed by simply depositing a metal thin film on a substrate and then performing a heat treatment.

本発明でのナノピラーの一実施例をその製造法とともに説明する。
図１（Ａ）に示すように、ナノピラーを形成するマイクロチップは、ベースとなる石英製の下基板１０にマイクロ流路（深さ１５０ｎｍ）を、例えばリソグラフィーとエッチングなどによって形成する。
基板１０の流路内に、金を２０ｎｍの厚さになるように蒸着する。このとき、金属マスクなどのマスクを用いることにより、流路部分２０のみに金を蒸着するようにする。 An embodiment of the nanopillar according to the present invention will be described together with its manufacturing method.
As shown in FIG. 1A, in the microchip for forming the nanopillar, a microchannel (depth 150 nm) is formed on the lower quartz substrate 10 serving as a base, for example, by lithography and etching.
Gold is deposited in the flow path of the substrate 10 to a thickness of 20 nm. At this time, gold is vapor-deposited only on the flow path portion 20 by using a mask such as a metal mask.

次に窒素雰囲気下で基板１０を６００℃で１時間熱処理して、金の自己組織化により基板１０の流路内にランダムナノピラー構造を形成させる。
基板１０には、流路２０の拡大図（Ｂ）のようなランダムナノピラーが形成された。
サンプル入り口１２及び出口１４が形成されたカバーガラス１６を基板１０の流路形成面にフッ酸接合により密着して接合し、マイクロチップ基板とした。
カバーガラス１６へのサンプル入り口１２及び出口１４は、サンドブラスト法などによって形成した。 Next, the substrate 10 is heat-treated at 600 ° C. for 1 hour under a nitrogen atmosphere to form a random nanopillar structure in the flow path of the substrate 10 by gold self-organization.
Random nanopillars as shown in the enlarged view (B) of the flow path 20 were formed on the substrate 10.
A cover glass 16 on which the sample inlet 12 and the outlet 14 were formed was closely bonded to the flow path forming surface of the substrate 10 by hydrofluoric acid bonding to obtain a microchip substrate.
The sample inlet 12 and outlet 14 to the cover glass 16 were formed by a sandblast method or the like.

本発明の製造条件は、上記記載の内容には限定されない。例えば、金薄膜の厚さが１０ｎｍ、熱処理温度が４００℃の場合も金の自己組織化によってナノピラーが形成される。しかし、蒸着膜の厚さが厚すぎるとナノピラーは形成されなくなる。例えば、金薄膜の厚さが８５ｎｍとなると、熱処理温度が６００℃でも、ナノピラーは形成されない。
ナノピラーの形成条件としては、金薄膜の厚さに関しては５０ｎｍ以下の場合が好ましく、熱処理温度に関しては金薄膜の厚さが大きくなる程、高い温度が必要になる傾向を示している。 The production conditions of the present invention are not limited to the contents described above. For example, even when the thickness of the gold thin film is 10 nm and the heat treatment temperature is 400 ° C., nanopillars are formed by gold self-assembly. However, if the deposited film is too thick, nanopillars are not formed. For example, when the thickness of the gold thin film is 85 nm, nanopillars are not formed even when the heat treatment temperature is 600 ° C.
As the formation conditions of the nanopillar, the thickness of the gold thin film is preferably 50 nm or less, and the heat treatment temperature tends to require a higher temperature as the thickness of the gold thin film increases.

図２は基板に金薄膜を１０ｎｍ蒸着し、その後４００℃で１時間熱処理したあとの表面形状のＡＦＭ（原子間力顕微鏡）画像を示している。図２の尺度は縦及び横が０〜５μｍ、高さが０〜１８８ｎｍになるように表示してある。図中のピラーは幅が３００〜５００ｎｍ、高さが２０〜２００ｎｍで形状も大きさも不揃いのランダムナノピラー構造である。   FIG. 2 shows an AFM (atomic force microscope) image of the surface shape after depositing a gold thin film on the substrate to a thickness of 10 nm and then heat-treating at 400 ° C. for 1 hour. The scale of FIG. 2 is displayed so that the length and width are 0 to 5 μm and the height is 0 to 188 nm. The pillars in the figure have a random nanopillar structure with a width of 300 to 500 nm, a height of 20 to 200 nm, and irregular shapes and sizes.

図３は金薄膜を２０ｎｍ蒸着し、その後６００℃で１時間熱処理したあとの表面形状のＡＦＭデータを示している。図３の尺度は縦及び横が０〜３０μｍ、高さが０〜１５０ｎｍになるように表示してある。１つのピラーの幅が１〜２μｍ、高さが２０〜２００ｎｍであるランダムナノピラー構造である。   FIG. 3 shows AFM data of the surface shape after depositing a gold thin film to a thickness of 20 nm and then heat-treating at 600 ° C. for 1 hour. The scale of FIG. 3 is displayed such that the vertical and horizontal directions are 0 to 30 μm and the height is 0 to 150 nm. It is a random nanopillar structure in which one pillar has a width of 1 to 2 μm and a height of 20 to 200 nm.

図４は図３の条件で製造したナノピラーをほぼ垂直上側から観察したＡＦＭ画像である。
図５は図４中の線Ａ−Ｂと線Ｃ−Ｄの断面形状を示している。図６及び図７の上側の図は図４中の線Ａ−Ｂと線Ｃ−Ｄの線に沿った表面粗さ、下側の図は表面の凹凸を周波数分布として表したものである。
図５〜７より、本発明によって形成されたナノピラーは高さが５０〜１７０ｎｍで変動し、間隔も不揃いのランダム構造であることがわかる。 FIG. 4 is an AFM image obtained by observing the nanopillar manufactured under the conditions shown in FIG.
FIG. 5 shows the cross-sectional shapes of line AB and line CD in FIG. The upper diagram in FIGS. 6 and 7 represents the surface roughness along lines AB and CD in FIG. 4, and the lower diagram represents the surface irregularities as frequency distribution.
5 to 7, it can be seen that the nanopillar formed according to the present invention has a random structure in which the height varies from 50 to 170 nm and the intervals are not uniform.

図８は金薄膜を８５ｎｍの厚さに蒸着し、その後６００℃で１時間熱処理したあと、表面形状を基板のほぼ垂直上側から観察したものである。図８の尺度は縦及び横が０〜１．２５μｍ、高さが０〜１０ｎｍになるように表示してある。
図９は図８中の線Ａ−Ｂと線Ｃ−Ｄの断面形状を示している。図１０及び１１の上側の図は図８中の線Ａ−Ｂと線Ｃ−Ｄの線に沿った表面粗さ、下側の図は表面の凹凸を周波数分布として表したものである。
図９〜１１より、形成された金属の高さは０〜３ｎｍで、ピラーは形成されておらず、平坦な表面に近いものとなっていることがわかる。 FIG. 8 shows a gold thin film deposited to a thickness of 85 nm and then heat-treated at 600 ° C. for 1 hour, and then the surface shape was observed from a substantially vertical upper side of the substrate. The scale of FIG. 8 is displayed such that the vertical and horizontal dimensions are 0 to 1.25 μm and the height is 0 to 10 nm.
FIG. 9 shows the cross-sectional shapes of line AB and line CD in FIG. 10 and 11 show the surface roughness along the lines AB and CD in FIG. 8, and the lower figure shows the unevenness of the surface as a frequency distribution.
9 to 11, it can be seen that the height of the formed metal is 0 to 3 nm, no pillar is formed, and the surface is close to a flat surface.

本発明のマイクロチップ基板の流路には金のピラーが形成されているため、このマイクロチップ基板は耐熱、滅菌、耐有機溶媒製、耐酸性及び耐アルカリ性などの性質を有している。このことから、マイクロチップの高温による滅菌作用には問題は生じない。
この性質を利用し、マイクロチップ基板を生体高分子装置に組み込み、流路中のフィルターとして用いると、μＴＡＳ(Micro Total Analysis Systems)や電気泳動チップなどに応用することができ、例えば、ＤＮＡやタンパク質の分離などを行なうことが可能な装置とすることができる。 Since gold pillars are formed in the flow path of the microchip substrate of the present invention, the microchip substrate has properties such as heat resistance, sterilization, organic solvent resistance, acid resistance, and alkali resistance. For this reason, there is no problem with the sterilization effect of the microchip due to the high temperature.
Utilizing this property, when a microchip substrate is incorporated into a biopolymer device and used as a filter in a flow path, it can be applied to μTAS (Micro Total Analysis Systems), electrophoresis chips, etc. For example, DNA or protein It is possible to provide a device capable of performing separation and the like.

実施例の説明では金属ナノピラーを形成する際に金蒸着を行なったが、白金で同様の操作を行なった場合も、基板上にランダムナノピラーが自己組織化し、金で行なった場合と同様の結果が得られた。   In the description of the examples, gold vapor deposition was performed when forming metal nanopillars, but even when the same operation was performed with platinum, random nanopillars self-assembled on the substrate, and the same results as when performed with gold were obtained. Obtained.

ナノピラーをマイクロチップ中のフィルターとして用いることで、生体高分子の分離を行なうために利用することができる。   By using the nanopillar as a filter in the microchip, it can be used to separate biopolymers.

（Ａ）はマイクロチップ基板の分解斜視図であり、（Ｂ）はランダムナノピラー構造が形成された流路部分の拡大平面図である。(A) is an exploded perspective view of a microchip substrate, and (B) is an enlarged plan view of a channel portion in which a random nanopillar structure is formed. 金による一実施例のナノピラーのＡＦＭ画像（金膜厚１０ｎｍ）である。It is an AFM image (gold film thickness 10nm) of the nano pillar of one Example by gold | metal | money. 金による他の実施例のナノピラーのＡＦＭ画像（金膜厚２０ｎｍ）である。It is an AFM image (gold film thickness 20nm) of the nano pillar of another Example by gold | metal | money. 図３のナノピラーをほぼ垂直方向から観察したＡＭＦ画像である。4 is an AMF image obtained by observing the nanopillar of FIG. 3 from a substantially vertical direction. 図４中のＡ−Ｂ，Ｃ−Ｄ断面におけるピラーの断面形状図である。FIG. 5 is a cross-sectional shape diagram of a pillar in cross sections AB and CD in FIG. 4. 上側の図は図４中のＡ−Ｂ断面におけるピラーの表面粗さ図、下側の図は表面の凹凸分布図である。The upper diagram is a surface roughness diagram of pillars in the AB cross section in FIG. 4, and the lower diagram is a distribution map of surface irregularities. 上側の図は図４中のＣ−Ｄ断面におけるピラーの表面粗さ図、下側の図は表面の凹凸分布図である。The upper diagram is a surface roughness diagram of pillars in the CD section in FIG. 4, and the lower diagram is a distribution map of surface irregularities. 金膜厚８５ｎｍとした場合の熱処理後の表面のＡＦＭ画像である。It is an AFM image of the surface after the heat treatment when the gold film thickness is 85 nm. 図８中のＡ−Ｂ，Ｃ−Ｄ断面におけるピラーの断面形状図である。It is a cross-sectional shape figure of the pillar in the AB, CD cross section in FIG. 上側の図は図８中のＡ−Ｂ断面におけるピラーの表面粗さ図、下側の図は表面の凹凸分布図である。The upper diagram is a surface roughness diagram of pillars in the A-B cross section in FIG. 8, and the lower diagram is an uneven distribution diagram of the surface. 上側の図は図８中のＣ−Ｄ断面におけるピラーの表面粗さ図、下側の図は表面の凹凸分布図である。The upper diagram is a surface roughness diagram of pillars in the CD cross section in FIG. 8, and the lower diagram is a distribution map of surface irregularities.

符号の説明Explanation of symbols

１０ マイクロチップ基板
１２ 試料導入穴
１４ 試料排出穴
１６ カバーガラス
２０ ナノピラー形成流路 10 Microchip substrate 12 Sample introduction hole 14 Sample discharge hole 16 Cover glass 20 Nanopillar formation channel

Claims (3)

複数の形状が混在したランダムピラー構造を含むナノピラーからなるフィルターであって、
前記ナノピラーは基板上に形成された金又は白金からなる金属膜が熱処理されることにより生成したものであり、前記金属のみからなるものであるフィルター。 A filter composed of nano pillars including a random pillar structure in which a plurality of shapes are mixed ,
The nanopillar is a filter formed by heat-treating a metal film made of gold or platinum formed on a substrate and made only of the metal . 基板内部に流路が形成され、前記流路の少なくとも一部を遮って請求項１に記載のフィルターが設けられていることを特徴とするマイクロチップ。 A microchip, wherein a flow path is formed inside a substrate, and the filter according to claim 1 is provided by blocking at least a part of the flow path. 請求項１に記載のフィルターの製造法であって、
基板へ金又は白金からなる金属薄膜を５０ｎｍ以下の厚さに蒸着法によって形成するステップと、
その後前記基板を熱処理して金属を自己組織化させるステップとを備えていることを特徴とするフィルター製造方法。 A method for producing the filter according to claim 1 ,
Forming a metal thin film made of gold or platinum on a substrate to a thickness of 50 nm or less by vapor deposition;
Filter production method characterized by the subsequent metal by heat-treating the substrate and a step of self-organization.