JPH1080266A

JPH1080266A - 生体関連高分子の固定化装置

Info

Publication number: JPH1080266A
Application number: JP23892296A
Authority: JP
Inventors: Akira Miki; 明三城
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-09-10
Filing date: 1996-09-10
Publication date: 1998-03-31
Anticipated expiration: 2016-09-10
Also published as: JP3147787B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ＤＮＡ等の生体関連高分子を固定化および処
理する装置を、シリコン基板の微細加工技術を用いて提
供する。【解決手段】生体関連高分子を固定化および処理する
ための装置は、高抵抗Ｎ型シリコン基板２０上に酸化シ
リコン膜２１を介して高抵抗ポリシリコン層２２および
低抵抗ポリシリコン層２３が堆積された構造を有する。
生体関連高分子を固定化するための領域２４において、
酸化シリコン膜２１、ならびにポリシリコン層２２およ
び２３は除去され、溝２５が形成されている。溝２５に
おいて露出されたシリコン基板２０の表面および高抵抗
ポリシリコン層２２の表面は、生体関連高分子を静電的
に吸着および固定するのに適した表面を有する。溝部２
５の中心には固定化される分子を加熱するための電極２
６が形成され、溝２５の両側には固定される分子に静電
引力および／または静電斥力を及ぼすための電極２７お
よび２８が設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロマシン、
ナノマシン、シリコンマイクロシステム等と称されるマ
イクロアセンブリに用いられる生体高分子および／また
は生体組織を保持、固定化、処理するための装置に関
し、特にＤＮＡやＲＮＡ等の核酸分子を固定化、処理す
るための装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、マイクロマシン、ナノマシン、あ
るいはシリコンマイクロシステム（以下Ｍ＆Ｎマシンと
略記）と呼ばれる微小機械により、非常に高感度でかつ
微小な産業用のセンサや、生体組織内で細胞等の除去や
治療作業を行なう医療用の微小ロボットを実現させよう
という研究が盛んに行なわれている。Ｍ＆Ｎマシンは、
最近の半導体、特にシリコン集積回路のプロセス技術、
特に微細加工技術の飛躍的な進歩によりその実現性が期
待されているものである。そして、半導体のうちでも、
特にシリコンは微細加工のためのプロセス技術が発達し
ていること、機械的特性に優れていること、集積回路を
内蔵することによってワンチップ化・微細化が可能にな
ること、等の理由によって、シリコンを用いた機械の小
型化・高性能化が特に期待されている。

【０００３】Ｍ＆Ｎマシンのセンサへの用途としては、
圧力センサ、加速度センサ、温度センサ、流量計、化学
分析用イオンセンサ等が考案されている。このうち、圧
力センサへの適用例を図１２に示す［文献；江刺：“半
導体マイクロメカニカルマシーニングとセンサ”センサ
技術、５巻、Ｐ．１１４（昭和６０年）］。図１８に示
す例では、シリコン基板１４０の裏面側を異方性エッチ
ングにより薄く加工し、ダイヤフラム１４１を形成して
いる。さらにシリコンダイヤフラム１４１の表面にはポ
リシリコンで作製した歪み検出用ゲージ１４２が設置さ
れている。このもののダイヤフラム１４１に圧力を印加
すると、圧力の大きさに比例してダイヤフラム１４１が
撓み、ダイヤフラム１４１上のポリシリコン歪みゲージ
１４２の抵抗値が変化する。この変化を電極１４３を介
してブリッジ回路で検出して圧力値を知る仕組みになっ
ている。図１２の例に示したように、Ｍ＆Ｎセンサの作
製においては、シリコン基板の微細加工プロセス技術が
重要となることがわかる。

【０００４】次に、Ｍ＆Ｎマシンによる生体内での作業
ロボットについて説明する。これについては未だ実現さ
れた例はないが、１つの試みとして、自走ロボットの移
動用の脚として適用することを狙ったアレイ型感知レバ
ーアクチュエータについて説明する。図１３にその概略
を示す［文献；N.Takeshima and H.Fujita：“Polyimid
e Bimorph Actuators for a Ciliary Motion System ”
1991 ASME Winter Meeting，DSC-Vol32 （Micromechani
cal Sensors, Actuators, and Systems ）, PP.203-20
9. ］。図１３に示す例は、シリコン基板上に熱膨張係
数の異なる２種類の薄膜を積層し、このものの垂直方向
における変位によって基板を走行させようとするもので
ある。図１３において、シリコン基板１５０上には２種
類の熱膨張係数の異なるポリイミド薄膜１５１および１
５２が、ニクロム配線１５３（ヒータとして働く）を挟
むようにして積層されており、これがシリコン基板１５
０と中空部１５４を介して隔離されることにより、感知
レバーとして機能する。この感知レバーは、初期状態で
は残留応力のため片方に反っているが、中央のニクロム
配線１５３に電流を流すことにより発熱し、その結果、
バイメタルのように反対方向に変位する。この運動を連
続的に行なうことによって、生体内を自由に動き回る人
工微小ロボットを実現させようとするものである。

【０００５】以上に示したものはＭ＆Ｎマシンのほんの
一例であるが、ここで示したもの以外のものについて
も、基本となる技術は、シリコン基板を主として用いた
微細加工プロセスによって微小な人工システムを実現さ
せようとするものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】医療等の生物学的な分
野への応用を狙ったＭ＆Ｎマシンでは、生体内または生
体内と類似の環境下において、種々のセンシング、生体
物質の操作・除去、外科的治療等を行なうことを必要と
している。その際に、Ｍ＆Ｎマシンに生体関連物質や生
体組織の保持、固定化を容易に行なうことができるよう
な機能を付加することが不可欠となる。

【０００７】従来の技術において、たとえば特開平６−
２３８５７８号公報は、微細な物体をピンセットのよう
に把持し、離脱させる装置を開示する。同公報に開示さ
れる装置は、開閉可能な１対の把持脚を有する本体と、
把持脚を開閉させる静電アクチュエータとを備える。ま
た把持脚の先端部には強誘電体素子が取付けられてお
り、これに電圧を印加することによって分極状態を変化
させるようになっている。この装置において微細物体を
強誘電体素子の設けられた先端に把持した後、電圧の印
加により強誘電体の分極反転を行ない、静電的な反発力
を生じさせて微細物体を離脱させようとしている。この
ような装置においては、微小な先端部分に微細な誘電体
素子を取付けるため、その作製は容易ではない。またこ
のような装置は、生体組織等を所定の場所に保持するた
めの装置としてはその機構が複雑であり、より簡単な機
構のものが望まれる。

【０００８】本発明の目的は、より簡単な構造におい
て、生体高分子および／または生体組織等をＭ＆Ｎマシ
ンの特定領域に保持、固定化、処理することのできる装
置を提供することである。

【０００９】本発明のさらなる目的は、生体高分子およ
び／または生体組織等を保持、固定化、処理することの
できるモノリシックな装置を提供することである。

【００１０】本発明のさらなる目的は、シリコンを主た
る半導体基板として用いるＭ＆Ｎマシンにおいて、シリ
コン基板の微細加工技術により生体高分子および／また
は生体組織等を保持、固定化、処理することのできる装
置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、生体高分子お
よび／または生体高分子が含有される生体組織を固定化
および処理する装置であって、表面にもたらされる静電
特性により生体高分子および／または生体組織を特定の
領域に吸着固定することができる基材と、該基材上の特
定の領域に設けられた電極とを備える。この装置におい
て、静電特性は、特定の領域において、基材を構成する
材料に含有される不純物の濃度および／または種類によ
り制御されている。また、基材上の特定の領域に設けら
れた電極は、該特定の領域に吸着固定される生体高分子
および／または生体組織に熱エネルギを与えるための第
１電極と、該特定の領域に吸着固定される生体高分子お
よび／または生体組織に静電引力および／または静電斥
力をそれぞれ及ぼすことのできる１対の第２電極とを含
む。

【００１２】本発明の装置において、第１電極は、対向
して配置される１対の第２電極の間に設けられることが
好ましい。

【００１３】生体高分子および／または生体組織を吸着
固定するための基材上における特定の領域は、生体高分
子および／または生体組織の取りやすい形状に応じた所
定のパターンを有することが好ましい。

【００１４】本発明の装置において、生体高分子および
／または生体組織を吸着固定するための静電特性は、含
有される不純物の濃度および／または種類が制御された
半導体によりもたらすことができる。

【００１５】本発明の装置は、特に核酸の固定化および
処理に適している。

【００１６】本発明に従う固定化装置は、特に、生物お
よび医学の分野におけるＭ＆Ｎマシンに適用することが
できる。マイクロマシンは、半導体の微細加工技術（μ
ｍレベル）を用いて、主としてシリコン基板において作
製された微小機械であり、各種センサ、ロボット等に適
用されるものである。ナノマシンは、マイクロマシンの
微細加工レベルをさらに上げ、ナノメータレベルの領域
まで至らしめたものである。このレベルのマシンでは、
分子レベルでの作業や操作が可能となる。

【００１７】本発明に従う固定化装置は、不純物元素の
ドーピングされた半導体結晶から構成することができ
る。半導体には、シリコン、ゲルマニウム等の単体のも
の、ＧａＡｓ、ＣｄＳ等の化合物のもの等が含まれる。
また本発明に用いられる材料として、不純物元素のドー
ピングによる価電子制御が可能なものであれば、その他
の材料を用いることもでき、たとえば、チタン酸バリウ
ム、チタン酸ストロンチウム等の強誘電材料を用いるこ
ともできる。さらに、マトリックス中にドーパントが添
加された有機導電性化合物、あるいは、固定化されたイ
オンを内蔵した絶縁性有機高分子化合物等も用いること
ができる。

【００１８】本発明を構成する材料として、特に好まし
いものはシリコン結晶である。シリコン結晶へ不純物元
素をドーピングしてＮ型にする場合には、通常、周期律
表第Ｖ族の元素を用い、Ｐ型にする場合には周期律表第
ＩＩＩ族の元素を用いる。シリコン結晶からなる基板の
同一平面上に不純物元素の種類および／または濃度の異
なる領域を形成するためには、たとえばイオン注入法を
用いることができる。後述するように、半導体装置の製
造プロセスに使われる通常の技術を用いて、本発明に従
う所望の固定化装置を得ることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】蛋白質や核酸を始めとする生体高
分子では、生体内および生体内と類似の環境下におい
て、分子間同士の認識は、ほとんど、幾何学的に特異的
な構造および静電的な相互作用（静電斥力・引力、ファ
ンデルワールス力）によって行なわれている。静電的な
エネルギに基づく分子間の相互作用においては、個々の
分子最表面でのわずかな空間的な電荷分布の相違が、分
子間の認識の度合、分子集合体の作りやすさに決定的な
影響を及ぼすと考えられている。

【００２０】本発明者は、生体内での種々の生体構成分
子のセンシング、生体物質の固定化、捕獲等を行なうこ
とを目的として、シリコンに代表される材料を用いてＭ
＆Ｎマシンの研究を進めていく中で、シリコン基板と生
体関連高分子（具体的には酵素等に代表される蛋白質分
子および生体内で遺伝情報の処理機能を担う核酸分子）
とが特異的に吸着反応を起こすことを見出した。たとえ
ば、特定の蛋白質を含有する母液とシリコン基板を透析
チューブ内に入れ、これを容器内に満たされた緩衝溶液
中に浸漬すると、シリコン表面に蛋白質の結晶が析出し
てくる一方、その際の結晶化の度合がシリコン基板の種
類によって大きく異なることを見出した。たとえば、水
溶性蛋白質分子としてあるｐＨ条件下で分子表面の実効
表面電荷が負のものを用いると、高抵抗のＮ型シリコン
表面には多くの蛋白質結晶が析出する一方、低抵抗のＮ
型シリコン表面ではほとんど蛋白質の結晶化が起こらな
いことを見出した。

【００２１】この現象は以下のように解釈される。以
下、負の実効表面電荷を有する蛋白質分子がシリコン表
面と接している場合を考える。高抵抗Ｎ型シリコンと低
抵抗Ｎ型シリコンとを比較すると、ドーパント（たとえ
ばリン原子）の濃度は低抵抗Ｎ型シリコンの方が高いた
め、シリコンの表面近傍で誘起される空間電荷層の空乏
層幅は低抵抗Ｎ型シリコンの方が狭くなる。よって、空
乏層容量は低抵抗Ｎ型シリコンの方が高抵抗Ｎ型シリコ
ンより大となることから、表面電位は低抵抗Ｎ型シリコ
ンの方が高抵抗Ｎ型シリコンより小さくなる。

【００２２】このシリコン表面の表面電位は正の極性を
有することから、負の実効表面電荷、したがって負の表
面電位を有する生体高分子と互いに静電的な引力が働く
ことになる。その際、低抵抗Ｎ型シリコンの方が高抵抗
Ｎ型シリコンより表面電位が低いため、生体高分子に作
用する静電引力が弱く、低抵抗Ｎ型シリコン上では生体
高分子の結晶化が起こりにくくなると考えられる。した
がって、負の実効表面電荷を有する生体高分子および／
または生体組織とＮ型シリコン基板が接する場合には、
該分子を吸着固定するため、不純物のドーピングにおい
てシリコン基板の表面を高抵抗のＮ型とすることが有効
である。また、Ｐ型シリコン基板の場合にも同様のドー
ピングが有効である。

【００２３】一方、正の実効表面電荷を有する生体高分
子および／または生体組織とＰ型シリコン基板が接する
場合には、分子の固定化のため、シリコン基板の表面が
高抵抗Ｐ型となるように不純物をドーピングするのが有
効である。また、Ｎ型シリコン基板を用いる場合にも同
様な表面へのドーピングが有効である。

【００２４】以上のことから、本発明者は基板に添加さ
れる不純物の濃度および／または種類を制御することに
より、生体高分子および／または生体組織を吸着かつ固
定化するためのより好ましい静電特性が得られることを
まず見出した。すなわち本発明では、まず、たとえば図
１に示すように、固定化させるべき分子２に対して、異
なる静電特性を示す領域１ａおよび１ｂを設け、その中
の特定の領域１ａにおいて分子２を吸着固定する。基板
１において、このような２以上の領域は、添加される不
純物の種類および／または濃度を変えることによって形
成することができる。図に示すように、領域１ａでは生
体高分子および／または生体組織の吸着が促進される一
方、領域１ｂでは、それらの吸着が抑制される。後述す
るように、このような領域は、所定のパターンで形成す
ることがより好ましい。

【００２５】一般に、電解質溶液内における帯電物質ま
たは分子の凝集性は、それらの間の電気二重層斥力とフ
ァンデルワールス力との和に依存するため、物質または
分子同士を凝集させる場合、電解質溶液中に添加する表
面電位を調整するための塩濃度を人為的にコントロール
することが非常に重要となる。しかしながら、実際の生
体内においてそのような操作はほとんど不可能である。
一方、本発明によれば、基材表面の静電特性は、添加さ
れる不純物の種類および／または濃度を制御することに
より、すなわち価電子制御により予め調整されているた
め、固定化すべき分子を含む溶液の塩濃度の調整が容易
または不要になるというメリットも生じる。このこと
は、本発明の装置が、Ｍ＆Ｎマシンとして生体内で適用
するのにより優れていることを意味する。

【００２６】生体高分子および／または生体組織を固定
化する基材上の領域は、固定化すべき分子または組織の
取りやすい形状に応じたパターンにすることがより好ま
しい。たとえば、固定化すべき分子が円形の形状を取り
やすい場合、図２に示すように、基材１０上において価
電子制御により特定の静電特性を示す固定化領域１１も
それに応じた円形とすることが好ましい。生体高分子お
よび生体組織の取り得る形状に即して基材上に形成する
固定化領域の形状およびサイズを選択することができ
る。以下には、ＤＮＡを固定化するための装置を具体例
として挙げながら本発明をより詳細に説明する。

【００２７】固定化および処理（操作）すべき分子で特
に産業上重要なものとして核酸（ＤＮＡ等）分子が挙げ
られる。これは、遺伝子工学の分野において、ＤＮＡの
組換えおよび遺伝子クローニングの実験を行なう上で核
酸の人為的な操作が不可欠となるからである。ＤＮＡ
は、通常、糸状あるいは環状の二本鎖構造を有してい
る。生理的条件下では、核酸の骨格を形成するヌクレオ
チド鎖のリボヌクレオチドまたはデオキシリボヌクレオ
チドの間を結ぶリン酸基は解離しているため、核酸は通
常は負に帯電している。したがって、上述したように、
不純物がドーピングされた表面を有するシリコン基板を
用いることによって、核酸分子を安定に固定化すること
が可能である。

【００２８】また、特にＤＮＡ分子の固定化および操作
のための装置においては、固定化した後、分子に対して
一本鎖への分離や鎖の切断等の処理を施したり、分子を
固定化領域から容易に離脱させたりする機能が重要とな
る。本発明の装置では、固定化した分子に熱エネルギー
を与えるための第１電極と、固定化した分子に静電引力
および／または静電斥力をそれぞれ及ぼすことのできる
１対の第２電極とが設けられている。たとえばＤＮＡ分
子を本発明に従う装置の特定の領域に固定化した場合、
第１電極の局所的な加熱により、固定化されたＤＮＡ分
子を揺動させ、２つの一本鎖分子に分けることができ
る。本発明の装置において解離した２つの一本鎖分子
は、１対の第２電極の作用によりさらに操作することが
できる。たとえば、１対の第２電極からそれぞれ２つの
一本鎖分子に静電引力を及ぼせば、装置上でこれらの分
子を互いに引き離した状態で保持することができる。ま
た、１対の第２電極から、これらの分子に静電引力およ
び静電斥力をそれぞれ及ぼせば、一方の分子を保持した
状態で、他方の分子を固定化領域から速やかに離脱させ
ることができる。

【００２９】ＤＮＡ分子に代表される鎖状あるいは環状
の生体高分子を固定化および処理するための装置の一具
体例を図３〜図５に示す。図３に示す装置の断面構造に
おいて、シリコン基板２０上には酸化シリコン（ＳｉＯ
₂）膜２１、第１ポリシリコン層２２および第２ポリシ
リコン層２３が順に堆積されている。特定の領域におい
て、シリコン基板２０上に形成された３つの層は所定の
パターンで除去されており、溝２５が形成されている。
溝２５内の中央にはポリシリコン層が山状の形状で残さ
れている。図４に示すように、溝２５は円環の形状を有
しており、その中央に残されたポリシリコン層の部分も
円環の形状を有している。後述するように、不純物濃度
の異なるシリコンを組合せることにより、溝２５内にお
いて負に帯電する分子を吸着固定する一方、溝２５の外
において負に帯電する分子の吸着を抑制することができ
る。したがって、溝２５は、目的とする分子のための固
定化部２４を構成する。一方、溝２５内のポリシリコン
層２２および２３からなる部分は固定化される分子に熱
エネルギを付与するための第１電極２６を構成する。ま
た、溝２５に囲まれたポリシリコン層２２および２３か
らなる円形の部分ならびに溝２５を取り囲むポリシリコ
ン層２２および２３からなる部分はそれぞれ、固定化さ
れる分子に静電引力および／または静電斥力を及ぼすた
めの１対の第２電極２７および２８を構成する。円形の
第２電極２７は、中央部に形成された接続用ビア２９を
介して基板２０上に形成された外部接続用端子３１と電
気的に接続される。第１電極２６および第２電極２８
は、それぞれ、基板２０上に形成された外部接続用端子
３２および３２′、ならびに３３および３３′に電気的
に接続される。第１電極２６には、端子３２および３
２′を介して加熱のための電流が流される。電極２７お
よび２８には、端子３１、３３および３３′を介してそ
れぞれ電圧が印加される。なお、第１電極２６は、図５
に拡大して示すように、波状またはジグザグの形状を有
することができる。このような形状は、固定化された分
子の揺動のため、より効果的に熱エネルギを与えること
ができる。

【００３０】以上に示す装置の構造において、たとえ
ば、シリコン基板２０に低不純物濃度のＮ型シリコンを
用い、第１ポリシリコン層２２および第２ポリシリコン
層２３にそれぞれ周期律表第Ｖ族の元素が低濃度および
高濃度で添加された半導体層を用いることができる。こ
の場合、高不純物濃度の第２ポリシリコン層２３には、
ＤＮＡ分子のように溶液中で負の実効電荷を有する分子
は付着しにくい。一方、低不純物濃度の第１ポリシリコ
ン層２２およびシリコン基板２０には、ＤＮＡ分子のよ
うな溶液中負に帯電する分子は付着しやすい。したがっ
て、ＤＮＡ分子のような負に帯電する分子は選択的に溝
２５内に吸着、固定することができる。なお以上に示し
た装置ではＤＮＡ分子を固定化しやすいように溝２５を
有する固定化部２４を円形としているが、固定化部の形
状はこれに何ら限定されるものではなく、固定化すべき
分子の形状等に応じて種々のパターンとすることができ
る。

【００３１】上述した装置において、生体関連高分子ま
たは生体組織を固定化および操作する方法について説明
する。生体関連高分子として特にＤＮＡ分子を固定化お
よび処理する例を図６〜図９に示す。ＤＮＡ分子は溶液
中で解離して負に帯電しているため、上述したように、
本発明の装置の表面のうち、高不純物濃度（低抵抗）の
第２ポリシリコン層２３の表面には静電的に結合されに
くく、低不純物濃度（高抵抗）の第１ポリシリコン層２
２および溝２５において露出しているシリコン基板２０
の表面に選択的に固定化される。図６は、溝２５内にＤ
ＮＡ分子３５が固定化される様子を示している。一般に
環状または線状の構造を有するＤＮＡ分子は、二本鎖の
状態で溝２５に露出した低不純物濃度のポリシリコン層
およびシリコン基板の表面に吸着される。固定化された
ＤＮＡ分子が二本鎖の場合には、これを２つの一本鎖に
分ける必要が生じる。その場合、溝２５の中央に設けら
れたポリシリコン層からなる凸状の電極２６に電流を流
して発熱させることで、ＤＮＡ分子を局所的に加熱す
る。ＤＮＡ分子を加熱により揺動させれば、２本鎖の間
に働く水素結合を切り、図７に示すように２つの一本鎖
３５ａおよび３５ｂを得ることができる。さらに、分離
した一本鎖３５ａおよび３５ｂが再び相補的に結合する
ことを防ぐため、図８に示すように、溝２５の両側に対
向して設けられる電極２７および２８にそれぞれ分子の
有する電荷と極性が逆である正の電圧を印加する。これ
によって、ＤＮＡの各一本鎖は空間的に分離、保持され
る。さらに、一方の一本鎖のみを必要とする場合、図９
に示すように、電極２７および２８のうちいずれかに負
の電圧を印加することができる。負の電圧を印加された
電極と分子との静電的な反発力により、一方の一本鎖３
５ｂを装置の表面から排除することができる。

【００３２】上述したような本発明の装置は、たとえば
図１０および図１１に示すようなプロセスによって製造
することができる。まず、シリコン基板４０上に熱酸化
等によってシリコン酸化膜４１を形成する（図１０
（ａ））。次いで、その上にＣＶＤ等により第１ポリシ
リコン層４２を形成する（図１０（ｂ））。さらにポリ
シリコン層４２の表面に所定の深さでイオン注入を行な
うことによって第２ポリシリコン層４３を形成する（図
１０（ｃ））。第２ポリシリコン層４３上にＣＶＤ等に
よりシリコン酸化膜５３を形成した後、その上にレジス
ト層５４を形成する（図１０（ｄ））。次いで、電子ビ
ーム等による露光工程および現像工程の後、レジストパ
ターン５４′を得る（図１０（ｅ））。酸化膜５３のレ
ジストに覆われていない部分をエッチングした後、表面
のレジストを除去する（図１０（ｆ））。次いで、酸化
膜を保護膜として２つのポリシリコン層をドライエッチ
ングする（図１１（ａ））。さらに酸化膜を保護膜とし
てウェットエッチングを行ない、２つのポリシリコン層
を浸食させる（図１１（ｂ））。酸化膜をエッチングに
より除去すれば、所定のパターンで溝、電極およびビア
ホールが形成された構造が得られる（図１１（ｃ））。
得られた構造物の表面にＡｌ等の金属層５５を形成する
（図１１（ｄ））。金属層５５をフォトリソグラフィ等
を用いてパターニングすれば、接続用端子および接続用
ビアが形成される（図１１（ｅ））。

【００３３】本発明の装置に用いられる材料として、上
述したような静電特性を有し、電荷量および極性の制御
が可能な物質で、溶液中において化学的に安定な物質で
あれば種々の物質を用いることができるが、最も好まし
い物質の１つとして、半導体結晶であるシリコンが挙げ
られる。なお、以上において主に負の帯電特性を有する
分子のためのシリコン材料について説明を行なってきた
が、正の帯電特性を有する分子の固定化のためには、上
述の極性を反転させた価電子の制御方法が用いられる。

【００３４】本発明に用いられるＮ型およびＰ型のシリ
コン結晶は、通常のＬＳＩプロセスに用いられるシリコ
ンウェハと同等の特性を有するものでよい。シリコン結
晶表面の比抵抗は、０．０００１〜１０００Ωｃｍ程度
の範囲内であることが望ましく、より望ましくは０．０
００１〜１００Ωｃｍであり、さらに望ましくは０．０
００１〜１０Ωｃｍである。Ｎ型およびＰ型に価電子制
御されたシリコンの調製方法として、種々のものが考え
られ、どのような方式のものでもよいが、最も簡便で不
純物濃度の制御が正確に行なえる方法として、イオン注
入法が挙げられる。この場合、Ｐ型およびＮ型の価電子
制御は、それぞれ周期律表第ＩＩＩ族および第Ｖ族に属
する元素のイオンをシリコン中に注入、アニールするこ
とによって容易に行なうことができる。Ｐ型にするため
のＩＩＩ族元素としてＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌ等を
挙げることができる。特にＢが一般的である。Ｎ型にす
るための第Ｖ族元素としてＮ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ等
を挙げることができ、特にＰ、Ａｓ、Ｓｂが一般的であ
る。ドーピングに用いられる周期律表第ＩＩＩ族および
第Ｖ族元素の濃度は、１０¹²〜１０²¹／ｃｍ³の範囲が
望ましく、より望ましくは１０¹³〜１０²¹／ｃｍ³であ
り、さらに望ましくは１０¹⁴〜１０²¹／ｃｍ ³である。
また本発明においてシリコン表面にＮ型またはＰ型の不
純物層を形成する場合、その厚みは１〜２００μｍの範
囲が望ましく、より望ましくは３〜５０μｍの範囲であ
る。これ以外の範囲では作製が容易でなかったり、効果
がなくなるため望ましくない。なお、シリコン結晶の表
面は、ミラーポリッシュされたものが、余分な結晶核の
生成を抑制する上で好ましい。

【００３５】また、上述したように目的とする分子の固
定化のためにＣＶＤ等によってポリシリコン層を形成す
ることができる。Ｐ型およびＮ型に価電子制御されたポ
リシリコンを得る方法として、種々の方法を用いること
ができるが、最も簡便で不純物濃度の制御が正確に行な
える方法としてイオン注入を挙げることができる。この
方法を用いる場合、周期律表第ＩＩＩ族および第Ｖ族に
それぞれ属する元素のイオンをポリシリコン中に注入
し、アニールすることによって、Ｐ型およびＮ型への価
電子制御を容易に行なうことができる。Ｎ型またはＰ型
のポリシリコン層を形成する場合、その厚みは０．００
１〜１００μｍの範囲が好ましく、０．０１〜５０μｍ
の範囲がより好ましい。これ以外の範囲では作製が容易
でなかったり、効果が乏しくなる。

【００３６】上述した本発明の装置において、次のよう
なサイズの固定化領域を形成することが好ましい。固定
化領域の溝のサイズについては、解離したリン酸基を安
定して固定化するため、その幅が１０Åから０．１μｍ
の範囲であることが望ましい。円形の溝の直径は固定化
すべき分子のサイズに応じて適宜変更することができる
が、通常、数μｍから数１００μｍの範囲とすることが
できる。また、必要に応じて複数の直径の異なる溝、あ
るいは長さの異なる直線状の溝を形成しても差支えな
い。直線状の溝を形成する場合、その幅は１０Åから
０．１μｍの範囲とすることができる。また直線状の溝
の長さは固定化すべき分子のサイズに応じて変更される
が、通常数μｍから数ｍｍの範囲である。

【００３７】本発明の装置において、シリコン基板の表
面には絶縁性の膜を形成することができる。この膜に
は、酸化物、窒化物等の無機絶縁材料、ポリイミド等の
有機絶縁材料を用いることができる。絶縁膜の厚みは、
絶縁性を確保するため１００Åから数μｍの範囲であれ
ば十分である。それ以上の厚みを用いても特に差支えは
ない。

【００３８】上述した本発明の装置において、基板表面
に形成される外部接続用端子および接続用ビアは金属薄
膜によって形成することができる。金属薄膜の下地金属
として、Ｔｉ、Ｃｒ等の金属を１００Åから１μｍの範
囲の厚みで堆積させるのがよい。さらにバリアメタルと
して、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ等の金属を１００Åから１μｍの
範囲の厚みで堆積し、その上に上部電極としてＡｌ、Ｃ
ｕ、Ａｕ等の金属を１００Åから１０μｍの範囲の厚み
で堆積するのがよい。またより簡便な方法として、ポリ
シリコン層上にＡｌを直接１００Åから１０μｍの範囲
の厚みで堆積させてもよい。

【００３９】以上、価電子制御が容易な半導体結晶であ
るシリコンを用いた例について説明してきたが、シリコ
ン以外にも、同様の機能を有する物質でかつ固定化すべ
き物質を含む溶液に対して安定な種々の材料を用いるこ
とができる。たとえば、固定化装置を構成するための基
材として、電荷分布の制御された無機化合物、有機化合
物、有機高分子等を候補として挙げることができる。さ
らに、半導体、金属、有機化合物、無機化合物等が組合
された複合化合物でも固定化のための基材を構成するこ
とができる。

【００４０】上述したように、本発明の装置において、
ＤＮＡ、ＲＮＡ等の核酸分子を効果的に固定化すること
ができる。本発明が適用される生体高分子の具体例とし
て、ＤＮＡ、ＲＮＡおよびそれらのポリメラーゼ複合
体、目的とする遺伝子を含むＤＮＡ、遺伝子組換えに用
いられるＤＮＡ断片、組換えＤＮＡ、プラスミド、クロ
ーン化されたプラスミドベクター水溶性蛋白質、水溶性
蛋白質とＤＮＡとの複合体、主に細胞内に埋込まれた疎
水性の膜蛋白質およびその複合体、抗原抗体反応に重要
な受容体蛋白質および酵素類、膜を構成する疎水性蛋白
質、細胞内にあって電子伝達を行なう酵素類、繊維状蛋
白質、糖類およびそれらの縮合体、神経伝達および神経
情報処理を担う神経細胞中の神経伝達物質および受容体
蛋白質等の酵素類、ならびにウィルス類等を挙げること
ができる。一方、本発明が適用される生体組織は、生体
中に存在する各種機関を構成する細胞、筋繊維等を指
す。生体組織の具体例として、たとえば神経細胞、肝細
胞、血液を構成する細胞、筋肉繊維細胞、その他生体組
織を構成する細胞等を挙げることができる。

【００４１】

【実施例】ＤＮＡ分子を固定化するためのシリコンを基
板とする装置を、図１０および図１１に示すようなプロ
セスを用いて次のように作製した。まず、約１００Ωｃ
ｍの比抵抗の高抵抗Ｎ型シリコンウェハの全面に熱酸化
によって２００Åの酸化膜を形成した。次いで、ＣＶＤ
装置を用いて、リンドープ・ポリシリコン層を２０００
Åの厚みで形成した。このポリシリコン層（第１ポリシ
リコン層）の比抵抗は２Ωｃｍであった。得られた第１
ポリシリコン層の表面に、イオン注入装置によってリン
イオンを約５¹⁴／ｃｍ²のドーズ量で注入した。その
後、窒素中９００℃で１０分間のアニールを行なうこと
によって、低抵抗Ｎ型ポリシリコン層（第２ポリシリコ
ン層）を得た。その比抵抗は約０．０１Ωｃｍであり、
その接合深さは約１０００Åであった。

【００４２】次に、得られた第２ポリシリコン層の全面
にＣＶＤにより酸化膜を１０００Åの厚みで形成した。
その上に電子線用のレジスト材料をコーティングした
後、電子ビーム露光装置により溝部および電極部のため
の描画を行なった。描画にあたって、溝部の中に形成さ
れる第１の電極に相当する部分には３００Åの線幅を有
する円形状のパターンを描いた。また、第１電極を挟ん
で対向する１対の第２電極のうち一方に相当する部分に
は、直径４０μｍの円形パターンを描いた。さらに、第
１電極とその両側に設けられる１対の第２電極との間隔
がそれぞれ３００Åとなるよう描画を行なった。また、
直径４０μｍの円形パターンの中央には、５μｍ角のサ
イズを有する接続用ビアのための描画を行なった。この
ようにして描画されたパターンを有するレジストを現像
液によって現像した後、プラズマエッチング装置内で酸
化膜のエッチングを行なった。表面のレジスト膜を除去
した後、残った酸化膜を保護膜として第１ポリシリコン
層および第２ポリシリコン層のドライエッチングを行な
った。ドライエッチングが完了した後、酸化膜を保護膜
としてアルカリ水溶液中で第１ポリシリコン層および第
２ポリシリコン層をウェットエッチングによりさらに浸
食した。これにより、図１１（ｂ）に示すように、凸状
でしかも先端が尖っている構造を有する第１電極の部分
が得られた。

【００４３】ポリシリコン層のエッチングが完了した
後、酸化膜をエッチングにより除去した。これによっ
て、溝、電極および接続用ビアホールが形成された構造
体を得ることができた。その後、スパッタリング装置に
よって、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕを順に５００Å、５０００
Å、５０００Åの厚みで堆積した。次いで、フォトリソ
グラフィを用いて金属膜のパターニングを行なった。そ
の後、水素中、４００℃で３０分間アニール処理を行な
った。これにより、第１電極および１対の第２電極のた
めの外部接続用端子および接続用ビアを形成した。次い
で、ウェハをダイシングし、５ｍｍ角のサイズに切出し
た。

【００４４】以上のようにして得られた装置のサンプル
とは別に、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕを順に堆積しパターニング
した１０ｍｍ角のシリコン片を準備した。このシリコン
片に、得られた装置のサンプルを接着し一体化させた。
次に、両シリコン片に形成された接続用端子同士をワイ
ヤボンディング装置によって金線で電気的に接続した。
次に、金線の他端が接続された１０ｍｍ角のシリコン片
に、外部から電圧を印加するためのリード線をはんだに
よって接合した。

【００４５】このようにして得られたサンプルを有機溶
剤で十分洗浄した後、透析チューブに入れ、ＤＮＡ溶液
に浸漬させた。透析チューブの端からリード線を取出し
た後、透析チューブを密閉し、静置、保存した。なお、
この状態のサンプルを２個調製した。

【００４６】ＤＮＡとして、トウモロコシ葉緑体のＤＮ
Ａ（ｃｔＤＮＡ）（塩基対１．３６×１０⁵、リングサ
イズ約４３μｍ）を用いた。このｃｔＤＮＡを１０μｇ
／ｍｌとなるようｐＨ＝７．０の緩衝溶液に溶解してＤ
ＮＡ溶液を調製した。透析チューブ外の緩衝溶液のｐＨ
は１２．０とした。

【００４７】ビーカにｐＨ１２．０の緩衝溶液を入れ、
そこにＤＮＡ溶液および固定化装置のサンプルを封入し
た透析チューブを入れた。試料の入ったビーカを１０℃
の冷暗所に５時間保存した後、１つの透析チューブ内か
ら固定化装置のサンプルを注意深く取り出した。取り出
した固定化装置を純水中に３分間浸漬させ、ゆっくり揺
動させて溶液を除去した後、チトクロームＣを含むタン
パク質溶液をそこに滴下し、その後、自然乾燥を行なっ
た。得られた試料をサンプル−１とする。

【００４８】一方、もう１つの固定化装置を透析チュー
ブ内においてさらに保持しながら、１０℃の冷暗所にお
いてこの装置に第１電極の端子を介して１５ＶのＤＣ電
圧、１５０ｍＡの電流を３分間印加した。この電圧印加
により、装置の溝部直上にある溶液の温度が３分後には
９０℃となったことが別途行なった計測により明らかに
なった。第１電極への電圧の印加を中止した後、１対の
第２電極に＋０．１ＶのＤＣ電圧を３分間印加した。そ
の後、透析チューブ内から装置のサンプルを注意深く取
り出した。固定化装置を純水中に３分間浸漬させ、ゆっ
くり揺動させて溶液を除去した後、チトクロームＣを含
むタンパク質溶液をこれに滴下し、乾燥を行なった。こ
の試料をサンプル−２とする。

【００４９】サンプル−１およびサンプル−２の表面を
電子顕微鏡によって観察した。観察のため、サンプル表
面をウラニールアセテートにより予め染色した。観察の
結果、サンプル−１では、直径が４０μｍの円形の溝内
に、ｃｔＤＮＡが環状となって固定化されていることが
確認された。一方、サンプル−２では、溝を構成する１
対の電極の側壁に、一本鎖のＤＮＡがそれぞれ分離して
環状に付着していることが確認された。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
所望の生体関連高分子、特に鎖状のＤＮＡ分子を固定化
および処理するための装置を、容易に入手できる材料に
ついて単に不純物の添加、微細加工、電極形成を施すこ
とにより容易に作製することができる。特に本発明によ
れば、シリコンを主たる半導体基板として用いるＭ＆Ｎ
マシンにおいて、生体関連高分子を固定化および処理す
るための装置を、ドーピング、薄膜形成および微細加工
の技術を用いることによって容易に作製することができ
る。本発明の固定化装置は、固定化すべき分子の形状に
応じた固定化領域を容易に形成することができ、特定の
サイズおよび形状を有する生体関連高分子を選択的かつ
有効に固定化および処理することが可能である。また、
サイズおよび／または形状の異なる種々の固定化領域を
形成することにより、１つの装置においてあらゆる種類
の生体関連高分子の固定化および処理を行なうことが可
能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の装置において生体関連高分子が基材上
に固定化される様子を示す模式図である。

【図２】本発明の装置において、生体関連高分子を固定
化するための領域の１つのパターンを示す斜視図であ
る。

【図３】本発明の装置の一具体例を示す概略断面図であ
る。

【図４】図３に示す装置の概略平面図である。

【図５】図３に示す装置の電極部を拡大して示す模式図
である。

【図６】本発明の装置においてＤＮＡ分子が特定の領域
に固定化される状態を示す模式図である。

【図７】本発明の装置において固定化されたＤＮＡ分子
が電極の加熱により一本鎖に分離される様子を示す模式
図である。

【図８】図７において分離された一本鎖が１対の電極に
引き寄せられて保持される様子を示す模式図である。

【図９】２つの一本鎖のうち一方が電極の作用により排
除される様子を示す模式図である。

【図１０】本発明の装置を製造するためのプロセスを示
す概略断面図である。

【図１１】本発明の装置を製造するためのプロセスを示
す概略断面図である。

【図１２】従来のＭ＆Ｎマシンセンサの例を示す斜視図
である。

【図１３】従来のＭ＆Ｎマシンアクチュエータの例を示
す図である。

【符号の説明】

１基材２生体関連高分子１０基材１１固定化領域２０シリコン基板２１酸化シリコン膜２２第１ポリシリコン層２３第２ポリシリコン層２４固定化部２５溝２６第１電極２７、２８１対の第２電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０１Ｎ 33/543 ５２５ 9282−4ＢＣ１２Ｎ 15/00 Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】生体高分子および／または生体高分子が
含有される生体組織を固定化および処理する装置であっ
て、表面にもたらされる静電特性により、前記生体高分子お
よび／または前記生体組織を特定の領域に吸着固定する
ことができる基材と、前記基材上の前記特定の領域に設けられた電極とを備
え、前記静電特性は、前記特定の領域において前記基材を構
成する材料に含有される不純物の濃度および／または種
類により制御されており、前記電極は、前記特定の領域に吸着固定される前記生体
高分子および／または前記生体組織に熱エネルギを与え
るための第１電極と、前記特定の領域に吸着固定される
前記生体高分子および／または前記生体組織に静電引力
および／または静電斥力をそれぞれ及ぼすことのできる
１対の第２電極とを含むことを特徴とする、生体関連高
分子の固定化装置。
【請求項２】前記第１電極は、対向して配置される１
対の前記第２電極の間に設けられていることを特徴とす
る、請求項１記載の装置。
【請求項３】前記特定の領域は、前記生体高分子およ
び／または前記生体組織の取りやすい形状に応じた所定
のパターンを有することを特徴とする、請求項１または
２記載の装置。
【請求項４】前記静電特性は、含有される不純物の濃
度および／または種類が制御された半導体によりもたら
されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項
記載の装置。
【請求項５】核酸の固定化および処理に用いられるこ
とを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項記載の装
置。