(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの交流磁気場が印加される磁気ひずみセンサ部と、該磁気ひずみセンサ部と結合されたプラットホームに固定配置されて、目標ＤＮＡ連続体と交雑されて、前記磁気ひずみセンサ部に印加される前記交流磁気場に対する共鳴周波数の変化が発生されるＤＮＡ探針とから構成されたことを特徴とするＤＮＡの交雑を検出するための磁気ひずみバイオセンサ。
【請求項２】
前記ＤＮＡ探針の交雑による共鳴周波数の変化は、センサコイルによってインピーダンスの変化態様で感知するようになり、センサコイルで感知されたインピーダンスに対し、インピーダンス分析器で設定域の周波数でのインピーダンスの最大値を測定できるようになされたことを特徴とする請求項１に記載のＤＮＡの交雑を検出するための磁気ひずみバイオセンサ。
【請求項３】
前記磁気ひずみセンサ素子は、前記センサコイルに挿入されるように構成されたことを特徴とする請求項２に記載のＤＮＡの交雑を検出するための磁気ひずみバイオセンサ。
【請求項４】
前記ＤＮＡ探針が配置された前記磁気ひずみセンサ部が、複数配置されたことを特徴とする請求項１に記載のＤＮＡの交雑を検出するための磁気ひずみバイオセンサ。
【請求項５】
前記ＤＮＡ探針を配置された磁気ひずみセンサ部は、それぞれ異なる共鳴周波数を有して、異なる長さおよび幅を有するＤＮＡ探針が多重区分けによって分割されて配置されるようになされたことを特徴とする請求項１に記載のＤＮＡの交雑を検出するための磁気ひずみバイオセンサ。
【請求項６】
シリコン薄膜の底面にシリコン窒化膜が蒸着され、その上面にスパッタリング技法を利用してタングステン薄膜が蒸着される段階と、前記タングステン薄膜上に磁気ひずみセンサ材料のための磁性層が蒸着される段階と、前記磁性層が光リソグラフィー方式を利用してパターン化される段階と、前記磁性層の上面にスパッタリング技法を利用してＤＮＡを固定するためのゴールド層を蒸着させる段階と、スパッタリング技法を利用してタングステンのカッピング層（Ｃａｐｐｉｎｇ  Ｌａｙｅｒ）を蒸着される段階と、該蒸着されたタングステン薄膜がパターン化される段階と、前記シリコン基板を水溶液で食刻処理させる段階、および前記タングステンのカッピング層を除去する段階とからなされたことを特徴とするＤＮＡの交雑を検出するための磁気ひずみバイオセンサの製造方法。
【請求項７】
前記磁性層が蒸着される段階において、前記磁性層はコバルト、鉄、非結晶金属薄膜（ＣｏｘＦｅ８０−ｘ（ＢＳｉ）２０（２０＜ｘ＜６０））とからなされたことを特徴とする請求項６に記載のＤＮＡの交雑を検出するための磁気ひずみバイオセンサの製造方法。
【請求項８】
前記磁性層がパターン化される段階において、前記磁性層は３−ＨＮＯ３の溶液で食刻処理されるようになされたことを特徴とする請求項６に記載のＤＮＡの交雑を検出するための磁気ひずみバイオセンサの製造方法。
【請求項９】
前記蒸着されたタングステン薄膜がパターン化される段階は、２０℃の温度条件で過酸化水素（Ｈ2Ｏ2）を利用してタングステン薄膜がパターン化されるようになされたことを特徴とする請求項６に記載のＤＮＡの交雑を検出するための磁気ひずみバイオセンサの製造方法。
【請求項１０】
前記シリコン基板を水溶液で食刻処理させる段階は、８０℃の温度条件で３０％−ＫＯＨ溶液で食刻処理されるようになされたことを特徴とする請求項６に記載のＤＮＡの交雑を検出するための磁気ひずみバイオセンサの製造方法。
【請求項１１】
前記シリコン基板を水溶液で食刻処理させる段階は、センサの形状が片持梁状に形成されるようにしたことを特徴とする請求項１０に記載のＤＮＡの交雑を検出するための磁気ひずみバイオセンサの製造方法。
【請求項１２】
前記タングステンのカッピング層を除去させる段階は、２０℃の温度条件で過酸化水素で除去するようになされたことを特徴とする請求項６に記載のＤＮＡの交雑を検出するための磁気ひずみバイオセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＤＮＡの交雑を検出するための磁気ひずみバイオセンサおよびその製造方法に係り、より詳しくは、 動植物の遺伝物質への分析を迅速化し、適確に行える微細な磁気ひずみバイオセンサを製造するためのＤＮＡの交雑を検出するための磁気ひずみバイオセンサおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のごとく、動植物の構成成分を観察して研究するための分子生物学分野においては、個々のたんぱく質なり複合生物学的分子の特性および定量に対する分析を踏まえて、一定なたんぱく質の存在や濃度に応じて疾病の予防や診断、 病原菌の存在検出などのごとく、広範な医学分野にわたって適用されているすう勢にある。
【０００３】
一方で、ＤＮＡ、ＲＮＡ、たんぱく質、バイラス、バクテリアおよび酵素などのごとき多様な目標バイオ材料を検出するためには、特定のＤＮＡと目標探針の結合による核酸の交雑（Nucleic Acid Hybridization）をしばしば利用するのであるが、通常、ＤＮＡの交雑を検出するためには放射性標識を施されたオリゴヌクレオチド（Oligonucleotide）探針が使用される。
【０００４】
さらに、別のＤＮＡ検出方式としては、直接検出方法として、ＤＮＡ探針が光化学反応を利用する方法（特許文献１を参照）なり、リソグラフィー方式(非特許文献１および非特許文献２を参照)、または表面改善と直接化学吸着（非特許文献３および非特許文献４を参照）などのごときいろいろ多様な方法によって物質の表面に固定されるようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
ＰＣＴ、特許公開番号WO9942813号A119990826
【非特許文献１】
J. Photopolym. Sci. Technol、 13(4)、 551-558(2000年)
【非特許文献２】
Science251、 767-773(1991)
【非特許文献３】
Analytical Biochemistry247、 96-101(1997年)
【非特許文献４】
Biophysical Journal71、 1079-1086(1996年)
【非特許文献５】
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 91(11), 5022-5026(1994年)
【非特許文献６】
Sensors & ActuatorsB61, 154-162(1999年)
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記来の放射性標識によるＤＮＡ検出方式の場合には、交雑の生成に長時間を要し、交雑以後には反応時間が短いことから、放射線写真の分析を短時間内に行わなければならないという不利な点があった。
【０００７】
さらに、光化学反応による光化学物あるいは蛍光染料を使用する方式の場合には、実験に長時間を要することはもとより、これを取扱うためには熟練された技術者が必要であるという短所があった。
【０００８】
しかも、光リソグラフィー技術のためのＤＮＡ検出方式では、微小オリゴヌクレオチド探針の配列を含むＤＮＡチップ（非特許文献５を参照）が利用されて並列塩基対の交雑を同時観察できるようにされているが、相対的に高価の装備が備われていなければならないし、かつ、蛍光染料で探針を表示しなければならないという短所がある。さらに、このところではＣＭＯＳバイオチップ（非特許文献６を参照）が開発されているが、交雑されたＤＮＡ探針を検出するためには精巧なオン−ボールドレーザ(On-Board Razor)を利用しなければならないという不利な点がある。
【０００９】
そこで、この発明は上記種々の問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、交流磁気場によって振動する磁気ひずみセンサの配列を活性化することによって、同位元素なり酵素および蛍光染料などのごとき標識を使用しなくても遺伝物質の分析と、ＤＮＡの交雑過程のごとき動的情報を簡単、かつ迅速に同時観察が可能なＤＮＡの交雑を検出するための磁気ひずみバイオセンサおよびその製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するためになされたこの発明に従えば、外部からの交流磁気場が長手方向に沿って印加される磁気ひずみセンサ部と、該磁気ひずみセンサ部と結合されたプラットホームに固定配置されて、目標ＤＮＡ連続体と交雑されて磁気ひずみセンサ部から印加される交流磁気場に対する共鳴周波数の変化が発生されるＤＮＡ探針とから構成されたことを特徴とする。
【００１１】
上記目的を達成するためになされたこの発明の製造方法に従えば、シリコン薄膜の底面にシリコン窒化膜が蒸着され、その上面にスパッタリング技法を利用してタングステン薄膜が蒸着される段階と、前記タングステン薄膜上に磁気ひずみセンサ材料のための磁性層が蒸着される段階と、前記磁性層が光リソグラフィー方式を利用してパターン化される段階と、前記磁性層の上面にスパッタリング技法を利用してＤＮＡを固定するためのゴールド層を蒸着させる段階と、パッタリング技法を利用してタングステンのカッピング層(Capping Layer)を蒸着される段階と、該蒸着されたタングステン薄膜がパターン化される段階と、前記シリコン基板を水溶液で食刻処理させる段階、および前記タングステンのカッピング層を除去する段階とからなされたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に従う一実施例について添付図に沿って詳述する。
【００１３】
図１（ａ）、（ｂ）は、この発明に従う磁気ひずみバイオセンサの構成図である。
【００１４】
図１（ａ）に示すように、この発明の一例に従う磁気ひずみバイオセンサは、複数のＤＮＡ探針(4)がそれぞれ固定されている磁気ひずみセンサ部(2)が配列されている構造からなっているが、それぞれの磁気ひずみセンサ部(2)は一つの調和共鳴周波数に対し一つのセンサ部が反応されるよう、おのおの異なる幾何学的な配置をもつようになっており、磁気ひずみ薄膜はＤＮＡ探針(4)を固定するプラットホームとして使用される。
【００１５】
前記ＤＮＡ探針(4)の交雑は、探針プラットホームの物理的な性質変化(例えば、共鳴振動数と屈折率など)によって観察されうるが, これで，遺伝物質の分析をたやすく行えるし、ＤＮＡの固定と交雑過程などのごとき動的情報の同時観察が可能となる。
【００１６】
前記ＤＮＡ探針(4)は、磁気ひずみセンサ部(2)の長手方向に沿って印加される交流磁気場によって共鳴周波数で振動を行うようになり、それぞれの磁気ひずみセンサ固有の調和共鳴周波数でＤＮＡ探針(4)との交雑が促進されるとともに、サンプルの励起を増進せしめるため、時間に伴って変動される磁気場の適用によって磁気ひずみセンサの配列が活性化される。
【００１７】
前記ＤＮＡ探針(4)の交雑を利用すれば、探針プラットホ-ムの物理的な性質変化(例えば、共鳴振動数と屈折率など)によって観察されうるが、一般的なＤＮＡの直接検出方法の長所なるたやすい遺伝物質の分析とＤＮＡ固定、交雑過程などを同時観察できることから、きわめて多くの動的情報が得られる。
【００１８】
前記磁気ひずみセンサの配列は、ピックアップコイル(Pick-up Coil)を使用してＤＮＡ探針(4)の交雑を検出するため、高磁気変形率のCo-Fe非晶質合金(Metall. Mater. Trans, 27A, 3203-3213(1996年)および米国特許6,057,766号参照)を踏まえて、外部磁気場の刺激による機械的な振動を利用することになるが、かかる共鳴振動数は温度、圧力、流速と荷重などのごとき外部の環境変数に反応して変化されるようになされる(Smart Mater. Struct., 10(2), 347-353(2001年)参照)。 前記性質を利用して薄膜磁気ひずみセンサは温度と圧力を遠隔によって探知できるようになる(Smart Mater. Struct., 8(5), 639-646(1999年)参照)。
【００１９】
図１（ｂ）に示すように、前記磁気ひずみセンサ部(2)には目標バイオ物質と交雑をなされたＤＮＡ探針(6)が固定的に配列されるが、それぞれの磁気ひずみセンサ配列の共鳴周波数は目標バイオ物質と交雑されたＤＮＡ探針(6)がプラットホームの質量および方向の微小変化による磁気ひずみセンサの共鳴周波数の変化を検出することによって、測定できるようになっている。つまり、固有の交雑周波数の変化は目標ＤＮＡ連続体と結合された交雑ＤＮＡ探針(6)で測定できるようになる。
【００２０】
次に、図２はこの発明に従う磁気ひずみバイオセンサに対する共鳴周波数の測定によってＤＮＡの交雑を検出するための装置の構成図である。
【００２１】
図２に示すように、この発明の磁気ひずみバイオセンサを適用される装置は、磁気ひずみセンサアレイ(10)と、センサコイル(15)と、インピーダンス分析器(20)と、コンピュータ装置(25)とから構成される。
【００２２】
前記磁気ひずみセンサアレイ(10)は、複数の磁気ひずみセンサ部(2)がアレイ状で配列されて、ＤＮＡ探針の共鳴周波数に伴う特定域での交流磁気場の周波数の変化に応じてインピーダンス変化を表すことになる。
【００２３】
前記センサコイル(15)は、前記磁気ひずみセンサアレイ(10)の共鳴周波数の変化に伴うインピーダンス変化を感知してインピーダンス値を発生する。
【００２４】
前記インピーダンス分析器(20)は、前記磁気ひずみセンサアレイ(10)の共鳴周波数に対し設定された１ＭＨｚ〜５００ＭＨｚの周波数域でそれぞれの周波数の増加に伴うインピーダンス値を測定するが、その共鳴周波数は測定されたインピーダンスの最大値で観察される。
【００２５】
ここで、前記磁気ひずみセンサアレイ(10)内ではＤＮＡ探針の塩基対が励起される中、それぞれの目標ＤＮＡ連続体と交雑され、かかる交雑によって共鳴周波数の測定と周波数域の走査を繰り返し検出できることになる。
【００２６】
前記コンピュータ装置(25)は、前記インピーダンス分析器(20)で測定されて分析される共鳴周波数に応じるインピーダンスの最大値によって、交雑と目標ＤＮＡ連続体との交雑過程を照合可能に可視的に表示する。
【００２７】
次いで、上記のごとくなされたこの発明に従う磁気ひずみバイオセンサの製造工程を図３（ａ）〜図３（ｄ）および図４（ａ）〜図４（ｄ）を参照して詳述する。
【００２８】
まず、図３（ａ）に示すように、シリコン基板(30)の下面にはＥＣＲ−プラズマＣＶＤを利用したエッチング工程に対する素子を保護するため、５００〜２０００ｎｍ厚さでシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）(32)を蒸着する一方で、そのシリコン基板(30)の上面には高周波マグネトロンスパッタリングシステム(RF Magnetron Sputtering System)を利用して１０〜１０００ｎｍ厚さでタングステン薄膜(Tungsten(W) Film)(34)を蒸着する(タングステン400, アルゴン(Ar) 6mtorr)。
【００２９】
その状態で、図３（ｂ）に示すように，前記シリコン基板(30)の上面に蒸着されたタングステン膜(34)上に高周波マグネトロンスパッタリングシステムを利用して磁気ひずみセンサの材料を構成するCoxFe80-x(BSi)20(20<x<60)(コバルト-鉄，非結晶金属薄膜)の磁性層(36)を蒸着することになるが、その磁気ひずみセンサ層の厚さは５０〜２０００ｎｍである。
【００３０】
次に、図３（ｃ）に示すように、磁気ひずみセンサとしてシリコン基板(30)上に蒸着される磁性層(36)は、標準光リソグラフィー方式を利用してパターン化されるのであるが、磁性層(36)に対し、３％−ＨＮＯ３(食刻速度が20nm/sec)で食刻することになる。
【００３１】
さらに、磁気ひずみセンサのパターン化がなされることになると、図３（ｄ）に示すように、パターン化された磁性層(36)の周辺に沿ってＤＮＡを固定するためのゴールド層(Gold Film)(38)が接触金属マスクを利用して磁性層(36)の上面に蒸着されるが、これは高周波マグネトロンスパッタリングシステムを利用して１０〜１００ｎｍ層の厚さに蒸着される。
【００３２】
一方で、上記のごとく、ゴールド層(38)が蒸着された以後に、図４（ａ）に示すように、高周波マグネトロンスパッタリングシステムを利用してタングステン(W)のカッピング層(Capping Layer)(40)を層厚さ１０〜１０００ｎｍで蒸着させることになる。
【００３３】
次に、カッピング層(40)が蒸着されると、図４（ｂ）に示すように、２０℃の温度で過酸化水素（Ｈ2Ｏ2）を利用して３０ｎｍ／ｓｅｃの食刻速度で蒸着されたタングステン薄膜(34)をパターンすることになる。
【００３４】
その状態で、図４（ｃ）に示すように、片持梁(Cantilever)状の梁を形成するためには、８０℃の温度条件で３０％−ＫＯＨ溶液で２μｍ/secの食刻速度でシリコン基板(30)を食刻処理することになる。
【００３５】
片持梁状に食刻処理されると、図４（ｄ）に示すように、最終的にタングステンカッピング層を２０℃の温度条件下で過酸化水素（Ｈ2Ｏ2）で除去することになる。
【００３６】
上記のごとき磁気ひずみセンサの形成工程に際して、ＤＮＡ探針を固定するためには５’−ｃａｇａｇｇｔｔｇａｇｔｃｃｔｔｔｇ−３’と１８−ｍｅｒ  ｓｉｎｇｌｅ−ｓｔｒａｎｄｅｄ  ｏｌｉｇｏｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅを実験に使用して、５’−りん酸塩の後端にDithioethoxyグループを結合させて、１８−ｍｅｒ  ｓｉｎｇｌｅ−ｓｔｒａｎｄｅｄ  ｏｌｉｇｏｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ探針を製作することにする。
【００３７】
この際、５’−りん酸塩の後端に二硫化グループを結合させるために、水溶性のCarbodimideを適用したし、ゴールドの表面は固定工程前にエタノールと水ですすぐことにる。 ＤＮＡ探針はゴールドの表面と化学結合をする二硫化物グループと18-mer oligonucleotide探針を適用して直接ゴールドの表面に固定させることになり、センサは１０μｇ/の二硫化物グループとＤＮＡ探針を含む０．３モル(M)の塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）水溶液に1時間の浸漬後にすすぐことになる。
【００３８】
次に、図５はこの発明の好ましき実施例に沿って一つの配列に複数のバイオセンサをパターニングして形成した状態の例示図である。
【００３９】
図５に示すように、この発明の磁気ひずみセンサはセンサコイルから十分な信号が発生されるようにするため、一つの配列に例えば、40個のごとき複数のバイオセンサをリソグラフィー工程によって製作することになり、マスクは複数の片持梁をパターンすることになる。
【００４０】
一方で、前記磁気ひずみセンサの素子は、直径が３〜１０ｍｍであり、５０〜５００回を巻回された微細なセンサコイルに挿入できるようにし、前記センサコイルに連結されているインピーダンス分析器(20)は１ＭＨｚ〜５００ＭＨｚの間でコイルの励起周波数の変化中にインピーダンスの最大値を検出することになる。
【００４１】
前記磁気ひずみバイオセンサを交雑するためのセンサの活性化に際して、目標ＤＮＡ連続体は０．０５Ｍ4-(2-hydroxyethyl)-1-piper-azine-ethanesulfonic acidとｐＨ７．５の０．２Ｍ塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を緩衝溶液とし、その緩衝溶液をＤＮＡ探針に適用することになり、共鳴周波数に対しては溶液の減衰効果を相反させるために再計算できるようにし、目標ＤＮＡを含む１〜１００μの水溶液を適用することになる。
【００４２】
目標ＤＮＡ溶液を適用された以後には、センサの交雑過程を向上せしめるため、３０分のごとき設定時間中、共鳴周波数で活性化させることになり、３０分の設定時間が経過された以後には目標溶液を洗い出してＤＮＡ探針の交雑を検出するために共鳴周波数の測定を繰り返すことになる。 その測定値は交雑テストを例えば、１０回のごとく複数回にわたって進行する中の共鳴周波数の変化に対する検出可能な値を表示する。その反面、交雑過程を経過しなくても、０．１％内で共鳴周波数を再生してバイオセンサをテストできるようにする。
【００４３】
次に、図６はこの発明の好ましき実施例に沿って多重配列に複数のバイオセンサをパタ-ニングして形成した状態の例示図である。
【００４４】
図６に従えば、この発明の磁気ひずみバイオセンサをそれぞれ異なるＤＮＡ探針を含む多重区分けを有するセンサとして拡張できるようになっているが、それぞれの区分けはリソグラフィーを通して異なる長さと幅を有するビ-ムあるいは異なる方向の模様を有してそれぞれ異なる共鳴周波数で作動するバイオセンサのセットを含む。バイオセンサはＤＮＡ探針を固定する中、溶液の混合を妨げるために区分け障壁によって分割されている。
【００４５】
前記共鳴周波数は、片持梁の長さに逆比例するようになっていることから、それぞれ異なる長さに分割されている片持梁によっておのおの異なる共鳴周波数が発生される。 前記多重区分けを有するセンサはインピーダンス分析器の測定限界内で共鳴周波数が分割されていることから、区分けを多数に増やしうるし、それぞれのＤＮＡ探針と固定されてそれぞれの特定な共鳴周波数が表示されうる。
【００４６】
上記のごとき実施例を有するこの発明は、その実施態様にこだわらず、その技術的要旨から逸脱されないかぎりにおいて、いくらでも多様に変形して実施できるようになっているが、この発明の実施例に適用される磁気ひずみセンサは片持梁状になされているものの、これに限定されず、センサの適用態様および機器の特性に応じて穿孔された状態の片持梁なり、折畳式あるいはコイル状で製造できるようにすることも、いくらでも可能なることはいうまでもない。
【００４７】
【発明の効果】
上述のように、この発明に従えば、磁気機械的に結合された非晶質金属性の薄膜上に多様なＤＮＡ探針が固定されているバイオセンサを利用してセンサの調和共鳴周波数を測定することによって、ＤＮＡの交雑を検出できるようにすることによって、いかなる共鳴周波数の変化も生成されない未結合探針を除去するための不要な時間をなくすのが可能なるばかりか、目標試料を蛍光染料などで表示するための結合作業が不要になりつつ、ＤＮＡの交雑とその検出過程が安値の費用支出によっても迅速、かつ適確になされるという優れる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）および（ｂ）は、この発明に従う磁気ひずみバイオセンサの構成図である。
【図２】図２は、この発明に従う磁気ひずみバイオセンサに対する共鳴周波数の測定によってＤＮＡの交雑を検出するための装置の構成図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｄ）は、この発明に従う磁気ひずみバイオセンサの製造方法の製造工程図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｄ）は、この発明に従う磁気ひずみバイオセンサの製造方法の製造工程図である。
【図５】図５は、この発明の実施例に沿って一つの配列に複数のバイオセンサをパターニングして形成した状態の例示図である。
【図６】図６は、この発明の実施例に沿って多重配列に複数のバイオセンサをパターニングして形成した状態の例示図である。
【符号の説明】
2  磁気ひずみセンサ部
4  ＤＮＡ探針
6  交雑ＤＮＡ探針
10  磁気ひずみセンサアレイ
15  微細センサコイル
20  インピーダンス分析器
25  コンピュータ装置
【図１】
0003699951.tif 000002
【図２】
0003699951.tif 000003
【図３】
0003699951.tif 000004
【図４】
0003699951.tif 000005
【図５】
0003699951.tif 000006
【図６】
0003699951.tif 000007