(57)【要約】【課題】本発明は、微小流路内に耐熱性を有さない材料を含む機能性材料部を容易に配置することができる流路構造体を提供する。【解決手段】本発明の流路構造体は、第１基板と、第１基板に重ねて直接接合された第２基板と、第１基板と第２基板との間に設けられたナノ流路と、前記ナノ流路中に設けられた機能性材料部とを備え、第１および第２基板は、それぞれ無機材料からなり、前記ナノ流路は、第１基板に設けられた溝が第２基板に覆われる構造を有し、かつ、２０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下の幅を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板と、第１基板に重ねて直接接合された第２基板と、第１基板と第２基板との間に設けられたナノ流路と、前記ナノ流路中に設けられた機能性材料部とを備え、
第１および第２基板は、それぞれ無機材料からなり、
前記ナノ流路は、第１基板に設けられた溝が第２基板に覆われる構造を有し、かつ、２０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下の幅を有することを特徴とする流路構造体。
【請求項２】
前記機能性材料部は、金属材料を含む請求項１に記載の流路構造体。
【請求項３】
第１および第２基板は、それぞれガラスからなる請求項１または２に記載の流路構造体。
【請求項４】
前記ナノ流路は、液体を流す第１流路と、第１流路から分岐した第２流路とを含み、
前記機能性材料部は、第２流路中に設けられ、
第２流路の前記機能性材料部が設けられた部分は、前記ナノ流路中に流す液体を塞き止める機能を有し、
第１および第２流路の分岐点と前記機能性材料部との間の第２流路の容積は、５×１０-20Ｌ以上１×１０-15Ｌ以下である請求項１〜３のいずれか１つに記載の流路構造体。
【請求項５】
前記機能性材料部は、金属膜と、前記金属膜の表面に形成された吸着分子層または自己組織化単分子膜とを含み、
前記吸着分子層または前記自己組織化単分子膜は、親水性または疎水性を有する請求項１〜４のいずれか１つに記載の流路構造体。
【請求項６】
前記吸着分子層または前記自己組織化単分子膜は、受光する光、温度あるいはナノ流路内の液体のｐＨまたはイオン強度により形状または濡れ性が変化する請求項５に記載の流路構造体。
【請求項７】
前記機能性材料部は、第１基板上に設けられた第１及び第２ナノ電極を含み、
第１及び第２ナノ電極は、前記ナノ流路中に電極間隔を置いて配置された請求項１〜３のいずれか１つに記載の流路構造体。
【請求項８】
第１基板上に設けられた第１及び第２接続部をさらに備え、
第１ナノ電極は、第１接続部と電気的に接続し、
第２ナノ電極は、第２接続部と電気的に接続する請求項７に記載の流路構造体。
【請求項９】
第１基板と第２基板との間に設けられた第１及び第２制御用流路をさらに備え、
第１及び第２制御用流路は、それぞれ第２基板に設けられた溝が第１基板に覆われる構造を有し、
第１制御用流路は、前記ナノ流路を介して第２制御用流路と連通する請求項７又は８に記載の流路構造体。
【請求項１０】
前記ナノ流路は、底部に複数の凹部を有し、
前記機能性材料部は、前記凹部の底に配置され、かつ、分子捕捉機能を有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の流路構造体。
【請求項１１】
流路となる溝が設けられた第１基板の前記溝中に機能性材料部の一部または全部を形成する工程と、
第１基板の表面と第２基板の表面とをプラズマ処理する工程と、
プラズマ処理された第１基板の表面とプラズマ処理された第２基板の表面とを接触させることにより第１基板と第２基板とを直接接合し第１基板と第２基板との間に前記流路を形成する工程とを備え、
第１および第２基板は、それぞれ無機材料からなる流路構造体の製造方法。
【請求項１２】
前記プラズマ処理する工程は、酸素ガスおよびフッ素含有ガスの混合ガス中に発生させたプラズマにより第１基板の表面と第２基板の表面とを処理する工程である請求項１１に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路構造体および流路構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化学物質、細胞、微小粒子などの分離、化学反応、分析などを行うための微小流路を備えた構造体が研究・開発されている。また、この微小流路に流す液体や液体に含まれる溶質などを制御するために微小流路内に機能性材料を配置することが研究されている。特に、数ミクロン以下の幅を有する微小流路を備えた構造体は、１分子を単離することができ一分子操作、一分子反応を実現することが可能であるため、医療応用や化学反応素過程の解明などにおいて１分子レベル研究のツールとして望まれている。
また、ガラスなどの優れた機械的強度・化学的強度を有する無機材料により微小流路を形成した構造体は、様々な化学物質について使用することができ、かつ、高い圧力をかけることができるため、注目されている。
無機材料により微小流路を形成する場合、通常、第１基板に微小流路となる溝を形成した後、第１基板に第２基板を接合することにより第１基板と第２基板との間に微小流路を形成する。第１基板と第２基板との接合は、通常、熱融着や無機接着剤を用いて接合される（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１３９６２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、第１基板と第２基板とを熱融着させて流路構造体を形成する場合、第１および第２基板を加熱する必要がある。このため、微小流路内に耐熱性を有さない機能性材料を配置する場合、第１基板と第２基板とを接合し微小流路を形成した後に機能性材料を微小流路内に設置する必要がある。微小流路内部は微小空間であるため、微小流路内に配置することができる機能性材料は制限される。特に、金属材料などを微小流路内に配置することは難しい。また、第１および第２基板を加熱することにより接合すると、基板の変形により微小流路が塞がれる場合があり、数ミクロン以下の微小流路を形成することは難しい。
また、第１基板と第２基板とを無機接着剤を用いて接合し流路構造体を形成する場合、無機接着剤が微小流路内に侵入し微小流路を塞ぐ場合があるため、数ミクロン以下の微小流路を形成することは難しい。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、微小流路内に耐熱性を有さない材料を含む機能性材料部を容易に配置することができる流路構造体を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、第１基板と、第１基板に重ねて直接接合された第２基板と、第１基板と第２基板との間に設けられたナノ流路と、前記ナノ流路中に設けられた前記機能性材料部とを備え、第１および第２基板は、それぞれ無機材料からなり、前記ナノ流路は、第１基板に設けられた溝が第２基板に覆われる構造を有し、かつ、２０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下の幅を有することを特徴とする流路構造体を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、第１基板と、第１基板に重ねて接合された第２基板と、第１基板と第２基板と間に設けられたナノ流路とを有し、前記ナノ流路は、第１基板に設けられた溝が第２基板に覆われる構造を有するため、流路構造体がその内部に第１基板と第２基板が内壁を構成するナノ流路を有することができる。
本発明によれば、前記ナノ流路は、２０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下の幅を有するため、微量の液体をナノ流路に流すことができ、流路構造体を一分子単離などの用途に用いることができる。
本発明によれば、第１および第２基板は重ねて直接接合されているため、第１および第２基板を接合する際に接着剤などがナノ流路内に流入しナノ流路が塞がれることはない。また、ナノ流路内に耐熱性を有さない材料を含む機能性材料部を容易に配置することが可能である。
本発明によれば、前記ナノ流路中に設けられた機能性材料部を備えるため、機能性材料部によりナノ流路を流れる液体を制御することやナノ流路を流れる液体中の化学物質を化学反応させることなどが可能になる。
本発明によれば、第１および第２基板は、それぞれ無機材料からなるため、流路の内壁が優れた耐食性および強度を有することができる。また、流路に高圧をかけることも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施形態の流路構造体の概略斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態の流路構造体の製造方法の工程図である。
【図３】本発明の一実施形態の流路構造体の製造に用いるプラズマ処理装置の概略断面図である。
【図４】本発明の一実施形態の流路構造体の製造方法の工程図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明の一実施形態の流路構造体の概略断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ本発明の一実施形態の流路構造体の概略断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ本発明の一実施形態の流路構造体の概略断面図である。
【図８】（ａ）（ｂ）は、それぞれ本発明の一実施形態の流路構造体の概略断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ本発明の一実施形態の流路構造体の概略断面図である。
【図１０】（ａ）〜（ｎ）は、本発明の一実施形態の流路構造体に含まれる機能材料部の模式的な概略断面図である。
【図１１】本発明の一実施形態の流路構造体の概略断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態の流路構造体の概略断面図である。
【図１３】図１２の点線で囲んだ範囲Ａの拡大図である。
【図１４】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明の一実施形態の流路構造体の概略断面図である。
【図１５】（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ本発明の一実施形態の流路構造体の概略断面図である。
【図１６】（ａ）（ｂ）は、それぞれ本発明の一実施形態の流路構造体の概略断面図である。
【図１７】ナノ流路を形成した石英ガラス基板の写真である。
【図１８】本発明の一実施形態の流路構造体の概略斜視図である。
【図１９】本発明の一実施形態の流路構造体に含まれる第１基板の概略斜視図である。
【図２０】図１９の破線で囲んだ範囲Ｂにおける第１基板の概略上面図である。
【図２１】本発明の一実施形態の流路構造体に含まれる第２基板の概略斜視図である。
【図２２】本発明の一実施形態の流路構造体に含まれるナノ流路の概略断面図である。
【図２３】本発明の一実施形態の流路構造体の概略断面図である。
【図２４】図２３の破線Ｃ−Ｃにおける流路構造体の概略断面図である。
【図２５】流動電流測定において製造した流路構造体の写真である。
【図２６】流動電流測定において製造した流路構造体に含まれるナノ流路の端部のＳＥＭ写真である。
【図２７】流動電流測定の測定結果を示すグラフである。
【図２８】（ａ）はナノウェルアレイ作製実験において撮影したＡＦＭ画像であり、（ｂ）は撮影したＳＥＭ画像である。
【図２９】流体制御実験において用いた温度応答性ポリマーの合成方法を示す図である。
【図３０】流体制御実験において測定した温度と透過率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の流路構造体は、第１基板と、第１基板に重ねて直接接合された第２基板と、第１基板と第２基板との間に設けられたナノ流路と、前記ナノ流路中に設けられた前記機能性材料部とを備え、第１および第２基板は、それぞれ無機材料からなり、前記ナノ流路は、第１基板に設けられた溝が第２基板に覆われる構造を有し、かつ、２０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下の幅を有することを特徴とする。
なお、前記ナノ流路は、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の幅を有することが好ましい。
【０００９】
本発明の流路構造体において、前記機能性材料部は、金属材料を含むことが好ましい。
このような構成によれば、様々な機能を有する機能性材料部を形成することが可能になる。
本発明の流路構造体において、第１および第２基板は、それぞれガラスからなることが好ましい。
このような構成によれば、流路構造体内部のナノ流路の内壁を化学的強度の強いガラスにすることができ、様々な種類の液体をナノ流路に流すことが可能になる。また、流路構造体の機械的強度を強くすることができ、ナノ流路に高圧をかけることが可能になる。さらに、ガラスは透光性を有するため、光を用いて機能性材料部を作製することや光を用いて機能性材料部を制御することやナノ流路内の状態を光学的手段により確認することなどが可能になる。
【００１０】
本発明の流路構造体において、前記ナノ流路は、液体を流す第１流路と、第１流路から分岐した第２流路とを含み、前記機能性材料部は、前記ナノ流路中に流す液体を塞き止める機能を有し、かつ、第２流路中に設けられ、第１および第２流路の分岐点と前記機能性材料部との間の第２流路の容積は、５×１０-20Ｌ以上１×１０-15Ｌ以下であることが好ましい。
このような構成によれば、ナノ流路中を液体で満たした後、第１および第２流路の分岐点と前記機能性材料部との間の第２流路中に液体を残した状態で第１流路中の液体を除去することができ、５×１０-20Ｌ以上１×１０-15Ｌ以下の定量体積を正確に量り取ることができる。このため、溶媒中に１分子の溶質が溶解した溶液を量り取ることが可能になる。
本発明の流路構造体において、前記機能性材料部は、金属膜と、前記金属膜の表面に形成された吸着分子層または自己組織化単分子膜とを含み、前記吸着分子層または前記自己組織化単分子膜は、親水性または疎水性を有することが好ましい。
ナノ流路に流す液体を水溶液とし吸着分子層または自己組織化単分子膜を疎水性とした場合、機能性材料部によりナノ流路に流す水溶液を塞き止めることができる。また、ナノ流路に流す液体を非水溶液とし吸着分子層または自己組織化単分子膜を親水性とした場合、機能性材料部によりナノ流路に流す水溶液を塞き止めることができる。
本発明の流路構造体において、前記吸着分子層または前記自己組織化単分子膜は、受光する光、温度あるいはナノ流路内の液体のｐＨまたはイオン強度により形状あるいは濡れ性が変化することが好ましい。
このような構成によれば、吸着分子層または自己組織化単分子膜の形状あるいは濡れ性を変化させることにより、ナノ流路の開閉が可能になり機能性材料部をバルブとして機能させることができる。
【００１１】
本発明の流路構造体において、機能性材料部は、第１基板上に設けられた第１及び第２ナノ電極を含み、第１及び第２ナノ電極は、ナノ流路中に電極間隔を置いて配置されたことが好ましい。
このような構成によれば、第１及び第２ナノ電極間の電位差の測定や第１及び第２ナノ電極間の電圧−電流特性の測定によりナノ流路中における液体や溶質の電気的特性又は電気化学的特性を調べることができる。
本発明の流路構造体において、第１基板上に設けられた第１及び第２接続部をさらに備え、第１ナノ電極は、第１接続部と電気的に接続し、第２ナノ電極は、第２接続部と電気的に接続することが好ましい。
このような構成によれば、第１及び第２接続部を介して、第１及び第２ナノ電極間の液体や溶質の電気的特性又は電気化学的特性を測定することができる。
【００１２】
本発明の流路構造体において、第１基板と第２基板との間に設けられた第１及び第２制御用流路をさらに備え、第１及び第２制御用流路は、それぞれ第２基板に設けられた溝が第１基板に覆われる構造を有し、第１制御用流路は、前記ナノ流路を介して第２制御用流路と連通することが好ましい。
このような構成によれば、第１及び第２制御用流路を介してナノ流路に流れる液体を制御することができる。
本発明の流路構造体において、前記ナノ流路は、底部に複数の凹部を有し、前記機能性材料部は、前記凹部の底に配置され、かつ、分子捕捉機能を有することが好ましい。
このような構成によれば、凹部内に検出分子を捕捉することができ、捕捉した検出分子がナノ流路中の液体の入れ替えなどにより拡散することを抑制することができる。この結果、ナノ流路内の微小空間に信号を局所化することができ、正確な検出を行うことができる。
【００１３】
また、本発明は、流路となる溝が設けられた第１基板の前記溝中に機能性材料部の一部または全部を形成する工程と、第１基板の表面と第２基板の表面とをプラズマ処理する工程と、プラズマ処理された第１基板の表面とプラズマ処理された第２基板の表面とを接触させることにより第１基板と第２基板とを直接接合し第１基板と第２基板との間に前記流路を形成する工程とを備え、第１および第２基板は、それぞれ無機材料からなる流路構造体の製造方法も提供する。
本発明の流路構造体の製造方法によれば、流路となる溝が設けられた第１基板の前記溝中に機能性材料部を形成する工程を備えるため、電子ビームを用いるリソグラフィ技術、蒸着やスパッタリングなどのＰＶＤ、ＣＶＤなどにより溝内に機能性材料部を形成することができる。また、この工程は、第１基板と第２基板とを接合する前であるため、様々な材料を機能性材料部に用いることができる。
【００１４】
本発明の流路構造体の製造方法によれば、第１基板の表面と第２基板の表面とをプラズマ処理する工程と、プラズマ処理された第１基板の表面とプラズマ処理された第２基板の表面とを接触させることにより第１基板と第２基板とを直接接合する工程とを備えるため、溝内に形成された機能性材料部を高温にさらすことなく第１基板と第２基板とを接合することができる。このため、機能性材料部が損傷したり変質したりすることを抑制することができ、微小流路内に耐熱性を有さない材料を含む機能性材料部を容易に配置することが可能になる。また、接合時に第１基板と第２基板が変形することを抑制することができるため、接合時に流路が塞がれることを抑制することができる。さらに、第１基板と第２基板とを接着剤を用いることなく接合することができるため、接着剤が流路に流入し流路を塞ぐことがない。
本発明の流路構造体の製造方法によれば、第１および第２基板は、それぞれ無機材料からなるため、流路の内壁が優れた耐食性および強度を有する流路構造体を製造することができる。また、製造した流路構造体では、流路に高圧をかけることも可能になる。
第１基板と第２基板とを直接接合する温度は、例えば、−２０℃以上２００℃以下とすることができ、−２０℃以上１００℃以下とすることが好ましく、−２０℃以上６０℃以下とすることがさらに好ましい。室温とすることが最も好ましい。
本発明の流路構造体の製造方法において、前記プラズマ処理する工程は、酸素ガスおよびフッ素含有ガスの混合ガス中に発生させたプラズマにより第１基板の表面と第２基板の表面とを処理する工程であることが好ましい。
このような構成によれば、第１基板と第２基板とを室温において接合することができる。
【００１５】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
【００１６】
流路構造体の構成および製造方法
図１は本実施形態の流路構造体の構成を示す概略斜視図である。また、図２は、本実施形態の流路構造体の製造方法の概略工程図である。
本実施形態の流路構造体１０は、第１基板１と、第１基板１に重ねて直接接合された第２基板２と、第１基板１と第２基板２との間に設けられたナノ流路７と、ナノ流路７中に設けられた機能性材料部５とを備え、第１基板１および第２基板２は、それぞれ無機材料からなり、ナノ流路７は、第１基板１に設けられた溝１４が第２基板２に覆われる構造を有し、かつ、２０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下の幅ｄ１を有することを特徴とする。
【００１７】
本実施形態の流路構造体１０の製造方法は、流路７となる溝１４が設けられた第１基板１の溝１４中に機能性材料部５の一部または全部を形成する工程と、第１基板１の表面と第２基板２の表面とをプラズマ処理する工程と、プラズマ処理された第１基板１の表面とプラズマ処理された第２基板２の表面とを接触させることにより第１基板１と第２基板２とを直接接合し第１基板１と第２基板２との間に流路７を形成する工程とを備え、第１および第２基板１、２は、それぞれ無機材料からなる。
以下、本実施形態の流路構造体１０および流路構造体１０の製造方法について説明する。
【００１８】
１．流路構造体
流路構造体１０は、微小な流路７（ナノ流路７又はマイクロ流路７’）が形成された構造体である。流路構造体１０は、液相一分子操作デバイス、アトリットルインジェクター、分子ナノパターン、マイクロリアクター、検出素子などとしての機能を有することができる。
【００１９】
２．第１基板、第２基板
第１基板１と第２基板２は、重ねて直接接合されている。このことにより、第１基板１と第２基板２との間に接着剤などが介在しないため、接着剤などにより流路７が塞がれることがない。なお、流路７は、溝１４が形成された第１基板１と第２基板２とを接合することにより形成される。また、第２基板２に溝１４’を設け、第１基板１の溝１４を設けた面と、第２基板２の溝１４’を設けた面とが接触するように第１基板１と第２基板２とを接合してもよい。
第１基板１および第２基板２は、それぞれ無機材料からなる。第１基板１または第２基板２には、例えば、ガラス基板（石英ガラス基板など）、半導体基板（シリコン基板など）、セラミックス基板などである。特に第１基板１および第２基板２にガラス基板を用いることが好ましい。このことにより、流路７の内壁を化学的強度の強いガラスにすることができ、様々な種類の液体を流路７に流すことが可能になる。また、流路構造体１０の機械的強度を強くすることができ、流路７に高圧をかけることが可能になる。さらに、ガラス基板は透光性を有するため、光を用いて機能性材料部５を作製することや光を用いて機能性材料部５を制御することや流路７内の状態を光学的手段により確認することなどが可能になる。
なお、第１基板１と第２基板２は、同種の材料からなることが好ましいが、異なる材料からなってもよい。
第１基板１および第２基板２の大きさや厚さは特に限定されないが、例えば、大きさが４０ｍｍ×３０ｍｍで、厚さが０．７０ｍｍの第１および第２基板１、２を用いることができる。
【００２０】
また、第１基板１と第２基板２は、第１基板１のプラズマ処理された表面と第２基板２のプラズマ処理された表面とを接触させることにより接合されていてもよい。このことにより、基板接合時に第１基板１または第２基板２が変形することにより流路７の内壁が変形したり流路７が詰まったりすることを抑制することができる。また、流路７中に設けた機能性材料部７が基板接合時に変質したり損傷したりすることを抑制することができる。
【００２１】
図３は、第１基板１または第２基板２にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置２３の概略断面図である。また、図４は、プラズマ処理した第１および第２基板１、２を接合する方法の概略工程図である。
第１基板１の表面または第２基板２の表面のプラズマ処理は、例えば、図３に示したようなプラズマ処理装置２３によりプラズマ処理することができる。プラズマ処理装置２３では、プラズマチャンバー１８内に第１基板１または第２基板２を設置し、プラズマチャンバー１８内を導入気体で満たした後電圧を印加することにより、第１基板１の表面または第２基板２の表面をプラズマ処理することができる。第１基板１および第２基板２は、同時にプラズマ処理してもよく、別々にプラズマ処理してもよい。また、プラズマチャンバー１８内に発生させるプラズマは、ＲＩＥプラズマとすることができる。
なお、プラズマ処理する際に、溝１４内に設けられた機能性材料部５をカバーで覆ってもよい。このことにより、プラズマ処理により機能性材料部５が損傷することを防止することができる。このカバーは、例えば、溝１４内において機能性材料部５を覆うレジストなどであってもよく、プラズマ処理する際に機能性材料部５を物理的に覆うカバーであってもよい。
溝１４内においてカバーが機能性材料部５を覆う場合、カバーは、第１基板１と第２基板２を接合した後、流路７に溶媒を流すことにより除去することができる。
【００２２】
プラズマ処理する工程は、例えば、酸素ガスおよびフッ素含有ガスの混合ガス中に発生させたプラズマにより第１基板１の表面と第２基板２の表面とを処理する工程とすることができる。このことにより、室温において第１基板１と第２基板２とを接合することが可能になる。フッ素含有ガスとしては、例えば、ＣＦ4ガスを用いることができる。また、酸素ガスとＣＦ4ガスの混合比は、１００：０．０５〜１００：０．２５とすることができる。このことにより第１基板１と第２基板２との接合強度を強くすることができる。また、プラズマチャンバー１８内の圧力は、例えば、５０Ｐａとすることができる。
【００２３】
プラズマ処理後、第１基板１と第２基板２は、例えば、図４のようにそれぞれのプラズマ処理した面を接触させることができる。この後、第１基板１と第２基板とを圧着させることにより第１基板１と第２基板２とを接合することができる。第１基板１と第２基板との圧着は、例えば、ローラー２５により２０ｋｇｆの力を加えることにより行うことができる。なお、図４では、第１、２基板１、２を２つのローラー２５により挟み込むことにより第１基板１と第２基板２とを圧着しているが、第１、２基板１、２を平板上に設置し、上方から第１、２基板１、２をローラーにより押圧することにより、第１基板１と第２基板２とを圧着してもよい。
また、第１基板と第２基板とを直接接合する温度は、例えば、−２０℃以上２００℃以下とすることができ、−２０℃以上１００℃以下とすることが好ましく、−２０℃以上６０℃以下とすることがさらに好ましい。室温とすることが最も好ましい。
【００２４】
３．流路
流路７、７’は、第１基板１と第２基板２との間に設けられる。流路は、ナノ流路７およびマイクロ流路７’を含んでもよい。このような流路７は、溝１４が設けられた第１基板１に第２基板２を重ねて接合することにより容易に形成することができる。また、溝１４を設けた第１基板１と溝１４’を設けた第２基板２とを重ねて接合することにより、ナノ流路７及びマイクロ流路７’を第１基板１と第２基板２との間に形成してもよい。なお、流路７、７’には液体や気体を流すことができる。
なお、流路７、７’に水溶液を流す場合、流路７、７’の内壁を構成する第１基板１および第２基板２は、親水性を有することができる。また、流路７、７’に非水溶液を流す場合、流路７、７’の内壁を構成する第１基板１および第２基板２は、疎水性を有することができる。
ナノ流路７は、２０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下の幅ｄ１を有する。このことにより、ナノ流路７に極微量の液体を流すことができ、ナノ流路７を液相一分子操作デバイス、アトリットルインジェクター、検出素子などの流路として利用することができる。また、ナノ流路７は、２０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下の深さを有することができる。このことにより、ナノ流路７に極微量の液体を流すことができる。なお、このナノ流路７の幅は、第１基板１に形成した溝１４の幅であり、ナノ流路７の深さは、溝１４の深さである。また、ナノ流路７は、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の幅ｄ１を有することが好ましい。
また、流路構造体１０は、５０００ｎｍ以上の幅のマイクロ流路（制御用流路）７’を有してもよい。また、この幅の広いマイクロ流路７’は、２０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下の幅ｄ１を有するナノ流路７と繋がっていてもよい。このことにより、幅の広いマイクロ流路７’を介して幅の狭いナノ流路７に液体を導入することができ、幅の狭いナノ流路７中の液体を容易に制御することができる。
【００２５】
図１８は、ナノ流路７中に第１ナノ電極４４及び第２ナノ電極４５を設けた流路構造体（検出素子）１０の概略斜視図である。図２２は、第１ナノ電極４４及び第２ナノ電極４５を設けたナノ流路７の概略断面図である。図１８、２２に示した流路構造体１０では、第１基板１の溝１４が第２基板２に覆われた構造を有するナノ流路７と、第２基板２の溝１４’が第１基板１に覆われた構造を有するマイクロ流路７’（制御用流路６０、６１）が設けられている。このような構成とすることにより、第１ナノ電極４４又は第２ナノ電極４５の外部接続配線と、制御用流路６０、６１とを分離することができ、第１及び第２ナノ電極４４、４５間の電位差、第１及び第２ナノ電極４４、４５間の電圧―電流特性などを正確に計測することができる。
【００２６】
図５（ａ）〜（ｃ）はそれぞれナノ流路７の断面形状を示すための流路構造体１０の一部の概略断面図である。図６（ａ）〜（ｅ）はそれぞれナノ流路７のパターンを示すための流路構造体の概略断面図である。
ナノ流路７の断面形状は特に限定されないが、例えば、図５（ａ）のように底面と側面とが実質的に垂直な形状であってもよく、図５（ｂ）のように両側面が傾斜した形状であってもよく、図５（ｃ）のように底面が曲面である形状であってもよい。それぞれ断面形状を有するナノ流路７は、第１基板１に溝１４を形成する際のエッチング方法を変えることにより形成することができる。
【００２７】
ナノ流路７のパターンは、流路構造体１０の用途や機能により様々である。ナノ流路７のパターンは、図６（ａ）のように複数のナノ流路７が平行に設けられたパターンであってもよく、図６（ｂ）のようにネットワーク構造を有するパターンであってもよく、図６（ｃ）（ｄ）のようにナノ流路７中にチャンバー２７を有するパターンであってもよく、図６（ｅ）のようにボトルネック部を有するパターンであってもよい。なお、チャンバー２７中に機能性材料部５が設けられてもよい。
また、ナノ流路７は、底部に複数の凹部（ナノウェル）６５を有してもよい。また、この凹部６５の底に機能性材料部５を設けることができる。
図２３は、本実施形態の流路構造体１０の概略断面図であり、図２４は、図２３の破線Ｃ−Ｃにおける流路構造体１０の概略断面図である。図２３、２４に示した流路構造体のように、ナノ流路７に複数の凹部６５を設け、凹部６５の底に機能性材料部５を設けることができる。
【００２８】
ナノ流路７は、第１基板１に溝１４を設け、その後、第１基板１と第２基板２とを接合することにより形成することができる。例えば、図２（ａ）のように基板１の表面上にレジスト１２を塗布した後、図２（ｂ）のように、電子ビームによりレジスト１２の一部を除去し、レジスト１２にパターンを形成する。このレジスト１２に形成したパターンが流路７のパターンとなるため、所望の流路７のパターンとなるようにレジスト１２にパターンを形成する。また、電子ビームを用いることにより、レジスト１２に５０００ｎｍ以下のパターンを形成することができ、５０００ｎｍ以下の幅を有するナノ流路７を形成することが可能になる。
この後、図２（ｃ）のように、パターンが形成されたレジスト１２をマスクとしてエッチングを行い第１基板１の一部を除去し溝１４を形成する。エッチングは、ウェットエッチングであってもよく、ドライエッチングであってもよい。この後、図２（ｄ）のように、レジスト１２を除去することにより、溝１４が設けられた第１基板１を得ることができる。この後、溝１４内に機能性材料部５の一部を設けた後、第１基板１と第２基板２とを接合することにより、流路７を形成することができる。
なお、ナノ流路７の底部に複数の凹部６５を形成する場合、第１基板１に溝１４を形成した後、溝１４の底部に複数の凹部を形成することができる。
【００２９】
４．機能性材料部および流路パターン
機能性材料部５は、ナノ流路７中に設けられる。このことにより、ナノ流路７を流れる液体の流れを制御したり、この液体に含まれる物質を分離したり化学反応させたり、ナノ流路７中の液体の電圧電流特性を計測したりすることができる。ナノ流路７の機能性材料部５が設けられた部分または機能性材料部５は、例えば、バルブとしての機能（流路中に流す液体を塞き止める機能）、触媒としての機能、流路中に流す液体に含まれる物質を分離する機能、電極としての機能などを有することができる。
また、機能性材料部５は、金属材料を含むことができる。このことにより、様々な機能を有する機能性材料部５を形成することが可能になる。例えば、機能性材料部５が金薄膜を有する場合、金薄膜の表面に吸着分子を吸着させることにより、流路中に吸着分子を固定することが可能になる。また、この吸着分子には所望の分子が結合されていてもよい。また、機能性材料部５が金属薄膜を有する場合、機能性材料部５を電極として機能させることが可能である。
さらに、機能性材料部５は、半導体材料、金属酸化物材料、フッ化物材料、複合化合物材料、セラミックス材料、カーボンナノチューブまたは絶縁体材料を含むことができる。また、機能性材料部５は、レジスト、ヒドロゲル、またはポリマーなどの有機物を含むことができる。このことにより、様々な機能を有する機能性材料部５を形成することが可能になる。
【００３０】
図７（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ機能性材料部５の形状を示すための流路構造体１０の概略断面図である。図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ機能性材料部５のアレイが形成された流路構造体１０の概略断面図である。また、図９（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ機能性材料部５の構造を示すための流路構造体１０の概略断面図である。図１０（ａ）〜（ｎ）は、それぞれ機能性材料部５が金属膜表面に所望の分子を固定した構造を有する場合の機能性材料部５の概略断面図である。
【００３１】
機能性材料部５の形状は、リソグラフィ技術、表面処理などにより形成することができれば特に限定されない。機能性材料部５の形状は、例えば、図７（ａ）のようにドット状であってもよく、図７（ｂ）のように線状であってもよく、図７（ｃ）のように帯状であってもよい。また、ナノ流路７に複数の機能性材料部５を設ける場合、複数の機能性材料部５は、例えば、図７（ｄ）（ｅ）のようにそれぞれ異なる形状を有していてもよく、図７（ｅ）のように異なる間隔で設けられてもよい。
【００３２】
また、複数の機能性材料部５をナノ流路７中に設け、機能性材料部５のアレイを形成してもよい。この場合、機能性材料部５は、分子捕捉機能を有することができる。例えば、機能性材料部５が吸着性分子３１を含むことにより機能性材料部５が分子捕捉機能を有することができる。機能性材料部５のアレイは、例えばDNA、タンパク質などの生体分子や、薬物分子などのスクリーニングためのアレイに利用することができる。例えば、分子捕捉機能を有する機能性材料部５をナノ流路７中に複数設け、ナノ流路７中に検出分子を含む液体を流すことにより、機能性材料部５により検出分子を捕捉することができる。この後、ナノ流路７中の液体を有機溶媒などに入れ替えた後、機能性材料部５により捕捉した分子の検出信号を測定することができる。
機能性材料部５のアレイは、例えば、図８（ａ）のように平行に設けられたナノ流路７内に等間隔で機能性材料部５を形成し機能性材料部５を格子点に並べてもよく、図８（ｂ）のように流路７の同一空間中に機能性材料部５を格子点に並べてもよい。
機能性材料部５のアレイを形成する場合、図２３、２４に示した流路構造体１０のように、各機能性材料部５を凹部６５の底に配置することができる。このことにより、凹部６５内に検出分子を捕捉することができ、捕捉した検出分子がナノ流路７中の液体の入れ替えなどにより拡散することを抑制することができる。この結果、ナノ流路７内の微小空間に信号を局所化することができ、正確な検出を行うことができる。
【００３３】
機能性材料部５は、例えば、図９（ａ）（ｄ）のように単層構造を有してもよく、図９（ｂ）（ｃ）（ｅ）のように積層構造を有してもよい。また、機能性材料部５が積層構造を有する場合、図９（ｂ）のように上層は下層の上面の全体の上に設けられていてもよく、図９（ｃ）のように上層は下層の上面の一部の上に設けられていてもよい。また、ナノ流路７内に複数の機能性材料部５を設ける場合、図９（ａ）（ｂ）（ｃ）のように同じ構造の機能性材料部５をナノ流路７内に設けてもよく、図９（ｄ）（ｅ）のように異なる構造の機能性材料部５をナノ流路７内に設けてもよい。なお、機能性材料部５が積層構造を有する場合、上層は、下層の上面上に吸着した吸着分子の層であってもよく、下層の上面上に形成された自己組織化単分子膜（Self-Asssembled Monolayer; SAM）であってもよい。
【００３４】
機能性材料部５は、金属膜上または金属酸化膜上に吸着分子層または自己組織化単分子膜が形成された構造を有してもよい。この場合、吸着分子層または自己組織化単分子膜は、流路内に配置したい所望の分子３２を含むことができる。所望の分子３２とは、機能性材料部５の表面を疎水性にしたい場合は、疎水性を有する分子であり、機能性材料部５の表面を親水性にしたい場合は、親水性を有する分子である。
図１０（ａ）〜（ｎ）は、それぞれ機能性材料部５の模式的な断面図である。これらの図では、金属膜３０の上面に吸着した、吸着分子層または自己組織化単分子膜を構成する吸着分子を示している。
吸着分子は、図１０（ａ）（ｂ）のように所望の分子３２が金属膜３０の上面に直接、物理吸着または化学吸着していてもよい。例えば、アルキル基を金属膜３０の上面に吸着させたい場合、所望の分子３２はアルカンチオールとすることができる。このことにより、アルカンチオールに含まれる硫黄原子と金属膜３０に含まれる金属原子とが化学結合することにより、アルカンチオールを金属膜３０の上面に化学吸着させることができる。
【００３５】
また、吸着分子は、図１０（ｃ）〜（ｆ）のように吸着性分子３１と所望の分子３２が結合した構造を有してもよい。吸着性分子３１は、金属膜３０の上面に物理吸着または化学吸着していてもよい。また、所望の分子３２は、吸着性分子３１に物理的相互作用または化学的相互作用により結合していてもよく、吸着性分子３１に生物的特異相互作用により結合してもよい。例えば、たんぱく質を金属膜３０の上面上に配置したい場合、吸着性分子３１には、末端官能基としてアミノ基を有するアルカンチオールを用いることができる。この場合、アルカンチオールに含まれる硫黄原子と金属膜３０に含まれる金属原子とを化学結合させ、アルカンチオールの末端官能基であるアミノ基とたんぱく質に含まれるカルボキシル基とを化学結合させることにより、たんぱく質を金属膜３０の上面上に配置することができる。
【００３６】
また、吸着分子は、図１０（ｇ）〜（ｎ）のように吸着性分子３１と第１の所望の分子３２および第２の所望の分子３２’が結合した構造を有してもよい。吸着性分子３１は、金属膜３０の上面に物理吸着または化学吸着していてもよい。また、第１の所望の分子３２は、吸着性分子３１に物理的相互作用または化学的相互作用により結合していてもよく、吸着性分子３１に生物的特異相互作用により結合してもよい。さらに第２の所望の分子３２’は、第１の所望の分子３２に物理的相互作用または化学的相互作用により結合していてもよく、吸着性分子３１に生物的特異相互作用により結合してもよい。
【００３７】
次に、機能性材料部５の形成方法について説明する。
機能性材料部５の一部または全部は、溝１４が設けられた第１基板１の溝１４中にリソグラフィ技術を用いて形成することができる。また、機能性材料部５の一部は、ナノ流路７を形成した後に、表面処理などにより形成されてもよい。
例えば、図２（ｅ）のように、基板１に溝１４を形成した後、第１基板１上にレジスト１２’を塗布する。
この後、図２（ｆ）のように、電子ビームによりレジスト１２’の一部を除去し、レジスト１２’にパターンを形成する。このレジスト１２’に形成したパターンが機能性材料部５のパターンとなるため、所望の機能性材料部５のパターンとなるようにレジスト１２’にパターンを形成する。また、電子ビームによりパターンを形成することにより、溝１４中にパターンを形成することが可能になる。
【００３８】
この後、図２（ｇ）のように、パターンを形成したレジスト１２’上に、蒸着やスパッタリングなどＰＶＤ法、ＣＶＤ法などにより薄膜１６を形成する。また、機能性材料部５を積層構造とする場合、この薄膜１６の上にさらに別の薄膜を形成することもできる。
この後、図２（ｈ）のように、レジスト１２’を除去することにより、溝１４中に機能性材料部５の一部または全部を形成することができる。また、ナノ流路７中に異なる機能性材料部５を設ける場合、再びレジストを塗布し電子ビームによりパターンを形成した後、パターンを形成したレジスト上に別の材料の薄膜を形成することができる。このような工程を繰り返すことにより、複数種類の薄膜を溝１４中に形成することができる。
その後、図２（ｉ）のように第１基板１と第２基板２とを接合することによりナノ流路７を形成する。
その後、図２（ｊ）のようにナノ流路７内に表面処理剤を流すことにより薄膜１６上に吸着分子層または自己組織化単分子膜を形成することができる。
これらの工程によりナノ流路７内に機能性材料部５を形成することができる。
【００３９】
次に、ナノ流路７の機能性材料部５が設けられた部分がバルブとして機能する場合について説明する。
機能性材料部５は、図１１のように金属膜５と金属膜５の上面上に設けられた自己組織化単分子膜（SAM）から構成される。SAMは、アルカンチオールの硫黄原子が金属膜５に含まれる金属原子に化学結合した吸着分子により構成される。アルカンチオールに含まれるアルキル基は疎水性を有するため、機能性材料部５の上面は疎水性を有している。
なお、SAMは、その表面が疎水性を有すれば、他の吸着分子により構成されてもよい。
【００４０】
ナノ流路７内は微小空間であるため、液相と気相との界面には大きな表面張力が生じる。このため、ナノ流路７に流す液体が水溶液でありナノ流路７の内壁が親水性の場合、界面において液相側から気相側へのラプラス圧が生じる。また、ナノ流路７に流す液体が水溶液でありナノ流路７の内壁が疎水性の場合、気相側から液相側へのラプラス圧が生じる。
ナノ流路７内の一部に機能性材料部５を設けその上面を疎水性とし、ナノ流路７に水溶液３５を流す場合、水溶液３５の圧力がナノ流路７の機能性材料部５を設けた部分を水溶液３５が通過するために必要な圧力よりも低いと、ナノ流路７を流れる水溶液３５はナノ流路７の機能性材料部５を設けた部分において塞き止められる（ラプラス圧＝水溶液の圧力）。
【００４１】
一方、水溶液３５の圧力がナノ流路７の機能性材料部５を設けた部分を水溶液３５が通過するために必要な圧力よりも高いと、ナノ流路７を流れる水溶液３５はナノ流路７の機能性材料部５を設けた部分を流れる（ラプラス圧＜水溶液の圧力）。
このため、ナノ流路７内の圧力を調整することにより、ナノ流路７の機能性材料部５を設けた部分を水溶液３５が流通するかしないかを制御することができる。このため、ナノ流路７の機能性材料部５が設けられた部分は、バルブとして機能を有することができる（以後、このバルブとして機能する部分を化学バルブという）。
なお、ナノ流路７に非水溶液を流通させる場合、ナノ流路７の内壁表面を疎水性とし、機能性材料部５の表面を親水性とすることにより、化学バルブを形成することができる。
【００４２】
次に、ナノ流路７に化学バルブを設けた流路構造体１０により、溶液の微量体積を正確に量り取ることができる機構について説明する。このような機構を有する流路構造体１０により、一分子イメージング、一分子同士間反応、一分子構造解析、一分子レベルクロマトグラフィなどを実現することが可能になる。
ここでは、流路構造体１０が微量溶液インジェクターとしての機能を有する場合を用いて説明する。図１２は、微量溶液インジェクターとしての機能を有する流路構造体１０の概略断面図であり、図１３は、図１２の点線で囲んだ範囲Ａの拡大図である。また、図１４（ａ）〜（ｃ）は、流路構造体１０により溶液の微量体積を正確に量り取る方法の説明図である。
図１２、１３に示した流路構造体１０では、Ａで示した近辺に２０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下の幅のナノ流路７が設けられ、その周辺部に１０μｍ〜８００μｍ程度の幅のマイクロ流路７’が設けられている。このナノ流路７及びマイクロ流路７’は、それぞれ第１基板１に設けられた溝１４、１４’が第２基板２により覆われる構造を有している。また、マイクロ流路７’は注入口／排出口４０に接続されている。この注入口／排出口４０は、第２基板２に設けられた貫通孔と第１基板１に設けられた溝１４’とが重なった構造を有している。この注入口／排出口４０から溶液や気体を注入することにより、マイクロ流路７’を介してナノ流路７に溶液または気体を導入することができる。
また、流路構造体１０では、横方向に並行に伸びるナノ流路７が３本設けられ、縦方向に伸びるナノ流路７が１本設けられている。また、縦方向のナノ流路７と３本の横方向のナノ流路７とは、それぞれ交差している。
なお、図１２〜１４に示した流路構造体１０では、横方向に並行に伸びるナノ流路７を３本設けているが、このナノ流路７の本数は特に限定されず、例えば、１、２、３、４、５、６、８、１０、１５、２０本とすることができる。この本数は、量り取りたい微量体積の所望の数により決めることができる。
【００４３】
また、図１２、１３に示した流路構造体１０では、ナノ流路７の交差点から２０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度離れたナノ流路７中に機能性材料部５を有する化学バルブが設けられている。この交差点と化学バルブとの間の距離は、量り取りたい微量体積を決める要素となる。
なお、図１７は、石英ガラス基板に交差する縦方向のナノ流路７と横方向のナノ流路７とを形成し、交差点から約２００ｎｍ離れた位置に金薄膜１６を形成した流路構造体の写真である。このようにナノ流路７中に金属膜を形成することにより化学バルブを設けることができる。
【００４４】
まず、注入口／排出口４０ｃ、４０ｄからマイクロ流路７’内に水溶液３５を注入する。このとき、ナノ流路７内の圧力は、注入した水溶液３５が機能性材料部５を有する化学バルブを通過できない圧力となるように調整する。マイクロ流路７’に注入された水溶液３５は、図１４（ａ）のように、横方向のナノ流路７に流入した後、縦方向のナノ流路７およびマイクロ流路７’を流れ注入口／排出口４０ａ、４０ｂ、４０ｇ、４０ｈから排出される。なお、ナノ流路７を流れる水溶液３５は、化学バルブにより塞き止められ注入口／排出口４０ｅ、４０ｆへとは流れない。
【００４５】
この後、注入口／排出口４０ａ、４０ｂ、４０ｇ、４０ｈから流路７、７’に気体を注入し、注入口／排出口４０ｃ、４０ｄから水溶液３５を排出する。なお、この際、ナノ流路７内の水溶液３５が化学バルブを通過できない圧力となるように注入気体の圧力を調整する。このような操作により、図１４（ｂ）のように、ナノ流路７の交差点と化学バルブとの間のナノ流路７内のみに水溶液３５を残し、他のナノ流路７内の水溶液３５を排出することができる。このように、ナノ流路７の交差点と化学バルブとの間のナノ流路７の体積と同じ体積の水溶液３５を量り取ることができる。
【００４６】
この後、注入口／排出口４０ａ、４０ｂ、４０ｇ、４０ｈから流路７、７’に気体を注入し、ナノ流路７内の圧力を水溶液３５が化学バルブを通過できる圧力に調整する。このことにより、ナノ流路７の交差点と化学バルブとの間に残った水溶液３５を化学バルブを通過させることができ、図１４（ｃ）のように量り取った微量体積の水溶液３５をナノ流路７中に射出することができる。
ナノ流路７中に射出した水溶液３５は、分析対象、観察対象などとすることができる。
【００４７】
このように流路構造体１０では、ナノ流路７の交差点と化学バルブとの間のナノ流路７の体積と同じ体積の水溶液３５を量り取ることができるため、ナノ流路７の幅ｄ１、ナノ流路７の深さｄ２、ナノ流路７の交差点と化学バルブとの間の距離ｄ３とを調整すること量り取る微量体積を変更することができる。
ナノ流路７の幅ｄ１は、例えば、２０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下とすることができ、ナノ流路７の深さｄ２は、例えば、２０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下とすることができ、ナノ流路７の交差点と化学バルブとの間の距離ｄ３は、例えば、２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることができる。また、流路構造体１０により量り取る微量体積は、たとえば、５×１０-20Ｌ以上１．０×１０-15Ｌ以下とすることができる。
【００４８】
このような微量体積を量り取ることができる流路構造体１０を用いると、たんぱく質などの化学物質の１分子のみ溶質として溶媒に溶解した溶液や１つ生体分子のみ含む単一細胞内容物溶液を得ることができる。細胞内容物としては、生体分子や細胞小器官などが挙げられる。この生体分子は無機物質であってもよく、有機物質であってもよい。具体的には、量り取る微量体積の溶液中に溶質の一分子が存在する濃度に、流路７に導入する溶液の濃度を調整し、この溶液を流路構造体１０により量り取ることにより、化学物質などの１分子のみ溶質として溶媒に溶解した溶液を得ることができる。
例えば、ｄ１を１００ｎｍ、ｄ２を１００ｎｍ、ｄ３を１００ｎｍとすると、１×１０-18Ｌ（１ａＬ）の微量体積を量り取ることができる。この場合、ナノ流路７に流す溶液の濃度を約２×１０-6Ｍ（２μＭ）とすることにより、溶質の一分子が存在する溶液の微量体積を量り取ることができる。
このような溶質一分子のみが存在する溶液では、溶質分子間の相互作用がないため、溶質一分子のみの様々な特性を調べることができる。
【００４９】
次に、流路７に化学バルブを設けた流路構造体１０により、溶液中の溶質一分子と他の溶液中の溶質一分子とを反応させることができる機構について説明する。
図１５（ａ）は、この機構を有する流路構造体１０の概略断面図である。この流路構造体１０では、縦方向に伸びるナノ流路７ａ、７ｂ、７ｃが３本平行に設けられ、この３本のナノ流路７とそれぞれ交差するナノ流路７ｄが１本設けられている。
この流路構造体１０では、ナノ流路７ａとナノ流路７ｄとの交差点からナノ流路７ｂ側に２０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度離れたナノ流路７ｄ中に機能性材料部５ａを有する化学バルブが設けられている。また、ナノ流路７ｃとナノ流路７ｄとの交差点からナノ流路７ｂ側に２０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度離れたナノ流路７ｄ中に機能性材料部５ｂを有する化学バルブが設けられている。また、ナノ流路７ｂとナノ流路７ｄとの交差点の上側に隣接したナノ流路７ｂ中に機能性材料部５ｄを有する化学バルブが設けられている。また、ナノ流路７ｂとナノ流路７ｄとの交差点から下側に４０ｎｍ〜４０００ｎｍ程度離れたナノ流路７ｂ中に機能性材料部５ｃを有する化学バルブが設けられている。
例えば、ナノ流路７の幅ｄ１を１００ｎｍとし、ナノ流路７の深さを１００ｎｍとし、ナノ流路７ａとナノ流路７ｄとの交差点と機能性材料部５ａとの間の距離を１００ｎｍ、ナノ流路７ｃとナノ流路７ｄとの交差点と機能性材料部５ｂとの間の距離を１００ｎｍ、ナノ流路７ｂとナノ流路７ｄとの交差点と機能性材料部５ｃとの間の距離を５００ｎｍとすることができる。
【００５０】
まず、図１５（ｂ）のようにナノ流路７ａに第１溶質を含む第１溶液３５を導入し、ナノ流路７ｃに第２溶質を含む第２溶液３５’を流路７ｃに導入する。第１溶液３５または第２溶液３５’は、量り取る溶液が溶質一分子を含むように濃度が調整されている。なお、第１溶液３５の溶媒と第２溶液３５’の溶媒とは同種の溶媒を用いる。
この後、図１５（ｃ）のようにナノ流路７ａ中の第１溶液３５およびナノ流路７ｃ中の第２溶液３５’を排出する。このことにより、ナノ流路７ａとナノ流路７ｄとの交差点と機能性材料部５ａを含む化学バルブとの間のナノ流路７ｄ中に第１溶質一分子を含む第１溶液３５を量り取ることができる。また、ナノ流路７ｃとナノ流路７ｄとの交差点と機能性材料部５ｂを含む化学バルブとの間のナノ流路７ｄ中に第２溶質一分子を含む第２溶液３５’を量り取ることができる。
【００５１】
この後、図１５（ｄ）〜（ｅ）のように、ナノ流路７ａ、７ｃの圧力を調整することにより、量り取った第１溶液３５と量り取った第２溶液３５’とを、ナノ流路７ｂとナノ流路７ｄの交差点と機能性材料部５ｃを有する化学バルブとの間のナノ流路７ｂ中に移動させ、第１溶液３５と第２溶液３５’とを合体させることができる。このことにより、溶液３５’’中において第１溶液３５に含まれる第１溶質一分子と第２溶液３５’に含まれる第２溶質一分子とを化学反応させることができ、一分子間の化学反応特性を調べることができる。
第１溶質一分子と第２溶質一分子としては、例えば、ストレプトアビジンにより標識した分子と、ビオチンにより標識した分子とが挙げられる。これらの分子を用いると、ストレプトアビジンとビオチンは強く結合するため、これらの分子の化学反応特性を調べることができる。
【００５２】
次に、機能性材料部５が、受光する光、温度あるいは流路内の液体のｐＨまたはイオン強度により開閉できるスマートバルブを構成する場合について説明する。
図１６（ａ）は、開状態におけるスマートバルブの概略断面図であり、図１６（ｂ）は、閉状態におけるスマートバルブの概略断面図である。
スマートバルブは、流路７と、流路７中に設けられた機能性材料部５とにより構成される。機能性材料部５は、金属膜と金属膜の上面上に形成された吸着分子層または自己組織化単分子膜から構成される。また、吸着分子層または自己組織化単分子膜は、受光する光、温度あるいは流路内の液体のｐＨまたはイオン強度により形状または濡れ性が変化する化学物質を有する。
【００５３】
形状が変化する化学物質としては、可逆的な体積相転移現象が生じる高分子ゲルが挙げられる。このような高分子ゲルを金属膜上に化学吸着させ、高分子ゲルを相転移させることにより、スマートバルブを開閉することができる。高分子ゲルを金属膜上に化学吸着させる方法としては、高分子ゲルを構成する高分子にチオール末端基を修飾し、チオール基に含まれる硫黄原子と金属膜の金属原子とを化学結合させる方法が挙げられる。
図１６（ａ）に示した機能性材料部５に含まれる高分子ゲルは、収縮した状態で金属膜に結合している。この場合、機能性材料部５の上部の流路７には、溶液が流通することができる空間があり、流路７を流れる溶液はスマートバルブを通過することができる。
図１６（ｂ）に示した機能性材料部５に含まれる高分子ゲルは、膨張した状態で金属膜に結合している。この場合、機能性材料部５の上部の流路７には、溶液が流通することができる空間はなく、流路７を流れる溶液は、スマートバルブを通過することはできない。
このように機能性材料部５が可逆的な体積相転移現象が生じる高分子ゲルを含むことにより、受光する光、温度あるいは流路内の液体のｐＨまたはイオン強度により開閉できるスマートバルブを形成することができる。
【００５４】
機能性材料部５に含まれる高分子ゲルには、ポリＮ−イソプロピルアクリルアミド（PNIPAAm）ゲルが挙げられる。PNIPAAmは、体積相転移現象を起こす温度感応性ゲルである。このため、機能性材料部５をPNIPAAmの下限臨界共溶温度（LCST）以下の温度とすることにより、PNIPAAmを膨張させることができ、スマートバルブを閉状態とすることができる。また、機能性材料部５をPNIPAAmのLCST以上の温度とすることにより、PNIPAAmを膨張させることができ、スマートバルブを開状態とすることができる。
【００５５】
このようなスマートバルブにより、アトリットルレベルの極微量の流体制御が可能になる。また、このようなスマートバルブは、アトリットル試料の精密制御が求められる単一細胞内容物の分析や単一分子を計測できるナノチャネル仕様の液体クロマトグラフィーの開発などに応用できる。
【００５６】
次に、図１８、図２２に示した流路構造体１０ように、ナノ流路７中に電極間隔ｄ４をおいて配置された第１ナノ電極４４および第２ナノ電極４５を含む電極対（機能性材料部５）を備えた流路構造体１０について説明する。
図１９は、図１８に示した流路構造体１０に含まれる第１基板１の概略斜視図であり、この第１基板１には、ナノ流路７となる溝１４と、配線用溝１４’’と、第１電極４１と、第２電極４２とを設けている。また、図２０は、図１９の破線で囲んだ範囲Ｂにおける第１基板１の概略上面図である。
第１電極４１は、溝１４中に設けられた第１ナノ電極４４と、第１配線用溝１４’’中に設けられた第１配線部５０及び第１接続部４７とを含んでいる。また、第１ナノ電極４４と第１接続部４７は、第１配線部５０を介して電気的に接続している。
第２電極４２は、溝１４中に設けられた第２ナノ電極４５と、第２配線用溝１４’’中に設けられた第２配線部５１及び第２接続部４８とを含んでいる。また、第２ナノ電極４５と第２接続部４８は、第２配線部５１を介して電気的に接続している。
第１配線用溝１４’’と第２配線用溝１４’’は、溝１４を介して繋がっており、第１ナノ電極４４と第２ナノ電極４５は、溝１４中において電極間隔ｄ４を置いて配置されている。
このような構成により、第１ナノ電極４４と第２ナノ電極４５間のナノ流路７中の液体の電気的特性又は電気化学的特性を第１接続部４７と第２接続部４８を介して測定することができる。なお、電極間隔ｄ４は、測定対象や測定する電気的特性などに応じて変更することができる。
【００５７】
図２１は、図１８に示した流路構造体１０に含まれる第２基板２の概略斜視図であり、この第２基板２には、マイクロ流路７’（制御用流路６０、６１）となる溝１４’と、注入口／排出口４０と、接続部用孔５７を設けている。注入口／排出口４０は、溝１４’に繋がっている。
図１８に示した流路構造体１０は、図１９、２０に示した第１基板１の溝１４、１４’’を設けた面と、図２１に示した第２基板２の溝１４’を設けた面とを接合することにより製造することができる。このとき、第１接続部４７と接続部用孔５７Ａとが重なり、第２接続部４８と接続部用孔５７Ｂとが重なるように第１、２基板は接合される。また、第１基板１の溝１４が第２基板２で覆われることにより図２２に示したようなナノ流路７が形成され、第２基板２の溝１４’が第１基板１で覆われることによりマイクロ流路７’（制御用流路６０、６１）が形成される。また、第１基板１の溝１４又は溝１４’’の一部と第２基板２の溝１４’の一部とが重なるように第１、２基板は接合される。このことにより、第１制御用流路６０と第２制御用流路６１とがナノ流路７を介して連通することができる。
このような構成とすると、注入口／排出口４０、第１制御用流路６０及び第２制御用流路６１を介してナノ流路７に流れる流体を制御することができる。また、ナノ流路７に流れる流体を制御しながら、第１ナノ電極４４と第２ナノ電極４５により、ナノ流路７中の液体又は溶質の電気的特性又は電気化学的特性を測定することができる。また、注入口／排出口４０と、測定用の接続部用孔５７を別々に設けることにより、測定手順を簡素化することができる。また、接続部４７、４８に液体が存在しない状態で測定することができるため、接続部４７、４８における接触抵抗が増加することを抑制することができる。また、ナノ流路７中に電極対を配置することができるため、ナノ流路７中の液体又は溶質の電気的特性又は電気化学的特性を正確に測定することができる。
【００５８】
ナノ流路における流動電流測定
図１８に示したような流路構造体１０を製造し、超純水をナノ流路７に流しながら流動電流を計測した。流動電流は、毛細管に液体を流した際に毛細管の両端の電極間の電位差により流れる電流である。
第１基板１、第２基板２には、石英ガラス基板を用いた。
まず、第１基板１をエッチングなどにより加工することにより溝１４、１４’’を形成し、蒸着などにより溝１４、１４’’中に第１電極４１および第２電極４２を形成した。ナノ流路７となる溝１４の長さＤは、６００μｍとし、溝１４の幅は８００ｎｍとし、溝１４の深さは３００ｎｍとした。第１ナノ電極４４と第２ナノ電極４５は、長さ（ナノ流路７内の長さ）５０μｍ、幅６００ｎｍ、厚さ８０ｎｍの金電極とし、電極間距離ｄ４は、５００μｍとした。また、第２基板２をエッチングなどにより加工することにより溝１４’、注入口／排出口４０、接続部用孔５１を形成した。溝１４’の幅は５００μｍとし、溝１４’の深さは３μｍとした。
【００５９】
次に、第１基板１の溝１４などを設けた面と第２基板２の溝１４’を設けた面にプラズマ処理を施し、第１基板１と第２基板２とを接合することにより流路構造体１０を製造した。
図２５は、製造した流路構造体１０の写真であり、図２６は、製造した流路構造体１０に含まれるナノ流路７の端部のＳＥＭ写真である。
製造した流路構造体１０の第１接続部４７及び第２接続部４８に計測装置を接続し、第１制御用流路６０と第２制御用流路６１との超純水の圧力差ΔＰを調整することによりナノ流路７に流れる超純水の流速を制御しながら第１ナノ電極４４と第２ナノ電極４５との間に流れる流動電流Ｉstrを測定した。なお、接続部４７、４８に超純水が流入することを抑制するために、接続部用孔５７を密閉した状態で測定を行った。また、圧力差は、第２制御用流路６１を大気開放にし、第１制御用流路６０の圧力を調整することにより制御した。
【００６０】
測定中において、第１制御用流路６０と第２制御用流路６１との超純水の圧力差ΔＰは、(i)まず３５０ｋＰａとし徐々に圧力差を小さくしていき０ｋＰａまで低下させ、(ii)０ｋＰａから圧力差を徐々に圧力差を大きくしていき３５０ｋＰａまで上昇させ、(iii)３５０ｋＰａから徐々に圧力差を小さくしいき０ｋＰａまで低下させた。
流動電流測定の結果を図２７に示す。流動電流測定では、圧力差ΔＰを徐々に小さくすると、流動電流が徐々に小さくなることが測定され、圧力差ΔＰを徐々に大きくすると流動電流徐々に大きくなることが測定された。このことから、製造した流路構造体１０は、ナノ流路７における流速変化を正確に測定できることがわかった。従って、製造した流路構造体１０によれば、ナノ流路７中の液体の電気的特性を正確に測定できると考えられる。
【００６１】
ナノウェルアレイ作製実験
エッチング加工などにより石英ガラス基板に幅８００ｎｍ、深さ３００ｎｍの溝１４を形成し、さらに溝１４の底部に７００ｎｍ×７００ｎｍのサイズで深さ２００ｎｍのナノウェル６５（凹部）を複数形成した。形成した溝１４及びナノウェル６５を原子間力顕微鏡を用いて観察した。撮影したＡＦＭ画像を図２８（ａ）に示す。このＡＦＭ画像により溝１４の底部にナノウェル６５が形成できたことが確認された。
次に、溝１４及びナノウェル６５を形成した石英ガラス基板のナノウェル６５の底に６００ｎｍ×６００ｎｍの金薄膜を蒸着などにより形成した。この金薄膜をＦＥ−ＳＥＭを用いて観察した。撮影したＳＥＭ画像を図２８（ｂ）に示す。このＳＥＭ画像からナノウェル６５の底に金薄膜が形成できたことが確認された。
これらの結果から、ナノウェル６５の底に捕捉機能を有する機能性材料部５を配置したアレイを作製できることがわかった。このようなアレイでは、ナノ流路７内の微小空間に信号を局所化することができ、正確な検出を行うことができる。
【００６２】
自己組織化分子膜を用いた流体制御実験
第１石英ガラス基板に幅８００ｎｍ、深さ３００ｎｍの溝１４を形成し、溝１４中に７００ｎｍ×７００ｎｍの金薄膜を形成した。その後、第１石英ガラス基板および第２石英ガラス基板にプラズマ処理を施し、第２石英ガラス基板が溝１４を覆いナノ流路７が形成されるように第１および第２石英ガラス基板を接合させた。その後、形成されたナノ流路７を用いて金薄膜の表面上に温度応答性ポリマーを化学吸着させ、温度応答性のバルブ機能を有する機能性材料部５を備えた流路構造体１０を作製した。温度応答性ポリマーには、図２９に示したように合成したPNIPAAm-SHを用いた。PNIPAAm-SHは、金薄膜に化学吸着すると自己組織化分子膜を形成する。また、この自己組織化分子膜は、温度によりその形状が変化する。
作製した流路構造体１０を用いて、流体制御実験を行った。流体制御実験では、ナノ流路７の一方の側から圧力をかけた超純水を供給し、機能性材料部５を設けたナノ流路７における超純水の透過率を測定した。また、流路構造体１０の温度を１５℃から４５℃まで３時間、６時間、９時間で変化させながら測定した。流路制御実験の測定結果を図３０に示す。１５℃〜３０℃では透過率が実質的に１００％であったが、３０℃を超えると、透過率は実質的に０％になった。これは温度応答性ポリマーの形状が温度により変化したためと考えられる。従って、温度応答性のバルブ機能を有する機能性材料部５をナノ流路７中に形成できたことが確認された。
【符号の説明】
【００６３】
１： 第１基板    ２：第２基板    ５：機能性材料部    ７：ナノ流路（流路）    ７’：マイクロ流路（流路）    １０：流路構造体    １２：レジスト    １４：ナノ流路となる溝    １４’マイクロ流路（制御用流路）となる溝    １４’’：配線用溝    １６：薄膜    １８：プラズマチャンバー    １９：試料台（電極）    ２０：筐体    ２１：イオントラッピングプレート    ２２：ガラス板    ２３：プラズマ処理装置    ２５：ローラー    ２７：チャンバー    ３０：金属膜    ３１：吸着性分子    ３２：所望の分子    ３５：溶液    ３６：気体    ４０、４０ａ〜４０ｈ、４０Ａ〜４０Ｄ：注入口／排出口    ４１：第１電極    ４２：第２電極    ４４：第１ナノ電極    ４５：第２ナノ電極    ４７：第１接続部    ４８：第２接続部    ５０：第１配線部    ５１：第２配線部    ５７、５７Ａ、５７Ｂ：接続部用孔    ６０：第１制御用流路    ６１：第２制御用流路    ６５：凹部（ナノウェル）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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