(57)【要約】【課題】  微粒子検出のためのマイクロ流路を低コストで実現する。【解決手段】  検体液中の微粒子を検出するための半導体マイクロ分析チップであって、半導体基板１０と、半導体基板１０に設けられ、端部に検体液導入領域２２及び検体液排出領域２１を有する流路２０と、流路２０の検体液排出領域２１の少なくとも一部に設けられた第１の吸収材３１と、を具備している。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検体液中の微粒子を検出するための半導体マイクロ分析チップであって、
半導体基板と、
前記半導体基板に設けられ、端部に検体液導入領域及び検体液排出領域を有し、キャップ層で覆われた流路と、
前記検体液導入領域及び前記検体液排出領域にそれぞれ設けられ、前記半導体基板若しくは該半導体基板の酸化物又はこれらの複合体で形成された柱状構造体群からなるピラーアレイと、
前記流路の前記検体液排出領域上の少なくとも一部に、前記検体液排出領域のピラーアレイと前記検体液の授受が可能な距離以下に近接又は接触して設けられ、前記検体液を吸収する第１の吸収材と、
前記流路の前記検体液導入領域上の少なくとも一部に、前記検体液導入領域のピラーアレイと前記検体液の授受が可能な距離以下に近接又は接触して設けられ、前記検体液を吸収する第２の吸収材と、
を具備したことを特徴とする半導体マイクロ分析チップ。
【請求項２】
検体液中の微粒子を検出するための半導体マイクロ分析チップであって、
半導体基板と、
前記半導体基板に設けられ、端部に検体液導入領域及び検体液排出領域を有する流路と、
前記流路の前記検体液排出領域の少なくとも一部に設けられ前記検体液を吸収する第１の吸収材と、
を具備したことを特徴とする半導体マイクロ分析チップ。
【請求項３】
前記検体液導入領域の少なくとも一部に設けられ前記検体液を吸収する第２の吸収材を更に有することを特徴とする、請求項２記載の半導体マイクロ分析チップ。
【請求項４】
前記検体液導入領域及び前記検体液排出領域にそれぞれ柱状構造体群からなるピラーアレイが配置され、それぞれ前記検体液排出領域のピラーアレイと前記第１の吸収材、前記検体液導入領域のピラーアレイと前記第２の吸収材が前記検体液の授受が可能な距離以下に近接又は接触していることを特徴とする請求項３記載の半導体マイクロ分析チップ。
【請求項５】
前記ピラーアレイは、前記半導体基板若しくは該半導体基板の酸化物又はこれらの複合体で形成されていることを特徴とする、請求項４記載の半導体マイクロ分析チップ。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかに記載の半導体マイクロ分析チップを用い、前記流路を流動する検体液を、前記第１の吸収材で吸い取ることを特徴とする検体流動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、微粒子検体を高感度に検出可能な半導体マイクロ分析チップ及びその検体流動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオ技術やヘルスケア分野においてマイクロ流路や検出機構などの微小な流体要素を集積したマイクロ分析チップが注目されている。この種の分析チップは、主にガラス基板上に形成され、多くの場合、流路をカバーガラス等の貼り合せでシールしている。また、各種検出にはレーザ光散乱検出や蛍光検出などを利用しているものが多い。
【０００３】
しかしながら、ガラス基板では微細な構造体の形成が難しく、流路の蓋も基板の貼り合わせで形成しており、大量生産が難しいためコストの低減が難しいという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２１６２０６号公報
【特許文献２】特開２００５−２３０６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、ウィルスや細菌等の検出を高感度に行うことができ、非常に小型且つ大量生産が可能で低コスト化が容易な半導体マイクロ分析チップ及び検体流動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態は、検体液中のウィルスや細菌等を微粒子として検出する半導体マイクロ分析チップであり、半導体基板に設けられ、端部に検体液導入領域及び検体液排出領域を有する流路と、流路の検体液排出領域の少なくとも一部に設けられた吸収材を備えてなる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係わる半導体マイクロ分析チップの概略構成を示す平面図と断面図。
【図２】図１の分析チップに用いる粒子検出部の一例を示す模式図。
【図３】第２の実施形態に係わる半導体マイクロ分析チップの概略構成を示す平面図と断面図。
【図４】図３の分析チップに用いたピラーアレイの製造工程を示す断面図。
【図５】吸収材の置き方の例を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照しながら実施形態について説明する。ここでは、幾つか具体的材料や構成を例に用いて説明するが、同様な機能を持つ材料や構成であれば、実施可能である。従って、以下の実施形態に限定されるものではない。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態にかかる半導体マイクロ分析チップの概略構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ−Ａ’断面図である。
【００１０】
図１ではＳｉ基板（半導体基板）１０の表面に直線状の溝からなる流路２０を形成している。流路２０は、Ｓｉ基板１０の表面を直線状にエッチングして形成したものであり、その上面をキャップ層２５により塞いでキャップ付き流路としている。また、流路２０の両端は幅を広く形成して液体の導入、排出のための開口部としている。即ち、流路２０の一方の端部に検体液排出領域２１、他方の端部に検体液導入領域２２を設けている。
【００１１】
なお、検体液導入領域２２は検体液排出領域２１に比べて大きな面積となるように形成している。また、流路２０及び検体液排出領域２１及び検体液導入領域２２の壁面及び底面はＳｉそのものであっても良いし、Ｓｉを酸化したＳｉＯ2 としても良い。また、キャップ付き流路２０は、以下の様な方法で作製できる。即ち、エッチングにより溝を形成したＳｉ基板１０に有機塗布膜等の犠牲層を形成し、エッチバックやＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）技術を用いて犠牲層を平坦化しつつ膜厚を減らしていくことで溝内のみに犠牲層を埋め込み形成する。その上にキャップ層２５となる酸化膜等を形成する。次いで、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて検体液導入領域２２上及び検体液排出領域２１上のキャップ層２５を除去し、最後に酸素プラズマアッシング等により犠牲層を除去することによりキャップ付き流路２０が得られる。
【００１２】
また、検体液排出領域２１上には、検体液を吸収可能な吸収材３０を設置している。吸収材３０としては、例えば濾紙や不織布などの繊維集合体を用いることができる。この吸収材３０は、検体液排出領域２１の全体を覆うように設置しても良いし、一部を覆うように設置しても良い。
【００１３】
このような構成において、検体液導入領域２２に検出する微粒子を含む検体液を滴下すると、キャップ付流路２０内へと検体液が毛細管現象により導入され、流路２０を通って検体液排出領域２１に至る。キャップ付流路２０を流動してきた検体液は、検体液排出領域２１上に設けられた吸収材３０に吸い取られる。検体液排出領域２１内の検体液がひとたび吸収材３０に吸収され始めると、続いて流動してくる検体液が次々と吸収材３０に吸収されていくため、流路２０中の検体液流動が連続的に行われる。即ち、吸収材３０で検体液を吸い取ることで流路２０中の検体液を電気泳動や外部ポンプを用いずに流動させることができ、検体液に含まれる微粒子も検体液の流動で移動させることが可能となる。
【００１４】
なお、流路２０を流れる検体液中の微粒子を検出する方法は特に限定されないが、例えばレーザ光照射による散乱光の観察やナノホールを利用したイオン電流変化の観測などの方法を用いることができる。レーザ光照射による方法は、図２（ａ）に示すように、流路２０内を流れる微粒子４０にレーザ光源４１からのレーザ光を照射し、微粒子４０からの散乱光を検出器４２で検出することにより微粒子４０を検出する。また、ナノホールを利用する方法では、図２（ｂ）に示すように、流路２０内にナノホール（微細孔）４５を形成しておき、ナノホール４５の上流側と下流側にそれぞれ電極を挿入して電圧印加する。検体液としては電解質溶液などの通電可能な液体を用い、流路２０を流れるイオン電流を観測する。ナノホール４５を微粒子４０が通過する際、微粒子の径に応じてイオン電流が変化するので、これを測定して微粒子４０の径を測定することができる。
【００１５】
このように本実施形態によれば、キャップ付き流路２０の検体液排出領域２１に接するように吸収材３０を設置しているため、吸収材３０で検体液を吸い取り、これにより流路２０中の検体液を流動することができる。このため、電気泳動などを用いずに検体液中の微粒子を流動させることが可能である。しかも、Ｓｉ基板１０の表面部にエッチングによる溝を形成し、吸収材３０を設置するのみの簡易な構成で実現することができ、微粒子検出に供される構造体を低コストで実現することができる。
【００１６】
（第２の実施形態）
図３（ａ）は本発明の第２の実施形態にかかる半導体マイクロ分析チップの概略構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）の矢視Ｂ−Ｂ’断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００１７】
本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、流路２０の検体液排出領域２１と検体液導入領域２２の両方に吸収材を設けると共に、流路２０の検体液排出領域２１と検体液導入領域２２にそれぞれ柱状構造体（ピラー）を設けたことにある。ここでは、キャップ付流路２０の一方の端部である検体液排出領域２１に柱状構造体群からなるピラーアレイ（ナノピラー）５１を設け、他方の端部である検体液導入領域２２にピラーアレイ５２を設けている。ピラーアレイ５１，５２は、ピラーを所定の配列間隔で敷き詰めたものであり、Ｓｉ基板１０のエッチングにより形成されている。即ち、流路２０、検体液排出領域２１及び検体液導入領域２２をＳｉ基板１０のエッチングにより形成する際に、これらのエッチングマスクと共にピラーアレイ５１，５２用のエッチングマスクを同時形成しておき、Ｓｉ基板１０をエッチングすることによりピラーアレイ５１，５２が形成される。
【００１８】
ここで、ピラーアレイ５１，５２はＳｉで形成しても良いし、Ｓｉ表面を酸化したものでも良いし、全体をＳｉＯ2 で形成しても良い。また、検体液排出領域２１及び検体液導入領域２２のみのではなく、流路２０内にもピラーアレイを配置しても良い。
【００１９】
ピラーアレイ５１の製造方法の一例を、図４を参照して説明する。図４は、図３（ａ）の矢視Ｃ−Ｃ’断面に相当し、検体液排出領域２１の部分を示しているが、検体液導入領域２２の部分も同様である。
【００２０】
まず、図４（ａ）に示すように、Ｓｉ基板（半導体基板）１０上にピラーアレイ形成のためのエッチングマスク１１を形成する。このエッチングマスク１１は、例えばＳｉ基板１０上にＳｉＯ2 膜を形成し、その上にピラーアレイのパターンのレジストパターンを形成してレジストをマスクにＳｉＯ2 膜をエッチングすることにより得られる。
【００２１】
次いで、図４（ｂ）に示すように、流路及び各領域形成のためのエッチングマスク１２を形成する。このエッチングマスク１２もエッチングマスク１１と同様に、レジストパターン形成及びエッチングにより得られ、図４（ａ）のピラーアレイ形成のためのエッチングマスク１１と同時に形成することでもよい。
【００２２】
次いで、図４（ｃ）に示すように、エッチングマスク１１、１２を用いてＳｉ基板１０をエッチングすることにより、流路２０の検体液排出領域２１及びピラーアレイ５１を形成できる。
【００２３】
次いで、エッチングマスク１１、１２を除去した後、図４（ｄ）に示すように、ピラーアレイ５１が全て酸化されるように酸化処理を施す。これによりピラーアレイ５１はＳｉＯ2 となり、更にＳｉ基板１０の露出表面部も酸化膜６０で被覆された構造となる。
【００２４】
また、本実施形態では図３に示すように検体液排出領域２１のピラーアレイ５１に接触するように第１の吸収材３１を配置している。さらに、検体液導入領域２２のピラーアレイ５２に接触するように第２の吸収材３２を配置している。
【００２５】
ここで、検体液排出領域２１中のピラーアレイ５１を酸化するに際しては、次の点を考慮する必要がある。
【００２６】
ＳｉとＳｉＯ2 の体積は１ｍｏｌ当たりそれぞれ１２．０６ｃｍ3，２７．２０ｃｍ3 であることが知られており、Ｓｉを熱酸化してＳｉＯ2 を形成した場合、体積は２．２６倍に膨張する。つまり、ピラー表面を熱酸化すると、ピラー径／間隔がＳｉ基板をエッチングして形成した後の状態から変わってしまう。また、複数本あるＳｉピラーのそれぞれ酸化速度がばらついた場合、ピラーの径及び間隔がばらついてしまう。
【００２７】
一方、ピラーが完全にＳｉＯ2 になるまで熱酸化を施せば、ある一定以上にピラーが太ることはない。上記のように、ＳｉとＳｉＯ2 の体積比は既知のため、Ｓｉピラーが完全にＳｉＯ2 になった時のサイズ変換量を見積もっておくことにより、本実施形態の上記製造方法において、Ｓｉ基板表面を十分に酸化させ、ピラーを完全に酸化させることで、ピラー径／間隔の制御が容易になる。
【００２８】
このような構成において、吸収材３２上に検体液を滴下する。吸収材３２からしみだす検体液は、検体液導入領域２２の濡れ性の良い部分を伝って流路２０に入っていく。ピラーアレイ５２がない場合は吸収材３２の検体液が流路２０と吸収材３２の空隙に阻まれて流路に入らないことが多いが、ピラーアレイ５２があり吸収材３２に接触している場合はピラーアレイのピラー間隙での表面張力作用により検体液が吸い込まれていく。従って、ピラーアレイ５２を介して吸収材３２から検体液導入領域２２、キャップ付流路２０内へとスムーズに検体液が導入される。また、キャップ付流路２０を流動してきた検体液は、検体液排出領域２１側のピラーアレイ５１を介して吸収材３１に吸い取られていく。吸収材３１で検体液を吸い取ることで流路２０中の検体液もそれに引かれて流れやすくなり、電気泳動を用いずに流路中の検体液及び微粒子を流動させることが可能となる。
【００２９】
また、検体液導入側に吸収材３２を用いることで半導体マイクロ分析チップのサイズを増大することなく十分な量の検体液を流路２０に供給することが可能となる。一般に、マイクロ分析チップへの検体液注入はマイクロピペッターなどを使用して行うが、その滴下量は１０〜１００００マイクロリットル程度であり、この量の検体液を受容するには、例えば深さ１００μｍで１００ｍｍ2 程の面積が必要になる。この受容領域を半導体マイクロ分析チップに集積すると、分析チップとしての機能部分を集積するサイズより遙かに大きなチップサイズが必要となり、莫大なコスト増加を生じてしまう。また、検体液中の微粒子の濃度は一般に低く、数多くの微粒子を検出する場合、多量の検体液を注入する必要があり、これを可能にする検体液の受容領域は巨大なものとなる。本実施形態の半導体マイクロ分析チップでは、非常に大きな検体液受容部を集積する代わりに分析チップの外部に十分大きな吸収材３２を設け、検体液を吸収剤３２に滴下して第１の流路３１に注入する。また、排出開口２１から排出された検体液は吸収材３１で吸収することができ、これにより分析チップに収容される検体液量よりも多くの検体液を注入、排出することが可能になる。
【００３０】
このように、本実施形態では非常に小さな分析チップでも多量の検体液を扱うことが可能となり、半導体マイクロ分析チップとしての機能部分を最小限の面積に集積することで大幅な低コスト化が図れる。
【００３１】
なお、吸収材３１の配置方法としては、例えば図５（ａ）に示すように、検体液排出領域２１の全体を覆うように配置しても良いし、図５（ｂ）に示すように、検体液排出領域２１の一部を覆うように配置して良い。また、図５（ｃ）に示すように、複数の流路の検体液排出領域２１ａ，２１ｂを同時に覆うようにしても良い。さらに、図５（ｄ）に示すように、複数の流路の検体液排出領域２１ａ，２１ｂを別々の吸収材３１ａ，３１ｂで覆うようにしても良い。また、検体液導入領域２２側の吸収材３２も上記と同じような配置が可能である。
【００３２】
このように本実施形態によれば、検体液排出領域２１を覆うように吸収材３１を配設すると共に、検体液導入領域２２を覆うように吸収材３２を配設することにより、第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、次のような効果も得られる。
【００３３】
即ち、検体液排出領域２１側の吸収材３１のみではなく、検体液導入領域２２側にも吸収材５２を設けることにより、半導体マイクロ分析チップのサイズを増大することなく十分な量の検体液を流路２０に供給することが可能となる。即ち、半導体マイクロ分析チップの更なる小型化が可能となる。
【００３４】
また、ピラーアレイ５１を設けることにより、検体液排出領域２１から吸収材３１への検体液の伝わりを良くし、ピラーアレイ５２を設けることにより、吸収材３２から検体液導入領域２２への検体液の伝わりを良くすることができる。即ち、検体液排出領域２１及び検体液導入領域２２にピラーを所定の配列間隔で敷き詰めることで、流路２０と吸収材３１，３２の接続性を向上させることが可能となる。
【００３５】
さらに、ピラーアレイ５１，５２を設けることにより、吸収材３１，３２の下面をピラーアレイ５１，５２で支えることができるため、構造的にも有利となる利点もある。
【００３６】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。
【００３７】
実施形態では、半導体基板としてＳｉ基板を用いたが、必ずしもＳｉに限らず、通常の半導体製造プロセスで溝及びピラーの加工が可能であれば他の半導体を用いることも可能である。
【００３８】
また、粒子の検出機構は、前記図２に示した構造に何ら限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。さらに、吸収材の材料は検体液を良好に吸収できるものであれば良く、仕様に応じて適宜変更可能である。
【００３９】
また、実施形態では流路を覆うようにキャップ層を設けているが、必ずしもキャップ層は必要なく、オープン型のナノピラー敷き詰め流路に適用することも可能である。さらに、吸収体の設置位置は検体排出部上に限られるものではなく、例えば検体液排出部が端面方向で横に吸収体を押し付けるタイプに適用することも可能である。
【００４０】
本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４１】
１０…Ｓｉ基板（半導体基板）
１１，１２…マスク
２０…流路
２１…検体液排出領域
２２…検体液導入領域
２５…キャップ層
３０…吸収材
３１…第１の吸収材
３２…第２の吸収材
４０…微粒子
４１…レーザ光源
４２…検出器
４５…ナノホール
５１，５２…ピラーアレイ
６０…シリコン酸化膜
【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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