(57)【要約】  本発明は、バイオセンサーの分野で利用され得るプラットフォームに関する。本発明によれば、バイオセンシング用途に使用するプラットフォームを製造する方法であって、（ａ）上面に電極（１２）を有する基板（１０）を提供すること、（ｂ）前駆体溶液で電極（１２）をオーバープリントすることによりオーバープリントステップを実施すること、（ｃ）前駆体溶液を乾燥させて電極（１２）上にプリント層（１４）を形成するための乾燥ステップを実施すること、（ｄ）プリント層の厚さを増大させるために前駆体溶液でプリント層（１４）をオーバープリントすることにより更なるオーバープリントステップを実施すること、（ｅ）プリント層（１４）を第１の物質から第１の物質と異なる第２の物質に少なくとも部分的に変換するための変換ステップを実施することとを含む方法に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオセンシング用途に使用するプラットフォームを製造する方法であって、
（ａ）上面に電極を有する基板を提供すること、
（ｂ）前駆体溶液で電極をオーバープリントすることによりオーバープリントステップを実施すること、
（ｃ）前駆体溶液を乾燥させて電極上にプリント層を形成するための乾燥ステップを実施すること、
（ｄ）プリント層の厚さを増大させるために前駆体溶液でプリント層をオーバープリントすることにより更なるオーバープリントステップを実施すること、及び
（ｅ）プリント層を第１の物質から第１の物質と異なる第２の物質に少なくとも部分的に変換するための変換ステップを実施すること、を含む方法。
【請求項２】
乾燥ステップが熱を加えることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
加熱温度が、５０〜２５０℃の範囲であり、好ましくは１分未満の時間である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
加熱温度範囲が１００〜２００℃であり、時間が２０〜４０秒である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
ステップ（ｄ）の後に、順次１回以上、さらなる前駆体溶液を乾燥させ、前駆体溶液でオーバープリントしてプリント層の厚さを増大させるさらなるステップを実施することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
変換ステップが熱処理を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
熱処理が、乾燥ステップよりも長時間であり、好ましくはより高温である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
熱処理が１０分より長く、好ましくは２０分よりも長く、好ましくは約３０分続く、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
熱処理が２００℃超の温度であり、好ましくは約３００℃である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
変換ステップの前に乾燥ステップをさらに含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前駆体組成物が、変換ステップ中に固体金属酸化物コーティングを形成するように選択される、請求項１から１０のいずれか一項記載の方法。
【請求項１２】
前駆体組成物が金属酢酸塩、好ましくは酢酸亜鉛を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
オーバープリントがフレキソ印刷によって実施される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
電極が基板上にプリントされる、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前駆体が、各オーバープリントステップのプリント層厚さが、５００ｎｍ未満、好ましくは１００ｎｍ未満、好ましくは６０ｎｍ未満になるようにオーバープリントされる、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれか一項に従って製造されたバイオセンシングプラットフォーム。
【請求項１７】
請求項１から１５のいずれか一項に従ってバイオセンサープラットフォームを製造すること、および生物学的分子で機能化することを含む、バイオセンサーを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオセンサーの分野で利用され得るプラットフォームに関する。
【背景技術】
【０００２】
金属酸化物半導体は、他のセンシング材料と比較した場合に、応答時間が速くかつ高感度であるので、バイオセンシング用途に成功裏に利用されてきた。金属酸化物ナノ構造体は、大きな表面積対体積比、良好な電子移動度および生体適合性を示すので、それを利用するとバイオセンサーの性能が改善される。例えば、金属酸化物の表面上に形成される天然のヒドロキシル基は、シロキサンと共有結合できるようにし、疾患検出のためのバイオレセプターの強固な付着を可能にする。こうした共有結合官能化はまた、水溶液中の金属酸化物の分解を抑制する。したがって、金属酸化物ナノ構造体は、バイオセンシング用途に高い適合性をもたらす。
【０００３】
金属酸化物の薄膜は、化学蒸着、物理蒸着および分子線エピタキシーなどの技術を用いて基板上に堆積されてきた。しかしながら、これらの技術は高価であり、時間がかかり、かつ複雑な加工ステップを必要とする。それ故、前記の技術は、付随する費用が嵩むことから、疾患の大規模スクリーニングに使用することを意図したバイオセンサーの低コスト大量生産にとって理想的ではない。したがって、バイオセンサープラットフォームを製作するための低コストかつ高収率の製造技術が強く望まれている。
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、バイオセンシング用途に使用するプラットフォームを製造する方法に関し、
当該方法は、
（ａ）上面に電極を有する基板を提供すること、
（ｂ）前駆体溶液で電極をオーバープリントすることによりオーバープリントステップを実施すること、
（ｃ）前駆体溶液を乾燥させて電極上にプリント層を形成するための乾燥ステップを実施すること、
（ｄ）プリント層の厚さを増大させるために前駆体溶液でプリント層をオーバープリントすることにより更なるオーバープリントステップを実施すること、及び
（ｅ）プリント層を第１の物質から第１の物質と異なる第２の物質に、少なくとも部分的に変換するための変換ステップを実施すること、を含む。
【０００５】
本発明は、バイオレセプターの付着に理想的なナノスケール(nanoscopic)構造体の製造を可能にすることにより、バイオセンシング用途の使用に有効なプラットフォームを提供する。このようなプラットフォームが複雑な後処理または加工技術は必要としないことは、高速かつ低コストで製造可能であることを意味する。
【０００６】
基板は、有機基板、例えば、低コストで容易に利用可能なポリイミド（ＰＩ）などのポリマーであってよい。
【０００７】
電極は、基板上にプリントされているのが好ましく、フレキソ印刷によってプリントされていることが好ましい。電極はインクを利用してプリントされてもよく、当該インクは銀（Ａｇ）インクであってよい。電極は、櫛形であることが好ましい。
【０００８】
前駆体は、好ましくな乾燥させて実質的に固体のプリント層を形成する。これにより、オーバープリントによって以前のプリント層が汚されないようになる。
【０００９】
前駆体組成物は、好ましくは変換ステップ中に金属酸化物を含む第２の物質を形成するように選択された第１の物質を含む。したがって、例示にすぎないが、前駆体組成物は、酢酸金属塩、好ましくは酢酸亜鉛を含んでいてもよい。したがって、変換後、前駆体は、金属酸化物、好ましくは酸化亜鉛に変換される。酸化亜鉛は、酸化亜鉛の表面上にヒドロキシル基を生成することが知られているので好ましい金属酸化物ナノ構造体であり、ヒドロキシル基はシロキサンとの強力な共有結合を可能にし、疾患検出のためのバイオレセプターの堅固な付着および水溶液中での酸化亜鉛の分解の抑制を可能にする。さらに、それは、良好な電気化学的性質を有している。
【００１０】
いくつかの前駆体の変換が乾燥ステップ中に起こることが理解されよう。プリント層の大部分は、好ましくは変換ステップ中に変換される。
【００１１】
乾燥ステップは、熱を加えることを含むのが有効であり、加熱温度は好ましくは５０〜２５０℃の範囲であり、好ましくは１分未満の時間である。さらにより好ましくは、乾燥温度範囲は１００〜２００℃であり、時間は２０〜４０秒である。実質的に３０秒間で１５０℃の乾燥温度は、前駆体溶液の少なくとも一部を変換して電極上にコーティングを形成するために有効な乾燥ステップを提供することが見出されている。
【００１２】
本発明の方法は、ステップ（ｄ）の後に、前駆体溶液を乾燥させるステップおよび前駆体溶液でのオーバープリントを順次１回以上繰り返してプリント層の厚さを増大させる更なるステップを実施することを更に含んでいてもよい。即ち、プリント材料の層は、オーバープリントとそれに続く加熱によって構築することができる。プロセスは、複数の層を形成するように繰り返してもよい。層の数は、好ましくは３以上であり、好ましくは１０未満であり、更に好ましくは６層である。
【００１３】
したがって、乾燥ステップおよび前駆体溶液でのオーバープリントは、１回または複数回繰り返してもよいことが理解されるであろう。各乾燥ステップは、異なる乾燥パラメーターを含んでいてもよいことも理解されるであろう。
【００１４】
また、紫外光または近赤外光などの他の技術も、プリント層に熱を誘導するので、乾燥ステップを提供するために使用することができる。
【００１５】
変換ステップは、大部分は前駆体である第１の物質を金属酸化物に最大限に変換することを確実にするアニーリングステップを効果的に提供することになるので有益である。乾燥ステップは幾分の変換を引き起こすが、変換ステップによって最大化される。さらに、この変換ステップは、多結晶構造を確実にし、遮断または層状金属酸化物構造体の出現を効果的に阻害する。その結果として、多量のバイオレセプター付加に理想的なナノテクスチャ(nanotexture)金属酸化物表面となる。
【００１６】
変換ステップは、好ましくは熱処理を含む。熱処理は、好ましくは乾燥ステップよりも長時間であり、高温である。これにより、前駆体の金属酸化物への完全な変換および数ナノメートルサイズを持つ金属酸化物ナノ粒子の相互接続が可能になる。
【００１７】
熱処理は、１０分より長く続けるのが好ましく、２０分よりも長いのが好ましく、さらに約３０分続けるのが好ましい。第２の変換プロトコルにおける熱処理の温度は、２００℃を超える温度であってよく、好ましくは約３００℃である。
【００１８】
乾燥ステップは、変換ステップの前に完了させることが好ましい。オーバープリントに続く乾燥が、変換ステップを利用しても達成できることは理解されるが、プロセスの効率、また製造の容易性を最大にするために、乾燥ステップを含めるべきである。
【００１９】
オーバープリントは、好ましくはフレキソ印刷によって行なわれ、電極も基板上にプリントされる。
【００２０】
前駆体は、オーバープリントステップのためのプリント層厚さが、５００ｎｍ未満、好ましくは１００ｎｍ未満、好ましくは６０ｎｍ未満になるようにオーバープリントされることが好ましい。
【００２１】
本発明は、本発明に従って製造されるバイオセンシングプラットフォームにも拡張される。
【００２２】
本発明は、前述のバイオセンサープラットフォーム製造を含むバイオセンターを製造し、かつ生物学的分子で機能化する方法にも拡張される。
【００２３】
本発明の一態様を、添付の図面を参照した例示として以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１ａ】基板上の櫛形電極にＺｎＯがプリントされたバイオセンサーの模式図である。
【図１ｂ】前駆体オーバープリントの数が異なる４つのバイオセンサーを示す図である。
【図２】オーバープリントの数に基づくコーティングの厚さを示すグラフである。
【図３】本発明の例示的な実施態様によるプラットフォームの上面の拡大形態学的分析を示す図である。（ｉ）裸銀電極、（ｉｉ）１層のプリント層、（iii）３層のプリント層、および（ｉｖ）６層のプリント層として示さる。スケールバーは３００ｎｍである。
【図４】オーバープリント数に応じたコーティング表面粗さを示すグラフである。
【図５】銀電極上の酸化亜鉛コーティングの表面形態分析を示す図である。スケールバーが３００ｎｍを表すように拡大されている。表示された線は、破線が銀粒子の頂点、青色実線が銀電極表面の底部領域におけるコーティングの高さのプロフィールを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
例示的な実施形態によるプラットフォームを製造するステップの概要は以下の通りである。
【００２６】
ポリイミド（ＰＩ）１０などの有機基板を用意し、清浄化して電極プリントの準備を整える。適切なプリント材料は、好ましくはフレキソ印刷によって基板上にプリントできる銀インクである。インクは、アニロックスローラー(anilox roller)上に配置され、それは制御された量のインクをプリント板に転写し、続いて所望の電極パターン１２を基板上にプリントする。電極パターンは、好ましくは図１ｂに示すような電極の櫛形パターンであり、各々参照数字２、４、６および８によって示されるように、０、１、３および６層のオーバープリントを上面に有する４つのバイオセンシングプラットフォームを表す。銀インクをプリントするための最適化されたパラメーターは、以下の表１にまとめられている。銀電極をプリントした後、試料を乾燥させ、銀インクは、アニーリングプロセスによって焼結することができる。
【００２７】
例示的な実施形態で酢酸亜鉛と称される前駆体は、次いで、表１にまとめられた最適化されたパラメーターを用いて、電極上に再度プリントされる。前駆体溶液の複数の層は、その後の別の層のプリントの前にプリント層を乾燥させるために、各プリントステップの間に乾燥ステップを挿入して電極上にプリントすることができる。プリントの直後に、１５０℃といった高温で約３０秒間の乾燥ステップを完了させて、次の層をプリントするまでに前駆体を乾燥させる。乾燥前駆体は或る程度変換を起こして金属酸化物を形成する。
【００２８】
変換ステップは、酢酸亜鉛の酸化亜鉛への最大の変換を確実にするために、最終的なオーバープリント層の後に実施される。この変換ステップのプロセスは、酢酸亜鉛の酸化亜鉛への完全な変換を可能にするために、プラットフォームをオーブン内に約３００℃で３０分間置くことを含む。このプロセスは、高いバイオレセプター付加に理想的なナノテクスチャ酸化亜鉛表面をもたらす。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
変換ステップは、乾燥ステップとは異なるプロトコルを含み、好ましくは熱処理プロセスを含む。これは、酢酸亜鉛の酸化亜鉛への完全な変換を確実にするためである。変換ステップは、乾燥ステップの後、または前駆体オーバープリントステップの直後に続けることができるが、製造を容易にするために、変換ステップは、乾燥ステップに続けることになることも理解される。
【００３１】
酢酸亜鉛の熱分解が酸化亜鉛１４を形成するので、変換ステップは重要である。基板（ＰＩ）のガラス転移温度よりも５０℃低い３００℃の温度が望ましい。変換プロトコルは、約３００℃の温度で３０分間維持することを含んでいてもよい。変換ステップ中のアニーリング時間は、３０分より短縮することができるが、酢酸亜鉛から酸化亜鉛への変換効率を最大にするのが３０分と測定されたことを理解されたい。
【００３２】
図２を参照すると、追加の前駆体溶液を加えてプリント層の厚さを増大させるために、複数のオーバープリントステップを実施することが好ましい。プリントは、ほぼ線形に堆積を達成することができ、各プリント層は５００ｎｍ未満、好ましくは１００ｎｍ未満、更により好ましくは６０ｎｍ未満である。これはフレキソ印刷を用いて容易に達成可能である。前駆体の各プリント層およびその後の乾燥後、酸化亜鉛構造体の全厚さに約７〜１０ｎｍが加わる。
【００３３】
プリントした酢酸亜鉛層とそれに続く熱分解は、多結晶酸化亜鉛コーティングをもたらす。図３に示された走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像は、変換ステップ後に得られた酸化亜鉛層が、数ナノメートルのサイズを有する多くの相互連結した酸化亜鉛粒子から作製されていることを示している。得られた酸化亜鉛のコーティングが多結晶であり、変換ステップ後に個々の層を区別することが困難であることは重要である。図３（ｉ）を参照すると、裸の銀電極は、サブミクロン粒を示すことが示されている。後続の画像は、銀粒の表面上のナノ粒子の密度が、オーバープリントステップの数が増えると増加することを示す。図３（ｉｉ）に示されているように銀電極上への単回のオーバープリントの場合、ナノ粒子の密度は不均一であり、銀のより高い領域ではより低い密度であり、くぼみ（ｔｒｏｕｇｈ）ではより高い密度であると見ることができる。したがって、粗い銀電極表面上の不均一な酸化亜鉛ナノ粒子が示されている。図３（ｉｉｉ）に示されているように、オーバープリント層の数は３まで増加し、図３（ｉｖ）に示されているように、表面は６層のオーバープリント層後に示されている。６回のプリント後に見られるように、凝集した酸化亜鉛ナノ粒子が、銀電極全体にわたって見られる。
【００３４】
表面に付着するバイオレセプターの数を増やすために、より大きい表面積をもたらすためには表面がより粗いことが有効である。
【００３５】
図４は、オーバープリントステップの数に対する表面粗さのグラフ図を示す。図５は、酸化亜鉛構造体の表面形態の原子間力顕微鏡像であり、示された線輪郭は、破線として銀粒子の頂点の構造の、実線で銀表面のより低い領域における高さを示す。これは、バイオレセプター付着にとって極めて良好な表面をもたらす。高さは、銀のサブミクロン粒の高いおよび低い領域の間で異なることがわかり、それは、低い領域上およびプリント板との接触の減少を経験している低い領域上にインクが溜まることに帰することができる。これらのナノテクスチャ特徴の形成は、その後の各プリント間の前駆体の乾燥ステップ中に起こり得る。液体の蒸発は、表面が不完全なポイントで起こり易い。これらの蒸発のポイントは、蒸発領域への酢酸亜鉛前駆体のマスフローのために乾燥後に表面に高いポイントを作成するマランゴニ流を誘発する。これらの表面の不完全さは、その後のプリント層において同じポイントで蒸発を促進し得る。この現象は、さらなるプリントおよび乾燥サイクルでナノテクスチャ特徴のサイズを増大させる。このようにして、バイオセンサーの感度を高めることができる。提示されたように、約６回のオーバープリント工程を実施することが好ましい。
【００３６】
ナノテクスチャ表面特徴は抗体よりも大きいので、表面積が改善されるとより多くの抗体を表面に付着させることが可能になる。バイオセンシングに適したこの低コストの大量生産可能な金属酸化物（酸化亜鉛）層の形成により、バイオセンシング用途に使用するプラットフォームを製造する大量低コストの方法が達成される。
【００３７】
本発明を例示として説明したが、本発明は、添付の特許請求の範囲によって与えられる保護の範囲から逸脱することなく、修正および変形が行なわれ得ることは当業者に理解されよう。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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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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【国際調査報告】
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