(57)【要約】      （修正有）【課題】隔間されているが導電的に相互接続された機能化可能エリアを含むアレイ、および／またはそのようなアレイを形成する方法を提供する。【解決手段】サイズがミリメートルからナノメートルである、正確に画定され機能化可能な隔間されたエリアを含む。機能化されたエリアは、連続的な３Ｄ表面層の一部分であり、不活性物質によって隔間され、連続的な３Ｄ表面層によって構造内で相互接続される。【選択図】図１
2018013486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板材料層、アレイとして用いるための、機能化可能な、前記基板材料層上の連続的な
３次元（３Ｄ）表面層、および不活性物質を含むマイクロアレイ構造であって、
前記構造が、サイズがミリメートルからナノメートルである、正確に画定され機能化可
能な隔間されたエリアを含み、
前記機能化可能エリアが、前記連続的な３Ｄ表面層の一部分であり、前記不活性物質に
よって隔間されるが、前記連続的な３Ｄ表面層によって前記構造内で相互接続される、マ
イクロアレイ構造。
【請求項２】
前記連続的な３Ｄ表面層が導電性材料または炭素系材料から形成される、請求項１記載
のマイクロアレイ。
【請求項３】
前記連続的な３Ｄ表面層が前記基板材料層を覆う単一層である、請求項１または２記載
のマイクロアレイ。
【請求項４】
前記連続的な３Ｄ表面層が、複数個の機能化可能エリアを各々が含むセグメントであっ
て、前記基板材料層上の複数個の隔間された連続的な３Ｄ表面層セグメントに分断され、
機能化可能エリアの各グループが機能を分離することができる、請求項１または２記載の
マイクロアレイ。
【請求項５】
前記不活性物質が絶縁材でもよい、請求項１〜４のいずれか１項記載のマイクロアレイ
。
【請求項６】
前記基板材料層が導電体または非導電性の不活性物質から形成される、請求項１〜５の
いずれか１項記載のマイクロアレイ。
【請求項７】
前記マイクロアレイ構造が前記連続的な３Ｄ表面層と前記基板材料層との間に接着層を
含む、請求項１〜６のいずれか１項記載のマイクロアレイ。
【請求項８】
前記マイクロアレイ構造が微小電極センサーアレイおよび／または微小触媒アレイとし
て機能化可能な、請求項１〜７のいずれか１項記載のマイクロアレイ。
【請求項９】
前記連続的な３Ｄ表面層が、前記機能化可能エリアが前記不活性物質の上方で露出する
ように前記不活性物質から突出する、請求項１〜８のいずれか１項記載のマイクロアレイ
。
【請求項１０】
前記不活性物質および前記機能化可能エリアが、露出した機能化可能エリアを含む２次
元（２Ｄ）表面を形成する、請求項１〜８のいずれか１項記載のマイクロアレイ。
【請求項１１】
ミリメートルからナノメートルのスケールの正確に画定された３Ｄパターンを含む基板
材料層、および前記パターンの少なくとも一部分にわたる、アレイとして用いるための、
機能化可能な、前記基板材料層上の連続的な３Ｄ表面層を含む、請求項１記載のアレイの
製造に用いる中間体構造。
【請求項１２】
実質的にすべてのパターニングされたエリアが前記連続的な３Ｄ表面層で被覆される、
請求項１１記載の中間体構造。
【請求項１３】
前記基板材料層が導電性または非導電性である、請求項１１または１２記載の中間体構
造。
【請求項１４】
前記連続的な３Ｄ表面層が導電性材料または炭素系材料から形成される、請求項１１〜
１３のいずれか１項記載の中間体構造。
【請求項１５】
前記連続的な３Ｄ表面層と前記基板材料との間に接着層を含む、請求項１１〜１４のい
ずれか１項記載の中間体構造。
【請求項１６】
請求項１１記載の中間体構造を形成する方法であって、
ａ．ミリメートルからナノメートルのスケールで正確に画定された３Ｄパターンを、基
板材料の表面上に配置するステップと、
ｂ．前記パターニングされた基板材料の少なくとも一部分を連続的な３Ｄ表面層で被覆
するステップと、を含む、方法。
【請求項１７】
前記パターンが、エンボス加工、鋳造、スタンピング、エッチング、研削、リソグラフ
ィー、加圧成形、真空成形、ロール成形、射出成形、ならびにレーザースクライビング／
アブレーションによって前記基板材料の表面上に配置される、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記連続的な３Ｄ表面層が、スパッタリング、蒸着または無電解析出技術によって前記
基板材料に塗布される、請求項１６または１７記載の方法。
【請求項１９】
前記連続的な３Ｄ表面層が、前記基板材料の前記パターニングされたエリアの実質的に
すべてを覆う、請求項１６〜１８のいずれか１項記載の方法。
【請求項２０】
前記連続的な３Ｄ表面層が、前記基板材料の前記パターニングされたエリアの実質的に
すべてを覆うセグメントであって、複数個の隔間された連続的な３Ｄ表面層セグメントに
分断される、請求項１６〜１８のいずれか１項記載の方法。
【請求項２１】
前記基板材料と前記連続的な３Ｄ表面層との間に接着層を追加するステップを含む、請
求項１６〜２０のいずれか１項記載の方法。
【請求項２２】
請求項１に記載のアレイとして機能化可能な構造を形成するための方法であって、前記
請求項１１〜１５いずれか１項記載の中間体構造を得るステップと、前記中間体構造にお
ける前記３Ｄパターンの先端間の個々の空間を不活性物質で充填することによって、前記
３Ｄパターンの前記先端がそこを通り抜ける、またはそこから突出する、あるいは他の形
態で露出する表面を与えるステップと、を含み、前記先端が、前記不活性物質によって隔
間されるが、前記連続的な３Ｄ表面層によって前記構造内で相互接続される機能化可能エ
リアを形成し、機能化可能な、方法。
【請求項２３】
前記先端の端部を前記不活性物質の表面と位置を合わせて切り取ることによって、機能
化可能エリアを含む２Ｄ表面を形成できる、請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
アレイとして機能化可能な２Ｄ構造を形成する方法であって、前記構造が、連続的な３
Ｄ表面を含み、ミリメートルからナノメートルのスケールの機能化可能な隔間されたエリ
アの正確に画定された３Ｄパターンを有し、前記方法が、請求項１１〜１５のいずれか１
項記載の中間体構造を得るステップと、前記中間体構造にある３Ｄパターンを不活性物質
で覆うステップと、十分な量の前記不活性充填材を除去して前記３Ｄパターンの先端を露
出するステップと、を含み、前記露出した３Ｄ先端が、前記不活性物質によって隔間され
るが、前記連続的な３Ｄ表面によって前記構造内で相互接続され、機能化可能な、方法。
【請求項２５】
アレイとして機能化可能な構造を形成する方法であって、前記構造が、連続的な３Ｄ表
面層を含み、ミリメートルからナノメートルのスケールの機能化可能エリアの正確に画定
された３Ｄパターンを有し、前記方法が、
ａ．請求項１１〜１５のいずれか１項記載の中間体構造の連続的な３Ｄ表面層を電気め
っきすることによって、前記中間体構造における前記３Ｄパターンの先端を覆う金属層を
形成するステップと、
ｂ．前記金属層と前記中間体構造の前記基板材料とを分離することによって、前記中間
体構造における前記３Ｄパターンのネガティブ構造（「ネガティブ３Ｄパターン」）を含
む金属ネガティブ構造を形成するステップと、
ｃ．前記金属ネガティブ構造の前記ネガティブ３Ｄパターン内の先端間の空間を不活性
物質で埋め戻すことによって、前記ネガティブ３Ｄパターンの前記先端がそこを通り抜け
る、またはそこから突出する、あるいは他の形態で露出する不活性表面を与えるステップ
と、を含み、
前記機能化可能エリアが、前記不活性物質によって隔間されるが、前記構造内で相互接
続される、方法。
【請求項２６】
前記金属層が前記中間体構造における前記３Ｄパターンの少なくとも実質的にすべてを
覆う、請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
前記先端の端部を前記不活性物質の表面と位置を合わせて切り取ることによって、機能
化可能エリアを含む２Ｄ表面を形成できる、請求項２５または２６記載の方法。
【請求項２８】
アレイとして用いるための、機能化可能な連続的な３Ｄ表面を含む中間体構造であって
、前記中間体構造が、少なくとも一つの表面上にミリメートルからナノメートルのスケー
ルで正確に画定された３Ｄパターンを含み、前記３Ｄパターンの先端がそこを通り抜ける
、またはそこから突出する、あるいは他の形態で露出する表面を形成する、前記３Ｄパタ
ーンの先端間の不活性物質も含み、それ故、前記３Ｄパターンの先端が、前記不活性物質
によって隔間され、前記連続的な３Ｄ表面によって前記中間体構造内で相互接続される、
中間体構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種アレイの用途、特に、微小電極センサーアレイおよび微小触媒アレイに
用いる、隔間されているが相互接続された機能化可能エリアを有するアレイを形成するた
めに変更可能な３Ｄ（「３次元」）表面の開発に関する。方法は、特に、様々なパターン
で配置できる、隔間されているが導電的に相互接続された表面エリアを含むアレイの製造
を可能にする。本発明はそのようなアレイにも関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、アレイを製造するための多くの公知の方法が存在する。これらの方法は、スクリ
ーン印刷またはインクジェット印刷などの印刷技術、アレイの表面をエッチングするリソ
グラフィー技術、フォトリソグラフィー、直接電着（配線の堆積）、カーボンナノチュー
ブ／ナノ繊維アレイのパターニング、ならびに例として、エポキシ樹脂中の配線セットな
どの組立技術を含む。しかしながら、これらの公知の方法には多くの制限がある。特に、
実施が面倒であり、大きな表面積にわたってアレイを、ミリメートルからナノメートルの
スケールで正確に画定するのが困難である。それ故、多くの場合に、主として輪郭の明確
化の欠如に起因して、生産されたアレイの分解能が粗悪となる。そのようなアレイにはセ
ンサー部位を正確に配置することができないため、質的な問題が生じ、定量的測定に悪影
響が及ぼされる。特に、ナノスケールアレイの製造において製作はできるが費用の課題が
生じ、輪郭の明確化および費用の制御という容易に克服できない問題が残る。スケールメ
リットは特段の課題である。
【０００３】
ミリメートルからナノメートルのスケール、特に、輪郭の明確化の精度が改善された大
きな表面積にわたるマイクロメートルからナノメートルのスケールでのアレイの製造は、
検出エリア、電気化学および触媒作用において特に有益となるであろう。電気化学は、電
気を生成するための自然発生的な化学反応の使用、および非自然発生的な化学変化を引き
起こす電気の使用を扱う化学の一部門である。特に、これは金属または半導体（電極）、
およびイオン導電性媒体（電解質）などの電子導電体の界面に生じる、電極と溶液中の電
解質または種との間の電子移動を伴う水溶性化学反応の研究である。触媒作用は、より低
い活性化エネルギーを有する新規の反応経路の生成、それによって、より多くの反応物分
子が反応障壁を横断し、反応生成物を形成することを可能にすることに関する。
【０００４】
標準的な電気化学的検出プロセスでは、一般に、単一の大きな電極ではなくより小さな
電極のアレイを利用することが好ましい。この理由としては
より少ない容量の試料を使用することが可能、
生体内測定および生体外測定両方への適用、
標的分子の低い減少速度、
表面積の減少に起因する低いバックグラウンドのチャージ、
ＩＲドロップの減少、および
収束拡散の結果として高められた電極表面への物質移動に伴い生じる高電流密度が挙げ
られる。
【０００５】
正確に画定されたアレイは、
流体の分析（たとえば、生物学的流体、すなわち、血液、尿、乳液、および非生物学的
な流体、すなわち、廃水流、飲料の分析）、
生きた生体系のラボオンチップデバイスへの統合、
酵素結合分析および多様な他の生体分子の検出などの生体外または生体内の生物学的検
出、
触媒作用、
環境中の微量金属のモニタリング、
腐食モニタリング、ならびに
エネルギー生産および記憶装置に用いるのにも有用であろう。
【０００６】
同時係属中のＰＣＴ出願第ＰＣＴ／２０１１／００００５２号も、マイクロアレイ構造
に関する。しかしながら、ＰＣＴ／２０１１／０００５２号に記述されているようなマイ
クロアレイは、単に、不活性物質によって隔間された機能化可能エリアを有する連続的な
不活性のベース基板を含む。機能化可能エリアは、導電的に相互接続されたものとしては
記載されておらず、その構造は、形成されたマイクロアレイの機能的および構造的柔軟性
を改善させるような、ベース基板材料と不活性物質とを隔てるような少なくとも一つの連
続的な相互接続した層は含まない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
それ故に、本発明の目的は、隔間されているが導電的に相互接続された機能化可能エリ
アを含むアレイ、および／またはそのようなアレイを形成する方法を提供することにある
。本発明のさらなるまたは代替的な目的は、少なくとも公共に、有効な選択肢を提供する
ことにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は第一の態様において、基板材料層、アレイとして用いるための、機能化可能な
、基板材料層上の連続的な３Ｄ（３次元）表面層、および不活性物質を含むマイクロアレ
イ構造を提供し、その構造は、サイズがミリメートルからナノメートルである、正確に画
定され機能化可能な隔間されたエリアを含む。機能化可能エリアは、連続的な３Ｄ表面層
の一部分であり、不活性物質によって隔間されるが、連続的な３Ｄ表面層によって構造内
で相互接続される。
【０００９】
好ましくは、連続的な３Ｄ表面層は導電性である。より好ましくは、３Ｄ表面層は金属
である。
【００１０】
あるいは、連続的な３Ｄ表面層は、炭素系材料であり、これらに限定されないが、炭素
繊維、カーボンペースト、グラファイト、グラフェン、ガラス状炭素、カーボンナノチュ
ーブ、および導電性高分子を含む。
【００１１】
好ましくは、連続的な３Ｄ表面層は、基板材料層を覆う単一層である。
【００１２】
好ましくは、連続的な３Ｄ表面層は、複数個の機能化可能エリアを各々が含むセグメン
トであって、基板材料層上の複数個の隔間された連続的な３Ｄ表面層セグメントに分断さ
れ、この機能化可能エリアの各グループは機能を分離することができる。
【００１３】
場合により、不活性物質は断熱材でもある。
【００１４】
場合により、基板材料層は、導電体、または場合により絶縁材でもある非導電性の不活
性物質から形成される。
【００１５】
場合により、連続的な３Ｄ表面層と基板材料層との間に接着層を含む。
【００１６】
好ましくは、マイクロアレイ構造は、微小電極センサーアレイおよび／または微小触媒
アレイとなるように機能化される。
【００１７】
好ましくは、連続的な３Ｄ表面層は、機能化可能エリアが、不活性物質の上方で露出す
るように不活性物質から突出する。
【００１８】
好ましくは、不活性物質および機能化可能エリアは、機能化可能エリアを含む２Ｄ（「
２次元」）表面を形成する。
【００１９】
本発明は第二の態様において、本発明の第一の態様に係るアレイの製造に用いる中間体
構造を提供し、この中間体構造は基板材料層を含み、この基板材料層は、ミリメートルか
らナノメートルのスケールの正確に画定された３Ｄパターン、およびパターンの少なくと
も一部分にわたる、アレイとして用いるための、機能化可能な、基板材料層上の連続的な
３Ｄ表面層を含む。
【００２０】
好ましくは、実質的にすべてのパターニングされたエリアが、連続的な３Ｄ表面層で被
覆される。
【００２１】
好ましくは、基板材料層は、導電体、または場合により絶縁材でもある非導電性の不活
性物質から形成される。
【００２２】
好ましくは、パターンは、エンボス加工、鋳造、スタンピング、エッチング、研削、リ
ソグラフィー、加圧成形、真空成形、ロール成形、射出成形、ならびにレーザースクライ
ビング／アブレーションにより形成される。
【００２３】
好ましくは、基板材料層は、スパッタリング、蒸着または無電解析出技術によって連続
的な３Ｄ表面層で被覆される。
【００２４】
好ましくは、連続的な３Ｄ表面層は導電性の被覆層を形成する。より好ましくは、３Ｄ
被覆層は金属である。
【００２５】
あるいは、連続的な３Ｄ表面層は、炭素系材料であり、これらに限定されないが、炭素
繊維、カーボンペースト、グラファイト、グラフェン、ガラス状炭素、カーボンナノチュ
ーブ、および導電性高分子を含む。
【００２６】
場合により、中間体構造は、連続的な３Ｄ表面と基板材料との間に接着層を含む。
【００２７】
本発明は第一の態様の一実施形態において、連続的な３Ｄ表面層を含む、正確に画定さ
れ機能化可能なアレイであって、本発明の第二の態様の中間体構造から形成されたアレイ
を提供する。不活性物質の層が表面層上の３Ｄパターンにおける先端間の空間を充填する
ことによって、３Ｄパターンの先端がそこを通り抜ける、またはそこから突出する、ある
いは他の形態で露出する不活性物質表面を与える。先端は、不活性物質によって隔間され
るが、不活性物質表面と基板材料層との間の連続的な３Ｄ表面層を介して導電的に相互接
続される。
【００２８】
場合により、不活性物質表面は絶縁層でもある。
【００２９】
本発明は第三の態様において、正確に画定され機能化可能な隔間されたエリアを有する
アレイをそれから形成できる中間体構造であって、連続的な３Ｄ表面層を含む、本発明の
第二の態様に係る中間体構造を形成するための方法を提供する。この方法は
ａ．ミリメートルからナノメートルのスケールで正確に画定された３Ｄパターンを、基
板材料の表面上に配置するステップと、
ｂ．パターニングされた基板材料の少なくとも一部分を連続的な３Ｄ表面層で被覆する
ステップと、を伴う。
【００３０】
好ましくは、パターンは、エンボス加工、鋳造、スタンピング、エッチング、研削、リ
ソグラフィー、加圧成形、真空成形、ロール成形、射出成形、ならびにレーザースクライ
ビング／アブレーションによって基板材料の表面上に配置される。
【００３１】
好ましくは、基板材料は、スパッタリング、蒸着または無電解析出技術によって連続的
な３Ｄ表面層で被覆される。
【００３２】
好ましくは、連続的な３Ｄ表面層は、基板材料のパターニングされたエリアの実質的に
すべてを覆う。
【００３３】
あるいは、連続的な３Ｄ表面層は複数個の隔間された連続的な３Ｄ表面層セグメントに
分断され、複数個のセグメントは基板材料のパターニングされたエリアの実質的にすべて
を覆う。
【００３４】
場合により、方法は、基板材料と連続的な３Ｄ表面層との間に接着層を追加するステッ
プを含む。
【００３５】
好ましくは、不活性物質が、本発明の第一の態様に係る構造を形成するための連続的な
３Ｄ表面に配置される。
【００３６】
本発明は第四の態様において、本発明の第一の態様に係るアレイとして機能化可能な構
造を形成するための方法を提供する。この方法は、本発明の第二の態様に係る中間体構造
を得るステップと、中間体構造にある３Ｄパターンの先端間の個々の空間に不活性物質を
充填することによって、３Ｄパターンの先端がそこを通り抜ける、またはそこから突出す
る、あるいは他の形態で露出する表面を与えるステップとを含む。先端は、不活性物質に
よって隔間されるが、連続的な３Ｄ表面層によって構造内で相互接続される機能化可能エ
リアを形成し、機能化可能である。
【００３７】
場合により、先端の端部を不活性物質の表面と位置を合わせて切り取ることによって、
機能化可能エリアを含む２Ｄ表面を形成できる。場合により、不活性物質の一部も取り除
かれる。
【００３８】
本発明は第五の態様において、アレイとして機能化可能な、連続的な３Ｄ表面を含む２
Ｄ構造を形成するための方法を提供する。この方法は、本発明の第二の態様に係る中間体
構造を得るステップと、中間体構造にある３Ｄパターンを不活性物質で覆い、３Ｄパター
ンの先端のみを露出させるのに十分な量の不活性充填材を取り除くステップとを含む。露
出した３Ｄ先端は、不活性物質によって隔間されるが、連続的な３Ｄ表面によって構造内
で相互接続され、機能化可能である。
【００３９】
本発明は第六の態様において、連続的な３Ｄ表面層を含むアレイとして機能化可能な構
造であって、ミリメートルからナノメートルのスケールの機能化可能エリアの正確に画定
された３Ｄパターンを有する構造を形成するためのさらなる方法を提供する。この方法は
ａ．本発明の第二の態様に係る中間体構造の連続的な３Ｄ表面層を電気めっきすること
によって、中間体構造にある３Ｄパターンの先端を覆う金属層を形成するステップと、
ｂ．金属層と中間体構造の基板材料とを分離することによって、中間体構造にある３Ｄ
パターンのネガティブ構造（「ネガティブ３Ｄパターン」）を含む金属ネガティブ構造を
形成するステップと、
ｃ．金属ネガティブ構造のネガティブ３Ｄパターン内の先端間の空間を不活性物質で埋
め戻すことによって、ネガティブ３Ｄパターンの先端がそこを通り抜ける、またはそこか
ら突出する、あるいは他の形態で露出する不活性表面を与えるステップと、
ｄ．機能化可能エリアを、不活性物質によって隔てるが、構造内で相互接続するステッ
プと、を含む。
【００４０】
好ましくは、金属層は、中間体構造にある３Ｄパターンの少なくとも実質的にすべてを
覆う。
【００４１】
場合により、先端の端部を不活性物質の表面と位置を合わせて切り取ることによって、
機能化可能エリアを含む２Ｄ表面を形成できる。
【００４２】
本発明は第七の態様において、アレイとして用いるための、機能化可能な連続的な３Ｄ
表面を含む中間体構造を提供する。この中間体構造は、少なくとも一つの表面上にミリメ
ートルからナノメートルのスケールで正確に画定された３Ｄパターンを含み、３Ｄパター
ンの先端がそこを通り抜ける、またはそこから突出する、あるいは他の形態で露出する表
面を形成する、３Ｄパターンの先端間の不活性物質も含む。それ故、３Ｄパターンの先端
は、不活性物質によって隔間され、連続的な３Ｄ表面によって中間体構造内で相互接続さ
れる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の被覆およびパターニングされた構造４を用意するためのプロセスの概略形態を示す図である。
【図２】（Ａ）５０ミクロンの金めっき構造、（Ｂ）１０ミクロンの金めっき構造を示す図である。
【図３】被覆およびパターニングされた構造を本発明のアレイに加工するためのプロセスの概略形態を示す図である。
【図４】（Ａ）先端間における被覆層内の線をスクライビングし、同じセンサーチップ上に４つの隔間された微小電極アレイ（ＩＶ）（Ａ、Ｂ、ＣおよびＤ）を生産するためのレーザーの使用の概略形態を示す図である。４つの隔間された微小電極アレイは、電気的に絶縁された横に並ぶ先端に及ぶ微小電極アレイの横断面を各々が示す（Ｂ）および（Ｃ）に示すような多くの方法で構成できる。
【図５】（Ａ）相互嵌合アレイを形成するためのレーザーパターンを示す概略図である。（Ｂ）２ｃｍ×２ｃｍの金めっきしたセンサーチップにおけるレーザーパターニングの例を示す図である。（Ｃ）１０ｃｍディスクのセンサーチップを示す図である。（Ｄ）隔間された金先端を備えている微小電極アレイを示す図である。
【図６】標準タイプの微小電極アレイを示す図である。（Ａ）（順序付けられても、ランダムでもよい）マイクロディスク電極アレイを示す図である。（Ｂ）マイクロバンド電極アレイを示す図である。（Ｃ）（平面および垂直の）相互嵌合の微小電極アレイを示す図である。（Ｄ）線形の微小電極アレイを示す図である。（Ｅ）３Ｄ微小電極アレイを示す図である。（Ｆ）各先端からの電気的接続を有する、互いに電気的に絶縁された個々の先端を示す図である。
【図７】以下の概略形態を示す図である。（Ａ）基板材料（例として、ポリマーまたはガラス基板材料）のローラーエンボス加工を示す図である。（Ｂ）基板材料のローラーエンボス加工を示す図である。（Ｃ）スタンプを用いた基板材料のエンボス加工を示す図である。
【図８】先端を金めっきした２つのアレイが互いに対して正確に位置合わせされた場合のコンピュータモデリング実験のためのセンサー設計を示す図である。
【図９】２つの異なる幾何学形状を示す図である。（Ａ）液滴形成を示す図である。（Ｂ）２Ｄおよび３Ｄ領域における電位分布および電流密度ベクトル（矢印）を示す電解質で充填されたチャンバを示す図である。
【図１０】インピーダンス結果の３次元のレンダリングを示す図である。
【図１１】２つの電極（１０および２０ミクロン）間の様々な空間パラメータに対するインピーダンスを示す図である。ｒは先端の半径である。
【図１２】様々な距離パラメータに対するインピーダンスを示す図である。
【図１３】２つの距離配置間のインピーダンス比を示す図である。赤色は、完全に浸した配置を示す。緑色および青色は、異なる半径、幾何学形状を有する液滴形成を示す。
【図１４】２つの異なる幾何学形状における周波数対インピーダンスを示す図（ボード線図）である。実線は幾何学形状Ｂを示し、点線は半径５ｕｍの液滴を示す。
【図１５】界面インピーダンスを含むシステム全体における等価回路モデルを示す図である。
【図１６】領域方程式および境界条件の変化に係るモデル形状を示す図である。
【図１７】２つの異なる幾何学形状における界面の様々な全長の二重層に応じたインピーダンスを示す図（ナイキスト線図）である。
【図１８】厚さが異なる２つの二重層のＲｅａｌ  Ｚ（オーム）の差異を示すボード線図である。
【図１９】２つの幾何学形状の５０ｎｍ〜５ｎｍの二重層の変化に起因するインピーダンス間の差異を示す図である。
【図２０】２つの幾何学形状における電荷移動抵抗（Ｒｃｔ）の変化に起因するインピーダンスの変化を示す図である。
【図２１】充填形状におけるＲｃｔの変化に起因するインピーダンスの変化を示す図である。
【図２２】２つの幾何学形状における１Ｍオーム〜１００ＫオームのＲｃｔの変化に起因するインピーダンス間の差異を示す図である。
【図２３】ＰＭＭＡにおける４０ミクロンの先端を示す図である。
【図２４】センサー製造のためのプロセスを示す図である。
【図２５】センサー製造のためのプロセスを示す図である。
【図２６】硫酸内の金電極の電気化学的洗浄を示す図である。
【図２７】（Ａ）レーザースクライビングされた相互嵌合アレイを示す図である。（Ｂ）５ミクロンのレーザースクライビング線を通り輝く光を示す拡大図である。
【図２８】長期にわたるＡｕ電極へのＳＡＭの吸着を示す図である。
【図２９】エポキシ樹脂で被覆された４０ミクロンの先端を示す図である。
【図３０】（Ａ）チオール−金の化学反応によるＳＡＭへの化学的添加を示す図である。（Ｂ）導電性高分子の電気化学的析出、それに続くプローブの連結を示す図である。（Ｃ）捕捉剤の多重化のための、導電性高分子に対する異なるプローブの制御された電気化学的析出を示す図である。
【図３１】センサーアレイの先端に対する、１ミクロンの活性の青色ポリスチレンビーズの添加を示す概念図である。
【図３２】センサーアレイの先端に共有結合的に添加したビーズを示す図である。
【図３３】金めっきしたニッケルの１ミクロンのセンサーアレイを示す図である。
【図３４】相互嵌合電極の先端間の電位分布および電流フローを示す図である。
【図３５】それらの間がレーザースクライビングされた、交互に位置する作用電極およびカウンター電極の相互嵌合トラックを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
本発明は、センサー、電気化学および触媒作用を含む各種用途に用いる様々なサイズの
アレイの開発に関する。本発明は、特に、ミリメートルからナノメートル（包括的）スケ
ールにおける機能化可能エリアを備えているアレイを製造するための方法に関する。これ
らの機能化可能エリアは、好ましくは導電性であり（ただし、そうでなくてもよい）、ア
レイの表面において隔間されるが、それらを隔てるのに用いられる物質の下方で接合され
る。それらは任意の形状またはサイズでもよく、多数の用途に応じて（他のオプションの
中から）センサーまたは触媒部位を形成するように機能化可能である。用途の例は、酵素
触媒還元または酸化反応（たとえば、グルコース酸化酵素）の検出、溶液内の酸化可能種
（たとえば、金属、金属酸化物、有機種）の直接検出、適切なハプテンがアレイ表面に添
加された抗体、ＤＮＡ、細胞または小分子の検出、および結合表面とカウンター電極との
間の抵抗または電気化学反応の変化の測定を含む関連する電気化学的方法による、それら
の相補的な抗原の検出および結合を含む。それぞれの場合、標的検体の濃度は、導電性の
連続的な３Ｄのアレイ表面を通り抜ける電流レベルに関連する。
【００４５】
本発明のマイクロアレイは、機能化可能エリアが形成される基板材料からなると広範に
は言うことができる。したがって、本発明は第一の態様において、基板材料層、アレイと
して用いるための、機能化可能な、基板層上の連続的な３Ｄ表面層、および不活性物質を
含むマイクロアレイ構造を提供する。この構造は機能化可能エリアを含み、このエリアは
、連続的な３Ｄ表面層の一部分であり、不活性物質によって隔間されるが、連続的な３Ｄ
表面層によって構造内で相互接続される。
【００４６】
本明細書で用いる「基板材料層」（本明細書では基板材料と呼ぶ）は、本発明のマイク
ロアレイの基部を指す。これは可塑性のものでも剛体でもよく、好ましくは、マイクロメ
ートルからミリメートルスケールにおける範囲の厚さの平面である。当業者に公知のよう
に、基板材料の厚さは、主として、適した処理を確実に行うのに必要な厚さに決定される
。状況によっては、基板材料は光学的に透明にもすべきである。それ故に、好ましくは、
基板材料は、約５０ミクロン〜約２ｍｍの厚み、約５００ミクロン〜約２ｍｍの厚み、ま
たは約５０ミクロン〜約１００ミクロンの厚みである。好ましくは、基板材料はポリマー
材料である。あるいは、基板材料は、導電性材料でもよいし、不活性の非導電材料でもよ
い。基板材料層が不活性である場合には、絶縁材としても機能できる。本発明で用いる好
適な可撓性材料の例は、熱可塑性ポリウレタン樹脂、ゴム、シリコーンゴムおよび可撓性
エポキシ樹脂を含む。本発明で用いる好適な剛体の基板材料の例は、ガラス、ＰＭＭＡ、
ＰＣ、ＰＳ、セラミック、樹脂、複合材料および弾性エポキシ樹脂を含む。下により詳細
に論じるように、基板材料は、金、銀、ニッケルなどの金属または同種のものからも形成
できる。
【００４７】
本明細書で用いる「機能化可能エリア」は、不活性物質を通り突出する、あるいは他の
形態で露出する、または単に露出する、それ故にユーザの所望に応じて機能化可能な、本
発明のマイクロアレイの一部分を包含するものとして広範には解釈されるべきである。不
活性物質は、不活性物質を通して突出するとその物質の上方に露出できる。機能化可能エ
リアは、ユーザの所望に応じた任意の形状に形成でき、好ましくは、本発明のマイクロア
レイの基板材料の一部分として形成された（ナノメートルからミリメートルのサイズの）
３次元（３Ｄ）柱状構造の最上部表面または先端を形成する。しかしながら、当業者は、
機能化可能エリアが、本発明のマイクロアレイの基板材料の一部分として形成された３Ｄ
リブ状構造の最上部表面も形成できることを理解するであろう。
【００４８】
明細書全体を通じて、３Ｄへの言及は、３次元構造、文脈によっては３次元被覆構造を
意味するように解釈されるべきである。ここでの３次元構造は、柱状構造またはリブ状構
造の形態である。
【００４９】
機能化可能エリアは、好ましくは、ミリメートルからナノメートルのスケール範囲のサ
イズである。より好ましくは、機能化可能エリアは、約１０ｎｍ〜約１ミクロンのサイズ
、より好ましくは約２００ｎｍ〜約１ミクロンのサイズである。同様に、個々の機能化可
能エリア間の空間は、ミリメートルからナノメートルのスケールでもよい。
【００５０】
本発明の一実施形態では、機能化可能エリアは、所望のスケールにおいてマイクロアレ
イの表面上に画定されたパターンを形成するという点において正確に画定されたエリアで
ある。これにより、ユーザまたはコンピュータプログラムが、マイクロアレイの表面上の
明確な機能化可能エリアを正確に特定し、所望の測定を行うことが可能になり、かつマイ
クロアレイの表面上の選択された機能化可能エリアのみの機能化が可能になる。あるいは
、機能化可能エリアは、本発明のマイクロアレイの表面上にランダムに配置される。
【００５１】
図１は、基板材料２の表面を、所望のスケールにおいて正確に画定された所望の３Ｄパ
ターンに成形するためのエンボス加工技術の使用を図式的に示す。図１は、これを達成す
るためのスタンプの使用を示す。最初に、スタンプ１を所望のパターンのネガティブパタ
ーンに形成する（図１Ａ）。このパターンは、繰り返しの三角形として図１に示す。しか
しながら、このパターンは、ユーザの所望に応じて他のオプションに置き換えることがで
きる。パターンは同じ形である必要はない。エンボス加工によって、基板材料２の表面か
ら延伸する先端６を作り出し、それ故に、それらの先端６間の所望の空間も形成する。ス
タンプ１は、通常、シリコンまたはニッケルから作られる。しかしながら、これはこの方
法で使用できる任意の好適な材料から形成できる。次に、スタンプ１を使用して基板材料
２を所望のパターンにエンボス加工する（図１Ｂ）。明らかなように、エンボス加工技術
は周知であり、所望の基板材料に適切かつ正確に画定されたパターンを形成するのに多く
の他のオプションが利用可能である。これらは、鋳造、スタンピング（図７Ｃ）、エッチ
ング、研削、リソグラフィー、加圧成形、真空成形、ロール成形（図７Ａおよび図７Ｂ）
、射出成形、ならびにレーザースクライビング／アブレーションを含み得る。ミリメート
ル／ナノメートルスケールにおける正確に画定されたパターンを形成するための他の好適
な方法が当業者に公知であろう。
【００５２】
次に、３Ｄパターニングされた基板材料２を、スタンプ１から引き離し、被覆層３で被
覆し、３Ｄの被覆およびパターニングされた構造４を形成する（図１Ｃ）。被覆ステップ
によって、基板材料２全体に連続的な単一の３Ｄ表面が形成される。
【００５３】
本明細書で用いる「連続的な３Ｄ表面層」（本明細書では連続的な３Ｄ表面と呼ぶ）は
、導電性材料または炭素系材料から形成することができ、ポリマー基板材料２全体にわた
る大きな連続的な薄板に製造できる被覆層３を指す。それ故、連続的な３Ｄ表面（被覆層
３）は、基板材料２と隔間され、基板材料２と不活性物質７との間に効果的に存在する（
図３に最もよく示す）。被覆層３（連続的な３Ｄ表面）は、好ましくは、約１ｎｍ〜約５
ミクロンの厚みであり、より好ましくは約３ｎｍ〜約１００ｎｍの厚みであり、より好ま
しくは約５ｎｍ〜約１００ｎｍの厚みであり、より好ましくは約５ｎｍ〜約５０ｎｍの厚
みである。好ましくは、被覆層３（連続的な３Ｄ表面）は、基板材料２を覆う単一層であ
る。あるいは、被覆層３（連続的な３Ｄ表面）は、レーザースクライビング、さもなけれ
ばリソグラフィーなどの技術を使用して切断され、基板材料２上に複数個の隔間された連
続的な３Ｄ表面層セグメントを与える。隔間された各々の連続的な３Ｄ表面層セグメント
は複数個の機能化可能エリアを含み、これによりマイクロアレイの表面が複数個の機能化
可能エリアのグループを含む（図６Ｆ）。好ましくは、機能化可能エリアの各グループは
機能を分離することができる。好ましくは、被覆層３（連続的な３Ｄ表面）は導電性材料
から形成され、好ましくは金属から形成される。本発明の被覆層３として用いる好適な金
属は、とりわけ、金、白金、銀、ニッケルおよび銅を含む。あるいは、被覆層３は、炭素
系材料、好ましくは、炭素繊維、カーボンペースト、グラファイト、グラフェン、ガラス
状炭素、カーボンナノチューブ、ならびにポリピロールおよびポリチオフェンなどの導電
性高分子などから形成される。
【００５４】
連続的な３Ｄ表面（被覆層３）の塗布は、多くの方法によって行うことができる。この
ような方法は、これらに限定されないが、スパッタリング、蒸着または無電解析出を含む
。連続的な３Ｄ表面は、本明細書において後に記述するように、シード層として使用する
ことができる。
【００５５】
連続的な３Ｄ表面（被覆層３）は、通常、基板材料２への付着を促進するための接着層
（図１には示さず）を含む。この接着層は、それ故に、連続的な３Ｄ表面層と基板材料と
の間に位置する。接着層の形成に用いられる好適な付着材料が当業者に公知であろう。こ
れらのオプションは、付着を高めるための、表面粗さを増大するような表面のプラズマ処
理、クロムまたはバナジウムの薄層（ナノメートル）の堆積、およびチオールまたはアミ
ンのプラズマ堆積または共有結合を含むであろう。
【００５６】
本発明者らは、本発明のマイクロアレイの構造が連続的な３Ｄ表面を含有することによ
って、当技術分野において公知の他のマイクロアレイよりも機能的および構造的柔軟性が
改善したことを見出した。特に、連続的な３Ｄ表面により、本発明における多くの重要な
機能の任意の一つを達成できる。例として、３Ｄ表面は基礎をなす基板材料２（図１）を
保護する。３Ｄ表面はまた、本発明のマイクロアレイの機能化可能エリアにおける結合化
学物質の添加も促進する。３Ｄ表面が導電性材料から形成された場合には、機能化可能エ
リアにおけるマイクロアレイの表面に電気化学反応を生じさせることが可能になる。３Ｄ
表面が導電性材料から形成された場合はまた、確実に、機能化可能エリアを互いに導電的
に相互接続することもできる。本明細書で用いる「導電的な相互接続」は、アレイの隔間
された機能化可能エリアにおける互いの電気通信、ならびに電圧メータ、ポテンシオスタ
ット、ガルバノスタット、インピーダンスアナライザなどの電気分析装置、および当業者
に公知であるような電流を測定できる任意の他の装置を用いた電気通信を指す。連続的な
３Ｄ表面（被覆層３）が基板材料を覆う単一層である場合には、それを一点のみで電気分
析装置に接続することができる。あるいは、連続的な３Ｄ表面（被覆層３）が隔間された
連続的な３Ｄ表面層セグメントにレーザースクライビング、さもなければ切断された場合
には、各セグメントはより幅広のアレイ構造内の他のセグメントと必ずしも相互接続する
必要はなく、各セグメントは、電気分析装置に接続してアレイ内に個々の電極を与えるこ
とができる。図６Ｆはそのような配置を示す。この文脈において「連続的な３Ｄ表面」と
いう場合、そのようなオプションを含むことが意図される（すなわち、アレイ構造内に複
数個の連続的な３Ｄ表面が存在し得る）。
【００５７】
被覆層３（連続的な３Ｄ表面）の選択として、金がこれらの機能のすべてを達成する。
本発明のいくつかの実施形態では、被覆層３も透明である必要があり得る。この場合でも
、金は透明となることができる。当業者は、他の導電体（例として、銀、白金、ならびに
ポリピロールおよびポリチオフェンなどの導電性高分子）も、前述の機能を達成できるこ
とを簡単に理解する。同様に、非導電材料（例として、グラフェンおよびカーボンナノチ
ューブ）が、連続的な３Ｄ表面の、前述の機能の少なくとも大部分を達成できる。
【００５８】
前述の通り、金は、本発明の連続的な３Ｄ表面として用いるのに好ましい被覆材である
。なぜならば、高導電性を有し（それ故に、電極として機能できる）、不活性であり、硫
黄との強い共有結合を形成し、容易に基板材料に堆積し、化学反応が周知であり、そして
利用が簡単であるからである。金は厳しい化学洗浄処理に耐え得、これにより確実に、本
発明のアレイを２回以上使用することができる。
【００５９】
本明細書で用いる「不活性物質」は、個々の機能化可能エリアを互いから物理的に隔て
る可撓性材料または剛体材料を指す。それ故、不活性物質は、機能化可能エリアがそこを
通り、またはそこから突出する、あるいは他の形態で露出する「不活性表面」を形成する
。それ故に、連続的な３Ｄ表面（被覆層３）の隔間されたエリアを露出し、したがって、
それらのエリアを所望のように機能化することが可能になる。この配置では、アレイは３
Ｄアレイのままである。あるいは、機能化可能エリアは、突出しないが、不活性物質表面
と位置を合わせされ、機能化可能エリアを含む２Ｄ（２次元、すなわち、平坦な）表面を
形成する。
【００６０】
本発明で用いる好適な不活性物質は、これらに限定されないが、エポキシ樹脂、塗料な
どのスプレー塗布可能物質、二酸化ケイ素、またはＳＵ−８などのフォトレジスト材料を
含む。エポキシ樹脂またはフォトレジスト材料は、通常、可塑性が要求されない場合に使
用される。不活性物質は、チオール末端分子の固体薄膜もしくは単分子層、またはレーザ
ー場において周知の自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）からも形成できる。ＳＡＭは、通常は
一端が−ＳＨ官能基が末端となるが、様々な他の官能基、これらに限定されないが、−Ｃ
Ｈ３、−ＯＨ、−ＣＯＯＨ、−ＮＨ２、−ＣＮおよびＣＨＯを含む他の官能基も末端とな
り得るアルキル鎖を含む。官能基の選択は、本発明のマイクロアレイに結合する標的種に
応じて決まる。不活性物質は、絶縁材としても機能でき、充填材または絶縁層とみなすこ
ともできる。
【００６１】
本発明に用いる不活性物質に応じて、その塗布には、既知の厚さへのマイクロアレイの
被覆層３のスピンコーティングが必要となり得る。この塗布方法を利用する場合には、次
に、紫外線下で不活性物質をクロスリンクし、反応性イオンエッチングによって不活性物
質をエッチバックすることによって個々の機能化エリアを露出させる。不活性層を塗布す
るための数々の代替的な方法が当業者に公知であろう。これらの方法は、これらに限定さ
れないが、スプレーコーティング後の機能化されるエリアからの不活性物質の（例として
、先端をふき取ることによる）物理的除去、塗布されると先端から出て、３Ｄアレイの溝
内に流れる希釈した被覆材の被覆層３へのスプレーコーティング、およびＳＡＭ単分子層
の浸漬コーティング後の先端におけるＳＡＭの物理的除去を含む。
【００６２】
本発明の第一の態様のマイクロアレイは、（前述の）微小電極センサーに機能化可能で
ある。これは微小触媒アレイとしても機能できる。本発明のアレイの潜在的使用に関する
さらなる考察を以下に論じる。
【００６３】
本発明は第一の態様の一実施形態において、中間体構造４から形成された連続的な３Ｄ
表面層を含む正確に画定され機能化可能なアレイを提供する。ここでもまた、アレイの個
々の機能化可能エリアは不活性物質の層によって隔間され、機能化可能エリアがそこを通
り、またはそこから突出する、あるいは他の形態で露出する不活性表面を与え、そして個
々の機能化可能エリアが連続的な３Ｄ表面によって相互接続される。好ましくは、個々の
機能化可能エリアは、連続的な３Ｄ表面によって導電的に相互接続される。中間体構造は
、アレイの基部を形成する。
【００６４】
したがって、本発明は第二の態様において、本発明の第一の態様に係る、正確に画定さ
れ機能化可能なアレイの製造に用いる中間体構造４を提供する。中間体構造は、ミリメー
トルからナノメートルのスケールの正確に画定された３Ｄパターンを含む基板材料層２か
ら形成される。３Ｄパターンのすべてまたは一部分は、被覆層３で被覆され、アレイとし
て用いるための、機能化可能な、基板材料層２上の連続的な３Ｄ表面層を形成する。実質
的にすべてのパターニングされたエリアを被覆層３（連続的な３Ｄ表面）で覆うことが好
ましい。場合により、中間体構造４は、被覆層３（連続的な３Ｄ表面）と基板材料２との
間に接着層を含む。
【００６５】
場合により、中間体構造４は、被覆層３と基板材料２との間に接着層を含む。
【００６６】
図１Ｃは、本発明の第二の態様の中間体構造４を示す。図２Ａは、５０ミクロンの金め
っきが施されパターニングされた基板材料を示す。一方、図２Ｂは、本発明に従う１０マ
イクロの金めっきが施されパターニングされた基板材料を示す。両方共に「中間体」構造
４である。
【００６７】
中間体構造４は、大きな連続的な薄板においてアレイと別々に製造でき、それ故、スケ
ールメリットがユーザに与えられる。被覆およびパターニングされた材料のこれらの大き
な連続的な薄板は、ミリメートルからナノメートル（包括的）スケールにおける（任意の
所望の様式、すなわち直線、円弧、ランダムの）正確に画定された３Ｄパターンを含む。
したがって、本発明は第三の態様において、正確に画定され機能化可能な隔間されたエリ
アを有するアレイをそれから形成できる、連続的な３Ｄ表面層を含む本発明の第一の態様
に係る中間体構造を形成するための方法を提供する。この方法は以下のステップを伴う。
ａ．ミリメートルからナノメートルのスケールで正確に画定された３Ｄパターンを、基
板材料の表面上に配置するステップと、
ｂ．パターニングされた基板材料の少なくとも一部分を連続的な３Ｄ単一被覆層で被覆
するステップ。
【００６８】
好ましくは、被覆層３は、基板材料のパターニングされたエリアの実質的にすべてを覆
い、連続的な３Ｄ表面層を形成する。
【００６９】
場合により、方法は、基板材料２と被覆層３との間に接着層を追加するステップを含む
。
【００７０】
（図１Ｃに示すような）中間体構造４の基板材料は、好ましくは不活性ポリマー材料か
ら形成される。しかしながら、前述の通り、熱可塑性ポリウレタン樹脂、ゴム、シリコン
ゴム、エポキシ樹脂、ＰＭＭＡ、ＰＣ、ＰＳ、セラミック、樹脂および複合材料を含む、
使用できる多くの他の好適な可撓性および非可撓性材料がある。基板材料の表面上にミリ
メートルからナノメートルのスケールで正確に画定された３Ｄパターンを配置するための
好適な技術は、前述の技術、そしてエンボス加工、鋳造、スタンピング、エッチング、研
削、リソグラフィー、加圧成形、真空成形、ロール成形、射出成形、ならびにレーザース
クライビング／アブレーション技術を含む。
【００７１】
あるいは、（図１Ｃに示すような）中間体構造４は、形状、サイズおよび費用制限に応
じて、金、銀、ニッケルなどの金属または同種の金属の単層から形成できる。次に、金属
表面を所望の３Ｄパターンにエンボス加工（あるいは他の方法で、パターニング）できる
。この場合も、所望のパターンに金属表面を形成するための好適な技術は、前述のように
鋳造、スタンピング（図７Ｃ）、エッチング、研削、リソグラフィー、加圧成形、真空成
形、ロール成形（図７Ａおよび図７Ｂ）を含むことができる。他の好適な方法が当業者に
公知であろう。
【００７２】
第二の態様の中間体構造４を使用して、３つの方法のうちの１つによって本発明のアレ
イを形成できる。第一の方法では、中間体構造４における３Ｄパターンの（先端の形態を
示す）機能化可能エリア６間の個々の空間５（図３Ｃ）を、不活性物質７で充填する。こ
の方法の使用時は、不活性物質は、本質的に充填材または絶縁層として作用し（図３Ｆ）
、中間体構造４の機能化可能エリアまたは先端６が、そこを通り突出するか、露出する不
活性表面８を与える。図３Ｆは、不活性物質７としての固体薄膜の使用を示す。それ故、
機能化可能エリアまたは先端６は、互いから隔間され、所望のように機能化可能である。
したがって、それらは一旦機能化されると、アレイ形態において機能化エリア（たとえば
、センサー部位）となる。図３Ｇは、図３Ｆの機能化可能なアレイの概略平面図を示す。
機能化可能エリアまたは先端６は、中間体構造４の被覆層３（連続的な３Ｄ表面）による
互いの接続を維持する。しかしながら、中間体構造４の被覆層３のすべてを不活性物質７
で覆う必要はない。その結果、被覆層３の覆われてないそれらのエリアは、先端６との電
気的接続に利用できる。
【００７３】
それ故に、本発明は第四の態様において、本発明の第一の態様に係るアレイとして機能
化可能な構造を形成するための方法を提供する。この方法は、本発明の第二の態様に係る
中間体構造４を得るステップと、中間体構造４における３Ｄパターンの先端６間の個々の
空間５を不活性物質７で充填することによって、機能化可能エリアを形成する先端６がそ
こを通り突出する、あるいは他の形態で露出する不活性表面８を与えるステップとを含む
。したがって、隔間されているが相互接続され、好ましくは導電的に相互接続された、正
確に画定されたパターンにおける機能化可能エリアを有する連続的な３Ｄ表面層を含むア
レイが形成される。
【００７４】
任意で、機能化可能エリアが突出した場合に、突出エリアの先端６を、不活性物質７の
表面８と位置を合わせて切り取り、隔間されているが相互接続された機能化可能エリアを
含む２Ｄ表面を形成できる。場合により、不活性物質の一部も取り除く。
【００７５】
あるいは、第二の方法では、中間体構造４に、３Ｄパターンの機能化可能エリアまたは
先端６を覆うのに十分な量の不活性物質７を追加できる。次に、不活性物質７を（エッチ
ング、摩耗、化学的手法またはプラズマ技術により）部分的に取り除き、中間体構造４に
おける３Ｄパターンの機能化可能エリアまたは先端６を露出させる。この方法は、機能化
可能エリアまたは先端６が不活性物質７の上方に突出しないような２Ｄ表面を得る手段を
提供する。露出した機能化可能エリアまたは先端６は、不活性物質７によって互いから隔
間されるが、中間体構造４の被覆層３による構造内の相互接続、好ましくは導電的な相互
接続は維持する。
【００７６】
それ故に、本発明は第五の態様において、本発明の２Ｄマイクロアレイ構造を形成する
ための方法を提供する。この方法は、中間体構造４を得、中間体構造４における３Ｄパタ
ーンを不活性物質７で覆うステップと、十分な量の不活性物質７を取り除き、３Ｄパター
ンの機能化可能エリアまたは先端６のみを露出させるステップとを含む。
【００７７】
前述のいずれかの方法で形成されたアレイは、（不活性である）基板材料２と、ミリメ
ートルからナノメートルのスケールで３Ｄパターニングされ、パターニングされたエリア
の少なくとも一部分にわたり連続的な３Ｄ表面を形成する被覆層３と、不活性物質７の層
とから形成された中間体構造４を含む。この不活性物質７の層が、連続的な３Ｄ表面上で
層になり、中間体構造４の３Ｄパターンにおける機能化可能エリアまたは先端６間の空間
５を充填することによって、３Ｄパターンの機能化可能エリアまたは先端６が、そこを通
りまたはそこから突出する、あるいは他の形態で露出する不活性表面８を与える。前述の
通り、機能化可能エリアまたは先端６は、不活性物質７によって隔間されるが、３Ｄパタ
ーニングされたエリアの少なくとも一部分（好ましくは、パターニングされたエリアの実
質的にすべて）にわたり存在する被覆層３（連続的な３Ｄ表面）を介して連続的に相互接
続される。
【００７８】
図４Ａに示すように、アレイの電気的に絶縁されたグループは、前述の方法にレーザー
スクライビングプロセスを組み合わせても形成できる。個々の機能化可能エリアまたは先
端６間の被覆層３（連続的な３Ｄ表面）は、（図４Ｂ、図４Ｃ、図５Ａ、図５Ｂおよび図
６Ｆに２０で示すように）エッチングされる。これにより単一のセンサーチップが、カウ
ンター電極、参照電極、酸化還元電極、および作用電極を含むことができる個々のアドレ
ス可能なエリアを有することが可能になる。レーザー線の形状は制限されない。しかしな
がら、レーザー線の幅は、約１〜約１００ミクロンであることが好ましい。個々のアドレ
ス可能なエリア、または隔間された微小電極アレイは、多くの様式に構成できる。その２
つの例を図４Ｂおよび図４Ｃに示す。図４Ｂでは、微小電極アレイは、カウンター電極２
２によって隔間された２つの作用電極２１ａ，２１ｂ、ならびに参照電極２３を含む。図
４Ｃでは、微小電極アレイは、３つの作用電極（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）、カウンター
電極２２、参照電極２３、ならびに酸化還元電極２４を含む。カウンター電極が、作用電
極２１ａと、作用電極２１ｂおよび参照電極２３とを隔て、併せて、酸化還元電極２４が
、作用電極２１ｂと作用電極２１ｃとを隔てる。隔間された微小電極アレイは、各々が作
用電極２１として機能するようにも配置できる。
【００７９】
第三の方法では、被覆層３（図３Ｃ）がシード層として作用する。中間体構造４を電気
めっき浴内に配置して、被覆層３（連続的な３Ｄ表面）を電気化学的に成長させる。それ
故に、この方法を利用する場合に、被覆層３（連続的な３Ｄ表面）が導電性であり、利用
される金属が、被覆層３（連続的な３Ｄ表面）に電気化学的に堆積できることが好ましい
。被覆層３（連続的な３Ｄ表面）は、電気化学的に成長し、中間体構造４の機能化可能エ
リアまたは先端６を少なくとも実質的に覆う金属層９を形成する（図３Ｄ）。金属層９は
、中間体構造４の被覆層３を包み込み、それ故受け入れ、次に、構造４の他の要素から分
離することによって、金属ネガティブ３Ｄパターン１０を与える（構造４のネガティブパ
ターン（図３Ｅ））。金属ネガティブ１０におけるネガティブ３Ｄパターンの機能化可能
エリアまたは先端１２間の個々の空間１１が、次に、不活性物質７で埋め戻されることに
よって、金属ネガティブ１０の先端１２がそこを通りまたはそこから突出する、あるいは
他の形態で露出する平坦面８を与える（図３Ｈおよび図３Ｇ）。この場合も、この方法の
使用時に、不活性物質７は本質的に充填材または絶縁層として作用する。また、先端１２
が不活性物質７から突出する場合には、それらを不活性物質７の表面８と位置を合わせて
切り取り、隔間されているが相互接続された機能化可能エリアを含む２Ｄ表面を形成でき
る。機能化可能エリアまたは先端１２は、不活性物質７によって隔間され、アレイ形態に
おける機能化エリア（たとえば、センサーまたは触媒部位）を形成するように所望のよう
に機能化可能である。
【００８０】
したがって、本発明は第六の態様において、ミリメートルからナノメートルのスケール
の機能化可能エリアの正確に画定された３Ｄパターンを有する連続的な３Ｄ表面層を含む
アレイを形成するための方法を提供する。この方法は
ａ．中間体構造４の連続的な３Ｄ表面層を電気めっきし、中間体構造４における３Ｄパ
ターンの先端１２（好ましくは３Ｄパターンの少なくとも実質的にすべて）を覆う金属層
９を形成するステップと、
ｂ．金属層９と中間体構造４の基板材料２とを分離し、中間体構造４における３Ｄパタ
ーンのネガティブ構造（「ネガティブ３Ｄパターン」）を含む金属ネガティブ構造１０を
形成するステップと、
ｃ．金属ネガティブ構造１０のネガティブ３Ｄパターン内の先端１２間の空間１１を不
活性物質７で埋め戻すことによって、ネガティブ３Ｄパターンの先端１２が、そこを通り
またはそこから突出する、あるいは他の形態で露出する不活性表面８を与えるステップと
を含む。
【００８１】
任意の金属を電気めっきステップに利用して金属層９を形成できる。ニッケルが、超硬
および延性金属であり、めっき金属として一般に用いられるため使用に好ましい。
【００８２】
図３Ｇは、金属ネガティブ１０のネガティブパターンにおける機能化可能エリア、また
は先端１２間の個々の空間１１の充填によって形成された機能化可能なアレイ（図３Ｈ）
の概略平面図を示す。したがって、金属ネガティブ１０は、マイクロアレイ構造の基板材
料層として作用する。本発明は、それ故に、本発明の第六の態様の方法で形成された機能
化可能なアレイにまで及ぶことができる。
【００８３】
それ故に、本発明は、（導電性または非導電性の）連続的な３Ｄ表面で被覆できる導電
性基部および／または不活性物質７を含む、隔間された機能化可能エリアを形成するマイ
クロアレイも提供する。
【００８４】
前述からわかるように、中間体構造４（図３Ｃ）を使用する前述の方法では、図３Ｇに
示すのと同じ平面図のアレイが生じる。
【００８５】
ここしばらくの間、ミリメートルからナノメートルのスケールで正確に画定されたアレ
イを形成する能力にはアレイフィールドにおける課題がある。特にナノメートルスケール
の小さなサイズにおける未解決の課題には、正確な定量分析および／または定性分析の取
得を求める場合に特有の問題が生じることがある。本発明は、そのようなアレイの生成に
おける経済的手法を提供する。
【００８６】
図３Ｆおよび図３Ｈから明白、かつ前述のように、アレイにおける（先端６および１２
によって形成された）隔間された機能化可能エリアは、不活性物質７の下方で連続的な３
Ｄ表面（すなわち、被覆層３または金属ネガティブパターン１０）を介して相互接続され
る。連続的な３Ｄ表面が導電体（例として、金）から形成される場合には、隔間された機
能化可能エリアは、前述のように互いに導電的に相互接続され、それ故に、相互接続され
るが隔間された導電性の孤立部分として作用する。また、前述の通り、より幅広のアレイ
構造内で機能化可能エリアの個々の隔間された区画を形成するように、連続的な３Ｄ表面
を個々のセクションにレーザースクライビング、さもなければ切断できる。導電体の使用
により、本発明の方法で形成されたアレイを、前述の微小電極アレイを形成するように機
能化可能である。それ故に、アレイ全体が単一の微小電極として機能できる。あるいは、
アレイは、連続的な３Ｄ表面が隔間された区画に切断された場合に、複数の個々の電極を
含むことができる。相互接続は、微小電極アレイにおける隔間された部位のチャージ機能
の効率化も可能にする。微小電極アレイは、図６に示すような各種のタイプでもよく、そ
のタイプには
アレイが順序付けられたまたはランダム方式で配置できるマイクロディスク電極アレイ
、
マイクロバンド電気アレイ、
平面でも垂直でもよい相互嵌合の微小電極アレイ、
線形の微小電極アレイ、および
３Ｄ微小電極アレイが含まれる。
【００８７】
微小電極アレイとして機能する場合に、連続的な３Ｄ表面が電気分析装置に接続され、
電解液と電気接触し、電流を溶液中に流すことが可能になる。電解液中の標的種がマイク
ロアレイの機能化されたエリアに結合し、それ故に、電流フローを援助または妨害する。
この方法では、標的種は微小電極アレイによって「検知」される。標的種に特有の捕捉剤
を微小電極アレイの機能化可能エリアに加えることによって、この相互作用を援助するこ
ともできる。個々の微小電極アレイを互いに対するカウンター電極として使用することに
よって、それぞれの個々の機能化されたエリア間に電流を流し、電流を測定することもで
きる。
【００８８】
導電性の連続的な３Ｄ表面（被覆層３）の使用により達成された電気通信によって、本
発明のアレイが、アレイの表面全体を通る試料の酸化還元環境を洞察することも可能にな
る。例として、アレイを使用して、試料の酸化還元環境が酸化的であるか還元的であるか
（それ故に、抗酸化反応エレメントの同等物の定着が可能であるか）、または過酸化物ま
たはラジカルが存在しているか否かを確かめることができる。
【００８９】
連続的な３Ｄ表面（被覆層３）を個々の隔間された区画またはエリアに切断するための
、レーザースクライビングまたはリソグラフィーなどの技術の使用により、本発明のマイ
クロアレイに、多重化アレイ（図６Ｆ）として機能する能力も与えられる。これにより複
数の検体またはバイオマーカーの同時試験または測定が実施される。そのようなシステム
は、特定の疾病、臓器またはシステムに関わる公知のバイオマーカーの検出に使用できる
。これによりまた、ユーザが、異なる目的のための公知の多くのセンサー部位を隔てるこ
とも可能になる。
【００９０】
ユーザが非導電性の（さもなければ、機能化されていない）隔間されたエリアの作成を
望む場合には、非導電性被覆材３を利用できる、または金属ネガティブ１０を非導電層で
被覆できる。
【００９１】
（図３Ｇに６／１２で特定される）隔間された機能化可能エリアは、多くの他のアレイ
用途にも使用できる。例として、これらのエリアは、各種の微量反応を起こす触媒として
作用する、または対象となる様々な標的生体分子または化合物に対応するセンサーとして
作用するように機能化可能である。他の好適な使用が当業者に公知である。エリアを機能
化する手段も、本発明を入手した当業者に周知であろう。
【００９２】
したがって、本発明は、アレイとして用いるための、機能化可能な連続的な３Ｄ表面を
含む構造を提供する。この構造は、サイズがミリメートルからナノメートルである、正確
に画定され機能化可能な隔間されたエリアを含む。機能化可能エリアは、（絶縁体として
も機能できる）不活性物質７によって隔間されるが、構造内で連続的に相互接続される。
好ましくは、機能化可能エリアは、構造内で３Ｄ被覆層３によって連続的に相互接続され
る。好ましくは、機能化可能エリアは導電性である。
【００９３】
本発明は、アレイとして用いるための、機能化可能な連続的な３Ｄ表面を含む中間体構
造４も提供する。この中間体構造４は、少なくとも一つの表面上にミリメートルからナノ
メートルのスケールで正確に画定された３Ｄパターンを含む。中間体構造４は、３Ｄパタ
ーンの先端６がそこを通り突出、あるいは他の形態で露出する表面８を形成する、３Ｄパ
ターンの先端６間の不活性物質７も含む。したがって、３Ｄパターンの先端６は、不活性
物質７によって隔間され、連続的な３Ｄ表面によって中間体構造４において相互接続され
る。
【００９４】
「正確に画定された」という場合、３Ｄパターン（または、２Ｄパターン）が、既知パ
ターンにおける既知の予め定められた（または、計算可能な）多くの機能化可能エリアを
含むことを意味する。当然ながら、パターンをランダム化することが可能である。正確に
は、機能化可能エリアのサイズおよび／または位置が予め定められ、構造に正確に盛り込
まれるという概念も含まれる。
【００９５】
前述の通り、本発明のマイクロアレイは、微小電極アレイ、微小触媒アレイ、および対
象となる様々な標的生体分子または化合物に対応するセンサーとして用いるのに好適であ
る。
【００９６】
本発明のマイクロアレイ（それ故に、導電性の連続的な３Ｄ表面層を含む）を微小電極
アレイとして使用する場合には、標的検体に特有の捕捉剤を添加することによってアレイ
は機能化されるであろう。好適な捕捉剤の例は、小分子、抗体および一本鎖ＤＮＡを含む
。他の捕捉剤が当業者に公知であろう。捕捉剤をアレイに添加するための数々の方法があ
る。添加方法には、通常、当業者に公知であるような、標準的な結合方法を使用して捕捉
剤が結合する、末端カルボキシルまたはアミノ基を有するリンカー分子の初期添加が含ま
れる。この方法は、その開示が参照により含まれる、関連する同時係属中のＰＣＴ出願第
ＰＣＴ／２０１１／００００５２号にも記述されている。本発明の微小電極アレイの使用
のための好適な用途は、小分子バイオマーカー、タンパク質、ＤＮＡ／ＲＮＡおよび有機
体の検出を含む。
【００９７】
本発明の微小電極アレイとの電気的接続は、通常、クリップを取り付けるか、微小電極
アレイの表面に伝わる溶液に接触しない電極の一部分に導体（導体ペースト、配線、リボ
ン）を押圧することによって行うことができる。
【００９８】
本発明のマイクロアレイを微小触媒アレイとして使用する場合には、好適な結合化学物
質をアレイの機能化可能エリアに最初に添加することが必須である。好適な結合化学物質
の添加は、導電性の連続的な３Ｄ表面層を使用する場所における結合化学物質の電気化学
的析出、および好適な官能基に機能化可能エリアをさらすことを含む多くの様式で達成で
きる。好適な官能基は、金属触媒（例として、白金またはパラジウム）、ＤＮＡ、ならび
にポリピロールおよびポリチオフェンなどの導電性高分子を含むことができる。そのよう
に生成された微小触媒アレイの異なる表面が、程度の差はあるが溶液中の種と反応する。
反応の組み合わせにより、溶液を電気化学的に特性づけることが可能になる。
【００９９】
実施例
実施例１：微小電極センサーのコンピュータモデリング
本発明の２つの個々の微小電極アレイの単一の機能化可能エリアまたは先端について一
連のコンピュータモデリング実験を実施した。図８に示すように、２つの微小電極アレイ
２５ａ，２５ｂを、互いに対して正確に位置合わせした。したがって、各々の微小電極ア
レイ２５ａ，２５ｂが、他のカウンター電極として作用していた。
【０１００】
これらの実験の狙いは、先端間に形成された異なる形状およびサイズの凝縮液滴のイン
ピーダンスプロファイルの計算であった。この値は、緩衝溶液の濃度、および電極間に形
成された液滴のサイズおよび形状に応じた値となった。２つの電極間の合計インピーダン
スは、電極−電解質界面におけるインピーダンスと、電解質溶液のインピーダンスとの和
である。システムの幾何学形状の変化に起因するインピーダンス変化を測定するために、
システムの合計インピーダンスを、２つの異なる幾何学形状に対応して修正したラプラス
の方程式を解くことによってシミュレートした。このモデルでは、界面インピーダンスが
、異なる幾何学形状でも一定であると仮定し、界面反応は考慮しなかった。
【０１０１】
１ＶのＡＣ電位を上部電極と下部電極との間に印加し、１ＫＨｚ〜１×１０６ＫＨｚの
周波数範囲における電流分布から合計インピーダンスを計算した。０．０２Ｓ／ｍの導電
率および８０の比誘電率を有する溶液として緩衝液を考慮した。結果を図９〜図１４に図
示する。これらの図は、電極間の距離、電極面積、および（先端間の液滴、または先端を
完全に覆う溶液のいずれかとしての）電解質容積を含む３つのパラメータをモデル化する
。結果を要約すれば、検出感度は電極間の距離および電極面積の両方に逆相関するが、ミ
クロンスケールにおいてはそれが電解質容積には顕著に影響されないことを示した。図９
に、２つの異なる先端幾何学形状を示す。図９Ａに液滴形成を示し、図９Ｂに電解液で充
填したチャンバを示す。インピーダンス結果を電位分布（図９および図１０）によって示
す。矢印は、２Ｄおよび３Ｄ領域における電流密度ベクトルを表す。
【０１０２】
図１１〜図１３は、様々なインピーダンス測定を示し、図１４は、２つの異なる幾何学
形状における周波数対インピーダンスを示す。
【０１０３】
バイオセンシング用途では、電極が捕捉剤で機能化されると仮定し、その結果、捕捉剤
を添加する前と後にインピーダンスを測定した。インピーダンスの変化は、主として電極
界面における変化が原因であった。界面の等価回路モデルは、（界面におけるイオンの拡
散に起因するワールブルクの原理を無視した）ランドル回路によって与えることができる
。界面および溶液インピーダンスとともにシステムの等価回路全体を図１５に図示する。
領域方程式および境界条件を図１６に示す。
【０１０４】
二重層容量（電荷を保存する本体の能力）の変動は、非ファラデー電気化学的インピー
ダンス分光法（ＥＩＳ）を用いて測定される。この測定は、酸化還元反応に起因する任意
の変化を無視し、二重層の厚さの変化に起因する容量変化の測定を含む。二重層の厚さの
変化に起因するシステムの合計のインピーダンス変化を決定するために、様々な二重層の
厚さ（Ｄｄｌ）においてモデルをシミュレートした（図１７、図１８および図１９）。す
べての事例において、電荷移動抵抗（Ｒｃｔ）は１Ｍオームに等しい。結果は、液滴検出
感度が、完全に埋もれたセンサー先端部を使用するよりもわずかだけよいことを表した。
【０１０５】
界面における変化を検出する第二の方法は、界面における酸化還元反応の測定によるも
のである。生物捕捉剤に起因して界面が変化すると、酸化還元反応の速度が変化する。こ
れにより界面における電流が変化し、その結果としてシステムのＲｃｔが変化する。Ｒｃ
ｔ値は、様々な異なる界面に応じて変動する。システムのインピーダンス変化を、様々な
Ｒｃｔにおいてシミュレートした。結果を図２０、図２１および図２２に図示する。結果
は、液滴の検出感度がより低周波においてわずかに優れていることを示す。
【０１０６】
コンピュータモデリング実験は、先端の寸法、および先端間の隔たりが小さくなると、
センサーアレイの検出感度がより大きくなることを示した。
【０１０７】
また、相互嵌合のパターニングによって、作用電極およびカウンター電極を並列で配置
するように設計も単純化した。したがって、構成される電気化学的に異なる電極（例とし
て、作用電極、カウンター電極および参照電極）をすべて、同じ微小電極アレイセンサー
チップに配置することができる。並列電極の突出部の電気化学的相互作用をモデル化し、
図８に示す構成される微小電極アレイと同様の結果が観測された。それ故に、要約すれば
、インピーダンス測定値は、作用電極とカウンター電極との間の距離、および作用電極の
直径に関連する（図３４）。
【０１０８】
実施例２：アレイ基板、中間体構造および物質の形成
前の説明は、隔間された機能化可能エリアまたは先端を有する本発明のアレイの形成に
おける異なる手法を記述する。図３Ｆでは、不活性物質７の薄層が、連続的な３Ｄ金属表
面全体に堆積し、３Ｄパターニングされた基板材料２の個々の先端間に位置した。図３Ｈ
では、厚い金属層９が基板材料２の連続的な３Ｄ表面全体にわたり、かつその上に堆積し
た。しかしながら、両方共、マイクロアレイの３Ｄパターンの先端が主に機能化する。
【０１０９】
以下に、本発明の第四、第五および第六の態様に係るマイクロアレイの開発を記述する
。
【０１１０】
第四および第五の態様に係るアレイの開発
図２３は、ＰＭＭＡにおいてエンボス加工された４０ミクロンの先端の写真を示す。こ
れらは、１００ミクロン間隔で等間隔に設けられ、高さは１００ミクロンである。ＰＭＭ
Ａ（非晶質高分子）は、処理が容易であり、高度に画定された３次元基板表面を与えるた
め、本発明で用いるのに好ましい基板材料である。
【０１１１】
センサーを製造するためのプロセス（図２４）は、
１．基板を金めっきして連続的な３Ｄ金表面（または、被覆層３）を形成するステップ
と、
２．個々の先端間に不活性物質７を堆積させるステップと、
３．先端だけに結合化学物質（−Ｘ）を添加するステップと、
４．先端にハプテン種を添加するステップと、を含む。
【０１１２】
１．金めっきしたポリマー基板の製造および洗浄
クロムの薄層（厚さ２〜３ｍｍ）を、接着層として作用するようにＰＭＭＡ基板上に堆
積させた。バナジウムも接着層としてクロムの代わりに使用できる。同様に、アミンおよ
びチオール化学物質が、表面への金の付着を促進するものとして公知である。
【０１１３】
次に、金をＰＭＭＡ基板にスパッタリングし、図２５に示す連続的な３Ｄ金表面を有す
る電極を生じさせた。電極を、０．５ＭのＨ２ＳＯ４中で１５秒間、１．６５Ｖ対Ａｇ／
ＡｇＣｌに保持し、その後０Ｖ〜１．６５Ｖの間をサイクルすることによって、電気化学
的に洗浄した。図２６は、標準的なＣＶ、ならびにそれぞれ１．１５Ｖおよび０．９Ｖに
おける安定な金の酸化および還元ピークを示し、それ故、金のＰＭＭＡ基板上への堆積を
支援する。このように形成された金めっき層３は、約７〜約４０ｎｍの厚さであった。次
に、金トラックをレーザースクライビングによって金に画定した。相互嵌合トラック２０
の例を図２７に示す（および、図４Ｂ、図４Ｃ、図５Ａ、図５Ｂおよび図６Ｆに２０とし
て示す）。レーザー切断されたパターンでは、マイクロアレイの個々のエリアが互いから
電気的に絶縁され、その結果、単一マイクロアレイ内に２個以上の電極が形成される。
【０１１４】
２．個々の先端間への不活性物質７の堆積
先端間の絶縁層として作用するような不活性物質を連続的な３Ｄ金表面上に堆積するの
に３つの別個の方法を用いた。
Ａ．構造全体に及ぶフォトレジスト層（ＳＵ−８）の堆積、それに続く金先端を露出さ
せるための反応性イオンエッチング。
Ｂ．構造全体にわたるヒドロキシル化された自己組織化単分子膜（ＳＡＭ−ＯＨ）の堆
積、および摩擦による先端領域の物理的除去。
Ｃ．クロスリンク前の、先端を動かすような好適な粘性を有する塗装層の、金めっき基
板への被覆。これにより先端間の溝が充填され、先端に金表面が露出した。
【０１１５】
３つの方法すべてにおいて、金先端が不活性物質から突出した。
【０１１６】
Ａ．ＳＵ−８フォトレジスト層の堆積
１００ミクロンの厚さのＳＵ−８の層を、１ｃｍの相互嵌合のセンサーチップに事前に
レーザースクライビングした、１０ｃｍウェーハの金めっき基板（図５Ｃ）に塗布した。
次に、ＳＵ−８を紫外線下でクロスリンクし、反応性イオンエッチングによって制御可能
にエッチングした。これにより、ＳＵ−８の高分子層の厚さの非常に良好な制御、加えて
非常に純粋な金の先端も得られることが見出された。図３５Ｂは、２つの隣接した先端を
示す。右側に示す先端は露出した金を有し、左側に示す先端は、金に電気化学的に堆積し
たカルボキシル化されたポリテルチオフェン層を有した。図３５Ａは、交互のトラックが
先端に堆積したカルボキシル化されたポリテルチオフェンを有する相互嵌合アレイの隣接
したトラックを示す。
【０１１７】
Ｂ．自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）の堆積
自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）は、当技術分野において周知であり、通常、基板への「
頭部基」の化学吸着、それに続く「末端基」の緩やかな組織化によって、基板に自然発生
的に形成される。
【０１１８】
アルキルアルコールおよびＨＳ（ＣＨ２）６ＯＨで置換したテルチオフェンが、本発明
で用いる好適なヒドロキシル化された自己組織化単分子層の例である。
【０１１９】
微小電極の連続的な３Ｄ金表面は、フェリシアン化カリウム（Ｋ３ＦｅＣＮ６）溶液中
においてサイクリックボルタンメトリーに従った。ＣＶは、標準的なヘキサシアノ鉄酸塩
の酸化および還元ピークが、それぞれ０．３５Ｖおよび０．１５Ｖであることを示した。
次に、電極を、エタノールと水が１：１の溶液中に５ｍＭのＳＡＭ−ＯＨを含有する溶液
中に浸した。次に、電極を定期的に取り出し、水で洗い、これは、ＫＣｌ支持電解質を有
する５ｍＭのフェリシアン化カリウム溶液中においてサイクリックボルタングラムに従っ
た（図２８）。ＣＶは、電極をＳＡＭ溶液中に浸した時間が長くなる程、ヘキサシアノ鉄
酸塩のピークが緩やかに消失し、電極の連続的な３Ｄ金表面上にＳＡＭが段階的に吸着す
ることを示した。
【０１２０】
２０分後、電流は、電極がＳＡＭで飽和したことを示す定常値に達した。ＳＡＭ吸着の
２０分後の電極のＣＶは、ＳＡＭ吸着の２時間後の電極のＣＶと同様の特性を有した。
【０１２１】
ガラス顕微鏡スライドを用いた先端の摩擦によるＳＡＭ−ＯＨの物理的除去によって、
結果、先端において金が露出した。５ｍＭのフェリシアン化カリウム溶液のＣＶは、電流
が著しく減少しても標準的な還元酸化ピークを示した。これは先端において金のみが露出
したことを表す。
【０１２２】
ＳＡＭを金めっき基板から除去し、基板を新規のＳＡＭで新たに被覆できる。したがっ
て、本発明のアレイは、アレイを劣化させることなく何回も使用できる。
【０１２３】
Ｃ．エポキシ樹脂被覆での金めっき基板の被覆
図２９は、先端間の溝に位置するエポキシ樹脂の層を有する金めっき基板材料を示す。
エポキシ樹脂層の濃度は、クロスリンク前にエポキシ樹脂が金先端を動くために十分な時
間、適度であった。
【０１２４】
５ｍＭのフェリシアン化カリウム溶液中のＣＶは、標準的な還元酸化を示し、金先端が
被覆されていない証拠を示した。
【０１２５】
３．先端への結合化学物質（−Ｘ）の添加
結合化学物質（図２４に参照する−Ｘ）を、基板上のＳＵ−８、ＳＡＭ−ＯＨ、または
エポキシ樹脂で被覆した連続的な３Ｄ金表面の先端に添加した。ＳＵ−８またはエポキシ
樹脂被覆を不活性物質７として利用した場合には、結合化学物質の添加を、先端に、カル
ボキシル化されたポリテルチオフェンまたは活性のポリテルチオフェンを電気化学的に堆
積することで達成した（図３０Ｂおよび図３０Ｃ）。図３０Ｃは、捕捉剤の多重化のため
の、導電性高分子に対する異なるプローブの制御された電気化学的析出を示すが、これは
、当業者に明らかなように、カルボキシル基を有するＳＡＭを使用し、相違する作用電極
の電位を変えることでも達成できる。ＳＡＭ−ＯＨを不活性物質７として利用した場合に
は、結合化学物質の添加は、先端をＳＡＭ−ＣＯＯＨに触れさせることで達成された（図
３０Ａ）。それぞれについて、先端の各端部に−ＣＯＯＨ基または−ＮＨ２基いずれかを
添加した。カルボキシル末端側鎖と置換したテルチオフェン（または、ピロール）の使用
により、画定された先端に結合基を電気化学的に重合できる。このため、画定された先端
に結合基を選択的に追加することも可能になる。
【０１２６】
先端に結合化学物質を添加するプロセスの選択性を試験するために、１ミクロンのアミ
ノ化ポリスチレンビーズを、適切なリンカー化学物質によって共有結合的に添加した。
【０１２７】
図３１は、アミンで官能化された先端（Ａ）におけるプロセスを図示する。アミノ化さ
れた基板を、二官能性リンカー溶液（６ｍｇリンカー／０．５ｍｌＰＢＳ）にさらし、室
温で４５分間振った。洗浄後、基板を青色のＨ２Ｎ−ビーズ溶液（０．５ｍｌＰＢＳ中の
３０μｌビーズ懸濁液）を含有する溶液に浸し、室温で１時間振った。先端のアレイ（Ａ
）および単一の先端（Ｂ）における青色のビーズの添加を図３２に示す。視覚的または電
気化学的（例として、抵抗、ＣＶまたはインピーダンス）技術を使用して、アレイに結合
したものを検出できる。
【０１２８】
４．先端へのハプテン種の添加
添加化学物質がアレイの先端に結合したことを確認すると、標準的なリンカー化学物質
を利用して、これらに限定されないが、抗体、ＤＮＡおよび細胞を含む各種のハプテンを
添加できる。
【０１２９】
実例として、以下に、プロゲステロン（Ｐ４）に対応するセンサーを製造する方法の利
用を示す。ステップは以下を含む。
１．共役結合を形成するためのオボアルブミンへのＰ４の添加
【化１】
2018013486.tif 000003
オボアルブミンＰ４共役
２．ＮＨ２置換アレイを二官能性リンカー溶液（６ｍｇリンカー／０／５ｍｌＰＢＳ）
に浸し、室温で４５分間振って、活性アレイ（Ｉ）を生じる。
３．Ｐ４−ＰＥＧ−ＯＶＡ（０．２ｍｌＰＢＳ中の０．４ｍｌ溶液）を追加し、２時間
振って反応させ、ハプテンで機能化したアレイ（ＩＩ）を生じる。
４．アレイをＰ４一次抗体に触れさせ、次に、ビーズを添加した二次抗体に触れさせた
（ＩＩＩ）。二次抗体ビーズ共役の添加により、視覚的に確かめながら一次抗体を上手に
結合することが可能になる。
【化２】
2018013486.tif 000004
【０１３０】
第六の態様に係るアレイの開発
本発明の第六の態様に係るアレイを、ポリマー基板に金の薄層（７ｎｍ）をスパッタリ
ングし、金にニッケルの厚い層（１ｍｍ）を電気めっきし、ニッケルと高分子層とを隔て
、ニッケルを金でスパッタリング被覆して用意した。図３３は、１ミクロンの金めっきし
たニッケルアレイのＳＥＭを示す。
【０１３１】
このプロセスにより、本発明の第四および第五の態様に従い形成された、図２５に示す
ようなアレイと同様の金表面を有する基板が提供された。これは不活性物質を用いたのと
同一の方法で被覆できる。
【０１３２】
本発明の第六の態様に係るアレイは、金属基部の厚みに起因してより堅固であるという
利点を有する。また、金属層をレーザースクライビングし、隔間されたエリアの選択的機
能化のために先端のグループを分離することができる。電気化学的検出を使用したセンサ
ーの生産において、このスクライビングする能力は、単一チップ上の電極およびそれらの
電極間の間隔を画定し、その結果レーザーの精度を向上するという点で利点がある。この
手法は、糖尿病に関わるグルコースをモニタリングするためのセンサーを含む広範な電気
化学センサーの製造に広く用いられ、大量生産を飛躍的に簡素化する。
【０１３３】
前述のプロセスを使用して、３ミクロンの先端（それらの基部は２５ミクロン）、０．
２ミクロンの先端（それらの基部は１．５ミクロン）、および１０ｎｍの先端（それらの
基部は１６０ｎｍ）を含むアレイも生産されてきた。先端サイズがより小さいと、アレイ
の検出感度に有利であることが見出された。
【０１３４】
実施例３：多重化分析における単一マイクロアレイの使用
標準的なＤＮＡまたはＲＮＡマイクロアレイの電気化学的バージョン（図５、図２７お
よび図３５）を形成するために、アレイの個々の微小電極を隔てるのにレーザースクライ
ビングを利用した。より大きなアレイ内により小さな微小電極アレイを形成し、それ故、
複数の作用電極、参照電極およびカウンター電極の台を構成するように、微小電極のグル
ープも隔てた。これにより（図６Ｆに示すような）単一のセンサーチップまたはアレイの
多重化が可能になった。
【０１３５】
例として、一つのセンサーチップ設計において、８つの作用電極の各々を異なる捕捉剤
で機能化し、一つのチップ上に茶褐色のパネルを構成した。使用する抗体は、それぞれが
作用電極１〜８におけるＡＬＴ、ＡＳＴ、ＡＬＰ、ＧＧＴ、ＬＤＨ、Ｈｅｐ  Ａ、Ｈｅｐ
Ｂ  ｘ−抗原、全長のＨｅｐ  Ｃ  Ｅ２タンパク質に対する親和性を有した。酵素、グ
ルコース酸化酵素を、血清グルコース検出用の作用電極９につないだ。第１０の作用電極
は、溶液中の非接着性のビリルビンの濃度を測定するための酸化還元電極であった。
【０１３６】
別の例では、一つの作用電極アレイを、ｓｒｍ遺伝子メッセンジャーＲＮＡに対応する
ＲＮＡ成分で機能化し、第二の作用電極を、標的ミクロＲＮＡ検出用のｓｒｍの３’ＵＴ
Ｒで機能化し、第三の作用電極を、ｓｒｍ遺伝子産物のスペルミジンシンターゼに対して
上昇した抗体で機能化した。
【０１３７】
ミリメートルからナノメートルのスケールで所望のパターンおよび／または形状に正確
に画定された機能化可能エリアを含む基板材料におけるアレイの形成を前に記述する。
【０１３８】
先に記述する本発明は、本発明の好ましい形態を含む。この特定の技術における当業者
に簡単に明らかとなるであろう変更および改変が、記述する本発明の本質および範囲内に
含まれることが意図される。
【０１３９】
文脈上明らかに必要とされる場合を除き、本明細書および請求項全体を通じて、「を備
える」、「を備えている」などの用語は、排他的または網羅的な意味ではなく、包括的意
味に解釈されるべきである。つまり、「を含むが、これらに限定されない」という意味に
解釈されるべきである。
【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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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年9月6日(2017.9.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板材料層、アレイとして用いるための、機能化可能な、前記基板材料層上の連続的な３次元（３Ｄ）表面層、電気的に絶縁されたカウンター電極、および不活性物質を含むマイクロアレイ構造であって、
前記構造が、サイズがミリメートルからナノメートルである、正確に画定され機能化可能な隔間されたエリアを含み、
前記機能化可能エリアが、前記連続的な３Ｄ表面層の一部分であり、前記不活性物質によって隔間されるが、前記連続的な３Ｄ表面層によって前記構造内で相互接続され、
前記連続的な３Ｄ表面層が、前記機能化可能エリアが前記不活性物質の上方で露出するように前記不活性物質から突出しており、
前記連続的な３Ｄ表面層は、導電性材料で形成されて第１の電極を備え、
前記第１の電極および前記カウンター電極は、導電性媒体を介して電気接続が可能である、マイクロアレイ構造。
【請求項２】
前記連続的な３Ｄ表面層は、金、銀、白金、および／または炭素系材料で形成されている、請求項１に記載のマイクロアレイ構造。
【請求項３】
前記不活性物質が絶縁材でもある、請求項１または２に記載のマイクロアレイ構造。
【請求項４】
前記マイクロアレイ構造が微小電極センサーアレイおよび／または微小触媒アレイとして機能化可能な、請求項１〜３のいずれか１項記載のマイクロアレイ構造。
【請求項５】
ミリメートルからナノメートルのスケールの正確に画定された３Ｄパターンを含む基板材料層、および前記パターンの少なくとも一部分にわたる、アレイとして用いるための、機能化可能な、前記基板材料層上の連続的な３Ｄ表面層を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロアレイ構造の製造に用いる中間体構造。
【請求項６】
前記連続的な３Ｄ表面層は、金、銀、白金、および／または炭素系材料で形成されている、請求項５に記載の中間構造体。
【請求項７】
請求項５または６に記載の中間体構造を形成する方法であって、
ａ．ミリメートルからナノメートルのスケールで正確に画定された３Ｄパターンを、基板材料の表面上に配置するステップと、
ｂ．前記パターニングされた基板材料の少なくとも一部分を連続的な３Ｄ表面層で被覆するステップと、を含む、方法。
【請求項８】
請求項１に記載のアレイとして機能化可能な構造を形成するための方法であって、
ａ．ミリメートルからナノメートルのスケールの正確に画定された３Ｄパターンを含む基板材料層、および前記パターンの少なくとも一部分にわたる、アレイとして用いるための、機能化可能な、導電性材料または炭素系材料で前記基板材料層上に形成された連続的な３Ｄ表面層を含む中間体構造を得るステップと、
ｂ．前記中間体構造における前記３Ｄパターンの先端間の個々の空間を不活性物質で充填することによって、前記３Ｄパターンの前記先端がそこを通り抜ける、またはそこから突出する、あるいは他の形態で露出する表面を与えるステップと、を含み、前記先端が、前記不活性物質によって隔間されるが、前記連続的な３Ｄ表面層によって前記構造内で相互接続される機能化可能エリアを形成し、機能化可能な、方法。
【請求項９】
アレイとして機能化可能な構造を形成する方法であって、前記構造が、連続的な３Ｄ表面層を含み、ミリメートルからナノメートルのスケールの機能化可能エリアの正確に画定された３Ｄパターンを有し、前記方法が、
ａ．請求項５または６に記載の中間体構造の連続的な３Ｄ表面層を電気めっきすることによって、前記中間体構造における前記３Ｄパターンの先端を覆う金属層を形成するステップと、
ｂ．前記金属層と前記中間体構造の前記基板材料とを分離することによって、前記中間体構造における前記３Ｄパターンのネガティブ構造（「ネガティブ３Ｄパターン」）を含む金属ネガティブ構造を形成するステップと、
ｃ．前記金属ネガティブ構造の前記ネガティブ３Ｄパターン内の先端間の空間を不活性物質で埋め戻すことによって、前記ネガティブ３Ｄパターンの前記先端がそこを通り抜ける、またはそこから突出する、あるいは他の形態で露出する不活性表面を与えるステップと、を含み、
前記機能化可能エリアが、前記不活性物質によって隔間されるが、前記構造内で相互接続される、方法。
【請求項１０】
請求項９に記載のアレイとして機能化可能な構造を形成するための方法であって、
ａ．ミリメートルからナノメートルのスケールの正確に画定された３Ｄパターンを含む基板材料層、および前記パターンの少なくとも一部分にわたる、アレイとして用いるための、機能化可能な、導電性材料または炭素系材料で前記基板材料層上に形成された連続的な３Ｄ表面層を含む中間体構造を得るステップと、
ｂ．前記中間体構造における前記３Ｄパターンの先端間の個々の空間を不活性物質で充填することによって、前記３Ｄパターンの前記先端がそこを通り抜ける、またはそこから突出する、あるいは他の形態で露出する表面を与えるステップと、を含み、前記先端が、前記不活性物質によって隔間されるが、前記連続的な３Ｄ表面層によって前記構造内で相互接続される機能化可能エリアを形成し、機能化可能な、方法。
【請求項１１】
前記マイクロアレイ構造は、導電性媒体中の標的検体を検知するように構成された微小電極センサーアレイである、請求項４に記載のマイクロアレイ構造。
【外国語明細書】
2018013486000001.pdf