(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１×１０3Ω・ｃｍ〜２．３×１０5Ω・ｃｍの抵抗率のシリコン基板を備え、
前記シリコン基板の表面上に、分析対象の生体物質と結合する、ＳｉＮＣ膜、ＳｉＮ膜、及びＳｉＣ膜のいずれかからなる単層の反応性膜を有することを特徴とする、バイオチップ。
【請求項２】
前記反応性膜は、ＳｉＮＣ膜である、請求項１に記載のバイオチップ。
【請求項３】
前記反応性膜は、ＳｉＮ膜である、請求項１に記載のバイオチップ。
【請求項４】
前記反応性膜は、ＳｉＣ膜である、請求項１に記載のバイオチップ。
【請求項５】
１×１０3Ω・ｃｍ〜２．３×１０5Ω・ｃｍの抵抗率のシリコン基板の表面上に、分析対象の生体物質と結合する、ＳｉＮＣ膜、ＳｉＮ膜、及びＳｉＣ膜のいずれかからなる単層の反応性膜を形成する工程を含む、バイオチップの製造方法。
【請求項６】
前記反応性膜は、ＳｉＮＣ膜である、請求項５に記載のバイオチップの製造方法。
【請求項７】
前記反応性膜は、ＳｉＮ膜である、請求項５に記載のバイオチップの製造方法。
【請求項８】
前記反応性膜は、ＳｉＣ膜である、請求項５に記載のバイオチップの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオチップ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
生物は多くの生体物質（核酸、タンパク質、多糖などの生体高分子や、それらの構成要素など）から構成され、これらの生体物質が機能することにより生命現象が成り立っている。従って、生体物質が体内でどのような働きをするのかを把握することが自然界の現象の把握や医療分野の発展にとって重要となる。
【０００３】
特に、生体の最小単位である細胞の働きを把握することは、生体の働きを把握することに繋がることから、ＤＮＡの理解が最も重要とされており、１９９０年代から世界中でゲノム（遺伝子情報を含む染色体）配列の解読が行われ、２００３年には、ヒトゲノム（人間の持つ全ての遺伝子）の解読が完了した。
【０００４】
これにより、個人レベルでの遺伝子情報が明らかとなり、個人が持つ遺伝子に応じた、病気のリスク及び薬剤に対する感受性（反応性）や副作用の発症リスク等が明らかとなってきた。そして、患者一人一人の病状を正確に把握した上で、個人差に配慮して各個人に最適な医療を提供するテーラーメイド医療が提案され始めている。
【０００５】
上記のような背景から、個人の有する生体物質を検出可能なバイオチップの開発が進められている。バイオチップとは、生体分子が固定化され、その分子に対して他の化合物又は生体分子を作用させた際に生じる特異的な相互作用を検出するデバイスであって、同時平行的に相互作用させることにより高スループット化を可能にしたものである。
【０００６】
バイオチップには、ＤＮＡチップ、プロテインチップ、及びセルチップなどの種類がある。ＤＮＡチップは、基板上にＤＮＡを高密度に固定化し、固定化したＤＮＡと分析対象のＤＮＡとの反応を検出することによりＤＮＡを検出するものである。プロテインチップは、基板上にタンパク質を固定化し、固定化したタンパク質と分析対象のタンパク質との反応を検出するものである。さらに、セルチップは、基板上に分析対象の細胞自体を固定化し、固定化した細胞と他の細胞との相互作用を検出するものである。
【０００７】
このようなバイオチップ用の基板として、シリコン基板を用いるものが提案されている。シリコン基板は、平坦度が高いため高感度の光学的検出が可能であり、また、大口径のシリコン基板を用いることにより、スループットを増大させることができる。さらに、シリコン基板は、ドーパント濃度により導電性を調整可能なため電気的検出にも適している。ここで、シリコン基板上に形成され、生体物質と相互作用する反応性膜としては、金属膜を用いたものが種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−２７４３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、金属膜を形成した基板では、金属膜の生体物質に対する感度が低く、さらに金属元素が基板に混入して電気的な外乱を発生させ、電気的検出精度を低下させるという問題があった。
【００１０】
本発明は、このような問題を解決しようとするものであり、その目的は、高感度のバイオチップ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意検討を重ねた。その結果、シリコン基板上に、分析対象の生体物質とアミド結合又はペプチド結合又はカルボキシル結合可能な反応性膜を付与することにより、上記の目的を有利に達成することができるという新規知見を得て本発明を完成させるに至った。
【００１２】
本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、その要旨構成は、以下の通りである。
本発明のバイオチップは、シリコン基板を備え、
前記シリコン基板上に、珪素と、窒素及び／又は炭素と、を元素として含み、前記元素の共有結合を含有する反応性膜を有することを特徴とする。
この構成によれば、分析対象の生体物質と、反応性膜とを、アミド結合、ペプチド結合、又はカルボキシル結合させることができ、高感度に生体物質を検出することができる。
【００１３】
ここで、本発明のバイオチップでは、前記反応性膜は、ＳｉＮＣ膜であることが好ましい。
【００１４】
また、本発明のバイオチップでは、前記反応性膜は、ＳｉＮＣ膜であることが好ましい。
【００１５】
さらに、本発明のバイオチップでは、前記反応性膜は、ＳｉＣ膜であることが好ましい。
【００１６】
そして、本発明のバイオチップにおいては、前記シリコン基板の抵抗率は、１×１０３Ω・ｃｍ〜２．３×１０５Ω・ｃｍであることが好ましい。
【００１７】
本発明のバイオチップの製造方法は、シリコン基板上に、珪素と、窒素及び／又は炭素と、を元素として含み、前記元素の共有結合を含有する反応性膜を形成する工程を含むことを特徴とする。
これによれば、分析対象の生体物質と、反応性膜とを、アミド結合、ペプチド結合、又はカルボキシル結合させることができ、高感度に生体物質を検出することができるバイオチップを製造することができる。
【００１８】
ここで、本発明のバイオチップの製造方法では、前記反応性膜は、ＳｉＮＣ膜であることが好ましい。
【００１９】
また、本発明のバイオチップの製造方法では、前記反応性膜は、ＳｉＮ膜であることが好ましい。
【００２０】
さらに、本発明のバイオチップの製造方法では、前記反応性膜は、ＳｉＣ膜であることが好ましい。
【００２１】
そして、本発明のバイオチップの製造方法においては、前記シリコン基板の抵抗率は、１×１０３Ω・ｃｍ〜２．３×１０５Ω・ｃｍであることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、高感度のバイオチップ及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態にかかるバイオチップを示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかるバイオチップの製造方法のフロー図である。
【図３】（ａ）タンパク質の検出結果を示す図である。（ｂ）タンパク質を１００倍に希釈した際のタンパク質の検出結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に例示説明する。
【００２５】
＜バイオチップ＞
図１は、本発明の一実施形態にかかるバイオチップを示す模式図である。
図１に示すように、本実施形態のバイオチップ１は、シリコン基板２を備えている。そして、シリコン基板１上に、反応性膜３が形成されている。この反応性膜３は、珪素と、窒素及び／又は炭素と（珪素、窒素、炭素、あるいは、珪素、窒素、あるいは、珪素、炭素）を元素として含み、これら元素の共有結合を含有するものである。
【００２６】
本実施形態のバイオチップ１によれば、反応性膜３が珪素と、窒素及び／又は炭素と、を含む元素の共有結合で形成されているため、この反応性膜３が、分析対象の生体物質と、アミド結合、ペプチド結合、又はカルボキシル結合することができる。このため、分析対象の生体物質と強固な結合が可能であり、従って高感度に生体物質を検出することができる。
また、本発明のバイオチップは、シリコン基板を用いているため、大口径化により、高スループット化が可能である。さらに、シリコン基板は、高平坦度が可能であるという点から光学的検出に適しており、また、導電性を調整可能なため電気的検出にも適している。
【００２７】
ここで、本発明のバイオチップにあっては、反応性膜３は、具体的には、ＳｉＮ膜、ＳｉＣ膜、ＳｉＮＣ膜とすることが好ましく、ＳｉＮＣ膜とすることが特に好ましい。
反応性膜３を、Ｓｉ−Ｎ結合を含むＳｉＮ膜とすることにより、分析対象の生体物質とアミド結合やペプチド結合する反応性膜３とすることができ、これらは強固な結合であるため、高感度に生体物質を検出することができる。
また、反応性膜３を、Ｓｉ−Ｃ結合を含むＳｉＣ膜とすることにより、分析対象の生体物質とアミド結合、ペプチド結合、又はカルボキシル結合する反応性膜３とすることができ、これらは強固な結合であるため、高感度に生体物質を検出することができる。
さらに、反応性膜３を、Ｓｉ−Ｎ結合とＳｉ−Ｃ結合との両方を含むＳｉＮＣ膜とすることにより、より一層、分析対象の生体物質とアミド結合、ペプチド結合、又はカルボキシル結合をし易い反応性膜３とすることができ、特に高感度に生体物質を検出することができる。
【００２８】
また、本発明のバイオチップにあっては、シリコン基板２は、高抵抗であることが好ましく、具体的には、シリコン基板２の抵抗率は、１×１０３Ω・ｃｍ〜２．３×１０５Ω・ｃｍであることが好ましい。
すなわち、反応性膜へ電流を流して反応したバイオを検出する場合は、シリコン基板へ電流が流れてしまうと反応したバイオを高感度に検出できなくなってしまうため、使用するシリコン基板２はできるだけ高抵抗基板を用いてシリコン基板へ流れる電流を低減させることが好ましく、シリコン基板２の抵抗率を１×１０３Ω・ｃｍ以上とすることにより、シリコン基板へ流れる電流が低減され、反応したバイオを高感度に検出することができる。なお、シリコン結晶の特性上、製造可能なシリコン基板２の抵抗率は２．３×１０５Ω・ｃｍが限界である。
また、上述の範囲に抵抗率が調整された高抵抗シリコン基板を用いることで、シリコン基板２にドープされた（例えばボロンやリン等の）ドーパントが、反応性膜３に混入して、上記アミド結合、ペプチド結合、又はカルボキシル結合を阻害してしまうのを抑制することができる。
【００２９】
なお、高抵抗シリコン基板を用いる場合は、酸素ドナーが発生してシリコン基板２の抵抗が大きく低下してしまう場合があるため、酸素ドナーの発生を抑制すべく、シリコン基板２に対して熱処理（ドナーキラー熱処理）を行うか、あるいは、酸素濃度（ＡＳＴＭ  Ｆ１２１−１９７９）が、６×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の低酸素シリコン基板２を用いることが好ましく、ＦＺ法により製造された極低酸素のシリコン基板を用いてもよい。これにより、酸素ドナーによる抵抗率変動を抑制することができる。
【００３０】
なお、本発明のバイオチップでは、シリコン基板２の窒素濃度は、１×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが好ましい。１×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることにより、抵抗率変動の原因となる酸素ドナーの発生を抑制することができるからである。
また、シリコン基板２の炭素濃度（ＡＳＴＭ  Ｆ１２３−１９８１）は、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが好ましい。１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることにより、抵抗率変動の原因となる酸素ドナーの発生を抑制することができるからである。
【００３１】
ここで、反応性膜３の膜の厚さは、１〜１０μｍとすることが好ましい。
１μｍ以上とすることにより、シリコン基板２にドープされた（例えばボロンやリン等の）ドーパントが、反応性膜３の表面付近にまで混入して、上記アミド結合、ペプチド結合、又はカルボキシル結合を阻害してしまうのを抑制することができるからである。また、分析対象の生体物質と反応させる目的からは膜厚は、さほど厚くする必要はなく、１０μｍ以下で十分だからである。
【００３２】
さらに、本発明にあっては、光学的検出の精度を向上させる観点から、シリコン基板の平坦度は、ＧＢＩＲ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｂａｃｋｓｉｄｅ  Ｉｄｅａｌ  Ｒａｎｇｅ）で、０．５μｍ以下であることが好ましい。
ここでいう、ＧＢＩＲは、シリコン基板の裏面を完全に吸着したと仮定した場合におけるシリコン基板の裏面を基準として、シリコンウェーハ全体の最大変位と最小変位との差を算出することにより求められる。
【００３３】
＜バイオチップの製造方法＞
図２は、本発明の一実施形態にかかるバイオチップの製造方法のフロー図である。
図２に示すように、本実施形態では、まず、シリコン基板２を用意する（ステップＳ１０１）。ここで用意するシリコン基板２は、上述した理由により、抵抗率が、１×１０３Ω・ｃｍ〜２．３×１０５Ω・ｃｍであることが好ましい。また、シリコン基板２の酸素濃度は、６×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが好ましく、炭素濃度は、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましく、窒素濃度は、１×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
このようなシリコン基板は、既知の手法で作製することができ、例えば、炭素や窒素等の不純物をドープしない、酸素濃度が６×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のシリコン単結晶をチョクラルスキー法に引き上げたシリコン単結晶インゴットをスライスすることにより作製することができる。
これにより、（例えばボロンやリン等の）ドーパント濃度を調整することによって抵抗率を上記の範囲に制御して高抵抗のシリコン基板としつつも、抵抗率変動を抑制することができる。
また、シリコン基板の平坦度（ＧＢＩＲ）は、０．５μｍ以下であることが好ましい。
【００３４】
次いで、シリコン基板２上に、珪素と、窒素及び／又は炭素と、を元素として含み、前記元素の共有結合を含有する反応性膜３を形成する（ステップＳ１０２）。
上述したように、反応性膜３は、具体的には、ＳｉＮ膜、ＳｉＣ膜、ＳｉＮＣ膜とすることが好ましく、ＳｉＮＣ膜とすることが特に好ましい。
【００３５】
反応性膜３を形成する方法としては、蒸着、ＣＶＤ法、エピタキシャル成長法、パルスレーザーアブレーション法など、任意の既知の手法を用いることができる。
特に、ＳｉＮ膜、ＳｉＣ膜、ＳｉＮＣ膜を形成する場合には、特には限定しないが、例えばプラズマＣＶＤ法を用いて反応性膜３を形成することができる。
【００３６】
プラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＮ膜、ＳｉＣ膜、ＳｉＮＣ膜を形成するには、例えば、シリコン基板２をチャンバ内に配置し、チャンバ内の圧力を５０Ｐａ以下とし、チャンバ内に原料ガスを流入させる。
ＳｉＮ膜を形成する場合には、例えば原料ガスとして、トリメチルシランを４０〜６０ｓｃｃｍ、窒素を１００〜１５０ｓｃｃｍの流量で流入させ、また、ＳｉＣ膜を形成する場合には、例えば原料ガスとして、トリメチルシランを２０〜３０ｓｃｃｍ、メタンを１００〜１５０ｓｃｃｍの流量で流入させ、ＳｉＮＣ膜を形成する場合には、例えば原料ガスとして、トリメチルシランを２０〜３０ｓｃｃｍ、窒素を１００〜１５０ｓｃｃｍ、及びメタンを５〜１５ｓｃｃｍの流量で流入させることができる。
【００３７】
そして、高周波電圧を印加して、チャンバ内の上記原料ガスをプラズマ化させ、シリコン基板２上に反応性膜３を堆積させることができる。なお、上述したように、反応性膜３の厚さは、１〜１０μｍとすることが好ましく、プラズマＣＶＤ法による処理時間は、所期する膜の厚さに応じて決定することができる。また、処理温度は、１００〜２５０℃とすることが好ましい。
【００３８】
このようにして、シリコン基板２上に、珪素と、窒素及び／又は炭素と、を元素として含み、これらの元素の共有結合を含有する反応性膜３を有するバイオチップ１を製造することができる。
【００３９】
本実施形態の製造方法によれば、分析対象の生体物質と、反応性膜とを、アミド結合、ペプチド結合、又はカルボキシル結合させることができ、高感度に生体物質を検出することができるバイオチップを製造することができる。また、上記実施形態により製造されたバイオチップは、シリコン基板を用いているため、大口径化により、高スループット化が可能である。さらに、シリコン基板は、高平坦度が可能であるという点から光学的検出に適しており、また、導電性を調整可能なため電気的検出にも適している。
【００４０】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は、この実施例に何ら限定されるものではない。
【実施例】
【００４１】
（実施例１）
本発明の効果を確かめるため、以下のように、シリコン基板上にＳｉＮＣ膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＣ膜、Ａｕ膜をそれぞれ形成したバイオチップと、シリコン基板上に反応性膜を形成しないバイオチップと、プラスチック基板を用い、該プラスチック基板上に反応性膜を形成しないバイオチップとを用意した。
【００４２】
まず、シリコン基板は、不純物をドープしない、酸素濃度が６×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の５×１０３Ω・ｃｍのシリコン結晶を作製し、その結晶を加工することにより、用意した。
【００４３】
そして、反応性膜を形成するバイオチップに関しては、プラズマＣＶＤ法により、チャンバ内に、用意したシリコン基板を配置し、チャンバ内の圧力を５０Ｐａとし、原料ガスを流入させた。
ここで、ＳｉＮＣ膜の形成では、原料ガスとして、トリメチルシラン２５ｓｃｃｍ、メタン１１ｓｃｃｍ、窒素１２０ｓｃｃｍの流量でそれぞれチャンバ内に流入した。また、ＳｉＮ膜の形成では、原料ガスとして、トリメチルシラン５０ｓｃｃｍ、窒素１２０ｓｃｃｍの流量でそれぞれチャンバ内に流入した。さらに、ＳｉＣ膜の形成では、原料ガスとして、トリメチルシラン２５ｓｃｃｍ、メタン１２０ｓｃｃｍの流量でそれぞれチャンバ内に流入した。
そして、高周波電圧を印加し、成膜温度１５０℃処理時間５０分で、各反応性膜を５μｍ形成した。
【００４４】
なお、Ａｕ膜は、アルゴンガスを流入させて電子銃による蒸着により５μｍの厚さの膜を形成した。
また、プラスチック基板は、ポリプロピレン製のものを用意した。
【００４５】
上記各バイオチップの表面に、免疫グロブリン（ＩｇＧ）タンパク質（ＨＲＰ（Ｈｏｒｓｅｒａｄｉｓｈ  Ｐｅｒｏｘｉｄａｓｅ）標識）を塗布した。
次いで、純水洗浄により、未反応のタンパク質を除去するクリーニング処理を行った。
次いで、バイオチップの表面に、発光剤（ＧＥヘルスケア製：Ａｍｅｒｓｈａｍ  ＥＣＬ  Ｐｒｉｍｅ  ＲＰＮ２２３２）を塗布した。
そして、Ｘ線フィルム撮影により残存しているタンパク質を光学的に検出した。
Ｘ線フィルム観察結果を図３（ａ）に示す。
【００４６】
図３（ａ）に示すように、シリコンウェーハ上にＳｉＮＣ膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＣ膜をそれぞれ形成したバイオチップでは、これらの反応性膜とタンパク質とが反応したことが分かる。
一方で、シリコン基板上に、Ａｕ膜を形成したバイオチップや、膜を形成しないバイオチップでは、全くタンパク質が検出されなかった。
また、プラスチック基板（膜なし）を用いた場合には、検出したタンパク質が、ＳｉＮＣ膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＣ膜をそれぞれ形成したバイオチップより少なく、感度が低いことが分かる。
【００４７】
（実施例２）
次に、ＳｉＮＣ膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＣ膜をそれぞれ形成したバイオチップに対し、塗布する免疫グロブリン（ＩｇＧ）タンパク質（ＨＲＰ（Ｈｏｒｓｅｒａｄｉｓｈ  Ｐｅｒｏｘｉｄａｓｅ）標識）を実施例１の場合に比べて１００倍に希釈した場合で同様の試験を行った。
Ｘ線フィルム観察結果を図３（ｂ）に示すように、ＳｉＮ膜やＳｉＣ膜を形成したバイオチップでは、この場合はタンパク質を検出できなかったのに対し、ＳｉＮＣ膜を形成したバイオチップは、この場合でもタンパク質を検出することができた。
従って、シリコン基板上にＳｉＮＣ膜を形成したバイオチップは、特に高感度でタンパク質を検出することができたことがわかる。
【００４８】
（実施例３）
さらに、タンパク質を塗布した後に純水によるクリーニング処理を実施したサンプルに対して、機能性膜上へプローブを２本接触させ、基板へ零バイアスを印加の状態でプローブ間に電圧を与え、プローブ間を流れる電流を評価した。基板の導電性を水準として上記電気的検出を用いた高感度タンパク質評価の結果、シリコン基板を用いた場合が最も高感度にタンパク質を検出可能であることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明によれば、高感度のバイオチップ及びその製造方法を提供することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１  バイオチップ
２  シリコン基板
３  反応性膜
【図１】
0006390222.tif 000002
【図２】
0006390222.tif 000003
【図３】
0006390222.tif 000004