(57)【要約】【課題】  微小物体が基盤上に正確かつ規則的に配列・固定化された２次元配列構造体を簡易なプロセスで低コストに作製できる方法を提供する。【解決手段】  光変形性と光照射時の物体固定化能力を持つ光応答性材料を用いて構造体基盤を構成し、一定の手段でその表面に凹凸が規則的に配列形成された凹凸構造を形成し、その凹凸構造の凹部に多数の微小物体を配列吸着させ、配列吸着された微小物体を構造体基盤の表面に対する光照射により固定化する。【選択図】          図１  
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光変形を起こすことが可能で、かつ、表面に配置された微小物体に対して光照射時に固定化能力を示す光応答性材料を少なくとも表層部に有する構造体の表面に、任意の凹凸構造形成手段により、任意の並び形態で凹凸が規則的に配列形成された凹凸構造を形成するテンプレート形成工程と、
前記凹凸構造の凹部に対応するサイズの多数の微小物体を該凹部に配列吸着させる配列工程と、
配列吸着された前記微小物体を、前記構造体基盤の表面に光照射することにより固定化する固定化工程と、
を含むことを特徴とする２次元配列構造体の作製方法。
【請求項２】
前記固定化工程における光照射の際、マスクパターンを用いることにより、構造体基盤の表面に微小物体固定化領域と微小物体非固定化領域とを任意のパターンで設定することを特徴とする請求項１に記載の２次元配列構造体の作製方法。
【請求項３】
前記テンプレート形成工程で用いる凹凸構造形成手段が光学的手段であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の２次元配列構造体の作製方法。
【請求項４】
前記光学的手段が構造体基盤の表面に対する干渉光の照射であることを特徴とする請求項３に記載の２次元配列構造体の作製方法。
【請求項５】
前記照射干渉光が２光束により形成され、その入射角度と面内回転を制御した照射の繰り返しによりテンプレート形成工程を行うことを特徴とする請求項４に記載の２次元配列構造体の作製方法。
【請求項６】
前記照射干渉光が３光束以上であり、その一度の照射でテンプレート形成工程を行うことを特徴とする請求項４に記載の２次元配列構造体の作製方法。
【請求項７】
前記光学的手段が構造体基盤の表面に対するリソグラフィー（マスクパターンの露光転写）技術の適用であることを特徴とする請求項３に記載の２次元配列構造体の作製方法。
【請求項８】
前記固定化工程の後、構造体基盤上に存在する非固定化微小物体を排除する工程を付加することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の２次元配列構造体の作製方法。
【請求項９】
前記テンプレート形成工程で形成される凹凸構造の凹部が、幅が１ｎｍ〜５μｍの範囲内のサイズで、極めて微小な凸部を介して密に配列形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の２次元配列構造体の作製方法。
【請求項１０】
前記光応答性材料が、アゾ基を有する色素構造を含む材料であることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の２次元配列構造体の作製方法。
【請求項１１】
前記アゾ基を有する色素構造が、電子吸引性置換基と電子供与性置換基とを具備した分子内電荷移動型構造であることを特徴とする請求項１０に記載の２次元配列構造体の作製方法。
【請求項１２】
前記微小物体が以下（１）〜（３）のいずれかの材料からなることを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれかに記載の２次元配列構造体の作製方法。
（１）高分子材料、セラミックス材料、金属材料又はこれらの２種以上の材料のハイブリッド材料。
（２）タンパク質。このカテゴリーには、少なくとも抗原、抗体、酵素及び糖タンパク質が包含される。
（３）任意の材料からなり、表面に上記（２）のタンパク質の少なくとも一種又は核酸分子が付着又は結合した微小球。
【請求項１３】
前記２次元配列構造体がフォトニック結晶構造体であることを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれかに記載の２次元配列構造体の作製方法。
【請求項１４】
前記フォトニック結晶構造体が、２次元スラブ型光デバイスであることを特徴とする請求項１３に記載の２次元配列構造体の作製方法。
【請求項１５】
前記２次元スラブ型光デバイスが、光導波路、光増幅器、又は光変調器であることを特徴とする請求項１４に記載の２次元配列構造体の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元配列構造体の作製方法に関する。更に詳しくは本発明は、光変形を起こすことが可能で、かつ、表面に配置された微小物体に対して光照射時に固定化能力を示すと言う光応答性材料を利用して、簡易なプロセスで、微小物体を２次元の特定の並び形態において、正確かつ規則的に配列固定化させることができる２次元配列構造体の作製方法に関する。
【０００２】
本発明は、例えばシリカ粒子等を構造体基盤上に２次元に配列・固定化させたフォトニック結晶や、タンパク質あるいはＤＮＡ等を構造体基盤上に２次元に配列・固定化させたプロテインチップ、バイオリアクター又はバイオセンサー等の作製に好ましく適用することができる。
【背景技術】
【０００３】
従来、一定の基板上等に多数の微小物体が一定の並び形態で配列されたような状態の配列構造体を作製する技術は、大きく分けて２つある。その第１の技術は、半導体微細加工技術による、いわゆるトップダウンの方法である。この技術においては、光、電子線、イオンビーム等を利用したり、リソグラフィーと後加工であるエッチングあるいはデポジションにより加工する技術である。下記「特許文献１」には、このような技術例が開示されている。その第２の技術は、いわゆるボトムアップの方法で、多数の微小物体を自己組織的（セルフアセンブリー）に配列させ、結果的に配列構造体を作製する技術である。下記「特許文献２」には、このような技術例が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】浅川潔、杉本喜正  「２次元フォトニック結晶  スラブ導波路と光集積回路」  O plus E, Vol. 25, No. 2
【特許文献２】井上宮雄、芳賀正明  「コロイド微粒子の二次元および三次元配列化とその応用」  色材，76 [1], 24-33 (2003)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した第１の従来技術では、微細かつ正確な配列構造体を作製できるものの、周知のように複雑なプロセスを必要とするし、そのために作製コストも高くなる。一方、上記した第２の従来技術では、微小物体の自己組織的な集合・配列に期待するものであるため、微小物体を一定の並び形態で正確かつ規則的に配列させることが困難である。又、広い面積にわたる配列構造体の作製にも不向きである。
【０００６】
又、上記のような配列構造体の代表的な例であるフォトニック結晶や、プロテインチップ等においては、対象である無機質粒子、タンパク質等の微小物体が、２次元に（１層で）配列・固定化されたものに対する要求が強い。更に、このように微小物体が配列・固定化された固定化領域と、微小物体が配列・固定化されていない非固定化領域とを任意のパターンで隣り合わせに設定したものに対する要求が特に強い。
【０００７】
そこで本発明は、多数の微小物体が、基盤上において一定の並び形態で２次元に正確かつ規則的に配列・固定化された２次元配列構造体を、更にはこのような微小物体の固定化領域と非固定化領域とが任意のパターンで設定された２次元配列構造体を、簡易なプロセスで低コストに作製できる方法を提供することを、解決すべき技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（第１発明の構成）
上記課題を解決するための本願第１発明の構成は、光変形を起こすことが可能で、かつ、表面に配置された微小物体に対して光照射時に固定化能力を示す光応答性材料を少なくとも表層部に有する構造体基盤の表面に、任意の凹凸構造形成手段により、任意の並び形態で凹凸が規則的に配列形成された凹凸構造を形成するテンプレート形成工程と、
前記凹凸構造の凹部に対応するサイズの多数の微小物体を該凹部に配列吸着させる配列工程と、
配列吸着された前記微小物体を、前記構造体基盤の表面に光照射することにより固定化する固定化工程と、
を含む、２次元配列構造体の作製方法である。
【０００９】
（第２発明の構成）
上記課題を解決するための本願第２発明の構成は、前記第１発明に係る固定化工程における光照射の際、マスクパターンを用いることにより、構造体基盤の表面に微小物体固定化領域と微小物体非固定化領域とを任意のパターンで設定する、２次元配列構造体の作製方法である。
【００１０】
（第３発明の構成）
上記課題を解決するための本願第３発明の構成は、前記第１発明又は第２発明に係るテンプレート形成工程で用いる凹凸構造形成手段が光学的手段である、２次元配列構造体の作製方法である。
【００１１】
（第４発明の構成）
上記課題を解決するための本願第４発明の構成は、前記第３発明に係る光学的手段が構造体基盤の表面に対する干渉光の照射である、２次元配列構造体の作製方法である。
【００１２】
（第５発明の構成）
上記課題を解決するための本願第５発明の構成は、前記第４発明に係る照射干渉光が２光束により形成され、その入射角度と面内回転を制御した照射の繰り返しによりテンプレート形成工程を行う、２次元配列構造体の作製方法である。
【００１３】
（第６発明の構成）
上記課題を解決するための本願第６発明の構成は、前記第４発明に係る照射干渉光が３光束以上であり、その一度の照射でテンプレート形成工程を行う、２次元配列構造体の作製方法である。
【００１４】
（第７発明の構成）
上記課題を解決するための本願第７発明の構成は、前記第３発明に係る光学的手段が構造体基盤の表面に対するリソグラフィー（マスクパターンの露光転写）技術の適用である、２次元配列構造体の作製方法である。
【００１５】
（第８発明の構成）
上記課題を解決するための本願第８発明の構成は、前記第１発明〜第７発明のいずれかに係る固定化工程の後、構造体基盤上に存在する非固定化微小物体を排除する工程を付加する、２次元配列構造体の作製方法である。
【００１６】
（第９発明の構成）
上記課題を解決するための本願第９発明の構成は、前記第１発明〜第８発明のいずれかに係るテンプレート形成工程で形成される凹凸構造の凹部が、幅が１ｎｍ〜５μｍの範囲内のサイズで、極めて微小な凸部を介して密に配列形成されている、２次元配列構造体の作製方法である。
【００１７】
（第１０発明の構成）
上記課題を解決するための本願第１０発明の構成は、前記第１発明〜第９発明のいずれかに係る光応答性材料が、アゾ基を有する色素構造を含む材料である、２次元配列構造体の作製方法である。
【００１８】
（第１１発明の構成）
上記課題を解決するための本願第１１発明の構成は、前記第１０発明に係るアゾ基を有する色素構造が、電子吸引性置換基と電子供与性置換基とを具備した分子内電荷移動型構造である、２次元配列構造体の作製方法である。
【００１９】
（第１２発明の構成）
上記課題を解決するための本願第１２発明の構成は、前記第１発明〜第１１発明のいずれかに係る微小物体が以下（１）〜（３）のいずれかの材料からなる、２次元配列構造体の作製方法である。
（１）高分子材料、セラミックス材料、金属材料又はこれらの２種以上の材料のハイブリッド材料。
（２）タンパク質。このカテゴリーには、少なくとも抗原、抗体、酵素及び糖タンパク質が包含される。
（３）任意の材料からなり、表面に上記（２）のタンパク質の少なくとも一種又は核酸分子が付着又は結合した微小球。
【００２０】
（第１３発明の構成）
上記課題を解決するための本願第１３発明の構成は、前記第１発明〜第１２発明のいずれかに係る２次元配列構造体がフォトニック結晶構造体である、２次元配列構造体の作製方法である。
【００２１】
（第１４発明の構成）
上記課題を解決するための本願第１４発明の構成は、前記第１３発明に係るフォトニック結晶構造体が、２次元スラブ型光デバイスである、２次元配列構造体の作製方法である。
【００２２】
（第１５発明の構成）
上記課題を解決するための本願第１５発明の構成は、前記第１４発明に係る２次元スラブ型光デバイスが、光導波路、光増幅器、又は光変調器である、２次元配列構造体の作製方法である。
【発明の効果】
【００２３】
（第１発明の効果）
第１発明の２次元配列構造体の作製方法においては、要するに所定の機能を有する光応答性材料に任意の並び形態で凹凸が規則的に配列形成された凹凸構造を形成し、この凹凸構造の凹部に多数の微小物体を配列吸着させて固定化する。従って凹凸構造が正確に形成されてさえいれば、多数の微小物体が一定の並び形態で正確かつ規則的に配列・固定化された２次元配列構造体を作製できる。そして、凹凸構造を所定の態様で正確に形成できる凹凸構造形成手段は、公知技術の中に幾つか存在するので、これらの手段を適宜に選択すれば良い。
【００２４】
配列工程においては、微小物体が構造体基盤上に２層以上に（３次元に）積層して配列している部分も存在するであろうが、固定化工程における光応答性材料の固定化作用は凹凸構造の凹部に配列された微小物体に対してのみ作用するので、結果的に微小物体は基盤上において２次元に（１層に）配列・固定化されることとなる。
【００２５】
そして、第１発明の２次元配列構造体の作製方法は、前記のテンプレート形成工程と、配列工程と、固定化工程とからなり、これらは特段に複雑なプロセスではないし、特に高価な加工装置等も必要としないので、２次元配列構造体の作製コストは高くならない。
【００２６】
なお、光応答性材料の機能からすれば、構造体基盤に対してテンプレート形成工程を行うことなく、その表面に微小物体を多数載置して、光照射による固定化工程を行っても、微小物体の固定化は可能である。しかし、この場合には、微小物体は構造体基盤の表面で自己組織的に配列することとなるため、従来技術に関して前記したように、配列の正確さ及び規則性が不十分となる。
【００２７】
（第２発明の効果）
２次元配列構造体の作製方法では、第２発明のように、その固定化工程における光照射の際にマスクパターンを用いることができるが、そのことにより、構造体基盤の表面に光応答性材料の固定化作用が発現する部分と発現しない部分とを設定できる。その結果、微小物体固定化領域と微小物体非固定化領域とを任意のパターンで設定することができる。
【００２８】
（第３発明の効果）
テンプレート形成工程で用いる凹凸構造形成手段としては、光学的手段が特に好ましい。凹凸構造形成手段としての光学的手段は、光応答性材料の特性を利用できる点において有利であるし、一般的に手段としての簡便性及び低コスト性があり、しかも非常に微細な凹凸構造を規則的かつ正確に形成することができる点においても有利である。
【００２９】
（第４発明の効果）
凹凸構造形成手段としての光学的手段のうち、特に好ましい手段が、第４発明のような構造体基盤の表面に対する干渉光の照射である。干渉光に特有の光強度の規則的な強弱の繰り返しを、光応答性材料の光変形量の大小の規則的な繰り返しとして反映させることにより、微小物体の配列・固定化用テンプレートとして好適な凹凸構造を形成することができる。
【００３０】
（第５発明の効果）
構造体基盤の表面に対する干渉光の照射に当たり、一つの好ましい実施態様が、照射干渉光が２光束により形成され、その入射角度と面内回転を制御した照射の繰り返しによりテンプレート形成工程を行うことである。
【００３１】
２光束により形成された干渉光を一度だけ照射することも、もち論、有効な凹凸構造形成手段の一態様であり、その場合には構造体基盤の表面に波板状の凹凸構造が形成される。そして、このような波板状の凹凸構造が形成された構造体基盤の表面に、更に同様の干渉光を入射角度と面内回転を制御して照射することにより、任意の並び形態の格子状（正方格子、長方格子、六方格子等）に凹凸部が配列した凹凸構造を形成することができる。
【００３２】
（第６発明の効果）
構造体基盤の表面に対する干渉光の照射に当たり、他の一つの好ましい実施態様が、照射干渉光が３光束以上であり、その一度の照射でテンプレート形成工程を行うことである。この場合、干渉光の一度の照射で、任意の並び形態の格子状に凹凸部が配列した凹凸構造を形成することができる。
【００３３】
（第７発明の効果）
凹凸構造形成手段としての他の光学的手段として、上記した干渉光の照射に比較して煩雑あるいはコスト高であるが、第７発明のような構造体基盤表面に対するリソグラフィー（マスクパターンの露光転写）技術の適用を、好ましく例示することができる。
【００３４】
（第８発明の効果）
第１発明に関して前記したように、配列工程において微小物体が構造体基盤上に２層以上に（３次元に）積層して配列している部分が存在するとしても、固定化工程における光応答性材料の固定化作用は凹凸構造の凹部に配列された微小物体に対してのみ作用する。第２発明においては、微小物体固定化領域の微小物体に対してのみ光応答性材料の固定化作用が作用する。
【００３５】
とは言え、現実問題としては、第２層目以上に積層して配列している微小物体や、微小物体非固定化領域に存在していた微小物体も、その一部が固定化と言うよりは単なる付着等の状態で構造体基盤表面に残存し、完成後の２次元配列構造体に悪影響を及ぼす可能性はある。従って第８発明のように、固定化工程の後に、構造体基盤上に存在する非固定化微小物体を排除する工程を付加することが、より好ましい。
【００３６】
（第９発明の効果）
凹凸構造の凹部は、配列・固定化される微小物体のサイズに対応して設定されるが、幅が１ｎｍ〜５μｍの範囲内のサイズで、極めて微小な凸部を介して密に配列形成されていることが好ましい。
【００３７】
凹凸構造の凸部は、凹部間の仕切りとして作用する他に、配列・固定化される個々の微小物体間にスペースを設定したい場合には、凸部の幅をやや大きく設定することにより、凸部をスペーサとして作用させることもできる。
【００３８】
（第１０発明の効果）
光応答性材料としては、該当する機能を示すものを任意に選択して使用することができるが、アゾ基を有する色素構造を含む材料が特に好ましい。
【００３９】
この材料は、光照射によりトランスからシスあるいはシスからトランスへ異性化を起こす。従って、異性化を起こした状態でポリマー内部での自由体積の変化、内部応力の増大等により、変形並びに（微小物体の）固定化を起こし易くする効果がある。これは分子の配置の変化に起因するもので、比較的緩やかな条件での変形・固定化といった観点で効果が高い。
【００４０】
（第１１発明の効果）
上記のアゾ基を有する色素構造としては、電子吸引性置換基と電子供与性置換基とを具備した分子内電荷移動型構造であることが、とりわけ好ましい。
【００４１】
このような構造を持つものは、光照射によりトランスからシスへ異性化を起こすが、シス状態が熱的に不安定であるため、すぐにトランス状態に戻る性質を有することが多い。このため、光照射中にトランス−シス−トランスのサイクルを繰り返し、この性質により光変形並びに光固定化の効率が飛躍的に上昇する効果がある。
【００４２】
（第１２発明の効果）
２次元配列構造体において、配列・固定化される微小物体の種類は限定されないが、例えば第１２発明の（１）〜（３）のいずれかの材料からなる微小物体を好ましく例示することができる。
【００４３】
（第１３発明の効果）
２次元配列構造体は、配列・固定化される微小物体の種類に応じて、種々の機能を持つ構造体であり得るが、特に代表的に例示されるものがフォトニック結晶構造体である。
【００４４】
（第１４発明の効果）
フォトニック結晶構造体としては、２次元スラブ型光デバイスを好ましく例示することができる。
【００４５】
（第１５発明の効果）
２次元スラブ型光デバイスとしては、光導波路、光増幅器、又は光変調器を好ましく例示することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
次に、本願の第１発明〜第１５発明を実施するための形態を、その最良の形態を含めて説明する。以下において、単に「本発明」と言う時は、本願の各発明を一括して指している。
【００４７】
〔２次元配列構造体の作製方法〕
本発明に係る２次元配列構造体の作製方法は、テンプレート形成工程と、配列工程と、固定化工程とを含む。前記固定化工程の後に、構造体基盤上に存在する非固定化微小物体を排除する工程を付加することもできる。又、これらの各工程の前、中間又は後に、必要又は有益な任意の工程を追加することもできる。
【００４８】
〔微小物体と２次元配列構造体〕
２次元配列構造体としては、配列・固定化される微小物体の種類に応じて種々のカテゴリーのものがあり得る。そして微小物体の種類は限定されないが、以下の（１）〜（３）のいずれかの材料からなるものを代表的に例示できる。（４）のものも好ましく例示できる。
【００４９】
（１）金属粒子、金属酸化物粒子、半導体粒子、セラミック粒子、プラスチック粒子又はこれらの内の２以上の材料（ハイブリッド材料）からなる粒子。これらを固定化することにより、例えば電界効果トランジスタや２次元フォトニック結晶を構成できる。又、これらを一定の固定化領域分布パターンに従って配列・固定化することにより、電気的又は光学的な集積回路チップ等を構成できる。シリカ粒子又はプラスチック粒子には光を閉じ込める作用があり、内部に蛍光性分子を導入することにより共振器構造によるレーザー発振が可能となり、光導波路に固定化することで集積化素子を作製できる。
【００５０】
（２）タンパク質、例えば、酵素、抗原、抗体、細胞膜レセプタータンパク質、あるいは生物細胞において発現する各種タンパク質群。これらはプラスチック等からなるマイクロビーズに一旦固定化し、このマイクロビーズを構造体基盤に配列・固定化することもできる。酵素の配列・固定化によりバイオリアクターやバイオセンサーを構成でき、酵素を一定の固定化領域分布パターンに従って配列・固定化することにより、集積化酵素トランジスタを構成できる。抗原又は抗体の配列・固定化によりイムノアッセイ用の試験チップ等を、細胞膜レセプタータンパク質の配列・固定化によりその機能や細胞のシグナル伝達機構等の解析手段を、生物細胞において発現する各種タンパク質群の配列・固定化によりプロテオーム解析用の試験チップ等を、組織特異的、病態特異的あるいは発生／分化段階特異的に発現する一群のタンパク質の配列・固定化によりタンパク質の機能を発現特異性との関連において解析できる手段を、それぞれ構成できる。
【００５１】
（３）１本鎖又は２本鎖以上の核酸即ちポリヌクレオチド。より具体的には、一塩基多形部を含むＤＮＡ断片、制限酵素断片又はマイクロサテライト部を含むＤＮＡ断片を例示できる。これらのＤＮＡ断片は遺伝的マーカーとして利用できるため、その配列・固定化により、個人のＳＮＰや遺伝子型を解析できるＤＮＡチップ又はＤＮＡマイクロアレイを構成できる。そして法医学的鑑定やテーラーメイド医療の実現に貢献できる。ｍＲＮＡやその断片、ｃＤＮＡやその断片、ゲノムＤＮＡ断片等も例示できる。これらも遺伝子解析に有効である。１本鎖のポリヌクレオチドを配列・固定化する場合には、ハイブリダイゼーションを容易にするために、ポリヌクレオチドの端部に予め微粒子を結合させておき、該微粒子を前記構造体基盤に配列・固定化することにより、結果的にポリヌクレオチドの端部を構造体基盤に配列・固定化するが、特に好ましい。
【００５２】
（４）細胞又は微生物。特に好ましくは生活状態にある細胞又は微生物。これらを配列・固定化することにより、これらの形態学的な研究の他、細胞又は微生物を利用してＤＮＡ、タンパク質等の生体分子の機能を in vitro で解析するための有力な手段が提供される。
【００５３】
〔光応答性材料〕
光応答性材料とは、光変形を起こすことが可能で、かつ、表面に配置された微小物体に対して光照射時に固定化能力を示す材料を言う。
【００５４】
その好ましい例示として、光照射によりアブレーション、フォトクロミズム、分子の光誘起配向等を起こす成分（光反応性成分）を光応答性材料中に含み、結果的に光応答性材料の体積、密度、自由体積等が変化して光変形が生成されるような、有機又は無機の材料を例示できる。他に、イオウ、セレン及びテルルのいずれかと、ゲルマニウム、ヒ素及びアンチモンのいずれかとが結合した構造を含むカルコゲナイトガラスと総称されるもの、等の無機材料も例示できる。
【００５５】
光反応性成分の種類は限定されないが、例えば材料の形状変化を伴う異方的光反応を起こし得る成分である光異性化成分や光重合性成分を、好ましく例示することができる。微小物体が、担体材料との化学反応により活性が損なわれるような生体物質である場合には、光反応性成分として光異性化成分が好ましい。
【００５６】
そして光異性化成分としては、例えばトランス−シス光異性化を生じる成分、特に代表的にはアゾ基（−Ｎ＝Ｎ−）を有する色素構造、とりわけ、アゾベンゼンやその誘導体の化学構造を持つ成分を好ましく例示できる。光応答性材料がアゾ基を有する色素構造を含む材料である場合において、その色素構造が、１又は２以上の電子吸引性官能基（電子吸引性置換基）、及び／又は、１又は２以上の電子供与性官能基（電子供与性置換基）を備えることが、特に好ましい。電子吸引性官能基としては、ハメット則における置換基定数σが正の値である官能基が、電子供与性官能基としてはハメット則における置換基定数σが負の値である官能基が、それぞれ好ましく例示される。
【００５７】
光応答性材料のマトリクス中において、光反応性成分は単に分散していても良いが、マトリクス中の光反応性成分の分布密度を制御できる点や材料の耐熱性又は経時的安定性等の点からは、マトリクスの構成分子に対して光反応性成分が化学的に結合していることが、特に好ましい。マトリクス材料としては、通常の高分子材料等の有機材料や、ガラス等の無機材料を用いることができる。マトリクスに対する光反応性成分の均一分散性あるいは結合性を考慮するなら、有機材料、とりわけ高分子材料が好ましい。
【００５８】
上記高分子材料の種類は限定されないが、高分子の繰返し単位の中にウレタン基，ウレア基，又はアミド基を含んだものが、更には高分子の主鎖中にフェニレン基のような環構造を備えたものが、耐熱性の点では好ましい。高分子材料は必要な形状に成形可能である限りにおいて、分子量、重合度、重合形態（直鎖状、分岐状、はしご状等）を問わない。光変形の経時的な安定性（微小物体に対する経時的な固定力の維持）のためには、高分子材料のガラス転移温度が１００°Ｃ以上と言った高いものの方が好ましいが、ガラス転移温度が室温程度やそれ以下のものでも使用可能である。
【００５９】
光反応性成分を含む高分子材料として特に好ましいものの具体例として、実施例で述べるものの他、次の「化１」〜「化４」に示すものが挙げられる。これらの例において、−Ｘはニトロ基、シアノ基、トリフルオロメチル基、アルデヒド基又はカルボキシル基を、−Ｙ−は−Ｎ＝Ｎ−、−ＣＨ＝Ｎ−又は−ＣＨ＝ＣＨ−を、−Ｒ−はフェニレン基、オリゴメチレン基、ポリメチレン基又はシクロヘキサン基を、それぞれ示す。「化２」において、ｍとｎの数値比率は任意であり、Ｒ’はアルキル基又はフェニル基を示す。
【００６０】
【化１】
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【００６１】
【化２】
2005234016.tif 000004
【００６２】
【化３】
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【００６３】
【化４】
2005234016.tif 000006
構造体基盤の表層部を構成する光応答性材料の厚さは限定されないが、微小物体の固定化に必要な変形量を確保できる厚さは要求される。表層部を構成する光応答性材料は、一般的には５０ｎｍ以上、より好ましくは５００ｎｍ以上の厚さを有する。
【００６４】
〔照射光〕
テンプレート形成工程と、固定化工程とにおいて用いる照射光としては、光応答性材料との組み合わせにおいてミスマッチングがない限り、伝搬光、近接場光又はエバネッセント光等の任意の照射光を利用できる。伝搬光としては、自然光、レーザー光等を利用できる。伝搬光、近接場光又はエバネッセント光として、その偏光特性を利用できる。照射光の波長や光源は限定されないが、波長に関しては、光応答性材料の吸収効率の高い波長が好ましい。微小物体が例えば紫外光（波長３００〜４００ｎｍ）により不活性化、劣化等の影響を受ける恐れがある場合には、照射光として可視光（波長４００〜６００ｎｍ）を用いることが好ましい。照射光の照射時間は、必要に応じて任意に設定すれば良い。
【００６５】
テンプレート形成工程において多数の凹凸を規則的に形成するには、干渉光における光の強度分布を利用することが好ましい。
【００６６】
固定化工程において構造体基盤上に微小物体の固定化領域と非固定化領域とを設定する場合には、細く絞った集光ビームを特定のパターンに従って照射することもできるが、より好ましくはフォトマスクを利用できる。フォトマスクの利用方法は限定されないが、例えば、プロキシミティー露光法や投影露光法を例示できる。更には、干渉光における光の強度分布を利用することもできる。
【００６７】
〔テンプレート形成工程〕
テンプレート形成工程においては、光変形を起こすことが可能で、かつ、表面に配置された微小物体に対して光照射時に固定化能力を示す光応答性材料を少なくとも表層部に有する構造体基盤の表面に、任意の凹凸構造形成手段により、任意の並び形態で凹凸が規則的に配列形成された凹凸構造を形成する。
【００６８】
構造体基盤の形態としては、光応答性材料のみからなる場合と、ガラス基板、金属基板等の適宜な材質からなる基板上に光応答性材料がコーティングされたものである場合とがある。
【００６９】
上記の凹凸構造形成手段の種類又は内容は限定されないが、光学的手段を用いることが好ましく、この光学的手段としては、構造体基盤の表面に対するリソグラフィー（マスクパターンの露光転写）技術の適用も好ましいが、構造体基盤の表面に対する干渉光の照射が特に好ましい。
【００７０】
干渉光の照射においては、干渉光が２光束により形成され、その入射角度と面内回転を制御した照射の繰り返しによりテンプレート形成工程を行うことが好ましい。干渉光の入射角度は、実施例において後述するように、実質的に凹凸構造のピッチを規定する手段である。又、面内回転とは、構造体基盤を面内回転させて、２光束干渉光の縞模様に対する交差角度を変更することを言う。
【００７１】
干渉光の照射においては、干渉光が３光束以上であり、その一度の照射でテンプレート形成工程を行うことも好ましい。この場合、干渉光の一度の照射で格子状の凹凸構造を形成することができる。格子の形態としては、２次元の周期構造であって、例えば六方格子、正方格子、長方格子、斜方格子その他の各種の格子形態が挙げられる。
【００７２】
上記したリソグラフィー（マスクパターンの露光転写）技術とは、任意のマスクパターンを光応答性材料の上部に配置し、上方より光を照射することにより光応答性材料の光変形を誘起して、マスクパターン形状を凹凸形状に転写する技術である。
【００７３】
テンプレート形成には、必ずしも光学的手段を用いなくても良い。例えば、希望する凹凸構造の鋳型が表面に形成された鋳型板を構造体基盤表面の光応答性材料層に押しつけて、転写によりテンプレート形成を行うこともできる。
【００７４】
〔配列工程〕
配列工程においては、前記凹凸構造の凹部に対応するサイズの多数の微小物体を該凹部に配列吸着させる。なお、凹凸構造の凹部は、微小物体のサイズと配列の態様とを規定することになるから、その幅が１ｎｍ〜５μｍの範囲内のサイズで、極めて微小な凸部を介して密に配列形成されていることが好ましい。
【００７５】
〔固定化工程〕
固定化工程においては、凹凸構造の凹部に配列吸着された微小物体を、前記構造体基盤の表面に光照射することにより固定化する。固定化工程における光照射の際、マスクパターンを用いることにより、構造体基盤の表面に微小物体固定化領域と微小物体非固定化領域とを任意のパターンで設定することができる。
【００７６】
なお、固定化工程の後に、構造体基盤上に存在する非固定化微小物体を排除する工程を付加することも好ましい。この工程は、例えば後述の実施例のように、超音波洗浄によって行うことができる。
【実施例】
【００７７】
（実施例１：基盤準備工程）
光応答性材料として、下記の「化５」に示すウレタン−ウレア系共重合アゾポリマーを用いた。そして、このポリマーをピリジンに一定の濃度に溶解し、ガラス基板上にスピンコーターにて所定の回転数でコーティングを行い、約１μｍの厚さにフィルム化した。次に、真空下で一晩、１５０°Ｃで乾燥及び熱処理に供することにより、以下の実施例で使用する構造体基盤を作製した。
【００７８】
この他にも、下記の「化６」に示すウレタン系共重合アゾポリマーを用いて、同上の要領により（乾燥及び熱処理を１３０°Ｃで行った点のみが異なる）構造体基盤を作製し、以下と同様の実施例を行って同等の結果をえているが、それらの詳細は省略する。
【００７９】
【化５】
2005234016.tif 000007
【００８０】
【化６】
2005234016.tif 000008
上記のガラス基板としては、後の固定化工程後の水洗浄時にコーティングフィルムがガラス基板から剥離しないように、表面が高密度アミノ基で覆われた剥離防止用ＭＡＳコートスライドグラス（松波ガラス社製）を用いた。因みに、通常のガラス基板を用いて同上の要領でポリマーのコーティングフィルムを作製した場合には、水洗浄時にコーティングフィルムが剥離する恐れがある。。
【００８１】
（実施例２：テンプレート形成工程その１）
次に、上記の構造体基盤に対して、２光束干渉光の露光により、構造体基盤の表面（光応答性材料フィルム）に、凹凸が規則的に配列形成された凹凸構造を形成した。即ち、１回目の２光束干渉光の露光により、光応答性材料の光変形を利用して図１の（１）に示すような波板型凹凸構造の表面レリーフグレーティング（ＳＲＧ）を形成した後、構造体基盤を面内で９０°回転してから２回目の２光束干渉光の露光を行い、図１の（２）に示すような凹凸が正方格子状に規則的に配列形成されたＳＲＧ（凹凸構造）を形成した。
【００８２】
上記の１回目及び２回目の露光においては、いずれも、干渉光の光源としては水冷ＣＷのアルゴンレーザー（ＬＥＸＥＬ社製）を用い、波長４８８ｎｍのレーザー光を照射した。レーザー光は無偏光ビームスプリッタで２分割した後、所定の入射角で構造体基盤に干渉露光した。入射角は、凹凸の変形が企図したピッチで起こるように、次の算出式にて決定した。この算出式において、ΛＧＲは干渉縞のピッチ、λは入射光の波長、θは入射角である。照射パワーはレーザー光をそのまま照射した時に、片側最大１５０ｍｗで照射した。
【００８３】
ΛＧＲ＝λ／（２・ｓｉｎθ）
テンプレート形成工程を完了した後の構造体基盤の表面は、コンタクトモード原子間力顕微鏡（デジタルインスツルメント社製：Nano Scope E）で変形状態を観察し、かつ、凹部変形の深さについても評価した。以下の図２（ａ）〜（ｃ）及び図３（ａ）〜（ｃ）において、図の端面部に凹部変形の深さを示す。全体像については、光学顕微鏡による観察も行った。
【００８４】
なお、干渉光の照射面積を大きくするため、ビームエクスパンダーでビームを拡大して光応答性材料フィルム表面を変形させることも可能である。
【００８５】
（実施例３：テンプレート形成工程その２）
上記の干渉光の入射角θが７７．４°であった場合の１回目の干渉光露光によるＳＲＧの原子間力顕微鏡像を図２（ａ）に示し、波板状変形のピッチは２５０ｎｍであった。干渉光の入射角θが２９．２°であった場合の１回目の干渉光露光によるＳＲＧの原子間力顕微鏡像を図２（ｂ）に示し、波板状変形のピッチは５００ｎｍであった。干渉光の入射角θが１４．１°であった場合の１回目の干渉光露光によるＳＲＧの原子間力顕微鏡像を図２（ｂ）に示し、波板状変形のピッチは１０００ｎｍであった。
【００８６】
上記のように波長４８８ｎｍのレーザー光を照射した場合、回折限界（入射角９０°に相当）は波長の２分の１の２４４ｎｍ程度であり、ほぼ回折限界に近いところのピッチで凹凸構造を形成可能であることが分かる。
【００８７】
（実施例４：テンプレート形成工程その３）
次に、１回目の干渉光露光と、構造体基盤の面内回転と、２回目の干渉光露光を行うに当たり、１，２回目の干渉光の入射角度と面内回転の度合いとを幾通りかに変化させた。以下の例から分かるように、構造体基盤の面内回転角度と干渉光の入射角度とを制御することにより、原理的にあらゆる２次元結晶構造を作製することができる。
【００８８】
最初の例は、上記の実施例３における１０００ｎｍのピッチで波板状変形を形成した例に対して、その構造体基盤を９０°面内回転させた後、１回目と同一入射角度の干渉光で２回目の干渉光露光を行った場合である。結果的に形成された凹凸構造の原子間力顕微鏡像を図３（ａ）に示すが、格子長さ１０００ｎｍの正方格子（ａ＝ｂ、α＝９０°）状に凹凸構造が作製されていることが分かる。
【００８９】
次の例は、上記の実施例３における５００ｎｍのピッチで波板状変形を形成した例に対して、その構造体基盤を１２０°面内回転させた後、１回目と同一入射角度の干渉光で２回目の干渉光露光を行った場合である。結果的に形成された凹凸構造の原子間力顕微鏡像を図３（ｂ）に示すが、格子長さ５８０ｎｍの六方格子（ａ＝ｂ、α＝６０°）状に凹凸構造が作製されていることが分かる。
【００９０】
もう一つの例は、上記の実施例３における１０００ｎｍのピッチで波板状変形を形成した例に対して、その構造体基盤を９０°面内回転させると共に、１回目とは異なり１５００ｍｍのピッチとなるように入射角度を変更して２回目の干渉光露光を行った場合である。結果的に形成された凹凸構造の原子間力顕微鏡像を図３（ｃ）に示すが、格子長さ１０００ｎｍ、１５００ｍｍの長方格子（ａとｂが異なり、α＝９０°）状に凹凸構造が作製されていることが分かる。
【００９１】
（実施例５：配列工程）
表面に１０００ｎｍのピッチで正方格子状凹凸構造を作製した構造体基盤の表面に対して、図１の（３）のようにドーナツ状の円盤をセットし、直径１０００ｎｍのポリスチレンの研究用微小球（モリテックス社製）を懸濁させた水を円盤の内部に滴下した。続いて図１の（４）のようにマイクロピペットで水を数回ピペッティングして、円盤の内周部壁付近から懸濁水を吸い上げた。次に、水分を乾燥させた後に円盤を取り外した。そして、走査型レーザー共焦点顕微鏡（オリンパス社製：ＯＬＳ１１００）にてポリスチレン微小球の配列状態を観察した。その顕微鏡像を図４に示す。
【００９２】
（実施例５の比較例、及び実施例５との対比評価）
上記の構造体基盤であって、テンプレート形成工程を経ていないものに対して実施例５と同様の操作を行い、ポリスチレン微小球の配列状態を同上の顕微鏡で観察した像を図５に示す。この場合、図５のように、ポリスチレン微小球は基本的に六方格子状に配列している。即ち、微小球同士の相互作用が強いため、エネルギー的に最も安定な六方構造配列を取ったものと考えられる。同時に、図５から明らかなように、このような六方構造配列がドメイン構造を取っており、ドメイン間の境界が欠陥となっていることが分かる。これは、コロイド２次元結晶の形成において、結晶成長がぶつかり合った結果と考えることができる。
【００９３】
一方、実施例５の結果である図４の顕微鏡像においては、微小球が正確に正方格子状に配列した部分が認められ、その配列部分は単層構造（２次元）で配列している。この理由は、上記の図５との比較から明らかなように、構造体基盤表面の凹凸構造（凹部の深さは約１００ｎｍ）が有効なテンプレートとして働いた結果、上記のように配列した、と考えることができる。
【００９４】
更に図４においては、ポリスチレン微小球が多層に重なり、その表面層（最上層）のポリスチレン微小球が六方格子状に配列した部分も広く観察される。この部分においては、要するに表面層のポリスチレン微小球は構造体基盤表面の凹凸構造の影響を受けず、図５の場合と同様に微小球同士の相互作用によって安定な六方格子状に配列した、と考えられる。換言すれば、このような部分でも、多層の重なりの最下層では、構造体基盤表面の凹凸構造のテンプレート効果によって、微小球が正確に正方格子状に配列していると推定される。
【００９５】
（実施例６：固定化工程その１）
次に、実施例５の配列工程を終えた構造体基盤の表面に対して干渉露光を行い、図１の（５）に示すようにポリスチレン微小球が配列した部分に前記と同じレーザー光をそのまま１００〜３００ｍｗで５〜１５分間、構造体基盤の表面側から照射した。続いて、この構造体基盤をビーカー内の蒸留水で内容物を数回揺らす程度に軽く洗浄した後、更に超音波洗浄機で約１０秒間の超音波洗浄を行った。そして乾燥させた後、前記の走査型レーザー共焦点顕微鏡でポリスチレン微小球の配列状態を観察した。その観察像を図６に示す。
【００９６】
図６によれば、構造体基盤表面の凹凸構造のテンプレート効果によって配列されたポリスチレン微小球のみが、ごく一部には脱落もあるものの、正確に六方格子状に配列した単層（２次元）で残り、ポリスチレン微小球が多層に重なった部分においても最下層のポリスチレン微小球以外は超音波洗浄により排除されている。このことは、固定化工程における上記のレーザー光の照射により、テンプレート効果によって配列されたポリスチレン微小球のみが超音波洗浄に耐える強度で固定化されたことを意味している。
【００９７】
なお、未処理の構造体基盤（即ち、実施例５のように凹凸構造に微小球を配列した構造体基盤であって、実施例６に係る固定化工程を経過していないもの）について実施例６と同様に超音波洗浄を行ったところ、ポリスチレン微小球は構造体基盤表面から脱落した。
【００９８】
（実施例７：固定化工程その２）
上記の実施例６の変更例として、前記実施例３において１０００ｎｍのピッチで波板状変形を形成した構造体基盤をそのまま用い、これに対して実施例５と同様のポリスチレン微小球の配列工程と実施例６と同様の固定化工程とを行った。その結果として得られた走査型レーザー共焦点顕微鏡像を図７に示す。
【００９９】
図７より明らかなように、実施例７の場合には、ポリスチレン微小球が縦方向（波板に沿う方向）には正確に配列しているが、横方向の配列には特に規則性が見られない。即ち、全体としての配列は、正方格子状でも六方格子状でもない。このことは、ポリスチレン微小球がテンプレートとしての波板状の凹凸構造に従って配列固定化されたことを示している。
【０１００】
（実施例８：２次元スラブ型光デバイスの作製）
図８（ａ）に示すように、実施例５の配列工程により、構造体基盤の表面の正方格子状凹凸構造にポリスチレン微小球を配列させたものについて、フォトマスクを用いたもとで、実施例６の固定化工程によるレーザー光の照射と、その後の超音波洗浄とを行った。
【０１０１】
その結果、構造体基盤の表面を前記の走査型レーザー共焦点顕微鏡で観察したところ、顕微鏡自体は提示しないが、図８（ｂ）に示すように、ポリスチレン微小球が配列・固定化された領域と配列・固定化されていない領域とがフォトマスクのパターンに従って形成された。即ち、これらは２次元スラブ型の微小な光デバイスであり、図８（ｂ）の左側は、いわゆる「Ｔ分岐」、図８（ｂ）の右側は、いわゆる「光増幅共振器」の構成を備えている。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本願発明は、各種の微小な無機質粒子やタンパク質等の微小物体を構造体基盤上に２次元で規則的に配列でき、その際に任意のパターンで微小物体の固定化領域と非固定化領域とを設定できるため、例えばプロテインチップやフォトニック結晶等の製造に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】実施例の全体的なプロセスを簡略化して示す図である。
【０１０４】
【図２】実施例に係る原子間力顕微鏡像を示す図である。
【０１０５】
【図３】実施例に係る原子間力顕微鏡像を示す図である。
【０１０６】
【図４】実施例に係る走査型レーザー共焦点顕微鏡像を示す図である。
【０１０７】
【図５】実施例に係る走査型レーザー共焦点顕微鏡像を示す図である。
【０１０８】
【図６】実施例に係る走査型レーザー共焦点顕微鏡像を示す図である。
【０１０９】
【図７】実施例に係る走査型レーザー共焦点顕微鏡像を示す図である。
【０１１０】
【図８】２次元スラブ型光デバイスの作製プロセスを簡略化して示す図である。
【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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