(57)【要約】【課題】核酸固定用電極上に固定化される核酸の量を増大し、検出感度を向上させた核酸センサ用基板を提供すること。【解決手段】シリコンからなる絶縁基板１と、絶縁基板１上に形成された第１の酸化珪素層２と、導体層４ａ、４ｂと金層４ｃとが積層されてなり、第１の酸化珪素層２上に配置された核酸固定用電極４と、核酸固定用電極４の金層４ｃと、核酸固定用電極４の金層４ｃ上および核酸固定用電極４の側面と、第１の酸化珪素層２上とに配置された配線導体と、を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンからなる絶縁基板と、
該絶縁基板上に形成された第１の酸化珪素層と、
導体層と金層とが積層されてなり、前記第１の酸化珪素層上に配置された核酸固定用電極と、
該核酸固定用電極の前記金層上および前記核酸固定用電極の側面と、前記第１の酸化珪素層上とに配置された配線導体と、を有することを特徴とする核酸センサ用基板。
【請求項２】
前記核酸固定用電極が、前記第１の酸化珪素層と前記核酸固定用電極との間に配置された第２の酸化珪素層を有することを特徴とする請求項１に記載の核酸センサ用基板。
【請求項３】
前記第２の酸化珪素層が、窒素を含有することを特徴とする請求項２に記載の核酸センサ用基板。
【請求項４】
前記第２の酸化珪素層の厚みが０．００５〜１μｍであり、前記導体層の厚みが０．０５〜１μｍであることを特徴とする請求項２または３に記載の核酸センサ用基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極上に核酸を固定するための核酸センサ用基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特定の塩基配列や特定の遺伝子の存在を検出するために導体上にプローブとなる核酸を固定化した構成の電極が特開平10−146183号公報（以下、従来例Ａという）に提案されている。この従来例Ａに記載されているように、近年、核酸の塩基配列と疾病との関係が明らかになってきており、特定の塩基配列あるいは特定の遺伝子の存在を検出することによって、発病の可能性や疾病の進行の程度等を探る遺伝子診断が、臨床検査の中で重要な位置を占めるようになってきている。一般に、特定の塩基配列あるいは特定の遺伝子の存在を検出する電極は、導体上にプローブとなる核酸を固定した構成となっており、特定の塩基配列あるいは特定の遺伝子の存在は、プローブとなる核酸と試料の核酸との間で形成された対（ハイブリッド）について、プローブ用の核酸に電圧を印加して電気的または光学的な信号を測定することによって検出できる。
【０００３】
従来例Ａでは、従来の電極はワイヤー状の電極を樹脂で抱埋した構造をとるためプローブ用の核酸を固定化できる表面積がばらつきやすいという問題点があり、これを解決するために、絶縁基板の上面に導電体とその導電体の一部を露出するように開口部を有する絶縁体とを形成し、開口部で露出した導電体に核酸を固定化して成る電極としている。
【特許文献１】特開平１０−１４６１８３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来例Ａの電極では、さらなる検出感度の高感度化に十分に対応できず、その結果再現性や定量性も不十分であるという問題点があった。即ち、検出感度をさらに高感度化するには、電極の最上層である金層の結晶構造の（１１１）面の配向指数を大きくして電極上に固定化される核酸の量を増やすことが有効であるが、金層の結晶構造の（１１１）面の配向指数を大幅に大きくすることは従来成されていなかった。
【０００５】
従って、本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、検出感度がさらに高感度化された核酸センサ用基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の核酸センサ用基板は、シリコンからなる絶縁基板と、該絶縁基板上に形成された第１の酸化珪素層と、導体層と金層とが積層されてなり、前記第１の酸化珪素上に配置された核酸固定用電極と、該核酸固定用電極の前記金層上および前記核酸固定用電極の側面と、前記第１の酸化珪素層上とに配置された配線導体と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の核酸センサ用基板は、シリコンからなる絶縁基板と、絶縁基板上に形成された第１の酸化珪素層と、導体層と金層とが積層されてなり、第１の酸化珪素上に配置された核酸固定用電極と、核酸固定用電極の金層上および核酸固定用電極の側面と、第１の酸化珪素層上とに配置された配線導体とを有することにより、高感度の核酸センサ用基板を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の核酸センサ用基板について実施の形態の一例を図１に示す。図１において、１は、シリコン（Ｓｉ），アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）セラミックス等のセラミックス等からなる絶縁基板、２は、絶縁基板１がＳｉである場合にその上面に熱酸化法によって形成された酸化層である。３は、酸化層２の上面にスパッタリング法等の真空成膜技術によって形成された厚さ１μm以下の酸化珪素（ＳｉＯ2）層、４は薄膜よりなる導体層および金層、４aが密着金属層、４ｂが拡散防止層、４ｃが金層である。５は、金層４ｃの上面に固定化された核酸である。また、密着金属層４ａと拡散防止層４ｂとは、厚さ１μｍ以下の導体層に相当する。
【０００９】
絶縁基板１がＳｉから成る場合、その上面に酸化層２を形成するのが好ましい。この酸化層２は、半導体であるＳｉを絶縁化するのに重要であって、一般的に1000℃を超える熱酸化炉を用いて形成される。その厚みは0.1〜３μｍ程度がよい。0.1μｍ未満では、Ｓｉと導体層４との絶縁が十分に保持できず、３μｍを超えると、酸化層２の残留応力によって絶縁基板１より剥離しやすくなる。
【００１０】
本発明の絶縁基板１の材料としては、シリコン、ガラス、石英ガラス、アルミナセラミックス、ムライト（３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）セラミックス、コーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ2Ｏ3・５ＳｉＯ2）セラミックス、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ2）セラミックス、炭化ケイ素（ＳｉＣ）セラミックス、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）セラミックス、サファイア（単結晶アルミナ）等の無機材料を用いることができる。また、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソブチレン、ポリエチレンテレフタレート、不飽和ポリエステル、含フッ素樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール、アクリル樹脂、ポリアクリロニトリル、ポリスチレン、アセタール樹脂、ポリカーボネート、ポリアミド、フェノール樹脂、ユリア樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、スチレン・アクリロニトリル共重合体、アクリロニトリル・ブタジエンスチレン共重合体、シリコーン樹脂、ポリフェニレンオキサイド、ポリスルホン等の有機材料を用いることができる。
【００１１】
絶縁基板１の主面または酸化層２の上面に、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等の真空成膜形成技術によって酸化珪素（ＳｉＯ2）層３が形成される。その厚みは１μｍ以下であり、１μｍを超えると、その上面に形成する薄膜よりなる導体層および金層４の応力によって酸化珪素層３が内部から破損され易くなる。好ましくは0.1μｍ以下であり、これより薄い場合は全く破損は発生しない。
【００１２】
また、酸化珪素層３の厚みは0.005μｍ以上であり、0.005μｍ未満では、成膜の際に厚さのばらつきが大きくなる。厚さ0.005〜１μｍの酸化珪素層３を形成することによって、核酸固定用電極の最上層である金層４ｃの結晶構造の（１１１）面の配向性が向上する。その原理については詳細にはわかっていないが、金層４ｃについてＸ線回折法により結晶の（１１１）面の配向性を定量的に確認すると、酸化珪素層３がない場合、配向の影響を受けにくい（３１１）面のピーク強度を基準とした金層４ｃの（１１１）面のピーク強度比は約16000であるのに対して、酸化珪素層３がある場合のピーク強度比は例えば約32000と約２倍の強度比となることが判明した。
【００１３】
本発明において、金層４ｃのＸ線回折法による（３１１）面のピーク強度に対する（１１１）面のピーク強度が25000倍以上であることがよく、この場合金層４ｃの表面に核酸を1011copy／ｃｍ2程度以上固定することができ、核酸の検出感度が大幅に向上する。より好ましくは、Ｘ線回折法による（３１１）面のピーク強度に対する（１１１）面のピーク強度は30000倍以上がよく、この場合金層４ｃの表面に核酸を1013copy／ｃｍ2程度以上固定することができ、核酸の検出感度が大幅に向上する。
【００１４】
このように、上記の本発明の構成とすることにより、（１１１）面の配向性が改善された金層４ｃを形成でき、その結果核酸の検出感度が向上することとなる。
【００１５】
また、酸化珪素膜３を真空成膜技術によって成膜する際に雰囲気ガスに窒素を加えることにより、酸化珪素膜３が窒素を含有する酸窒化珪素膜となり、耐薬品性が向上する。
【００１６】
薄膜よりなる導体層および金層４は、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、めっき法等の薄膜形成法により形成され、またフォトリソグラフィ法、エッチング法、リフトオフ法等によって所定パターンに加工される。
【００１７】
導体層および金層４は、例えば密着金属層４ａ、拡散防止層４ｂ、金層４ｃが順次積層された３層構造であることがよい。
【００１８】
即ち、密着金属層４ａによって核酸固定用電極が絶縁基板１に強固に密着し、拡散防止層４ｂによって金層４ｃと密着金属層４ａとの相互拡散が防止される。
【００１９】
密着金属層４ａは、絶縁基板１との密着性の点で、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｔａ2Ｎ等のうち少なくとも１種より成るのが良い。密着金属層４ａの厚さは0.01〜0.2μｍ程度が良い。0.01μｍ未満では、強固に密着することが困難となり、0.2μｍを超えると、成膜時の内部応力によって剥離が生じ易くなる。
【００２０】
拡散防止層４ｂは、密着金属層４ａと金層４ｃとの相互拡散を防ぐうえで、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｎｉ，Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｔｉ−Ｗ合金等のうち少なくとも１種より成るのが良い。拡散防止層４ｂの厚さは0.05〜１μｍ程度が良く、0.05μｍ未満では、ピンホール等の欠陥が発生して拡散防止層４ｂとしての機能を果たしにくくなる。１μｍを超えると、成膜時の内部応力により剥離が生じ易くなる。拡散防止層４ｂにＮｉ−Ｃｒ合金を用いる場合、密着性も確保できるため、密着金属層４ａを省くことも可能である。
【００２１】
導体層としての密着金属層４ａおよび拡散防止層４ｂの合計の厚みは0.05〜１μｍである。0.05μｍ未満では、導体層と酸化珪素層３とを強固に密着させることができなくなったり、密着金属層４ａと金層４ｃとの相互拡散を防ぐことができなくなったりする。
【００２２】
１μｍを超えると、酸化珪素層３を設けたことによる金層４ｃの配向性の向上が発現しにくくなる。
【００２３】
さらに、金（Ａｕ）層４ｃは、その厚さは0.1〜５μｍ程度が良い。0.1μｍ未満では、電気抵抗が大きくなる傾向にあり、５μｍを超えると、成膜時の内部応力により剥離を生じ易くなる。また、Ａｕは貴金属で高価であることから、低コスト化の点でなるべく薄く形成することが好ましい。
【００２４】
核酸固定用電極の上面に核酸５を固定化する場合、その表面を硫酸、混酸、王水、塩化水素などによって洗浄した後、核酸５の５'または３'末端にチオール基を導入し、チオール基を介して核酸５の一端が金層４ｃの表面に吸着され強固に固定化される。核酸５は１本鎖のＤＮＡ（Deoxyribonucleic Acid：デオキシリボ核酸）のほか１本鎖のＲＮＡ（ribonucleic Acid：リボ核酸）でもよく、また塩基数も特に限定されるものではないが、15塩基〜3000塩基程度の長さであればよい。
【００２５】
核酸固定用電極の表面に固定化される核酸５と対（ハイブリッド）を成して検出される核酸としては、各種ウイルス、細菌、寄生虫、真菌等の核酸や各種疾患を有する細胞の核酸、または各種ウイルスや各種疾患の細胞の遺伝子、さらにはそれらの遺伝子の一部でもよい。
【００２６】
また、ハイブリッド化された核酸５の検出は、核酸が電圧を印加すると発光する性質を利用してその発光強度を測定することによって行なうことができる。
【００２７】
これにより、核酸固定用電極上において対を成した（ハイブリッド化した）核酸５の量を検出することにより、測定対象物中に存在する核酸５と同じ塩基配列の核酸を検出することができる。さらに、核酸固定用電極上において対を成した核酸５の量を電気的に検出することもできる。即ち、ヘキスト３３２５８等の挿入剤、フィロセン類および金属錯体等の電気化学的に活性な物質で核酸固定用電極上の核酸５を標識し、核酸５に電圧を印加することにより上記物質に起因した電気信号を検出するものである。
【００２８】
核酸固定用電極に電圧を印加する手段は、金層４ｃの上面の一部から核酸固定用電極の側面を経由して酸化層２上に引き出されて形成されたＡｕ等から成る引き出し線を薄膜形成法により設けたり、金層４ｃの上面にＡｕ，Ａｌ等からなるボンディングワイヤをボンディングすることにより設けることができる。
【実施例】
【００２９】
本発明の核酸センサ用基板の実施例を以下に説明する。
【００３０】
図１の核酸センサ用基板を以下のようにして構成した。Ｓｉから成る絶縁基板１を熱酸化炉中に設置し、約1000℃で９時間程度酸化処理することにより、絶縁基板１の表面に厚さ約0.3μｍの酸化層２を形成した。
【００３１】
酸化層２の上面の一部に、スパッタリング法により厚さ0.02μｍの酸化珪素層３を形成した。酸化珪素層３の上面に、厚さ0.1μｍのＴｉから成る密着金属層４ａ、厚さ0.2μｍのＰｔから成る拡散防止層４ｂ、厚さ0.5μｍの金層４ｃをそれぞれスパッタリング法により形成し、核酸センサ用基板（サンプルＡ）を作製した。
【００３２】
また、比較例１として、酸化珪素層３がない以外は上記実施例と同様に核酸センサ用基板（サンプルＢ）を作製した。
【００３３】
比較例２として、酸化珪素層３の厚さが３μｍである以外は上記実施例と同様に核酸センサ用基板（サンプルＣ）を作製した。
【００３４】
比較例３として、密着金属層４ａおよび拡散防止層４ｂの合計の厚さが２μｍである以外は上記実施例と同様に核酸センサ用基板（サンプルＤ）を作製した。
【００３５】
比較例４として、酸化珪素層３の厚さが0.001μｍである以外は上記実施例と同様に核酸センサ用基板（サンプルＥ）を作製した。
【００３６】
比較例５として、密着金属層４ａおよび拡散防止層４ｂの合計の厚さが0.01μｍである以外は上記実施例と同様に核酸センサ用基板（サンプルＦ）を作製した。
【００３７】
これらのサンプルＡ〜Ｆの各10個について、Ｃｕ元素のＫαのＸ線を用いたＸ線回折法により金層４ｃの（１１１）面の配向性を測定した。
【００３８】
サンプルＡは、配向の影響を受けにくい（３１１）面のピーク強度を基準とした金層４ｃの（１１１）面のピーク強度比は平均して約32000であった。これに対し、サンプルＢは上記ピーク強度比が平均して約16000、サンプルＣは上記ピーク強度比が約31000のものがあったが、９個に酸化珪素層３にクラックが発生し不良品となった。また、サンプルＤは上記ピーク強度比が平均して約22000であった。また、サンプルＥは、上記ピーク強度比が平均して約17000で、サンプルＦは、10個すべてに酸化珪素層３と密着金属層４ａとの層間で剥離が発生し不良品となった。
【００３９】
以上より、サンプルＡは核酸５を1014copy／ｃｍ2程度固定化できることが期待できるのに対し、サンプルＢは108copy／ｃｍ2程度、サンプルＤは1010copy／ｃｍ2程度、サンプルＥは108copy／ｃｍ2程度しか期待できないことが判明した。
【００４０】
また、サンプルＣは酸化珪素層３にクラックが発生しやすく、サンプルＦは酸化珪素層３と密着金属層４ａとの層間で剥離が発生し、従ってサンプルＣ，Ｆは歩留りが悪く核酸センサ用基板として使用するのが困難であることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の核酸センサ用基板について実施の形態の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１：絶縁基板
２：酸化層
３：酸化珪素層
４ａ：密着金属層
４ｂ：拡散防止層
４ｃ：金層
５：核酸
【図１】
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