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技術 アレイおよびその製造方法

出願人 デジタルセンシングリミテッド
発明者 アンドリューヘインズデービッドジェームズベイツアシュトンシリルパートリッジカールティックカナッパン
出願日 2012年10月12日 (5年3ヶ月経過) 出願番号 2014-535686
公開日 2014年11月17日 (3年1ヶ月経過) 公開番号 2014-530366
状態 特許登録済
技術分野 電気化学的な材料の調査、分析 自動分析、そのための試料等の取扱い
主要キーワード リブ状構造 配線セット 電圧メータ 非導電性被覆 ラプラスの方程式 充填形状 孤立部分 インピーダンスプロファイル

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図面 (20)

課題・解決手段

本発明は、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に関する。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。

概要

背景

現在、アレイ製造するための多くの公知の方法存在する。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、直接電着配線堆積)、カーボンナノチューブナノ繊維アレイパターニング、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。スケールメリット特段の課題である。

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。

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。

正確に画定されたアレイは、
流体分析(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。

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ベース基板を含む。機能化可能エリアは、導電的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。

概要

本発明は、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に関する。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。

目的

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

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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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3D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。

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、直接電着配線堆積)、カーボンナノチューブナノ繊維アレイパターニング、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2D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

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。
(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。
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。
(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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
2つの異なる幾何学形状における界面の様々な全長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。
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。
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。
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。
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。
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。
PMMAにおける40ミクロンの先端を示す図である。
センサー製造のためのプロセスを示す図である。
センサー製造のためのプロセスを示す図である。
硫酸内の金電極の電気化学的洗浄を示す図である。
(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。
長期にわたるAu電極へのSAMの吸着を示す図である。
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。
(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連結を示す図である。(C)捕捉剤多重化のための、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。
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。
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。
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。
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。
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。

実施例

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下方接合される。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、それらの相補的抗原の検出および結合を含む。それぞれの場合、標的検体濃度は、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薄層(ナノメートル)の堆積、およびチオールまたはアミン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3D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、−CH3、−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22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3D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同等物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。Rct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。PMMA(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




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。

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ALTAST、ALP、GGTLDH、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’UTRで機能化し、第三の作用電極を、srm遺伝子産物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。

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