JP5718673B2 - Element for molecular manipulation - Google Patents
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Description
本発明は、基板の上に配置されている分子膜における分離の操作を行う分子操作素子に関するものである。 The present invention relates to a molecular manipulation element for performing a separation operation on a molecular film disposed on a substrate.
極微量の試料に含まれる分子の検出技術は、産業応用の上で非常に重要な技術である。この技術によれば、例えば、極微量でも生体に影響を与える環境ホルモンのような分子を検出することができる。また、生体分子のように試料が少なければ少ないほど、例えば血液や組織などの摂取源への侵襲を軽減できる。このように、上述した分子検出の技術は、実用上の利点がある。 A technique for detecting molecules contained in a very small amount of sample is a very important technique for industrial application. According to this technique, for example, a molecule such as an environmental hormone that affects a living body can be detected even in a very small amount. In addition, the smaller the number of samples, such as biomolecules, can reduce the invasion of intake sources such as blood and tissues. Thus, the above-described molecular detection technique has practical advantages.
また、基礎的な研究においても、分子をこの機能を損なうことなく、操作し、分別し、また、検出できる技術が望まれている。また、究極的には、これらの技術を単一分子を対象に適用することが望まれている。このような技術は、分子間相互作用、分子間自己組織化、分子間反応といった、基礎的な分子科学研究に有用であるだけではなく、これらの研究を応用して得られる知見は、例えば疾病のメカニズムの解明を通じて創薬につながり、将来的なライフサイエンス分野への応用が期待される。 Also, in basic research, a technique that can manipulate, fractionate, and detect molecules without impairing their functions is desired. Ultimately, it is desired to apply these techniques to a single molecule. Such technology is not only useful for basic molecular science research such as intermolecular interaction, intermolecular self-organization, and intermolecular reaction, but the knowledge obtained by applying these researches is, for example, disease. It will lead to drug discovery through elucidation of the mechanism of this and is expected to be applied in the future life science field.
一般的な微量検出技術としては、ガスクロマトグラフィーおよび液体クロマトグラフィーに代表されるクロマトグラフィー技術が、化学・生物学の分野で最も一般的に使用されている。しかしながら、これらクロマトグラフィー技術は、まず、一分析に要する時間が数十分の単位であり、多数の試料の分析には相応の時間あるいは複数台のクロマトグラフィー機器を用意する必要があり、単位時間あたりの処理量を増やすことができず(低スループット)、迅速な分析が容易ではない。 As a general trace detection technique, a chromatography technique represented by gas chromatography and liquid chromatography is most commonly used in the field of chemistry and biology. However, in these chromatographic techniques, the time required for one analysis is a few tens of units, and it is necessary to prepare a suitable time or a plurality of chromatographic instruments for the analysis of a large number of samples. The amount of processing per process cannot be increased (low throughput), and rapid analysis is not easy.
一方、近年のMEMS(マイクロ電気機械システム)技術の発展により、マイクロ流体デバイスやμTAS(マイクロ・トータル・アナリシス・システム)と称される、微小反応槽および微小反応槽へ試料を供給するチューブ状の流路を備えた素子が開発されている。この素子においては、特に生体分子の検出や血液検査などの医療応用が大きな目標のひとつになっている。この種の素子では、試料の必要量を低減することにより検体の少量化ひいては人体への低侵襲化を実現し、また、複数の微小センサーを組み込むことにより高いスループットを実現するための開発が進められている。 On the other hand, with the recent development of MEMS (micro electromechanical system) technology, microfluidic devices and micro-TAS (micro total analysis system) called tube-shaped reactors that supply samples to microreactors and microreactors Devices with flow paths have been developed. In this element, medical applications such as detection of biomolecules and blood tests are among the major goals. Development of this type of device has led to a reduction in the amount of specimens required to reduce the amount of specimens and thus to less invasiveness to the human body, and to achieve high throughput by incorporating multiple microsensors. It has been.
マイクロ流体デバイスやμTAS素子では、従来より一般に用いられている分析技術に比べて試料の必要量を大幅に低減している。しかしながら、これらの素子では、溶液の輸送にチューブを利用しているため、チューブ径の減少による送液時の粘性抵抗の増大などが、微細化を進める上での制限要因となる。 In the microfluidic device and the μTAS element, the required amount of the sample is significantly reduced as compared with the analysis technique that is generally used conventionally. However, in these elements, since a tube is used for transporting the solution, an increase in viscous resistance at the time of liquid feeding due to a decrease in the tube diameter is a limiting factor for further miniaturization.
このような状況下において、三次元的な反応槽や送液系を使用しない新規のマイクロ流路デバイスが報告されている(非特許文献1)。これらの素子では、脂質分子が固液界面において自発的に脂質二分子膜を形成するという脂質二分子膜の自発展開現象を利用し、水溶液の代わりに脂質二分子膜を試料の輸送媒体として用いることを特徴としている。試料は脂質二分子膜に結合させる、または埋めこむ必要があるものの、試料を厚さ約5nmの膜という、二次元の領域に閉じ込めたままで輸送および反応を行うことができる。 Under such circumstances, a novel microchannel device that does not use a three-dimensional reaction tank or a liquid feeding system has been reported (Non-Patent Document 1). These devices utilize the spontaneous development of lipid bilayers, where lipid molecules spontaneously form lipid bilayers at the solid-liquid interface, and use lipid bilayers as sample transport media instead of aqueous solutions. It is characterized by that. Although the sample needs to be bound to or embedded in the lipid bilayer membrane, the sample can be transported and reacted while confined in a two-dimensional region of about 5 nm thick membrane.
また、従来のマイクロ流体デバイスやμTASでは、試料を水溶液に溶解または分散させる必要がある。このため、例えば特定の環境におかれないと機能を発現しないような試料に対する検査は不可能になっている。このような試料の種類は少なくなく、生体内の情報の授受をつかさどる一連の膜タンパク質などが含まれる。これらの膜タンパク質は、分子形状の変化によって機能を発現するが、細胞膜内に埋めこまれた状態にないとこの分子形状が維持できないからである。脂質二分子膜を試料の輸送媒体として用いるマイクロ流路デバイスは、膜タンパク質の機能を検出する目的でも有用な手段となっている。 Further, in a conventional microfluidic device or μTAS, it is necessary to dissolve or disperse a sample in an aqueous solution. For this reason, for example, it is impossible to inspect a sample that does not exhibit its function unless placed in a specific environment. There are many types of such samples, including a series of membrane proteins that are responsible for in-vivo information transfer. This is because these membrane proteins express their functions by changing the molecular shape, but this molecular shape cannot be maintained unless they are embedded in the cell membrane. A microchannel device using a lipid bilayer membrane as a sample transport medium is also a useful means for the purpose of detecting the function of a membrane protein.
一方、固体表面に支持した脂質二分子膜は、それ自体、流動的な性質を有している。これは、側方拡散として知られ、蛍光消光後の蛍光回復(フルオレッセンス・リカバリ・アフター・フォトブリーチング;FRAP)実験によって証明されている(非特許文献2)。 On the other hand, the lipid bilayer membrane supported on the solid surface itself has a fluid property. This is known as lateral diffusion, and has been proved by fluorescence recovery (fluorescence recovery after photobleaching; FRAP) experiments after fluorescence quenching (Non-patent Document 2).
固体(基板)表面に支持した膜の流動性については、単分子膜の場合も状況は同じである。例えば、上述と同じ脂質分子は、疎水表面上では単分子膜を形成することが報告されている。この単分子膜は、上述と同様の自発展開現象を示し、膜内の分子の流動性が証明されている(非特許文献3)。 Regarding the fluidity of the film supported on the solid (substrate) surface, the situation is the same in the case of the monomolecular film. For example, the same lipid molecules as described above have been reported to form monolayers on hydrophobic surfaces. This monomolecular film exhibits the same spontaneous expansion phenomenon as described above, and the fluidity of molecules in the film has been proven (Non-patent Document 3).
これらの流動的な二分子膜あるいは単分子膜といった、分子の二次元領域に結合した、あるいは内包された分子を、外部からの刺激によって動かす手法として、基板表面に支持した脂質二分子膜に外部電場を印加する方法がある。特定の領域に閉じ込められた支持脂質二分子膜内に電場を印加することにより、膜内に存在する色素分子を膜内の特定の部位に偏在させることが可能であることが示されている(非特許文献4)。 As a method of moving molecules bound or encapsulated in two-dimensional regions of molecules such as fluid bilayers or monolayers by external stimuli, the lipid bilayer supported on the substrate surface is externally attached. There is a method of applying an electric field. It has been shown that by applying an electric field in a supported lipid bilayer membrane confined in a specific region, dye molecules existing in the membrane can be unevenly distributed at specific sites in the membrane ( Non-patent document 4).
しかしながら、上述した外部電場の印加による分子操作の技術は、基板に支持された脂質二分子膜を維持するための電解質溶液に電極を配置して電場印加を行うもので、基板表面に同時に一種類の電場が印加できるのみである。したがって、基板表面に支持した脂質二分子膜にも、同時に一種類の電場しか印加されない。これにより、支持膜に結合したあるいは埋めこまれた分子を一方向に操作することは可能であるが、これ以上の複雑な操作は原理的に行えない方式である。 However, the above-described molecular manipulation technique by applying an external electric field involves applying an electric field by placing an electrode in an electrolyte solution for maintaining a lipid bilayer membrane supported on a substrate. The electric field can only be applied. Therefore, only one type of electric field is applied to the lipid bilayer membrane supported on the substrate surface at the same time. This makes it possible to manipulate the molecules bound or embedded in the support membrane in one direction, but in principle, no more complicated operations can be performed.
ここで、ひとつの支持膜内において、局所的かつ独立に複数の電場を印加することにより、膜に結合したあるいは埋めこまれた分子を膜内で操作することができれば、新規の分子分別および分子検出技術に応用できる可能性がある。例えば、支持膜内で特定の分子を操作することにより、これを分別し、また、検出できる可能性がある。また、分子の動きを三次元領域でなく二次元領域に限定することにより、分子の位置の操作を通して分別・検出といった作業をより微量の試料を用いて効率的に行える可能性がある。しかしながら、基板に支持された膜内での、上述したような電場印加方法およびこれを利用した分子操作については、これまでその手法が開発されていない。 Here, if a molecule bound or embedded in the membrane can be manipulated in the membrane by applying a plurality of electric fields locally and independently within one supporting membrane, a new molecular fractionation and molecular It may be applicable to detection technology. For example, by manipulating specific molecules in the support membrane, this may be separated and detected. Further, by limiting the movement of molecules to a two-dimensional region instead of a three-dimensional region, there is a possibility that operations such as separation and detection can be performed efficiently using a smaller amount of sample through manipulation of the position of the molecule. However, no method has been developed so far for a method of applying an electric field as described above and a molecular operation using the same in a film supported on a substrate.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、分子膜における分子の位置の操作が、より効率的に行えるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to enable more efficient manipulation of molecular positions in a molecular film.
本発明に係る分子操作用素子は、基板の上に形成された電極と、基板の上に電極を覆って形成された絶縁層と、絶縁層の上に形成され、操作対象の分子が結合したあるいは埋めこまれた分子膜とを少なくとも備える。 The element for molecular manipulation according to the present invention includes an electrode formed on a substrate, an insulating layer formed on the substrate so as to cover the electrode, and formed on the insulating layer, to which molecules to be manipulated are bonded. Alternatively, it includes at least an embedded molecular film.
上記分子操作用素子において、絶縁層の上に形成された、絶縁層の上で分子膜の有無を区画する区画構造を備えるようにしてもよい。区画構造は、例えば、親水性の領域および疎水性の領域から構成されていればよい。また、区画構造は、凹凸および各々異なる粗さの領域から構成されていてもよい。 The molecular manipulation element may be provided with a partition structure that is formed on the insulating layer and partitions the presence or absence of the molecular film on the insulating layer. The partition structure may be composed of, for example, a hydrophilic region and a hydrophobic region. In addition, the partition structure may be composed of unevenness and areas having different roughness.
上記分子操作用素子において、分子膜は、脂質二分子膜から構成されていればよい。また、基板の上に各々絶縁分離された複数の電極を備え、複数の電極は、各々異なる電圧が印加されるようにしてもよい。 In the molecular manipulation element, the molecular film may be composed of a lipid bilayer. In addition, a plurality of electrodes each insulated and separated may be provided on the substrate, and different voltages may be applied to the plurality of electrodes.
以上説明したように、本発明によれば、基板の上に形成された電極と、基板の上に電極を覆って形成された絶縁層と、絶縁層の上に形成された分子膜とを少なくとも備えるようにしたので、分子膜における分子の位置の操作が、より局所的かつ効率的に行えるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, at least an electrode formed on a substrate, an insulating layer formed on the substrate so as to cover the electrode, and a molecular film formed on the insulating layer are provided. As a result, it is possible to obtain an excellent effect that the manipulation of the position of the molecule in the molecular film can be performed more locally and efficiently.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1について、図1A,図1B,図1Cを用いて説明する。図1A,図1Bは、本発明の実施の形態1における分子操作用素子の構成を示す断面図である。また、図1Cは、実施の形態1における分子操作用素子の構成を示す平面図である。図1Aは、図1Cのaa’線の断面を示し、図1Bは、図1Cのbb’線の断面を示している。
[Embodiment 1]
First, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A, 1B, and 1C. 1A and 1B are cross-sectional views showing the configuration of the molecular manipulation element according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 1C is a plan view showing the configuration of the element for molecular manipulation according to Embodiment 1. 1A shows a cross section taken along line aa ′ in FIG. 1C, and FIG. 1B shows a cross section taken along line bb ′ in FIG. 1C.
この分子操作用素子は、基板101の上に各々絶縁分離して形成された電極131,132,133,134と、基板101の上に電極131,132,133,134を覆って形成された絶縁層104と、絶縁層104の上に形成された分子膜110とを少なくとも備える。分子膜110は、例えば、二分子膜および単分子膜などである。本実施の形態では、複数の電極131,132,133,134を備え、各々が、基板101の上に形成された絶縁層102により絶縁分離されている。 This molecular operation element includes electrodes 131, 132, 133, and 134 formed on the substrate 101 so as to be isolated from each other, and insulation formed on the substrate 101 so as to cover the electrodes 131, 132, 133, and 134. At least a layer 104 and a molecular film 110 formed on the insulating layer 104 are provided. The molecular film 110 is, for example, a bimolecular film or a monomolecular film. In this embodiment mode, a plurality of electrodes 131, 132, 133, and 134 are provided, and each is insulated and separated by an insulating layer 102 formed on the substrate 101.
基板101は、例えばシリコンなどの固体材料から構成されていればよい。シリコン基板を用いる場合、この表面を熱酸化することで、絶縁層102が形成できる。また、各電極は、Auなどの金属をいわゆるリフトオフ法によりパターニングすることで形成できる。また、絶縁層104は、例えば、SiO2およびSiNをスパッタ法やCVD法などにより堆積することで形成すればよい。 The substrate 101 only needs to be made of a solid material such as silicon. When a silicon substrate is used, the insulating layer 102 can be formed by thermally oxidizing the surface. Each electrode can be formed by patterning a metal such as Au by a so-called lift-off method. The insulating layer 104 may be formed, for example, by depositing SiO 2 and SiN by sputtering or CVD.
本実施の形態によれば、電極の上に絶縁層を介して分子膜が配置されているので、電極により分子膜が広がる領域を制限することがない。また、電極の直上の分子に電場を印加できるので、電極に合わせた大面積で局所的に電場をかけることができる。このようにより大きな面積で電場が印加できるので、絶縁層の上に特定の分子を集めるなどの位置の操作が効率的に行えるようになる。また、局所的に電場をかけることができるので、複数の電極を配置し、おのおの独立に電場を印加することによって、複雑な分子操作を行なえるようになる。 According to the present embodiment, since the molecular film is disposed on the electrode via the insulating layer, the region where the molecular film spreads by the electrode is not limited. Moreover, since an electric field can be applied to the molecule | numerator immediately above an electrode, an electric field can be locally applied with the large area matched with the electrode. Since an electric field can be applied in a larger area in this way, operations such as collecting specific molecules on the insulating layer can be performed efficiently. In addition, since an electric field can be applied locally, a complex molecular operation can be performed by arranging a plurality of electrodes and independently applying an electric field.
[実施例1]
次に、実施の形態1について、実施例を用いてより詳細に説明する。はじめに、分子操作用素子の作製について説明する。まず、層厚300nmの熱酸化層が形成されている直径3インチの円形のシリコンウエハを用意し、このシリコンウエハの熱酸化層の上に、プラズマCVD装置によりSiN膜を200nm堆積させた。
[Example 1]
Next, the first embodiment will be described in more detail using examples. First, preparation of a molecular manipulation element will be described. First, a circular silicon wafer having a diameter of 3 inches on which a thermal oxide layer having a thickness of 300 nm was formed was prepared, and a 200 nm SiN film was deposited on the thermal oxide layer of the silicon wafer by a plasma CVD apparatus.
次に、堆積したSiN膜の表面を0.5%フッ酸溶液で洗浄した後、洗浄した表面に、スピンコート法によりフォトレジストを塗布した。次いで、塗布したフォトレジスト層に電極パターンを描画したレチクルを介して当該電極パターンを露光し、さらにこれを現像して、フォトレジスト層に電極パターンを転写した。 Next, the surface of the deposited SiN film was washed with a 0.5% hydrofluoric acid solution, and a photoresist was applied to the washed surface by a spin coating method. Next, the applied photoresist layer was exposed to light through a reticle on which an electrode pattern was drawn, and further developed to transfer the electrode pattern to the photoresist layer.
次に、電極パターンを転写したフォトレジスト層をマスクパターンとし、次に六フッ化硫黄ガスにより、SiN膜を選択的にエッチングした。このとき、SiO2からなる熱酸化層に対してSiN膜が高い選択比でエッチングされる条件を採用し、電極が形成される部分のSiN膜を完全に除去し、かつこの領域の熱酸化層はエッチングしないようにした。 Next, the photoresist layer to which the electrode pattern was transferred was used as a mask pattern, and then the SiN film was selectively etched with sulfur hexafluoride gas. At this time, a condition in which the SiN film is etched at a high selection ratio with respect to the thermal oxide layer made of SiO 2 is adopted, and the SiN film in the portion where the electrode is formed is completely removed, and the thermal oxide layer in this region Was not etched.
次に、上記フォトレジスト層を残した状態で、電子ビーム蒸着装置を用い、チタン50nm、金100nm、白金20nmの膜を堆積した。この後、リフトオフ法により上記フォトレジスト層を除去し、SiN膜を除去した領域に上記金属の積層膜からなる電極を形成した。酸素プラズマ処理(400W、10分)およびセミコクリーン(フルウチ化学株式会社製有機アルカリ系洗浄液)による洗浄を施し、表面の清浄化を行った。 Next, with the photoresist layer left, a film of titanium 50 nm, gold 100 nm, and platinum 20 nm was deposited using an electron beam evaporation apparatus. Thereafter, the photoresist layer was removed by a lift-off method, and an electrode made of the above-mentioned metal laminated film was formed in the region where the SiN film was removed. The surface was cleaned by oxygen plasma treatment (400 W, 10 minutes) and semi-coclean (organic alkaline cleaning solution manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.).
次に、電極を形成したSiN膜の上に、スピンコート法によりフォトレジストを塗布してフォトレジスト層を形成し、外部出入力用の電極パッド部を保護するパターンをフォトレジスト層に描画した。次いで、スパッタ装置によりSiO2を200nm堆積させ、リフトオフ法によりフォトレジスト部を除去した。以上のプロセスにより、基板の上に各々絶縁分離して形成された複数の電極および基板の上に電極を覆って形成された絶縁層からなる電極基板を得る。また、電極を覆う絶縁層は、電極パッド部には形成されておらず、電極パッド部は露出している。この電極基板を実験に使用した。 Next, a photoresist layer was formed on the SiN film on which the electrode was formed by spin coating to form a photoresist layer, and a pattern for protecting the electrode pad portion for external input / output was drawn on the photoresist layer. Next, 200 nm of SiO 2 was deposited by a sputtering apparatus, and the photoresist portion was removed by a lift-off method. Through the above-described process, an electrode substrate is obtained which is composed of a plurality of electrodes formed by insulating and separating on the substrate and an insulating layer formed on the substrate so as to cover the electrodes. Further, the insulating layer covering the electrode is not formed on the electrode pad portion, and the electrode pad portion is exposed. This electrode substrate was used for the experiment.
次に、電極基板(電極を覆う絶縁層)の上に形成する分子膜の作製について説明する。まず、ベシクル溶液を調製する。卵黄由来フォスファチジルコリン中に、テキサスレッド−ジヘキサノイルフォスファチジルコリンを1モル%含む脂質分子混合体を、それぞれのクロロホルム溶液を用いて調製した。クロロホルム溶液は、ガラス瓶の中に調製する。次に、調製したクロロホルム溶液に窒素ガスを吹き付け、クロロホルムを蒸発させ、混合脂質分子からなる膜をガラス瓶の内壁に形成した。さらに真空下で終夜乾燥させ、クロロホルムを完全に除去した。 Next, production of a molecular film formed on the electrode substrate (insulating layer covering the electrode) will be described. First, a vesicle solution is prepared. Lipid molecule mixtures containing 1 mol% of Texas Red-dihexanoylphosphatidylcholine in egg yolk-derived phosphatidylcholine were prepared using each chloroform solution. The chloroform solution is prepared in a glass bottle. Next, nitrogen gas was blown onto the prepared chloroform solution to evaporate the chloroform, and a film composed of mixed lipid molecules was formed on the inner wall of the glass bottle. Further, it was dried overnight under vacuum to completely remove chloroform.
次にガラス瓶の中に、1.0mLのリン酸緩衝液(PBSバッファー、0.1M リン酸ナトリウム、0.15M 塩化ナトリウム、pH7.2)を追加し、超音波処理を10分間施し、緩衝液内で脂質ベシクルを形成した。この溶液をPBSバッファーで10倍希釈(脂質濃度0.2mg/mL)した溶液を調製し、ベシクル溶液とした。 Next, add 1.0 mL of phosphate buffer (PBS buffer, 0.1 M sodium phosphate, 0.15 M sodium chloride, pH 7.2) into the glass bottle, and sonicate for 10 minutes. Lipid vesicles were formed within. A solution obtained by diluting this solution 10 times with a PBS buffer (lipid concentration: 0.2 mg / mL) was prepared as a vesicle solution.
次に、前述した電極基板の表面を純水で洗浄した後、40%フッ化アンモニウム水溶液に5分間浸漬し、再び純水で洗浄した。引き続きこの電極基板を、上述したベシクル溶液に10分間浸漬し、さらにベシクル溶液作製に使用したリン酸緩衝液により繰り返し洗浄した。このプロセスにより、電極基板(電極を覆う絶縁層)の表面に脂質二分子膜が形成され、分子操作用素子が完成する。なお、ベシクル溶液に浸漬した後の電極基板(分子操作用素子)は、常に緩衝液または水に覆われた状態を維持しなければならない。これは、電極基板の表面に形成した脂質二分子膜が、大気への暴露により崩壊するためである。 Next, the surface of the electrode substrate described above was washed with pure water, then immersed in a 40% ammonium fluoride aqueous solution for 5 minutes, and washed again with pure water. Subsequently, this electrode substrate was dipped in the vesicle solution described above for 10 minutes, and further washed repeatedly with the phosphate buffer used for the preparation of the vesicle solution. By this process, a lipid bimolecular film is formed on the surface of the electrode substrate (insulating layer covering the electrode), and the molecular manipulation element is completed. The electrode substrate (element for molecular manipulation) after being immersed in the vesicle solution must always be kept covered with a buffer solution or water. This is because the lipid bilayer film formed on the surface of the electrode substrate collapses upon exposure to the atmosphere.
次に、上述したように作製した分子操作用素子における分子操作について説明する。ここで、分子操作の状態は、共焦点レーザー顕微鏡により観察する。この観察において、共焦点レーザー顕微鏡のレンズと分子操作用素子として作製した試料基板の間は、リン酸緩衝液で満たした。また外部出入力に利用する電極パッドは、リン酸緩衝液とは接触しないように配置した。なお、共焦点レーザー顕微鏡の観察条件としては、励起光543nmを用い、610nm以上の波長の蛍光を記録した。 Next, the molecular manipulation in the molecular manipulation device produced as described above will be described. Here, the state of molecular manipulation is observed with a confocal laser microscope. In this observation, the space between the lens of the confocal laser microscope and the sample substrate produced as a molecular manipulation element was filled with a phosphate buffer. The electrode pads used for external input / output were arranged so as not to come into contact with the phosphate buffer. As the observation condition of the confocal laser microscope, excitation light of 543 nm was used and fluorescence having a wavelength of 610 nm or more was recorded.
図2は、電圧の印加前後の共焦点レーザー顕微鏡像であり、(a)が電圧印加直前の状態であり、(b)が電圧印加30分後の状態である。顕微鏡像において、図面の上下方向に延在している4つの直線が、電極である。各電極は、各々外部回路へと接続が可能になっている。図2において、最も左の電極と最も右の電極との間に1Vの電圧を印加した。なお、極性は左が+、右が−である。 2A and 2B are confocal laser microscope images before and after voltage application, in which FIG. 2A shows a state immediately before voltage application, and FIG. 2B shows a state 30 minutes after voltage application. In the microscopic image, four straight lines extending in the vertical direction of the drawing are electrodes. Each electrode can be connected to an external circuit. In FIG. 2, a voltage of 1 V was applied between the leftmost electrode and the rightmost electrode. The polarity is + on the left and-on the right.
図2の(b)に示すように、電圧印加30分後においては、プラス電圧を印加した電極近傍で蛍光がより強く出ている状態が観察される。これは、卵黄由来フォスファチジルコリン支持膜中のテキサスレッド−ジヘキサノイルフォスファチジルコリンが、電場によって支持膜(脂質二分子膜)中を、プラス電圧を印加した電極の方向に移動したためと考えられる。このように、絶縁層の下に配置した電極を用いることで、効率的な分子操作が可能となった。 As shown in FIG. 2 (b), after 30 minutes of voltage application, a state in which fluorescence is emitted more strongly in the vicinity of the electrode to which the positive voltage is applied is observed. This is because the Texas Red-dihexanoyl phosphatidylcholine in the yolk-derived phosphatidylcholine support membrane moved in the support membrane (lipid bilayer) by the electric field in the direction of the electrode to which a positive voltage was applied. Conceivable. Thus, efficient molecular operation became possible by using the electrode arranged under the insulating layer.
[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について説明する。図3A,図3B、図4A,図4B,図4C,図4Dは、実施の形態2における分子操作用素子の一部構成を示している。図3Aおよび図3Bは斜視図である。図3Bでは、各層を分離して示している。また、図4Aは平面図,図4B,図4C,図4Dは、断面図である。図4Bは、図4Aのbb’線の断面を示し、図4Cは、図4Aのcc’線の断面を示し、図4Dは、図4Aのdc’線の断面を示している。なお、図3A,図3B、図4A,図4B,図4C,図4Dでは、分子膜を省略しており、電極基板の部分を示している。
[Embodiment 2]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. 3A, FIG. 3B, FIG. 4A, FIG. 4B, FIG. 4C, and FIG. 4D show a partial configuration of the molecular manipulation element in the second embodiment. 3A and 3B are perspective views. In FIG. 3B, each layer is shown separately. 4A is a plan view, and FIGS. 4B, 4C, and 4D are cross-sectional views. 4B shows a cross section taken along line bb ′ of FIG. 4A, FIG. 4C shows a cross section taken along line cc ′ of FIG. 4A, and FIG. 4D shows a cross section taken along line dc ′ of FIG. In FIG. 3A, FIG. 3B, FIG. 4A, FIG. 4B, FIG. 4C, and FIG. 4D, the molecular film is omitted and only the electrode substrate is shown.
この分子操作用素子は、基板301の上に各々絶縁分離して形成された電極331,332,333,334と、基板301の上に電極331,332,333,334を覆って形成された絶縁層304とを少なくとも備える。本実施の形態では、4つの電極331,332,333,334を備え、各々が、基板301の上に形成された絶縁層302および絶縁層302aにより絶縁分離されている。絶縁層302は、例えばSiO2から構成され、絶縁層302aは、例えばSiNから構成されている。絶縁層302aに形成された電極パターンの凹部に、各電極が形成されている。また、絶縁層304が形成されていない絶縁層302の上には、電極331,332,333,334に接続する電極パッド部331a,332a,333a,334aが形成されている。電極パッド部331a,332a,333a,334aの上には、絶縁層などが形成されていなくこれらは露出している。 This molecular operation element includes electrodes 331, 332, 333, and 334 that are formed on the substrate 301 so as to be isolated from each other, and insulation that is formed on the substrate 301 so as to cover the electrodes 331, 332, 333, and 334 And at least a layer 304. In this embodiment mode, four electrodes 331, 332, 333, and 334 are provided, and each of them is insulated and separated by an insulating layer 302 and an insulating layer 302 a formed over the substrate 301. The insulating layer 302 is made of, for example, SiO 2 , and the insulating layer 302a is made of, for example, SiN. Each electrode is formed in the recess of the electrode pattern formed in the insulating layer 302a. In addition, electrode pad portions 331a, 332a, 333a, and 334a connected to the electrodes 331, 332, 333, and 334 are formed on the insulating layer 302 where the insulating layer 304 is not formed. On the electrode pad portions 331a, 332a, 333a, 334a, an insulating layer or the like is not formed, and these are exposed.
また、本実施の形態では、絶縁層304の上で分子膜(不図示)の有無を区画する区画構造として、絶縁層304の上にパターン層305を備える。パターン層305は、2つの開口領域351および開口領域353と、開口領域351および開口領域353を連通させる複数の連通路352を備える。本実施の形態では、4つの連通路352を備えている。例えば、絶縁層304をSiO2から構成すれば、絶縁層304の表面は親水性とすることができ、パターン層305をフォトレジスト材料から構成すれば疎水性とすることができるので、パターン層305により、絶縁層304の上に親水性の領域および疎水性の領域からなる区画構造が形成できる。 In this embodiment mode, a pattern layer 305 is provided on the insulating layer 304 as a partition structure that partitions the presence or absence of a molecular film (not shown) on the insulating layer 304. The pattern layer 305 includes two opening regions 351 and 353, and a plurality of communication paths 352 that allow the opening region 351 and the opening region 353 to communicate with each other. In the present embodiment, four communication paths 352 are provided. For example, if the insulating layer 304 is made of SiO 2, the surface of the insulating layer 304 can be made hydrophilic, and if the pattern layer 305 is made of a photoresist material, the surface can be made hydrophobic. Thus, a partition structure including a hydrophilic region and a hydrophobic region can be formed on the insulating layer 304.
以下、本実施の形態における分子操作用素子の作製について説明する。 Hereinafter, the fabrication of the molecular manipulation element in the present embodiment will be described.
例えば、基板301は、シリコン基板とすればよい。SiO2膜が形成されているシリコン基板を利用すれば、基板301の上に絶縁層302が得られる。なお、基板301は、絶縁層302を備えるなど表面が絶縁状態であればよく、特に限定されず、半導体、ガラス、金属、プラスチック、セラミクスなどの固体材料から構成することが可能である。例えば、導電性を有する材料から基板301を構成した場合、上述したように、例えば酸化シリコンなどを堆積して絶縁層302を形成すればよい。 For example, the substrate 301 may be a silicon substrate. If a silicon substrate on which a SiO 2 film is formed is used, an insulating layer 302 is obtained on the substrate 301. Note that the substrate 301 may be formed of a solid material such as a semiconductor, glass, metal, plastic, or ceramics as long as it has an insulating surface such as an insulating layer 302 and is not particularly limited. For example, in the case where the substrate 301 is formed using a conductive material, for example, silicon oxide may be deposited to form the insulating layer 302 as described above.
次に、絶縁層302の上に電極331,332,333,334を形成する。まず、SiNを堆積して絶縁層302aを形成する。次に、この絶縁層302aを公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングする。このパターニングでは、電極を形成しようとする領域に開口を形成する。このパターニングは、ナノインプリントなどのパターン形成技術も適用可能である。このようにして形成した絶縁層302aの開口領域に、電極を形成するための金属材料を堆積することで、各電極および電極パッド部が形成できる。なお、絶縁層302において、電極を形成しようとする領域に対応する凹部を形成し、この凹部に各電極および電極パッド部を形成してもよい。 Next, electrodes 331, 332, 333, and 334 are formed over the insulating layer 302. First, SiN is deposited to form the insulating layer 302a. Next, this insulating layer 302a is patterned by a known lithography technique and etching technique. In this patterning, an opening is formed in a region where an electrode is to be formed. For this patterning, a pattern forming technique such as nanoimprinting can be applied. By depositing a metal material for forming an electrode in the opening region of the insulating layer 302a formed in this manner, each electrode and electrode pad portion can be formed. Note that in the insulating layer 302, a recess corresponding to a region where an electrode is to be formed may be formed, and each electrode and electrode pad portion may be formed in the recess.
なお、絶縁層は、SiNに限らず、有機ポリマーなどを含む他の絶縁材料から構成してもよい。これらの絶縁材料からなる絶縁層をパターニングし、エッチングした後に電極を作製すればよい。また、各電極および電極パッド部は、電極材料を堆積して形成した電極材料層をパターニングすることで形成してもよい。電極材料としては、導電性を有している様々な材料が利用できる。 The insulating layer is not limited to SiN, and may be made of other insulating materials including organic polymers. An insulating layer made of these insulating materials may be patterned and etched to produce an electrode. Each electrode and electrode pad portion may be formed by patterning an electrode material layer formed by depositing an electrode material. As the electrode material, various materials having conductivity can be used.
上述したように各電極を形成した後、これら電極の上に絶縁層304を形成する。絶縁層304は、例えば、SiO2から構成すればよい。また、絶縁層304は、有機ポリマーなどの他の絶縁材料から構成してもよい。 After each electrode is formed as described above, an insulating layer 304 is formed on these electrodes. The insulating layer 304 may be made of, for example, SiO 2 . The insulating layer 304 may be composed of other insulating materials such as organic polymers.
次に、絶縁層304の上にパターン層305を形成する。パターン層305は、公知の感光性レジストを用いてこれをリソグラフィー技術でパターニングすることで形成できる。また、パターン層305は、ナノインプリントなどのパターン形成技術で形成してもよい。このように、パターン層305を形成した後、パターン層305の開口領域の絶縁層304が露出している部分に、二分子膜および単分子膜などの分子膜を配置すればよい。 Next, the pattern layer 305 is formed over the insulating layer 304. The pattern layer 305 can be formed by patterning it with a lithography technique using a known photosensitive resist. The pattern layer 305 may be formed by a pattern formation technique such as nanoimprint. In this manner, after the pattern layer 305 is formed, a molecular film such as a bimolecular film or a monomolecular film may be disposed in a portion where the insulating layer 304 in the opening region of the pattern layer 305 is exposed.
実施の形態2によれば、絶縁層304の上に配置した分子膜において、微小試料でかつ高感度に、これらの膜に結合あるいは埋めこまれた分子を操作することができる。なお、図4Aに示すように、複数の電極を配置することで、複数の電極間に異なる電圧を印加することも可能である。あるいは、分子操作用素子を水・水溶液に沈めた際に、水・水溶液と、電極との間に異なる電圧を印加することも可能である。 According to the second embodiment, in a molecular film disposed on the insulating layer 304, molecules that are bound to or embedded in these films can be manipulated with high sensitivity and a very small sample. In addition, as shown to FIG. 4A, it is also possible to apply a different voltage between several electrodes by arrange | positioning several electrodes. Alternatively, when the molecular manipulation element is submerged in water / aqueous solution, it is possible to apply different voltages between the water / aqueous solution and the electrode.
上述したように、本実施の形態では、電極を絶縁層で覆い、この上にパターンを形成して二分子膜あるいは単分子膜を備えるようにしたものである。このように電極が絶縁層の下に埋めこまれていることから、電極が二分子膜あるいは単分子膜の広がる領域を制限することがないという構造上の長所を有する。また、電極の直上の分子に電場を印加できるので、電極に合わせた大面積で局所的に電場をかけることができ、この大面積の固体表面上に特定の分子を集めるなどの位置の操作が可能となる。 As described above, in this embodiment, an electrode is covered with an insulating layer, and a pattern is formed thereon to provide a bimolecular film or a monomolecular film. Since the electrode is buried under the insulating layer in this way, the electrode has an advantage in structure that the region where the bimolecular film or the monomolecular film spreads is not limited. In addition, since an electric field can be applied to molecules directly above the electrode, it is possible to apply an electric field locally in a large area that matches the electrode, and position operations such as collecting specific molecules on this large solid surface. It becomes possible.
[実施例2]
次に、実施の形態2について、実施例を用いてより詳細に説明する。はじめに、分子操作用素子の作製について説明する。まず、層厚300nmの熱酸化層が形成されている直径3インチの円形のシリコンウエハを用意し、このシリコンウエハの熱酸化層の上に、プラズマCVD装置によりSiN膜を200nm堆積させた。
[Example 2]
Next, the second embodiment will be described in more detail using examples. First, preparation of a molecular manipulation element will be described. First, a circular silicon wafer having a diameter of 3 inches on which a thermal oxide layer having a thickness of 300 nm was formed was prepared, and a 200 nm SiN film was deposited on the thermal oxide layer of the silicon wafer by a plasma CVD apparatus.
次に、堆積したSiN膜の表面を0.5%フッ酸溶液で洗浄した後、洗浄した表面に、スピンコート法によりフォトレジストを塗布した。次いで、塗布したフォトレジスト層に電極パターンを描画したレチクルを介して当該電極パターンを露光し、さらにこれを現像して、フォトレジスト層に電極パターンを転写した。 Next, the surface of the deposited SiN film was washed with a 0.5% hydrofluoric acid solution, and a photoresist was applied to the washed surface by a spin coating method. Next, the applied photoresist layer was exposed to light through a reticle on which an electrode pattern was drawn, and further developed to transfer the electrode pattern to the photoresist layer.
次に、電極パターンを転写したフォトレジスト層をマスクパターンとし、次に六フッ化硫黄ガスにより、SiN膜を選択的にエッチングした。このとき、SiO2からなる熱酸化層に対してSiN膜が高い選択比でエッチングされる条件を採用し、電極が形成される部分のSiN膜を完全に除去し、かつこの領域の熱酸化層はエッチングしないようにした。 Next, the photoresist layer to which the electrode pattern was transferred was used as a mask pattern, and then the SiN film was selectively etched with sulfur hexafluoride gas. At this time, a condition in which the SiN film is etched at a high selection ratio with respect to the thermal oxide layer made of SiO 2 is adopted, and the SiN film in the portion where the electrode is formed is completely removed, and the thermal oxide layer in this region Was not etched.
次に、上記フォトレジスト層を残した状態で、電子ビーム蒸着装置を用い、チタン50nm、金100nm、白金20nmの膜を堆積した。この後、リフトオフ法により上記フォトレジスト層を除去し、SiN膜を除去した領域に上記金属の積層膜からなる電極を形成した。酸素プラズマ処理(400W、10分)および有機アルカリ系洗浄液による洗浄を施し、表面の清浄化を行った。 Next, with the photoresist layer left, a film of titanium 50 nm, gold 100 nm, and platinum 20 nm was deposited using an electron beam evaporation apparatus. Thereafter, the photoresist layer was removed by a lift-off method, and an electrode made of the above-mentioned metal laminated film was formed in the region where the SiN film was removed. Oxygen plasma treatment (400 W, 10 minutes) and cleaning with an organic alkaline cleaning solution were performed to clean the surface.
次に、電極を形成したSiN膜の上にスピンコート法によりフォトレジストを塗布してフォトレジスト層を形成し、外部出入力用の電極パッド部を保護するパターンをフォトレジスト層に描画した。次いで、スパッタ装置によりSiO2を200nm堆積させ、リフトオフ法によりフォトレジスト部を除去し、電極を覆う絶縁層を形成した。電極を覆う絶縁層は、電極パッド部には形成されておらず、電極パッド部は露出している。 Next, a photoresist was applied on the SiN film on which the electrode was formed by spin coating to form a photoresist layer, and a pattern for protecting the electrode pad portion for external input / output was drawn on the photoresist layer. Next, 200 nm of SiO 2 was deposited by a sputtering apparatus, the photoresist portion was removed by a lift-off method, and an insulating layer covering the electrode was formed. The insulating layer covering the electrode is not formed on the electrode pad portion, and the electrode pad portion is exposed.
次に、電極を覆って形成している絶縁層の上に、スピンコート法によりフォトレジストを塗布してフォトレジスト層を形成した。次いで、形成したフォトレジスト層に、フォトマスクを介してパターンを露光し、これを現像してフォトレジスト層にパターンを描画(転写)し、パターン層(区画領域)を形成した。図5は、電極を覆って形成している絶縁層の上に作製したパターン層の顕微鏡観察像である。500μm角の正方形の2個の開口領域の間を、幅10μm長さ400μmの連通路(16本)で連結しているパターンが、上下2箇所に配置されているのが分かる。図5の写真において、連通路は、紙面左右の方向に延在している。開口領域および連通路は、フォトレジストがない領域であり、親水性の絶縁層(酸化シリコン)の表面が露出している領域である。なお、図5の紙面縦方向に延在している見える4本の線は、絶縁層の下に形成されている電極であり、線幅10μm、線間隔500μmで配置されている。 Next, a photoresist layer was formed by applying a photoresist on the insulating layer covering the electrodes by a spin coating method. Next, the formed photoresist layer was exposed to a pattern through a photomask, developed, and drawn (transferred) on the photoresist layer to form a pattern layer (partition region). FIG. 5 is a microscopic observation image of the pattern layer produced on the insulating layer formed so as to cover the electrodes. It can be seen that there are two upper and lower patterns that are connected between two 500 μm square opening areas by communication paths (16 lines) having a width of 10 μm and a length of 400 μm. In the photograph of FIG. 5, the communication path extends in the left and right direction on the paper surface. The opening region and the communication path are regions where there is no photoresist, and the surface of the hydrophilic insulating layer (silicon oxide) is exposed. Note that the four visible lines extending in the vertical direction in FIG. 5 are electrodes formed below the insulating layer, and are arranged with a line width of 10 μm and a line interval of 500 μm.
次に、上述した区画領域としてのパターン層を備える電極基板の上に形成する分子膜の作製について説明する。まず、脂質混合物を調製する。卵黄由来フォスファチジルコリン中に、フルオレセイン−ジヘキサノイルフォスファチジルコリンが1モル%含まれる脂質分子混合体を、それぞれのクロロホルム溶液を用いて調製した。クロロホルム溶液は、ガラス瓶の中に調製する。次に、調製したクロロホルム溶液に窒素ガスを吹き付け、クロロホルムを蒸発させ、混合脂質分子からなる膜をガラス瓶の内壁に形成した。さらに真空下で終夜乾燥させ、クロロホルムを完全に除去した。最終産物として、粘稠性のある固体を得た。 Next, the production of the molecular film formed on the electrode substrate having the pattern layer as the partition region described above will be described. First, a lipid mixture is prepared. A lipid molecule mixture containing 1 mol% of fluorescein-dihexanoylphosphatidylcholine in egg yolk-derived phosphatidylcholine was prepared using each chloroform solution. The chloroform solution is prepared in a glass bottle. Next, nitrogen gas was blown onto the prepared chloroform solution to evaporate the chloroform, and a film composed of mixed lipid molecules was formed on the inner wall of the glass bottle. Further, it was dried overnight under vacuum to completely remove chloroform. A viscous solid was obtained as the final product.
次に、作製した脂質混合物を用いた分子膜の形成について説明する。まず、ガラス製キャピラリーを作製し、作製したキャピラリーの尖端で、上記粘稠性のある固体をガラス瓶の中より掻きとる。次に、掻き取った粘稠性のある固体を、パターン層における正方形の開口領域に塗布した。塗布した粘稠性のある固体は、およそ直径100μmのスポット状の塊であった。 Next, formation of a molecular film using the prepared lipid mixture will be described. First, a glass capillary is prepared, and the viscous solid is scraped from the glass bottle at the tip of the capillary. Next, the scraped viscous solid was applied to the square open areas in the pattern layer. The applied viscous solid was a spot-like lump having a diameter of about 100 μm.
上述したように作製した試料を、共焦点レーザー顕微鏡で観察可能な状態とし、水浸用の対物レンズと試料との間に、pH7.6に調製したトリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン(Tris)10mM、および、NaCl100mMからなる電解質溶液を静かに注いだ。これにより、塗布した脂質の塊は自発展開を開始した。自発展開開始からおよそ30分経過すると、2つの開口領域から自発展開を開始した膜が、幅10μmの連通路内で接触して一体となる。自発展開する脂質二分子膜は、酸化シリコン表面が露出した親水表面のみに形成され、この親水表面全体に広がった時点で、それ以上の展開(パターン層の上への展開)を停止した。 The sample prepared as described above was made observable with a confocal laser microscope, and tris (hydroxymethyl) aminomethane (Tris) 10 mM adjusted to pH 7.6 between the objective lens for water immersion and the sample. And an electrolyte solution consisting of 100 mM NaCl was gently poured. Thereby, the applied lipid mass started to expand spontaneously. When about 30 minutes have elapsed from the start of the spontaneous deployment, the membranes that have started the spontaneous deployment from the two open regions come into contact with each other in the communication path having a width of 10 μm. The spontaneously developing lipid bilayer membrane was formed only on the hydrophilic surface where the silicon oxide surface was exposed, and when it spread over the entire hydrophilic surface, further development (development on the pattern layer) was stopped.
次に、上述したように作製した分子操作用素子における分子操作について説明する。ここで、分子操作の状態は、試料を配置している共焦点レーザー顕微鏡により観察する。この観察においては、励起光488nmを用い、505−525nm波長の蛍光および610nm以上の波長の蛍光を分離して同時に記録(観察)した。観察している状態を図6に示す。 Next, the molecular manipulation in the molecular manipulation device produced as described above will be described. Here, the state of molecular manipulation is observed with a confocal laser microscope in which a sample is arranged. In this observation, excitation light of 488 nm was used, and fluorescence having a wavelength of 505 to 525 nm and fluorescence having a wavelength of 610 nm or more were separated and recorded (observed) simultaneously. The state of observation is shown in FIG.
図6において、(a)は、初期状態を示し、(b)は以下に説明する電圧印加状態を示している。なお、図6の(a)および(b)において、「Black1」,「Black2」,「Red1」,および「Red2」の文字の箇所を上下方向に通過する線が、各々電極の一部を示している。図6においては、4つの電極が存在している。また、図6において、より明るく示される紙面横方向に延在しているストライプパターンが、パターン層の連通口部分を示し、言い換えると、自発展開した脂質二分子膜が存在している領域である。この部分では、フルオレセインの蛍光が観察されている。一方、図6において、より暗く示されている紙面横方向に存在しているストライプパターンが、連通口部分を挟むように存在しているパターン層の部分であり、言い換えると、脂質二分子膜が存在していない領域である 6A shows an initial state, and FIG. 6B shows a voltage application state described below. In FIGS. 6A and 6B, lines passing through the portions of the characters “Black1,” “Black2,” “Red1,” and “Red2” in the vertical direction each indicate a part of the electrode. ing. In FIG. 6, there are four electrodes. Further, in FIG. 6, the stripe pattern extending in the horizontal direction of the paper, which is shown brighter in the drawing, indicates the communication port portion of the pattern layer, in other words, the region where the spontaneously developed lipid bilayer exists. . In this part, fluorescence of fluorescein is observed. On the other hand, in FIG. 6, the stripe pattern that exists in the lateral direction of the paper, which is shown darker in the drawing, is the portion of the pattern layer that exists so as to sandwich the communication port portion, in other words, the lipid bilayer membrane is It is an area that does not exist
上述したように観察している下で、電極に電圧を印加する。この電圧印加では、「Black2」の電極と「Red2」の電極との間に、1Vの電圧を印加する。この電圧印加の後(420秒経過後)の状態が、図6の(b)に示す写真である。1Vを印加して430秒経過すると、図6の(b)に示すように、「Black2」の電極部分における脂質二分子膜が、他の領域より暗くなっていることが分かる。これは、「Black2」の電極部分における蛍光強度が減少したためである。この蛍光強度の変化は、脂質二分子膜内のフルオレセイン結合脂質分子の量に比例しているために起こる。この結果より、この電極上部の絶縁層状に配置されている脂質二分子膜におけるフルオレセイン結合脂質分子の濃度が、脂質二分子膜の下に絶縁層を介して配置されている電極への電圧印加により制御できることが示された。 Under observation as described above, a voltage is applied to the electrodes. In this voltage application, a voltage of 1 V is applied between the “Black2” electrode and the “Red2” electrode. The state after this voltage application (after 420 seconds) is a photograph shown in FIG. When 1 V is applied and 430 seconds elapse, as shown in FIG. 6B, it can be seen that the lipid bilayer membrane in the “Black2” electrode portion is darker than the other regions. This is because the fluorescence intensity at the electrode portion of “Black2” decreased. This change in fluorescence intensity occurs because it is proportional to the amount of fluorescein-bound lipid molecules in the lipid bilayer. From this result, the concentration of the fluorescein-bound lipid molecule in the lipid bilayer membrane arranged in the insulating layer above the electrode is determined by applying a voltage to the electrode arranged via the insulating layer under the lipid bilayer membrane. It was shown that it can be controlled.
以上に説明したように、本発明によれば、単分子膜または二分子膜などの分子膜中に存在する分子の位置を、外部からの電圧印加によって分子膜内で制御することを可能にしている。このように、本発明によれば、分子膜内の特定の分子を特定の位置に操作することができるので、これを元に特定の分子を分別し、また、検出することが可能になる。本発明では、特に、細胞膜の基本構造である脂質二分子膜内での分子操作に適用可能なため、膜タンパク質などの生体分子の濃縮、および検出、また、機能解析への応用が期待される。これにより、本発明の分子操作用素子によれば、例えば、疾病診断デバイスやタンパクチップなどのバイオチップ応用が可能である。 As described above, according to the present invention, the position of molecules existing in a molecular film such as a monomolecular film or a bimolecular film can be controlled in the molecular film by applying an external voltage. Yes. As described above, according to the present invention, a specific molecule in the molecular film can be manipulated to a specific position, so that the specific molecule can be classified and detected based on this. The present invention is particularly applicable to molecular manipulation in a lipid bilayer membrane, which is the basic structure of a cell membrane, and is expected to be applied to concentration and detection of biomolecules such as membrane proteins and functional analysis. . Thereby, according to the element for molecular manipulation of this invention, biochip applications, such as a disease diagnostic device and a protein chip, are possible, for example.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、レジストパターンを用いて疎水性の領域と親水性の領域とを形成して区画領域としたが、これに限るものではない。例えば、SiO2などの親水性材料からなる層の上に、金などの金属のパターンを形成して区画領域としてもよい。金属は疎水性となるので、疎水性の領域と親水性の領域とかなる区画構造が形成できる。また、単に凹凸を形成し、凹部に分子膜を配置し、凸部には分子膜がない状態とすることで、区画構造としてもよい。また、各々異なる粗さの領域から区画領域構造を形成してもよい。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, in the above description, a hydrophobic region and a hydrophilic region are formed using a resist pattern to form a partitioned region, but the present invention is not limited to this. For example, a partition pattern region may be formed by forming a metal pattern such as gold on a layer made of a hydrophilic material such as SiO 2 . Since the metal becomes hydrophobic, a partition structure composed of a hydrophobic region and a hydrophilic region can be formed. Alternatively, a partition structure may be obtained by simply forming irregularities, disposing a molecular film in the concave portion, and not having a molecular film in the convex portion. Moreover, you may form a division area structure from the area | region of each different roughness.
101…基板、102…絶縁層、104…絶縁層、110…分子膜、131,132,133,134…電極。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Substrate, 102 ... Insulating layer, 104 ... Insulating layer, 110 ... Molecular film, 131, 132, 133, 134 ... Electrode.
Claims (6)
前記基板の上に前記電極を覆って形成された絶縁層と、
前記絶縁層の上に形成され、操作対象の分子が結合したあるいは埋めこまれた分子膜と
を少なくとも備えることを特徴とする分子操作用素子。 An electrode formed on a substrate;
An insulating layer formed on the substrate to cover the electrode;
A molecular manipulation element comprising at least a molecular film formed on the insulating layer and bonded or embedded with a molecule to be manipulated.
前記絶縁層の上に形成された、前記絶縁層の上で前記分子膜の有無を区画する区画構造を備えることを特徴とする分子操作用素子。 The molecular manipulation device according to claim 1,
A molecular manipulation element comprising a partition structure formed on the insulating layer and configured to partition the presence or absence of the molecular film on the insulating layer.
前記区画構造は、親水性の領域および疎水性の領域から構成されていることを特徴とする分子操作用素子。 The element for molecular manipulation according to claim 2,
The element for molecular manipulation, wherein the partition structure is composed of a hydrophilic region and a hydrophobic region.
前記区画構造は、凹凸および各々異なる粗さの領域から構成されていることを特徴とする分子操作用素子。 The element for molecular manipulation according to claim 2,
The element for molecular manipulation characterized in that the partition structure is composed of irregularities and regions of different roughness.
前記分子膜は、脂質二分子膜から構成されていることを特徴とする分子操作用素子。 In the element for molecular manipulation of any one of Claims 1-4,
The molecular manipulation element is characterized in that the molecular membrane is composed of a lipid bilayer membrane.
前記基板の上に各々絶縁分離された複数の前記電極を備え、複数の前記電極は、各々異なる電圧が印加されることを特徴とする分子操作用素子。 In the molecular manipulation element according to any one of claims 1 to 5,
A molecular manipulation element comprising a plurality of the electrodes each insulated and separated on the substrate, wherein different voltages are applied to the plurality of electrodes.
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