バイオセンサーチップ
【課題】 表面積が大きく、ＳＰＲセンサーなどに適用して感度向上を図ることができるバイオセンサーチップ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】
基板１１と、この表面に設けられた金属膜１２と、この金属膜１２上にチオール系シランカップリング剤１４を介して固定され且つ表面に親水性の官能基を有する微細多孔質高分子膜１３とを具備する。
【解決手段】
基板１１と、この表面に設けられた金属膜１２と、この金属膜１２上にチオール系シランカップリング剤１４を介して固定され且つ表面に親水性の官能基を有する微細多孔質高分子膜１３とを具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面プラズモン共鳴バイオセンサーなどのバイオセンサーに適用できるバイオセンサーチップ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオセンサーは、生体起源の分子認識機構を利用した化学センサーの総称であり、例えば、表面プラズモン共鳴センサー（以下、ＳＰＲセンサーという）、水晶発振子マイクロバランスセンサー（以下、ＱＣＭセンサーという）などを挙げることができる。ＳＰＲセンサーは、チップの金属膜に接する有機機能膜の表面近傍に起こる吸着及び脱着などの質量変化を屈折率変化としてとらえ、反射光波長のピークシフト又は一定波長における反射光量の変化として検知する方法である。ＱＣＭセンサーは、水晶発振子の金電極（デバイス）上の物質の吸脱着による発振子の振動数変化から、ｎｇレベルで吸脱着質量を検出できるものである。
【０００３】
このようなバイオセンサーの構造を、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を例に挙げて説明する。一般に使用される測定チップは、ガラスなどの透明基板と、この上に蒸着された金属膜と、この金属膜上に設けられた生理活性物質を固定化できる機能性膜とを有し、機能性膜の表面にその官能基を介して生理活性物質を固定化する構造を有する。そして、生理活性物質と検体物質間の特異的な結合反応を測定することによって、生体分子間の相互作用を分析するようになっている。
【０００４】
このような機能性膜としては、金属と結合する官能基、鎖長の原子数が１０以上のリンカー、及び生理活性物質と結合できる官能基を有する化合物を用いて、生理活性物質を固定化した測定チップが報告されており（特許文献１参照）、一般的には、アルカンチオールの単分子膜が使用されている。かかるアルカンチオールは、チオール基を介して金属膜と結合すると共に生理活性物質と結合する官能基と付加する試薬と反応するカルボキシル基を有するものである。
【０００５】
このようなバイオセンサーにおいては、感度をできるだけ向上させたいという要望がある。このためには測定チップの検査表面が大きく且つ生理活性物質に対して濡れ性が高い必要があるが、実現されたものはない。
【０００６】
【特許文献１】特表平４−５０２６０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、表面積が大きく、ＳＰＲセンサーなどに適用して感度向上を図ることができるバイオセンサーチップ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成する本発明の第１の態様は、基板と、この表面に設けられた金属膜と、この金属膜上にチオール系シランカップリング剤を介して固定され且つ表面に親水性の官能基を有する微細多孔質高分子膜とを具備することを特徴とするバイオセンサーチップにある。
【０００９】
かかる第１の態様では、表面に親水性の官能基を有する微細多孔質高分子膜が金属膜の表面に固定されているので、親水性の官能基を介して化学修飾することにより生理活性物質を固定化できる機能性などを容易に付与することができ、且つ表面積が大きいので、単位面積あたりの感度の高いバイオセンサーチップを実現できる。
【００１０】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記微細多孔質高分子膜が、両親媒性高分子を含む疎水性有機溶媒溶液を相対湿度５０〜９５％の高湿度条件下でキャスティングすることにより形成された膜であることを特徴とするバイオセンサーチップにある。
【００１１】
かかる第２の態様では、両親媒性高分子を溶解した疎水性有機溶媒溶液を高湿度下でキャスティングすることにより、膜形成途中で水滴がキャスティング膜上に自己組織化によって配列し、水滴を気化した後に微細気孔が表面に形成された微細多孔質高分子膜が形成される。
【００１２】
本発明の第３の態様は、第２の態様に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記疎水性有機溶媒溶液が疎水性高分子を含むことを特徴とするバイオセンサーチップにある。
【００１３】
かかる第３の態様では、疎水性有機溶媒溶液が疎水性高分子を含むことにより、機械的強度の高い微細多孔質高分子膜が形成される。
【００１４】
本発明の第４の態様は、第３の態様に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記疎水性有機溶媒溶液が、疎水性高分子と両親媒性高分子とを質量比５０：５０〜９９：１の割合で含むものであることを特徴とするバイオセンサーチップにある。
【００１５】
かかる第４の態様では、キャスティングする疎水性有機溶媒溶液中の高分子の組成を所定の範囲とすることにより、機械的強度の高い微細多孔質高分子膜が比較的容易に形成される。
【００１６】
本発明の第５の態様は、第２〜４の何れかの態様に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記親水性の官能基が、前記両親媒性高分子の親水性部位に起因するものを含むことを特徴とするバイオセンサーチップにある。
【００１７】
かかる第５の態様では、微細多孔質高分子膜の表面の微細気孔の内面には親水性部位が偏在することになり、親水性の官能基が微細気孔中に偏って存在する。
【００１８】
本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記微細多孔質高分子膜は、プラズマ酸化処理又はオゾン酸化処理による表面処理が施されたものであることを特徴とするバイオセンサーチップにある。
【００１９】
かかる第６の態様では、プラズマ酸化処理又はオゾン酸化処理により微細多孔質高分子膜の表面に親水性が付与される。
【００２０】
本発明の第７の態様は、第６の態様に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記親水性の官能基が、前記表面処理により形成されたものを含むことを特徴とするバイオセンサーチップにある。
【００２１】
かかる第７の態様では、表面処理により形成された親水性の官能基が微細多孔質高分子膜の表面に数多く存在することになる。
【００２２】
本発明の第８の態様は、第１〜７の何れかの態様に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記親水性の官能基がカルボキシル基であることを特徴とするバイオセンサーチップにある。
【００２３】
かかる第８の態様では、カルボキシル基を用いて化学修飾することにより、膜表面に容易に機能性を付与することができる。
【００２４】
本発明の第９の態様は、第１〜８の何れかの態様に記載のバイオセンサーチップにおいて、表面プラズモン共鳴バイオセンサーに使用されるものであることを特徴とするバイオセンサーチップにある。
【００２５】
かかる第９の態様では、表面プラズモン共鳴バイオセンサー用のとして有用である。
【００２６】
本発明の第１０の態様は、第１〜９の何れかの態様に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記微細多孔質高分子膜の表面が化学修飾されていることを特徴とするバイオセンサーチップにある。
【００２７】
かかる第１０の態様では、バイオセンサーチップの表面が化学修飾されていることにより、生理活性物質を固定化できる機能を有するものとなる。
【００２８】
本発明の第１１の態様は、基板の表面に金属膜を設ける工程と、この金属膜の表面をチオール系シランカップリング剤で処理する工程と、両親媒性高分子を含む疎水性有機溶媒溶液を前記金属膜上に相対湿度５０〜９５％の高湿度条件下でキャスティングすることにより微細多孔質高分子膜を形成する工程とを具備することを特徴とするバイオセンサーチップの製造方法にある。
【００２９】
かかる第１１の態様では、両親媒性高分子を溶解した疎水性有機溶媒溶液を高湿度下でキャスティングすることにより、膜形成途中で水滴がキャスティング膜上に自己組織化によって配列し、水滴が気化した後に金属膜表面にチオール系シランカップリング剤を介して強固に固定し且つ表面積の大きな微細多孔質高分子膜が比較的容易に形成できる。
【００３０】
本発明の第１２の態様は、第１１の態様に記載のバイオセンサーチップの製造方法において、前記疎水性有機溶媒溶液が疎水性高分子を含むことを特徴とするバイオセンサーチップの製造方法にある。
【００３１】
かかる第１２の態様では、疎水性有機溶媒溶液が疎水性高分子を含むことにより、機械的強度の高い微細多孔質高分子膜を得ることができる。
【００３２】
本発明の第１３の態様は、第１２の態様に記載のバイオセンサーチップの製造方法において、前記疎水性有機溶媒溶液が、疎水性高分子と両親媒性高分子とを質量比５０：５０〜９９：１の割合で含むものであることを特徴とするバイオセンサーチップの製造方法にある。
【００３３】
かかる第１３の態様では、疎水性有機溶媒溶液に含有される高分子を所定の組成とすることにより、機械的強度の高い微細多孔質高分子膜を比較的容易に得ることができる。
【００３４】
本発明の第１４の態様は、第１１〜１３の何れかの態様に記載のバイオセンサーチップの製造方法において、前記微細多孔質高分子膜の表面に、プラズマ酸化処理又はオゾン酸化処理による表面処理を施すことを特徴とするバイオセンサーチップの製造方法にある。
【００３５】
かかる第１４の態様では、微細多孔質高分子膜の表面にプラズマ酸化処理又はオゾン酸化処理を施すことにより、表面の親水性をさらに向上させることができきる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、自己組織化による微細多孔質高分子膜を適用することにより、表面に親水性の官能基を有し且つ微細気孔により表面積が大きな機能性膜とすることができ、ＳＰＲセンサーなどに適用可能なバイオセンサーチップ及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
本発明のバイオセンサーチップの一例を図１に模式的に示す。図１に示すように、バイオセンサーチップは、基板１１の表面に設けられた金属膜１２上に、表面に親水性の官能基を有すると共に細孔１３ａを備えた微細多孔質高分子膜１３を設けたものである。また、微細多孔質高分子膜１３が設けられる金属膜１２の表面は、微細多孔質高分子膜１３との固着性を高めるために、チオール系シランカップリング剤による表面処理層１４が設けられたものである。
【００３８】
ここで、基板１１は、特に限定されず、使用されるバイオセンサーに応じて選定すればよいが、表面プラズモン共鳴バイオセンサー用のバイオセンサーチップとする場合には、透明基板を用いる。透明基板としては、一般的にはＢＫ７等の光学ガラス、あるいは合成樹脂、具体的にはポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、シクロオレフィンポリマーなどのレーザー光に対して透明な材料からなるものが使用できる。このような基板は、好ましくは、偏光に対して異方性を示さずかつ加工性の優れた材料が望ましい。
【００３９】
一方、金属膜１２は、例えば、表面プラズモン共鳴バイオセンサー用を考えた場合、表面プラズモン共鳴が生じ得るようなものであれば特に限定されない。好ましくは金、銀、銅、アルミニウム、白金等の自由電子金属が挙げられ、特に金が好ましい。それらの金属は単独又は組み合わせて使用することができる。また、上記基板１１への付着性を考慮して、基板１１と金属膜１２の間にクロム等からなる介在層を設けてもよい。
【００４０】
金属膜１２の膜厚は任意であるが、例えば、表面プラズモン共鳴バイオセンサー用を考えた場合、０．１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であるのが好ましく、０．５ｎｍ以上５００ｎｍ以下がさらに好ましく、特に１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であるのが好ましい。５００ｎｍを超えると、媒質の表面プラズモン現象を十分検出することができない。また、クロム等からなる介在層を設ける場合、その介在層の厚さは、０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であるのが好ましい。
【００４１】
金属膜１２の形成は常法によって行えばよく、例えば、スパッタリング法、蒸着法、イオンプレーティング法、電気めっき法、無電解めっき法等によって行うことができる。
【００４２】
また、このような金属膜１２の表面にはチオール系シランカップリング剤による表面処理層１４を設ける。ここで、チオール系シランカップリング剤は、金などの金属膜１２と化学結合するチオール系の官能基を有するシランカップリング剤であり、金属膜１２と微細多孔質高分子膜１３との固着を強固に行うものである。
【００４３】
本発明の微細多孔質高分子膜１３とは、表面に微細気孔を多数有する高分子膜であり、いわゆる自己組織化による多孔質膜であり、ハニカム構造膜ともいう。ここで、「自己組織化」とは、外部から構造に関する情報を与えなくても、系が自ら秩序構造を形成することを意味し、微細気孔が自ら秩序構造を形成される状態を表している。
【００４４】
すなわち、両親媒性高分子を含む疎水性有機溶媒溶液を高湿度の条件下でキャスティングすると、溶媒が蒸発する過程で表面に微細な水滴が付着し、さらにその水滴が蒸発することで、自己組織化により配列した微細気孔を有する微細多孔質高分子膜が得られる。
【００４５】
具体的には、両親媒性高分子を疎水性有機溶媒に溶解した溶液を基板上に塗布し、前記基板上に塗布された前記溶液の表面に所定の相対湿度を有する気体を実質的に一定の流速で吹き付け、前記有機溶媒を蒸発させると共に、前記溶液の表面に水蒸気を凝結させ、生じた水滴を蒸発させることにより、多数の空孔が実質的に連続かつ規則的に配列された微細多孔質高分子膜（ハニカム構造膜）が形成される。
【００４６】
微細多孔質高分子膜の形成メカニズムは、例えば、以下のように推定されるが、いかなる限定を意図するものではない。まず、溶媒が蒸発する際の潜熱によって気体中の水蒸気が凝結して水滴となり、基板上に塗布された溶液の表面に付着する。この際、両親媒性高分子が水滴と疎水性有機溶媒との間の表面張力を減少させ、水滴が融合して大きな塊になるのを防止する。溶液内に生じた溶媒の対流や横毛管力により、水滴が溶液の境界部に輸送されて最密充填で配列すると共に、溶媒蒸発に伴う溶液面の後退により、水滴が基板上に固定される。最終的に、水滴が蒸発することにより、水滴の配列を鋳型として多数の空孔が実質的に連続かつ規則的に配列された微細多孔質高分子膜が形成される。
【００４７】
本発明の微細多孔質高分子膜の主たる構成成分としては、両親媒性高分子が用いられる。ここで、「両親媒性高分子」とは、主鎖骨格に疎水性部分および／または疎水性側鎖（両者を疎水性部位という）と親水性部分および／または親水性側鎖（両者を親水性部位という）を有するポリマーを意味する。なお、本発明にかかる両親媒性高分子は、水に溶解しないものを用いる。前述のように、両親媒性高分子は、基板上に塗布されたポリマー溶液に付着した水滴が互いに融合することを防止するために添加されるものであるためである。使用可能な両親媒性高分子としては、主鎖骨格に疎水性部分および／または疎水性側鎖と親水性部分および／または親水性側鎖とを有するポリマーである限り、特に限定されるものではないが、例えば、ポリアクリルアミドを主鎖骨格とし、疎水性側鎖として、例えば、炭素数５以上、２０以下の直鎖状炭化水素基、フェニレン基などの非極性直鎖状基を有し、かつ、親水性側鎖として、ヒドロキシ基、カルボキシル基、アミノ基、カルボニル基、スルホ基などの親水基を有する両親媒性ポリマー、例えば、下記式（化１）で示される（Ｎ−ドデシルアクリルアミド）ｎ−（Ｎ−５−カルボキシペンチルアクリルアミド）ｍ−ブロック共重合体（ｎ：ｍ＝１：４）や、下記式（化２）で示される（スチレン）ｐ−（アクリル酸）ｑ−ブロック共重合体や、疎水性部分と親水性部分とを有するポリエチレングリコールとポリプロピレングリコールとのブロック共重合体、あるいは、ジクロルジフェニルスルホンとビスフェノールＡのナトリウム塩との重縮合により得られ、主鎖骨格中に疎水性部分であるジフェニレンジメチルメチレン基と親水性部分であるジフェニレンスルホン基とを有するポリスルホンなどが挙げられる。これらの両親媒性高分子は、単独で用いても２種以上を併用してもよい。
【００４８】
【化１】
【００４９】
【化２】
【００５０】
主たる構成成分である両親媒性高分子に加えて、疎水性高分子を用いてもよい。ここで、「疎水性高分子」とは、水に対して貧溶媒性を示すポリマーを意味する。使用可能な疎水性ポリマーは、水に対して貧溶媒性を示すものであれば、特に限定されるものではないが、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール、ポリ酢酸ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリメタクリロニトリル、ポリメチルビニルエーテルなどのビニルポリマー；ポリメチルアクリレート、ポリエチルアクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリエチルメタクリレートなどのアクリルポリマー；ポリカプロラクトン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリシクロヘキシルジメチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンナフタレートなどのポリエステル；ビスフェノールＡとホスゲンとの界面重縮合やビスフェノールＡとジフェニルカーボネートとのエステル交換により得られるポリカーボネート；ビスフェノールＡと芳香族ジカルボン酸との重縮合により得られるポリアリレート；ピロメリト酸無水物と芳香族ジアミンとの重縮合により得られるポリイミド、トリメリト酸と芳香族ジアミンとの重縮合により得られるポリアミドイミド、４，４’−［イソプロピリデンビス（ｐ−フェニレンオキシ）］ジフタル酸二無水物と芳香族ジアミンとの重縮合により得られるポリエーテルイミドなどのポリイミド；ジクロロジフェニルスルホンとビスフェノールＡとの重縮合により得られるポリスルホン、ジクロロジフェニルスルホンとジヒドロキシジフェニルスルホンとの重縮合により得られるポリエーテルスルホン、２，６−ジメチルフェノールの酸化重合により得られるポリフェニレンエーテル、ジハロゲノベンゾフェノンとヒドロキノンとの重縮合により得られるポリエーテルエーテルケトンなどのポリエーテル；ポリジメチルシロキサン、ポリジプロピルシロキサン、ポリジフェニルシロキサンなどのポリシロキサン；などが挙げられる。ここで、「ポリマー」とは、特に断らない限り、単独ポリマーだけでなく、５０ｍｏｌ％以下の共重合可能な他のモノマーを共重合させた交互共重合体、ランダム共重合体、ブロック共重合体およびグラフト共重合体を含むものとする。これらのポリマーは、単独で用いても２種以上を併用してもよい。上述したような疎水性高分子を用いることで、機械的強度の高い微細多孔質高分子膜が形成できる。
【００５１】
両親媒性高分子及び疎水性高分子の分子量は、いずれも後述する疎水性有機溶媒に溶解する限り、特に限定されるものではないが、例えば、質量平均分子量（Ｍｗ）または数平均分子量（Ｍｎ）で、その下限が好ましくは１，０００、より好ましくは５，０００、さらに好ましくは１０，０００であり、また、その上限が好ましくは１，０００，０００、より好ましくは５００，０００、さらに好ましくは１００，０００である。
【００５２】
高分子溶液を調製するための溶媒は、ポリマー溶液上に水滴を形成させる必要があるので、疎水性有機溶媒を用いる。使用可能な疎水性有機溶媒としては、前述した両親媒性高分子と疎水性高分子とを溶解する限り、特に限定されるものではないが、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素類；ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素、塩化メチレンなどのハロゲン化炭化水素類；酢酸エチル、酢酸ブチルなどのエステル類；メチルイソブチルケトンなどの疎水性ケトン類；ジエチルエーテルなどのエーテル類；二硫化炭素；などが挙げられる。これらの疎水性有機溶媒は、単独で用いても２種以上を併用してもよい。
【００５３】
高分子溶液中における両親媒性高分子と疎水性高分子とを合計した高分子濃度（高分子溶液の質量に対する高分子の合計質量（％））は、微細多孔質高分子膜の厚さ、孔径、空孔率などに応じて適宜調節すればよく、特に限定されるものではないが、例えば、その下限が好ましくは０．００１質量％、より好ましくは０．００５質量％、さらに好ましくは０．０１質量％であり、また、その上限が好ましくは１０質量％、より好ましくは５質量％、さらに好ましくは１質量％である。高分子濃度が０．００１質量％未満であると、微細多孔質高分子膜の強度が低下することや、孔径や配列が不規則になることがある。逆に、高分子濃度が１０質量％を超えると、空孔が充分に形成されないことがある。
【００５４】
特に機械的強度の高い微細多孔質高分子膜とする場合には、疎水性高分子の使用量は、両親媒性高分子と疎水性高分子との合計質量に対して、５０質量％以上とするのが好ましく、その上限は好ましくは９９質量％である。５０質量％以上とすることで、機械的強度の高い微細多孔質高分子膜が比較的容易に形成することができる。疎水性高分子の使用量が９９％より多い、すなわち、両親媒性高分子の使用量が１質量％未満であると、高分子溶液の表面における水滴の成長や輸送が困難になり、孔径や配列が不規則になることがある。なお、疎水性高分子を使用することなく微細多孔質高分子膜を形成することもできる。
【００５５】
高分子溶液を基板上（実際には金属膜上であるが、このように表記する。以下同様）に塗布するには、通常のコーティング技術を用いて行えばよい。ポリマー溶液の塗布量は、膜の大きさや厚さに応じて適宜調節すればよく、特に限定されるものではないが、例えば、１ｍＬ以上、５０ｍＬ以下の範囲内である。
【００５６】
基板上に塗布したポリマー溶液の表面に吹き付ける気体としては、微細多孔質膜の形成を阻害しない限り、特に限定されるものではないが、例えば、空気、酸素、二酸化炭素、窒素、アルゴンなどが挙げられる。なお、塵埃が多数存在すると、製膜に影響を及ぼすことがあるので、気体をフィルターに通過させて除塵し、製膜はクリーンルーム内で行うことが好ましい。
【００５７】
自己組織化による微細多孔質高分子膜を調製する際には、基板上に塗布したポリマー溶液の表面に、相対湿度５０％以上、９５％以下の気体を実質的に一定の流速で吹き付けることが重要である。相対湿度が５０％未満であると、高分子溶液の表面に充分な水蒸気が凝結せず、所望の孔径や空孔率が得られないことがある。逆に、相対湿度が９５％を超えると、高分子溶液の表面に必要以上の水蒸気が凝結してしまい、空孔が充分に形成されないことがある。気体の流速は、形成する微細多孔質高分子膜の厚さ、孔径、空孔率などに応じて適宜調節すればよく、特に限定されるものではないが、例えば、その下限が好ましくは０．０１ｍ／ｓ、より好ましくは０．０５ｍ／ｓ、さらに好ましくは０．１ｍ／ｓであり、また、その上限が好ましくは１ｍ／ｓ、より好ましくは０．８ｍ／ｓ、さらに好ましくは０．７ｍ／ｓである。流速が０．０１ｍ／ｓ未満であると、製膜に時間がかかり、生産性が低下することがある。逆に、流速が１ｍ／ｓを超えると、高分子溶液の表面に乱れが生じ、微細多孔質高分子膜の厚さが不均一になることがある。
【００５８】
基板上に塗布された高分子溶液の表面に気体を吹き付ける方向は、基板に対して垂直な方向から水平な方向まで、いかなる方向であってもよいが、孔径や配列の均一性を高めるには、基板に対して垂直な方向に対して３０度以上、６０度以下の範囲内であることが好ましい。実際には、高分子溶液を塗布した基板の上方に、基板全体を覆うような大きさの漏斗を、所定の間隔を置いて、伏せた状態で保持し、漏斗の細管から気体を供給して吹き付けるようにすればよい。この場合、基板と漏斗との間隔は、気体の流速に応じて適宜調節すればよく、特に限定されるものではないが、例えば、２ｃｍ以上、１０ｃｍ以下の範囲内である。
【００５９】
自己組織化による微細多孔質高分子膜の空孔率は、その下限が好ましくは３０％、より好ましくは３５％、さらに好ましくは４０％であり、また、その上限が好ましくは８０％、より好ましくは７５％、さらに好ましくは７０％である。ここで、「空孔率」とは、微細多孔質高分子膜の所定領域内に存在する空孔の全開口面積の割合を意味する。なお、空孔率は、微細多孔質高分子膜を光学顕微鏡で観察し、周縁部を除いた実使用領域から無作為に抽出した所定の面積を有する領域について求めた値である。空孔率が３０％未満であると、表示装置に用いた場合に、非表示部分が多くなり、表示品質が低下することがある。逆に、空孔率が８０％を超えると、膜の強度が低下することがある。
【００６０】
また、自己組織化による微細多孔質高分子膜の孔径は、１０ｎｍ〜１００μｍの範囲であり、特に限定されず、用途に応じて設定すればよい。
【００６１】
一般に、孔径を小さくするには、例えば、疎水性有機溶媒として沸点が低い有機溶媒を用いたり、基板の温度を上昇させたり、基板上に塗布する高分子溶液の量を少なくすればよい。
【００６２】
微細多孔質高分子膜の厚さは、孔径に応じて変化するので、特に限定されるものではないが、例えば、その下限が好ましくは１０μｍ、より好ましくは１５μｍ、さらに好ましくは２０μｍであり、また、その上限が好ましくは２００μｍ、より好ましくは１８０μｍ、さらに好ましくは１５０μｍである。
【００６３】
このような微細多孔質高分子膜の製膜過程を図２に示す。高分子溶液を高湿度下でキャスティングすると、キャスティングされた溶液の表面に水が供給されて、水滴が結露し、次いで、水滴が成長し、その後、溶媒が蒸発する過程で毛細管力により水滴が凝集し、最後に水滴が蒸発して水滴が存在していた場所に細孔１３ａが形成される。
【００６４】
このように製膜された微細多孔質高分子膜１３の細孔１３ａの内壁には、水滴の作用により両親媒性高分子の親水性部位が配列すると推測され、これにより親水性の官能基が存在することになる。一方、細孔１３ａの間の表面は疎水性部位による疎水性が強くなると推測される。
【００６５】
このように本発明の微細多孔質高分子膜の表面には、特に細孔内に親水性の官能基が存在する。ここで、親水性の官能基としては、用途に応じて化学修飾が適用できるものであればよく、特に限定されないが、例えば、カルボキシル基、アミノ基、水酸基などを挙げることができ、特に、カルボキシル基が好ましい。
【００６６】
また、本発明のバイオセンサーチップは、このような微細多孔質高分子膜を表面に有するものであればよいが、親水性の官能基が不足している場合、あるいは、細孔の間の隔壁にも親水性の官能基を設けてさらに感度を向上させるためには、プラズマ酸化処理またはオゾン酸化処理などの表面処理を施せばよい。このような表面処理により、有機物が酸化され、カルボキシル基が形成され、親水性の官能基を増大することができる。
【００６７】
さらに、このような親水性の官能基を有する微細多孔質高分子膜は、化学修飾することで、生理活性物質を固定する機能性部位を表面に設けることができる。化学修飾としては、例えば、マレイミド修飾が挙げられる。
【実施例】
【００６８】
（実施例）
まず、基板として１６ｍｍ×１６ｍｍのカバーグラスを用い、この上に厚さが４５ｎｍの金薄膜を設けた。そして、このように金薄膜を有する基板を、濃度が１．０％となる３−メルカプト−プロピル−トリメトキシシランの１％酢酸水溶液に６０分間浸漬し、金薄膜をカップリング処理した。
【００６９】
次に、自己組織化による微細多孔質高分子膜をコーティングするために、カバーグラスの金薄膜上に、濃度が０．５ｍｇ／ｍＬとなる高分子化合物としてポリスチレン−ポリアクリル酸共重合体のクロロホルム溶液をキャストし、９０％の湿度の空気を上部より５ｍＬ／ｍｉｎの流量で吹き付けるとクロロホルムが蒸発し水滴が鋳型となって、金薄膜上に自己組織化された微細多孔質高分子膜が形成された。
【００７０】
さらに、プラズマ装置を用いてカバーグラス上の金薄膜上に設けられた微細多孔質高分子膜をプラズマ酸化処理した。この条件は、高周波発信器周波数が１３．５６ＭＨｚ、出力が１００Ｗ、酸素ガス流量が５０ｍＬ／ｍｉｎ、真空度が１．０〜１．２Ｔｏｒｒ、処理時間が６０秒である。
【００７１】
処理前の水接触角は１５０ｄｅｇであったのに対して、プラズマ酸化処理を行うと６８ｄｅｇとなり、親水性が向上したことが確認された。
【００７２】
また、膜表面をフーリエ変換赤外分光分析（ＦＴ−ＩＲ）で測定すると、カルボキシル基（ＣＯＯＨ基）の増大が確認された。
【００７３】
（比較例）
実施例と同様に、厚さが４５ｎｍの金薄膜を有する、１６ｍｍ×１６ｍｍのカバーグラスを、濃度１ｍｍｏｌ／Ｌとなる１０−カルボキシ−１−デカンチオールのエタノール溶液に２４時間浸漬し、その後エタノールで洗浄して、アルカンチオールの単分子層を作製した。
【００７４】
（試験例）
以上のように作製した実施例、比較例のバイオセンサーチップをＳＰＲ測定装置のプリズム上に固定して、専用の測定マウントをセットしてフロー式で次の操作を行った。
【００７５】
まず、抗原抗体反応による抗体タンパク質を結合させるための化学修飾としてマレイミド修飾処理を以下の要領で行った。すなわち、４００ｍｍｏｌ／Ｌの１−Ｅｔｈｙｌ−３−（３−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏｐｒｏｐｙｌ）ｃａｒｂｏｄｉｉｍｉｄｅ）水溶液および１００ｍｍｏｌ／ＬのＮ− Ｈｙｄｒｏｘｙｓｕｌｆｏｓｕｃｃｉｎｉｍｉｄｅ水溶液の混合液を、２０μＬ／ｍｉｎの流量で７分間、合計１４０μＬをセンサー上に流すことによって処理した。
【００７６】
さらに、抗体を固定するためにＭＰ ＢＩＯＭＥＤＩＣＡＬＳ社のヒトＩｇＧ抗体の２０μｇ／ｍＬの濃度に調製したリン酸緩衝液を２０μＬ／ｍｉｎの流量で７分間、合計１４０μＬをセンサー上に流した。
【００７７】
このような処理により、実施例のバイオセンサーチップはＳＰＲセンサー用のバイオセンサーチップとして使用できるようになった。
【００７８】
次に、ＳＰＲセンサーでの感度を調べるために、抗原としてＭＰ ＢＩＯＭＥＤＩＣＡＬＳ社の免疫グロブリンＧ（ヒトＩｇＧ）の１×１０-8ｍｏｌ／Ｌの濃度に調整したリン酸緩衝液を流し、続いて濃度１×１０-7ｍｏｌ／Ｌのリン酸緩衝液を流し、表面プラズモン共鳴シグナルの変化を測定した。
【００７９】
この結果を表１及び図３（実施例のみ）に示す。
この結果、実施例の微細多孔質高分子膜を設けたバイオセンサーチップを用いたＳＰＲセンサーの出力としての共鳴角度の変化は、従来技術にかかる比較例のアルカンチオールを用いたバイオセンサーチップ基材のものに比べて優れていることがわかった。
【００８０】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明のバイオセンサーチップは、ＳＰＲセンサーの他、種々のバイオセンサーに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明のバイオセンサーチップを模式的に示す図である。
【図２】本発明のバイオセンサーチップの微細多孔質高分子膜の製膜過程を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施例のバイオセンサーチップを用いたＳＰＲセンサーの表面プラズモン共鳴シグナルの変化を示す図である。
【符号の説明】
【００８３】
１１ 基板
１２ 金属膜
１３ 微細多孔質高分子膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面プラズモン共鳴バイオセンサーなどのバイオセンサーに適用できるバイオセンサーチップ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオセンサーは、生体起源の分子認識機構を利用した化学センサーの総称であり、例えば、表面プラズモン共鳴センサー（以下、ＳＰＲセンサーという）、水晶発振子マイクロバランスセンサー（以下、ＱＣＭセンサーという）などを挙げることができる。ＳＰＲセンサーは、チップの金属膜に接する有機機能膜の表面近傍に起こる吸着及び脱着などの質量変化を屈折率変化としてとらえ、反射光波長のピークシフト又は一定波長における反射光量の変化として検知する方法である。ＱＣＭセンサーは、水晶発振子の金電極（デバイス）上の物質の吸脱着による発振子の振動数変化から、ｎｇレベルで吸脱着質量を検出できるものである。
【０００３】
このようなバイオセンサーの構造を、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を例に挙げて説明する。一般に使用される測定チップは、ガラスなどの透明基板と、この上に蒸着された金属膜と、この金属膜上に設けられた生理活性物質を固定化できる機能性膜とを有し、機能性膜の表面にその官能基を介して生理活性物質を固定化する構造を有する。そして、生理活性物質と検体物質間の特異的な結合反応を測定することによって、生体分子間の相互作用を分析するようになっている。
【０００４】
このような機能性膜としては、金属と結合する官能基、鎖長の原子数が１０以上のリンカー、及び生理活性物質と結合できる官能基を有する化合物を用いて、生理活性物質を固定化した測定チップが報告されており（特許文献１参照）、一般的には、アルカンチオールの単分子膜が使用されている。かかるアルカンチオールは、チオール基を介して金属膜と結合すると共に生理活性物質と結合する官能基と付加する試薬と反応するカルボキシル基を有するものである。
【０００５】
このようなバイオセンサーにおいては、感度をできるだけ向上させたいという要望がある。このためには測定チップの検査表面が大きく且つ生理活性物質に対して濡れ性が高い必要があるが、実現されたものはない。
【０００６】
【特許文献１】特表平４−５０２６０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、表面積が大きく、ＳＰＲセンサーなどに適用して感度向上を図ることができるバイオセンサーチップ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成する本発明の第１の態様は、基板と、この表面に設けられた金属膜と、この金属膜上にチオール系シランカップリング剤を介して固定され且つ表面に親水性の官能基を有する微細多孔質高分子膜とを具備することを特徴とするバイオセンサーチップにある。
【０００９】
かかる第１の態様では、表面に親水性の官能基を有する微細多孔質高分子膜が金属膜の表面に固定されているので、親水性の官能基を介して化学修飾することにより生理活性物質を固定化できる機能性などを容易に付与することができ、且つ表面積が大きいので、単位面積あたりの感度の高いバイオセンサーチップを実現できる。
【００１０】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記微細多孔質高分子膜が、両親媒性高分子を含む疎水性有機溶媒溶液を相対湿度５０〜９５％の高湿度条件下でキャスティングすることにより形成された膜であることを特徴とするバイオセンサーチップにある。
【００１１】
かかる第２の態様では、両親媒性高分子を溶解した疎水性有機溶媒溶液を高湿度下でキャスティングすることにより、膜形成途中で水滴がキャスティング膜上に自己組織化によって配列し、水滴を気化した後に微細気孔が表面に形成された微細多孔質高分子膜が形成される。
【００１２】
本発明の第３の態様は、第２の態様に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記疎水性有機溶媒溶液が疎水性高分子を含むことを特徴とするバイオセンサーチップにある。
【００１３】
かかる第３の態様では、疎水性有機溶媒溶液が疎水性高分子を含むことにより、機械的強度の高い微細多孔質高分子膜が形成される。
【００１４】
本発明の第４の態様は、第３の態様に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記疎水性有機溶媒溶液が、疎水性高分子と両親媒性高分子とを質量比５０：５０〜９９：１の割合で含むものであることを特徴とするバイオセンサーチップにある。
【００１５】
かかる第４の態様では、キャスティングする疎水性有機溶媒溶液中の高分子の組成を所定の範囲とすることにより、機械的強度の高い微細多孔質高分子膜が比較的容易に形成される。
【００１６】
本発明の第５の態様は、第２〜４の何れかの態様に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記親水性の官能基が、前記両親媒性高分子の親水性部位に起因するものを含むことを特徴とするバイオセンサーチップにある。
【００１７】
かかる第５の態様では、微細多孔質高分子膜の表面の微細気孔の内面には親水性部位が偏在することになり、親水性の官能基が微細気孔中に偏って存在する。
【００１８】
本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記微細多孔質高分子膜は、プラズマ酸化処理又はオゾン酸化処理による表面処理が施されたものであることを特徴とするバイオセンサーチップにある。
【００１９】
かかる第６の態様では、プラズマ酸化処理又はオゾン酸化処理により微細多孔質高分子膜の表面に親水性が付与される。
【００２０】
本発明の第７の態様は、第６の態様に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記親水性の官能基が、前記表面処理により形成されたものを含むことを特徴とするバイオセンサーチップにある。
【００２１】
かかる第７の態様では、表面処理により形成された親水性の官能基が微細多孔質高分子膜の表面に数多く存在することになる。
【００２２】
本発明の第８の態様は、第１〜７の何れかの態様に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記親水性の官能基がカルボキシル基であることを特徴とするバイオセンサーチップにある。
【００２３】
かかる第８の態様では、カルボキシル基を用いて化学修飾することにより、膜表面に容易に機能性を付与することができる。
【００２４】
本発明の第９の態様は、第１〜８の何れかの態様に記載のバイオセンサーチップにおいて、表面プラズモン共鳴バイオセンサーに使用されるものであることを特徴とするバイオセンサーチップにある。
【００２５】
かかる第９の態様では、表面プラズモン共鳴バイオセンサー用のとして有用である。
【００２６】
本発明の第１０の態様は、第１〜９の何れかの態様に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記微細多孔質高分子膜の表面が化学修飾されていることを特徴とするバイオセンサーチップにある。
【００２７】
かかる第１０の態様では、バイオセンサーチップの表面が化学修飾されていることにより、生理活性物質を固定化できる機能を有するものとなる。
【００２８】
本発明の第１１の態様は、基板の表面に金属膜を設ける工程と、この金属膜の表面をチオール系シランカップリング剤で処理する工程と、両親媒性高分子を含む疎水性有機溶媒溶液を前記金属膜上に相対湿度５０〜９５％の高湿度条件下でキャスティングすることにより微細多孔質高分子膜を形成する工程とを具備することを特徴とするバイオセンサーチップの製造方法にある。
【００２９】
かかる第１１の態様では、両親媒性高分子を溶解した疎水性有機溶媒溶液を高湿度下でキャスティングすることにより、膜形成途中で水滴がキャスティング膜上に自己組織化によって配列し、水滴が気化した後に金属膜表面にチオール系シランカップリング剤を介して強固に固定し且つ表面積の大きな微細多孔質高分子膜が比較的容易に形成できる。
【００３０】
本発明の第１２の態様は、第１１の態様に記載のバイオセンサーチップの製造方法において、前記疎水性有機溶媒溶液が疎水性高分子を含むことを特徴とするバイオセンサーチップの製造方法にある。
【００３１】
かかる第１２の態様では、疎水性有機溶媒溶液が疎水性高分子を含むことにより、機械的強度の高い微細多孔質高分子膜を得ることができる。
【００３２】
本発明の第１３の態様は、第１２の態様に記載のバイオセンサーチップの製造方法において、前記疎水性有機溶媒溶液が、疎水性高分子と両親媒性高分子とを質量比５０：５０〜９９：１の割合で含むものであることを特徴とするバイオセンサーチップの製造方法にある。
【００３３】
かかる第１３の態様では、疎水性有機溶媒溶液に含有される高分子を所定の組成とすることにより、機械的強度の高い微細多孔質高分子膜を比較的容易に得ることができる。
【００３４】
本発明の第１４の態様は、第１１〜１３の何れかの態様に記載のバイオセンサーチップの製造方法において、前記微細多孔質高分子膜の表面に、プラズマ酸化処理又はオゾン酸化処理による表面処理を施すことを特徴とするバイオセンサーチップの製造方法にある。
【００３５】
かかる第１４の態様では、微細多孔質高分子膜の表面にプラズマ酸化処理又はオゾン酸化処理を施すことにより、表面の親水性をさらに向上させることができきる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、自己組織化による微細多孔質高分子膜を適用することにより、表面に親水性の官能基を有し且つ微細気孔により表面積が大きな機能性膜とすることができ、ＳＰＲセンサーなどに適用可能なバイオセンサーチップ及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
本発明のバイオセンサーチップの一例を図１に模式的に示す。図１に示すように、バイオセンサーチップは、基板１１の表面に設けられた金属膜１２上に、表面に親水性の官能基を有すると共に細孔１３ａを備えた微細多孔質高分子膜１３を設けたものである。また、微細多孔質高分子膜１３が設けられる金属膜１２の表面は、微細多孔質高分子膜１３との固着性を高めるために、チオール系シランカップリング剤による表面処理層１４が設けられたものである。
【００３８】
ここで、基板１１は、特に限定されず、使用されるバイオセンサーに応じて選定すればよいが、表面プラズモン共鳴バイオセンサー用のバイオセンサーチップとする場合には、透明基板を用いる。透明基板としては、一般的にはＢＫ７等の光学ガラス、あるいは合成樹脂、具体的にはポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、シクロオレフィンポリマーなどのレーザー光に対して透明な材料からなるものが使用できる。このような基板は、好ましくは、偏光に対して異方性を示さずかつ加工性の優れた材料が望ましい。
【００３９】
一方、金属膜１２は、例えば、表面プラズモン共鳴バイオセンサー用を考えた場合、表面プラズモン共鳴が生じ得るようなものであれば特に限定されない。好ましくは金、銀、銅、アルミニウム、白金等の自由電子金属が挙げられ、特に金が好ましい。それらの金属は単独又は組み合わせて使用することができる。また、上記基板１１への付着性を考慮して、基板１１と金属膜１２の間にクロム等からなる介在層を設けてもよい。
【００４０】
金属膜１２の膜厚は任意であるが、例えば、表面プラズモン共鳴バイオセンサー用を考えた場合、０．１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であるのが好ましく、０．５ｎｍ以上５００ｎｍ以下がさらに好ましく、特に１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であるのが好ましい。５００ｎｍを超えると、媒質の表面プラズモン現象を十分検出することができない。また、クロム等からなる介在層を設ける場合、その介在層の厚さは、０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であるのが好ましい。
【００４１】
金属膜１２の形成は常法によって行えばよく、例えば、スパッタリング法、蒸着法、イオンプレーティング法、電気めっき法、無電解めっき法等によって行うことができる。
【００４２】
また、このような金属膜１２の表面にはチオール系シランカップリング剤による表面処理層１４を設ける。ここで、チオール系シランカップリング剤は、金などの金属膜１２と化学結合するチオール系の官能基を有するシランカップリング剤であり、金属膜１２と微細多孔質高分子膜１３との固着を強固に行うものである。
【００４３】
本発明の微細多孔質高分子膜１３とは、表面に微細気孔を多数有する高分子膜であり、いわゆる自己組織化による多孔質膜であり、ハニカム構造膜ともいう。ここで、「自己組織化」とは、外部から構造に関する情報を与えなくても、系が自ら秩序構造を形成することを意味し、微細気孔が自ら秩序構造を形成される状態を表している。
【００４４】
すなわち、両親媒性高分子を含む疎水性有機溶媒溶液を高湿度の条件下でキャスティングすると、溶媒が蒸発する過程で表面に微細な水滴が付着し、さらにその水滴が蒸発することで、自己組織化により配列した微細気孔を有する微細多孔質高分子膜が得られる。
【００４５】
具体的には、両親媒性高分子を疎水性有機溶媒に溶解した溶液を基板上に塗布し、前記基板上に塗布された前記溶液の表面に所定の相対湿度を有する気体を実質的に一定の流速で吹き付け、前記有機溶媒を蒸発させると共に、前記溶液の表面に水蒸気を凝結させ、生じた水滴を蒸発させることにより、多数の空孔が実質的に連続かつ規則的に配列された微細多孔質高分子膜（ハニカム構造膜）が形成される。
【００４６】
微細多孔質高分子膜の形成メカニズムは、例えば、以下のように推定されるが、いかなる限定を意図するものではない。まず、溶媒が蒸発する際の潜熱によって気体中の水蒸気が凝結して水滴となり、基板上に塗布された溶液の表面に付着する。この際、両親媒性高分子が水滴と疎水性有機溶媒との間の表面張力を減少させ、水滴が融合して大きな塊になるのを防止する。溶液内に生じた溶媒の対流や横毛管力により、水滴が溶液の境界部に輸送されて最密充填で配列すると共に、溶媒蒸発に伴う溶液面の後退により、水滴が基板上に固定される。最終的に、水滴が蒸発することにより、水滴の配列を鋳型として多数の空孔が実質的に連続かつ規則的に配列された微細多孔質高分子膜が形成される。
【００４７】
本発明の微細多孔質高分子膜の主たる構成成分としては、両親媒性高分子が用いられる。ここで、「両親媒性高分子」とは、主鎖骨格に疎水性部分および／または疎水性側鎖（両者を疎水性部位という）と親水性部分および／または親水性側鎖（両者を親水性部位という）を有するポリマーを意味する。なお、本発明にかかる両親媒性高分子は、水に溶解しないものを用いる。前述のように、両親媒性高分子は、基板上に塗布されたポリマー溶液に付着した水滴が互いに融合することを防止するために添加されるものであるためである。使用可能な両親媒性高分子としては、主鎖骨格に疎水性部分および／または疎水性側鎖と親水性部分および／または親水性側鎖とを有するポリマーである限り、特に限定されるものではないが、例えば、ポリアクリルアミドを主鎖骨格とし、疎水性側鎖として、例えば、炭素数５以上、２０以下の直鎖状炭化水素基、フェニレン基などの非極性直鎖状基を有し、かつ、親水性側鎖として、ヒドロキシ基、カルボキシル基、アミノ基、カルボニル基、スルホ基などの親水基を有する両親媒性ポリマー、例えば、下記式（化１）で示される（Ｎ−ドデシルアクリルアミド）ｎ−（Ｎ−５−カルボキシペンチルアクリルアミド）ｍ−ブロック共重合体（ｎ：ｍ＝１：４）や、下記式（化２）で示される（スチレン）ｐ−（アクリル酸）ｑ−ブロック共重合体や、疎水性部分と親水性部分とを有するポリエチレングリコールとポリプロピレングリコールとのブロック共重合体、あるいは、ジクロルジフェニルスルホンとビスフェノールＡのナトリウム塩との重縮合により得られ、主鎖骨格中に疎水性部分であるジフェニレンジメチルメチレン基と親水性部分であるジフェニレンスルホン基とを有するポリスルホンなどが挙げられる。これらの両親媒性高分子は、単独で用いても２種以上を併用してもよい。
【００４８】
【化１】
【００４９】
【化２】
【００５０】
主たる構成成分である両親媒性高分子に加えて、疎水性高分子を用いてもよい。ここで、「疎水性高分子」とは、水に対して貧溶媒性を示すポリマーを意味する。使用可能な疎水性ポリマーは、水に対して貧溶媒性を示すものであれば、特に限定されるものではないが、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール、ポリ酢酸ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリメタクリロニトリル、ポリメチルビニルエーテルなどのビニルポリマー；ポリメチルアクリレート、ポリエチルアクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリエチルメタクリレートなどのアクリルポリマー；ポリカプロラクトン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリシクロヘキシルジメチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンナフタレートなどのポリエステル；ビスフェノールＡとホスゲンとの界面重縮合やビスフェノールＡとジフェニルカーボネートとのエステル交換により得られるポリカーボネート；ビスフェノールＡと芳香族ジカルボン酸との重縮合により得られるポリアリレート；ピロメリト酸無水物と芳香族ジアミンとの重縮合により得られるポリイミド、トリメリト酸と芳香族ジアミンとの重縮合により得られるポリアミドイミド、４，４’−［イソプロピリデンビス（ｐ−フェニレンオキシ）］ジフタル酸二無水物と芳香族ジアミンとの重縮合により得られるポリエーテルイミドなどのポリイミド；ジクロロジフェニルスルホンとビスフェノールＡとの重縮合により得られるポリスルホン、ジクロロジフェニルスルホンとジヒドロキシジフェニルスルホンとの重縮合により得られるポリエーテルスルホン、２，６−ジメチルフェノールの酸化重合により得られるポリフェニレンエーテル、ジハロゲノベンゾフェノンとヒドロキノンとの重縮合により得られるポリエーテルエーテルケトンなどのポリエーテル；ポリジメチルシロキサン、ポリジプロピルシロキサン、ポリジフェニルシロキサンなどのポリシロキサン；などが挙げられる。ここで、「ポリマー」とは、特に断らない限り、単独ポリマーだけでなく、５０ｍｏｌ％以下の共重合可能な他のモノマーを共重合させた交互共重合体、ランダム共重合体、ブロック共重合体およびグラフト共重合体を含むものとする。これらのポリマーは、単独で用いても２種以上を併用してもよい。上述したような疎水性高分子を用いることで、機械的強度の高い微細多孔質高分子膜が形成できる。
【００５１】
両親媒性高分子及び疎水性高分子の分子量は、いずれも後述する疎水性有機溶媒に溶解する限り、特に限定されるものではないが、例えば、質量平均分子量（Ｍｗ）または数平均分子量（Ｍｎ）で、その下限が好ましくは１，０００、より好ましくは５，０００、さらに好ましくは１０，０００であり、また、その上限が好ましくは１，０００，０００、より好ましくは５００，０００、さらに好ましくは１００，０００である。
【００５２】
高分子溶液を調製するための溶媒は、ポリマー溶液上に水滴を形成させる必要があるので、疎水性有機溶媒を用いる。使用可能な疎水性有機溶媒としては、前述した両親媒性高分子と疎水性高分子とを溶解する限り、特に限定されるものではないが、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素類；ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素、塩化メチレンなどのハロゲン化炭化水素類；酢酸エチル、酢酸ブチルなどのエステル類；メチルイソブチルケトンなどの疎水性ケトン類；ジエチルエーテルなどのエーテル類；二硫化炭素；などが挙げられる。これらの疎水性有機溶媒は、単独で用いても２種以上を併用してもよい。
【００５３】
高分子溶液中における両親媒性高分子と疎水性高分子とを合計した高分子濃度（高分子溶液の質量に対する高分子の合計質量（％））は、微細多孔質高分子膜の厚さ、孔径、空孔率などに応じて適宜調節すればよく、特に限定されるものではないが、例えば、その下限が好ましくは０．００１質量％、より好ましくは０．００５質量％、さらに好ましくは０．０１質量％であり、また、その上限が好ましくは１０質量％、より好ましくは５質量％、さらに好ましくは１質量％である。高分子濃度が０．００１質量％未満であると、微細多孔質高分子膜の強度が低下することや、孔径や配列が不規則になることがある。逆に、高分子濃度が１０質量％を超えると、空孔が充分に形成されないことがある。
【００５４】
特に機械的強度の高い微細多孔質高分子膜とする場合には、疎水性高分子の使用量は、両親媒性高分子と疎水性高分子との合計質量に対して、５０質量％以上とするのが好ましく、その上限は好ましくは９９質量％である。５０質量％以上とすることで、機械的強度の高い微細多孔質高分子膜が比較的容易に形成することができる。疎水性高分子の使用量が９９％より多い、すなわち、両親媒性高分子の使用量が１質量％未満であると、高分子溶液の表面における水滴の成長や輸送が困難になり、孔径や配列が不規則になることがある。なお、疎水性高分子を使用することなく微細多孔質高分子膜を形成することもできる。
【００５５】
高分子溶液を基板上（実際には金属膜上であるが、このように表記する。以下同様）に塗布するには、通常のコーティング技術を用いて行えばよい。ポリマー溶液の塗布量は、膜の大きさや厚さに応じて適宜調節すればよく、特に限定されるものではないが、例えば、１ｍＬ以上、５０ｍＬ以下の範囲内である。
【００５６】
基板上に塗布したポリマー溶液の表面に吹き付ける気体としては、微細多孔質膜の形成を阻害しない限り、特に限定されるものではないが、例えば、空気、酸素、二酸化炭素、窒素、アルゴンなどが挙げられる。なお、塵埃が多数存在すると、製膜に影響を及ぼすことがあるので、気体をフィルターに通過させて除塵し、製膜はクリーンルーム内で行うことが好ましい。
【００５７】
自己組織化による微細多孔質高分子膜を調製する際には、基板上に塗布したポリマー溶液の表面に、相対湿度５０％以上、９５％以下の気体を実質的に一定の流速で吹き付けることが重要である。相対湿度が５０％未満であると、高分子溶液の表面に充分な水蒸気が凝結せず、所望の孔径や空孔率が得られないことがある。逆に、相対湿度が９５％を超えると、高分子溶液の表面に必要以上の水蒸気が凝結してしまい、空孔が充分に形成されないことがある。気体の流速は、形成する微細多孔質高分子膜の厚さ、孔径、空孔率などに応じて適宜調節すればよく、特に限定されるものではないが、例えば、その下限が好ましくは０．０１ｍ／ｓ、より好ましくは０．０５ｍ／ｓ、さらに好ましくは０．１ｍ／ｓであり、また、その上限が好ましくは１ｍ／ｓ、より好ましくは０．８ｍ／ｓ、さらに好ましくは０．７ｍ／ｓである。流速が０．０１ｍ／ｓ未満であると、製膜に時間がかかり、生産性が低下することがある。逆に、流速が１ｍ／ｓを超えると、高分子溶液の表面に乱れが生じ、微細多孔質高分子膜の厚さが不均一になることがある。
【００５８】
基板上に塗布された高分子溶液の表面に気体を吹き付ける方向は、基板に対して垂直な方向から水平な方向まで、いかなる方向であってもよいが、孔径や配列の均一性を高めるには、基板に対して垂直な方向に対して３０度以上、６０度以下の範囲内であることが好ましい。実際には、高分子溶液を塗布した基板の上方に、基板全体を覆うような大きさの漏斗を、所定の間隔を置いて、伏せた状態で保持し、漏斗の細管から気体を供給して吹き付けるようにすればよい。この場合、基板と漏斗との間隔は、気体の流速に応じて適宜調節すればよく、特に限定されるものではないが、例えば、２ｃｍ以上、１０ｃｍ以下の範囲内である。
【００５９】
自己組織化による微細多孔質高分子膜の空孔率は、その下限が好ましくは３０％、より好ましくは３５％、さらに好ましくは４０％であり、また、その上限が好ましくは８０％、より好ましくは７５％、さらに好ましくは７０％である。ここで、「空孔率」とは、微細多孔質高分子膜の所定領域内に存在する空孔の全開口面積の割合を意味する。なお、空孔率は、微細多孔質高分子膜を光学顕微鏡で観察し、周縁部を除いた実使用領域から無作為に抽出した所定の面積を有する領域について求めた値である。空孔率が３０％未満であると、表示装置に用いた場合に、非表示部分が多くなり、表示品質が低下することがある。逆に、空孔率が８０％を超えると、膜の強度が低下することがある。
【００６０】
また、自己組織化による微細多孔質高分子膜の孔径は、１０ｎｍ〜１００μｍの範囲であり、特に限定されず、用途に応じて設定すればよい。
【００６１】
一般に、孔径を小さくするには、例えば、疎水性有機溶媒として沸点が低い有機溶媒を用いたり、基板の温度を上昇させたり、基板上に塗布する高分子溶液の量を少なくすればよい。
【００６２】
微細多孔質高分子膜の厚さは、孔径に応じて変化するので、特に限定されるものではないが、例えば、その下限が好ましくは１０μｍ、より好ましくは１５μｍ、さらに好ましくは２０μｍであり、また、その上限が好ましくは２００μｍ、より好ましくは１８０μｍ、さらに好ましくは１５０μｍである。
【００６３】
このような微細多孔質高分子膜の製膜過程を図２に示す。高分子溶液を高湿度下でキャスティングすると、キャスティングされた溶液の表面に水が供給されて、水滴が結露し、次いで、水滴が成長し、その後、溶媒が蒸発する過程で毛細管力により水滴が凝集し、最後に水滴が蒸発して水滴が存在していた場所に細孔１３ａが形成される。
【００６４】
このように製膜された微細多孔質高分子膜１３の細孔１３ａの内壁には、水滴の作用により両親媒性高分子の親水性部位が配列すると推測され、これにより親水性の官能基が存在することになる。一方、細孔１３ａの間の表面は疎水性部位による疎水性が強くなると推測される。
【００６５】
このように本発明の微細多孔質高分子膜の表面には、特に細孔内に親水性の官能基が存在する。ここで、親水性の官能基としては、用途に応じて化学修飾が適用できるものであればよく、特に限定されないが、例えば、カルボキシル基、アミノ基、水酸基などを挙げることができ、特に、カルボキシル基が好ましい。
【００６６】
また、本発明のバイオセンサーチップは、このような微細多孔質高分子膜を表面に有するものであればよいが、親水性の官能基が不足している場合、あるいは、細孔の間の隔壁にも親水性の官能基を設けてさらに感度を向上させるためには、プラズマ酸化処理またはオゾン酸化処理などの表面処理を施せばよい。このような表面処理により、有機物が酸化され、カルボキシル基が形成され、親水性の官能基を増大することができる。
【００６７】
さらに、このような親水性の官能基を有する微細多孔質高分子膜は、化学修飾することで、生理活性物質を固定する機能性部位を表面に設けることができる。化学修飾としては、例えば、マレイミド修飾が挙げられる。
【実施例】
【００６８】
（実施例）
まず、基板として１６ｍｍ×１６ｍｍのカバーグラスを用い、この上に厚さが４５ｎｍの金薄膜を設けた。そして、このように金薄膜を有する基板を、濃度が１．０％となる３−メルカプト−プロピル−トリメトキシシランの１％酢酸水溶液に６０分間浸漬し、金薄膜をカップリング処理した。
【００６９】
次に、自己組織化による微細多孔質高分子膜をコーティングするために、カバーグラスの金薄膜上に、濃度が０．５ｍｇ／ｍＬとなる高分子化合物としてポリスチレン−ポリアクリル酸共重合体のクロロホルム溶液をキャストし、９０％の湿度の空気を上部より５ｍＬ／ｍｉｎの流量で吹き付けるとクロロホルムが蒸発し水滴が鋳型となって、金薄膜上に自己組織化された微細多孔質高分子膜が形成された。
【００７０】
さらに、プラズマ装置を用いてカバーグラス上の金薄膜上に設けられた微細多孔質高分子膜をプラズマ酸化処理した。この条件は、高周波発信器周波数が１３．５６ＭＨｚ、出力が１００Ｗ、酸素ガス流量が５０ｍＬ／ｍｉｎ、真空度が１．０〜１．２Ｔｏｒｒ、処理時間が６０秒である。
【００７１】
処理前の水接触角は１５０ｄｅｇであったのに対して、プラズマ酸化処理を行うと６８ｄｅｇとなり、親水性が向上したことが確認された。
【００７２】
また、膜表面をフーリエ変換赤外分光分析（ＦＴ−ＩＲ）で測定すると、カルボキシル基（ＣＯＯＨ基）の増大が確認された。
【００７３】
（比較例）
実施例と同様に、厚さが４５ｎｍの金薄膜を有する、１６ｍｍ×１６ｍｍのカバーグラスを、濃度１ｍｍｏｌ／Ｌとなる１０−カルボキシ−１−デカンチオールのエタノール溶液に２４時間浸漬し、その後エタノールで洗浄して、アルカンチオールの単分子層を作製した。
【００７４】
（試験例）
以上のように作製した実施例、比較例のバイオセンサーチップをＳＰＲ測定装置のプリズム上に固定して、専用の測定マウントをセットしてフロー式で次の操作を行った。
【００７５】
まず、抗原抗体反応による抗体タンパク質を結合させるための化学修飾としてマレイミド修飾処理を以下の要領で行った。すなわち、４００ｍｍｏｌ／Ｌの１−Ｅｔｈｙｌ−３−（３−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏｐｒｏｐｙｌ）ｃａｒｂｏｄｉｉｍｉｄｅ）水溶液および１００ｍｍｏｌ／ＬのＮ− Ｈｙｄｒｏｘｙｓｕｌｆｏｓｕｃｃｉｎｉｍｉｄｅ水溶液の混合液を、２０μＬ／ｍｉｎの流量で７分間、合計１４０μＬをセンサー上に流すことによって処理した。
【００７６】
さらに、抗体を固定するためにＭＰ ＢＩＯＭＥＤＩＣＡＬＳ社のヒトＩｇＧ抗体の２０μｇ／ｍＬの濃度に調製したリン酸緩衝液を２０μＬ／ｍｉｎの流量で７分間、合計１４０μＬをセンサー上に流した。
【００７７】
このような処理により、実施例のバイオセンサーチップはＳＰＲセンサー用のバイオセンサーチップとして使用できるようになった。
【００７８】
次に、ＳＰＲセンサーでの感度を調べるために、抗原としてＭＰ ＢＩＯＭＥＤＩＣＡＬＳ社の免疫グロブリンＧ（ヒトＩｇＧ）の１×１０-8ｍｏｌ／Ｌの濃度に調整したリン酸緩衝液を流し、続いて濃度１×１０-7ｍｏｌ／Ｌのリン酸緩衝液を流し、表面プラズモン共鳴シグナルの変化を測定した。
【００７９】
この結果を表１及び図３（実施例のみ）に示す。
この結果、実施例の微細多孔質高分子膜を設けたバイオセンサーチップを用いたＳＰＲセンサーの出力としての共鳴角度の変化は、従来技術にかかる比較例のアルカンチオールを用いたバイオセンサーチップ基材のものに比べて優れていることがわかった。
【００８０】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明のバイオセンサーチップは、ＳＰＲセンサーの他、種々のバイオセンサーに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明のバイオセンサーチップを模式的に示す図である。
【図２】本発明のバイオセンサーチップの微細多孔質高分子膜の製膜過程を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施例のバイオセンサーチップを用いたＳＰＲセンサーの表面プラズモン共鳴シグナルの変化を示す図である。
【符号の説明】
【００８３】
１１ 基板
１２ 金属膜
１３ 微細多孔質高分子膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、この表面に設けられた金属膜と、この金属膜上にチオール系シランカップリング剤を介して固定され且つ表面に親水性の官能基を有する微細多孔質高分子膜とを具備することを特徴とするバイオセンサーチップ。
【請求項２】
請求項１に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記微細多孔質高分子膜が、両親媒性高分子を含む疎水性有機溶媒溶液を相対湿度５０〜９５％の高湿度条件下でキャスティングすることにより形成された膜であることを特徴とするバイオセンサーチップ。
【請求項３】
請求項２に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記疎水性有機溶媒溶液が疎水性高分子を含むことを特徴とするバイオセンサーチップ。
【請求項４】
請求項３に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記疎水性有機溶媒溶液が、疎水性高分子と両親媒性高分子とを質量比５０：５０〜９９：１の割合で含むものであることを特徴とするバイオセンサーチップ。
【請求項５】
請求項２〜４の何れかに記載のバイオセンサーチップにおいて、前記親水性の官能基が、前記両親媒性高分子の親水性部位に起因するものを含むことを特徴とするバイオセンサーチップ。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかに記載のバイオセンサーチップにおいて、前記微細多孔質高分子膜は、プラズマ酸化処理又はオゾン酸化処理による表面処理が施されたものであることを特徴とするバイオセンサーチップ。
【請求項７】
請求項６に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記親水性の官能基が、前記表面処理により形成されたものを含むことを特徴とするバイオセンサーチップ。
【請求項８】
請求項１〜７の何れかに記載のバイオセンサーチップにおいて、前記親水性の官能基がカルボキシル基であることを特徴とするバイオセンサーチップ。
【請求項９】
請求項１〜８の何れかに記載のバイオセンサーチップにおいて、表面プラズモン共鳴バイオセンサーに使用されるものであることを特徴とするバイオセンサーチップ。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れかに記載のバイオセンサーチップにおいて、前記微細多孔質高分子膜の表面が化学修飾されていることを特徴とするバイオセンサーチップ。
【請求項１１】
基板の表面に金属膜を設ける工程と、この金属膜の表面をチオール系シランカップリング剤で処理する工程と、両親媒性高分子を含む疎水性有機溶媒溶液を前記金属膜上に相対湿度５０〜９５％の高湿度条件下でキャスティングすることにより微細多孔質高分子膜を形成する工程とを具備することを特徴とするバイオセンサーチップの製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載のバイオセンサーチップの製造方法において、前記疎水性有機溶媒溶液が疎水性高分子を含むことを特徴とするバイオセンサーチップの製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載のバイオセンサーチップの製造方法において、前記疎水性有機溶媒溶液が、疎水性高分子と両親媒性高分子とを質量比５０：５０〜９９：１の割合で含むものであることを特徴とするバイオセンサーチップの製造方法。
【請求項１４】
請求項１１〜１３の何れかに記載のバイオセンサーチップの製造方法において、前記微細多孔質高分子膜の表面に、プラズマ酸化処理又はオゾン酸化処理による表面処理を施すことを特徴とするバイオセンサーチップの製造方法。
【請求項１】
基板と、この表面に設けられた金属膜と、この金属膜上にチオール系シランカップリング剤を介して固定され且つ表面に親水性の官能基を有する微細多孔質高分子膜とを具備することを特徴とするバイオセンサーチップ。
【請求項２】
請求項１に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記微細多孔質高分子膜が、両親媒性高分子を含む疎水性有機溶媒溶液を相対湿度５０〜９５％の高湿度条件下でキャスティングすることにより形成された膜であることを特徴とするバイオセンサーチップ。
【請求項３】
請求項２に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記疎水性有機溶媒溶液が疎水性高分子を含むことを特徴とするバイオセンサーチップ。
【請求項４】
請求項３に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記疎水性有機溶媒溶液が、疎水性高分子と両親媒性高分子とを質量比５０：５０〜９９：１の割合で含むものであることを特徴とするバイオセンサーチップ。
【請求項５】
請求項２〜４の何れかに記載のバイオセンサーチップにおいて、前記親水性の官能基が、前記両親媒性高分子の親水性部位に起因するものを含むことを特徴とするバイオセンサーチップ。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかに記載のバイオセンサーチップにおいて、前記微細多孔質高分子膜は、プラズマ酸化処理又はオゾン酸化処理による表面処理が施されたものであることを特徴とするバイオセンサーチップ。
【請求項７】
請求項６に記載のバイオセンサーチップにおいて、前記親水性の官能基が、前記表面処理により形成されたものを含むことを特徴とするバイオセンサーチップ。
【請求項８】
請求項１〜７の何れかに記載のバイオセンサーチップにおいて、前記親水性の官能基がカルボキシル基であることを特徴とするバイオセンサーチップ。
【請求項９】
請求項１〜８の何れかに記載のバイオセンサーチップにおいて、表面プラズモン共鳴バイオセンサーに使用されるものであることを特徴とするバイオセンサーチップ。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れかに記載のバイオセンサーチップにおいて、前記微細多孔質高分子膜の表面が化学修飾されていることを特徴とするバイオセンサーチップ。
【請求項１１】
基板の表面に金属膜を設ける工程と、この金属膜の表面をチオール系シランカップリング剤で処理する工程と、両親媒性高分子を含む疎水性有機溶媒溶液を前記金属膜上に相対湿度５０〜９５％の高湿度条件下でキャスティングすることにより微細多孔質高分子膜を形成する工程とを具備することを特徴とするバイオセンサーチップの製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載のバイオセンサーチップの製造方法において、前記疎水性有機溶媒溶液が疎水性高分子を含むことを特徴とするバイオセンサーチップの製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載のバイオセンサーチップの製造方法において、前記疎水性有機溶媒溶液が、疎水性高分子と両親媒性高分子とを質量比５０：５０〜９９：１の割合で含むものであることを特徴とするバイオセンサーチップの製造方法。
【請求項１４】
請求項１１〜１３の何れかに記載のバイオセンサーチップの製造方法において、前記微細多孔質高分子膜の表面に、プラズマ酸化処理又はオゾン酸化処理による表面処理を施すことを特徴とするバイオセンサーチップの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００８−２４９４３４（Ｐ２００８−２４９４３４Ａ）
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−８９８５０（Ｐ２００７−８９８５０）
【出願日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【出願人】（５０７１０２０２３）株式会社メンテック (1)
【出願人】（５９１１９０９５５）北海道 (121)
【出願人】（５０４１９３８３７）国立大学法人室蘭工業大学 (70)
【出願人】（５０４１７３４７１）国立大学法人 北海道大学 (971)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【出願人】（５０７１０２０２３）株式会社メンテック (1)
【出願人】（５９１１９０９５５）北海道 (121)
【出願人】（５０４１９３８３７）国立大学法人室蘭工業大学 (70)
【出願人】（５０４１７３４７１）国立大学法人 北海道大学 (971)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]