Chemical labelling

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化学標識（chemic
al tag）および化学標識を含む構造を合成する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】化学標識は、様々な適用分野で利用される。 一般的に、化学標識は、広い範囲の適用分野で任意の数のパラメータを監視し、分析し、かつ制御するために利用される。 例えば、化学標識は、１つまたは複数の技術により検出できる１種または複数の原子または分子あるいはその両方を含むことができる。 例えば、化学標識は放射線同位体を含むことができる。 このような化学標識は、化学標識の存在を単に検出することだけが必要である場合に有用である。 化学標識はまた、選択された波長の放射線による照射に応答して蛍光を発する物質を含むこともできる。 例えば、ある種の化学標識は紫外線の照射に応答して蛍光を発することができる。

【０００３】化学標識の存在を検出するために、一般的に様々な手段が使用される。 例えば、照射に応答して可視光または蛍光を放出する化学標識の存在は、簡単な目視検査で検出することができる。 場合によっては、化学標識の存在を検出するために、特殊なフィルムまたは検出器が必要となることもある。 例えば、標識によって生成される放射線に感受性のフィルムまたは検出器を利用することができる。

【０００４】化学標識は様々な適用分野で利用することができる。 これらの適用分野の例として、特に汚染制御、製品識別、地質調査、海洋における潮流の検出、植物による物質の吸収などがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、生物学的化学標識を形成する新規な方法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の諸態様は、生物学的化学標識を形成する方法を提供する。 この方法は、
少なくとも１つの二本鎖ＤＮＡ分子を提供することを含む。 以下の説明において、一般的にＤＮＡ分子とは二本鎖ＤＮＡ分子である。 その二本鎖ＤＮＡ分子の少なくとも一部分が変性される。 ＤＮＡ分子の変性された部分の再結晶を妨げる化学的部分（chemical moiety）が、そのＤＮＡ分子の変性された部分のヌクレオチドに結合される。

【０００７】本発明の他の諸態様は、変性された部分を含むＤＮＡ分子を含む構造を提供する。 この構造は、Ｄ
ＮＡ分子の変性された部分の少なくとも一部分に付加された、化学的部分を含む。 この化学的部分は、それが付着されるＤＮＡ分子の変性された部分の再結晶を妨げる。

【０００８】

【発明の実施の形態】上述の通り、本発明は、化学標識を合成するための方法を提供する。 本発明はまた、本発明に係る化学標識を組み込んだ構造をも含む。 特に、本発明はＤＮＡ分子用の化学標識に関する。

【０００９】本発明によれば、少なくとも１つのＤＮＡ
分子を用意する。 このＤＮＡ分子の配列は、既知であってもそうでなくてもよい。 一般的に、このＤＮＡ分子は二本鎖である。 ＤＮＡ分子の少なくとも一部分は、変性することができる。 変性は、ＤＮＡ分子の変性させたい部分を、ＤＮＡを変性できる溶液にさらすことによって実行することができる。 代替方法として、または追加として、変性させたい１つまたは複数の部位を高温にさらすこともできる。

【００１０】溶液を利用してＤＮＡを変性させる場合、
ＤＮＡを変性させることが可能な任意の溶液が利用できる。 この溶液は高い誘電率を持つものでよい。 溶液は少なくとも１種の塩を含むことができる。 塩はＮａＣｌ、
ＮａＯＨ、ホルムアミド、および尿素の少なくとも１つを含むことができる。

【００１１】代替方法として、または追加として熱を利用する場合、ＤＮＡの変性させたい部位を、これらの部位のＤＮＡ分子に変性が起きるのに充分な温度に上げることが好ましい。 例えば、ＤＮＡを約７０℃ないし約１
１０℃の温度に昇温することができる。

【００１２】ＤＮＡ分子の一部分を変性した後、化学的部分または挿入化合物を、ＤＮＡ分子の変性部分に付着することができる。 この化学的部分は一般的に、この化学的部分が付着される変性部分の再結晶を妨げる。

【００１３】化学的部分は、様々な方法でＤＮＡ分子の様々な位置に付着することができる。 例えば、化学的部分をＤＮＡ分子上の１つまたは複数の部位に水素結合することができる。 代替方法として、化学的部分とＤＮＡ
分子の一部分との間に、共有結合を形成することもできる。

【００１４】さらに、化学的部分の性質に応じて、その化学的部分をＤＮＡ分子に付着する位置は異なる。 一例によると、化学的部分は、ＤＮＡ分子の変性した部分内のヌクレオチドと相補的なヌクレオチドを含むことができる。 したがって、この化学的部分は、ヌクレオチドがＤＮＡの二重らせん構造内で一般的に相互に結合する方法と同様の方法で、ＤＮＡ分子上の相補的ヌクレオチドに水素結合する。 この化学的部分は、ヌクレオチドが一般的に結合するのと同じかまたは異なる部位に結合できるその他の原子または分子あるいはその両方を含むことができる。

【００１５】代替方法として、化学的部分は、カルボン酸などの酸基、またはカルボン酸の塩など酸基の誘導体、あるいはその両方を含むことができる。 酸基は塩基のアミノ基と反応し、ＤＮＡが再結晶または復元（rena
ture）するのを阻止することができる。 典型的な化合物は、末端に酸基を持つアルカン鎖を含むことができる。

【００１６】化学的部分は、ＤＮＡ分子の変性部分に結合する少なくとも１つの部分を含むことができる。 ただし、この化学的部分は、変性したＤＮＡ分子上の２つ以上の部位に結合する２つ以上の部位を含むこともできる。 例えば、化学的部分は、変性したＤＮＡ分子の２つの部位に結合する２つの部位を含むことができる。 例えば、２つの末端にヌクレオチド塩基をもつ長いアルカン鎖がある。

【００１７】化学的部分は、ＤＮＡ分子の変性部分に結合する少なくとも１つの原子または分子を含む他に、この化学的部分の検出を促進する物質を含むことができる。 一例によれば、化学的部分は発光染料を含むことができる。 発光染料は、化学的部分の付着部分に化学的に結合することができる。 例えば、アルカン鎖の炭素の１
つに付着することができる。

【００１８】化学的部分または挿入化合物は、互いに接続された複数の様々な化学的部分を含むオリゴマーとすることができる。 化学的部分は、ＤＮＡ分子に挿入化合物を結合するのを助ける付着部分を含むことができる。
挿入化合物はまた、挿入化合物の検出を可能にする検出部分をも含むことができる。

【００１９】挿入化合物の付着部分は、１つまたは複数のヌクレオチド塩基を含むことができる。 ＤＮＡ分子の２つ以上の部位に結合する挿入化合物は、各末端に付着部分を含むことができる。 例えば、挿入化合物は、各末端に１つずつ、２つのヌクレオチドを含むことができる。 例えば、挿入化合物は、グアニン・シトシンまたはチミン・アデニンを含むことができる。 どのヌクレオチド塩基も、挿入化合物の末端で利用することができる。
本発明の一例によれば、塩基は相補的である。 別の例によれば、塩基は同一である。 挿入化合物のヌクレオチド塩基は、ＤＮＡ分子の変性された部分の塩基に結合することができる。

【００２０】別の例によれば、挿入化合物の付着部分は、カルボン酸など少なくとも１つの酸、またはカルボン酸の塩などの酸誘導体を含むことができる。 酸または酸誘導体基は塩基のアミド基と反応して、それが再結晶または復元するのを阻止することができる。 一例によれば、挿入化合物は１末端に酸を含む。 他の付着基には、
酸塩化物、イソシアナート、二塩化ホスホン酸が含まれる。

【００２１】上述の通り、付着部分は検出部分に結合することができる。 利用される検出部分は、挿入化合物をどのように検出できるようにしたいかによって異なる。
例えば、挿入化合物は染料を含むことができる。 染料は照射により発光することができる。

【００２２】挿入化合物が発光性染料である場合、最初に染料化合物を形成することができる。 一例によれば、
発光性染料は、染料を付着できる少なくとも１つの官能基を持つポリマー鎖を含む。 ポリマー鎖は、任意の所望のポリマーを含むことができる。 挿入化合物に利用できるポリマーの例には、

【化１】

【化２】

Ｈ

₃ ；Ｃ

₂ Ｈ

₅ ；

【化３】

「ｘ」と定義される官能基は、

【化４】

₂ 、−ＯＨまたはその他の任意のルイス酸またはルイス塩基を含むことができる。

【００２３】染料を付着できる少なくとも１つの官能基は、ポリマー鎖の様々な位置に付着することができる。
例えば、官能基はポリマー鎖の末端に付着することができる。 別の実施形態によると、官能基は、ポリマー鎖の両端の間のどこにでも付着することができる。 例えば、
官能基は、ポリマー鎖の真ん中付近に付着することができる。

【００２４】ポリマー鎖を形成し、官能基を付着した後、染料分子を官能基に付着することができる。 本発明に従って利用できる染料は、ナフタレンをベースとする染料、アントラセンをベースとする染料、フルオレセインをベースとする染料、およびローダミンをベースとする染料を含む。 本発明に従って利用できるそうした染料の例を次に提示する。 ナフタレンをベースとする染料

【化５】

₂がある。 アントラセンをベースとする染料

【化６】

₂がある。 フルオレセインをベースとする染料

【化７】

₂がある。 ローダミンをベースとする染料

【化８】

₂がある。

【００２５】図５（ａ）は、本発明に従って利用できるＤＮＡ分子の実施形態を示す。 図５（ｂ）は、ＤＮＡ分子の一部分が変性された図５（ａ）に示したＤＮＡ分子の実施形態を示す。 図５（ｃ）および図５（ｄ）は、変性された部分３に挿入化合物が結合された本発明の２つの実施形態を示す。

【００２６】例えば、図５（ｃ）は、ＤＮＡ分子１の変性領域３に４つの挿入化合物が結合された実施形態を示す。 各挿入化合物５は、１つの付着部分７および１つの検出部分９を含む。 ４つの挿入化合物は、図５（ｃ）に示されたＤＮＡ分子の変性部分に結合されている。

【００２７】一方、図５（ｄ）に示す実施形態では、５
つの挿入化合物が変性領域に結合されている。 図５
（ｄ）に示す実施形態の各挿入化合物１１は、付着部分１３、１５および検出部分１７を含む。 図５（ｄ）から分かるように、各挿入化合物は、ＤＮＡ分子の変性領域の２つの部位に結合される。

【００２８】ＤＮＡ分子の一部分を変性する前に、ＤＮ
Ａを基板上に配列することによって、ＤＮＡの変性を促進することができる。 本発明に従って用意される基板は、ＤＮＡがある領域に隣接して配置されたときにＤＮ
Ａが変性されるような領域を含むことができる。 ＤＮＡ
が隣接して配置されたときにＤＮＡが変性するような基板のそうした領域は、結果的にＤＮＡの変性を引き起こす溶液を保持する性質を含むことができる。 例えば、基板のある領域は、溶液をその部分に保持させる特定の湿潤特性を持つことができる。

【００２９】基板における溶液の差別的な保持（differ
ential retention）を促進するために、基板は異なる湿潤特性を持つ領域を設けることができる。 異なる湿潤特性を持つこれらの領域は、複数の線状に設けることができる。 異なる湿潤特性を持つ領域は、複数の異なる湿潤特性を持つことができる。 一般的に、基板は、２つの異なる湿潤特性を持つ領域を含む。 ２つの異なる湿潤特性を持つ領域を含む基板では、一方の湿潤特性が結果的にその範囲のＤＮＡ分子を変性できる溶液を保持し、他方の領域は溶液を保持する傾向が無いことが好ましい。

【００３０】異なる湿潤特性を持つ領域は、それぞれの側に１つの湿潤特性の各線が置かれた、複数の交互に並んだ線状に設けることができる。 １つの湿潤特性の各線はすべて同じ幅を持つことができる。 代替方法として、
１つの湿潤特性のすべての線は１つの幅を持ち、別の湿潤特性のすべての線は別の幅を持つことができる。 しかし、任意の数の湿潤特性を持つ任意の数の線を、様々な幅で設けることができる。

【００３１】一実施形態によれば、基板は２種類の湿潤特性を持つ２種類の線を含む。 この実施形態によれば、
第１の湿潤特性を有する線は、約１０ｎｍないし約１０
００ｎｍの幅を持つ。 また、この実施形態によれば、第２の湿潤特性を有する線は約１０ｎｍないし約１０００
０ｎｍの幅を持つ。 さらに、この実施形態によれば、約１０ｎｍないし約１０００ｎｍの幅を持つ第１の湿潤特性を有する線は、基板上に配置されたＤＮＡを変性することができる溶液を保持する傾向がある。

【００３２】一方の種類のすべての線は変性溶液を保持する傾向があり、他方の種類のすべての線は変性溶液を保持しない傾向がある。 さらに、一方の湿潤特性を有するすべての線は１つの幅を持つことができ、他方の湿潤特性を有するすべての線は別の幅を持つことができる。
２つの幅は同一であっても、そうでなくてもよい。 例えば、一方のタイプのすべての線は他方のタイプのすべての線より幅が広くなるように、一方の湿潤特性を有するすべての線に他方より短い幅を与えることができる。 代替方法として、両方のタイプのすべての線が同じ幅を持つこともできる。

【００３３】異なる湿潤特性を持つ領域を基板上に設けるのではなく、基板が変性溶液を保持するための少なくとも１つの溝（channel）を含むことができる。 基板は複数の溝をその基板に含むことができる。 溝の大きさは、溝に配置されるＤＮＡ分子の変性したい領域の大きさによって異なる。 さらに、溝の数は、少なくとも１つの変性部分を含むようにするＤＮＡ分子の長さによって異なる。

【００３４】別の実施形態によると、少なくとも１つの部分は、溶液を保持するための少なくとも１つの溝を含む。 溶液は、ＤＮＡが基板上に配置されたときに、ＤＮ
Ａの少なくとも一部分が変性されるような基板上の少なくとも一部分に溶液が配置されるように、基板上に付着される。

【００３５】一実施形態によると、基板の各溝は、約１
０ｎｍないし約５００ｎｍの深さを持つ。 深さは、基板の表面に対して溝の最深部の深さとして測定することができる。 基板が複数の溝を含む場合、各溝は実質的に同じ深さをもつことができる。 代替方法として、溝は異なる深さを持つこともできる。

【００３６】基板に設けられる少なくとも１つの溝はまた、約１０ｎｍないし約１００００ｎｍの幅を持つことができる。 基板が複数の溝を含む場合、各溝は実質的に同じ幅を持つことができる。 代替方法として、溝は異なる幅を持つこともできる。

【００３７】溝の幅は、溝の開口の幅を指すことができる。 溝の開口の幅は、溝が最初に始まる基板の表面から測定するか、またはより広い幅の溝の開口の部分から測定することができる。 溝の最小幅は、約１０ｎｍないし約１００００ｎｍとすることができる。

【００３８】溝または溝の開口の幅、または溝を含まない実施形態では変性溶液を保持する傾向のある湿潤特性を持つ基板の部分の幅は、溶液と基板の一部分に配置された少なくとも１つのＤＮＡ分子との間に選択された量の接触が行われるのに充分な量の溶液を収容するために、溝の場合は充分な深さと幅を持ち、様々な湿潤特性を持つ表面の場合は充分な幅を持つことができ、そこで溶液は結果的に少なくとも１つのＤＮＡ分子に選択された量の変性が起こるように配置される。 また、溝または領域の幅または深さあるいはその両方は、特定の量のＤ
ＮＡ分子の変性を生じる所望の量の変性溶液を保持するのに充分な大きさにすることができる。

【００３９】溝は、約１０ｎｍないし約１０００ｎｍの距離で相互に分離することができる。 この離隔距離は、
１つの溝の開口の縁部から隣接する溝の開口の隣接する縁部までを測定することができる。 代替方法として、離隔距離は１つの溝の中心線から隣接する溝の中心線までを測定することもできる。

【００４０】溝または変性溶液を保持する傾向のある湿潤特性を持つ基板の領域は、基板の領域によって分離することができる。 分離領域は、それらに接触するＤＮＡ
分子を保持する傾向を生じる性質を持つことができる。
これらの線に沿って、分離領域は、基板上に配置されたＤＮＡ分子の選択された保持度を得るのに充分な幅を持つことができる。 変性できる溝上の塩基対の数は、約４
０個ないし約４０，０００個の範囲とすることができる。 塩基対のこの数は、約１０ｎｍないし約１０，００
０ｎｍの幅に対応する。

【００４１】基板に溝を設けた後、溝を含む基板の少なくとも一部分に溶液を付着することができる。 この溶液は、上述の変性溶液を含む。

【００４２】溶液は、基板全体に、または基板の一部分にのみ、付着することができる。 変性溶液は水溶液とすることができる。 溶液は高い誘電率を持つことができる。 さらに、溶液は塩を含むことができる。 塩の例はＮ
ａＣｌ、ＮａＯＨ、ホルムアミド、および尿素を含む。
溶液は極性溶媒を含むことができる。 極性溶媒の１つの例は水である。

【００４３】基板が溶液を保持する傾向のない領域を含む場合、それらは溶液をはじく傾向があるか、または単に溶液を保持しない傾向があるだけかもしれない。 これらの基板の一部分が溶液を保持しないか、または溶液をはじく傾向がある場合、これらは、基板のその部分に配置されたＤＮＡ分子の少なくとも一部分を保持する傾向を持つことができる。 したがって、溝間の表面は非湿潤表面とみなすことができる。 ＤＮＡは一般的に、基板の溝間の表面と物理的に接触し、少なくともファン・デル・ワールス力によってそれと相互作用する。 ＤＮＡを保持する傾向にあるこれらの領域は、弱親水性にのみすることができる。

【００４４】基板に変性溶液を付着した後、基板が溝を含むか、それとも異なる湿潤特性を持つ領域を含むかに関係なく、過剰な溶液を除去することができる。 溶液を除去する必要があるか否かは、適量の溶液が溝の所望の部分および／または所望の湿潤特性を持つ領域に実質的に限定されて付着しているかどうかによって決まる。 一般的に、基板および溶液上に配置されたＤＮＡがどこで変性されるかを制御できるように、基板上に溶液が付着される場所を制御することが望ましい。

【００４５】基板の選択された場所に変性溶液を付着した後、ＤＮＡ分子を基板上に配置することができる。 一般的に、このＤＮＡ分子は、変性溶液が付着された複数の領域だけでなく、変性溶液が付着されていない複数の領域にも接触するように基板上に配置される。

【００４６】また、複数のＤＮＡ分子を１つの基板上に配置することもできる。 例えば、約２個ないし約１０，
０００個のＤＮＡ分子を基板上に配置することができる。 基板上にＤＮＡ分子を配置するために、まず溶液を含むＤＮＡを基板上に付着する。 ＤＮＡ分子の大きさは、ＤＮＡが溝内に完全に落下しないように、溝の幅より大きいことが好ましい。

【００４７】次にＨ ₂ Ｏなどの溶媒を蒸発させる。 次いで、変性流体を基板の一端から溝に注入する。 この変性流体は表面張力によって溝内に運ばれる。

【００４８】付着後、ＤＮＡ分子は一般的に、ＤＮＡ分子に所望の量の変性が生じるのに充分な時間、基板上に着座または停留させる。 例えば、一般的に、溶液を注入した後、ＤＮＡ分子を約１分ないし約６０分間変性させることができる。

【００４９】ＤＮＡ分子に所望の量の変性を発生させるための充分な時間が経過した後、挿入化合物を基板上、
および基板上に配置されたＤＮＡ上に付着することができる。 挿入化合物は実質的に上述の通りとすることができる。 挿入化合物を変性溶液中に含めることによって、
挿入化合物は基板上の変性されたＤＮＡに適用することができる。

【００５０】変性後に、挿入化合物をＤＮＡ分子の変性された部分に結合させることができる。 基板に付着されたＤＮＡ分子の配列および挿入化合物の構造を知ることによって、挿入化合物がＤＮＡ分子に結合する位置を制御することができる。 一方、ＤＮＡの配列が不明である場合、挿入化合物を不明の位置に結合させ、以下で説明するように配列を決定させることができる。

【００５１】挿入化合物が基板上に配置されたＤＮＡ分子と結合するための充分な時間が経過した後、ＤＮＡ分子の付近から過剰な挿入化合物を除去する。 過剰な挿入化合物は、ＤＮＡ分子の変性部分に付着しなかった挿入化合物とすることができる。 例えば、過剰な挿入化合物は単に洗い流すことができる。

【００５２】挿入化合物をＤＮＡ分子の変性部分に付着した後、ＤＮＡ分子上の挿入化合物の位置を検出することができる。 挿入化合物が蛍光染料のような発光性染料を含む場合、ＤＮＡ分子および結合挿入化合物に、染料が蛍光を発する波長の光を照射する。 よって、ＤＮＡの位置を検出することができる。

【００５３】さらに、変性部分を含むＤＮＡ分子の部分は、「書込み可能なセグメント」とみなすことができる。 ＤＮＡ分子を基板上に配置する場合、基板に配置されたＤＮＡ分子の部分は、「書込み可能なセグメント」
とみなすことができる。 このような分析によれば、挿入化合物がＤＮＡ分子の変性部分に付着される位置に１の値を割り当てることができる。 同様に、ＤＮＡの変性部分が挿入化合物を含まない場合、ＤＮＡのその位置に０
の値を割り当てることができる。

【００５４】ＤＮＡ分子の異なる溝に異なる溶液を利用して、変性されたＤＮＡ分子の部分に、１および０を局所的に「書き込む」ことができる。 したがってＤＮＡ鎖は１と０によって修飾することができる。 これは基本的に、光検出器などの光学的方法および装置を利用して読み取ることができる分子バーコードにつながる。

【００５５】一実施形態によると、基板の各溝、またはその領域が変性溶液を保持する傾向を有するように湿潤特性を備えた基板の各領域は、約１００ｎｍの幅を持つ。 この実施形態によると、溝または変性溶液を保持する湿潤特性を持つ領域は、約１０００ｎｍの距離だけ分離される。 また、溝または特定領域を含む基板の部分は約１０ｍｍの幅を持つ。 少なくとも１０ｍｍの長さのＤ
ＮＡの鎖を基板上に配置した場合、上述の基板のパラメータを前提とすると、約１００００個以上のＤＮＡ鎖の変性部分を「書き込む」ことができる。 １００００個の書込み可能なセグメントを持つことは、２ ¹⁰⁰⁰⁰の識別につながる。

【００５６】ＤＮＡの変性はまた、ＤＮＡを変性することが望ましいＤＮＡの位置を加熱することによって実行または促進することができる。 ＤＮＡが基板上に配置される場合、基板に加熱可能な部分を設けることによって加熱を行うことができる。 加熱可能な部分は、溝または特定の湿潤特性を持つ領域あるいはその両方の代わりに、またはそれに加えて設けることができる。 さらに、
加熱可能な部分を必ずしも基板内または基板上あるいはその両方に設ける必要はない。

【００５７】一実施形態によると、基板の加熱可能な部分は、基板内または基板上あるいはその両方に配置された金属または金属化合物によって得られる。 金属は、ストーブの抵抗発熱体がそこに電流を通すことによって加熱するのと同様に、金属に電流を通すことによって加熱することができる。

【００５８】電流は、連続的に、または周期的にあるいはその両方で流すことができる。 １つの例によると、電流はパルス化される。 パルス化は規則的に、または不規則にタイミングを計ることができる。 電流は、連続電流とパルス電流の組合せとすることができる。 そのようなワイヤを含む構造を、以下でより詳細に説明する。 局所温度は約７０℃ないし約１１０℃の範囲にすることができる。 昇温は、パルスとしてまたは連続的に与えることができる。 温度がパルスとして与えられる場合、昇温が与えられるパルス持続時間は少なくとも約１００ｎｓとすることができる。

【００５９】上述の通り、本発明によれば、ＤＮＡを基板上に配置することができる。 一般的に、基板は平滑な上面を有する。 基板は複数の溝、または異なる湿潤特性を持つ領域を含むことができる。 溝または領域は、線状に設けることができる。 線は幅ｌ ₁を持つことができる。 溝または領域の間に、基板の領域または「ランド」
を設けることができる。 「ランド」は幅ｌ ₂を持つことができる。 したがって、線または領域の間のピッチ（pi
tch）はｌ ₁ ＋ｌ ₂と記述することができる。 基板が溝を含む場合、深さｄをもつことができる。

【００６０】変性溶液が水または水溶液である場合、溝または領域は約１０ｎｍないし約１０００ｎｍの幅を持つことができ、ｌ ₂が約１０ｎｍないし約１００００ｎ
ｍとなるように「ランド」によって分離することができる。 溝の深さは、約１０ｎｍないし約５００ｎｍとすることができる。

【００６１】本発明による基板は、多くの方法によって製造することができる。 図１（ａ）ないし図１（ｄ）
は、本発明による方法の一実施形態全体の様々な段階における基板の一実施形態を示す。 図１（ａ）ないし図１
（ｄ）に示すこの実施形態の方法によると、基板１９を用意する。 基板は半導体物質とすることができる。 例えば、基板はシリコンとすることができる。

【００６２】基板１９の表面２０は、物質で処理してそれを部分的にのみ親水性にすることができる。 例えば、
接触角は約１０°ないし約４０°とすることができる。
一例によると、表面は弱ＨＦで処理してそれを親水性にすることができる。 「弱」ＨＦは、Ｈ ₂ Ｏ約１００部に対しＨＦ約１部の割合を含むことができる。

【００６３】基板の表面を親水性にするために、別の処理法を利用することができる。 例えば、表面をアルカリ溶液で処理することができる。 利用できるアルカリ溶液の例として、ＮＨ ₄ ＯＨやＮａＯＨの溶液がある。

【００６４】基板１９の表面２０を処理して、それを部分的にのみ親水性にした後、新しいフォトレジストの層２１を、部分的に親水性にした基板の表面に付着することができる。 この場合、任意のフォトレジスト材料を使用することができる。 任意の数のフォトレジストを利用することができるが、一実施形態によれば、フォトレジストは、後のステップにおけるプラズマ処理中にエッチング停止剤として作用することができるように、高いケイ素含有率を持つことが好ましい。 しかし、任意の標準フォトレジストを利用することができる。 例えば、紫外光ないし深紫外光（λ＝約１９０〜約４１０ｎｍ）によって像を形成することができる任意のフォトレジストを利用することができる。 また、電子ビームによって像を形成できるレジストを使用することもできる。 １つのそうしたレジストとしてＰＭＭＡがある。

【００６５】フォトレジスト層２１の付着後、フォトレジストは選択的に、それが感応する波長の照射にさらすことができる。 一実施形態によると、フォトレジストは基板に形成される溝のパターンに合致するパターンに露光される。 言い換えると、フォトレジストを露光して、
基板に形成したい線幅および線のピッチに合致する像を形成することができる。 露光後、フォトレジストを現像してフォトレジストの一部分を選択的に除去し、結果的に図１（ｂ）に示す構造を得ることができる。 図１
（ｂ）に示すように、この構造は、フォトレジストが除去された複数の領域２５、およびフォトレジストが残留している複数の領域２３を含む。

【００６６】フォトレジストを露光し現像した後、基板１９をさらに処理して、基板に溝を形成することができる。 溝は、様々な方法を利用して形成することができる。 例えば、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）を使用して、フォトレジストの除去によって露出した基板１
９の領域２５をエッチングすることができる。 言い換えると、残留しているフォトレジストは、基板１９の一部分を除去するためのマスクとして作用する。

【００６７】基板１９のエッチングは、異方性とすることができる。 異方性エッチングは結果的に溝を明確に画定する。 エッチングはＣｌ ₂低圧プラズマを利用して実行することができる。 他のエッチング処理を利用することもできる。 例えば、ＮＦ ₃および少なくとも１つの炭化水素を含むプラズマを利用することができる。 プラズマ中で利用される炭化水素は、１個ないし約２０個の炭素原子を持つ任意の脂肪族または芳香族炭化水素を含むことができる。 代替方法として、エッチングは、約−１
００℃のＳＦ ₆プラズマの利用を含むことができる。 さらに、エッチングは１０％Ｈ ₂ ／ＣＦ ₄の反応性イオン・
エッチングを含むことができる。

【００６８】エッチングは、所望の量の基板１９が除去されて結果的に所望の深さの溝が形成されるまで、実行することができる。 深さは、上述の通りとすることができる。 選択された深さの溝を形成するために、エッチングをどれだけの時間実行すればよいか、当業者は理解するであろう。

【００６９】溝２７は、それらがすべて平行になるように基板に設けることができる。 代替方法として、溝はすべてが平行でなくてもよい。 例えば、基板は相互に垂直な幾つかの溝を含むことができる。

【００７０】溝の形成後、基板の溝２７の表面を１種または複数の物質にさらし、基板の溝内の表面を親水性にすることができる。 基板の溝内の表面は、まだフォトレジストに覆われている基板の表面より親水性が高くなるように処理することができる。 例えば、Ｈ ₂ Ｏに対する接触角が約１５°未満となるように、基板を処理することができる。

【００７１】一例によれば、溝内の露出した基板を水プラズマにさらして、表面を親水性にすることができる。
一般的に、表面に−ＯＨ基を形成する任意のプラズマを利用することができる。

【００７２】基板の溝内の表面を親水性にした後、残っているフォトレジスト部分２３を基板１９から除去することができる。 残っているフィトレジストは、任意の適切な既知の方法を利用して取り除くことができる。 その結果得られる構造を図１（ｄ）に示す。 この構造は、溝２７およびランド２９を含む。 上述の処理で説明したように、ランド２９は弱親水性とすることができ、溝２７
は強親水性とすることができる。

【００７３】図２（ａ）ないし図２（ｄ）は、少なくとも１つのＤＮＡ分子をその上で変性させる基板を形成するための本発明に係る方法の別の実施形態における基板の様々な段階を表す。 図２（ａ）ないし図２（ｄ）に示す方法によれば、基板３１を用意する。 基板は半導体物質とすることができる。 例えば、基板はシリコン・ウェハとすることができる。 シリコン・ウェハは、＜１００
＞ｎドープ・シリコン・ウェハとすることができる。 基板は約２ないし約５Ω・ｃｍの抵抗を持つことができる。

【００７４】次に、基板３１の表面に誘電体の層３３を付着することができる。 任意の適切な誘電体を利用することができる。 例えば、誘電体層は酸化物または窒化物とすることができる。 酸化物および窒化物の例として、
Ｓｉ ₃ Ｎ ₄やＳｉＯ ₂がある。 誘電体以外のその他の物質も利用することができる。 例えば、少なくとも１種の金属を利用することができる。 しかし、金属はあまり選択的にエッチングされない。

【００７５】誘電体の層を付着した後、フォトレジストの層３５を誘電体層３３の上に付着することができる。
任意の適切なフォトレジスト材料を利用することができる。 一実施形態によれば、フォトレジストは、後のステップでプラズマ処理中にエッチング停止剤として作用できるように、高いケイ素含有率を持つことが好ましい。

【００７６】しかし、任意の標準フォトレジストを利用することができる。 例えば、紫外光ないし深紫外光（λ
＝約１９０ないし約４１０ｎｍ）によって像を形成できるフォトレジストを利用することができる。 また、電子ビームによって像を形成することができるレジストも利用できる。 １つのそうしたレジストとしてＰＭＭＡがある。

【００７７】フォトレジストは任意の既知の方法で塗布することができる。 例えば、フォトレジストは誘電体層３３の上にスピン・キャストすることができる。

【００７８】フォトレジスト層を付着した後、図１
（ａ）ないし図１（ｄ）に関連して上述した方法と同様に露光し現像することができる。 現像の結果としてフォトレジストを選択的に除去した結果、図１（ｂ）に示した構造と同様の、図２（ｂ）に示す構造が得られる。 したがって、図２（ｂ）に示す構造は、基板３１、誘電体層３３、および開口３７と基板が残る領域３９とを含むようにパターン化されたフォトレジスト層を含む。

【００７９】上述しかつ図１（ａ）ないし図１（ｄ）に示した方法と同様に、フォトレジストをマスクとして利用し、誘電体層３３をエッチングすることができる。 誘電体層のエッチングは、任意の適切な方法および／または材料を利用して実行することができる。 例えば、誘電体は湿式エッチング剤を利用してエッチングすることができる。 １つの例によれば、誘電体層をエッチングするためにＨＦが利用される。 代替方法として、反応性イオン・エッチングを利用することもできる。 反応性イオン・エッチングはプラズマを利用することができる。

【００８０】誘電体層３３のエッチングの結果、そこに開口４１およびこの開口に隣接する残留領域４３が形成される。 誘電体層のエッチング後、残留フォトレジスト領域３９を除去することができる。 残留フォトレジスト領域３９の剥離または除去は、任意の適切な既知の方法に従って実行することができる。 図２（ｃ）は、残留フォトレジストの除去後の構造を示す。

【００８１】残留フォトレジストの除去後、基板３１をエッチングすることができる。 エッチングは基板に溝を形成するために実行される。 図２（ｄ）に示す実施形態では、溝のエッチングは、それが誘電体４３をアンダカットするように行われる。 しかし、溝は誘電体４３を必ずしもアンダカットする必要はない。

【００８２】基板３１のエッチングは、任意の既知のエッチング方法に従って実行することができる。 例えば、
基板３１は等方的にエッチングすることができる。 エッチングは、例えばＣＦ ₄プラズマ、３：１のＳＦ ₆ ／Ｏ ₂
ＲＩＥプラズマ、またはＣｌ ₂ ／ＣＣｌＦ ₃ （ＣＣｌＦ ₃
＞５０％）プラズマなどのプラズマを用いて実行することができる。

【００８３】基板３１に溝４５を形成した後、基板の溝内の表面を、それを親水性にする物質にさらす。 基板の溝内の表面がさらされる物質は、硫酸または過酸化水素あるいはその両方を含むことができる。 これらの物質は表面を強親水性にすることができる。 溝の表面を親水性にすることは、溝だけを溶液に浸漬することによって実行することができる。

【００８４】溝の表面は親水性にすることができるが、
基板３１の表面に残っている誘電体４３の表面は親水性が低い。 実際には、誘電体の表面は弱親水性にのみすることができる。 その結果得られる構造を図２（ｄ）に示す。

【００８５】図２（ｄ）に示す構造はさらに処理して、
溝上に配置されたＤＮＡを加熱するための構造を設けることができる。 図３（ａ）ないし図３（ｃ）は、基板上に配置されたＤＮＡ分子の温度を上昇させる手段を基板に設けるための本発明に係る方法の様々な段階における、本発明に係る基板の一実施形態を示す。

【００８６】図３（ａ）に示す構造は、図２（ｄ）に示した構造に対応する。 図３（ａ）の構造上に金属または合金あるいはその両方を付着する。 金属は、貴金属を含んでもよい。 例えば、図３（ａ）に示す構造上に金を付着することができる。 金またはその他の金属は、任意の既知の方法で付着することができる。 例えば、標準スパッタリング法を利用することができる。

【００８７】図３（ｂ）は、図３（ａ）に示された構造上に金属が付着された構造を示す。 図３（ｂ）に示す構造は、溝４５内に付着された金属４７および誘電体部分４３に付着された金属４９を含む。 溝４５内に付着された金属４７は、図３（ｂ）に示すような円錐形の断面を持つことができる。 金属は、溝４５の表面の少なくとも一部分だけでなく、誘電体部分４３の表面にも付着される。 円錐形の断面は、金属が溝の開口部を通過するときの単純干渉効果によって形成される。

【００８８】溝または誘電体領域４３あるいはその両方の表面の少なくとも一部分に金属を付着した後、金属の選択された部分を除去する。 一実施形態によれば、誘電体４３上の金属４９はすべて除去することができる。 溝４５内の金属の少なくとも一部分も、同時に除去することもできる。

【００８９】金属の除去は、任意の既知の方法に従って実行することができる。 本発明の一実施形態によれば、
金属は、基板およびその上に付着された金属を液体金属にさらすことによって除去される。 液体金属は高い表面エネルギを持ち、したがって溝内に入り込んで溝内の金属を除去する傾向が無い。 液体金属は水銀またはガリウムあるいはその両方とすることができる。 金属の選択的除去の後、図３（ｃ）に示す構造が得られる。

【００９０】図３（ｃ）に示す構造は、基板上に配置されたＤＮＡ分子に熱を加えて、付着された金属付近のＤ
ＮＡを変性させるために利用することができる。 溝４５
内の金属４７に電流を通して、ＤＮＡに金属付近で変性を生じさせることもできる。 加熱は、変性溶液を利用することに加えて、またはその代わりに、実行することができる。

【００９１】基板に溝を設けて溝内に変性溶液を付着するのではなく、本発明は、基板を完全に貫通して形成されたスリットを含む格子を含む基板を含むことができる。 格子を含む基板は、変性溶液の貯液槽の上に配置し、基板上にＤＮＡを配置することができる。

【００９２】図４（ａ）ないし図４（ｅ）は、基板に格子を形成するために利用できる方法の一実施形態の様々な段階における基板の実施形態を示す。 この方法によれば、多層基板を用意する。 この基板は、半導体物質のコア５１を含むことができる。 半導体物質はシリコン・ウェハとすることができる。 一例によれば、シリコン・ウェハは＜１００＞シリコン・ウェハである。

【００９３】少なくとも１層の誘電体をコア５１の頂面および底面上に設けることができる。 誘電体の層５３、
５５は、同一誘電体とすることができる。 代替方法として、誘電体の層５３、５５は異なる誘電体とすることもできる。 コア５１の頂面および底面上に異なる誘電体を設けることによって、誘電体層は差別的に取り扱うことができる。 一実施形態によれば、誘電体層５３、５５は窒化物または酸化物あるいはその両方を含むことができる。 酸化物または窒化物あるいはその両方は、その下にある半導体コアに基づくことができる。 例えば、誘電体はＳｉＯ ₂またはＳｉ ₃ Ｎ ₄あるいはその両方を含むことができる。

【００９４】多層基板はまた、各誘電体層の上に付着された少なくとも１層のフォトレジストをも含むことができる。 図４（ａ）に示す構造は、誘電体層５３、５５の上に付着されたフォトレジスト層５７、５９を含む。 誘電体の場合と同様に、同一フォトレジストを誘電体上に付着することができる。 代替方法として、各フォトレジスト層は異なる組成を含むこともできる。

【００９５】任意の適切なフォトレジスト材料を利用することができる。 一実施形態によると、フォトレジストは、それが後のステップでプラズマ処理中にエッチング停止剤として作用することができるように、高いケイ素含有率を持つことが好ましい。 しかし、どんな標準的フォトレジストでも利用することができる。 例えば、紫外光または深紫外光（λ＝約１９０ないし約４１０ｎｍ）
によって像を形成できる任意のフォトレジストを利用することができる。 また、電子ビームによって像を形成できるレジストも利用できる。 １つのそうしたレジストとしてＰＭＭＡがある。

【００９６】また、任意の適切な誘電体も利用することができる。 例えば、誘電体層は酸化物または窒化物とすることができる。 酸化物および窒化物の例としてＳｉ ₃
Ｎ ₄やＳｉＯ ₂がある。 誘電体以外のその他の物質も利用することができる。 例えば、金属を利用してもよい。 しかし、金属はあまり選択的にエッチングされない。

【００９７】図４（ａ）は、本発明に係る多層基板の一実施形態を示す。 図４（ａ）に示す多層基板を作製した後、フォトレジスト層５７、５９を、それらが感応する波長の放射線に選択的にさらすことができる。 一般的に、フォトレジスト層の一方は、現像されたときに、フォトレジストの現像によって除去された部分が、ＤＮＡ
が配置される格子に形成されたスリットの幅およびピッチに一致するパターンを形成するようなパターンに露光される。 さらに、一般的に、もう一方のフォトレジスト層は、下にある誘電体またはコアあるいはその両方にエッチングにより形成される開口であって、格子を上に置いた溶液槽から溶液が流入できる開口に一致する開口を形成するように露光される。

【００９８】露光後、フォトレジスト層は現像される。
図４（ｂ）は、本発明に係わる構造の一実施形態のフォトレジストが現像された状態を示す。 フォトレジストの現像により、結果的に開口６１、６５および残留部分６
３、６７が形成される。 図４（ｂ）に示す実施形態の開口６５は、ＤＮＡが上に配置される格子を形成するスリットを表す。

【００９９】フォトレジストの現像後、下にある誘電体の層は、残留フォトレジストをマスクとして利用してエッチングすることができる。 誘電体は、任意の適用可能な方法を利用してエッチングすることができる。 例えば、誘電体層がＳｉＯ ₂である場合、反応性イオン・エッチングを利用することができる。 反応性イオン・エッチングは、Ｃ ₂ Ｆ ₆ ／ＣＨＦ ₃およびＳＦ ₆ ／Ｏ ₂を含むプラズマによって実行することができる。 様々な誘電体をエッチングするために、他の方法またはプロセス・パラメータあるいはその両方を利用することもできる。 例えば、誘電体がＳｉ ₃ Ｎ ₄の場合、ＣＦ ₄ ／Ｏ ₂を含む反応性イオン・エッチング・プラズマを利用することができる。

【０１００】誘電体層をエッチングした後、フォトレジストの開口６１、６５によって画定される空間からすべての誘電体が除去されることを確実にするのを助けるために、コア５１の表面をクリーニングして、誘電体残滓を除去することができる。 例えば、任意の適切なクリーニング方法および物質を利用することができる。 一例によれば、ＨＦを利用して誘電体残滓の除去を確実にする。

【０１０１】誘電体残滓の除去の後、フォトレジストの残留部分６３、６７を多層構造から除去することができる。 図４（ｃ）は、結果的に得られる構造を示す。 図４
（ｃ）に示す実施形態から分かるように、誘電体層５
３、５５に開口６９、７１が形成される。 誘電体層の一部分７３、７５はまた、多層基板のコア５１上に残すこともできる。

【０１０２】残りのフォトレジストの除去後、多層構造のコア５１は、残りの誘電体部分をマスクとして利用してエッチングすることができる。 最初にコア構造の片面をエッチングすることができる。 コア５１の最初のエッチングは、ＫＯＨ溶液中で異方性エッチングすることができる。

【０１０３】図４（ｄ）は、結果的に得られる構造を示す。 図４（ｄ）に示す構造は、コア５１にエッチングで形成された大きい開口７７を示す。 この開口７７は、変性溶液または流体槽に隣接して配置される開口である。
表面７６、７８は（１１１）シリコンとすることができる。

【０１０４】最初にコア５１の上面は（１００）面とすることができる。 エッチング中、（１００）面は（１１
１）面より高い速度でエッチングされる。 その結果、表面８０が（１００）、側壁７６、７８が（１１１）のトレンチ７７を得ることができる。

【０１０５】コア層５１の片面をエッチングした後、反対側の面をエッチングすることができる。 このエッチングは、図１（ａ）ないし図１（ｄ）、および図２（ａ）
ないし図２（ｄ）に示した、基板をエッチングして基板に溝を形成する方法に関連して上述したのと同様に、実行することができる。

【０１０６】コアおよび層５１にスリット７９をエッチングで形成した後、誘電体層の残留部分７５を除去することができる。 任意の適切な方法または物質あるいはその両方を利用して、コア５１上に残っている誘電体層部分７５を除去することができる。 例えば、誘電体がＳｉ
₃ Ｎ ₄などの窒化物である場合、リン酸を利用して誘電体の残留部分を除去することができる。 リン酸を利用して誘電体７５を除去する場合、約１８０℃の８５％リン酸溶液を利用することができる。 代替方法として、誘電体層部分７５は、反応性イオン・エッチングにより除去することができる。 一実施形態によれば、ＣＦ ₄ ／Ｏ ₂を利用することができる。

【０１０７】図４（ｅ）は、誘電体層部分７５を除去した結果得られる構造を示す。

【０１０８】図４（ｅ）に示すような構造を形成した後、この構造は、変性溶液を充填した液槽に隣接して配置することができる。 次いでＤＮＡをこの構造上に配置することができる。

【０１０９】図６は、図４（ｅ）に示した基板およびこの基板に取り付けられた流体槽を示す。 流体槽は任意の適切な物質で形成することができる。 例えば、液槽はガラス、セラミック、またはシリコンで形成することができる。

【０１１０】基板および液槽の相互に対する位置ずれを防止するために、液槽は基板に固定することができる。
液相を基板に固定するために、任意の適切な手段を利用することができる。 例えば、クランプ８４を利用して基板および液槽を相互に固定することができる。 基板および液槽を相互に隣接して配置した後、液槽および基板によって画定される空間に変性溶液または流体８６を供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る基板製造方法の様々な段階における、本発明の一実施形態に従って利用することができる基板の一実施形態の断面図である。

【図２】本発明に係る基板製造方法の様々な段階における、本発明の一実施形態に従って利用することができる基板の別の実施形態の断面図である。

【図３】本発明に係る基板製造方法の様々な段階における、本発明の一実施形態に従って利用することができる基板の追加実施形態の断面図である。

【図４】本発明に係る基板製造方法の様々な段階における、本発明の一実施形態に従って利用することができる基板のさらに別の実施形態の断面図である。

【図５】（ａ）本発明に係る方法および構造で利用することができるＤＮＡ分子の一実施形態の模式図である。 （ｂ）１つの変性部分を含む（ａ）に示したＤＮＡ分子の実施形態の模式図である。 （ｃ）本発明に係る化学標識の一実施形態を含む（ａ）
および（ｂ）に示したＤＮＡ分子の実施形態の変性部分を示す模式図である。 （ｄ）本発明に係る化学標識の別の実施形態を含む（ａ）および（ｂ）に示したＤＮＡ分子の実施形態の変性部分を示す模式図である。

【図６】図４（ｅ）に示すような基板の実施形態およびこの基板にクランプした流体槽の実施形態を示す断面図である。

【符号の説明】

１ ＤＮＡ分子 ３ 変性領域 ５ 挿入化合物 ７ 付着部分 ９ 検出部分 １３ 付着部分 １５ 付着部分 １７ 検出部分 １９ 基板 ２０ 基板表面

フロントページの続き (72)発明者 ラヴィ・エフ・サラフ アメリカ合衆国10510 ニューヨーク州ブ ライアー・クリフ・マナー ノース・ステ ート・ロード 333 コプリー・コート エル８