特開 2023-173872 ＤＮＡ薄膜、ＤＮＡ薄膜担持基板およびＤＮＡ薄膜の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023173872

(43)【公開日】2023-12-07

(54)【発明の名称】ＤＮＡ薄膜、ＤＮＡ薄膜担持基板およびＤＮＡ薄膜の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C07H 21/04 20060101AFI20231130BHJP

   B32B 9/02 20060101ALI20231130BHJP

   B01J 19/08 20060101ALN20231130BHJP

【ＦＩ】

C07H21/04 Z

B32B9/02

B01J19/08 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022086391

(22)【出願日】2022-05-26

(71)【出願人】

【識別番号】592218300

【氏名又は名称】学校法人神奈川大学

(71)【出願人】

【識別番号】301023238

【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】100106002

【弁理士】

【氏名又は名称】正林 真之

(74)【代理人】

【識別番号】100120891

【弁理士】

【氏名又は名称】林 一好

(72)【発明者】

【氏名】松木 伸行

(72)【発明者】

【氏名】有賀 克彦

(72)【発明者】

【氏名】鯉沼 秀臣

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 知正

(72)【発明者】

【氏名】森 泰蔵

(72)【発明者】

【氏名】南 皓輔

(72)【発明者】

【氏名】村田 朋大

【テーマコード（参考）】

4C057

4F100

4G075

【Ｆターム（参考）】

4C057BB05

4C057CC01

4C057MM04

4F100AA04A

4F100AB11B

4F100AH02A

4F100AH03A

4F100AT00A

4F100BA01

4F100BA02

4F100BA07

4F100BA10A

4F100BA10B

4F100DD07A

4F100EH66

4F100JC00A

4F100JK14A

4G075AA13

4G075AA24

4G075BB02

4G075CA02

4G075CA33

4G075CA34

4G075CA36

4G075DA02

4G075DA18

4G075EB31

4G075EC25

4G075FA12

4G075FB06

4G075FC04

(57)【要約】

【課題】平坦性に優れているＤＮＡ薄膜およびＤＮＡ薄膜担持基板、ならびに制御性に優れ、高い平坦性を有するＤＮＡ薄膜を良好に薄膜化できるＤＮＡ薄膜の製造方法を提供する。
【解決手段】表面粗さ（Ｒｍｓ）が１０．０ｎｍ以下である、ＤＮＡ薄膜。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

表面粗さ（Ｒｍｓ）が１０．０ｎｍ以下である、ＤＮＡ薄膜。

【請求項2】

フーリエ変換赤外分光光度計で測定される赤外吸収スペクトルにおいて、核酸塩基由来のピークを有する、請求項１に記載のＤＮＡ薄膜。

【請求項3】

フーリエ変換赤外分光光度計で測定される赤外吸収スペクトルにおいて、核酸塩基由来のピークおよびリン酸骨格由来のピークを有する、請求項１に記載のＤＮＡ薄膜。

【請求項4】

基板と、前記基板の表面に設けられる請求項１に記載のＤＮＡ薄膜と、を備える、ＤＮＡ薄膜担持基板。

【請求項5】

ＤＮＡを含むターゲット材料に連続赤外レーザーまたは紫外パルスレーザーを照射し、前記ターゲット材料に対向配置される基板の表面にＤＮＡ薄膜を形成する、ＤＮＡ薄膜の製造方法。

【請求項6】

前記ターゲット材料は、さらにマトリックス原料を含み、前記ターゲット材料に連続赤外レーザーを照射する、請求項５に記載のＤＮＡ薄膜の製造方法。

【請求項7】

前記マトリックス原料は、３－ヒドロキシプロピオン酸とアセトニトリルとクエン酸水素二アンモニウムとを含む、請求項６に記載のＤＮＡ薄膜の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＤＮＡ薄膜、ＤＮＡ薄膜担持基板およびＤＮＡ薄膜の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

生物は、多様な物質の中から目的物質を少ない消費エネルギーで特異的に検出できたり、複雑な化合物を簡単に合成できたりするなど、エネルギー面、機能面で多くの長所があることが知られている。近年、このような生物の優れた機能をより幅広くより積極的に産業に活用しようとする考えが、バイオテクノロジーの発展を受けて高まっており、その対象は食料、化学品だけにとどまることなく、工業や健康・医療、更に環境・エネルギー分野まで広がっている。

【0003】

生物自体の不確定要素を除いて、生物の機能をより安定して効率的に利用する上では、生物機能を担う反応素子を電子システムや機械システムなどの非生物素材と融合させてデバイス化することが必要であり、いわゆるリビングデバイスとして、開発が進められている。

【0004】

このようなリビングデバイスにおいて中核となるものは、対象物質との生化学反応や相互作用を通じて対象物質の検出や変換を行い、生化学的なシグナル（分子立体構造変化、イオン濃度勾配など）やエネルギーを取得する、生物機能素子（以下、反応部ともいう）である。

【0005】

リビングデバイスの反応部である生体機能素子を作製する上では、一般的に、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、リボ核酸（ＲＮＡ）、ＤＮＡやＲＮＡのフラグメント、ヌクレオチド、ペプチドなどの生体分子を薄膜状に形成することが行われる。

【0006】

例えば、特許文献１では、陽極と陰極の間に少なくとも１層の有機薄膜を含有し、有機薄膜の少なくとも１層はＤＮＡの薄膜で構成されている、情報記録素子が記載されている。特許文献１では、ＤＮＡを溶解した溶液を塗布乾燥してＤＮＡの薄膜を作製している。

【0007】

また、特許文献２では、センシング素子として光応答性ＤＮＡ薄膜を用いることが提案されている。特許文献２では、ＤＮＡの水溶液または疎水処理ＤＮＡの有機溶液を用い、スピンコート法、溶媒蒸発法、ＬＢ(Ｌａｎｇｍｕｉｒ－Ｂｌｏｄｇｅｔｔ)法、交互吸着法などで光応答性ＤＮＡ薄膜を作製している。

【0008】

しかしながら、特許文献１～２のようなＤＮＡ薄膜では、表面粗度が粗く、厚さが比較的大きくなるために、薄膜の特性、機能性が十分に発揮されないことがある。また、ＬＢ法では、薄膜化が期待できるものの、薄膜形成速度や制御性の点で課題が多い。また、色素、指示薬、薬剤などの物質をＤＮＡなどの生体分子に侵入させる場合、湿式法では水分子の介在による静電反発力により、生体分子に侵入可能な物質は正電荷を有する分子に限られるといった制約もある。また、他の薄膜材料と多層化を行ってハイブリッド化したり、デバイスの形状に微細加工したりすることは、湿式法では極めて困難である。

【0009】

また、非特許文献１～２では、真空蒸着法、プラズマ重合法、分子線エピタキシー法のような乾式法での有機化合物の薄膜形成技術が報告されている。しかしながら、非特許文献１～２では、これらの手法によりＤＮＡなどの生体分子の薄膜を形成することに関する検討は何らなされていない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２００７－７３５５６号公報

【特許文献2】特開２００３－３４４２８６号公報

【非特許文献】

【0011】

【非特許文献1】「有機機能性分子の薄膜化技術」、志村美知子、表面技術 １９９４年、４５巻、１２号、１１８９－１１９３頁

【非特許文献2】「選択吸着を利用した蒸着重合法によるキラル分子薄膜の作製」、久保野敦史、科学研究費助成事業データベース、23651090研究成果報告書、2013年

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明の目的は、平坦性に優れているＤＮＡ薄膜およびＤＮＡ薄膜担持基板、ならびに制御性に優れ、高い平坦性を有するＤＮＡ薄膜を良好に薄膜化できるＤＮＡ薄膜の製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

［１］ 表面粗さ（Ｒｍｓ）が１０．０ｎｍ以下である、ＤＮＡ薄膜。
［２］ フーリエ変換赤外分光光度計で測定される赤外吸収スペクトルにおいて、核酸塩基由来のピークを有する、上記［１］に記載のＤＮＡ薄膜。
［３］ フーリエ変換赤外分光光度計で測定される赤外吸収スペクトルにおいて、核酸塩基由来のピークおよびリン酸骨格由来のピークを有する、上記［１］に記載のＤＮＡ薄膜。
［４］ 基板と、前記基板の表面に設けられる上記［１］～［３］のいずれか１つに記載のＤＮＡ薄膜と、を備える、ＤＮＡ薄膜担持基板。
［５］ ＤＮＡを含むターゲット材料に連続赤外レーザーまたは紫外パルスレーザーを照射し、前記ターゲット材料に対向配置される基板の表面にＤＮＡ薄膜を形成する、ＤＮＡ薄膜の製造方法。
［６］ 前記ターゲット材料は、さらにマトリックス原料を含み、前記ターゲット材料に連続赤外レーザーを照射する、上記［５］に記載のＤＮＡ薄膜の製造方法。
［７］ 前記マトリックス原料は、３－ヒドロキシプロピオン酸とアセトニトリルとクエン酸水素二アンモニウムとを含む、上記［６］に記載のＤＮＡ薄膜の製造方法。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、平坦性に優れているＤＮＡ薄膜およびＤＮＡ薄膜担持基板、ならびに制御性に優れ、高い平坦性を有するＤＮＡ薄膜を良好に薄膜化できるＤＮＡ薄膜の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１は、実施形態のＤＮＡ薄膜の製造方法で用いられるＤＮＡ薄膜製造装置の一例を示す概略図である。

【図2】図２は、実施例１－１で得られたＤＮＡ薄膜の表面粗度と比較例１－１で得られたＤＮＡ薄膜の表面粗度を対比するグラフである。

【図3】図３は、実施例１－１で得られたＤＮＡ薄膜の平均膜厚と比較例１－１で得られたＤＮＡ薄膜の平均膜厚を対比するグラフである。

【図4】図４は、実施例１－２で得られたコンビナトリアル膜厚傾斜ＤＮＡ薄膜における膜厚制御性を示すグラフである。

【図5】図５は、実施例１－１で得られたＤＮＡ薄膜における膜厚と表面粗度との関係を示すグラフである。

【図6】図６は、実施例１－３で得られたＤＮＡ薄膜の赤外吸収スペクトルと比較例１－１で得られたＤＮＡ薄膜の赤外吸収スペクトルを対比するグラフである。

【図7】図７は、実施例２－１で得られたＤＮＡ薄膜を上方から光学顕微鏡で観察した画像である。

【図8】図８は、実施例２－１で得られたＤＮＡ薄膜を触針式表面形状測定器で測定した結果である。

【図9】図９は、実施例２－１で得られたＤＮＡ薄膜および比較例１－１で得られたＤＮＡ薄膜の紫外可視透過スペクトル結果である。

【図10】図１０は、実施例２－１で得られたＤＮＡ薄膜および比較例１－１で得られたＤＮＡ薄膜をフーリエ変換赤外分光光度計で測定した赤外吸収スペクトル結果である。

【図11】図１１は、実施例２－２で得られたＤＮＡ薄膜を上方から光学顕微鏡で観察した画像である。

【図12】図１２は、触針式表面形状測定器を用いて、実施例２－２のＤＮＡ薄膜表面（図１１の矢印部分）を走査した結果である。

【図13】図１３は、実施例２－３で用いたセンサ特性を測定する装置を示す概略図である。

【図14】図１４は、実施例２－３で得られたＤＮＡ薄膜のセンサ特性の測定結果である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、実施形態に基づいて詳細に説明する。

【0017】

本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、ＤＮＡを含むターゲット材料に連続赤外レーザーまたは紫外パルスレーザーを照射することによって、平坦性に優れ、生体機能を有するＤＮＡ薄膜を成膜化することを見出し、かかる知見に基づき本発明を完成させるに至った。

【0018】

（ＤＮＡ薄膜）
まず、実施形態のＤＮＡ薄膜について説明する。

【0019】

ＤＮＡ薄膜の表面粗さ（Ｒｍｓ）（二乗平均平方根粗さ）は、１０．０ｎｍ以下であり、好ましくは９．０ｎｍ以下、より好ましくは７．０ｎｍ以下、さらに好ましくは５．０ｎｍ以下である。ＤＮＡ薄膜の表面粗さ（Ｒｍｓ）の下限値としては、ＤＮＡ薄膜を製造するときに用いる基板の表面状態に影響されることがあるが、例えば０．１ｎｍ以上である。ＤＮＡ薄膜は、生体機能を有する。また、ＤＮＡ薄膜には、少なくともＤＮＡのフラグメントが含まれている。ＤＮＡ薄膜の表面粗さ（Ｒｍｓ）が１０．０ｎｍ以下であると、ＤＮＡ薄膜をナノメートルオーダーで平坦化できる。そのため、リビングデバイスの反応部などに好適に用いられる。

【0020】

また、ＤＮＡ薄膜の厚さは、例えば１．０×１０^－３μｍ以上１．０×１０^３μｍ以下、好ましくは０．２μｍ以上３．０μｍ以下である。ＤＮＡ薄膜の厚さが上記範囲内であると、リビングデバイスの反応部に好適に用いられる。ただし、ＤＮＡ薄膜の厚さは、特に限定されるものではなく、用途や機能に応じて適宜選択される。

【0021】

また、ＤＮＡ薄膜に対するフーリエ変換赤外分光光度計で測定される赤外吸収スペクトルにおいて、核酸塩基由来のピークを有することが好ましく、核酸塩基由来のピークおよびリン酸骨格由来のピークを有することがより好ましい。核酸塩基由来のピークおよびリン酸骨格由来のピークとは、ＤＮＡに由来するものである。具体的には、核酸塩基由来のピークとは、Ｃ＝Ｎの伸縮振動、Ｃ＝Ｏの伸縮振動、Ｃ＝Ｃの伸縮振動に由来するピークであり、リン酸骨格由来のピークとは、ＰＯ_２ ^－の伸縮振動に由来するピークである。ＤＮＡ薄膜の赤外吸収スペクトルにおいて、少なくとも核酸塩基由来のピークを有すると、ＤＮＡ薄膜はＤＮＡに基づく生体機能を十分に有する。このような上記ピークを有するＤＮＡ薄膜には、ＤＮＡの鎖長方向で切断されたＤＮＡのフラグメントが含まれており、好ましくはＤＮＡ（切断されていないＤＮＡ）が含まれている。

【0022】

また、ＤＮＡ薄膜は、ＤＮＡとＤＮＡ中に侵入した物質とを有する層間化合物をさらに含んでもよい。ＤＮＡ中に侵入する物質は、着色剤、蛍光物質などが好ましい。

【0023】

また、ＤＮＡ薄膜の面積は、特に限定されるものではなく、用途や機能に応じて適宜選択される。例えば、ＤＮＡ薄膜の面積は、１００ｎｍ^２（例えば１０ｎｍ×１０ｎｍ）以上１００ｍ^２（例えば１０ｍ×１０ｍ）以下である。このように、ＤＮＡ薄膜は、ナノメートルオーダーの微細な薄膜から、メートルオーダーの大型の薄膜まで可能である。また、ナノメートルオーダーの微細なＤＮＡ薄膜をメートルオーダーのスケールにわたって薄膜化できる。

【0024】

上記のように、ＤＮＡ薄膜は、表面の平滑性に優れている。さらには、ＤＮＡ薄膜は、薄膜化に優れ、生体機能を有する。そのため、ＤＮＡ薄膜は、リビングデバイスの反応部などに好適に用いられる。リビングデバイスとしては、生物化学的な反応に基づいて物質を測定するセンサ、生物化学的な反応によりエネルギーや物質の生産を行うリアクタ、生物化学的な反応を使って物質を動かすアクチュエータ、生物化学的な反応を利用して情報を処理するプロセッサなどが好適である。例えばセンサとしては、アンペア測定電気化学的バイオセンサー、カロリー測定、音響、電位差測定、放射線検知センサ、光学およびＩＳＦＥＴ基礎バイオセンサーなどが好適である。

【0025】

（ＤＮＡ薄膜担持基板）
次に、実施形態のＤＮＡ薄膜担持基板について説明する。

【0026】

実施形態のＤＮＡ薄膜担持基板は、基板と、基板の表面に設けられるＤＮＡ薄膜と、を備える。

【0027】

ＤＮＡ薄膜担持基板を構成するＤＮＡ薄膜は、上記実施形態のＤＮＡ薄膜である。ＤＮＡ薄膜担持基板を構成する基板は、基板表面でＤＮＡ薄膜を支持できれば、特に限定されるものではなく、用途や機能に応じて適宜選択される。例えば、基板には、無機材料、有機材料、またはハイブリット材料などが好適に用いられる。また、基板は、電子デバイスや電子素子でもよいし、シリコーンオイルのような液状層やゲル状層、もしくはそれらの性状を表面に具備する支持体であってもよい。

【0028】

ＤＮＡ薄膜担持基板は、上記実施形態のＤＮＡ薄膜と同様に、リビングデバイスの反応部などに好適に用いられる。

【0029】

（ＤＮＡ薄膜の製造方法）
次に、実施形態のＤＮＡ薄膜の製造方法について説明する。この製造方法で製造されるＤＮＡ薄膜は、上記実施形態のＤＮＡ薄膜である。

【0030】

図１は、実施形態のＤＮＡ薄膜の製造方法で用いられるＤＮＡ薄膜製造装置の一例を示す概略図である。実施形態のＤＮＡ薄膜の製造方法は、ＤＮＡを含むターゲット材料４に連続赤外レーザーまたは紫外パルスレーザー（以下、両者をまとめてレーザーともいう）５を照射し、ターゲット材料４に対向配置される基板３の表面にＤＮＡ薄膜２を形成する。

【0031】

実施形態のＤＮＡ薄膜の製造方法で用いられるＤＮＡ薄膜製造装置は、実施形態のＤＮＡ薄膜の製造方法を行うことができれば特に限定されるものではないが、図１に示すＤＮＡ薄膜製造装置１であることが好ましい。

【0032】

図１に示すＤＮＡ薄膜製造装置１は、主に、基板３、ターゲット材料４、不図示のレーザー源から照射されるレーザー５（連続赤外レーザー、紫外パルスレーザー）、反応容器６、反応容器６に設けられるレーザー透過窓７、膜厚計８、およびステージ９を備える。反応容器６の内部には、基板３、ターゲット材料４、膜厚計８、およびステージ９が設けられる。

【0033】

反応容器６の下方に設置されるステージ９上には、ターゲット材料４が設けられている。例えば、ターゲット材料４は、シリコンや石英などの基板上に膜の形態で設置される。反応容器６の内部は密閉されている。

【0034】

ターゲット材料４に含まれるＤＮＡの状態は、特に限定されるものではなく、製造されるＤＮＡ薄膜の用途、機能などに応じて適宜選択される。好適には、ＤＮＡ、ＤＮＡのフラグメントであることが好ましい。また、ＤＮＡは、二重らせん構造を形成可能であればよく、リボ核酸（ＲＮＡ）を含む構造でもよい。例えば、ターゲット材料４は常温で固形状である。一例として、ＤＮＡを純水に溶解して乾燥させることで、常温で固形状のターゲット材料４を得ることができる。

【0035】

ターゲット材料４に含まれるＤＮＡとしては、天然ＤＮＡおよび合成ＤＮＡのいずれも使用することができ、製造されるＤＮＡ薄膜の用途、機能などに応じて、適宜選択される。天然ＤＮＡとしては、細菌ウイルスのλファージＤＮＡ、大腸菌染色体ＤＮＡ、仔牛胸腺ＤＮＡ、サケ精子ＤＮＡなどが好ましい。また、合成ＤＮＡとしては、ポリ（ｄＡ）、ポリ（ｄＴ）、ポリ（ｄＧ）、ポリ（ｄＣ）、ポリ（ｄＡ－ｄＴ）、ポリ（ｄＧ－ｄＣ）などを用いて合成装置によって合成可能な合成ＤＮＡが好ましい。また、ＤＮＡは、塩基配列の異なる種々の合成ＲＮＡ、相補的塩基対を有するＤＮＡ／ＲＮＡハイブリッドを含んでもよい。

【0036】

ターゲット材料４に含まれるＤＮＡのサイズとしては、一般的には製造方法の種類に応じて制限されるものの、実施形態のＤＮＡ薄膜の製造方法では制限されるものではない。ＤＮＡのサイズは、例えば、１ｂｐ以上１５０Ｇｂｐ以下である。

【0037】

ターゲット材料４に連続赤外レーザーを照射する場合、ターゲット材料４は、ＤＮＡに加えて、さらにマトリックス原料を含むことが好ましい。マトリックス原料は、３－ヒドロキシプロピオン酸とアセトニトリルとクエン酸水素二アンモニウムとを含むことが好ましい。

【0038】

また、ターゲット材料４に紫外パルスレーザーを照射する場合、ターゲット材料４は常温で固形状であることが好ましい。

【0039】

また、製造されるＤＮＡ薄膜の平坦性が低下せず、およびＤＮＡ薄膜の製造方法の制御性が低下しなければ、ターゲット材料４には、ＤＮＡに加えて、レーザー吸収材料などの添加物が含まれてもよい。レーザー吸収材料は、連続赤外レーザーや紫外パルスレーザーによる加熱効率を向上できる。

【0040】

また、ＤＮＡ薄膜２に層間化合物を含ませる場合、ＤＮＡ薄膜を構成するＤＮＡに侵入させる色素、指示薬、薬剤などの物質についても、ターゲット材料４に含まれてもよい。このような物質について、スピンコート法のような湿式法による成膜方法とは異なり、正電荷を有する分子に限られるといった制約はなく、負電荷を有する分子を用いることも可能である。

【0041】

なお、図１では、ＤＮＡに侵入させる物質がターゲット材料４に含まれる例について示しているが、この物質は、ターゲット材料４とは別個に反応容器６内に設けてもよい。この場合、この物質は、レーザー５ではなく、高周波誘導加熱や他のレーザーの照射などによって気化され、ＤＮＡ薄膜２に混入させてもよい。

【0042】

ターゲット材料４に照射して気化させるレーザーについて、連続赤外レーザーは好ましくは７５０ｎｍ以上８５０ｎｍ以下の波長の光であり、紫外パルスレーザーは好ましくは２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長の光である。連続赤外レーザーおよび紫外パルスレーザーが上記範囲内の波長の光であると、ＤＮＡ薄膜の製造制御性が良好であり、製造されるＤＮＡ薄膜の平坦性が向上する。また、不図示のレーザー源から照射される連続赤外レーザーおよび紫外パルスレーザーに対して、光学フィルターを用いて波長を制御して、波長を上記範囲内に調整してもよい。

【0043】

また、ＤＮＡ薄膜の製造制御性およびＤＮＡ薄膜の平坦性を向上する観点から、連続赤外レーザーの出力は、１．０Ｗ以上３．０Ｗ以下であることが好ましい。同様の観点から、紫外パルスレーザーの出力は、０．２Ｗ以上１．５Ｗ以下であることが好ましい。また、紫外パルスレーザーの繰り返し周波数は、５Ｈｚ以上１５Ｈｚ以下であることが好ましい。

【0044】

ＤＮＡ薄膜２を表面に形成する基板３は、反応容器６内でターゲット材料４に対向配置される。図１に示すように、ターゲット材料４が反応容器６の下方に設けられる場合には、基板３は反応容器の上方に設けられる。

【0045】

基板３には、無機材料、有機材料、またはハイブリット材料などを用いることができ、ＤＮＡ薄膜２の用途や機能に応じて適宜設定される。好適には、シリコン（シリコンウェハ）、石英などである。また、基板３は、電子デバイスや電子素子でもよい。基板３の形状としては、基板３の表面に良好なＤＮＡ薄膜２が形成できれば、平面状に限定されるものではなく、曲面状やメッシュ状でもよい。また、基板３としては、シリコーンオイルのような液状層やゲル状層、もしくはそれらの性状を表面に具備する支持体であってもよい。

【0046】

ＤＮＡ薄膜の製造時における基板３の温度は、良好な製造制御性および成膜速度でＤＮＡ薄膜２を形成する観点から、１５℃以上３５℃以下であることが好ましい。例えば、反応容器６内に設けられる不図示の加熱器により、基板３の温度を所定範囲内に制御できる。

【0047】

反応容器６内の圧力は、好ましくは１×１０^-４Ｐａ以下であることが好ましい。上記範囲内の圧力下でＤＮＡ薄膜の製造方法が行われると、ＤＮＡ薄膜２を良好に薄膜化できる。例えば、ＤＮＡ薄膜製造装置１に設けられる不図示の減圧ポンプにより、反応容器６内の圧力を所定範囲内に制御できる。

【0048】

反応容器６には、反応容器６の外側に設置される不図示のレーザー源から照射されたレーザー５を透過するレーザー透過窓７が設けられる。例えば、図１に示すように、レーザー透過窓７は、反応容器６の側壁の一部に設けられる。レーザー源から照射されたレーザー５は、反応容器６の外部からレーザー透過窓７を透過して反応容器６の内部に進入し、ステージ９上のターゲット材料４に照射される。レーザー透過窓７は、上記したレーザーの波長を制御する光学フィルターで構成されてもよい。

【0049】

レーザー５は、ターゲット材料４の表面に対して、スポット状に照射することができる。ターゲット材料４の表面におけるスポット状の照射位置は、ターゲット材料４を搭載するステージ９の回転、レーザー５の照射角度や照射位置の変更などによって、適宜変更できる。

【0050】

ターゲット材料を全体的に加熱する場合には、多量のＤＮＡが気化されることによって、反応容器６内の圧力変動が大きくなるため、ＤＮＡ薄膜の成膜速度の制御が困難になる。一方、上記のように、レーザー５をターゲット材料４の表面に対してスポット状に照射し、ターゲット材料４中のＤＮＡを局所的に気化できる。そのため、反応容器６内の圧力変動が小さいことから、ＤＮＡ薄膜２の成膜速度を容易に制御できる。

【0051】

反応容器６の内部には、膜厚計８が設けられている。膜厚計８は、ＤＮＡ薄膜２の厚さを測定できる。

【0052】

また、反応容器６の内部には、マスク１０が設けられてもよい。マスク１０は、ＤＮＡ薄膜２が形成される側の基板表面の近傍に設けられる。マスク１０は、不図示のモーターによって、基板３の表面に対して移動し、基板３の表面の露出状態を制御できる。

【0053】

マスク１０で覆われている基板３の表面部分には、ＤＮＡ薄膜２が堆積されず、マスク１０で覆われていない基板３の表面部分には、ＤＮＡ薄膜２が堆積される。マスク１０を基板表面に対して適宜移動することによって、基板３の表面に堆積されるＤＮＡ薄膜２の膜厚を制御できる。このような膜厚制御は、コンビナトリアル膜厚傾斜サンプルの製造に好適である。コンビナトリアル膜厚傾斜サンプルとは、１つの基板上に設けられた、任意の膜厚を連続的に変化させた薄膜を備えるサンプルである。

【0054】

また、マスク１０の移動や形状、レーザー５の照射条件を適宜設定することで、ナノメートルオーダー（例えば１００ｎｍ^２程度）の微細なＤＮＡ薄膜を形成できる。また、基板２を大きくすることで、メートルオーダー（例えば１００ｎｍ^２程度）の大型のＤＮＡ薄膜を形成できる。さらには、ナノメートルオーダーの微細なＤＮＡ薄膜をメートルオーダーのスケールにわたって形成できる。

【0055】

また、図１では、１つのマスク１０が設置されている例を示しているが、２つ以上のマスク１０が設置されてもよい。

【0056】

膜厚計８で測定されるＤＮＡ薄膜２の厚さが所定範囲内に到達後、レーザー５の照射を停止して、ＤＮＡ薄膜の製造を終了する。

【0057】

上記のように、実施形態のＤＮＡ薄膜の製造方法では、ターゲット材料４に連続赤外レーザーまたは紫外パルスレーザーを照射する。連続赤外レーザーまたは紫外パルスレーザーがターゲット材料４に照射されると、ターゲット材料４が加熱されて、ターゲット材料４に含まれるＤＮＡおよびマトリックス原料が気化される。気化されたＤＮＡは、反応容器６内を移動し、基板３の表面に到達する。こうして、基板３の表面にＤＮＡ薄膜２を形成できる。

【0058】

また、用途や機能に応じて、ＤＮＡ薄膜２を基板３から取り外してもよい。例えば、基板３を溶解する溶液に、ＤＮＡ薄膜２を備える基板３を投入することで、ＤＮＡ薄膜２が基板３から取り外される。続いて、溶液中からＤＮＡ薄膜２を取り出すことで、ＤＮＡ薄膜２を得ることができる。

【0059】

また、基板３の表面に設けられているＤＮＡ薄膜２を別の基板（転写基板）に転写してもよい。例えば、離型剤を表面に備える基板３を用いる。離型剤の表面にＤＮＡ薄膜２を形成した後、離型剤の表面から転写基板の表面にＤＮＡ薄膜２を転写する。基板３には、例えばメッシュ状の基板が用いられる。

【0060】

ターゲット材料４中のＤＮＡが連続赤外レーザーまたは紫外パルスレーザーによって気化されても、ＤＮＡ薄膜２を構成するＤＮＡは、大きく熱変性や分解を生じないことから、ＤＮＡ薄膜はＤＮＡに基づく生体機能を有する。ＤＮＡの骨格構造や機能などの特性は、ＤＮＡ薄膜２においても基本的に維持される。

【0061】

以上説明した実施形態によれば、ＤＮＡを含むターゲット材料に連続赤外レーザーまたは紫外パルスレーザーを照射することで、平坦性に優れ、生体機能を有するＤＮＡ薄膜を制御よく製造できる。

【0062】

以上、実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の概念および特許請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含み、本発明の範囲内で種々に改変することができる。

【実施例0063】

次に、実施例および比較例について説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

【0064】

（実施例１－１）
図１に示すＤＮＡ薄膜製造装置を用い、以下の条件により、基板上に膜厚約２μｍのＤＮＡ薄膜を作製した。また、精製サケ精子ＤＮＡを純水に溶解し乾燥させて得られた、常温で固形状のターゲット材料を用いた。

【0065】

基板：Ｓｉ基板（１００）（ｎ型） （長さ４２ｍｍ×幅１９ｍｍ）
系内圧力：４×１０^-５Ｐａ
ターゲット材料：精製サケ精子ＤＮＡ（乾燥状態）
基板温度：２３℃（室温）
基板とターゲット材料の距離：５～１０ｃｍ
連続赤外レーザーの波長：８０８ｎｍ
連続赤外レーザーの出力：１．８～２．５Ｗ
堆積速度：０．４８オングストローム／秒

【0066】

（実施例１－２）
図１に示すＤＮＡ薄膜製造装置を用い、以下の条件により、基板上にコンビナトリアル膜厚傾斜０～１．４μｍのＤＮＡ薄膜を作製した。また、精製サケ精子ＤＮＡを純水に溶解し乾燥させて得られた、常温で固形状のターゲット材料を用いた。

【0067】

基板：Ｓｉ基板（１００）（ｎ型）および溶融シリカガラス（ＳｉＯ_２）基板 （長さ４２ｍｍ×幅１９ｍｍ、Ｓｉ基板とＳｉＯ_２基板が半幅ずつで接合したもの）
系内圧力：４×１０^-５Ｐａ
ターゲット材料：精製サケ精子ＤＮＡ（乾燥状態）
基板温度：２３℃（室温）
基板とターゲット材料の距離：５～１０ｃｍ
連続赤外レーザーの波長：８０８ｎｍ
連続赤外レーザーの出力：１．８～２．５Ｗ
堆積速度：０．４８オングストローム／秒
コンビナトリアルマスク移動速度：７７．８μｍ／秒

【0068】

（実施例１－３）
図１に示すＤＮＡ薄膜製造装置を用い、以下の条件により、基板上にコンビナトリアル膜厚傾斜０～２．０μｍのＤＮＡ薄膜を作製した。また、精製サケ精子ＤＮＡを純水に溶解し乾燥させて得られた、常温で固形状のターゲット材料を用いた。

【0069】

基板：Ｓｉ基板（１００）（ｎ型） （長さ４２ｍｍ×幅１９ｍｍ）
系内圧力：４×１０^-５Ｐａ
ターゲット材料：精製サケ精子ＤＮＡ（乾燥状態）
基板温度：２３℃（室温）
基板とターゲット材料の距離：５～１０ｃｍ
連続赤外レーザーの波長：８０８ｎｍ
連続赤外レーザーの出力：１．８～２．５Ｗ
堆積速度：０．４８オングストローム／秒
コンビナトリアルマスク移動速度：７７．８μｍ／秒

【0070】

（比較例１－１）
精製サケ精子ＤＮＡ２０ｇを精製水１ｍｌに分散させたキャスト液を調製した。続いて、実施例１－１と同じ基板上に、キャスト液をスピンコート法により塗布した後、２３℃（室温）にて１ａｔｍ（＝１０１３．２５ｈＰａ）で９６時間乾燥させて、ＤＮＡ薄膜を作製した。なお、ＤＮＡ薄膜が基板表面全体を覆い且つ最小膜厚となるように、比較例１－１を行った。

【0071】

実施例１－１～１－３および比較例１－１で得られたＤＮＡ薄膜について、膜厚、表面性状（粗度）、膜厚制御性、および分子構造分析（赤外吸収スペクトル）を行った。結果を図２～６に示す。なお、膜厚、表面粗度は、白色干渉計を用いて測定した。膜厚制御性は、触針式プロファイリングシステムを用いて測定した。赤外吸収スペクトルは、フーリエ変換赤外分光光度計を用いて測定した。また、実施例１－２～１－３で得られたＤＮＡ薄膜に関しては、膜厚が０μｍ、０．２５μｍ、０．５０μｍ、０．７５μｍ、１．００μｍ、１．２５μｍ、１．５０μｍの合計７箇所において測定を行った。

【0072】

その結果、実施例１－１～１－３で得られたＤＮＡ薄膜の表面粗さ（Ｒｍｓ）は全て１０．０ｎｍ以下であった。また、図２に一例として実施例１－１の結果を示すように、実施例１－１～１－３で得られたＤＮＡ薄膜は、比較例１－１のキャスト法で得られたＤＮＡ薄膜と比較して、顕著にその表面粗度が小さく、表面が平滑であった。また、図３に一例として実施例１－１の結果を示すように、実施例１－１～１－３で得られたＤＮＡ薄膜は、比較例１－１で得られたＤＮＡ薄膜と比較して、膜厚の均一性が高くかつ薄膜化可能であった。また、図４に一例として実施例１－２の結果を示すように、実施例１－１～１－３で得られたＤＮＡ薄膜は、堆積時間による膜厚制御性が良好であった。また、図５に一例として実施例１－１の結果を示すように、実施例１－１～１－３で得られたＤＮＡ薄膜は、膜厚に依存せず表面粗さ（Ｒｍｓ）が１０．０ｎｍ以下の一定範囲に収まることが明らかとなった。また、図６に一例として実施例１－３の結果を示すように、ＤＮＡ薄膜の膜厚によって赤外吸収スペクトルの特性が変動することなく一定であり、比較例１－１のキャスト法で得られたＤＮＡ薄膜の赤外吸収スペクトルと相似するピークを有することから、使用した精製サケ精子ＤＮＡの分子構造が保持されていることが確認された。なお、リン酸骨格に由来する１２２１ｃｍ^－１および１０８３ｃｍ^－１のピークが小さくなるまたは消失していたが、これはＤＮＡが生体分子としての分子構造は維持しつつも、その鎖長方向で切断されているものであることを示すものであった。

【0073】

（実施例２－１）
図１に示すＤＮＡ薄膜製造装置を用い、以下の条件により、基板上にＤＮＡ薄膜を作製した。また、精製サケ精子ＤＮＡを純水に溶解し乾燥させて得られた、常温で固形状のターゲット材料を用いた。

【0074】

基板：Ｓｉ基板（１００）（ｎ型） （長さ４２ｍｍ×幅１９ｍｍ）
系内圧力：４×１０^-５Ｐａ
ターゲット材料：精製サケ精子ＤＮＡ（乾燥状態）
基板温度：２３℃（室温）
基板とターゲット材料の距離：５～１０ｃｍ
紫外パルスレーザーの波長：２６６ｎｍ
紫外パルスレーザーの出力：０．５～１．０Ｗ
紫外パルスレーザーの繰り返し周波数：１０Ｈｚ
堆積速度：０．４８オングストローム／秒

【0075】

図７は、実施例２－１で得られたＤＮＡ薄膜を上方から光学顕微鏡で観察した画像である。図７において、左側はＤＮＡ薄膜表面であり、右側は基板表面を示す。また、図８は、実施例２－１で得られたＤＮＡ薄膜を触針式表面形状測定器で測定した結果である。触針式表面形状測定器で測定した結果、ＤＮＡ薄膜の平均膜厚は３０３．３ｎｍ、表面粗さ（Ｒｍｓ）は５．４ｎｍ、表面粗さ（Ｒａ）は４．２ｎｍ、表面粗さ（Ｒｖ）は４０．７ｎｍであった。また、図９は、実施例２－１で得られたＤＮＡ薄膜および比較例１－１で得られたＤＮＡ薄膜の紫外可視透過スペクトル結果である。図９の紫外可視透過スペクトルから、核酸塩基由来のピークである波長２６０ｎｍ近傍にピークを確認した。また、図１０は、実施例２－１で得られたＤＮＡ薄膜および比較例１－１で得られたＤＮＡ薄膜をフーリエ変換赤外分光光度計で測定した赤外吸収スペクトル結果である。図１０の赤外吸収スペクトルから、核酸塩基に由来する１７０４ｃｍ^－１と１６６７ｃｍ^－１のピーク、およびリン酸骨格に由来する１２３０ｃｍ^－１と１０７６ｃｍ^－１と１０１５ｃｍ^－１のピークを確認した。これらの結果から、実施例２－１で得られたＤＮＡ薄膜について、数ｍｍという広いスケールにわたって、表面粗さ（Ｒｍｓ）が６．０ｎｍ以下の精度で平坦性に優れ、さらには、ＤＮＡの骨格構造を保持していることがわかった。

【0076】

（実施例２－２）
図１に示すＤＮＡ薄膜製造装置を用い、以下の条件により、センサ基板上にＤＮＡ薄膜を作製した。また、精製サケ精子ＤＮＡを純水に溶解し乾燥させて得られた、常温で固形状のターゲット材料を用いた。

【0077】

基板：センサ基板
系内圧力：４×１０^-５Ｐａ
ターゲット材料：精製サケ精子ＤＮＡ（乾燥状態）
基板温度：２３℃（室温）
基板とターゲット材料の距離：５～１０ｃｍ
紫外パルスレーザーの波長：２６６ｎｍ
紫外パルスレーザーの出力：０．５～１．０Ｗ
紫外パルスレーザーの繰り返し周波数：１０Ｈｚ
堆積速度：０．４８オングストローム／秒

【0078】

図１１は、実施例２－２で得られたＤＮＡ薄膜を上方から光学顕微鏡で観察した画像である。また、図１２は、触針式表面形状測定器を用いて、実施例２－２のＤＮＡ薄膜表面（図１１の矢印部分）を走査した結果である。これらの結果から、センサ基板の表面に対しても、平坦性に優れているＤＮＡ薄膜を作製することができた。また、得られたＤＮＡ薄膜の表面性状が安定していたことから、歩留まりに優れ、センサ感度の良好なＤＮＡ薄膜であることが示唆された。

【0079】

（実施例２－３）
実施例２－２で得られたＤＮＡ薄膜を用いて、有機溶媒に対するＤＮＡ薄膜のセンサ特性を測定した。具体的には、図１３に示すセンサ特性を測定する装置を用い、ＤＮＡ薄膜を下方に向くように基板を設置し、表１に示すタイミングで所定の空気を２つのマスフローコントローラー（ＭＦＣ１およびＭＦＣ２）から供給して、ＤＮＡ薄膜のセンサ特性を測定した。

【0080】

【表1】

【0081】

図１４に示すように、メタノール、エタノール、トルエン、アセトンを比較すると、ＤＮＡ薄膜はメタノールに対して大きく反応した。すなわち、ＤＮＡ薄膜は、極性の大きな溶媒に反応するというＤＮＡ特有の特徴を発現した。このような結果から、ＤＮＡ薄膜は、メタノールの検出に応用可能であることが示唆された。

【符号の説明】

【0082】

１ ＤＮＡ薄膜製造装置
２ ＤＮＡ薄膜
３ 基板
４ ターゲット材料
５ 連続赤外レーザーまたは紫外パルスレーザー（レーザー）
６ 反応容器
７ レーザー透過窓
８ 膜厚計
９ ステージ
１０ マスク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】