JP5999669B2 - 微小液体の表面処理装置および表面処理方法 - Google Patents

Description

本発明は一般に、微小液体の表面処理装置および表面処理方法の分野に関する。

一般に、マイクロフルイディクスは、液体のポンピング、液体のサンプリング、液体混合、液体分析、液体の投与に使用される微細加工装置に関連する。これらの顕著な特徴は、液体がマイクロメートル長のスケールを示すという特有の性質から生じる。通常、マイクロフルイディクスにおける液体の流れは層流である。マイクロメートル範囲の水平方向の大きさを有する構造を製造することにより、１ナノリットルを大きく下回る量を実現できる。制限された反応を（反応物の拡散によって）大規模に加速化できる。最後に、液体の並行した流れが、正確かつ再現可能に調整され、液液界面および液固界面における化学反応および化学勾配が可能になる。その結果、マイクロフルイディクスは、生命科学における様々な応用例で利用されている。

例えば、液体を必要とすることなく、インクを非接触方式で送達可能なインクジェットが作られた。また、他の技術は、高い分解能でパターンを表面に形成するが、液体環境においてのみ処理できる。液体環境は、アーティファクトの乾燥および生体分子の変性を最小化し、細胞や組織のような生体標本を扱うことができる。

液体環境において表面にパターンを形成し、表面上の試料を分析するために、マイクロフルイディクスの限界を克服するストラテジーが開発された。あるストラテジーでは、液体を表面近くに閉じ込め、または、正確な量の生体分子を、液体の特定の領域に送達する。また、マイクロメートルの精度で生体分子のパターンを表面に形成するために、スキャニングナノピペットおよび（Atomic Force Microscopy社で使用されるプローブに類似する）中空のプローブが開発された。

別の例として、非接触式の微小液体プローブ技術（または「ＭＦＰ」）が開発され（例えば、特許文献１を参照）、この技術は、他の応用例において、生体分子の付加または除去によって表面にパターンを形成し、表面に配置されたタンパク質の密度勾配を生成し、表面近傍の液体界面における反応を局所化し、表面上の接着細胞の染色および除去を可能にする。

米国特許出願２００５／０２４７６７３

「Dip-pen nanolithography」、K.salatia等、Nature Nanotech.、２００７年２月、１４５−１５５ 「Nanofountain probe」、O.等、Small、２００９年５月、１６６７−１６７４

別の技術分野では、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）が、走査型トンネル顕微鏡および原子間力顕微鏡の発明と共に開発された。簡潔に言えば、これは、物理的なプローブを用いて、試料表面のイメージを形成することを目的とする。走査型プローブ顕微鏡の技術は、プローブと表面との相互作用を監視しながら、プローブ（例えば、鋭利なチップ）を用いて、試料表面の直上で、または試料表面に接触してスキャニングする。これにより、試料表面のイメージを取得できる。通常、試料のラスタースキャンが行われ、プローブと表面の相互作用が、位置関数として記録される。このように、データは通常、２次元グリッドのデータポイントとして得られる。実現される分解能は、基礎となる技術によって異なり、いくつかの事例では、原子分解能を実現できる。通常、圧電アクチュエータまたは静電アクチュエータの一方を用いて、プローブの正確な動作を実現できる。

ＳＰＭの主な種類は、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）と、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）である。ＳＴＭの発明の開発後、ＳＴＭと共にＳＰＭ技術を形成する（ＡＦＭを含む）他の類似の技術が直ぐに開発された。なお、ＳＰＭ技術で用いられる「プローブ」または「プローブチップ」は、ＭＦＰにける「プローブ」または「プローブチップ」とは区別されるべきであり、２種類のプローブは、機能や構造、大きさが異なる。

ＳＰＭ技術では、空気中で動作するが液体中の動作には適さないサーマルプローブに基づく技術が知られている。さらに、この技術は、従来の機能ユニットによる処理対象の表面の熱活性化に限られる。ＡＦＭ技術として、例えば、非特許文献１および非特許文献２を参照できる。非特許文献１が開示するディップ・ペン（Dip-pen）は空気中で動作し、乾燥したアーティファクトを生成する。非特許文献２が開示するナノファウンテン・プローブ（Nanofountain probe）は、液体中で動作する。基本的に、これはマイクロスケールのピペットとみなすことができる。処理液は、関心のある位置から拡散して周囲の液体を閉じ込める。

このため、上述した技術では、マイクロメートルに準ずる精度で緩衝液内でその場（in-situ）処理することができない。したがって、高い分解能を有し、液体環境下で容易に処理可能な表面処理装置が必要とされている。

第１の態様によれば、本発明は微小液体の表面処理装置として具体化される。微小液体の表面処理装置は、フェース上に少なくとも１の開口を有する微小液体用プローブヘッドであって、当該開口は少なくとも１の流出口を含む、微小液体用プローブヘッドと、前記フェースに対して外側および垂直に延在する表面処理構造とを備え、表面処理構造はさらに、流出口に関連して大きさが決定されて配置され、処理時に流出口を介して供給される液体の流路を遮断する。

いくつかの実施形態では、微小液体用プローブヘッドは、前記フェース上に少なくとも１の流入口をさらに備え、流出口を介して供給された液体を、流入口を介して収集できるように、前記流出口および流入口の大きさが決定され、前記流出口および流入口が配置され、表面処理構造は、流入口および流出口に関連して大きさが決定され、流入口および流出口に関連して配置され、処理時に流出口を介して供給されて流入口を介して収集される液体（１５）の流路を遮断する。

いつくかの変更例では、微小液体の表面処理装置はさらに、流入口を介して収集される液体の電気的な反応（例えば、電気伝導性、電気容量または電気化学ポテンシャル）を測定するように構成された電気回路と、前記電気回路に接続されるフィードバック制御手段であって、処理時に前記電気回路を介して測定された電気的な反応に基づいて、流出口を介して供給される処理液の量を調整するように構成されることが好ましいフィードバック制御手段とを備える。このようなフィードバック制御手段は、表面処理装置と表面との間のよりを判断するのに利用できる。また、必要に応じて、異なる種類の電気的な反応の組み合わせを同時に測定できる。

前記フェースのレベルにおける流出口の平均的な直径は、０．５〜１０００μｍであり、表面処理構造と流出口との距離は、５〜２０００μｍであり、微小液体用プローブヘッドの流出口と流入口との距離は、５〜２０００μｍであることが好ましい。

いくつかの実施形態によれば、表面処理装置はさらに、前記ヘッドに機械的に接続されるカンチレバーを備え、前記表面処理構造は、プローブチップであり、当該プローブチップは、カンチレバーの端部である。

カンチレバーは、走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーであり、ヘッドに固定されることが好適であり、さらに、１の点で前記ヘッドにのみ固定されることが好ましい。カンチレバーは、例えば、ＡＦＭカンチレバーである。また、カンチレバーは、例えば、ＭＦＰヘッドとは別に、少なくとも部分的に他のホルダーに取り付けることができる。

好適な実施形態では、カンチレバーは、固定部を介して前記フェースに固定され、固定部は、プローブチップから離れており、カンチレバーは、自由端部（２４，２４ａ）をさらに備え、自由端部は、カンチレバーの主軸に対してプローブチップの反対側に延在し、開口の一方に押し付けられて当該開口を密閉するように構成される。

いくつかの実施形態では、前記固定部は、自由端部に対してプローブチップの反対側に位置し、または、前記自由端部は、固定部に対してプローブチップの反対側に位置する。

別の態様によれば、本発明は表面処理方法として具体化される。表面処理方法は、処理対象の表面に対向する表面処理構造を備える、上述した実施形態に係る表面処理装置を用意するステップと、流出口を介して処理液を供給するステップであって、供給された処理液の流路が表面処理構造によって遮断される、ステップと、表面処理構造を表面に接触させることにより、表面処理構造を介して、処理液内の粒子を表面に移動させるステップであって、表面処理構造の表面は、粒子が表面処理構造の端部に移動できるように機能化される、ステップとを含む。前記粒子は、分子の大きさとすることができる。処理液は、表面に接触する必要はなく、分解能を向上させることができる。

好適には、表面処理構造は、表面処理構造を表面から離して、当該表面にパターンを形成する。

いくつかの実施形態では、表面処理装置の微小液体用プローブヘッドはさらに、フェース上に流入口を備え、流出口および流入口は、流出口を介して供給された液体を、流入口を介して収集できるように、大きさが決定されて配置され、流出口を介して供給され、流入口を介して収集される処理液の流路を遮断するように、表面処理構造が配置され、表面処理方法は、流出口を介して供給された処理液を、流入口を介して収集するステップをさらに含む。

さらに、浸液が前記フェースと表面との間に供給され、処理液が浸液内に供給されて、好適には、浸液に閉じ込められた処理液の層流が形成される。

表面処理方法はさらに、流入口を介して収集された液体の電気伝導性を測定するステップと、測定された電気伝導性に基づいて、流出口を介して供給される処理液の量を調整するステップと含む。

いくつかの実施形態によれば、粒子を移動させるステップは、表面処理構造の表面に脂質二重層を形成するステップを含み、好適には、粒子を移動させるステップはさらに、脂質二重層を介して、分子種を表面に移動させるステップを含む。一般的には、脂質二重層の代わりに「コンベヤーベルトシステム」を使用してもよい。

好適には、表面処理装置は、ヘッドに機械的に接続されるカンチレバーを備え、前記表面処理構造は、カンチレバーの端部に相当するプローブチップであり、粒子を移動させるステップはさらに、表面において化学反応を生じさせることが可能なエネルギー、好適には熱エネルギーまたは電気エネルギーを表面処理構造に供給するステップを含む。化学反応は、例えば、プラチナや他の金属を用いた触媒反応とすることができる。

好適な実施形態では、表面処理装置のカンチレバーは、固定部を介して前記フェースに固定され、固定部はプローブチップから離れており、さらにカンチレバーは、自由端部を備え、自由端部は、カンチレバーの主軸に対してプローブチップの反対側に延在し、流出口に押し付けられたときに流出口を密閉するように構成されており、処理液を供給するステップは、自由端部に向かう処理液の量を調整して、前記自由端部を回動または傾斜させ、流出口を介した処理液の流れを調整するステップを含む。

ここで、添付した図面を参照し、非限定的な例示により、本発明を具体化するデバイス、装置および方法について説明する。

本実施形態に係る微小液体の表面処理装置の簡単に表現する３次元図。 図１に示す表面処理装置の処理時における別の３次元図。本実施形態に係る表面処理装置は、流出口を介して供給され、流入口を介して収集される液体の流路を遮断するプローブチップを備える。 図１の変更例を示す図。 図１の変更例を示す図。 図１の変更例を示す図。 図１に示す表面処理装置の（簡易な表現による）正面図。 図１に示す表面処理装置の（簡易な表現による）側面図。 図１および図５の変更例の（簡易な表現による）側面図。本実施形態の表面処理装置では、プローブチップの代わりに円形の表面処理構造が使用される。 図１に示す表面処理装置の変更例の側面図。表面処理装置は、流出口に押し付け可能な１の自由端部を有するカンチレバーを備える。 図１に示す表面処理装置の変更例の側面図。表面処理装置は、流出口に押し付け可能な１の自由端部を有するカンチレバーを備える。 図１に示す表面処理装置の変更例の側面図。表面処理装置は、流出口に押し付け可能な１の自由端部を有するカンチレバーを備える。図１０に示す表面処理装置は、本実施形態に示すように、電気的な応答（例えば、流入口のコンジット内の電気伝導性や電気容量、電気化学ポテンシャル等）を測定する電気回路と、フィードバック制御手段とをさらに備える。 図１に示す表面処理装置の変更例の側面図。表面処理装置は、流出口に押し付け可能な１の自由端部を有するカンチレバーを備える。図１１に示す表面処理装置は、実施形態に示すように、電気的な応答（例えば、流入口のコンジット内の電気伝導性や電気容量、電気化学ポテンシャル等）を測定する電気回路と、フィードバック制御手段とをさらに備える。 図１に示す表面処理装置の変更例の側面図。表面処理装置は、流出口に押し付け可能な１の自由端部を有するカンチレバーを備える。 図１に示す表面処理装置の変更例の側面図。表面処理装置は、流出口に押し付け可能な１の自由端部を有するカンチレバーを備える。 本実施形態に係る表面処理方法のステップを示す図。この方法では、処理液によって標識されるプローブチップが処理対象の表面に接触する。 他の実施形態に係る同様のステップを示す図。処理液が浸液内に閉じ込められる。処理液の粒子が、プローブチップを介して表面に運ばれる。 他の実施形態に係る同様のステップを示す図。表面処理構造（プローブチップ）の表面に脂質二重層が生成される。 他の実施形態に係る同様のステップを示す図。脂質二重層等を介して分子種が運ばれる。 他の実施形態に係る同様のステップを示す図。プローブチップにエネルギーが供給されて、処理表面で触媒反応や化学反応を行うことができる。 他の実施形態に係る同様のステップを示す図。プローブチップの代わりに、図７に示すような円形の表面処理構造が利用される。

以下の説明は、次のように構成される。まず、本発明の一般的な態様、主要な実施形態および変更例について説明する（セクション１）。次のセクションでは、より詳細な実施形態および技術的手段の詳細について説明する（セクション２）。

１．一般的な態様、主要な実施形態および変更例
本発明の基礎となる基本アイデアは、ＳＰＭのプローブチップのような表面処理構造を、微小液体用プローブヘッド（またはＭＦＰヘッド）に隣接させることであり、便利なことに、表面処理構造は、ＭＦＰヘッドの液体の流出口および流入口に対して配置されるため、緩衝液内でのin-situ操作を可能にする。表面処理構造は、ＭＦＰが送達する処理液によって完全に濡れた状態にする必要がなく、表面処理構造に沿って分子が移動または拡散するため、周辺領域を汚染することなく、ＳＰＭのようなパターン分解能を実現できる。

以下、図１〜図１９を参照して、本発明の主要な態様について概説する。これらの図は、微小液体の表面処理装置１０ａ〜１０ｈまたは当該表面処理装置の一部を示す。各実施形態では、表面処理装置は、ＭＦＰヘッドのフェース１７に少なくとも１の流出口１１を有するＭＦＰヘッド１６を備える。通常、フェース１７は、処理対象の表面４０に対向する表面処理フェースである。しかしながら、図４Ａに示すような他の構成を採用することもできる。また、表面処理装置１０ａ〜１０ｈは、表面処理構造２１，２１ａ，２２を備える。表面処理構造は、（例えば、図１，２，４〜６に示すように）プローブチップが端部となるＳＰＭのプローブのようなプローブであることが好ましい。また、表面処理構造は、円形の構造とすることができ（例えば、図７を参照）、または、従来のように先端部が鋭利な突出形状とすることもできる（図３）。当業者であれば理解できるように、後述する本発明の目的に合致する他の好適な形状および寸法を採用できる。全ての実施形態において、この表面処理構造は、外側に向かって延在し、ＭＦＰヘッドの１のフェース１７に対して垂直にすべきである。すなわち、厳密に言えば、フェース１７の垂直軸方向への表面処理構造の突出はゼロではない。さらに、表面処理構造は、流出口１１に関連して大きさが決定され、配置されるため、処理時に流出口を介して供給される処理液１５の流路（例えば、層流）を遮断できる。したがって、処理時に送達される液体の流路を表面処理構造によって遮断するために、フェース１７の垂直軸方向への表面処理構造の突出は、０よりも十分大きくすべきである。

このような装置は、明らかに液体下での表面のナノ処理を単純化する。処理時には、この装置は、処理対象の表面の近くに設置され、表面処理構造２１，２１ａが表面４０に対向するように位置決めされる。そして、処理液１５が流出口１１を介して供給され（例えば、図２，５，６を参照）、表面処理構造２１，２１ａが、供給された処理液１５の流路を遮断する。したがって、表面処理構造２１，２１ａを表面４０に接触させることにより、表面処理構造２１，２１ａによって処理液１５内の粒子１５１，１５３，１５５を表面４０に容易に誘導できる。図１５〜図１９に示すように、表面処理構造２１，２１ａを表面４０に接触させ、または表面４０から離すことにより、特有のパターンを形成できる。後者のステップは、必要に応じて、要求されるパターンを繰り返し表面上に生成することができ、表面のナノ処理についての当業者であれば理解できるように、多くの応用例を有利に見つけることができる。

さらに、ＭＦＰヘッド１６は、図１〜４Ａに示すように、少なくとも１の流入口１２を表面上に備えることが好ましい。流出口１１を介して供給され、（周知のように）通常は層流状態の処理液１５を、流入口を介して収集できるように、流出口１１および流入口１２は、大きさが決定され、配置される。処理時に流出口１１を介して供給され、流入口１２を介して収集される処理液１５の流路を遮断すべく、表面処理構造２１，２１ａは、流入口と流出口の間に配置され、表面処理構造２１，２１ａの大きさが決定される。処理時には、流出口１１を介して供給された液体は、流入口１２を介して、（少なくとも部分的に）収集される。また、これらの開口は、コンジットやチャネルの端部に位置する開口として定義することができ、ＭＦＰヘッドに適切に配置して、ポンプおよび／または他の適切な機構を用いて、液体を適切に供給して収集できる。流入口や流出口、コンジット、ポンプを備えるＭＦＰヘッドは周知である。

流出口および流入口を組み合わせて使用する場合、表面に送達されるべき粒子が処理液１５内に閉じ込められているため、粒子供給の調整を改善できる。図２に示すように、少量の処理液をＭＦＰヘッドを用いて供給できる。一般に、特定の量の処理液をＭＦＰヘッドを用いて供給できる。したがって、ＡＦＭのカンチレバーのプローブチップのような表面処理構造を、処理液のエンベロープ１５内に配置することができ、処理液１５内に存在する化学物質で連続的に標識できる。この化学物質は、例えば、ＡＦＭプローブの頂部に向かって表面処理構造に沿って拡散し、基板の表面４０上に堆積する。必要ならば、表面処理構造の適切な表面機能化（surface functionalization）を実現することができ、表面処理構造の頂部に化学物質を効率よく送達できる。

実際には、フェース１７のレベルにおける流出口１１（および流入口）の平均的な直径は、通常、０．５〜１０００μｍである。当業者にとって明らかなように、局所的な閉じ込めを実現すべく、流出口は小さくすることが好適であり、例えば、チップよりも僅かに大きくなるようにすべきである。例えば、１５０μｍのような閉じ込めは、約２０〜５０μｍの流出口を利用することによって実現できる。しかしながら、流出口をより小さくすることができ、例えば、製造が容易な０．５μｍにすることもできる。これは、要求される応用例に大きく依存する。好適には、流出口１１，流入口１２はそれぞれ、同一の直径を有する対応するコンジットの端部に位置する。しかしながら、流入口および流出口のサイズは、例えば、流出口が小さく、流入口が大きいといった具合に、実質的には違っていてもよい。一般に、このような直径によって実現される流量特性は、本明細書に記載する応用例に好ましい。さらに、表面処理構造２１，２１ａと流出口１１との距離は、５〜２０００μｍとすることが好ましい。この距離は、例えば、ＡＦＭのカンチレバーのような表面処理構造の作動距離やたわみ、大きさに強く依存する。ＭＦＰは、５００μｍの厚さの流れの閉じ込めを容易に提供できる。ＡＦＭのカンチレバーが離れている場合、カンチレバーは、当該閉じ込めに接触しない。通常、表面処理構造は、流入口と流出口との間に位置する。すなわち、フェース１７の上部の表面処理構造の突出部は、通常、流入口および流出口の中間に位置するが、僅かにオフセットさせることもできる。したがって、流出口１１と流入口１２の距離は、通常、５μｍよりも長く、２０００μｍ未満である。このような距離の場合、安定した閉じ込めを実現できる。製造の観点から、これよりも距離が短いもの現実的でなく、一方、これよりも距離の長いものは、閉じ込めが不安定になる可能性がある。上述したように、好適には処理液１５の層流が期待される。

好適な材料は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）で使用されるシリコン、ガラス、セラミック、ポリマー、金属コーティング、および化学的な表面機能化等である。応用例に応じて、これらの材料は、使用される溶媒や処理液に対する耐性および／または生体適合性を有するべきである。流量は、毎分０．０１から１００マイクロリットルであることが好ましい。

上述したように、表面処理構造は、図１〜図４Ｂに示すようなプローブチップ２１のような形状および大きさであることが好ましい。また、表面処理装置は、ＭＦＰヘッド１６に機械的に接続されるカンチレバー２２（例えば、ＭＦＰヘッド１６のフェース１７に対して垂直に突出するカンチレバー、またはフェース１７に対して平行に延在するカンチレバー）を備えることができる。この場合、プローブチップ２１は、図１，２，４Ａおよび４Ｂに示すように、一般にＳＰＭと同様、カンチレバー２２の端部である。このような実施形態は、プローブチップ２１で実現可能な分解能と、ＭＦＰヘッドの液体処理の柔軟性とを併せ持つ。

図１，２，４Ａおよび４Ｂの実施形態では、プローブチップ２１がカンチレバー２２の端部である一方、図３に示す実施形態では、表面処理構造２１がフェース１７に直接設けられ、すなわち、表面処理構造２１が当該フェースから突出することに留意すべきである。しかしながら、図１，２では、プローブ２０（２１〜２３）は、固定部２３を介してＭＦＰヘッド１６に間接的に接続される。図４Ａおよび４Ｂでは、カンチレバーが、ＭＦＰヘッドの端部から直接的に突出する。図４Ａおよび４Ｂに示すチップ２１の向きにより、処理フェースは、図示するＭＦＰヘッドの平均的な面と平行となり、処理フェースは、開口１１，１２を有するフェースとは異なる。実施形態に従って表面処理装置の最小限の構成が求められる場合、図４Ｂに示す表面処理装置１０ｃ２は、１の流出口１２のみ（流入口は無い）を備える。図４Ａおよび４Ｂに示す構造は、プローブ２１，２２を物理的に十分に保護することができるが、図１〜３に示す表面処理装置に比べて、製造が難しくなることがある。

この点について、図４Ａおよび４Ｂに示す表面処理装置１０ｃ１，１０ｃ２は、ＭＦＰの分野で知られている通常の製造技術を用いて一体的に形成してもよく、また、個別の部材として形成してもよい。一方、図１，２に示す表面処理装置は、ＭＦＰおよびＳＰＭ双方の既知の製造技術を用いて製造できる。すなわち、ＭＦＰヘッド１６は、通常のＭＦＰ製造技術を利用することができ、一方、カンチレバーは、好適なＳＰＭ製造技術を用いて製造できる。例えば、カンチレバー２２は、ＳＰＭ装置の既知の製造技術を用いて、１以上の固定部２３でＭＦＰヘッド１６に固定することができ、例えば、開口１１，１２を有するメサ１６ａに隣接する部材や表面１６ｂに固定できる。このメサ１６ａは、ＭＦＰの開口とプローブチップの間に距離を設けて、液体とチップとの適切な相互作用を生じさせるのに有用であるが、必須ではなく、例えば、図５〜図１３に示すように省略できることに留意すべきである。実際には、メサの必要性は、ＳＰＭにおけるＭＦＰヘッドの取付構造に依存する。

本発明の範囲は、ＳＰＭのようなプローブチップを用いた装置に限定されない。図３，７または１９に示すように、送達（例えば、局所的な反応物の供給等）を目的として、任意の幾何学的なガイド構造、例えば、フェース１７から突出する円形またはチップ形状の構造を採用できる。もちろん、表面処理構造は、開口１１，１２や発生する液体の流れに対して、適切な大きさで適切な位置に配置する必要がある。上述したように、流量は、毎分０．００１〜１００マイクロリットルとすることができる。通常、閉じ込められる量（管状部材やヘッドが排除する量）は、２００ピコリットルから１マイクロリットルである。

図７または図１９に示す表面処理装置は、表面処理構造２１ａの表面に液体を流すことができるリザーバ２０ａをさらに備えることができ、後述するように、例えば、処理液１５に含まれる化学物質による表面処理構造２１ａの表面機能化が可能になる。

ここで、再び図１および図２を参照すると、ＳＰＭプローブ２０は、１の固定部２３でＭＦＰヘッド１６に固定される。他の実施形態では、ＭＦＰヘッドは、ＳＰＭ装置（図示せず）全体に取り付けることができ、ＭＦＰヘッドをＳＰＭプローブチップと一体的に形成できる。したがって、本実施形態の範囲には、ＭＦＰヘッドが取り付けられたＳＰＭ装置、好適にはプローブチップに対して配置されるＳＰＭ装置が含まれる。このような装置は、予測される応用例に有用なＳＰＭの高精度の位置決め手段（図示せず）を使用できる。これらの例については図１４〜１９を参照して後述する。

図８〜図１３を参照すると、これらの実施形態では、プローブ２０ｂが、固定部２３，２３ａを介して、開口１１，１２を有するフェース１７と同じ側でＭＦＰヘッドに固定される。固定部は、プローブチップ２１から離れている。また、プローブ２０ｂは、カンチレバー２２の主軸（すなわち、平均的な方向）に対して、プローブチップ２１の反対側に突出する自由端部２４，２４ａを備える。換言すれば、処理時には、自由端部はＭＦＰヘッドの処理フェースに向かって突出し、一方、チップは、処理対象の表面に向かって突出する。さらに、図８〜図１３に示すように、自由端部（より広くカンチレバー）は、開口１１，１２の一方（通常は流出口１１）に押し付けられて開口１１，１２を密閉するように構成できる。したがって、上述したように、流れを調整する様々な機構を容易に実現できる。

様々な事例を考えることができる。第１の事例は、「通常は」開いているバルブ、すなわち、図８に示すように初めから開いているバルブに関連する。この事例では、固定部２３は、自由端部２４に対してプローブチップ２１の反対側に位置する。カンチレバー形状を採用することにより、チップが表面に接触すると（図９）、チップに作用する力が、当該チップを支持するカンチレバーを押し付け、自由端部２４が流出口１１に接触する。この機構により、ＭＦＰヘッドを介して供給された処理液の流れを調整できる。

第２の事例では、図１２および図１３に示すように「通常は」閉じているバルブの事例である。この事例では、自由端部２４ａが、固定部２３ａに対してチップの反対側に位置する。チップが表面に接触すると（図１３）、カンチレバーが回動し、自由端部２４が流出口１１から離れ、処理液１５が放出できる。

さらに、ＭＦＰヘッドは、処理液１５を適切に供給して収集する多くの既知の手段を備えることができる。当該手段として、例えば、ＭＦＰ分野で知られている、１以上のリザーバ（図示せず）、液体チャネルおよび回路（図示せず）、ポンプ（図示せず）、電気回路等を採用できる。

次に、図１０および図１１を参照すると、これらの実施形態では、表面処理装置１０ｆ〜１０ｇはさらに、流入口１２を介して収集された液体の電気伝導性を測定するように構成された電気回路７０，７０ａを備えることができる。通常、液体の電気伝導性の測定は、流入口１２より上側のコンジット（またはチャネル）のレベルで行われる。これは、開口１２を介して収集される液体の量を監視するのに利用される。

さらに、表面処理装置は、処理液の送達を検知する手段を提供する。この点に関して、電気回路７０，７０ａはさらに、フィードバック制御手段７２，７２ａを備えることができる。フィードバック制御手段７２，７２ａは、例えば、処理時に電気回路７０，７０ａで測定される電気伝送性、電気容量、電気化学ポテンシャル等の電気的な反応に基づいて、流出口１１を介して供給される処理液１５の量を調整するようにバルブ（図示せず）に命令する。回路７０では、浸液と吸引された液体との間の電気伝導性が測定される。回路７０ａは、チャネル内の液体の構成物を直接的に測定する。双方の回路により、液体の構成物を知ることができる。これにより、バルブの位置とギャップの高さを決めることができる。そのため、これらは距離や液体の調整に利用できる。したがって、吸引コンジット内の電気的な反応を測定することにより、処理液の送達を検知するバルブ制御機構に取付可能な手段が提供される。また、これはチップと試料の相互作用を検知することを可能にする。

上述したように、本発明の別の態様は、表面処理方法に関する。ここで、このような方法の例について、図１４〜図１９を参照して説明する。既に説明したように、このような方法は、基本的に以下の３つのステップに分解される。第１に、上述したように、処理対象の表面４０に対向する（または、表面の処理やパターニングを容易にするように配置された）表面処理構造２１，２１ａを有する表面処理装置が提供される。第２に、処理液が流出口１１を介して供給され、表面処理構造２１，２１ａが、当該供給された処理液１５の流路を遮断する。第３に、表面処理構造２１，２１ａを表面４０に接触させ、または表面処理構造２１，２１ａを表面４０から離すことにより、処理液１５内の粒子または分子種１５１，１５３，１５５が、表面処理構造２１，２１ａを介して表面４０に運ばれる。

図１４（および図５，６）を参照すると、特定の量の処理液がＭＦＰヘッド１６によって供給される。ＡＦＭプローブ２０のプローブチップ２１（およびカンチレバー２２の一部）は、生じた液体のエンベロープ１５を遮断する。このため、プローブチップは、処理液１５内に含まれる化学物質によって連続的に「標識（inked）」される。化学物質は、ＡＦＭプローブのチップに沿って頂部に向かって拡散し（広がり）、基板に蓄積する。適切なチップの表面機能化は、充分な量の化学物質をチップの頂部に運ぶ必要がある。

さらに、図１５に示すように、表面処理方法は、フェース１７と表面４０との間に浸液５０を供給するステップを含む。このため、処理液１５は浸液５０内に供給され、好適には浸液５０によって閉じ込められる処理液の層流を形成する。化学物質１５１は、ＭＦＰヘッドによって供給された少量の処理液１５内に閉じ込められたままになる。このため、プローブチップは、処理液１５に含まれる化学物質によって連続的に「標識」される一方、化学物質は処理液内に残る（したがって、処理液および浸液を注意深く選択することが好適である）。選択された分子がチップ部材上を広がり易く、浸液環境に接した直後にチップ部材から離れないといった様々な組み合わせが可能である。また、化学物質１５１は、プローブの頂部に向かって拡散して基板に蓄積し、拡散量が適切に調節される。パターン１５５が表面４０上に形成される。また、適切なチップの表面機能化を必要としてもよい。図１５では、チップは、閉じ込められた処理液１５内に完全に浸されないことに留意すべきである。分子がチップの表面上を徐々に広がることにより、鋭利な端部のみが標識され、高い分解能が提供される。これは、チップが閉じ込められた処理液１５に完全に浸かる図１４に示す事例とは異なる。

さらに、チップを基板の表面４０に接触させ、またはチップを基板の表面４０から離すことによって局所的に制御される化学反応を伴ってもよい。しかしながら、本明細書で説明する方法は、化学反応に限定するものではない。ファンデルワールス力、水素結合および／または立体相互作用等の特定の表面相互作用を介して、材料を基板に運ぶことができる。

図１８に示す実施形態では、ＡＦＭチップは、完全に処理液１５に浸かる。（例えば、電気的、機械的または熱刺激的な方法によって）ＡＦＭチップが供給する活性化エネルギーにより、表面で化学反応が起こる。したがって、表面処理方法は、エネルギー、好適には熱エネルギーまたは電気エネルギーを表面処理構造２１に供給するステップをさらに含むことができ、表面４０で化学反応を起こすことができる。これを実現するために、他の実施形態では、好適にはプラチナや酵素等が適切に用意されたチップの触媒作用を利用してもよい。

ここで、図１６，１７および１９を参照すると、粒子を移動させるステップは特に、表面処理構造の表面、すなわち、プローブチップ２１の表面（図１６および図１７）または円形の表面処理構造２１ａの表面（図１９）に脂質二重層１５４（または同等のもの）を生成するステップを含むことができる。図１６および図１７に示すように、両親媒性の分子１５１は、処理液１５によって供給できる。浸液５０内では、チップ２１を取り囲むように脂質二重層１５４が形成される。このような二重層は、二重層を構成する両親媒性分子の高い移動性により、コンベヤーベルトのように機能する。このように、脂質ストランドは、チップ２１を基板表面４０に接触させることによって基板表面４０にパターンを形成することができ、親水性の末端基が表面４０と接触する。

次に、表面処理方法は、チップの表面に形成される脂質二重層１５４を介して分子種１５３を移動させるステップをさらに含むことができ、図１７に示すように、分子種１５３を表面４０に運ぶことができる。図１７では、ＭＦＰヘッドによって閉じ込められた流れが形成する脂質二重層に含まれる分子種１５３を運ぶコンベヤーベルトが利用される。分子種１５３は、例えば、細胞膜の受容体結合等の特定の表面相互作用により、チップの頂部の基板に運ばれ、基板上に特定のパターン１６３を形成する。

図１９に示す例では、試薬が形成する可動層によってコーティングされる突出形状２１ａ（例えば、円形のチップやバンプ）が使用される。可動層は、例えば、細胞上の受容体を精査する膜タンパク質１５３を有する（図１６または１７に示すような）脂質二重層とすることができる。

上述した実施形態について図面を参照して簡潔に説明したが、多くの変更例が可能である。これらの実施形態では、（本発明の１以上の態様に関連して説明したような）上述した複数の特徴を組み合わせることができる。詳細な例について、次のセクションで説明する。

２．特定の実施形態／技術的手段の詳細
好適な実施形態では、基本的に多層のＭＦＰおよびＡＦＭのようなカンチレバーを使用する。

一般的な微小液体の装置と同様に、本発明の表面処理装置は、ユーザのチップインタフェースを取り付けて流路を閉じることができる。流路を閉じることにより、機能的な構成要素（例えば、ヒータやミキサー、ポンプ、紫外線検出器、バルブ等）の調整を容易にし、これらの構成要素を本発明の表面処理装置と一体化して、漏れや蒸発の問題を最小化できる。

ＭＦＰヘッドの構成要素の例が図１または３に示される。このＭＦＰヘッドは、（図３に示すように）内部のマイクロチャネル１１ｃ，１２ｃの製造を容易にすべく、多層の装置として製造することが好ましい。このようなＭＦＰヘッドは、シリコンウエハを用いて製造できるが、他の材料を利用することもできる。例えば、上層（シリコン）、すなわち、シリコンリッドをＨＦＣチップの上部に設置してもよい。片面が研磨されたシリコンウエハおよび両面が研磨されたシリコンウエハを、それぞれシリコンリッドおよびＨＦＣに使用できる。双方のウエハは、例えば、直径が４インチであり、厚さが４００μｍである（スイスのジュネーブ所在のSiltonix社）。微小構造は、標準的なフォトリソグラフィ、フォトプロットポリマーマスク（photoplotted polymer masks）（ドイツのエヒング所在のZitzmann社）、深堀りＲＩＥ（例えば、イギリスのニューポート所在のSurface Technology Systems社のSTS ICP）を用いて製造できる。ＨＦＣチップのマイクロチャネルは、エッチングによってＨＦＣウエハの上面から５０μｍの深さとすることができる。必要であれば、ウエハの底部を処理して、高さが５０μｍのメサおよびポストを形成できる。開口の形成は、ＨＦＣウエアの底部から深堀りＲＩＥエッチングを用いて行うことができる。これにより、水平方向の大きさが１０μｍよりも小さい開口を形成できる。薄いシリコンウエアをＨＦＣチップに利用する場合、開口をより精密に製造することができると共に、リッドウエハの厚さを、ヘッドに機械的強度を提供する厚さとすることができる。

シリコンリッドは、片面が研磨されたウエアを用いて、直径８００μｍのビアをエッチングすることによって製造できる。次に、３μｍのポリイミド接着（ドイツのノイイーゼンブルク所在のHD Microsystems社）をリッドウエハの研磨面にスピンコーティングし、次に、双方のウエハを配置および接着させることによって、両方のウエハを組み立てる。接着は、３２０℃および２気圧で１０分間行うことができる（ドイツのレムスハルデン所在のPaul-Otto Weber社のPRESSYS）。上側のリッドは、必要に応じて、検知を可能にする適切な層で形成できる。次いで、ＭＦＰヘッドは、ダイスカットして格納できる。ポートの取り付けは、エポキシ接着リング（スイスのベルン所在のEecated社のUpchurch ScientificのNanoport(登録商標) Assemblies）を用いて行うことができる。ＰＤＭＳの成形された金型の代わりに、標準的なポートやフィッティングを使用することにより、ヘッドの組み立てに要する労力を削減できる。マイクロチャネルに浸入した接着剤は除去することができないため、ＭＦＰヘッドは、実際にポートを取り付ける前に、漏れや詰まりをテストすることが好ましい。この点について、使い捨てのピペットチップをビアの大きさにカットして、小滴が漏れることなく開口から流れ出るか拡大鏡で観察しながら、チャネルを介して液体を流し込むことができる。ビアを有するポートの配置は、最終的に手作業で行うことができる。次いで、例えば、１４０℃で１時間、ホットプレート上でまたはオーブン内で接着が行われる。

上述したようなＭＦＰヘッドは、特に表面処理の応用例について有用である。表面処理の応用例は、生物学的な応用例とは違い、潜在的にさらに小さなパターンや様々な液体や化学物質を扱う。薄いシリコンウエア（例えば、厚さが１００μｍ）を用いてＨＦＣチップを製造することにより、従来の深堀りＲＩＥまたは集束イオンビームを用いて、水平方向の大きさが１０μｍよりも小さい開口を形成できる。ヘッドの機械的な強度は、単にシリコンリッドによって提供される。

なお、上述した多層のヘッドは、開口が小さく互いに接近しており、シリコンリッドに多くのポートを取り付ける十分なスペースを提供するためにマイクロチャネルが水平方向に配置されるため、多くの処理液を使用することができる。したがって、本発明の実施形態の範囲には、（流れごとにいくつかの表面処理構造を有し、または液体の流れごとに１以上の表面処理構造を有する）１以上の表面処理構造２１と共に利用される、多くの処理液１５が含まれる。

ここで、ＡＦＭの構成要素に関し、本明細書で説明したような表面処理装置の精度の高い位置決めは、通常、ＭＦＰやＳＰＭと共に使用される適切な位置決めシステム手段によって実現できる。したがって、ＳＰＭのような位置決めシステムを利用することにより、表面に対して追加されるプローブチップの位置は、試料や表面処理装置１０ａ〜１０ｈの一方を移動させることによって正確に調整できる。

プローブチップは、非常に鋭利、すなわちナノスケール単位であることが好ましい。いくつかの応用例では、金属製のプローブチップ、通常はプラチナやイリジウム、金で作られたプローブチップを使用できる。一方、カンチレバーは通常、ナノメートル単位の曲率のチップ半径を有するシリコンやシリコン窒化物で製造される。より一般的には、通常、非導電性のＡＦＭの測定に使用されるシリコンプローブチップが好適であり、これは、例えば、要求されている鋭利な状態になるまで、シリコンピラー構造を等方的にエッチングすることによって製造できる。

ＡＦＭのようなカンチレバーは、ＭＦＰヘッドの下側に固定し、一体的に取り付け、または接着できる。図１では、カンチレバーの１の端部２３が、ＭＦＰの処理サイド１７に単に接着される。

特定の実施形態を参照して本発明について説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であり、均等なものによって置換可能であることは、当業者であれば理解できるであろう。さらに、本発明の範囲から逸脱することなく、特定の状況や材料を本発明の教示に適合させる様々な修正が可能である。したがって、本発明は、開示されている特定の実施形態に限定されるものではなく、添付した請求項の範囲に属する全ての実施形態を含むことを意図する。この点に関し、選択された実施形態において、添付図面に示す全ての構成要素またはステップが必要であるとは限らない。さらに、上述した以外の様々な変形例が考えられる。例えば、精度の低い位置決めシステムや精度の高い位置決めシステム等の標準的なＳＰＭの付属物を使用して、処理対象の表面に処理形状を接触させることができる。最後に、当業者であれば、上述した応用例以外にも、本発明は以下の技術分野における他の応用例を提供できることが理解できるであろう。
・相互接続の直接描画やマスク修理のための金属の電気めっき
・バイオパターニング
・生細胞刺激および生細胞検出
・生物学的なライブラリのスクリーニング（結合相互作用の検出）
・様々な局所化学
・様々な化学的なコントラストイメージング
・化学的に誘発されるリソグラフィ（例えば、化学耐性における分解反応を誘発する部分的な送達）
・触媒作用を有する試薬の提供による架橋反応の局所的活性化

１０ａ〜１０ｈ： 微小液体の表面処理装置
１１：流出開口
１２：流入開口
１５：処理液
１５１，１５３，１５５：処理液１５に含まれる粒子
１５３：分子種
１５４：脂質二重層
１６：微小液体用のブローブヘッド（またはＭＦＰヘッド）
１６ａ：メサ
１６ｂ：メサ１６ａに連続または隣接するＭＦＰの部材／部分
１７：微小液体用のプローブヘッドの処理フェース（またはサイド）
２０：プローブ
２１，２１ａ：表面処理構造
２１：プローブチップ
２１ａ：円形の表面処理構造
２２：カンチレバー
２３，２３ａ：固定部
２３，２３ａ：カンチレバーの固定部
２４，２４ａ：カンチレバーの自由端部
４０：処理対象の表面（基板）
５０：浸液
７０，７０ａ：電気回路
７２，７２ａ：フィードバック制御手段

Claims (13)

1. 微小液体の表面処理装置であって、
   処理対象の表面に面するフェース上に少なくとも１の開口を有する微小液体用プローブヘッドであって、前記開口は少なくとも１の流出口を含む、微小液体用プローブヘッドと、
   前記フェースの外側に向かって前記表面へと突出し、かつ流出口に関連して大きさが決定されて配置され、処理時に流出口を介して供給される液体の流路を遮断する表面処理構造と
   を備え、
   前記微小液体用プローブヘッドは、前記フェース上に少なくとも１の流入口をさらに備え、
   流出口を介して供給された液体を、流入口を介して収集できるように、前記流出口および流入口の大きさが決定され、前記流出口および流入口が配置され、
   表面処理構造は、流入口および流出口に関連して大きさが決定され、流入口および流出口に関連して配置され、処理時に流出口を介して供給されて流入口を介して収集される液体の流路を遮断し、さらに、
   流入口を介して収集される液体の電気伝導性、電気容量または電気化学ポテンシャルを含む電気的な反応を測定するように構成された電気回路と、
   前記電気回路に接続されるフィードバック制御手段であって、処理時に前記電気回路を介して測定された電気的な反応に基づいて、流出口を介して供給される処理液の量を調整するように構成されるフィードバック制御手段と
   を備える、微小液体の表面処理装置。
2. 前記フェースの位置における流出口の平均的な直径が０．５〜１０００μｍであり、
   表面処理構造と流出口との距離が、５〜２０００μｍであり、
   流入口がある場合は、微小液体用プローブヘッドの流出口と流入口との距離が、５〜２０００μｍである、請求項１に記載の微小液体の表面処理装置。
3. 前記微小液体の表面処理装置はさらに、前記ヘッドに機械的に接続されるカンチレバーを備え、
   前記表面処理構造は、プローブチップであり、前記プローブチップは、カンチレバーの端部であることを特徴とする、請求項１または２に記載の微小液体の表面処理装置。
4. カンチレバーは、走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーであり、
   前記カンチレバーは、前記ヘッドに固定され、
   前記カンチレバーは、１の点で前記ヘッドにのみ固定される、請求項３に記載の微小液体の表面処理装置。
5. カンチレバーは、固定部を介して前記フェースに固定され、
   前記固定部は、プローブチップから離れており、
   前記カンチレバーは、自由端部をさらに備え、
   前記自由端部は、カンチレバーの主軸に対して、プローブチップの反対側に延在し、開口の一方に押し付けられて当該開口を密閉するように構成される、請求項３または４に記載の微小液体の表面処理装置。
6. 前記固定部は、自由端部に対してプローブチップの反対側に位置し、
   または、
   前記自由端部は、固定部に対してプローブチップの反対側に位置することを特徴とする、請求項５に記載の微小液体の表面処理装置。
7. 表面処理方法であって、
   処理対象の表面に対向する表面処理構造を備える請求項１〜６のいずれか１項に記載の表面処理装置を用意するステップと、
   流出口を介して処理液を供給するステップであって、供給された処理液の流路が表面処理構造によって遮断される、ステップと、
   表面処理構造を表面に接触させることにより、表面処理構造を介して、処理液内の粒子を表面に移動させるステップであって、表面処理構造の表面は、前記粒子が当該表面処理構造の端部に移動できるように機能化される、ステップと、
   表面処理構造を表面から離して、当該表面にパターンを形成するステップと
   を含む、表面処理方法。
8. 前記表面処理装置の微小液体用プローブヘッドがさらに、フェース上に流入口を備え、
   前記流出口および流入口は、流出口を介して供給された液体を、流入口を介して収集できるように、大きさが決定されて配置され、
   流出口を介して供給され、流入口を介して収集される処理液の流路を遮断するように、表面処理構造が配置され、
   前記表面処理方法は、
   流出口を介して供給された処理液を、流入口を介して収集するステップをさらに含む、請求項７に記載の表面処理方法。
9. 前記表面処理方法はさらに、前記フェースと表面との間に浸液を供給するステップを含み、
   処理液が浸液内に供給されて、浸液に閉じ込められた処理液の層流を形成することを特徴とする、請求項８に記載の表面処理方法。
10. 前記表面処理方法は、
    流入口を介して収集された液体の電気伝導性を測定するステップと、
    測定された電気伝導性に基づいて、流出口を介して供給される処理液の量を調整するステップと
    をさらに含む、請求項９に記載の表面処理方法。
11. 前記粒子を移動させるステップは、
    表面処理構造の表面に脂質二重層を形成するステップを含み、
    前記粒子を移動させるステップはさらに、
    前記脂質二重層を介して、分子種を表面に移動させるステップを含む、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の表面処理方法。
12. 前記用意するステップは、請求項３〜６のいずれか１項に記載の表面処理装置を用意するステップを含み、
    前記粒子を移動させるステップはさらに、
    表面において化学反応を生じさせることが可能なエネルギー、熱エネルギーまたは電気エネルギーを表面処理構造に供給するステップを含む、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の表面処理方法。
13. 前記用意するステップは、請求項５または６に記載の表面処理装置を用意するステップを含み、
    カンチレバーは、流出口に押し付けられる自由端部を備え、
    前記処理液を供給するステップは、
    自由端部に向かう処理液の量を調整して、前記自由端部を回動または傾斜させ、流出口を介した処理液の流れを調整するステップを含む、
    請求項７〜１２のいずれか１項に記載の表面処理方法。