JP2002090357A

JP2002090357A - 温度調節機構を有する微小ケミカルデバイス

Info

Publication number: JP2002090357A
Application number: JP2000276516A
Authority: JP
Inventors: Takanori Anazawa; 孝典穴澤; Kazutaka Murata; 一高村田; Atsushi Teramae; 敦司寺前
Original assignee: Kawamura Institute of Chemical Research
Current assignee: Kawamura Institute of Chemical Research
Priority date: 2000-09-12
Filing date: 2000-09-12
Publication date: 2002-03-27

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、一般に正確な温度測定が困難であ
る微小ケミカルデバイス中の所望の領域を容易、且つ正
確に温度調節することが出来る温度調節機構を有する微
小ケミカルデバイスを提供することにある。【解決手段】毛細管状の流路を有する微小ケミカルデ
バイス内の温度調節すべき領域の少なくとも２方向に発
熱体又は吸熱体が設けられており、該発熱体又は吸熱体
に挟まれた位置に温度検出器が設けられている温度調節
機構を有する微小ケミカルデバイス。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化学工業、生化学
工業、農業、林業、水産業、医療、食品工業、製薬工
業、環境保全、犯罪捜査、スポーツ、その他の広範な分
野において使用される毛細管状の流路を有する微小ケミ
カルデバイス、例えば、化学、生化学分野で用いられる
微小反応デバイス（マイクロリアクター）や、集積型Ｄ
ＮＡ分析デバイス、微小電気泳動デバイス、微小クロマ
トグラフィーデバイス、微小膜分離デバイス、微小抽出
デバイス等として有用な温度調節機構を有する微小ケミ
カルデバイス及び温度調節方法に関する。

【０００２】詳しくは、本発明は温度調節機構を有する
微小ケミカルデバイスに関し、微小な領域を正確に温度
調節することが可能な微小ケミカルデバイスに関する。
中でもマイクロリアクター、とりわけピー・シー・アー
ル（ＰＣＲ：ポリメラーゼ連鎖反応、以下、ＰＣＲと記
述する。）デバイス用として有用な微小ケミカルデバイ
スに関する。

【０００３】

【従来の技術】微小ケミカルデバイスとして、シリコ
ン、石英、ガラス、重合体などの基材に、エッチング法
により細い溝状の流路を形成し、必要に応じてカバーを
装着して溝状の流路を毛細管状の流路と成し、液体流
路、流路状反応槽、分離用ゲルチャンネルなどとするこ
とが知られており、このような微小ケミカルデバイスの
特定の領域を加温する機構として、電気ヒーターを組み
込む方法が報告されている（例えば、サイエンス、２８
２巻、４８４頁、１９９８年）。

【０００４】しかしながら、微小な部分を正確に温度調
節することは極めて困難であり、設定温度と実温の乖離
が大きくなりがちであった。その理由の第１は微小な部
分の正確な温度検出が困難であること、第２は温度調節
すべき部分の表面積が該部分の体積に比して非常に大き
いために、熱の出入りが大きく、安定した温度調節が困
難なためである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、一般に正確
な温度測定が困難である微小ケミカルデバイス中の所望
の領域を容易、且つ正確に温度調節することが出来る温
度調節機構を有する微小ケミカルデバイスを提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決する方法について鋭意検討した結果、微小ケミカ
ルデバイス内の温度調節すべき領域を挟む少なくとも２
方向に、発熱体又は吸熱体を配置すると共に、該発熱体
又は吸熱体に挟まれた部分に温度検出器を設け、該温度
検出器の測定温度に基づいて温度調節を行うことで、上
記課題が解決され、微小ケミカルデバイス内の温度調節
すべき微小部分の正確な温度調節が可能なことを見出
し、本発明を完成するに至った。

【０００７】即ち、本発明は、（１）毛細管状の流路を
有する微小ケミカルデバイス内の温度調節すべき領域の
少なくとも２方向に発熱体又は吸熱体が設けられてお
り、該発熱体又は吸熱体に挟まれた位置に温度検出器が
設けられている、温度調節機構を有する微小ケミカルデ
バイスと、

【０００８】（２）微小ケミカルデバイスが、表面に溝
を有する部材（Ａ）と、部材（Ａ）の溝が形成された面
に接着された部材（Ｂ）で構成されており、流路が部材
（Ａ）の溝と部材（Ｂ）とで形成されたものである
（１）に記載の温度調節機構を有する微小ケミカルデバ
イスと、

【０００９】（３）部材（Ａ）と部材（Ｂ）の間に固体
状物質（Ｃ）が充填された構造を有し、流路が固体状物
質（Ｃ）の欠損部として形成されたものである（１）又
は（２）に記載の微小ケミカルデバイスと、

【００１０】（４）発熱体又は吸熱体が、部材（Ａ）及
び／又は部材（Ｂ）に封入、固定されたものである
（２）又は（３）に記載の微小ケミカルデバイスと、

【００１１】（５）発熱体が、電気ヒーターである上記
の（１）〜（４）のいずれか１つに記載の微小ケミカル
デバイスと、

【００１２】（６）電気ヒーターが、抵抗発熱体の蒸着
膜である（５）に記載の微小ケミカルデバイスと、

【００１３】（７）温度検出器が電気式温度検出器であ
る（１）〜（６）のいずれか１つに記載の微小ケミカル
デバイスと、

【００１４】（８）微小ケミカルデバイス内の温度調節
すべき領域が２つ以上である上記の（１）〜（７）のい
ずれか１つに記載の微小ケミカルデバイスと、

【００１５】（９）微小ケミカルデバイスがマイクロリ
アクターである上記の（１）〜（８）のいずれか１つに
記載の微小ケミカルデバイスと、

【００１６】（１０）マイクロリアクターがピーシーア
ール（ＰＣＲ）デバイスである（９）に記載の微小ケミ
カルデバイスとを含むものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の微小ケミカルデバイス
は、デバイス内部に毛細管状の流路（以下、単に流路と
称する場合がある）を有するものである。なお、本明細
書に於いては、流路とは流体が流れる毛細管状の空洞を
意味し、流体の移送のための流路、反応場となる流路
（反応槽を含む）、バルブ機構部、抽出・濾過などの物
理化学的処理部、分析部、検出部なども含まれる。

【００１８】流路の端は、微小ケミカルデバイス外に開
口していても良いし、直接外部に開口せず、微小ケミカ
ルデバイスに組み込まれた他の機構、例えば貯液槽、圧
力タンク、廃液吸収体などに連絡していても良い。

【００１９】本発明の微小ケミカルデバイスの流路の断
面寸法は任意であるが、断面の縦及び横寸法はそれぞ
れ、好ましくは１μｍ〜３ｍｍ、更に好ましくは１０μ
ｍ〜１ｍｍである。この寸法より小さい場合、流体が液
体である場合に、液体の流通速度が低下する傾向にある
ので好ましくなく、また、この寸法を超えると、微小ケ
ミカルデバイスとしての特長が失われる傾向にあるので
好ましくない。毛細管状の流路の断面形状は任意であ
り、例えば矩形（角の丸められた矩形を含む）、台形、
円、半円、スリット状などであって良い。

【００２０】本発明の微小ケミカルデバイスは、好まし
くは直接又は間接的に接着された２つの部材、即ち部材
（Ａ）と部材（Ｂ）との間に流路が形成されたものであ
る。流路は、例えば、（イ）表面に溝を有する部材
（Ａ）の溝を有する面に、他の部材（Ｂ）が接着されて
形成されていても良いし、また、例えば、（ロ）部材
（Ａ）と部材（Ｂ）の間の流路以外の部分に固体状物質
（Ｃ）が充填されて形成されていても良い。

【００２１】上記（イ）における流路は、底面と側面が
部材（Ａ）、上面が部材（Ｂ）もしくは部材（Ｂ）に塗
布された接着剤で構成されている。但し、部材（Ａ）は
複数の素材で構成されていてもよく、例えば、溝の底と
側面が異なる素材で形成されていても良い。また、上記
（ロ）における流路は、部材（Ｂ）を上にした時の底面
が部材（Ａ）、側面が充填された固体状物質（Ｃ）、上
面が部材（Ｂ）で構成されている。

【００２２】流路が、表面に溝を有する部材（Ａ）の溝
を有する面に他の部材（Ｂ）を接着して形成される場合
には、溝はその周辺部より低い、いわゆる溝として形成
されていても良いし、部材（Ａ）表面に立つ壁の間とし
て形成されていても良い。

【００２３】溝の深さは場所により異なっていて良い。
部材（Ａ）の表面に溝を設ける方法は任意であり、例え
ば、射出成型、溶剤キャスト法、溶融レプリカ法、切
削、エネルギー線硬化性樹脂塗膜のパターニング露光と
未硬化部の除去、フォトリソグラフィー（エネルギー線
リソグラフィーを含む）、湿式エッチング法、乾式エッ
チング法、レーザーエッチング法、蒸着法、気相重合
法、溝となるべき部分を切り抜いたシート状部材と板状
部材との接着などの方法を利用できる。

【００２４】流路が部材（Ａ）と部材（Ｂ）との間の流
路以外の部分に固体状物質（Ｃ）が充填されて形成され
ている構造の場合、固体状物質（Ｃ）の厚みは必ずしも
均一である必要はないが、均一であることが好ましい。

【００２５】部材（Ａ）の形状は任意であるが、シート
状、板状、塗膜状、又は棒状であることが好ましい。部
材（Ａ）が表面に溝を有するものである場合には、溝が
形成された面が平面状の形状であることが好ましい。ま
た、部材（Ｂ）は複数の素材で構成された複合体であっ
て良い。例えば積層体であっても良いし、支持体上に形
成されたものであってもよい。

【００２６】部材（Ｂ）は、表面に溝を有する部材
（Ａ）の溝が形成された面に接着し、部材（Ａ）の溝と
部材（Ｂ）でもって流路を形成することが可能なもの、
あるいは、部材（Ａ）と部材（Ｂ）との間に、流路とな
る部分を除いて固体状物質を充填することにより部材
（Ａ）と部材（Ｂ）と固体状物質でもって流路を形成す
ることが可能なものであれば、その形状、構造、表面状
態などは任意である。

【００２７】これらについては、部材（Ａ）の場合と同
様である。部材（Ｂ）は、その表面に溝が形成されてい
る必要はないが、溝や溝以外の構造が形成されていても
良い。例えば、部材（Ｂ）は、表面に溝が形成された部
材（Ａ）の鏡像体であってもよい。

【００２８】表面に溝を有する部材（Ａ）と部材（Ｂ）
の接着方法は、部材（Ａ）の表面の溝が流路として形成
される方法であれば任意であり、溶剤型接着剤の使用、
無溶剤型接着剤の使用、溶融型接着剤の使用、部材
（Ａ）及び／又は部材（Ｂ）表面への溶剤塗布、熱や超
音波による融着等を使用しうるが、無溶剤型の接着剤の
使用が好ましい。

【００２９】無溶剤型接着剤としてエネルギー線硬化性
樹脂を用い、エネルギー線照射により硬化させて接着す
る方法が、微小なデバイスの精密な接着が可能であり、
生産性も高いことから、好ましい。また、溝に保護材を
充填した状態で接着した後、保護材を除去する方法を採
ることも可能である。部材（Ｂ）は接着剤の硬化物その
ものであってもよい。また、部材部材（Ｂ）は複数の素
材で構成された複合体、例えば積層体であっても良い。

【００３０】部材（Ａ）と部材（Ｂ）との間の流路以外
の部分に固体状物質を充填することによって形成される
構造の流路を形成する方法は、例えば、部材（Ａ）と部
材（Ｂ）の間にエネルギー線硬化性組成物を挟持し、部
材（Ａ）及び／又は部材（Ｂ）の外部から、流路となる
部分を除いてエネルギー線を照射し、未硬化のエネルギ
ー線硬化性組成物を除去する方法、流路となるべき部分
を切り抜いた接着性のシート状部材を部材（Ａ）と部材
（Ｂ）間に挟んで互いに接着する方法、流路となるべき
部分に、四フッ化エチレン製の棒状物の如き保護物質を
置き、接着剤や溶融樹脂を充填・固化した後、保護物質
を除去する方法等を採ることができる。

【００３１】本法は工程数は少ないが、流路径が小さく
なると、未硬化のエネルギー線硬化性組成物や保護物質
の除去が困難となるため、比較的寸法の大きな流路を形
成する方法として好適である。

【００３２】本微小ケミカルデバイスを形成する部材、
例えば部材（Ａ）や部材（Ｂ）の材質は任意であり、ガ
ラス、石英のような結晶、シリコンのような半導体、ス
テンレススチールのような金属、セラミック、炭素、高
分子重合体（以下、単に重合体と称する）などであり得
るが、重合体であることが、電熱係数が低く微小な部分
の温度設定が可能であるため好ましい。

【００３３】重合体は、単独重合体であっても、共重合
体であっても良く、また、熱可塑性重合体であっても、
熱硬化性重合体であっても良い。生産性の面から、熱可
塑性重合体又はエネルギー線硬化性組成物の硬化物であ
ることが好ましい。なお、部材（Ａ）と部材（Ｂ）の接
着、部材（Ｃ）の硬化、感温性ゲルの形成などに於いて
エネルギー線を使用する場合には、必要に応じて、部材
（Ａ）、部材（Ｂ）の少なくとも一方に、使用するエネ
ルギー線を透過させるものを使用する。

【００３４】本発明の微小ケミカルデバイスを形成する
部材に使用できる重合体としては、例えば、ポリスチレ
ン、ポリ−α−メチルスチレン、ポリスチレン／マレイ
ン酸共重合体、ポリスチレン／アクリロニトリル共重合
体の如きスチレン系重合体；ポルスルホン、ポリエーテ
ルスルホンの如きポリスルホン系重合体；ポリメチルメ
タクリレート、ポリアクリロニトリルの如き（メタ）ア
クリル系重合体；

【００３５】ポリマレイミド系重合体；ビスフェノール
Ａ系ポリカーボネート、ビスフェノールＦ系ポリカーボ
ネート、ビスフェノールＺ系ポリカーボネートの如きポ
リカーボネート系重合体；ポリエチレン、ポリプロピレ
ン、ポリ−４−メチルペンテン−１の如きポリオレフィ
ン系重合体；塩化ビニル、塩化ビニリデンの如き塩素含
有重合体；酢酸セルロース、メチルセルロースの如きセ
ルロース系重合体；ポリウレタン系重合体；ポリアミド
系重合体；ポリイミド系重合体；

【００３６】ポリ−２，６−ジメチルフェニレンオキサ
イド、ポリフェニレンサルファイドの如きポリエーテル
系又はポリチオエーテル系重合体；ポリエーテルエーテ
ルケトンの如きポリエーテルケトン系重合体；ポリエチ
レンテレフタレート、ポリアリレートの如きポリエステ
ル系重合体；エポキシ樹脂；ウレア樹脂；フェノール樹
脂などが挙げられる。これらの中でも、接着性が良好な
点などから、スチレン系重合体、（メタ）アクリル系重
合体、ポリカーボネート系重合体、ポリスルホン系重合
体、ポリエステル系重合体が好ましく用いられる。

【００３７】エネルギー線硬化性組成物を構成するエネ
ルギー線硬化性化合物は、ラジカル重合性、アニオン重
合性、カチオン重合性等任意のものであってよい。エネ
ルギー線硬化性化合物は、重合開始剤の非存在下で重合
するものに限らず、重合開始剤の存在下でのみエネルギ
ー線により重合するものも使用することができる。

【００３８】そのようなエネルギー線硬化性化合物とし
ては、重合性の炭素−炭素二重結合を有するものが好ま
しく、中でも、反応性の高い（メタ）アクリル系化合物
やビニルエーテル類、また光重合開始剤の不存在下でも
硬化するマレイミド系化合物が好ましい。

【００３９】エネルギー線硬化性化合物として好ましく
使用することができる架橋重合性の（メタ）アクリル系
単量体としては、例えば、ジエチレングリコールジ（メ
タ）アクリレート、ネオペンチルグリコールジ（メタ）
アクリレート、１，６−ヘキサンジオールジ（メタ）ア
クリレート、１，８−オクタンジオールジ（メタ）アク
リレート、２，２’−ビス（４−（メタ）アクリロイル
オキシポリエチレンオキシフェニル）プロパン、

【００４０】２，２’−ビス（４−（メタ）アクリロイ
ルオキシポリプロピレンオキシフェニル）プロパン、ヒ
ドロキシジピバリン酸ネオペンチルグリコールジ（メ
タ）アクリレート、ジシクロペンタニルジアクリレー
ト、ビス（アクロキシエチル）ヒドロキシエチルイソシ
アヌレート、Ｎ−メチレンビスアクリルアミドの如き２
官能単量体；

【００４１】トリメチロールプロパントリ（メタ）アク
リレート、トリメチロールエタントリ（メタ）アクリレ
ート、トリス（アクロキシエチル）イソシアヌレート、
カプロラクトン変性トリス（アクロキシエチル）イソシ
アヌレートの如き３官能単量体；ペンタエリスリトール
テトラ（メタ）アクリレートの如き４官能単量体；ジペ
ンタエリスリトールヘキサ（メタ）アクリレートの如き
６官能単量体などが挙げられる。

【００４２】また、エネルギー線硬化性化合物として、
重合性オリゴマー（プレポリマーとの呼ばれる）を用い
ることもでき、例えば、重量平均分子量が５００〜５０
０００のものが挙げられる。そのような重合性オリゴマ
ーしては、例えば、エポキシ樹脂の（メタ）アクリル酸
エステル、ポリエーテル樹脂の（メタ）アクリル酸エス
テル、ポリブタジエン樹脂の（メタ）アクリル酸エステ
ル、分子末端に（メタ）アクリロイル基を有するポリウ
レタン樹脂などが挙げられる。

【００４３】マレイミド系の架橋重合性のエネルギー線
硬化性化合物としては、例えば、４，４’−メチレンビ
ス（Ｎ−フェニルマレイミド）、２，３−ビス（２，
４，５−トリメチル−３−チエニル）マレイミド、１，
２−ビスマレイミドエタン、１，６−ビスマレイミドヘ
キサン、トリエチレングリコールビスマレイミド、Ｎ，
Ｎ’−ｍ−フェニレンジマレイミド、ｍ−トリレンジマ
レイミド、Ｎ，Ｎ’−１，４−フェニレンジマレイミ
ド、Ｎ，Ｎ’−ジフェニルメタンジマレイミド、

【００４４】Ｎ，Ｎ’−ジフェニルエーテルジマレイミ
ド、Ｎ，Ｎ’−ジフェニルスルホンジマレイミド、１，
４−ビス（マレイミドエチル）−１，４−ジアゾニアビ
シクロ−［２，２，２］オクタンジクロリド、４，４’
−イソプロピリデンジフェニル＝ジシアナート・Ｎ，
Ｎ’−（メチレンジ−ｐ−フェニレン）ジマレイミドの
如き２官能マレイミド；Ｎ−（９−アクリジニル）マレ
イミドの如きマレイミド基とマレイミド基以外の重合性
官能基とを有するマレイミドなどが挙げられる。

【００４５】マレイミド系の架橋重合性オリゴマーとし
ては、例えば、ポリテトラメチレングリコールマレイミ
ドカプリエート、ポリテトラメチレングリコールマレイ
ミドアセテートの如きポリテトラメチレングリコールマ
レイミドアルキレートなどが挙げられる。

【００４６】マレイミド系の単量体やオリゴマーは、こ
れら同士、及び／又はビニル単量体、ビニルエーテル
類、アクリル系単量体の如き重合性炭素・炭素二重結合
を有する化合物と共重合させることもできる。

【００４７】これらの化合物は、単独で用いることもで
き、２種類以上を混合して用いることもできる。上に例
示した化合物の中に、単独ではその硬化物が指定の引張
弾性率の範囲から外れるものもあるが、他の共重合性化
合物、例えば単官能（メタ）アクリル系単量体などの単
官能単量体や、可塑剤などの非反応性化合物を混合使用
することにより、それらを使用することができる。

【００４８】エネルギー線硬化性組成物には、必要に応
じて、光重合開始剤を添加することもできる。光重合開
始剤は、エネルギー線として使用する光線に対して活性
であり、エネルギー線硬化性化合物を重合させることが
可能なものであれば、特に制限はなく、例えば、ラジカ
ル重合開始剤、アニオン重合開始剤、カチオン重合開始
剤であって良い。光重合開始剤は、マレイミド化合物で
あって良い。

【００４９】混合使用できる単官能マレイミド系単量体
としては、例えば、Ｎ−メチルマレイミド、Ｎ−エチル
マレイミド、Ｎ−ブチルマレイミド、Ｎ−ドデシルマレ
イミド、の如きＮ−アルキルマレイミド；Ｎ−シクロヘ
キシルマレイミドの如きＮ−脂環族マレイミド；Ｎ−ベ
ンジルマレイミド；Ｎ−フェニルマレイミド、Ｎ−（ア
ルキルフェニル）マレイミド、Ｎ−ジアルコキシフェニ
ルマレイミド、Ｎ−（２−クロロフェニル）マレイミ
ド、２，３−ジクロロ−Ｎ−（２，６−ジエチルフェニ
ル）マレイミド、２，３−ジクロロ−Ｎ−（２−エチル
−６−メチルフェニル）マレイミドの如きＮ−（置換又
は非置換フェニル）マレイミド；

【００５０】Ｎ−ベンジル−２，３−ジクロロマレイミ
ド、Ｎ−（４’−フルオロフェニル）−２，３−ジクロ
ロマレイミドの如きハロゲンを有するマレイミド；ヒド
ロキシフェニルマレイミドの如き水酸基を有するマレイ
ミド；Ｎ−（４−カルボキシ−３−ヒドロキシフェニ
ル）マレイミドの如きカルボキシ基を有するマレイミ
ド；Ｎ−メトキシフェニルマレイミドの如きアルコキシ
基を有するマレイミド；Ｎ−［３−（ジエチルアミノ）
プロピル］マレイミドの如きアミノ基を有するマレイミ
ド；Ｎ−（１−ピレニル）マレイミドの如き多環芳香族
マレイミド；Ｎ−（ジメチルアミノ−４−メチル−３−
クマリニル）マレイミド、Ｎ−（４−アニリノ−１−ナ
フチル）マレイミドの如き複素環を有するマレイミド等
が挙げられる。

【００５１】エネルギー線としては、紫外線、可視光
線、赤外線の如き光線；エックス線、ガンマ線の如き電
離放射線；電子線、イオンビーム、ベータ線、重粒子線
の如き粒子線が挙げられる。また、素材は、ポリマーブ
レンドやポリマーアロイであっても良いし、発泡体、積
層体、その他の複合体であっても良い。

【００５２】また、素材は改質剤、着色剤など、その他
の成分を含有していても良い。素材に含有させることが
できる改質剤としては、例えば、シリコンオイルやフッ
素置換炭化水素の如き疎水化剤（撥水剤）；アニオン
系、カチオン系、ノニオン系などの界面活性剤、シリカ
ゲルの如き無機粉末、ポリビニルピロリドンの如き親水
性重合体などの親水化剤；引張弾性率を調節するための
可塑剤等が挙げられる。素材に含有させることができる
着色剤としては、例えば、任意の染料や顔料、蛍光性の
染料や顔料、紫外線吸収剤が挙げられる。

【００５３】本発明において、温度調節（以下、温度調
節を単に温調と称する場合がある）される微小ケミカル
デバイス内の領域（以下、温調領域と称する場合があ
る）は、微小ケミカルデバイス内の温調すべき１つ以上
の領域であり、微小ケミカルデバイス内の、例えば流
路、貯液槽、廃液吸収部、その他の領域であり得る。温
調すべき領域が、流路であることが最も有用であり好ま
しい。

【００５４】温調領域は微小ケミカルデバイス全体であ
っても良いが、該デバイス内に温調領域以外の領域を有
していても良い。温調領域以外の領域は室温であること
が好ましい。温調領域は、同一温度又は異なる温度の２
つ以上の領域であっても良い。本発明は特に、温調領域
が微小ケミカルデバイスの一部の領域である場合、及び
／又は温調領域が２つ以上の領域である場合に効果を発
揮する。この点から、本発明が適用される微小ケミカル
デバイスはマイクロリアクターである場合に好適であ
り、ＰＣＲデバイスである場合に特に好適である。

【００５５】本発明に於いては、各温調領域に於いて、
温度調節すべき領域を少なくとも２方向から挟む形状に
発熱体又は吸熱体が設けられている。微小ケミカルデバ
イスがシート状や板状である場合には、温調領域を挟む
２方向が表裏両面側であることが好ましい。微小ケミカ
ルデバイスが直接又は間接的に接着された部材（Ａ）と
部材（Ｂ）との間に流路が形成されたものである場合に
は、発熱体又は吸熱体は、部材（Ａ）側と部材（Ｂ）側
から温調すべき領域を挟むように設けられていることが
好ましく、発熱体又は吸熱体は、部材（Ａ）と部材
（Ｂ）に埋め込まれ、或いは固定されていることが好ま
しい。

【００５６】発熱体又は吸熱体の温度は、温調すべき領
域の両側で同じであっても良いし、異なっていても良い
が、同じであることが好ましい。発熱体又は吸熱体は任
意であり、固体、液体通路、気体通路などであって良
く、例えば金属、金属酸化物、半導体、炭素、導電性プ
ラスチックなどの電気ヒーター；ペルチエ素子や金属接
合；温水、冷水、オイル、空気、窒素等の熱媒流体の通
路；揮発させた液化炭酸ガスや液体窒素などの冷気の通
路；赤外線、マイクロ波などの電磁波の吸収体；変動磁
場による発熱体、及びこれらを複合した方法を例示でき
る。

【００５７】これらの中で、発熱体は電気ヒーターであ
ることが、構造が単純となり好ましい。電気ヒーター
は、ニクロム線等の金属線；炭素製の繊維、織物、マッ
ト、ブロック；金属、金属酸化物、炭素等の抵抗発熱体
の蒸着膜であることが好ましく、上記抵抗発熱体の蒸着
膜であることが、温調の正確さや製造の容易さの面から
特に好ましい。発熱体又は吸熱体の種類は温調すべき領
域の両側で異なっていても良いが、同じであることが好
ましい。

【００５８】温調すべき領域と発熱体又は吸熱体との距
離は、好ましくは１０ｍｍ以下であり、更に好ましくは
５ｍｍ以下、最も好ましくは２ｍｍ以下である。これよ
り離れると、設定希望温度領域が微小である場合に温調
精度が低下しがちである。該距離の下限は、小さいこと
自体による不都合はないため特に限定を設けることを要
せず、発熱体又は吸熱体が固体である場合には、ゼロで
あっても良い。即ち温調すべき領域が直接発熱体又は吸
熱体と接触していても良い。

【００５９】しかしながら、発熱体又は吸熱体が固体で
あっても材質的に接触が不都合である場合や、流体通路
である場合には、好ましくは０．５μｍ以上、更に好ま
しくは２μｍ以上である。温調すべき領域とそれを挟む
位置にある各発熱体又は吸熱体との距離は異なっていて
も良いが、同じであることが好ましい。

【００６０】本発明に於いては、温調すべき領域を挟む
形状に設置された発熱体又は吸熱体の間に温度検出器が
設けられる。温度検出器は、例えば温調すべき領域と同
じ平面内に設けられていても良いし、温調すべき領域
と、発熱体又は吸熱体の間に設けられていてもいが、温
調すべき領域と同じ平面内に設けられていること、及び
／又は、発熱体又は吸熱体から等距離の位置に設けられ
ていることが好ましい、

【００６１】発熱体又は吸熱体は、その間に設置された
温度検出器の温度測定値に基づいて温調することが出来
る。温度測定値は温度検出器の出力信号そのものであっ
ても良いし、温度検出器の出力信号を外部の機器によっ
て温度測定値に変換されても良い。温度検出器の出力信
号は任意であり、例えば、電圧、電流、電気抵抗値など
の電気信号；吸光度（紫外、可視、赤外）、色調、反射
率、蛍光強度等の光学的信号などであって良い。

【００６２】温度検出器の温度測定値に基づく温調方法
は任意である。手動であっても良いし、自動であっても
良い。温度検出器は温調される領域毎に設けられて、そ
の領域毎に温調されることが好ましいが、１つの温度検
出器の出力信号に基づいて他の領域や複数の領域を制御
することも可能である。複数の領域が熱的に等価な形状
である場合や、構造や設定温度が異なる場合であって
も、２つの領域間の温度関係が把握されている場合に
は、上記のように簡略化することが出来る。

【００６３】微小ケミカルデバイスの温調領域以外の領
域の温度については任意であり、例えば室温空気に解放
しても良いし、温調空気の気流に当ててもよい。

【００６４】

【実施例】以下、実施例により本発明を更に具体的に説
明するが、本発明はこれによって限定されるものではな
い。

【００６５】［実施例１］〔微小ケミカルデバイスの作製〕平均分子量約２０００
の３官能ウレタンアクリレートオリゴマー（大日本イン
キ化学工業株式会社製の「ユニディックＶ−４２６
３」）を３５部、１，６−ヘキサンジオールジアクリレ
ート（第一工業製薬株式会社製の「ニューフロンティア
ＨＤＤＡ」）を３５部、ノニルフェノキシポリエチレン
グリコール（ｎ＝１７）アクリレート（第一工業製薬株
式会社製の「Ｎ−１７７Ｅ」）を３０部、１−ヒドロキ
シシクロヘキシルフェニルケトン（チバガイギー社製の
「イルガキュアー１８４」）を５部、及び２，４−ジフ
ェニル−４−メチル−１−ペンテン（関東化学株式会社
製）を０．１部を混合して均質な紫外線硬化性の組成物
（ｘ−１）を調製した。

【００６６】５ｃｍ×５ｃｍ×１ｍｍのアクリル樹脂板
（三菱レイヨン株式会社製の「アクリライトＬ」）製の
基材（１）に、バーコーターを用いて組成物（ｘ−１）
を塗布し、ウシオ電機(株)製のマルチライト２００型露
光装置用光源ユニットを用いて、５０ｍｗ／ｃｍ²の紫
外線を３秒間照射して、塗膜を半硬化させ、厚さ８５μ
ｍの半硬化した樹脂第１層（２）を形成した。

【００６７】この樹脂第１層（２）の上に、バーコータ
ーを用いて組成物（ｘ−１）を塗布し、フォトマスクを
使用して、図１に示された流路（４）及び熱伝対封入部
（５）となる部分以外の部分に、上と同じ紫外線を１秒
間照射して、照射部分の塗膜を半硬化させた後、水流に
て未照射部の未硬化の組成物を除去し、幅９２μｍ、深
さ８８μｍ、長さ１８ｍｍ×２０ターンの流路（４）と
なるべき溝及び熱伝対封入部（５）となる溝が樹脂欠損
部として形成された樹脂第２層（３）を形成した。

【００６８】基材に用いたと同じ５ｃｍ×５ｃｍ×１ｍ
ｍのアクリル樹脂板に、バーコーターを用いて、組成物
（ｘ−１）を塗布し、上で用いたと同じ紫外線をフォト
マスク無しで１秒間照射し、塗膜を半硬化させて厚さ９
８μｍの、樹脂第３層（５）となる半硬化塗膜と成し
た。

【００６９】樹脂第２層（３）の３つの熱伝対封入部
（５）にそれぞれ組成物（ｘ−１）を塗布した熱伝対を
装着し、その上から樹脂第３層（３）となる半硬化塗膜
の面を樹脂第２層（３）と密着させて、その状態で紫外
線を更に３０秒間照射して全ての樹脂層を硬化させて、
樹脂第３層（５）及びカバー（７）を接着すると同時に
樹脂第２層（３）の溝を毛細管状の流路（４）と成し、
また、熱伝対（５）を樹脂第２層（３）の熱伝対封入部
（５）に封入した。

【００７０】次いで、流路（４）の一方の端の位置に、
１．６ｍｍのドリルにて基材（１）及び樹脂第１層
（２）に穴を穿ち、その部分に直径１．６ｍｍのステン
レスパイプを接着して導入口（１５）を形成した。同様
にして流路の他の端に流出口（１６）を形成して、図１
及び図２に示された形状の、微小ケミカルデバイス［Ｄ
−１］前駆体を作製した。

【００７１】〔電気ヒーターの形成〕微小ケミカルデバ
イス［Ｄ−１］前駆体の、基材（１）の底面及びカバー
の上面における、図１に示された３つの領域（８、９、
１０）及び（８、９、１０）の裏面に位置する（８’、
９’、１０’）に、炭素を真空蒸着し、その各端部に金
蒸着膜（１１）を形成して、導電性接着剤を用いて導線
（１２）を接続した。

【００７２】更に、基材（１）の底面に、組成物（ｘ−
１）を塗布し、上で用いたと同じ紫外線をフォトマスク
無しで３０秒間照射し、塗膜を硬化させて厚さ９８μｍ
の硬化塗膜による保護層（１３）を形成した。また、カ
バーの上面についても同様にして、保護層（１４）を形
成し、ＰＣＲ用の微小ケミカルデバイス［Ｄ−１］を作
製した。

【００７３】〔ＰＣＲ試験〕鋳型プラスミドDNA：4.0μ
l、ポリメラーゼ［宝酒造株式会社製「TaKaRa Ex Taq T
M」］：2.0μl、緩衝液［宝酒造株式会社製「10X ExTaq
TM Buffer」］：8.0μl、基質［宝酒造株式会社製「dN
TP Mixture (2.5mM each)」］：6.4μl、プライマー[宝
酒造株式会社製「Fluorescein-Labeled Primer M4 (1pm
ol/μl)」]：20μl、プライマー[宝酒造株式会社製「Fl
uorescein-Labeled Primer RV-M (1pmol/μl)」]：20μ
l、及び滅菌蒸留水：19.6μlを混合して、反応溶液を調
製し、吸引鐘中で振りながらアスピレーターにて１０秒
間減圧して溶存空気を除去しアルゴン封入した。

【００７４】微小ケミカルデバイス［Ｄ−１］の基材
（１）面を上にして置き、温調装置の３つの温調領域
（８，８’）、（９、９’）、（１０，１０’）を、各
領域に封入された熱伝対による温度測定値がそれぞれ９
５℃、７５℃、４５℃と成るように炭素蒸着膜に流す電
流を調節して温調した。

【００７５】室温２５℃にて、微小ケミカルデバイス
（Ｄ−１）の導入口（１５）から、マイクロシリンジを
用いてＰＣＲ反応溶液を滞留時間２０分となる流量で４
０分間流してＰＣＲ試験を行った。流出口（１６）から
流出した反応溶液を採取し、電気泳動分析にかけたとこ
ろ、ＤＮＡが増幅されていることが確認された。同じＰ
ＣＲ試験を室温１５℃及び３５℃にて実施したところ、
得られた電気泳動の結果はいずれも同様で、室温の影響
を受けず、再現性良い結果が得られた。

【００７６】［比較例１］〔微小ケミカルデバイスの作製〕基材（１）の上面に炭
素蒸着膜（８’、９’、１０’）を形成しなかったこと
以外は実施例１と同様にして、微小ケミカルデバイスを
作製した。

【００７７】〔ＰＣＲ試験〕実施例１と同様にして、Ｐ
ＣＲ試験を行った。その結果、１５℃では領域（８’）
にて溶液が沸騰して液切れが発生し、流出液にはＤＮＡ
が殆ど認められなかった。室温２５℃及び３５℃では、
ＤＮＡの増幅は認められたものの、実施例１よりその濃
度が低かった。このように、微小ケミカルデバイスに埋
め込んだ熱電対の温度測定値を基準にした片面からの温
調では、表示温度と実温に乖離があり、また室温変動の
影響を受けやすいことが分かる。

【００７８】

【発明の効果】本発明は、一般に正確な温度測定が困難
である微小ケミカルデバイス中の所望の領域を容易、且
つ正確に温度調節することが出来る温度調節機構を有す
る微小ケミカルデバイスを提供する。本発明は、特にマ
イクロリアクターやマイクロＰＣＲデバイスとして好適
に用いられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例で使用したＰＣＲ用微小ケミカルデバイ
スを表面に直角な方向から見た平面図の模式図である。

【図２】実施例で使用したＰＣＲ用微小ケミカルデバイ
スの立面図の模式図である。

【符号の説明】１：基材２：樹脂第１層３：樹脂第２層４：流路５：熱伝対封入部、熱伝対６：樹脂第３層７：カバー８、８’：炭素蒸着膜、９５℃温調領域９、９’：炭素蒸着膜、７５℃温調領域１０、１０’：炭素蒸着膜、４５℃温調領域１１：金蒸着膜１２：導線１３：保護層１４：保護層１５：導入口１６：流出口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G042 AA01 BD19 GA01 HA02 4B029 AA07 AA23 BB20 CC10 CC11 FA12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】毛細管状の流路を有する微小ケミカルデ
バイス内の温度調節すべき領域の少なくとも２方向に発
熱体又は吸熱体が設けられており、該発熱体又は吸熱体
に挟まれた位置に温度検出器が設けられている温度調節
機構を有する微小ケミカルデバイス。
【請求項２】微小ケミカルデバイスが、表面に溝を有
する部材（Ａ）と、部材（Ａ）の溝が形成された面に接
着された部材（Ｂ）で構成されており、流路が部材
（Ａ）の溝と部材（Ｂ）とで形成されたものである請求
項１に記載の温度調節機構を有する微小ケミカルデバイ
ス。
【請求項３】部材（Ａ）と部材（Ｂ）の間に固体状物
質（Ｃ）が充填された構造を有し、流路が固体状物質
（Ｃ）の欠損部として形成されたものである請求項１又
は２に記載の微小ケミカルデバイス。
【請求項４】発熱体又は吸熱体が、部材（Ａ）及び／
又は部材（Ｂ）に封入、固定されたものである請求項２
又は３に記載の微小ケミカルデバイス。
【請求項５】発熱体が、電気ヒーターである請求項１
〜４のいずれか１つに記載の微小ケミカルデバイス。
【請求項６】電気ヒーターが、抵抗発熱体の蒸着膜で
ある請求項５に記載の微小ケミカルデバイス。
【請求項７】温度検出器が電気式温度検出器である請
求項１〜６のいずれか１つに記載の微小ケミカルデバイ
ス。
【請求項８】微小ケミカルデバイス内の温度調節すべ
き領域が２つ以上である請求項１〜７のいずれか１つに
記載の微小ケミカルデバイス。
【請求項９】微小ケミカルデバイスがマイクロリアク
ターである請求項１〜８のいずれか１つに記載の微小ケ
ミカルデバイス。
【請求項１０】マイクロリアクターがピーシーアール
（ＰＣＲ）デバイスである請求項９に記載の微小ケミカ
ルデバイス。