JP2003302359A

JP2003302359A - マイクロ化学システム用チップ部材

Info

Publication number: JP2003302359A
Application number: JP2002110388A
Authority: JP
Inventors: Takao Miwa; 隆雄三輪
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2003-10-24

Abstract

(57)【要約】【課題】基板間の高い位置決め精度を不要とし、マイ
クロ化学システム全体を小型化することができるマイク
ロ化学システム用チップ部材を提供する。【解決手段】マイクロ化学システム用チップ部材１０
０は、透明な板状のガラス基板１１と、ガラス基板１１
の一方の表面に一体に接合された透明な板状のガラス基
板１２とを備える。ガラス基板１１は、その一方の表面
に両端が夫々Ｙ字形に分岐している分析用流路１３と、
分析用流路１３の各分岐端に設けられた４つのバッファ
部１４とを有し、さらに分析用流路１３の各バッファ部
１４の対向位置において分析用流路１３をガラス基板１
１の他方の表面に開口する４つの貫通孔１５とを有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ化学シス
テム用チップ部材に関し、特に、光熱変換分光分析用の
マイクロ化学システムに用いられるマイクロ化学システ
ム用チップ部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、化学反応を微小空間で行うた
めの集積化技術が、反応の高速性や微小量での反応、オ
ンサイト分析等の観点から注目され、世界的に精力的に
研究が進められている。

【０００３】化学反応の集積化技術の１つとしてのマイ
クロ化学システムは、マイクロ化学システム用チップ部
材の内部に形成された微細な分析用流路の中で溶液試料
の混合、反応、分離、抽出、検出などを行うことを目的
としたものである。マイクロ化学システムで行う反応の
例には、ジアゾ化反応、ニトロ化反応、抗原抗体反応が
あり、抽出や分離の例には、溶媒抽出、電気泳動分離、
カラム分離などがある。「分離」のみを目的としたもの
として、極微量のタンパクや核酸等を分析する電気泳動
装置が提案されており、この装置に用いられているマイ
クロ化学システム用チップ部材は、互いに接合された２
枚のガラス基板で構成され、一方のガラス基板の接合面
に分析用流路が形成されたものである（例えば、特開平
８−１７８８９７号公報）。このマイクロ化学システム
用チップ部材は板状であるので、断面が円形又は角形の
ガラスキャピラリチューブに比べて破損しにくく、取扱
いが容易である。

【０００４】マイクロ化学システムにおいては、溶液試
料の量が微量であるので、高度な検出方法が必須である
が、分析用流路の溶液試料の光吸収により発生する熱レ
ンズ効果を利用した光熱変換分光分析法が確立されるこ
とにより、実用化への道が開かれている。

【０００５】図６は、従来のマイクロ化学システム用チ
ップ部材の概略構成を示す分解斜視図である。

【０００６】マイクロ化学システム用チップ部材６０
は、ガラス基板６１と、ガラス基板６１の一方の表面に
一体に接合されたガラス基板６２とを備える。ガラス基
板６１は、その一方の表面に両端が夫々Ｙ字形に分岐し
ている分析用流路６３と、分析用流路６３の各分岐端に
設けられた４つのバッファ部６４とを有し、ガラス基板
６２は、ガラス基板６１の各バッファ部６４の対向位置
において４つの貫通孔６５を有する。

【０００７】このようなガラス基板が６１，６２が接合
されたマイクロ化学システム用チップ部材６０では、貫
通孔６５の少なくとも１つを介して分析用流路６３に溶
液試料が注入され、そこで光熱変換分光分析法を用いて
溶液試料の分析が行われる。

【０００８】上記光熱変換分光分析法は、溶液試料に光
を集光照射したときに溶液試料中の溶質の光吸収に起因
してその後放出される熱エネルギーにより溶液試料が局
所的に温度上昇して屈折率が変化し、その結果熱レンズ
が形成されるという光熱変換効果を利用するものであ
る。

【０００９】上記光熱変換効果を利用して微量の溶液試
料の検出を行うマイクロ化学システムとしては、例えば
特開平１０−２３２２１０号公報に記載されたものが提
案されている。

【００１０】このマイクロ化学システムにおいては、マ
イクロ化学システム用チップ部材は、顕微鏡の対物レン
ズの下方に配置され、励起光光源から出力された所定波
長の励起光は、顕微鏡に入射し、この顕微鏡の対物レン
ズによりマイクロ化学システム用チップ部材の分析用流
路内の溶液試料に集光照射される。その集光照射された
励起光は、溶液試料の焦点位置で吸収されて、その集光
照射位置を中心として熱レンズが形成される。

【００１１】一方、検出光光源から出力された波長が励
起光と異なる検出光は、顕微鏡に入射し、顕微鏡から出
射される。この検出光は、励起光により溶液試料に形成
された熱レンズに集光照射され、溶液試料を透過して発
散又は集光する。この溶液試料から発散又は集光して出
射された光は信号光となり、その信号光は、集光レンズ
及びフィルタ又はフィルタのみを経て光電変換器により
電気信号とされ、この電気信号は検出器により検出され
る。この検出器により検出された電気信号の強度は、溶
液試料において形成された熱レンズに応じて変化する。
なお、検出光は励起光と同じ波長のものでもよく、ま
た、励起光が検出光を兼ねることもできる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記マ
イクロ化学システム用チップ部材６０では、ガラス基板
６２の貫通孔６５からガラス基板６１のバッファ部６４
への溶液試料を安定的に流すためには、ガラス基板６１
に対するガラス基板６２の位置決めを精度よく行うこと
により、貫通孔６５とバッファ部６４とのズレをなくす
必要があった。

【００１３】即ち、分析用流路６３の幅及び深さは、通
常数１０〜数１００μｍと小さいため、ガラス基板６２
に設けられているバッファ部６４の位置を分析用流路６
３に確実に合わせることは困難であった。

【００１４】また、ガラス基板６１の一方の表面上の分
析用流路６３は、分析用流路６３が化学エッチング法で
形成された場合等は内壁面が曲面状となるので、マイク
ロ化学システム用チップ部材６０を光熱変換分光分析用
として用いた場合、検出光や励起光の乱反射を避けるた
めに４つの貫通孔６５を有するガラス基板６２を対物レ
ンズ側となるよう設置することが好ましい。従って、貫
通孔６５から溶液試料を注入排出するための設備を対物
レンズと同じくガラス基板６２側に配置する必要が生
じ、マイクロ化学システム全体が大型化するという問題
があった。

【００１５】本発明の目的は、基板間の高い位置決め精
度を不要とし、マイクロ化学システム全体を小型化する
ことができるマイクロ化学システム用チップ部材を提供
することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載のマイクロ化学システム用チップ部材
は、一方の表面に分析用流路が形成された透明基板と、
前記一方の表面に接合された他の透明基板とを備えるマ
イクロ化学システム用チップ部材において、前記透明基
板は、前記分析用流路の端部において前記分析用流路を
前記一方の表面以外の表面に開口する貫通孔を有するこ
とを特徴とする。

【００１７】請求項１記載のマイクロ化学システム用チ
ップ部材によれば、一方の表面に分析用流路が形成され
た透明基板は、分析用流路の端部において分析用流路を
透明基板の一方の表面以外の表面に開口する貫通孔を有
するので、透明基板と他の透明基板とを接合する際に、
溶液試料を安定的に流すための基板間の高い位置決め精
度を不要とすることができる。

【００１８】請求項２記載のマイクロ化学システム用チ
ップ部材は、請求項１記載のマイクロ化学システム用チ
ップ部材において、前記透明基板は、前記マイクロ化学
システムの位置決め用の孔を有することを特徴とする。

【００１９】請求項２記載のマイクロ化学システム用チ
ップ部材によれば、透明基板は、マイクロ化学システム
の位置決め用の孔を有するので、マイクロ化学システム
による光熱変換分光分析の際、マイクロ化学システム用
チップ部材の分析用流路中の溶液試料に励起光及び検出
光を確実に集光することができる。

【００２０】請求項３記載のマイクロ化学システム用チ
ップ部材は、請求項１又は２記載のマイクロ化学システ
ム用チップ部材において、前記分析用流路に注入された
溶液試料に前記一方の表面側から励起光及び検出光を照
射する照射手段を備える光熱変換分光分析用のマイクロ
化学システムに用いられることを特徴とする。

【００２１】請求項３記載のマイクロ化学システム用チ
ップ部材によれば、分析用流路に注入された溶液試料に
透明基板の一方の表面側から励起光及び検出光を照射す
る照射手段を備える光熱変換分光分析用のマイクロ化学
システムに用いられるので、検出光や励起光の乱反射を
避けるため貫通孔を有する透明基板をマイクロ化学シス
テム用チップ部材に関して照射手段の反対側に設置する
ことが好ましく、溶液試料の注入排出のための設備を照
射手段と同じ他の透明基板側に配置する必要をなくし
得、マイクロ化学システム全体を小型化することができ
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態に係る
マイクロ化学システム用チップ部材を図面を参照して詳
述する。

【００２３】本発明の実施の形態に係るマイクロ化学シ
ステム用チップ部材は、マイクロ化学システム用チップ
部材の内部に形成された微細な分析用流路の中で溶液試
料の混合、反応、分離、抽出、検出などを行うことを目
的としたマイクロ化学システムに用いられる。

【００２４】図１は、本発明の実施の形態に係るマイク
ロ化学システム用チップ部材の概略構成を示す分解斜視
図である。

【００２５】図１において、マイクロ化学システム用チ
ップ部材１００は、透明な板状のガラス基板１１と、ガ
ラス基板１１の一方の表面に一体に接合された透明な板
状のガラス基板１２とを備える。ガラス基板１１は、そ
の一方の表面に両端が夫々Ｙ字形に分岐している分析用
流路１３と、分析用流路１３の各分岐端に設けられた４
つのバッファ部１４とを有し、さらに分析用流路１３の
各バッファ部１４の対向位置において分析用流路１３を
ガラス基板１１の他方の表面に開口する４つの貫通孔１
５とを有する。これにより、ガラス基板１１とガラス基
板１２とを接合する際に、溶液試料を安定に流すための
基板間の高い位置決め精度を不要とすることができる。

【００２６】尚、本実施の形態においては、４つの貫通
孔１５は、分析用流路１３をガラス基板１１の他方の表
面に開口するが、ガラス基板１１の一方の表面以外の表
面に開口するものであればこれに限定されるものでな
く、ガラス基板１１の側縁面に開口してもよい。

【００２７】分析用流路１３は、幅及び深さが夫々１０
０μｍ程度であり、その幅及び深さによって構成される
断面の面積が非常に小さいため、分析用流路１３中を流
れる溶液試料は層流を維持できる。また、分析用流路１
３の直線部において、溶液試料が２種以上存在する場
合、これらの溶液試料の体積に比してこれらの溶液試料
が互いに接触する界面の面積（比界面積）は十分に大き
いため、夫々の溶液試料は互いに入り交じることがなく
流れる。

【００２８】貫通孔１５は、夫々、溶液試料の注入口又
は排出口の機能を果たすだけの十分な大きさを有し、直
径が数１００μｍ〜数ｍｍである。

【００２９】また、ガラス基板１１，１２は、夫々、厚
さが１ｍｍ程度、長辺が５０ｍｍ程度、短辺が２０ｍｍ
程度のほぼ同一の外形である。その材料は耐久性、対薬
品性の面からガラスが望ましく、細胞等の生体試料、例
えばＤＮＡ分析用としての用途を考慮すると、耐酸性、
耐アルカリ性の高いガラス、具体的には、硼珪酸ガラ
ス、ソーダライムガラス、アルミノ硼珪酸ガラス、石英
ガラス等が好ましい。

【００３０】尚、本実施の形態においては、ガラス基板
１１，１２は、透明なガラス基板から成るとしたが、こ
れに限定されるわけでなく、透明な合成樹脂であって、
同じく透明な接着剤で接合するようにしてもよい。合成
樹脂を用いる場合、ポリエチレンテレフタレート樹脂が
好ましいが、この他、塩化ビニール樹脂、ポリカーボネ
ート樹脂、アクリル樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエ
ーテル樹脂、ポリエチレン樹脂又はポリエチレンテレフ
タレート樹脂等でもよい。但し、プラスチックによる検
出光の吸収を抑えるためにできるだけ薄い方が望まし
い。また、一方の基板がガラスから成り、他方の基板が
ガラスとの接着性のよいＰＤＳＭ（ポリジメチルシロキ
サン）等から成るものであってもよい。

【００３１】次に、図１のマイクロ化学システム用チッ
プ部材１００の製造方法について図面を用いて説明す
る。

【００３２】図２は、図１のマイクロ化学システム用チ
ップ部材１００の製造方法のフローチャートである。

【００３３】図２において、まず、ガラス基板１１，１
２を同一の形状の板状部材となるよう成形する（ステッ
プＳ２０１）。

【００３４】次に、ガラス基板１１にドリル等により、
所定の位置に貫通孔１５を形成する（ステップＳ２０
２）。その後、ガラス基板１１の一方の表面にフッ酸な
どのエッチング液を用いる化学エッチング法、サンドブ
ラスト法、加熱プレス加工法などにより貫通孔１５と対
応する位置をバッファ部１４とする所定の形状の分析用
流路１３を形成する（ステップＳ２０３）。また、化学
エッチング法により分析用流路を形成する際の精度を良
くするため、マスクアライナー等を施す。

【００３５】最後に、ステップＳ２０３において分析用
流路１３が形成されたガラス基板１１の一方の表面に、
加熱融着又は接着剤によりガラス基板１２を接合し（ス
テップＳ２０４）、本処理を終了する。

【００３６】本処理によれば、ガラス基板１２と同一の
形状の板状部材に成形されたガラス基板１１の所定位置
にドリル等により貫通孔１５を形成した後（ステップＳ
２０２）、ガラス基板１１の一方の表面に化学エッチン
グ法等により貫通孔１５と対応する位置をバッファ部１
４とする所定の形状の分析用流路１３を形成するので
（ステップＳ２０３）、マイクロ化学システム用チップ
部材１００を容易に作成することができる。また、ステ
ップＳ２０２，Ｓ２０３の順序はこれに限定されるもの
でなく、ステップＳ２０３の処理をステップＳ２０２の
処理より先に行ってもよい。

【００３７】次に、図１のマイクロ化学システム用チッ
プ部材１００を用いたマイクロ化学システムについて説
明する。

【００３８】図３は、図１のマイクロ化学システム用チ
ップ部材１００を用いた光熱変換分光分析用のマイクロ
化学システムの概略構成を示す図である。

【００３９】図３において、レンズ付光ファイバ４０
は、励起光４５及び検出光４５’をシングルモードで伝
搬する光ファイバ４１と、光ファイバ４１の先端に取り
付けられた屈折率分布型ロッドレンズ４２と、光ファイ
バ４１の外径を屈折率分布型ロッドレンズ４２の外径と
同一かつ同軸にするためのフェルール４３とを有してい
る。屈折率分布型ロッドレンズ４２と光ファイバ４１と
はスリーブ４４によって固定されている。光ファイバ４
１と屈折率分布型ロッドレンズ４２とは密着していても
よいし、間隙があってもよい。光ファイバ４１の他端に
は不図示の励起光用光源、検出光用光源が配設されてい
る。

【００４０】マイクロ化学システム用チップ部材１００
は、ガラス基板１２が屈折率分布型ロッドレンズ４２側
となるように設置される。また、マイクロ化学システム
用チップ部材１００に関して屈折率分布型ロッドレンズ
４２と反対側から、不図示のポンプによって流量が精密
に制御されて溶液試料が注入口である貫通孔１５から注
入され、同様に、不図示のポンプによって流量が精密に
制御されて溶液試料が排出口である貫通孔１５’から排
出される。

【００４１】マイクロ化学システム用チップ部材１００
に関して屈折率分布型ロッドレンズ４２の反対側におい
て、分析用流路１３に面する位置には、励起光４５と検
出光４５’とを分離して検出光４５’のみを選択的に透
過させる波長フィルタ４６と、検出光４５’を光電変換
するための光電変換器４７とが配設されている。マイク
ロ化学システム用チップ部材１００と光電変換器４７と
の間に、検出光４５’の一部のみを選択的に透過させる
ためのピンホールを配置してもよい。光電変換器４７か
ら得られた信号は、励起光４５を変調するために用いる
不図示のモジュレーターと同期させるためにロックイン
アンプ４８に送られ、その後コンピュータ４９で解析さ
れる。

【００４２】上述のように、マイクロ化学システム用チ
ップ部材１００をガラス基板１２が屈折率分布型ロッド
レンズ４２側となるように設置することが好ましい理由
を以下に示す。

【００４３】図４は、図３のマイクロ化学システムのマ
イクロ化学システム用チップ部材１００に励起光４５又
は検出光４５’が照射された状態を示す図であり、
（ａ）は、ガラス基板１２が屈折率分布型ロッドレンズ
４２側に設置された場合、（ｂ）は、ガラス基板１１が
屈折率分布型ロッドレンズ４２側に設置された場合を示
す。

【００４４】図４において、分析用流路１３はガラス基
板１１の一方の表面に化学エッチング法等により形成さ
れるため（図２のステップＳ２０３）、内壁面が曲面状
となっていることがある。この曲面状の内壁面にガラス
基板１１の一方の表面側（分析用流路１３の開口側）か
ら励起光４５や検出光４５’が照射されると、図４
（ａ）に示すように、分析用流路１３内部の溶液試料に
確実に励起光４５や検出光４５’を照射することができ
る。逆に、この曲面状の内壁面にガラス基板１１の他方
の表面側（分析用流路１３の底部側）から励起光４５や
検出光４５’が照射されると、図４（ｂ）に示すよう
に、励起光４５や検出光４５’が乱反射し、分析用流路
１３内部の溶液試料に励起光４５や検出光４５’を照射
することができない。従って、励起光４５や検出光４
５’が乱反射することなく光熱変換分光分析を行うため
には、図４（ａ）に示すような配置が好ましく、図１の
マイクロ化学システム用チップ部材１００では、貫通孔
１５に溶液試料を注入排出するポンプを屈折率分布型ロ
ッドレンズ４２と同じくガラス基板１２側に設置する必
要をなくし得、マイクロ化学システム全体を小型化でき
る。

【００４５】図１のマイクロ化学システム用チップ部材
１００において、ガラス基板１１は、マイクロ化学シス
テム用チップ部材１００を図３のマイクロ化学システム
に対して位置決めするための位置決め用穴２１（図５）
を有していてもよい。これにより、図３のマイクロ化学
システムによる光熱変換分光分析の際、マイクロ化学シ
ステム用チップ部材１００の分析用流路１３中の溶液試
料に励起光及び検出光を確実に集光することができる。
また、毎回屈折率分布型ロッドレンズ４２を上下動して
位置合わせする必要をなくすことができる。

【００４６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、請求項１記
載のマイクロ化学システム用チップ部材によれば、一方
の表面に分析用流路が形成された透明基板は、分析用流
路の端部において分析用流路を透明基板の一方の表面以
外の表面に開口する貫通孔を有するので、透明基板と他
の透明基板とを接合する際に、溶液試料を安定的に流す
ための基板間の高い位置決め精度を不要とすることがで
きる。

【００４７】請求項２記載のマイクロ化学システム用チ
ップ部材によれば、透明基板は、マイクロ化学システム
の位置決め用の孔を有するので、マイクロ化学システム
による光熱変換分光分析の際、マイクロ化学システム用
チップ部材の分析用流路中の溶液試料に励起光及び検出
光を確実に集光することができる。

【００４８】請求項３記載のマイクロ化学システム用チ
ップ部材によれば、分析用流路に注入された溶液試料に
透明基板の一方の表面側から励起光及び検出光を照射す
る照射手段を備える光熱変換分光分析用のマイクロ化学
システムに用いられるので、検出光や励起光の乱反射を
避けるため貫通孔を有する透明基板を照射手段と反対側
に設置することが好ましく、溶液試料の注入排出のため
の設備を照射手段と同じ他の透明基板側に配置する必要
をなくし得、マイクロ化学システム全体を小型化するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るマイクロ化学システ
ム用チップ部材の概略構成を示す分解斜視図である。

【図２】図１のマイクロ化学システム用チップ部材１０
０の製造方法のフローチャートである。

【図３】図１のマイクロ化学システム用チップ部材１０
０を用いた光熱変換分光分析用のマイクロ化学システム
の概略構成を示す図である。

【図４】図３のマイクロ化学システムのマイクロ化学シ
ステム用チップ部材１００に励起光４５又は検出光４
５’が照射された状態を示す図であり、（ａ）は、ガラ
ス基板１２が屈折率分布型ロッドレンズ４２側に設置さ
れた場合、（ｂ）は、ガラス基板１１が屈折率分布型ロ
ッドレンズ４２側に設置された場合を示す。

【図５】図１におけるガラス基板１１の変形例の概略構
成を示す斜視図である。

【図６】従来のマイクロ化学システム用チップ部材の概
略構成を示す分解斜視図である。

【符号の説明】

１００マイクロ化学システム用チップ部材１１ガラス基板１２ガラス基板１３分析用流路１４バッファ部１５貫通孔

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｎ 21/41 Ｇ０１Ｎ 21/41 Ｚ 35/08 35/08 Ａ // Ｇ０１Ｎ 37/00 １０１ 37/00 １０１Ｆターム(参考） 2G040 AA02 AB07 AB12 BA01 BA24 CA12 CA23 2G057 AA01 AB06 AC01 BA03 BA05 BB01 BB02 BB06 2G058 DA07 GA06 2G059 AA05 BB04 BB12 CC16 EE01 GG10 JJ02 JJ11 JJ17 KK01 4G075 AA13 AA70 BB03 BB05 CA32 DA02 EB34 EB46 EE01 EE03 FA01 FB06 FB12 FC04 FC09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一方の表面に分析用流路が形成された透
明基板と、前記一方の表面に接合された他の透明基板と
を備えるマイクロ化学システム用チップ部材において、前記透明基板は、前記分析用流路の端部において前記分
析用流路を前記一方の表面以外の表面に開口する貫通孔
を有することを特徴とするマイクロ化学システム用チッ
プ部材。
【請求項２】前記透明基板は、前記マイクロ化学シス
テムの位置決め用の孔を有することを特徴とする請求項
１記載のマイクロ化学システム用チップ部材。
【請求項３】前記分析用流路に注入された溶液試料に
前記一方の表面側から励起光及び検出光を照射する照射
手段を備える光熱変換分光分析用のマイクロ化学システ
ムに用いられることを特徴とする請求項１又は２記載の
マイクロ化学システム用チップ部材。