JP2004074339A

JP2004074339A - マイクロチャンネルチップ

Info

Publication number: JP2004074339A
Application number: JP2002236844A
Authority: JP
Inventors: Hirozo Matsumoto; 松本　浩造; Akihiko Kadowaki; 門脇　昭彦
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-08-15
Filing date: 2002-08-15
Publication date: 2004-03-11

Abstract

【課題】基板と蓋板を低温で接合でき、接合強度が充分であって、しかも、接合材料が試料溶液に対して安定であるマイクロチャンネルチップを提供する。
【解決手段】このマイクロチャンネルチップ１０は、反応流路２１が表面に形成された基板２０と、基板表面に接合され、試料溶液を注入するための注入孔３１、３２と、反応溶液を取り出すための取出孔３３とが設けられた蓋板３０とから構成され、基板２０と蓋板３０とが、接合層４０を介して接合されている。接合層４０は、ふっ素系樹脂を主として含有する溶液を加熱処理して形成したふっ素系樹脂層、又は、有機金属化合物の加水分解・脱水縮合生成物を加熱処理して形成した金属酸化物層である。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロミキサーやマイクロリアクタ等として好適に用いられ、基板上に微小な溝を形成し、その微小空間を各種の反応場として利用するマイクロチャンネルチップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、マイクロマシニング技術を用いてシリコンやガラス、プラスチック等の基板上に微小流路を形成し、その微小空間を各種の化学反応や分析の場として利用する試みが注目を浴びている。
特に、数センチ角のチップ上に微細加工を施して、上記の微小流路を多数形成し、前処理、分離、検出、廃棄などの各工程を同時並行的に行なうように集積したものはマイクロチャンネルチップと呼ばれ、バイオ、医療、農業、環境などの各種分野において、分析技術や新規物質の合成手段等として期待されている。
【０００３】
マイクロチャンネルチップの構造は、シリコンやガラス等からなる基板と、同じくシリコンやガラス等からなる蓋板とから主に構成され、基板上には反応流路が微細加工によって形成されている。一方、蓋板には、反応流路上に対応する位置に、試料溶液を注入するための注入孔と、反応後の反応溶液を取出すための取出孔が設けられており、この基板と蓋板とが接合されて一体化することにより、マイクロチャンネルチップが構成されている。
【０００４】
このようなマイクロチャンネルチップの構造に関する従来技術として、例えば、特開平１０−３３７１７３号公報には、１０００以上の多数の生化学反応を同時に並列的に行うことができ、かつ、単なる分析だけではなく、蛋白質合成などの物質合成反応をもセル上で行うことができる生化学反応用マイクロリアクタとして、シリコン基板の表面に異方性エッチングにより形成された複数の独立した反応チャンバと、該シリコン基板の表面に陽極接合され前記反応チャンバを密閉する平板とからなるマイクロリアクタが開示されており、シリコン基板と平板とを陽極接合（静電接合）により接合することが記載されている。
【０００５】
このように、従来のマイクロチャンネルチップにおける基板と蓋板の接合においては、基板がシリコン、蓋板がガラスの場合には主として静電接合が用いられていた。また、基板と蓋板とが共にガラスの場合には、主として熱圧着が用いられ、特にガラスが石英ガラスの場合には、熱圧着又はふっ酸による接合が用いられていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
通常、マイクロチャンネルチップの反応流路内では、溶液との反応、分離、抽出、分析等が行なわれるので、基板と蓋板との接合においては、反応流路内への不純物等のコンタミネーションを防止して、化学的に安定な状態を維持すること、及び、基板と蓋板とが強固に接合し、試料溶液や反応溶液のリークが発生しないことなどが必要とされる。このため、基板と蓋板との接合においては、可能な限り低温で、電場などのない条件で接合することが好ましい。
【０００７】
しかしながら、上記の従来の接合方法のうち、静電接合においては、３００〜５００℃に加熱し、加えて数百〜数千ボルトの電界が必要となる。また、熱圧着の場合においては、ガラス同士の接合においては、５００〜１０００℃の高温に加熱する必要があり、更に、石英ガラス同士を接合する場合には、１１００〜１３００℃程度の高温加熱が必要となるという問題があった。
【０００８】
一方、石英ガラス同士の場合は、その界面にふっ酸水溶液を介在させ、ガラス表面を溶かして接合することも可能であるが、この方法では、接合面の平滑性が厳しく要求されるため、その研磨加工などに時間と経費を必要とし、かつ、その接合強度も低いという問題があった。
また、接合剤として、エポキシ樹脂などの有機系接着剤を使用することも考えられるが、エポキシ樹脂のような有機物は、試料溶液への溶解や反応のおそれがあり、反応流路内における有機物質のコンタミネーションが起こりやすいという問題があった。
【０００９】
本発明は、以上の問題点を鑑みなされたもので、シリコン、ガラス等で構成される基板と蓋板を低温で接合でき、また、接合強度が充分であって、しかも、接合材が試料溶液に対して安定であるマイクロチャンネルチップを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のマイクロチャンネルチップの１つは、試料溶液を反応させるための溝状の反応流路が表面に形成された基板と、前記反応流路を覆うように前記基板表面に接合され、前記反応流路に対応する位置に、前記試料溶液を注入するための注入孔と、反応後の反応溶液を取リ出すための取出孔とが設けられた蓋板とから構成されるマイクロチャンネルチップであって、
前記基板と前記蓋板とが接合層を介して接合されており、前記接合層が、ふっ素系樹脂を主として含有する溶液を加熱処理して形成したふっ素系樹脂層であることを特徴とする。
【００１１】
これによれば、接合層として、ふっ素系樹脂を主として含有する溶液を加熱処理して形成したふっ素系樹脂層を用いたので、１５０〜２００℃という低温での接合が可能となる。また、ふっ素系樹脂層は耐薬品性に優れて安定であるので、試料溶液との化学的反応やコンタミネーション等を有効に防止できる。
【００１２】
また、本発明のマイクロチャンネルチップの他の１つは、試料溶液を反応させるための溝状の反応流路が表面に形成された基板と、前記反応流路を覆うように前記基板表面に接合され、前記反応流路に対応する位置に、前記試料溶液を注入するための注入孔と、反応後の反応溶液を取リ出すための取出孔とが設けられた蓋板とから構成されるマイクロチャンネルチップであって、
前記基板と前記蓋板とが接合層を介して接合されており、前記接合層が、有機金属化合物の加水分解・脱水縮合生成物を加熱処理して形成した金属酸化物層であることを特徴とする。
【００１３】
これによれば、接合層として、有機金属化合物の加水分解・脱水縮合生成物を加熱処理して形成した金属酸化物層を用いたので、１３５〜２００℃という低温での接合が可能となる。また、金属酸化物層は無機物のため、耐薬品性に優れて安定であるので、試料溶液との化学的反応やコンタミネーション等を有効に防止できる。
【００１４】
本発明においては、前記接合層の厚さが、０．１〜３．０μｍであることが好ましい。これによれば、接合層が均一な薄膜であるので接合界面での強度が向上し、充分な強度で基板と蓋板とを接合することができる。
また、本発明においては、前記基板及び／又は前記蓋板の材質が、シリコン又はガラスであることが好ましい。これによれば、シリコン又はガラスは無機物で安定であり、また、本発明の接合層の材料との接着性も高いので、特に本発明のマイクロチャンネルチップに好適に用いることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を更に詳細に説明する。図１、２には、本発明のマイクロチャンネルチップの一実施形態が示されている。図１は本発明のマイクロチャンネルチップの一実施形態を示す分解斜視図、図２は図１の基板と蓋板の接合後におけるＡ−Ａ’矢示線に沿った断面図である。
【００１６】
図１に示すように、このマイクロチャンネルチップ１０は、シリコンやガラス等からなる基板２０と、同じくシリコンやガラス等からなる蓋板３０とから主に構成されている。以下、マイクロチャンネルチップ１０の製造工程に沿って順に説明する。
【００１７】
まず、基板２０上に、Ｙ字状の反応流路２１を形成する。基板２０としては、シリコン、ガラス、プラスチック等からなる従来公知の基板材料が使用できるが、微細な反応流路を形成できる点、及び、化学的安定性に優れる点等から、シリコン又はガラスが好ましく、シリコンであることが特に好ましい。基板２０の厚さは特に限定されないが、２５０〜１０００μｍのものが好ましく用いられる。
【００１８】
反応流路２１の形成方法としては、従来公知のドライプラズマエッチングや、ふっ酸溶液による湿式エッチング等の微細加工方法によって形成することができる。反応流路２１の大きさは適宜設定可能であり限定されないが、通常は幅が５００μｍ以下、深さ数十μｍ程度であることが好ましい。また、反応流路２１の形状は特にＹ字状に限定されず、対象となる試料溶液の種類、量、反応形態によって適宜選択できる。更に、反応流路２１は、同一基板２０上に複数設けられていてもよい。
【００１９】
一方、蓋板３０には、Ｙ字状の反応流路の各末端上に対応する位置に、試料溶液を注入するための注入孔３１、３２、及び、反応後の反応溶液を取出すための取出孔３３が設けられている。
蓋板３０としては、シリコン、ガラス、プラスチック等からなる従来公知の材料が使用できるが、マイクロチャンネルチップの上部より反応状態を監視、測定できるように透明材料であることが好ましく、また、試料溶液に対して安定であることが好ましいことから、ガラスであることが好ましい。
【００２０】
ガラスとしては、硼珪酸ガラスや石英ガラス等が使用でき特に限定されない。また、蓋板３０の厚さは特に限定されないが、２００〜５００μｍのものが好ましく用いられる。
注入孔３１、３２、取出孔３３の形成方法としては、反応流路２１の形状に合わせて所定の位置に適宜形成される。この孔は、例えば、ふっ酸溶液による湿式エッチング等によって形成することができる。
【００２１】
次に、蓋板３０の裏面側に接合層４０を形成する。ここで、本発明の１つは、この接合層４０が、ふっ素系樹脂を主として含有する溶液である。
ここで、ふっ素系樹脂としては特に限定されず、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）等の各種ふっ素系樹脂が使用可能であるが、なかでも、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）ポリテトラフルオロエチレン等のパーフルオロ基を有するふっ素系樹脂が好ましい。また、変性等によって結晶化度が調整されていてもよい。この場合、結晶性が低下して非晶性の樹脂であるほうが、接合層４０の透明性が向上するのでより好ましい。
【００２２】
また、ふっ素系樹脂を主として含有する溶液には、上記のふっ素系樹脂以外に、プライマー成分が含有されていることが好ましい。このようなプライマーとしては、シランカップリング剤が例示できる。これにより、シランカップリング剤のシラノール基と、ガラスやシリコン基板表面の水酸基とが結合してシロキサン結合を形成するので、基板と蓋板との接合力を向上させることができる。
【００２３】
シランカップリング剤としては、例えば、メトキシ基及びエトキシ基よりなる群から選択される少なくとも１種のアルコキシ基と、アミノ基、ビニル基、アクリル基、メタクリル基、エポキシ基、メルカプト基、ハロゲン原子、イソシアネート基よりなる群から選択される少なくとも一種の反応性官能基を有するシランカップリング剤等が例示でき、特に限定されない。
【００２４】
上記のようなふっ素系樹脂を主として含有する溶液としては、例えば、市販のふっ素樹脂系撥水コーティング剤を用いることができ、旭硝子株式会社製の商品名サイトップ等が例示できる。なお、上記のふっ素系樹脂を主として含有する溶液は、例えば、低沸点ふっ素化合物系の分散溶媒等を用いて希釈することにより粘度を低下させて塗布形成することができる。
【００２５】
一方、本発明の他の１つは、上記の接合層４０が、有機金属化合物の加水分解・脱水縮合生成物である。
ここで、有機金属化合物の加水分解・脱水縮合生成物とは、いわゆるゾルゲル法による薄膜形成が可能な化合物であり、金属の有機化合物溶液を出発原料とし、これを加水分解・脱水縮合することによって、溶液を金属の酸化物あるいは、水酸化物の微粒子が溶解したゾルとし、更に反応を進ませてゲル化した生成される非晶質物質である。
【００２６】
有機金属化合物としては、金属アルコキシドが好ましく用いられ、例えば、シリコン酸化物を形成するテトラエトキシシラン、ジルコニウム酸化物を形成するジルコニウムプロポキシド、チタン酸化物を形成するチタンインプロポキシド等が例示でき特に限定されないが、入手の容易さやコストの点から、テトラエトキシシラン等のシリコン酸化物を形成する金属アルコキシドを用いることが好ましい。
【００２７】
また、上記の有機金属化合物を加水分解・脱水縮合するための溶媒としては、例えば、水とアルコールとの混合物等の、従来公知の混合溶媒が好ましく用いられる。具体的には、水＋メタノール＋エタノール＋イソプロピルアルコール＝１：１：１：４（質量比）の割合の混合溶剤等が挙げられる。この混合溶剤と上記の有機金属化合物とを所定の割合で撹拌混合し、ｐＨ調整後、所定の時間熟成させて加水分解・脱水縮合反応を進め、粘度を低下させてゲル化させることによって塗布形成が可能となる。
【００２８】
このとき、混合溶剤と有機金属化合物との混合割合は、質量比で混合溶剤１に対して１〜１０であることが好ましい。また、ｐＨ調整は、アンモニア水等の添加によってｐＨが３〜７となるように調整することが好ましい。また、加水分解・脱水縮合反応を進める時間としては、３〜５時間が好ましい。これによって、反応生成物の粘度が１．５〜５ｃｐｓ前後まで低下してゲル状態となる。
【００２９】
次に、上記のふっ素系樹脂を主として含有する溶液、又は有機金属化合物の加水分解・脱水縮合生成物を、接合層４０として、蓋板３０の裏面側に形成する方法としては、例えば、浸漬、スピンコート、ハケ塗り、スポンジ塗布等の、従来公知のコーディング方法が適用可能であり、特に限定されない。
【００３０】
また、本発明においては、あらかじめ、蓋材３０の接合層４０が形成される表面が、プライマー処理されていてもよい。これにより、接合層４０と、蓋板３０との接合力を、更に向上させることができる。プライマーとしてはシランカップリング剤等が例示でき、具体的なシランカップリング剤としては、上記のふっ素系樹脂を主として含有する溶液に用いられるシランカップリング剤と同様の、メトキシ基及びエトキシ基よりなる群から選択される少なくとも１種のアルコキシ基と、アミノ基、ビニル基、アクリル基、メタクリル基、エポキシ基、メルカプト基、ハロゲン原子、イソシアネート基よりなる群から選択される少なくとも一種の反応性官能基を有するシランカップリング剤等が例示でき、特に限定されない。
【００３１】
なお、本発明においては、この実施形態のように、接合層４０を蓋板３０側のみに形成してもよく、基板２０側に形成してもよく、また、蓋板３０側と基板２０側の両側に形成してもよいが、通常マイクロチャンネルチップでは基板２０の反応流路２１、及び試料溶液へのコンタミネーション等を極力防止するため、蓋板３０側のみに形成することが好ましい。
【００３２】
次に、図１、２に示すように、基板２０と蓋板３０を密着させ、加熱処理によって接合層４０を硬化させ、これによって基板２０と蓋板３０とを接合して、マイクロチャンネルチップ１０が完成する。
加熱条件としては、接合層４０がふっ素系樹脂層の場合には、８０〜１２０℃で０．５〜１時間の予備加熱後、１５０〜２００℃で１．５〜３時間処理することが好ましい。また、接合層４０が金属酸化物層の場合には、１３５〜２００℃で０．５〜１時間処理することが好ましい。
【００３３】
また、更に、上記の加熱処理は加圧状態で行なうことが好ましい。加圧条件としては、接合層４０がふっ素系樹脂層の場合には、１０〜５０ｇ／ｃｍ^２であることが好ましく、接合層４０が金属酸化物層の場合には、５〜３０ｇ／ｃｍ^２であることが好ましい。
また、硬化後の接合層４０の厚みとしては、０．１〜３．０μｍであることが好ましい。０．１μｍ未満では、基板と蓋板の表面平滑性が厳密に要求されるので好ましくなく、３．０μｍを越えると、膜の均質性が悪化して接合強度が低下しやすくなるので好ましくない。なお、本発明における、接合層４０の厚みとは、熱処理、硬化後の接合状態における膜厚を意味する。
【００３４】
以上の方法によって製造された、本発明のマイクロチャンネルチップ１０は、シリコン、ガラス等で構成される基板と蓋板を低温で接合でき、充分な接合強度を有している。この場合、基板２０と蓋板３０との接合強度としては、引っ張り試験による剥離強さで０．３ｋｇ／ｍｍ^２以上であることが好ましい。
【００３５】
また、接合層の材料が試料溶液に対して安定であるので、試料溶液との反応やコンタミネーションを生じることがない。更に、接合層を公知の塗布方法で簡便に設けることができ、また、あらかじめ低温で接合可能な接合層を設けたので、接合に際して静電接合装置のような大型設備が不要であり、マイクロチャンネルチップを低コストで大量に生産することができる。
【００３６】
このマイクロチャンネルチップ１０は、例えば、以下のように使用される。
まず、図示しない試料溶液供給手段により、試料溶液の注入孔３１と３２より、それぞれの試料溶液が注入される。そして、それぞれの試料溶液が反応流路２１ａ、２１ｂを経て合流して反応流路２１ｃへ到達して反応が行われる。その後、取出孔３３より外部に反応後の溶液が排出されて、一連の処理が終了する。
この場合、反応流路２１中での各種の状態変化を検出するため、反応流路２１に対応する蓋板３０上に、分析・検出装置が装着されていてもよく、更に、反応条件を制御するために、目的に応じてヒータ装置等が装着されていてもよい。
【００３７】
また、上記の説明では、試料溶液の注入孔３１、３２を複数とし、反応液の取出孔３３を１つとしたが、これとは逆に、反応液の取出孔３３から試料溶液を注入し、反応流路中で、例えば、電気泳動等によって試料溶液を分離し、分離されたそれぞれの液を、注入孔３１と３２から取り出すようにすることもできる。
【００３８】
【実施例】
以下、実施例を挙げて、本発明を更に具体的に説明する。
【００３９】
実施例１
＜基板及び蓋板の形成＞
図１に示すように、まず、厚さ７６０μｍのシリコンからなる基板２０上に、幅１５０μｍ、深さ２５μｍのＹ字状の反応流路２１をドライプラズマエッチングによって形成した。
【００４０】
また、厚さ２００μｍの硼珪酸ガラスからなる蓋板３０に、ふっ酸水溶液のエッチングによって、直径１００μｍの貫通穴からなる試料溶液を注入するための注入孔３１、３２、及び、反応溶液の取り出すための取出孔３３を設けた。
＜接合層の形成＞
ふっ素を含むコーティング剤（旭硝子株式会社製、商品名：サイトップＣＴＬ−８０９ＭＤ）を、低沸点ふっ素化合物系の分散溶媒（旭硝子株式会社製、商品名ＣＴ−ＳＯＬＶ１８２０）を用いて０．５質量％となるように希釈した。この希釈されたコーティング剤中に、上記の蓋板３０を３０秒間浸漬した後に引き上げて、蓋板３０の表面に、厚さ０．８μｍの膜を接合層として形成した。
＜基板及び蓋板の接合＞
基板２０と蓋板３０とを重ね合わせ、３０ｇ／ｃｍ^２の重しを載せて、恒温槽に挿入し、８５℃×２時間のブリベークを行なった後、１８５℃×１時間の条件で熱処理し、実施例１のマイクロチャンネルチップを製造した。
【００４１】
このマイクロチャンネルチップに、検査用として粘度が２．３ｃｐｓの水性シアンインクを充填して接合界面でのリーク有無を調べたが、とくに欠陥はなかった。また、基板２０と蓋板３０に金属棒を接着して引っ張り試験を行った。その結果、剥離強さは０．８〜１．３ｋｇ／ｍｍ^２の範囲であり、実用上問題のない強度が得られた。
【００４２】
実施例２
＜基板及び蓋板の形成＞
実施例１と同様の基板２０及び蓋板３０を形成した。
＜接合層の形成＞
水：メタノール：エタノール：イソプロピルアルコール＝１：１：１：４（質量比）の割合の混合溶剤を作り、この混合溶剤と、有機金属化合物であるテトラエトキシシランを１：５（質量比）の割合で１０分間攪拌混合し、更に、アンモニア水を添加してｐＨ５になるように調整し、４時間熟成させて加水分解・脱水縮合反応を進め、粘度が２ｃｐｓ前後の反応生成物を得た。
【００４３】
この反応生成物を蓋板３０の片面に、乾燥状態で１μｍの厚さとなるとうにスピンコート法により塗布して乾燥し、接合層を形成した。
＜基板及び蓋板の接合＞
上記の接合層を内側にして基板２０と蓋板３０を重ね合わせ、１０ｇ／ｃｍ^２の重しを載せて恒温槽に挿入し、１７５℃×１時間の熱処理を行ない、テトラエトキシシランの反応生成物をシリコン酸化物として金属酸化物層を形成し、実施例２のマイクロチャンネルチップを製造した。
【００４４】
このマイクロチャンネルチップに、検査用として粘度が２．３ｃｐｓの水性シアンインクを充填して接合界面でのリーク有無を調べたが、とくに欠陥はなかった。また、基板２０と蓋板３０に金属棒を接着して引っ張り試験を行った。その結果、剥離強さは０．５〜０．９ｋｇ／ｍｍ^２の範囲であり、実用上問題のない強度が得られた。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、シリコン、ガラス等で構成される基板と蓋板を低温で接合でき、また、接合強度が充分であって、しかも、接合材が試料溶液に対して安定であるマイクロチャンネルチップを低コストで提供することができるので、マイクロミキサーやマイクロリアクタ等の微小反応装置として好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマイクロチャンネルチップの一実施形態を示す分解斜視図である。
【図２】図１の基板と蓋板の接合後におけるＡ−Ａ’矢示線に沿った断面図である。
【符号の説明】
１０：マイクロチャンネルチップ
２０：基板
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ：反応流路
３０：蓋板
３１、３２：注入孔
３３：取出孔
４０：接合層

Claims

試料溶液を反応させるための溝状の反応流路が表面に形成された基板と、前記反応流路を覆うように前記基板表面に接合され、前記反応流路に対応する位置に、前記試料溶液を注入するための注入孔と、反応後の反応溶液を取リ出すための取出孔とが設けられた蓋板とから構成されるマイクロチャンネルチップであって、
前記基板と前記蓋板とが接合層を介して接合されており、前記接合層が、ふっ素系樹脂を主として含有する溶液を加熱処理して形成したふっ素系樹脂層であることを特徴とするマイクロチャンネルチップ。
試料溶液を反応させるための溝状の反応流路が表面に形成された基板と、前記反応流路を覆うように前記基板表面に接合され、前記反応流路に対応する位置に、前記試料溶液を注入するための注入孔と、反応後の反応溶液を取リ出すための取出孔とが設けられた蓋板とから構成されるマイクロチャンネルチップであって、
前記基板と前記蓋板とが接合層を介して接合されており、前記接合層が、有機金属化合物の加水分解・脱水縮合生成物を加熱処理して形成した金属酸化物層であることを特徴とするマイクロチャンネルチップ。
前記接合層の厚さが、０．１〜３．０μｍである請求項１又は２に記載のマイクロチャンネルチップ。
前記基板及び／又は前記蓋板の材質が、シリコン又はガラスである請求項１〜３のいずれか１つに記載のマイクロチャンネルチップ。