JP2005201889A - Microchip, and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ＤＮＡやタンパク質等の解析に用いるマイクロチップおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a microchip used for analysis of DNA, protein, and the like and a method for producing the same.
病気の診断や予防、創薬等を目的とした遺伝子解析・タンパク質解析の新たなツールとして、ＤＮＡチップやタンパク質チップが広く実用化されている。そして、近年では、さらに、より複雑な反応を一枚のチップで行うことを目的として、いわゆる集積型マイクロチップの開発が行われており、例えば、「ラボチップ（LabchipTM）」等が知られている。 DNA chips and protein chips have been widely put into practical use as new tools for gene analysis and protein analysis for the purpose of disease diagnosis and prevention, drug discovery, and the like. In recent years, so-called integrated microchips have been developed for the purpose of carrying out more complex reactions with a single chip. For example, “Labchip ™ ” has been known. Yes.
この集積型マイクロチップは、一般に、基体に、試料の添加部、試薬や溶媒の配置部、試料やその反応液等の流路、分析後の反応液の廃液だめ等が回路状に形成されており、試料や試薬等は、毛管現象や電圧・圧力の制御により、流路を通じてチップ内を移動する。具体的には、例えば、試料、溶媒および試薬がそれぞれ流路を通じて混合され、反応し、その反応液を所定の箇所で分析した後に、さらに前記反応液が流路を通じて廃液だめに導入される、という一連の流れを全て一つのチップ上で実現する。すなわち、チップ上に、注入、分離、分注、反応、ポンプ、バルブ等の機能が集積されたものである。このような集積型マイクロチップによれば、試料について多段階の反応を行うことが可能であるため、少量の試料を用いて、非常に小さな領域で、例えば、ＤＮＡの抽出や増幅を行い、かつ、ＤＮＡ分析を行うことが可能になるのである。 In general, the integrated microchip has a substrate in which a sample addition part, a reagent and solvent placement part, a flow path for the sample and its reaction liquid, a waste liquid reservoir for a reaction liquid after analysis, and the like are formed in a circuit shape. Samples, reagents, and the like move through the chip through the flow path by capillary action and voltage / pressure control. Specifically, for example, after a sample, a solvent, and a reagent are mixed and reacted through a flow path, and the reaction liquid is analyzed at a predetermined location, the reaction liquid is further introduced into a waste liquid reservoir through the flow path. All of the above flow is realized on a single chip. That is, the functions of injection, separation, dispensing, reaction, pump, valve and the like are integrated on the chip. According to such an integrated microchip, it is possible to perform a multi-step reaction on a sample, and therefore, for example, DNA extraction or amplification is performed in a very small area using a small amount of sample, and DNA analysis can be performed.
このような集積型マイクロチップは、微細な回路を形成するために、通常、基体を削ることによって前述のような溝や凹部を形成したり、基体表面に、ドライエッチングやデポジション等の物理的な処理を施すことによって凹凸を形成することによって製造されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５参照）。
しかしながら、このように基体を削る処理や物理的な処理には、大掛かりな装置が必要となり、操作も煩雑で手間がかかるという問題がある。また、基体としては、通常、ガラス基体等が使用されるが、これらの基体は濡れ性が高いため、回路内を移動する液体（試料や溶媒等）が表面張力等によって拡散する傾向にある。そして、微細な回路構造であることと相俟って、液体が流路等から拡散によってはみ出し、隣接する流路等に浸出することによって、試料や試薬等のコンタミネーションが発生し、分析精度を低下させたり、試料が不足し測定感度が低下するというようなおそれもある。 However, the processing for removing the substrate and the physical processing as described above require a large-scale apparatus, and there is a problem that the operation is complicated and troublesome. As the substrate, a glass substrate or the like is usually used. However, since these substrates have high wettability, the liquid (sample, solvent, etc.) moving in the circuit tends to diffuse due to surface tension or the like. Combined with the fine circuit structure, the liquid leaks out of the flow path etc. by diffusion and leaches out into the adjacent flow path etc., resulting in contamination of samples and reagents, etc. There is also a risk that the measurement sensitivity may be lowered due to a decrease in the sample or a lack of the sample.
本発明の目的は、微量の検体を有効に使用でき、かつ、微細な回路構造を有するマイクロチップ、より詳しくは集積型マイクロチップの提供、ならびに前記マイクロチップを簡便に製造する方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a microchip having a fine circuit structure that can effectively use a trace amount of specimen, more specifically, an integrated microchip, and a method for easily manufacturing the microchip. It is.
本発明のマイクロチップは、第１の基体と第２の基体を含み、前記第１の基体および前記第２の基体が所定の間隙を設けて対向するように配置されており、前記各基体の対向側の表面であって、試料、試薬、溶液および溶媒からなる群から選択された少なくとも一つを含む液体が存在し得る領域の周囲に、前記液体に非親和性を示す単分子膜が形成されており、前記単分子膜は前記各基体の表面と共有結合によって結合していることを特徴とする。 The microchip of the present invention includes a first substrate and a second substrate, and the first substrate and the second substrate are arranged to face each other with a predetermined gap therebetween. A monomolecular film having non-affinity to the liquid is formed around an area on the opposite side where a liquid containing at least one selected from the group consisting of a sample, a reagent, a solution, and a solvent can exist. The monomolecular film is bonded to the surface of each substrate by a covalent bond.
また、本発明のマイクロチップの製造方法は、第１の基体と第２の基体を含み、前記各基体の表面であって、試料、試薬、溶液および溶媒からなる群から選択された少なくとも一つを含む液体が存在し得る領域の周囲に、前記液体に非親和性を示す単分子膜が形成されているマイクロチップの製造方法であって、前記各基体の表面における、試料、試薬、溶液および溶媒からなる群から選択された少なくとも一つを含む液体が存在し得る領域の周囲であって、活性水素を有するかまたは活性水素を付与した所定の領域に、一端に前記各基体の表面と共有結合を形成可能な結合官能基を含み、他端に、前記液体に非親和性の特性を示す官能基を含む有機分子を接触させ、前記有機分子の結合官能基と前記各基体の表面の活性水素とを反応させて共有結合を形成することにより、前記各基体の表面の前記所定の領域に選択的に前記液体に非親和性を示す単分子膜を形成する工程と、前記第１の基体と前記第２の基体とを、それぞれの表面に形成された単分子膜が対向するように、所定の間隙を設けて配置する工程とを含むことを特徴とするものである。なお、前記の試料、試薬もそれ自体が液体である場合がある。 The method for producing a microchip of the present invention includes at least one selected from the group consisting of a sample, a reagent, a solution and a solvent on the surface of each of the substrates, including a first substrate and a second substrate. A microchip manufacturing method in which a monomolecular film having non-affinity to the liquid is formed around a region where the liquid containing the sample, a reagent, a solution, and a liquid on the surface of each substrate Shared with the surface of each substrate at one end around a region where a liquid containing at least one selected from the group consisting of a solvent can exist and having active hydrogen or having active hydrogen applied thereto An organic molecule containing a binding functional group capable of forming a bond and having a functional group exhibiting non-affinity characteristics with respect to the liquid is brought into contact with the other end, and the binding functional group of the organic molecule and the activity of the surface of each substrate are contacted React with hydrogen Forming a monomolecular film selectively non-affinity with the liquid in the predetermined region on the surface of each substrate by forming a bond; and the first substrate and the second substrate. And a step of disposing a predetermined gap so that the monomolecular films formed on the respective surfaces face each other. In some cases, the sample and the reagent are themselves liquid.
本発明において「単分子膜」とは、基体と共有結合により固定されている膜をいう。本発明の単分子膜は液体に非親和性を示す領域を形成可能であれば単一の膜（１層）から構成されているものであってもよく、単一の膜が複数積層された積層体からなる膜であってもよい。また、単分子膜は１種のみからなる場合だけでなく、構造、形状、寸法、非親和性などの観点において異なる単分子膜を形成することも可能である。 In the present invention, the “monomolecular film” refers to a film fixed to a substrate by a covalent bond. The monomolecular film of the present invention may be composed of a single film (one layer) as long as it can form a region showing non-affinity with a liquid, and a plurality of single films are laminated. A film made of a laminate may also be used. Further, the monomolecular film is not limited to a single type, and different monomolecular films can be formed in terms of structure, shape, size, non-affinity, and the like.
このように本発明のマイクロチップは、第１の基体と第２の基体の表面に、前述のような液体に非親和性を示す単分子膜を選択的に形成し、その単分子膜が形成された所定の領域が相対するように両基体を対向させているため、単分子膜に囲まれる領域が液体の流路や配置部となる。つまり、単分子膜は液体に非親和性であるため単分子膜が形成された箇所には液体が浸入することはできず、単分子膜が形成されていない箇所のみに液体が存在することとなるのである。従って、流路や試薬等の配置部以外の領域に液体試料や試薬溶液もしくは溶媒が拡散することを防止できるのである。このため、従来のように試料等が拡散することによるコンタミネーションや分析精度の低下、分析感度の低下を防止することができる。 Thus, the microchip of the present invention selectively forms a monomolecular film having non-affinity with the liquid as described above on the surfaces of the first and second substrates, and the monomolecular film is formed. Since both bases are opposed to each other so that the predetermined regions are opposed to each other, the region surrounded by the monomolecular film is a liquid flow path or an arrangement portion. In other words, since the monomolecular film is incompatible with the liquid, the liquid cannot enter the portion where the monomolecular film is formed, and the liquid exists only in the portion where the monomolecular film is not formed. It becomes. Accordingly, it is possible to prevent the liquid sample, the reagent solution, or the solvent from diffusing into a region other than the arrangement portion such as the flow path and the reagent. For this reason, it is possible to prevent contamination, a decrease in analysis accuracy, and a decrease in analysis sensitivity due to diffusion of a sample or the like as in the past.
そして基体上に形成しているのは単分子膜でありナノオーダーの厚みであることから、例えば、樹脂製マトリクスにより凸部を設けた場合とは異なり、極めて薄型化が可能となる。特にきわめて薄いナノオーダーの単分子膜を形成しているため、従来のマトリクスパターンのように膜厚の寸法設定や膜厚の均一化が困難であり、不要部分のマトリクスを除去する場合に膜厚ムラが顕著になるというような問題がない。また、単分子膜であるため目視や光学分析における支障もない。さらに、基体表面に蒸着等で成膜を行う金属製マトリクスや固化により成膜を行う樹脂製マトリクスとは異なり基体と単分子膜とが共有結合によって結合しているため、極めて強固な結合であり取り扱い時において剥離の問題もない。 Since the monomolecular film is formed on the substrate and has a nano-order thickness, for example, unlike a case where a convex portion is provided by a resin matrix, the thickness can be extremely reduced. In particular, since an extremely thin nano-order monomolecular film is formed, it is difficult to set the film thickness dimension and make the film thickness uniform as in the conventional matrix pattern. There is no problem that unevenness becomes remarkable. Moreover, since it is a monomolecular film, there is no trouble in visual observation or optical analysis. Furthermore, unlike a metal matrix that forms a film on the surface of the substrate by vapor deposition or a resin matrix that forms a film by solidification, the substrate and the monomolecular film are bonded by a covalent bond, so the bond is extremely strong. There is no problem of peeling during handling.
本発明の製造方法によれば、前述のような有機分子と活性水素を有する基体とを接触させることによって単分子膜を形成できるため、従来の製造方法のように煩雑な操作が不要となり製造工程を簡便化できる。 According to the production method of the present invention, a monomolecular film can be formed by bringing the organic molecule and the base having active hydrogen into contact with each other as described above, so that a complicated operation is not required as in the conventional production method. Can be simplified.
また、従来のように溝部を有する基体や穿孔基体を組み合わせて基体間の流路を形成する形態と異なり、相対する単分子膜の非親和性を利用して流路を形成するため、流路形成が容易であり、また複雑な系を作製することも可能となる。従って、本発明のマイクロチップによれば回路の微細化を実現し、かつ、微量検体を効率良く使用することも可能となるため、例えば、集積型マイクロチップとして、医療や創薬、分析等の各種分野に有用であるといえる。 In addition, unlike the conventional mode in which a channel between substrates is formed by combining a substrate having a groove or a perforated substrate, the channel is formed using the non-affinity of the opposing monomolecular film. It is easy to form and a complicated system can be produced. Therefore, according to the microchip of the present invention, circuit miniaturization can be realized and a small amount of sample can be used efficiently. For example, as an integrated microchip, medical, drug discovery, analysis, etc. It can be said that it is useful in various fields.
本発明のマイクロチップは、第１の基体および第２の基体が所定の間隙を設けて対向するように配置されており、両基体の対向側の各表面であって、試料、試薬、溶液および溶媒からなる群から選択された少なくとも一つを含む液体が存在し得る領域の周囲に、液体に非親和性を示す単分子膜からなる領域が形成されており、その単分子膜の領域は両基体を対向させたときに試料、試薬、溶液および溶媒からなる群から選択された少なくとも一つを含む液体が存在し得る領域、例えば流路、試料供給部などを形成するよう配置されており、前記の単分子膜は両基体の表面と共有結合によって結合していることを特徴とする。 The microchip of the present invention is arranged such that the first substrate and the second substrate are opposed to each other with a predetermined gap, and each surface on the opposite side of both substrates includes a sample, a reagent, a solution, and A region composed of a monomolecular film showing non-affinity with the liquid is formed around a region where a liquid containing at least one selected from the group consisting of solvents can exist. The substrate is arranged so as to form a region where a liquid containing at least one selected from the group consisting of a sample, a reagent, a solution and a solvent can exist, for example, a channel, a sample supply unit, etc. The monomolecular film is characterized by being bonded to the surfaces of both substrates by covalent bonds.
すなわち、両基体の対向する側の各表面に形成された単分子膜に囲まれ、かつ両基体の間隙の空間部分が試料の添加部、試薬を配置する試薬部、溶媒を配置する溶媒部および流路となる。 That is, the space between the two substrates is surrounded by a monomolecular film formed on each surface on the opposite sides of both substrates, and the space portion between the two substrates is a sample addition portion, a reagent portion where a reagent is placed, a solvent portion where a solvent is placed, and It becomes a flow path.
このマイクロチップの形態の一例について、図１に基づいて説明するが、本発明は、これには制限されない。図１（Ａ）は、マイクロチップにおける二枚の基体のうち、下基体の概略を示す平面図であり、単分子膜の形成領域を便宜上斜線で示している。なお、必要により試料供給用の貫通孔や空気孔などが設けられる他は基本的に上基体も下基体と同様の単分子膜が形成されている。図１（Ｂ）は、上基体と下基体を対向配置させたときの前記図１（Ａ）のＩ-Ｉ方向におけるマイクロチップの断面図である。 An example of the form of the microchip will be described with reference to FIG. 1, but the present invention is not limited to this. FIG. 1A is a plan view showing an outline of a lower substrate among two substrates in a microchip, and a region where a monomolecular film is formed is indicated by hatching for convenience. The upper substrate is basically formed with the same monomolecular film as the lower substrate except that through holes and air holes for sample supply are provided if necessary. FIG. 1B is a cross-sectional view of the microchip in the II direction of FIG. 1A when the upper substrate and the lower substrate are arranged to face each other.
本発明のマイクロチップは、二枚の基体、すなわち下基体１ａと上基体１ｂとを含み、両基体１ａ、１ｂには、それぞれ、試料の添加部、試薬を配置する試薬部、溶媒を配置する溶媒部、反応液の廃液だめ、各種液体の流路となる領域の周囲に、各種溶液に非親和性を示す単分子膜が形成されている。そして、下基体１ａと上基体１ｂとは、それぞれの単分子膜２ａ、２ｂが対応するように、スペーサー（図示せず）を介して配置されている。具体的には、図１（Ａ）において下基体１ａ表面には、斜線で示すように単分子膜２ａが連続して形成されており、単分子膜２ａに囲まれた領域がそれぞれ、最終的には試料の添加部３１、溶媒部３２、試薬部３３ａ、３３ｂ、廃液だめ３４となる。一方、上基体１ｂの表面には下基体１ａと対向させた場合に、図１（Ａ）に示す単分子膜２ａと対応するように単分子膜が形成されている（図示せず）。 The microchip of the present invention includes two substrates, that is, a lower substrate 1a and an upper substrate 1b, and a sample adding portion, a reagent portion for arranging a reagent, and a solvent are arranged on both the substrates 1a and 1b, respectively. A monomolecular film having non-affinity for various solutions is formed around the solvent portion, the waste liquid reservoir for the reaction solution, and the area that becomes the flow path for the various liquids. The lower substrate 1a and the upper substrate 1b are arranged via spacers (not shown) so that the monomolecular films 2a and 2b correspond to each other. Specifically, in FIG. 1A, a monomolecular film 2a is continuously formed on the surface of the lower substrate 1a as shown by oblique lines, and each region surrounded by the monomolecular film 2a is finally formed. The sample addition unit 31, the solvent unit 32, the reagent units 33a and 33b, and the waste liquid reservoir 34 are provided. On the other hand, a monomolecular film is formed on the surface of the upper substrate 1b so as to correspond to the monomolecular film 2a shown in FIG. 1A when facing the lower substrate 1a (not shown).
このように両基体１ａ、１ｂを対向するように配置すれば、例えば、図１（Ｂ）に示すように、両基体１ａ、１ｂの間隙であり且つ単分子膜２ａと単分子膜２ａとの間および単分子膜２ｂと単分子膜２ｂとの間の領域に液体の流路が形成される。つまり、単分子膜は前述のように液体に非親和性であるため、これによって液体の拡散領域が制限され、流路（図１（Ｂ）においてＡ）となるのである。これは、試料の添加部や試薬部等についても同様であり、液体の拡散は単分子膜に囲まれた領域内のみに制限され、非親和性である単分子膜が形成された領域には液体が浸出できないのである。また、単分子膜と基体表面とは、後述するような共有結合によって強固に結合しているため、単分子膜が剥離するという問題もない。 If both the substrates 1a and 1b are arranged so as to face each other, for example, as shown in FIG. 1B, it is a gap between the substrates 1a and 1b and the monomolecular film 2a and the monomolecular film 2a. A liquid flow path is formed between and in the region between the monomolecular film 2b and the monomolecular film 2b. That is, since the monomolecular film is non-affinity with the liquid as described above, the diffusion region of the liquid is limited by this and becomes a flow path (A in FIG. 1B). The same applies to the sample addition part, reagent part, etc., and the diffusion of the liquid is limited only within the region surrounded by the monomolecular film, and in the region where the non-affinity monomolecular film is formed. The liquid cannot leach. In addition, since the monomolecular film and the substrate surface are firmly bonded by a covalent bond as described later, there is no problem that the monomolecular film peels off.
このようなマイクロチップの全体の大きさは、特に制限されず、通常、縦５〜１００ｍｍ、横５〜１００ｍｍ、厚み５００〜５０００μｍである。流路の幅は、例えば、露光等の関係から５０ｎｍ〜５ｍｍであることが好ましい。試薬部の大きさは、例えば、直径５０ｎｍ〜５ｍｍであることが好ましい。また、このようなマイクロチップにおいて供給される液体としては、通常、水やエタノール等のアルコール溶液であり、その粘度は、例えば、０．５×１０-6〜１０×１０-5ｍ2／ｓの範囲である。 The overall size of such a microchip is not particularly limited, and is usually 5 to 100 mm in length, 5 to 100 mm in width, and 500 to 5000 μm in thickness. The width of the flow path is preferably 50 nm to 5 mm, for example, due to exposure. The size of the reagent part is preferably, for example, 50 nm to 5 mm in diameter. The liquid supplied in such a microchip is usually an alcohol solution such as water or ethanol, and the viscosity thereof is, for example, 0.5 × 10 −6 to 10 × 10 −5 m 2 / s. Range.
単分子膜は一層であってもよいし、複数の単分子膜が積層形成された単分子累積体であっても良い。単分子膜の膜厚は、例えば、１〜２００ｎｍの範囲である。単分子膜一層の場合の膜厚は、例えば、１〜２ｎｍの範囲であり、また、単分子累積膜の膜厚は、その累積数に依存するが、例えば、２〜１００ｎｍの範囲であり、好ましくは２〜１０ｎｍの範囲、より好ましくは２〜６ｎｍの範囲であり、その累積数は、例えば、２〜１００の範囲であり、好ましくは２〜５０の範囲、特に好ましくは２〜６の範囲である。 The monomolecular film may be a single layer or a monomolecular cumulative body in which a plurality of monomolecular films are laminated. The film thickness of the monomolecular film is, for example, in the range of 1 to 200 nm. The film thickness in the case of a monomolecular film is, for example, in the range of 1 to 2 nm, and the film thickness of the monomolecular cumulative film depends on the cumulative number, for example, in the range of 2 to 100 nm. The range is preferably 2 to 10 nm, more preferably 2 to 6 nm, and the cumulative number thereof is, for example, 2 to 100, preferably 2 to 50, particularly preferably 2 to 6. It is.
また、基体上に一層の単分子膜を形成し、単分子膜の表面を重合開始基にして、リビング重合等により、単分子膜の表面に位置する前記重合開始基を重合して厚膜を形成してもよい。 Further, a monolayer film is formed on the substrate, the surface of the monomolecular film is used as a polymerization initiating group, and the polymerization initiating group located on the surface of the monomolecular film is polymerized by living polymerization or the like to form a thick film. It may be formed.
なお、このようなマイクロチップは基体への単分子膜の形成によって、流路や試薬部等の領域が形成されていればよい。このため、その他の構成、例えば、試薬部や溶媒部の数や形状、流路の形状等は何ら制限されない。また、図１においては流路等の周囲のみに単分子膜を配置した例を示しているが、これには限定されず、例えば流路等の領域を除く全ての領域に単分子膜を形成してもよい。 Note that such a microchip only needs to have regions such as flow paths and reagent parts formed by forming a monomolecular film on the substrate. For this reason, other configurations, for example, the number and shape of the reagent part and the solvent part, the shape of the flow path, and the like are not limited. In addition, FIG. 1 shows an example in which a monomolecular film is disposed only around a flow path or the like. However, the present invention is not limited to this. For example, a monomolecular film is formed in all regions except for a region such as a flow path. May be.
本発明において単分子膜を形成する有機分子は、前述のように一端に基体表面と共有結合を形成可能な結合官能基を含み、他端に液体に非親和性の特性を示す官能基（以下、「特性官能基」という）を含んでいればよい。このような結合官能基と基体の活性水素とが反応することによって共有結合が形成され、かつ、特性官能基によって形成される単分子膜に「前記液体に非親和性の特性」を付与できるのである。なお、「前記液体に非親和性の特性」とは、液体の種類に応じて適宜決定できるが、例えば、液体が水性の場合には「疎水性」であることが好ましい。 In the present invention, the organic molecule that forms the monomolecular film includes a binding functional group capable of forming a covalent bond with the substrate surface at one end as described above, and a functional group (hereinafter referred to as non-affinity characteristic) for liquid at the other end. And “characteristic functional group”). A covalent bond is formed by the reaction between the bonding functional group and the active hydrogen of the substrate, and a “non-affinity characteristic for the liquid” can be imparted to the monomolecular film formed by the characteristic functional group. is there. The “non-affinity property to the liquid” can be appropriately determined according to the type of the liquid. For example, when the liquid is aqueous, it is preferably “hydrophobic”.
上記疎水性の程度は、収容される液体との関係において相対的に定まるものである。例えば、液体が水を主体とする溶液の場合には、２０℃での臨界表面エネルギーが２５ｍＮ／ｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは８ｍＮ／ｍ以上である。なお、上記臨界表面エネルギーは、静的接触角計を用いて、臨界表面エネルギー測定用標準液による接触角を測定して求められるものであり、接触角の余弦値に対する標準液のエネルギーをプロットし、余弦値を０に外挿した時のエネルギー値である。 The degree of hydrophobicity is relatively determined in relation to the liquid contained. For example, when the liquid is a solution mainly composed of water, the critical surface energy at 20 ° C. is preferably 25 mN / m or less, more preferably 8 mN / m or more. The critical surface energy is obtained by measuring the contact angle with a standard solution for measuring critical surface energy using a static contact angle meter, and plots the energy of the standard solution against the cosine value of the contact angle. , The energy value when the cosine value is extrapolated to zero.
結合官能基としては前述のように基体表面と共有結合を形成できる基であれば特に制限されないが、例えば、ハロゲンシリル基、アルコキシシリル基、イソシアネートシリル基等の各種シリル基があげられる。前記ハロゲンシリル基としては、例えば、モノハロゲンシリル基、ジハロゲンシリル基、トリハロゲンシリル基があげられ、ハロゲンとしては、クロロ、ブロモ、フルオロ、ヨードがあげられ、この中でもクロロシリル基が好ましい。前記アルコキシシリル基としては、モノアルコキシシリル基、ジハロゲンシリル基、トリハロゲンシリル基があげられ、前記アルコキシシリル基におけるアルコキシ基は、その炭素数が、例えば１〜７の範囲、より好ましくは１〜３であり、具体的には、メトキシシリル基、エトキシシリル基、ブトキシシリル基等があげられる。 The bonding functional group is not particularly limited as long as it is a group capable of forming a covalent bond with the substrate surface as described above, and examples thereof include various silyl groups such as a halogen silyl group, an alkoxy silyl group, and an isocyanate silyl group. Examples of the halogensilyl group include a monohalogensilyl group, a dihalogensilyl group, and a trihalogensilyl group. Examples of the halogen include chloro, bromo, fluoro, and iodo. Among these, a chlorosilyl group is preferable. Examples of the alkoxysilyl group include a monoalkoxysilyl group, a dihalogensilyl group, and a trihalogensilyl group. The alkoxy group in the alkoxysilyl group has, for example, a carbon number in the range of 1 to 7, more preferably 1 to 1. 3, specifically, a methoxysilyl group, an ethoxysilyl group, a butoxysilyl group, and the like.
このような各種シリル基を末端に有する有機分子であれば、前述のように基体表面と共有結合を形成でき、共有結合によって形成された単分子膜は基体表面に強固に結合することとなる。このため単分子膜は耐久性にも優れたものといえる。具体的には、ハロゲン化シリル基を有する有機分子であれば、基体表面の活性水素との間で脱塩化水素反応が生じ、アルコキシシリル基を有する有機分子であれば活性水素との間で脱アルコール反応が生じ、イソシアネートシリル基であれば活性水素との間で脱イソシアネート反応が生じ、それぞれ有機分子と基体との間がシロキサン結合（-Ｓｉ-Ｏ-）により共有結合する。なお有機分子と基体との共有結合は、基体表面の活性水素を有する基の種類によって異なり、例えば、活性水素を有する基が−ＮＨ基の場合には、共有結合として−ＳｉＮ−結合が形成される。 Such an organic molecule having various silyl groups at its terminal can form a covalent bond with the substrate surface as described above, and the monomolecular film formed by the covalent bond is firmly bonded to the substrate surface. Therefore, it can be said that the monomolecular film has excellent durability. Specifically, an organic molecule having a halogenated silyl group undergoes a dehydrochlorination reaction with active hydrogen on the substrate surface, and an organic molecule having an alkoxysilyl group desorbs from active hydrogen. An alcohol reaction occurs, and if it is an isocyanate silyl group, a deisocyanate reaction occurs between the active hydrogen and the organic molecule and the substrate are each covalently bonded by a siloxane bond (—Si—O—). The covalent bond between the organic molecule and the substrate differs depending on the type of the group having active hydrogen on the substrate surface. For example, when the group having active hydrogen is an —NH group, a —SiN— bond is formed as a covalent bond. The
また、結合官能基が複数置換のシリル基である場合、１つの置換基で基体上の活性水素と縮合反応し、１つの共有結合を形成するだけでなく、他の置換基も結合可能な基体上の活性水素と縮合反応し２箇所以上で共有結合しうる。 In addition, when the bonding functional group is a multi-substituted silyl group, a substrate that is capable of condensing with an active hydrogen on a substrate with one substituent to form not only one covalent bond but also other substituents. It can undergo a condensation reaction with the above active hydrogen to form a covalent bond at two or more sites.
なお、結合官能基が複数置換のシリル基である場合全ての官能基が基体の表面で共有結合を形成する必要はない。このような場合、１つの置換基で基体上の活性水素と縮合反応して１つの共有結合を形成し、基体表面に結合可能な活性水素の十分な数が存在しない場合には、隣接する有機分子同士が結合することもできる。 When the bonding functional group is a multi-substituted silyl group, it is not necessary for all functional groups to form a covalent bond on the surface of the substrate. In such a case, if a single substituent forms a covalent bond by condensation reaction with active hydrogen on the substrate, and there is not a sufficient number of active hydrogens capable of binding to the substrate surface, the adjacent organic Molecules can also be bonded together.
また、有機分子の他端の特性官能基としては前述のように形成される単分子膜に液体に非親和性の特性を付与する官能基であれば特に制限されないが、例えば、撥水性（例えば、疎水性）、撥油性（非親油性）を示す官能基があげられ、具体的には、炭化水素基、水素の一部または全部がフッ素で置換された炭化水素基等が好ましい。炭化水素基は飽和炭化水素基でも不飽和炭化水素基のいずれであってもよく、また、直鎖状、分枝鎖、環状のいずれでもよい。また炭化水素基における炭素数は特に制限されないが、例えば、１〜３６であり、好ましくは５〜３０である。官能基の具体例としては、CF3-、F(CF2)t-、CH3-、H(CH2)t-等があげられ、前記ｔは、例えば、１〜１５であり、好ましくは８〜１２である。これらの官能基の中でも、例えば液体が水性溶媒の場合は、F(CF2)t- 、H(CH2)t-が好ましく、液体が油性溶媒の場合は、F(CF2)t-が好ましい。 In addition, the characteristic functional group at the other end of the organic molecule is not particularly limited as long as it is a functional group that imparts non-affinity characteristics to the liquid in the monomolecular film formed as described above. , Hydrophobic) and oil repellency (non-lipophilic) functional groups. Specific examples include hydrocarbon groups and hydrocarbon groups in which part or all of hydrogen has been substituted with fluorine. The hydrocarbon group may be either a saturated hydrocarbon group or an unsaturated hydrocarbon group, and may be linear, branched or cyclic. The number of carbon atoms in the hydrocarbon group is not particularly limited, but is, for example, 1 to 36, preferably 5 to 30. Specific examples of the functional group include CF 3- , F (CF 2 ) t- , CH 3- , H (CH 2 ) t-, etc., and the t is, for example, 1 to 15, preferably 8-12. Among these functional groups, for example, when the liquid is an aqueous solvent, F (CF 2 ) t − and H (CH 2 ) t − are preferable, and when the liquid is an oily solvent, F (CF 2 ) t − is preferable.
本発明において有機分子の種類は特に制限されず、例えば、特開平４−１３２６７号公報、特開平４−２３６４６６号公報、特開平１０−１８０１７９号公報、特開平４−３５９０３１号公報等に開示される有機分子が使用できる。 In the present invention, the type of the organic molecule is not particularly limited, and is disclosed in, for example, JP-A-4-13267, JP-A-4-236466, JP-A-10-180179, JP-A-4-359031, and the like. Organic molecules can be used.
これらの有機分子の中でも、例えば、下記式（１）〜（４）で表される有機分子またはその誘導体が好ましい。下記式（１）、（３）において、ｍは１〜１５の整数、ｎは０〜１５の整数、「ｍ+ｎ」は１０〜３０の整数であることが好ましい。下記式（２）、（４）において、ｒは１〜８の整数、ｓは０〜２の整数、ｐは５〜２５の整数、「ｒ＋ｓ」は１〜１０の整数であることが好ましく、Ａは、酸素原子（-O-）、オキシカルボニル基（-COO-）またはジメチルシリル基（-Si(CH3)2-）が好ましい。また、下記全式において、ｑは、０〜２の整数、Ｘは、ハロゲン、アルコキシまたはイソシアンのいずれかであることが好ましく、「X3-q」が「X3またはX2」の場合、全てが同じでもよいし異なっていてもよい。下記全式において、Ｒは、水素原子または炭化水素基であることが好ましい。前記炭化水素基としては、不飽和炭化水素基、飽和炭化水素基のいずれでもよく、炭素数は、例えば、炭素数１〜３が好ましい。具体的には、下記全式における「−SiRqX3-q」としては、先に列挙したような「結合官能基」があげられる。 Among these organic molecules, for example, organic molecules represented by the following formulas (1) to (4) or derivatives thereof are preferable. In the following formulas (1) and (3), m is preferably an integer of 1 to 15, n is an integer of 0 to 15, and “m + n” is preferably an integer of 10 to 30. In the following formulas (2) and (4), r is preferably an integer of 1 to 8, s is an integer of 0 to 2, p is an integer of 5 to 25, and “r + s” is preferably an integer of 1 to 10, A is preferably an oxygen atom (—O—), an oxycarbonyl group (—COO—) or a dimethylsilyl group (—Si (CH 3 ) 2 —). In all the following formulas, q is preferably an integer of 0 to 2, X is preferably any of halogen, alkoxy, or isocyanate, and when “X 3-q ” is “X 3 or X 2 ”, All may be the same or different. In all the following formulas, R is preferably a hydrogen atom or a hydrocarbon group. The hydrocarbon group may be either an unsaturated hydrocarbon group or a saturated hydrocarbon group, and the carbon number is preferably, for example, 1 to 3 carbon atoms. Specifically, “—SiR q X 3-q ” in all the following formulas includes “bonding functional groups” as listed above.
F(CF2)m(CH2)nSiRqX3-q ・・・（１）
F(CF2)r(CH2)sA(CH2)pSiRqX3-q ・・・（２）
H(CH2)m(CH2)nSiRqX3-q ・・・（３）
H(CH2)r(CH2)sA(CH2)pSiRqX3-q ・・・（４）
前記式で表される有機分子としては、具体的に以下に示すようなものが一例としてあげられる。
F (CF 2 ) m (CH 2 ) n SiR q X 3-q (1)
F (CF 2 ) r (CH 2 ) s A (CH 2 ) p SiR q X 3-q (2)
H (CH 2 ) m (CH 2 ) n SiR q X 3-q (3)
H (CH 2 ) r (CH 2 ) s A (CH 2 ) p SiR q X 3-q (4)
Specific examples of the organic molecule represented by the above formula include those shown below.
CF3(CF2)7(CH2)2SiCl3
F(CF2)4(CH2)2O(CH2)15SiCl3
CF3COO(CH2)15SiCl3
F(CF2)4(CH2)2Si(CH3)2(CH2)9SiCl3
F(CF2)8Si(CH3)2(CH2)9SiCl3
CF3(CH2)2Si(CH3)2(CH2)15SiCl3
CF3CH2O(CH2)15SiCl3
CH3(CH2)7(CH2)2SiCl3
H(CH2)4(CH2)2O(CH2)15SiCl3
CH3COO(CH2)15SiCl3
H(CH2)4(CH2)2Si(CH3)2(CH2)9SiCl3
H(CH2)8Si(CH3)2(CH2)9SiCl3
CH3(CH2)2Si(CH3)2(CH2)15SiCl3
CH3CH2O(CH2)15SiCl3
以上の有機分子の中でも、フッ化炭素基を有するものが好ましく、特に有機分子末端だけでなく、分子内部にもフッ化炭素基を有するものが好ましい。
CF 3 (CF 2 ) 7 (CH 2 ) 2 SiCl 3
F (CF 2 ) 4 (CH 2 ) 2 O (CH 2 ) 15 SiCl 3
CF 3 COO (CH 2 ) 15 SiCl 3
F (CF 2 ) 4 (CH 2 ) 2 Si (CH 3 ) 2 (CH 2 ) 9 SiCl 3
F (CF 2 ) 8 Si (CH 3 ) 2 (CH 2 ) 9 SiCl 3
CF 3 (CH 2 ) 2 Si (CH 3 ) 2 (CH 2 ) 15 SiCl 3
CF 3 CH 2 O (CH 2 ) 15 SiCl 3
CH 3 (CH 2 ) 7 (CH 2 ) 2 SiCl 3
H (CH 2 ) 4 (CH 2 ) 2 O (CH 2 ) 15 SiCl 3
CH 3 COO (CH 2 ) 15 SiCl 3
H (CH 2 ) 4 (CH 2 ) 2 Si (CH 3 ) 2 (CH 2 ) 9 SiCl 3
H (CH 2 ) 8 Si (CH 3 ) 2 (CH 2 ) 9 SiCl 3
CH 3 (CH 2 ) 2 Si (CH 3 ) 2 (CH 2 ) 15 SiCl 3
CH 3 CH 2 O (CH 2 ) 15 SiCl 3
Among the above organic molecules, those having a fluorocarbon group are preferred, and those having a fluorocarbon group not only at the end of the organic molecule but also inside the molecule are preferred.
なお、本発明で各基体の表面に形成する単分子膜の種類、形態、層数などは同一である必要はないが、同じ有機分子を用いて形成した単分子膜であれば同程度の非親和性が得られるため好ましい。 In the present invention, the type, form, number of layers, etc. of the monomolecular film formed on the surface of each substrate need not be the same. However, if the monomolecular film is formed using the same organic molecule, the same degree of non-molecular film is formed. It is preferable because affinity can be obtained.
基体は有機分子と反応して共有結合を形成するためにその表面に活性水素を有していればよく、前記活性水素としては、例えば水酸基、カルボキシル基、スルフォン酸基、スルフィン酸基、リン酸基、亜リン酸基、第四級アルミニウム基、第四級ホスホニウム基、チオール基、アミノ基、硫酸エステル基等の活性水素があげられる。なお、本発明において、「基体の表面に活性水素を有する」とは、基体の表面に活性水素が露出した状態を意味する。 The substrate only needs to have active hydrogen on its surface in order to react with organic molecules to form a covalent bond. Examples of the active hydrogen include a hydroxyl group, a carboxyl group, a sulfonic acid group, a sulfinic acid group, and phosphoric acid. Active hydrogen such as a group, a phosphite group, a quaternary aluminum group, a quaternary phosphonium group, a thiol group, an amino group, and a sulfate group. In the present invention, “having active hydrogen on the surface of the substrate” means a state in which active hydrogen is exposed on the surface of the substrate.
基体の材料としては特に制限されないが、例えば、ガラス基体、石英基体、合成石英基体、シリコン基体、アクリル、ポリスチレン、塩化ビニル、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂（ポリジメチルシリコーン）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート）、ポリカーボネート等の各種ポリマー製基体、セラミック製基体、金属製基体等、従来公知の基体が使用できる。中でも、ガラス基体や石英基体は、その表面に水酸基を有し、活性水素に富むことから、前記有機分子の末端と容易に共有結合できるため好ましい。 The material of the substrate is not particularly limited. For example, glass substrate, quartz substrate, synthetic quartz substrate, silicon substrate, acrylic, polystyrene, vinyl chloride, epoxy resin, silicone resin (polydimethylsilicone), PMMA (polymethylmethacrylate) Conventionally known substrates such as various polymer substrates such as polycarbonate, ceramic substrates and metal substrates can be used. Among them, a glass substrate or a quartz substrate is preferable because it has a hydroxyl group on its surface and is rich in active hydrogen, and can easily be covalently bonded to the end of the organic molecule.
また、表面に活性水素を有さない基体や活性水素が少ない基体であっても、表面に活性水素を導入（付与）する処理を施すことによって有機分子との反応が可能になる。活性水素の付与は従来公知の方法が適用でき、例えば基体表面を化学的に酸化処理する方法、酸素存在下でのプラズマ処理やオゾン処理等の物理的に処理する方法があげられる。また、基体表面をＳｉＣｌ4、ＨＳｉＣｌ3、ＳｉＣｌ3Ｏ−（ＳｉＣｌ2−Ｏ）n−ＳｉＣｌ3（但し、ｎは０以上６以下の整数）、Ｓｉ（ＯＨ）4、ＨＳｉ（ＯＨ）3、Ｓｉ（ＯＨ）3Ｏ−（Ｓｉ（ＯＨ）2−Ｏ）n−Ｓｉ（ＯＨ）3（但し、ｎは０以上６以下の整数）等によって親水化処理する方法もあげられる。 In addition, even a substrate having no active hydrogen on the surface or a substrate having a small amount of active hydrogen can be reacted with organic molecules by introducing (applying) active hydrogen to the surface. For the application of active hydrogen, a conventionally known method can be applied, and examples thereof include a method of chemically oxidizing the surface of the substrate, and a method of physical treatment such as plasma treatment and ozone treatment in the presence of oxygen. Further, the surface of the substrate is made of SiCl 4 , HSiCl 3 , SiCl 3 O— (SiCl 2 —O) n —SiCl 3 (where n is an integer from 0 to 6), Si (OH) 4 , HSi (OH) 3 , A method of hydrophilizing with Si (OH) 3 O— (Si (OH) 2 —O) n —Si (OH) 3 (where n is an integer of 0 or more and 6 or less) is also exemplified.
具体的には、基体表面の酸化は、例えば酸素および水素原子供給物質の存在下で、基体表面にエネルギーを照射することにより行える。例えば、紫外線照射により酸素が分解されてオゾンが生成し、このオゾンが水素原子供給物質と反応して活性水素を有する活性種が生成する。一方、基体表面に紫外線が照射されると、基体表面の原子間の共有結合が切断され、未結合手が形成される。この基体表面の未結合手に活性水素を含む活性種が作用することにより、基体表面に活性水素が付与されるのである。 Specifically, the oxidation of the substrate surface can be performed by irradiating the substrate surface with energy in the presence of, for example, oxygen and a hydrogen atom supply substance. For example, oxygen is decomposed by ultraviolet irradiation to generate ozone, and this ozone reacts with a hydrogen atom supply substance to generate active species having active hydrogen. On the other hand, when the substrate surface is irradiated with ultraviolet rays, covalent bonds between atoms on the substrate surface are broken, and dangling bonds are formed. Active hydrogen containing active hydrogen acts on the dangling bonds on the surface of the substrate, whereby active hydrogen is imparted to the surface of the substrate.
水素原子供給物質としては、例えば、水、アンモニアなどを使用することができる。水素原子供給物質として水を用いた場合、基体表面において、活性水素を−ＯＨ基として存在させることができ、アンモニアを用いた場合は、活性水素を−ＮＨ基として存在させることができる。 As the hydrogen atom supply substance, for example, water, ammonia or the like can be used. When water is used as the hydrogen atom supply substance, active hydrogen can be present as —OH groups on the substrate surface, and when ammonia is used, active hydrogen can be present as —NH groups.
なお、紫外線照射処理に代えて、コロナ処理、プラズマ処理等を採用することもできる。 In place of the ultraviolet irradiation treatment, a corona treatment, a plasma treatment, or the like can be employed.
また、前記単分子膜は、例えば基体上に有機分子が直接共有結合することによって形成されてもよいし、基体上の保護膜を介して単分子膜が形成されてもよい。 The monomolecular film may be formed, for example, by direct covalent bonding of organic molecules on the substrate, or the monomolecular film may be formed via a protective film on the substrate.
つぎに、二枚の基体のそれぞれの表面に選択的に単分子膜を形成して、マイクロチップを製造する方法の一例について説明する。なお、単分子膜の形成方法は、以下の方法には制限されず、例えば、特開平４−１３２６７号公報、特開平４−２３６４６６号公報、特開平１０−１８０１７９号公報等に従って形成することもできる。単分子膜の形成方法としては、例えば、化学吸着法やラングミュア−ブロジェット（ＬＢ）法等があげられ、特に制限されないが、以下の例は化学吸着法の一例である。 Next, an example of a method for manufacturing a microchip by selectively forming a monomolecular film on each surface of two substrates will be described. The method of forming the monomolecular film is not limited to the following method, and for example, it may be formed according to Japanese Patent Laid-Open Nos. 4-13267, 4-236466, 10-180179, and the like. it can. Examples of the method for forming the monomolecular film include a chemical adsorption method and a Langmuir-Blodget (LB) method, which are not particularly limited, but the following examples are examples of the chemical adsorption method.
まず、有機分子を溶剤に溶解した化学吸着液を調製する。溶剤は使用する有機分子の種類に応じて適宜決定できるが、例えばヘキサデカン、クロロホルム、四塩化炭素、シリコーンオイル、ヘキサン、トルエン等が使用できる。これらの溶剤は、いずれか一種類でもよいし、二種類以上を混合して使用してもよい。この中でも、ヘキサデカン、クロロホルムおよび四塩化炭素の混合溶剤が好ましい。前記化学吸着液における有機分子の濃度は、特に制限されないが、例えば、３×１０-2〜１×１０-1Ｍ程度である。 First, a chemical adsorption solution in which organic molecules are dissolved in a solvent is prepared. Although a solvent can be suitably determined according to the kind of organic molecule to be used, for example, hexadecane, chloroform, carbon tetrachloride, silicone oil, hexane, toluene and the like can be used. Any one kind of these solvents may be used, or two or more kinds may be mixed and used. Among these, a mixed solvent of hexadecane, chloroform and carbon tetrachloride is preferable. The concentration of the organic molecules in the chemical adsorption solution is not particularly limited, but is, for example, about 3 × 10 −2 to 1 × 10 −1 M.
次に、上基体および下基体と化学吸着液とをそれぞれ接触させる。これによって、基体表面の活性水素と有機分子の結合官能基とが、例えば前述のような脱塩化水素反応、脱アルコール反応または脱イソシアネート反応し、有機分子と基体との間に共有結合（例えば、シロキサン結合（-Ｓｉ-Ｏ-）等）が形成される。このようにして基体上に前記有機分子から構成される単分子膜が形成できるのである。 Next, the upper substrate and the lower substrate are brought into contact with the chemical adsorption liquid, respectively. As a result, the active hydrogen on the substrate surface and the bonding functional group of the organic molecule undergo, for example, the dehydrochlorination reaction, the dealcoholization reaction or the deisocyanate reaction as described above, and a covalent bond (for example, A siloxane bond (—Si—O—) or the like is formed. In this way, a monomolecular film composed of the organic molecules can be formed on the substrate.
基体と化学吸着液との接触方法は特に制限されず、例えば基体を化学吸着液に浸漬させる方法や、化学吸着液を前記基体に塗布する方法、化学吸着液をインクジェット法やスタンプ法等によって基体に接触させる方法等があげられる。基体と化学吸着液との接触時間は特に制限されないが、例えば数秒〜１０時間、好ましくは１分〜１時間であり、また、化学吸着液の温度は、例えば、１０〜８０℃であり、好ましくは２０〜３０℃の範囲である。 The method for contacting the substrate with the chemical adsorption liquid is not particularly limited. For example, the method of immersing the substrate in the chemical adsorption liquid, the method of applying the chemical adsorption liquid to the substrate, the chemical adsorption liquid by the inkjet method, the stamp method, or the like. And the like. The contact time between the substrate and the chemical adsorption solution is not particularly limited, but is, for example, several seconds to 10 hours, preferably 1 minute to 1 hour, and the temperature of the chemical adsorption solution is, for example, 10 to 80 ° C., preferably Is in the range of 20-30 ° C.
有機分子と基体表面とを共有結合させる場合には有機分子が基体表面に共有結合する前に、有機分子同士で縮合反応することを防止するために、例えば特開平４−２５６４６６号公報に記載するように、乾燥状態において有機分子と基体とを反応させることが好ましい。具体的には、乾燥空気や、窒素、アルゴンガス等の乾燥雰囲気下で化学吸着液に基体を接触させることが好ましく、乾燥雰囲気における相対湿度を３５％以下（より好ましくは０〜３０％）に設定することが特に好ましい。 In the case where the organic molecule and the substrate surface are covalently bonded, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-256466 describes that the organic molecule is prevented from condensation reaction between the organic molecules before covalently bonding to the substrate surface. Thus, it is preferable to react the organic molecule and the substrate in a dry state. Specifically, the substrate is preferably brought into contact with the chemical adsorption solution in a dry atmosphere such as dry air, nitrogen, or argon gas, and the relative humidity in the dry atmosphere is 35% or less (more preferably 0 to 30%). It is particularly preferable to set.
単分子膜は前述のように基体表面の所定の領域にのみに選択的に形成すればよい。すなわち、上基体と下基体とを対向するように配置した場合に、例えば液体試料や試薬溶液もしくは溶媒が存在し得る所望の領域以外に単分子膜が位置するように、単分子膜を形成すればよい。単分子膜を形成する範囲は少なくとも液体が存在しうる所望の領域の周囲であればよいが、その領域以外の全ての基体表面に形成してもよい。 As described above, the monomolecular film may be selectively formed only in a predetermined region of the substrate surface. That is, when the upper substrate and the lower substrate are arranged so as to face each other, the monomolecular film is formed so that the monomolecular film is located in a region other than a desired region where a liquid sample, a reagent solution, or a solvent can exist, for example. That's fine. The range for forming the monomolecular film may be at least around a desired region where the liquid can exist, but may be formed on the surface of the substrate other than the region.
基体上に選択的に単分子膜を形成する方法としては、特に制限されないが、例えば、以下に示す方法があげられる。 A method for selectively forming a monomolecular film on a substrate is not particularly limited, and examples thereof include the following methods.
まず、第１の方法としては予め基体の全面に単分子膜を形成した後、単分子膜が不要な領域、すなわち各種液体が存在し得る領域に形成された単分子膜のみをエネルギー照射により除去する方法があげられる。例えば基体表面に単分子膜を形成した後、所定の領域に形成された単分子膜上に、これを被覆するフォトマスクをさらに形成して、基体表面に紫外線を照射し、フォトマスクで被覆されていない領域（つまり単分子膜が不要な領域）の単分子膜のみを除去すればよい。紫外線照射の手段として、例えば、エキシマレーザー等のレーザーを用いる場合は、単分子膜の特定領域に紫外線をスポット照射する方法を採用することもできる。本発明における単分子膜は極めて薄い膜であることから、このような単分子膜を部分的に除去しても、従来のような膜厚ばらつき等の問題は発生しない。 First, as a first method, after a monomolecular film is formed on the entire surface of the substrate in advance, only the monomolecular film formed in a region where the monomolecular film is unnecessary, that is, a region where various liquids can exist is removed by energy irradiation. How to do. For example, after a monomolecular film is formed on the surface of the substrate, a photomask for covering the monomolecular film formed in a predetermined region is further formed, and the substrate surface is irradiated with ultraviolet rays and coated with the photomask. It is only necessary to remove the monomolecular film in the unoccupied area (that is, the area where the monomolecular film is unnecessary). For example, when a laser such as an excimer laser is used as a means for ultraviolet irradiation, a method of spot-irradiating ultraviolet rays onto a specific region of the monomolecular film can be employed. Since the monomolecular film in the present invention is an extremely thin film, even if such a monomolecular film is partially removed, problems such as film thickness variations as in the prior art do not occur.
紫外線照射処理の他にコロナ処理、プラズマ処理などの方法を採用することも可能である。これらの処理を酸素の存在下で実施することにより、基体表面の単分子膜を酸化により除去できるのである。 In addition to the ultraviolet irradiation treatment, methods such as corona treatment and plasma treatment may be employed. By performing these treatments in the presence of oxygen, the monomolecular film on the substrate surface can be removed by oxidation.
第２の方法としては、予め基体表面に所定の領域を除く領域のみを被覆するレジストパターンを形成し、レジストパターンが形成された基体表面に有機分子を接触させた後、レジストパターンを除去することによっても基体表面に単分子膜を選択的に形成することができる。 As a second method, a resist pattern that covers only a region excluding a predetermined region is formed on the substrate surface in advance, and after the organic molecule is brought into contact with the substrate surface on which the resist pattern is formed, the resist pattern is removed. Also, a monomolecular film can be selectively formed on the surface of the substrate.
第３の方法としては基体表面の単分子膜を形成する所定の領域のみにインクジェット法やスタンプ法等によって有機分子を接触させ、選択的に単分子膜を形成することもできる。 As a third method, it is also possible to selectively form a monomolecular film by bringing an organic molecule into contact with only a predetermined region on the substrate surface where the monomolecular film is to be formed by an ink jet method or a stamp method.
このようにして形成された単分子膜はその表面に前述のような特性官能基を有するため、単分子膜が形成されている領域は液体に対して非親和性の特性を示すものとなる。 Since the monomolecular film thus formed has the above-mentioned characteristic functional group on the surface thereof, the region where the monomolecular film is formed exhibits non-affinity characteristics with respect to the liquid.
そして、流路等が形成できるように、単分子膜を作製した側を相対して、２枚の基体を対向配置することでマイクロチップを作製する。 Then, a microchip is manufactured by disposing two substrates facing each other so that the side on which the monomolecular film is formed is opposed so that a flow path or the like can be formed.
両基体を対向させる際には、両基体は例えばスペーサ等を介して配置することによって基体間に間隙を設けることができる。前記スペーサとしては、例えばガラス部材などを用いることができる。 When the two substrates are made to face each other, a gap can be provided between the substrates by arranging the two substrates via a spacer, for example. As the spacer, for example, a glass member can be used.
なお、上述のように両基体は一定の間隙を有して対向配置されていれば足り、単分子膜同士によって基体間に間隙が設けられている必要はない。所定厚みのスペーサなどによって間隙を有していても単分子膜の非親和性と毛細管現象により液体の保持あるいは流動を円滑に行うことができる。このような基体間の間隙の大きさとしては、両基体に形成される単分子膜の厚さ以上、０．１ｍｍ以下が好ましい。 As described above, it is sufficient that the two substrates are disposed to face each other with a certain gap, and it is not necessary to provide a gap between the substrates by monomolecular films. Even if there is a gap due to a spacer having a predetermined thickness, the liquid can be smoothly held or flowed by the non-affinity of the monomolecular film and the capillary phenomenon. The size of the gap between the substrates is preferably not less than the thickness of the monomolecular film formed on both the substrates and not more than 0.1 mm.
また、基体上に単分子累積膜を形成する場合には、例えば、前述のようにして基体上に一層目の単分子膜を形成した後、さらに単分子膜の表面に活性水素付与処理（例えば、親水化処理）を施してから、前述と同様に再度単分子膜の形成を行えばよい。この活性水素付与処理と化学吸着とを繰り返し行うことによって、所望の積層数の累積膜が形成できる。 In the case of forming a monomolecular cumulative film on the substrate, for example, after forming the first monomolecular film on the substrate as described above, the surface of the monomolecular film is further subjected to an active hydrogen application treatment (for example, , A monomolecular film may be formed again in the same manner as described above. By repeatedly performing this active hydrogen application treatment and chemical adsorption, a cumulative film having a desired number of layers can be formed.
具体的な例としては、基体上に形成した一層目の単分子膜の表面が、ビニル基等の不飽和基を含む場合、例えば、水分が存在する雰囲気中で、電子線やＸ線などのエネルギー線を照射することによって、水酸基（−ＯＨ）を導入できる。また、例えば、過マンガン酸カリウム水溶液に浸漬すれば、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）を導入できる。 As a specific example, when the surface of the first monolayer formed on the substrate contains an unsaturated group such as a vinyl group, for example, in an atmosphere where moisture exists, an electron beam, an X-ray, etc. By irradiating with energy rays, a hydroxyl group (—OH) can be introduced. Further, for example, when immersed in an aqueous potassium permanganate solution, a carboxyl group (—COOH) can be introduced.
なお、上記説明では２つの基体からなるマイクロチップについて説明したが、本発明のマイクロチップは対向配置させた際に液体を流動する流路などを形成しうる第１の基体及び第２の基体を含んでいればよく、３以上の基体からなるマイクロチップとすることもできる。例えば上基体を複数用い、これを１あるいは２以上の下基体と対向させてマイクロチップとする形態や、試料など供給する貫通孔を形成した基体をさらに接合したマイクロチップとすることも可能である。また、下基体のさらに下部に他の基体を接合する場合もある。 In the above description, the microchip consisting of two substrates has been described. However, the microchip of the present invention includes a first substrate and a second substrate that can form a flow path for flowing a liquid when they are arranged to face each other. The microchip which consists of three or more base | substrates should just be included. For example, it is possible to form a microchip by using a plurality of upper bases and facing one or two or more lower bases, or a microchip in which a base having a through hole for supplying a sample is further joined. . In addition, another base may be bonded to the lower part of the lower base.
次に、実施例を用いて、本発明のマイクロチップをさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Next, although the microchip of this invention is demonstrated in more detail using an Example, this invention is not limited to these.
基体（シリコン基体、信越半導体株式会社製）表面であって、流路となる部分のみに、ポジレジスト（商品名ＯＦＰＲ5000；東京応化社製）をスピナー塗布した。そして、フォトマスクを用いて紫外線照射のコンタクト露光（露光機：ミカサ社製）、現像（前記ポジレジスト指定の現像液を使用）、ベーキングを行い、パターニングを行った。続いて、有機分子CF3(CF2)7(CH2)2SiCl3をパーフルオロ炭素系溶媒（商品名ＨＦＥ7200：住友スリーエム社製）に溶解した溶液（有機分子濃度１mmol/l）に、前記パターン処理済の基体を浸漬して化学吸着を行った後、基体を引き上げ、基体表面に残存した未反応の有機分子を洗浄除去することによって、基体の表面であってレジストパターンが形成されてない領域に、撥水性の単分子膜を形成した。次にレジストパターンをアセトン溶媒で溶解除去して流路を形成した。このようにして基体表面の撥水性の単分子膜で挟まれた露出領域が流路となる。作製した２種類のマイクロチップの撥水性を調べた結果の写真を図２（Ａ）、（Ｂ）に示す。同図において、４は単分子膜、５は流路、６は流路内に流した水を示し、同図（Ａ）において、流路の幅は１．０ｍｍ、流路の長さは１０．０ｍｍ、単分子膜の幅は０．７ｍｍ、同図（Ｂ）における流路の幅は１．２ｍｍ、流路の長さは１０．０ｍｍ、単分子膜の幅は０．３ｍｍである。 A positive resist (trade name OFPR5000; manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) was spinner-coated only on the surface of the substrate (silicon substrate, manufactured by Shin-Etsu Semiconductor Co., Ltd.) and serving as a flow path. Then, contact exposure with UV irradiation (exposure machine: manufactured by Mikasa Co., Ltd.), development (using the developer designated by the positive resist) and baking were performed using a photomask, followed by patterning. Subsequently, the organic molecule CF 3 (CF 2 ) 7 (CH 2 ) 2 SiCl 3 was dissolved in a perfluorocarbon-based solvent (trade name HFE7200, manufactured by Sumitomo 3M) (organic molecule concentration 1 mmol / l). After the pattern-treated substrate is immersed and chemisorbed, the substrate is pulled up, and unreacted organic molecules remaining on the substrate surface are washed away, so that a resist pattern is not formed on the surface of the substrate. A water-repellent monomolecular film was formed in the region. Next, the resist pattern was dissolved and removed with an acetone solvent to form a flow path. Thus, the exposed region sandwiched by the water-repellent monomolecular film on the surface of the substrate becomes a flow path. 2A and 2B show photographs of the results of examining the water repellency of the two types of microchips produced. In the same figure, 4 is a monomolecular film, 5 is a flow path, and 6 is water that has flowed into the flow path. In the same figure (A), the width of the flow path is 1.0 mm, and the length of the flow path is 10 0.0 mm, the width of the monomolecular film is 0.7 mm, the width of the flow channel in the figure (B) is 1.2 mm, the length of the flow channel is 10.0 mm, and the width of the monomolecular film is 0.3 mm.
この基体上の流路に水（流路の長さ１０．０ｍｍに対して１０．０μｌ/ｍｉｎ）を供給したところ、水は流路内のみを流れ、単分子膜形成領域には浸出しなかった。また、顕微鏡で観察したところ、水は、流路の幅方向中央部において盛り上がった形状（半円状）となっていた。この単分子膜の形成によって流路が形成されたことが確認されたことから、この基体を用いて単分子膜を形成した面を対向させると二基体に挟まれた空間は、単分子膜で囲まれた領域から液体が浸出していかないことが分かる。例えば、大きさは７０ｍｍ（Ｌ）×５０ｍｍ（Ｗ）×１．１ｍｍ（Ｄ）のシリコン基体を用い、まず有機分子含有液との接触により図１の形態の所定領域に単分子膜を有する上基体、下基体となる各基体を作製する。上基体は試料などを供給する上部からの貫通孔が形成されている以外は、下基体と同じ基体である。単分子膜の形成は上記方法によりレジストパターンを形成して有機分子含有液に各基体を浸漬した後、レジストパターンを除去することにより行なう。なお、各流路の大きさは上記と同様に幅１．０ｍｍとすることができる。そして、単分子膜を形成した両基体間にガラススペーサを接着し、間隙１００μｍに調整して対向配置することにより２枚の基体からなるマイクロチップが得られる。このようにして作製されるマイクロチップの所定位置に試料、試薬、水溶液および溶媒となる水を供給すると上記のように単分子膜を形成しなかった基体表面が露出している箇所にのみ水あるいは水溶液からなる液体が存在し、単分子膜で囲まれた流路内のみを液体が流れ、それ以外の部分に液体が拡散していく現象はみられない。従って、マイクロチップのいずれの箇所においても被検出物の濃度の低下がなく分析精度を向上することができる。 When water (10.0 μl / min with respect to the length of the channel of 10.0 mm) is supplied to the channel on the substrate, the water flows only in the channel and does not leached into the monomolecular film formation region. It was. Moreover, when observed with the microscope, water became the shape (semicircle shape) which rose in the center part of the width direction of the flow path. Since it was confirmed that the flow path was formed by the formation of this monomolecular film, when the surface on which the monomolecular film was formed using this substrate was opposed, the space between the two substrates was a monomolecular film. It can be seen that liquid has not leached from the enclosed area. For example, a silicon substrate having a size of 70 mm (L) × 50 mm (W) × 1.1 mm (D) is used, and a monomolecular film is first formed in a predetermined region in the form of FIG. 1 by contact with an organic molecule-containing liquid. Each substrate to be a substrate and a lower substrate is produced. The upper substrate is the same substrate as the lower substrate except that a through-hole from the upper part for supplying a sample or the like is formed. The monomolecular film is formed by forming a resist pattern by the above method, immersing each substrate in an organic molecule-containing liquid, and then removing the resist pattern. In addition, the size of each flow path can be set to a width of 1.0 mm as described above. Then, a glass spacer is adhered between the two substrates on which the monomolecular film is formed, and a microchip composed of two substrates is obtained by adjusting the gap to be 100 μm and disposing the substrates opposite to each other. When water as a sample, reagent, aqueous solution and solvent is supplied to a predetermined position of the microchip thus produced, water or only at the location where the surface of the substrate where the monomolecular film is not formed as described above is exposed. There is a liquid composed of an aqueous solution, and there is no phenomenon that the liquid flows only in the flow path surrounded by the monomolecular film and the liquid diffuses to other portions. Accordingly, there is no decrease in the concentration of the object to be detected in any part of the microchip, and the analysis accuracy can be improved.
以上のように、本発明のマイクロチップによれば、液体と非親和性を示す単分子膜を形成するだけで、流路や試薬の配置部等が形成できるため、製造が非常に簡便化される。また、前記単分子膜は、前述のように非親和性であることから、分析部や試薬部、流路等を微細化しても、それに伴うコンタミネーションの発生や分析精度ならびに分析感度の低下を防止でき、かつ微量な試料を有効に使用することが可能になる。また、単分子膜は基体表面に共有結合しているため、剥離等の問題もない。 As described above, according to the microchip of the present invention, it is possible to form a flow path, a reagent arrangement portion, and the like only by forming a monomolecular film that has no affinity for a liquid. The In addition, since the monomolecular film is non-affinity as described above, even if the analysis part, reagent part, flow path, etc. are miniaturized, the occurrence of contamination, the analysis accuracy and the analysis sensitivity are reduced. It is possible to prevent and use a very small amount of sample effectively. Further, since the monomolecular film is covalently bonded to the substrate surface, there is no problem such as peeling.
１ａ 下基体
１ｂ 上基体
２ａ、２ｂ 単分子膜
３１ 試料添加部
３２ 溶媒部
３３ａ、３３ｂ 試薬部
３４ 廃液だめ
４ 単分子膜
５ 流路
６ 水
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a Lower base | substrate 1b Upper base | substrate 2a, 2b Monomolecular film 31 Sample addition part 32 Solvent part 33a, 33b Reagent part 34 Waste liquid reservoir 4 Monomolecular film 5 Channel 6 Water
Claims (11)
前記各基体の対向側の表面であって、試料、試薬、溶液および溶媒からなる群から選択された少なくとも一つを含む液体が存在し得る領域の周囲に、前記液体に非親和性を示す単分子膜が形成されており、
前記単分子膜は前記各基体の表面と共有結合によって結合していることを特徴とするマイクロチップ。 A first base and a second base, wherein the first base and the second base are arranged to face each other with a predetermined gap;
A single surface that exhibits non-affinity to the liquid around the region of the surface on the opposite side of each substrate where a liquid containing at least one selected from the group consisting of a sample, a reagent, a solution, and a solvent can exist. A molecular film is formed,
The microchip, wherein the monomolecular film is bonded to the surface of each substrate by a covalent bond.
前記各基体の表面における、試料、試薬、溶液および溶媒からなる群から選択された少なくとも一つを含む液体が存在し得る領域の周囲であって、活性水素を有するかまたは活性水素を付与した所定の領域に、
一端に前記各基体の表面と共有結合を形成可能な結合官能基を含み、他端に前記液体に非親和性の特性を示す官能基を含む有機分子を接触させ、
前記有機分子の結合官能基と前記各基体の表面の活性水素とを反応させて共有結合を形成することにより、前記各基体の表面の前記所定の領域に選択的に前記液体に非親和性を示す単分子膜を形成する工程と、
前記第１の基体と前記第２の基体とを、それぞれの表面に形成された単分子膜が対向するように、所定の間隙を設けて配置する工程とを含むマイクロチップの製造方法。 Including a first substrate and a second substrate, around the surface of each of the substrates, around a region where a liquid containing at least one selected from the group consisting of a sample, a reagent, a solution, and a solvent can exist. A method for producing a microchip in which a monomolecular film having non-affinity with the liquid is formed,
A predetermined surface having active hydrogen or being provided with active hydrogen around a region where a liquid containing at least one selected from the group consisting of a sample, a reagent, a solution, and a solvent may exist on the surface of each substrate. In the area of
An organic molecule containing a binding functional group capable of forming a covalent bond with the surface of each substrate at one end, and a functional group exhibiting non-affinity characteristics to the liquid at the other end;
By reacting a binding functional group of the organic molecule with active hydrogen on the surface of each substrate to form a covalent bond, the liquid is selectively made incompatible with the predetermined region on the surface of each substrate. Forming a monomolecular film,
A method of manufacturing a microchip, including a step of arranging the first substrate and the second substrate with a predetermined gap so that the monomolecular films formed on the respective surfaces face each other.
F(CF2)m(CH2)nSiRqX3-q ・・・（１）
F(CF2)r(CH2)sA(CH2)pSiRqX3-q ・・・（２）
H(CH2)m(CH2)nSiRqX3-q ・・・（３）
H(CH2)r(CH2)sA(CH2)pSiRqX3-q ・・・（４）
［前記式（１）および（３）において、ｍは１〜１５の整数、ｎは０〜１５の整数、「ｍ+ｎ」は１０〜３０の整数、ｑは０〜２の整数であり、Ｘは、ハロゲン、アルコキシまたはイソシアンであり、Ｒは水素または炭化水素である。
前記式（２）および（４）において、ｒは１〜８の整数、ｓは０〜２の整数、ｐは５〜２５の整数、ｑは０〜２の整数、「ｒ＋ｓ」は１〜１０の整数であり、Ａは、酸素原子（-O-）、オキシカルボニル基（-COO-）またはジメチルシリル基（-Si(CH3)2-）であり、Ｘは、ハロゲン、アルコキシまたはイソシアンであり、Ｒは水素または炭化水素である。］ The organic molecule represented by at least one formula selected from the group consisting of the following chemical formulas (1), (2), (3) and (4) or a derivative thereof: A method for producing a microchip according to claim 1.
F (CF 2 ) m (CH 2 ) n SiR q X 3-q (1)
F (CF 2 ) r (CH 2 ) s A (CH 2 ) p SiR q X 3-q (2)
H (CH 2 ) m (CH 2 ) n SiR q X 3-q (3)
H (CH 2 ) r (CH 2 ) s A (CH 2 ) p SiR q X 3-q (4)
[In the said Formula (1) and (3), m is an integer of 1-15, n is an integer of 0-15, "m + n" is an integer of 10-30, q is an integer of 0-2, X is halogen, alkoxy or isocyan, and R is hydrogen or hydrocarbon.
In the formulas (2) and (4), r is an integer of 1 to 8, s is an integer of 0 to 2, p is an integer of 5 to 25, q is an integer of 0 to 2, and "r + s" is 1 to 10 A is an oxygen atom (—O—), an oxycarbonyl group (—COO—) or a dimethylsilyl group (—Si (CH 3 ) 2 —), and X is halogen, alkoxy or isocyan Yes, R is hydrogen or hydrocarbon. ]
CF3(CF2)7(CH2)2SiCl3
F(CF2)4(CH2)2O(CH2)15SiCl3
CF3COO(CH2)15SiCl3
F(CF2)4(CH2)2Si(CH3)2(CH2)9SiCl3
F(CF2)8Si(CH3)2(CH2)9SiCl3
CF3(CH2)2Si(CH3)2(CH2)15SiCl3
CF3CH2O(CH2)15SiCl3
CH3(CH2)7(CH2)2SiCl3
H(CH2)4(CH2)2O(CH2)15SiCl3
CH3COO(CH2)15SiCl3
H(CH2)4(CH2)2Si(CH3)2(CH2)9SiCl3
H(CH2)8Si(CH3)2(CH2)9SiCl3
CH3(CH2)2Si(CH3)2(CH2)15SiCl3
CH3CH2O(CH2)15SiCl3 The method of manufacturing a microchip according to claim 4, wherein the organic molecule is at least one selected from the group consisting of organic molecules represented by the following formula.
CF 3 (CF 2 ) 7 (CH 2 ) 2 SiCl 3
F (CF 2 ) 4 (CH 2 ) 2 O (CH 2 ) 15 SiCl 3
CF 3 COO (CH 2 ) 15 SiCl 3
F (CF 2 ) 4 (CH 2 ) 2 Si (CH 3 ) 2 (CH 2 ) 9 SiCl 3
F (CF 2 ) 8 Si (CH 3 ) 2 (CH 2 ) 9 SiCl 3
CF 3 (CH 2 ) 2 Si (CH 3 ) 2 (CH 2 ) 15 SiCl 3
CF 3 CH 2 O (CH 2 ) 15 SiCl 3
CH 3 (CH 2 ) 7 (CH 2 ) 2 SiCl 3
H (CH 2 ) 4 (CH 2 ) 2 O (CH 2 ) 15 SiCl 3
CH 3 COO (CH 2 ) 15 SiCl 3
H (CH 2 ) 4 (CH 2 ) 2 Si (CH 3 ) 2 (CH 2 ) 9 SiCl 3
H (CH 2 ) 8 Si (CH 3 ) 2 (CH 2 ) 9 SiCl 3
CH 3 (CH 2 ) 2 Si (CH 3 ) 2 (CH 2 ) 15 SiCl 3
CH 3 CH 2 O (CH 2 ) 15 SiCl 3
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