JP2005345279A - マイクロチップ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 化学反応物質の種類を問わず、様々な条件下において反応実験を行うことができること、積層チップを分解することで容易に流路の洗浄ができること、およびバルブ構造体や流路の表面修飾によって、溶液の流れの制御が可能な化学反応用マイクロチップを安価に提供する。
【解決手段】 複数本のマイクロ流路２を有するマイクロチップにおいて、少なくともマイクロ流路２内部の表面の一部をダイヤモンドライクカーボン膜で被覆したことを特徴とするマイクロチップ。
【選択図】 図３

Description

本発明は種々の物質を微小領域で化学反応を行うことができる化学反応用マイクロチップおよびその製造方法に関する。

近年、化学反応の高速化によるプロセス時間の短縮や物質合成の高効率化を目的として、化学反応による合成や分析システムをチップ上に集積するマイクロチップやマイクロＴＡＳ（Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）の開発が盛んに行われている。
このマイクロチップは数ｃｍから数ｍｍ程度の大きさの基板上に１０〜数百μｍの微小流路（マイクロチャネル）が形成されたものであり、このチップを用いることにより、数マイクロリットルあるいはそれ以下の量の反応液を用いて、溶液の合成・分析検出を行うことができる。そのため、試薬の使用量の低減に有効な手段である。従って、これまでも、数多くの化学反応用マイクロチップが提案、開発されているが、その多くは、マイクロチャネルを形成する基板がガラス、酸化珪素、セラミックス、シリコンあるいは金属、樹脂であった（例えば、特許文献１〜３参照）。また、ダイヤモンド基板の表面にマイクロチャネルを形成したマイクロチップが提示されている（特許文献４参照）が、この場合、マイクロチャネルの上面は閉じられておらず、また、バルブによる流路制御も提案されていない。
一方、半導体製造プロセスで用いられるシリコンの異方性エッチング技術を用いて基板となるシリコンを加工してこれに気相合成法によるダイヤモンドを合成し、さらに処理を施すことによって微小キャピラリーを構成し、これを用いたＤＮＡチップや微小クロマトグラフィーシステムの試作を行っている（非特許文献１および非特許文献２参照）。非特許文献１の構造は、基板としてシリコンを用いることが必須であり、マイクロチップの全体としての熱応答に問題があり、また、この基板によりレーザー光を用いた分析の際に光路の選択などで大きな制約を受ける。

特開２０００−２９８０７９号公報 特開２００２−００１１０２号公報 特開２００２−２９２２７５号公報 ＷＯ００／４８７２４号公報 Ｄｉａｍｏｎｄ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ １０（２００１）ｐ．７２２−７３０ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｕｔｕａｔｏｒｓ Ｂ ７９（２００１）Ｈ．Ｂｊｏｒｋｍａｎ ｅｔ ａｌ．，ｐ．７１−７７

上記特許文献１〜３で用いられている従来の材料は、安価な材料であることから、コスト的にメリットがある一方、反応物質によっては十分な耐食性を持っていないために、使用できる溶液が限定される。一方、特許文献４や非特許文献１で用いられるダイヤモンドは、ほとんどの溶液に対して耐食性を持っているが、製造コストが高く、コストの点で利用が限定される上、ダイヤモンドの場合、微細加工が困難であるため、細かい流路制御が困難である。
また、複数の流路を流れる溶液の流れをバルブの利用によって制御することによって１つのシステムで多様な反応を実現することができる。しかしながら、従来のバルブ部品の材料はステンレス等の金属やゴムが用いられており、マイクロ流路用の微小なバルブでは、止水するためには大きな圧力をかける必要があるため、摩擦によって動作が困難であったり、直ぐに破損したりするといった問題があった。
更には、ガラス等でマイクロ流路を形成し、流路を積層した集積チップが提案されているが、この場合、熱圧着によりガラス基板を積層する工程が必要である上、積層したチップを分解して流路を洗浄することができなかった。
本発明は、上記課題を解決し、化学反応物質の種類を問わず、様々な条件下において反応実験を行うことができること、積層チップを分解することで容易に流路の洗浄ができること、およびバルブ構造体や流路の表面修飾によって、溶液の流れの制御が可能な化学反応用マイクロチップを安価に提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意研究した結果、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜を基板、マイクロ流路（マイクロチャネル）内部もしくはバルブ構造体に被覆することにより、上記課題が解決できることを見出し、この知見に基づき本発明をなすに到った。
すなわち本発明は以下の構成を有する。
（１）複数本のマイクロ流路を有するマイクロチップにおいて、少なくともマイクロ流路内部の表面の一部をダイヤモンドライクカーボン膜で被覆したことを特徴とするマイクロチップ。
（２）該マイクロチップにおいて、少なくとも１本のマイクロ流路にバルブ構造体を有することを特徴とする（１）に記載のマイクロチップ。
（３）該バルブ構造体の、少なくとも反応液に接触する面及び／又は摺動面をダイヤモンドライクカーボン膜で被覆したことを特徴とする（２）に記載のマイクロチップ。
（４）複数本のマイクロ流路を有するマイクロチップにおいて、少なくとも１本のマイクロ流路にバルブ構造体を有し、該バルブ構造体の、少なくとも反応液に接触する面及び／又は摺動面をダイヤモンドライクカーボン膜で被覆したことを特徴とするマイクロチップ。
（５）該バルブ構造体がスライド式バルブもしくは回転式バルブであることを特徴とする（２）〜（４）のいずれか一項に記載のマイクロチップ。
（６）該ダイヤモンドライクカーボン膜が親水性もしくは撥水性をもつダイヤモンドライクカーボン膜であることを特徴とする（１）〜（５）のいずれか一項に記載のマイクロチップ。
（７）該マイクロチップの表面全体をダイヤモンドライクカーボン膜で被覆した後、被覆面同士を圧着したのみで、液体を流路内に封止することを特徴とする（１）〜（６）のいずれか一項に記載のマイクロチップ。
（８）該ダイヤモンドライクカーボン膜の動摩擦係数が０．０３以上０．２０以下であることを特徴とする（１）〜（７）のいずれか一項に記載のマイクロチップ。
（９）該ダイヤモンドライクカーボン膜の表面原子層を窒素で終端させることにより親水性のダイヤモンドライクカーボン膜を形成すること、または、フッ素で終端させることにより疎水性のダイヤモンドライクカーボン膜を形成することを特徴とする（６）に記載のマイクロチップ。
（１０）該ダイヤモンドライクカーボン膜中に窒素を添加することにより親水性のダイヤモンドライクカーボン膜を形成すること、または、フッ素もしくはアルミニウムもしくはシリコンを添加することにより疎水性のダイヤモンドライクカーボン膜体を形成することを特徴とする（６）に記載のマイクロチップ。
（１１）該マイクロチップの基板がガラス、樹脂、ゴム、金属、シリコン、カーボン、セラミック、サファイア及びテフロン（登録商標）からなる群から選ばれる少なくとも一種からなることを特徴とする（１）〜（１０）のいずれか一項に記載のマイクロチップ。
（１２）該バルブ構造体がガラス、樹脂、ゴム、金属、シリコン、カーボン、セラミック、サファイア及びテフロン（登録商標）からなる群から選ばれる少なくとも一種からなることを特徴とする（２）〜（５）のいずれか一項に記載のマイクロチップ。
（１３）ガラス、樹脂、ゴム、金属、シリコン、カーボン、セラミック、サファイア及びテフロン（登録商標）からなる群から選ばれる少なくとも一種からなる基板にマイクロ流路を形成した後、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法又はアークイオンプレーティング法を用いて少なくともマイクロ流路内部の表面の一部に該ダイヤモンドライクカーボン膜を形成することを特徴とする（１）に記載のマイクロチップの製造方法。
（１４）ガラス、樹脂、ゴム、金属、シリコン、カーボン、セラミック、サファイア及びテフロン（登録商標）からなる群から選ばれる少なくとも一種からなるバルブ構造体を形成した後、該バルブ構造体の、少なくとも反応液に接触する面及び／又は摺動面に、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法又はアークイオンプレーティング法を用いて該ダイヤモンドライクカーボン膜を形成することを特徴とする（３）又は（４）に記載のマイクロチップの製造方法。

本発明によれば、耐食性が高く、経済的なマイクロチップを提供することができる。
本発明では、ＤＬＣ膜でマイクロチップの流路内部及び／又はバルブ構造体の表面を被覆することによって、耐食性や生体適合性を高めたマイクロチップを提供することができ、また、基板の表面をＤＬＣ膜で被覆することによって、熱圧着をすることなく３次元に積層したマイクロチップを提供することができる。

ＤＬＣ膜はアモルファス構造をした炭素を主成分とする膜であり、高い硬度、無潤滑でも低い摩擦係数、優れた耐食性といった特徴を有している。また、炭素を主成分としていることから、生体との適合性にも優れており、生体細胞やＤＮＡなどの分析にも効果的である。
前記課題のうち耐食性に関しては、従来のガラスや樹脂の基板上に先ずマイクロ流路を形成した後、その流路の内壁にＤＬＣを被覆することによって様々な溶液に対して耐食性を高めることができる。ＤＬＣ膜を合成する際に窒素を添加することで親水性のＤＬＣ膜、フッ素またはアルミニウムまたは珪素を添加することで疎水性のＤＬＣ膜になる。親水性ＤＬＣ膜を被覆した流路と疎水性ＤＬＣ膜を被覆した流路を組み合わせることによって、例えば、油を含んだ液を流路で油と水とに分離することができる。また、ＤＬＣ膜の表面処理によって、表面原子層を窒素で終端させることにより親水性ＤＬＣ膜を、フッ素で終端させることにより疎水性ＤＬＣ膜を形成することが可能であり、これらも上記親水性又は疎水性ＤＬＣ膜と同様に利用できる。

また、従来のガラス基板を用いたマイクロチップでは、マイクロ流路を形成した後、あらかじめ流路を形成したガラス基板を熱圧着により繰り返し接合することで、マイクロ流路を３次元に重ねて配列し、流体の３次元集積回路を形成する技術が知られている。前記発明が解決しようとする課題でも記述した通り、この技術は、反応チップを３次元に集積することで非常にコンパクトにまとめることができるが、一旦チップを作製してしまうと、各層の基板を分離することはできない。このように分離できないことによって、例えば、各層の流路を洗浄するとか流路の配列を変更するといったことができなかった。一方、ＤＬＣ膜は極めて止水性が高いため、流路を形成した基板の上面と上層基板の下面にＤＬＣ膜を被覆し、例えば、クリップ等で押し付けることで、熱的に圧着してしまう必要なく溶液を流路に閉じ込めることができる。

次に、流路を流れる溶液の流量や経路を制御するためには必要に応じバルブ構造体を用いることができるが、マイクロチップの場合、流路の数μｍから数百μｍの幅の流路を止水するためには、バルブ構造体は数μｍから数百μｍの接触で止水しなければならず、従来の材料ではバルブ構造体の破損や焼き付きといった問題があった。動摩擦係数の低いＤＬＣ膜（好ましくはピン・オン・ディスク型摩擦試験機を使用して測定した動摩擦係数が０．０３〜０．２０、さらに好ましくは０．０５〜０．１）をバルブ構造体の少なくとも反応液に接触する面及び／又は摺動面（本明細書においては単にバルブ構造体の表面ともいう）またはマイクロ流路内部の少なくとも一部、もしくは、バルブ構造体の表面とマイクロ流路内部の両方の面に被覆してＤＬＣ膜で接触させることによって、潤滑性と止水性の両方を実現することができ、バルブ構造体の破損や焼き付きを防止することができる。バルブ構造体は、スライド式もしくは回転式であることが好ましい。
基板へのＤＬＣ膜の製造方法にはプラズマＣＶＤ法、スパッタリング法、アークイオンプレーティング法がある。基板にパターンエッチング、切削加工、レーザー加工等の方法で流路を描いた後、ＤＬＣ膜を前記のいずれかの方法を用いて合成することができる。バルブ構造体へのＤＬＣ膜の製造方法では、冶具等を用いてバルブ構造体を保持し、前記のいずれかの方法で流路と接触する部分及び基板と接触する部分にＤＬＣ膜を合成する。上記のＤＬＣ膜の製造方法は、大面積の成膜が可能であり、大量生産が可能であることからコスト的に有利である。
ＤＬＣ膜の膜厚は特に制限はないが、好ましくは０．１〜１０μｍである。

次に図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
図１はマイクロ流路を形成した基板を斜視図で描いたものであり、基板１はガラス、樹脂、ゴム、金属、シリコン、カーボン、セラミック、サファイア、テフロン（登録商標）などのいずれでもよいが、溶液の反応を分析するためにはガラスやアクリル樹脂等の透明な基板が好ましい。
基板１には複数本の幅が数μｍから数百μｍで深さが数μｍから数百μｍのマイクロ流路２が形成されている。マイクロ流路２が形成された基板１にＤＬＣ膜を被覆する。一部の流路の内壁だけにＤＬＣ膜を被覆する場合は、マスクによって被覆する部分以外をカバーすればよい。ＤＬＣ膜を親水性とする場合は、原料ガス中にアンモニア等の窒素を含むガスを添加すればよい。また、ＤＬＣ膜を疎水性とする場合には、原料ガス中にフッ化炭素、アルコキシド、シラン等のフッ素もしくはアルミニウムもしくはシリコンを含むガスを添加すればよい。

次に、基板を積層したものを図２に示す。上下の基板（１と１’、１’と１”）に形成されたマイクロ流路（２、２’、２”）は縦に開けられた流路を通してつながっている。ガラス等の基板同士を積層しただけでは、溶液が漏出するため、従来の技術では、熱圧着技術を用いて、ガラスを融着する。しかしながら、熱圧着により融着すると、各層の基板を分離することができず、例えば、洗浄したり、層の組み換えしたりすることができない。ＤＬＣ膜は止水性に優れており、下層の基板上面および／もしくは上層の基板下面にＤＬＣ膜を付け、クリップやばね等で力を加えて押さえることで、流路を流れる液体が漏れることを防止できる。更には、クリップやばねを外して加えていた力を除くと基板は分離することができる。

次に図３にバルブ構造体を設けたマイクロチップの説明図を示す。２つのバルブ構造体３はそれぞれ液体ａと液体ｂの流量を制御するために用いられる。図４（ａ）（ｂ）にマイクロ流路での断面図におけるバルブ構造体の先端の拡大図を示した。図４（ａ）はバルブ構造体３によってマイクロ流路２が塞がれたストップモードの状態であり、図４（ｂ）はマイクロ流路２が開かれたフローモードの状態である。図４には例としてバルブ構造体３の脚部表面にＤＬＣ膜４を有する態様を示した。
図４に示すようにバルブ構造体はマイクロ流路を開閉するように脚部が上下動するものであればよく、図５（ａ）にスライド式バルブ構造体を用いたマイクロチップ、図５（ｂ）に回転式バルブ構造体を用いたマイクロチップ（いずれもストップモード）を模式的に表す説明図を示した。これらの態様においてもＤＬＣ膜は少なくともマイクロ流路内部の表面の一部及び／又はバルブ構造体の表面に被覆されていればよい。
次に本発明の詳細を実施例により説明するが本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

それぞれ１０×２０×３ｍｍの大きさの石英ガラスおよびアクリル樹脂を基板としてエッチング法により、図６のようなマイクロ流路をもつ化学反応用マイクロチップを作製した。それぞれの流路にプラズマＣＶＤ法でＤＬＣ膜を成膜した（ＤＬＣ膜の動摩擦係数（ピン・オン・ディスク方摩擦試験機で測定）：０．２、膜厚：１μｍ）。また、比較例としてマイクロ流路にＤＬＣ膜を被覆しないマイクロチップを準備した。
これらのマイクロチップでフッ化水素酸液と硝酸液の混合液を作製する実験を行った。ＤＬＣ膜を被覆しない石英ガラス基板のマイクロチップは基板が溶解したが、ＤＬＣ膜を被覆したマイクロチップでは基板の溶解もなく、混合液が得られた。
また、回転式バルブを用いた図３に示すようなマイクロチップにおいて、フッ化水素酸液と硝酸液の流量を制御するテストを行ったところ、マイクロ流路内部にＤＬＣ膜を被覆したマイクロチップでは、石英ガラス製、アクリル樹脂製基板のいずれを用いたものでも、フッ化水素酸液および硝酸液ともに制御することができた。例えば、出口側でフッ化水素酸液単独もしくは硝酸液単独の液を得ることができ、いずれかの液が漏れることなく止めることができることを確認した。
一方、マイクロ流路内部にもバルブ構造体表面にもＤＬＣ膜を被覆していないマイクロチップでは、石英ガラス製でもアクリル樹脂製でも、完全に流量を制御することができず、フッ化水素酸液、硝酸液のいずれも漏れが生じ、いずれも単独の液を得ることができなかった。

それぞれ１０×２０×３ｍｍの大きさの石英ガラスおよびアクリル樹脂を基板としてエッチング法により、図１のようなマイクロ流路をもつ、化学反応用マイクロチップを作製した。この基板上面にＤＬＣ膜をスパッタリング法で成膜した。次に同じサイズの石英ガラスおよびアクリル樹脂の平板の片面にスパッタリング法でＤＬＣ膜（摩擦係数（ピン・オン・ディスク方摩擦試験機で測定）：０．１、膜厚：２μｍ）を成膜して、ＤＬＣ膜を被覆した面同士が接触するように基板を重ね合わせバネ式クリップで圧着した。
また、比較例としてＤＬＣ膜を被覆していない、石英ガラスおよびアクリル樹脂製のマイクロチップを同じ方法で作製した。
それぞれのチップの流路に水を流したところ、ＤＬＣ膜を基板面に被覆したマイクロチップでは水漏れが起こらなかったが、ＤＬＣ膜を被覆していないマイクロチップでは水漏れが生じた。

マイクロ流路を描いた基板を示す斜視図である。 マイクロ流路を描いた基板を積層したチップを示す斜視図である。 バルブ構造体を有するチップを示す斜視図である。 （ａ）はストップモード、（ｂ）はフローモードのときのバルブ構造体と流路の状態を示す説明図である。 （ａ）はスライド式バルブ構造体、（ｂ）は回転式バルブ構造体の説明図である。 本発明の一実施態様を概念的に示す説明図である。

符号の説明

１、１’、１” 基板
２、２’、２” マイクロ流路
３ バルブ構造体
４ ＤＬＣ膜

Claims (14)

1. 複数本のマイクロ流路を有するマイクロチップにおいて、少なくともマイクロ流路内部の表面の一部をダイヤモンドライクカーボン膜で被覆したことを特徴とするマイクロチップ。
2. 該マイクロチップにおいて、少なくとも１本のマイクロ流路にバルブ構造体を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップ。
3. 該バルブ構造体の、少なくとも反応液に接触する面及び／又は摺動面をダイヤモンドライクカーボン膜で被覆したことを特徴とする請求項２に記載のマイクロチップ。
4. 複数本のマイクロ流路を有するマイクロチップにおいて、少なくとも１本のマイクロ流路にバルブ構造体を有し、該バルブ構造体の、少なくとも反応液に接触する面及び／又は摺動面をダイヤモンドライクカーボン膜で被覆したことを特徴とするマイクロチップ。
5. 該バルブ構造体がスライド式バルブもしくは回転式バルブであることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のマイクロチップ。
6. 該ダイヤモンドライクカーボン膜が親水性もしくは撥水性をもつダイヤモンドライクカーボン膜であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロチップ。
7. 該マイクロチップの表面全体をダイヤモンドライクカーボン膜で被覆した後、被覆面同士を圧着したのみで、液体を流路内に封止することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のマイクロチップ。
8. 該ダイヤモンドライクカーボン膜の動摩擦係数が０．０３以上０．２０以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のマイクロチップ。
9. 該ダイヤモンドライクカーボン膜の表面原子層を窒素で終端させることにより親水性のダイヤモンドライクカーボン膜を形成すること、または、フッ素で終端させることにより疎水性のダイヤモンドライクカーボン膜を形成することを特徴とする請求項６に記載のマイクロチップ。
10. 該ダイヤモンドライクカーボン膜中に窒素を添加することにより親水性のダイヤモンドライクカーボン膜を形成すること、または、フッ素もしくはアルミニウムもしくはシリコンを添加することにより疎水性のダイヤモンドライクカーボン膜体を形成することを特徴とする請求項６に記載のマイクロチップ。
11. 該マイクロチップの基板がガラス、樹脂、ゴム、金属、シリコン、カーボン、セラミック、サファイア及びテフロン（登録商標）からなる群から選ばれる少なくとも一種からなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のマイクロチップ。
12. 該バルブ構造体がガラス、樹脂、ゴム、金属、シリコン、カーボン、セラミック、サファイア及びテフロン（登録商標）からなる群から選ばれる少なくとも一種からなることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載のマイクロチップ。
13. ガラス、樹脂、ゴム、金属、シリコン、カーボン、セラミック、サファイア及びテフロン（登録商標）からなる群から選ばれる少なくとも一種からなる基板にマイクロ流路を形成した後、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法又はアークイオンプレーティング法を用いて少なくともマイクロ流路内部の表面の一部に該ダイヤモンドライクカーボン膜を形成することを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップの製造方法。
14. ガラス、樹脂、ゴム、金属、シリコン、カーボン、セラミック、サファイア及びテフロン（登録商標）からなる群から選ばれる少なくとも一種からなるバルブ構造体を形成した後、該バルブ構造体の、少なくとも反応液に接触する面及び／又は摺動面に、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法又はアークイオンプレーティング法を用いて該ダイヤモンドライクカーボン膜を形成することを特徴とする請求項３又は４に記載のマイクロチップの製造方法。
    
    

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