JP2005533261A - 物質移動装置の製造方法及び製造装置 - Google Patents

物質移動装置の製造方法及び製造装置 Download PDF

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Abstract

流路内に均一に充填剤を充填可能なそして基体上の流路に特定物質を含む流体を流すことで特定物質を移動させる物質移動装置の製造方法及びその製造装置を提供する。物質移動装置の製造方法は、基体を用意する工程と、基体の表面に流路を形成する工程と、流路内に、充填剤と液状媒体からなる液滴を付与する工程と、液状媒体を除去することにより、流路を充填剤で充填する工程とを有する。

Description

本発明は、流体中の物質を移動するための物質移動装置の製造方法及びその製造装置に関するものである。
混合物からの純粋な物質の単離や混合物の分離手段として、クロマトグラフィーを用いた、いわゆる分取クロマトグラフィーが各種適用されている。中でも、比較的分解しやすい物質の分離が可能である点で、液体クロマトグラフィー、特に高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）が用いられている。
純粋な物質はそれぞれ寸法、形状、電荷、粘度、移動度、極性が異なるために、充填剤との相互作用の大きさに差が生じる。その結果、移動速度に差が生じる。この移動速度の差により、混合物を分離することができる。この分離の原理を用いて純粋物質を移動させるという観点からは、ＨＰＬＣなどクロマトグラフィは物質移動装置としてとらえることができる。
ＨＰＬＣでは、充填剤粒子を充填したキャピラリ−カラムが用いられることが多い。充填剤粒子としては、粒子径５〜１０μｍ程度の多孔性のシリカゲル粒子、表面修飾シリカゲル粒子、ポリマーゲル粒子等が用いられている。
一方、近年、立体微細加工技術の発展に伴い、ガラスやシリコン等の基板上に微小な流路、ポンプやバルブ等の流体素子およびセンサを集積化し、その基板上で化学分析を行うシステムが注目されている。これらのシステムは、小型化分析システム、μ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）あるいはＬａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐと呼ばれている。化学分析システムの小型化により、無効体積の減少や試料の分量の大幅な低減が可能となる。分析時間の短縮やシステム全体の低消費電力化も可能となる。さらに、小型化によりシステムの低価格を期待できる。μ−ＴＡＳは、システムの小型化、低価格化および分析時間の大幅な短縮が可能なことから、在宅医療やベッドサイドモニタ等の医療分野、ＤＮＡ解析やプロテオーム解析等のバイオ分野での応用が期待されている。
ＨＰＬＣに関しても、充填剤を充填した微小流路を基板上に形成しシステムを小型化することによってさらなる高性能化、低コスト化が期待できる。しかし、従来の充填剤粒子を微小流路内に均一に充填することは、その形状及び大きさのゆえに困難であった。
特開平９−３２９５９０号公報および特開平１１−１３３０１４号公報には、充填剤粒子を用いずに、二重細孔構造のシリカゲルを用いたカラムが開示されている。これらは、内径１０ｍｍの筒状の型内でゲル化したシリカゲルに化学処理および熱処理を施し、成型加工した後、回りをエポキシ樹脂で固めてロッドカラムとしている。しかし、この方法で形成されるカラムは、直径１０ｍｍ、長さ８３ｍｍ程度であり、μＴＡＳに用いることはできない。
特開２０００−２１８６２９号公報には、溝からなる流路を表面に有するμＴＡＳ用チップを射出成形により形成する方法が開示されている。しかし、このμＴＡＳ用チップの流路は充填剤が充填されておらず、ＨＰＬＣに用いることはできない。
USP6344120には、板(plate)の表面に流路を形成し、流路にゾル状態の溶液を導入(introduce)し、流路内においてゲル化することにより、多孔質シリカ構造を流路内に形成する方法が開示されている。
本発明は、基体上に形成した数１０μｍから数１００μｍ程度のオーダーの断面を持つ微小流路内に充填剤を均一に充填することが可能な、物質移動装置の製造方法を提供するものである。さらに数ｃｍ×数ｃｍ程度と小型で高性能且つ低コストな物質移動装置を提供するものである。
本発明は、基体上の流路に特定物質を含む流体を流すことで特定物質を移動させる物質移動装置の製造方法であって、
(a) 基体を用意する工程（以下「基板用意工程」とも言う）と、
(b) 基体の表面に流路を形成する工程（以下「流路形成工程」とも言う）と、
(c) 流路内に、充填剤と液状媒体からなる複数の液滴を付与する工程（以下「充填剤液付与工程」とも言う）と、
(d) 液状媒体を除去することにより、流路を充填剤で充填する工程（以下「液状媒体除去工程」とも言う）とを有し、
付与する液滴の数は、流路を充填剤で充填するために必要な数であり、
充填剤は、充填剤を充填した流路に流体を流したときに、特定物質に対して作用を与えるものである、物質移動装置の製造方法である。
また、本発明は、基体上の流路に特定物質を含む流体を流すことで特定物質を移動させる物質移動装置の製造装置であって、
流路内に、充填剤と液状媒体からなる複数の液滴を付与する手段（以下「液滴付与手段」とも言う）と、
液滴付与手段を駆動する手段と、
液状媒体を除去することにより流路を充填剤で充填する手段とを有し、
付与する液滴の数は、液状媒体を除去後に流路を充填剤で充填するために必要な数であり、
流路中に充填された充填剤は、充填剤中に前記流体を流下させたときに、特定物質に対して作用を与える、物質移動装置の製造装置である。
以下、本発明を詳細に説明する。
図１Ａ及び１Ｂは本発明の製造方法により製造した物質移動装置の一例を示す概略図である。図１Ａは図１Ｂの１Ａ−１Ａ線における縦断面図、図１Ｂは図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線における横断面図である。
本発明の物質移動装置は、基体１０１上に流路１０２が形成されており、流路１０２内には充填剤１０３が充填されている。充填剤１０３は、遮断部１０４により外気から遮断されている。流路の両端には流体から分離しようとする特定の物質（以下「特定物質」或いは「移動対象物質」とも言う）を含む流体（以下「流体試料」或いは「試料溶液」とも言う）を導入するための導入口１０５、及び、流路内を移動した流体を排出するための導出口１０６を有する。
流路の平面形状には特に制限はない。例えば、直線状の流路ならば、基体上により多くの流路を形成することが可能であり、多数の流体試料を同時に流して効率良く移動対象物質を移動させ分析することが可能となる。螺旋状や蛇行形状の流路は流路長を長くとれるので、基体の単位面積当たりでの移動対象物質を分離する性能を高めることができる。
流路の流体の流れ方向に直角な断面（以下「流路断面」と言う）形状、これは縦断面図にて示されるが、にも特に制限はない。図１に示すＶ字形、その他、半円形、半だ円形及び四角形が例示できる。流路断面の寸法は、幅、深さともに数１０μｍから数１００μｍ程度が好ましい。
導出口および導入口は、基体の端面に設けても良いし、流路の底部や側部を構成する基体に設けてもよく、或いは、下部流路の上面を構成する遮断部に設けてもよい。
導入口１０５から導入された流体試料は流路１０２内を移動する。流体試料は、気体でも良いし液体でも良い。
充填剤は、移動対象物質に、移動対象物質同士で異なる移動速度を与えるもの、または、移動対象物質に化学反応を起こさせるものが好ましい。つまり、充填剤が移動対象物質に対して与える作用とは、流体試料中の移動対象物質の移動速度を移動対象物質ごとに異ならせ分離させるような作用や、移動対象物質に化学反応を起こさせるような作用等であることを意味する。
充填剤をあらかじめカップリング剤等で表面処理することにより、移動対象物質との相互作用の種類や大きさを変えることが可能である。流路内を移動した各移動対象物質は、移動速度の違いにより、分離された状態で導出口から排出される。排出された移動対象物質を検出器で検出して流体試料中に含まれる移動対象物質を同定する。
本発明の物質移動装置は、充填剤内に導入する物質に化学反応を起こさせるための「マイクロリアクタ」として用いることも可能である。この場合は、流体試料或いは移動対象物質と化学反応を起こす物質を充填剤として用いても良いし、化学反応する物質や化学反応の触媒となる物質を充填剤に保持させても良い。多孔質材料からなる充填剤は反応表面積が広いので、反応の効率を向上させることができる。
図１Ｂにおける１Ａ−１Ａ断面の方向から見た図２Ａ乃至２Ｇを用いて、本発明の物質移動装置の製造方法の実施の形態を説明する。
まず、図２Ａに示したように基体２０１を用意する。流体試料に対して耐性がある材料から成るものであれば基体２０１の材料に特に制限はなく、シリコン等の半導体、ガラス、ステンレス等の金属、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＳ（ポリスチレン）等の樹脂が挙げられる。
次に、流路２０３を構成する壁部のうち後述する遮断部により与えられる蓋部分以外の主要部分を形成する。流路の形成方法としては、基体をエッチングする方法、基体上に隔壁を形成する方法等が挙げられる。フォトリソグラフィ法を用いてエッチングマスクを作製し、基体をエッチングすることにより、任意形状の流路を基体上に形成することが可能である。特に、基体が単結晶シリコンの場合は、結晶異方性エッチングを用いることにより精度良く流路を形成できる。また、フォトリソグラフィ法を用いて基体上に厚膜レジストよりなる隔壁を形成することにより、基体上に任意形状の流路を形成することが可能である。図２Ｂ乃至２Ｄでは、単結晶シリコン基板からなる基体２０１を熱酸化することにより、ＳｉＯ２よりなる熱酸化膜２０２を単結晶シリコン基板２０１の両面に形成し（図２Ｂ）、エッチングにより熱酸化膜２０２をパターニングして流路を形成する部分の基板面のシリコンを露出させた（図２Ｃ）。パターニングされた熱酸化膜２０２をエッチングマスクとしてシリコン結晶異方性エッチングを行い、単結晶シリコン基板２０１上に凹状の流路２０３を形成した（図２Ｄ）。
次に、図２Ｅに示したように、流路２０３内に充填剤２０４を充填する。本発明の製造方法においては、図２Ｄに示したように、流路壁が基体に形成された段階では流路の上部は開放されており、その開放面から充填剤を充填するので、チューブ等に充填剤を充填する場合など断面に垂直な方向から充填する場合と比較して、容易に充填剤を充填することが可能である。
本発明の製造方法において充填剤を流路に充填するには、充填剤と液状媒体からなる液体（以下「充填剤液」とも言う）の液滴を何らかの液体付与方法で流路に付与する。液体付与方法としてはディスペンサー法、インクジェット法、スピンコート法、ディップコート法、ロールコート法、バーコート法、スプレーコート法等が挙げられる。予定量の充填剤を流路に供給するには、正確な量の各充填剤液滴を、定めた数だけ吐出して流路に付与する方法が好ましい。したがって、各液滴の量が正確である、ディスペンサー法またはインクジェット法が好ましい。
ディスペンサー法もインクジェット法も、流体にエネルギーを与えることにより流体を基体上に付与する方法である。ディスペンサー法の付与方式としては、エア方式、チュービング方式、ギア方式、ピストン方式、スクリュー方式等が挙げられる。インクジェット法の付与方式としては、熱方式（気泡の熱膨張を利用した方式）、圧電素子を用いたピエゾ方式、静電方式等が挙げられる。充填剤の種類や充填量に応じて、最も適した方式を選択する。インクジェット法では、インクジェットヘッドを用いて液滴を吐出することにより、流路の幅が数10μｍ程度と狭い場合でも、任意形状の流路中の所望する位置に正確な量の充填剤液を効率よく付与することが可能である。
インクジェット法では最小でｐｌオーダーの体積の液滴を吐出できる。吐出する液滴の数の制御はインクジェットヘッドに印加するパルス電圧の数を制御することにより可能である。
充填剤液の予定量とは、流路に充填した充填剤液から液状媒体を除去した後の状態が、図２Ｅに示したように充填剤が基体の表面から若干盛り上がるようになる状態、或いは、図２Ｆに示したように基体の表面と充填剤の表面が同一面となる状態を与える充填剤液の量である。液状媒体除去後の充填剤の表面が基体の表面よりも凹んでいると、移動対象物質を移動させようとして流体試料を流路に流したとき凹みの部分を流れる流体試料中の移動対象物質は充填剤からの作用を受けることができず、好ましくない。充填剤が若干盛り上がるように充填した場合は、研磨等により、基体の表面と充填剤の表面を同一面になるように加工して良い。
以上説明したように、充填剤液の正確な量の各液滴を定めた数だけ吐出して流路に付与できるディスペンサー法及びインクジェット法は、スピンコート法やディップコート法等と比較して、充填時に必要な充填剤の分量が大幅に減り、低コストでの充填が可能となる。
本発明における工程(d)後の充填剤は、多孔質材料を含み構成されていることが好ましい。多孔質材料を最終形態とすることにより、従来技術にて行っていたような、集合状態をとったとき多孔質材料で得られるのと同じ多孔度を提供できる充填剤粒子を探索する必要がなくなる。さらに、多孔質材料の孔径や分布を制御することにより、様々な用途に応じた物質移動装置を製造することが可能となる。多孔質材料の好ましい例としては、多孔質二酸化ケイ素が挙げられる。
充填剤の最終形態を多孔質材料とする方法としては、ゾル状態の充填剤を流路中に充填した後、流路内にてゲル化させる、いわゆるゾル−ゲル法が挙げられる。ゾル−ゲル法に関しては、後の項で詳しく説明する。
次に、流路内に隙間なく充填剤を充填するため、図２Ｆに示したように、基体と充填剤の上平面を同一平面とする。この工程にはいわゆる研磨法もしくはエッチングバック法を用いることが可能である。
必要に応じて充填剤の表面を処理すること、例えば、表面の疎水性、親水性等の性質を制御することで、様々な用途に応じた物質移動装置を提供できる。本発明の製造方法では、充填剤を充填された流路の、流体の流れ方向に対して平行な面が開放されているので、チューブ等閉じられた流路に充填剤が充填されている場合と比較して容易に充填剤の表面処理が可能である。
充填剤の表面処理の方法としては、表面処理剤を含む溶液中に基体ごと浸漬する方法（ディップコート法）、ディスペンサーまたはインクジェットヘッドを用いて表面処理剤溶液を充填剤内に滴下する方法が挙げられる。特に、ディスペンサーを用いることにより、微小流路の幅が数10μｍ程度と狭い場合でも、充填剤の部分のみに、容易に効率良く表面処理を行うことができる。
次に、図２Ｇに示したように、遮断部により充填剤を外気から遮断する。
遮断部の材料としては、流体試料に対して耐性がある材料であれば特に制限はない。基体と同材料でも良いし、基体と異なる材料を用いても良い。遮断部を基体に接合する方法としては、基体と遮断部の材料の組み合わせ等により、適した方法が選択される。例えば、シリコンとガラスの組み合わせであれば、陽極接合が挙げられる。ガラスどうしであれば熱融着法、ＨＦ（フッ酸）による融着接合を用いても良い。またエポキシ等の接着剤を用いて接合しても良い。
本発明の製造方法では、ゾル状態の充填剤を流路内に充填した後、流路内においてゲル化するというゾル−ゲル法を用いるのが好ましい。ゾル−ゲル法とは、流動性のある溶液状態（ゾル）から出発して、構成成分の物理的・化学的変化により固体（ゲル）に転化させる材料合成プロセスである。特にガラスやセラミックスなどの無機材料においては、高温を必要とする溶融・焼結プロセスに対して、低温合成法とも呼ばれる。微粒子、繊維、薄膜等の形態によることが可能なことから、採り得る材料形態の自由度が高く、分子レベルで有機・無機成分を複合させた有機・無機ハイブリッドの作製手法としても近年注目されている。そのような有機・無機複合体としては、有機ポリマーと無機物質とを均一に配合して得られる複合体が種々提案されており、有機ポリマーと無機物質とから均質で透明な有機・無機複合体を得るための試みもなされている。例えば特開平３−５６５３５号公報や特開平３−２１２４５１号公報には、ポリオキサゾリンのようにアミド結合を含有した有機ポリマーの添加の下、テトラアルコキシシランのような加水分解重合性無機化合物を加水分解重合させてシリカゲルのような無機酸化物ゲルを得、その三次元微細ネットワーク構造体（マトリックス）中にオキサゾリンポリマー等のアミド結合含有非反応性ポリマーを均一に分散させた複合体を得る技術が開示されている。
本発明で用いられるゾル−ゲル法の原形は、溶液から出発して、ゲル化にあたって所望の形状に成形して、加熱によって液状媒体を除去することによりゲルをガラスかまたは、セラミックスに変えるものである。例としては、ケイ素、ホウ素、チタン、アルミニウムなど各種金属のアルコキシドの他、金属の有機及び無機化合物の溶液から出発し、溶液中での反応物の加水分解・重合によって溶液を金属水酸化物など生成物の微粒子が液状媒体中に分散したゾルにし、さらに反応を進ませてゲル化し、得られた多孔質のゲルを加熱して非結晶、ガラス、多結晶体を作る。二酸化ケイ素の場合、通常反応は室温から８０℃程度で行われ、乾燥工程は４０℃から１２０℃で行われる。
より具体的なゾルーゲル法の例を以下に述べる。
まず目的とする酸化物に対応する金属アルコキシド及び溶媒としてのアルコールを選定し、それらを混合して溶液を作る。次にアルコール溶液の加水分解に必要な水、及び触媒としての酸をアルコール溶液に添加して出発溶液を調製する。酸には沈殿の生成や液相分離を防止して均質溶液を与えるはたらきもある。塩酸、硫酸、硝酸、酢酸などが使用されるが他にアンモニアなども使用される。また目的によりアセチルアセトンやフォルムアミドのような添加物を加えることもある。
本発明では、充填剤液付与工程(c)における充填剤液の状態がゾル状態であって充填後の処理でゲル化するものであれば、移動対象物質に応じて、上記以外の如何なる材料をも用いることができる。特に優れた材料及びその製造方法が、ＵＳＰ５６２４８７５及びＵＳＰ６２０７０９８に開示されている。この材料及びその製造方法の原理、特徴は以下の通りである。
ケイ素アルコキシドを高分子の共存下で水と反応させると、生成したシリカは重合反応し凝集する。その後溶液はシリカとそれ以外の部分に相分離し、並行して、シリカが液状のゾルから固体のゲルへと転移する。そこで液状部分を取り除き、熱処理によって高分子を除去すると、多孔質のシリカゲルとなるが、このゲルの内部には５００ｎｍ以上の隙間が多く存在する。これは、相分離が起こる過程でゾル−ゲル転移が起こるために、連続構造を保ったままシリカ中に残留した溶媒相の痕跡である。ゲルの内部にはこのような孔が網目状に広がっており、更にシリカの骨格の内部にも、微小な（５〜１００ｎｍ、通常１０ｎｍ程度）孔があるという、階層構造になっている。混合する高分子の量、種類を変えることで、骨格の各孔の制御が可能となる。
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。
（実施例１）
本実施例では、図１Ａ及び１Ｂに示す物質移動装置を作製した。同装置は、基体として単結晶シリコン基板１０１（たて４０ｍｍ、よこ４０ｍｍ、厚さ０．６２５ｍｍ）を用い、基板１０１上に断面形状がＶ形状である凹状の流路１０２を有し、流路１０２内には充填剤として多孔質二酸化ケイ素が充填されてカラム１０３を構成している。充填剤の表面は、オクタデシルジメチルクロロシラン（不図示）により親水処理されている。カラム１０３は、単結晶シリコン基板よりなる遮断部１０４により外気から遮断されている。単結晶シリコン基板１０１の端面には、流路１０２内に流体を導入するための導入口１０５を有し、導入口１０５を有している面と反対側の端面には、流路１０２を流れた流体を排出するための導出口１０６を有する。
以下、図２Ａ乃至２Ｇを用いて、本実施例の物質移動装置の作製方法について説明する。
まず、面方位が（１００）の単結晶シリコン基板２０１を用意した（図２Ａ）。
基板２０１を熱酸化することにより、エッチングマスクとなる、ＳｉＯ2 から成る膜厚５０００Åの熱酸化物膜２０２を、基板２０１の両面に形成した（図２Ｂ）。
フォトリソグラフィとＨＦ水溶液によるエッチングにより、熱酸化物膜（２０２）をパターニングし、基板面の流路を形成する部分のシリコンを露出させた（図２Ｃ）。
液温８８℃、濃度２２重量％のＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）水溶液により、パターニングした熱酸化物膜（２０２）をエッチングマスクとして、基板２０１の異方性エッチングを行い、（１１１）結晶面の壁部２０６により構成された凹状の流路２０３を形成した（図２Ｄ）。流路の断面の大きさは、幅が約１００μｍ、深さは約７０μｍである。
次に、テトラエトキシシランのエタノール溶液と塩酸酸性エタノール溶液の混合溶液にジルコニウム−ｎブトキサイド（ＮＢＺ）を添加し１時間反応させた反応液を作成した。同反応液をアンモニア塩基性エタノール水溶液に添加して充填剤液を作成した。インクジェットヘッドを用いて、流路２０３が満たされるのに充分な量の充填剤液を基板２０１の上方から流路２０３に付与した。
充填剤液が付与された基板を２時間、室温に保持することにより充填剤液をゲル化した。４０℃で２時間乾燥した後、２００℃で２時間の熱処理を行って、多孔質二酸化ケイ素が充填された流路（以下「カラム」と言う）２０４を単結晶シリコン基板２０１上に形成した（図２Ｅ）。
カラム２０４のうち基板２０１の上面よりも盛り上がった部分を研磨し、基板２０１の上面と同一面とした（図２Ｆ）。
研磨したカラム２０４に、インクジェットヘッドを用いてオクタデシルジメチルクロロシラン溶液を滴下し、カラムを構成する多孔質二酸化ケイ素の表面のカップリング処理を行った。この処理により、同多孔質二酸化ケイ素を逆相系（ＯＤＳ系）充填剤として機能できるようにした。
次に、基板２０１の上面に、エポキシ系の接着剤を用いて遮断部となる単結晶シリコン基板２０５を接着し、カラム２０４を外気から遮断した（図２Ｇ）。
ダイシングによって、流路２０３を通る流体の流れ方向に垂直な両端が切断されて導入口（不図示）および導出口（不図示）が形成され、図１Ａ及び１Ｂに示した物質移動装置が完成した。
本実施例の物質移動装置の導入口１０５からポリエチレングリコール（分子量１０００）とテトラエチレングリコール（分子量２４２）との混合溶液を導入し、不図示のキャピラリ−を接続して不図示のポンプに連結した。ポンプにより導入口１０５に圧力をかけて混合溶液を流路１０２に送り込んだ。混合溶液は、流路１０２を通過する間に多孔質二酸化ケイ素２０４により分離作用を受けながら導出口１０６に到達した。導出口１０６には不図示のキャピラリ−が接続されており、導出口１０６に到達した溶液はキャピラリ−を通過して不図示の示差屈折率検出器に送られ屈折率が測定された。
屈折率測定の結果、ポリエチレングリコールとテトラエチレングリコールとの溶離時間の差に基いた二本の明瞭な出力信号ピークを得た。
本実施例では、半導体の立体微細加工プロセスを用いることにより、一枚の基板上に複数の流路を同時に作製することが可能である。作製した物質移動装置は図１Ａ及び１Ｂに示すように複数の流路を有している。これにより、異なる物質の分析を同時に実施することが可能となり、分析の効率を向上させ、分析コストを抑制することが可能となる。
又、本実施例では、シリコン結晶異方性エッチングを用いて流路を形成したので、加工精度良く流路を形成することができた。本発明では基体として（１００）単結晶シリコン基板を用いたが、結晶異方性エッチングにより単結晶シリコン基板上に、｛１１１｝面により構成される凹状の流路を形成することも可能である。
（実施例２）
本実施例では、図３Ａ及び３Ｂに示す物質移動装置を作製した。
本実施例の物質移動装置は、基体として単結晶シリコン基板３０１を用い、単結晶シリコン基板３０１上に隔壁３０２を設けることにより螺旋状の流路３０３を形成した。流路３０３内には充填剤として多孔質二酸化ケイ素が充填されてカラム３０４を構成している。多孔質二酸化ケイ素の表面は、オクタデシルジメチルクロロシラン（不図示）により表面処理されている。カラム３０４は、ガラス基板３０５よりなる遮断部により外気から遮断されている。遮断部３０５を貫いて、流路３０３内に流体を導入するための導入口３０６が設けられている。導入口３０６から導入した流体は、流路３０３を流れた後、物質移動装置の端面に形成した導出口３０７より排出する。
以下、図３Ｂにおける３Ａ−３Ａ断面の方向から見た図４Ａ乃至４Ｇを用いて本実施例の物質移動装置の作製方法について説明する。
まず、基体となる単結晶シリコン基板４０１を用意した（図４Ａ）。
スピンコート法により、基板４０１上に厚膜レジスト４０２（商品名ＳＵ−８、Ｍｉｃｒｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｒｐ．製）を、膜厚１００μｍで塗布した（図４Ｂ）。
次に、フォトリソグラフィ法により、厚膜レジスト４０２を図３Ｂに示したような螺旋形状にパターニングし、隔壁４０３および流路４０４を形成した（図４Ｃ）。
テトラエトキシシランのエタノール溶液と塩酸酸性エタノール溶液の混合溶液にジルコニウム−ｎブトキサイド（ＮＢＺ）を添加し１時間反応させた反応液を作成した。この反応液をインクジェットヘッドを用いて滴下することにより、流路４０４内に充填した。その上からアンモニア塩基性エタノール水溶液を、インクジェットヘッドを用いて流路内に滴下した。このとき、流路内４０４が満たされるのに十分な量の反応液を滴下した。
得られた塗布基板を２時間、室温で反応させることによりゲル化した。４０℃で２時間乾燥した後、２００℃で２時間の熱処理を行った。上記工程により、多孔質二酸化ケイ素から成るカラム４０５を流路４０４内に形成した（図４Ｄ）。
次に、基板上面にスピンコート法により、シリコーン樹脂４０６を塗布し、熱処理することによりリフローさせ表面を平坦化した（図４Ｅ）。
次に、ＣＦ4 ガスとＯ2 ガスの混合ガスを用いたドライエッチングにより、基板上面のシリコーン樹脂４０６およびカラム４０５をエッチングした。このとき、ガス比、ガス圧力を調整することにより、シリコーン樹脂４０６とカラム４０５のエッチング速度を等しくなるようにした。その状態で、カラム４０５の上面と隔壁４０３の上面が、同一平面になるまで、いわゆるエッチングバック法によりエッチングを実施した（図４Ｆ）。
次に、オクタデシルジメチルクロロシラン（不図示）をインクジェットヘッドを用いて流路４０４に滴下することにより、多孔質二酸化ケイ素４０５の表面のカップリング処理を行った。これにより、多孔質二酸化ケイ素を、逆相系（ＯＤＳ系）充填剤として使用できるようにした。
次に、エポキシ系の接着剤を用いて、単結晶シリコン基板４０１の上面に遮断部となるガラス基板４０７を接着することにより、カラム４０５を外気から遮断した。ガラス基板４０７には、あらかじめ流路４０４の始点に対応する位置に、導入口４０８を形成しておいた（図４Ｇ）。
以上の工程により、図３Ａ及び３Ｂに示した物質移動装置が完成した。
図３Ａ及び３Ｂに示した物質移動装置を用いて、タンパク質の分離を行った。
図３Ａに示す導入口３０６から、リボヌクレアーゼ、チトクロームＣ、ラクトアルブミン、ミオグロブリンの４種類のタンパク質をそれぞれ最終濃度０．５％（ｗ／ｖ）で含む１４×１０-3ｍｏｌ／ｌトリスヒドロキシメチルアミノメタン−塩酸緩衝液（ｐＨ８．１）を試料溶液として導入し、不図示のキャピラリーを接続して、不図示のポンプに連結した。ポンプにより導入口３０６に圧力をかけて試料溶液を流路３０３に送り込んだ。さらにポンプから、移動溶液としてトリフルオロ酢酸０．１％を含むアセトニトリル−水（５０／５０（ｖ／ｖ））の溶液を連続的に供給した。試料溶液中のタンパク質は流路３０３を通過する間にＯＤＳ化された多孔質二酸化ケイ素３０４により分離作用を受けて順番に導出口３０７に到達した。
導出口３０７には不図示のキャピラリーが接続されており、導出口３０７に到達した溶液はキャピラリーを通過して不図示の紫外−可視光吸光高度検出器（２２０ｎｍ）により検出された。その結果、到達はリボヌクレアーゼ、チトクロームＣ、ラクトアルブミン、ミオグロブリンの順であり、良好に分離されていることがわかった。
本実施例では、フォトリソグラフィを用いて隔壁を形成することにより、流路を形成した。これにより直線だけでなく任意形状の流路を形成することが可能である。本実施例の物質移動装置では、流路を螺旋状にすることにより、直線状の流路と比較して流路長を長くすることができた。これにより、ＨＰＬＣにより物質を分離する性能を向上させることが可能となった。
（実施例３）
本実施例では、図５Ａ及び５Ｂに示す物質移動装置を作製した。
本実施例の物質移動装置は、基体としてガラス基板５０１を用い、ガラス基板５０１上に溝を設けることにより蛇行形状の流路５０２を、複数形成してある。流路５０２内には充填剤として多孔質二酸化ケイ素が充填されてカラム５０３を構成している。多孔質二酸化ケイ素の表面はオクタデシルジメチルクロロシラン（不図示）により表面処理されている。カラム５０３は、ガラス基板５０４よりなる遮断部により外気から遮断されている。ガラス基板５０１の端面には、流路５０２内に流体を導入するための導入口５０５を有し、導入口５０５を有している面と反対側の端面には、流路５０２を流れた流体を排出するための導出口５０６を有する。
以下、図５Ｂにおける５Ａ−５Ａ断面の方向から見た図６Ａ乃至６Ｇを用いて本実施例の物質移動装置の作製方法について説明する。
まず、ガラス基板６０１を用意した（図６Ａ）。
スパッタ法を用いてガラス基板６０１上に、厚さ１．８μｍのＣｒ膜６０２を形成した。
次にフォトリソグラフィと（ＮＨ4 ）2 ［Ｃｅ（ＮＯ３）6 ］ およびＨＣｌＯ4の混合水溶液を用いて、図５に示した蛇行流路形状にＣｒ膜６０２をパターニングした（図６Ｂ）。
次に、Ｃ4 Ｆ8 ガスとＡｒガスの混合ガスによる高密度プラズマを用いて、パターニングしたＣｒ膜６０２をエッチングマスクとしてガラス基板６０１をエッチングすることにより流路６０３を形成した（図６Ｃ）。
テトラエトキシシランのエタノール溶液と塩酸酸性エタノール溶液の混合溶液にジルコニウム−ｎブトキサイド（ＮＢＺ）を添加し１時間反応させた。得られた液をアンモニア塩基性エタノール水溶液に添加して反応液を作成した。インクジェットヘッド用いて、反応液を流路６０３内に滴下した。得られた塗布基板を２時間、室温で反応させることによりゲル化した。さらに４０℃で２時間、乾燥した後、２００℃で２時間の熱処理を行った。上記工程により、流路内に多孔質二酸化ケイ素を充填してカラム６０４を形成した（図６Ｄ）。
基板上面からＣｒ膜６０２およびガラス基板６０１およびカラム６０４を研磨し、ガラス基板６０１と多孔質カラム６０４の上面を同一面とした（図６Ｅ）。
次に、上記で得られた基板の流路内に充填された、カラム６０４を構成する充填剤上に、オクタデシルジメチルクロロシラン溶液をインクジェットヘッドを用いて滴下することにより、多孔質二酸化ケイ素表面のカップリング処理を行った。これにより、多孔質二酸化ケイ素を、逆相系（ＯＤＳ系）充填剤として使用できるようにした。
次に、エポキシ系の接着剤を用いて、ガラス基板６０１の上面に遮断部となるガラス基板６０５を接着することにより、流路内のカラム６０４を外気から遮断した（図６Ｆ）。
本実施例の物質移動装置を用いて、実施例１と同様にポリエチレングリコールとテトラエチレングリコールの分離実験を実施した。本実施例の物質移動装置に関しても、ポリエチレングリコールとテトラエチレングリコールとの溶離時間の差に基いた二本の明瞭な出力信号ピークを得ることができた。
（実施例４）
本実施例では、図１Ａ及び１Ｂに示した物質移動装置をマイクロリアクターとして用いる例として、化学反応を行った。実施した化学反応は、プロペンC3H6を酸化することによりアクロレインC3H4O4に変化させる反応である。反応の触媒としては、Cu２Oの微粒子を用いた。
本実施例では、実施例１と異なり、図２Ｆ工程においてCu2O微粒子を含む溶液をインクジェットヘッドを用いて、基板に形成した充填剤（多孔質二酸化ケイ素）部分に滴下した。十分に乾燥させた後、実施例１と同様にエポキシ系の接着を用いて、遮断部205を単結晶基板201に接着した。これにより、多孔質二酸化ケイ素204の表面に触媒となるCu2Oが保持された物質移動装置を作製した。
上に述べた方法で作製した図１Ａ及び１Ｂに示した物質移動装置を用いて、以下のように化学反応を行った。まず、反応に必要な温度に保持するために、物質移動装置を370℃に設定したホットプレート上に配置した。次に、導入口105から、N2ガスをキャリアガスとして、プロペンとO2の混合ガスを導入した。プロペンとO2の濃度は、ともに1 vol.%程度とした。多孔質二酸化ケイ素の充填された流路中を通過したガスは、導出口106より排出する。導出口106より導出ガスを捕集し、ガスクロマトグラフィにより分析したところ、アクロレインが生成していることが確認できた。本実施例では、混合ガス内のプロペンとO2は、充填剤103の充填された流路を通過する間に、二酸化ケイ素の表面に保持されたCu2Oを触媒として化学反応した。
本実施例では、インクジェット法を用いて充填剤内に触媒を保持した。これにより、触媒物質を充填剤に効率良く均一に保持することができた。また、充填剤として多孔質材料を用いることにより、高い反応効率で化学反応を実施することができた。
図１Ａ及び１Ｂは、本発明の製造方法により製造した物質移動装置の一例を示す概略図である。 図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｆ及び２Ｇは、本発明の物質移動装置の製造方法の一例を示す工程図である。 図３Ａ及び３Ｂは、本発明の製造方法により製造した物質移動装置の他の例を示す概略図である。 図４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆ及び４Ｇは、本発明の物質移動装置の製造方法の他の例を示す工程図である。 図５Ａ及び５Ｂは、本発明の製造方法により製造した物質移動装置の他の例を示す概略図である。 図６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、及び６Ｆは、本発明の物質移動装置の製造方法の他の例を示す工程図である。

Claims (11)

  1. 基体上の流路に特定物質を含む流体を流すことで特定物質を移動させる物質移動装置の製造方法であって、
    (a) 基体を用意する工程と、
    (b) 基体の表面に流路を形成する工程と、
    流路内に、充填剤と液状媒体からなる複数の液滴を付与する工程と、
    (c) 液状媒体を除去することにより、流路を充填剤で充填する工程とを有し、
    付与する液滴の数は、流路を充填剤で充填するために必要な数であり、
    充填剤は、充填剤を充填した流路に流体を流したときに、特定物質に対して作用を与えるものである。
  2. 前記作用は、前記特定物質に対して他の前記特定物質とは異なる移動速度を与える作用であることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
  3. 前記作用は、前記特定物質に物理的又は化学的反応を生じさせる作用であることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
  4. 前記工程(d)後の前記充填剤が、多孔質材料を含むことを特徴とする請求項１記載の製造方法。
  5. 前記多孔質材料が、多孔質二酸化ケイ素を含むことを特徴とする請求項４記載の製造方法。
  6. 前記液滴がゾルであり、
    前記工程(d)は、前記ゾルに熱を加えることにより前記液状媒体を除去し、前記ゾルをゲル化することを特徴とする請求項１記載の製造方法。
  7. 前記工程(d)の後に、
    (e) 前記基体の表面と前記充填剤の表面を同一面とする工程を更に備えることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
  8. 前記工程(e)は、前記充填剤を研磨する工程であることを特徴とする請求項７記載の製造方法。
  9. 前記工程(d)の後に、
    (f) 前記充填剤の表面を処理するための処理液を付与する工程を更に備えることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
  10. 前記工程(d)の後に、
    (g) 前記充填剤を外気から遮断する工程を更に備えることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
  11. 基体上の流路に特定物質を含む流体を流すことで特定物質を移動させる物質移動装置の製造装置であって、
    流路内に、充填剤と液状媒体からなる複数の液滴を付与する手段と、
    前記液滴付与手段を駆動する手段と、
    液状媒体を除去することにより流路を充填剤で充填する手段とを有し、
    付与する液滴の数は、液状媒体を除去後に流路を充填剤で充填するために必要な数であり、
    流路中に充填された充填剤は、充填剤中に流体を流下させたときに、特定物質に対して作用を与える、製造装置。
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