JP2006205055A - チップ部材とその部分的親水化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
微小領域を部分的に親水化処理する。
【解決手段】
平坦な基板１上に一対の櫛歯状電極２が互いに噛み合うように配置されており、その上を覆って誘電体層３が被覆されている。誘電体層３上には電極２の領域を一部に含むように流路５が形成されている。このチップ部材の流路を分析や反応に使用するに先立ち、一対の櫛歯状電極２間に所定の高周波電圧を印加すると、流路５内で電極２が存在する領域には沿面放電が生じてその部分にプラズマが発生し、その部分の表面が親水化処理される。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板に形成した微小流路を用いて微小量の液体を扱うマイクロ化学分析やマイクロ化学合成の分野に関するものである。

微小流路内に表面親水化処理を施すことは、マイクロ化学分析システムやマイクロ化学合成装置において、特に毛管現象の制御やその液体定量分取への応用、細胞やタンパク等の吸着制御などにおいて重要である。

基板表面に親水化処理を施す従来の方法として、薬剤の塗布により対象物の部分的親水化処理を行なう方法が知られている。しかし、薬剤塗布による方法は、手間がかかる上に形状精度が低いだけでなく、閉じた流路や微小な流路のように薬剤を浸入させられないか、薬剤の浸入が困難である場合には適用できない。

基板表面に親水化処理を施す他の方法として、プラズマ処理方法がある。プラズマ処理方法の一般的なものは、チャンバー内の気体を高周波電圧によってプラズマ化し、そのプラズマによりチャンバー内に置かれた対象物全体に親水化処理を行なう気中グロー放電方法（特許文献１参照。）である。しかし、気中グロー放電方法で対象物の一部分のみをプラズマによって処理したい場合には、他の部分にプラズマが当たらないようにレジストコートなどのマスクを施す必要があった。

被処理物の特定の部分のみをプラズマ処理する方法もいくつか提案されている。
その１つの方法は、押出成形機の金型から押し出されたプラスチック製チューブをプラズマ処理装置の電極内に搬送し、チューブ内にグロー放電安定化ガスと処理ガスの混合ガスを流し、電極に電圧を印加することによりチューブ内面をプラズマ処理する方法である（特許文献２参照。）。

他の方法は、誘電体の一方の表面上に放電極を担持し、他方の表面上に誘起電極を担持した交流沿面放電素子を使用し、その放電極に非導電性多孔質体の外側表面を接触させた状態で放電極と誘起電極との間に交流電圧を印加して誘電体の放電極担持表面上に放電を発生させる。それにより、非導電性多孔質体の中間層の内側表面の性質をほとんどそのまま保持したままで、多孔質体の表層部表面を処理する（特許文献３参照。）。

さらに他の方法は、微小空隙を有する被処理物の空隙内部を表面処理するために、被処理物の１つの口から内部に放電用ガスを導入し、他の口から排気しながら、それらの口近傍にそれぞれ誘電体を表面に配設した電極を配置し通電して、被処理物内部に放電を発生させ、被処理物の内部表面を処理する方法である（特許文献４参照。）。
特開平７−８５９９７号公報 特開平８−５７０３８号公報 特開平１０−８７８５７号公報 特開２００２−１５９８４５号公報

本発明は、基板に形成された流路内のような微小領域の部分的親水化処理方法及びそのような処理を施す手段を備えたチップ部材を提供することを目的とする。

本発明の部分的親水化方法は、基板に形成された流路の少なくとも一部に対して誘電体層を介して一対の電極を配置し、その電極間に高周波電圧を印加して流路内でその電極と対向する部分に沿面放電させ、生じるプラズマにより流路内を選択的に親水化処理する方法である。
本発明のチップ部材は、基板と、その基板に形成された流路と、その流路の少なくとも一部分に誘電体層を介して配置され、プラズマ発生用の高周波電圧が印加される一対の電極とを備えている。

本発明でのプラズマ表面処理の原理について説明する。大気中に電極を用いて高周波高電圧を印加すると大気中に含まれる酸素や窒素などの気体分子は空間内に発生した電界によって電離しプラズマ化する。放電を行なう雰囲気は大気に限らず、不活性ガス雰囲気や反応性ガス雰囲気としても同様である。このように発生したプラズマは反応性が高く、流路を構成するＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）やＰＥ（ポリエチレン）等の高分子の部材と容易に反応する。その結果、部材表面にはＯＨ基やアミノ基といった官能基が生成され、この官能基により親水化等の表面改質が実現する。

電極と親水化処理される流路とは同じ基板に形成されていてもよく、別の基板に形成され
ていてもよい。
印加する高周波電圧の周波数は特に限定されるものではないが、１ＫＨｚから３ＧＨｚの範囲が適当である。１ＫＨｚ未満になると放電による処理効率が低下する。高周波側は特に制限はないが、あまりに高周波数になると電源装置が複雑化する。

本発明では、基板に形成された流路に誘電体層を介して電極を配置し、流路内を選択的に親水化処理するので、微小な流路であっても親水化処理を施すことができる。
気中グロー放電によるプラズマ処理では、プラズマによる表面処理の効果が対象物全体に及んでしまうが，本発明では電極の作る空間的に限定された領域にプラズマを発生させるため、対象物の目的の領域のみにプラズマ処理を施すことができる。

また、絶縁体でできた閉流路に適用した場合は、絶縁体の外側に設置した電極から絶縁体を通して電界を閉流路内へと供給することにより、閉流路内の部分的親水化を行なうこともできる。
一般に、プラズマ処理による親水化は安定性が悪く、時間の経過とともに処理の効果が失われる。そこで、本発明を対象となる流路等の使用直前に適用すれば、「その場」での親水化処理が行なえ、経時変化による親水化効果の喪失という問題もなくなる。

本発明の実施例を詳細に示す。
図１に一実施例のチップ部材を示す。平坦な石英ガラスなどのガラス基板１上に銅やアルミニウム膜による一対の櫛歯状電極２がパターン化されて形成されている。一対の櫛歯状電極２は櫛歯部分が互いに噛み合うように配置されている。

基板１上には電極２上を覆ってシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの誘電体層３が被覆されている。誘電体層３上には電極２の領域を一部に含むように流路５が形成されている。流路５はＰＤＭＳやＰＥなどの誘電体４に成型などの方法によって形成されたものであり、誘電体４の流路形成面が誘電体層３に密着して接合されている。

このチップ部材の流路を分析や反応に使用するに先立ち、一対の櫛歯状電極２をそれぞれ電源６につなぎ、所定の高周波電圧を印加する。その電圧印加により、流路５内で電極２が存在する領域には沿面放電が生じてその部分にプラズマが発生し、その部分の表面が親水化処理される。
このプラズマ処理は大気圧下の空気中で行なうことができるが、雰囲気を反応性ガス又は不活性ガスとしてもよい。

この実施例のチップ部材を作製する手順を図２に示す。
（Ａ）と（Ｂ）は電極をもつ基板を製作する工程である。いずれも左側が平面図、右側がそのＸ−Ｘ' 線位置での断面図である。
（Ａ）に示されるように、平坦な基板１上に蒸着などにより電極となる金属膜を成膜する。その金属膜に対して、フォトリソグラフィーとエッチング技術を用いてパターン化して一対の櫛歯状電極２を形成する。
その後、（Ｂ）に示されるように、電極９が形成された基板８の表面上にスパッタリング法などにより誘電体層３成膜する。

（Ｃ）から（Ｅ）は誘電体に流路を形成する工程である。いずれも下側が平面図、上側がそのＹ−Ｙ' 線位置での断面図である。
（Ｃ）に示されるように、平坦なガラス基板などの基板１１上にレジスト層を形成し、フォトリソグラフィー技術によりパターン化して微小流路のレジストによる鋳型１２を形成する。

次に、（Ｄ）に示されるように、鋳型１２上にＰＤＭＳやＰＥなどの高分子材料のモノマーを流し込んで重合させて誘電体４とする。
次に、（Ｅ）に示されるように、誘電体４を鋳型１２から取り外すことにより高分子製の微小流路５を形成する。

（Ｆ）は電極２が形成された基板１と流路５が形成された誘電体４を接合した状態を示したものである。左側が平面図、右側がそのＺ−Ｚ' 線位置での断面図である。誘電体４を基板１上に接合する際、流路５が電極２上にくるように、位置合わせをして張り合わせる。得られるチップ部材は図１に示されたものである。

ここで、親水化処理の実例を示す。図１のチップ部材の具体的な構成として、誘電体層３の材質としてＳｉＯ₂膜、流路を形成する誘電体４の材質としてＰＤＭＳを用いた。親水化のためのプラズマ処理用の印加電源として周波数５０ｋＨｚで３００Ｖの電圧を印加した。電極２への電圧印加により流路５内では櫛歯状電極２の形成されている領域７においてのみ放電が生じ、その放電によるプラズマによってその領域７の流路の内面のみが親水化された。

図３はこのようにして親水化処理されたチップ部材の流路入口１６から水を導入したときの様子を示したものである。流路５は縦方向に延びる流路と途中から横方向に分岐した流路とからなっており、縦方向の流路の一部に櫛歯状電極２が配置されている。図の破線で囲まれた部分は親水化処理が施された領域１７であり、毛管現象によって水が浸入しているが、それ以外の部分の流路は疎水的であるため水が浸入することができず、親水性領域と疎水性領域の境界１８で水が停止している様子が観察された。

このように微小電極を用いたプラズマ処理によって目的の領域のみの親水化パターニングが可能であることが確認できた。
この実施例では、電極をもつ基板と流路が一体になって作られているが、本発明はそれのみに限定されるものではない。電極を持つ親水化処理部材を、流路が形成された基板とは別個に形成しておき、その親水化処理部材上に流路が形成された基板を一時的に配置して電極に電圧を印加することにより部分親水化処理を行なうことができる。このように親水化処理部材を別途形成することにより、１つの親水化処理部材を用いて多数の流路部材の部分親水化を行なうことも可能になる。

実施例に示した各部の材質も一例であり、それらに限定されるものではない。
また、電極形状も櫛歯状以外に、スパイラル状など、放電を生じさせることのできるものであれば、使用することができる。

本発明は、流路内を親水化処理して、微小量の液体によるマイクロ化学分析やマイクロ化学合成に利用することができる。

一実施例のチップ部材を示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ' 線位置での断面図である。 同実施例の製造方法を示す図であり、（Ａ）と（Ｂ）は電極をもつ基板を製作する工程を表わし、左側が平面図、右側がそのＸ−Ｘ' 線位置での断面図、（Ｃ）から（Ｅ）は誘電体に流路を形成する工程を表わし、下側が平面図、上側がそのＹ−Ｙ' 線位置での断面図、（Ｆ）は電極が形成された基板と流路が形成された誘電体を接合した状態を表わし、左側が平面図、右側がそのＺ−Ｚ' 線位置での断面図である。 同実施例で親水化処理を行なった後に流路に水を導入したときの画像である。

符号の説明

１ 基板
２ 電極
３ 誘電体層
４ 誘電体
５ 流路
６ 電源
７ 親水化を受ける領域
１１ ガラス基板
１２ フォトレジスト
１６ 流路入り口
１７ プラズマにより親水化された領域
１８ 水と空気の境界面

Claims (7)

1. 基板に形成された流路の少なくとも一部に対して誘電体層を介して一対の電極を配置し、前記電極間に高周波電圧を印加して前記流路内で前記電極と対向する部分に沿面放電させ、生じるプラズマにより前記流路内を選択的に親水化処理する部分的親水化方法。
2. 前記電極と流路は同一基板に形成されている請求項１に記載の部分的親水化方法。
3. 前記電極は前記流路とは別の基板上に形成されている請求項１に記載の部分的親水化方法。
4. 印加する高周波電圧の周波数が１ＫＨｚから３ＧＨｚの範囲にある請求項１から３のいずれかに記載の部分的親水化方法。
5. 基板と、
   前記基板に形成された流路と、
   前記流路の少なくとも一部分に誘電体層を介して配置され、プラズマ発生用の高周波電圧が印加される一対の電極と、を備えたチップ部材。
6. 前記流路と電極は同じ基板に形成されている請求項５に記載のチップ部材。
7. 前記流路と電極はそれぞれ異なる基板に形成され、重ね合わせて使用される請求項５に記載のチップ部材。

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