JP2006225197A - マイクロ化学チップの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
２枚のガラス板を貼り合わせて外部から接合面を圧接するプレス法により加熱融着して得られるマイクロ化学チップは、接合面を圧接するためのセラミックス製の重し板の表面凹凸がガラス板に転写されてプレス跡として残り、入射光の一部を散乱する。この散乱は光熱変換分光分析のような光学系を用いる分析法には不都合であった。
【解決手段】
少なくとも一方のガラス板の表面に溝が形成されている２枚のガラス板を融着接合して接合面に微小流路を備えたマイクロ化学チップを製造する方法で、貼り合わせた状態の微小流路の閉空間を形成し、その空間を減圧してガラス板の接合面を密着させる。この状態でガラス板をガラスの転移点近傍の温度に加熱してガラスを接合面で融着し接合する。空間を１Ｐａ以下に減圧するのがよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガラス製のマイクロ化学チップの製造方法に関するものである。

マイクロ化学チップは、溝が形成されたガラス基板上と試料液の注入孔及び排出孔がその溝に対応する位置に設けられた第２のガラス基板を接合したものをいい、接合により溝の部分に微小流路が形成されたものである。

化学反応を高速に行う観点から、また化学反応を微少量の試料で行う観点から、試料を微小流路内に導入して化学反応を行うマイクロ化学技術が注目されている。すなわち試料液中に含まれる溶質の混合、反応、分離、抽出、検出、定量等の化学反応や化学分析をマイクロ化学チップの内部に設けた微小流路内で行う研究が活発に行われている。

上記の化学反応や化学分析は、たとえば特開２００２−１１０２号公報に記載されている。この方法は、微小流路内に集光した光により熱レンズを発生させる光学系を用いる方法（光熱変換分光分析法）である。

特開２００２−１１０２

また、熱レンズ顕微鏡の光学系を用いる分析を行うのに使用するマイクロ化学チップの製造方法が、特開２００４−２１０５９２号公報に記載されている。

特開２００４−２１０５９２

すなわち、ガラス基板の表面に微小流路となる溝が形成され２枚のガラス基板を接合してマイクロ化学チップを製造するのに、接合すべき２枚のガラス基板を低真空度の減圧環境におき、ガラス基板を加熱して接合面を外側から加圧しながら融着接合するプレス加圧法が記載されている。

しかしながら、特開平２００４−２１０５９２号公報に記載された接合方法は、ガラス基板の非接合面全体にグラファイト製の当接板（Ｇ）をあてて、プレス（Ｄ）により加圧してガラス基板を融着するので、融着温度で生じるガラスの粘弾性的性質によりガラス基板の表面に当接板（Ｇ）の表面凹凸が転写されるという問題点があった。この問題を避けるためにガラスの軟化点より若干低い温度で融着接合するのは、その温度に長時間加熱維持しなければならず、またガラスの接合面の全面で確実に融着することが困難であるという問題が亜他あった。すなわちガラス基板にプレス材を押し当てて融着接合するいわゆるプレス法では、プレス材の表面凹凸がガラス基板表面に転写されてしまうという問題（プレス跡の発生）が生じ、この課題を解消することは困難であった。

マイクロ化学チップのガラス面に微細な凹凸模様が転写されると、マイクロ化学チップの表面に集光レンズを介して照射された光（ビーム光）はガラス表面で散乱するので、散乱成分がない直線光を微小流路内に導入することができない。また、上記のプレス材を用いる方法では、ガラスの軟化点程度まで加熱できる高価な減圧装置を必要とし、設備コストがかかるという問題点があった。本発明は、上記のプレス法が有する問題点を解決するためになされたものである。

本発明の請求項１は、少なくとも一方のガラス板の表面に溝が形成されている２枚のガラス板を融着接合して接合面に微小流路が形成されたマイクロ化学チップを製造する方法であって、前記微小流路となる空間を閉空間にして減圧することにより前記ガラス板の接合面を圧接させた状態で加熱融着により接合することを特徴とする。

ガラス基板を融着接合するとき、通常ガラス基板の表面は研磨により平滑化された面あるいは火造り面が用いられが、本発明の融着接合によればそのような平滑面を損なうことなく接合できる。

請求項２は、請求項１において、微小流路内を１Ｐａ以下に減圧することを特徴とする。

本発明によれば、ガラス基板を融着接合するときの接合面の圧接（圧力を印加して接触状態にすること）を、外部からガラス基板表面にプレス材を押し当てて行わないので、ガラス基板表面にプレス材の表面凹凸模様が転写される（プレス跡が生じる）ことがない。これにより、マイクロ化学チップの表面の平滑性が融着接合前の状態に維持される。これにより集光した光をガラス基板表面において散乱することなく微小流路内に導入することができる。微小流路内を１Ｐａ以下に減圧することにより、接合面を確実均一に圧接して密着することができる。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明にかかる加熱融着によりガラス基板を接合する方法を説明する図である。図２は、本発明の実施により得られるマイクロ化学チップの一実施例の概略構成図である。図２（ａ）は、本発明のマイクロ化学チップの一実施例の分解斜視図である。図２（ｂ）はマイクロ化学チップの平面図である。図２（ｃ）は図２（ｂ）の線Ａ−Ａ’における断面図である。図２（ｄ）は、図２（ｂ）の線Ｂ−Ｂ’における断面図である。

本発明により得られるのマイクロ化学チップ１００の一実施例は、接合面８に両端がそれぞれ二股に分岐した略０．３±０．２ｍｍ幅で、深さが略０．１±０．０５ｍｍの断面略矩形または略半円形状の溝１が形成された溝付きガラス基板２（ベースプレート：ガラス板７に溝加工されたもの）と、溝付きガラス基板２の接合面に接合される第２のガラス基板４（カバープレート：ガラス板６に孔加工されたもの）を備える。第２のガラス基板４は、溝１に対応する位置に試料注入・排出用の貫通孔３を有する（図２（ａ））。溝１は、これら２枚のガラス基板が貼り合わされてマイクロ化学チップ１００の微小流路５を構成する。

上記マイクロ化学チップ１００の微小流路５を適当なパターンに形成し、貫通孔３から試料溶液を注入して、電気泳動法、光熱変換分光分析方法（熱レンズ顕微鏡システム）、蛍光分析方法などの公知の方法により、微小流路内で液中の試料の定性分析、定量分析、混合、反応、抽出、分離等が行われる。

溝付きガラス基板２や第２のガラス基板４の材料としては、蛋白質、血液、ＤＮＡなどの生態試料の分析や環境分析用に用いるマイクロ化学チップを考慮すると、化学耐久性がある（耐酸性、耐アルカリ性が高い）ガラスが好ましく、硼珪酸ガラス、アルミノ硼珪酸ガラス、無アルカリガラス、石英ガラス、ソーダ石灰珪酸ガラス等がよい。

ガラス板は、必要により所定の厚みまでアルミナ砥粒あるいはダイヤモンド砥粒によりガラスの表面をラッピング（研削）し、その後ラッピングした面を研磨する。研磨したガラス表面の残留歪みを除去するために、歪み取りアニール処理（加熱処理）を行うのが好ましい。

次に、ガラス板からマイクロ化学チップを製造する方法の一実施例を図３を参照しながら説明する。まずカバープレートとするべく所定形状に切断され、端面が面取りされたガラス板６の所定位置にドリルにより注入孔および排出孔となる貫通孔３をあける（図３（ａ）の工程）。

ベースプレート（溝付きガラス基板２）となるガラス板７の表面にクロム膜と金膜の積層膜からなる金属マスキング膜１１をスパッタリング薄膜形成法により被覆し、さらにフォトレジスト層１２を塗布する。マスキングパターン１３でマスキングされていない部分のフォトレジスト層を、紫外光を照射して変質、溶解、除去し、露出した金属マスキング膜を硝酸第二セリウムアンモニウム水溶液で除去する。ベースプレートの露出面をフッ酸を含有する酸系のエッチング液でエッチングする。エッチングは、たとえば加温または室温度の４９％フッ酸を用い、２〜５分間程度のエッチング時間で行うことができる。以上により断面が略半円形状の溝がガラス主表面に形成される（図３（ｂ）の工程）。

ベースプレートとカバープレートを熱融着により接合し、内部に注入孔、微小流路、排出孔が連通するマイクロ化学チップを得る（図３（ｃ）の工程）。

次に本発明にかかる融着接合を電気炉内で行う場合について、図１を参照しながら説明する。電気炉の天井壁面に焼結アルミナ製の排気管２０が配設固定されている。排気管２０は、電気炉外において排気ポンプ（図示されない）に接続されており、電気炉内の先端部にフランジ部２０ａを備えている。

溝１をガラス表面に形成した溝付きガラス基板２（ベースプレート）と、図１の左側に図示されている注入孔３及び右側に図示されている排出孔３を形成した第２のガラス基板４（カバープレート）とを重ね合わせて、表面を研磨により平滑にした焼結アルミナ製基台９の上に載置し、排出口３の上を覆うようにアルミナ製のメクラフランジ２１を第２のガラス基板の上に載置する。

焼結アルミナ製基台９を電気炉内に挿入セットし、焼結アルミナ製基台９を電気炉内の昇降機構（図示されない）により排気管のフランジ部２０ａが第２のガラス基板２に接して軽く圧接されるまで上昇する。電気炉内壁面に設けられたヒータ（図示されない）により炉内雰囲気を加熱する一方、微小流路５となる空間を減圧排気する。

微小流路となる空間の圧力は、１０Ｐａ以下にするのが好ましく、さらに１Ｐａ以下にするのが好ましい。圧力の下限値については技術的に特に制限がないが、排気ポンプを小型化して設備を簡便にする上で、ロータリー真空ポンプの排気能力域の１〜１０Ｐａが好ましい。

縦７０ｍｍ横３０ｍｍのガラス板（厚み１．１ｍｍ：転移点５６２℃）の複数枚をアルミナを砥粒とする両面研磨装置でラッピング（研削）して厚みを約０．７５ｍｍにした。このガラス板を砥粒の平均粒径Ｄ50が１．２μｍである三井金属鉱業社製の酸化セリウム遊離砥粒を含む研磨液とローデス社製研磨パッドＬＰ６６を用いて、ホフマン型両面研磨装置により、厚みが０．７１ｍｍになるまで研磨した。研磨圧力は８０ｇｆ／ｃｍ²に調整した。さらに、平均粒径Ｄ50が０．４μｍの酸化セリウム砥粒を含む研磨液とカネボウ社製研磨パッド７７１３Ｓを用いて、ガラス板厚みが０．７０ｍｍになるまで研磨した。研磨したガラス板の表面をＯＰＴＩＦＬＡＴ測定機（ＰＨＡＳＥＳＨＩＦＴ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製）で測定波長範囲０〜５ｍｍの条件で測定したうねり（ωa値）は、２．５ｎｍであった。

得られたガラス板の１枚について、表面にクロム膜と金膜の積層スパッタ膜をマスキング膜として、４９％フッ化水素酸によりガラス表面を化学エッチングし、断面が略半円形の溝（最大幅２５０μｍ、最大深さ１００μｍ）を形成して溝付きガラス基板２（ベースプレート）とした。他の１枚のガラス板について所定位置に注入孔および排出孔となる孔径５００μｍの貫通孔を開けカバープレートとした。

ベースプレートとカバープレートの２枚のガラス板を貼り合わせて、電気炉内の底部に設けた表面が研磨により平滑化された焼結アルミナ製の基台に載せ、図１に示すように右側の排出口孔３をメクラフランジでふさぎ、その後アルミナ製基台を上昇させて、左側の注入孔３を排気管のフランジ２０ａでふさぎ、微小流路内の空間を閉空間にした。微小流路内の空気をロータリ式排気ポンプで約１Ｐａまで減圧排気しながら、電気炉内雰囲気をガラスの転移点である約５６２℃まで加熱し、その温度に５時間維持した。接合した接合体を徐冷し、電気炉の外に取り出してマイクロ化学チップのサンプルを得た。

このサンプルの微小流路が配設された位置に相当するカバープレートの表面は平滑であり凹凸模様は生じていなかった。またベースプレートのガラス板表面にもアルミナ基台の表面が転写して生ずる模様は認められなかった。すなわち、プレス跡は認められなかった。また接合面全体に亘って熱融着により接合して、ガラス基板間に生じる隙間（未融着の個所）は見あたらなかった。このサンプルの可視光線のヘイズ率を測定したところ０．１％と、散乱成分はほとんどなかった。

比較例
微小流路内の空気を排気により減圧して２枚のガラス基板の接合面を圧接する代わりに、カバープレートの上に図４に示すように、表面を研磨により平滑化した厚みが約５ｍｍのアルミナ製の重し板１０を載せて接合面を圧接したことの他は実施例１と同じようにして、マイクロ化学チップのサンプルを作製した。得られたサンプルのカバープレートおよびベースプレートの表面には、アルミナ製の重し板および基台からのプレスに起因する転写模様（プレス跡）が認められた。このサンプルの可視光線のヘイズ率は約０．５％であった。

本発明の実施例は、融着接合時の接合面の圧接を、カバープレートやベースプレートの表面に基台や重し板を押し当てることによらず、微小流路内に形成した閉空間と微小流路外の大気圧との差圧によるのでプレス跡が生じない。また、接合面全体にわたって同じ圧力が印加されるので、接合面の全面で融着され、未融着個所が発生しにくい。

本発明は、ガラス板の融着接合体であるガラス製マイクロ化学チップの製造に用いられる。

図１は、本発明のマイクロ化学チップの融着接合の方法を説明する図である。 図２は、本発明のマイクロ化学チップの一実施例の概略構成図である。 図３は、本発明のマイクロ化学チップの製造工程を説明する図である。 図４は、従来技術のマイクロ化学チップの融着接合の方法を説明する図である。

符号の説明

１：溝
２：溝付きガラス基板（ベースプレート）
３：孔（注入孔、排出孔）
４：第２のガラス基板（カバープレート）
５：微小流路
６、７：ガラス板
８：接合面
９：基台
１０：重し板
１１：金属マスキング膜
１２：フォトレジスト層
１３：マスキングパターン
２０：排気管
２０ａ：排気管フランジ部
２１：メクラフランジ
１００：マイクロ化学チップ

Claims (2)

1. 少なくとも一方のガラス板の表面に溝が形成されている２枚のガラス板を融着接合して前記接合面に微小流路が形成されたマイクロ化学チップを製造する方法であって、前記微小流路となる空間を閉空間にして減圧することにより前記ガラス板の接合面を圧接させた状態で加熱融着により接合することを特徴とするマイクロ化学チップの製造方法。
2. 前記微小流路となる空間を１Ｐａ以下に減圧することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ化学チップの製造方法。
   
   
   
   

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