JP2007033167A - バイオケミカルチップとその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】
流路に微粒子等を注入して１対の部材を互いに向かい合わせて接着する場合、前記微細な穴や溝を損なうことなく、すなわち、接着剤で穴や溝を埋めてしまうことなく、且つ隙間なく接着することは、至難の業であった。
本発明は、流路に何らの流速制御部材を入れることなく流路内の液体の流速制御したバイオケミカルチップを提供することを課題とする。
【解決手段】
本発明は、あらかじめ、流路形成加工の終了した第１及び第２の部材の流路部内面に任意の表面エネルギーを有する化学吸着単分子膜を形成する工程と、前記第１及び第２の部材を向かい合わせて接着する工程とを用いて、少なくとも流路内面が任意の表面エネルギーを有する化学吸着単分子膜で覆われているバイオケミカルチップを製造提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流路の表面エネルギーを任意に制御したバイオケミカルチップとその製造方法に関するものである。
詳しくは、表面に微細な流路や穴が加工された１対のバイオケミカルチップ基板を互いに向かい合わせて接着する前に、あらかじめ前記流路や穴を損なうことなく任意の表面エネルギーを有する化学吸着単分子膜で流路内面を被覆することにより、注入する液体の流速を制御したバイオケミカルチップおよびその製造方法に関するものである。なお、ここでいうバイオケミカルチップには、化学実験や、バイオ実験、医療診断等に用いるケミカルチップ、バイオチップ、バイオケミカル電気泳動チップ、バイオケミカルリアクター、バイオケミカル流体システム、ＤＮＡチップ等が含まれる。
あらかじめ、流路内の流速の制御に、微粒子等を流路に注入して、１対の部材を互いに向かい合わせて瞬間接着剤や光硬化接着剤を用いて接着するバイオケミカルチップの製造方法はよく知られている。
しかしながらこれまでのバイオケミカルチップにおいて、流路に微粒子等を注入して１対の部材を互いに向かい合わせて接着する場合、前記微細な穴や溝を損なうことなく、すなわち接着剤で埋めてしまうことなく、且つ隙間なく接着することは、至難の業であった。
本発明は、流路に何らの流速制御部材を入れることなく流路内の液体の流速を制御したバイオケミカルチップを提供することを目的とする。
本発明は、あらかじめ、流路形成加工の終了した第１及び第２の部材の流路部内面に任意の表面エネルギーを有する化学吸着単分子膜を形成する工程と、前記第１及び第２の部材を向かい合わせて接着する工程とを用いて、少なくとも流路内面が任意の表面エネルギーを有する化学吸着単分子膜で覆われているバイオケミカルチップを製造提供することを要旨とする。
ここで、単分子膜の表面エネルギーを２乃至７０ｍＮ／ｍの任意の値に制御しておくと、大部分の液体の流速を制御できて都合がよい。
また、化学吸着単分子膜をフッ化炭素基や炭化水素基を有するシラン化合物の１つまたは複数の混合物より形成しておくと表面エネルギーを制御する上で好都合である。
さらに、流路内面を選択的に複数の任意の表面エネルギーを有する化学吸着単分子膜で被っておくと、１つのケミカルチップ内で部分的に液体の流速を制御できて好都合である。
さらには、このとき、化学吸着単分子膜の形成にフッ化炭素基や炭化水素基を有する混合単分子膜で構成しておけば、流路の表面エネルギーを制御する上で都合がよい。
また、フッ化炭素基や炭化水素基を有するクロロシラン化合物あるいは製膜後水酸基を持つクロロシラン化合物と非水系の有機溶媒を混合して作製した化学吸着液に部材を接触反応させてフッ化炭素基や炭化水素基を含む化学吸着単分子膜を形成した第１及および第２の部材を作製する工程、もしくは、フッ化炭素基や炭化水素基を有するアルコキシシラン化合物あるいは製膜後水酸基を持つアルコキシシラン化合物とシラノール縮合触媒と非水系の有機溶媒を混合して作製した化学吸着液に部材を接触反応させてフッ化炭素基や炭化水素基を含む化学吸着単分子膜を形成した第１及および第２の部材を作製する工程をもちいれば、効率よく単分子膜を形成できて都合がよい。
以上説明したとおり、本発明によれば、流路に何らの流速制御部材を入れることなく流路内の液体の流速を制御した高性能なバイオケミカルチップを低コストで提供できる効果がある。
本発明は、あらかじめ、流路形成加工の終了した第１及び第２の部材の流路部内面に任意の表面エネルギーを有する化学吸着単分子膜を形成する工程と、前記第１及び第２の部材を向かい合わせて接着する工程とを用いて、少なくとも流速制御のため流路内面が任意の表面エネルギーを有する化学吸着単分子膜で覆われているバイオケミカルチップを製造提供するものである。
したがって、本発明の方法を用いれば、流路に何らの流速制御部材を注入することなく、流路内面の表面修飾で比較的簡単に流路内の液体の流速を制御した高性能なバイオケミカルチップを低コストで提供できる作用がある。
以下、本願発明の詳細を実施例を用いて説明するが、本願発明は、これら実施例によって何ら制限されるものではない。ミクロンレベルの微細構造を有する流路であれば何にでも適用可能である。
なお、本発明に関するバイオケミカルチップには、化学実験や、バイオ実験、医療診断等に用いるケミカルチップ、バイオケミカル電気泳動チップ、バイオケミカルリアクター、バイオケミカル流体システム、ＤＮＡチップ等が含まれるが、代表例として以下ケミカルチップを取り上げて説明する。
まず、ケミカルチップに用いる５ミクロン深さ５ミクロンと幅５ミクロン深さ１ミクロンの一対の流路を作成したガラス製バイオケミカルチップ基板１、２（アクリル樹脂等のプラスチック製基板でも良いが、プラスチックの場合には、あらかじめコロナ処理等で表面を薄く酸化して親水性に加工しておくと、ガラス同様に扱えた。）を用意し、流路部分が露出するように、レジスト膜を選択的に形成した後よく洗浄して乾燥した。次に、化学吸着剤として機能部位に表面エネルギーを小さくできる機能、例えば、一端にフッ化炭素基を含み他端にアルコキシシリル基を含む薬剤、例えば、下記式（化１）に示す薬剤が９９重量％、シラノール縮合触媒として、例えば、ジブチル錫ジアセチルアセトナートが１重量％となるようそれぞれ秤量し、シリコーン溶媒、例えば、ヘキサメチルジシロキサン溶媒に合計１重量％程度の濃度（好ましい化学吸着剤の濃度は、０．５〜３％程度）になるように溶かして化学吸着液を調製した。
Figure 2007033167
この吸着液を前記ガラス製基板１、２の表面に塗布し、普通の空気中で（相対湿度４５％）で２時間程度反応させた。このとき、前記ガラス製基板１、２の表面には水酸基３が多数含まれている（図１（ａ））ので、前記化学吸着剤の−Ｓｉ（ＯＣＨ３）基と前記水酸基２がシラノール縮合触媒の存在下で脱アルコール（この場合は、脱ＣＨ３ＯＨ）反応し、下記式（化２）に示したような結合を形成し、ガラス製基板１，２表面のレジストから露出した部分に化学結合したフッ化炭素基を含む化学吸着単分子膜４が約１ナノメートル程度の膜厚で形成される。
その後、レジストを除去しクロロホルム等の塩素系溶媒で洗浄すると、表面が選択的にフッ化炭素基を有する化学吸着単分子膜で被われた第１、第２のガラス製バイオケミカルチップ基板５、５’を製造できた（図１（ｂ））。
Figure 2007033167
最後に、前記２枚の基材を向かい合わせて接着すると、流路部６、６’の表面エネルギーが４．４ｍＮ／ｍのフッ化炭素系の化学吸着単分子膜４で覆われたバイオケミカルチップを完成できた（図１（ｂ））。
なお、この処理により形成された単分子膜は、ナノメートルレベルの膜厚で極めて薄いため、ガラスの厚みや、あらかじめ加工してあった流路や穴を損なうことはなかった。また、表面エネルギーを高くしたい場合には、表面に水酸基を多数付与できる吸着剤、例えば、製膜後水酸基を持つシラン化合物であるテトラメトキシシランやテトラメトキシシラン等を用いれば、表面エネルギーをおよそ７０ｍN/mに制御できた。
さらに、本実施例では、化（１）に示した薬剤を用いたが、使用する薬剤を変えたり、混合して用いることにより、流路内面の表面エネルギーを２〜７０の範囲で自由に制御でき、それに伴い流速も制御できた。
一方、（化１）で示した薬剤の代わりに、下記式（化３）に示したようなクロロシラン系の化学吸着剤（ＭＦＳ−１７）を用いた場合には、
Figure 2007033167
触媒を用いなくとも、基材表面と脱塩酸反応して上記式（化２）に示したような結合を形成し、ガラス製基板１，２表面のレジストから露出した部分に化学結合した実施例１と同様のフッ化炭素基を含む化学吸着単分子膜４が約１ナノメートル程度の膜厚で同様に形成できた。
ここで、流路が５ミクロン幅で５ミクロン深さの場合の被膜作成に用いた吸着剤と得られた表面エネルギーの関係を一部表１に示す。また、流路の表面エネルギーと注入液体の流速の関係を一部表２に示す。さらに、流速と表面エネルギーの関係をプロットした代表的なグラフを図２に示す。なお、ここでの表面エネルギーの測定には、ジスマン・プロットを用いた。
この結果より、流路内壁に表面エネルギー異なる被膜を形成することで、溶液の流速を制御できることが明かとなった。
ここで、ＭＦＳ−１７は、ＣＦ３（ＣＦ2）７（ＣＨ2）２ＳｉＣｌ３を、ＬＳ−１２０は、ＣH３（ＣH2）１７Ｓｉ Ｃｌ３を、ＬＳ−６４９５は、ＣH３ＣH2Ｓｉ Ｃｌ３をそれぞれ示す。
Figure 2007033167
Figure 2007033167
なお、上記実施例１では、フッ化炭素系化学吸着剤としてＣＦ3（ＣＦ2）7（ＣＨ2）2ＳｉＣｌ3を用いたが、上記のもの以外にも、炭化水素系を含めて下記（１）〜（１２）に示した物質が利用できた。
(１) ＣＦ3ＣＨ2Ｏ(ＣＨ2)15ＳｉＣｌ3
(２) ＣＦ3(ＣＨ2)３Ｓｉ(ＣＨ3)2(ＣＨ2)15ＳｉＣｌ3
(３) ＣＦ3(ＣＦ2)５(ＣＨ2)2Ｓｉ(ＣＨ3)2(ＣＨ2)9ＳｉＣｌ3
(４) ＣＦ3(ＣＦ2)７(ＣＨ2)2Ｓｉ(ＣＨ3)2(ＣＨ2)9ＳｉＣｌ3
(５) ＣＦ3ＣＯＯ(ＣＨ2)15ＳｉＣｌ3
(６) ＣＦ3(ＣＦ2)5(ＣＨ2)2ＳｉＣｌ3
(７) ＣＨ3ＣＨ2Ｏ(ＣＨ2)15ＳｉＣｌ3
(８) ＣＨ3(ＣＨ2)３Ｓｉ(ＣＨ3)2(ＣＨ2)15ＳｉＣｌ3
(９) ＣＨ3(ＣＨ2)５Ｓｉ(ＣＨ3)2(ＣＨ2)9ＳｉＣｌ3
(１０) ＣＨ3(ＣＨ2) ７Ｓｉ(ＣＨ3)2(ＣＨ2)9ＳｉＣｌ3
(１１) ＣＨ3ＣＯＯ(ＣＨ2)15ＳｉＣｌ3
(１２) ＣＨ3(ＣＨ2)９ＳｉＣｌ3
また、アルコキシシラン系の吸着剤として、炭化水素系を含めて下記（２１）〜（４４）に示した物質が利用できた。
(２１) ＣＦ3ＣＨ2Ｏ(ＣＨ2)15Ｓｉ(OCH3)3
(２２) ＣＦ3(ＣＨ2)３Ｓｉ(ＣＨ3)2(ＣＨ2)15Ｓｉ(OCH3)3
(２３) ＣＦ3(ＣＦ2)５(ＣＨ2)2Ｓｉ(ＣＨ3)2(ＣＨ2)9Ｓｉ(OCH3)3
(２４) ＣＦ3(ＣＦ2)７(ＣＨ2)2Ｓｉ(ＣＨ3)2(ＣＨ2)9Ｓｉ(OCH3)3
(２５) ＣＦ3ＣＯＯ(ＣＨ2)15Ｓｉ(OCH3)3
(２６) ＣＦ3(ＣＦ2)5(ＣＨ2)2Ｓｉ(OCH3)3
(２７) ＣＨ3ＣＨ2Ｏ(ＣＨ2)15Ｓｉ(OCH3)3
(２８) ＣＨ3(ＣＨ2)３Ｓｉ(ＣＨ3)2(ＣＨ2)15Ｓｉ(OCH3)3
(２９) ＣＨ3(ＣＨ2)５Ｓｉ(ＣＨ3)2(ＣＨ2)9ＳｉＣ(OCH3)3
(３０) ＣＨ3(ＣＨ2) ７Ｓｉ(ＣＨ3)2(ＣＨ2)9Ｓｉ(OCH3)3
(３１) ＣＨ3ＣＯＯ(ＣＨ2)15Ｓｉ(OCH3)3
(３２) ＣＨ3(ＣＨ2)９ＳｉＣ(OCH3)3
(３３) ＣＦ3ＣＨ2Ｏ(ＣＨ2)15Ｓｉ(OC2H５)3
(３４) ＣＦ3(ＣＨ2)３Ｓｉ(ＣＨ3)2(ＣＨ2)15Ｓｉ(OC2H５)3
(３５) ＣＦ3(ＣＦ2)５(ＣＨ2)2Ｓｉ(ＣＨ3)2(ＣＨ2)9Ｓｉ(OC2H５)3
(３６) ＣＦ3(ＣＦ2)７(ＣＨ2)2Ｓｉ(ＣＨ3)2(ＣＨ2)9Ｓｉ(OC2H５)3
(３７) ＣＦ3ＣＯＯ(ＣＨ2)15Ｓｉ(OC2H５)3
(３８) ＣＦ3(ＣＦ2)5(ＣＨ2)2Ｓｉ(OC2H５)3
(３９) ＣＨ3ＣＨ2Ｏ(ＣＨ2)15Ｓｉ(OC2H５)3
(４０) ＣＨ3(ＣＨ2)３Ｓｉ(ＣＨ3)2(ＣＨ2)15Ｓｉ(OC2H５)3
(４１) ＣＨ3(ＣＨ2)５Ｓｉ(ＣＨ3)2(ＣＨ2)9Ｓｉ(OC2H５)3
(４２) ＣＨ3(ＣＨ2) ７Ｓｉ(ＣＨ3)2(ＣＨ2)9Ｓｉ(OC2H５)3
(４３) ＣＨ3ＣＯＯ(ＣＨ2)15Ｓｉ(OC2H５)3
(４４) ＣＨ3(ＣＨ2)９ＳｉＣ(OC2H５)3
なお、実施例１に置いて、シラノール縮合触媒には、カルボン酸金属塩、カルボン酸エステル金属塩、カルボン酸金属塩ポリマー、カルボン酸金属塩キレート、チタン酸エステル及びチタン酸エステルキレート類が利用可能である。さらに具体的には、酢酸第１錫、ジブチル錫ジラウレート、ジブチル錫ジオクテート、ジブチル錫ジアセテート、ジオクチル錫ジラウレート、ジオクチル錫ジオクテート、ジオクチル錫ジアセテート、ジオクタン酸第１錫、ナフテン酸鉛、ナフテン酸コバルト、２−エチルヘキセン酸鉄、ジオクチル錫ビスオクチリチオグリコール酸エステル塩、ジオクチル錫マレイン酸エステル塩、ジブチル錫マレイン酸塩ポリマー、ジメチル錫メルカプトプロピオン酸塩ポリマー、ジブチル錫ビスアセチルアセテート、ジオクチル錫ビスアセチルラウレート、テトラブチルチタネート、テトラノニルチタネート及びビス（アセチルアセトニル）ジ−プロピルチタネートを用いることが可能であった。
また、膜形成溶液の溶媒としては、水を含まない有機塩素系溶媒、炭化水素系溶媒、あるいはフッ化炭素系溶媒やシリコーン系溶媒を用いることが可能であった。なお、洗浄を行わず、溶媒を蒸発させて粒子濃度を上げようとする場合には、溶媒の沸点は５０〜２５０℃程度がよい。
具体的に使用可能な溶媒は、非水系の石油ナフサ、ソルベントナフサ、石油エーテル、石油ベンジン、イソパラフィン、ノルマルパラフィン、デカリン、工業ガソリン、ノナン、デカン、灯油、ジメチルシリコーン、フェニルシリコーン、アルキル変性シリコーン、ポリエーテルシリコーン等を挙げることができる。さらに、アルコキシ系の吸着剤の場合には、前記吸着溶媒に加えメタノールやエタノール等のアルコール系や、ジメチルホルムアミド等の溶媒等を挙げることができる。
さらにまた、フッ化炭素系溶媒には、フロン系溶媒や、フロリナート（３Ｍ社製品）、アフルード（旭ガラス社製品）等がある。なお、これらは１種単独で用いても良いし、良く混ざるものなら２種以上を組み合わせてもよい。さらに、クロロホルム等有機塩素系の溶媒を添加しても良い。
一方、上述のシラノール縮合触媒の代わりに、ケチミン化合物又は有機酸、アルジミン化合物、エナミン化合物、オキサゾリジン化合物、アミノアルキルアルコキシシラン化合物を用いた場合、同じ濃度でも処理時間を半分〜２／３程度まで短縮できた。
さらに、シラノール縮合触媒とケチミン化合物、又は有機酸、アルジミン化合物、エナミン化合物、オキサゾリジン化合物、アミノアルキルアルコキシシラン化合物を混合（１：９〜９：１範囲で使用可能だが、通常１：１前後が好ましい。）して用いると、処理時間をさらに数倍早くでき、製膜時間を数分の一まで短縮できる。
例えば、シラノール触媒であるジブチル錫オキサイドをケチミン化合物であるジャパンエポキシレジン社のＨ３に置き換え、その他の条件は同一にしてみたが、反応時間を１時間程度にまで短縮できた他は、ほぼ同様の結果が得られた。
さらに、シラノール触媒を、ケチミン化合物であるジャパンエポキシレジン社のＨ３とシラノール触媒であるジブチル錫ビスアセチルアセトネートの混合物（混合比は１：１）に置き換え、その他の条件は同一にしてみたが、反応時間を２０分程度に短縮できた他は、ほぼ同様の結果が得られた。
したがって、以上の結果から、ケチミン化合物や有機酸、アルジミン化合物、エナミン化合物、オキサゾリジン化合物、アミノアルキルアルコキシシラン化合物がシラノール縮合触媒より活性が高いことが明らかとなった。
さらにまた、ケチミン化合物や有機酸、アルジミン化合物、エナミン化合物、オキサゾリジン化合物、アミノアルキルアルコキシシラン化合物の内の１つとシラノール縮合触媒を混合して用いると、さらに活性が高くなることが確認された。
なお、ここで、利用できるケチミン化合物は特に限定されるものではないが、例えば、２，５，８−トリアザ−１，８−ノナジエン、３，１１−ジメチル−４，７，１０−トリアザ−３，１０−トリデカジエン、２，１０−ジメチル−３，６，９−トリアザ−２，９−ウンデカジエン、２，４，１２，１４−テトラメチル−５，８，１１−トリアザ−４，１１−ペンタデカジエン、２，４，１５，１７−テトラメチル−５，８，１１，１４−テトラアザ−４，１４−オクタデカジエン、２，４，２０，２２−テトラメチル−５，１２，１９−トリアザ−４，１９−トリエイコサジエン等がある。
また、利用できる有機酸としても特に限定されるものではないが、例えば、ギ酸、あるいは酢酸、プロピオン酸、ラク酸、マロン酸等があり、ほぼ同様の効果があった。
本発明の実施例１において、一対のガラス製バイオケミカルチップ基板の製造工程を説明するために分子レベルまで拡大した断面概念図であり、（ａ）は反応前のガラス製基板表面、（ｂ）は、フッ化炭素基を含む単分子膜が形成された後を示す。また、（ｃ）は、単分子膜が形成された第１及び第２のガラス製基板が接着されたガラス製バイオケミカルチップの断面状態を示す。 流路が５ミクロン幅で５ミクロン深さの場合の流速と表面エネルギーの関係を示したグラフを示す。
符号の説明
１、２ 第１、第２のガラス製バイオケミカルチップ基板
３ 水酸基
４ フッ化炭素基を含む単分子膜
５、５’フッ化炭素基を含む単分子膜で被われたガラス製バイオケミカルチップ基板
６、６’ 流路部

Claims (8)

  1. 流路内面が任意の表面エネルギーを有する化学吸着単分子膜で覆われていることを特徴とするバイオケミカルチップ。
  2. 流路内面エネルギーを変えることにより該流路内液体の流速を制御できることを特徴としたバイオケミカルチップ
  3. 表面エネルギーが２乃至７０ｍＮ／ｍの任意の値に制御されていることを特徴とする請求項１または2に記載のバイオケミカルチップ。
  4. 化学吸着単分子膜がフッ化炭素基や炭化水素基、水酸基を有する混合単分子膜で構成されていることを特徴とする請求項１乃至3に記載のバイオケミカルチップ。
  5. 流路内面が選択的に複数の任意の表面エネルギーを有する化学吸着単分子膜で覆われていることを特徴とする請求項１乃至4に記載のバイオケミカルチップ。
  6. 少なくとも流路形成加工の終了した第１及び第２の部材の流路部内面に任意の表面エネルギーを有する化学吸着単分子膜を形成する工程と、前記第１及び第２の部材を向かい合わせて接着する工程とを含むことを特徴とするバイオケミカルチップの製造方法。
  7. 化学吸着単分子膜の形成にフッ化炭素基や炭化水素基を有するシラン化合物あるいは製膜後水酸基を持つシラン化合物の１つまたは複数の混合物を用いることを特徴とする請求項６に記載のバイオケミカルチップの製造方法。
  8. フッ化炭素基や炭化水素基を有するクロロシラン化合物あるいは製膜後水酸基を持つクロロシラン化合物と非水系の有機溶媒を混合して作製した化学吸着液に部材を接触反応させてフッ化炭素基や炭化水素基、水酸基を含む化学吸着単分子膜を形成した第１及および第２の部材を作製する工程、もしくは、フッ化炭素基や炭化水素基を有するアルコキシシラン化合物あるいは製膜後水酸基を持つアルコキシシラン化合物とシラノール縮合触媒と非水系の有機溶媒を混合して作製した化学吸着液に部材を接触反応させてフッ化炭素基や炭化水素基、水酸基を含む化学吸着単分子膜を形成した第１及および第２の部材を作製する工程を含むことを特徴とする請求項７に記載のバイオケミカルチップの製造方法。
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