JP2008126472A

JP2008126472A - マイクロ流体チップの精密溶着方法

Info

Publication number: JP2008126472A
Application number: JP2006312841A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Kurosaki; 晏夫黒▲崎▼; Yukio Yamada; 幸生山田; Shinpei Okawa; 晋平大川; Naoki Shimizu; 直紀清水
Original assignee: University of Electro Communications NUC
Current assignee: University of Electro Communications NUC
Priority date: 2006-11-20
Filing date: 2006-11-20
Publication date: 2008-06-05

Abstract

【課題】溶着による製品の熱損がなく、形状保持率も高いマイクロ流体チップを高速で製造する。
【解決手段】上面に超微小サイズ（μｍサイズ）の溝を形成した樹脂製の有溝基板の上面に樹脂製の平板状蓋を密着させ、密着状態の基板と蓋とを、透明でヒートシンク機能を有する上型および下型からなるプレス装置内に組み込んで型締めし、上型上面に溝に対応するマスキングを配置し、上型側から赤外線を照射して基盤と蓋とを溶着させる。
【選択図】図１

Description

この発明はマイクロ流体チップの精密溶着方法に関するものであり、より詳しくは樹脂製マイクロ流体チップの赤外線照射溶着方法の改良に関するものである。

化学・生化学分野においては、さまざまなサンプルの前処理、反応、分離、検出などの操作をマイクロ流体チップ上に集積化したマイクロトータル分析システムが用いられるようになった。これには、ガラスや樹脂製の基板にマイクロメートルからミリメートルサイズの溝や孔を流路や液溜として形成したマイクロ流体チップがある。例えば、数センチメートル角の光学的に透明なガラスや樹脂製チップ上に幅１０〜２００μｍ、深さ１〜５０μｍの溝を形成し、この微細流路中で電気泳動操作を行うマイクロ電気泳動チップがある。血液などのサンプルの分析に際しては、該流路にサンプルを注入して、電圧を印加してその反応により分析を行うものである。

マイクロ流体チップの構成材料が光学的透明性を有していることは極めて重要である。なぜなら、マイクロ流体チップ内の粒子や細胞を観察するためには、顕微鏡観察がその主流を占めているからである。光学顕微鏡観察には、様々な方法がある。例えば、サンプルに照射した透過光または反射光を観察する最も一般的な観察法として「明視野法」、透過光が顕微鏡の対物レンズに入射しないように斜めから入射し、散乱光のみを観察する「暗視野法」、顕微鏡のリング絞りと対物レンズ内の波長板を利用して屈折率分布による光位相の変化をコントラストを高く観察する「位相差法」、二枚の偏光板を利用して複屈折性の物質による散乱のみを観察する「偏光法」、サンプルの凹凸など屈折率の勾配を偏光の直交する二本の光を用いて画像化する手法として「微分干渉法」、励起光フィルタ、ダイクロックミラー、吸収フィルタなどを組み合わせて蛍光物質からの蛍光を画像化する「蛍光法」がある。

いずれにしても、マイクロ流体チップとしては、励起光の入射、透過光や反射光の高感度かつ精密な検出や観察に必要な部分には、紫外域から可視域に及んで光学的な均質性と高い透明性を有していることが重要である。

かかるマイクロ流体チップは極微量の多数のサンプルに対しても同時並行にかつ高速で分析が行える特長をもつ。さらに光学的透明性を有する樹脂製のマイクロ流体チップはその取り扱い易さ、使い捨て性、量産適合性の故に最近多用されている。使用される透明樹脂材料としては、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、環境オレフィン共重合体（ＣＯＣ）などのノルボルネン系環状ポリオレフィンなどがある。

樹脂製マイクロ流体チップの製造においては、溝や孔が予め形成された樹脂基板と蓋の役割をする樹脂シートとを熱接合（溶着）する方法があるが、その溶着方法としては、大別して加熱板や熱風を用いた伝導加熱法と赤外線などの照射を用いた照射加熱法とがある。

伝導加熱法においては加熱板などを樹脂に接触させて、熱伝導により接合面を加熱し溶着する。

赤外線照射を利用した加熱法の場合（以下赤外線照射法と略称する）は、例えば照射源として、波長０．８〜１．１μｍまでの範囲にある光を発生する半導体レーザーやＮｄ−ＹＡＧレーザーを用いるものがある。この場合、基板及び蓋には、少なくともそれらの一方に微細溝が形成され、かつ、少なくとも一方に当該レーザー光に対して高い透過性を与えている（透過部材）。また、基板と蓋の溶着面近傍には、該レーザー光に対して高い吸収性を有する材料が配置される（吸収材）。

溶着の際には、該レーザー光を透過部材の外部から吸収材に向けて照射すると吸収材がレーザー光を吸収し速やかに発熱し、接合面近傍が加熱され溶着する。ただし、この場合、レーザー光が溝に直接当たってしまうと溝の部分で変形が極めて生じ易くなるため、マスクを用いたり、ビームスポットサイズを極力絞ることにより、溝の縁の外側にある接合面に限定して、レーザー光が当たるようにしてある。
特開２０００―３１０６１３号公報編者：北森武彦、庄子習一、馬場嘉信、藤田博之；標題：「マイクロ化学チップ技術と応用」；監修者：化学とマイクロ・ナノシステム研究会；発行者：村田誠四郎；発行：丸善株式会社、２００５年ＭａｒｃＪ．Ｍａｄｏｕ、Ｌ．ＪａｍｅｓＬｅｅ、ＫｕｒｒｔＷ．Ｋｏｅｌｌｉｎｇ、ＳｙｌｖｉａＤａｕｎｅｒｔ、ＳｉｙｉＬａｉ、ＣｈｅｅＧｕａｎＫｏｈ、ＹＩ−ｊｅＪｕａｎｇ、ＬｉｙｏｎｇＹｕ、ＹｕｍｉｎＬｕ、「ＤｅｓｉｇｎａｎｄＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆＰｏｌｙｍｅｒＭｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃＰｌａｔｆｏｒｍｓｆｏｒＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、ＳｏｃｉｅｔｙｏｆＰｌａｓｔｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｓ、ＡｎｎｕａｌＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ２００１、２００１年Ｊｉｅ．ＷｅｉＣｈｅｎ、ＪｅｒｒｙＺｙｂｋｏ、「ＬａｓｅｒＡｓｓｅｍｂｌｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＰｌａｎｅｒＭｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃＤｅｖｉｃｅｓ」、ＳｏｃｉｅｔｙｏｆＰｌａｓｔｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｓ、ＡｎｎｕａｌＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ２００２、２００２年ＤａｖｉｄＧｒｅｗｅｌｌ、ＴｉｍｏｔｈｙＪｅｒｅｗ、ＡｖｒａｈａｍＢｅｎａｔａｒ、「ＤｉｏｄｅＬａｓｅｒＭｉｃｒｏｗｅｌｄｉｎｇｏｆＰｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅａｎｄＰｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ」、ＳｏｃｉｅｔｙｏｆＰｌａｓｔｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｓ、ＡｎｎｕａｌＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ２００２、２００２年

加熱板や熱風を熱源に用いる伝導加熱法においては熱伝導のみに頼っているので、あまり高い処理速度を期待できない。処理速度を上げるには加熱板や熱風などの熱源を高温にする必要がある。しかし加熱板や熱風などの熱源を高温にすると、加熱板や熱風と接触するチップの表面のみならず、チップ内部には微細構造を有するが故に、溶着面近くの流路や孔においても変形や焼損などが発生し易くなる。

その結果、得られたマイクロ流体チップの流路や孔などの微細構造部分が所望の寸法を満たすことができず、液体などを送液した際に安定した流速や流量が確保できなくなるなど、精度の高い分析操作に支障をきたすものとなる。

一方、前記したように熱源に赤外線照射を利用する赤外線照射法の中で、赤外線照射源として用いるレーザー光に対し、高い透過性を有する透過部材と吸収材とを組み合わせて基板と蓋を溶着すること（以下、レーザー透過溶着と呼称する）により微細流路を有するマイクロ流体チップを作製する手法がある。この手法では、レーザー光の照射領域を限定した精密な入熱制御により、微細流路の形状を変形などにより損なうことなく効率良くチップの基板と蓋と溶着できることが提案されている。

しかしながら、これらの手法では、透過部材と吸収材との組み合わせを用いることを前提としている。吸収材には一般にカーボンブラックなどの顔料やフタロシアニンなどの色素が用いられる。このため、流路の材質が一様でないため、流路内壁の表面特性が異なり、流路断面を流れる液体サンプルの流れが不均一となったり、前記した顕微鏡観察をする際、吸収材での光吸収により透過光が検出できなかったり、また、蛍光法では吸収材が自家蛍光したり、被検体からの蛍光を吸収するなどして、検出光の感度や精度を損なう恐れがあるため、用途が限られてしまう問題がある。

かかる従来技術の現状に鑑みて、この発明の目的は表面や内部微細構造での焼損が無く高い形状保持性が維持された光学的計測に対応し得るマイクロ流体チップを高速で製造することにある。

このため、この発明の方法においては、透明樹脂からなる少なくとも基板または蓋の一方に微小サイズの溝や孔を形成した基板と蓋とを密着させ、密着状態の基板と蓋とを、赤外線透過性をもちかつヒートシンク機能を有する上型または下型からなるプレス装置に組み込んで型締めし、該赤外線透過性とヒートシンク機能を有する上型または下型に、基板または蓋の溝または孔に対応する部分に光を遮蔽するマスクを配置し、赤外線透過性とヒートシンク機能を有する上型または下型側から赤外線を照射して基板と蓋とを溶着させることを要旨とするものである。

一般に赤外線は樹脂部材に照射された場合、樹脂表層での吸収が強いため、樹脂内部と比べて樹脂表層が高温となり易く樹脂表層で熱変形や焼損が起き易い。しかしこの発明においてはヒートシンクを採用しているので、赤外線吸収により樹脂表層で生じた熱エネルギーがヒートシンク側に急速に拡散され、樹脂表層の過熱が回避される結果、熱変形や焼損のリスクが低減する。樹脂内部には赤外線照射エネルギーが到達して、樹脂内部の温度が上昇し、短時間で良好な溶着が得られる。

また、微細溝や孔を有する基板や蓋の重ね合わせに対して、光を遮蔽するマスクを用いずに赤外線を照射した場合、赤外線の照射パワーや照射時間を種々変化させてみても、微細流路などの形状変形が不可避で、場所により流路形状にバラツキが生じたり、極端には潰れて閉塞してしまいマイクロ流体チップとして使用に耐えない場合を生じる。これを防止するための手法を鋭意探索検討した結果、流路形状の変形が生じ易い領域に光を遮蔽するマスクを採用することが、流路形状の変形を抑制する上で極めて有効であることを見出しこの発明に至った。

この発明で用いられるマイクロ流体チップを構成する樹脂としては、紫外から可視域に及ぶ高い光透過性、光学均質性を有することが重要である。光学的計測に支障をきたすような顔料や色素は無添加であることが好ましい。また、耐熱性、流路壁面でのタンパク質などの吸着性も問題となる場合があるため、低吸着性にすぐれたものがよい。さらに、化学的ないし物理的な表面処理による流路内壁の疎水性及び親水性のコントロールが容易なものであることも好ましい材料の特性である。具体的な樹脂としては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、環境オレフィン共重合体（ＣＯＣ）などのノルボルネン系環状ポリオレフィンなどが挙げられるが、前記した樹脂の要求特性からはノルボルネン系環状ポリオレフィンを好ましく用いることができる。

遮光するマスクの作製技術としては、メタルマスクや光反射性の高い金などのメタルを赤外線透過性基板の遮光部に選択蒸着する方法など公知のものを用いることができる。

図１に示すのはこの発明の溶着方法を実施する装置の一例である。蓋１は樹脂製の平板成形体であり、射出成形などにより形成される。基板３は樹脂製のブロック成形体である。蓋１と基板３を構成する樹脂は必ずしも同種であることを要件とはしない。しかし溶着による接着性の観点からは同種のもので透明樹脂を使うのが望ましい。

基板３の上面には微小サイズ（マイクロメートル級）の溝３１がホットエンボスなどにより形成されている。この溝３１は例えばクロス型電気泳動チップなどを成形モデルとしたものである。

この蓋１と基板３とを密着状態にしてプレス装置内にセットするのであるが、該装置は上型５と下型７と上型５の上面に配置するマスキング９とから構成されている。

上型５は例えばサファイア、シリカ、マグネシア、シリコン、ゲルマニウム、ジンクセレナイドおよび硫化亜鉛などから形成されている。透明であることが必要とされるが、全体的に透明であっても、図示のように少なくとも蓋１と基板３とに対応する部分が透明なものであってもよい。

下型７の材料は特定されないが、その上面には蓋１と基板３との組合せと密着嵌合する空所７１（溝）が形成されている。

マスキング９は平板状の部品であり、例えばアルミ箔などから形成される。

溶着処理に際しては、蓋１と基板３とを密着させた状態で、下型７の空所７１内に密着嵌合させて、その上に上型５を配置し、上型５の上にマスキング９を配置して型締めする。この状態で上型５側から赤外線を所定時間照射する。その後１０ｓｅｃほど放置して冷却させたのちに、溶着した製品をプレス装置から取り出す。

図２に種々の溶着方法により得られた製品の品質、つまり製品を加熱した後の溝寸法のバラツキを示す。横軸に製品の加熱時間（ｓｅｃ）を、縦軸にＳｈａｐｅｒｅｔｅｎｔｉｏｎ（％）をとる。図中■で示したものは熱伝導加熱（２００℃、１０ｓｅｃ）で処理した結果であり、●で示したものは熱伝導加熱（１５０℃、１２０ｓｅｃ）で処理した結果であり、□で示したものは単なる赤外線照射加熱（５６Ｗ、１２ｓｅｃ）で処理した結果であり、○はマスクを用いて赤外線照射加熱（５６Ｗ、１２ｓｅｃ）処理した（つまりこの発明の方法によったもの）結果である。

図から明らかなように■の場合（熱伝導加熱：２００℃、１０ｓｅｃ）には３０〜１００％のＳｈａｐｅｒｅｔｅｎｔｉｏｎであり、かなりのバラツキが認められる。●の場合（熱伝導加熱：１５０℃、１２０ｓｅｃ）には５０〜８０％のＳｈａｐｅｒｅｔｅｎｔｉｏｎであり、やはりバラツキが認められる。□の場合（赤外線照射加熱：５６Ｗ、１２ｓｅｃ）には４５〜８５％のＳｈａｐｅｒｅｔｅｎｔｉｏｎであり、バラツキが認められる。○の場合（この発明の方法）には８０〜９０％のＳｈａｐｅｒｅｔｅｎｔｉｏｎであり、非常にバラツキが小さいことが明らかである。

実験例

以下発明者らが行った実験の結果を記載する。

蓋および有溝基板の材料は、ともに非晶性環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ、Ｔｇ＝８０℃、ＭＦＲ２６０℃・２．１６ｋｇｆ＝３０ｇ／１０ｍｉｎ）を用いた。先ず射出成形により溝がない平坦な円板（直径２２ｍｍ、圧さ１ｍｍ）を作製した。平坦な円板はそのまま蓋として用いた。

これとは別に平坦な円板の片面にホットエンボスによりクロス型電気泳動チップをモデルとした十字架パターン（幅１１０μｍ、高さ５０μｍ）の溝を形成した有溝基板を準備した。なお射出成形でのゲートはサンプルの円周部に位置させた。

赤外線光源にはハロゲンランプ（波長範囲：３００〜５０００ｎｍ）を用いて精密油圧プレス装置に組み込んだ。プレスの上型には透明ヒートシンクとしてサファイア円板（厚さ１０ｍｍ）を設置し、下型にはサファイア円板（厚さ２ｍｍ）を用いた。上下型の温度は電気ヒーターにより制御した。該赤外線は中心にピークのある強度分布を有したものである。

温度６０℃に設定しておいた上下型の間に蓋と基板からなるサンプルを挿入し、圧力０．１ＭＰａで型締めした後、上型を通してサンプル上面にハロゲンランプからの赤外線を所定時間（８〜１８０ｓｅｃ）照射することにより溶着を試みた。所定時間照射後は、型締め状態で１０ｓｅｃ保持（冷却）し、サンプルを取り出した。

一方熱伝導溶着によるサンプルも準備した。予めサンプルの上下をサファイア円板（厚さ２ｍｍ）で挟み込んだ積層体（ホルダー）を用意した。加熱時には、所定温度に保持しておいた加熱プレス機によりホルダーを所定時間（８ｓｅｃ〜１ｈｏｕｒ）加熱した。冷却時には、加熱プレス機からホルダーを取り出した後、即座に冷却プレス機に移してホルダーを所定時間（１０ｓｅｃ、一定）冷却した。温度条件としては、下型温度を６０℃一定とし、上型温度を１２０〜２００℃の間で変化させた。加熱および冷却プレス圧力は０．１ＭＰａ（一定）とした。

溶着効果の評価。加熱後のサンプルはミクロトームを用いて種々の位置で垂直断面を切り出した。共焦点型レーザー表面形状測定器を用いて、溝（流路）断面の高さを測定した。溝断面形状の指標として、溶着前の溝の高さに対する溶着後の溝の高さの割合（形状保持率＝Ｓｈａｐｅｒｅｔｅｎｔｉｏｎ％）を求めた。結果を図２に示す。

この発明はプラスチック成形の分野において広く利用されるものである。

この発明を実施する赤外線溶着装置の構成を示す前面模型図である。この発明の効果を示すグラフである。

符号の説明

１：蓋
３：基板
５：上型
７：下型
９：マスキング

Claims

上面に超微小サイズの溝を形成した樹脂製の有溝基板の上面に樹脂製の平板状蓋を密着させ、密着状態の基板と蓋とを、透明でヒートシンク機能を有する上型および下型からなるプレス装置に組み込んで型締めし、上型上面に溝に対応するマスキングを配置し、上型側から赤外線を照射して基盤と蓋とを溶着させることを特徴とするマイクロ流体チップの精密溶着方法。
前記上型は赤外線透過性材料で構成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記上型は熱伝導性の良好な材料で構成することを特徴とする請求項２に記載の方法。