JP2009226503A - マイクロチップ基板の接合方法およびマイクロチップ - Google Patents

Abstract

【課題】プラスチック材料により製造され表面にマイクロチャネルを有するマイクロチップ基板を熱圧着する方法において、熱や圧力の影響によるチャネルの変形を生じさせなく接合する方法を提供すること。
【解決手段】表面にマイクロチャネルを有するプラスチック材料からなる第１のマイクロチップ基板と、第１のマイクロチップ基板のマイクロチャネルを有する面と密着する面を有するプラスチック材料からなる第２のマイクロチップ基板とを熱圧着によって接合する方法であって、第１のマイクロチップ基板の貼り合せ面において、前記マイクロチャネルの外縁部に第２の貼り合せ面を形成し、第２の貼り合せ面が他の貼り合せ面である第１の貼り合せ面に対して１〜３０μｍ低くなっていることを特徴とするマイクロチップ基板の接合方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、マイクロチャネルを有するマイクロチップ基板の接合方法および本発明の接合方法を用いたマイクロチップに関するものである。

最近はマイクロリアクターやマイクロアナリシスシステムと呼ばれる微細加工技術を利用した化学反応や分離システムの微小化の研究が盛んになっており、マイクロチャネルを持つマイクロチップ上で行う核酸、タンパク質、糖鎖などの分析や合成、微量化学物質の迅速分析、医薬品・薬物のハイスループットスクリーニングへの応用が期待されている。このようなシステムのマイクロ化の利点としては、サンプルや試薬の使用量あるいは廃液の排出量が軽減され、省スペースで持ち運び可能な安価なシステムの実現が考えられている。また体積に対する表面積の比率が向上することにより、熱移動・物質移動の高速化が実現でき、その結果、反応や分離の精密な制御、高速・高効率化、副反応の抑制が期待される。

マイクロチャネルは一般的に少なくとも一方の部材に微細加工を有するマイクロチップ基板の部材の２つを張り合わせることにより製造されている。また、これまではマイクロチップの基板材料として、主にガラスが用いられてきた。ガラス基板でマイクロチャネルをつくるためには、例えば、基板に金属、フォトレジスト樹脂をコーティングしマイクロチャネルのパターンを露光、現像した後にエッチング処理を行う方法がある。その後、陽極接合などでガラス基板を接合する（非特許文献１参照）。
しかし、ガラスのエッチングにはフッ酸などの非常に危険な薬品を用いたり１枚ごとに露光、現像、エッチング処理を行うため非常に効率が悪く、高コストである。

またプラスチック基板の少なくとも一方をキャスティングにより成形し、熱硬化性プラスチックの重合途中で離型し、基板を密着させてから重合反応を完了させて、マイクロチャネルを製造する方法も提案されている（特許文献２参照）。熱硬化性プラスチックでは低温で加工できるため、装置やディバイスに熱や振動によるダメージを与えずにマイクロチップ基板を接合することが可能であるが、冷却硬化時間が長いため大量生産には適しておらず、また型キャビティからの離型が困難でありマイクロチャネルを破損する可能性が高く、型キャビティ自身の破損も起こるため型の寿命も短く経済的に適していない。

これらのマイクロチップは、種々のプラスチックを使用して射出成形によって製造することも可能である。射出成形では型キャビティ内へ溶融した熱可塑性プラスチック材料を導入し、キャビティを冷却させて樹脂を硬化させることで、効率よく経済的にマイクロチップ基板を製造でき、大量生産に適している。基板を張り合わせる方法として熱プレス、超音波溶着、レーザーによる熱融着や接着剤を用いる方法等が主に行われている（特許文献１参照）。但し、レーザーによる熱溶着法は、レーザーを発生する装置が効果でありスループットも良くないため量産には向かない。また、超音波溶着を用いる方法は、大面積の貼り合せには向かず、超音波による溶着代の設計がマイクロチャネルを作製するためには難しいという問題がある。接着剤を用いる方法は接着剤をマイクロチャネル以外の貼り合せ面に塗布する必要があり制御が困難である。熱プレスを用いる熱圧着法は、マイクロチャネルを形成する上で優れた方法であるが熱や圧力の影響によるチャネルの変形が生じるため精度のよいマイクロチャネルを形成することができなかった。
本田宣昭、化学工学、第６６巻、第２号、Ｐ７１−７４（２００２） 特開２００２−１３９４１９号公報 特開２００２−２０７０２７号公報

本発明の目的は、プラスチック材料により製造され表面にマイクロチャネルを有するマイクロチップ基板を熱圧着する方法において、熱や圧力の影響によるチャネルの変形を生じさせなく接合する方法とこの方法によって作製されたマイクロチップを提供するものである。

本発明は、以下の通りである。
（１）表面にマイクロチャネルを有するプラスチック材料からなる第１のマイクロチップ基板と、第１のマイクロチップ基板のマイクロチャネルを有する面と密着する面を有するプラスチック材料からなる第２のマイクロチップ基板とを熱圧着によって接合する方法であって、第１のマイクロチップ基板の貼り合せ面において、前記マイクロチャネルの外縁部に第２の貼り合せ面を形成し、第２の貼り合せ面が他の貼り合せ面である第１の貼り合せ面に対して１〜３０μｍ低くなっていることを特徴とするマイクロチップ基板の接合方法。
（２）第２の貼り合せ面の幅が０．０１ｍｍ〜１ｍｍである（１）記載のマイクロチップ基板の接合方法。
（３）マイクロチャネルの深さに対するマイクロチャネルの幅の比が１０以上である（１）又は（２）記載のマイクロチップ基板の接合方法。
（４）熱圧着を実施する前に表面を活性化するための処理を実施する（１）〜（３）いずれか記載のマイクロチップ基板の接合方法。
（５）（１）〜（４）いずれか記載のマイクロチップ基板の接合方法にて接合されたマイクロチップ。
（６）マイクロチャネルの少なくとも一部に生理活性物質が固定化されていることを特徴とする（５）記載のマイクロチップ。

本発明の接合方法を用いることで、プラスチック材料により製造され表面にマイクロチャネルを有するマイクロチップ基板を熱や圧力によるマイクロチャネルの断面の変形を生じさせることなく接合できる。

以下、本発明について詳細に説明する。
図１は、表面にマイクロチャネルを有するプラスチック材料からなる第一のマイクロチップ基板の概要平面図であり、図２は図１のI−IIの断面図である。

本発明に使用する第１のマイクロチップ基板の材質として種々のプラスチック材料を用いることが可能であるが、作製されるマクロチップの用途、処理、使用する溶媒、生理活性物質、検出方法の特性に合わせて、成形性、耐熱性、耐薬品性、吸着性等を考慮し適宜に選択される。
例えば、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルアセテート、ビニル−アセテート共重合体、スチレン−メチルメタアクリレート共重合体、アクリルニトリル−スチレン共重合体、アクリルニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体、ナイロン、ポリメチルペンテン、シリコン樹脂、アミノ樹脂、ポリスルフォン、ポリエーテルスルフォン、ポリエーテルイミド、フッ素樹脂、飽和環状ポリオレフィン、ポリイミド等が挙げられる。
その中で加工性、経済性も含め、現在最も用いられている検出法が蛍光検出であるため自己蛍光の少ない環状ポリオレフィンが最も好ましい。また、これらのプラスチック材料に、顔料、染料、酸化防止剤、難燃剤等の添加物を適宜混合してもよい。

第２のマイクロチップ基板の材質としては、プラスチック材料であれば特に限定は無いが、熱圧着する際に同じ材料の方が密着しやすく他方のマイクロチップ基板と同じ材料を用いることが好ましく、マイクロチップの特性はもちろんのこと、接着の相性を考慮して材料の選定を実施する。また、素材同士の相性が悪い場合でも表面処理を実施することにより接着の相性が改善するため、接合面に対して表面改質、例えば官能基の導入、機能材料の固定化、親水性の付与、および疎水性の付与等を実施したりすることも可能である。

プラスチック材料を使用したマイクロチップ基板にマイクロチャネルを加工する方法としては、マイクロチャネル加工した型キャビティを使用した射出成形が大量生産には好ましいが、ドリル等の機械加工、ホットエンボスによる加工、レーザーによる加工、ドライエッチングパターン加工、ウェットエッチングパターン加工等の加工方法が選択できる。

マイクロチャネルとしては、サンプルや試薬の使用量あるいは廃液の排出量、かつ、熱移動・物質移動の高速化の観点から、幅は１μｍ以上２０００μｍ以下が好ましく、更に好ましくは、１０μｍ以上１０００μ以下であり、深さは１μｍ以上１０００μｍ以下が好ましく、更に好ましくは１０μｍ以上１０００μｍ以下である。但し、これらマイクロチャネルの流路設計は検出対象物、利便性を考慮に適宜設計されるため上記に限定はしない。

また、マイクロチャネルの機能としてマイクロディバイス、具体的には、膜、ポンプ、バルブ、センサー、モーター、ミキサー、ギア、クラッチ、マイクロレンズ、電気回路等を装備したり、複数本のマイクロチャネルを同一基板上に加工することにより複合化することが可能である。

マイクロチャネルを有するプラスチック基板を熱圧着法にて貼り合せする場合に熱と圧力の影響によりマイクロチャネルに変形が生じる機構を図３に示す。
マイクロチャネルを有するプラスチック基板を熱圧着で貼り合せる場合にプラスチック基板同士が貼り合せられる温度まで基板温度を上昇させ、貼り合せ面を一定以上の圧力で貼り合せる必要がある。
マイクロチャネル部分は空洞であるため熱圧着を実施するための熱の影響により弾性率が低下し変形しやすくなっており、また熱圧着を実施するための圧力の影響によりマイクロチャネルの変形７が発生する。
マイクロチャネルの変形を改善するために、熱圧着温度を低くすることでプラスチック基板の弾性率の低下を少なくし変形量を減少する方法があるが、熱圧着温度を低くしすぎると貼り合せ面の密着強度が十分でなくなり、マイクロチャネルに流体を流した場合に貼り合せ面が剥がれるといった問題が発生するため熱圧着の温度を低くすることには制限がある。
また、熱圧着の圧力を下げることでマイクロチャネルの変形量を減少させる方法も考えられるが、ある一定以上の圧力を加えないと浮きと呼ばれる部分的に貼り合せができていない不良状態が発生しマイクロチャネルに流体を流した場合にマイクロチャネルから漏れる問題が発生するため熱圧着の圧力を下げることには制限がある。

本発明では、プラスチック基板を熱圧着する際の変形に対し、第１のマイクロチップ基板の貼り合せ面において、マイクロチャネルの外縁部の貼り合せ面である第２の貼り合せ面を設け、他の貼り合せ面である第１の貼り合せ面に対して低くすることによりマイクロチャネル部分の変形を生じさせることなくマイクロチャネルを形成させることができた。マイクロチャネルの外縁部の貼り合せ面である第２の貼り合せ面が第１の貼り合せ面に対して１〜３０μｍ低くなっていることが好ましく、さらに好ましくは５〜２０μｍ低くなっていることが好ましい。マイクロチャネルの外縁部の貼り合せ面である第２の貼り合せ面が第１の貼り合せ面に対して下限値未満であるとプラスチック基板の熱圧着による変形量に対し小さすぎるためマイクロチャネルの変形に対して効果がでないため好ましくなく、上限値を超えるとプラスチック基板の熱圧着による変形量に対し大きすぎるためマイクロチャネル周辺の貼り合せができないため好ましくない。

第２の貼り合せ面の幅は０．０１ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましく、さらに好ましくは０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍである。第２の貼り合せ面の幅が下限値未満であるとマイクロチャネルに対して近すぎるためプラスチック基板の熱圧着による変形に対して効果がなくマイクロチャネルの変形が発生するため好ましくない、第２の貼り合せ面の幅が上限値を超えるとプラスチック基板の熱圧着による変形に対して大きすぎるためにマイクロチャネル周辺に浮きが発生して外観不良となったり、マイクロチャネル自体に浮きが発生しマイクロチャネルに流体を流した際に漏れる問題が発生するため好ましくない。

プラスチック材料により製造され表面にマイクロチャネルを有するマイクロチップ基板を熱圧着する方法において、熱や圧力の影響によるチャネルの変形は、マイクロチャネルの幅が大きくなるほど変形量が大きくなり、マイクロチャネルの深さが浅くなるほどマイクロチャネルに対する変形の影響が大きくなるため、マイクロチャネルの深さに対するマイクロチャネルの幅の比が１０以上の場合に本発明の接合方法がより効果的となり、更にはマイクロチャネルの深さに対するマイクロチャネルの幅の比が２０以上の場合にさらにより効果的となる。

熱圧着を実施する前に表面を活性化することで熱圧着時のプラスチック基板にかける温度が低くなることによりマイクロチャネルの変形がさらに小さくすることができる。活性化する方法としては、真空プラズマ処理、大気プラズマ処理、コロナ処理等が挙げられるが貼り合せ面が活性化され貼り合せ温度が低くできる表面処理であれば特に限定しない。

本発明のマイクロチャネルに固定化される生理活性物質としては、核酸、タンパク質、糖鎖、糖タンパク等が挙げられるが、検出対象物の特性により適宜、最適な生理活性物質を選択することができる。また、同一チャネル上に複数の生理活性物質を固定化してもよく、同じマイクロチップ基板上に違うマイクロチャネルを作製し別々に生理活性物質を固定しても良い。

次に、実際の接合例について、流路中に予めある蛋白に対する抗体を固定化して接合する例について記載する。

（実施例１）
３０ｍｍ×７０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの大きさで、表面に、幅１．５ｍｍ深さ０．０２ｍｍのマイクロチャネル、第２の貼り合せ部として幅０．２ｍｍ、深さ０．００５ｍｍを図1に示すように配置した基板を飽和環状ポリオレフィン樹脂（日本ゼオン株式会社製ＺＥＯＮＥＸ４８０）で射出成形により成形し、第１のマイクロチップ基板とした。３０ｍｍ×７０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの大きさでマイクロチャネルがないプラスチック基板を同じく飽和環状ポリオレフィン樹脂（日本ゼオン株式会社製ＺＥＯＮＥＸ４８０）で成形し、第２のマイクロチップ基板とした。第１のマイクロチップ基板と第２のマイクロチップ基板を熱プレス機を使用して、温度１３０℃、圧力２００ｋｇ、圧着時間２０分の条件で熱圧着した。
マイクロチャネルの深さを幅方向に対し、両端および中央の３点をキーエンス株式会社製精密形状測定器（ＫＳ−１１００）で測定したところマイクロチャネル深さ０．０２ｍに対してばらつきが１０％以内であった。また、ポートから純水をマイクロチャネルに流したところ漏れもなくチャネルとして機能した。

（実施例２）
３０ｍｍ×７０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの大きさで、表面に、幅０．５ｍｍ深さ０．１ｍｍのマイクロチャネル、第２の貼り合せ部として幅０．５ｍｍ、深さ０．０１ｍｍを図1に示すように配置した基板を飽和環状ポリオレフィン樹脂（日本ゼオン株式会社製ＺＥＯＮＥＸ４８０）で射出成形により成形し、第１のマイクロチップ基板とした。３０ｍｍ×７０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの大きさでマイクロチャネルがないプラスチック基板を同じく飽和環状ポリオレフィン樹脂（日本ゼオン株式会社製ＺＥＯＮＥＸ４８０）で成形し、第２のマイクロチップ基板とした。第１のマイクロチップ基板と第２のマイクロチップ基板を熱プレス機を使用して、温度１３５℃、圧力３００ｋｇ、圧着時間２０分の条件で熱圧着した。
マイクロチャネルの深さを幅方向に対し、両端および中央の３点をキーエンス株式会社製精密形状測定器（ＫＳ−１１００）で測定したところマイクロチャネル深さ０．１ｍｍに対してばらつきが３％以内であった。また、ポートから純水をマイクロチャネルに流したところ漏れもなくチャネルとして機能した。

（実施例３）
３０ｍｍ×７０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの大きさで、表面に、幅１．０ｍｍ深さ０．３ｍｍのマイクロチャネル、第２の貼り合せ部として幅０．２ｍｍ、深さ０．００５ｍｍを図1に示すように配置した基板をＰＭＭＡ樹脂（住友化学工業株式会社製スミペックスＥＸ）で射出成形により成形し、第１のマイクロチップ基板とした。３０ｍｍ×７０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの大きさでマイクロチャネルがないプラスチック基板を同じくＰＭＭＡ樹脂（住友化学工業株式会社製スミペックスＥＸ）で成形し、第２のマイクロチップ基板とした。第１のマイクロチップ基板と第２のマイクロチップ基板を熱プレス機を使用して、温度１００℃、圧力２５０ｋｇ、圧着時間１５分の条件で熱圧着した。
マイクロチャネルの深さを幅方向に対し、両端および中央の３点をキーエンス株式会社製精密形状測定器（ＫＳ−１１００）で測定したところマイクロチャネル深さ０．３ｍｍに対して３％以内であった。また、ポートから純水をマイクロチャネルに流したところ漏れもなくチャネルとして機能した。

（実施例４）
実施例１で作製したマイクロチップのマイクロチャネルに真空中でプラズマ処理を実施してマイクロチャネル表面を活性化した。PBS（−）中に抗ラットアルブミン抗体を１μｇ／ｍｌの濃度で溶解させ、抗体溶液を調製した。続いて、ポートより作製した抗体溶液を流し、抗体溶液をマイクロチャネルに保持した状態で３０分放置し抗ラットアルブミン抗体をマイクロチャネルに固定化した。固定化したのちに純水をマイクロチャネルに流し洗浄を行い、１％BSAをPBS(-)中に溶解させたブロッキング溶液を流しブロッキングを実施し、洗浄液をマイクロチャネルに流し洗浄した後に、室温で乾燥しラットアルブミン検知用のマイクロチップを２枚作製した。ＰＢＳ（−）中にラットアルブミンを０．１μｇ／ｍｌの濃度に溶解しラットアルブミン溶液を調製した。作製したマイクロチップの１枚にラットアルブミン溶液を基板のポートから20μｌ／ｍｉｎの送液スピードで3分間、基板のポートから流し、もう１枚にはＰＢＳ（−）を同様に流した。次にTWEEN２０を０．５％含む洗浄駅をポートから流路内に20μｌ／ｍｉｎの送液スピードで3分間流し洗浄を実施した。続いてローダミンを標識した抗ラットアルブミン抗体溶液（１μｇ／ｍｌでＰＢＳ（−）に溶解）を、20μｌ／ｍｉｎの送液スピードで3分間流した後、TWEEN２０を０．５％含む洗浄液をポートから流路内に20μｌ／ｍｉｎの送液スピードで3分間流し洗浄を行なった。最後にポートから超純水を20μｌ／ｍｉｎの送液スピードで3分間流した。
２枚のマイクロチップのマイクロチャネルを蛍光顕微鏡観察したところ、ラットアルブミン溶液を流したマイクロチップのマイクロチャネルは蛍光が観察され、ＰＢＳ（―）溶液を流したマイクロチップのマイクロチャネルからは傾向が観察されなかったことにより、作製したマイクロチップは、ラットアルブミン検知用として機能したことが分かった。

（比較例１）
３０ｍｍ×７０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの大きさで、表面に、幅１．５ｍｍ深さ０．０２ｍｍのマイクロチャネルを配置した基板を飽和環状ポリオレフィン樹脂（日本ゼオン株式会社製ＺＥＯＮＥＸ４８０）で射出成形により成形し、第１のマイクロチップ基板とした。３０ｍｍ×７０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの大きさでマイクロチャネルがないプラスチック基板を同じく飽和環状ポリオレフィン樹脂（日本ゼオン株式会社製ＺＥＯＮＥＸ４８０）で成形し、第２のマイクロチップ基板とした。第１のマイクロチップ基板と第２のマイクロチップ基板を熱プレス機を使用して、温度１３０℃、圧力２００ｋｇ、圧着時間２０分の条件で熱圧着した。
マイクロチャネルの中央部分が密着しマイクロチャネルが形成できなかった。

（比較例２）
３０ｍｍ×７０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの大きさで、表面に、幅０．５ｍｍ深さ０．１ｍｍのマイクロチャネル、第２の貼り合せ部として幅０．５ｍｍ、深さ０．０５ｍｍを図1に示すように配置した基板を飽和環状ポリオレフィン樹脂（日本ゼオン株式会社製ＺＥＯＮＥＸ４８０）で射出成形により成形し、第１のマイクロチップ基板とした。３０ｍｍ×７０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの大きさでマイクロチャネルがないプラスチック基板を同じく飽和環状ポリオレフィン樹脂（日本ゼオン株式会社製ＺＥＯＮＥＸ４８０）で成形し、第２のマイクロチップ基板とした。第１のマイクロチップ基板と第２のマイクロチップ基板を熱プレス機を使用して、温度１３５℃、圧力３００ｋｇ、圧着時間２０分の条件で熱圧着した。
マイクロチャネルの両端に浮きが発生し、ポートから純水を流すとマイクロチャネルから浮き部分に純水が流れ込みマイクロチャネルとして機能しなかった。

（比較例３）
３０ｍｍ×７０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの大きさで、表面に、幅１．０ｍｍ深さ０．３ｍｍのマイクロチャネル、第２の貼り合せ部として幅１．５ｍｍ、深さ０．００５ｍｍを図1に示すように配置した基板をＰＭＭＡ樹脂（住友化学工業株式会社製）で射出成形により成形し、第一のマイクロチップ基板とした。３０ｍｍ×７０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの大きさでマイクロチャネルがないプラスチック基板を同じくＰＭＭＡ樹脂（住友化学工業株式会社製）で成形し、第２のマイクロチップ基板とした。第１のマイクロチップ基板と第２のマイクロチップ基板を熱プレス機を使用して、温度１００℃、圧力２５０ｋｇ、圧着時間１５分の条件で熱圧着した。
マイクロチャネルの両側部分に浮きが発生し、外観不良が発生した。

本発明の接合方法を用いることで、プラスチック材料により製造され表面にマイクロチャネルを有するマイクロチップ基板を熱や圧力によるマイクロチャネルの断面の変形を生じさせることなく接合でき精度のよいマイクロチップが提供できる。

本発明に使用する第１のマイクロチップ基板の平面概略図。 第１のマイクロチップ基板のI−II方向の断面概略図。 マイクロチップの接合時の変形機構の断面概略図。

符号の説明

１ マイクロチャネルを有する第１のマイクロチップ基板
２ マイクロチャネル
３ ポート
４ 第１の貼り合せ面
５ 第２の貼り合せ面
６ 第２のマイクロチップ基板
７ マイクロチャネルの変形部
８ 接合時の基板に加わる圧力

Claims (6)

1. 表面にマイクロチャネルを有するプラスチック材料からなる第１のマイクロチップ基板と、第１のマイクロチップ基板のマイクロチャネルを有する面と密着する面を有するプラスチック材料からなる第２のマイクロチップ基板とを熱圧着によって接合する方法であって、第１のマイクロチップ基板の貼り合せ面において、前記マイクロチャネルの外縁部に第２の貼り合せ面を形成し、第２の貼り合せ面が他の貼り合せ面である第１の貼り合せ面に対して１〜３０μｍ低くなっていることを特徴とするマイクロチップ基板の接合方法。
2. 第２の貼り合せ面の幅が０．０１ｍｍ〜１ｍｍである請求項１記載のマイクロチップ基板の接合方法。
3. マイクロチャネルの深さに対するマイクロチャネルの幅の比が１０以上である請求項１又は２記載のマイクロチップ基板の接合方法。
4. 熱圧着を実施する前に表面を活性化するための処理を実施する請求項１〜３いずれか記載のマイクロチップ基板の接合方法。
5. 請求項１〜４いずれか記載のマイクロチップ基板の接合方法にて接合されたマイクロチップ。
6. マイクロチャネルの少なくとも一部に生理活性物質が固定化されていることを特徴とする請求項５記載のマイクロチップ。

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