JP2009236555A - Fluid device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は微小量のサンプルで有機物を合成する有機化学やPCR(polymerase chain reaction)法などを行う生化学に関し、特に、微量の液体成分を分析する機能や前処理機能等を集積したマイクロチップであるμTAS(Micro Total Analysis System)などの流体デバイス及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to organic chemistry for synthesizing organic substances with a small amount of sample and biochemistry for performing PCR (polymerase chain reaction) method. The present invention relates to a fluid device such as a μTAS (Micro Total Analysis System) and a manufacturing method thereof.
生化学的分析や通常の化学分析に使用する小型の反応装置としてマイクロマルチチャンバ装置が使用されている。そのような装置としては、例えば平板状の基板表面に反応容器としての複数のウエルが形成されたマイクロタイタープレートなどのマイクロウエル反応容器プレートが用いられている(特許文献1参照。)。 A micro multi-chamber apparatus is used as a small reaction apparatus used for biochemical analysis and normal chemical analysis. As such an apparatus, for example, a microwell reaction vessel plate such as a microtiter plate in which a plurality of wells as reaction vessels are formed on a flat substrate surface is used (see Patent Document 1).
従来、微量の液体試料の分析や反応を行うマイクロチップデバイスは、図3に示すように、液体を流すための流路17,19及び反応容器15が形成されたベース基板13にカバー基板11が貼り合わされることによって形成されている。
このようなデバイスでは基板に樹脂材料がよく使用されている。樹脂材料はガラス等の材料と比較して水系の試料に対して濡れにくい性質を有している。
Conventionally, as shown in FIG. 3, a microchip device for analyzing and reacting a small amount of a liquid sample has a
In such a device, a resin material is often used for the substrate. The resin material has a property that it is difficult to wet with respect to an aqueous sample as compared with a material such as glass.
上述のような樹脂材料で流体デバイスを作製し、液体試料として水系試料を対象とした場合、流体デバイス内の流路や反応容器の一部に液体試料中の気泡が残留してしまい、分析や反応の妨げになることがあった。
そこで本発明は、流路や反応容器等に残留する気泡を減少させることが可能な流体デバイス及びその製造方法を提供することを目的とする。
When a fluid device is made of the resin material as described above and an aqueous sample is used as a liquid sample, bubbles in the liquid sample remain in a part of the flow path or reaction container in the fluid device, and analysis or It may interfere with the reaction.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a fluidic device capable of reducing bubbles remaining in a flow path, a reaction container, and the like, and a method for manufacturing the fluidic device.
本発明の流体デバイスは、少なくとも2つの部材が貼り合わされて両部材により液体を流す流路が形成された流体デバイスにおいて、両部材間の接合面の材質は上記流路を流れる液体が両部材間の接合面に対して90°以上の接触角をもつように選定されており、両部材間の接合面の少なくとも一方に凹凸が形成されていることにより両部材間に空隙が形成されており、前記空隙の大きさは毛細管力による圧力の絶対値が前記流路を流れる液体の空隙に接する流路内圧力より大きくなることにより気体を通過させ液体を通過させない大きさであり、かつ上記空隙は上記流路からその流体デバイスの外部にまで通じていることを特徴としている。 The fluidic device of the present invention is a fluidic device in which at least two members are bonded to each other and a flow path for flowing liquid is formed by both members. The material of the joint surface between both members is that the liquid flowing through the flow path is between both members. Is selected so as to have a contact angle of 90 ° or more with respect to the joint surface, and at least one of the joint surfaces between the two members is formed with irregularities so that a gap is formed between the two members, The size of the gap is such that the absolute value of the pressure due to capillary force is larger than the pressure in the flow path in contact with the liquid gap flowing through the flow path, so that the gas is allowed to pass and the liquid is not allowed to pass. It is characterized by communicating from the flow path to the outside of the fluid device.
流体デバイス中の液体の流れを調整するため、上記流路には液体の流れを制御するバルブが備えられているようにしてもよい。そのバルブを閉じ、流路に液体を供給することにより、流路内の圧力を高めて液体中の気泡を両部材間の空隙から外部へ放出するように使用する。 In order to adjust the flow of the liquid in the fluid device, the flow path may be provided with a valve for controlling the flow of the liquid. By closing the valve and supplying the liquid to the flow path, the pressure in the flow path is increased so that the bubbles in the liquid are discharged from the gap between the two members to the outside.
上記微細凹凸は高さが500μm以下であることが好ましい。 The fine irregularities preferably have a height of 500 μm or less.
本発明の流体デバイス製造方法は、ベース基板とカバー基板を含む少なくとも2つの部材が貼り合わされて両部材により液体を流す流路が形成され、両部材間の接合面の少なくとも一方に凹凸が形成されていることにより両部材間に空隙が形成されるものである。そして、上記ベース基板は、上記流路に対応する部分が凸部となり接合面に対応する部分が凹部となり、かつその凹部の底面には微細凹凸が形成されている型を使用して樹脂成型を行うことにより、平坦面に流路となる溝をもちその平坦面には微細凹凸をもつベース基板として作成することを特徴としている。 In the fluid device manufacturing method of the present invention, at least two members including a base substrate and a cover substrate are bonded to each other to form a flow path for flowing a liquid, and unevenness is formed on at least one of the joint surfaces between the two members. As a result, a gap is formed between the two members. The base substrate is formed by resin molding using a mold in which the portion corresponding to the flow path is a convex portion and the portion corresponding to the bonding surface is a concave portion, and the bottom surface of the concave portion is formed with fine irregularities. By performing this process, a groove serving as a flow path is formed on the flat surface, and the flat surface is formed as a base substrate having fine irregularities.
また、上記型を製作する好ましい一例は以下の工程(A)から(C)を備えた方法である。すなわち、(A)シリコン基板表面に耐エッチング膜を形成し、写真製版とエッチングにより上記流路となる部分に上記耐エッチング膜を残し、接合面となる部分を露出させるようにパターン化を施す工程、(B)上記耐エッチング膜パターンをもつシリコン基板に対し、エッチングガスとエッチング保護膜形成ガスを交互に導入しながらドライエッチングを行なうことにより、接合面となる部分に凹部を形成するとともに、その凹部の底面に微細凹凸を形成する工程、及び(C)その後、上記耐エッチング膜パターンを除去する工程である。 A preferred example for producing the mold is a method comprising the following steps (A) to (C). That is, (A) forming an etching resistant film on the surface of a silicon substrate, leaving the etching resistant film in a portion that becomes the flow path by photolithography and etching, and patterning to expose a portion that becomes a bonding surface (B) The silicon substrate having the etching-resistant film pattern is subjected to dry etching while alternately introducing an etching gas and an etching protective film forming gas, thereby forming a concave portion at a bonding surface, and A step of forming fine irregularities on the bottom surface of the recess, and (C) a step of removing the etching resistant film pattern thereafter.
本発明の流体デバイスは、流路を形成するように貼り合わされた2つの部材間の接合面の材質が、流路を流れる液体が両部材間の接合面に対して90°以上の接触角をもつように選定され、両部材間に気体を通過させ液体を通過させない大きさの空隙が形成され、かつその空隙は流路から流体デバイスの外部にまで通じているので、流体デバイス内に残留する気泡を外部に除去しやすくなる。 In the fluidic device of the present invention, the material of the joint surface between the two members bonded to form the flow path has a contact angle of 90 ° or more with respect to the joint surface between the two members. A gap is formed between the two members so that the gas does not pass and the liquid does not pass, and the gap extends from the flow path to the outside of the fluid device, so that it remains in the fluid device. Air bubbles can be easily removed to the outside.
液体の流れを制御するバルブを流路中に備えるようにすれば、流体デバイスの試料排出口を塞がない場合でも流路を流れる液体の圧力を調整することができるようになる。 If a valve for controlling the flow of the liquid is provided in the flow path, the pressure of the liquid flowing through the flow path can be adjusted even when the sample discharge port of the fluid device is not blocked.
以下に本発明の実施例を説明する。
図1は一実施例における流体デバイスの概略図を示しており、(A)は斜視図、(B)は(A)のX−Xにおける垂直断面図である。
Examples of the present invention will be described below.
FIG. 1: has shown the schematic of the fluid device in one Example, (A) is a perspective view, (B) is a vertical sectional view in XX of (A).
ベース基板13の一表面に例えば内径3mm、深さ1.0mmの開口部を持つ円柱型の反応容器15が形成されている。反応容器15の内径及び深さは特に限定されるものではない。ベース基板13には反応容器15につながる液体導入流路17及び液体排出流路19が形成されている。液体導入流路17及び液体排出流路19の幅と深さは例えば1mm以下である。
A
反応容器15を含むベース基板13の材質はこの流体デバイスで扱う液体の接触角が90°以上となるものであれば特に限定されるものではないが、流体デバイスを使い捨て可能として用いる場合、安価に入手可能な素材であることが好ましい。そのような素材として、例えばポリジメチルシルオキサン(PDMS)、ポリプロピレン、ポリカーボネートなどの樹脂素材が好ましい。反応容器15内の物質の検出を吸光度、蛍光、化学発光又は生物発光などの光により行なう場合には、底面側から光学的な検出ができるようにするために光透過性の樹脂で形成されていることが好ましい。特に蛍光検出を行なう場合には、ベース基板13の材質として低自蛍光性(それ自身からの蛍光発生が少ない性質のこと)で光透過性の樹脂、例えばポリカーボネートなどの素材で形成されていることが好ましい。ベース基板13の厚さは例えば2.0〜4.0mmである。蛍光検出用の低自蛍光性の観点からは反応容器15部分のベース基板13の厚さは薄い方が好ましい。
The material of the
ベース基板13上には、反応容器15、流体導入流路17及び流体排出流路19を覆ってカバー基板11が接合されている。カバー基板11の材質はこの流体デバイスで扱う液体の接触角が90°以上となるものであれば特に限定されるものでないが、例えばPDMSやシリコーンゴムなどからなるものである。カバー基板11の厚みは例えば1.0〜4.0mmである。
On the
カバー基板11には流路17,19の端部に対応する位置に流体導入口となる穴21及び流体排出口となる穴23が開けられている。液体導入流路17の一端は液体の導入に利用される液体導入口21に接続され、他端は反応容器15に接続されている。また、液体排出流路19の一端は液体の排出に利用される液体排出口23に接続され、他端は液体導入流路17の他端が接続する位置とは別の位置で反応容器15に接続されている。
The
液体導入口21にはシリンジポンプなどの送液装置が接続されて液体試料が送液され、液体試料が排出される液体排出口23にはドレインが接続されて液体試料が排出される。図1に示す実施例の場合、液体導入口21及び液体排出口23はカバー基板11に貫通穴として形成されているが、ベース基板13に形成されていてもよい。
A liquid feeding device such as a syringe pump is connected to the
基板11,13の接合面には微細な凹凸25が形成されている。微細凹凸25は反応容器15、流路17、流路19に隣接する位置から、基板13の外周に至るまで形成され、外部にまでつながっている。両基板11,13の接合面に微細凹凸25が連続的に形成されることにより、液体試料が流される流路と流体デバイスの外周部までの間に空隙が連続的に生じる。空隙の大きさは500μm以下であることが好ましいが、微細凹凸25の一つ一つの大きさは、10nm〜1000nm、高さは10nm〜1000nmであればよい。また、流路を流れる液体試料の基板11,13の接合面に対する接触角は90°以上であるため、微細凹凸25による空隙にはガスのみが通過し、液体は通過しないようになっている。
次に本発明の流体デバイスの製造方法について説明する。
図2は一実施例における流体デバイスの製造工程を説明するフロー図である。
(A)耐エッチング膜としてのクロム膜29を、シリコン基板27aの一表面上に形成し、写真製版とエッチングにより反応容器15、流路17、流路19の部分(図1を参照。)を被い、基板の接合面となる部分(底面31)を露出させるようにパターニングする。耐エッチング膜としては、クロム膜に限らず、シリコン酸化膜を用いても良い。
Next, the manufacturing method of the fluid device of the present invention will be described.
FIG. 2 is a flowchart for explaining the manufacturing process of the fluid device in one embodiment.
(A) A
(B)クロム膜29をエッチングマスクとしてドライエッチングを行う。このときのドライエッチングの方法としては、例えば、ICP-RIE(誘導プラズマ−反応性イオンエッチング)によるボッシュ(Bosch)プロセスを用いる。この方法ではエッチングガスとエッチング保護膜形成ガスを交互に導入し、エッチング工程とエッチング保護膜形成工程を交互に行う。このときエッチング工程とエッチング保護膜形成工程のバランスを、若干保護膜形成過多に調整することで、エッチングにより形成される凹部の底面31に微細凹凸33aを形成することができる。
(B) Dry etching is performed using the
また、微細凹凸33aの形成方法の他の例としては、エッチングマスクとしてクロム等のメタルマスクを用いた場合、エッチング時にマスク表面でスパッタリングが生じ、スパッタリングされたメタル原子がエッチングにより形成される凹部の底面31に付着することで、マイクロマスクと呼ばれる現象を引き起こす。このマイクロマスクにより、底面31に微細凹凸33aを形成することもできる。
As another example of the method for forming the
(C)次に、ウェットエッチングを行なうことによりシリコン基板27aの一表面からエッチングマスク29を除去する。
上記工程が施されたシリコン基板27aは反応容器15、流路17及び流路19の部分が凸形状となり、それら以外の部分が凹部となり、その凹部の底面31に微細凹凸33aをもった型27bとなる。
(C) Next, the
In the
(D)この型27bを用いて、PDMS樹脂13に凹凸形状の成型を行う。
微細凹凸33aは型27bの凹部の底面31にのみ形成されているので、その型27bの凹凸形状をPDMS樹脂13に転写した場合、形成されるベース基板13の反応容器15及び流路17,19となる部分の底面14は平滑になり、ベース基板13の表面には微細凹凸33bが形成される。
(D) Using this
Since the
(E)最後に、液体導入口21と液体排出口23としての貫通穴が形成されたカバー基板11をベース基板13に貼り合わせて接合することで、流体デバイスが完成する。
(E) Finally, the fluid substrate is completed by bonding and joining the
この実施例ではベース基板13の一表面に微細凹凸25が形成されているデバイスの作製方法を示したが、カバー基板11の一表面に微細凹凸25が形成されているようにしてもよい。
In this embodiment, a method for manufacturing a device in which the
また、基板の接合面に微細凹凸25を作製する他の方法として、金属基板表面をサンドブラスト法により荒らし、その基板を型としてPDMSなどの樹脂を成型することによってベース基板13の表面に微細凹凸25を形成してもよい。サンドブラスト法を用いる場合、基板上の広い面積に微細凹凸25を一度に形成することができるので、製造工程の観点から優れている。
As another method for producing the
次に本発明の流体デバイスによる毛細管力について説明する。
図1では、カバー基板11とベース基板13の接合面に微細凹凸25が形成され、両基板11,13間には空隙が設けられている。液体試料の両基板の接合面に対する接触角が90°以上である場合、この空隙に液体試料が入り込もうとすると、流路内壁から負の毛細管力を受ける。このときの毛細管力による圧力は式(1)で表すことができる。
Next, the capillary force by the fluid device of the present invention will be described.
In FIG. 1,
式(1)からθが90°以上でcosθが負になるので、流路の寸法に対して微細凹凸25の大きさが小さい場合、ΔPは負の大きな値となり、流路と比較して両基板間の空隙に液体試料が侵入しにくいことがわかる。
Since cos θ becomes negative when θ is 90 ° or more from the equation (1), ΔP becomes a large negative value when the size of the
さらに、凹凸の寸法を式(1)に代入して得られるΔpの絶対値が液体試料の送液圧力に比べ大きい場合、液体試料をデバイス内に送液した場合でも、両基板内の空隙に液体試料が侵入することがないことがわかる。 Furthermore, when the absolute value of Δp obtained by substituting the unevenness dimensions into the equation (1) is larger than the liquid-sending pressure of the liquid sample, even when the liquid sample is sent into the device, It can be seen that the liquid sample does not enter.
このような流体デバイスに液体試料を導入し、流路や反応室に気泡が残留した場合、例えば試料排出口23を塞ぎ、試料導入口21から圧力を印加すると、気泡を形成する空気は両基板11,13間の空隙を通じて流体デバイスの外側に排出され、流体デバイス内の気泡を外部に追い出すことができる。
When a liquid sample is introduced into such a fluid device and air bubbles remain in the flow path or the reaction chamber, for example, when the
本発明の流体デバイスでは、カバー基板11及びベース基板13は例えばともにPDMSからなるものである。PDMSにダウコーニング社製Sylgard184を用いた場合、脱イオン水の基板表面に対する接触角は約108度である。
In the fluidic device of the present invention, the
液体導入流路17の幅及び深さがともに1mmである場合、式(1)で与えられる負の毛細管力は約−90Paである。
When the width and depth of the
また、液体を流路に流す際の送液圧力は経験的に式(2)で表される。
Cfrは流路形状に関する補正項であり、流路形状が矩形断面の場合は約96の値である。Aは液体導入流路17の断面積、Lは液体導入流路17の長さ、μは流れる液体試料の粘性、Qは送液流量である。例えば液体導入流路17の長さが40mmで、脱イオン水を100μL/minで送液した場合、送液圧力は約192Paとなる。
C fr is a correction term relating to the flow path shape, and is about 96 when the flow path shape is a rectangular cross section. A is the cross-sectional area of the
また、カバー基板11とベース基板13の接合面に形成されている微細凹凸25の形状寸法が幅1μm、深さ0.5μmの場合、式(1)で与えられる負の毛細管力は約−135kPaである。つまり、上述の実施例の場合、送液圧力に対して両基板11,13間の空隙に生じる負の毛細管力が充分大きいため、空隙としての微細凹凸25に液体試料が侵入することはない。
When the shape of the
このデバイスにおいて気泡が流路や反応室等に残留した場合、試料排出口23を塞ぎ、試料導入口21から毛細管力の絶対値より小さい数10kPaの圧力で液体試料を送液することで、液体試料中のガス成分のみが微細凹凸25を通過し、両基板11,13間の空隙を通じて液体から気泡を除去することができる。
When bubbles remain in the channel or reaction chamber in this device, the
また、本実施例では試料排出口23を塞ぐことによって液体試料の流れを制御していたが、デバイス中にマイクロバルブを集積化することでも同様の効果が得られる。
In the present embodiment, the flow of the liquid sample is controlled by closing the
そのようなマイクロバルブを備えた流体デバイスの一例を図4に示す。マイクロバルブは流路17と19のいずれに配置してもよいが、この実施例では液体排出流路19に配置する。ベース基板13の液体排出流路19上でバルブを形成する位置に流路19と同じ深さのバルブ下部凹部40を形成する。カバー基板11にはバルブを形成する位置にバルブ下部凹部40を被う大きさの貫通穴からなる圧力印加部42を形成する。例えば、バルブ下部凹部40の大きさは直径3mm、圧力印加部42の大きさは直径4mmとする。ベース基板13とカバー基板11の間に厚さが30μm程度のPDMSフィルム44を挟み込む。そのPDMSフィルム44には液体導入口21と液体排出口23の位置に予め穴を開けておく。ベース基板13とカバー基板11は間にPDMSフィルム44を挟み込んだ状態で接合して流体デバイスとする。
An example of a fluidic device provided with such a microvalve is shown in FIG. The microvalve may be arranged in either of the
圧力印加部42には外部から100kPa程度の圧力で空気を供給することによりPDMSフィルム44を撓ませて流路19を閉じることができ、空気の圧送を解除してPDMSフィルム44の弾性力により撓みを解除することにより流路19を開くことができる。マイクロバルブは液体の流量を完全にゼロにしなくてもよい。マイクロバルブを用いて流量を下げることで液体の圧力は上昇し、気泡が除去されるからである。
By supplying air to the
また、凹凸をできるだけ接合面の全体に形成するようにすれば、流体デバイスのより広い場所から気泡を除去することが可能となる。 Further, if the unevenness is formed as much as possible on the entire joint surface, bubbles can be removed from a wider area of the fluid device.
11 カバー基板
13 ベース基板
15 反応容器
17 液体導入流路
19 液体排出流路
21 液体導入口
23 液体排出口
25 微細凹凸
42 マイクロバルブの圧力印加部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
両部材間の接合面の材質は前記流路を流れる液体が両部材間の接合面に対して90°以上の接触角をもつように選定されており、
両部材間の接合面の少なくとも一方に凹凸が形成されていることにより両部材間に空隙が形成されており、
前記空隙の大きさは毛細管力による圧力の絶対値が前記流路を流れる液体の空隙に接する流路内圧力より大きくなることにより気体を通過させ液体を通過させない大きさであり、かつ前記空隙は前記流路から該流体デバイスの外部にまで通じていることを特徴とする流体デバイス。 In a fluid device in which at least two members are bonded to each other and a flow path for flowing a liquid is formed by both members,
The material of the joint surface between the two members is selected so that the liquid flowing through the flow path has a contact angle of 90 ° or more with respect to the joint surface between the two members,
A gap is formed between the two members by forming irregularities on at least one of the joint surfaces between the two members,
The size of the gap is such that the absolute value of the pressure due to capillary force is larger than the pressure in the flow path in contact with the liquid gap flowing through the flow path, so that the gas is allowed to pass and the liquid is not allowed to pass. A fluid device, wherein the fluid device communicates from the flow path to the outside of the fluid device.
前記ベース基板は、前記流路に対応する部分が凸部となり接合面に対応する部分が凹部となり、かつその凹部の底面には微細凹凸が形成されている型を使用して樹脂成型を行うことにより、平坦面に流路となる溝をもちその平坦面には微細凹凸をもつベース基板として作成することを特徴とする製造方法。 At least two members including the base substrate and the cover substrate are bonded to each other to form a flow path through which the liquid flows, and an unevenness is formed on at least one of the joint surfaces between the two members, so that there is a gap between the two members. In the manufacturing method of the fluid device in which is formed,
The base substrate is resin-molded by using a mold in which a portion corresponding to the flow path is a convex portion and a portion corresponding to the bonding surface is a concave portion, and the bottom surface of the concave portion is formed with fine irregularities. Thus, a manufacturing method is characterized in that a flat substrate has a groove serving as a flow path, and the flat surface is formed as a base substrate having fine irregularities.
(A)シリコン基板表面に耐エッチング膜を形成し、写真製版とエッチングにより前記流路となる部分に前記耐エッチング膜を残し、接合面となる部分を露出させるようにパターン化を施す工程、
(B)前記耐エッチング膜パターンをもつシリコン基板に対し、エッチングガスとエッチング保護膜形成ガスを交互に導入しながらドライエッチングを行なうことにより、接合面となる部分に凹部を形成するとともに、その凹部の底面に微細凹凸を形成する工程、及び
(C)その後、前記耐エッチング膜パターンを除去する工程。 The method of manufacturing a fluid device according to claim 4, wherein the mold is manufactured by including the following steps (A) to (C).
(A) A step of forming an etching resistant film on the surface of the silicon substrate, leaving the etching resistant film in a portion to be the flow path by photolithography and etching, and patterning to expose a portion to be a bonding surface,
(B) The silicon substrate having the etching-resistant film pattern is subjected to dry etching while alternately introducing an etching gas and an etching protective film forming gas, thereby forming a concave portion at a bonding surface and the concave portion. And (C) a step of removing the etching resistant film pattern after that.
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