JP2010247056A

JP2010247056A - マイクロチップ

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Publication number: JP2010247056A
Application number: JP2009098536A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yanagihara; 豪柳原; Tomoko Miyaura; 智子宮浦
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2010-11-04

Abstract

【課題】微細流路の変形が生じない高精度なプラスチック製のマイクロチップを提供することである。
【解決手段】マイクロチップ１０は、微細流路１３となる微細加工が施されたプラスチック製の第１基材１１と、第１基材１１の微細加工された面に接着剤レス接合されたプラスチック製の第２基材１２とを含み、第２基材１２の接合面に金属薄膜１４が設けられている構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細流路となる微細加工が施されたプラスチック製の第１基材と、プラスチック製の第２基材とを、接着剤レス接合したマイクロチップに関する。

近年、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に関する研究が盛んになっている。これらの研究は、微細流路を有するマイクロチップ上で行う核酸、タンパク質などの分析や合成、また微量化学物質の迅速分析、さらに医薬品・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におけるマイクロ化の利点としては、サンプルや試薬の使用量又は廃液量を軽減でき、省スペースで持ち運び可能で、安価であることが挙げられる。

一般に、上記の微細流路を有するマイクロチップは、少なくとも一方の基材に微細加工し、２つの基材を貼り合わせることにより製造されている。基材としては、通常、ガラスが用いられる。

しかし、ガラスを用いることは高コストになるため、種々のプラスチックが用いられることもある。プラスチックを射出成型することでマイクロチップを安価に大量生産することができ、使い捨てできるディスポーザブルマクロチップとなる。

そして、上記プラスチック製のマイクロチップの基材どうしを貼り合わせるには、接着剤により貼り合わせる方法（特許文献１参照）、加熱により貼り合わせる方法（特許文献２参照）、レーザにより貼り合わせる方法（特許文献３参照）、加圧しながらガラス転移点以下に加熱して融着する方法（特許文献４参照）、流路形成溝に流体を流しながら加熱及び加圧して融着する方法（特許文献５参照）などが用いられている。

特開２００８−２４９３４６号公報特開２００５−７７２１８号公報特開２００５−７４７９６号公報特開２００３−１１８０００号公報特開２００８−３０２８５号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、接着剤の余剰分が基材間からはみ出し易く、はみ出した接着剤が微細流路を埋めてしまったり、微細流路内を汚染してしまったりするという問題がある。

また特許文献２の方法では、加熱により基材が過度に溶解して微細流路の内壁が変形する可能性があり、また微細流路を視覚的に観察するマイクロチップの場合、プラスチックの変形及び変質により測定不良を引き起こす可能性もある。

また特許文献３の方法では、２つの基材の接合面のみの加熱は非常に困難である。また、微細流路等の接合部分以外をマスクする方法もあるがマスク工程が余分に必要となり、生産性が悪くコストアップに繋がる。

また特許文献４の方法では、微細流路の内壁が熱により変形してしまうおそれがあり、光学分析の妨げとなる。

また特許文献５の方法では、流路形成溝に流体を流しながら加熱及び加圧するワークスペースを確保することが困難であったり、流体を流すという余分な工程が必要となり、コストアップに繋がったりする。

本発明は、微細流路の変形が生じない高精度なプラスチック製のマイクロチップを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、微細流路となる微細加工が施されたプラスチック製の第１基材と、第１基材の微細加工された面に接着剤レス接合されたプラスチック製の第２基材とを含むマイクロチップにおいて、第２基材の接合面に金属薄膜が設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、金属薄膜を介して第１基材と第２基材とが接合される。

上記のマイクロチップにおいて、大きな接合強度を得る観点から、前記金属薄膜は、酸素透過性材料であることが好ましい。

具体的には、金属薄膜は、Ａｕ又はＰｔであることが好ましい。

また上記のマイクロチップにおいて、微細流路の変形を抑制する観点から、第１基材と第２基材とは、ガラス転移点以下で接合することが好ましい。

また上記のマイクロチップにおいて、第２基材をプリズムとし、本マイクロチップをＳＰＦＳ装置用の検出素子として用いるようにしてもよい。

本発明によると、第２基材の接合面に金属薄膜が設けられていることにより、接着剤レス接合しても、微細流路の変形を生じることがない。したがって、高精度なマイクロチップを提供することができる。また本発明のマイクロチップはプラスチック製で安価であるため、ディスポーザブルマイクロチップとして利用することができる。

本発明のマイクロチップの斜視図である。本発明のヘリコンスパッタ装置の断面図である。本発明のマイクロチップの断面図である。比較例のマイクロチップの断面図である。本発明のマイクロチップのせん断試験の様子を説明する図である。本発明のマイクロチップの引張試験の様子を説明する図である。実施例１〜３及び比較例１〜３のマイクロチップの物性の測定結果である。

図１は、本発明のマイクロチップの斜視図である。ここでは、ＳＰＦＳ（表面プラズモン励起増強蛍光分光）装置用の検出素子として用いるマイクロチップ１０を例に説明する。図１に示すように、マイクロチップ１０は、第１基材１１と第２基材１２とが接合されてなるものである。なお、マイクロチップを形成する基材数には限定はなく、３つ以上の基材を接合して形成してもよい。

第１基材１１は、第２基材１２との接合面に微細流路１３となる微細加工が施されたプラスチック製の基材である。微細流路１３は、サンプルを導入、排出する縦穴１３ａ、１３ｂと、第２基材１２側の面と合わせて形成される横穴１３ｃとからなる。縦穴１３ａ、１３ｂ及び横穴１３ｃの断面形状としては、円形、Ｖ字型、Ｕ字型、正方形、長方形など、用途に合わせた形状とすればよい。ここでは、縦穴１３ａ、１３ｂの断面を円形（図１参照）、横穴１３ｃの断面を長方形（図３参照）としている。横穴１３ｃの高さは５０〜５００μｍであり、幅は０．５〜５ｍｍである。

なお、微細流路１３の形状は用途に応じて決定し、例えば、縦穴がなく横穴がマイクロチップを貫通しているような形状であってもよい。

第２基材１２は、プリズム形状のプラスチック製の基材である。そして、第２基材１２の第１基材１１と接合される接合面には金属薄膜１４が設けられている。この金属薄膜１４は、第１基材１１と第２基材１２とが直接接触しないように、少なくとも第１基材１１と接触する部分には設けることとする。この金属薄膜１４は、酸素透過性材料からなり、例えば、Ａｕ、Ｐｔ又はそれらの合金などを用いることが好ましい。

金属薄膜１４の膜厚には特に限定はないが、実用性の観点から５００ｎｍ以下が好ましい。特に、ＳＰＦＳ装置用の検出素子として利用する場合、その膜厚は、３０〜１００ｎｍであればよく、好ましくは、４０〜６０ｎｍである。ここでは５０ｎｍを採用した。

第１又は第２基材１１、１２に用いられるプラスチックは、例えば、ポリカーボネート、フルオレン系ポリエステル（ＯＫＰ；大阪ガスケミカル株式会社）、シクロオレフィンポリマー、シクロオレフィンコポリマー、アクリル、ポリスチレン、ポリプロピレンなどを用いることができる。特に、ＳＰＦＳ装置用の検出素子として利用する場合は、透明で高屈折率の材料を用いる必要がある。ここでは、シクロオレフィンポリマー（ＺＥＯＮＥＸ４８０Ｒ；日本ゼオン株式会社）を用いた。

次に、第１基材１１及び第２基材１２の製造方法について説明する。第１及び第２基材１１、１２は、射出成形、削り出し、再加熱成形などの手法で成形される。第１基材１１の微細加工は、ドリル、ルーター等の切削機械で溝及び貫通穴を加工することで行われる。

一方、第２基材１２への金属薄膜１４の成膜は、スパッタ法、真空蒸着法、鍍金などを用いることができる。以下、一例として、プラズマ支援型スパッタ法を用いた場合について説明する。

プラズマ支援型スパッタ法を行うため、日本真空光学株式会社製のヘリコンカソードを真空槽に取り付けたヘリコンスパッタ装置を用いる。到達真空度は１．３３×１０^-4Ｐａ（＝１×１０^-6Ｔｏｒｒ）以下である。図２にヘリコンスパッタ装置２０の断面図を示す。

ヘリコンスパッタ装置２０は、真空槽２１と、真空槽２１の下部に取り付けられたヘリコンカソード２２と、真空槽２１内にヘリコンカソード２２と対向するように設けられた基材ホルダ２３と、ヘリコンカソード２２と基材ホルダ２３との間に設けられたシャッター２４と、シャッター２４を上下左右に移動可能に支持する支持部２５とを備えている。

真空槽２１には、排気系と繋ぐ排気管２１ａと、電離真空計へ接続される計測管２１ｂとが形成されている。基材ホルダ２３には第２基材１２が取り付けられる。

ヘリコンカソード２２は、カソード２２ａと、カソード２２ａの上面に設けられたターゲット２２ｂと、ターゲット２２ｂの上方に設けられた支援コイル２２ｃと、Ａｒガスを導入するガス導入管２２ｄと、カソード２２ａ、ターゲット２２ｂ、支援コイル２２ｃ及びガス導入管２２ｄを上方を開放して覆うカバー２２ｅと、カソード２２ａに接続される第１高周波電源２２ｆと、支援コイル２２ｃに接続される第２高周波電源２２ｇと、カソード２２ａを冷却するための循環冷却系（不図示）とを備えている。ターゲット２２ｂには、４Ｎ金ターゲット（フルウチ化学株式会社）を用いた。

このヘリコンスパッタ装置２０を用い、以下のように成膜する。まず、基材ホルダ２３に第２基材１２を取り付ける。そして、シャッター２４の位置を、図２のように、カバー２２ｅの上方３０ｍｍ以上に調整する。続いて、真空にした後、ガス導入管２２ｄにＡｒガスを流し、真空槽２１内をＡｒイオン雰囲気にする。

次に、第２基材１２の温度を７５℃、第１高周波電源２２ｆを１００Ｗ、第２高周波電源２２ｇを５０Ｗとし、３分４０秒成膜することで、第２基材１２に上に５０ｎｍ厚のＡｕ膜を成膜する。この状態において、真空槽２１内のＡｕイオン濃度は５０％以上（残りはＡｒと若干の酸素及び炭素である）であり、真空度は６．６６×１０^-2Ｐａ（＝５×１０^-4Ｔｏｒｒ）である。

次に、第１基材１１と第２基材１２との接合方法について説明する。ここでは、接着剤レス接合法を用い、ガラス転移点（Ｔｇ）以下に加熱し、加圧して接合する。加熱をＴｇ以下にするのはプラスチックの変形を抑制するためである。具体的には、今回第１及び第２基材１１、１２に用いたシクロオレフィンポリマーがＴｇ＝１３８℃であるので、９０℃程度に加熱し、２ＭＰａに加圧することが最適な条件である。

加熱の方法としては、熱風乾燥機を用いる方法、赤外線ランプ、ハロゲンランプ、セラミックヒータ等を用いる方法、熱板の熱伝導を利用する方法など、どのような方法を用いてもよい。また、加圧の方法としては、基材に重りを載せる方法、万力等の治具で挟む方法、油圧、空気圧、水圧等を利用したプレス装置を用いる方法など、どのような方法を用いてもよい。

図３は、本発明のマイクロチップ１０の断面図であり、図４は、比較例のマイクロチップの断面図である。比較例のマイクロチップは、第２基材に金属薄膜が成膜されていないものであり、その他の構成及び製法は本発明のマイクロチップ１０と同様である。

図３に示すように、本発明のマイクロチップ１０においては、微細流路１３の横穴１３ｃに変形は見られないが、図４に示すように、比較例のマイクロチップ３０においては、横穴１３ｃに変形（凸部１２ａ）が見られる。この凸部１２ａは、横穴１３ｃの底面（第２基材１２の上面）に生じている。これは、第１基材１１と第２基材１２との接合の際に、加熱されて軟らかくなった第２基材１２に第１基材１１が加圧により潜り込み（埋め込まれ）、その際に押しのけられた第２基材１２の一部が横穴１３ｃ内に逃げて膨潤し、凸部１２ａを生じたと考えられる。

次に、本発明のサンプルとして実施例１〜３のマイクロチップ、従来品のサンプルとして比較例１〜３のマイクロチップを作製し、それぞれの物性を評価した。実施例１は、上で例示したマイクロチップ１０そのものであり、Ａｕからなる金属薄膜１４の膜厚が５０ｎｍ、９０℃に加熱して２ＭＰａで加圧するという接合条件で作製した。これに対して、実施例２は、金属薄膜１４の膜厚を１００ｎｍとし、実施例３は、金属薄膜１４の膜厚を５００ｎｍとし、接合条件は実施例１と同様である。実施例２、３は金属薄膜１４の膜厚依存性があるかを確かめるために行ったものである。また比較例１〜３は、上の比較例で説明したように金属薄膜１４がないものであり、それぞれ９０℃、８５℃、８０℃に加熱して２ＭＰａで加圧しするという接合条件で作製した。

物性の評価は、微細流路１３の変形量、接合強度について行った。変形量は、横穴１３ｃに生じる凸部１２ａの高さである。そして接合強度は、引張圧縮試験機（ＳＶ−３０１；今田製作所）を用い、せん断試験及び引張試験により評価した。

図５は、マイクロチップ１０のせん断試験の様子を説明する図である。マイクロチップ１０の第２基材１２の側面を固定治具４１に固定し、その反対側の第１基材１１の側面を圧縮治具４２で押すことで接合面のせん断強度を測定した。圧縮速度は１２．５ｍｍ／ｍｉｎである。

図６は、マイクロチップ１０の引張試験の様子を説明する図である。マイクロチップ１０を固定治具５１に固定し、第１基材１１上に接着剤（アラルダイトＡＲ−Ｒ３０；ハンツマン・アドバンスト・マテリアルズ）５２で接着された引張治具５３を引っ張ることで接合面の剥離強度を測定した。引張速度は１２．５ｍｍ／ｍｉｎである。

図７は、実施例１〜３及び比較例１〜３のマイクロチップの物性の測定結果である。せん断強度が１６０ｋＰａ以上というのは試験機の測定上限以上であったということを示している。また、実施例１〜３の剥離強度測定時の剥離界面は金属薄膜と第１基材１１との界面であった。

まず、比較例１〜３を見ると、９０℃まで加熱した比較例１は、変形量が大きいという短所があり、接合強度が大きいという長所がある。それに対して、８０℃までしか加熱しなかった比較例３は変形量が小さいという長所があり、接合強度が小さいという短所がある。比較例２は、比較例１及び３の中間値を示した。

一方、実施例１〜３を見ると、変形量が小さいという長所と、接合強度が大きいという長所を兼ね備えていることがわかる。なお、実施例１〜３においては金属薄膜１４の膜厚が薄くなるほど変形量は大きくなっているが、この変形量は使用上問題のない範囲である。

実施例１〜３の変形量が小さいのは、金属薄膜１４により、第２基材１２の膨潤が抑えられるためであると推測される。また、実施例１〜３のマイクロチップが接合面に金属薄膜１４を設けているにもかかわらず接合強度が大きいのは、金属薄膜１４にＡｕなどの酸素透過性材料を用いているからであると推測される。つまり、酸素透過性があることで、金属薄膜１４を介して第１基材１１と第２基材１２との間で拡散が可能となり強固に接合されるものと推測される。

よって、マイクロチップに必要な物性を備えているのは、変形量、接合強度ともに良好である実施例１〜３のマイクロチップであるといえる。

このように、本実施形態のマイクロチップは、第２基材１２の接合面に金属薄膜１４が設けられていることにより、接着剤レス接合しても、微細流路１３の変形を生じることがなく、したがって、高精度なマイクロチップである。また本実施形態のマイクロチップはプラスチック製で安価であるため、ディスポーザブルマイクロチップとして利用することができる。

本発明のマイクロチップは、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に利用することで、微細流路を有するマイクロチップ上で行う核酸、タンパク質などの分析や合成、また微量化学物質の迅速分析、さらに医薬品・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できる。

例えば、生体分子の微量検出に表面プラズモン共鳴が利用されており、ＳＰＦＳもその一つである。この測定には、プリズムにＡｕ膜を成膜した、いわゆるクレッチマン配置を用いている。このＡｕ膜上に試料を載せＰ偏光の光を入射させると、ある入射角においてＡｕ膜表面の極近傍の電場が大きく増強され、極微量の物質を検知できる。このことから医療分野への応用も考えられており、例えばガン診断などに利用することで早期にガンを発見することが期待されている。本発明のマイクロチップは、これに用いられる検出素子として特に有効である。

１０マイクロチップ
１１第１基材
１２第２基材
１３微細流路
１４金属薄膜

Claims

微細流路となる微細加工が施されたプラスチック製の第１基材と、第１基材の微細加工された面に接着剤レス接合されたプラスチック製の第２基材とを含むマイクロチップにおいて、
第２基材の接合面に金属薄膜が設けられていることを特徴とするマイクロチップ。
前記金属薄膜は、酸素透過性材料であることを特徴とする請求項１記載のマイクロチップ。
前記金属薄膜は、Ａｕ又はＰｔであることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロチップ。
前記第１基材と前記第２基材とは、ガラス転移点以下で接合されることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のマイクロチップ。
前記第２基材がプリズムであり、本マイクロチップはＳＰＦＳ装置用の検出素子であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のマイクロチップ。