JP2011504426A - 熱可塑性プラスチックを使用する迅速な微細加工のためのプロセスおよびそのデバイス - Google Patents

熱可塑性プラスチックを使用する迅速な微細加工のためのプロセスおよびそのデバイス Download PDF

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アンソニー グリムズ，
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ルーク リー，
マイケル ダンラップ，
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Abstract

感熱・熱可塑性プラスチック受容材料に、像形成材料を、デザインされたパターン状に付着させること、および該熱可塑性プラスチック受容材料のサイズを少なくとも約６０％縮小させる条件下で該材料を加熱することによって、受容材料上に１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネルを調製するための方法が提供される。代わりの様態において、感熱・熱可塑性プラスチック受容材料・支持体中に、デザインされたパターンをエッチング加工すること、および次に、熱可塑性プラスチック受容材料のサイズを少なくとも約６０％縮小させる条件下で、該材料を加熱することによって、受容材料上にマイクロ流体チャンネルが調製される。

Description

関連出願への相互参照
この出願は、米国特許法§１１９（ｅ）の下、２００７年１１月１３日に出願された米国仮第６１／００３，１１３号および２００８年１月３日に出願された米国仮第６１／０１８，８８１号（これらの各々の内容は、本開示への参考として本明細書に援用される）の利益を主張する。
発明の分野
本明細書に開示される発明は、微細加工分野に関する。
本発明に関連する最先端技術についてより詳しく記載するために、この開示の至るところで、様々な技術および特許文献が参照される。これらの文献は、参照によりその全体が本願に組み込まれる。
微細加工およびマイクロ流体デバイス創出のための「模範」であるフォトリソグラフィーに代わる、より低コストのいくつかの方法が開発されてきた。従来からフォトリソグラフィーに利用されてきた高価なクロムマスクを置き換えるために、Ｄｕｆｆｙらは、プリントされたトランスペアレンシーを用いる「マスターのラピッドプロトタイピング」を最初に導入した（非特許文献１）。彼らは、ラピッドプロトタイピングのマスクへの活用には、従来のフォトリソグラフィーおよびマイクロマシニングに優る利点があることを実証した。この方法は、便利ではあるが、しかし依然として高価なフォトレジスト、高解像度プリント法、およびコンタクトリソグラフィーを用いる必要がある。Ｔａｎらはこの問題を直接プリント法によって防いだ；彼らは、デザインをトランスペアレンシー上に複写し、複写機の暗さ設定によって高さが８〜１４マイクロメートルの範囲のマイクロ流体チャンネル用モールドを作製した。（非特許文献２）。Ｌｉｕらはマイクロ流体デバイスにおける最大チャンネル高さが１１マイクロメートルの受動マイクロミキサーをデザインおよび製造するために、ワンステップ直接プリント技術を開発した。（非特許文献３）。かかる浅いチャンネルは、多くのマイクロ流体応用には十分であるが、大きな哺乳類細胞（直径＞１０マイクロメートル）に用いる、並びに走化性勾配をチャンネル中の接着細胞を通って最小限のせん断応力で流すような他の応用には適しない。（非特許文献４）。
Ｌａｇｏらは熱トナー転写法を用い、ガラス基板上における４回までのプリントにより、単層インクの高さ制限を回避する方法を導入したが、この手法で得られた最大高さは２５マイクロメートルであった（非特許文献５）。Ｖｕｌｌｅｖらはレーザージェット・プリンターを用いてポジ型リリーフ・マスターをプリントすることによって、細菌胞子検出用マイクロ流体デバイスのための非リソグラフィー製造手法を実証した；チャンネルの高さは同様にインクの高さに依存し、５〜９マイクロメートルに制限された（非特許文献６）。深いチャンネルを達成すべく、ＭｃＤｏｎａｌｄらは熱可塑性プラスチック中にＰＤＭＳ用モールドを作製するために、立体プリント法（ＳＯＰ：ｓｏｌｉｄ ｏｂｊｅｃｔ ｐｒｉｎｔｉｎｇ）の使用を導入した。（非特許文献７）。しかしながら、固形物プリンターは多用途ではあるが、かなり高価である（５０，０００ドル）。
その上に、（従来のフォトリソグラフィーのみならず）これら方法の多くも、矩形断面チャンネルを作り出す。Ｑｕａｋｅらによって初めて導入され、多くのマイクロ流体応用に重要な空気圧バルブでは、チャンネルは、バルブ閉時に完全にシールできるように、丸みを帯びている必要がある（非特許文献８）。しかしながら、典型的なフォトリソグラフィー技術を用いて、丸みを帯びたマイクロ流体チャンネルを得ることは厄介であり、高温でのフォトレジストの追加リフロー・ステップが必要となる。ごく最近になって、Ｃｈａｏらはマイクロスケール・プラズマ・テンプレート法（μＰＬＡＴ：ｍｉｃｒｏｓｃａｌｅ ｐｌａｓｍａ ｔｅｍｐｌａｔｉｎｇ）と呼ばれる、巧妙なラピッドプロトタイピング手法を水モールドを用いて実証した。この技術は、フォトリソグラフィーでは作製することが難しい丸みを帯びたチャンネルの生成を可能にするが、依然として微細加工マスクとプラズマ活性化とが必要である（非特許文献９）。
Ｄｕｆｆｙ Ｄ．，ら、（１９９８）Ａｎａｌ Ｃｈｅｍ．７０：４９７４−４９８４ Ｔａｎ Ａ．，ら、（２００１）Ｌａｂ Ｃｈｉｐ １：７−９ Ｌｉｕ Ａ．，ら、（２００５）Ｌａｂ Ｃｈｉｐ ５：９７４−９７８ Ｌｉｎ Ｆ．，ら、（２００４）Ｂｉｏｃｈｅｍ．Ａｎｄ Ｂｉｏｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．Ｃｏｍｍｕｎ．３１９：５７６−５８１ Ｌａｇｏ ＣＬ．，ら、（２００４）Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ ２５：３８２５‐３８３１ Ｖｕｌｌｅｖ Ｖ．，ら、（２００６）Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２８：１６０６２−１６０７２ ＭｃＤｏｎａｌｄ Ｊ．Ｃ，ら、（２００２）Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．７４：１５３７−１５４５ Ｕｎｇｅｒ Ｍ．Ａ．，ら、（２０００）Ｓｃｉｅｎｃｅ ２８８（５４６３）：１１３−１１６ Ｃｈａｏ Ｓ．Ｈ．，ら、（２００７）Ｌａｂ Ｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｎｏｔｅ ７：６４１−６４３
受容材料上に、１つまたはそれ以上、或いは複数のマイクロ流体チャンネルを調製するための方法であって、ａ）熱可塑性プラスチック材料とも呼ばれる感熱・熱可塑性プラスチック受容材料に像形成材料を、デザインされたパターン状に付着させるステップ、ｂ）熱可塑性プラスチック材料とも呼ばれる該熱可塑性プラスチック受容材料のサイズを少なくとも約６０％縮小させる条件下で、該材料を加熱するステップ、およびｃ）リソグラフィーを介してマイクロ流体チャンネルを調製するステップを含む方法が提供される。代わりの様態において、熱縮小後に像が形成された熱可塑性プラスチック材料上のリソグラフィーによって、マイクロ流体チャンネルが生成される。
本明細書では同じく、感熱・熱可塑性プラスチック材料・支持体中に、デザインされたパターンをエッチング加工すること、次に、熱可塑性プラスチック材料とも呼ばれる該熱可塑性プラスチック受容材料のサイズを少なくとも約６０％縮小させる条件下で、該材料を加熱することによって、受容材料上に１つまたはそれ以上、或いは複数のマイクロ流体チャンネルを調製するための方法も提供される。
この方法によって調製される受容材料は、生物学的および化学的な処理および分析；生化学的反応、化学合成、並びにハイブリダイゼーション分析、イムノアッセイおよび細胞−分子相互作用を含む生化学的検出のような生物学的プロセスに必要なマイクロミキサー；近接場光学顕微鏡法；サブ波長フォトニクス；生化学的センシング；分子検出；光学デバイス；フィルターおよびソーター；高表面積導体およびアクチュエータ、並びに太陽エネルギーハーベスティング、のような応用に用いる様々なデバイスの製造のためにさらに提供される。かかるデバイスの使用方法も本明細書に示される。
パネルＡおよびＢは、単一マイクロ流体チャンネルを有する熱可塑性プラスチック（Ｓｈｒｉｎｋｙ‐Ｄｉｎｋ）モールドの創出を示す。Ａ）レーザープリントされたマスターパターンをもつ未収縮の熱可塑性プラスチック（Ｓｈｒｉｎｋｙ‐Ｄｉｎｋ）マスター。Ｂ）ベーキング後の同じマスター。マスターは、幅が約８００マイクロメートルから約３００マイクロメートルに収縮する。インクの元の高さ（熱可塑性プラスチックはＳＥＭ用の調製時に熱くなって収縮するため、未収縮の熱可塑性プラスチック上ではなくトランスペアレンシー上で測定）はおよそ１０マイクロメートルであったが、ＳＥＭで正確に測定することは困難であった（図３Ｂを参照）。挿入図：チャンネル上面、および収縮したチャンネル断面のＳＥＭ、８０マイクロメートルの高さを示す。高さは、使用プリンターによって変化した。この８０マイクロメートル・チャンネルについては、ヒューレット・パッカードＬａｓｅｒＪｅｔ２２００Ｄのトランスペアレンシーモードを用いて、熱可塑性プラスチック上に２重プリントを行った。 パネルＡからＤは、プロセスフローを示す。Ａ）ＣＡＤソフトウェアを用いてマスターパターンを生成し、Ｓｈｒｉｎｋｙ‐Ｄｉｎｋ上に直接プリントする。ベーキング後に、パターンは６２．５％収縮する。Ｂ）マスター上にＰＤＭＳを滴下する。Ｃ）硬化後に、マスターパターンの陰画コピーを含むＰＤＭＳを剥がす。Ｄ）マイクロチャンネルを形成するために、ＰＤＭＳモールドをガラススライドに接合させてマイクロデバイスを仕上げる。 パネルＡおよびＢは、我々の手法により作製されたチャンネルの走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ：ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ）（Ａ）を、トランスペアレンシーを用いて作製したもの（Ｂ）と比較して示す。Ａ）熱可塑性プラスチック（Ｓｈｒｉｎｋｙ‐Ｄｉｎｋ）モールドｖｓ．Ｂ）トランスペアレンシーを用いて作製したチャンネルの斜視ＳＥＭ。高さおよび形状の違いが明らかである。 パネルＡおよびＢは、機能デバイスを示す。Ａ）食品色素を加えた接合ＰＤＭＳ勾配ジェネレータ。Ｂ）単一マイクロ流体チャンネルを流れるチャイニーズハムスター卵巣（ＣＨＯ：Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｈａｍｓｔｅｒ Ｏｖａｒｙ）細胞の明視野像。 パネルＡおよびＢは、熱可塑性プラスチック（Ｓｈｒｉｎｋｙ‐Ｄｉｎｋ）のマイクロチップを示す。（Ａ）熱可塑性プラスチック（Ｓｈｒｉｎｋｙ‐Ｄｉｎｋ）による３Ｄマイクロミキサー。これは、青色と黄色とが異なったレベルにあり、混ざって緑色の第３層を形成する３層デバイスである。（Ｂ）単にスクライブして、次に加熱しただけで得られた様々なチャンネル形状およびサイズのＳＥＭ． パネルＡからＤは、熱可塑性プラスチック材料上に堆積した金属の像を示す。 パネルＡからＤは、熱可塑性プラスチック材料の一方向収縮過程の概略図である。 図８Ａは、ナノしわ製造の概略図である。図８Ｂは、二軸（左）、一軸（中央）およびマイクロパターン化した（右）しわのＳＥＭ像を示す。 ナノしわ製造の概略図、および一軸（異方性、上）および二軸（等方性、下）しわのＳＥＭ像を示す。 図１０Ａは、マイクロミキサーの製造について示す。図１０Ｂは、最終的なボルテックス・マイクロミキサー対２Ｄ蛇行型デザイン（図１０Ｃ）を示す。挿入図は、蛍光が重なった明視野像であり、各手法の混合動態を示している。 ボルテックス・マイクロミキサーおよび蛇行型ミキサーの両方について、混合の有効度をレイノルズ数（Ｒｅ）の関数として数量化したグラフを示す。エラーバーは平均標準誤差を表す。 図１２Ａは、より小さいマイクロボルテックス・ミキサーを用いたビーズ再分配のグラフを示す。寸法を図１２Ｂに示す。図１２Ｃは、勾配ジェネレータ中に集積化されたマイクロミキサーの５×５アレイを示す。 金属しわを形成する方法の概略図、および異なったプロセス時点におけるＳＥＭ像を示す。 図１４Ａは、可視光吸収スペクトルを示し、３０ｎｍ厚のしわ（上線）は５６１ｎｍに吸収を示すが、平坦な（しわのない）対照（下線）は吸収を示さない。図１４Ｂは、量子ドット（ＱＤ）からの放出がレッドシフトする量子シュタルク効果を示す。 量子ドットの薄層が上にスピンコートされた、しわのある金属表面の１０×１０マイクロメートル・サンプル領域におけるフォトルミネセンスの２次元マップを示す。番号で示した領域は、より大きいレッドシフトを示す。 熱可塑性プラスチック材料上における、像形成材料のプリント回数ｖｓ．作り出されたチャンネルの厚さを関連づけるグラフを示す。 金属層厚の関数としてプロットしたしわの最大平均波長を示す。金属層厚を変化させることによるしわの波長制御。
本明細書において、いくつかの用語は、次の定義された意味をもつことができる。
本明細書および請求項では、単数形「ａ（ひとつの）」、「ａｎ（ひとつの）」、「ｔｈｅ（前記、該）」は、文脈に明確に別の指示がなければ、複数への参照を含む。例えば、用語「ひとつのマイクロ流体チャンネル」は、複数のマイクロ流体チャンネルを含む。
本明細書では、用語「を備える」は、組成物および方法が、列挙された要素を含むが、他を除外しない意味をもつことが意図される。組成および方法を定義するために用いる場合、「から本質的になる」は、所望の目的に用いるときに、組み合わせにとって本質的に重要な他の元素を除外することを意味するものとする。従って、本明細書に定義される元素から本質的になる組成物は、微量の混入物質、または不活性キャリアを排除するものではない。「からなる」は、マイクロ流体デバイスを調製するための他成分の微量元素、および実質的な方法ステップより多くを除外することを意味するものとする。これらそれぞれの移行句によって定義される実施形態は、本発明の範囲内にある。
「熱可塑性プラスチック材料」は、加熱すると収縮する塑性物質を意味することが意図される。一様態において、熱可塑性プラスチック材料は、変形なしに一様に収縮する材料である。「Ｓｈｒｉｎｋｙ Ｄｉｎｋ」は、子供の玩具に用いられる市販の熱可塑性プラスチックである。収縮は、二軸（等方性）であっても一軸（異方性）であってもよい。本発明の方法に含めるための適切な熱可塑性プラスチック材料は、例えば、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、アクリル、セルロイド、酢酸セルロース、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）、エチレンビニルアルコール（ＥＶＡＬ）、フッ素プラスチック（ＰＦＡ、ＣＴＦＥ、ＥＣＴＦＥ、ＥＴＦＥ、ＦＥＰを含むＰＴＦＥ類、）、アイオノマーのカイデックス、商標登録されたアクリル／ＰＶＣアロイ、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリアセタール（ＰＯＭまたはアセタール）、ポリアクリラート類（アクリル）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮまたはアクリロニトリル）、ポリアミド（ＰＡまたはナイロン）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫまたはケトン）、ポリブタジエン（ＰＢＤ）、ポリブチレン（ＰＢ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリシクロヘキシレンジメチレンテレフタレート（ＰＣＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリヒドロキシアルカノエート類（ＰＨＡ類）、ポリケトン（ＰＫ）、ポリエステル ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリスルホン塩素化ポリエチレン（ＰＥＣ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）およびＳｐｅｃｔｒａｌｏｎのような高分子量ポリマーを含む。「Ｓｈｒｉｎｋｙ Ｄｉｎｋ」は、子供の玩具として販売されている市販の熱可塑性プラスチック材料である。本明細書では、用語「熱可塑性プラスチック基部」および「熱可塑性プラスチック・カバー」は、加熱プロセスのみならず、エッチングプロセスも経た熱可塑性プラスチック材料を指す。「熱可塑性プラスチック基部」は、デバイスの底部または内部に位置するであろうし、「熱可塑性プラスチック・カバー」は、熱可塑性プラスチック基部の１つまたはそれ以上の層の最終層である。
「チャンネル」は、マイクロ流体ネットワーク構造の１つまたはそれ以上のレベル内に配置された流路を意味することが意図される。用語「マイクロ流体」は、約５００マイクロメートル未満、典型的に約０．１マイクロメートルから約５００マイクロメートルまでの少なくとも１つの内部断面寸法をもち、液体、固体または気体が通過できる通路を有する基板または材料であって、ごく少量の液体物質が関与する化学的プロセスに使用できる基板または材料として一般に定義される。かかるプロセスは、限定なしに、電気泳動法（例えば、キャピラリー電気泳動法またはＣＥ）、クロマトグラフィー（例えば、液体クロマトグラフィー）、スクリーニングおよび診断法（例えば、ハイブリダイゼーションまたは他の結合手段を使用）、並びに化学的および生化学的合成（例えば、ポリメラーゼ連鎖反応法、または「ＰＣＲ」を用いて行なうことができるＤＮＡ増幅）および（例えば、酵素消化による）分析を含む。
上述の用途に加えて、本明細書に開示されるマイクロ流体チャンネルは、「マイクロ流体混合」用にパターン形成することができる。本明細書において、用語「マイクロ流体混合」は、少なくとも２つの流入口チャンネルを有する受容材料であって、該流入口チャンネルから導入された溶液または他の材料などの液体が混合されて流出口チャンネルに進入できるように、該流入口チャンネルが、流出口チャンネルと流体連通しうるオーバーラップ領域において出会おうか、または交差する受容材料の使用を意味することが意図される。
「溶液」は、固体、液体、または気体状物質のような溶質と、典型的に液体である溶媒との実質的に均質な混合物を指すことが意図される。溶液は、水性であっても非水性であってもよい。溶液中における適切な溶質の例は、蛍光色素；タンパク質、ＤＮＡおよび血漿のような生体化合物；並びに可溶性化合物を含む。適切な固体の例は、ポリスチレンビーズのようなビーズ、および金属粉末のような粉末を含む。「懸濁物」は、固体を含んだ実質的に不均質な液体を指すことが意図され、該固体は液体全体に分散されるが、実質的に溶解しない。粒子サイズが小さく浮遊物が沈殿しないコロイドと異なり、懸濁物は、粒子サイズが大きいので沈殿することになろう。適切な懸濁物の例は、全血、細胞組成物、または細胞を含んだ他の混合物のような生物学的懸濁物を含む。もし固体がミキサー内のチャンネルを移動するのに十分小さい粒子サイズをもつならば、本明細書に開示されるミキサーを用いて、任意の溶液、固体または懸濁物を混合できると考えられる。
一般に、像形成材料は、加熱すると圧縮され、プラスチックに接合し、かつ耐久性のある（モールドとして複数回繰り返して使える）材料である。例えば、一様態において、「像形成材料」は、インクおよびプリンター・トナーのような、表面を着色して像またはテキストを作製するのに用いる様々な色素および／または染料を含んだ組成物、典型的に液体を指すことが意図される。インクに加えて、像形成材料は、金、チタン、銀のような金属、タンパク質、コロイド、誘電体、ペーストまたは任意の他の適切な金属、或いはその組み合わせとであってもよい。適切なタンパク質の例は、ビオチン、フィブロネクチンおよびコラーゲンを含む。適切なコロイドの例は、顔料インク、ペイント、および一定の物質小粒子を他物質に懸濁させた他の系を含む。適切な誘電体の例は、酸化アルミニウム、二酸化チタンおよび二酸化シリコンのような金属酸化物を含む。適切なペーストの例は、銀ペーストのような導電性ペーストを含む。
像形成材料は、プリント法、スパッタ法および蒸着法のような当業者に知られる様々な方法によって、熱可塑性プラスチック材料に付着させることができる。用語「蒸着法」は、基板表面上に金属薄膜を堆積させるための物理蒸気堆積法である熱蒸着を意味することが意図される。真空チャンバー内で金属を十分高温に加熱すると、金属の蒸気圧が著しくなって金属が蒸発し、ターゲット基板上にそれが再凝縮する。本明細書において、用語「スパッタ法」は、ターゲット材料中の原子が、高エネルギーイオンによって気相に放出され、その後基板上に到達して金属薄膜を生成する物理的蒸着法を意味することが意図される。かかる方法は、当分野でよく知られている。
さらに、像形成材料は、「パターン転写（ｐａｔｔｅｒｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ）」を用いて熱可塑性プラスチック材料に付着させることができる。用語「パターン転写」は、像形成材料に所望のパターンを含む、モールドまたはスタンプのような像形成デバイスを、熱可塑性プラスチック材料に接触させるプロセスを指す。モールドを剥いだ後、パターンは熱可塑性プラスチック材料に転写される。一般に、高アスペクト比パターン、およびサブナノメートル・パターンが実証されている。かかる方法は、当分野でよく知られている（Ｓａｋｕｒａｉら、米国特許第７，４１２，９２６号；Ｐｅｔｅｒｍａｎら、米国特許第７，３８２，４４９号；Ｎａｋａｍｕｒａら、米国特許第７，３６２，５２４号；Ｔａｍａｄａ、米国特許第６，８６９，７３５号）。
像形成材料を付着させるための別の方法は、例えば、「マイクロコンタクト・プリント法（ｍｉｃｒｏ ｃｏｎｔａｃｔ−ｐｒｉｎｔｉｎｇ）」を含む。用語「マイクロコンタクト・プリント法」は、熱可塑性プラスチック材料の表面上に、像形成材料の自己組織化単分子層（ＳＡＭ：ｓｅｌｆ‐ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）パターンを、コンフォーマルな接触を通じて形成するために、ＰＤＭＳスタンプ上のレリーフ・パターンを用いることを指す。マイクロコンタクト・プリント法は、様々な像形成材料の微細パターンおよび微細構造を形成するために自己組織化（特に、ＳＡＭ）を用いる点で、インクジェット・プリント法または３Ｄプリント法のような、他のプリント方法と異なる。かかる方法は、当分野でよく知られている（Ｃｒａｃａｕｅｒら、米国特許第６，９８１，４４５号；Ｆｕｊｉｈｉｒａら、米国特許第６，８６８，７８６号；Ｈａｌｌら、米国特許第６，７９２，８５６号；Ｍａｒａｃａｓら、米国特許第５，９３７，７５８号）。
「ソフトリソグラフィー」は、当分野で一般に知られる技術を指すことが意図される。ソフトリソグラフィーは、転写パターンを受容するための受容またはコンフォーマブル材料とともに、明確なパターンを備えた転写面を有するスタンプ、モールドまたはマスクのようなパターン形成デバイスを用いる。基板とパターン形成デバイス転写面とのコンフォーマルで分子レベルの接触を含む材料処理によって、マイクロメートルサイズおよびナノサイズの構造が形成される。
用語「受容材料」は、転写パターンを受容することができる材料を指すことが意図される。ある実施形態において、受容材料は、ソフトリソグラフィーに典型的に用いられるコンフォーマブルな材料であり、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ：ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）のようなエラストマー材料を含む。熱可塑性プラスチック受容材料または熱可塑性プラスチック材料は、例えば、エッチング加工できることでも受容材料である。
「インプリントリソグラフィー」は、当分野で一般に知られる技術を指すことが意図される。「インプリントリソグラフィー」は、スタンプ、モールドまたはマスクのような、パターン形成デバイスを利用する３次元のパターン形成方法を典型的に指す。
「モールド」は、インプリントリソグラフィーのモールドを意味することが意図される。
「パターン形成デバイス」は、基板の目標部分に生成されるべきパターンに対応した断面パターンを、転写するために使用できるデバイスを指すと広く解釈することが意図される。
「パターン」は、マークまたはデザインを意味することが意図される。
「接合される」は、材料、通常は金属または熱可塑性プラスチックが、合着を生じることによって結合される製造プロセスを意味することが意図される。これは、しばしば、材料を融かし、融けた材料溜まりを形成することによって行われる。この溜まりが冷えて強い結合部になり、ときには熱とともに圧力が利用するか、または自然に接合が作り出される。
すべての数値の指定、例えば、ｐＨ、温度、時間、濃度、および分子量は、範囲を含めて、０．１の増分で（＋）または（−）に変更される近似値である。当然のことながら、常に明記されないが、すべて数値の指定には用語「約」が先行する。同じく当然のことながら、常に明記されないが、本明細書に記載される試薬は、単に例を示すものであり、当分野ではその等価物が知られている。
マイクロ流体チャンネル、およびそれを含む支持体を調製するための方法
本明細書に開示される方法は、生物学的および化学的な処理および分析；生化学的反応、化学合成、並びにハイブリダイゼーション分析、イムノアッセイおよび細胞−分子相互作用を含む生化学的検出のような生物学的プロセスに必要なマイクロミキサー；近接場光学顕微鏡法；サブ波長フォトニクス；生化学的センシング；分子検出；光学デバイス；フィルターおよびソーター；高表面積導体およびアクチュエータ、並びに太陽エネルギーハーベスティング、のような応用に用いるための様々なデバイスを製造することができる。
一様態において、本発明は、受容材料２０上に、１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネル１０を調製するための方法であって、ａ）熱可塑性プラスチック材料とも呼ばれる感熱・熱可塑性プラスチック受容材料５に、像形成材料１１を、デザインされたパターン状に付着させるステップ、ｂ）該熱可塑性プラスチック材料５のサイズを少なくとも約６０％縮小させる条件下で、該材料を加熱するステップ、およびｃ）リソグラフィーを介してマイクロ流体チャンネル１０を調製するステップを含む方法に関する。
いくつかの実施形態において、１つのマイクロ流体チャンネル１０は、図１および４Ｂに示されるように調製される。別の実施形態において、１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネル１０は、図１２Ｃに示されるマイクロミキサーにおけるように形成される。
別の様態において、本発明は、受容材料２０上に、１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネル１０を調製するための方法であって、ａ）感熱・熱可塑性プラスチック受容材料５に、像形成材料１１を、デザインされたパターン状に付着させるステップ、ｂ）該熱可塑性プラスチック受容材料５のサイズを少なくとも約６０％縮小させる条件下で、該材料を加熱するステップ、およびｃ）リソグラフィーを介してマイクロ流体チャンネル１０を調製するステップを備え、像形成材料１１はインクである、方法を開示する。開示される本発明において、インクは、プリンター・トナーのような、表面を着色して像またはテキストを作り出すのに用いる様々な色素および／または染料を含んだ、任意の適切な液体とすることができる。
感熱・熱可塑性プラスチック受容材料５上の、インクまたはトナーのような像形成材料１１の厚さは、受容材料２０上におけるマイクロ流体チャンネル１０の深さを決定づける。この相関性は、図１６のグラフに示される。それ故に、本明細書に記載される方法を用いて、予想通りかつ再現性良く、既知の深さをもつマイクロ流体チャンネル１０を製造することができる。
ある実施形態において、像形成材料１１は、スパッタコーティング、蒸着、化学蒸着法、パターン転写、マイクロコンタクト・プリント法またはプリント法を備える１つまたはそれ以上の方法によって、感熱・熱可塑性プラスチック受容材料５に付着される。いくつかの実施形態において、像形成材料１１は、プリント法によって付着される。プリント法は、レーザーまたはインクジェット・プリンター、或いはコンピュータ制御されたプロッターのような任意の適切なプリンターを用いて、熱可塑性プラスチック材料上に直接に実施することができる。
代わりの実施形態において、像形成材料は金属である。開示される本発明の方法における像形成材料として、金、チタン、銀、または任意の他の適切な金属もしくはその組み合わせのような、様々な金属を用いることができる。基板、または熱可塑性プラスチック材料上に堆積された金属の像が図６に示される。ある実施形態において、金属は、スパッタコーティング、蒸着または化学蒸着法によって堆積される。
別の様態において、本発明は、受容材料２０上に、１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネル１０を調製するための方法であって、ａ）感熱・熱可塑性プラスチック受容材料５に、像形成材料１１を、デザインされたパターン状に付着させるステップ、ｂ）該熱可塑性プラスチック受容材料５のサイズを少なくとも約６０％縮小させる条件下で、該材料を加熱するステップ、およびｃ）リソグラフィーを介してマイクロ流体チャンネル１０を調製するステップを備え、該像形成材料１１が、感熱・熱可塑性プラスチック受容材料５に付着される方法を開示する。
本明細書に開示される方法は、生物学的および化学的な処理および分析；生化学的反応、化学合成、並びにハイブリダイゼーション分析、イムノアッセイおよび細胞−分子相互作用を含む生化学的検出のような生物学的プロセスに必要なマイクロミキサーのような応用に用いられる、様々なデバイスを製造することができる。
一様態において、本発明は、テクスチャのある金属表面１３を調製するための方法であって、ａ）感熱・熱可塑性プラスチック受容材料５上に、金属を堆積するステップ、およびｂ）該材料を少なくとも約６０％縮小させ、それによってテクスチャのある金属表面１３を調製するステップ、を含む方法を開示する。
ある実施形態において、感熱・熱可塑性プラスチック受容材料５への像形成材料１１の付着は、蒸着、すなわち、基板表面上に金属薄膜を堆積するための物理蒸着法による。真空チャンバー中で金属を十分高温に加熱することによって、金属の蒸気圧が著しくなり金属が蒸発して、それがターゲット基板上に再凝縮する。金属の高さは、処理時間の長さに依存する。熱可塑性プラスチック基板は、堆積の間に熱くならないように、蒸着源から十分遠くになければならない。
熱可塑性プラスチック上に金属を堆積した後、それを加熱するためにオーブン、または同様のデバイス中に置いて加熱すると、金属と、収縮する熱可塑性プラスチックでは剛性が適合しないためにしわが形成される（図６Ａ〜６Ｄ、８および９）。金属しわの間隔は、加熱量、従って収縮量によって制御することができる。
しわの高さは、金属層厚の調整によって制御することができる。図１７は、金属層厚の関数としてプロットしたしわの最大平均高さを示す。従って、金属しわの間隔および高さは、熱可塑性プラスチック材料上に堆積される金属の厚さ、および熱可塑性プラスチック材料が加熱される時間を調整することによって、容易に予測することができる。熱可塑性プラスチック材料上に堆積される金属の厚さは、本明細書に開示される金属堆積法を用いて、時間、温度などのようなパラメータを調整することによって容易に制御することができる。かかる方法は、当業者によく知られている。
約２ナノメートルから約１００ナノメートルまでの様々な高さを達成することができる。特定の実施形態において、金属の高さは約２ナノメートルである。代わりの実施形態において、金属の高さは、約５ナノメートル、または代わりに約１０ナノメートル、または代わりに約２０ナノメートル、または代わりに約３０ナノメートル、または代わりに約４０ナノメートル、または代わりに約５０ナノメートル、または代わりに約６０ナノメートル、または代わりに約７０ナノメートル、または代わりに約８０ナノメートル、または代わりに約９０ナノメートル、または代わりに約１００ナノメートルである。
熱可塑性プラスチック材料上に堆積される金属の高さ、または厚さを変えると、収縮時に形成される金属しわの高さが調節される。図１７は、金属層厚の関数としてプロットしたしわの最大平均高さを示す。従って、金属しわの間隔および高さは、熱可塑性プラスチック材料上に堆積される金属の厚さ、および熱可塑性プラスチック材料が加熱される時間を調整することによって容易に予測することができる。熱可塑性プラスチック材料上に堆積される金属の厚さは、本明細書に開示される金属堆積法を用いて、時間、温度などのようなパラメータを調整することによって容易に制御することができる。かかる方法は、当業者によく知られている。
いくつかの実施形態において、しわの高さは、約１００ナノメートルから約５マイクロメートルまでを得ることができる。特定の実施形態において、金属の高さは約２００ナノメートルである。代わりの実施形態において、金属の高さは、約２００ナノメートル、または代わりに約３００ナノメートル、または代わりに約５００ナノメートル、または代わりに約７００ナノメートル、または代わりに約１ミクロメーター、または代わりに約２マイクロメートル、または代わりに約３マイクロメートル、または代わりに約４マイクロメートルであるか、または代わりに約５マイクロメートル未満である。
加えて、しわの方向性は、金属を堆積する前に基板に溝をつくることによって制御される。或いは、熱可塑性プラスチック受容材料５に一軸方向に付勢され、単一方向に収縮させることによって制御することができる（図７、８および９）。一実施形態において、テクスチャのある金属表面１３を調製するための方法は、最初に、熱可塑性プラスチック受容材料５のサイズを、二軸方向に少なくとも約６０％縮小させる条件下で、該感熱・熱可塑性プラスチック受容材料５を加熱すること、次に該熱可塑性プラスチック受容材料５の収縮が一軸または１次元方向になるように一軸方向に付勢され、続いて感熱・熱可塑性プラスチック受容材料５上に金属を堆積すること、および該材料５を少なくとも約６０％縮小させ、それによってテクスチャのある金属面１３を調製すること、をさらに備える。この方法は、図７、８および９に示される。
一様態において、テクスチャのある金属表面１３のサイズは、一軸方向の付勢が受容材料に加えられる前の該熱可塑性プラスチック受容材料５と実質的に同じである。一実施形態において、熱可塑性プラスチック受容材料５は、熱を用いて一軸方向に付勢される。
本明細書に開示される金属しわを製造するために、任意の金属を熱可塑性プラスチック受容材料５上に堆積することができると考えられる。いくつかの実施形態において、該金属は、銀、金または銅の少なくとも１つである。金属表面の使用目的によっては、所定のパターンまたはデザイン中に金属を堆積する方が望ましいこともある。例えば、図８に示されるように、熱可塑性プラスチック受容材料５上に孤立した金属部分、または「島」を形成するために、熱可塑性プラスチック受容材料５の所望の領域だけに金属を堆積してもよい。制御された金属堆積法は、当分野でよく知られている。
しわの周期性、すなわちしわの波長は、厚さの３／４乗に従ってスケーリングされる。従って、金属層の厚さ、または高さを変えることによって、より狭いしわが得られる。
代わりに、感熱・熱可塑性プラスチック受容材料５への像形成材料１１の付着は、スパッタ法によっても達成される。スパッタ法は物理蒸着法であり、ターゲット材料中の原子が、高エネルギーイオンによって気相に放出され、その後基板上に到着して金属の薄膜を生成する。
本明細書に開示される方法は、近接場光学顕微鏡法；サブ波長フォトニクス；生化学的センシング；分子検出；光学デバイス；フィルターおよびソーター；高表面積導体およびアクチュエータ、並びに太陽エネルギーハーベスティングのような応用に用いるための様々なデバイスを製造することができる。
別の様態において、本発明は、受容材料２０上に、１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネル１０を調製するための方法であって、ａ）感熱・熱可塑性プラスチック受容材料５に、像形成材料１１を、デザインされたパターン状に付着させるステップ、ｂ）該熱可塑性プラスチック受容材料５のサイズを少なくとも約６０％縮小させる条件下で、該材料を加熱するステップ、およびｃ）リソグラフィーを介してマイクロ流体チャンネル１０を調製するステップを備え、像形成材料１１が、約２５マイクロメートルより大きい高さを達成するための条件下で加熱される方法を開示する。代わりの実施形態において、像形成材料１１は、約１５マイクロメートルより大きい高さ、または代わりに約３０マイクロメートルより大きい高さ、または代わりに約４０マイクロメートル約より大きい高さ、または代わりに約５０マイクロメートル約より大きい高さ、または代わりに約６０マイクロメートル約より大きい高さ、または代わりに約７０マイクロメートル約より大きい高さ、または代わりに約８０マイクロメートル約より大きい高さ、または代わりに約８０マイクロメートル約より大きい高さ、または代わりに約９０マイクロメートル約より大きい高さを達成するための条件下で加熱される。
別の様態において、本発明は、受容材料２０上に、１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネル１０を調製するための方法であって、ａ）感熱・熱可塑性プラスチック受容材料５に、像形成材料１１を、デザインされたパターン状に付着させるステップ、ｂ）該熱可塑性プラスチック受容材料５のサイズを少なくとも約６０％縮小させる条件下で、該材料を加熱するステップ、およびｃ）リソグラフィーを介してマイクロ流体チャンネル１０を調製するステップを備え、ステップｂ）を実行する前に、ステップａ）を２回またはそれ以上繰り返すことをさらに備える方法を開示する。
別の様態において、本発明は、受容材料２０上に、１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネル１０を調製するための方法であって、ａ）感熱・熱可塑性プラスチック受容材料５に、像形成材料１１を、デザインされたパターン状に付着させるステップ、ｂ）該熱可塑性プラスチック受容材料５のサイズを少なくとも約６０％縮小させる条件下で、該熱可塑性プラスチック受容材料を加熱するステップ、およびｃ）リソグラフィーを介してマイクロ流体チャンネル１０を調製するステップを備え、さまざまな高さの１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネル１０が作り出される方法を開示する。
いくつかの実施形態において、マイクロ流体チャンネル１０の高さは、約１５から約１２０マイクロメートルまでである。或いは、高さは、約１５から約９０マイクロメートルまで、または代わりに約３０から約９０マイクロメートルまでか、または代わりに約１２０マイクロメートル未満、または代わりに約１００マイクロメートル未満、または代わりに約９０マイクロメートル未満、または代わりに約７５マイクロメートル、または代わりに約６０マイクロメートル、または代わりに約５０マイクロメートル、または代わりに約４０マイクロメートル、または代わりに約３０マイクロメートルであるか、または代わりに約１５マイクロメートルより大きい。
本明細書に開示される方法において、任意の熱可塑性プラスチック材料５を用いることができると考えられる。開示される本発明の一様態において、熱可塑性プラスチック材料５は、実質的な変形なしに一様に収縮する材料である。本発明の方法に含むことが適切な熱可塑性プラスチック材料５は、例えば、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、アクリル、セルロイド、酢酸セルロース、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）、エチレンビニルアルコール（ＥＶＡＬ）、フッ素プラスチック（ＰＦＡ、ＣＴＦＥ、ＥＣＴＦＥ、ＥＴＦＥ、ＦＥＰを含むＰＴＦＥ類）、アイオノマーのカイデックス、商標登録されたアクリル／ＰＶＣアロイ、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリアセタール（ＰＯＭまたはアセタール）、ポリアクリラート類（アクリル）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮまたはアクリロニトリル）、ポリアミド（ＰＡまたはナイロン）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫまたはケトン）、ポリブタジエン（ＰＢＤ）、ポリブチレン（ＰＢ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリシクロヘキシレンジメチレンテレフタレート（ＰＣＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリヒドロキシアルカノエート類（ＰＨＡ類）、ポリケトン（ＰＫ）、ポリエステル ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリスルホン塩素化ポリエチレン（ＰＥＣ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）およびＳｐｅｃｔｒａｌｏｎ、のような高分子量ポリマーを含む。一実施形態において、熱可塑性プラスチック材料５はポリスチレンである。
別の様態において、本発明は、受容材料２０上に、１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネル１０を調製するための方法であって、ａ）感熱・熱可塑性プラスチック受容材料５に、像形成材料１１を、デザインされたパターン状に付着させるステップ、ｂ）該熱可塑性プラスチック受容材料５のサイズを少なくとも約６０％縮小させる条件下で、該材料を加熱するステップ、およびｃ）リソグラフィーを介してマイクロ流体チャンネル１０を調製するステップを備え、リソグラフィーステップｃ）が、ソフトリソグラフィーまたはインプリントリソグラフィーを指す方法を開示する。ソフトリソグラフィーに典型的に用いられるコンフォーマブルな材料または受容材料２０は、通常、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のようなエラストマー材料を備える。
本発明のさらに別の様態は、受容材料２０上に、１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネル１０を調製するための方法であって、ａ）感熱・熱可塑性プラスチック受容材料５中に、デザインされたパターンをエッチング加工するステップ、およびｂ）熱可塑性プラスチック受容材料５のサイズを少なくとも約６０％縮小させる条件下で、該材料を加熱するステップを備え、それによってマイクロ流体チャンネル１０を調製する方法を含む。
本明細書に開示される方法によって、３次元ミキサー、またはマイクロミキサーを製造することができる。一実施形態は、上記に開示された方法に関するものであり、マイクロ流体チップを作り出すために、エッチング加工された感熱・熱可塑性プラスチック材料５と、エッチング加工されていない別の感熱・熱可塑性プラスチック材料５とを積層し、それらのガラス転移温度まで加熱することによって、該エッチング加工された感熱・熱可塑性プラスチック材料５が、エッチング加工されていない感熱・熱可塑性プラスチック材料５上に接合される。これは、本発明の様態であり図１０に示される。
マイクロ流体チャンネル１０の深さは、製造プロセスの間に容易に調整することができる。例えば、いくつかの実施形態において、熱可塑性プラスチック材料５は、約５０から約６００マイクロメートルのマイクロ流体チャンネル１０を得るための条件下で加熱される。別の実施形態において、マイクロ流体チャンネル５は、約５０マイクロメートル、または代わりに約１００マイクロメートル、または代わりに約１５０マイクロメートル、または代わりに約２００マイクロメートル、または代わりに約３００マイクロメートル、または代わりに約４００マイクロメートル、または代わりに約５００マイクロメートル、または代わりに約６００マイクロメートルのマイクロ流体チャンネル１０を得るための条件下で加熱される。
混合のするためには、熱可塑性プラスチック受容材料５が、少なくとも１つまたはそれ以上の流入口１５チャンネル、すなわち該流入口１５チャンネルから導入された溶液、固体または懸濁物のような物質が混合されて流出口１６チャンネル中に進入することができるように、１つまたはそれ以上の流出口１６チャンネルと流体連通しうるオーバーラップ領域において、遭遇するか、または交差する、該流入口１５チャンネルを有するべきである。流入口１５チャンネルおよび流出口１６チャンネルの寸法は、混合すべき物質が添加できるように十分大きい必要があろう。典型的に、流入口１５チャンネルおよび流出口１６チャンネルの直径は、１ミリメートル未満、または代わりに５００マイクロメートル未満、または代わりに１００マイクロメートル未満、または代わりに５０マイクロメートル未満、または代わりに１０マイクロメートル未満、または代わりに１マイクロメートル未満、または代わりに０．５００マイクロメートル未満となろう。一般に、物質はシリンジを介してマイクロミキサー中に添加される。
もし固体がミキサーを通過するのに十分小さい粒径をもつならば、本明細書に開示されるミキサーを用いて、任意の溶液、固体または懸濁物を混合することができると考えられる。
一実施形態において、熱可塑性プラスチック材料５はポリスチレンである。
本方法に関する代わりの実施形態は、限定なしに、熱可塑性プラスチック受容材料５のサイズを、少なくとも６５％、または代わりに少なくとも７０％、または代わりに少なくとも７５％、または代わりに少なくとも８０％、または代わりに少なくとも８５％、または代わりに少なくとも９０％縮小するための加熱を含む。
一様態において、本発明は、複雑な３次元スタック型ポリスチレン（ＰＳ）マイクロ流体チップの超高速・直接パターン形成法、並びにポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）チップの高速モールド作製法のための新規な手法に関する。二軸配向・熱可塑性プラスチック・シートに固有の収縮特性を利用することによって、デザイン構想から完全に機能するチップまで、数分以内に完了することができる。
デバイス
本明細書に開示される方法は、生物学的および化学的な分析；生化学的反応、化学合成、並びにハイブリダイゼーション分析、イムノアッセイおよび細胞−分子相互作用を含む生化学的検出のような生物学的プロセスに必要なマイクロミキサー；近接場光学顕微鏡法；サブ波長フォトニクス；生化学的センシング；分子検出；光学デバイス；フィルターおよびソーター；高表面積導体およびアクチュエータ、並びに太陽エネルギーハーベスティング、のような、応用に用いるための様々なデバイスを製造することができる。
本発明の一実施形態は、１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネル１０を備える受容材料であって、１つまたはそれ以上のチャンネル１０の深さが、約１５から約１５０マイクロメートルまで、幅は約１から約５００マイクロメートルまでである受容材料に関する。一様態において、平均の深さすべてのチャンネル１０は、約１５から約１５０マイクロメートルまで、幅は約１から約１５マイクロメートルまでである。
マイクロ流体チャンネル１０の幅は、デバイスの所望の用途に依存して大きく変えうると考えられる。一実施形態において、１つまたはそれ以上のチャンネル１０は、約１から約５００マイクロメートルまでの幅をもつ。
加えて、本明細書に開示される方法を用いて、様々な深さをもつチャンネル１０を製造することができる。感熱・熱可塑性プラスチック受容材料５上における、インクまたはトナーのような、像形成材料１１の厚さは、受容材料２０上における像形成材料１１の高さ、延いてはマイクロ流体チャンネル１０の深さ１０を決定づける。図１６のグラフに、この相関関係が示される。従って、本明細書に記載される方法を用いて、既知の深さをもつマイクロ流体チャンネル１０を予想通り、かつ再現性良く製造することができる。特定の実施形態において、１つまたはそれ以上のチャンネル１０は、約２５から約９０マイクロメートルまでの深さをもつ。代わりの実施形態において、１つまたはそれ以上のチャンネル１０は、約１５マイクロメートル、または代わりに約２０マイクロメートル、または代わりに約３０マイクロメートル、または代わりに約４０マイクロメートル、または代わりに約５０マイクロメートル、または代わりに約６０マイクロメートル、または代わりに約７０マイクロメートル、または代わりに約８０マイクロメートルの深さをもつ。一実施形態において、１つまたはそれ以上のチャンネル１０は、約２５から約６０マイクロメートルまでの深さをもつ。
本発明の一様態において、デバイスのチャンネル１０の閉口端は、アーチ形の湾曲をもつ。アーチ形に湾曲したチャンネル１０を有するマイクロ流体デバイスを、他の既知の微細加工法を用いて製造することは難しい課題であり、この様態は、その点でユニークである。チャンネル１０の輪郭は、細胞成長、流体力学、並びに他の応用に影響を与える。
一実施形態において、受容材料２０は、ポリジメチルシロキサンである。
本発明の別の実施形態は、熱収縮した熱可塑性プラスチック基部はその表面内にエッチング加工された１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネル１０を有し、１つまたはそれ以上のチャンネル１０は、深さが約５０から約６００マイクロメートルまで、幅が約１から約５００マイクロメートルまでである該熱可塑性プラスチック基部を備える、マイクロ流体デバイスに関する。一実施形態において、すべてのチャンネル１０の平均の深さは、約５０から約６００マイクロメートルまで、幅は約１から約５００マイクロメートルまでである。
さらに、マイクロ流体チャンネル１０の幅は、デバイスの所望の用途に依存して大きく変化しうることが考慮される。一実施形態において、１つまたはそれ以上のチャンネル１０は、約１から約５００マイクロメートルまでの幅をもつ。
加えて、熱可塑性プラスチック基部はその表面内にエッチング加工された１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネル１０を有し、チャンネル１０の深さがエッチングの度合いに依存して変化するデバイスを製造することができる。特定の実施形態において、１つまたはそれ以上のチャンネル１０は、約５０から約６００マイクロメートルまでの深さをもつ。別の実施形態において、１つまたはそれ以上のチャンネル１０は、約１００から約３００マイクロメートルまでの深さをもつ。代わりの実施形態において、１つまたはそれ以上のチャンネル１０は、約５０マイクロメートル、または代わりに約１００マイクロメートル、または代わりに約１５０マイクロメートル、または代わりに約２００マイクロメートル、または代わりに約２５０マイクロメートル、または代わりに約３００マイクロメートル、または代わりに約４００マイクロメートル、または代わりに約５００マイクロメートル、または代わりに約６００マイクロメートルの深さをもつ。
本発明の別の実施形態は、熱収縮した熱可塑性プラスチック基部はその表面内にエッチング加工された１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネル１０を有し、１つまたはそれ以上のチャンネル１０の深さが約５０から約６００マイクロメートルまで、幅が約１から約５００マイクロメートルまでであり、少なくとも１つの流入口１５および少なくとも１つの流出口１６と連通している、該熱可塑性プラスチック基部と、該マイクロ流体チャンネル１０と連通している少なくとも１つの流入口１５および少なくとも１つの流出口１６を有し、該熱可塑性プラスチック基部上に接合された、エッチング加工されていない、熱収縮した熱可塑性プラスチック・カバーとを備えるマイクロミキサーに関する。
特定の実施形態において、熱可塑性プラスチック基部はその表面内にエッチング加工された１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネル１０を有し、１つまたはそれ以上のチャンネル１０の深さが約５０から約６００マイクロメートルまで、幅が約１から約５００マイクロメートルまでであり、少なくとも１つの流入口１５および少なくとも１つの流出口１６と連通している１つより多い、熱収縮されエッチング加工された該熱可塑性プラスチック基部と、該マイクロ流体チャンネル１０と連通している少なくとも１つの流入口１５および少なくとも１つの流出口１６を有し、該熱可塑性プラスチック基部上に接合された、エッチングされていない、熱収縮した熱可塑性プラスチック・カバーとからなる積層物（ｓｔａｃｋ）を備える、３次元マイクロミキサーが本明細書に開示される。
マイクロミキサーは、生化学的反応、化学合成、並びにハイブリダイゼーション分析、イムノアッセイおよび細胞−分子相互作用を含む生化学的検出のような生物学的プロセスを実施するのに役立つ。２次元マイクロミキサーは、図４Ａ、１０および１２Ｂに示される。３次元マイクロミキサーの様々な例は、図５および１２Ｃに示される。
一実施形態において、平均の深さすべてのチャンネル１０は、約５０から約６００マイクロメートルまで、幅は約１から約５００マイクロメートルまでである。マイクロ流体チャンネル１０の幅は、所望のデバイス用途に依存して大きく変化しうる。一実施形態において、１つまたはそれ以上のチャンネル１０は、約１から約５００マイクロメートルまでの幅をもつ。
加えて、１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネル１０を有し、チャンネル１０の深さがエッチングの度合いに依存して変化するマイクロミキサーを製造することができる。特定の実施形態において、１つまたはそれ以上のチャンネル１０は、約５０から約６００マイクロメートルまでの深さをもつ。別の実施形態において、１つまたはそれ以上のチャンネル１０は、約１００から約３００マイクロメートルまでの深さをもつ。代わりの実施形態において、１つまたはそれ以上のチャンネル１０は、約５０マイクロメートル、または代わりに約１００マイクロメートル、または代わりに約１５０マイクロメートル、または代わりに約２００マイクロメートル、または代わりに約２５０マイクロメートル、または代わりに約３００マイクロメートル、または代わりに約４００マイクロメートル、または代わりに約５００マイクロメートル、または代わりに約６００マイクロメートルの深さをもつ。
本発明の別の実施形態は、テクスチャのある金属表面１３を有する熱収縮した熱可塑性プラスチック基部を備えるデバイスに関し、テクスチャは、約１００ナノメートルから約５マイクロメートルの平均高さをもつ。一実施形態において、テクスチャは、約１００ナノメートル、または代わりに約１００ナノメートル、または代わりに約３００ナノメートル、または代わりに約５００ナノメートル、または代わりに約７００ナノメートル、または代わりに約１マイクロメートル、または代わりに約２マイクロメートル、または代わりに約３マイクロメートル、または代わりに約４マイクロメートルか、または代わりに約５マイクロメートル未満の平均高さをもつ。
しわの高さは、金属膜厚を調整することによって制御することができる。図１７は、金属層厚の関数としてプロットしたしわの最大平均高さを示す。従って、金属しわの間隔および高さは、熱可塑性プラスチック材料５上に堆積される金属の厚さ、および熱可塑性プラスチック材料５が加熱される時間を調整することによって容易に予測することができる。熱可塑性プラスチック材料５上に堆積される金属の厚さは、本明細書に開示される金属堆積法を用いて、時間、温度などのパラメータを調整することによって容易に制御することができる。かかる方法は、当業者によく知られている。
テクスチャのある金属表面１３、または「金属しわ」を有するかかるデバイスは、分子検出、光学デバイス、フィルターおよびソーター、高表面積導体およびアクチュエータ、分子検出、光学デバイス、フィルターおよびソーター、高表面積導体およびアクチュエータ、計測学、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）、金属増強蛍光（ＭＥＦ）および異常光透過に役立つ。これらおよび他のプラズモン誘起効果の活用は、近接場光学顕微鏡法、サブ波長フォトニクス、生化学的センシング、および太陽エネルギーハーベスティングを含む多数の応用に役立ってきた。金属は、銀、金または銅の少なくとも１つのような任意の金属とすることができると考えられる。
産業上の利用可能性
本明細書に開示されるデバイスは、生物学的および化学的な分析；生化学的反応、化学合成、並びに、ハイブリダイゼーション分析、イムノアッセイ、および細胞−分子相互作用を含む生化学的検出のような生物学的プロセスに必要なマイクロミキサー；近接場光学顕微鏡法；サブ波長フォトニクス；生化学的センシング；分子検出；光学デバイス；フィルターおよびソーター；高表面積導体およびアクチュエータ、並びに太陽エネルギーハーベスティングのような、様々な応用に利用することができる。
マイクロ流体技術の進歩は、酵素分析（例えば、グルコースおよび乳酸塩アッセイ）、ＤＮＡ分析（例えば、ポリメラーゼ連鎖反応および高スループット・シークエンシング）、およびプロテオミクスのための分子生物学的手順に変革をもたらしている。マイクロ流体デバイスの基礎的な考え方は、検出、並びにサンプル前処理およびサンプル調製のようなアッセイ操作をワンチップ上に集積化することである。
本発明の一実施形態は、１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネル１０を備える、受容材料２０または熱可塑性プラスチック材料５に、物質を加えることを備える物質の分析方法であって、チャンネル１０の深さが約１５から約１５０マイクロメートルまで、幅が約１から約５００マイクロメートルまでである方法に関する。ある実施形態において、物質は、溶液、固体または懸濁物である。
別の実施形態において、本発明は、熱収縮した熱可塑性プラスチック基部はその表面内にエッチング加工された１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネル１０を有し、該チャンネル１０の深さが、約５０から約６００マイクロメートルまでであり、幅が、約１から約５００マイクロメートルまでである、該熱可塑性プラスチック基部を備えるマイクロ流体デバイスに、物質を加えることを備える、物質を分析する方法に関する。
化学的および生化学的な過程を分析するための方法は、表面センシングの当業者によく知られている。物質の分析に一般に使われる方法の多くは、蛍光分光法のように、光学に基づいている。他の方法は、ラマン分光法のように非弾性散乱に基づくか、または表面プラズモン共鳴のようにプラズモン共鳴に基づいている。
一様態において、本発明は、マイクロミキサーを調製するための方法を開示する。この方法論により、機能的２Ｄ勾配ジェネレータ、光学トラップ、さらに３Ｄマイクロミキサーを含めて、複雑なデザインが容易かつ迅速に製造される（図５、１０および１３）。マイクロミキシングは、ほぼすべての生物学的および化学的小型分析システムにとって基本となるが、本質的に層流系であるために２Ｄでは依然として少なからぬ課題が生じる。３Ｄデザインでは、この問題をいくぶん軽減できるが、位置合わせおよび接合に係る課題から、今日まで、３Ｄマイクロミキサーおよび３Ｄマイクロ流体デバイスの開発は、一般に極めて難しかった。スタック型集積化回路と同様に、複雑な３Ｄマイクロ流体デバイスを簡単に製造できれば、さらに混合時間の迅速化、小型化の進展、およびプロセス能力の向上が可能になるであろう。
生物学的および化学的な処理および分析においては、異種液体を効果的に混合する能力が基本的に重要である。巨大分子の溶液をマイクロスケールで混合することは、生化学的反応、化学合成、および生物学的プロセスにとって必要である（Ｓｔｏｎｅ，Ｈ．Ａ．，ら、Ａｎｎｕ．Ｒｅｖ．Ｆｌｕｉｄ．Ｍｅｃｈ．（２００４）３６：３８１、Ｙａｇｅｒ，Ｐ．，ら、（２００６） Ｎａｔｕｒｅ ４４２：４１２、Ｖｉｊａｙｅｎｄｒａｎ，Ｒ．Ａ．，ら、（２００３） Ｌａｎｇｍｕｉｒ １９，１８２４）。さらに、高速の混合は、例えば、ハイブリダイゼーション分析、イムノアッセイ、および細胞−分子相互作用を含む、生化学的検出において重要である（Ｂｕｒｋｅ Ｂ．Ｊ．，ら、（２００３） Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．７５，１７８６、Ｎｇｕｙｅｎ Ｎ．Ｔ．，ら、（２００５） Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．１５：Ｒ１）。小型化された「ラボオンチップ」分析システムに対する重要性にも関わらず、このようなマイクロスケール・システム内でマイクロミキシングを実現することは、皮肉なほど難しい（Ｘｉａ，Ｈ．Ｍ．，ら、（２００５） Ｌａｂ Ｃｈｉｐ ５：７４８、Ａｕｂｉｎ，Ｊ．，ら、（２００３） Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌ．２６：１２６２、Ｏｔｔｉｎｏ，Ｊ．Ｍ．，ら、（２００４） Ｓｃｉｅｎｃｅ ３０５：４８５、Ｃａｍｐｂｅｌｌ，Ｃ．Ｊ．，ら、（２００４）Ｐｈｉｌ．Ｔｒａｎｓ．Ｒ．Ｓｏｃ．Ｌｏｎｄ．Ａ ３６２：１０６９）。これらの小規模な混合においては持続的な層流による分子拡散が優勢なので（真直ぐなマイクロチャンネル１０では、２０００より大きいレイノルズ数で乱流に遷移する、Ｃａｍｐｂｅｌｌ、上記を参照）、拡散係数が小さい巨大分子ではとりわけ、混合にかなり時間がかかる（Ｏｄｄｙ，Ｈ．，ら、（２００１） Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．７３：５８２２）。それ故に、効果的に混合するためには、界面の表面積が維持されなくてならない。これは、異種溶液を、かなりの長さにわたって接するように流すことによって達成できるが、長い（およそセンチメートルの）マイクロ流体チャンネル１０では、所望の小型化の利点が失われてしまう（Ｓｕｄａｒｓａｎ，Ａ．Ｐ．，ら、（２００６） Ｐｒｏｃ．Ｎａｔ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．Ｕ．Ｓ．Ａ．１０３：７２２８）。さらに重要なことに、高速の混合は、依然として課題のままである。
マイクロスケールのシステムにおいて高速かつ効果的な混合を提供するには、能動ミキサーおよび／または複雑な受動デザインが典型的に必要である。「能動ミキサー」は、可動部によるか、または外力（例えば、圧力または電界）の印加を通じて作動する。例えば、Ｏｄｄｙらはマイクロフローの流れを撹拌するために振動電界を用い、動電学的な不安定性を誘起する電気浸透流を発生させた（Ｏｄｄｙ、上記を参照）。Ｈｅｌｌｍａｎらはキャビテイション気泡、すなわちマイクロ流体チャンネル１０中で膨張し、その後崩壊して液体並行流の層流を撹乱し、局所的な液体混合領域を生み出す気泡、を生成するために強集束したナノ秒レーザーパルスを用いた。（Ｈｅｌｌｍａｎ，Ａ．Ｎ．，ら、（２００７） Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．７９，４４８４）。Ｎｕｉらは液体を撹乱するための拍動流ポンプに基づくカオス的マイクロミキサーを開発した（Ｎｕｉ，Ｘ，ら、（２００６） Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８８：１５３５０８）。能動的混合のための他の方策は、磁気的撹拌および超音波を含む（Ｒｙｕ，Ｋ．Ｓ．，ら、（２００４） Ｌａｂ Ｃｈｉｐ ４：６０８、Ｌｉｕ，Ｒ．Ｈ．，ら、（２００２） Ｌａｂ Ｃｈｉｐ ２：１５１）。回転式マイクロミキサーでは、乱流混合を達成するために、非常に高い回転速度、および１００代のレイノルズ数が必要になる（Ｃａｍｐｂｅｌｌ、上記を参照）。さらに、これらの能動ミキサーは、実質的により複雑なセットアップ（レーザー、電圧、または他の駆動源）を典型的に必要とし、潜在的に壊れやすい検体（例えば、細胞あるいは細胞成分）が、かなりの外部エネルギーにさらされる。
受動ミキサーは、システム配置を利用して望ましい流体力学を生み出し、能動ミキサーに係る複雑な問題の多くを回避する。２Ｄ「蛇行型」ミキサーは、標準的なマイクロ流体ミキサーであり、分子拡散による混合をかなり長距離にわたって確保するために、２つの液体流が接した状態が維持される。（Ｄｅｒｒｉｎｇｅｒ，Ｓ．Ｋ．，ら、（２００１）Ａｎａｎｌ．Ｃｈｅｍ ７３：１２４０）。或いは、カオス的混合法は、折畳みおよび引延しによって溶液界面領域を拡大するために、横断流を活用する（Ｓｔｒｅｍｌｅｒ，Ｍ．Ａ．，ら、（２００４）Ｐｈｉｌ．Ｔｒａｎｓ．Ｒ．Ｓｏｃ．Ｌｏｎｄ．Ａ３６２：１０１９）。Ｓｕｎｄｅｒｓｅｎらは、平面的分離‐再結合（Ｐ‐ＳＡＲ：ｐｌａｎａｒ ｓｐｌｉｔ‐ａｎｄ‐ｒｅｃｏｍｂｉｎｅ）および非対称蛇行型マイクロミキサー（ＡＳＭ：ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ ｍｉｃｒｏ‐ｍｉｘｅｒ）構成を利用して、自然発生的な横断方向の（Ｄｅａｎ）流れ場を活用する革新的な手法を開発した（Ｏｄｄｙ、上記を参照）。Ｓｔｒｏｏｋらはマイクロ流体チャンネル・フロア上のレリーフ構造を用いてカオス的混合を生み出した（Ｓｔｒｏｏｃｋ，Ａ．Ｄ．，ら、（２００２） Ｓｃｉｅｎｃｅ ２９５：６４７）。
２Ｄでは、高速混合がいっそう難しく、幾何学的に巧妙なかかる方策が必要であるが、一方で今日まで、３Ｄ混合では、かかるデバイスのマイクロファブリケーションに数日かかることもあり、このような困難な課題が制約となっていた（Ｏｄｄｙ、上記を参照）。Ｂｅｅｂｅらはカオス的移流による混合のために、らせん状マイクロチャンネルの屈曲部で発生する渦を用いた（Ｌｉｕ，Ｒ．Ｈ．，ら、（２０００）Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈ．Ｓｙｓｔ．９：１９０）。Ｌｉｕらは、２つの流入口１５チャンネルが、３Ｄ円形チャンバーに接線をなす８つの個別チャンネルに分かれる、複雑な低Ｒｅ用３層ガラス・自己回転式ボルテックス・ミキサーを開発した（Ｌｉｎ，Ｃ．Ｈ．，ら、（２００５）Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．１５：９３５）。
特定の実施形態において、本発明は、本明細書に記載される１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネルを含んだ、受容材料２０または熱可塑性プラスチック材料５のいずれかに溶液を加えることを備える、マイクロ流体混合のための方法を記載する。一実施形態において、本発明は、熱可塑性プラスチック受容材料５上に１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネル１０を調製するための方法であって、ａ）感熱・熱可塑性プラスチック材料５中に、デザインされたパターンをエッチング加工するステップ、ｂ）該熱可塑性プラスチック受容材料５のサイズを少なくとも約６０％縮小させる条件下で、該材料５を加熱し、それによってマイクロ流体チャンネル１０を調製するステップ、を含む方法を記載する。
本明細書に開示される方法によって、３次元ミキサー、またはマイクロミキサーを製造することができる。一実施形態は、上記に開示された方法に関し、マイクロ流体チップを作り出すために、エッチング加工された感熱・熱可塑性プラスチック材料５を、エッチング加工されていない感熱・熱可塑性プラスチック材料５上に積層し、それらのガラス転移温度まで加熱することによって、該エッチング加工された感熱・熱可塑性プラスチック材料５は、別のエッチング加工されていない感熱・熱可塑性プラスチック材料５上に接合される。これは本発明の様態であり、図１０に示される。
一実施形態において、本発明は、熱収縮した熱可塑性プラスチック基部はその表面内にエッチング加工された１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネル１０を有し、１つまたはそれ以上のチャンネル１０の深さが約５０から約６００マイクロメートルまで、幅が約１から約５００マイクロメートルまでであり、少なくとも１つの流入口１５および少なくとも１つの流出口１６と連通している該熱可塑性プラスチック基部と、該マイクロ流体チャンネルと連通している少なくとも１つの流入口１５および少なくとも１つの流出口１６を有し、該熱可塑性プラスチック基部上に接合された、エッチング加工されていない、熱収縮した熱可塑性プラスチック・カバーとを備える、マイクロミキサーに物質を加えることを備える、物質をマイクロ流体混合するための方法に関する。一実施形態において、熱収縮した熱可塑性プラスチック基部は、１つより多い、熱収縮されエッチング加工された熱可塑性プラスチック基部の積層物を備える。
マイクロ流体チャンネル１０の深さは、製造プロセスの間に容易に調整することができる。いくつかの実施形態において、熱可塑性プラスチック材料５は、約５０から約６００マイクロメートルまでのマイクロ流体チャンネル１０を得るための条件下で加熱される。別の実施形態において、熱可塑性プラスチック材料５は、約５０マイクロメートル、または代わりに約１００マイクロメートル、または代わりに約１５０マイクロメートル、または代わりに約２００マイクロメートル、または代わりに約３００マイクロメートル、または代わりに約４００マイクロメートル、または代わりに約５００マイクロメートル、または代わりに約６００マイクロメートルのマイクロ流体チャンネル１０を得るための条件下で加熱される。
混合するために、熱可塑性プラスチック受容材料５は、１つまたはそれ以上の流入口１５チャンネル、すなわち該流入口１５チャンネルから導入された溶液、固体または懸濁物のような物質が、混合されて流出口１６チャンネルに進入することができるように、１つまたはそれ以上の流出口１６チャンネルと連通しうるオーバーラップ領域において遭遇するか、または交差する流入口１５チャンネル、を有するべきである。
もし固体がミキサー内を移動するのに十分小さい粒子サイズをもつならば、本明細書に開示されるミキサーを用いて、任意の溶液、固体または懸濁物を混合できると考えられる。
本発明の方法は、深い（＞５０マイクロメートル）勾配ジェネレータ・チップを製造する（図４Ａ）。哺乳動物（チャイニーズハムスター卵巣、ＣＨＯ）細胞は、かかる深いチャンネル１０を通して流れることができる（図４Ｂ）。本発明の方法は、他のよく知られた方法に用いることもできる（例えば、Ｐｅｅｔｅｒｓら、米国特許第６，９２６，８６４号、２００５年８月９日）。従って、本発明は、溶液または他の材料をマイクロ流体デバイスに適用することによって、該溶液または材料をマイクロミックスするための方法も提供する。
一様態において、本発明は、テクスチャをもつ金属表面１３を調製するための方法を開示する。これらのテクスチャをもつ金属表面または「金属しわ」は、分子検出、光学デバイス、フィルターおよびソーター、高表面積導体およびアクチュエータ、並びに計測学に応用の可能性がある。本明細書に開示されるのは、熱可塑性プラスチック材料５上に、ナノからマイクロスケールの複雑な金属しわを制御性よく生成するための簡単かつ超高速な方法である。広い波長範囲（３０×）および周期性、方向性およびアスペクト比、さらにパターンをもつしわが生成された。
金属薄膜およびナノ構造は、注目すべき光学的特性を示すが、これは、周囲の誘電体媒質との界面における干渉性の電子振動を支援するその能力に由来する（Ｍａｉｅｒ，Ｓ．Ａ．，ｅｔ ａｌ（２００５）Ｊ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ ９８：１‐１０）。これら支援されたプラズモンは、空間的に閉じ込められることもあり（局在表面プラズモン共鳴、ＬＳＰＲ）、或いは界面境界に沿って自由に伝搬することもある（表面プラズモンポラリトン、ＳＰＰ）。入射光がプラズモン振動に結合すると吸収および散乱断面積が大幅に増加し、それに起因して多くの光学現象が観察される。これは、電磁場がこれらのモードに伴って増強されることが基礎になっている。これらは、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）、金属増強蛍光（ＭＥＦ）、および異常光透過を含む（Ｘｕ，Ｈ．，ら、（１９９９）Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８３：４３５７‐４３６０、Ｓｈｕｍｉｎｇ Ｎ．， ら、（１９９７）Ｓｃｉｅｎｃｅ ２７５：１１０２−１１０６、Ｓｏｎｇ，Ｊ．‐Ｈ．，ら、（２００５）Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．５：１５５７−１５６１）。これらおよび他のプラズモン誘起効果の活用は、近接場光学顕微鏡法、サブ波長フォトニクス、生化学的センシングおよび太陽エネルギーハーベスティングを含む多数の応用に役立ってきた（Ｏｋａｍｏｔｏ，Ｋ．，ら、（２００６）Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ２３：１６７４−１６７８、Ｅｂｂｅｓｅｎ，Ｔ．Ｗ．，ら、（１９９８）Ｎａｔｕｒｅ ３９１：６６７−６６９、Ｂａｒｎｅｓ，Ｗ．Ｌ．，ら、（２００４）Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９２：１０７４０１−４）。これらに加えて、ＳＳＰは、１０−４〜１０−７ｍの距離における放射エネルギー伝達を仲介するために、適切にデザインされた金属ナノ構造と組み合わせた場合、方向性をもったエネルギーの流れが可能になる（Ｊｅｆｆｒｅｙ Ｎ．，ら、（２００８）Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒ ７：４４２−４５３、Ａｎｔｈｏｎｙ Ｊ．，ら、（２００８）Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９２：０１３５０４／１−３）。
プラズモン・モードを支援できる構造を製造するために、様々なプラットホームが用いられており、もっとも普及している手法は、不活性基板上にＡｕまたはＡｇ薄膜またはナノ粒子（１および２Ｄアレイ）を堆積することであった（Ｊｏｓｅｐｈ Ｒ．，ら、（２００６）Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８９：１５３１２０／１−３、Ａｎｔｏｎ Ｋｕｚｙｋ，ら、，（２００７）Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １５：９９０８‐９９１７、Ａｎｄｒｅｗ，Ｐ．，ら、（２００４）Ｓｃｉｅｎｃｅ ３０６：１００２−１００５）。しかしながら、用いられた技術は、典型的に多くの作業を必要とするナノファブリケーション、並びに電子線リソグラフィーおよびイオンビーム・ミリングのような費用がかかる方法である。リップルのあるシリコンまたはファセットのあるアルミナのような、予めナノ粒子堆積用パターンが形成された基板を用いる、いくつか効果的なボトムアップ製造アプローチはあるが、本明細書に開示されるものと同様に費用対効果が高く、大規模生産に適するアプローチはなかったと考えられる（Ｈ．Ｒａｅｔｈｅｒ，”Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎｓ ｏｎ Ｓｍｏｏｔｈ ａｎｄ Ｒｏｕｇｈ Ｓｕｒｆａｃｅｓ ａｎｄ ｏｎ Ｇｒａｔｉｎｇｓ”，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，Ｂｅｒｌｉｎ（１９８８）、Ｍｕｒｒａｙ，Ｗ．Ａ．，ら、（２００４）Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ６９：１６５４０７／１−７）。
本明細書に開示されるのは、予め応力を受けたプリント可能なポリスチレン（ＰＳ）シートのような、熱可塑性プラスチック受容材料５上に、ナノからマイクロスケールの複雑なパターンを制御可能なかたちで生成するための簡単かつ超高速の技術である。熱可塑性プラスチック材料５は加熱されるとサイズが小さく収縮し、金薄膜と、担体となる熱可塑性プラスチック材料５基板との剛性ミスマッチが増加する。熱可塑性プラスチック材料５が縮むにつれて、より堅い金属薄層はそれに追随し、このより堅い非収縮性の膜は撓むか、またはしわができる（図８）。本明細書に開示される方法は、しわの長さスケール（波長および振幅）と、金属膜厚、膜および基板材料特性、並びに全体に生じる収縮歪とのスケーリング関係を扱った理論的研究を参考にした（Ｃｅｒｄａ，Ｅ．，ら、，（２００２）Ｎａｔｕｒｅ，４１９：５７９−５９８、Ｈｕａｎｇ，Ｚ．，ら、，（２００４）Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｅ，７０：０３０６０１）。しわの長さスケールは、膜の曲げ弾性エネルギーと基板の弾性変形エネルギーとの競争に起因する。この方法によって、広い波長範囲（＞３０×）および周期性、方向性およびアスペクト比、さらにはパターンをもつ、プラズモン活性なしわが生成される。ポリマー上の金属しわがいくつか実証されているが、報告されたしわの波長はいずれもかなり大きい
。本明細書に開示される方法を用いて、１００ナノメートル未満から５マイクロメートル超までのしわを生成することができる。
このしわのある表面は、調節可能なＬＳＰＲ共鳴を示すので、表面増強されたセンシングおよび分光学用の低コストでロバストな基板として可能性を持っている。加えて、このしわは、階層的な自己組織化を示すので、広帯域の応答を達成することができる。さらに、一方向性の凹凸形状は、ＳＰＰによるエネルギーハーベスティングと放射伝達とを同じデバイス上での可能にする。
本発明の一様態は、テクスチャのある金属表面１３を有する熱収縮した熱可塑性プラスチック基部を備えるデバイスに、光照射することを備える波動の伝搬方法であって、テクスチャが約１００ナノメートルから約５マイクロメートルまでの高さをもつ方法に関する。別の実施形態において、テクスチャは、約５０ナノメートルから約５マイクロメートルまで、または代わりに約５０ナノメートル超、または代わりに約１００ナノメートル、または代わりに約２００ナノメートル、または代わりに約５００ナノメートル、または代わりに約７００ナノメートル、または代わりに約１マイクロメートル、または代わりに約２マイクロメートル、または代わりに約３マイクロメートル、または代わりに約４マイクロメートル、または代わりに約５マイクロメートル未満の高さをもつ。
しわの高さは、金属膜厚を調整することによって制御することができる。図１７は、金属層厚の関数としてプロットしたしわの最大平均高さを示す。従って、金属しわの間隔および高さは、熱可塑性プラスチック材料５上に堆積される金属の厚さ、および熱可塑性プラスチック材料５が加熱される時間を調整することによって容易に予測することができる。熱可塑性プラスチック材料５上に堆積される金属の厚さは、本明細書に開示される金属堆積法を用いて、時間、温度などのようなパラメータを調整することによって容易に制御することができる。かかる方法は、当業者によく知られている。ある実施形態において、しわの波長は、約５０ナノメートルから約５マイクロメートルまでの範囲にある。
加えて、この新しい基板は、調節可能で偏光に依存する局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）を示すことから、かかる金属しわ構造が多用途に有用なことが実証される。金属しわ構造物は、表面増強されたセンシングおよび分光学に役立ちうると考えられる。驚くべきことに、異方性が存在する場合、しわの長手方向のプラズモン結合に起因して、表面プラズモン共鳴に、偏光に依存するシフトが観察される（図９に示す）。それ故に、これらの調節可能で周期的かつ異方性のしわは、とりわけ、蛍光性分子との結合用の新規なプラズモン用基板として利用することも考えられる（Ｌｉｕ，Ｋ．，ら、（２００７）Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｊｏｕｒｎａｌ，３８：７００−７０５、Ｓｏｎｇ，Ｊ．‐Ｈ．，ら、，（２００５）Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．５（８）：１５５７‐１５６１、Ｇｒｙｃｚｙｎｓｋｉ，Ｉ．，ら、，（２００５）Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ．１０９：１０８８−１０９３）。
例えば、図１４Ａは、基板構造のサイズに依存して、調節可能な消衰スペクトルが実現されたデータを示す。消衰スペクトル（吸収および散乱の複合効果）は、白色光源の反射を用いて測定した。さらに図１４Ｂは、スペクトルがレッドシフトし、フォトルミネセンス波長シフトは４ナノメートル（Δλ＝４ｎｍ）であること、および半導体ＣｄＳｅ量子ドットの５８８ナノメートル発光がおよそ５倍増強（遠視野限界で測定）されることを示す。
本明細書に開示される熱収縮した熱可塑性プラスチック基部を備えるデバイスを用いて、量子ドットからの放出における明確なレッドシフト領域を観察した。放出光のレッドシフトは量子ドット・サイズに依存し、溶液中でおよそ５８８ナノメートルを放出する量子ドットに対して最大になるように思われる。図１５は、金属膜厚が３０ナノメートルの、しわのあるサンプルにスピンコートされた半導体ＣｄＳｅ量子ドットの空間分解フォトルミネセンスの２Ｄマップを示す。さらに、このスペクトルシフトに付随して励起エキシトンの再結合寿命が変化しており、しわのある基板上に堆積されて放出がレッドシフトした量子ドットでは、減衰時間が著しく減少する。これら静的および動的特性の変化は、ドット間距離を減少させる特徴的な構造が介在する量子ドット間の電子的結合、並びに金属の構造的な特徴と量子ドットのダイポールモーメントとのプラズモン結合の両方がともに原因していると考えられる。後者については、スペクトルのレッドシフトが量子ドット・サイズに非単調に依存することから裏付けられる。これは、Ａｕにおけるプラズモン吸収の辺りで最大になる。
本技術は、次の例を参照することによりさらによく理解される。本技術は、本技術の様態を説明する意図をもつ実施例によっては範囲を制限されない。機能的に同等な任意の方法は、本技術の範囲内にある。本明細書に記載される技術に加えて、本技術の様々な変更も、上述の記載および添付図面から当業者に明らかになるであろう。かかる変更は、添付された本請求項の範囲に入る。
（実施例１）
ソフトリソグラフィー用の深くて丸みを帯びたパターン形成デバイスの迅速な創出
最初に、ＡｕｔｏＣａｄ ２００２（ＡｕｔｏＤｅｓｋ、サンラファェル、キャリフォルニア州）においてマイクロ流体チャンネルをデザインする。Ｈｅｗｌｅｔｔ‐Ｐａｃｋａｒｄ ＬａｓｅｒＪｅｔ ２２００Ｄを用いて、トランスペアレンシーに似たポリスチレン熱可塑性プラスチック・シート（Ｓｈｒｉｎｋｙ Ｄｉｎｋｓ，Ｋ＆Ｂ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ、ノースレイク、ウィスコンシン州）にデザインをプリントする。高さを追加した、および／または高さを積層したチャンネルを得るために、これらの熱可塑性プラスチック・シートを数回、プリンターにフィードする。図１に示される８０マイクロメートルのチャンネルは、ＬａｓｅｒＪｅｔ ２２００Ｄを用いて、６００ｄｐｉで２重プリントしたものである。プリンターは、６００ｄｐｉまたは１２００ｄｐｉのいずれかに設定する。６００ｄｐｉでは、直感に反してチャンネルの高さは減少したが、より滑らかな凹凸形状エッジが得られた。プリンターは、トランスペアレンシー設定で用いた。多重層をプリントするために、熱可塑性プラスチック・シートがぴったりフィットするようにプリンター用紙トレイを調整することによって、位置合わせを確実に行った。ＨＰ Ｃｏｌｏｒ ＬａｓｅｒＪｅｔ ２６００ｎおよびＳａｍｓｕｎｇ ＭＬ‐２５１０を含めて、様々なプリンターを試した。様々なプリンター間の主な相違は、インクの高さがわずかに変動することであった。
プリントしたシートを１６３℃で３〜５分間、乾燥器中に置く（図１）。標準的なオーブントースターおよび研究室用乾燥器の両方を試した。オーブントースターは、わずかに反ることがあるのに対して、予熱した研究室用乾燥器ではより均一に加熱できた。さらに均一で平坦にベーキングするために、顕微鏡用スライドガラス上でデバイスを加熱した。スライドは予熱すべきではなく、さもないとプラスチックが溶けてしまうことがわかった。
熱可塑性プラスチック・シートは、収縮している間に自然にカールする。熱可塑性プラスチック・シートを平坦な面上で均一に加熱すると、完全に収縮した後に、確実に再び平坦になるであろう。乾燥器における収縮後７分間のポストベークが、インクの凹凸形状を非常に滑らかにして、インクの密着性を維持するのに役立つ。同じパターン形成用デバイスを用いて１０回以上デバイスをモールドしたが、いかなる目立ったモールド劣化もなかった。
典型的なソフトリソグラフィーと同様に、モールドにＰＤＭＳを注いで１１０℃で１０分間硬化させる。硬化したＰＤＭＳデバイスを次にモールドから剥がし、ハンドヘルドのコロナ放電器を用いて接合させる（Ｈａｕｂｅｒｔ Ｋ．，ら、（２００６）Ｌａｂ Ｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｎｏｔｅ ６：１５４８−１５４９）。デバイス・デザイン構想から機能するデバイスまで、全プロセスを数分以内に完了することができる。
深くて丸みを帯びたマイクロ流体チャンネルを、高価な専用の機械設備なしに生成するニーズに取り組むために、標準的なレーザージェット・プリンターを用いて、市販の熱可塑性プラスチック（Ｓｈｒｉｎｋｙ‐Ｄｉｎｋ）上にマイクロ流体チャンネル・ネットワークをプリントする新規な方法が、本明細書に開示される。「Ｓｈｒｉｎｋｙ Ｄｉｎｋ」は、絵を描いた後に元のサイズから小さく収縮できる子供の玩具である。この熱可塑性プラスチック上に凹凸形状を印刷した場合、プリントされた凹凸形状は、１６３℃で３〜５分間の加熱後に、元のプリント線幅および長さからおよそ６３％、面内で等方的に収縮することが見出された。さらにこれに付随して、凹凸形状の高さが５００％超増加する。かくして、これらの収縮した凹凸形状が、その後ソフトリソグラフィー用の硬いモールドとして利用された（Ｘｉａ Ｙ．，ら、（１９９８） Ａｎｎｕ Ｒｅｖ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．２８：１５３−８４）。このように、熱可塑性プラスチック・モールドは、一般に利用されるシリコンウェーハに似ているが、シリコンウェーハをマイクロ流体に応用する場合、典型的にフォトリソグラフィーによるパターン形成が必要である。上記のプラスチック・モールドは、対照されるシリコンウェーハと同様に、多数回の再使用が可能である。シリコンウェーハの作製に必要な、高価なセットアップおよび労力のかかる処理とは異なり、本手法は、レーザージェット・プリンターとオーブントースターだけが必要であり、数分以内に完了することができる。さらに、通常は標準的なリソグラフィー手法による労力のかかる繰り返しプロセスが必要なデバイスを、高さを積層する内部デザインによって実現することができる。
本発明は、本質的に丸みを帯びたマイクロ流体チャンネル・モールドを製造するための簡単な方法を提示する。より大きい規模のプリント法、およびそれに続く、熱可塑性プラスチックの固有特性を利用した約６０％を超える収縮によって、モールドを生成する能力が実証される。
熱可塑性プラスチックのプリフォーム・シートは、張力下で、転移温度を超えて加熱されたときに元のサイズに戻る。その際、印刷されたいずれのインク凹凸形状も、収縮していく基板とともに圧縮される。凹凸形状の長さと幅とが収縮するにつれて、高さは増加する。この方法を用いると高いチャンネルが実現できることが、これで説明される。プリントされたインクと、圧縮により収縮したインクとのチャンネル高さの違いは、相当に大きい（図３ａ ｖｓ．３ｂ）。さらに、本明細書に開示される方法を用いて、丸みを帯びたチャンネルを実現することができる（図３）。
達成される最小線幅は、６５マイクロメートルであった（データは示さないが、ＳＥＭで検証済みである）。これはプリンターに依存し、最新のプリンターではもっと高い解像度が達成できると考えられる。最後に、チャンネルのいくつかだけ再プリントすることによって、複数の高さをもつ凹凸形状を実現することができる。プリント済シートをプリンターにフィードバックして、選択的に一定のパターンを２重プリントすることによってこれが達成される。このようにして、様々な高さまたは堰からなる、相互接続されたチャンネルを容易にモールドすることができる。
別の様態において、マイクロ流体工学に長らく期待されてきた診断、バイオ分析アッセイ、および化学合成への可能性を完全に実現するためには、新しくて益々複雑になるチップのラピッドプロトタイピングを、重要な材料特性について妥協することなく行う必要性に関するトレードオフを解決しなくてはならない。僅かしかない‐典型的にピコナノリットル‐量を用いる作業に共通して、材料の選択が本質的に重要であり、かつこれらの敏感なアッセイの結果は、信頼すべきものでなければならない。シリコン、ガラスおよび石英は、興味深い材料特性をもつが、これらの基板にパターン形成するためには複雑な処理ステップが必要である（Ｖｏｌｄｍａｎ Ｊ．，ら、（１９９９）Ａｎｎｕ．Ｒｅｖ．Ｂｉｏｍｅｄ．Ｅｎｇ．０１：４０１−４２５）。Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓによるポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）使用の導入によって、ソフトリソグラフィーを用いたラピッドプロトタイピングが可能になり、その結果としてマイクロ流体工学分野に指数関数的な進歩がもたらされた（Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ Ｇ．Ｍ．，ら、（２００１）Ａｎｎｕ．Ｒｅｖ．Ｂｉｏｍｅｄ．Ｅｎｇ．３：３３５−７３）。ソフトリソグラフィーは、チップの製造を（標準的なシリコンテクノロジーに必要な）数か月から典型的に２日未満に加速する。しかしながら、このポリマー固有の材料特性には重大な限界がある。疎水性の生物分子の多くは、多孔質のＰＤＭＳマトリックス中に容易に吸収されて、実験結果に潜在的な影響を与える。これは多くの分析応用において容認し難いことであるＴｏｅｐｋｅ Ｍ．Ｗ．，ら、（２００６）Ｌａｂ Ｃｈｉｐ ６：１４８４‐１４８６、Ｊ．Ｎ．，ら、（２００４）Ｌａｎｇｍｕｉｒ ２０（２６）：１１６８４‐１１６９１、およびＭａｌｔｅｚｏｓ Ｇ．，ら、（２００７）Ｌａｂ Ｃｈｉｐ ７：１２０９−１２１１）。創薬、および他の敏感な生物分析アッセイにおける応用の可能性に向けて、ＰＤＭＳが採択されることをかかる課題が妨げてきた（Ｍｕｋｈｏｐａｄｈｙａｙ Ｒ．，（２００７）Ａｎａｌ Ｃｈｅｍ．７９（９）：３２４８−３２５３）。かくして、ＰＤＭＳは、概ね学術的なプロトタイピングへの格下げされた。その代わりに、産業界は、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）およびポリスチレン（ＰＳ）のようなプラスチックに頼っている。逆に言えば、プラスチック・マイクロ流体チップを実現するために必要とされる高額の機械設備投資（例えば、射出成形、熱エンボス加工）が、学術分野における幅広い導入を妨げてきた。
このギャップの解決法、すなわち複雑なマイクロ流体パターンをポリスチレン中にラピッドプロトタイピングするための、資本投資を必要としない新規な技術が提示される。この技術は、ソフトリソグラフィーよりもさらに迅速であり、複雑な多層チップがほんの数分で完成できる同時かつ高速の接合ステップを含む。
要するに、熱可塑性プラスチック（Ｓｈｒｉｎｋｙ‐Ｄｉｎｋｓ）は、予め応力を受けた、（よく使われる熱収縮配管と同様に）加熱すると収縮するポリスチレン・シートである。この材料特性は、チャンネルを彫り込んだ後、それをマイクロスケールに収縮するために利用されてきた。熱可塑性プラスチック・シート上に、凹凸形状を機械的にエッチング加工し、加熱（１６３℃で３〜５分）後に、彫り込みは、線幅および長さが等方的に面内でおよそ６３％収縮し、それに付随して高さが５００％超増加した。熱可塑性プラスチック（Ｓｈｒｉｎｋｙ‐Ｄｉｎｋｓ）はＰＤＭＳのための有効なモールドになるが、一方でプラスチックに直接にパターン形成して、それらをすばやく機能デバイスに接合させることで、ＰＤＭＳの必要性のみならずいくつかの製造ステップも省略することができる。パターン形成された未収縮のポリスチレン・シートを別の未収縮シート上で、それらのガラス転移温度（１６３℃）まで加熱して不可逆的に架橋することによって、強い接合を実現することができる。このようにして、マイクロ流体チャンネルがいくつかの層を縦断するスタック型チップが製造される。簡単なスクライブ手法を用いて、８マイクロメートルと薄く、印加されるスクライブ圧力によってチャンネル深さが制御可能な（５０〜６００マイクロメートルまで）、チャンネルを実現することができる。さらに、スクライバーを選択することによって、チャンネルの形状も変えることができる（図５）。これは、予め応力を受けた熱可塑性プラスチック・シート上にパターンを直接描画する、コンピュータ制御されたプロッターに容易に適合可能なことが想像できる。
２Ｄまたは３Ｄのプラスチック・マイクロ流体チップを高速、容易かつ安価に生成する能力は、すべての学術分野の研究者が、彼らのニーズに固有のデバイスを、たとえ工学的なバックグラウンドがなくても、デザインすることを可能にするであろう。加えて、ＰＤＭＳの必要性を省くことによって、これらのマイクロ流体チップが利用されうる応用範囲が大幅に拡大する。簡単で迅速な製造、３次元の複雑性、および化学的な適合性の組み合わせは、間違いなくマイクロ流体工学を、プロトタイプ段階から生物医学的な重要問題に取り組む小型化システムの豊かな可能性へと先導するために役立つであろう。
（実施例２）
深くて丸みを帯びたソフトリソグラフィー用パターン形成デバイスの金属堆積法を用いた迅速な創出
熱蒸着またはスパッタ法によって、収縮性の熱可塑性プラスチック上に金属を堆積する。未収縮のプラスチック小片をスパッタコーター、または蒸着機のいずれかに配置し、真空引きを行う。該プラスチック上に、ターゲット金属を堆積する。堆積される金属の厚さ、または高さは、処理時間の長さに依存する。プラスチック基板は、堆積の間に熱くならないように、蒸着源から十分遠くなければならない。堆積される金属は、約５ナノメートルから約９０ナノメートルまで、広い範囲の厚さ、または高さが得られる。
熱可塑性プラスチック上に金属を堆積した後、それを乾燥器に入れて、先述のように収縮させる。加熱すると、金属と収縮する熱可塑性プラスチックとでは剛性が適合しないためにしわができる（図６Ａ〜６Ｄ）。しわの間隔は、加熱量、従って収縮量によって制御できる。加えて、しわの方向性は、金属堆積前に基板に溝をつくることによって制御することができる。最後に、しわの周期性については、しわの波長が、厚さの３／４乗に従ってスケーリングされる。従って、金属層の厚さ、または高さを変えることによって、より狭いしわが得られる。
（実施例３）
３次元マイクロミキサーを用いた低レイノルズ数での効率的な混合
容易に製造された３Ｄポリスチレン製ボルテックス・マイクロミキサーにおいて、低レイノルズ数での高速かつ均一なマイクロミキシングを実証した。マイクロミキシングは、小型化された解析システムにとって極めて重要である。しかし、これら小規模の高速かつ効率的な混合には、依然として課題がある。本明細書に開示されるマイクロミキサーの、異種溶液および懸濁物の混合に対する有効性を調べることによって、２Ｄ蛇行型デザイン（Ｄｅｒｒｉｎｇｅｒ，Ｓ．Ｋ．，ら、（２００１）Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．７３：１２４０）と性能を比較した。数値シミュレーションが、実験的観察を確認し、本明細書に開示される単純な幾何学的配置において低レイノルズ数で実現される、自己回転混合の動力学に関する知見を提供する。本明細書では、高速、ロバスト、製造が容易で大規模集積化に適するマイクロミキサーが開示される。
本明細書に開示されるデザインは、著しく簡単でありなおかつ効果的である。他の研究（Ｌｉｎ，Ｃ．Ｈ．，ら、（２００５）Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．１５：９３５））とデバイス寸法が同様であり、幾何学的に単純で製造が容易なデザインによる、均一かつ高速の混合が開示される。ただ１つの流入口チャンネル、１つの垂直落差、および１つの流出口チャンネルを用いてボルテックスを形成することが可能であるという実験的観察を、数値シミュレーションが確認する（図１０）。かかる３Ｄチップは、従来の２Ｄ蛇行型混合に比べて混合が強化されており、この比較を通じて、有用性の一様態が示される。この手法は、フォトリソグラフィーを必要とせず、かつチップ「フットプリント」領域が最小限であり（Ｃｈｅｎ，Ｃ．Ｓ．，ら、（２００８）Ｌａｂ Ｃｈｉｐ ８：６２２）、３Ｄマイクロミキサーはこれらミキサーを容易に並行配列できるので、大規模集積化に適している。
マイクロミキサーは、本明細書に開示される方法を用いて提供される。端的に言えば、予め二軸応力を受けたポリスチレン・シート、すなわち熱可塑性プラスチック材料（Ｓｈｒｉｎｋｙ‐Ｄｉｎｋ）上に、パターン・デザインを機械的にエッチング加工する（Ｇｒｉｍｅｓ，Ａ．，ら、（２００８）Ｌａｂ Ｃｈｉｐ ８：１７０）。このポリスチレン・シートを転移温度まで加熱した後、彫り込んだマイクロチャンネルは、面内でおよそ６０％収縮し、それに付随して高さが７００％超増加する。製造に関する詳細な記載は、本明細書に上述された通りである。
混合効率を比較するために、２Ｄ蛇行型ミキサーおよび３Ｄボルテックス・ミキサー（図１１）の両方について混合テストを行った。それぞれのミキサーについて、２つの異なった濃度の青色色素（ＭｃＣｏｒｍｉｃｋ Ｄｙｅ，Ｉｎｃ）の希釈水を、シリンジ・ポンプ（ＫＤ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）を用いてマイクロミキサーに加えた。０．１から５５のＲｅに相当する体積流量（Ｑ）（ボルテックスの範囲：５〜１０００μｌ／分；蛇行型の範囲：０．８３〜１６６．５μｌ／分）を用いた（ここで、Ｒｅ＝Ｑ／Ｄν、Ｄは流入口チャンネルの水力直径、ｖは動粘性率であり、本実施例では１．１５６ｘ１０−６ｍ２／ｓとした）。各混合溶液を、それぞれの分岐した流出口チャンネルにおいて収集した。溶液の吸収光学濃度は、吸光マイクロプレートリーダ（ｐｈｏｔｏｍｅｔｒｉｃ ｍｉｃｒｏｐｌａｔｅ ａｂｓｏｒｂａｎｃｅ ｒｅａｄｅｒ：Ｍｕｌｔｉｓｋａｎ ＥＸ，Ｔｈｅｒｍｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ）を用いて数量化した。混合効率は、流出口における強度差を、流入口における強度差で除し、１からこれを引いて定義した。従って、２つの非混合溶液を用いたので、０値が最低混合効率を示し、１値が最高値を示すことになる。
図１１に示されるように、ボルテックス・ミキサーを用いると混合効率が向上することがわかり、ボルテックス・マイクロミキサーの混合効率が、テストをしたすべてのＲｅ数において、蛇行型チャンネルより良好なことがわかった。同じく、蛇行型ミキサーの混合効率の変動に比べて、種々の流量における３Ｄボルテックス・マイクロミキサーの混合効率は、より安定なことがわかった。なお、極めて低いＲｅで両デザインの混合が「良好」なのは、混合は所与の流量に必要な時間行ったのに対して、測定はチップから収集した所定量に対して行ったに過ぎないためである。
蛍光性の１０ｐｍポリスチレンビーズ（Ｂａｎｇｓ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．）を用いて、大きい粒子が懸濁物に混合されることを実証した。ビーズを一方の流入口チャンネルに、非蛍光性の水溶液を他方の流入口チャンネルに流入させた。理想的に混合されると、それぞれの流出口チャンネルが同じ蛍光強度をもつように、ビーズが再分配されることになる。流量を変更して様々なＲｅ数で、収集チャンネルにおける蛍光強度分布を比較した。図１２に示されるように、２Ｄ蛇行型デザインに比べて著しい向上が観察される。
実験データ（図１１および１２）から、ボルテックス・マイクロミキサーの混合効率は、テストしたすべてのＲｅ数において、蛇行型チャンネルより著しく良好である。幾何学的に単純なデザインが、低コストで業界に受け入れられたプラスチック基板材料を製造する容易さによって補完され、高密度レイアウトの可能性が提供される。その結果、小さいチップ領域上の並行アレイを用いて、様々な化学反応を高速に処理することを可能になるであろう（図１２Ｃ）。かかる混合は、少量の試薬および検体を高速かつ均一に混合することが決定的に重要なポイント・オブ・ケア（ｐｏｉｎｔ‐ｏｆ‐ｃａｒｅ）診断チップの応用にとりわけ重要な意味をもつ。
チャンネル構造およびモールドを製造するためのポリスチレン・シートの使用により、本発明を例示かつ説明したが、本願に開示され、かつ請求されるデバイスを製造するために、チャンネルを規定する壁の寸法、従ってそのサイズを制御するパターン形成が可能な、任意の熱可塑性プラスチック受容材料を使用できることは当業者に明らかであろう。加えて、本発明の他の実施形態がいくつか本明細書に詳細に記載されているが、当然のことながら、本発明の精神、または添付される請求項の範囲から逸脱することなく、それらに変更を加えてもよいことが当業者によって理解されるであろう。

Claims (57)

  1. １つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネルを備える受容材料であって、該１つまたはそれ以上のチャンネルの深さは、約１５から約１５０マイクロメートルまでであり、幅は、約１から約５００マイクロメートルまでである、受容材料。
  2. 前記１つまたはそれ以上のチャンネルは、約２５から約９０マイクロメートルまでの深さをもつ、請求項１に記載の受容材料。
  3. 前記１つまたはそれ以上のチャンネルは、約１から約５００マイクロメートルまでの幅をもつ、請求項１に記載の受容材料。
  4. 前記１つまたはそれ以上のチャンネルの平均の深さは、約１５から約１５０マイクロメートルまでであり、前記幅は、約１から約５００マイクロメートルまでである、請求項１に記載の受容材料。
  5. 前記チャンネルの閉口端は、アーチ形の湾曲をもつ、請求項１に記載の受容材料。
  6. 前記受容材料はポリジメチルシロキサンである、請求項１の受容材料。
  7. 熱収縮した熱可塑性プラスチック基部を備えるマイクロ流体デバイスであって、該熱可塑性プラスチック基部は、その表面内にエッチング加工された１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネルを備え、該１つまたはそれ以上のチャンネルの深さは、約５０から約６００マイクロメートルまでであり、幅は、約１から約５００マイクロメートルまでである、マイクロ流体デバイス。
  8. 前記１つまたはそれ以上のチャンネルは、約１００から約３００マイクロメートルまでの深さをもつ、請求項７に記載のマイクロ流体デバイス。
  9. 前記１つまたはそれ以上のチャンネルの平均の深さは、約５０から約６００マイクロメートルまでであり、前記幅は、約１から約５００マイクロメートルまでである、請求項７に記載のマイクロ流体デバイス。
  10. 熱収縮した熱可塑性プラスチック基部と、該熱可塑性プラスチック基部上に接合された、エッチング加工されていない、熱収縮した熱可塑性プラスチック・カバーとを備えるマイクロミキサーであって、該熱可塑性プラスチック基部は、少なくとも１つの流入口および少なくとも１つの流出口と連通している、該熱可塑性プラスチック基部の表面内にエッチング加工された１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネルを有し、該１つまたはそれ以上のチャンネルの深さは約５０から約６００マイクロメートルまでであり、幅は約１から約５００マイクロメートルまでであり、該熱可塑性プラスチック・カバーは、該マイクロ流体チャンネルと連通している少なくとも１つの流入口および少なくとも１つの流出口を有する、マイクロミキサー。
  11. 前記熱収縮した熱可塑性プラスチック基部は、熱収縮されエッチング加工された１つより多い熱可塑性プラスチック基部の積層物を備える、請求項１０に記載のマイクロミキサー。
  12. 前記１つまたはそれ以上のチャンネルの平均の深さは、約５０から約６００マイクロメートルまでであり、前記幅は、約１から約５００マイクロメートルまでである、請求項１０に記載のマイクロミキサー。
  13. テクスチャのある金属表面を有する、熱収縮した熱可塑性プラスチック基部を備えるデバイスであって、該テクスチャのある金属表面は、約１００ナノメートルから約５マイクロメートルまでの平均高さをもつ、デバイス。
  14. 前記テクスチャのある金属表面は、銀、金および銅からなる群より選択された少なくとも１つの金属を含む、請求項１３に記載のデバイス。
  15. 受容材料上に、１つ以上またはそれ以上のマイクロ流体チャンネルを設けるための方法であって、
    ａ）感熱・熱可塑性プラスチック受容材料に、像形成材料を、デザインされたパターン状に付着させるステップ、
    ｂ）該熱可塑性プラスチック受容材料のサイズを少なくとも約６０％縮小させる条件下で、該材料を加熱するステップ、および
    ｃ）リソグラフィーを介して該マイクロ流体チャンネルを設けるステップ
    を含む、方法。
  16. 前記像形成材料は、色素、染料またはその組み合わせからなる群のうちの１つまたはそれ以上を含んだ液体である、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記像形成材料は、インク、タンパク質、コロイド、誘電材料、ペースト、またはその組み合わせからなる群のうちの１つまたはそれ以上である、請求項１５に記載の方法。
  18. 前記像形成材料は金属である、請求項１５に記載の方法。
  19. 前記金属は、銀、金、銅、チタン、またはその組み合わせからなる群のうちの１つまたはそれ以上である、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記像形成材料は、スパッタコーティング、蒸着、化学蒸着法、パターン転写、マイクロコンタクト・プリント法またはプリント法を含む、１つまたはそれ以上の方法によって、前記感熱・熱可塑性プラスチック受容材料に付着される、請求項１５に記載の方法。
  21. 前記感熱・熱可塑性プラスチック受容材料は、一軸または１次元方向に収縮するように、一軸方向に付勢される、請求項１５に記載の方法。
  22. 前記像形成材料は、約２５マイクロメートルより大きい前記像形成材料の高さを達成するための条件下で加熱される、請求項１５に記載の方法。
  23. ステップｂ）を実行する前に、２回またはそれ以上、ステップａ）を繰り返すことをさらに備える、請求項１５に記載の方法。
  24. 前記１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネルは、様々な深さである、請求項２３に記載の方法。
  25. 前記１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネルの前記高さは、約１５から約１２０マイクロメートルまでである、請求項１５に記載の方法。
  26. 前記熱可塑性プラスチック材料は、ポリスチレンである、請求項１５に記載の方法。
  27. ステップｃ）の前記リソグラフィーは、ソフトリソグラフィーまたはインプリントリソグラフィーを指す、請求項１５に記載の方法。
  28. テクスチャのある金属表面を調製するための方法であって、
    ａ）感熱・熱可塑性プラスチック受容材料上に金属を堆積するステップ；および
    ｂ）該材料を少なくとも約６０％縮小させるステップ、を含み、
    それによってテクスチャのある金属表面を調製する
    方法。
  29. 前記感熱・熱可塑性プラスチック材料は、ステップａ）およびｂ）を実行する前に、一軸方向に付勢される、請求項２８に記載の方法。
  30. 前記金属は、スパッタコーティング、蒸着または化学蒸着法によって堆積される、請求項２８に記載の方法。
  31. 前記金属は、約２ナノメートルから約１００ナノメートルまでの厚さに堆積される、請求項２８に記載の方法。
  32. 前記金属は、銀、金または銅からなる群のうちの１つまたはそれ以上を含む、請求項２８に記載の方法。
  33. 前記材料は、約１００ナノメートルから約５マイクロメートルの範囲の表面テクスチャを達成するために縮小される、請求項２８に記載の方法。
  34. 前記熱可塑性プラスチック材料は、ポリスチレンである、請求項２８に記載の方法。
  35. 前記金属は、所望のパターン状に堆積される、請求項２８に記載の方法。
  36. 前記感熱・熱可塑性プラスチック材料は、加熱によって縮小される、請求項２８に記載の方法。
  37. 受容材料上に、１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネルを設けるための方法であって、
    ａ）感熱・熱可塑性プラスチック材料に、デザインされたパターンをエッチング加工するステップ、および
    ｂ）該熱可塑性プラスチック受容材料の該サイズを少なくとも約６０％縮小させる条件下で、該材料を加熱し、それによって該１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネルを設けるステップ
    を含む、方法。
  38. マイクロ流体チップを作り出すために、前記エッチング加工された感熱・熱可塑性プラスチック材料と、エッチング加工されていない感熱・熱可塑性プラスチック材料とを積層し、それらのガラス転移温度まで加熱することによって、該エッチング加工された感熱・熱可塑性プラスチック材料が、エッチング加工されていない別の感熱・熱可塑性プラスチック材料上に接合される、請求項３７に記載の方法。
  39. 前記材料は、約５０から約６００マイクロメートルまでのマイクロ流体チャンネルを達成するための条件下で加熱される、請求項３７に記載の方法。
  40. 前記熱可塑性プラスチック材料は、ポリスチレンである、請求項３７に記載の方法。
  41. 請求項３７の方法によって作り出されたマイクロ流体ミキサー。
  42. 少なくとも１つのチャンネルによって接続された、１つまたはそれ以上の流入口チャンネルおよび１つまたはそれ以上の流出口チャンネルをさらに備える、請求項４１に記載のマイクロ流体ミキサー。
  43. 物質を分析する方法であって、該方法は、１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネルを備える受容材料に該物質を加えることを含み、該チャンネルの深さは、約１５から約１５０マイクロメートルまでであり、幅は、約１から約５００マイクロメートルまでである、方法。
  44. 前記物質は、溶液、固体または懸濁物である、請求項４３に記載の方法。
  45. 物質を分析する前記方法は、蛍光分光法、ラマン分光法およびプラズモン共鳴からなる群より選択される、請求項４３に記載の方法。
  46. 前記１つまたはそれ以上のチャンネルは、約２５から約９０マイクロメートルまでの深さをもつ、請求項４３に記載の方法。
  47. 前記１つまたはそれ以上のチャンネルは、約１から約５００マイクロメートルまでの幅をもつ、請求項４３に記載の方法。
  48. 前記チャンネルの閉口端は、アーチ形の湾曲をもつ、請求項４３に記載の方法。
  49. 前記受容材料は、ポリジメチルシロキサンである、請求項４３に記載の方法。
  50. 物質を分析する方法であって、該方法は、熱収縮した熱可塑性プラスチック基部を備えるマイクロ流体デバイスに、該物質を加えることを含み、該熱収縮した熱可塑性プラスチック基部は、その表面内にエッチング加工された１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネルを有し、該チャンネルの深さは約５０から約６００マイクロメートルまでであり、幅は約１から約５００マイクロメートルまでである、方法。
  51. 前記物質は、溶液、固体または懸濁物である、請求項５０に記載の方法。
  52. 物質を分析する前記方法は、蛍光分光法、ラマン分光法およびプラズモン共鳴からなる群より選択される、請求項５０に記載の方法。
  53. 物質をマイクロ流体混合するための方法であって、該方法は、マイクロミキサーに該物質を加えることを含み、該マイクロミキサーは、熱収縮した熱可塑性プラスチック基部と、該熱可塑性プラスチック基部上に接合された、エッチング加工されていない、熱収縮した熱可塑性プラスチック・カバーとを備え、該熱可塑性プラスチック基部は、少なくとも１つの流入口および少なくとも１つの流出口と連通している、該熱可塑性プラスチック基部の表面内にエッチング加工された１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネルを有し、該チャンネルの深さは約５０から約６００マイクロメートルまでであり、幅は約１から約５００マイクロメートルまでであり、該熱可塑性プラスチック・カバーは、該マイクロ流体チャンネルと連通している少なくとも１つの流入口および少なくとも１つの流出口を有する、方法。
  54. 前記熱収縮した熱可塑性プラスチック基部は、熱収縮されエッチング加工された１つより多い熱可塑性プラスチック基部の積層物を備える、請求項５３に記載の方法。
  55. 前記物質は、溶液、固体または懸濁物である、請求項５３に記載の方法。
  56. 波動を伝搬させる方法であって、該方法は、テクスチャのある金属表面を有する、熱収縮した熱可塑性プラスチック基部を備えるデバイスに、光を照射することを含み、該テクスチャは、約５０ナノメートルから約５マイクロメートルまでの高さをもつ、方法。
  57. 前記金属は、銀、金または銅の少なくとも１つである、請求項５６に記載の方法。
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