JP2012193983A - 温度制御機能付き流路デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータを有する流路形成方法として安価なこと、ヒータから流路への熱伝導が良好なこと、一本の流路に複数のヒータを有する際に各々の熱的動作を干渉しないことという要求を達成しつつ、流体の移動に依存せずに時間的にも高速な温度履歴を形成可能なデバイスを提供すること。
【解決手段】微小な流路と流路に沿って配置された複数のヒータからなる流路デバイスにおいて、流路デバイスは、一の基板と接合面に流路を形成した他の基板とが直接接合又は陽極接合で接合することにより形成され、複数のヒータは、いずれか一方の基板の接合面とは異なる面に形成され、ヒータが形成された基板は、ヒータ間に基板よりも熱伝導率が小さい領域を有することを特徴とする流路デバイス。
【選択図】図２

Description

本発明は主に流路中に流した液体に温度変化を与えて反応を励起・加速させる流路デバイスに関する。

従来の検体検査には、化学分析や試薬調合、化学合成、反応検出のために、mlからμlレベルの試薬が必要とされていた。しかし、近年では、試験管レベルでの検査において、リソプロセスや厚膜プロセス技術を応用して微細な反応場を形成することにより、nlレベルでの検査が可能となってきている。このような微細な反応場を利用する検体検査を小型化及び自動化された装置により一元的に実現するための技術として、μ-TAS（Micro Total Analysis system）技術が開発されている。μ-TAS技術は、遺伝子検査、染色体検査、及び細胞検査などの医療検査・診断や、バイオ技術、環境中の微量な物質検査、農作物等の飼育環境の調査、並びに農作物の遺伝子検査などに応用されている。

従来の検査では、主として検査技師の手技により試薬を扱っていたが、検査の工程は複雑であることが多く、機器の熟練操作が必要とされていた。しかし、μ-TAS技術の導入により工程が自動化されれば、操作者の技術いかんによらず再現性の高い検体検査が可能となる。その他、μ-TAS技術により、自動化、高速化、高精度化、低コスト、迅速性、環境インパクトの低減などが実現され、大きな効果を得られることが期待されている。

μ-TAS技術を導入した流路デバイスには、通常、反応液を通液させるための流路の他に、デバイスの用途により求められる加熱、冷却、乾燥、又は印加電圧等を反応場に生じさせるための処理部が設置されている。

例えば、加熱による反応場を利用する例としてはPCR反応（Polymerase Chain Reaction:ポリメラーゼ連鎖反応）を行うデバイスがある。微小量であるDNA(Deoxyribonucleic acid:デオキシリボ核酸)やRNA(Ribonucleic acid:リボ核酸)などの核酸を分析するためには、これらを必要な量に増幅させる必要がある。PCR反応法とは、核酸を増幅させる方法の一つである。DNAは4種類の塩基が連なった二本鎖から成る分子で構成されており、高温（例えば95℃付近）にすると二本の鎖がほどけて一本ずつに分かれるが、その後温度を下げる（例えば55℃付近）と再び二本鎖に戻る。温度を上下させる雰囲気中にプライマー（特に増幅させたい目的の塩基配列よりも上流の配列を持たせた一本鎖DNA）を大量に配合しておくと、温度が下がった際に、ほどけた二本鎖の多くにはプライマーが特定の相補的な部位に結合して二本鎖を形成する。ここで、ある配列とワトソン−クリック塩基対を形成して二本鎖を形成する塩基配列をその配列と相補的な配列であるといい、相補的な配列同士が結合して一本鎖が二本鎖になることをハイブリダイゼーションという。続けて中間温度（例えば70℃付近）にして、かつ溶液中にDNA合成酵素と4種類の塩基を配合しておくことで、プライマーが結合した部分を基点としてほどけたそれぞれの鎖と相補的な鎖を合成し、二本鎖を延長してゆく。これら一連の作業を繰り返すことでDNA、RNAを増幅することが可能となる。

特許文献１はPCR反応を高速に実施することを目的として、流路に対して複数の温度制御領域を有する流路デバイスを開示する。特許文献１における流路デバイスでは、加熱面側近傍に形成された流路が異なる温度領域の間において反加熱面側へ屈曲し、加熱面側には流路が屈曲した異なる温度領域間に溝形状の空気断熱層を有している。流路デバイスは装置側に用意された複数のヒータに、複数の温度領域ごとに接触して熱のやり取りを行う。

特開2008-253227号公報

通常PCR反応は複数の設定温度を往復する温度履歴のサイクルを複数回実施する反応形態である。ここで特許文献１では、PCR反応のそれぞれの段階に対応する三種類の温度のそれぞれを定常的に維持した区域を作り、流路内の液体がそれぞれの区域を往復運動した後に次の温度区域へ移動するように流路を形成することによって液体の温度変化を実現している。

しかし、特許文献１の流路デバイスでは、ヒータが流路デバイスではなく制御装置側に設けられており、これを流路デバイスに接することで加熱している。すなわち、流路内の液体の温度を変化させるためには流路壁面を構成する部材を介した熱移動を必要とするものであり、複数の温度領域の温度を高速に変化させることには限界がある。

したがって本願では、流体の移動に依存せずに時間的にも高速な温度履歴を形成可能なデバイスを提供することを目的とする。そのためには、複数の課題を同時に解決する必要がある。ヒータを有する流路形成方法として安価なこと、ヒータから流路への熱伝導が良好なこと、一本の流路に複数のヒータを有する際に各々の熱的動作を干渉しないことである。

上記したような課題に対応すべく、本発明ではヒータと流路を近接かつ一体のデバイスとして構成したことを特徴とする。さらに一方の基板の流路が形成される面とは反対側の面に金属抵抗体をパターニングして裏面ヒータとしたこと、直接的な接合方法を用いて二枚の基板を一体化したことを特徴とする。さらに、流路を複数有して複数流路のヒータへの配線のうち、断熱層近傍の配線を共通化したことを特徴とする。

上記したように本発明は、流路単独のデバイスを製作するのと同じ方法を用いながら製作工程を複雑化することなく、複数のヒータを配置して効率的に流路の温度変化を起こすことができる。さらに、流路に対して良好な熱的追従性を持ちつつ、複数のヒータ間で熱的干渉を抑止できる。

本発明の実施例１における流路デバイスの上面図。 本発明の実施例１における流路デバイスの底面図。 本発明の実施例１における流路デバイスの断面図。 本発明の実施例２における流路デバイスの断面図。 本発明の実施例３における流路デバイスの上面図。 本発明の実施例３における流路デバイスの底面図。 本発明の実施例３における流路デバイスの断面図。 本発明の実施例４における流路デバイスの断面図。 本発明の実施例５における流路デバイスの断面図。 本発明の実施例６における流路デバイスの底面図。

以下の実施例により、本発明の流路デバイスを説明する。本発明の流路デバイスは、微小な流路と流路に沿って配置された複数のヒータとを含むものであり、例えば医療検査素子に用いることができる。ここで医療検査素子とは、μ-TASに代表されるが、例えばDNAチップ、Lab on a Chip、マイクロアレイ、プロテインチップなど、医療検査・診断などに使用されるものを総称したものである。

図１から図３は本発明の実施例１に係る流路デバイスを説明するための図で、図１は表面からの図、図２は裏面からの図、図３は図２のA-A’における断面図である。１は表面側の基板、２は裏面側の基板、３はヒータ、４はヒータを駆動するための配線、５は流路デバイスに電気的な接続を行う電極パット、６は断熱層、７は試薬を出し入れする導入口、８は流路である。基板１，２は両方共にシリコン（Si）を用いた。Siの加工方法にはMEMS(Micro Electro Mechanical System)技術にも使われているものもあり、加工形状の制御を含めて加工しやすい。流路８と断熱層６は異方性エッチングによりSi基板を加工して製作した。ヒータ３には白金を用いて、配線４と電極パット５には金を用いた。

本実施例では、裏面側の基板の、流路とは反対面の裏面側にヒータを形成した。そのため、双方の基板の流路面側は流路８と断熱層６を除き平坦となり、基板同士は直接接合法によって一体化することができた。なお、より流路に近接させるために流路側の表面にヒータを形成すると、金属パターンによる凹凸ができてしまう。そのため、直接接合による接合では接合界面に段差による隙間が生じてしまい、流路からの試薬の漏れが誘発されて流路デバイスとして機能しない。この場合、両基板を接合させるためには、段差を吸収できるような接着層を介在させたり、絶縁材料を加えて平坦化したりするなどの付加工程が必要となり、製造工程が複雑化してしまう。本実施例に示すように、流路とは反対面の裏面にヒータを有することで流路を形成する際の接合界面を平坦に維持することが可能となり、直接接合を用いて形成することにより、簡素で安価に流路を製造することができた。

また、Siは熱伝導性に優れている。熱伝導率は168 [W/m・k]で、特許文献１で用いられているPDMSの0.2 [W/m・k]の実に約800倍に及ぶ。したがって、ヒータで加熱される面に流路を近接させる必要がある特許文献１とは異なり、本実施例では反対面に形成しても加熱能力には不足しない。また、流路デバイスとは別体でヒータを有する特許文献１と比べて、本実施例では裏面に形成したヒータは流路デバイスと一体化しているので熱伝達の効率も高い。これらは高速に温度変化を与える際に有利に働く。

ただし、熱伝導の高効率特性は等方的に働くので、複数のヒータを用意して加熱を行う場合には、互いの加熱動作によりヒータ間で影響を与えあってしまう。このヒータ間の相互影響は、断熱層６によりヒータ間に熱的な境界を設けることで減軽することができる。ここで、ヒータ間とは複数のヒータを直線的に結ぶ経路上のみを意味するものではなく、基板中の、一方のヒータによる熱が他方のヒータにより熱せられるべき部分へ伝導する経路上であれば断熱層を設ける位置は特に限定されることはない。なお、断熱層の構成としては、断熱層の熱伝導率がその他の基板部分よりも低くなればどのようなものでもよいが、基板材料を除去して空気断熱層とすることが、作成の容易さ及びコストの面から好ましい。流路８の近傍の材料を残して基板材料を除去することで、断面形状でSiの面積を減らした分だけ横方向の熱伝導率は制限される。本実施例では、図３にあるように、一方の基板は流路の近傍を除いて完全に貫通する開口を加工し、もう一方の基板は機械強度を確保するためエッチングで凹部を形成するにとどめた。貫通する開口は、流路近傍まで加工した後、流路部分をマスクして貫通部分のエッチングを行った。本実施例では流路形成基板に貫通した断熱層６を設けるので、流路と加工部位との位置合わせは両面でマスクの位置合わせができる両面アライナーを用いた。

なお、反対基板に流路を加工すると、流路と断熱層のそれぞれの位置誤差に接合時の位置誤差が加わるため、本実施例のように流路と貫通する断熱層は一枚の基板内に加工することが好ましい。また、電極パット５は電気的な接続を容易にするために一定以上の大きさを有することが望ましい。そこで、ヒータ３へ接続する配線のうち、断熱層に近接する配線は細くパターニングし、面積が取れる場所に電極パット５を配置した。

本実施例の流路デバイスは、例えば微細なチャネル流路の中に複数種類の試薬を導入し、PCR反応でDNAを増幅する用途等に用いることができる。μ-TASでは複数の機能デバイスを連結して使用することができる。本実施例で述べる流路デバイスでは一つの流路内に２つの検査内容に対応するプライマーを混合した試薬を２つ導入する。両検査試薬の間は混合しないようバッファとなる溶液または気体で分離する。２つの試薬は流路内の２つのヒータ上の位置にそれぞれ停止する。その後２つのヒータに電圧を印加して発熱させることでPCR反応に必要な所望の温度変化を与えて増幅反応を実施する。１つのヒータを用いた反応場で順次増幅して次のデバイスに送るよりも、２つのヒータで２つの試薬について同時に増幅作業をすることでスループットを上げることができた。また、PCRの反応は増幅する内容に応じて反応効率が最大となる条件が異なる場合がある。異なる条件とは温度の場合もあるし、各温度を維持する時間や維持形態などの場合もある。その様な場合にも、本実施例の流路デバイスでは相互の熱的な干渉を断熱層によって抑制しているので、それぞれ独立した制御駆動を行ない良好に反応させることができる。また、ヒータ３に白金を用いることで、抵抗値の温度係数から温度を観測可能となった。温度を観測するためには、ヒータの材料は白金に限られることはなく、一般的な金属からなるパターニングされた金属膜であればいかなるものでもよい。ここでは２つの試薬の同時期PCR反応を説明したが、例えば、一方のヒータを温度センサとして用いることで、PCR反応のみではなくPCR反応と温度モニターなど別の機能を組み合わせることも可能である。

図４に本発明に係る流路デバイスの他の実施例を示す。図４は第一の実施例の流路形成基板の断熱層６を加工する際に、第一の実施例と同様にSiの異方性エッチングを用いて加工した。第一の実施例では流路周りの断熱層を貫通させるためにマスキング作業からエッチングまでの一連の工程を二回繰り返していたところ、本実施例では一回にまとめることができて工程が簡略となった。本流路デバイスも第一の実施例と同様に良好に機能する。

図５から図７に本発明に係る流路デバイスの他の実施例を示す。図５は流路デバイスを表面側から見た図、図６は流路デバイスを裏面側から見た図、図７は流路を含み流路に沿った断面（図６中のB-B’）を描いた図である。図において１１は表面側基板、１２は裏面側基板、１３はヒータ、１４は配線、１５は電極パット、１６は断熱層、１７は試薬を出し入れする導入口、１８は流路、１９は蛍光色素の励起光、２０は励起されて発光している蛍光である。表面側基板１１はガラスからなり、テンパックス(商標)を用いた。裏面側基板１２にはSiを用いた。第一の実施例とは異なり、両基板の接合工程は陽極接合を用いた。第一の実施例と同様に裏面にヒータを配置しているので、追加工なしでも双方の基板の接合面は平坦であり良好に接合することができた。また、ガラスの熱伝導率は、例えば石英ガラスでは1.9 [W/m・k]であり、やはりPDMSに比べて一桁大きい。したがって従来技術に比べて熱の高速駆動が可能となる。本実施例の流路デバイスでは一方の基板が透明材料になっているので、流路への加熱の他にも光学的な操作を行うことができる。また、光学的な操作は表面から、電気的な接続は裏面からするように、機能を面で分離しているので、異なる操作が相互に干渉することが無くレイアウトに自由度がでた。

本実施例では最初のヒータを用いてPCR反応を起こしてDNAを増幅した後に、二番目のヒータで徐々に加熱しつつ、励起光１９を照射して蛍光２０を観測することで、DNAが二本鎖から一本鎖へ変化する様子を蛍光色素の輝度変化により観察した。また、本実施例の流路デバイスは、PCR反応を実施しつつ、もう一方のヒータで別の温度プロファイルを与える際にも良好に機能した。

図８に本発明に係る流路デバイスの他の実施例を示す。図８は図７に示したものと同じ断熱層を含む断面を示したものである。図８において２１は表面側基板で、材質は石英、２２は裏面側基板で材質はSi、２３は流路である。本実施例において石英とSiは直接接合によって接合した。石英は一般的なガラスと比較して広い波長領域で良好な透過率を有するので、光学的な操作、観測に適している。本流路デバイスも実施例３と同様に、温度操作と共に光学的な操作を同時にすることが可能である。

図９に表面側基板の材質を石英にした本発明に係る流路デバイスの他の実施例を示す。透明基板側よりレンズ３２を使ってレーザ光３１を集光しつつ照射し、流路で吸収して熱に変換することで流路内の試薬を加熱することができる。流路の温度の状態は裏面に一体化したヒータの抵抗値を観測してモニターする。本実施例によっても実施例３と同様に、良好に時間と共に推移する温度プロファイルを実現できる。

図１０に本発明に係る流路デバイスの他の実施例を示す。図１０は、複数の流路を並べて配置したものを裏面側から観察した図である。４２は裏面側基板、４３はヒータ、４４は共通化した配線、４５は電極パット、４６は断熱層、である。

本実施例では流路用のヒータの配線のうち、断熱層に近接する複数の配線を共通化した。これにより、ヒータの近傍まで断熱層を広げることができた。本実施例によれば本発明の構成の一つである断熱層の大きさを最大化でき、本発明の効果を最大化できる。

１ 基板
２ 基板
３ ヒータ
４ 配線
５ 電極パット
６ 断熱層
７ 導入口
８ 流路
１９ 励起光
２０ 蛍光
３１ レーザ光
３２ レンズ

Claims (10)

1. 微小な流路と流路に沿って配置された複数のヒータからなる流路デバイスにおいて、
   流路デバイスは、一の基板と接合面に流路を形成した他の基板とが直接接合又は陽極接合で接合することにより形成され、
   複数のヒータは、いずれか一方の基板の接合面とは異なる面に形成され、
   ヒータが形成された基板は、ヒータ間に基板よりも熱伝導率が小さい領域を有することを特徴とする流路デバイス。
2. 熱伝導率が小さい領域は、流路を形成した基板に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流路デバイス。
3. 接合法は陽極接合であることを特徴とする請求項２に記載の流路デバイス。
4. 接合法は直接接合であることを特徴とする請求項２に記載の流路デバイス。
5. 基板はSiであることを特徴とする請求項４に記載の流路デバイス。
6. 基板はSiとガラスであることを特徴とする請求項３または４に記載の流路デバイス。
7. 基板はSiと石英であることを特徴とする請求項４に記載の流路デバイス。
8. ヒータはパターニングされた金属膜であることを特徴とする請求項１に記載の流路デバイス。
9. 複数の流路が並んでおり、複数のヒータの間に配置されヒータに接続されている配線は共通化されていることを特徴とする請求項１に記載の流路デバイス。
10. 基板よりも熱伝導率が小さい領域は、基板材料が除去されている領域であることを特徴とする請求項１に記載の流路デバイス。

Images