JP2016161546A - マイクロ流路チップ - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ流路チップの流路内の検体に励起光を照射して流路内の検体から発生する蛍光を観察する際に、励起光が受光素子までの経路に入射することにより、蛍光の観察を阻害するのを防止する。
【解決手段】励起光を検体に照射することで生じる蛍光を観察する分析に供するマイクロ流路チップにおいて、マイクロ流路チップが有する各界面における励起光の反射の合成波の強度が小さくなるように、流路の励起光入射面に垂直な方向の深さおよびマイクロ流路チップを構成する部材の励起光入射面に垂直な方向の厚さを適切な値とする。
【選択図】 図1

Description

本発明は、流路内の検体へ励起光を照射することにより流路内の検体から発せられる蛍光の観察に用いられるマイクロ流路チップに関する。

少量の試料を微小な流路（マイクロ流路）内で反応させることにより、短時間で分析等を行う試みが近年多くなされている。その一形態として、検体に蛍光試料を注入し、その発光の状態から流路内の検体を分析するものがある。具体的な例として、検体中に含まれるDNAの融解温度測定が挙げられる。DNAは、室温に於いて二重螺旋の構造をとり、この時には蛍光標識は蛍光を発し、高い温度では一本鎖となり、蛍光は消失する。一本鎖となる温度は、DNA配列に依存しており、蛍光が消失する温度からその配列が推定される。

検体中の蛍光物質に励起光を照射し、生じた蛍光を観察するためのマイクロ流路を有するチップ（以下「マイクロ流路チップ」という）には、例えば特許文献１で開示されているものがある。このマイクロ流路チップは、ビーズ担体を用いた酵素免疫測定法により、検体中の物質の定量を行うものである。マイクロ流路チップはPDMS（ジメチルポリシロキサン）を用いて形成され、検量線を用いた特性評価においては、蛍光顕微鏡により、波長が546nmの励起光を検体に照射して、590nmの波長の蛍光画像を取得している。

一方、特許文献２では、支持基板上に検体を乗せて蛍光観察する観察方法において、レンズ等の光学部品やディスプレイに適用される反射防止膜を蛍光観察用の支持基板上に適用することで、垂直に入射した励起光の反射光の強度を低減する技術が開示されている。

特許第４２５３６９５号公報 特許第４８４４３１８号公報

特許文献１に記載されたマイクロ流路チップを用いて蛍光を観察する場合においても、励起光が受光素子に入射しないように、多くの場合、受光素子に入射する光の経路に励起光の波長の光を遮光するフィルタが挿入される。しかし、これらのフィルタは、励起光の波長の光を完全に遮光することはできず、特に、蛍光の発光強度が極めて弱い場合には、励起光が蛍光の検出を阻害する要因となってしまうという課題が有った。

一方、特許文献２に記載された反射防止膜は、支持基板とは構造が異なるマイクロ流路チップには適用できないため、マイクロ流路チップにおいては、励起光が蛍光の検出を阻害する要因になるという課題が解決されていなかった。

本発明は、励起光を検体に照射することで生じる蛍光を観察する分析に供するマイクロ流路チップにおいて、反射光の強度が小さくなる様に、励起光入射面内における流路の励起光入射面に垂直な方向の深さ（以下の説明においては単に「流路の深さ」と呼ぶ）およびマイクロ流路チップを構成する部材の励起光入射面に垂直な方向の厚さ（以下の説明においては単に「部材の厚さ」と呼ぶ）を適切な値とすることを特徴とする。

本発明の第１の形態によれば、励起光および蛍光に対して透過性が高い（実質的に透明である）第１の板状部材と、励起光に対して透過性が高い（実質的に透明である）第２の板状部材との間に、流路が形成された構造を有するマイクロ流路チップであって、前記第１の板状部材の側から前記流路に向けて照射された励起光の前記マイクロ流路チップによる反射を該第１の板状部材の側から観察したときの該励起光の反射率をR_Ｉとして下記式１で表したときに、前記第１の板状部材の厚さ、前記第２の板状部材の厚さおよび前記流路の深さが、該式１に従って計算されるR_Ｉを０．３未満とするような値であることを特徴とするマイクロ流路チップが提供される。

（ただし、式１において、r_s12は式２で与えられ、r_s23は式３で与えられ、r_s34は式４で与えられ、r_s45は式５で与えられ、r_p12は式６で与えられ、r_p23は式７で与えられ、r_p34は式８で与えられ、r_p45は式９で与えられ、Δ₁は式１０で与えられ、Δ₂は式１１で与えられ、Δ₃は式１２で与えられる。）

（ただし、式２〜式９において、n₁は励起光光源と第１の板状部材の間の領域の屈折率、n₂は第１の板状部材の屈折率、n₃は検体の屈折率、n₄は第２の板状部材の屈折率、n₅は流路に接している第２の板状部材の面とは反対側の面に接する空間の屈折率であり、θ₁は励起光の入射角度であり、θ₂は式１３で与えられ、θ₃は式１４で与えられ、θ₄は式１５で与えられ、θ₅は式１６で与えられる。）

（ただし、式１０〜式１２において、λは励起光の波長、d₂は第１の板状部材の厚さ、d₃は流路の深さ、d₄は第２の板状部材の厚さである。）

また、本発明の第２の形態によれば、励起光および蛍光に対して透過性が高い（実質的に透明である）第１の板状部材と、励起光に対して透過性が低い（実質的に不透明である）第２の部材との間に、流路が形成された構造を有するマイクロ流路チップであって、前記第１の板状部材の側から前記流路に向けて照射された励起光の前記マイクロ流路チップによる反射を該第１の板状部材の側から観察したときの該励起光の反射率をR_IIとして下記式１７で表したときに、前記第１の板状部材の厚さおよび前記流路の深さが、該式１７に従って計算されるR_IIを０．３未満とするような値であることを特徴とするマイクロ流路チップが提供される。

（ただし、式１７において、r_s12は式２で与えられ、r_s23は式３で与えられ、r_s34は式４で与えられ、r_p12は式６で与えられ、r_p23は式７で与えられ、r_p34は式８で与えられ、Δ₁は式１０で与えられ、Δ₂は式１１で与えられる。）

（ただし、式２〜式４及び式６〜式８において、n₁は励起光光源と第１の部材の間の領域の屈折率、n₂は第１の部材の屈折率、n₃は検体の屈折率、n₄は第２の部材の屈折率であり、θ₁は励起光の入射角度であり、θ₂は式１３で与えられ、θ₃は式１４で与えられ、θ₄は式１５で与えられる。）

（ただし、式１０〜式１１において、λは励起光の波長、d₂は第１の部材の厚さ、d₃は流路の深さである。）

本発明によれば、励起光の影響を低減し、発光強度の小さな蛍光の観察が可能なマイクロ流路チップを提供することができる。

本発明のマイクロ流路チップの第１の形態を説明するための模式図である。 本発明のマイクロ流路チップの第２の形態を説明するための模式図である。 本発明のマイクロ流路チップの第２の形態であって、図２で示したマイクロ流路チップと異なる構造のマイクロ流路チップを説明するための模式図である。 励起光とチップ内の各層間の界面とのなす角度、チップ内の各層の厚さ、流路の深さ、および各層の屈折率が、どの部分についての値であるかを示す概念図である。 マイクロ流路チップの流路が基板の表面に形成されている様子を説明するための模式図である。 励起光がマイクロ流路チップに垂直に入射し、その反射光がハーフミラーを透過して受光素子に入射する様子を説明するための模式図である。 実施例１のマイクロ流路チップにおいて、流路の深さと励起光の反射率の関係を示したグラフである。 実施例１のマイクロ流路チップの構造を説明するための模式図である。 実施例２のマイクロ流路チップの構造を説明するための模式図である。 実施例２のマイクロ流路チップにおいて、流路の深さと励起光の反射率の関係を示したグラフである。 実施例３のマイクロ流路チップにおいて、基板の厚さと励起光の反射率の関係を示したグラフである。 実施例４のマイクロ流路チップにおいて、基板の厚さと励起光の反射率の関係を示したグラフである。 実施例５のマイクロ流路チップにおいて、流路の深さと励起光の反射率の関係を示したグラフである。 実施例６のマイクロ流路チップにおいて、流路の深さと励起光の反射率の関係を示したグラフである。 実施例７のマイクロ流路チップにおいて、流路の深さと励起光の反射率の関係を示したグラフである。 実施例８および実施例９のマイクロ流路チップの構造を説明するための模式図である。 実施例８のマイクロ流路チップにおいて、流路の深さと励起光の反射率の関係を示したグラフである。 実施例９のマイクロ流路チップにおいて、流路の深さと励起光の反射率の関係を示したグラフである。 実施例１０のマイクロ流路チップの構造を説明するための模式図である。 実施例１１のマイクロ流路チップの構造を説明するための模式図である。 実施例１２のマイクロ流路チップの構造を説明するための模式図である。

本発明は、流路が少なくとも２つの部材で挟まれた構造を有するマイクロ流路チップに関するものであり、該少なくとも２つの部材のうち少なくとも一方の部材が板状でかつ光透過性の材料からなり、該一方の部材側から照射された励起光がその光透過性の板状部材を透過して流路に入射し、流路に入射した励起光によって流路内の検体から発生した蛍光がその光透過性の板状部材を透過して該一方の部材側に出射し、それが例えば受光素子により検出されるように構成される。

本発明のマイクロ流路チップは、２つの形態に大別される。その一つは、図１に示す様に、流路１０２を挟む部材１０１，１０３が、共に板状であって励起光１０８に対して透過性が高い材料から構成される形態（第１の形態）である。他の一つは、図２に示す様に、流路２０２に対して励起光２０８の入射側に位置する第１の部材２０１は励起光２０８に対して透過性が高い材料から構成されるが、流路２０２に対して励起光２０８の入射側とは反対側に位置する第２の部材２０３は励起光２０８に対して透過性が低い材料から構成される形態（第２の形態）である。この場合、第２の部材２０３の流路２０２に接する面とは反対側の面からの励起光２０８の反射は無いか、あるいは無視できるほど小さい。第２の形態においては、第１の部材２０１は板状でなくてはならないが、第２の部材２０３は必ずしも板状でなくてもよい。なお、本願において第１又は第２の部材が「板状」であるとは、当該部材が互いに平行な２つの表面に挟まれた形状を有することをいう。

図１に示す第１の形態のマイクロ流路チップにおいては、励起光１０８が反射する界面が４つ存在する。すなわち、第２の部材１０３内に入射した励起光１０８は、その部材が流路１０２と接している側の面とは反対側の面においても反射が生じ、その反射光（すなわち部材１０３に入射した励起光１０８の一部）が、再び流路１０２内に戻ってくる構造となっている。この場合、マイクロ流路の表面および各界面からの反射光の合成波１０９が、受光素子１１０に入射することから、それらの各反射光の位相を調整することで、合成波１０９の強度を小さくし、結果として、蛍光観察に対する励起光の反射光１０９の影響を低減することが可能である。位相の調整は、第１の部材１０１の厚さ、流路１０２の深さおよび第２の部材１０３の厚さを調整することにより可能である。

第１の形態のマイクロ流路チップにおける励起光の総括反射率（マイクロ流路チップに照射された励起光のうち入射側に戻ってくる反射光の割合）R_Ｉは、式１で記述される。

上記式１において、r_s12は式２で与えられ、r_s23は式３で与えられ、r_s34は式４で与えられ、r_s45は式５で与えられ、r_p12は式６で与えられ、r_p23は式７で与えられ、r_p34は式８で与えられ、r_p45は式９で与えられ、Δ₁は式１０で与えられ、Δ₂は式１１で与えられ、Δ₃は式１２で与えられる。

（ただし、式２〜式９において、n₁は励起光光源と第１の板状部材の間の領域の屈折率、n₂は第１の板状部材の屈折率、n₃は検体の屈折率、n₄は第２の板状部材の屈折率、n₅は流路に接している第２の板状部材の面とは反対側の面に接する空間の屈折率であり、θ₁は励起光の入射角度であり、θ₂は式１３で与えられ、θ₃は式１４で与えられ、θ₄は式１５で与えられ、θ₅は式１６で与えられる。）

（ただし、式１０〜式１２において、λは励起光の波長、d₂は第１の板状部材の厚さ、d₃は流路の深さ、d₄は第２の板状部材の厚さである。）

第１の形態において、励起光の反射率を所望の上限値Rよりも小さく（例えば０．３未満に）するためには、式１で記述されるR_ＩがRより小さく（例えば０．３未満に）なるように、第１の部材１０１の厚さd₂と、流路１０２の深さd₃と、第２の部材１０３の厚さd₃を決定し、その決定に基づいてマイクロ流路チップを作製すれば良い。

なお、上限値Rは必ずしも０．３（３０％）である必要はなく、任意の上限値を定めることが可能である。０．３以外の上限値としては、例えば０．１、０．０７、０．０５、０．０３などを採用することができる。

一方、図２に示す第２の形態のマイクロ流路チップにおいては、励起光２０８が反射する界面が３つ存在する。すなわち、第２の部材２０３は実質的に不透明であって入射した励起光２０８は、再び流路２０２内に戻らない構造である。この場合、各反射光の位相の調整は、第１の部材２０１の厚さと励起光入射面内の流路２０２の深さを調整することにより可能である。

第２の形態のマイクロ流路チップにおける励起光の総括反射率R_IIは、式１７で記述される。第２の形態においては、第２の部材２０３の流路２０２と反対側の面からの励起光の反射は無視することができるので、式１７は式１からその無視できる反射光の寄与に関する項、すなわちr_s45を含む項とr_p45を含む項を削除したものとなっている。

上記式１７におけるr_s12、r_s23、r_s34、r_p12、r_p23、r_p34、Δ₁、およびΔ₂の定義は、式１におけるものと同様である。

第２の形態において、励起光の反射率を所望の上限値Rよりも小さく（例えば０．３未満に）するためには、式１７で記述されるR_IIがRより小さく（例えば０．３未満に）なるように、第１の部材２０１の厚さd₂と、流路２０２の深さd₃を決定し、その決定に基づいてマイクロ流路チップを作製すれば良い。

この場合も、上限値Rは必ずしも０．３（３０％）である必要はなく、任意の上限値を定めることが可能である。０．３以外の上限値としては、例えば０．１、０．０７、０．０５、０．０３などを採用することができる。

なお、第１の形態は、図３に示す形態のマイクロ流路チップも含む。すなわち、図１で示す構造のマイクロ流路チップの第２の部材１０３の流路１０２と接する面とは反対側の面に、励起光１０８を透過しない部材１１１が形成されている場合である。

図４に、励起光とチップ界面とのなす角度θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅、厚さd₂、d₄、流路深さd₃、および各屈折率n₁、n₂、n₃、n₄、n₅が、どの部分の値であるかを、第１の形態のマイクロ流路チップに則して示す。

さらに、励起光の照射領域内にあるひとつの流路内に、部材の厚さや流路の深さが異なる領域が複数存在するように形成することにより、励起光波長等、測定条件が異なる場合においても、本発明のマイクロ流路チップが、広く使用できるようにすることが可能である。

あるいは部材の厚さや流路の深さが各領域内で均一な領域を複数設けるのではなく、部材の厚さや流路の深さの少なくとも一つが、徐々に変わる流路を形成したマイクロ流路チップとしても良い。

部材の厚さや流路の深さが異なる領域を形成する方法として、部材表面の所望の領域にマスクを形成した後に、種々の成膜方法により所望の厚さの膜を形成したり、あるいは、所望の深さをエッチング等で除去するという工程を繰り返す方法が挙げられる。または、ドライエッチングや成膜において、マスクを部材表面に形成するのではなく、部材表面近傍に金属板等で形成されたマスクを置き、成膜やエッチングを繰り返しても良い。マスクを部材表面近傍に置く場合、マスクを部材表面と概略平行に徐々に移動させることにより、部材の厚さや流路の深さを徐々に変えることが可能である。

一般に、励起光は、可視光領域の波長を持つものが利用され、その光源には、水銀ランプ、発光ダイオード、レーザー等様々なものが用いられる。

一方、受光素子には、種々のイメージセンサが一般的に用いられる。もっとも、受光側には、受光素子は必須ではなく、例えば、目視による蛍光の観察を行う場合には、蛍光が見える様になっていれば良い。

可視光領域で光透過性が高い材料には、石英ガラスや硼珪酸ガラス等の種々のガラスや、PDMS（ジメチルポリシロキサン）、ポリカーボネート、PMMA（ポリメチルメタクリレート）、ポリスチレン、ポリエチレン、COP（環状ポリオレフィン）等の樹脂が挙げられる。したがって、これらの材料が、部材１０１、部材２０１あるいは部材１０３の材料として好適に用いられる。

図１では、注入口１０４や排出口１０５を部材１０３を貫通する孔としているが、これらの孔は、必ずしもこの構造でなくても良く、例えば、部材１０１を貫通するように形成しても良いし、流路１０２を形成する部材１０６に形成しても良い。

図２における部材２０３は、励起光２０８を実質的に透過しない材料であればどの様なものでも使用可能である。つまり、励起光２０８の反射や吸収が著しい材料や構造を有するものが用いられる。そのようなものとしては、金属や単層カーボンナノチューブや微細孔が高密度に形成された材料が挙げられる。

流路は、図５にその一例を示す様に、流路に接する部材のどちらか一方の表面を加工して形成しても良いし、あるいはその両方に形成しても良い。あるいは、図１に示す様に部材１０６の両面を貫通するように形成しても良い。部材１０６は、所望の深さの流路が形成できれば、どの様なものでも使用可能である。

さらに、本発明のマイクロ流路チップは、蛍光観察領域と励起光照射領域から外れた場所に、フィルタやポンプ等の機構を有していても構わないし、励起光入射面内に重ならない様に、複数の流路を形成しても、分岐した形状の流路を形成しても構わない。

流路を挟む部材の厚さを所望の値になる様に加工するには、部材を薄くする方法を用いても、厚くする方法を用いてもどちらでも構わない。薄くする方法としては、CMP法（化学機械研磨法）やエッチング技術が挙げられる。エッチング技術は、ドライエッチングとウェットエッチングのどちらも使用可能である。厚くする方法としては、基板と同じ材料を成膜する方法が挙げられる。

流路深さは、流路形成時に所望の深さとなる様に加工するか、あるいは図１に示す様に、所望の厚さを有する部材１０６を用いれば良い。

部材を薄くしたり、流路を形成する場合に精度の良い加工を行うには、どちらに於いてもエッチングが好適に用いられる。エッチングにおける加工速度は、それに用いるガスや薬液の組成や濃度を適切に選択することで調整可能である。

さらに、部材の材料によっては、所望の寸法を有する型を用いた、射出成型、モールディングあるいはインプリントを用いることが可能である。そのような材料として、樹脂が挙げられる。

本実施例では、蛍光顕微鏡を用いて流路内の検体の蛍光を観察する場合に使用する本発明のマイクロ流路チップの例を示す。用いるマイクロ流路チップは、流路が厚さ0.95mmの石英基板と厚さ1.0mmの石英基板で挟まれた構造である。石英基板の屈折率は1.53、測定環境は空気中で、空気の屈折率は1.00である。励起光の波長は486nmである。励起光の光源に水銀ランプを用いる。一般的な蛍光顕微鏡では、図６に示す様に、マイクロ流路チップ３００の基板面に対して垂直に、すなわち入射角度0°で光源３０１からの励起光３０４が入射され、反射光３０５はハーフミラー３０２を直進して受光素子３０３に入射される。本実施例に於いても同様の蛍光顕微鏡を用いる。

上記の条件から、λを486nm、θ₁を0°、n₁およびn₅を1.00、n₂およびn₄を1.53、d₂を0.95mm、d₄を1.0mmとして式１から求められる反射率を算出する。

図７は、主として水からなり、屈折率が1.33である検体からの蛍光を観察する場合についての計算結果である。流路の深さが30μｍ±0.2μｍの範囲内において計算を行った。

この結果によれば、反射率は、0％から23％程度の範囲で周期的に変化している。流路の深さ30μｍ付近では、29.995μｍの流路深さにすると、励起光の反射率を最も低減させることが可能である。あるいは、励起光の反射率が例えば０．０５未満（5％未満）であって、流路の深さを30μｍ程度とする場合は、流路の深さを29.971μｍから30.019μｍの間とすれば良い。

このマイクロ流路の作製例を以下に示す。

図８は、本実施例のマイクロ流路チップの構造を示す模式図である。厚さ1.0mmの石英基板４０１の表面に、流路４０２を形成するためのレジストパターニングを施す。次に、四フッ化炭素雰囲気中で反応性イオンエッチングを行い、深さ29.995μｍの深さの流路を形成する。この時のエッチングレートは、18nm/minで、エッチング時間は秒単位で設定可能である。つまり流路の深さを精度よくコントロール可能である。流路形成後に、レジスト剥離液に浸漬し、レジストパターンを除去する。

所望の深さの流路４０２を形成した後に、流路形成面とは逆の面全面を、流路４０２の加工底面からの厚さが0.95mmになる様に反応性イオンエッチングでエッチングする。

貼り合せた時に流路４０２の両端面に、注入口４０４と排出口４０５が形成される様に、レーザー加工装置を用いて、他方の石英基板４０３に貫通孔を形成する。

プラズマアッシング装置により、石英基板４０１の流路形成面と石英基板４０３の貼り合せ面をアッシングし、その後直ちに加圧して接合し、マイクロ流路チップとする。

図９に示した様に、本実施例では流路５０２と基板５０３の間に二酸化シリコン膜５０６とタングステン膜５０７が形成されたマイクロ流路チップの例を示す。実施例１と同様に、石英基板５０１の厚さは、流路５０２に接している領域では0.95mmである。基板５０３は、表面に酸化シリコン膜が形成されたシリコンウエハである。基板５０３上に流路５０２の幅と同じ幅で厚さ300nmのタングステン線５０７を形成し、その上に厚さ2μｍの二酸化シリコン膜５０６が形成されている。タングステンの屈折率は2.76、二酸化シリコンの屈折率は1.47である。励起光の波長は、実施例１と同様で486nmである。励起光は、マイクロ流路の基板面に対して垂直に入射する。測定は、大気中で行う。

上記の条件から、λを486nm、θ₁を0°、n₁および1.00、n₂を1.53、n₄を1.47、n₅を2.76、d₂を0.95mm、d₄を2μmとして式１から求められる反射率を算出する。

図１０は、主として水からなり、屈折率が1.33である検体からの蛍光を観察する場合についての計算結果である。流路の深さが30μｍ±0.2μｍの範囲内において計算を行った。

この結果によれば、反射率は、およそ1％から32％の範囲で周期的に変化している。流路の深さ30μｍ付近では、29.951μｍの流路深さにすると、励起光の反射率を最も低減することが可能である。あるいは、励起光の反射率が例えば０．０５未満（5％未満）であって、流路の深さを30μｍ程度とする場合は、流路の深さを29.933μｍから29.969μｍの間とすれば良い。

タングステン膜の形成は、CVDにより行う。シランとアンモニアの混合ガス雰囲気中でシリコンウエハ上にCVDにより窒化シリコン膜を形成する。タングステン膜を形成する場所が開口しているレジストマスクを形成し、六フッ化硫黄と酸素の混合ガス雰囲気中で窒化シリコンをドライエッチングで除去する。この状態で、シリコンイオンを注入する。その後、80℃に加温したりん酸液中に浸漬し、窒化シリコン膜を除去する。六フッ化タングステンガス雰囲気中でCVDによりタングステン膜を形成する。このときタングステン膜はシリコンイオンを注入した場所にのみ堆積する。シランと一酸化二窒素ガス雰囲気中で、CVDによりタングステン膜を形成したシリコンウエハ全面に、４μｍの膜厚の二酸化シリコン膜を形成する。二酸化シリコン膜表面を平たんにするために、CMP法により研磨する。

流路５０２の形成と基板５０１と二酸化シリコン膜５０６の貼り合せは、実施例１と同様の方法で形成する。

実施例１で用いたマイクロ流路チップと同様の構造のチップにおいて、図８に示す基板４０１の基板の厚さを調整することにより、励起光の反射率を低減させる例について示す。

基板４０３は石英基板で、屈折率は1.53、厚さは1.0mmで実施例１と同じである。また、励起光の波長、励起光の入射角度、検体の屈折率も実施例１と同じである。

初期の厚さが1.0mmの石英基板に、深さ30μｍの流路４０２を形成する。

λを486nm、θ₁を0°、n₁およびn₅を1.00、n₂およびn₄を1.53、d₃を30μｍ、d₄を1.0mmとして式１から求められる反射率を算出する。図１１は、得られた計算結果である。

この結果によれば、反射率は、およそ1％から16％の範囲で周期的に変化している。基板４０１の厚さを0.95mm程度とするには、0.949978mmの厚さにすると、励起光の反射率を最も低減することが可能である。あるいは、励起光の反射率が例えば０．０５未満（5％未満）であって、基板４０１の厚さを0.95mm程度とする場合は、0.949956mmから0.950028mmの間とすれば良い。

ガラス基板の厚さを所望の値にする方法として、本実施例に於いては研磨を用い、CMP法とドライエッチングを併用する。すなわちCMP法により所望の厚さ近くまで短時間で研磨し、精密な研磨はドライエッチングで行う。ドライエッチングは、六フッ化硫黄ガス雰囲気中で行う。

流路４０２の形成と、基板４０１と基板４０３との貼り合せ方法は、実施例１と同様である。

図８に示すマイクロ流路チップで、厚さが0.95mmの基板４０１と、厚さが1.0mm程度の基板４０３で、深さ30μｍの流路４０２が挟まれた構造で、基板４０３の厚さを二酸化シリコン膜を形成して調整するマイクロ流路チップを示す。基板４０１は石英からなり、その屈折率は1.53、基板４０３は初期の厚さが1.0mmの硼珪酸ガラスからなり、屈折率は1.47である。基板４０３の厚さを調整するために形成する二酸化シリコン膜の屈折率も1.47である。測定環境は空気中で、空気の屈折率は1.00、検体の屈折率は1.33である。励起光の波長は486nmである。

上記の条件から、λを486nm、θ₁を0°、n₁およびn₅を1.00、n₂を1.53、n₄を1.47、n₃を1.33、d₂を0.95mm、d₃を30μｍとして式１から求められる反射率を算出する。計算結果を図１２に示す。計算範囲は、基板４０３の厚さが1.0mm±0.4μｍの範囲である。

この結果によれば、反射率は、およそ0％から18％の範囲で周期的に変化している。基板４０３の厚さを149nm厚くすることで、励起光の反射率を最も低減することが可能である。あるいは、励起光の反射率を例えば０．０７未満（7％未満）とするには、118nmから180nmの範囲で基板４０３の厚さを厚くすれば良い。

本実施例では、基板４０３の厚さを二酸化シリコン膜の成膜により調整する。基板４０３と二酸化シリコン膜は屈折率が同じ値であるため、光学的には一つの構造体としてみなすことが可能である。

本実施例では、基板４０３の表面で、流路４０２と接する方に、CVDを用いて二酸化シリコン膜を形成する。このとき用いるガスは、テトラエトキシシランガスである。なお、二酸化シリコン膜を形成する面は、本実施例と逆の面でも構わない。

流路４０２の形成と、基板４０１と基板４０３との貼り合せ方法は、実施例1と同様である。

さらに、本実施例では、実施例１において励起光の入射角が30°である場合について示す。すなわち、λを486nm、θ₁を30°、n₁およびn₅を1.00、n₂およびn₄を1.53、n₃を1.33、d₂を0.95mm、d₄を1.0mmとして式１から求められる反射率を算出する。

図１３にその計算結果を示す。この結果によれば、反射率は、およそ1％から15％の範囲で周期的に変化している。流路の深さ30μｍ付近では、30.036μｍの流路深さにすると、励起光の反射率を最も低減することが可能である。あるいは、励起光の反射率が例えば０．１未満（10％未満）であって、流路の深さを30μｍ程度とする場合は、流路の深さを29.980μｍから30.092μｍの間とすれば良い。

本実施例のマイクロ流路チップの作製は、実施例１と同様にすれば良い。

さらに、本実施例では、実施例１において励起光の波長が650nmである場合について示す。すなわち、λを650nm、θ₁を0°、n₁およびn₅を1.00、n₂およびn₄を1.53、n₃を1.33、d₂を0.95mm、d₄を1.0mmとして式１から求められる反射率を算出する。

図１４にその計算結果を示す。この結果によれば、反射率は、およそ0％から21％の範囲で周期的に変化している。流路の深さ30μｍ付近では、30.056μｍの流路深さにすると、励起光の反射率を最も低減することが可能である。あるいは、励起光の反射率が例えば０．０３未満（3％未満）であって、流路の深さを30μｍ程度とする場合は、流路の深さを30.030μｍから30.083μｍの間とすれば良い。

本実施例のマイクロ流路チップの作製は、実施例１と同様にすれば良い。

さらに、本実施例では、実施例１において、検体が主に酢酸からなり、その屈折率が1.37である場合について示す。すなわち、λを486nm、θ₁を0°、n₁およびn₅を1.00、n₂およびn₄を1.53、n₃を1.37、d₂を0.95mm、d₄を1.0mmとして式１から求められる反射率を算出する。

図１５にその計算結果を示す。この結果によれば、反射率は、0％から22％程度の範囲で周期的に変化している。流路の深さ30μｍ付近では、30.008μｍの流路深さにすると、励起光の反射率を最も低減することが可能である。あるいは、励起光の反射率が例えば０．０５未満（5％未満）であって、流路の深さを30μｍ程度とする場合は、流路の深さを29.983μｍから30.033μｍの間とすれば良い。

本実施例のマイクロ流路チップの作製は、実施例１と同様にすれば良い。

図１６に示す構造であって、基板６０１は硼珪酸ガラスからなり、基板６０３はプラチナからなるマイクロ流路の例について示す。基板６０１の屈折率は1.48で、基板６０３の屈折率は2.95である。検体は、5％砂糖水を主体とし、その屈折率は1.34である。基板６０１の厚さは0.65mmである。励起光の波長は720nmで、励起光の入射角は15°である。また、マイクロ流路チップは大気中にあり、空気の屈折率は1.00である。

λを720nm、θ₁を15°、n₁を1.00、n₂を1.48、n₃を1.34、n₄を2.95、d₂を0.65mm、として式１７から求められる反射率を算出する。

計算結果を図１７に示す。この結果によれば、反射率は、およそ4％から32％の範囲で周期的に変化している。流路の深さ30μｍ付近では、30.056μｍの流路深さにすると、励起光の反射率を最も低減することが可能である。あるいは、励起光の反射率が例えば０．１未満（10％未満）であって、流路の深さを30μｍ程度とする場合は、流路の深さを30.036μｍから30.076μｍの間とすれば良い。

流路６０２の形成は、実施例１と同様である。また、本実施例のマイクロ流路チップの基板６０１と基板６０３は接合が困難であるので、蛍光観察を行う際には、基板６０１と基板６０３を挟む力を外部から加えて使用する。したがって、基板６０１と基板６０３の分離は容易であり、基板６０３を再利用することが可能である。

図１６に示す構造であって、基板６０１は硼珪酸ガラスからなり、基板６０３は金からなるマイクロ流路チップの例について示す。本実施例に於いては、流路の深さは30μｍで基板６０１の厚さを調整する。基板６０１の屈折率は1.48で、基板６０３の屈折率は0.34である。検体は主に水からなり、その屈折率は1.33である。励起光の波長は720nmで、励起光の入射角は0°である。また、マイクロ流路チップは大気中にあり、空気の屈折率は1.00である。

λを720nm、θ₁を0°、n₁を1.00、n₂を1.48、n₃を1.33、n₄を0.34、d₃を30μｍ、として式１７から求められる反射率を算出する。

計算結果を図１８に示す。この結果によれば、反射率は、およそ22％から52％の範囲で周期的に変化している。基板６０１の厚さが0.65mm付近では、0.649739mmの厚さにすると、励起光の反射率を最も低減することが可能である。あるいは、励起光の反射率が例えば０．３未満（30％未満）であって、基板６０１の厚さを0.65mm程度とする場合は、その厚さを0.649706mmから0.649772mmの間とすれば良い。

流路６０２の形成は、実施例１と同様である。また、本実施例のマイクロ流路チップの基板６０１と基板６０３は接合が困難であるので、蛍光観察を行う際には、基板６０１と基板６０３を挟む力を外部から加えて使用する。したがって、基板６０１と基板６０３の分離は容易であり、基板６０３を再利用することが可能である。

さらに、本発明は、励起光を照射し蛍光観察をする領域において、流路の深さ、上基板の厚さおよび下基板の厚さの３つの項目の内、少なくとも１つが異なる複数の領域を有するマイクロ流路チップを含むものである。本実施例は、この形態のマイクロ流路チップの一例であり、流路の深さと上基板の厚さが異なるマイクロ流路チップに関する。

図１９に本実施例のマイクロ流路チップの構造を示す。本実施例で用いるマイクロ流路チップは、基板７０１と基板７０３が石英からなり、基板７０３の厚さが1.0mmである。石英基板の屈折率は1.53である。流路７０２の深さ並びに基板７０１の厚さが異なる領域は５つあり、各領域を領域A、領域B、領域C、領域D、領域Eとする。流路７０２の深さと基板７０１の厚さの合計値はいずれの領域においても1.0mmで一定とした。領域Aにおける流路深さは20.0μｍ、領域Bにおける流路深さは20.1μｍ、領域Cにおける流路深さは20.8μｍ、領域Dにおける流路深さは21.0μｍ、領域Eにおける流路深さは21.1μｍである。測定環境は空気中で、空気の屈折率は1.00である。屈折率がそれぞれ1.33、1.34、1.35、1.36、1.37の５種類の検体を本実施例のマイクロ流路チップを用いて観察する時の励起光の反射率の値について表１に示す。ただし、この時の励起光の波長λは486nmで、入射角は0°である。表１から分かる様に、例えば、屈折率が1.33である検体を観察する場合には、領域Aにおいて蛍光観察をすれば、励起光の反射率が低く抑えられ、良好な蛍光観察が可能である。あるいは、屈折率が1.37である検体を観察する場合には、領域Cにおいて蛍光観察をすれば良い。

また、表２に波長λが800nmの励起光に対する各領域の反射率を示す。この場合においても、適当な領域を選択することで、励起光の反射を小さくすることが可能であることが分かる。

さらに異なる屈折率を持つ検体や、異なる蛍光波長の観察において、本実施例のマイクロ流路チップでは、励起光の反射を十分に小さくすることができない場合には、さらに異なる流路深さ、基板７０１の厚さあるいは基板７０３の厚さを有する領域を形成すれば良い。

流路７０２の形成は、レジストパターニングとエッチングを繰り返して行う。まず最初に最も深くする流路の領域だけ開口したレジストマスクを形成する。二番目に深い領域との差分だけエッチングを行った後に、レジストマスクを除去する。次いで最も深い領域と、二番目に深い領域の両領域が開校したレジストマスクを形成した後に、三番目に深い領域と二番目に深い領域との差分だけエッチングを行う。以上の工程を繰り返し行うことで、深さの異なる領域を複数有する流路７０２が形成される。基板７０１と基板７０３の貼り合わせは、実施例１と同様である。

実施例１０では、一つの流路内に複数の領域を設けた例を挙げたが、本発明のマイクロ流路は、これに限らず、流路深さや基板の厚さが異なる流路を複数形成したものでも良い。

図２０は、本実施例のマイクロ流路チップの流路幅方向の断面図である。基板８０１の表面を加工し、深さが等しい流路を５つ形成している。基板８０２は、各流路の直下の厚さが異なる様に形成されている。基板８０１は硼珪酸ガラスを用い、流路が形成されている箇所の厚さは0.95mmである。流路の深さは何れの流路も25μｍである。基板８０２は、ポリカーボネートからなり、その厚さは、流路８０３の直下で0.59990mm、流路８０４直下で0.59985mm、流路８０５の直下で0.59980mm、流路８０６の直下で0.59975mm、流路８０７の直下で0.59970mmとする。硼珪酸ガラスの屈折率は1.48で、ポリカーボネートの屈折率は1.59である。

励起光の波長λは723nmで、入射角0°で入射する。屈折率がそれぞれ1.33、1.34、1.35、1.36、1.37の５種類の検体を本実施例のマイクロ流路チップを用いて観察する時の励起光の反射率の値について表３に示す。表３から分かる様に、例えば、屈折率が1.33である検体を観察する場合には、流路８０７に検体を注入して蛍光観察をすれば、励起光の反射率が低く抑えられ、良好な蛍光観察が可能である。あるいは、屈折率が1.36である検体を観察する場合には、流路８０３において蛍光観察をすれば良い。

厚さが異なる領域を複数有する基板８０２を作製する方法として、メタルマスクを用いる。クロムからなる板形状のマスクを基板８０２の一方の表面に重ね、このマスクの上からフッ酸ガス中でドライエッチングを行う。ドライエッチングの初期に於いては、最も厚さを薄くする領域だけマスクが重ならない様に置き、２番目に薄い領域の厚さとの差分だけエッチングを進める。次に、最も厚さの薄い領域と、２番目に薄い領域の両領域が重ならない様にメタルマスクをずらし、エッチングを進める。この工程を繰り返すことにより、厚さが異なる領域を複数有する基板８０２が作製される。基板８０１と基板８０２の接合は、プラズマアッシングにより、基板８０１の接合面と、基板８０２の接合面をアッシングした後に、直ちに重ね合わせ、加圧および加熱をして接合する。

実施例１０および実施例１１では、各領域あるいは流路内での基板の厚さや流路の深さは一定であるが、本発明のマイクロ流路チップは、この形態に限らず、流路の深さや基板の厚さが徐々に変わっているものであっても良い。

図２１は、本実施例のマイクロ流路チップの流路長さ方向の断面を示す模式図である。流路９０２が基板９０１に形成され、流路９０２の深さが注入口９０４から排出口９０５に向かって徐々に浅くなっている。また、流路９０２の深さと基板９０１の厚さを合わせた値は一定である。基板９０１は、流路９０２の深さを含めた厚さが0.7mmの石英ガラスであり、基板９０３は厚さが0.4mmのポリメチルメタクリレートからなる。石英ガラスの屈折率は1.53、ポリメチルメタクリレートの屈折率は1.60である。

流路９０２の深さの変化量をどの程度にすれば良いかは、主として反射率を小さくしようとする励起光の波長λに依存する。先に示した実施例でもわかる様に、励起光の反射率は、周期的に変化し、波長λに比例する。したがって、広い波長範囲で使用可能なマイクロ流路チップとするには、使用する最も長い波長の励起光において反射率を調整可能とすれば良い。本実施例では、流路９０２の深さの最も浅い箇所で19μｍとし、最も深い箇所で21μｍとする。屈折率がそれぞれ1.33、1.34、1.35、1.36、1.37の５種類の検体について、励起光の反射率が最も小さくなる流路深さを表４に示す。ただし、励起光波長は、360nm、600nm、830nmについて示す。表４から分かる様に、いずれの検体においても、本実施例のマイクロ流路チップで反射率を小さくすることが可能な場所が存在することが分かる。

流路の深さが徐々に変化する流路の形成は、次の工程により行う。基板９０１の流路９０２を形成する面の表面に流路部が開口したレジストパターンを形成する。このレジスト面に、実施例１１でも用いたクロムからなるメタルマスクを重ねる。フッ酸ガス雰囲気中に於いてドライエッチングを行いながら、基板９０１面と平行にメタルマスクを一定の速度でずらしていく、流路内におけるエッチング時間が、実質線形的に変化することから流路深さが徐々に変化する流路９０２が形成される。

基板９０１と基板９０３の接合は、実施例１１と同様に行う。

本発明は、微量な検体を蛍光により分析するマイクロ流路に関するものであり、化学反応の試験や、遺伝子解析、臨床検体解析、環境試験等に供することができる。

１０１、２０１ 励起光および蛍光を透過する部材
１０３、２０３ 流路に対して励起光入射側とは反対側に位置する部材
４０１、４０３、５０１、５０３、６０１、６０３、７０１、７０３、８０１、８０２、９０１、９０３ 基板
１０２、２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０３、８０４、８０５、８０６、８０７、９０２ 流路
１０４、２０４、４０４、５０４、６０４、７０４、９０４ 注入口
１０５、２０５、４０５、５０５、６０５、７０５、９０５ 排出口
１０６、２０６ 流路形成基板
１０７、２０７、３０１ 光源
１０８、２０８、３０４ 励起光
１０９、２０９ 反射光の合成波
１１０、２１０、３０３ 受光素子
１１１ 励起光を透過しない部材
３００ マイクロ流路チップ
３０２ ハーフミラー
３０５ 蛍光
５０６ 二酸化シリコン膜
５０７ タングステン膜

Claims (15)

1. 励起光および蛍光に対して透過性が高い第１の板状部材と、励起光に対して透過性が高い第２の板状部材との間に、流路が形成された構造を有するマイクロ流路チップであって、
   前記第１の板状部材の側から前記流路に向けて照射された励起光の前記マイクロ流路チップによる反射を該第１の板状部材の側から観察したときの該励起光の反射率をR_Iとして下記式１で表したときに、前記第１の板状部材の厚さ、前記第２の板状部材の厚さおよび前記流路の深さが、該式１に従って計算されるR_Iを０．３未満とするような値であることを特徴とするマイクロ流路チップ。
   

   

   （ただし、式１において、r_s12は式２で与えられ、r_s23は式３で与えられ、r_s34は式４で与えられ、r_s45は式５で与えられ、r_p12は式６で与えられ、r_p23は式７で与えられ、r_p34は式８で与えられ、r_p45は式９で与えられ、Δ₁は式１０で与えられ、Δ₂は式１１で与えられ、Δ₃は式１２で与えられる。）
   

   

   

   

   

   

   

   

   

   （ただし、式２〜式９において、n₁は励起光光源と第１の板状部材の間の領域の屈折率、n₂は第１の板状部材の屈折率、n₃は検体の屈折率、n₄は第２の板状部材の屈折率、n₅は流路に接している第２の板状部材の面とは反対側の面に接する空間の屈折率であり、θ₁は励起光の入射角度であり、θ₂は式１３で与えられ、θ₃は式１４で与えられ、θ₄は式１５で与えられ、θ₅は式１６で与えられる。）
   

   

   

   

   
   （ただし、式１０〜式１２において、λは励起光の波長、d₂は第１の板状部材の厚さ、d₃は流路の深さ、d₄は第２の板状部材の厚さである。）
   

   

   

   

   
2. 前記第１の板状部材の厚さ、前記第２の板状部材の厚さおよび前記流路の深さが、該式１に従って計算されるR_Iを０．１未満とするような値であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流路チップ。
3. 前記第１の板状部材の厚さ、前記第２の板状部材の厚さおよび前記流路の深さが、該式１に従って計算されるR_Iを０．０７未満とするような値であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流路チップ。
4. 前記第１の板状部材の厚さ、前記第２の板状部材の厚さおよび前記流路の深さが、該式１に従って計算されるR_Iを０．０５未満とするような値であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流路チップ。
5. 前記第１の板状部材の厚さ、前記第２の板状部材の厚さおよび前記流路の深さが、該式１に従って計算されるR_Iを０．０３未満とするような値であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流路チップ。
6. 励起光および蛍光に対して透過性がある第１の板状部材と、励起光に対して不透明である第２の部材との間に、流路が形成された構造を有するマイクロ流路チップであって、
   前記第１の板状部材の側から前記流路に向けて照射された励起光の前記マイクロ流路チップによる反射を該第１の板状部材の側から観察したときの該励起光の反射率をR_IIとして下記式１７で表したときに、前記第１の板状部材の厚さおよび前記流路の深さが、該式１７に従って計算されるR_IIを０．３未満とするような値であることを特徴とするマイクロ流路チップ。
   

   

   （ただし、式１７において、r_s12は式２で与えられ、r_s23は式３で与えられ、r_s34は式４で与えられ、r_p12は式６で与えられ、r_p23は式７で与えられ、r_p34は式８で与えられ、Δ₁は式１０で与えられ、Δ₂は式１１で与えられる。）
   

   

   

   

   

   

   

   （ただし、式２〜式４及び式６〜式８において、n₁は励起光光源と第１の板状部材の間の領域の屈折率、n₂は第１の板状部材の屈折率、n₃は検体の屈折率、n₄は第２の部材の屈折率であり、θ₁は励起光の入射角度であり、θ₂は式１３で与えられ、θ₃は式１４で与えられ、θ₄は式１５で与えられる。）
   

   

   

   （ただし、式１０〜式１１において、λは励起光の波長、d₂は第１の板状部材の厚さ、d₃は流路の深さである。）
   

   

   

   
7. 前記第１の板状部材の厚さ、前記第２の部材の厚さおよび前記流路の深さが、該式１７に従って計算されるR_IIを０．１未満とするような値であることを特徴とする請求項６に記載のマイクロ流路チップ。
8. 前記第１の板状部材の厚さ、前記第２の部材の厚さおよび前記流路の深さが、該式１７に従って計算されるR_IIを０．０７未満とするような値であることを特徴とする請求項６に記載のマイクロ流路チップ。
9. 前記第１の板状部材の厚さ、前記第２の部材の厚さおよび前記流路の深さが、該式１７に従って計算されるR_IIを０．０５未満とするような値であることを特徴とする請求項６に記載のマイクロ流路チップ。
10. 前記第１の板状部材の厚さ、前記第２の部材の厚さおよび前記流路の深さが、該式１７に従って計算されるR_IIを０．０３未満とするような値であることを特徴とする請求項６に記載のマイクロ流路チップ。
11. 励起光の照射領域内に、前記流路の深さが異なる領域が複数存在することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロ流路チップ。
12. 励起光の照射領域内に、前記流路の深さが異なる領域が複数存在することを特徴とする請求項６〜１０のいずれか一項に記載のマイクロ流路チップ。
13. 励起光の照射領域内に、前記第１の板状部材の厚さが異なる領域が複数存在することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロ流路チップ。
14. 励起光の照射領域内に、前記第１の板状部材の厚さが異なる領域が複数存在することを特徴とする請求項６〜１０のいずれか一項に記載のマイクロ流路チップ。
15. 励起光の照射領域内に、前記第２の板状部材の厚さが異なる領域が複数存在することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロ流路チップ。

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