JP2016209823A

JP2016209823A - 樹脂製マイクロ流路デバイスの製造方法およびマイクロ流路デバイス

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Publication number: JP2016209823A
Application number: JP2015096140A
Authority: JP
Inventors: 裕人谷口; Yuto Taniguchi
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2015-05-11
Filing date: 2015-05-11
Publication date: 2016-12-15
Anticipated expiration: 2035-05-11
Also published as: JP6550911B2

Abstract

【課題】熱圧着時に流路の変形を抑制した電極を有するマイクロ流路チップを製造する方法を提供する。
【解決手段】一方の面１１２側に流路部１１６を有する樹脂製の第一基板１１０と、樹脂製の第二基板１２０とを接合して得られるマイクロ流路チップの製造方法において、ヒーター３００の表面に弾性体シート２２０および／または金属シート２１０を載置し、流路部１１６をヒーター３００により加熱圧着することにより第一の基板１１０と第二の基板１２０とを接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ流路チップの製造方法に関する。

近年、化学工業（特に、医薬品、試薬等の製造に関する医薬品工業）の分野では、マイクロミキサーまたはマイクロリアクターと呼ばれる微小容器を用いたマイクロ流路デバイスの開発が進められている。マイクロ流路デバイスには、複数本のマイクロチャネル（マイクロ流路と繋がる微小空間つまりマイクロキャビティ）が設けられており、マイクロチャネルを通じて複数種の流体を微小空間内で合流させることで、複数種の流体を混合し、または混合とともに化学反応を生じさせる。

特許文献１には、電極を有するマイクロ流路チップの製造方法が記載されている。この製造方法は、具体的には、一方の基板上にホットメルト接着剤をスクリーン印刷でパターンニングして、ホットメルト接着剤の存在しない部分である微細流路を形成する工程と、他方の基板上にイオンプレーティングにより微細流路に対応する電極を成膜する工程と、一方の基板と他方の基板とに形成された微細流路と電極とが対向するように位置を合わせて重ね合わせる工程と、両基板を熱圧着して接合する工程と、を含む。また、特許文献２には接着面をコーティングされた後に超音波溶着によって接着する方法も報告されている。

特開２００８−２４９３４６号公報特開２００８−２３２８８５号公報

しかしながら、特許文献１の方法は、一方の基板と他方の基板（電極基板）とを、一方の基板上に設けられたホットメルト接着層の溶解によって接合するものである。したがって、予め流路溝が形成された基板には適用することはできず、また、接着剤を用いずに接合することもできない。また、特許文献２の手法では超音波溶着時に接着面が溶けてしまい、流路が変形して寸法精度が悪化するという問題があった。

本発明の目的は、熱圧着時に流路の変形を抑制したマイクロ流路チップを製造する方法を提供することにある。

本発明は以下の通りである。
（１）一方の面側に流路部を有する樹脂製の第一基板と、樹脂製の第二基板とを接合して得られるマイクロ流路チップの製造方法であって、前記流路部をヒーターにより加熱圧着することで前記第一の基板と第二の基板とを接合する圧着工程を有し、前記ヒーターの表面に弾性体シートおよび／または金属シートを載置することを特徴とする、マイクロ流路チップの製造方法。
（２）前記弾性体シートがフッ素ゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴムのいずれか１種以上を含むものである（１）に記載のマイクロ流路チップの製造方法。
（３）前記第金属シートが、ステンレス、鉄、ニッケル、アルミニウム、クロム、チタンのいずれか１種以上を含むものである（１）または（２）に記載のマイクロ流路チップの製造方法。
（４）前記第一基板および第二基板の樹脂が、ポリカーボネート、シクロオレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルペンテン、ポリスチレン、ポリメチル（メタ）アクリレート、ポリエチレンテレフタレートから選択されるいずれかの樹脂を含むものである（１）ないし（３）に記載のマイクロ流路チップの製造方法。

本発明により、熱圧着時に流路の変形を抑制したマイクロ流路チップを製造する方法を提供することが可能となる。

以下、詳細を説明する。

本発明のマイクロ流路の製造方法は、一方の面側に流路部を有する樹脂製の第一基板と、樹脂製の第二基板とを接合して得られるマイクロ流路チップの製造方法であって、前記流路部をヒーターにより加熱圧着することで前記第一の基板と第二の基板とを接合する圧着工程を有し、前記ヒーターの表面に弾性体シートおよび／または金属シートを載置することを特徴とする。この方法により、流路部の変形を抑制することができる。なお、ここで、「流路部を加熱により圧着する」とは、流路部およびそれらの０．５ｍｍ以内の周辺を加熱により圧着することをいう。

また、前記圧着工程のヒーター面に有する弾性体シートの材質は、フッ素ゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴムのいずれか１種以上を含むものであっても良い。これにより、第一基板と第二基板の間の密着性を担保したマイクロ流路を形成する事が容易となる。また、材質については、JIS K6253のデュロメータータイプＡによるショア硬度は５０°以上９０°以下であることが好ましい。また、厚みについては０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下、好ましくは０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下である。

また、前記圧着工程のヒーター面に有する金属シートの材質は、ステンレス、鉄、ニッケル、アルミニウム、クロム、チタンのいずれか１種以上を含むものであっても良い。これにより、流路の変形を抑制することが可能となる。また、材質については、JIS Z2244に準拠して測定したビッカーズ硬さは１５０HV以上６００HV以下であることが好ましい。また、厚みについては０．０２ｍｍ以上２ｍｍ以下、好ましくは０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下である。

また、前記圧着工程の圧着時の温度が１２５℃以上１５５℃以下、時間が１７．５秒以上４２．５秒以下、圧力が１８００N以上２７００N以下であってもよい。なお、圧着時の温度はより好ましくは１３０℃以上１５０℃以下である。また、圧着時間は、より好ましくは２０秒以上４０秒以下である。また、圧着時の圧力は、好ましくは２０００N以上２５００N以下である。以上の温度、時間、圧力条件により、流路と第二基板の密着性を担保することができ、かつ流路の変形を抑制したマイクロ流路デバイスを作製することが可能となる。

また、前記第一基板および第二基板の樹脂が、ポリカーボネート、シクロオレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルペンテン、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレートから選択される樹脂を含んでもよい。これにより、耐熱性と透明性の両立を図ることが可能となる。

本発明のマイクロ流路チップの圧着工程の模式的説明図である。本発明の製造方法によって得られるマイクロ流路チップの模式的断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の要素には同一の符号を付しており、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

図１に、本発明のマイクロ流路チップの製造方法の一例を模式的説明図で示す。図１においては、それぞれの要素を断面図で模式的に示す。図示された要素の相対的方向または位置を説明する便宜上、それぞれの要素に対して図面の上側を上、下側を下と記載するが、必ずしも製造時および使用時における絶対的な位置関係を示すものでない（以下の図においても同様）。

図１に示すように、本実施形態においては、第一基板１１０と第二基板１２０とを、第二基板１２０側に保護シート２００を介在させた状態で、金属シート２１０、弾性体シー
ト２２０を積層した熱プレス機３００（前記ヒーターに当たる）間にて部分的に挟圧し、第一基板の流路部１１０およびその近辺と第二基板１２０間を部分的に圧着させる。第一基板１１０と第二基板１２０との間には、接着剤層を介さない。なお、ここで使用する保護シート２００は、金属シートの形状転写防止のために用いられ、材質としては例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ナイロン、フッ素樹脂、シリコーン等が挙げられる。また、本実施形態において、加熱圧着を熱プレス機によりおこなっているが、本発明は必ずしもこれに限られない。保護シート２００はマイクロ流路チップ１００を作製後、剥離する。

第一基板１１０には、一方の面１１２に流路溝１１６が設けられている。流路溝１１６を有する第一基板１１０は、いかなる方法で製造されたものであってもよいが、たとえば、射出成形で製造されたものであってもよいし、樹脂基板に流路溝を切削加工することで製造されたものであってもよい。特に射出成形により製造する方法は、生産性の点で好ましく、さらに、表面に発生するウェルドラインにより微細な凹形状が形成されるため、接合効果の高い本発明による効果をより享受しやすい。流路溝１１６の一部は、反対側の面１１１へ貫通し、ポート１１５を開口形成している。

流路溝１１６の形状は、図示したものに限定されない。たとえば、複数の流路溝１１６が直列または並列して設けられていてもよいし、流路溝１１６が分岐を有していてもよい。
流路溝１１６は、たとえば、幅が１ｍｍ以下、かつ深さが０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であってよい。これによって、微小なスケールでの実験等を行うことができる。

第一基板１１０を構成する樹脂は、熱プレス機３００に対する耐熱性を有するものを当業者が適宜選択することができる。さらに、マイクロ流路チップ１００の透明性を担保する観点から、透明性の高い樹脂であることが好ましい。たとえば、前記記載の群から選ばれてもよい。

第一基板１１０の外形形状およびサイズは、ハンドリング容易性、または分析適合性（分析手法および分析装置への適合性）を考慮して当業者が適宜決定することができる。例えば、四角形（正方形または長方形）であれば、たとえば、一辺１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下である。板状基板１１０の外形形状は、その他の多角形、円形および楕円形などであってもよい。

図１に示すように、第一基板１１０の、流路溝１１６が設けられた一方の面１１２に対して、第二基板１２０の一方の面１２１が積層される。

第二基板１２０を構成する樹脂シートは、たとえば前記記載の群から選択することが出来る。

第二基板１２０を構成する樹脂と、第一基板１１０を構成する樹脂とは、異なる樹脂であってもよい。

第二基板１２０の膜厚は、たとえば０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下である。当該下限値以上であることにより、接合時にシワなどが発生しにくく、十分に流路溝１１６を密閉することができ、当該上限値以下であることにより、板状基板１１０の凹凸への良好な追随性を得ることができる。

金属シート２１０と弾性体シート２２０は、第二基板１２０と熱プレス機３００との間に適宜介在させられることによって、流路溝の変形を抑制し、かつ第一基板と第二基板の密着性を担保することができる。このような観点から、金属シート２１０と弾性体シート２２０を構成する材質は、例えば前期記載のものが挙げられる。

金属シート２１０の厚みは、たとえば０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、好ましくは０．３μｍ以上０．７μｍ以下である。上記下限値以上であることにより、流路の変形を抑制することができる、上記上限値以下であることにより、全体に均一に圧力をかけることができる。また、弾性体シート２２０の厚みは、たとえば０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、好ましくは０．３ｍｍ以上０．７ｍｍ以下である。上記下限値以上であることにより、全体に均一に圧力をかけることができ、上記上限値以下であることにより、流路の変形を抑制することができる。

第一基板１１０と第二基板１２０との密着性は、例えば人間の手による剥離試験で判断することができる。例えば、密着性が無い場合は、人間の手でたやすく剥離することができ、圧着していた部分にぞれぞれの樹脂の残存（第一基板に第二基板の樹脂の残存、第二基板に第一基板の樹脂の残存）もない。一方、密着性が有る場合は、好ましくは人間の手では剥離することができないか、または、たとえ剥離できたとしても圧着していた部分に樹脂の残存（第一基板に第二基板の樹脂の残存、第二基板に第一基板の樹脂の残存）が認められる。このようにして、密着性の有無および強弱を判断することができる。上記の密着性を有することで、第一基板１１０と第二基板１２０との良好な接合性を得ることができる。

なお、本発明の実施の形態については、前記のとおり必ずしもこれに限られるものではなく、例えば次のような付随的な工程を含む実施形態が挙げられる。
１．マイクロ流路チップの一部に、電極部を設けても良い。この電極部により、外部に電気的シグナルを取り出すことが可能となる。
２．前記圧着工程の後に、さらにアニールする工程を加えても良い。これにより、圧着工程時に発生したひずみを解消することが可能となる。
３．また、前記圧着工程の後に、さらに圧着工程を加えても良い。これにより、第一基板と第二基板の密着性を補強することが可能となる。
３．前記圧着工程を、マイクロ流路の部分のみ行うことでもよい。このような部分的な圧着を行うことで、エネルギーの削減を行なうことが可能となる。

本発明の製造方法によって得られるマイクロ流路チップ１００は、第一基板１１０と第二基板１２０とが良好に圧着され、微細流路部分から流体の漏れがないように実用上十分にシールされている。溶着性の確認は、プランジャポンプなどで、ポート１１５から微細流路にたとえば着色した水を流し、微細流路から水が漏れないかを顕微鏡観察で観察することによって行うことができる。
さらに、マイクロ流路チップ１００は、第二基板１２０と熱プレス機３００との間に保護シート２００を介して製造されたものであるため、透明性にも優れる。

マイクロ流路チップ１００は、たとえば、核酸チップ、プロテインチップ、抗体チップ、アプタマーチップ、および糖タンパクチップなどのバイオチップ、または各種の化学分析用のマイクロ分析チップとして好適に用いることができる。

以下、本発明を実施例および比較例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

［実施例１］
基板の中央部に４０μｍ幅、２３μｍ深さの流路溝を有する、５０ｍｍ×３０ｍｍ×１．５ｍｍ厚のポリカーボネート製基板（第一基板）と、ポリカーボネート製シート（第二基板）とを用意した。

第一基板と第二基板とを積層し、圧着工程ではショア硬度が８０°、厚み０．５ｍｍのフッ素ゴムシートとビッカーズ硬さ４００HV、厚み０．５ｍｍのSIMシート（ステンレスシート）を積層したヒーターにて温度：１４０℃、圧力：２２５０Ｎ、時間：３０秒の条件で熱圧着し、マイクロ流路チップを作成した。

作成したマイクロ流路チップは、顕微鏡観察の結果、流路の変形がなく、かつ流路およびその近辺と第二基板の密着性が担保されていることが確認された。また、人間の手によるはく離試験を行った際、第一基板に第二基板の樹脂の残存、第二基板に第一基板の樹脂の残存が確認されたため、第一基板と第二基板の密着性も十分担保されていることが確認された。

［実施例２―実施例７］
表１に示した条件以外は、実施例１と同様の条件でマイクロ流路チップを作成した。作成したマイクロ流路チップは、顕微鏡観察の結果、流路の変形がないか、ほとんど変形がないこと、かつ流路およびその近辺と第二基板の密着性が担保されていることが確認された。また、人間の手によるはく離試験を行った際、第一基板に第二基板の樹脂の残存、第二基板に第一基板の樹脂の残存が確認されたため、第一基板と第二基板の密着性も十分担保されていることが確認された。

［比較例１］
ＳＩＭシートを使用しなかった以外は、実施例１と同様の条件でマイクロ流路チップを作成した。作成したマイクロ流路チップは、流路の変形が発生していた。

［比較例２］
フッ素ゴムシートを使用しなかった以外は、実施例１と同様の条件でマイクロ流路チップを作成した。作成したマイクロ流路チップは、流路およびその近辺と第二基板が密着していないことが確認された。

１００マイクロ流路チップ
１１０第一基板
１１２（第一基板の）一方の面
１１６流路溝
１２０第二基板
１２１（第二基板の）一方の面
２００保護シート
２０１（保護シートの第二基板へ接する）面
２１０金属シート
２２０弾性体シート

Claims

一方の面側に流路部を有する樹脂製の第一基板と、樹脂製の第二基板とを接合して得られるマイクロ流路チップの製造方法であって、
前記流路部をヒーターにより加熱圧着することで前記第一の基板と第二の基板とを接合する圧着工程を有し、
前記ヒーターの表面に弾性体シートおよび／または金属シートを載置することを特徴とする、マイクロ流路チップの製造方法。
前記弾性体シートがフッ素ゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴムのいずれか１種以上を含むものである請求項１に記載のマイクロ流路チップの製造方法。
前記第金属シートが、ステンレス、鉄、ニッケル、アルミニウム、クロム、チタンのいずれか１種以上を含むものである請求項１または２に記載のマイクロ流路チップの製造方法。
前記第一基板および第二基板の樹脂が、ポリカーボネート、シクロオレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルペンテン、ポリスチレン、ポリメチル（メタ）アクリレート、ポリエチレンテレフタレートから選択されるいずれかの樹脂を含むものである請求項１ないし３に記載のマイクロ流路チップの製造方法。