JP2019078707A - マイクロチップ - Google Patents

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Abstract

【課題】サイズの大きいものであっても、第１の基板と第２の基板との接合部において良好な接合状態を達成することができるマイクロチップを提供する。【解決手段】樹脂からなる第１の基板および樹脂からなる第２の基板が接合されてなり、少なくとも第１の基板に形成された流路形成用段差によって、前記第１の基板と前記第２の基板との接合部に包囲された流路が形成されたマイクロチップであって、前記接合部を包囲する非接触部が形成されており、前記流路用形成用段差の側壁面とこれに連続する接合面とのなす角度θ1が、θ1＞９０°を満足することを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、それぞれ樹脂よりなる第１の基板および第２の基板が接合されてなるマイクロチップに関する。
近年、生化学分野において、マイクロリアクタを用いて微量の試薬の分離、合成、抽出または分析などを行う手法が注目されている。このマイクロリアクタは、例えばシリコン、シリコーン樹脂またはガラスなどよりなる小さな基板上に、半導体微細加工技術によってマイクロスケールの分析用チャネルなどが形成されたマイクロチップよりなるものである。
このようなマイクロリアクタを用いた反応分析システムは、マイクロ・トータル・アナリシス・システム（以下、「μＴＡＳ」という。）と称されている。このμＴＡＳによれば、試薬の体積に対する表面積の比が大きくなることなどから高速かつ高精度の反応分析を行うことが可能となり、また、コンパクトで自動化されたシステムを実現することが可能となる。
マイクロチップにおいては、マイクロチャンネルと称される流路に、試薬が配置された反応領域など、各種機能を有する機能領域を設けることにより、様々な用途に適したマイクロチップを構成することができる。マイクロチップの用途としては、遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニングなどの化学、生化学、薬学、医学、獣医学の分野における分析、あるいは、化合物の合成、環境計測などが挙げられる。
このようなマイクロチップは、典型的には一対の基板が対向して接着された構造を有する。そして、少なくとも一方の基板の表面に、例えば幅１０〜数１００μｍ、深さ１０〜数１００μｍ程度の微細な流路が形成されている。基板としては、製造が容易であり、光学的な検出も可能であることから、主にガラス基板が用いられている。また、最近では、軽量でありながらガラス基板に比べて破損しにくく、かつ、安価な樹脂基板を用いたマイクロチップの開発が進められている。
図１０は、従来のマイクロチップの一例における構成を示す説明図である。このマイクロチップは、試料が注入される注入口７２および試料が排出される排出口７３を有する第１の基板７０と、第２の基板７５とからなる。第１の基板７０の表面には、注入口７２と排出口７３とを結ぶ流路７１を構成するための流路形成用段差７４が形成されている。一方、第２の基板７５は、表面が平坦な平板状のものである。
そして、第１の基板７０と第２の基板７５とを、それぞれの表面が互いに密着した状態で接合することにより、第１の基板７０と第２の基板７５との接合部に包囲された流路７１を有するマイクロチップが得られる。
このようなマイクロチップの製造において、第１の基板と第２の基板とを接合する方法としては、第１の基板７０および第２の基板７５の各々における接合面となる表面を活性化処理し、その後、第１の基板７０および第２の基板７５を、それぞれの表面が互いに密着するよう積層する方法が提案されている（例えば特許文献１〜特許文献５参照。）。
このようなマイクロチップの製造方法において、第１の基板７０および第２の基板７５の各々の表面の活性化処理としては、真空紫外線を照射する真空紫外線照射処理や、大気圧プラズマを接触させるプラズマ処理を用いることができる。
また、第１の基板７０と第２の基板７５とを積層した後、加熱処理および加圧処理のいずれか一方または両方の処理が行われる。
特許第３７１４３３８号公報 特開２００６−１８７７３０号公報 特開２００８−１９３４８号公報 国際公開第２００８／０８７８００号 特許第５１５２３６１号公報
しかしながら、上記のマイクロチップにおいては、以下のような問題があることが判明した。
縦２５ｍｍ以上、横２５ｍｍ以上（例えば、縦２５ｍｍ×横７０ｍｍ、縦８５ｍｍ×横１２８ｍｍ）の大きいサイズのマイクロチップを製造する場合には、用いられる第１の基板７０および第２の基板７５には、面積が大きいために反りが生じやすく、また、加圧処理や加熱処理において、第１の基板７０と第２の基板７５との接合面にうねりが生じやすい。このため、得られるマイクロチップの接合部においては、良好な接合状態が得られず、その結果、流路７１内から試料が漏れ出す、という問題がある。
また、良好な接合状態を得るために、加圧処理において、加圧力を大きくしたり、或いは、加熱処理において、加熱温度を高くしたり、加熱時間を長くしたりすることが考えられる。然るに、このような場合には、得られるマイクロチップにおいては、流路７１の変形が生じる虞があるため、所期の形態の流路７１を形成することが困難となる。
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、サイズの大きいものであっても、第１の基板と第２の基板との接合部において良好な接合状態を達成することができるマイクロチップを提供することにある。
本発明のマイクロチップは、樹脂からなる第１の基板および樹脂からなる第２の基板が接合されてなり、少なくとも第１の基板に形成された流路形成用段差によって、前記第１の基板と前記第２の基板との接合部に包囲された流路が形成されたマイクロチップであって、
前記接合部を包囲する非接触部が形成されており、
前記流路用形成用段差の側壁面とこれに連続する接合面とのなす角度θ1 が、θ1 ＞９０°を満足することを特徴とする。
上記のマイクロチップにおいては、前記非接触部の側壁面とこれに連続する接合面とのなす角度θ2 が、θ2 ＞９０°を満足することが好ましい。
また、本発明のマイクロチップは、樹脂からなる第１の基板および樹脂からなる第２の基板が接合されてなり、少なくとも第１の基板に形成された流路形成用段差によって、前記第１の基板と前記第２の基板との接合部に包囲された流路が形成されたマイクロチップであって、
前記接合部を包囲する非接触部が形成されており、
前記流路用形成用段差の側壁面および前記非接触部の側壁面の少なくとも一方において、当該側壁面に連続する接合面に接近した箇所がＣ面取り形状またはＲ面取り形状とされていることを特徴とする。
本発明のマイクロチップにおいては、前記第１の基板および前記第２の基板の周縁部の少なくとも一部において、当該第１の基板と当該第２の基板との接合部が形成されていることが好ましい。
本発明のマイクロチップによれば、サイズの大きいものであっても、第１の基板と第２の基板との接合部において良好な接合状態を達成することができる。しかも、マイクロチップを製造する際に、加圧力を大きくしたり、或いは、加熱温度を高くしたり、加熱時間を長くしたりすることが不要であるため、所期の形態の流路を確実に形成することができる。
本発明のマイクロチップの第１の実施形態における構成を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面端面図、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ断面端面図である。 図１に示すマイクロチップの要部を拡大して示す説明用断面図である。 接合される前の第１の基板および第２の基板を示す説明用断面図である。 本発明のマイクロチップの第２の実施形態における構成を示す説明図である。 第１の実施形態に係るマイクロチップの変形例における要部を拡大して示す説明用断面図である。 第２の実施形態に係るマイクロチップの変形例における要部を拡大して示す説明用断面図である。 第１の実施形態に係るマイクロチップの他の変形例における要部を拡大して示す説明用断面図である。 本発明のマイクロチップの他の実施形態における構成を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面端面図、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ断面端面図である。 第１の実施形態に係るマイクロチップの更に他の変形例における要部を拡大して示す説明用断面図である。 従来のマイクロチップの一例における構成を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面端面図、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ断面端面図である。
以下、本発明のマイクロチップの実施の形態について説明する。
〈第１の実施形態〉
図１は、本発明のマイクロチップの第１の実施形態における構成を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面端面図、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ断面端面図である。
このマイクロチップ１０は、樹脂からなる第１の基板１１および樹脂からなる第２の基板１５が接合された板状体によって構成されている。
第１の基板１１には、第２の基板１５に接する側の表面（図１（ｃ）において下面）に、流路形成用段差１２が形成されている。一方、第２の基板１５における第１の基板１１に接する側の表面（図１（ｃ）において上面）は、平坦面とされている。そして、マイクロチップ１０の内部には、第１の基板１１に形成された流路形成用段差１２によって、第１の基板１１と第２の基板１５との接合部１６に包囲された流路１７が形成されている。この流路１７の一端は、第１の基板１１に形成された注入口１４に接続され、流路１７の他端は、第１の基板１１に形成された排出口１９に接続されている。
また、第１の基板１１における第２の基板１５に接する側の表面に、非接触部用段差１３が、接合部１６を取り囲むよう形成されており、この非接触部用段差１３によって、第１の基板１１と第２の基板１５との間に、接合部１６を包囲する非接触部１８が形成されている。
第１の基板１１および第２の基板１５を構成する樹脂としては、ポリジメチルシロキサンなどのシリコーン樹脂、シクロオレフィン樹脂、アクリル樹脂などを用いることができる。
第１の基板１１および第２の基板１５の各々の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば０．５〜７ｍｍである。
流路１７の幅（図示の例では、流路形成用段差１２の幅）は、例えば０．１〜３ｍｍである。
流路１７の高さ（図示の例では、流路形成用段差１２の深さ）は、例えば０．０５〜１ｍｍである。
本発明のマイクロチップ１０においては、図２に拡大して示すように、流路用形成用段差１２の側壁面１２ａとこれに連続する接合面１０ａとのなす角度θ1 （以下、単に「角度θ1 」ともいう。）が、θ1 ＞９０°を満足するものとされ、好ましくは１２０°≧θ1 ＞９０°、より好ましくは１００°≧θ1 ＞９０°である。角度θ1 が９０°以下である場合には、第１の基板１１を射出成形によって製造するときに、金型から第１の基板１１が外れない虞がある。仮に第１の基板１１と金型とを引き離す方向に大きな力を作用させることによって、金型から第１の基板１１が外れたとしても、側壁面１２ａと接合面１０ａとの連続部分近傍の変形が生じる。そのため、接合面１０ａの平坦性が損なわれ、当該接合面１０ａの全面にわたっての接合することが困難となる。また金型の組み合わせ等の工夫により角度θ１が９０°以下である形状の第１の基板１１を成形することが可能であったとしても、接合面１０ａ直上を押さえることができないので、加圧処理時の圧力が十分に接合面１０ａに印加できず、接合強度が低下するなどの問題も生じる。一方、角度θ1 が過大である場合には、流路用形成段差１２の底部１２ｃ（図２における流路１７の上面）の面積が減少し、流路１７において斜面である側壁面１２ａが占める割合が増えるために、流通させる検体の流速分布や反応速度のズレなどによるばらつきが発生する。そのため、流路１７内部において発生させる検体の生化学反応等の所定の作用を実現することができない。また光学顕微鏡で光学的観察を行う場合、側壁面１２ａでは屈折が生じるので観察が困難となり、観察可能な領域は面積が減少した底部１２ｃのみとなるので、精度のよい観察ができない等の問題も生じる。
また、マイクロチップ１０を平面視したとき、マイクロチップ１０の面積Ｓ1 と、接合面１０ａの面積Ｓ2 とが、Ｓ2 ／Ｓ1 ＜０．５を満足することが好ましく、より好ましくは０．０３＜Ｓ2 ／Ｓ1 ＜０．３である。Ｓ2 ／Ｓ1 の値が０．５以上である場合には、接合面積が大きくなるので、反りやうねりを吸収しにくくなる。また、接合面積が大きい状態で良好な接合状態を得るためには、加圧処理において、加圧力を大きくしたり、或いは、加熱処理において、加熱温度を高くする必要があり、その結果流路１７の変形が生じる。一方、Ｓ2 ／Ｓ1 の値が過小である場合には、接合面１０ａ自体が小さくなるために、機械的なストレスで接合されていた第１の基板１１と第２の基板１５とが剥がれやすくなる。また、わずかな荷重が印加されても、接合面１０ａでの圧力は高くなり、接合部１６の潰れやクラックが発生してしまう虞がある。
また、流路１７と非接触部１８との間の接合面１０ａの幅は、５０μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは５００〜２０００μｍである。この接合面１０ａの幅が５０μｍ未満である場合には、接合面１０ａ自体が小さくなるために、機械的なストレスで接合されていた第１の基板１１と第２の基板１５とが剥がれやすくなる。また、わずかな荷重が印加されても、接合面１０ａでの圧力は高くなり、接合部１６の潰れやクラックが発生してしまう虞がある。
上記のマイクロチップ１０は、例えば以下のようにして製造することができる。
先ず、図３に示すように、それぞれ樹脂よりなる第１の基板１１および第２の基板１５を製造する。第１の基板１１の表面には、流路形成用段差１２および非接触部用段差１３が形成されている。一方、第２の基板１５の表面は、平坦面とされている。
第１の基板１１および第２の基板１５を製造する方法としては、射出成形法、注型法などの樹脂成形法を、用いられる樹脂に応じて適宜選択することができる。
次いで、第１の基板１１および第２の基板１５の各々における接合面となる表面に対して、表面活性化処理を行う。この表面活性化処理としては、波長２００ｎｍ以下の真空紫外線を照射する紫外線照射処理、大気圧プラズマ装置からの大気圧プラズマを接触させるプラズマ処理を利用することができる。
表面活性化処理として紫外線照射処理を利用する場合において、真空紫外線を放射する光源としては、波長１７２ｎｍに輝線を有するキセノンエキシマランプ等のエキシマランプ、中心波長１８５ｎｍの低圧水銀ランプ、波長１２０〜２００ｎｍの範囲に強い発光スペクトルを有する重水素ランプを好適に用いることができる。
第１の基板１１および第２の基板１５の各々の表面に照射される真空紫外線の照度は、例えば１０〜５００ｍＷ／ｃｍ2 である。
また、第１の基板１１および第２の基板１５の各々の表面に対する真空紫外線の照射時間は、第１の基板１１および第２の基板１５を構成する樹脂に応じて適宜設定されるが、例えば５〜６秒間である。
表面活性化処理としてプラズマ処理を利用する場合において、プラズマ生成用ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガスなどを主成分とし、酸素ガスが０．０１〜５体積％含有してなるものを用いることが好ましい。または、窒素ガスとクリーンドライエア（ＣＤＡ）との混合ガスを用いることも可能である。
プラズマ処理に用いられる大気圧プラズマ装置の動作条件としては、例えば周波数が２０〜７０ｋＨｚ、電圧が５〜１５ｋＶｐ−ｐ、電力値が０．５〜２ｋＷである。
また、大気圧プラズマによる処理時間は、例えば５〜１００秒間である。
このようにして表面活性化処理された第１の基板１１および第２の基板１５を、それぞれの表面が互いに接触するよう積層する。そして、第１の基板１１および第２の基板１５を、自重により若しくは外部から圧力を加えることにより厚み方向に加圧した状態で、必要に応じて加熱することによって接合する。
以上において、加圧および加熱の具体的な条件は、第１の基板１１および第２の基板１５を構成する材料に応じて適宜設定される。
具体的な条件を挙げると、加圧力が例えば０．１〜１０ＭＰａで、加熱温度が例えば４０〜１３０℃である。
上記のマイクロチップ１０においては、流路１７の周辺に形成された接合部１６を包囲するよう非接触部１８が形成されていると共に、角度θ1 が、θ1 ＞９０°を満足するため、第１の基板１１と第２の基板１５とを接合する際に、第１の基板１１および第２の基板１５における接合部１６となる部分に圧力が集中的に加わる。その結果、第１の基板１１および第２の基板１５に反りが生じていたとしても、それぞれの接合面となる表面同士が十分に密着した状態で接合される。
従って、本発明のマイクロチップ１０によれば、サイズの大きいものであっても、第１の基板１１と第２の基板１５との接合部１６において良好な接合状態を達成することができる。しかも、マイクロチップ１０を製造する際に、加圧力を大きくしたり、或いは、加熱温度を高くしたり、加熱時間を長くしたりすることが不要であるため、所期の形態の流路１７を確実に形成することができる。
図４は、本発明のマイクロチップの第２の実施形態における要部の構成を示す説明用断面図である。このマイクロチップ１０は、以下の点を除き、第１の実施形態に係るマイクロチップ１０と同様の構成である。
図４に示すマイクロチップにおいては、流路用形成用段差１２の側壁面１２ａおよび非接触部１８の側壁面１３ａの各々において、それぞれの側壁面１２ａ，１３ａに連続する接合面１０ａに接近した箇所（以下、「接合部近傍箇所」ともいう。）１２ｂ，１３ｂがＣ面取り形状とされている。
また、角度θ1 は、例えば１４０°≧θ1 ≧９０°の範囲である。
上記のマイクロチップ１０においては、流路１７の周辺に形成された接合部１６を包囲するよう非接触部１８が形成されていると共に、流路用形成用段差１２の側壁面１２ａおよび非接触部１８の側壁面１３ａの各々における接合部近傍箇所１２ｂ，１３ｂがＣ面取り形状とされているため、第１の基板１１と第２の基板１５とを接合する際に、第１の基板１１および第２の基板１５における接合部１６となる部分に圧力が集中的に加わる。その結果、第１の基板１１および第２の基板１５に反りが生じていたとしても、それぞれの接合面となる表面同士が十分に密着した状態で接合される。
従って、本発明のマイクロチップ１０によれば、サイズの大きいものであっても、第１の基板１１と第２の基板１５との接合部１６において良好な接合状態を達成することができる。しかも、マイクロチップ１０を製造する際に、加圧力を大きくしたり、或いは、加熱温度を高くしたり、加熱時間を長くしたりすることが不要であるため、所期の形態の流路１７を確実に形成することができる。
以上、本発明のマイクロチップに係る第１の実施形態および第２の実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限られず、以下のような種々の変更を加えることが可能である。
（１）第１の実施形態においては、図５に示すように、非接触部１８の側壁面１３ａとこれに連続する接合面１０ａとのなす角度θ2 （以下、単に「角度θ2 」ともいう。）が、θ2 ＞９０°を満足することが好ましく、より好ましくは１５０°≧θ2 ＞９０°、更に好ましくは１２０°≧θ2 ＞９０°である。
このようなマイクロチップ１０によれば、第１の基板１１と第２の基板１５とを接合する際に、第１の基板１１および第２の基板１５における接合部１６となる部分に圧力がより一層集中的に加わる。そのため、サイズの大きいものであっても、第１の基板１１と第２の基板１５との接合部１６において良好な接合状態をより確実に達成することができる。
（２）第２の実施形態においては、図６に示すように、流路用形成用段差１２の側壁面１２ａおよび非接触部１８の側壁面１３ａの各々における接合部近傍箇所１２ｂ，１３ｂが、Ｃ面取り形状の代わりにＲ面取り形状とされていてもよい。
（３）図４および図６に示すマイクロチップ１０においては、流路用形成用段差１２の側壁面１２ａおよび非接触部１８の側壁面１３ａのいずれか一方のみの接合部近傍箇所１２ｂ若しくは接合部近傍箇所１３ｂが、Ｃ面取り形状またはＲ面取り形状とされていてもよい。
（４）第１の実施の形態においては、流路用形成用段差１２の底面および側壁面１２ａは、それぞれ平面とされているが、図７に示すように、底面から側壁面１２ａに連続する湾曲面とされていてもよい。このような構成においては、角度θ1 は、流路１７が伸びる方向に垂直な断面において、流路用形成用段差１２の側壁面１２ａおよび接合面１０ａの交点における当該側壁面１２ａの接線Ｔと、接合面１０ａとのなす角度である。
（５）本発明のマイクロチップ１０においては、図８に示すように、第１の基板１１および第２の基板１５の周縁部の少なくとも一部（図示の例では周縁部の全部）において、当該第１の基板１１と当該第２の基板１５との接合部１６が形成されていてもよい。
このような構成においては、第１の基板１１および第２の基板１５の周縁部に形成された接合面１０ａの幅は、５０μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは５００〜３０００μｍである。上記周縁部に形成された接合面１０ａは、流路１７および非接触部１８の間の接合面１０ａの幅より大きい幅で接合されいることが好ましい。このような構成によれば、マイクロチップ１０は、第１の基板１１と第２の基板１５とが剥がれる方向にかかる機械的なストレスに耐えやすい。
また、接合面１０ａの面積Ｓ2 は、流路１７および非接触部１８の間の接合面１０ａの面積と、第１の基板１１および第２の基板１５の周縁部に形成された接合面１０ａの面積との合計である。
（６）第１の実施形態においては、図９に示すように、第１の基板１１に形成された流路用形成用段差１２と、第２の基板１５に形成された流路用形成用段差２０とによって、流路１７が形成されていてもよい。
このような構成においては、角度θ1 と同様に、第２の基板１５における流路用形成用段差２０の側壁面２０ａとこれに連続する接合面１０ａとのなす角度θ3 が、θ3 ＞９０°を満足するものとされ、好ましくは１２０°≧θ3 ＞９０°、より好ましくは１００°≧θ3 ＞９０°である。
（７）図１〜図９に示すマイクロチップ１０の各々は、非接触部１８が流路１７とは別個に形成された例であるが、本発明のマイクロチップにおいては、非接触部は、流路を兼ねるものであってもよい。
１０ マイクロチップ
１０ａ 接合面
１１ 第１の基板
１２ 流路形成用段差
１２ａ 側壁面
１２ｂ 接合部近傍箇所
１２ｃ 底部
１３ 非接触部用段差
１３ａ 側壁面
１３ｂ 接合部近傍箇所
１４ 注入口
１５ 第２の基板
１６ 接合部
１７ 流路
１８ 非接触部
１９ 排出口
２０ 流路形成用段差
２０ａ 側壁面
７０ 第１の基板
７１ 流路
７２ 注入口
７３ 排出口
７４ 流路形成用段差
７５ 第２の基板

Claims (4)

  1. 樹脂からなる第１の基板および樹脂からなる第２の基板が接合されてなり、少なくとも第１の基板に形成された流路形成用段差によって、前記第１の基板と前記第２の基板との接合部に包囲された流路が形成されたマイクロチップであって、
    前記接合部を包囲する非接触部が形成されており、
    前記流路用形成用段差の側壁面とこれに連続する接合面とのなす角度θ1 が、θ1 ＞９０°を満足することを特徴とするマイクロチップ。
  2. 前記非接触部の側壁面とこれに連続する接合面とのなす角度θ2 が、θ2 ＞９０°を満足することを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップ。
  3. 樹脂からなる第１の基板および樹脂からなる第２の基板が接合されてなり、少なくとも第１の基板に形成された流路形成用段差によって、前記第１の基板と前記第２の基板との接合部に包囲された流路が形成されたマイクロチップであって、
    前記接合部を包囲する非接触部が形成されており、
    前記流路用形成用段差の側壁面および前記非接触部の側壁面の少なくとも一方において、当該側壁面に連続する接合面に接近した箇所がＣ面取り形状またはＲ面取り形状とされていることを特徴とするマイクロチップ。
  4. 前記第１の基板および前記第２の基板の周縁部の少なくとも一部において、当該第１の基板と当該第２の基板との接合部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のマイクロチップ。
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