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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