JP2020071105A

JP2020071105A - マイクロ流路デバイス

Info

Publication number: JP2020071105A
Application number: JP2018204394A
Authority: JP
Inventors: 水野　伸二; Shinji Mizuno; 伸二水野; 勝仁松廣; Katsuhito Matsuhiro
Original assignee: Teikoku Tsushin Kogyo Co Ltd
Current assignee: Teikoku Tsushin Kogyo Co Ltd
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2020-05-07

Abstract

【課題】高性能を維持でき、且つ製造コストの低減化や生産効率の向上を図ることができるマイクロ流路デバイスを提供すること。【解決手段】基板１０中に、少なくとも分析用の液体試料を導入する試料導入部１５ｃ及び液体試料を回収する試料回収部１５ｂを有する流路１３を形成し、さらに基板１０の流路１３の近傍に電気泳動による液体試料分析用の電極３３，３５を形成したマイクロ流路デバイス１である。基板１０は、流路１３となる溝を形成した主基板１１と、主基板１１の溝を覆うカバー部材３１とによって構成されている。電極３３，３５を、カバー部材３１の流路１３に対向していない側の面上に印刷（スクリーン印刷やインクジェット印刷など）によって形成する。【選択図】図２

Description

本発明は、液体試料の合成、分離、分析などに使用するマイクロ流路デバイスに関するものである。

従来、試料に含まれる検出対象物質を分離や分析する手法として、一般的にクロマトグラフィーが用いられている。同様に、電気的な性質で分離や分析を行う場合は、イオンクロマトグラフィーが用いられている。また、これらの試料を液体の移動層で分離や分析する場合は、液体クロマトグラフィーＬＣまたは高効率液体クロマトグラフィーＨＰＬＣと呼ばれている。

一方、近年、無機イオン・有機酸・アミノ酸・生体分子などの荷電物質（イオン）に対しては、この液体イオンクロマトグラフィーＬＣ（ＨＰＬＣ）よりも、キャピラリー電気泳動による分析が注目を浴びている。

キャピラリー電気泳動による液体試料の分析は、マイクロ流路を用いて行う。マイクロ流路は、微細な流路に、緩衝液と、分析しようとする液体試料とを注入し、当該流路内で生じる電気泳動によって、液体試料の成分などを測定するものであり、液体クロマトグラフィーＬＣ（ＨＰＬＣ）と比べ、
（１）より少量の試料
（２）分析機器の小型化
（３）高速短時間での分析
（４）高分解能
という有意性がある。

ところで、キャピラリー電気泳動によって測定を行うマイクロ流路を有するマイクロ流路デバイスには、電気的な測定のための電極が必要であり、一般的にその電極として、蒸着やスパッタリングによる金属膜が用いられてきた。

特開２００６−７１２０号公報

上述のように、マイクロ流路デバイスを用いたキャピラリー電気泳動による分析は、高性能ではあるが、電極付きのマイクロ流路デバイスが必要であって、その電極の形成に蒸着やスパッタリングの工程があるため、蒸着やスパッタリング用の高価な設備が必要であり、また生産工程が複雑（例えば蒸着には下地処理が必要など）で製造時間もかかってしまう。

本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、高性能を維持でき、且つ製造コストの低減化や生産効率の向上を図ることができるマイクロ流路デバイスを提供することにある。

本発明は、基板中に、分析用の液体試料を導入する試料導入部と、前記試料導入部から導入されてキャピラリー電気泳動された後の前記液体試料を回収する試料回収部とを有する流路を形成すると共に、前記基板の流路の近傍に前記キャピラリー電気泳動による液体試料分析用の電極を形成してなるマイクロ流路デバイスにおいて、前記基板は、前記流路となる溝を形成した主基板と、当該主基板の溝を覆うカバー部材とによって構成され、前記電極は、前記カバー部材の前記流路に対向していない側の面上に、印刷によって形成されていることを特徴としている。
本発明によれば、流路に対向していない側のカバー部材の面上に電極を形成したので、容易且つ確実に、基板の流路の近傍に、電気泳動による液体試料分析用の電極を、液体試料とは非接触に配置することができ、高精度な検出を行うことができる。
また電極を印刷によって形成したので、製造コストの低減化が図れ、生産効率の向上も図れる。

また本発明は、上記特徴に加え、前記電極は、導電インクのスクリーン印刷、または導電インクのインクジェット印刷によって形成されていることを特徴としている。
これによって、電極の印刷を容易に行うことができ、また大量生産や多品種少量生産も容易に行うことができる。

また本発明は、上記特徴に加え、前記電極は、前記試料導入部から前記試料回収部に至る流路の中点よりも試料回収部寄りに設けられていることを特徴としている。
これによって、電気泳動がより進んだ試料回収部に近い位置で、液体試料の分析を、液体試料とは非接触で高精度に行うことができる。

本発明によれば、高性能を維持でき、且つ製造コストの低減化や生産効率の向上を図ることができる。

マイクロ流路デバイス１の斜視図である。マイクロ流路デバイス１の分解斜視図である。主基板１１を下側から見た斜視図である。電極３３，３５部分の拡大平面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係るマイクロ流路デバイス１の斜視図、図２はマイクロ流路デバイス１の分解斜視図、図３はマイクロ流路デバイス１を構成する主基板１１を下側から見た斜視図である。これらの図に示すように、マイクロ流路デバイス１は、主基板１１と、この主基板１１上に固着されるカバー部材３１とからなる基板１０を具備して構成されている。なお以下の説明において、「上」とは主基板１１からカバー部材３１を見る方向をいい、「下」とはその反対方向をいうものとする。

主基板１１は、合成樹脂を平板の略直方体形状に成形して構成されている。主基板１１の材質は合成樹脂であり、この実施形態ではアクリル樹脂を使用し、その厚みは１．５ｍｍのものを用いている。主基板１１の上面には、細溝からなる流路１３（１３ａ，１３ｂ）が形成されている。流路１３は、主基板１１の上面中央を主基板１１の長手方向に向かって直線状に延びる流路部１３ａと、流路部１３ａの一端側において主基板１１の幅方向に直線状に延びる流路部１３ｂとを具備して構成されている。流路部１３ａと流路部１３ｂは交差（直交）している。流路１３を構成する細溝の幅と深さは、１０μｍ〜２５０μｍであり、この例では１００μｍ×１００μｍの横断面正方形状としている。また、流路１３の各端部（４か所）には、それぞれ上下に貫通する液体挿通部１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄが形成されている。主基板１１の下面側の前記各液体挿通部１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを囲む位置にはそれぞれ、円筒状に突出する取付部１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄが形成されている。各取付部１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄは、流路１３内に液体を導入または回収（排出）する際に接続される図示しない試料注入（回収）器具を挿入する寸法形状に形成されている。なおこの例では、以下、液体挿通部１５ａを緩衝液導入部、液体挿通部１５ｂを試料回収部、液体挿通部１５ｃを試料導入部、液体挿通部１５ｄを液体回収部とするが、他の各種使用方法もある。

カバー部材３１は、前記主基板１１の上面を覆うように、主基板１１の上面と同一形状寸法、即ち略直方体形状の可撓性を有する合成樹脂フィルムによって形成されている。カバー部材３１の材質は、この実施形態では前記主基板１１と同一のアクリル樹脂を使用し、その厚みは５０μｍ〜１００μｍのものを用い、この例では５０μｍのものを用いている。カバー部材３１の上面には、一対の電極３３，３５が形成されている。両電極３３，３５は、前記主基板１１の流路部１３ａの一端側近傍位置（試料回収部１５ｂの近傍位置）に設けられている。

図４は、前記電極３３，３５部分を拡大して示す拡大平面図である。なお図４には、点線で、主基板１１に形成された流路部１３ａが記載されている。同図に示すように、電極３３と電極３５は同一形状であり、何れも、前記流路部１３ａ上にこれに沿うように形成される検出部３３ａ，３５ａと、検出部３３ａ，３５ａの一端から直角に屈曲して流路部１３ａから離れる方向に延びる引出部３３ｂ，３５ｂと、引出部３３ｂ，３５ｂの先端をさらに直角に屈曲させた先端に形成される円形の端子部３３ｃ，３５ｃとを具備して構成されている。そして、両電極３３，３５は、下記する隙間Ｓ１の中心点を中心に点対象に配置されている。

検出部３３ａ，３５ａは、前述のように、直線状の流路部１３ａの真上であって、当該流路部１３ａに沿う方向に向かって何れも直線状の同一長さに形成されている。両検出部３３ａ，３５ａの先端間には隙間Ｓ１が形成されている。

引出部３３ｂ，３５ｂは、前記検出部３３ａ，３５ａの幅と同一幅寸法であり、前記流路部１３ａから離れる方向に向かって引き出され、何れも直線状の同一長さに形成されている。両引出部３３ｂ，３５ｂの先端は、前記検出部３３ａ，３５ａと同一側を向く方向に直角に屈曲され、それらの先端に端子部３３ｃ，３５ｃが接続されている。

端子部３３ｃ，３５ｃは円形に形成され、それらの中心点と前記隙間Ｓ１の中心点とが直線状に結ばれるように形成されている。

次に、マイクロ流路デバイス１の製造方法について説明する。
まず、前記主基板１１の上面（流路１３を形成した側の面）に、電極３３，３５を形成する前のカバー部材３１を密着させる。次に密着した主基板１１とカバー部材３１を熱ローラ（ヒートローラ）又は熱プレスによって、熱圧着する。主基板１１とカバー部材３１は同じ材質の合成樹脂なので、両者は強固に固着される。なお、主基板１１とカバー部材３１の固着には、接着剤を用いていない。その理由は、接着剤を用いると、当該接着剤が流路１３に入り込む虞があり、また接着剤による層の厚みがコントロールし難いなどのためである。なお、場合によっては接着剤を用いてもよい。

次に、前記主基板１１と一体化したカバー部材３１の上面（流路１３に対向していない側の面上）に、スクリーン印刷またはインクジェット印刷によって電極３３，３５を印刷する。印刷に用いる導電インクとしては、樹脂ペースト中に銀粉末を混錬した銀ペースト（導電ペースト）、または樹脂ペースト中に金粉末を混錬した金ペースト（導電ペースト）を用いる。なお場合によっては、金、銀以外の他の材質の導電粉末を用いてもよい。そして、印刷した導電インクに、局部的に、レーザー光を当てることによって、導電インクだけを加熱し、乾燥・焼成する。導電インクを焼き付けるための乾燥温度は、カバー部材３１を構成する樹脂材料の耐熱性に合わせて、７０℃〜１５０℃程度とする。もし導電インクの乾燥温度が、主基板１１やカバー部材３１が変形等しない温度であれば、レーザー光の代わりにその全体を乾燥炉等で乾燥させてもよい。また、電極３３，３５の厚みは、０．５μｍ〜２０μｍとした。電極３３，３５の形成に蒸着やスパッタリングの工程を用いた場合は、その厚みはおよそ５０ｎｍ〜３００ｎｍであるが、導電インクの印刷によって電極を形成した本実施形態の場合は、上記厚みとすることで、蒸着やスパッタリングを用いた場合と同等の導電性を得ることができる。なお、印刷による電極３３，３５として、できるだけ薄いものが必要な場合は、金属（銀、金、その他の金属）ナノ粒子を用いた金属ナノ粒子ペーストを用いることで、およそ０．５μｍ〜２μｍのものを得ることができる。これによって、電極３３，３５が形成され、マイクロ流路デバイス１が完成する。なお上記組立手順はその一例であり、他の各種異なる組立手順を用いて組み立てても良いことはいうまでもない。

次に、上記マイクロ流路デバイス１の使用方法の一例を説明する。まず予め、前記電極３３，３５の端子部３３ｃ，３５ｃに、図示しない測定機器の計測用プローブを当接し、両電極３３，３５間の静電容量（インピーダンス）を計測可能にしておく。そして、取付部１７ａの側の緩衝液導入部１５ａから泳動用の緩衝液を注入して流路１３内を満たし、取付部１７ｃ側の試料導入部１５ｃから液体試料（検体）を注入する。そして、図示しない高電圧系を用いて、液体試料と緩衝液側に高電圧を印可する。これによって、試料の各成分は、流路部１３ａ内をそれぞれの電気泳動移動度に応じた速度で試料回収部１５ｂ側に向けて移動していく。そして、前記電気泳動移動度に応じて分離されて移動してくる試料成分に応じて変化する一対の電極３３，３５間の静電容量を計測し、これによって液体試料中の各成分が分析できる。なお、上記流路１３に注入された緩衝液と液体試料は、試料回収部１５ｂと液体回収部１５ｄから回収される。

以上説明したように、上記マイクロ流路デバイス１は、基板１０中に、少なくとも分析用の液体試料を導入する試料導入部１５ｃと、前記試料導入部１５ｃから導入されてキャピラリー電気泳動された後の前記液体試料を回収する試料回収部１５ｂとを有する流路１３を形成すると共に、前記基板１０の流路の近傍に前記キャピラリー電気泳動による液体試料分析用の電極３３，３５を形成し、さらに前記基板１０を、前記流路１３となる溝を形成した主基板１１と、主基板１１の溝を覆うカバー部材３１とによって構成している。そして、前記電極３３，３５を、カバー部材３１の流路１３に対向していない側の面上に印刷によって形成したので、容易且つ確実に、基板１０の流路１３の近傍に、電気泳動による液体試料分析用の電極３３，３５を、液体試料とは非接触に配置することができる。これによって高精度な検出が可能となる。また電極３３，３５を印刷によって形成したので、蒸着やスパッタリングを用いて形成する場合に比べて、製造コストの低減化が図れ、大量生産も容易に行うことができる。

また電極３３，３５を、導電インクのスクリーン印刷、または導電インクのインクジェット印刷によって形成したので、電極３３，３５の印刷を容易に行うことができ、また大量生産や多品種少量生産も容易に行うことができる。

また電極３３，３５を、試料導入部１５ｃから試料回収部１５ｂに至る領域の中点よりも試料回収部１５ｂ寄りに設けたので、電気泳動の分析を、電気泳動がより進んだ位置で高精度に行うことができる。

上記実施形態では、十字状に交差する流路部１３ａと流路部１３ｂによって流路１３を構成したが、流路の構成（本数や形状など）に種々の変更が可能であることは言うまでもない。また上記実施形態では、カバー部材３１として可撓性を有する合成樹脂フィルムを用いたが、硬質な合成樹脂板を用いてもよい。また電極３３，３５の構成（形状や数など）や、基板１０の構成（形状や構造など）も種々の変更が可能である。

また上記実施形態では、主基板１１とカバー部材３１の材質を、同質のアクリル樹脂としたが、アクリル系以外でも、例えば、ポリカーボネート系、ポリオレフィン系、ポリスチレン系、ＰＤＭＳなどのシリコン樹脂など、種々の同質の合成樹脂を用いてもよい。

以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造や材質であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。また、上記記載及び各図で示した実施形態は、その目的及び構成等に矛盾がない限り、互いの記載内容を組み合わせることが可能である。また、上記記載及び各図の記載内容は、その一部であっても、それぞれ独立した実施形態になり得るものであり、本発明の実施形態は上記記載及び各図を組み合わせた一つの実施形態に限定されるものではない。

１マイクロ流路デバイス
１０基板
１１主基板
１３流路
１３ａ流路部
１３ｂ流路部
１５ａ緩衝液導入部
１５ｂ試料回収部
１５ｃ試料導入部
１５ｄ液体回収部
３１カバー部材
３３電極
３５電極

Claims

基板中に、分析用の液体試料を導入する試料導入部と、前記試料導入部から導入されてキャピラリー電気泳動された後の前記液体試料を回収する試料回収部とを有する流路を形成すると共に、前記基板の流路の近傍に前記キャピラリー電気泳動による液体試料分析用の電極を形成してなるマイクロ流路デバイスにおいて、
前記基板は、前記流路となる溝を形成した主基板と、当該主基板の溝を覆うカバー部材とによって構成され、
前記電極は、前記カバー部材の前記流路に対向していない側の面上に、印刷によって形成されていることを特徴とするマイクロ流路デバイス。
請求項１に記載のマイクロ流路デバイスであって、
前記電極は、導電インクのスクリーン印刷、または導電インクのインクジェット印刷によって形成されていることを特徴とするマイクロ流路デバイス。
請求項１又は２に記載のマイクロ流路デバイスであって、
前記電極は、前記試料導入部から前記試料回収部に至る流路の中点よりも試料回収部寄りに設けられていることを特徴とするマイクロ流路デバイス。