JP2022088707A - ガラス板及びそれを用いたマイクロ流体デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】破損し難く、且つ超音波が伝搬し易いガラス板を提供する。【解決手段】本発明のガラス板は、破壊靭性が０．８ＭＰａ・ｍ０．５以上であり、且つマイクロ流体デバイスに用いることを特徴とする。また、ガラス組成としては、モル％で、ＳｉＯ２：４５～８０％、Ａｌ２Ｏ３：５～３０％、Ｂ２Ｏ３：０～１５％、Ｐ２Ｏ５：０～１５％、Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ：０～２０％、ＭｇＯ：３～３５％、ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ：０～１５％を含有することを特徴とする。【選択図】なし

Description

本発明は、ガラス板及びそれを用いたマイクロ流体デバイスに関する。

代表的な分離機器である遠心分離器は、装置自体が大型であるため、大量の試料が必要であり、小型化には不向きである。また、膜分離法は、膜の交換が不便である。そして、遠心分離器と膜分離法は、何れも接触式であるため、分離対象の試料が破壊されたり、微量な試験体の取り扱いが困難であったりする。

一方、マイクロ流体デバイスは、極微量の試料だけで、反応、分離、精製、検出等の様々な化学操作を実行し得るデバイスである。このマイクロ流体デバイスでは、物質を分離する機能がマイクロスケール化されるため、環境負荷、時間、コストの低減に加えて、高い反応効率、省スペース化等の利点があり、特に医療、バイオ分野への応用が期待されている。

そして、マイクロ流体デバイスには、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス等のガラス板を用いることが検討されている（例えば特許文献１、２参照）。

また、マイクロ流体デバイスでは、非接触で極微量の試料の分離が可能である。分離技術には、電気泳動、磁力、レーザー放射圧等を利用する方法があるが、物質の電気的、磁気的、屈折率等の依存性があるため、適用範囲に制限がある。その一方で超音波による音響放射力を利用する方法は、それらの制約を受けないこと、装置が単純になること、小型化が容易であること等の利点がある。超音波は、ガラス板の厚みが薄い程、伝搬し易いと言われている。超音波が伝搬し易くなると、分離機能を高精度化することができる。

特開２０１８－３９６８８号公報 特開２０１８－３９７０１号公報

しかしながら、石英ガラスとホウケイ酸ガラスは、ガラス板の厚みを薄くしていくと、超音波の振動により表面欠陥に応力集中が起こり、場合によっては破損に至るという問題があった。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、その目的は、破損し難く、且つ超音波が伝搬し易いガラス板を提供することである。

本発明者は、鋭意努力の結果、ガラス板の破壊靭性を高めることにより、上記課題を解決し得ることを見出し、本発明として提案するものである。すなわち、本発明のガラス板は、破壊靭性が０．８ＭＰａ・ｍ^０．５以上であり、且つマイクロ流体デバイスに用いることを特徴とする。ガラス板の破壊靭性を高めると、超音波の振動により表面欠陥に応力集中が起こっても、ガラス板が破損し難くなる。結果として、マイクロ流体デバイスにおいて、ガラス板の破損を防止した上で、音響放射力の効果により分離機能を高めることができる。ここで、「破壊靱性」は、ＪＩＳ Ｒ１６０７「ファインセラミックスの破壊靱性Ｋ_１Ｃ試験方法」に基づき、予き裂導入破壊試験法（ＳＥＰＢ法：Single-Edge-Precracked-Beam method）を用いて測定したものである。ＳＥＰＢ法は、予き裂導入試験片の３点曲げ破壊試験によって試験片が破壊するまでの最大荷重を測定し、最大荷重、予き裂長さ、試験片寸法及び曲げ支点間距離から平面歪み破壊靱性を求める方法である。なお、各ガラスの破壊靱性値は５点の平均値より求めるものとする。また、マイクロ流体デバイスに用いるガラス板には、流路形成用ガラス板とカバー用ガラス板の双方が含まれる。

また、本発明のガラス板は、ガラス組成として、モル％で、ＳｉＯ_２ ４０～８０％、Ａｌ_２Ｏ_３ ５～３０％、Ｂ_２Ｏ_３ ０～１５％、Ｐ_２Ｏ_５ ０～１５％、Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ ０～２０％、ＭｇＯ ３～３５％、ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ０～１５％を含有することが好ましい。ここで、「Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ」は、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ及びＫ_２Ｏの合量を指す。「ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ」は、ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯの合量を指す。

本発明のマイクロ流体デバイスは、ガラス板を備えたマイクロ流体デバイスであって、ガラス板が上記のガラス板であることが好ましい。

また、本発明のマイクロ流体デバイスでは、ガラス板に流路が形成されていることが好ましい。

本発明のガラス板において、破壊靭性は０．８ＭＰａ・ｍ^０．５以上であり、好ましくは０．９ＭＰａ・ｍ^０．５以上、特に０．９超～２ＭＰａ・ｍ^０．５である。破壊靭性が小さ過ぎると、ガラス板の厚みを薄くした場合に、超音波の振動により表面欠陥に応力集中が起こり易くなる。

本発明のガラス板は、ガラス組成として、モル％で、ＳｉＯ_２ ４５～８０％、Ａｌ_２Ｏ_３ ５～３０％、Ｂ_２Ｏ_３ ０～１５％、Ｐ_２Ｏ_５ ０～１５％、Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ ０～２０％、ＭｇＯ ３～３５％、ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ０～１５％を含有することが好ましい。本発明のガラス板において、各成分の含有範囲を限定した理由を下記に示す。なお、各成分の含有範囲の説明において、％表示は、特に断りがない限り、モル％を指す。

ＳｉＯ_２は、ガラスのネットワークを形成する成分である。ＳｉＯ_２の含有量は、好ましくは４０～８０％、４５～８０％、４５～７０％、特に４５～６５％である。ＳｉＯ_２の含有量が少な過ぎると、ガラス化し難くなり、また耐候性が低下し易くなる。一方、ＳｉＯ_２の含有量が多過ぎると、溶融性や成形性が低下し易くなる。

Ａｌ_２Ｏ_３は、破壊靭性や耐候性を高める成分である。Ａｌ_２Ｏ_３の含有量は、好ましくは５～３０％、９～２５％、特に１４～２４％である。Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が少な過ぎると、破壊靭性や耐候性が低下し易くなる。一方、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が多過ぎると、溶融性、成形性及び耐失透性が低下し易くなる。

Ｂ_２Ｏ_３は、ガラスのネットワークを形成する成分であるが、破壊靭性や耐候性を低下させる成分である。よって、Ｂ_２Ｏ_３の含有量は、好ましくは０～２０％、０～１５％、特に０～１０％である。

Ｐ_２Ｏ_５は、ガラスのネットワークを形成する成分であり、また溶融性、成形性を高める成分であり、特に液相温度近辺における粘度を高める成分である。一方、Ｐ_２Ｏ_５の含有量が多過ぎると、破壊靭性や耐候性が低下し易くなり、また分相が起こり易くなる。よって、Ｐ_２Ｏ_５の含有量は、好ましくは０～１５％、０～１０％、特に０～７％である。

Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ及びＫ_２Ｏは、高温粘度を低下させて、溶融性、成形性を高める成分である。一方、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ及びＫ_２Ｏの含有量が多過ぎると、耐候性が低下し易くなる。よって、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ及びＫ_２Ｏの合量は、好ましくは０～２０％、１～１０％、特に１～８％である。Ｌｉ_２Ｏ及びＫ_２Ｏのそれぞれの含有量は、好ましくは０～１５％、０～８％、特に１～５％である。

ＭｇＯは、破壊靭性を大幅に高める成分であり、また高温粘度を低下させて、溶融性、成形性を高める成分である。ＭｇＯの含有量は、好ましくは３～３５％、５～３０％、特に１０～２５％である。ＭｇＯの含有量が少な過ぎると、上記効果を享受し難くなる。一方、ＭｇＯの含有量が多過ぎると、耐失透性が低下し易くなる。

ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯは、高温粘度を低下させて、溶融性、成形性を高める成分である。しかし、ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯの含有量が多過ぎると、耐失透性、破壊靭性等が低下し易くなる。よって、ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯの合量は、好ましくは０～１５％、特に０～１０％である。ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯのそれぞれの含有量は、好ましくは０～１２％、０～８％、０～５％、特に０～１％である。

上記成分以外にも、例えば以下の成分を添加してもよい。

ＴｉＯ_２は、耐候性を高める成分であるが、ガラスを着色させる成分である。よって、ＴｉＯ_２の含有量は、好ましくは０～０．５％、特に０～０．１％未満である。

ＺｒＯ_２は、破壊靭性や耐候性を高める成分であるが、耐失透性を低下させる成分である。よって、ＺｒＯ_２の含有量は、好ましくは０～０．５％、特に０～０．１％未満である。

清澄剤として、ＳｎＯ_２、Ｃｌ、ＳＯ_３、ＣｅＯ_２の群（好ましくはＳｎＯ_２、ＳＯ_３の群）から選択された一種又は二種以上を０．０５～０．５％添加してもよい。

Ｆｅ_２Ｏ_３は、ガラス原料に不純物として不可避的に混入する成分であり、着色成分である。よって、Ｆｅ_２Ｏ_３の含有量は、好ましくは０．０５％以下、特に０．００１～０．０３％である。

Ｖ_２Ｏ_５、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＣｏＯ_３及びＮｉＯは、着色成分である。よって、Ｖ_２Ｏ_５、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＣｏＯ_３及びＮｉＯのそれぞれの含有量は、好ましくは０．１％以下、特に０．０１％未満である。

Ｙ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３等の希土類酸化物は、破壊靭性を高める成分である。しかし、原料自体のコストが高く、また多量に添加すると、耐失透性が低下し易くなる。よって、希土類酸化物の合量は、好ましくは３％以下、１％以下、特に０．１％未満である。

環境的配慮から、ガラス組成として、実質的にＡｓ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_３、ＰｂＯ、Ｂｉ_２Ｏ_３及びＦを含有しないことが好ましい。ここで、「実質的に～を含有しない」とは、ガラス成分として積極的に明示の成分を添加しないものの、不純物として混入する場合を許容する趣旨であり、具体的には、明示の成分の含有量が０．０１％未満であることを指す。

本発明のガラス板において、板厚は、好ましくは１ｍｍ以下、０．５ｍｍ以下、特に０．２ｍｍ以下である。板厚が厚過ぎると、超音波の振動が伝搬し難くなる。

本発明のガラス板は、例えば、以下のようにして作製することができる。

まず所定のガラス組成になるように調合したガラス原料を連続溶融炉に投入して、１５００～１７００℃で加熱溶融し、清澄、攪拌した後、成形装置に供給して板状に成形し、徐冷することにより、ガラス板を作製することができる。板引き成形の方法に制限はないが、フロート法、ロールアウト法、オーバーフローダウンドロー法を採用してもよい。

ガラス板を成形する方法として、フロート法を採用することが好ましい。フロート法は、ガラス板を安価に作製し得る方法である。オーバーフローダウンドロー法は、表面が未研磨の状態で、薄いガラス板を大量に作製し得る方法である。なお、表面が未研磨であると、ガラス板の製造コストを低廉化することができる。

次に、本発明のガラス板を用いてマイクロ流体デバイスを作製する方法を説明する。まず、フォトリソグラフィー、レーザー、サンドブラスト等の方法により、ガラス板に流路を形成する。流路の深さは１～１００μｍとすることが好ましい。次に、流路形成用ガラス板とカバー用ガラス板を熱融着又はオプティカルコンタクトにより接合することにより、マイクロ流体デバイスを作製することができる。

以下、実施例に基づいて、本発明を詳細に説明する。なお、以下の実施例は単なる例示である。本発明は以下の実施例に何ら限定されない。

表１は、本発明の実施例（試料Ｎｏ．１～６）と比較例（試料Ｎｏ．７、８）を示している。

次のようにしてガラス板を作製した。表中のガラス組成になるように、ガラス原料を調合した。次に、調合済みのガラスバッチを溶融炉に投入し、１６００℃で５時間溶融した後、清澄、攪拌して、溶融ガラスを均質化した上で、板厚５ｍｍの板状に成形して、ガラス板を得た。得られたガラス板について、上記の方法により破壊靭性Ｋ_１Ｃを評価した。なお、試料Ｎｏ．１～８に係るガラス板は、Ｆｅ_２Ｏ_３の混入不純量が０．０１モル％であった。

表１から分かるように、試料Ｎｏ.１～６は、破壊靭性が高いため、ガラス板の厚みを薄くしても、超音波の振動により表面欠陥に応力集中が起こり難いものと考えられる。一方、試料Ｎｏ．７、８は、ガラス板の厚みを薄くすると、超音波の振動により表面欠陥に応力集中が起こり易いものと考えられる。

続いて、試料Ｎｏ．1～６に係るガラス板それぞれに対して、７０ｍｍ×１５ｍｍサイズ、厚み０．１ｍｍになるように、研磨加工を行った。その後、サンドブラストにより深さ３５μｍ、幅１２０μｍ、長さ５０ｍｍの流路を形成し、マイクロ流体デバイス用基板を作製した。得られたマイクロ流体用基板に超音波振動子（富士セラミックス製）を有機系接着剤で接着し、４ＭＨｚ、４０Ｖｐｐを印加して、４ＭＨｚの超音波振動を加えた。その結果、マイクロ流体用基板に破損は認められなかった。

一方、試料Ｎｏ．７、８に係るガラス板それぞれに対して、同様の方法でマイクロ流体デバイス用基板を作製し、同様の超音波振動を加えたところ、マイクロ流体基板に破損が認められた。

本発明のガラス板は、マイクロ流体デバイス用基板、特に深さ１～１００μｍの流路形成用基板に好適であり、特に超音波による音響放射力を利用する方法を利用したマイクロ流体デバイス用基板に好適である。

Claims (4)

1. 破壊靭性が０．８ＭＰａ・ｍ^０．５以上であり、且つマイクロ流体デバイスに用いることを特徴とするガラス板。
2. ガラス組成として、モル％で、ＳｉＯ_２ ４０～８０％、Ａｌ_２Ｏ_３ ５～３０％、Ｂ_２Ｏ_３ ０～１５％、Ｐ_２Ｏ_５ ０～１５％、Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ ０～２０％、ＭｇＯ ３～３５％、ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ０～１５％を含有することを特徴とする請求項１に記載のガラス板。
3. ガラス板を備えたマイクロ流体デバイスであって、
   ガラス板が、請求項１又は２に記載のガラス板であることを特徴とするマイクロ流体デバイス。
4. ガラス板に流路が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のマイクロ流体デバイス。