JP4106000B2

JP4106000B2 - マイクロチップ

Info

Publication number: JP4106000B2
Application number: JP2003299933A
Authority: JP
Inventors: 政夫井上; 美智恵原地
Original assignee: Aida Engineering Ltd
Current assignee: Aida Engineering Ltd
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2003-08-25
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2023-08-25
Also published as: JP2005066471A

Description

本発明は基板内にマイクロチャネルと呼ばれる微細流路やポートなどの極微細構造を有するマイクロチップに関する。更に詳細には、本発明は微細流路内に異物が混入したり、目詰まりを起こし難い構造を有するマイクロチップに関する。

最近、マイクロスケール・トータル・アナリシス・システムズ（μＴＡＳ）又はラブ・オン・チップ(Lab-on-Chip)などの名称で知られるように、基板内に所定の形状の流路を構成するマイクロチャネル及びポートなどの微細構造を設け、該微細構造内で物質の化学反応、合成、精製、抽出、生成及び／又は分析など各種の操作を行うことが提案され、一部実用化されている。このような目的のために製作された、基板内にマイクロチャネル及びポートなどの微細構造を有する構造物は総称して「マイクロチップ」と呼ばれる。

マイクロチップは遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニング及び環境モニタリングなどの幅広い用途に使用できる。常用サイズの同種の装置に比べて、マイクロチップは(1)サンプル及び試薬の使用量が著しく少ない、(2)分析時間が短い、(3)感度が高い、(4)現場に携帯し、その場で分析できる、及び(5)使い捨てできるなどの利点を有する。

マイクロチップの材質や構造及び製造方法は例えば、特許文献１、特許文献２及び非特許文献１などに提案されている。図６に示されるように、マイクロチップ１００は基本的に、基板１０２と、この基板１０２内に設けられた微細流路１０４を封止する対面基板１１０とからなる。また、基板１０２には前記微細流路１０４に連通するポート１０６，１０８が開設されている。しかし、場合により、ポート１０６，１０８は対面基板１１０に配設されることもある。ポート１０６，１０８はマイクロチップの外部との間で薬液やサンプル液、生成物、廃液などの授受を行ったり、あるいは送液のための気体を送り込んだりする目的のために使用される。

図７はオープンウェル方式のポートの断面図である。ピペット１１２などで目的の流体をポート１０６内に落とし込んだり、逆にポート１０６内の流体を吸い取ったりする。ポート１０６には微細流路１０４が連通状態に接続されており、ポート１０６内の流体を流路１０４に押し込んだり、引き込んだりする。逆に流路１０４内の流体をポート１０６内へ導くこともある。

図８は別のポートの例を示す断面図である。このポートの場合、専用のフィッティング１１４によりポート１０６にチューブ１１６を接続する。ポート１０６とチューブ１１６との間は或る程度の密閉性が保たれる。その上で、チューブ１１６を介してマイクロポンプ（図示されていない）などにより流体を直接流路１０４に押し込んだり、引き込んだりする。あるいは、チューブ１１６を介して送液用の気体の圧縮ポンプ（図示されていない）や真空ポンプ（図示されていない）などを接続する。

特開２００１−１５７８５５号公報米国特許第５９６５２３７号明細書 David C. Duffy et al, Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane), Analytical Chemistry, Vol.70, No.23, December 1, 1988, pp.4974-4984

ポート１０６から流路１０４内に導入しようとする流体に元々から不要な異物粒子（パーティクル）１１８が混入していたり、あるいは大気中に浮遊する塵埃などの異物粒子１１８が流体の導入過程などで誤って流路１０４内に入り込む可能性がある。特に図７のようなオープンウェル方式のポートの場合は、大気中の塵埃などの異物粒子が入り易い。図８のような密閉式のフィッティング１１４を用いた場合も、フィッティング１１４の着脱時に異物粒子が混入する可能性がある。流路１０４は一般的に、幅が数μｍ〜数百μｍ程度で、高さ（又は深さ）が数μｍ〜数十μｍ程度の範囲内である。従って、このような微細な流路内に混入した異物粒子は撹拌や反応、検出などの各種の流体操作の妨げになったり、流路１０４の途中で目詰まりし、流体の性状な流れを阻害する原因となる。特に、図９に示されるように、流路１０４の途中に、これら流路よりも流路幅が一段と狭くなるような隘路１２０がある場合、その部分で異物粒子１１８が目詰まりが生じやすい。

従って、本発明の目的は、マイクロチップの微細流路内に不要な異物粒子が混入し難い構造を提供することである。

前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明の特徴は、一方の表面に所定の形状の流体用流路が配設された少なくとも一枚の基板と、該流体用流路を封止する対面基板とからなり、前記基板又は対面基板の何れかに穿設され、前記流体用流路と連通する少なくとも１個のポートを有するマイクロチップにおいて、
前記少なくとも１個のポートのうち、前記流体用流路に前記流体を送入するために使用されるポートに接続され、前記流体用流路の横断面積よりも小さな横断面積を有し、かつ、前記ポートとの接続箇所が細く、前記流体用流路との接続箇所に向かって拡開する複数本の濾過用流路が配設されていることである。

前記のように構成された請求項１に係る発明によれば、ポート内に注入された流体内に元々含有されていた異物粒子及び／又はポートの開口部を通してポート内に混入した異物粒子は流体用流路手前の濾過用流路により捕捉されるので、異物粒子が本来の流体用流路内に進入することは効果的に防止される。その結果、異物粒子が流体操作に悪影響を及ぼす恐れはない。また、濾過用流路はポートとの接続箇所が細く、前記流体用流路との接続箇所に向かって拡開する構造を有するので、一層微細な異物粒子であっても確実に捕捉することができ、しかも、末広がりの形状であるため、流体の流量も確保することができる。更に、濾過用流路により捕捉された異物粒子を加圧手段及び／又は吸引手段により前記ポートから前記マイクロチップ外へ取り除くことができるので、濾過用流路に捕捉された異物粒子により流体用流路に流れる流体の流量が低下することが効果的に防止される。その結果、マイクロチップの機能が回復され、再利用も可能となる。

本発明によれば、異物粒子が流体用流路内に入り込んで該流路を閉塞することが無くなるので、流体操作が確実になり、分析の信頼性が向上するばかりか、マイクロチップの使用寿命を延ばすこともできる。

図１は本発明のマイクロチップの一例の部分概要平面図である。図２は図１におけるII-II線に沿った断面図である。本発明のマイクロチップ１において、ポート３と流体用流路５との間には、複数本の前記流体用流路５の横断面積よりも小さな横断面積を有する濾過用流路７が配設されている。図示されていないが、流体用流路５として横断面積の異なる流路が複数本ある場合には、最も横断面積の小さな流体用流路を基準にして、これよりも横断面積の小さな濾過用流路を有しなければならない。如何なる流体用流路にも異物粒子が入り込んで該流路を閉塞することを確実に防止するためである。一方、複数本の濾過用流路の横断面積の合計は、流体用流路の中で一番大きな横断面積を有する流路と同等か、それ以上であることが望ましい。これは流体用流路による送液流量を確保するためである。流体用流路５の他端にはポート９が配設されているが、このポート９は主に、流体をチップ外へ排出させるために使用されるので、このポート９には濾過用流路を配設する必要はない。これにより、マイクロチップ１の製造コストを安価に抑えることができる。この場合、濾過用流路７が配設されたポート３を識別するための適当な手段（図示されていない）を設けることが好ましい。しかし、所望により、ポート９側にも濾過用流路７を配設することができる。この場合、マイクロチップ１の製造コストは上昇するものの、チップの方向性を全く考慮することなく使用できるので、分析の作業性が向上される。

濾過用流路７の横断面積は流体用流路５の横断面積よりも小さいので、ポート３の濾過用流路７の入口部分で異物粒子１１８は捕捉（トラップ）され、流体用流路５内には侵入できない。異物粒子１１８は捕捉された濾過用流路は流れが阻害されるが、濾過用流路は複数本あるため、全体的には必要な流量を確保することができる。濾過用流路７の高さは図示されたものに限定されず、流体用流路５の高さよりも低くすることもできる。

本発明のマイクロチップ１も図６に示される従来技術のマイクロチップと同様に、濾過用流路７及び流体用流路５が設けられる基板１１と、この基板１１内に設けられた濾過用流路７及び流体用流路５を封止する対面基板１３とからなる。図示された実施態様では、ポート３が基板９に設けられているが、対面基板１３に設けることもできる。また、基板１１は一枚だけでなく、複数枚を積重させて使用することもできる。

基板１１の形成材料としては、例えば、エラストマータイプのシリコン樹脂であるＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）を使用することが好ましい。ＰＤＭＳは良好なモールド転写性や透明性、耐薬品性、生体適合性などマイクロチップの部材として優れた特徴を有する。従って、ＰＤＭＳにより形成されたマイクロチップは、微細な流路を形成する際に、作業が繁雑なエッチングや、切削などの機械加工などの処理プロセスが不要であり、単純かつ安価な型取りと封止だけで極めて簡単に微細流路を形成することができる。ＰＤＭＳ以外の基板材料（例えば、ガラス又はポリメチルメタクリレート(PMMA)など）も同様に使用できる。基板１１は透明であっても、不透明であってもよい。一方、対面基板１３の形成材料としては、例えば、ＰＤＭＳ、ガラス、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などを適宜する使用することができる。基板１１も透明であっても、不透明であってもよい。しかし、本発明のマイクロチップ１が光学的検出手段と併用される場合には、基板１１及び／又は対面基板１３は透明であることが好ましい。

図３は本発明のマイクロチップの別の例の部分概要平面図である。この例では、濾過用流路７のポート３との接続箇所が細く、流体用流路との接続箇所に向かって太くなるように濾過用流路７が形成されている。これにより、一層微細な異物粒子１１８であっても確実に捕捉することができ、しかも、末広がりの形状であるため、流体の流量も確保することができる。

図４は図１に示されたマイクロチャネル５の製造方法を示す工程図である。先ず、ステップ（ａ）において、最終製品のマイクロチップ１のサイズ（例えば、２０ｍｍｘ２０ｍｍ又は２０ｍｍｘ３０ｍｍ）と概ね同じサイズのシリコンウエハ１５を準備する。シリコンウエハ１５は予め乾燥させたり、表面処理などの所望の前処理を施すこともできる。その後、ステップ（ｂ）において、適当なレジスト材料（例えば、ネガティブフォトレジストＳＵ−８など）を２０００ｒｐｍ〜５０００ｒｐｍの回転速度で数秒間〜数十秒間にわたってスピン塗布し、オーブン中で乾燥させ、所望の厚さのレジスト膜１７を形成する。次いで、ステップ（ｃ）において、このレジスト膜１７上にマスク１９を通して、適当な露光装置（図示されていない）で露光する。マスク１９は本発明のマイクロチップ１における濾過用流路７及び流体用流路５に対応するレイアウトパターンを有する。その後、ステップ（ｄ）において、適当な現像液（例えば、１−メトキシ−２−プロピル酢酸）中で現像し、上面に濾過用流路７及び流体用流路５に対応する微細構造２１を有するマスター２３を生成する。所望により、このマスター２３を有機溶媒（例えば、イソプロピルアルコール）及び蒸留水で洗浄することができる。更に、マスター２３の表面をフルオロカーボンの存在下で反応性イオンエッチングシステムにより処理することができる。このフルオロカーボン存在下の反応性イオンエッチング処理は、後のステップにおいて、ＰＤＭＳのマスター２３からの離型性を改善する。次いで、ステップ（ｅ）において、前記のマスター２３の上面に、ＰＤＭＳプレポリマーと硬化剤を適度な割合で混合し、脱気したＰＤＭＳプレポリマー混合液を流し込む。この際、型枠を使用し、鋳込み型とし、その中にＰＤＭＳプレポリマー混合液を流し込んで型取りすることが好ましい。ＰＤＭＳプレポリマー混合液としては、例えば、米国のダウ・コーニング社製のSYLGARD 184 SILICONE ELASTOMERが好適に使用できる。これは液状のＰＤＭＳプレポリマーと硬化剤を１０対１の割合で混合するものである。塗布後、常温で十分な時間放置するか、又は、例えばオーブン中で６５℃で４時間加熱するか若しくは１３５℃で１５分間加熱して硬化させ、ＰＤＭＳ中間基板２５を生成させる。ＰＤＭＳ中間基板２５は透明性の高いゴム状の樹脂であり、マスター２３の微細構造２１が転写されている。その後、ステップ（ｆ）において、ＰＤＭＳ中間基板２５３をマスター３０から剥離し、ＰＤＭＳ中間基板２５の上面から下部の濾過用流路７に連通するポート３を穿設することによりＰＤＭＳ基板１１を得る。濾過用流路７を長めに形成したＰＤＭＳ中間基板２５に対して、濾過用流路７を途中で切断するようにパンチ２７でポートを穿設すると、濾過用流路７とポート穿設位置との相対位置が少しずれても問題が無く、作業性が向上する。図示されていないが、流体用流路５の他端には同時にポート９が穿設される。最後に、ステップ（ｇ）において、ポート３及び９が穿設されたＰＤＭＳ基板１１を対面基板１３に貼り合わせて、本発明のマイクロチップ１を得ることができる。

図５は、捕捉された異物粒子を除去する機能を有する本発明のマイクロチップの一例の部分概要平面図である。図５に示されたマイクロチップ１Ｂでは、流体用流路５に対して、第１の開閉バルブ３０が配設されており、更に、第１の開閉バルブ３０と濾過用流路７との間に、加圧用管路３２が配設されている。加圧用管路３２の他端には加圧ポート３４が設けられており、更に、加圧ポート３４に隣接して第２の開閉バルブ３６が設けられている。通常は、第１の開閉弁３０を「開」、第２の開閉弁を「閉」の状態で使用する。ポート３から流体を送入した際、濾過用流路７の入口付近に捕捉された異物粒子は、例えば、第１の開閉弁３０を「閉」、第２の開閉弁を「開」の状態で、加圧ポートから気体（例えば、空気など）又は液体（例えば、純水など）を送入して加圧することにより、ポート３内に押し戻される。別法として、第１の開閉弁３０を「閉」、第２の開閉弁を「閉」の状態でポート３から陰圧で強力に引くことによっても濾過用流路７の入口付近に捕捉された異物粒子をポート３内に引き戻すことができる。ポート３内の異物粒子は例えば、液体（例えば、純水など）を混合して、ピペットなどを用いて吸い取ることによりポート３から取り除くことができる。これにより、濾過用流路７に異物粒子１１８が捕捉されたために流量低下を招いていたマイクロチップ１の本来の機能が回復され、再利用が可能となる。

図４に示されるような方法でマスターを作製し、このマスターを用いてＰＤＭＳにより厚さ２ｍｍの基板１１を作製した。ポートの直径は３ｍｍであり、濾過用流路は高さが３０μｍであり、幅が１０μｍの微細流路１０本から構成されており、流体用流路は高さが３０μｍであり、幅１００μｍであった。対面基板としてはガラスを使用し、図５に示されるような構造を有するマイクロチップを製造した。濾過用流路７が接続されているポート３から既知のサイズ（約２０μｍ）の異物粒子を含有する純水を注入し、流体用流路に純水を送入した。純水を濾過用流路を介して流体用流路に送入するために、ポート３側から３ＫＰａの圧力を加圧した。この際、第１の開閉弁３０を「開」にし、第２の開閉弁３４を「閉」にした。拡大鏡で検査したところ、異物粒子は濾過用流路の入口部分に捕捉されていることが確認された。

実施例１のマイクロチップにおいて、第１の開閉弁を「閉」にし、第２の開閉弁を「開」にして、第２の開閉弁側のポート３４から空気を１０ＫＰａの圧力で送り込んだ。その後、拡大鏡で検査したところ、異物粒子は濾過用流路の入口部分から剥がされてポート３の中央部付近に飛ばされていることが確認された。ポート３に純水を注ぎ込み、この純水をピペットで吸引し廃棄した。その後、再び拡大鏡で検査したところ、異物粒子はポート３内には最早存在していないことが確認された。

本発明のマイクロチップは医学、獣医学、農学、薬学、水産、食品などの諸分野において、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質、アミノ酸などの化学物質の極微量分析において広範に活用することができる。

本発明のマイクロチップの一例の部分概要平面図である。図１におけるII-II線に沿った部分概要断面図である。本発明のマイクロチップの別の例の部分概要平面図である。本発明のマイクロチップの製造方法の一例を示す工程図である。本発明のマイクロチップの更に別の例の部分概要平面図である。従来のマイクロチップの一例の部分概要断面図である。図６のマイクロチップにおいてポートを介して流体を送入する一例の部分概要断面図である。図６のマイクロチップにおいてポートを介して流体を送入する一例の部分概要断面図である。従来のマイクロチップの別の例の部分概要平面図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ本発明のマイクロチップ
３，９ポート
５流体用流路
７濾過用流路
１１８異物粒子

Claims

一方の表面に所定の形状の流体用流路が配設された少なくとも一枚の基板と、該流体用流路を封止する対面基板とからなり、前記基板又は対面基板の何れかに穿設され、前記流体用流路と連通する少なくとも１個のポートを有するマイクロチップにおいて、
前記少なくとも１個のポートのうち、前記流体用流路に前記流体を送入するために使用されるポートに接続され、前記流体用流路の横断面積よりも小さな横断面積を有し、かつ、前記ポートとの接続箇所が細く、前記流体用流路との接続箇所に向かって拡開する複数本の濾過用流路が配設されていることを特徴とするマイクロチップ。