JP4365182B2 - フローセル - Google Patents

Description

本発明は，例えばμＴＡＳ（Micro Total Analysis System）分野のような、チップ上で微量な流体試料を用いて化学分析や化学反応を行う際に用いられるフローセルに関するものである。

微量な流体試料について化学分析や化学反応を行うための、微細な流路や反応容器を形成したμＴＡＳデバイスの材料として、近年、樹脂材料が広く使用されてきている。なかでも、成型（モールディング）技術を用いて微細な構造を容易に形成することができるためシリコーンゴムが注目されている。

図５にシリコーンゴムを用いたフローセルの例を示す。そのフローセルは、シリコーンゴム製のカバープレート２及びベースプレート４で構成され、カバープレート２には試料導入口６、排出口８となる貫通穴があけられており、ベースプレート４には試料を流すための流路１０となる溝が形成されている。カバープレート２とベースプレート４を貼り合せることにより内部流路１０が形成される。

しかしながら、シリコーンゴムは一般的に有機溶剤に対し膨潤や溶解するという欠点を持つ。また、生化学分野での計測に用いられるような蛍光物質を表面に吸着させやすい。これらは有機合成や生化学分析に応用する際に大きな問題となる。
そこで、そのような問題を解決するため、シリコーンゴムの一種であるポリジメチルシロキサン（Poly-dimethylsiloxane、以下ＰＤＭＳという）によりフローセルを形成し、液に接する部分の表面に水ガラスをコーティングした報告がなされている（非特許文献１参照。）。
B．J・Jo，J．Moorthy，I］．J．Beebe，"Polymer Microfluidic Valves，Membranes and Coatings"，Prco of the μTAS Symposuim 2000，pp335−338

しかし、ＰＤＭＳ表面を水ガラスでコーティングすると、水ガラス被膜がひび割れてしまうことも報告されている（非特許文献１参照。）。そのため、水ガラス被膜は実用に適さない。
そこで、本発明はシリコーンゴムのような耐薬品性に問題のある材料を用いてフローセルを製作しても耐薬品性を備え、かつ実用に適するようにすることを目的とするものである。

本発明のフローセルは、基板を構成する２つの部材の少なくとも一方の部材の表面に溝が形成され、両部材が前記溝を内側にして接合されていることにより、基板内部の前記溝を含む流路を備えているフローセルであって、前記２つの部材のうち少なくとも一方は熱硬化性樹脂からなり、かつ熱硬化性樹脂からなる部材の表面のうち少なくとも前記流路に面する部分の表面がフッ素樹脂被膜により被覆されていることを特徴とするものである。

ここで、「流路」とは部材の接合面側の表面に形成された溝により構成される基板内部の流路は少なくとも含む意味で使用している。したがって、基板内部のその流路に面する部分の表面は必ずフッ素樹脂被膜により被覆することを意味している。
基板内部の流路から基板表面に設けられる試料注入口や試料排出口につながる部材貫通穴が存在する場合には、それらの貫通穴も流路に含めて貫通穴の内壁もフッ素樹脂被膜により被覆しておくのが好ましい。しかし、試料注入口や試料排出口につながる部材貫通穴の内壁に接触することなく基板内部の流路に試料を注入したり、基板内部の流路から試料を排出したりすることができる場合には、それらの部材貫通穴の内壁はフッ素樹脂被膜により被覆しなくてもよい。

熱硬化性樹脂としては成型により微細な構造を形成するのに適する材料が好ましく、シリコーンゴム、エポキシ樹脂などを用いることができる。シリコーンゴムの一例としてはＰＤＭＳがある。

フッ素樹脂は耐薬品性の被膜を形成するものであり、フッ素アモルファス樹脂、ＰＴＦＥ（ポリ四フッ化エチレン（poly−tetrafluoroethylene））、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（tetrafluoroethylene-perfluoro alkylvinyl ether copolymer））などを用いることができる。フッ素アモルファス樹脂の一例としてサイトップ（ＣＹＴＯＰ（登録商標）、旭ガラス株式会社製）がある。

２つの部材はどのような方法で接合してもよいが、好ましい接合方法は、接合面にも流路に面する部分の表面を被覆しているフッ素樹脂の層が存在し、そのフッ素樹脂層が接着層となっているものである。

本発明のフローセルでは、熱硬化性樹脂からなる部材の表面のうち少なくとも流路に面する部分の表面がフッ素樹脂被膜により被覆されているので、熱硬化性樹脂の成型性に優れるという利点を維持しつつ、フッ素樹脂被膜により有機溶剤への耐性を改善させるとともに、フローセルの流路表面への物質の吸着を低減させることができる。

２つの部材の接合を流路に面する部分の表面を被覆しているフッ素樹脂と同じフッ素樹脂層により行うことにより、流路に存在するフッ素樹脂被膜上に他の材質の層が介在してくるのを防ぐことができ、フッ素樹脂被膜の耐薬品性などの本来の特性を維持することができる。
また、流路に面する部分の表面を被覆しているフッ素樹脂の塗布と接着層の塗布を兼用できるので、フローセル製造工程が簡略化される。

本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
図１に一実施例のフローセルを示す。
カバープレート２及びベースプレート４はシリコーンゴムの一種であるＰＤＭＳで構成されている。カバープレート２には試料導入口６、排出口８となる貫通穴があけられており、ベースプレート４には試料を流すための内部流路１０となる溝が形成されている。カバープレート２、ベースプレート４それぞれの表面のうち、互いに接合される側の表面、溝内及び貫通穴内にフッ素樹脂被膜１２が被覆されており、そのフッ素樹脂被膜１２が被覆されている表面同士を貼り合わせることにより、流路内壁がフッ素樹脂被膜１２で覆われた構造のフローセルが形成されている。

フッ素樹脂被膜１２の厚さは、流路を流れる試料がカバープレート２とベースプレート４に直接に接触するのを防ぐことができる厚さであり、また、フッ素樹脂被膜１２が接着層を兼ねるので所定の接合強度が得られる厚さである。そのようなフッ素樹脂被膜１２の厚さとしては、０．２μｍから５μｍ程度が適当である。
このようなフローセルでは、流路を流れる試料はカバープレート２とベースプレート４のＰＤＭＳに直接に接触することがないため、カバープレート２とベースプレート４が有機溶剤等で膨潤や溶解することを防ぐことができる。

図２に同実施例のフローセルの作製方法の一例を示す。
（Ａ）カバープレート２とベースプレート４をモールド成型により形成するために、それぞれの反転パターンをもつ鋳型２０を製作しておく。その鋳型製作は、例えば、シリコン基板にホトレジストを塗布し、マスクを介して露光、現像とリンスを経てレジストパターンを形成した後、そのレジストパターンをマスクとして例えばドライエッチングによりシリコン基板をエッチングすることにより行うことができる。

その鋳型２０を用いてカバープレート２とベースプレート４をモールド成型するが、そのモールド成型は次のように行なう。成型する樹脂としてＰＤＭＳを用いる。ＰＤＭＳは２液硬化性のシリコーンゴムであり、主材と硬化剤の２液を混ぜ合わせ、加熱することにより硬化する。そこで、その２液を混ぜ合わせた後に、鋳型２０上に流し込み、加熱することによってＰＤＭＳ部材上に流路パターンが形成される。
図２（Ａ）はベースプレート４の成型工程を示しているが、試料注入口、排出口となる貫通穴を備えたカバープレート２も同様にＰＤＭＳにより形成する。

（Ｂ）次に、カバープレート２とベースプレート４の表面で、流路が形成される側の面、すなわち互いに接合される側の面に酸素プラズマ処理を行なう。処理条件の一例、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置において、酸素流量５０ｓｃｃｍ、圧力１５０ｍＴｏｒｒ、印加電力５０Ｗで処理時間４０秒である。
この酸素プラズマ処理は、次工程で塗布するフッ素樹脂剤の塗れ性の改善のために行なう。

次に、カバープレート２とベースプレート４の表面で、酸素プラズマ処理を施した面にフッ素アモルファス樹脂（サイトップ（ＣＹＴＯＰ（登録商標）、旭ガラス株式会社製））１２をスピンコートにより塗布（例えば３０００ｒｐｍで３０秒）し、その後、７５℃で３０秒加熱して硬化させる。フッ素アモルファス樹脂層の塗布はスピンコート法に替えて塗布液に浸漬するディップコート法により行なってもよい。

（Ｃ）その後、カバープレート２とベースプレート４を、フッ素アモルファス樹脂層１２を形成した面を対向させて重ね合わせ、一定温度に制御された熱プレス機２２，２４により加圧、加熱して接合をおこなう。この条件は例えば１１５℃、４０ｋＰａである。
このようにして、流路内壁がすべてフッ素樹脂１２で覆われたシリコーンゴム製のフローセルが完成する。

ＰＤＭＳは熱硬化性樹脂であり、フッ素アモルファス樹脂は熱可塑性樹脂であるため、ＰＤＭＳの微細形状を熱変形させずにフッ素アモルファス樹脂層を熱融着することができる。

図３にＰＤＭＳ成型品と、本発明によりフッ素樹脂被膜で表面を被覆したＰＤＭＳ成型品について、有機溶剤耐性の評価実験を行った結果を示す。
微細な構造を形成したそれぞれの基板を、フッ化テトラブチルアンモニウムを１ｍＭの濃度になるようにテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）に溶解した溶液に１分間浸漬した後の顕微鏡観察像を示している。図３（１）はフッ素樹脂をコートしていないＰＤＭＳ成型品であるが、この場合はパターンが溶解してしまっているのがわかる。それに対し、図３（２）はフッ素樹脂被膜で被覆したＰＤＭＳ成型品であり、この場合にはパターンに変化がみられない。この結果から、フッ素樹脂により有機溶剤耐性が改善されていることが分かる。

図４に蛍光物質の吸着に対する評価実験結果を示す。ＰＤＭＳ製のフローセルと、本発明によりフッ素樹脂被膜で流路表面を被覆したＰＤＭＳ製フローセルにそれぞれ蛍光物質（ローダミンＢ）を１０μＭの濃度で含む溶液を流し、その後、純水でセル内をリンスした後の蛍光像を示している。図４（１）は純水で３０分リンスした後のＰＤＭＳフローセルでの結果を示しており、流路内壁に蛍光物質が吸着していることが分かる。一方、図４（２）はフッ素樹脂被膜で流路表面を被覆したフローセルの場合で、純水で１０秒間のみリンスした後での結果を示している。図４（２）には何の画像もなく、図中に示した破線は流路を示すためのものである。図４（２）を図４（１）の結果と比較すると、蛍光物質の吸着が低減していることが分かる。

本発明のフローセルは、化学、生化学、生物、医学などの分野において、微量な流体試料を用いて化学分析や化学反応を行なうのに利用することができる。

一実施例のフローセルを示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ線位置での断面図である。 同実施例のフローセルを製作する方法の一例を示す工程断面図である。 有機溶剤耐性の評価実験結果を示す画像であり、（１）はＰＤＭＳ成型品、（２）はフッ素樹脂被膜で表面を被覆したＰＤＭＳ成型品である。 蛍光物質の吸着に対する評価実験結果を示す画像であり、（１）はＰＤＭＳ成型品、（２）はフッ素樹脂被膜で流路の表面を被覆したＰＤＭＳ成型品である。 従来のフローセルを示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ線位置での断面図である。

符号の説明

２ カバープレート
４ ベースプレート
６ 試料導入口
８ 試料排出口
１０ 内部流路
１２ フッ素樹脂被膜

Claims (3)

1. 基板を構成する２つの部材の少なくとも一方の部材の表面に溝が形成され、両部材が前記溝を内側にして接合されていることにより、基板内部の前記溝を含む流路を備えているフローセルであって、
   前記２つの部材のうち少なくとも一方は熱硬化性樹脂からなり、
   熱硬化性樹脂からなる部材の表面のうち少なくとも前記流路に面する部分の表面がフッ素樹脂被膜により被覆されており、
   かつ前記２つの部材の接合面にも前記フッ素樹脂の層が存在し、そのフッ素樹脂層が接着層となっていることを特徴とするフローセル。
2. 前記熱硬化性樹脂はポリジメチルシロキサンである請求項１に記載のフローセル。
3. 前記フッ素樹脂はフッ素アモルファス樹脂である請求項１又は２に記載のフローセル。