JP4458313B2

JP4458313B2 - 化学集積回路

Info

Publication number: JP4458313B2
Application number: JP34274599A
Authority: JP
Inventors: 幸士生田
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1999-12-02
Filing date: 1999-12-02
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2019-12-02
Also published as: JP2001158000A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ化学反応回路を内部にもつ「化学ＩＣ」に関するものであり、特に光造形法等を利用して一つのチップ内に同一機能、同一機構からなる部品を複数配置してなる単一機能チップ、あるいは一つのチップ内に異なる機能を持つ部品を複数配置してなる複数機能チップを形成し、異なる単一機能あるいは複数機能を持つチップ同志を複数層に組み合わせることにより、目的とする化学反応回路を構成することができる化学集積回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在欧米で研究が進むシリコン半導体技術を用いた化学ＩＣは、一つのシリコンチップに全ての機能を盛り込む単目的型が主であり、汎用性、即応性の点で問題があり、さらには構造上機能を拡張し高度化させることが困難という問題がある。
【０００３】
また、シリコンプロセスによるμ−ＴＡＳ（ＭｉｃｒｏＴｏｔａｌＡｎａｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍ）では、化学反応系が変わるごとに新しいマスクを作製し、シリコン基盤上の流体系の設計製作を必要とする。一般にシリコンプロセスはメモリのような特定の微細回路を大量生産する目的には最適だが、多品種少量生産や個別生産にはコスト的にも、製造時間的にも適さない。
【０００４】
このため発明者らは、従来のシリコンプロセスによる問題点を解決する手法としてマイクロ光造形法の開発に成功した（特開平１１−１７０３７７号公報参照）。
また、上記マイクロ造形法を更に改善した、硬化樹脂に対して透過性を有する近赤外パルスレーザ光を利用し、２光子吸収を誘起することによって焦点近傍のみにおいて紫外レーザーと同じエネルギーに高め、ピンポイントで樹脂を硬化できる２光子マイクロ光造形方法も提案している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のようなマイクロ光造形法を使用することにより、シリコン半導体技術を用いた従来型のマイクロ化学装置では構成することが難しかった化学集積回路を、容易に構成できるようにするものであり、その特徴は、単機能を達成できるマイクロチップを構成し、異なる単機能を達成できるチップを複数組み合わせることによって目的とする化学集積回路を構成せんとするものである。また、一つのチップ内に異なる機能を持つ部品を複数配置してなる複数機能チップを形成し、異なる単一機能あるいは複数機能を持つチップ同志を複数層に組み合わせることにより、目的とする化学集積回路を構成せんとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
単一機能を達成する構成要素を少なくとも一つ以上組み込んだマイクロチップを液状の光硬化性樹脂を用いてマイクロ光造形法によって構成し、また前記単一機能とは異なる単一機能を達成する構成要素を少なくとも一つ以上組み込んだマイクロチップを液状の光硬化性樹脂を用いてマイクロ光造形法によって構成し、さらに、上記と同様の方法で構成した単一機能を達成する構成要素を少なくとも一つ以上組み込んだマイクロチップを少なくとも一つ以上構成し、前記構成した各マイクロチップの中から必要とする単一機能を達成するマイクロチップを取り出し、これらチップ同志を組み合わせることにより目的とする化学反応回路を構成することを特徴とする化学集積回路である。
【０００７】
【実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明に係る化学集積回路の構成について説明をすると、図１はマイクロ光造形法を使用して作成した１形態としての化学集積回路の分解斜視図である。
図にしめす化学集積回路は、４つのチップを積層して構成したものであり、最上部のチップ１が外部と化学流体の入出力用コネクタ群をもつ「コネクターチューブ」の機能を達成するコネクタチップ、第２層のチップ２が複数のマイクロバルブをもつ「バルブチップ」、第３層のチップ３が複数のマイクロリアクタ（反応部）を持つ「リアクタチップ」、第４層のチップ４が複数のマイクロ濃縮器を持つ「濃縮チップ」である。これらの４つのチップは図２に示すように、バルブチップは厚さが１ｍｍ、リアクタチップは厚さが２ｍｍ、濃縮チップは厚さが３ｍｍとして構成され、各チップ間の各マイクロ流路は液漏れが無いように密着して積層結合され一つの目的を達成できる化学反応回路を構成している。
【０００８】
上記各チップとも、従来の積層法を用いずに本発明者らが開発した液状の光硬化性樹脂の内部にレーザスポットを走査し任意の３次元構造を形成する方法（紫外レーザーを光源とした内部硬化型マイクロ造形法：ＳｕｐｅｒＩＨｐｒｏｃｅｓｓ略してＳＩＨ）を使用して一体化した透明立体構造となっており、これら各チップの製造方法は本発明の特徴ではないので、詳しい説明は省略する。
【０００９】
以下、上記化学反応回路を構成する各チップの詳細を以下の述べる。
コネクターチップ１は、化学ＩＣにおいて合成あるいは分析する物質を外部装置に輸送するためのマイクロチューブを接続する役割をもっており、図３に示す形状、図４に示す断面を有している。コネクターチップ１は、内径１ｍｍのマイクロチューブを１８本同時に接続することができるポート１ａを有するように設計されている。
【００１０】
バルブチップ２は、化学ＩＣに物質を注入する際に、その流量を制御したり、逆流を防止する重要な役割をもっており、図５に示す形状、図６に示す断面（図５中のＡ−Ａ断面）を有している。このバルブチップ２では、厚み１ｍｍのチップの内部に、内径２ｍｍの１方向弁２ａを１８個内蔵している。バルブ部分のシリコン膜は、光造形法によってバルブチップを形成してゆく過程の中で、ハイブリッドＩＨプロセスによって組み込んだものである。この例では、受動バルブであるが、形状記憶合金等のアクチュエータを内蔵させることで、能動バルブの作製も可能である。
【００１１】
リアクタチップは２つの注入口と１つの排出口を持つリアクタを９つ内蔵しており、図７上方に示す形状、図８に示す断面を有している。なお図８はリアクタチップと濃縮チップを積層した状態の断面図である。
リアクタチップ３は、厚み２ｍｍであり各リアクターの容積は、約３．１μｌとして形成されている。
【００１２】
濃縮チップ４は、リアクタチップで合成した微量な物質を濃縮する役割をもっており、このため、各種フィルター４ａをハイブリッドＩＨプロセスによって、内蔵させて構成され、図７中下方に示す形状、図８に示す断面を有している。この濃縮チップ４には限外濾過膜が内蔵されており、蛋白質の濃縮に利用することができる。
以上のように構成された各チップは図２に示すように組み合わされ、一つの目的を達成する化学反応回路（化学集積回路）を構成する。
【００１３】
化学ＩＣの機能検証の１例として、濃縮チップを用いて、蛋白質の濃縮を行うことを試みた。
実験では、蛋白質としてルシフェラーゼ・アッセイ・キット（Ｐｒｅｍｅｇａ）を用い、蛋白質であるルシフェラーゼを濃縮するためのフィルターとして限外濾過膜（ＹＭ３０：ＭＩＬＬＩＰＯＲＥ）を用いた。このアッセイ・キットでは、ルシフェラーゼにフシフェリンを混合することで、発光反応が生じるので、その発光量を光検出器で検出することによって、蛋白質が濃縮される様子を確認できる。
【００１４】
図９（ａ）は蛋白質濃縮時の濃縮チップの写真である。
図９（ｂ）は濃縮部の拡大写真であり、この写真によって限外濾過膜によって蛋白質が分離されていることが確認できる。図１０は蛋白質の時間応答を測定した結果である。グラフの縦軸は、光検出器からの出力電圧であり、横軸は、注入した試料の外積を濃縮部の容積で規格化した値である。この結果から、１０倍の体積の試料を濃縮チップに注入した際に、約１０倍の発光量が得られていることから、濃縮チップの有効性が実証された。
【００１５】
上記のような複数のチップを結合制御することで、より高度なマイクロ化学デバイスを構築する技術として有効であり、この手法を用いることにより、多機能な化学ＩＣを作製できる。また、本ＩＣは、センサーやポンプ・能動バルブ等を内蔵した化学ＩＣファミリを開発し、様々な分析装置や合成装置、さらには人工臓器等に利用することができる。
【００１６】
また、本発明は上述した例に限定されるものでなく、各機能チップの変更は随時行え、ポンプチップや検出チップなど今後新技術に応じて新規の化学ＩＣチップを追加してゆくこと、さらに、この基本構成を水平、垂直方向に３次元的に拡張することも可能である。また、上記例では単一機能を達成するマイクロチップについて説明したが、当然のことながら複数機能を達成するマイクロチップを構成し、前記構成したチップの中から異なる複数機能を有するチップを複数取り出し、これらチップ同志を組み合わせることにより目的とする化学反応回路を構成することを特徴とする化学集積回路を構成することもできる。さらにこうしたチップの作製法は、必ずしもマイクロ光造形法に限定されるものではなく、樹脂の射出成形、あるいは金属加工、その他の成形方法によってチップを成形することも可能である。
【００１７】
本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、複数のチップを結合制御することで、より高度なマイクロ化学デバイスを容易に構築することができる。本手法を用いることにより、多機能な化学ＩＣを作製できる。さらに本ＩＣは、センサーやポンプ・能動バルブ等を内蔵した化学ＩＣファミリを開発し、様々な分析装置や合成装置、さらには人工臓器等に利用することができる。このように機能毎のチップでその組み合わせが可変なので、ユーザがシステムチップを新たに作ることなく、選択組み付けのみで機能拡張が容易に可能となる。等の優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロ光造形法を使用して作成した１形態としての化学集積回路の分解斜視図である。
【図２】図１の化学集積回路の組立断面図である。
【図３】図１中のコネクターチップの斜視図である。
【図４】同コネクターチップの断面図である。
【図５】図１中のバルブチップの斜視図である。
【図６】同バルブチップの断面図である。
【図７】図１中のリアクタチップおよび濃縮チップの斜視図である。
【図８】同リアクタチップおよび濃縮チップを組み付けた状態の断面図である。
【図９】（ａ）は蛋白質濃縮時の濃縮チップの写真、（ｂ）は濃縮部の拡大写真である。
【図１０】蛋白質の時間応答を測定した結果のグラフである。
【符号の説明】
１コネクタチップ
２バルブチップ
３リアクタチップ
４濃縮チップ

Claims

単一機能を達成する構成要素を少なくとも一つ以上組み込んだマイクロチップを液状の光硬化性樹脂を用いてマイクロ光造形法によって構成し、また前記単一機能とは異なる単一機能を達成する構成要素を少なくとも一つ以上組み込んだマイクロチップを液状の光硬化性樹脂を用いてマイクロ光造形法によって構成し、さらに、上記と同様の方法で構成した単一機能を達成する構成要素を少なくとも一つ以上組み込んだマイクロチップを少なくとも一つ以上構成し、前記構成した各マイクロチップの中から必要とする単一機能を達成するマイクロチップを取り出し、これらチップ同志を組み合わせることにより目的とする化学反応回路を構成することを特徴とする化学集積回路。