JP4489945B2 - ミクロ流体製品およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
この発明は、ミクロ流体製品および該製品の製造方法に関する。
【０００２】
生物学的流体サンプルなどの流体サンプルを分析したり、その他のやり方で操作するのに使用する計器装備のサイズを縮小する流れがある。縮小されたサイズは、非常に少量のサンプルを分析する能力、分析速度の増大、より少ない量の試薬を使用する能力、および総経費の低下をはじめとするいくつかの利点を提供する。
【０００３】
ミクロ流体適用のための様々な装置が提案されている。これらの装置は典型的に、ミクロ流体処理構造を形成する１つ以上の構造体を備えた平版式にパターン化され蝕刻された表面を有するガラスまたはシリコン基材を含む。ポリイミド、ポリエステル、およびポリカーボネートなどの可塑性基材も提案されている。
【０００４】
例えばロール製品形態で商業規模の量で効果的に製造でき、分析機能をはじめとする種々の機能を果たすように選択的に調整できる、ポリマーベースのミクロ流体製品に対する必要性がある。したがって第１の態様では、本発明は、成形可能材料と開放成形型の表面とを互いに線接触させて、成形可能材料上にミクロ流体処理構造を捺印するステップを含む成形品作製方法を特徴とする。それにより得られる成形品は、次に型の成形面から分離される。
【０００５】
「ミクロ流体処理構造」とは、独立した所定のパターンに配列された１つ以上の流体処理構造体を指す。好ましくは構造は、約１０００μｍ以下の寸法を有する少なくとも１つの構造体を含む。さらに流体は、好ましくはｚ方向（すなわち構造の平面に垂直な方向）で構造に出入りする。この発明の目的のために適切なミクロ流体処理構造の例は、微細溝部、流体溜め部、サンプル操作領域、およびそれらの組み合わせから成る群より選択される構造体を含む。
【０００６】
「開放成形型」とは、例えば射出成形で使用されるタイプの密閉金型に見られる、密封キャビティを欠く成形型である。
【０００７】
「線接触」とは、型が成形可能材料に接触する点が、型および成形可能材料の双方に関して移動する線によって画定されることを意味する。
【０００８】
一実施形態では、成形可能材料はエンボス加工可能なポリマー基材である。ミクロ流体処理構造パターンがポリマー基材表面にエンボス加工されて、成形品が作り出される。
【０００９】
別の実施形態では、成形可能材料は流動可能樹脂組成物である。このような組成物の一例は硬化性樹脂組成物であり、この場合方法は、成形品を成形面から分離する前に、組成物を熱放射または化学線に曝して組成物を硬化することを含む。ここでの用法では「硬化」および「硬化性樹脂組成物」は、既に重合した樹脂を架橋すること、並びにモノマーまたはオリゴマー組成物を重合することを含み、その生成物は架橋熱硬化樹脂であるとは限らない。好ましい硬化性樹脂組成物の例は、組成物を成形面に接触させながら化学線に暴露して硬化させる光重合性組成物である。
【００１０】
流動可能樹脂組成物の別の例は、成形面に接触しながら冷却されて固化する溶融熱可塑性組成物である。
【００１１】
成形可能材料が流動可能樹脂組成物である場合、２つの好ましい成形方法がある。１つの好ましい方法によれば、流動可能樹脂組成物はポリマー基材主表面の上に導入され、基材と成形型が互いに相対的に移動して、型と流動可能樹脂組成物とが互いに線接触する。最終結果は、ミクロ流体処理構造を有する層がポリマー基材に一体的に結合する二層構造体である。
【００１２】
成形可能材料が流動可能樹脂組成物である場合の第２の好ましい成形方法は、流動可能樹脂組成物を成形型の成形面の上に導入することを伴う。別のポリマー基材を流動可能樹脂組成物に組み合わせて、ミクロ流体処理構造を有する基材がポリマー基材に一体的に結合する二層構造体を作り出しても良い。
【００１３】
基材を成形品に結合して、ミクロ流体処理構造に重なるカバー層を形成しても良い。好ましくは基材は、ポリマー基材である。成形品は、１つ以上のミクロ電子要素、ミクロ光学要素、および／またはミクロ力学要素と共に提供されても良い。これらのミクロ要素は種々なやり方で組みこまれても良く、全体的な方法の柔軟性が例証される。例えば成形可能材料がエンボス加工可能なポリマー基材である場合、基材はミクロ要素を含んでも良い。成形可能材料が流動可能樹脂組成物であり、方法が成形中に樹脂組成物をポリマー基材と組み合わせることを伴う場合、ポリマー基材はミクロ要素を含んでも良い。ミクロ要素をカバー層内に含めることも可能である。ミクロ要素は、成形品に結合する別の基材（好ましくはポリマー基材）の形態で供給されても良い。
【００１４】
方法は好ましくは、連続工程として操作されるようにデザインされる。したがって成形可能材料は、成形型によって画定される成形ゾーン内に連続的に導入され、成形型は連続的に成形可能材料と線接触させられ、複数のミクロ流体処理構造が作り出される。好ましくは連続工程からは、複数のミクロ流体処理構造を含むロール形態の製品が生じる。ロールはそのままで使用でき、あるいは引き続いて複数の個々の装置に分割できる。追加的なポリマー基材は、製品に連続的に結合できる。例としては、カバー層と、ミクロ電子、ミクロ光学、および／またはミクロ力学要素を有する層とが挙げられる。
【００１５】
第２の態様では本発明は、（Ａ）（上で定義したような）ミクロ流体処理構造を含む第１の主表面と、第２の主表面と、を有する第１の非弾性ポリマー基材、および（Ｂ）第１の基材の第２の主表面に一体的に結合する第２のポリマー基材を含む製品を特徴とする。第２の基材は、第１の基材なしに自立基材を形成できる。それは第１の基材に機械的な支えを提供し、ミクロ電子、ミクロ光学、および／またはミクロ力学要素などの追加的特徴を製品に組み込む手段も提供することで、デザインの柔軟性を提供する。
【００１６】
「非弾性」材料は、ｚ方向に循環性に変動する力がかけられた場合、ポンプまたはバルブの機能を果たすには、ｚ方向（すなわち基材平面に直角な方向）に不十分な弾性を有する材料である。
【００１７】
「一体的に結合する」とは、接着剤などの介在する材料を通じた結合とは対照的に、２つの基材が互いに直接結合することを意味する。
【００１８】
製品は好ましくは、ミクロ流体処理構造に重なるカバー層を含む。第１の基材の第１の表面に結合しても良いカバー層は、好ましくはポリマー層である。
【００１９】
製品は好ましくは、１つ以上のミクロ電子、ミクロ光学、および／またはミクロ力学要素を含む。ミクロ要素は、第１の基材、第２の基材、ポリマーカバー層、またはそれらの組み合わせに含まれても良い。
【００２０】
第３の態様では本発明は、（上で定義したような）複数の離散したミクロ流体処理構造を含む第１の主表面と、第２の主表面と、を有する第１のポリマー基材を含むロール形態の製品を特徴とする。製品は好ましくは、第１の基材の第２の主表面に（上で定義したように）一体的に結合した第２のポリマー基材を含む。第２の基材は、第１の基材なしに自立基材を形成できる。
【００２１】
製品は好ましくは、第１の基材の第１の主表面に結合したポリマーカバー層を含む。
【００２２】
製品は好ましくは、１つ以上のミクロ電子、ミクロ光学、および／またはミクロ力学要素を含む。ミクロ要素は第１の基材、第２の基材、ポリマーカバー層、またはそれらの組み合わせに含まれても良い。
【００２３】
第４の態様では本発明は、（Ａ）（上で定義したように）ミクロ流体処理構造を含む第１の主表面と、第２の主表面と、を有する第１のポリマー基材、および（Ｂ）第２のポリマー基材を含む製品を特徴とする。第２の基材は、第１の基材の第２の主表面に（上で定義したように）一体的に結合した第１の主表面と、１つ以上のミクロ電子要素を含む第２の主表面と、第２の基材の第１および第２の主表面間に広がる通路とを有する。第２の基材は、第１の基材なしで自立基材を形成できる。
【００２４】
第５の態様では本発明は、（上で定義したような）ミクロ流体処理構造を含む第１の主表面と、１つ以上のミクロ電子要素を含む第２の主表面と、基材の第１および第２の主表面間に伸びる通路とを有する第１のポリマー基材を含む製品を特徴とする。
【００２５】
第６の態様では本発明は、（Ａ）（上で定義したような）ミクロ流体処理構造を含む第１の主表面と、第２の主表面と、を有する第１のポリマー基材、および（Ｂ）ポリマーカバー層を含む製品を特徴とする。カバー層は基材の第１の主表面に重なる第１の主表面と、１つ以上のミクロ電子要素を含む第２の主表面と、カバー層の第１および第２の主表面間に伸びる通路とを含む。
【００２６】
第７の態様では本発明は、（ａ）複数の離散したミクロ流体処理構造を含む第１の主表面、および第２の主表面を有する第１のポリマー基材を含むロール形態の製品を提供するステップと、（ｂ）ミクロ流体サンプルをミクロ流体処理構造の１つに導入するステップと、（ｃ）サンプルを（例えばサンプルを分析することで）処理するステップと、を含むミクロ流体サンプル処理のための方法を特徴とする。
【００２７】
本発明は、ミクロ流体サンプルを（例えば分析）処理するのに有用な、容易に保存取り扱いできる都合の良いロール製品形態で、工業規模で連続的に製造できるポリマー製品を提供する。ロール製品は、例えば異なる流体を各ミクロ流体処理構造中に射出して、次に複数の操作を実施することを伴う巻き返し連続工程において、流体サンプルを処理するために直接使用できる。代案としてはロール製品は、製造に続いて複数の離散した装置に分離できる。
【００２８】
製造方法は顕著なデザイン柔軟性を提供し、多くの処理ステップをインラインで実施することを可能にする。例えばミクロ電子、ミクロ光学、および／またはミクロ力学要素は、ミクロ流体処理構造を有する基材の一部として、カバー層の一部として、または基材に一体的に結合する第２のポリマー基材の一部として、種々の異なるやり方で製造中に製品に容易に組み込める。これらのミクロ要素を組み込む様々なデザインが可能である。多層製品も容易に作製できる。
【００２９】
成形方法は十分に可変性であり、多くの異なるミクロ流体処理構造デザインが可能である。したがって製品は、例えば毛細管配列電気泳動、動力学的阻害アッセイ、競合的免疫測定法、酵素アッセイ、核酸雑種形成アッセイ、細胞選別、コンビナトリアルケミストリー、および通電クロマトグラフィーはじめとする多数の機能を果たすように製造できる。
【００３０】
成形方法は、高い縦横比と可変の縦横比の特徴を有するミクロ流体処理構造の作製を可能にする。これによって、今度は改善された速度と分解能を示す構造体が提供される。例えば微細溝部の深さは、一定の微細溝部の幅を保ちながら変化できる。このような微細溝部は、圧電性弁なし拡散マイクロポンプのための垂直方向にテーパーした入口および出口拡散器を構築するのに使用でき、あるいは動電学的ゾーン制御または動電学的集束を提供するのに使用できる。同様に、高い縦横比の微細溝部幅も一定の深さでテーパーできる。得られる構造体もまた、動電学的ゾーン制御を提供するために有用である。
【００３１】
微細溝部の深さと幅の双方をテーパーさせて、一定の断面積、あるいは代案としては一定の断面外周を提供することも可能である。一定の断面積または外周の結果、得られる構造体により、優勢に電気泳動的な流れまたは電気浸透的な流れのための溝部の長さ全体に、一定の電圧傾度が達成されるので、分解能を失うことなく単一分子検出のための光学的限局が提供される。この構造体は動電学的分解能を失うことなく、低縦横比および高縦横比構造体（例えば高縦横比射出ティー、低縦横比プローブ捕捉ゾーン、マイクロウェル反応器、または圧電ドライブ要素）間の移行を提供するのにも有用である。
【００３２】
異なる深さを有する２つの交差する微細溝部を作製することも可能である。この特徴は、今度は、疎水性基材中にミクロ流体スイッチを作り出すのに利用することもできる。深さの違いのために、比較的浅い微細溝部の１つのアーム中の流体は、比較的深い方の微細溝部に緩衝液が導入されて交差点を橋わたししない限り、交差点を越えない。可変の深さの特徴は、免疫測定法または核酸アッセイにおいて、指示試薬と流体サンプルが自由に流るのを許しながら、同時にプローブ捕捉ビーズ囲い込むための後配列を作製するのにも有用である。
本発明の他の特徴および利点は、以下の好適な実施形態の説明および請求の範囲から明らかになろう。
【００３３】
本発明は、処理（例えば分析）のためのポリマーベースミクロ流体処理構造を有する製品、ミクロ流体サンプル、および製品を製造するための連続的巻き返し方法を特徴とする。（「連続的キャストおよび硬化」方法と称される）方法の一実施形態を図１に示す。図１に関して、流動可能で好ましくは本質的に無溶剤の光硬化性樹脂組成物１０は、ダイ１２から連続した可撓性の光学的に透明な基材１４の表面に押出される。
【００３４】
基材１４のために適切な材料の例としては、ポリ（メチルメタクリレート）ポリカーボネート、ポリエステル、およびポリイミドが挙げられる。適切な光硬化性樹脂組成物の例としては、アルキルアクリレートおよびメタクリレート（例えばポリメチルメタクリレート）が挙げられる。組成物は光開始剤も含む。適切な光開始剤の例としては、ベンゾインメチルエーテルおよびベンゾインイソプロピルエーテルなどのベンゾインエーテルと、２，２−ジエトキシアセトフェノン、２，２−ジメトキシ−２−フェニル−１−フェニルアセトフェノン、およびジメトキシヒドロキシアセトフェノンなどの置換アセトフェノンと、２−メチル−２−ヒドロキシプロピオフェノンなどの置換α−ケトールと、２−ナフタレン塩化スルフォニルなどの芳香族塩化スルフォニルと、１−フェニル−１，２−プロパンジオン−２−（Ｏ−エトキシカルボニル）オキシムなどの光活性オキシムとが挙げられる。組成物に組み込んでも良いその他の成分としては、モノヒドロキシおよびポリヒドロキシ化合物、チキソトロープ剤、可塑剤、強化剤、顔料、充填材、研磨性顆粒、安定剤、光安定剤、抗酸化剤、流れ剤、増粘剤、つや消し剤、着色剤、バインダー、発泡剤、殺黴剤、殺菌剤、界面活性剤、ガラスおよびセラミックビーズ、そして有機および無機繊維の織布および不織布ウェブなどの補強剤が挙げられる。
【００３５】
樹脂１０および基材１４は、樹脂１０の表面に所望のミクロ流体処理構造パターンを捺印するために、成形型１６の成形面に接触させられる。図１に示すように成形型１６は、時計方向に回転するロールまたはエンドレスのベルト形態である。しかしそれは、円筒型スリーブの形態をとっても良い。成形型は、レーザー削摩マスタリング、電子ビームフライス削り、写真平版、ｘ線平版、機械フライス削り、および罫書きをはじめとする種々のマスタリング技術を使用して作製されても良い。これは所望のミクロ流体処理構造のパターンを有する。
【００３６】
特定の構造デザインは、製品が機能することが意図される所望の操作に基づいて選択される。代表的なデザインを図１０（ａ）、図１０（ｂ）、および図１１（ｂ）に示す。デザインは競合的アッセイチップ（図１０（ａ））、およびラダーチップ（図１０（ｂ））、および電気泳動チップ（図１１（ｂ））を含む。構造は微細溝部、流体溜め部、およびサンプル操作領域の様々な組み合わせを特徴とする。図１０（ａ）および（ｂ）に示す個々のマイクロアーキテクチャ構造体の寸法は、このようなチップに使用される典型的な寸法の代表である。あらゆる所定のチップの特定の寸法は異なっても良い。
【００３７】
樹脂１０は、成形型１６の回転する表面に線接触させられる。線１１は樹脂１０の上流端によって画定され、型１６の回転に従って型１６および樹脂１０の双方に対して移動する。基材１４は、成形型１６の表面に樹脂１０が接触する際に、後者との接触を保つ。あらゆる過剰な樹脂は最小化され、その後、型１６、基材１４、および樹脂１０は、好ましくは紫外線放射の形態である放射源１８からの化学線に曝されて、樹脂組成物が型１６の成形面との接触を保ちながら硬化する。暴露時間および用量レベルは、樹脂１０の厚さをはじめとする個々の樹脂組成物の特徴に基づいて選択される。
【００３８】
図１（ａ）に示すように、得られる生成物２０は、基材１４に一体的に結合した複数のミクロ流体処理構造２４を有するポリマー基材２２を特徴とする、二層シートの形態である。成形に続いてシートをロール（図示せず）に巻き取って、ロール形態の製品を製造しても良い。
【００３９】
成形可能な樹脂組成物として熱硬化性樹脂組成物を使用して、キャストおよび硬化方法を実施することも可能であり、この場合化学線ではなく、熱放射源（例えば加熱ランプ）が用いられる。
【００４０】
この方法の変法として、溶融熱可塑性樹脂が成形可能な樹脂組成物として使用される。型と樹脂の組み合わせは接触に続いて冷却され、樹脂が（硬化ではなく）固化される。
【００４１】
ミクロ流体製品は、押出しエンボス加工方法に従って作製されても良い。この方法の様々な実施形態を図２〜５に示す。図２について述べると、流動可能樹脂組成物は、樹脂が成形型１６の回転する表面に線接触するように、ダイ１２から成形型１６の回転する表面に直接押出される。適切な樹脂組成物の例としては、上述の光硬化性、熱硬化性、および熱可塑性樹脂組成物が挙げられる。線は樹脂の上流端によって画定され、型１６が回転するにつれて型１６と樹脂の双方に対して移動する。図２（ａ）で示すように、得られる生成物は、複数のミクロ流体処理構造２４を有するポリマー基材２３を特徴とする、シート形態の単一製品２６である。シートをロール（図示せず）に巻き取って、ロール形態の製品を製造しても良い。
【００４２】
図３は、図２に示す押出しエンボス加工方法の別の変形例を図解する。図３に示すように、ポリマー基材２８は型１６によって画定される成形ゾーンに導入され、型１６の回転する成形面に線接触させられる。基材２８のための適切な材料としては、基材１４について上述したものがが挙げられる。光学的に透明でない基材を使用しても良い。（上述のように）流動可能樹脂組成物は、型１６の成形面に線接触する基材２８の表面と対向する基材２８の表面に、ダイ１２から押出される。成形型１６は、基材２８の表面に複数のミクロ流体処理構造をエンボス加工する。図３（ａ）に示すように得られる製品は、基材２８上に押出された樹脂から形成したポリマー３２に一体的に結合した、複数のミクロ流体処理構造２４を有するポリマー基材２８を特徴とする、二層シート３０の形態の製品である。成形に続いてシートをロール（図示せず）に巻き取って、ロール形態の製品を製造しても良い。
【００４３】
図４は図２に示す押出しエンボス加工方法のさらに別の変形例を図解する。図４に示すように、（上述のような）流動可能樹脂組成物は、樹脂が成形型１６の回転する表面に線接触するように、ダイ１２から成形型１６の回転する表面に押出される。図２に示す実施形態と同様に、線は樹脂の上流端によって画定され、型１６が回転するにつれて型１６と樹脂の双方に対して移動する。同時に、第２のポリマー基材３４が樹脂に接触するように、型１６によって画定される成形ゾーン内に導入される。基材３４のための適切な材料としては、基材１４の文脈で上述した材料が挙げられる。光学的に透明でない基材も使用できる。得られる製品は、ポリマー基材３４に一体的に結合した複数のミクロ流体処理構造２４を有するポリマー基材３８を特徴とする、二層シート３６の形態である。成形に続いてシートをロール（図示せず）に巻き取って、ロール形態の製品を製造しても良い。
【００４４】
図５は、押出しエンボス加工方法のさらに別の実施形態を図示する。図５に示すように、（上述のような）流動可能樹脂組成物は、樹脂が成形型１６の回転する表面に線接触するように、ダイ１２から成形型１６の回転する表面に押出される。図２に示す実施形態と同様、樹脂の上流端によって画定される線は、型１６が回転するにつれて、型１６と樹脂の双方に対して移動する。第２のダイ４０からの追加的樹脂は、成形型１６に接触する樹脂上に押出される。
【００４５】
得られる生成物は、ダイ４０から押出された樹脂から形成するポリマー基材４６と一体的に結合する複数のミクロ流体処理構造２４を有するポリマー基材４４を特徴とする、シート形態の二層製品４２である。成形に続いてシートをロール（図示せず）に巻き取って、ロール形態の製品を製造しても良い。追加的な押出しダイを組み込むことによって、追加的なポリマー層を形成することも可能である。代案としては、適切な送りブロックを装着した単一ダイを使用して、複数のポリマー層を同時押出ししても良い。
【００４６】
さらに別の実施形態では、製品が基材エンボス加工によって作製されても良い。図６に図示するように、単一のエンボス加工可能な基材４８が、成形型１６と線接触させられて、ミクロ流体処理構造が基材表面に直接形成する。線１１は（ａ）基材４８の上流端と、（ｂ）ローラー５０および成形型１６の回転する表面の間に形成するニップとの交差によって形成する。任意にローラー５０は、ミクロ流体処理構造パターンを有する成形面を有することができる。得られる製品は、その主表面の双方に複数のミクロ流体処理構造を有する基材を特徴とする。
【００４７】
図６（ａ）に示すように、得られる生成物は、複数のミクロ流体処理構造２４を有するポリマー基材４８を特徴とする、シート形態の単一の製品５２である。シートをロール（図示せず）に巻き取って、ロール形態の製品を製造しても良い。
【００４８】
図７は、図６に図示されるエンボス加工方法の変形例を図示する。図７に示すようにエンボス加工可能な基材４８は、成形型１６に線接触させられて、ミクロ流体処理構造が基材表面に直接形成する。線１１は（ａ）基材４８の上流端と、（ｂ）ローラー５０に加えて第２のポリマー基材５４および成形型１６の回転する表面の間に形成するニップとの交差によって形成する。基材５４は、型１６の成形面に接触する表面と対向する基材４８の表面に、接触するように位置する。
【００４９】
図７ａに示す得られる製品は、ポリマー基材５４に一体的に結合する複数のミクロ流体処理構造２４を有するポリマー基材４８を特徴とする、シート形態の二層製品５６である。シートをロール（図示せず）に巻き取って、ロール形態の製品を製造しても良い。
【００５０】
成形に続いて「素材板」の形態の製品は、ローラーに巻き取って保管できる。操作可能なミクロ流体処理装置を組み立てるするために、素材板はミクロ流体処理構造を有する層に重なる別のカバー層と組み合わせられる。この形態で、装置はミクロ流体サンプルの処理（例えば分析）において有用である。
【００５１】
カバー層のための材料は、ミクロ流体処理構造を有する基材と流体密シールを形成できる。さらにそれらは、サンプル分析のために典型的に使用される緩衝液などの試薬の存在下で劣化に抵抗し、好ましくは背景蛍光および吸収を最小化する。後者の特徴は、装置が蛍光ベースの分析技術と共に使用される際に特に有用である。
【００５２】
カバー層は、基材のミクロ流体処理構造を有する表面に結合するポリマー基材の形態をとっても良い。適切なポリマー基材の例としては、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリエチレン、およびポリプロピレンが挙げられる。結合は、感圧接着剤（例えばＳｈｅｌｌから商品名「Ｋｒａｔｏｎ」ゴムの下に市販されるスチレン−ブタジエン−スチレンブロック共重合体接着剤）、ホットメルト接着剤（例えばエチレン−酢酸ビニル接着剤）、型押し接着剤、またはヒートセット接着剤（例えばエポキシ接着剤）を使用してもたらされても良い。接着剤は、基材２０上の離散した部位で結合が生じるように、パターンの形態で配置されても良い。結合は、ミクロ流体処理構造を有する基材に、カバー層を直接ラミネートまたは溶剤接着してもたらされても良い。
【００５３】
ガラスカバー層などの硬質カバー層も使用できる。さらにカバー層は、製品がそれと共に使用されるようにデザインされた分析計器装備の一部でも良い。
【００５４】
図８は、ミクロ流体処理構造を有する基材６４に、カバー層をインラインで追加する好ましい方法を図示する。図８に示すように、製品６４は、成形ゾーンの下流に位置するラミネート加工ゾーンに搬送される。ラミネート加工ゾーンは、ローラー６６上の可撓性ポリマーカバー基材５８を含む。ラミネート加工ゾーン内で、カバー基材５８はローラー６０と６６の間で製品６４にラミネートされる。
【００５５】
上述の製品は全て、その主表面の片側または両側に複数のミクロ流体処理構造がある単一基材を特徴とするが、共に結合するこのような基材の層を特徴とする製品を作製することも可能である。このような多層製品を製造する一つの方法は、図８に示すカバー基材をミクロ流体処理構造を有する基材に代えることである。
【００５６】
例えば微細溝部内面などのミクロ流体処理構造の部分に、薄膜無機コーティングを選択的に付着しても良い。付着は製造中にインラインで、または引き続く操作中のどちらに生じても良い。適切な付着技術の例としては、真空スパッタリング、電子ビームメッキ、溶液メッキ、化学蒸着が挙げられる。
【００５７】
無機コーティングは、種々の機能を果たすことができる。例えばコーティングは、ミクロ流体処理構造の親水性を増大する、または高温特性を改善するのに使用できる。特定のコーティングの塗布は、サイジングゲルを電気泳動装置の微細溝部に吸上げることで容易にできる。導電性コーティングは、圧電または蠕動ポンピングのための電極またはダイヤフラムを形成するのに使用できる。コーティングは、ガスクロマトグラフィなどの用途でガス放出を防止するためのバリヤーフィルムとして使用できる。
【００５８】
ミクロ流体処理構造の様々な部分に、試薬、生物学的プローブ、生体適合性コーティングなどを選択的に付着することも可能である。代案としてはこれらの材料をカバー層の表面に所定のパターンに付着して、ミクロ流体処理構造に接触させても良い。
【００５９】
製品は、好ましくは１つ以上のミクロ電子、ミクロ光学、および／またはミクロ力学要素も含む。ミクロ電子要素の例としては、導電性トレース、電極、電極パッド、ミクロ加熱エレメント、静電気的駆動ポンプおよびバルブ、ミクロ電気機械的システム（ＭＥＭＳ）などが挙げられる。ミクロ光学要素の例としては、光学的導波管、導波管検出器、反射要素（例えばプリズム）、ビームスプリッター、レンズ要素、固体光源および検出器などが挙げられる。ミクロ力学要素の例としては、フィルター、バルブ、ポンプ、気圧および水圧ルーティングなどが挙げられる。ミクロ要素は、カバー層、ミクロ流体処理構造を有する基材のどちらかの面、ミクロ流体処理構造を有する基材に結合する追加的なポリマー基材、またはそれらの組み合わせに組み込まれても良い。
【００６０】
ミクロ要素は種々の機能を果たす。例えばミクロ流体処理構造内の特定の点で流体に接触するミクロ電子要素は、構造を通じて動電学的に高度に制御しながら流体を送るようにデザインできる。このようなミクロ電子要素は、動電学的射出、毛細管電気泳動、および等電点電気泳動などの操作、並びに毛細管配列電気泳動やコンビナトリアルケミストリーなどの用途のために、正確な量の試薬を１つ以上のサンプル操作領域にデリバリするような、より複雑な操作を可能にする。
【００６１】
流体に接触するミクロ電子要素は、細胞、核酸断片、および抗原などの荷電生物学的化学種の自由野電気泳動的選別のためのアドレス可能電子マトリックスを形成するようにデザインしても良い。特定の点で流体に接触するミクロ電子要素を使用して、化学種を電気化学的に検出しても良い。
【００６２】
流体に接触しないミクロ要素をデザインすることも可能である。例えばミクロ電子要素は、それらを使用して流体サンプルを加熱冷却し、あるいはミクロ流体処理構造全体に異なる温度ゾーンを確立できるように、ミクロ流体処理構造のすぐ近くに位置するようにデザインできる。このようなゾーンは今度は、核酸のＰＣＲ増幅およびコンビナトリアルケミストリー実験などの用途に必要な熱サイクルをサポートするように使用できる。さらにミクロ流体処理構造のすぐ近くに位置するミクロ電子要素は、ミクロ流体分離システム中の分析物検出に有用な、ＡＣインピーダンス変化を検出するアンテナを形成するようにデザインできる。
【００６３】
ミクロ流体処理構造を有する製品中に、ミクロ電子、ミクロ光学、および／またはミクロ力学要素を組み込むいくつかの異なる方法がある。例えばミクロ要素をカバー層７０中に組み込んで、次にそれを上述のように基材６８に結合しても良い。ミクロ電子要素が関与するこのような配列を図９（ａ）および図９（ｂ）に示す。カバー層７０は、ミクロ流体処理構造を有する基材６８の表面の１つに結合する。図９（ａ）および図９（ｂ）に示すミクロ流体処理構造は、吸込口７２、流体溜め部７４、および微細溝部３８を含む。カバー層７０は、導電回路トレース７８に終わる溜め部７４に連絡する導電性通路７６を特徴とする。トレース７８は溜め部７４に電圧をかけて、流体またはその中の構成成分をミクロ流体処理構造全体に送る電極の役目を果たす。図９（ｂ）に示すように通路７６を金属で満たして、溜め部７４に連絡する導電性「バンプ」８０を形成しても良い。
【００６４】
製品中にミクロ電子要素を組み込む別の方法は、一連の導電性トレース（例えばニッケル、金、プラチナ、パラジウム、銅、導電性銀入りインク、または導電性炭素入りインクからできたトレース）を有する可撓性ポリマー基材を提供し、次にこの基材の表面にミクロ流体処理構造を形成することを伴う。適切な基材の例としては、ＫｌｕｎらのＵ．Ｓ．５，２２７，００８号およびＧｅｒｂｅｒらのＵ．Ｓ．５，６０１，６７８号で述べられたものが挙げられる。次に基材はミクロ流体処理構造を有する基材になる。
【００６５】
ミクロ流体処理構造は、いくつかの方法で形成できる。例えば基材の導電性トレースを有する表面は、図６に述べるエンボス加工方法に続いて、所望のミクロ流体処理構造のパターンを有する成形面を有する成形型と接触させることができる。接触に続いて基材はエンボス加工されて、導電性トレースと同一表面にミクロ流体処理構造が形成する。トレースパターンおよび成形面は、導電性トレースがミクロ流体処理構造の適切な特徴に合致するようにデザインされる。
【００６６】
同一成形型を使用して、導電性トレースを有する表面に対向する基材表面に、ミクロ流体処理構造をエンボスすることも可能である。この場合エンボス加工の前に、一連の導電性通路または貫通孔と共にトレースを有さない表面が提供されて、導電性トレースをミクロ流体処理構造の適切な構造体にリンクする。
【００６７】
代案としては、例えば型押し接着剤を使用して、導電性トレースがミクロ流体処理構造の適切な特徴と合致するように、ミクロ流体処理構造を有するポリマー基材の表面にミクロ電子、ミクロ光学、および／またはミクロ力学要素を有する別個のポリマー基材を結合することも可能である。
【００６８】
図１、図３、図４および図７で述べた製造工程に続いて、ミクロ流体処理構造を有する基材に結合する別個のポリマー基材中に、ミクロ電子、ミクロ光学、および／またはミクロ力学要素を導入することも可能である。この目的を達成するために、その１主表面に一連の導電性通路およびバンプを有する可撓性基材が、基材１４、２８、３４または５４として使用される。次に上述のように、基材の通路およびバンプを有する表面にミクロ流体処理構造が成形される。
【００６９】
成形に引き続いて、ミクロ流体処理構造を有する基材にラミネートされた別個のポリマー基材中に、ミクロ電子、ミクロ光学、および／またはミクロ力学要素を導入することも可能である。
【００７０】
製品にミクロ電子、ミクロ光学、および／またはミクロ力学要素を装備する別の方法は、ミクロ流体処理構造を１表面に有するポリマー基材に対して、対向する表面を通して導電性ポストまたはピンを挿入することを伴う。代案としては、ｚ軸導電性接着剤（例えばミネソタ州セントポールの３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙから市販されるＺ軸接着剤フィルム７３０３）を使用しても良い。次に製品を基板に加圧マウントできる。この方法の変法では、電気的接続を提供するために、ミクロ流体処理構造を有する基材に重なるカバー層を通して、導電性ポストまたはピンを挿入できる。
【００７１】
製品にミクロ電子、ミクロ光学、および／またはミクロ力学要素を装備させるさらに別の方法は、従来の金属付着および光平版技術を使用して、１表面にミクロ流体処理構造を有するポリマー基材に対し、導電性パターン金属トレースを表面に直接付着することを伴う。
【００７２】
製品を使用して、分析手順をはじめとする種々の手順を実施しても良い。連続的巻返し方法において、多くの離散したミクロ流体処理構造を含有するロールを直接使用しても良い。この方法では、ミクロ流体サンプルを各ミクロ流体処理構造の吸込口内に射出するミクロ流体サンプルディスペンサーに、ロールが連続的に供給される。次に得られたサンプルは、適宜処理（例えば分析）される。代案としては、ロールを細長く切って、バッチ操作で使用するのに適した多くの個々の装置を形成しても良い。
【００７３】
ここで本発明を、以下の実施例によってさらに詳しく説明する。
【００７４】
実施例
実施例１
エンドレスのベルトの形態であるミクロ構造ニッケル成形型を使用して、それぞれが多くのミクロ流体処理構造を含有する２つの別個のフィルムのロールを作製した。成形型の一方が図１０（ａ）に示すミクロ流体処理構造パターンを有し、他方が図１０（ｂ）に示すパターンを有するようにデザインされた。成形型はポリイミド基材をエキシマーレーザー削摩して所望のパターンを生成し、次に型押し領域を電気メッキして、指示されたパターンを有するニッケル型を形成して製造された。次に成形型を連続的押出しエンボス加工で使用して、次のようにして製品を製造した。
【００７５】
ペンシルベニア州ピッツバーグのＭｏｂａｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手できるＭａｋｒｏｌｏｎ^TM２４０７ポリカーボネートのペレットを、高さ５０μｍおよび名目幅６４μｍのリブを有する、加熱したミクロ構造ニッケル成形型表面にキャストした。これらのリブは最終成形品中の微細溝部に対応した。リブは図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、高さ５０μｍおよび直径４ｍｍのいくつかの溜め部に連絡するように配列されていた。ニッケル成形型の厚さは５０８μｍで、成形型温度は２１０℃であった。温度２８２℃の溶融ポリカーボネートを型表面との接触線の形態でニッケル成形型にデリバリして、およそ１．６６×１０⁷パスカルの圧力で０．７秒間、型表面にパターンを複製した。複製パターンの形成と同時に、厚さおよそ１０３．９μｍを有する成形型の上に位置する連続的なポリマー基材に、追加的なポリカーボネートを付着した。次に成形型、基材、および溶融ポリカーボネートの組み合わせを温度およそ４８．９℃で１８秒間空冷して、ポリカーボネートを固化させた。次に得られた成形物を型表面から外した。
【００７６】
実施例２
実施例１で使用した成形型を１９９〜２０７℃の温度に加熱した。ポリ（メチルメタクリレート）ペレット（ペンシルベニア州フィラデルフィアのＲｏｈｍ ａｎｄ Ｈａａｓ Ｃｏ．からのプレキシガラス^TMＤＲ １０１）をデリバリし、温度２７１℃、圧力１．１×１０⁷パスカルで０．７秒間ポリマーとニッケル成形型との線接触を提供した。複製パターンの形成と同時に、厚さおよそ２１２．１μｍを有する成形型の上に位置する連続的なポリマー基材に、追加的なポリ（メチルメタクリレート）を付着した。成形型、ポリマー基材、および溶融ポリ（メチルメタクリレート）の組み合わせをおよそ４８．９℃の温度で１８秒間空冷して、ポリ（メチルメタクリレート）を固化させた。次に得られた成型物を型表面から外した。
【００７７】
実施例３
５９．５重量部のＰｈｏｔｏｍｅｒ^TM３１６（ペンシルベニア州アンブラーのＨｅｎｋｅｌ Ｃｏｒｐ．から市販されるエポキシジアクリレートオリゴマー）、３９．５重量部のＰｈｏｔｏｍｅｒ^TM４０３５（ペンシルベニア州アンブラーのＨｅｎｋｅｌ Ｃｏｒｐ．から市販される２−フェノキシエチルアクリレートモノマー）、および１部のＤａｒｏｃｕｒ^TM１１７３光開始剤（ニューヨーク州タリータウンのＣｉｂａ Ａｄｄｉｔｉｖｅｓ）の紫外線放射−硬化性配合物を作製した。次に６６℃に加熱した実施例１で述べた型と厚さ０．５ｍｍのポリカーボネートシート（マサチューセッツ州ピッツフィールドのＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｒｐ．から商品名「Ｌｅｘａｎ」の下に入手できる）との間に、配合物をラミネートした。手動のインクローラーを使用して、樹脂の厚さを最小化した。得られた構造体をコンベヤベルトに載せて、６００Ｗ／インチで作動する強力紫外線灯（メリーランド州ゲーサーズバーグのＦｕｓｉｏｎ ＵＶ Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ｉｎｃ．から供給される「Ｄ」ランプ）の下を分速７．６ｍで通過させて、樹脂を硬化した。次に、ポリカーボネート基材に一体的に結合するミクロ流体処理構造を有するポリマー基材を特徴とする、硬化した製品を成形型から外した。
【００７８】
実施例４
この実施例では、複数のミクロ流体処理構造を有するポリマー基材が、ミクロ電子要素を特徴とするポリマー基材に組み合わされることを特徴とするミクロ流体装置の作製について述べる。
【００７９】
実施例１で述べた一般的方法に従って作製されたニッケル成形型を使用して、プレス中でポリ（メチルメタクリレート）フィルム（ＤＲＧ−１００、Ｒｏｈｍ ａｎｄ Ｈａａｓ）を成形し、複数のクロスドッグボーンのミクロ流体処理構造１１６を有する図１１（ｂ）に示すポリマー基材１１４を作製した。型の大きさは１６．５ｃｍ×１９ｃｍ×厚さ０．５ｍｍであり、図１１（ａ）に示すように５つの異なるクロスドッグボーンミクロ流体処理構造１１６を含んだ。フィルムおよび成形型を温度１９９℃、圧力３．５×１０⁶パスカルで１５秒間互いに接触させ、その後１０分間、圧力を６．２×１０⁶パスカルに増大させた。その後１５秒間、圧力を６．２×１０⁶パスカルに保ちながら温度を７４℃に低下させた。得られた成形基材１１４は、それぞれが長さ９ｍｍの短い溝部に交差する、長さ２８．５ｍｍの長い溝部を有する５個の異なるクロスドッグボーンのミクロ流体処理構造１１６を特徴とした。各溝部は、直径５ｍｍの流体溜め部で終わった。溝部と溜め部のどちらも深さが５０μｍだった。５個の構造は溝部の幅が異なり、それぞれ６４、３２、１６、８および４μｍの幅を有した。次に直径１ｍｍの吸込口を各溜め部の中央に穿孔した。
【００８０】
図１１（ｂ）に示すような複数のミクロ電子回路素子を有する可撓性ポリマー基材１００は、次のようにして作製した。ポリイミドシート（ＤｕＰｏｎｔから商品名「Ｋａｐｔｏｎ Ｅ」の下に入手できる）を酸化クロムのつなぎ層で蒸気被覆し、次にそれを２μｍの銅で蒸気被覆した。次に製造元の指示に従って、プリント回路基板転写レジスト（ニュージャージー州リンゴズのＴｅｃｈｎｉｋｓ Ｉｎｃ．から商品名「Ｐｒｅｓｓ−ｎ−Ｐｅｅｌ」の下に入手できる）を使用して、ミクロ電子回路を銅被覆ポリイミド上に転写した。得られた基材１００は、それぞれが４個の導電性銅トレース１１０を有する６個の同一のミクロ電子回路パターンを含んだ。トレース１１０のそれぞれは、導体パッド１１２に終わっていた。
【００８１】
パターニングに続き銅蝕刻槽を使用して、露出した銅を除去した。次に酸化クロム蝕刻液を使用して酸化クロムのつなぎ層を蝕刻し、アセトン浴を使用して転写レジストを除去した。得られた銅トレースは幅５００μｍで、５ｍｍ平方の導体パッドを辺縁タブに有した。
【００８２】
次のようにして基材１００を基材１１４にラミネートし、図１２に示すミクロ流体製品１１８を作り出した。基材１００および基材１１４の双方を等分割して個々の装置を製造した。クロスドッグボーンのミクロ流体処理構造１１６中の流体溜め部に対応するように、１片の両面接着テープ（ミネソタ州セントポールの３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙから入手できる９４４３テープ）に孔を開けた。次に基材１００の回路を有する面が基材１１４のミクロ流体処理構造面に合致して、銅トレース１１０とミクロ流体処理構造の流体溜め部とが接触するように、各ミクロ流体処理構造１１６を基材１００上の回路にラミネートした。ラミネートは、ニップローラーを使用して、２つの基材の線接触ラミネートを提供してもたらされた。次に得られたミクロ流体製品１１８を使用して、次のようにして動電学的射出および電気泳動的分離を例証した。
【００８３】
ミクロ流体処理構造１１６を４ｍＭのＮａ₂Ｂ₄Ｏ₇緩衝液（ｐＨ＝９．０）でフラッドした。次に分析物溜め部を同一緩衝液に溶解した２０μモルのフルオレセイン指示染料で満たした。導体パッド１１２をコンピュータ制御された電圧制御回路に接続して、４個の溜め部に電圧をかけた。ＣＣＤカメラ（Ｐａｎａｓｏｎｉｃ ＣＬ ３５４、ニュージャージー州セコーカスのＰａｎａｓｏｎｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｏ．）を装着したＬｅｉｃａ ＤＭＲＸエピ蛍光顕微鏡（イリノイ州ディアフィールドのＬｅｉｃａ Ｉｎｃ．）を使用して、流体溝部内の蛍光指示染料の動きをモニターした。ピンチサンプル射出のために、分析物サンプルおよび廃棄溜め部から分析物廃棄溜め部に向けて電圧傾度が提供されように、４個の溜め部における電圧を設定した。これによってフルオレセイン指示染料が、分析物溜め部から射出ティー全体に、そして分析物廃棄溜め部に良好に流れるようになった。分離溝部から、そして緩衝液溜め部からの緩衝液の緩慢な流れは、射出ティーにおいて約１８０ｐＬのフルオレセイン溶液の台形プラグを生成した。流れが主に緩衝液溜め部から分離溝部を下り廃棄溜め部に向かうように電圧を切り換えることで、このプラグの分離溝部への射出がもたらされた。フルオレセイン染料の密接ボーラスは、分離溝部を下ることが観察された。
【００８４】
フルオレセインとカルセインの混合物を使用して実施例を反復した。この場合、分離溝部を下る混合ボーラスの射出は、２つの材料の急速な電気泳動的分離に帰結した。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、ミクロ流体製品を作製するための連続的「キャストおよび硬化」方法の模式図である。
【図１ａ】 図１（ａ）は、図１に示す方法に従って作製されたミクロ流体製品の斜視図である。
【図２】 図２は、ミクロ流体製品を作製するための連続的「押出しエンボス加工」方法の斜視図である。
【図２ａ】 図２（ａ）は、図２に示す方法に従って作製されたミクロ流体製品の斜視図である。
【図３】 図３は、ミクロ流体製品を作製するための連続的「押出しエンボス加工」方法の第２の実施形態の斜視図である。
【図３ａ】 図３（ａ）は、図３に示す方法に従って作製されたミクロ流体製品の斜視図である。
【図４】 図４は、ミクロ流体製品を作製するための連続的「押出しエンボス加工」方法の第３の実施形態斜視図である。
【図４ａ】 図４（ａ）は、図４に示す方法に従って作製されたミクロ流体製品の斜視図である。
【図５】 図５は、ミクロ流体製品を作製するための連続的「押出しエンボス加工」方法の第５の実施形態の模式図である。
【図５ａ】 図５（ａ）は、図５に示す方法に従って作製されたミクロ流体製品の斜視図である。
【図６】 図６は、ミクロ流体製品を作製するための連続的「基材エンボス加工」方法の斜視図である。
【図６ａ】 図６（ａ）は、図６に示す方法に従って作製されたミクロ流体製品の斜視図である。
【図７】 図７は、ミクロ流体製品を作製するための「基材エンボス加工」方法の第２の実施形態の斜視図である。
【図７ａ】 図７（ａ）は、図７に示す方法に従って作製されたミクロ流体製品の斜視図である。
【図８】 図８は、成形に続いてカバー層がミクロ流体構造を有する基材にラミネートされる、ミクロ流体製品を作製するための連続工程の模式図である。
【図９ａ】 図９（ａ）は、ミクロ電子要素と共に提供されるカバー層と組合わさった、ミクロ流体処理構造を有する基材を示す断面図である。
【図９ｂ】 図９（ｂ）は、ミクロ電子要素と共に提供されるカバー層と組合わさった、ミクロ流体処理構造を有する基材を示す断面図である。
【図１０ａ】 図１０（ａ）は、代表的なミクロ流体処理構造のデザインを示す模式図である。
【図１０ｂ】 図１０（ｂ）は、代表的なミクロ流体処理構造のデザインを示す模式図である。
【図１１ａ】 図１１（ａ）は、複数の導電性トレースおよび導体パッドを特徴とする可撓性ポリマー基材の上面図である。
【図１１ｂ】 図１１（ｂ）は、基材主表面上の複数のミクロ流体処理構造を特徴とする可撓性ポリマー基材の上面図である。
【図１２】 図１２は、図１１（ｂ）に示す基材に見当合わせしてラミネートされた図１１（ａ）に示す基材の上面図である。

Claims (1)

1. 成形品を作製するための方法において、
   （ａ）所要量の成形可能材料と成形面を有する開放成形型とを用意し、
   （ｂ）前記成形可能材料と前記開放成形型とを互いに線接触させて、ミクロ流体処理構造パターンを前記成形可能材料上に捺印し、それにより、独立した所定のパターンに配列された１つ以上の流体処理構造体を有する成形品であって、少なくとも１つの該流体処理構造体が、深さ５０μｍ以下であって且つ幅４〜６４μｍの範囲の寸法を有してなる成形品を形成し、
   （ｃ）前記成形品を前記成形面から分離すること、
   を特徴とする方法。

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