JP4591054B2

JP4591054B2 - 光学的分析デバイス

Info

Publication number: JP4591054B2
Application number: JP2004338434A
Authority: JP
Inventors: 博司佐伯
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2024-11-24
Also published as: JP2006145450A

Description

本発明は、マイクロデバイス上またはマイクロデバイス内に位置する生物学的、化学的、又は生化学的なサンプルの光学検査のための光学分析デバイスに関し、特にマイクロデバイス内の測定部における光路長精度を改善し、光学検査の測定精度向上に寄与する特徴を備えた液体試料光学分析デバイスに関するものである。

従来、液体試料の分析方法としては、たとえば液体試料と試薬を反応させたときの反応液を、光学的手法により分析する方法がある。このような手法により液体試料の分析を行う場合には、反応場を提供する分析デバイスが利用されている。分析デバイスとしては、１種類の液体試料を用いて複数の項目を分析できるように、あるいは複数種類の液体試料について同一項目を分析できるように、複数の流路を備えたものがある。

従来の分析デバイス（特許文献１）について図６を用いて説明を行う。

図６（ａ）は従来の分析デバイスの構成を示す図である。図６において、従来の分析デバイスは、基板１００、カバー１０１、接着層１０２および分離膜１０３で構成されている。

カバー１０１には中央部に液導入口１０７が設けられ、基板１００には複数の流路１０５が液導入口１０７に連通するように、かつ液導入口１０７から導入された試料液を、中央部から周縁部に向けて、毛細管現象を利用して進行させるために設けられている。各流路１０５は、たとえば中央部から周縁部に向けて直線状に延びるように形成され、放射状に配置されている。

液体試料の分析は、まず試料導入口１０７を介して液体試料を供給し、分離膜１０３の厚み方向に透過して受液部１０４に到達させる。このとき、液体試料中の固体成分が除去され、例えば液体試料として血液を使用する場合には、血液中の血球成分が除去される。

次に、複数のシール部１０８に対して同時に開孔を形成することで、流路１０５内に液体試料を導入し、毛細管現象により流路１０５の内部を移送させ、測定槽１０６のごく近傍まで液体試料を到達させる。

次に、複数のシール部１０９に対して同時に開口を形成することで、液体試料を再び毛細管現象により流路１０５を移送させ、複数の測定槽１０６に対して一括して液体試料を供給させる。

測定槽１０６では、液体試料により試薬１１０が溶解させられて液相反応系が構築される。これにより、液体試料と試薬１１０が反応し、たとえば液相反応系が試料中の被検知成分の量に相関した呈色を示し、あるいは被検知成分の量に応じた反応物が生成する。その結果、測定槽１０６の液相反応系は、被検知成分の量に応じた透光性（光吸収性）を示すこととなる。測定槽１０６への試料供給から一定時間経過した場合には、図１０（ｂ）に示した光源部１１１により測定槽１０６に光を照射し、そのときの透過光量が受光部１１２において測定される。光源部１１１による光照射および受光部１１２での透過光の受光は、分析デバイスを一定角度ずつ回転させつつ、各流路１０５に設定された全ての測定槽１０６に対して行われる。分析装置では、受光部１１２での受光量に基づいて、試薬１１０と反応させた液体試料の吸光度を算出し、試料の分析、たとえば被検知成分の濃度演算が行われる。
吸光度を求める場合、一般に吸光度Ｅは、
Ｅ＝Ｋ（吸光係数）×Ｃ（モル吸光係数）×Ｌ（光路長）
で求められ、吸光度の測定精度は、前記算出式より液体試料と試薬１１０とを反応させた反応液が充填される測定槽１０６の厚み、即ち光路長の精度に起因してくることがわかる。
特開２００４−１５０８０４号公報

しかしながら、前記従来の構成では、光路長の精度は測定槽１０６の成型精度および接着層１０２の厚み精度によって決定されるため、光路長のばらつきが大きく、また接着層が光路上にあるためノイズ成分となって測定誤差要因になる可能性もあり、これらは測定精度を劣化させる原因となっている。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、光路長のばらつきを少なくして張り合わせることで吸光度の測定精度を向上させる光学的分析デバイスを提供することを目的とする。

従来の課題を解決するために、本発明の光学的分析デバイスは、基材Ａ、基材Ｂのどちらか一方若しくは両方の表面に凹部にてマイクロチャネルパターンを形成し、前記基材Ａと前記基材Ｂとを接着剤を介して張り合わせることで、前記基材Ａと前記基材Ｂの間に形成されるキャピラリー状の空間を有する光学的分析デバイスにおいて、前記マイクロチャネルパターンは、試薬を入れる試薬槽と、検査すべき液体試料と前記試薬の反応状態を透過光を照射して光学的に分析するための測定槽とを有し、前記基材に形成されるマイクロチャネルパターン内の測定槽周辺に、前記基材に接着剤を塗布して接合する接合面よりも凸になる凸部を設け、接着剤を前記測定槽周辺の凸部及び前記測定槽のキャピラリー部を除く部分に塗布し、前記測定槽周辺の凸部を対向する基材に圧接させて、張り合わせてなるとともに、前記測定槽周辺の凸部は対向する基材に接触する面に撥水処理がされていることを特徴としたものである。

また、本発明の光学的分析デバイスは、基材Ａ、基材Ｂのどちらか一方若しくは両方の表面に凹部にてマイクロチャネルパターンを形成し、前記基材Ａと前記基材Ｂとを接着剤を介して張り合わせることで、前記基材Ａと前記基材Ｂの間に形成されるキャピラリー状の空間を有する光学的分析デバイスにおいて、前記マイクロチャネルパターンは、試薬を入れる試薬槽と、検査すべき液体試料と前記試薬の反応状態を透過光を照射して光学的に分析するための測定槽とを備え、前記基材に形成されるマイクロチャネルパターン内の測定槽周辺に、前記基材に接着剤を塗布して接合する接合面よりも凸になる第１の凸部と該第１の凸部の周辺に更に第２の凸部を設け前記第１と第２の凸部間に形成される凹部との傾斜部を有し、接着剤を前記測定槽周辺の第１の凸部及び前記測定槽のキャピラリー部を除く部分に塗布し、前記測定槽周辺の第１の凸部を対向する基材に圧接させて、張り合わせることを特徴としたものである。

本発明の光学的分析デバイスによれば、張り合わせ時に測定槽周辺を対向する基板に押し当てて、それ以外のところは接着剤にてシールするため、光路長の精度は接着層の厚みばらつきが無くなり、測定槽の成型精度のみで決定されるため、分析時の測定精度を向上させることが可能となる。

以下に、本発明の光学的分析デバイスの実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施例における光学的分析デバイスの構成を示す模式図である。また、図２は第１の実施例における光学的分析デバイスのマイクロチャネルパターンを示す平面図である。また、図３は第１の実施例における光学的分析デバイスの測定槽の構造および測定方法を示す模式図である。

図１において、本発明の光学的分析デバイスは、マイクロチャネル４を有する基板１と、平坦な基板２と、接着層３で構成されている。

基板１に形成されるマイクロチャネル４は、図２に示すようなマイクロチャネルパターンを射出成形により作製しており、分析する液体試料を試料注入口５に注入し、遠心力と毛細管力を利用して流体移動をさせることが可能となっている。

図２において、マイクロチャネル４は試料注入口５、分析試料注入槽６、定量槽７ａ〜７ｃ、試薬槽８ａ〜８ｃ、試薬槽９ａ〜９ｃ、測定槽１０ａ〜１０ｃで形成されており、試薬槽８ａ〜８ｃ、試薬槽９ａ〜９ｃ、測定槽１０ａ〜１０ｃにはそれぞれ分析に必要な試薬が担持できる構成になっている。

本発明では各槽の深さは、２００μｍ〜６００μｍで形成されており、それ以外の流路部分は５０μｍ〜１００μｍで形成されているが、マイクロケミカルデバイスの用途に応じて各槽の深さや流路の深さを調整可能である。

基板１および基板２の厚みは、１ｍｍ〜５ｍｍで形成しているが、特に制限は無く、マイクロチャネル４を形成可能な厚みであればよい。基板１および基板２の形状についても特に限定する必要が無く、用途目的に応じた形状、例えば、シート状、板状、棒状、その他複雑な形状の成形物などの形状が可能である。

本発明では基板１および基板２の材料として、易成形性、高生産性、低価格の面からプラスチックを使用しているが、ガラス、シリコンウェハー、金属、セラミックなど接着剤で接合できる材料であれば特に制限はない。

また本発明ではマイクロチャネル４を有する基板１および基板２にはマイクロチャネル４内の粘性抵抗を減らし流体移動をしやすくするために親水性処理を行っているが、ガラス等の親水性材料を用いたり、成形時に界面活性剤、親水性ポリマー、シリカゲルの如き親性粉末などの親水化剤を添加させて材料表面に親水性を付与させたりしてもかまわない。親水性処理方法としては、プラズマ、コロナ、オゾン、フッ素等の活性ガスを用いた表面処理方法や界面活性剤による表面処理が挙げられる。ここで、親水性とは水との接触角が９０度未満のことをいい、より好ましくは接触角４０度未満である。

接着層３は、カチオン重合系のエネルギー線遅延硬化型接着剤を用いて形成しており、スクリーン印刷法などパターン印刷が可能な方法で基板２に塗布し、基板１と基板２をアライメントして張り合わせている。接着層３の厚みは、５μｍ〜２０μｍが好ましい。５μｍ以下の厚みでは、液体試料を流した時にシール性が確保できず、漏れる可能性があり、また２０μｍ以上の厚みでは、接着時に接着剤がマイクロチャネル４内に流入し、マイクロチャネル４を閉鎖する可能性がある。

マイクロチャネル４内に担持させる試薬としては、塩酸やトリスヒドロキシアミノメタンなどの緩衝剤、コレステロールエステラーゼやジアホラーゼなどの酵素、ＮＡＤなどの補酵素、水溶性テトラゾリウム塩などの色素を担持させている。試薬は、張り合わせ前に基板１のマイクロチャネル４内に溶液状態で塗布し、乾燥させて担持させているが、あらかじめ試薬を固形状態にしておき、張り合わせ時にマイクロチャネル４内に挿入することも可能である。

本発明では、図３に示すように、測定槽１０に透過光を照射して、検査すべき液体試料と試薬１１の反応状態を光学的に分析する。測定時には、測定槽１０内に液体試料と試薬１１とを反応させた反応溶液が充填され、反応溶液は液体試料と試薬１１の反応の割合で吸光度が変化するため、光源部２０から測定槽１０に透過光を照射し、受光部２１にてその透過光の光量を測定することで、反応溶液を透過した光量の変化を測定することができるため、反応状態を分析することができる。

測定槽１０に透過光を照射した際に接着層によって透過光量がばらつく恐れがあるため、測定ばらつきを低減するために、測定槽１０の照射領域には、接着剤が塗布されないことが好ましい。

本発明では、基板１の測定槽１０周辺には、凸部１２が形成されており、基板２との張り合わせ時に、凸部１２が基板２と接着剤を介さずに接触する構成となっている。

接着方法としては、基板２に接着剤をスクリーン印刷によって測定槽１０周辺に接着層３が形成されないように塗布し、その後、接着層３にエネルギー線、例えば波長：２００〜４００ｎｍの紫外線を紫外線照射機にて積算光量が４００〜６００ｍＪ／ｃｍ²になるように照射する。接着剤には遅延硬化型の接着剤を使用しているため、紫外線照射後から硬化開始まで１分〜３分程度あり、その間に、基板１の測定槽１０が基板２のパターン印刷された接着層３の既定の位置にくるように位置調整を行い、張り合わる。次に、ラミネート装置や真空プレスなどの加圧可能な方法で、張り合わせた光学的分析デバイスに０.５〜５ＭＰａの圧力で加圧し、マイクロチャネル４のシール性を向上させるために接着層３内の気泡を除去する。

基板１の測定槽１０周辺の形状としては、図４（ａ）に示すように、測定槽１０は凸形状となっており、凸部接触面１２ａが基板２と接触する。凸部接触面１２ａには、測定時に液体試料が漏れないように撥水処理がされており、処理方法としては、低分子フッ素化合物、フッ素樹脂、シリコンなどの撥水剤を塗布または化学蒸着している。

本発明では、凸部接触面１２ａと接着面１３の段差は、１２μｍ±２μｍになるように成型しており、基板２に塗布する接着層３の厚みは、基板１の凸部接触面１２ａを基板２に接触、且つそれ以外の部分の接着およびシールをする必要があるため、凸部接触面１２ａと接着面１３の段差よりも厚く塗布することが好ましく、１６μｍ±１μｍになるように塗布している。

本発明では、凸部接触面１２ａと接着面１３の段差には凸部傾斜面１２ｂが形成されており、基板２には測定槽１０および凸部接触面１２ａ、凸部１２ｂがマスクされたスクリーンマスクを用いて接着剤をスクリーン印刷法でパターン塗布されているため、基板１と基板２を張り合わせて加圧すると、接着層３の余剰分は押し広げられて、凸部傾斜面１２ｂと基板２との間に形成された空間に浸入し、その空間を充填してシール性を向上させる。

傾斜角度は１０°〜３０°の角度が好ましく、１０°以下では凸部傾斜面１２ｂと接着面との境界から凸部接触面１２ａまでの距離が長くなり、張り合わせて加圧しても、接着剤の粘性抵抗によって十分に浸入できない可能性があり、さらには凸部接触面１２ａが基板２と接触せず、浮いた状態で張り合わせられる可能性がある。３０°以上では凸部傾斜面１２ｂと接着面との境界から凸部接触面１２ａまでの距離が短くなりすぎて接着剤が浸入しやすくなり、凸部接触面１２ａまで接着剤が浸入する恐れがある。

基板１の凸部傾斜面１２ｂには、図４（ｂ）に示すように、凸部接触面１２ａの横に溝を形成させてバッファー１４を設けることが好ましく、バッファー１４を設けることで、張り合わせ時に接着剤の余剰分を受けることができ、凸部接触面１２ａへの浸入を防ぐことが可能となる。

さらに基板１には、図４（ｃ）に示すように、凸部接触面１２ａの周囲を囲むように、凸部１５を設けることが好ましく、凸部１５の高さは、凸部１２ａよりも低く、凸部接触面１２ａに向かって傾斜面を形成させることで、張り合わせて加圧した際に、接着剤は凸部１５によって押し広げられ、その接着剤は凸部傾斜面１２ｂ方向に向かって押し寄せてくるため、凸部傾斜面１２ｂと基板２との間に形成される空間を充填させるのに必要な接着剤の量を確保しやすくなる。凸部間の距離は、凸部傾斜面１２ｂと接着面１３との境界から凸部１５の傾斜面と接着面１３との境界までの距離が５μｍ〜２００μｍであることが望ましく、５μｍ以下では、距離が近すぎて凸部傾斜面１２ｂの空間部分を充填させるだけの接着剤の量を確保できない可能性があり、２００μｍ以上離れていると、凸部１５が接着剤を押し広げても、凸部傾斜面１２ｂまで接着剤を押し寄せさすことができず、その効果を果たさない可能性がある。

図４（ａ）〜（ｃ）に示した形状の基板１と基板２を張り合わせることで、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、測定槽１０の周辺に形成された凸部１２は接着層３を介さずに基板２に接触しており、それ以外の部分は接着剤によって接合されているため、本発明の光学的分析デバイスの測定槽１０の厚み、すなわち光路長は接着層３の厚みばらつきが無くなり、測定槽１０の成型精度だけに依存するようになるため、光路長のばらつきが低減され、光学分析精度が向上する。

また、測定槽１０のキャピラリー部に対向する基材部には、接着層が塗布されないため、従来における接着層が光路上にあることに起因するノイズ成分を除去でき、測定精度を向上することができる。

本発明にかかる光学的分析デバイスは、液体試料と試薬との反応溶液を光学的に精度良く測定・分析できるため、化学、生化学、物理化学用途など、液体試料を分析するための試料分析装置に使用する液体試料分析用デバイスとして有用である。

本発明の実施例１における光学的分析デバイスの構成を示す模式図本発明の実施例１における光学的分析デバイスのマイクロチャネルパターンを示す平面図本発明の実施例１における光学的分析デバイスの測定槽の構造および測定方法を示す模式図本発明の実施例１における光学的分析デバイスの接合前の測定槽周辺形状を示す図本発明の実施例１における光学的分析デバイスの接合後の測定槽周辺形状を示す図従来例の光学的分析デバイスの構成を示す模式図

符号の説明

１、２基板
３接着層
４マイクロチャネル
５試料注入口
６分析試料注入槽
７ａ〜７ｃ定量槽
８ａ〜８ｃ試薬槽
９ａ〜９ｃ試薬槽
１０、１０ａ〜１０ｃ測定槽
１１試薬
１２凸部
１２ａ凸部接触面
１２ｂ凸部傾斜面
１３接着面
１４バッファー
１５凸部
２０光源部
２１受光部
１００基板
１０１カバー
１０２接着層
１０３分離膜
１０４受液部
１０５流路
１０６測定槽
１０７液導入口
１０８シール部
１０９シール部
１１０試薬
１１１光源部
１１２受光部

Claims

基材Ａ、基材Ｂのどちらか一方若しくは両方の表面に凹部にてマイクロチャネルパターンを形成し、前記基材Ａと前記基材Ｂとを接着剤を介して張り合わせることで、前記基材Ａと前記基材Ｂとの間に形成されるキャピラリー状の空間を有する光学的分析デバイスにおいて、
前記マイクロチャネルパターンは、試薬を入れる試薬槽と、検査すべき液体試料と前記試薬の反応状態を透過光を照射して光学的に分析するための測定槽とを有し、前記基材に形成されるマイクロチャネルパターン内の測定槽周辺に、前記基材に接着剤を塗布して接合する接合面よりも凸になる凸部を設け、接着剤を前記測定槽周辺の凸部及び前記測定槽のキャピラリー部を除く部分に塗布し、前記測定槽周辺の凸部を対向する基材に圧接させて張り合わせてなるとともに、前記測定槽周辺の凸部は対向する基材に接触する面に撥水処理がされていることを特徴とする光学的分析デバイス。
前記測定槽周辺の凸部と前記測定槽周辺の凸部以外の接合面の段差は、基材を張り合わせるための接着剤の塗布層の厚みより薄いことを特徴とする請求項１に記載の光学的分析デバイス。
前記測定槽周辺の凸部と前記測定槽周辺の凸部以外の接合面の段差は、傾斜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学的分析デバイス。
前記測定槽周辺の凸部から前記測定槽周辺の凸部以外の接合面にかけて形成されている傾斜部分には、張り合わせ時に前記接着剤の余剰分を吸収するためのバッファー槽が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の光学的分析デバイス。
基材Ａ、基材Ｂのどちらか一方若しくは両方の表面に凹部にてマイクロチャネルパターンを形成し、前記基材Ａと前記基材Ｂとを接着剤を介して張り合わせることで、前記基材Ａと前記基材Ｂとの間に形成されるキャピラリー状の空間を有する光学的分析デバイスにおいて、
前記マイクロチャネルパターンは、試薬を入れる試薬槽と、検査すべき液体試料と前記試薬の反応状態を透過光を照射して光学的に分析するための測定槽とを備え、前記基材に形成されるマイクロチャネルパターン内の測定槽周辺に、前記基材に接着剤を塗布して接合する接合面よりも凸になる第１の凸部と該第１の凸部の周辺に更に第２の凸部を設け前記第１と第２の凸部間に形成される凹部との傾斜部を有し、接着剤を前記測定槽周辺の第１の凸部及び前記測定槽のキャピラリー部を除く部分に塗布し、前記測定槽周辺の第１の凸部を対向する基材に圧接させて、張り合わせることを特徴とする光学的分析デバイス。
前記第２の凸部の高さは、前記第１の凸部よりも低く形成することを特徴とする請求項５に記載の光学的分析デバイス。