JP4622617B2 - マイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、平滑で微細なマイクロチャネル状突起を有するプラスチック製マイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法およびその鋳型を用いて作製したプラスチック製マイクロチップ基板に関するものである。

最近はマイクロリアクターやマイクロトータルアナリシスシステム（μＴＡＳ）と呼ばれる微細加工技術を利用した化学反応や分離システムの微小化の研究が盛んになっており、マイクロチャネルを持つマイクロチップ上で行う核酸、タンパク質、糖鎖などの分析や合成、微量化学物質の迅速分析、医薬品・薬物のハイスループットスクリーニングへの応用が期待されている。このようなシステムのマイクロ化の利点としては、（１）化学反応や抗原抗体反応で使用するサンプルや試薬の使用量、廃棄量を低減できる、（２）プロセスに必要な動力源の低減ができる、（３）体積に対する表面積の比率が向上することにより、熱移動・物質移動の高速化が実現でき、その結果、反応や分離の精密な制御、高速・高効率化、副反応の抑制が期待される、（４）同一基板上で多くのサンプルを同時に取り扱うことができる、（５）サンプリングから検出までを同一基板上で実施できる等のことが挙げられ省スペースで持ち運び可能な安価なシステムの実現が考えられている。一方、デメリットとしては（１）検出面積が小さくなるが故に検出感度が低下するケースが多い（２）マイクロスケールの流体流れでは乱流を発生させることが難しく、試薬等を混合させる場合に拡散混合となり時間を要す、（３）気泡等が発生した場合に表面張力の影響が大きく除去することは難しく測定系に大きな影響を及ぼすことが多いことが挙げられる。このようなメリット、デメリットがある中でマイクロフルイディクス技術は検討され、自動車産業分野では加速センサーや圧力センサー、位置センサー（ジャイロスコープ）等、電気通信業界分野では光導波路、光スイッチ、ミラー、レンズ等、ライフサイエンス産業分野では血液分析、ＤＮＡ分析、化学犯罪捜査用途等として我々の日常生活で見られる形となっている。その他、食品分野、環境試験分野、軍需分野にもその用途を展開している。現在開発されているマイクロフルイディクス技術としては、センサー用途が多く、酵素もしくは抗原抗体反応、イオン感応電界効果（ＩＳＦＥＴ）、マイクロ電極、マイクロカンチレバー、音響波、共鳴を利用したマイクロセンサーが報告されている。用途してはマイクロ電気泳動チップ、マイクロＰＣＲ（Ｐｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）チップ、マイクロガスクロマトグラフィチップ、マイクロ液クロマトグラフィチップ、ＤＮＡ分離チップ等が多く報告されている。また、サンプリングから分析までを同一チップ上で実施するＬａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐの開発も報告されており、炭疽菌や大腸菌に特異な核酸や抗体を用いた多機能バイオチップやグルコースやラクトース等をモニタリングする携帯可能な測定器、抗原抗体反応を用いた臨床検査チップ等が挙げられる。

１９９０年代初期は成熟したエレクトロニクス産業および完成されたシリコンウエハを利用した製造技術の影響でマイクロフルイディクスやμＴＡＳ、Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐデバイスに使用する材料としてシリコンウエハが利用されていた。しかし、流体の搬送方法として電気的手法（電気浸透法）が盛んに開発される中、シリコンの導電性および破壊電圧の低さのため電気的な液体搬送を維持するために高電圧を負荷する必要がある用途に対してはシリコン材料を使用することに制約が生じてきた。またシリコンウエハ表面は化学的に生体高分子（ＤＮＡ、ペプチド、タンパク質）を吸着させやすく、非特異吸着を増加させる危険性が多くあり、その為シリコンウエハ上に非特異吸着を防止するための処理が必要とされ、更に透明でないため光学検出等を用いる用途に不向きであること、最後に原料単価が高いことがありマイクロフルイディクス用途、特に使い捨てが必須となる診断用のマイクロフルイディクス用途には不向きとされてきている。
シリコンウエハを使用したマイクロフルイディクス製作技術としては、ＩＣ製造技術で培われてきた微細加工技術とシリコンウエハの結晶方位またはエッチャントの種類によるエッチング速度、エッチング特性の違いを利用した化学的エッチング手法である異方性エッチング法、物理的エッチング手法であるプラズマエッチング法、犠牲層を利用したエッチング法等、シリコンウエハに特殊なマイクロフルイディクス製作方法が開発され様々な形状が作製できることから研究者の注目を集めてきたが、シリコンウエハ性マイクロフルイディクスの接着方法として電気熱融着法が挙げられるが高温で電気動通させるため表面にダメージが発生しやすく、また接着剤による接着方法もあるが接着強度、信頼性に問題があるとされシリコンウエハを用いたマイクロフルイディクスの欠点の１つとなっている。

シリコンウエハ以外の新しい材料としてガラス材料を使用したマイクロフルイディクス作製プロセスが確立されてきた。ガラス材料は確立した製作技術のおかげもあってマイクロフルイディクスやμＴＡＳ、Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐデバイスを開発する上での主要材料として注目され、表面特性や材料特性の面からもマイクロフルイディクスデバイスにとって優れた材料であると考えられてきた。しかし、ガラス材料はマイクロフルイディクス技術を商業化する際にその高いマイクロフルイディクス製造コストおよび量産技術の欠如が欠点となっている。製造コストとは主としてその材料価格と製造プロセスにおけるコストであるがガラスの場合、シリコンウエハと比べ比較的安価であるものの、洗浄、金属蒸着、レジストコート、ウェットエッチング、基板ボンディング工程が各基板毎に必要となり煩雑で高コストな工程となってしまう。その中でも課題となっている工程は、エッチング工程と接着工程である。エッチング工程ではエッチャントとして強酸であるフッ化水素（ＨＦ）もしくはフッ化水素（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ_３）を混合したエッチャントが使用され、非常に有害な薬品のため管理／回収といった取り扱いが難しい上にエッチング速度が２μｍ〜７μｍ／分と非常に遅く製作能力を低下させている。エッチング速度を向上させるためエッチャントの濃度を上げることが考えられるが表面平滑性が悪化するため限界がある。また強酸をエッチャントに用いるため強酸にも侵されない金（Ａｕ）をガラス基板表面に蒸着したパターンマスクが必要となり、更にはガラス基板表面に金（Ａｕ）が十分な密着力を持って蒸着またはスパッタリングできない為、接着層としてクロム（Ｃｒ）層が必要とされている。パターンマスク用の金（Ａｕ）膜はピンホールが発生しない厚み３００ｎｍ以上が必要とされている。更にガラスのウェットエッチングはガラスが等方性材料であるため幾何学的なデザインをエッチングする際に制約がある。マイクロフルイディクスのデザインとして、ハイアスペクト比のチャネルや正方形、長方形のチャネルを必要とされることが多くガラス材料を用いたチップはこれらの要求を容易に満たすことはできない。接着工程では数百度の高温で処理する必要性があること電気熱融着法を用いてもシリコンウエハと同様の問題がある（非特許文献１）。

このような状況の中、プラスチックをマイクロフルイディクス、μＴＡＳ、Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐデバイスの材料として使用することは多くのメリットがあることが次第に判明してきた。プラスチック材料はシリコンウエハやガラス材料と比較し原料単価は格段に安く、インジェクション成型法やエンボッシング法、鋳型法、切削法等のよりよく確立された低コストな製造技術が利用でき、用途に応じて様々なプラスチック材料が選択できる。その選択範囲は市販化されている材料だけでも非常に大きく、例えば、ＰＣ（Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＰＭＭＡ、ＣＯＣ、エポキシ、ＰＤＭＡ（Ｐｏｌｙ（ｄｉｍｅｔｈｙｌ Ｓｉｌｏｘａｎｅ））等が選択肢として挙げられる。この中でもＣＯＣはＦＤＡから生体適応材料（血液に接触しても問題が無い）材料として認知されており有望な材料と考えられている。
プ ラスチック材料のマイクロ加工技術として鋳型を使用するインジェクション成型、ホットエンボッシング、鋳型等が挙げられ、この中でもインジェクション成型法は大量生産に向いており注目されている。鋳型を使用しないプラスチック加工方法としてプラスチックにエンドミルで直接マイクロチャネルを作製する切削法（特許文献１）、レーザー光でプラスチック基板上にマイクロチャネルを作製するレーザー法が挙げられるが量産性の意味で課題が多く研究用途の試作レベルでのみ実用化されているのが現状である。インジェクション成形では型キャビティ内へ溶融した熱可塑性プラスチック材料を導入し、キャビティを冷却させて樹脂を硬化させることで、効率よく経済的にマイクロチップ基板を製造でき、大量生産に適している。ホットエンボッシング法ではガラス転移点（Ｔｇ）付近に加熱されたプラスチック基板上に鋳型を押し付け鋳型の形状を転写させる方法で設備投資が少なく微細なマイクロチャネル形状の転写が可能であるが量産性においてはインジェクション成型法に劣る。鋳型法とは光硬化樹脂や熱硬化樹脂をマイクロ加工された鋳型に流し込み紫外線や電子線、熱を加えることにより重合させ離型することでマイクロチャネルを作製する方法である。硬化性プラスチックでは低温で加工できるため、装置やディバイスに熱や振動によるダメージを与えずにマイクロチップ基板を作製することが可能であるが、反応硬化時間、冷却時間が長く試作用途には向いているが量産にはあまり向いていない。

鋳型を作製する技術として１０μｍレベルのチャネルを加工できる鋳型の作製技術に多くの研究者が注力してきた。１９８０年代初期にＫａｒｌｓｒｕｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ（ドイツ）によってマイクロフルイディック製作に適応できるＬＩＧＡ技術が開発された。“ＬＩＧＡ”とは、ドイツ語のＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｅ（ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）、Ｇａｌｖａｎｏｆｏｒｍｉｎｇ（ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ）、Ａｂｆｏｒｍｕｎｇ（ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ）の略である。このＬＩＧＡ工程は、ＰＭＭＡレジストをＸ線用のフォトマスクを通してＸ線で露光現像した後、エレクトロプレーティング（電鋳）にて鋳型（キャビティ）を製作し、その鋳型を用いてプラスチック製マイクロチャネル基板を作製するものである。その後、Ｘ線による露光の代わりにＵＶ光を使用するＵＶ−ＬＩＧＡが開発された。Ｘ線を利用するＬＩＧＡと比較するとそのアスペクト比は落ちるがコストを考慮に入れた場合、ＵＶ−ＬＩＧＡ技術も優れた技術である。また、ウエットエッチング、ドライエッチング法にて加工されたＳｉやガラス、金属板、エンドミルを使用した切削法にて加工されたガラスやプラスチック、金属板等を原版としてＮｉ等の金属をエレクトロプレーティング（電鋳）し鋳型を作製し、その鋳型を用いてプラスチック製マイクロチャネル基板を作製する方法もある。これら鋳型の作製方法では電鋳工程が必須となるが通常の鋳型の作製方法では土台となるベースを含めて２０〜３０ｍｍ程度の電鋳厚みが必要となる。一般的に鋳型用の電鋳材料として良く使用されているのはニッケル（Ｎｉ）であり、精密で緻密な内部応力の少ない厚膜の電鋳を実施するために印加できる電流密度に制約があるため一般的に電鋳速度として１０〜２０μｍ／ｈｒとなる。２０〜３０ｍｍの厚みを電鋳するためには１０００〜３０００時間と長い処理時間が必要となってくる。この問題を解決するために金属板の上にフォトレジストを塗布し、ＬＩＧＡもしくはＵＶ−ＬＩＧＡフォトリソ法を用いてマイクロチャネル形状にパターニングしマイクロチャネル部分のみを電鋳で形成する方法も採用されている。マイクロチャネルの深さは通常２０〜１５０μ程度であり電鋳処理時間は１〜１５時間と一般的な方法と比べ短縮され大変有用な製法である。
これらの加工技術により比較的性能の良好なプラスチック製マイクロチャネル基板を作製することが可能である。しかしプラスチック製マイクロチャネル基板にはまだ問題が有り、実用化が不十分である。問題点は様々あるが、その一つとして表面平滑性の不足が挙げられる。分析対象もしくは生産対象の化学物質を検出するために、通常は光学的検出装置、たとえば蛍光強度の確認や、熱レンズ顕微鏡による検出、ＩＲスペクトルやＵＶスペクトルによる検出などが好適に行われるが、その多くはチップに光を入射し、反対面もしくは入射面から光の強度を確認するという方式である。それゆえプラスチック製、非プラスチック製を問わずマイクロチャネル底部の表面平滑性が低いと分析対象もしくは生産対象の化学物質の検出感度が大幅に低下する為、マイクロチャネル底部は表面平滑性が高いことが要求されている（特許文献２）。
本田宣昭、化学工学、第６６巻、第２号、Ｐ７１−７４（２００２） 特開２００２−２１０６０９号公報 特開２００４−３４０７５２号公報

本発明の目的は、マイクロチャネル底部の表面平滑性が低いと液体の流動や分析対象もしくは生産対象の化学物質の検出感度が大幅に低下し微量物質の検出に問題があるため、表面平滑性に優れたマイクロチャネル状突起をもった鋳型を作製し、さらにこの鋳型を使用して表面平滑性が非常に高いマイクロチャネル底部を持つプラスチック製マイクロチャネル基板を提供することを目的とするものである。

本発明は以下の通りである。
（１）金属基板上に巾１ｍｍ以下、高さ１ｍｍ以下のマイクロチャネル形成用の金属突起部を有するマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法であって、金属基板上にフォトレジストをコートする工程、フォトリソ加工によりフォトレジストをパターニングする工程、及びパターニングした箇所に金属を電鋳する工程によりマクロチャネル状突起部を形成する工程、及びマクロチャネル状突起部の上面部をエンドミル、又は先端に研磨用ヘッドが設けられたエンドミル状の治具であり、かつ先端部の巾がマイクロチャネルの巾とほぼ同等の巾を有する微小な回転体を用いて研磨する工程、を有することを特徴とするマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法。
（２）前記マイクロチャネル状突起部がニッケルを含む金属である（１）に記載のマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法。
（３）前記金属基板がニッケルを含む金属から構成されている（１）〜（２）いずれか記載のマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法。
（４）前記マイクロチャネル形成用の金属突起部の上面部の表面粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ以下である（１）〜（３）いずれか記載のマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法。
（５）（１）〜（４）いずれか記載のマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法により作製されたマイクロチャネル基板作製用鋳型。
（６）（５）記載のマイクロチャネル基板作製用鋳型を使用して、プラスチック基板にマイクロチャネルを形成したことを特徴とするプラスチック製マイクロチップ基板。
（７）前記マイクロチャネルの底部の表面粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ以下である（６）記載のプラスチック製マイクロチップ基板。
（８）前記プラスチック基板が飽和環状ポリオレフィンから構成されるものである（６）又は（７）記載のプラスチック製マイクロチップ基板。
（９）（７）〜（８）いずれか記載のプラスチック製マイクロチップ基板のマイクロチャネルの一部に核酸、タンパク質、糖鎖、糖タンパクのうち少なくとも一つを含む生理活性物質を固定化したマイクロチップ基板。

本発明の製造方法を利用することにより、表面平滑性に優れたマイクロチャネル状突起をもった鋳型を作製でき、さらにこの鋳型を使用して表面平滑性が非常に高いマイクロチャネル底部を持ち、液体の流動や、微量物質の検出に問題が無い高性能のマイクロチャネル基板を作製することが可能となる。

以下、本発明について詳細に説明する。
図１に本発明のマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法の一実施例となる断面概略図を示す。
図１（ａ）は、シリコン基板、ガラス基板又はプラスチック基板をエッチング又は切削加工によって作製された原版１に金属電鋳２を施したものである。原版の材料はシリコン、ガラス、プラスチック等が一般的によく使用され加工技術も蓄積されているため好ましいが、特にこの材料に限定するものではない。加工方法としてもエッチング法や切削法が好ましく一般的に用いられているがマイクロチャネルが基板上に加工できる手法であれば特に限定しない。
図１（ｂ）は原版より金属を電鋳し転写して得られた金属鋳型２である。電鋳する材料はニッケル（Ｎｉ）またはニッケル（Ｎｉ）を含む材料が機械特性や硬度、一般的に電鋳加工で使用され量産技術も確立しているため望ましいが、インジェクション成型、ホットエンボス等の加工に対し機械的、化学的、熱的に問題なく金属板表面に電鋳が可能であれば特に限定はしない。この状態の鋳型でもインジェクション成型法やホットエンボッシング法、鋳型法によりプラスチックを成型できるがマイクロチャネルの表面平滑性が良くなく精度を必要としないマイクロチップには使用できるが精度の高い、光学検出を用いるようなマイクロチップには使用できない。
図１（ｃ）はマイクロチャネル状突起部分を研磨したあとの断面図である。マイクロチャネル状突起部４をマイクロチャネル巾と同等の巾を有する微小な回転体を用い、回転速度、切削深さピッチ、送り速度等をマイクロチャネル形状に合わせて適宜設定し研磨する。回転速度は低速回転の場合、加工面の表面平滑性が良好でないため高速の方が好ましく、１万ｒｐｍ以上が好ましい。切削深さピッチはマイクロチャネルが変形せず良好な表面平滑性が加工できる条件で実施する。切削深さピッチが小さければ小さいほどマイクロチャネルの変形に対しては良好であるが表面研磨の効率が悪く非常に長い時間を要する。また、あまりに小さすぎると表面研磨ができなくなる。切削深さピッチが大きいと良好な表面平滑性が得られないほかマイクロチャネル状突起部が変形もしくは欠落する。送り速度は表面研磨精度との兼ね合いで適宜決定されるが早すぎると表面平滑性が良好ではなく、送り速度が遅くなると表面平滑性は良くなるが、遅過ぎると加工時間を要するため経済的に好ましくない。研磨方法としては一般的に広く使用されているエンドミルを用いた切削装置で表面を研磨加工することが可能である。また、先端にアルミナ微粒子もしくはダイヤモンド微粒子を固定化した研磨ヘッドもつエンドミル形状の研磨治具を用いても表面研磨加工可能である。
マイクロチャネル状突起上面部の表面粗さ（Ｒａ）は０．２μｍ以下が好ましく、さらに好ましくは０．１μｍ以下である。マイクロチャネル状突起上面部の表面粗さ（Ｒａ）が０．２μｍを超えると転写されるプラスチック製マイクロチャネルの表面が同等レベルの表面性となるため、熱レンズ顕微鏡等の光学系を利用した検出器で検出が不可能となる恐れがある。このように作製された鋳型を使用しインジェクション成型法やホットエンボッシング法、鋳型法を用いてプラスチック製マイクロチャネル基板が作製される。作製されたプラスチック製マイクロチャネル基板のマイクロチャネル底部の表面粗さ（Ｒａ）は０．２μｍ以下が好ましく、さらに好ましくは０．１μｍ以下である。マイクロチャネル状突起上面部の表面粗さ（Ｒａ）が０．２μｍを超えると熱レンズ顕微鏡等の光学系を利用した検出器で検出が不可能となる恐れがある。

図２に本発明のマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法の他の実施例となる断面概略図を示す。
図２（ａ）に金属板５上にフォトレジスト６が塗布された状態を示す。金属板はニッケル（Ｎｉ）もしくはニッケル（Ｎｉ）を含む金属材料が機械強度や硬度、電鋳の材料として広く使用されていることから好ましいが、インジェクション成型、ホットエンボス等の加工に対し機械的、化学的、熱的に問題なく金属板表面に電鋳が可能であれば特に限定はしない。フォトレジストの厚みは作製するマイクロチャネルの深さにより適宜決定されるが作製するマイクロチャネルの厚みより２０〜５０μｍ程度厚く塗布することが望ましい。フォトレジストの厚みが目標とするマイクロチャネル深さより薄くなると電鋳した際にフォトレジストのパターン部分よりはみ出し良好なマイクロチャネルが作製できない。また、フォトレジストの塗布方法としてはスピンコート法、バーコート法、ダイコート法、スクリーン印刷法等の手法があるが特に限定しない。
図２（ｂ）はフォトレジストをパターニングしたあとの断面図であり、パターニングされた部分７は金属部分が表面に露出しているがその他の部分はフォトレジストに覆われ露出していない状態である。フォトレジストの露光、現像条件はフォトレジストの種類、塗布厚み等を考慮し適宜最適化した条件で加工する。
図２（ｃ）はフォトレジストをパターニングした金属板に電鋳処理により金属を電鋳した時の断面図である。金属板が露出した部分のみが電鋳されマイクロチャネル状にパターニングされたフォトレジストによりマイクロチャネル形状に電鋳された金属部８が金属板上で凸状になっている。電鋳処理する厚みは作製するマイクロチャネルの深さにより適宜決定されるが作製するマイクロチャネルの厚みより１０〜３０μｍ程度厚く電鋳することが望ましい。電鋳処理後に電鋳されたマイクロチャネル状突起部上部の表面平滑性を向上させるために研磨を実施するためその削り代を含めた厚みを電鋳しておく必要がある。１０μｍ以下であると削り代が少なく希望する表面平滑性が得られない場合があり３０μｍ以上であると研磨する厚みが多く研磨工程の時間が多く必要となり経済的に望ましくない。電鋳する材料はニッケル（Ｎｉ）またはニッケル（Ｎｉ）を含む材料が機械特性や硬度、一般的に電鋳加工で使用され量産技術も確立しているため望ましいが、インジェクション成型、ホットエンボス等の加工に対し機械的、化学的、熱的に問題なく金属板表面に電鋳が可能であれば特に限定はしない。
図２（ｄ）は残ったフォトレジストを全て剥離した後の断面図であり、研磨処理前の鋳型の断面図となる。この状態の鋳型でもインジェクション成型法やホットエンボッシング法、鋳型法によりプラスチックを成型できるがマイクロチャネルの表面平滑性が良くなく精度を必要としないマイクロチップには使用できるが精度の高い、光学検出を用いるようなマイクロチップには使用できない。
図２（ｅ）はマイクロチャネル状突起部分を研磨したあとの断面図である。マイクロチャネル状突起部をマイクロチャネル巾と同等の巾を有する微小な回転体を用い、回転速度、切削深さピッチ、送り速度等をマイクロチャネル形状に合わせて適宜設定し研磨する。回転速度は低速回転の場合、加工面の表面平滑性が良好でないため高速の方が好ましく、１万ｒｐｍ以上が好ましい。切削深さピッチはマイクロチャネルが変形せず良好な表面平滑性が加工できる条件で実施する。切削深さピッチが小さければ小さいほどマイクロチャネルの変形に対しては良好であるが表面研磨の効率が悪く非常に長い時間を要する。また、あまりに小さすぎると表面研磨ができなくなる。切削深さピッチが大きいと良好な表面平滑性が得られないほかマイクロチャネル状突起部が変形もしくは欠落する。送り速度は表面研磨精度との兼ね合いで適宜決定されるが早すぎると表面平滑性が良好ではなく、送り速度が遅いと表面平滑性はよくなるが遅過ぎると加工時間を要するため経済的に好ましくない。研磨方法としては一般的に広く使用されているエンドミルを用いた切削装置で表面を研磨加工することが可能である。また、先端にアルミナ微粒子もしくはダイヤモンド微粒子を固定化した研磨ヘッドもつエンドミル形状の研磨治具を用いても表面研磨加工可能である。
マイクロチャネル状突起上面部の表面粗さ（Ｒａ）は０．２μｍ以下が好ましく、さらに好ましくは０．１μｍ以下である。マイクロチャネル状突起上面部の表面粗さ（Ｒａ）が０．２μｍを超えると転写されるプラスチック製マイクロチャネルの表面が同等レベルの表面性となるため、熱レンズ顕微鏡等の光学系を利用した検出器で検出が不可能となる恐れがある。
このようにして作製された鋳型を使用しインジェクション成型法やホットエンボッシング法、鋳型法を用いてプラスチック製マイクロチャネル基板が作製される。作製されたプラスチック製マイクロチャネル基板のマイクロチャネル底部の表面粗さ（Ｒａ）は０．２μｍ以下が好ましく、さらに好ましくは０．１μｍ以下である。マイクロチャネル状突起上面部の表面粗さ（Ｒａ）が０．２μｍを超えると熱レンズ顕微鏡等の光学系を利用した検出器で検出が不可能となる恐れがある。

本発明のプラスチック製マイクロチャネル基板に使用するプラスチック材質は、加工性、経済性も含め、現在最も用いられている検出法が蛍光検出であるため自己蛍光の少なく、ＦＤＡから生体適応材料（血液に接触しても問題が無い）材料として認知されている環状ポリオレフィン（ＣＯＣ）が最も好ましいが、種々のプラスチック材料を選択することが可能であり、作製されるマクロチップの用途、処理、使用する溶媒、生理活性物質、検出方法の特性に合わせて、成形性、耐熱性、耐薬品性、吸着性等を考慮し適宜に選択される。
例えば、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、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、ポリビニルアセテート、ビニル−アセテート共重合体、スチレン−メチルメタアクリレート共重合体、アクリルニトリル−スチレン共重合体、アクリルニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体、ナイロン、ポリメチルペンテン、シリコン樹脂、アミノ樹脂、ポリスルフォン、ポリエーテルスルフォン、ポリエーテルイミド、フッ素樹脂、ポリイミド等が挙げられる。
また、これらのプラスチック材料に、顔料、染料、酸化防止剤、難燃剤等の添加物を適宜混合してもよい。

マイクロチャネルとしては、サンプルや試薬の使用量あるいは廃液の排出量、かつ、熱移動・物質移動の高速化の観点から、幅は１ｍｍ以下が好ましく、更に好ましくは、８００μｍ以下であり、深さは１ｍｍ以下が好ましく、更に好ましくは８００μｍ以下である。但し、これらマイクロチャネルの流路設計は検出対象物、利便性を考慮に適宜設計されるため上記に限定はしない。また、マイクロチャネルの機能としてマイクロディバイス、具体的には、膜、ポンプ、バルブ、センサー、モーター、ミキサー、ギア、クラッチ、マイクロレンズ、電気回路等を装備したり、複数本のマイクロチャネルを同一基板上に加工することにより複合化することが可能である。

プラスチック製マイクロチップ基板のマイクロチャネルの一部に生理活性物質を固定化することができる。生理活性物質としては、核酸、タンパク質、糖鎖、糖タンパク等が挙げられるが検出対象物の特性により適宜、最適な生理活性物質を選択することができる。また、同一チャネル上に複数の生理活性物質を固定化してもよく、同じマイクロチップ基板上に違うマイクロチャネルを作製し別々に生理活性物質を固定しても良い。生理活性物質をプラスチック製マイクロチャネル基板に固定化するためにプラスチック表面に表面改質、例えば官能基の導入、機能材料の固定化、親水性の付与、および疎水性の付与等を実施したりすることも可能である。

以下に実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。

（実施例１）
縦７０ｍｍ長さ、横３０ｍｍ長さ、厚み１ｍｍのアクリル樹脂基板に巾８００μｍ、長さ５０ｍｍ、深さ１００μｍのマイクロチャネルを切削法にて形成した。切削加工の条件は、直径８００μｍのエンドミルを使用し、エンドミルの回転数を１５０００ｒｐｍ、送り速度０．５ｍｍ／秒、切削深さのピッチを５０μｍとした。切削時の切削粉を排出するため純水を定常的に基板上に流しつづけた状態で切削加工を実施した。得られたアクリル製マイクロチャネル底部の表面粗さ（Ｒａ）は０．３５μｍであった。このアクリル製マイクロチャネルに金（Ａｕ）を蒸着し、その後Ｗａｔｔ‘ｓ電鋳液（Ｎｉ電鋳液）にて２０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で１０日間電鋳し、約４ｍｍ厚みのニッケル（Ｎｉ）鋳型を得た。このニッケル（Ｎｉ）鋳型のマイクロチャネル部上部の表面粗さ（Ｒａ）を測定したところ０．３５μｍであった。直径１ｍｍのエンドミルを使用し切削装置にて回転数３万５千ｒｐｍ、送り速度０．５ｍｍ／秒、切削深さピッチ１μｍにてマイクロチャネル状突起上面部を研磨したところ、マイクロチャネル状突起部上面の表面粗さＲａは、０．０８μｍとなった。このニッケル（Ｎｉ）製鋳型を用いてインジェクション成型法にて飽和環状ポリオレフィン（ＣＯＣ）製マイクロチャネル基板を作製した。作製したプラスチック製マイクロチャネルの底部の表面粗さ（Ｒａ）を測定したところ０．０７μｍであった。このマイクロチャネル基板上で熱レンズ顕微鏡を用いて検出感度を確認したところ良好な形で焦点が得られた。

（実施例２）
厚さ１５ｍｍ、直径１００ｍｍのニッケル（Ｎｉ）ディスクにＳＵ−８ ２０７５フォトレジスト（日本化薬マイクロケム製）を１５０μｍ厚みでスピンコートしオーブンにてプリベークした。プリベーク後、平行光露光機にて巾１００μｍ、長さ５０ｍｍ、深さ１００μｍのマイクロチャネルをｉ線換算で３００ｍＪの照射量でパターン露光した。露光後、ポストベークを実施し、現像液にディピングし現像した。このマイクロチャネル状にパターン化されたフォトレジストが表面に存在するＮｉディスクに電極を取り付け、Ｗａｔｔ‘ｓ電鋳液（Ｎｉ電鋳液）を使用し１０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で１５時間電鋳を実施し１２５μｍ厚みのＮｉ電鋳突起がＮｉディスク上に形成し残りのフォトレジストを現像液にて全て剥離した。マイクロチャネル状突起部上面の表面粗さＲａを測定したところ、０．２８μｍであった。先端部にダイヤモンド微粒子を固定化した直径１００μｍの円柱状研磨治具を使用し切削装置にて回転速度５万ｒｐｍ、送り速度０．５ｍｍ／秒、切削深さピッチ１μｍでマイクロチャネル状突起上面部を研磨したところ、マイクロチャネル状突起部上面の表面粗さＲａは、０．０５μｍとなった。このニッケル（Ｎｉ）製鋳型を用いてインジェクション成型法にて飽和環状ポリオレフィン（ＣＯＣ）製マイクロチャネル基板を作製した。作製したプラスチック製マイクロチャネルの底部の表面粗さ（Ｒａ）を測定したところ０．０４μｍであった。このマイクロチャネル基板上で熱レンズ顕微鏡を用いて検出感度を確認したところ良好な形で焦点が得られた。

（実施例３）
厚さ１５ｍｍ、直径１００ｍｍのステンレス（ＳＵＳ）ディスクにＳＵ−８ ２０７５フォトレジスト（日本化薬マイクロケム製）を１８０μｍ厚みでスピンコートしオーブンにてプリベークした。プリベーク後、平行光露光機にて巾８００μｍ、長さ５０ｍｍ、深さ１００μｍのマイクロチャネルをｉ線換算で３００ｍＪの照射量でパターン露光した。露光後、ポストベークを実施し、現像液にディピングし現像した。このマイクロチャネル状にパターン化されたフォトレジストが表面に存在するＮｉディスクに電極を取り付け、Ｗａｔｔ‘ｓ電鋳液（Ｎｉ電鋳液）を使用し１５ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で１５時間電鋳を実施し１５０μｍ厚みのＮｉ電鋳突起がＳＵＳディスク上に形成し残りのフォトレジストを現像液にて全て剥離した。マイクロチャネル状突起部上面の表面粗さＲａを測定したところ、０．３２μｍであった。直径８００μｍのエンドミルを使用し切削装置にて回転数１万５千ｒｐｍ、送り速度０．５ｍｍ／秒、切削深さピッチ１μｍにてマイクロチャネル状突起上面部を研磨したところ、マイクロチャネル状突起部上面の表面粗さＲａは、０．１２μｍとなった。このニッケル（Ｎｉ）製鋳型を用いてホットエンボッシング法にてポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）プラスチック製マイクロチャネル基板を作製した。作製したプラスチック製マイクロチャネルの底部の表面粗さ（Ｒａ）を測定したところ０．０９μｍであった。このマイクロチャネル基板上で熱レンズ顕微鏡を用いて検出感度を確認したところ良好な形で焦点が得られた。

（比較例１）
縦７０ｍｍ長さ、横３０ｍｍ長さ、厚み１ｍｍのアクリル樹脂基板に巾８００μｍ、長さ５０ｍｍ、深さ１００μｍのマイクロチャネルを切削法にて形成した。切削加工の条件は、直径８００μｍのエンドミルを使用し、エンドミルの回転数を１５０００ｒｐｍ、送り速度０．５ｍｍ／秒、切削深さのピッチを５０μｍとした。切削時の切削粉を排出するため純水を定常的に基板上に流しつづけた状態で切削加工を実施した。得られたアクリル製マイクロチャネル底部の表面粗さ（Ｒａ）は０．３５μｍであった。このアクリル製マイクロチャネルに金（Ａｕ）を蒸着し、その後Ｗａｔｔ‘ｓ電鋳液（Ｎｉ電鋳液）にて２０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で１０日間電鋳し、約４ｍｍ厚みのニッケル（Ｎｉ）鋳型を得た。このニッケル（Ｎｉ）鋳型のマイクロチャネル部上部の表面粗さ（Ｒａ）を測定したところ０．３５μｍであった。また、この鋳型を用いてプラスチック製マイクロチャネル基板をインジェクション成型で作製したところ、そのプラスチック製マイクロチャネル底部の表面粗さ（Ｒａ）は０．３３μｍであった。このマイクロチャネル基板上で熱レンズ顕微鏡を用いて検出感度を確認したところ焦点が得られず熱レンズ顕微鏡を用いた測定用途には使用できないことが分かった。

（比較例２）
厚さ１５ｍｍ、直径１００ｍｍのニッケル（Ｎｉ）ディスクにＳＵ−８ ２０７５フォトレジスト（日本化薬マイクロケム製）を１５０μｍ厚みでスピンコートしオーブンにてプリベークした。プリベーク後、平行光露光機にて１００μｍ巾×５０ｍｍ長さのマイクロチャネル状にｉ線換算で３００ｍＪの照射量で露光した。露光後、ポストベークを実施し、現像液にディピングし現像した。このマイクロチャネル状にパターン化されたフォトレジストが表面に存在するＮｉディスクに電極を取り付け、Ｗａｔｔ‘ｓ電鋳液（Ｎｉ電鋳液）を使用し１０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で１５時間電鋳を実施し１２５μｍ厚みのＮｉ電鋳突起がＮｉディスク上に形成しフォトレジストを現像液にて全て剥離した。マイクロチャネル状突起部上面の表面粗さＲａを測定したところ、０．２８μｍであった。ｄこのニッケル（Ｎｉ）製鋳型を用いてインジェクション成型法にて飽和環状ポリオレフィン（ＣＯＣ）製マイクロチャネル基板を作製した。作製したプラスチック製マイクロチャネルの底部の表面粗さ（Ｒａ）を測定したところ０．２５μｍであった。このマイクロチャネル基板上で熱レンズ顕微鏡を用いて検出感度を確認したところ焦点が得られず熱レンズ顕微鏡を用いた測定用途には使用できないことが分かった。

本発明の製造方法を利用することにより、表面平滑性に優れたマイクロチャネル状突起をもった鋳型を作製でき、さらにこの鋳型を使用して表面平滑性が非常に高いマイクロチャネル底部を持ち、液体の流動や、微量物質の検出に問題が無い高性能のマイクロチャネル基板を作製することが可能となる。

本発明のマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法の一実施例となる断面概略図である。 本発明のマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法の他の実施例となる断面概略図である。

符号の説明

１ 原版
２ 原版より電鋳転写した鋳型本体
３ マイクロチャネル状電鋳部分
４ 研磨後のマイクロチャネル状電鋳部分
５ 金属基板
６ フォトレジスト
７ マイクロチャネル部フォトレジストパターン（現像部分）
８ マイクロチャネル電鋳部分
９ 研磨後のマイクロチャネル電鋳部分

Claims (9)

1. 金属基板上に巾１ｍｍ以下、高さ１ｍｍ以下のマイクロチャネル形成用の金属突起部を有するマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法であって、金属基板上にフォトレジストをコートする工程、フォトリソ加工によりフォトレジストをパターニングする工程、及びパターニングした箇所に金属を電鋳する工程によりマクロチャネル状突起部を形成する工程、及びマクロチャネル状突起部の上面部をエンドミル、又は先端に研磨用ヘッドが設けられたエンドミル状の治具であり、かつ先端部の巾がマイクロチャネルの巾とほぼ同等の巾を有する微小な回転体を用いて研磨する工程、を有することを特徴とするマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法。
2. 前記マイクロチャネル状突起部がニッケルを含む金属である請求項１に記載のマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法。
3. 前記金属基板がニッケルを含む金属から構成されている請求項１〜２いずれか記載のマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法。
4. 前記マイクロチャネル形成用の金属突起部の上面部の表面粗さ （Ｒａ）が０．２μｍ以下である請求項１〜３いずれか記載のマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法。
5. 請求項１〜４いずれか記載のマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法により作製されたマイクロチャネル基板作製用鋳型。
6. 請求項５記載のマイクロチャネル基板作製用鋳型を使用して、プラスチック基板にマイクロチャネルを形成したことを特徴とするプラスチック製マイクロチップ基板。
7. 前記マイクロチャネルの底部の表面粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ以下である請求項６記載のプラスチック製マイクロチップ基板。
8. 前記プラスチック基板が飽和環状ポリオレフィンから構成されるものである請求項６又は７記載のプラスチック製マイクロチップ基板。
9. 請求項７〜８いずれか記載のプラスチック製マイクロチップ基板のマイクロチャネルの一部に核酸、タンパク質、糖鎖、糖タンパクのうち少なくとも一つを含む生理活性物質を固定化したマイクロチップ基板。

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