JP5390366B2 - Sample manipulation element - Google Patents

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本発明は、操作対象となる試料の微小空間内での封止操作、または微小流路内での移動操作などを行うための試料操作素子に関するものである。   The present invention relates to a sample operation element for performing a sealing operation in a minute space of a sample to be operated or a moving operation in a minute channel.

様々な微量液体の簡便な取扱い、あるいは、その反応プロセスの計測等を目的として、微量液体試料の操作を行うための微小成形加工された操作素子が提案されている。そのような素子の1つとして、PDMS(Polydimethylsiloxane)と呼ばれるシリコーンゴムを材料としたシート部材を用い、凹状または溝状などの構造が下面側に形成されたシート部材を基板に密着させることで試料に対する微小な封止構造、流路構造等を構成する素子がある(試料操作素子については、特許文献1、2、非特許文献1〜3参照)。   For the purpose of easy handling of various trace liquids or measurement of reaction processes thereof, a micro-molded operation element for operating a trace liquid sample has been proposed. As one of such elements, a sheet member made of silicone rubber called PDMS (Polydimethylsiloxane) is used, and a sheet member having a concave or groove-like structure formed on the lower surface side is brought into close contact with the substrate. There are elements that constitute a minute sealing structure, a flow path structure, and the like (see Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Documents 1 to 3 for sample manipulation elements).

このような素子では、試料を操作するための微小な操作構造に対応するパターンが形成されたマスクによって型を作製し、この型を用いてPDMSのシート部材を作製する。この方法では、マスクが繰り返し使用可能であること、マスクによって作製した型についても精度を保持したまま数回〜10回程度の微小構造素子の作製に耐えること、等の利点がある。すなわち、上記構成の試料操作素子によれば、一度マスク、型を作ってしまえば、簡単な操作で同じ素子を繰り返し作製して、試料の操作に利用することができる。また、PDMSのシート部材は、ガラス基板などの基板に対する吸着性が高く、基板及びシート部材を密着させることによる微小構造の作成に適している。また、このような素子は、PDMS以外の材料によるシート部材を用いても同様に構成することができる。   In such an element, a mold is manufactured using a mask on which a pattern corresponding to a minute operation structure for operating a sample is formed, and a PDMS sheet member is manufactured using the mold. This method has advantages such that the mask can be used repeatedly, and that the mold manufactured by the mask can withstand the fabrication of the micro structural element several times to 10 times while maintaining the accuracy. That is, according to the sample operation element having the above configuration, once a mask and a mold are made, the same element can be repeatedly produced by a simple operation and used for the operation of the sample. In addition, the sheet member of PDMS has high adsorptivity to a substrate such as a glass substrate, and is suitable for creation of a microstructure by bringing the substrate and the sheet member into close contact with each other. Further, such an element can be similarly configured even when a sheet member made of a material other than PDMS is used.

特開2004−33919号公報JP 2004-33919 A 特開2004−309405号公報JP 2004-309405 A

Y. Rondelez et al.,"Highly coupled ATP synthesis by F1-ATPase single molecules", NatureVol.433 (2005) pp.773-777Y. Rondelez et al., "Highly coupled ATP synthesis by F1-ATPase single molecules", NatureVol.433 (2005) pp.773-777 Y. Rondelez et al.,"Microfabricated arrays of femtoliter chambers allow single moleculeenzymology", Nature Biotechnology Vol.23 (2005) pp.361-365Y. Rondelez et al., "Microfabricated arrays of femtoliter chambers allow single moleculeenzymology", Nature Biotechnology Vol.23 (2005) pp.361-365 D. C. Duffy et al.,"Rapid Prototyping of Microfluidic Systems inPoly(dimethylsiloxane)", Anal. Chem. Vol.70 (1998) pp.4974-4984D. C. Duffy et al., "Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly (dimethylsiloxane)", Anal. Chem. Vol.70 (1998) pp.4974-4984

近年、上記したような基板とシート部材とを用いた試料操作素子において、その構造のさらなる微細化、高機能化がすすめられている。一方、このように素子が微細化、あるいはその構造が複雑化すると、基板とシート部材との間での充分な密着性の確保が難しいという問題が生じる可能性がある。これに対して、シート部材を基板に押し付けることで密着性を高める方法が考えられる。しかしながら、このような方法では、例えば操作対象の試料自体に影響を与える可能性があること等を考慮すると、基板とシート部材との密着は慎重に行う必要がある。   In recent years, in the sample manipulation element using the substrate and the sheet member as described above, further miniaturization and higher functionality of the structure have been promoted. On the other hand, when the element is miniaturized or the structure thereof is complicated as described above, there is a possibility that it is difficult to ensure sufficient adhesion between the substrate and the sheet member. On the other hand, a method of increasing the adhesion by pressing the sheet member against the substrate is conceivable. However, in such a method, for example, in consideration of the possibility of affecting the sample to be manipulated, it is necessary to carefully adhere the substrate and the sheet member.

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、試料の操作に用いられる微小構造を形成するための基板とシート部材との密着性を向上することが可能な試料操作素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and is a sample operation element capable of improving the adhesion between a substrate and a sheet member for forming a microstructure used for sample operation. The purpose is to provide.

このような目的を達成するために、本発明による試料操作素子は、(1)操作対象となる試料が載置面上に載置される下部基板と、(2)下部基板上に、その下面が下部基板の載置面と密着するように配置される上部シート部材とを備え、(3)上部シート部材は、その下面側に、下部基板の載置面との間で試料の操作を行うための操作構造を形成するための第1凹状構造部と、下部基板の載置面に対して上部シート部材の下面を密着させる際に、下部基板と上部シート部材との間に介在する気体または液体の逃げ道となる排出構造を形成するための第2凹状構造部とを有し、第1凹状構造部は、所定の2次元配列で形成された複数の封止部によって構成されており、第1凹状構造部の各封止部によって形成される操作構造は、試料に対して所定の空間内で封止操作を行う凹状の封止構造であり、第2凹状構造部は、封止部間を直線で結んだ六角形状の通路構造部を2次元的に組み合わせた排出構造部によって構成されており、第2凹状構造部の各通路構造部によって形成される排出構造は、溝状の通路構造であることを特徴とする。 In order to achieve such an object, a sample manipulation element according to the present invention includes (1) a lower substrate on which a sample to be manipulated is placed on a placement surface, and (2) a lower surface on the lower substrate. And (3) the upper sheet member operates the sample on the lower surface side of the upper sheet member with the lower substrate placement surface. A gas interposed between the lower substrate and the upper sheet member when the lower surface of the upper sheet member is brought into close contact with the mounting surface of the first concave structure portion for forming the operation structure and the lower substrate have a second concave structure portion for forming a discharge structure of still escape of liquid, the first concave structure is constituted by a plurality of sealing portions formed in a predetermined two-dimensional array, the The operation structure formed by each sealing part of the concave structure part is It is a concave sealing structure that performs a sealing operation in a fixed space, and the second concave structure part is a discharge structure part that is a two-dimensional combination of hexagonal passage structure parts that connect the sealing parts with straight lines. is constituted by a discharge structure formed by the channel structure of the second concave structure is characterized by groove-like channel structure der Rukoto.

上記した試料操作素子においては、基板に対して密着性を有する所定材料からなる上部シート部材を、下部基板の載置面上に配置して操作素子を構成する。そして、シート部材の下面側に形成される微小構造として、試料の操作構造となる第1凹状構造部に加えて、気体または液体の逃げ道の排出構造として機能する第2凹状構造部を設けている。このように、基板とシート部材との間で操作構造とは別に排出構造を設けることにより、基板とシート部材とを密着させる際の妨げとなる気体または液体が、この排出構造を介して外部へと逃げることとなり、試料の操作に用いられる微小構造を形成するための基板とシート部材との密着性を向上するとともに、速やかな密着の完成を実現することが可能となる。   In the sample manipulation element described above, the manipulation element is configured by arranging an upper sheet member made of a predetermined material having adhesion to the substrate on the mounting surface of the lower substrate. As a micro structure formed on the lower surface side of the sheet member, in addition to the first concave structure portion serving as the sample operation structure, a second concave structure portion functioning as a gas or liquid escape passage discharging structure is provided. . In this way, by providing a discharge structure separately from the operation structure between the substrate and the sheet member, gas or liquid that hinders the substrate and the sheet member from being brought into close contact with each other through the discharge structure. As a result, it is possible to improve the adhesion between the substrate and the sheet member for forming the microstructure used for the operation of the sample, and to realize the rapid completion of the adhesion.

ここで、基板とシート部材との間で第2凹状構造部によって形成される排出構造は、上部シート部材の所定の側面から同一または他の側面まで延びる幅1mm以下の溝状の通路構造、または上部シート部材の所定の側面から内部の所定位置まで延びる幅1mm以下の溝状の通路構造の少なくとも一方を含むことが好ましい。このような構成によれば、基板とシート部材とを密着させる際に、気体または液体を排出通路構造によって好適に外部へと逃がすことができる。   Here, the discharge structure formed by the second concave structure portion between the substrate and the sheet member is a groove-like passage structure having a width of 1 mm or less extending from a predetermined side surface of the upper sheet member to the same or another side surface, or It is preferable to include at least one of a groove-shaped passage structure having a width of 1 mm or less extending from a predetermined side surface of the upper sheet member to a predetermined position inside. According to such a configuration, when the substrate and the sheet member are brought into close contact with each other, gas or liquid can be suitably released to the outside by the discharge passage structure.

また、基板とシート部材との間で第1凹状構造部によって形成される操作構造は、試料に対して最大幅1mm以下の空間内で封止操作を行う凹状の封止構造、または試料に対して幅1mm以下の流路内で移動操作を行う溝状の流路構造の少なくとも一方を含むことが好ましい。このような微小封止空間構造、あるいは微小流路構造等を含む操作構造については、具体的には、その素子において目的とする試料の操作内容に応じて、適宜に設定することができる。   Further, the operation structure formed by the first concave structure portion between the substrate and the sheet member is a concave sealing structure that performs a sealing operation in a space having a maximum width of 1 mm or less with respect to the sample, or the sample. It is preferable to include at least one of a groove-like channel structure that performs a moving operation in a channel having a width of 1 mm or less. Specifically, the operation structure including such a micro-sealed space structure or a micro-channel structure can be appropriately set according to the operation content of the target sample in the element.

基板の載置面に密着して素子の上部を構成するシート部材の材料については、上部シート部材を構成する材料はシリコーンであることが好ましい。特に、上部シート部材を構成する材料はPDMSであることが好ましい。このような材料を用いることにより、基板とシート部材との間の密着性を充分かつ迅速に得ることができる。   Regarding the material of the sheet member that forms the upper part of the element in close contact with the mounting surface of the substrate, the material that forms the upper sheet member is preferably silicone. In particular, the material constituting the upper sheet member is preferably PDMS. By using such a material, the adhesion between the substrate and the sheet member can be obtained sufficiently and quickly.

本発明の試料操作素子によれば、上部シート部材を下部基板の載置面に密着するように配置して素子を構成するとともに、シート部材の下面側に形成される微小構造として、試料の操作構造となる第1凹状構造部に加えて、気体または液体の逃げ道の排出構造となる第2凹状構造部を設けることにより、試料の操作に用いられる微小構造を形成するための基板とシート部材との密着性を向上するとともに、それらを密着させる際に速やかな密着の完成を実現することが可能となる。   According to the sample operation element of the present invention, the upper sheet member is arranged so as to be in close contact with the mounting surface of the lower substrate to constitute the element, and the sample operation is performed as a microstructure formed on the lower surface side of the sheet member. In addition to the first concave structure portion that becomes the structure, a second concave structure portion that becomes a gas or liquid escape passage discharge structure is provided, thereby forming a micro structure used for sample operation, and a sheet member. It is possible to improve the adhesiveness of the adhesive and to achieve a quick completion of the adhesion when they are brought into close contact.

基板及びシート部材からなる試料操作素子の作製方法を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the preparation methods of the sample operation element which consists of a board | substrate and a sheet | seat member. 基板及びシート部材からなる試料操作素子の作製方法を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the preparation methods of the sample operation element which consists of a board | substrate and a sheet | seat member. 微小封止構造を有する試料操作素子の使用例を示す図である。It is a figure which shows the usage example of the sample operation element which has a micro sealing structure. 微小流路構造を有する試料操作素子の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the sample operation element which has a microchannel structure. 試料操作素子における試料の封止状態について示す図である。It is a figure shown about the sealing state of the sample in a sample operation element. 試料操作素子の第1実施形態の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of 1st Embodiment of a sample operation element. 試料操作素子の第2実施形態の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of 2nd Embodiment of a sample operation element. 試料操作素子の第3実施形態の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of 3rd Embodiment of a sample operation element. 試料操作素子の第3実施形態の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of 3rd Embodiment of a sample operation element. 試料操作素子の第4実施形態の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of 4th Embodiment of a sample operation element. 試料操作素子の第4実施形態の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of 4th Embodiment of a sample operation element. 試料操作素子の第5実施形態の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of 5th Embodiment of a sample operation element. 試料操作素子の第6実施形態の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of 6th Embodiment of a sample operation element.

以下、図面とともに、本発明による試料操作素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。   Hereinafter, preferred embodiments of a sample manipulation element according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.

本発明による試料操作素子は、試料に対する微小な封止構造、流路構造等の操作構造を有する素子であり、操作対象となる試料が載置面上に載置される下部基板と、下部基板上に配置される上部シート部材とによって構成される。また、上部シート部材の下面には、凹状または溝状などの微小構造が形成され、基板の載置面とシート部材の下面とが密着することで試料の操作構造が構成される。最初に、このような試料操作素子について、その作製方法、及び基本的な構成、使用形態について説明する。   A sample operation element according to the present invention is an element having an operation structure such as a minute sealing structure or a channel structure for a sample, and a lower substrate on which a sample to be operated is placed on a placement surface, and a lower substrate And an upper sheet member disposed above. Further, a micro structure such as a concave shape or a groove shape is formed on the lower surface of the upper sheet member, and an operation structure for the sample is configured by the close contact between the mounting surface of the substrate and the lower surface of the sheet member. First, a manufacturing method, a basic configuration, and a usage pattern of such a sample manipulation element will be described.

ここで、以下においては、素子上部のシート部材を構成する材料については、主にPDMS(Polydimethylsiloxane、ポリジメチルシロキサン)を用いる場合を例として説明する。MEMS技術を利用したPDMSの微細構造(マイクロ流路等)は、試料が微量ですむこと、他のデバイスと組み合わせて小型化できること、廉価であることなどにより、工業的な発展が期待されており、既に実用化されているものもある。   Here, in the following, a case where PDMS (Polydimethylsiloxane) is mainly used as an example of the material constituting the sheet member above the element will be described as an example. The micro structure of PDMS using MEMS technology (microchannels, etc.) is expected to develop industrially due to the small amount of sample, the miniaturization in combination with other devices, and the low price. Some are already in practical use.

PDMSは、モールディングによりサブミクロンの構造までが転写できること、自己吸着性があるので基板に貼り付けるだけでシールが可能であること、無色透明であること、自家蛍光もほとんど見られないこと、生体試料に対して悪影響を及ぼさないこと、等の利点を有する。PDMSを用いた試料操作素子については、バイオ・化学分野では、マイクロ流路そのものに機能を持たせて発展を図ろうという試みもある。微小なポンプを組み込んだ立体的な流路の配置、部分的な酵素の添加による高機能化等がその例である。   PDMS can transfer up to sub-micron structure by molding, self-adsorbing, can be sealed just by sticking to the substrate, colorless and transparent, almost no autofluorescence, biological sample There are advantages such as not adversely affecting the above. In the bio / chemical field, there has been an attempt to develop a sample manipulation element using PDMS by providing a function to the microchannel itself. Examples are the arrangement of a three-dimensional flow path incorporating a micro pump and the enhancement of functionality by adding a partial enzyme.

図1、図2は、上記した下部基板、及び上部シート部材からなる試料操作素子の作製方法の一例を示す模式図である。この方法では、まず、図1(a)に示すように、シート部材作製用の型に用いられる基板80を用意し、その上面上に、スピンコータによって、例えばSU−8などの光硬化性樹脂82を塗布する。   FIG. 1 and FIG. 2 are schematic views showing an example of a method for producing a sample manipulating element including the lower substrate and the upper sheet member. In this method, first, as shown in FIG. 1A, a substrate 80 used for a mold for producing a sheet member is prepared, and a photocurable resin 82 such as SU-8 is formed on the upper surface thereof by a spin coater. Apply.

次に、図1(b)に示すように、基板85上にマスクパターン86が形成されたマスク84を用い、基板80上の光硬化性樹脂82に対して、例えば水銀ランプからの光を照射してパターンの露光を行う。このとき、マスク84のうちでマスクパターン86が形成されていない光透過部分について、光硬化性樹脂82での対応部分が硬化する。マスク84の基板85としては、例えば光透過性が高いBK7、ソーダガラス、石英等の基板が用いられる。このようなマスク基板については、素子作製において目標とする空間分解能を考慮して選択することが好ましい。また、マスクパターン86については、例えばクロム等の金属が用いられる。   Next, as shown in FIG. 1B, using a mask 84 in which a mask pattern 86 is formed on a substrate 85, the photocurable resin 82 on the substrate 80 is irradiated with light from, for example, a mercury lamp. Then, the pattern is exposed. At this time, the corresponding portion of the photocurable resin 82 is cured for the light transmitting portion of the mask 84 where the mask pattern 86 is not formed. As the substrate 85 of the mask 84, for example, a substrate such as BK7, soda glass, quartz or the like having high light transmittance is used. Such a mask substrate is preferably selected in consideration of a target spatial resolution in device fabrication. For the mask pattern 86, for example, a metal such as chromium is used.

パターンの露光後、図1(c)に示すように、基板80、及び光硬化性樹脂82を加熱して硬化を促進させ、さらに、図1(d)に示すように、現像及び洗浄を行って、光硬化性樹脂82のうちで硬化しなかった部分を取り除く。これにより、基板80上に光硬化性樹脂が硬化した凸状部83が所定パターン(マスク84でのパターンが転写されたパターン)で形成された型が完成する。   After the exposure of the pattern, as shown in FIG. 1 (c), the substrate 80 and the photocurable resin 82 are heated to accelerate the curing, and further, development and washing are performed as shown in FIG. 1 (d). Then, the uncured portion of the photo-curable resin 82 is removed. As a result, a mold is completed in which the convex portions 83 obtained by curing the photocurable resin on the substrate 80 are formed in a predetermined pattern (a pattern in which the pattern on the mask 84 is transferred).

続いて、上記した基板80及び凸状部83からなる型を用いて、上部シート部材を作製する。ここでは、図2(a)に示すように、凸状部83が形成された基板80上に熱硬化性樹脂であるPDMSを塗布し、PDMSを加熱して硬化させる。これにより、PDMSによる上部シート部材20が形成される。また、このシート部材20では、その下面側で型の凸状部83に対応する部分に凹状構造部22が形成される。   Subsequently, an upper sheet member is produced using a mold including the substrate 80 and the convex portion 83 described above. Here, as shown in FIG. 2A, PDMS, which is a thermosetting resin, is applied onto the substrate 80 on which the convex portions 83 are formed, and the PDMS is heated and cured. Thereby, the upper sheet member 20 by PDMS is formed. Further, in the sheet member 20, the concave structure portion 22 is formed in a portion corresponding to the convex portion 83 of the mold on the lower surface side.

凹状構造部22を有するシート部材20が完成したら、冷却後、図2(b)に示すように、PDMSが硬化した上部シート部材20を型から引き剥がす。一方、このシート部材20とは別に、その上面12が操作対象の試料の載置面となる下部基板10を用意する。そして、図2(c)に示すように、この基板10上にシート部材20を載せることで試料操作素子とする。上部シート部材20は、その下面が、下部基板10の載置面12と密着するように配置される。また、このとき、シート部材20の下面側に形成された凹状構造部22により、基板10の載置面12とシート部材20の下面との間で、試料の操作を行うための操作構造23が形成される。下部基板10としては、例えば観察用のガラス基板(スライドグラス)を用いることができる。   When the sheet member 20 having the concave structure 22 is completed, after cooling, the upper sheet member 20 in which PDMS is cured is peeled off from the mold as shown in FIG. On the other hand, separately from the sheet member 20, a lower substrate 10 whose upper surface 12 serves as a mounting surface for a sample to be operated is prepared. And as shown in FIG.2 (c), it is set as the sample operation element by mounting the sheet | seat member 20 on this board | substrate 10. FIG. The upper sheet member 20 is disposed such that the lower surface thereof is in close contact with the placement surface 12 of the lower substrate 10. At this time, the operation structure 23 for operating the sample is placed between the mounting surface 12 of the substrate 10 and the lower surface of the sheet member 20 by the concave structure portion 22 formed on the lower surface side of the sheet member 20. It is formed. As the lower substrate 10, for example, an observation glass substrate (slide glass) can be used.

このような作製方法では、基板10とシート部材20との間での凹状構造部22による操作構造パターンは、シート部材20の型作製に用いられるマスク84のマスクパターン86によって任意に設定することができる。この方法は、微細構造の廉価な製作技術であり、例えばバイオセンサ等のチップとして発展が期待されている技術である。   In such a manufacturing method, the operation structure pattern by the concave structure portion 22 between the substrate 10 and the sheet member 20 can be arbitrarily set by the mask pattern 86 of the mask 84 used for mold manufacture of the sheet member 20. it can. This method is an inexpensive manufacturing technique for a fine structure, and is expected to be developed as a chip for biosensors, for example.

ここで、シート部材20に形成される凹状構造部22の深さは、図1(b)の工程における水銀ランプでの露光時間等によって設定される。また、シート部材20の厚さは、図2(a)の工程における樹脂の塗布厚さによって設定される。このようなシート部材20の厚さは、操作素子の具体的な構成に応じて、例えば10μm程度から、数mmあるいは数cm程度になる場合もある。なお、シート部材の作製については、図1、図2に示した方法以外にも、例えばマスクを用いないタイプの専用装置を用いる場合など、具体的には様々な方法、作製装置を用いることが可能である。   Here, the depth of the concave structure portion 22 formed in the sheet member 20 is set by the exposure time with the mercury lamp in the process of FIG. Further, the thickness of the sheet member 20 is set by the resin application thickness in the step of FIG. The thickness of such a sheet member 20 may be, for example, about 10 μm to several mm or several cm depending on the specific configuration of the operation element. In addition to the methods shown in FIGS. 1 and 2, for the production of the sheet member, various methods and production apparatuses may be used specifically, for example, when a dedicated apparatus that does not use a mask is used. Is possible.

試料操作素子に設けられる微小操作構造としては、具体的には例えば、試料に対して所定サイズ(好ましくは最大幅1mm以下のサイズ)の空間内で封止操作を行う凹状の封止構造(試料を封止するマイクロチャンバ)を用いることができる。図3は、微小封止構造を有する試料操作素子の使用例を示す図である。   As a micro operation structure provided in the sample operation element, specifically, for example, a concave sealing structure (sample) that performs a sealing operation on a sample in a space of a predetermined size (preferably a size having a maximum width of 1 mm or less). Can be used. FIG. 3 is a diagram showing an example of use of a sample manipulation element having a microencapsulation structure.

この使用例では、まず、図3(a)に示すように、下部基板10の載置面12上に、操作用の磁性ビーズを取り付けた分子機械92が調整された試料溶液90をあらかじめ用意しておく。この状態で、図3(b)に示すように、平面構造が円形となる微小な凹状構造部22が下面側に複数形成された上部シート部材20を、基板10上に配置する。これにより、図3(c)に示すように、基板10とシート部材20との間で凹状構造部22による封止構造であるマイクロチャンバ23が構成され、このマイクロチャンバ23内に分子機械92を含む試料溶液90が封止される。   In this use example, first, as shown in FIG. 3A, a sample solution 90 prepared with a molecular machine 92 with operating magnetic beads attached thereto is prepared in advance on the mounting surface 12 of the lower substrate 10. Keep it. In this state, as shown in FIG. 3B, the upper sheet member 20 in which a plurality of minute concave structure portions 22 having a circular planar structure are formed on the lower surface side is disposed on the substrate 10. As a result, as shown in FIG. 3C, a microchamber 23 having a sealed structure 22 is formed between the substrate 10 and the sheet member 20, and the molecular machine 92 is placed in the microchamber 23. The containing sample solution 90 is sealed.

また、試料操作素子に設けられる微小操作構造の他の例としては、試料に対して所定幅(好ましくは1mm以下の幅)の流路内で移動操作を行う溝状の流路構造(試料を流すマイクロ流路)を用いることができる。図4は、微小流路構造を有する試料操作素子の構成例を示す図である。   Further, as another example of the micro operation structure provided in the sample operation element, a groove-like channel structure (sample is used for performing a moving operation in a channel having a predetermined width (preferably a width of 1 mm or less) with respect to the sample. A flow channel) can be used. FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of a sample manipulation element having a microchannel structure.

この構成例では、基板10上に配置されるシート部材20の下面側に溝状の凹状構造部24が形成されており、この凹状構造部24によって流路構造であるマイクロ流路が構成されている。また、この凹状構造部24は、試料溶液が入力される入力流路部241と、入力流路部241からの試料溶液が分岐してそれぞれ出力される第1出力流路部242及び第2出力流路部243とを有している。これにより、本構成例の試料操作素子はソータ型の構成となっている。   In this configuration example, a groove-shaped concave structure portion 24 is formed on the lower surface side of the sheet member 20 disposed on the substrate 10, and the micro-channel which is a flow channel structure is configured by the concave structure portion 24. Yes. The concave structure 24 includes an input channel 241 to which a sample solution is input, a first output channel 242 and a second output from which the sample solution from the input channel 241 branches and is output. And a flow path portion 243. Thereby, the sample operation element of the present configuration example has a sorter type configuration.

入力流路部241の端部には、シート部材20を上面から下面へと貫通する貫通孔からなる入力口246が設けられており、この入力口に試料溶液入力用の入力チューブ251が接続されている。また、出力流路部242、243の端部には、それぞれ貫通孔からなる第1出力口247、第2出力口248が設けられており、これらの出力口に出力チューブ252、253が接続されている。   An input port 246 that is a through-hole penetrating the sheet member 20 from the upper surface to the lower surface is provided at the end of the input flow path portion 241, and an input tube 251 for sample solution input is connected to the input port. ing. In addition, a first output port 247 and a second output port 248 each having a through hole are provided at end portions of the output flow path portions 242, 243, and output tubes 252, 253 are connected to these output ports. ing.

なお、上記構成において、入力口246、及び出力口247、248へのチューブ251、252、253の取り付けは、例えば特殊な治具を用いて行われる。また、このようにチューブ等を取り付ける構成では、好ましくはシート部材20として、数mm程度の厚い部材が用いられる。また、各流路での入力溶液、出力溶液の流量については、例えば高性能ポンプによってコントロールすることができる。一般的には、出力流路部242、243からの流路は、そのまま検出器の入力系に誘導されることになるが、微小流路の各部分で溶液の成分の計測あるいは弁別を行う場合もある。今後、試料操作素子のそのような使用法が増加していくものと考えられる。   In the above configuration, the tubes 251, 252, and 253 are attached to the input port 246 and the output ports 247 and 248 using, for example, a special jig. Further, in the configuration in which a tube or the like is attached in this way, a thick member of about several mm is preferably used as the sheet member 20. Further, the flow rate of the input solution and the output solution in each channel can be controlled by, for example, a high performance pump. In general, the flow paths from the output flow path portions 242 and 243 are directly guided to the input system of the detector, but when measuring or discriminating the components of the solution in each part of the micro flow path There is also. In the future, such usage of sample manipulation elements is expected to increase.

上記したように基板10とシート部材20とによって構成される試料操作素子では、その構造の微細化、複雑化に伴って、基板とシート部材との間での充分な密着性の確保が難しくなるという問題が生じる。図5は、微小封止構造を有する試料操作素子における試料の封止状態について示す図である。ここでは、試料の操作構造として直径10μm、容量約1pLのマイクロチャンバが複数形成されたPDMSによるシート部材20を上記方法でモールディングによって作製し、そのシート部材20を用いてガラス基板10上に用意された分子機械の試料溶液の封止を行った例を示している。   As described above, in the sample manipulation element constituted by the substrate 10 and the sheet member 20, it becomes difficult to ensure sufficient adhesion between the substrate and the sheet member as the structure becomes finer and more complicated. The problem arises. FIG. 5 is a diagram showing a sealed state of the sample in the sample operation element having a micro-sealing structure. Here, a sheet member 20 made of PDMS in which a plurality of microchambers having a diameter of 10 μm and a capacity of about 1 pL are formed as a sample operating structure is manufactured by molding by the above method, and the sheet member 20 is used to be prepared on the glass substrate 10. 2 shows an example of sealing a sample solution of a molecular machine.

図5において、図5(a)は、複数のマイクロチャンバが形成されたPDMSシート部材20の平面構造の光学顕微鏡像を示している。また、図5(b)は、基板10上の試料溶液の封止を行った状態でのマイクロチャンバの拡大光学顕微鏡像を示している。なお、図5(b)中において、黒い点は、分子機械操作のために添加してある直径0.7μmの磁性ビーズである。   5, FIG. 5 (a) shows an optical microscope image of the planar structure of the PDMS sheet member 20 in which a plurality of micro chambers are formed. FIG. 5B shows an enlarged optical microscope image of the microchamber in a state where the sample solution on the substrate 10 is sealed. In FIG. 5B, the black dots are 0.7 μm diameter magnetic beads added for molecular machine operation.

この例では、本来は基板に対する吸着性が高いPDMSシート部材であるが、マイクロチャンバの縁部において基板とシート部材との間に溶液が残留して、その密着が実現していないことがわかる。このような場合、シート部材を上方から機械的に押さえ付けて溶液を抜く方法が考えられるが、μmの領域では、それによって生じる機械的な圧力や溶液の流れによって試料溶液中の分子機械が基板から外れてしまうなど、試料自体に影響が出る可能性がある。また、このような基板とシート部材との密着の問題は、シート部材が薄くなった場合に顕著になると考えられる。また、このような問題は、上記したような基板とシート部材との間での液体の残留に限らず、気体(ガス)が残留する場合にも同様な問題を生じる可能性がある。   In this example, it is a PDMS sheet member that is originally highly adsorbable to the substrate, but it can be seen that the solution remains between the substrate and the sheet member at the edge of the microchamber, and that adhesion is not realized. In such a case, a method of mechanically pressing the sheet member from above to remove the solution is conceivable, but in the μm region, the molecular machine in the sample solution becomes a substrate due to the mechanical pressure and the flow of the solution generated thereby. The sample itself may be affected. Further, such a problem of adhesion between the substrate and the sheet member is considered to be remarkable when the sheet member is thinned. Further, such a problem is not limited to the liquid remaining between the substrate and the sheet member as described above, and the same problem may occur when a gas (gas) remains.

一方、PDMSによるシート部材の加工において、オゾンあるいはプラズマ処理、パリレン蒸着などの表面処理によって、ガラス基板への吸着性の向上、疎水面への吸着、有機溶媒への耐性の向上等が行われる場合がある。しかしながら、これらの方法を用いた場合でも、下部基板の載置面と上部シート部材の下面とを密着させる際に、基板とシート部材との間に残留して密着の妨げとなる気体または液体を完全に排除することは難しい。本発明による試料操作素子は、このような場合においても、素子を構成する基板とシート部材との良好な密着を実現するものである。   On the other hand, in the processing of sheet members by PDMS, surface treatment such as ozone or plasma treatment, parylene vapor deposition, etc., improves adsorption on glass substrates, adsorption on hydrophobic surfaces, and improves resistance to organic solvents, etc. There is. However, even when these methods are used, when the mounting surface of the lower substrate and the lower surface of the upper sheet member are brought into close contact with each other, a gas or liquid that remains between the substrate and the sheet member and hinders the close contact is left. It is difficult to eliminate completely. Even in such a case, the sample manipulation element according to the present invention realizes good adhesion between the substrate constituting the element and the sheet member.

図6は、本発明による試料操作素子の第1実施形態の構成を示す平面図である。以下に示す各実施形態においては、試料操作素子を構成する下部基板10、及び上部シート部材のうちで、シート部材の平面構造、特に、シート部材の下面側に形成される凹状構造部のパターンによって、操作素子の構成について説明する。各実施形態におけるシート部材の断面構造、シート部材と基板10との密着による試料操作素子の全体構成、及びその作製方法等については、図1〜図4に関して説明したものと同様である。   FIG. 6 is a plan view showing the configuration of the first embodiment of the sample manipulation element according to the present invention. In each embodiment shown below, among the lower substrate 10 and the upper sheet member constituting the sample manipulation element, the planar structure of the sheet member, in particular, the pattern of the concave structure portion formed on the lower surface side of the sheet member. The configuration of the operation element will be described. The cross-sectional structure of the sheet member in each embodiment, the overall configuration of the sample operation element by the close contact between the sheet member and the substrate 10, the manufacturing method thereof, and the like are the same as those described with reference to FIGS.

図6において、図6(a)は、本実施形態によるシート部材30における凹状構造部のうちで第1凹状構造部31のパターン構造を示し、図6(b)は、第2凹状構造部33のパターン構造を示し、図6(c)は、第1、第2凹状構造部31、33を含むシート部材30の下面側における凹状構造パターンの全体を示している。また、本実施形態においては、試料の操作構造をリアクタ型の構成とした例を示している。   6A shows the pattern structure of the first concave structure portion 31 among the concave structure portions of the sheet member 30 according to the present embodiment, and FIG. 6B shows the second concave structure portion 33. FIG. 6C shows the entire concave structure pattern on the lower surface side of the sheet member 30 including the first and second concave structure portions 31 and 33. Further, in the present embodiment, an example is shown in which the sample operation structure has a reactor type configuration.

シート部材30の下面側に設けられる凹状構造部のうちで、第1凹状構造部31は、下部基板10の載置面12との間で試料の操作を行う操作構造(図2(c)における操作構造23を参照)を形成するためのものである。本実施形態では、第1凹状構造部31は、それぞれ試料溶液が入力される第1入力流路部311及び第2入力流路部312と、入力流路部311、312からの試料溶液が合流して、それらの反応路となる中間流路部313と、中間流路部313からの試料溶液が分岐してそれぞれ出力される第1出力流路部314及び第2出力流路部315とによって構成されている。   Among the concave structure portions provided on the lower surface side of the sheet member 30, the first concave structure portion 31 is an operation structure (in FIG. 2C) for operating the sample with the placement surface 12 of the lower substrate 10. For forming the operating structure 23). In the present embodiment, the first concave structure portion 31 has the first input flow channel portion 311 and the second input flow channel portion 312 to which the sample solution is input, and the sample solution from the input flow channel portions 311 and 312 merge. Then, the intermediate flow path portion 313 serving as a reaction path thereof, and the first output flow path portion 314 and the second output flow path portion 315 from which the sample solution from the intermediate flow path portion 313 branches and is output respectively. It is configured.

入力流路部311、312の中間流路部313とは反対側の端部には、それぞれシート部材30を上面から下面へと貫通する貫通孔からなる第1入力口321、第2入力口322が設けられている。また、出力流路部314、315の中間流路部313とは反対側の端部には、それぞれ貫通孔からなる第1出力口324、第2出力口325が設けられている。これらの入力口321、322、出力口324、325の貫通孔は、2重露光、あるいは後からの加工等の方法によってシート部材30に形成される。   A first input port 321 and a second input port 322 each having a through hole penetrating the sheet member 30 from the upper surface to the lower surface are provided at the ends of the input flow channel portions 311 and 312 opposite to the intermediate flow channel portion 313. Is provided. In addition, a first output port 324 and a second output port 325 each including a through hole are provided at the end of the output flow channel portions 314 and 315 opposite to the intermediate flow channel portion 313. The through holes of these input ports 321 and 322 and output ports 324 and 325 are formed in the sheet member 30 by a method such as double exposure or later processing.

上部シート部材30の下面側に第1凹状構造部31として形成されたこれらの各流路部により、下部基板との間で、試料の操作構造として、試料に対して微小流路(好ましくは幅1mm以下の流路)内で移動操作を行うための溝状の流路構造が形成される。このような流路構造の構成条件は、例えば、流路の幅が100μm程度、入力口及び出力口の貫通孔の直径が5mm程度である。これらの流路幅などの流路構造の具体的な構成条件は、各操作素子の目的に応じて適宜設定、変更される。   By means of each of these flow path portions formed as the first concave structure portion 31 on the lower surface side of the upper sheet member 30, a micro flow path (preferably a width) is preferably used as a sample operation structure between the lower substrate and the sample. A groove-like channel structure for performing a moving operation in a channel of 1 mm or less is formed. The configuration conditions of such a channel structure are, for example, a channel width of about 100 μm and a diameter of through holes of the input port and the output port of about 5 mm. Specific configuration conditions of the channel structure such as the channel width are appropriately set and changed according to the purpose of each operation element.

このような第1凹状構造部31に対して、第2凹状構造部33は、下部基板10の載置面12に対して上部シート部材30の下面を密着させる際に、基板10とシート部材30との間に介在する気体または液体の逃げ道となる排出構造(気体または液体の排出流路)を、第1凹状構造部31とは物理的に干渉しないパターンで付加的に形成するためのものである。このような凹状構造部33による排出構造は、好ましくは、シート部材30の所定の側面から同一または他の側面まで延びる所定幅(好ましくは1mm以下の幅)の溝状の通路構造によって構成される。   In contrast to the first concave structure portion 31, the second concave structure portion 33 is configured such that when the lower surface of the upper sheet member 30 is brought into close contact with the placement surface 12 of the lower substrate 10, the substrate 10 and the sheet member 30. Is used to additionally form a discharge structure (gas or liquid discharge flow path) serving as a gas or liquid escape path interposed between the first concave structure portion 31 and the first concave structure portion 31. is there. Such a discharge structure by the concave structure portion 33 is preferably constituted by a groove-like passage structure having a predetermined width (preferably a width of 1 mm or less) extending from a predetermined side surface of the sheet member 30 to the same or another side surface. .

本実施形態では、第2凹状構造部33は、シート部材30の図中の左辺及び流路部311、312によって挟まれる領域に形成された排出構造部331と、シート部材30の上辺及び流路部311、313、314によって挟まれる領域に形成された排出構造部332と、シート部材30の下辺及び流路部312、313、315によって挟まれる領域に形成された排出構造部333と、シート部材30の右辺及び流路部314、315によって挟まれる領域に形成された排出構造部334とによって構成されている。   In the present embodiment, the second concave structure portion 33 includes the discharge structure portion 331 formed in the left side of the sheet member 30 in the drawing and the region sandwiched by the flow path portions 311 and 312, the upper side and the flow path of the sheet member 30. A discharge structure portion 332 formed in a region sandwiched by the portions 311, 313, 314; a discharge structure portion 333 formed in a region sandwiched by the lower side of the sheet member 30 and the flow path portions 312, 313, 315; and the sheet member 30 and a discharge structure portion 334 formed in a region sandwiched between the flow path portions 314 and 315.

これらの排出構造部331〜334は、それぞれ、シート部材30の側面から同一の側面まで延びる複数の溝状の通路構造の集合体によって構成されている。このような通路構造の幅については、第1凹状構造部31による流路構造と同様の幅としても良く、あるいは異なる幅としても良い。シート部材30の型を作製する際のマスクにガラス基板を用いた場合、10μm程度の幅の流路の設計が可能である。また、マスクに石英基板を用いた場合、1.5μm程度の幅の流路の設計が可能である。   Each of these discharge structure portions 331 to 334 is configured by an aggregate of a plurality of groove-shaped passage structures extending from the side surface of the sheet member 30 to the same side surface. About the width | variety of such a channel | path structure, it is good also as the width | variety similar to the flow-path structure by the 1st concave structure part 31, or good also as a different width | variety. When a glass substrate is used as a mask for producing the mold of the sheet member 30, a flow path having a width of about 10 μm can be designed. In addition, when a quartz substrate is used for the mask, a flow path with a width of about 1.5 μm can be designed.

上記実施形態による試料操作素子の効果について説明する。   The effect of the sample manipulation element according to the above embodiment will be described.

図6に示した試料操作素子においては、下部基板10に対して密着性を有する所定材料からなる上部シート部材30を、基板10の載置面上に配置して操作素子を構成する。そして、シート部材30の下面側に形成される微小構造として、試料の操作構造となる第1凹状構造部31に加えて、気体または液体の逃げ道の排出構造として機能する第2凹状構造部33を設けている。このように、基板10とシート部材30との間で目的とする操作構造とは別に付加的な排出構造を設けることにより、基板とシート部材とを密着させる際の妨げとなる気体または液体が、この排出構造を介して外部へと逃げることとなり、試料の操作に用いられる微小構造を形成するための基板とシート部材との密着性を向上するとともに、速やかな密着の完成を実現することが可能となる。   In the sample manipulation element shown in FIG. 6, an upper sheet member 30 made of a predetermined material having adhesion to the lower substrate 10 is arranged on the mounting surface of the substrate 10 to constitute the manipulation element. And as a micro structure formed on the lower surface side of the sheet member 30, in addition to the first concave structure portion 31 that becomes the sample operation structure, a second concave structure portion 33 that functions as a gas or liquid escape passage discharging structure is provided. Provided. In this way, by providing an additional discharge structure separately from the intended operation structure between the substrate 10 and the sheet member 30, a gas or liquid that interferes when the substrate and the sheet member are brought into close contact with each other, It is possible to escape to the outside through this discharge structure, improving the adhesion between the substrate and the sheet member for forming the micro structure used for sample operation, and realizing a quick completion of the adhesion. It becomes.

このような第2凹状構造部33による排出構造のパターンは、第1凹状構造部31による操作構造のパターンと合わせて、シート部材30の型作製に用いられるマスクでのマスクパターンによって任意に設定することができる。したがって、各操作素子での具体的な操作構造に対して好適な排出流路パターンとなるように設定することが可能である。   The pattern of the discharge structure by the second concave structure portion 33 is arbitrarily set according to the mask pattern in the mask used for mold production of the sheet member 30 together with the pattern of the operation structure by the first concave structure portion 31. be able to. Therefore, it is possible to set the discharge channel pattern suitable for the specific operation structure of each operation element.

ここで、基板とシート部材との間で第2凹状構造部によって形成される排出構造は、上述したように、シート部材の所定の側面から同一または他の側面まで延びる幅1mm以下の溝状の通路構造を含むことが好ましい。また、一般には、第2凹状構造部による排出構造は、シート部材の所定の側面から同一または他の側面まで延びる幅1mm以下の溝状の通路構造、またはシート部材の所定の側面から内部の所定位置まで延びる幅1mm以下の溝状の通路構造の少なくとも一方を含む構成としても良い。このような構成によれば、下部基板と上部シート部材とを密着させる際に、余分な気体または液体を排出通路構造によって好適に外部へと逃がすことができる。   Here, as described above, the discharge structure formed by the second concave structure portion between the substrate and the sheet member has a groove shape with a width of 1 mm or less extending from a predetermined side surface of the sheet member to the same or other side surface. It is preferable to include a passage structure. In general, the discharge structure by the second concave structure portion is a groove-like passage structure having a width of 1 mm or less extending from a predetermined side surface of the sheet member to the same or another side surface, or a predetermined internal portion from a predetermined side surface of the sheet member. It is good also as a structure containing at least one of the groove-shaped channel | path structures of width 1mm or less extended to a position. According to such a configuration, when the lower substrate and the upper sheet member are brought into close contact with each other, excess gas or liquid can be suitably released to the outside by the discharge passage structure.

基板10の載置面12に密着して素子の上部を構成するシート部材30の材料については、シリコーン(シリコーン樹脂、シリコーンゴム)を用いることが好ましい。特に、シート部材の材料としては、基板に対する密着性に優れる上述したPDMSを用いることが好ましい。このような材料を用いることにより、基板とシート部材との間の密着性を充分かつ迅速に確保することができる。また、シート部材の材料については、上記以外にも、基板に密着して操作構造、排出構造を形成可能なものであれば様々な材料を用いて良い。そのような材料としては、例えば、ポリジエン系ポリマー、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、ポリフッ化ビニリデン、ポリハロゲン化ビニリデン、ポリエチレン等の合成樹脂、あるいは天然ゴム等が挙げられる。   Silicone (silicone resin, silicone rubber) is preferably used for the material of the sheet member 30 that is in close contact with the mounting surface 12 of the substrate 10 and constitutes the upper portion of the element. In particular, as the material of the sheet member, it is preferable to use the above-described PDMS that has excellent adhesion to the substrate. By using such a material, the adhesion between the substrate and the sheet member can be secured sufficiently and quickly. In addition to the above, various materials may be used as the material for the sheet member as long as the operation structure and the discharge structure can be formed in close contact with the substrate. Examples of such materials include polydiene polymers, polyvinylidene chloride (PVDC), polyvinylidene fluoride, polyvinylidene halide, synthetic resins such as polyethylene, natural rubber, and the like.

図7は、試料操作素子の第2実施形態の構成を示す平面図である。図7において、図7(a)は、本実施形態によるシート部材35における凹状構造部のうちで第1凹状構造部36のパターン構造を示し、図7(b)は、第2凹状構造部37のパターン構造を示し、図7(c)は、第1、第2凹状構造部36、37を含むシート部材35の下面側における凹状構造パターンの全体を示している。また、本実施形態においては、試料の操作構造を反応槽型(反応井戸型)の構成とした例を示している。   FIG. 7 is a plan view showing the configuration of the second embodiment of the sample manipulation element. 7A shows the pattern structure of the first concave structure portion 36 among the concave structure portions of the sheet member 35 according to the present embodiment, and FIG. 7B shows the second concave structure portion 37. FIG. 7C shows the entire concave structure pattern on the lower surface side of the sheet member 35 including the first and second concave structure portions 36 and 37. Moreover, in this embodiment, the example which made the operation structure of the sample the structure of reaction tank type (reaction well type) is shown.

本実施形態では、試料の操作構造のための第1凹状構造部36は、所定の2次元配列で形成されて平面形状がそれぞれ円形である複数の封止部(凹状部、円形ドット)361によって構成されている。上部シート部材35の下面側のこれらの封止部361により、下部基板との間で、試料に対して微小空間(好ましくは最大幅1mm以下の空間、円形の場合は直径1mm以下の空間)内で封止操作を行うための凹状の封止構造が形成される。このような封止構造の構成条件は、例えば、凹状封止部361の円形ドットの直径が2μm程度、ドットの2次元での配列構造が6方格子状の配置、ドット間の60°方向のピッチが4μm程度である。これらのドット直径などの封止構造の具体的な構成条件は、流路構造の場合と同様に、各操作素子の目的に応じて適宜設定、変更される。例えば、一般的には、試料を封止するマイクロチャンバとなる封止部361の直径は2μm〜10μm程度に設定することができる。   In the present embodiment, the first concave structure portion 36 for the sample manipulation structure is formed by a plurality of sealing portions (concave portions, circular dots) 361 formed in a predetermined two-dimensional array and each having a circular planar shape. It is configured. By these sealing portions 361 on the lower surface side of the upper sheet member 35, the space between the lower substrate and the sample is preferably within a minute space (preferably a space having a maximum width of 1 mm or less, or a space having a diameter of 1 mm or less in the case of a circle). A concave sealing structure for performing a sealing operation is formed. The configuration condition of such a sealing structure is, for example, that the diameter of the circular dot of the concave sealing portion 361 is about 2 μm, the two-dimensional arrangement structure of the dots is a hexagonal lattice arrangement, and the 60 ° direction between the dots The pitch is about 4 μm. The specific configuration conditions of the sealing structure such as the dot diameter are appropriately set and changed according to the purpose of each operation element, as in the case of the flow path structure. For example, generally, the diameter of the sealing portion 361 serving as a microchamber for sealing a sample can be set to about 2 μm to 10 μm.

このような第1凹状構造部36に対して、第2凹状構造部37は、ドット間を直線で結んだ六角形状の通路構造を2次元的に組み合わせた排出構造部371によって構成されている。この場合、排出構造部371における溝状の通路構造の幅は、好ましくは凹状封止部361の直径と同一の幅に設定される。また、このような排出構造部371では、図7(c)において破線38で例示するように、シート部材を切り出すことで、各通路構造の端部がシート部材の側面に露出し、これによって気体または液体の逃げ道となる排出流路が形成される。   In contrast to the first concave structure portion 36 as described above, the second concave structure portion 37 is configured by a discharge structure portion 371 in which hexagonal passage structures in which dots are connected by a straight line are two-dimensionally combined. In this case, the width of the groove-shaped passage structure in the discharge structure portion 371 is preferably set to the same width as the diameter of the concave sealing portion 361. Moreover, in such a discharge | emission structure part 371, as illustrated by the broken line 38 in FIG.7 (c), the edge part of each channel | path structure is exposed to the side surface of a sheet | seat member by cutting out a sheet member, thereby gas Alternatively, a discharge passage serving as a liquid escape path is formed.

これらの図6、図7に示したように、基板とシート部材との間で第1凹状構造部によって形成される操作構造については、試料に対して最大幅1mm以下の空間内で封止操作を行う凹状の封止構造、または試料に対して幅1mm以下の流路内で移動操作を行う溝状の流路構造の少なくとも一方を含むことが好ましい。このような微小封止空間構造、あるいは微小流路構造等を含む操作構造については、具体的には、その素子において目的とする試料の操作内容に応じて、適宜に設定することができる。   As shown in FIGS. 6 and 7, the operation structure formed by the first concave structure portion between the substrate and the sheet member is sealed in a space having a maximum width of 1 mm or less with respect to the sample. It is preferable to include at least one of a concave sealing structure that performs the above or a groove-shaped channel structure that performs a moving operation in a channel having a width of 1 mm or less with respect to the sample. Specifically, the operation structure including such a micro-sealed space structure or a micro-channel structure can be appropriately set according to the operation content of the target sample in the element.

また、図7に示すような封止構造を有するシート部材では、流路構造等のシート部材に比べて平面構造における対称性が高いため、大型のシートを作製しておき、それからシート部材を切り出して用いる場合がある。このような場合、上記のような六角形状の通路構造が組み合わされた排出構造部371は、試料を封止するマイクロチャンバの数は犠牲になるが、切り出したシート部材のどの辺からでも気体または液体の排出を充分に行うことができるという利点がある。   In addition, since the sheet member having the sealing structure as shown in FIG. 7 has higher symmetry in the planar structure than the sheet member such as the flow path structure, a large sheet is prepared, and then the sheet member is cut out. May be used. In such a case, the discharge structure portion 371 combined with the hexagonal passage structure as described above sacrifices the number of microchambers for sealing the sample, but the gas or the gas from any side of the cut sheet member. There is an advantage that the liquid can be sufficiently discharged.

ただし、このような封止構造を有するシート部材においても、気体、液体の排出構造については、具体的には上記した六角形状の通路構造以外にも様々な構成を用いて良い。例えば、封止部361の円形ドットパターン間に設けた直線状の通路構造によって排出構造を構成しても良い。一般的には、シート部材の下面側における第1、第2凹状構造部のパターンを決定する型作製用のマスクパターンは、CADによって設計されるが、例えば、このマスクパターン設計の際に、先に気体または液体の排出流路となる通路構造パターンを設計し、後からその間隙に封止構造パターンを配置しても良い。   However, also in the sheet member having such a sealing structure, various configurations other than the hexagonal passage structure described above may be used as the gas and liquid discharge structure. For example, the discharge structure may be configured by a linear passage structure provided between the circular dot patterns of the sealing portion 361. In general, a mask pattern for forming a mold for determining the pattern of the first and second concave structure portions on the lower surface side of the sheet member is designed by CAD. For example, when the mask pattern is designed, Alternatively, a passage structure pattern serving as a gas or liquid discharge flow path may be designed, and a sealing structure pattern may be disposed in the gap later.

また、図3に関して上述したように、基板の載置面上に試料溶液をあらかじめ用意しておき、その後に基板上にシート部材を設置してマイクロチャンバ内に試料溶液を封止する場合には、例えば、シート部材の全面に適当な力を加えつつ、シート部材の縁部において吸水性が高い濾紙などを用いて、排出構造から排出される溶液を吸い取ることにより、基板とシート部材との密着をより確実に実現することができる。また、基板とシート部材との間の気体を排出する場合には、例えば、シート部材を載置面上に設置した基板を真空チャンバ内に設置し、ある程度の真空状態とすることで残留気体、残留液体を排出する方法を用いることができる。   Further, as described above with reference to FIG. 3, when a sample solution is prepared in advance on the substrate mounting surface, and then a sheet member is installed on the substrate to seal the sample solution in the microchamber. For example, by applying an appropriate force to the entire surface of the sheet member and using a filter paper having high water absorption at the edge of the sheet member, the solution discharged from the discharge structure is sucked to adhere the substrate and the sheet member. Can be realized more reliably. In the case of discharging the gas between the substrate and the sheet member, for example, the substrate having the sheet member placed on the mounting surface is placed in a vacuum chamber, and the residual gas is obtained by making a certain vacuum state, A method of discharging the residual liquid can be used.

試料操作素子の実施例として、図7に示した構成の上部シート部材を、図1、図2に示した方法によって作製し、下部基板と組み合わせることで試料操作素子を作製した。この実施例では、まず、上面上にSU−8がスピンコートされたシリコンウエハを用意し、図7(c)に示した構成に対応するマスクパターンを有するマスクをシリコンウエハに接着させ、紫外線照射によるパターン露光を行った。SU−8を塗布する際のスピンコータの設定条件については、プレスピン1000rpmで10秒間保持、トップスピン4000rpmで30秒間保持した。   As an example of the sample manipulation element, the upper sheet member having the configuration shown in FIG. 7 was produced by the method shown in FIGS. 1 and 2, and the sample manipulation element was produced by combining with the lower substrate. In this embodiment, first, a silicon wafer having SU-8 spin-coated on its upper surface is prepared, and a mask having a mask pattern corresponding to the configuration shown in FIG. Pattern exposure was performed. Regarding the setting conditions of the spin coater when applying SU-8, the press pin was held at 1000 rpm for 10 seconds and the top spin was held at 4000 rpm for 30 seconds.

ソフトベーク(ホットプレート90℃上で2分、オーブン90℃中で1分)の後、露光は汎用の露光装置を用い、マスクをSU−8に直接接触させて行った。その際、SU−8とマスク面とのスティッキングを避けるために、一般的に行われるプリベーキング(90℃、2分)に加えて、95℃オーブンで2分間のベーキングを追加的に行った。さらに、ワイプ上で3分間自然冷却し、30秒間の露光を行った。この際の露光エネルギーは、300mJ/cmとなった。 After soft baking (2 minutes on a hot plate at 90 ° C. and 1 minute in an oven at 90 ° C.), the exposure was performed using a general-purpose exposure apparatus with the mask in direct contact with SU-8. At that time, in order to avoid sticking between SU-8 and the mask surface, in addition to the commonly performed pre-baking (90 ° C., 2 minutes), baking was additionally performed in a 95 ° C. oven for 2 minutes. Further, the film was naturally cooled on the wipe for 3 minutes and exposed for 30 seconds. The exposure energy at this time was 300 mJ / cm 2 .

その後、露光後加熱(PEB)をホットプレート上で行い(60℃で1分間、90℃で3分間)、ワイプ上で3分間自然冷却し、専用現像液(SU−8デベロッパー)中で現像を行った(1次現像を2分間、2次現像を1分間)。さらに、2−プロパノール溶液で30秒間洗浄リンスを行い、窒素ガスを吹き付けて乾燥させ、90℃オーブンで90分間インキュベートしてSU−8樹脂を完全に硬化させた。SU−8が硬化したウエハはクリーンな条件下で保存した。   Then, post-exposure heating (PEB) is performed on a hot plate (1 minute at 60 ° C., 3 minutes at 90 ° C.), naturally cooled on a wipe for 3 minutes, and developed in a dedicated developer (SU-8 developer). Performed (primary development for 2 minutes, secondary development for 1 minute). Further, the substrate was rinsed with a 2-propanol solution for 30 seconds, sprayed with nitrogen gas and dried, and incubated in a 90 ° C. oven for 90 minutes to completely cure the SU-8 resin. The wafer cured with SU-8 was stored under clean conditions.

上部シート部材の材料となるPDMSは、コーニング社から市販されているものを用いた。重合開始剤1/10容量を操作直前に樹脂溶液に加え、攪拌後、約10分間、真空盤中でアスピレータで脱気した。そして、プラスチックシャーレ中に並べたSU−8による型パターンが形成されたシリコンウエハ上にPDMSを滴下し、シャーレ全体を回転させて(広げるように回して)薄くのばした。その後、再度、シャーレごと真空盤中でアスピレータで脱気を行い、90℃オーブン中に90分間静置して、PDMSを硬化させた。冷却後、マイクロチャンバの封止構造パターン及び排出構造パターンが作成された部分のうちで、利用する領域をウエハ上からカッターで切り出して、ピンセットを用いて剥がして上部シート部材とし、利用時までクリーンな条件下で保存した。   The PDMS used as the material for the upper sheet member was commercially available from Corning. 1/10 volume of the polymerization initiator was added to the resin solution immediately before the operation, and after stirring, it was deaerated with an aspirator in a vacuum disk for about 10 minutes. And PDMS was dripped on the silicon wafer in which the mold pattern by SU-8 arranged in the plastic petri dish was formed, and the whole petri dish was rotated (turned so that it might spread), and it extended thinly. Then, again, the petri dish was deaerated with an aspirator in a vacuum disk, and left in a 90 ° C. oven for 90 minutes to cure PDMS. After cooling, in the part where the sealing structure pattern and discharge structure pattern of the micro chamber are created, the area to be used is cut out from the wafer with a cutter and peeled off using tweezers to form the upper sheet member, which is clean until use Stored under mild conditions.

試料としては、分子機械(F−ATPase)を用いた。この分子機械には、共通のサブユニットが3つ存在し、遺伝子工学的にそのサブユニットのN端にHis−Tagが十残基延ばしてある。Ni−NTA修飾したガラス基板に分子機械を向きをそろえて並べることができる。この分子機械は、ATPを消費して回転する回転分子モータであることがわかっており、ロータサブユニットの2つの残基をCysに改変して、マレイミドビオチンと反応させ、ストレプトアビジン修飾したビーズが特異的に吸着するように設計してある。 As a sample, a molecular machine (F 1 -ATPase) was used. This molecular machine has three common subunits, and ten His-Tags are extended from the N-terminal of the subunits by genetic engineering. Molecular machines can be aligned and aligned on a Ni-NTA modified glass substrate. This molecular machine has been found to be a rotating molecular motor that consumes ATP and rotates. By changing two residues of the rotor subunit to Cys and reacting with maleimide biotin, a streptavidin-modified bead is produced. Designed to adsorb specifically.

一般的な手法により、F−ATPaseをガラス基板上に向きをそろえて設置し、ビーズ(〜1μm)を回転の目印としてロータに取り付けた。これらの全ての操作は溶液中で行う。約20μLの溶液を残すようにして、吸着できなかったF−ATPase、ビーズは溶液の交換を繰り返して取り除く。最終溶液には、2mM MgATPが含まれている。 By a general method, F 1 -ATPase was placed on the glass substrate so that the directions thereof were aligned, and beads (˜1 μm) were attached to the rotor as a mark of rotation. All these operations are performed in solution. About 20 μL of the solution is left, and F 1 -ATPase and beads that could not be adsorbed are removed by repeatedly exchanging the solution. The final solution contains 2 mM MgATP.

ガラス基板上に用意された上記の試料溶液に対し、PDMSのシート部材を静かに載せて、観測を開始した。ある程度PDMSシートの厚みが薄くなると、シート部材を均一に溶液に載せる操作が困難になる。シート部材を載せた後、シートの辺にしみ出てくる溶液は、濾紙片によって吸い取る。上記のように封止構造パターンに加えて、気体または液体の逃げ道となる排出構造パターンを設けたシート部材では、余分な溶液がスムースにしみ出てくるため、シート内に気体、液体が残留するケースはなかった。   Observation was started by gently placing a PDMS sheet member on the sample solution prepared on the glass substrate. If the thickness of the PDMS sheet is reduced to some extent, the operation of placing the sheet member uniformly on the solution becomes difficult. After the sheet member is placed, the solution that oozes out on the side of the sheet is sucked out by a piece of filter paper. As described above, in the sheet member provided with the discharge structure pattern serving as a gas or liquid escape path in addition to the sealing structure pattern, the excess solution smoothly oozes out, so that the gas and liquid remain in the sheet. There was no case.

上記構成のシート部材を用い、その縁部からの濾紙による溶液の吸い出しも充分に行った基板の顕微鏡観察では、各マイクロチャンバの領域が完全に封止されていることを光学顕微鏡によって確認した。ここで、溶液の交換によって除き切れなかったチャンバ内のフリーのビーズはブラウン運動をしており、チャンバ外(縁部)にあるビーズは、PDMSに押し付けられて動かないことにより、容易に確認することができる。   In the microscopic observation of the substrate in which the sheet member having the above configuration was used and the solution was sufficiently sucked out from the edge by the filter paper, it was confirmed by an optical microscope that the region of each microchamber was completely sealed. Here, the free beads in the chamber that could not be removed due to the exchange of the solution had Brownian motion, and the beads outside the chamber (edge) were easily confirmed by being pressed against the PDMS and not moving. be able to.

なお、PDMSからなるシート部材については、上述したようにパリレン蒸着などの表面処理によって、有機溶媒への耐性の向上等の効果を得ることができる。パリレンは、ポリパラキシリレンの通称であり、一般的には、反応性ガスの重合によって被コーティング材の表面をコーティングするので、ピンホールのないコンフォーマル・コーティングを実現することができる。   In addition, about the sheet | seat member which consists of PDMS, effects, such as an improvement of the tolerance to an organic solvent, can be acquired by surface treatments, such as parylene vapor deposition, as mentioned above. Parylene is a common name for polyparaxylylene. In general, since the surface of the material to be coated is coated by polymerization of a reactive gas, a conformal coating without a pinhole can be realized.

コーティングされたパリレンは、絶縁性が高いこと、また、機械的特性に優れ、光学的にも、化学的にも安定しているので、各種のICをはじめとした機械の信頼性向上のために用いられている。また、PDMSシートの表面やその基板表面の絶縁性、疎水性を高めるために用いる場合もある。疎水性表面の利用は、例えば微量な酵素溶液を用いる場合には、流路あるいは反応槽への非特異的な吸着を避けることができる。   Coated parylene has high insulation properties, excellent mechanical properties, and is stable both optically and chemically. To improve the reliability of various IC and other machines. It is used. In some cases, the surface of the PDMS sheet or the surface of the substrate is used to increase the insulation and hydrophobicity. The use of a hydrophobic surface can avoid nonspecific adsorption to a flow path or a reaction tank, for example, when a very small amount of enzyme solution is used.

本発明による試料操作素子の構成について、さらに説明する。   The configuration of the sample manipulation element according to the present invention will be further described.

図8及び図9は、試料操作素子の第3実施形態の構成を示す平面図である。図8において、図8(a)は、本実施形態によるシート部材40における凹状構造部のうちで第1凹状構造部41のパターン構造を示し、図8(b)は、第2凹状構造部43のパターン構造を示している。また、図9は、第1、第2凹状構造部41、43を含むシート部材40の下面側における凹状構造パターンの全体を示している。また、本実施形態においては、試料の操作構造をリアクタ型の構成とした例を示している。リアクタ型の試料操作素子は、試料溶液の微小流路中において複数種類の溶液の反応槽を少なくとも1つ持ち、反応槽での多数種類の溶液の混合、及びその後の反応の達成を目的としたものである。   8 and 9 are plan views showing the configuration of the third embodiment of the sample manipulation element. 8A shows the pattern structure of the first concave structure portion 41 among the concave structure portions of the sheet member 40 according to the present embodiment, and FIG. 8B shows the second concave structure portion 43. The pattern structure is shown. FIG. 9 shows the entire concave structure pattern on the lower surface side of the sheet member 40 including the first and second concave structure portions 41 and 43. Further, in the present embodiment, an example is shown in which the sample operation structure has a reactor type configuration. The reactor-type sample manipulation element has at least one reaction tank for a plurality of types of solutions in a micro-channel of a sample solution, and is intended for mixing a large number of types of solutions in the reaction tank and achieving subsequent reactions. Is.

本実施形態では、試料の操作構造のための第1凹状構造部41は、それぞれ試料溶液が入力される第1入力流路部411及び第2入力流路部412と、入力流路部411、412からの試料溶液が合流して出力される出力流路部413とによって構成されている。   In the present embodiment, the first concave structure portion 41 for the sample operation structure includes a first input channel portion 411 and a second input channel portion 412 to which a sample solution is input, an input channel portion 411, And an output channel portion 413 to which the sample solutions from 412 are joined and output.

入力流路部411、412の出力流路部413とは反対側の端部には、それぞれ貫通孔からなる第1入力口421、第2入力口422が設けられている。また、出力流路部413の入力流路部411、412とは反対側の端部には、貫通孔からなる出力口423が設けられている。また、入力流路部411、412と、出力流路部413との間には、入力流路部411、412からの溶液の混合、反応が起こるとともに、反応後の溶液を出力流路部413へと送り出す反応槽(反応チャンバ)425が設けられている。   A first input port 421 and a second input port 422 each including a through hole are provided at the end of the input flow channel portions 411 and 412 on the opposite side to the output flow channel portion 413. Further, an output port 423 formed of a through hole is provided at the end of the output flow channel portion 413 opposite to the input flow channel portions 411 and 412. Further, mixing and reaction of the solutions from the input flow path portions 411 and 412 occur between the input flow path portions 411 and 412 and the output flow path portion 413, and the solution after the reaction is supplied to the output flow path portion 413. A reaction tank (reaction chamber) 425 is provided.

このような第1凹状構造部41に対して、基板とシート部材40との間での気体または液体の逃げ道となる排出構造のための第2凹状構造部43は、シート部材40の左辺及び流路部411、412によって挟まれる領域に形成され、主にシート部材40の左辺への逃げ道となる排出構造部431と、シート部材30の上辺、右辺及び流路部411、413によって挟まれる領域に形成され、主にシート部材40の上辺、右辺への逃げ道となる排出構造部432と、シート部材30の下辺、右辺及び流路部412、413によって挟まれる領域に形成され、主にシート部材40の下辺、右辺への逃げ道となる排出構造部433とによって構成されている。これらの排出構造部431〜433は、それぞれ複数の溝状の通路構造の集合体として構成され、各方向に対して一様に気体または液体が排出されるような通路構造パターンで形成されている。   With respect to the first concave structure portion 41, the second concave structure portion 43 for the discharge structure serving as a gas or liquid escape path between the substrate and the sheet member 40 has a left side and a flow direction of the sheet member 40. It is formed in a region sandwiched by the path portions 411 and 412 and mainly in a region sandwiched by the discharge structure portion 431 that serves as an escape path to the left side of the sheet member 40 and the upper and right sides of the sheet member 30 and the flow path portions 411 and 413. The sheet member 40 is mainly formed in a region sandwiched by the discharge structure portion 432 that serves as an escape path to the upper side and the right side of the sheet member 40 and the lower side, the right side, and the flow path portions 412 and 413 of the sheet member 30. And a discharge structure portion 433 serving as an escape path to the lower side and the right side. These discharge structure portions 431 to 433 are each configured as an aggregate of a plurality of groove-shaped passage structures, and are formed in a passage structure pattern in which gas or liquid is uniformly discharged in each direction. .

なお、図9においては、本実施形態による試料操作素子を具体的に構成した場合の一例について、その各部のサイズを示している。図中に示した各サイズの単位はμmである。また、以下において、流路間、通路間の距離を示す場合は、原則として流路の中心間の距離を示している。また、第2凹状構造部43を構成する溝状の通路構造の幅(排出流路の幅)は、例えば100μmである。   FIG. 9 shows the size of each part of an example in which the sample manipulation element according to the present embodiment is specifically configured. The unit of each size shown in the figure is μm. In the following, when the distance between the flow paths and the passages is indicated, the distance between the centers of the flow paths is shown in principle. Moreover, the width | variety (width | variety of a discharge flow path) of the groove-shaped channel | path structure which comprises the 2nd concave structure part 43 is 100 micrometers, for example.

ここで、一般に、試料の操作を行うための操作構造と、気体、液体の逃げ道となる排出通路構造とを有する試料操作素子の構成において、操作構造における各封止構造、流路構造と、逃げ道の通路構造との間の距離については、流路構造の幅、あるいは逃げ道の通路構造の幅と同程度あいていれば、シート部材の接着が可能である。また、封止構造や流路構造が微細になるほど、逃げ道の通路構造をそれらの操作構造に接近させて形成することが好ましい。その際、両者の間の距離は、逃げ道の通路構造の幅程度あれば良い。   Here, in general, in the configuration of a sample operation element having an operation structure for operating a sample and a discharge passage structure serving as a gas and liquid escape path, each sealing structure, flow path structure, and escape path in the operation structure The sheet member can be bonded if the distance to the passage structure is approximately the same as the width of the flow path structure or the width of the passage structure of the escape passage. Further, as the sealing structure and the flow path structure become finer, it is preferable to form the passage structure of the escape passage closer to the operation structure. At this time, the distance between the two may be about the width of the passage structure of the escape path.

図10及び図11は、試料操作素子の第4実施形態の構成を示す平面図である。図10において、図10(a)は、本実施形態によるシート部材50における凹状構造部のうちで第1凹状構造部51のパターン構造を示し、図10(b)は、第2凹状構造部53のパターン構造を示している。また、図11は、第1、第2凹状構造部51、53を含むシート部材50の下面側における凹状構造パターンの全体を示している。また、本実施形態においては、試料の操作構造をソータ型の構成とした例を示している。ソータ型の試料操作素子は、入力される試料溶液に含まれる目的物質の弁別を目的としたものである。   10 and 11 are plan views showing the configuration of the fourth embodiment of the sample manipulation element. 10A shows the pattern structure of the first concave structure portion 51 among the concave structure portions of the sheet member 50 according to the present embodiment, and FIG. 10B shows the second concave structure portion 53. The pattern structure is shown. FIG. 11 shows the entire concave structure pattern on the lower surface side of the sheet member 50 including the first and second concave structure portions 51 and 53. Further, in the present embodiment, an example is shown in which the sample operating structure has a sorter type configuration. The sorter type sample manipulation element is intended to discriminate a target substance contained in an input sample solution.

本実施形態では、試料の操作構造のための第1凹状構造部51は、試料溶液が入力される入力流路部511と、シース流(試料溶液を包み込むように外側を流れる支持流)用の溶液を導入するための導入流路部512、513と、入力流路部511からの試料溶液及び導入流路部512、513からのシース流用溶液が合流して層流状態で流れる中間流路部514と、中間流路部514からの溶液が分岐してそれぞれ出力される第1出力流路部515及び第2出力流路部516とによって構成されている。これらの出力流路部は、例えば、第1出力流路部515を弁別された目的物質出力用の目的溶液出力流路、第2出力流路部516を廃液出力用の廃液出力流路として構成される。   In the present embodiment, the first concave structure portion 51 for the sample operation structure is used for the input flow path portion 511 to which the sample solution is input and the sheath flow (support flow that flows outside so as to wrap the sample solution). Introducing flow channel portions 512 and 513 for introducing the solution, and an intermediate flow channel portion in which the sample solution from the input flow channel portion 511 and the sheath flow solution from the introducing flow channel portions 512 and 513 merge to flow in a laminar flow state. 514, and a first output flow path section 515 and a second output flow path section 516 to which the solution from the intermediate flow path section 514 is branched and output, respectively. These output flow path portions are configured, for example, as a target solution output flow path for target substance output, which is distinguished from the first output flow path section 515, and a second output flow path section 516 as a waste liquid output flow path for waste liquid output. Is done.

入力流路部511の中間流路部514とは反対側の端部には、貫通孔からなる入力口521が設けられている。また、導入流路部512、513の中間流路部514とは反対側の端部には、それぞれ貫通孔からなる導入口522、523が設けられている。また、出力流路部515、516の中間流路部514とは反対側の端部には、それぞれ貫通孔からなる第1出力口(目的溶液出力口)525、第2出力口(廃液出力口)526が設けられている。   An input port 521 formed of a through hole is provided at the end of the input flow path portion 511 opposite to the intermediate flow path portion 514. In addition, introduction ports 522 and 523 each having a through hole are provided at the ends of the introduction flow channel portions 512 and 513 opposite to the intermediate flow channel portion 514. Further, at the end of the output flow path portions 515 and 516 opposite to the intermediate flow path portion 514, a first output port (target solution output port) 525 made of a through hole and a second output port (waste liquid output port), respectively. ) 526 is provided.

試料溶液に含まれる目的物質としては、例えば、蛍光抗体法で目的細胞あるいはビーズに特異的に蛍光色素を吸着、結合させたものが用いられる。また、中間流路部514は、入力流路部511側から出力流路部515、516側に向けて、その流路幅が次第に細くなるように形成されており、その一部が目的物質の検出に用いられる検出部517となっている。この検出部517での目的物質の検出は、例えば、上記したような目的物質での蛍光色素からの発光を検出することで行われる。また、中間流路部514から出力流路部515、516への分岐部は、目的物質を含む試料溶液と、目的物質を含まない廃液との弁別に用いられる弁別部518となっている。この弁別部518での目的物質の弁別は、例えば、磁場、電場、光輻射等によって目的物質の流路を変えることで行われる。   As the target substance contained in the sample solution, for example, a substance obtained by specifically adsorbing and binding a fluorescent dye to target cells or beads by a fluorescent antibody method is used. Further, the intermediate flow path part 514 is formed so that the flow path width gradually becomes narrower from the input flow path part 511 side toward the output flow path part 515, 516 side, and a part thereof is the target substance. The detection unit 517 is used for detection. The detection of the target substance by the detection unit 517 is performed, for example, by detecting light emission from the fluorescent dye in the target substance as described above. Further, the branching portion from the intermediate flow path portion 514 to the output flow path portions 515 and 516 serves as a discrimination section 518 used for discriminating between the sample solution containing the target substance and the waste liquid not containing the target substance. The discrimination of the target substance by the discrimination unit 518 is performed by changing the flow path of the target substance by, for example, a magnetic field, an electric field, or light radiation.

このような第1凹状構造部51に対して、基板とシート部材50との間での気体または液体の逃げ道となる排出構造のための第2凹状構造部53は、入力流路部511及び導入流路部512、513の左側の領域に形成され、シート部材50の左辺への逃げ道となる排出構造部531と、中間流路部514及び出力流路部515の上方の領域に形成され、シート部材50の上辺への逃げ道となる排出構造部532と、中間流路部514及び出力流路部516の下方の領域に形成され、シート部材50の下辺への逃げ道となる排出構造部533と、出力流路部515、516の右側の領域に形成され、シート部材50の右辺への逃げ道となる排出構造部534とによって構成されている。これらの排出構造部531〜534は、それぞれ複数の溝状の通路構造の集合体として構成されている。   The second concave structure portion 53 for the discharge structure serving as a gas or liquid escape path between the substrate and the sheet member 50 with respect to the first concave structure portion 51 is provided with the input flow path portion 511 and the introduction. The sheet is formed in a region on the left side of the flow channel portions 512 and 513 and formed in a region above the discharge structure portion 531 serving as a escape path to the left side of the sheet member 50, the intermediate flow channel portion 514 and the output flow channel portion 515, A discharge structure portion 532 serving as an escape path to the upper side of the member 50, a discharge structure portion 533 formed in a region below the intermediate flow path portion 514 and the output flow path portion 516, and serving as a escape path to the lower side of the sheet member 50; A discharge structure portion 534 that is formed in the right region of the output flow path portions 515 and 516 and serves as an escape path to the right side of the sheet member 50. These discharge structure portions 531 to 534 are each configured as an aggregate of a plurality of groove-shaped passage structures.

なお、図11においては、本実施形態による試料操作素子を具体的に構成した場合の一例について、その各部のサイズ(μm)を示している。図中に示した各サイズの数値のうち、出力流路部と外側の排出構造部との間の距離180μm、及び出力流路部と内側の排出構造部との間の距離440μmについては、流路の中心間の距離ではなく、流路の縁から縁までの距離となっている。   In addition, in FIG. 11, the size (micrometer) of each part is shown about an example at the time of specifically configuring the sample operation element by this embodiment. Among the numerical values of the sizes shown in the figure, the distance 180 μm between the output flow path part and the outer discharge structure part, and the distance 440 μm between the output flow path part and the inner discharge structure part, It is not the distance between the centers of the roads, but the distance between the edges of the flow paths.

また、入力流路部511、導入流路部512、513、及び中間流路部514の前半部分の各流路の幅は、例えば200μmである。また、中間流路部514の後半部分及び出力流路部515、516の各流路の幅は、例えば40μmである。また、入力口521、導入口522、523、及び出力口525、526の各貫通孔の直径は、例えば2000μmである。また、第2凹状構造部53を構成する溝状の通路構造の幅は、例えば100μmである。   The width of each flow path in the first half of the input flow path part 511, the introduction flow path parts 512, 513, and the intermediate flow path part 514 is, for example, 200 μm. Moreover, the width | variety of each flow path of the latter half part of the intermediate flow path part 514 and the output flow path parts 515 and 516 is 40 micrometers, for example. Moreover, the diameter of each through-hole of the input port 521, the inlet ports 522 and 523, and the output ports 525 and 526 is 2000 micrometers, for example. Further, the width of the groove-shaped passage structure constituting the second concave structure portion 53 is, for example, 100 μm.

図12は、試料操作素子の第5実施形態の構成を示す平面図である。図12において、図12(a)は、本実施形態によるシート部材60における凹状構造部の全体の構造を示し、図12(b)は、図12(a)に示した構造の一部拡大図を示し、図12(c)は、図12(b)に示した構造のさらなる一部拡大図を示している。また、本実施形態においては、試料の操作構造をトラップ型の構成とした例を示している。トラップ型の試料操作素子は、ビーズあるいは細胞などの目的物質を観察視野の特定部位に固定するための工夫を施した微小流路素子である。   FIG. 12 is a plan view showing the configuration of the fifth embodiment of the sample manipulation element. 12, FIG. 12 (a) shows the overall structure of the concave structure portion of the sheet member 60 according to the present embodiment, and FIG. 12 (b) is a partially enlarged view of the structure shown in FIG. 12 (a). FIG. 12 (c) shows a further enlarged view of the structure shown in FIG. 12 (b). Further, in the present embodiment, an example in which the operation structure of the sample is configured as a trap type is shown. The trap-type sample manipulation element is a micro-channel element that is devised for fixing a target substance such as a bead or a cell to a specific site in an observation field.

本実施形態では、試料の操作構造のための第1凹状構造部61は、試料溶液を入力する左側の入力口612と、溶液を出力する右側の出力口613との間に設けられたトラップ流路部611によって構成されている。トラップ流路部611は、図12(a)に具体的な構造を省略して模式的に示すように、上下方向に3段階の流路部に分割されて構成されており、そのうちの上段のトラップ流路部は、入力口612からの試料溶液を上下に蛇行させつつ左から右へと流すように構成されている。また、中段のトラップ流路部は、上段のトラップ流路部からの試料溶液を上下に蛇行させつつ右から左へと流すように構成されている。また、下段のトラップ流路部は、中段のトラップ流路部からの試料溶液を上下に蛇行させつつ左から右へと流して出力口613へと出力するように構成されている。   In the present embodiment, the first concave structure 61 for the sample operation structure has a trap flow provided between the left input port 612 for inputting the sample solution and the right output port 613 for outputting the solution. It is comprised by the road part 611. The trap channel section 611 is divided into three stages of channel sections in the vertical direction, as schematically shown in FIG. The trap channel section is configured to flow the sample solution from the input port 612 from left to right while meandering up and down. The middle trap channel section is configured to flow the sample solution from the upper trap channel section from right to left while meandering up and down. Further, the lower trap channel section is configured to flow the sample solution from the middle trap channel section from the left to the right while meandering up and down and to output to the output port 613.

トラップ流路部611において上下に蛇行する各流路616には、図12(b)及び図12(c)の拡大図に示すように、蛇行する流路616間をショートカットで接続するとともに、その途中で試料溶液中の目的物質がトラップされるような形状に構成されたトラップ流路617が複数、流路に沿って配列されている。このような構成において、試料溶液中の目的物質は、複数のトラップ流路617のそれぞれにおいて、上流側のトラップ流路617から順にトラップされる。このようなトラップ流路617は、例えば、上、中、下段のトラップ流路部において、それぞれ3000個ずつ配置される。   As shown in the enlarged views of FIGS. 12B and 12C, each of the flow paths 616 meandering up and down in the trap flow path section 611 is connected with a shortcut between the meandering flow paths 616. A plurality of trap channels 617 configured in such a way that the target substance in the sample solution is trapped in the middle are arranged along the channels. In such a configuration, the target substance in the sample solution is trapped in order from the upstream trap channel 617 in each of the plurality of trap channels 617. For example, 3000 trap channels 617 are arranged in each of the upper, middle, and lower trap channel sections.

このような第1凹状構造部61に対して、基板とシート部材60との間での気体または液体の逃げ道となる排出構造のための第2凹状構造部63は、トラップ流路部611、入力口612、及び出力口613が設けられている領域を除く周囲の領域全体に対して形成されている。この凹状構造部63は、複数の溝状の通路構造の集合体によって、シート部材60の四隅では左右及び上下に残留気体、液体を排出でき、トラップ流路部611付近では左右に排出できるように構成されている。   With respect to the first concave structure portion 61, the second concave structure portion 63 for the discharge structure serving as a gas or liquid escape path between the substrate and the sheet member 60 includes a trap channel portion 611, an input. It is formed with respect to the entire surrounding area excluding the area where the port 612 and the output port 613 are provided. The concave structure portion 63 can discharge residual gas and liquid left and right and up and down at the four corners of the sheet member 60 and can be discharged left and right near the trap channel portion 611 by an aggregate of a plurality of groove-shaped passage structures. It is configured.

なお、図12(a)においては、本実施形態による試料操作素子を具体的に構成した場合の一例について、その各部のサイズ(μm)を示している。また、第2凹状構造部63を構成する溝状の通路構造のサイズは、例えば、トラップ流路部611の近傍の領域で幅40μm、ピッチ100μm、その外側(図中の上方及び下方)の領域で幅100μm、ピッチ1000μm程度である。   In FIG. 12A, the size (μm) of each part is shown for an example in which the sample manipulation element according to the present embodiment is specifically configured. The size of the groove-shaped passage structure constituting the second concave structure portion 63 is, for example, a region in the vicinity of the trap channel portion 611, a width of 40 μm, a pitch of 100 μm, and an outer region (upper and lower in the drawing). The width is about 100 μm and the pitch is about 1000 μm.

図13は、試料操作素子の第6実施形態の構成を示す図である。なお、この図13においては、気体または液体の逃げ道となる排出構造のための第2凹状構造部については図示を省略している。また、試料の操作構造のための第1凹状構造部については、その構造を簡略化して模式的に示している。   FIG. 13 is a diagram showing the configuration of the sixth embodiment of the sample manipulation element. In FIG. 13, the second concave structure portion for the discharge structure that serves as a gas or liquid escape path is not shown. Moreover, about the 1st concave structure part for the operation structure of a sample, the structure is simplified and shown typically.

本実施形態においては、下部基板10上に、流路構造となる第1凹状構造部72が形成された第1シート部材70、及び同じく流路構造となる第1凹状構造部77が形成された第2シート部材75の2枚のシート部材を積層し、これによって、試料の操作構造として3次元的な流路構造を実現している。また、これらのシート部材70、75には、それぞれ気体、液体の排出構造となる第2凹状構造部が付加的に設けられている。   In the present embodiment, the first sheet member 70 in which the first concave structure portion 72 serving as a flow channel structure is formed and the first concave structure portion 77 also serving as a flow channel structure are formed on the lower substrate 10. Two sheet members of the second sheet member 75 are stacked, thereby realizing a three-dimensional flow path structure as a sample operation structure. Further, the sheet members 70 and 75 are additionally provided with second concave structures that serve as gas and liquid discharge structures, respectively.

このようにシート部材を2枚以上積層することで高機能化を図る構成の試料操作素子では、各シート部材を薄く形成する必要がある。例えば、現在のシートは多くの場合、サブミリメートル程度の厚さであるが、積層構造を用いる場合、数10μm程度のフィルム上での構造形成が必要になるのではないかと考えられる。   Thus, in the sample operation element having a configuration in which two or more sheet members are stacked to achieve high functionality, it is necessary to form each sheet member thinly. For example, in many cases, the current sheet has a thickness of about sub-millimeters, but when a laminated structure is used, it may be necessary to form a structure on a film of about several tens of μm.

このようにシート部材が薄くなった場合、シート部材自体の剛性が無くなるため、基板及びシート部材の接着時における残留気体及び液体の排出の問題は一層深刻になる。これに対して、上記したようにシート部材に、試料の操作構造に加えて、気体または液体の逃げ道となる排出構造を形成する構成を適用することにより、このように複数のシート部材を積層する構成においても、残留気体及び液体を好適に排出して、基板及び複数のシート部材を好適に密着、積層させることができる。   When the sheet member becomes thin in this way, the rigidity of the sheet member itself is lost, and thus the problem of discharge of residual gas and liquid at the time of bonding the substrate and the sheet member becomes more serious. On the other hand, as described above, a plurality of sheet members are stacked in this manner by applying a configuration in which a discharge structure serving as a gas or liquid escape path is formed on the sheet member in addition to the sample operation structure. Also in the configuration, the residual gas and the liquid can be suitably discharged, and the substrate and the plurality of sheet members can be suitably adhered and stacked.

なお、このように複数のシート部材を積層する構成では、シート部材間の位置合わせは例えば顕微鏡観察下で行われる。図13に示した構成例においては、下方のシート部材70の流路構造72では、横方向に延びる3本の流路が形成されるとともに、流路上の所定位置にそれぞれ反応槽が設けられている。また、上方のシート部材75の流路構造77では、縦方向に延びる3本の流路が形成されるとともに、流路上の所定位置にそれぞれ反応槽が設けられている。このような構成では、シート部材70、75のそれぞれでの3つの反応槽の位置によって、シート部材70、75の間で位置を合わせることができる。   In the configuration in which a plurality of sheet members are stacked as described above, the alignment between the sheet members is performed, for example, under a microscope. In the configuration example shown in FIG. 13, in the flow path structure 72 of the lower sheet member 70, three flow paths extending in the lateral direction are formed, and reaction tanks are provided at predetermined positions on the flow paths. Yes. Further, in the flow path structure 77 of the upper sheet member 75, three flow paths extending in the vertical direction are formed, and reaction tanks are respectively provided at predetermined positions on the flow path. In such a configuration, the position of the three reaction vessels in each of the sheet members 70 and 75 can be adjusted between the sheet members 70 and 75.

本発明による試料操作素子は、上記実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、試料の操作を行うための操作構造、及びそれに対応するシート部材での第1凹状構造部については、試料の種類、及び試料に対する具体的な操作の内容等に応じて適宜に設定することが可能である。また、気体または液体の逃げ道の排出構造、及びそれに対応する第2凹状構造部の排出構造パターンについても、操作構造での封止構造パターン、流路構造パターンに対応して適宜に設定することが好ましい。   The sample manipulation element according to the present invention is not limited to the above-described embodiments and configuration examples, and various modifications are possible. For example, the operation structure for operating the sample and the first concave structure portion corresponding to the sheet member should be set appropriately according to the type of sample and the content of the specific operation on the sample. Is possible. Further, the gas or liquid escape structure discharge structure and the corresponding discharge structure pattern of the second concave structure portion can be set as appropriate in accordance with the sealing structure pattern and the flow path structure pattern in the operation structure. preferable.

本発明は、試料の操作に用いられる微小構造を形成するための基板とシート部材との密着性を向上することが可能な試料操作素子として利用可能である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a sample operation element that can improve the adhesion between a substrate and a sheet member for forming a microstructure used for sample operation.

10…下部基板、12…載置面、20…上部シート部材、22、24…凹状構造部、23…操作構造、
30、35、40、50、60、70、75…上部シート部材、31、36、41、51、61、72、77…第1凹状構造部(操作構造)、33、37、43、53、63…第2凹状構造部(排出構造)、
80…基板、82…光硬化性樹脂、83…凸状部、84…マスク、85…基板、86…マスクパターン、90…試料溶液、92…分子機械。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Lower board | substrate, 12 ... Mounting surface, 20 ... Upper sheet member, 22, 24 ... Concave structure part, 23 ... Operation structure,
30, 35, 40, 50, 60, 70, 75 ... upper sheet member, 31, 36, 41, 51, 61, 72, 77 ... first concave structure (operation structure), 33, 37, 43, 53, 63 ... 2nd concave structure part (discharge structure),
DESCRIPTION OF SYMBOLS 80 ... Board | substrate, 82 ... Photocurable resin, 83 ... Convex part, 84 ... Mask, 85 ... Board | substrate, 86 ... Mask pattern, 90 ... Sample solution, 92 ... Molecular machine.

Claims (5)

操作対象となる試料が載置面上に載置される下部基板と、
前記下部基板上に、その下面が前記下部基板の前記載置面と密着するように配置される上部シート部材とを備え、
前記上部シート部材は、その前記下面側に、
前記下部基板の前記載置面との間で前記試料の操作を行うための操作構造を形成するための第1凹状構造部と、
前記下部基板の前記載置面に対して前記上部シート部材の前記下面を密着させる際に、前記下部基板と前記上部シート部材との間に介在する気体または液体の逃げ道となる排出構造を形成するための第2凹状構造部と
を有し、
前記第1凹状構造部は、所定の2次元配列で形成された複数の封止部によって構成されており、前記第1凹状構造部の各封止部によって形成される前記操作構造は、前記試料に対して所定の空間内で封止操作を行う凹状の封止構造であり、
前記第2凹状構造部は、封止部間を直線で結んだ六角形状の通路構造部を2次元的に組み合わせた排出構造部によって構成されており、前記第2凹状構造部の各通路構造部によって形成される前記排出構造は、溝状の通路構造であ
ことを特徴とする試料操作素子。
A lower substrate on which a sample to be operated is placed on a placement surface;
An upper sheet member disposed on the lower substrate so that a lower surface thereof is in close contact with the mounting surface of the lower substrate;
The upper sheet member is on the lower surface side,
A first concave structure portion for forming an operation structure for operating the sample with the mounting surface of the lower substrate;
When the lower surface of the upper sheet member is brought into close contact with the mounting surface of the lower substrate, a discharge structure serving as a gas or liquid escape path interposed between the lower substrate and the upper sheet member is formed. have a second concave structure for,
The first concave structure portion is constituted by a plurality of sealing portions formed in a predetermined two-dimensional array, and the operation structure formed by each sealing portion of the first concave structure portion is the sample. Is a concave sealing structure that performs a sealing operation in a predetermined space,
The second concave structure portion is constituted by a discharge structure portion that is a two-dimensional combination of hexagonal passage structure portions in which sealing portions are connected by a straight line, and each passage structure portion of the second concave structure portion. It said discharge structure formed by the sample handling device characterized grooved channel structure der Rukoto.
前記第2凹状構造部によって形成される前記排出構造は、前記上部シート部材の所定の側面から同一または他の側面まで延びる幅1mm以下の前記溝状の通路構造、または前記上部シート部材の所定の側面から内部の所定位置まで延びる幅1mm以下の前記溝状の通路構造の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項1記載の試料操作素子。 Said discharge structure formed by the second concave structure, the same or other width 1mm or less of the groove-like channel structure extending to the side surface from a predetermined side surface of the upper sheet member or a given of said upper sheet member, sample handling device according to claim 1, characterized in that it comprises at least one of the interior of the width 1mm or less and extending to a predetermined position groove-like channel structure from the side. 前記第1凹状構造部によって形成される前記操作構造は、前記試料に対して最大幅1mm以下の空間内で封止操作を行う前記凹状の封止構造であることを特徴とする請求項1または2記載の試料操作素子。 The operating structure formed by the first concave structure section, according to claim 1, wherein the a sealing structure of the concave performing sealing operation within the following space maximum width 1mm on the sample or 2. The sample manipulation element according to 2. 前記上部シート部材を構成する材料はシリコーンであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載の試料操作素子。   The material which comprises the said upper sheet | seat member is silicone, The sample operation element as described in any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. 前記上部シート部材を構成する材料はPDMSであることを特徴とする請求項4記載の試料操作素子。   5. The sample manipulating element according to claim 4, wherein the material constituting the upper sheet member is PDMS.
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