JP5551632B2 - Surface treatment method and surface treatment apparatus for sample manipulation element - Google Patents

Surface treatment method and surface treatment apparatus for sample manipulation element Download PDF

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Description

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ついて、試料操作素子を構成するシート部材の表面を処理する表面処理方法、及び表面処理装置に関するものである。   The present invention treats the surface of a sheet member constituting a sample manipulation element for a sample manipulation element for performing a sealing operation in a minute space of a sample to be manipulated or a movement operation in a minute channel. The present invention relates to a surface treatment method and a surface treatment apparatus.

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1〜3、非特許文献1〜7等を参照)。   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 to 3, Non-Patent Documents 1 to 7, and the like for sample manipulation elements).

このような素子では、例えば、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等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方法を用いることができる。この方法では、一度、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, for example, a method is used in which a mold is manufactured with a mask or the like 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. Can do. In this method, once a mold is made, the same element can be repeatedly produced by a simple operation and used for sample manipulation. 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 特開2005−156279号公報JP 2005-156279 A

W. Tan and S. Takeuchi, "Atrap-and-release integrated microfluidic system for dynamic microarrayapplications", PNAS Vol.104 (2007) pp.1146-1151W. Tan and S. Takeuchi, "Atrap-and-release integrated microfluidic system for dynamic microarrayapplications", PNAS Vol.104 (2007) pp.1146-1151 S. Jo and K. Park,"Surface modification using silanated poly(ethylene glycol)s",Biomaterials 21 (2000) pp.605-616S. Jo and K. Park, "Surface modification using silanated poly (ethylene glycol) s", Biomaterials 21 (2000) pp.605-616 A. Papra et al.,"Microfluidic Networks Made of Poly(dimethylsiloxane), Si, and Au Coatedwith Polyethylene Glycol for Patterning Proteins onto Surfaces", Langmuir17 (2001) pp.4090-4095A. Papra et al., "Microfluidic Networks Made of Poly (dimethylsiloxane), Si, and Au Coated with Polyethylene Glycol for Patterning Proteins onto Surfaces", Langmuir17 (2001) pp.4090-4095 P. Holgerson et al.,"Patterning and modification of PDMS surface through laser micromachiningof silicon masters and molding", Appl. Phys. A 81 (2005) pp.51-56P. Holgerson et al., "Patterning and modification of PDMS surface through laser micromachining of silicon masters and molding", Appl. Phys. A 81 (2005) pp.51-56 工藤寛之 他、「微細モールドを用いたソフトリソグラフィ技術の開発」、東京都立産業技術研究所研究報告 第7号(2004) pp.85−86Hiroyuki Kudo et al., “Development of Soft Lithography Technology Using Fine Molds”, Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Institute Research Report No. 7 (2004) pp. 85-86 石束真典 他、「マイクロ流体素子を目的とした金属電極埋め込みPDMS三次元構造体組み立て技術」、電気学会論文誌E 125巻9号(2005) pp.393−397Masanori Ishizuka et al., “Assembly technology of PDMS three-dimensional structure embedded with metal electrode for microfluidic device”, IEEJ Transactions Vol. 125, No. 9 (2005) pp. 393-397 田中正人 他、「POCT診断用チップ開発とレーザ微細加工」、第73回レーザ加工学会講演論文集(2010) pp.143−146Masato Tanaka et al., “Development of chip for POCT diagnosis and laser micromachining”, Proceedings of the 73rd Laser Processing Society of Japan (2010) pp. 143-146 H. Itoh et al., "Mechanically driven ATP synthesis by F1-ATPase",Nature 427 (2004) pp.465-468H. Itoh et al., "Mechanically driven ATP synthesis by F1-ATPase", Nature 427 (2004) pp.465-468

上記した試料操作素子では、MEMS(Micro ElectroMechanical Systems)技術を利用して、PDMSにフェムトリットル(fL)からピコリットル(pL)オーダの微小なチャンバや、マイクロメートル(μm)オーダのパターンが作製されている。このような微小操作構造は、例えば、微小チャンバ内部で分子機械と呼ばれる酵素群の計測、操作を行い、あるいは、微小流路を用いて分子機械や細胞を弁別し、計測しやすい配置を行うなど、様々な試料の操作に用いられる。   In the sample manipulation element described above, a micro chamber (from a femtoliter (fL) to a picoliter (pL) order or a pattern of a micrometer (μm) order is formed on a PDMS by using MEMS (Micro ElectroMechanical Systems) technology. ing. Such a micromanipulation structure, for example, measures and manipulates an enzyme group called a molecular machine inside a microchamber, or uses a microchannel to discriminate molecular machines and cells and arrange them for easy measurement. , Used to manipulate various samples.

一方、水溶液系の生物試料にPDMS製の微小チャンバ、微小流路を用いる場合、PDMSの表面が疎水性であることが問題となる。例えば、試料操作素子の構造が微細になってくると、未処理のPDMS構造には水溶液が入り込まない場合もある。これに対して、PDMSによる微細構造について、その表面を親水化処理することが試みられている。そのような処理として、例えば、界面活性剤などの両親媒性物質の水溶液を用いる方法が考えられる。ただし、このような方法では、タンパク質の機能が阻害される場合がある。   On the other hand, when a PDMS microchamber or microchannel is used for an aqueous biological sample, the problem is that the surface of PDMS is hydrophobic. For example, when the structure of the sample manipulation element becomes finer, the aqueous solution may not enter the untreated PDMS structure. On the other hand, it has been attempted to hydrophilize the surface of the fine structure by PDMS. As such a treatment, for example, a method using an aqueous solution of an amphiphilic substance such as a surfactant can be considered. However, such a method may inhibit the function of the protein.

また、PDMSの表面の親水化処理として、様々な性質を持ったタンパク質そのものの水溶液をあらかじめ流し、あるいは微小流路の内壁に塗布する方法がある。牛の血清アルブミン(BSA)やα−カゼインの高濃度水溶液などがその候補である。また、物理的な処理方法としては、真空紫外光による方法、大気圧プラズマを用いる方法などがある。また、オゾン等の暴露によるPDMSの表面の改質は分光学的に確認されており、さらに、その反応性を利用した応用例も報告されている(非特許文献2、3参照)。   Further, as a hydrophilic treatment on the surface of PDMS, there is a method in which aqueous solutions of proteins having various properties are flowed in advance or applied to the inner wall of a microchannel. Bovine serum albumin (BSA) and high-concentration aqueous solution of α-casein are candidates. In addition, physical treatment methods include a method using vacuum ultraviolet light, a method using atmospheric pressure plasma, and the like. In addition, the modification of the surface of PDMS by exposure to ozone or the like has been confirmed spectroscopically, and application examples using the reactivity have been reported (see Non-Patent Documents 2 and 3).

紫外光照射処理、プラズマ処理等によるPDMSの親水化は、PDMSの表面にシラノール基が露出するためと考えられている。また、さらに、このように改質したPDMSの表面に対して、シランカップリング剤により官能基を配置、あるいは反応させて、機能を持った反応性チャンバや反応流路として用いようとする報告がある。しかしながら、これらの表面処理方法は、基本的にPDMSによるシート部材の全領域に影響を及ぼすものであり、例えば微小チャンバ、流路等による操作構造での特定の領域を選択的に親水性、機能性に改変する方法については、これまでに充分な検討がなされていない。   The hydrophilization of PDMS by ultraviolet light irradiation treatment, plasma treatment or the like is considered to be because silanol groups are exposed on the surface of PDMS. Furthermore, there are reports that functional groups are placed or reacted with the silane coupling agent on the surface of the PDMS thus modified to use it as a functional reactive chamber or reaction channel. is there. However, these surface treatment methods basically affect the entire region of the sheet member by PDMS. For example, a specific region in an operation structure by a micro chamber, a flow path, etc. is selectively hydrophilic and functional. Until now, sufficient studies have not been made on the method of modifying the sex.

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、基板とシート部材とによって構成される試料操作素子に対し、その操作構造における所望の領域について選択的に親水化処理を行うことが可能な試料操作素子の表面処理方法、及び表面処理装置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 a sample manipulation element constituted by a substrate and a sheet member is selectively hydrophilized in a desired region in the manipulation structure. An object of the present invention is to provide a surface treatment method and a surface treatment apparatus for a sample manipulation element that can be used.

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の表面処理方法は、試料が載置面上に載置される下部基板と、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、上部シート部材の下面に設けられた凹状構造部によって、上部シート部材と下部基板との間に試料の操作を行うための操作構造が形成された試料操作素子に対する表面処理方法であって、(1)下部基板と、下部基板上に配置された上部シート部材とを有する試料操作素子を準備して処理ステージ上に載置する素子準備ステップと、(2)処理ステージ上の試料操作素子に対し、上部シート部材側からまたは下部基板側から所定の照射光軸に沿って、上部シート部材と下部基板との間に形成された操作構造内にビームウエストが位置する集光条件でレーザ光を照射し、レーザ光の集光によって生成されたプラズマにより、上部シート部材における凹状構造部の内側表面を親水化処理する表面処理ステップとを備えるとともに、表面処理ステップにおいて、レーザ光として、パルスレーザ光を用いて、操作構造の空間内に形成されるビームウエストにおいて、パルスレーザ光の集光によるプラズマを発生させ、表面処理ステップにおいて、試料操作素子に対する照射光軸に沿ったレーザ光のビームウエストの位置である集光位置を調整することで、集光位置とは異なる上部シート部材での表面処理が行われる位置に対する親水化処理の処理条件を設定することを特徴とする。 In order to achieve such an object, a surface treatment method for a sample manipulating element according to the present invention includes a lower substrate on which a sample is placed on a placement surface, and a lower substrate on which the lower substrate is placed. An operation structure for operating a sample between the upper sheet member and the lower substrate by a concave structure provided on the lower surface of the upper sheet member. A surface treatment method for a formed sample manipulation element, wherein (1) an element preparation for preparing a sample manipulation element having a lower substrate and an upper sheet member disposed on the lower substrate and placing the sample manipulation element on a processing stage And (2) an operation structure formed between the upper sheet member and the lower substrate along the predetermined irradiation optical axis from the upper sheet member side or the lower substrate side with respect to the sample operation element on the processing stage. Beam inside Irradiating a laser beam by the condenser conditions Est is located, with plasma generated by the focusing of the laser beam, provided with a surface treatment step for hydrophilizing the inner surface of the concave structure in the upper sheet member, a surface In the processing step, a pulse laser beam is used as a laser beam, and plasma is generated by condensing the pulse laser beam in a beam waist formed in the space of the operation structure. In the surface treatment step, the sample operation element is irradiated. By adjusting the condensing position, which is the position of the beam waist of the laser beam along the optical axis, the processing conditions for the hydrophilization treatment for the position where the surface treatment is performed on the upper sheet member different from the condensing position is set. It is characterized by that.

また、本発明による試料操作素子の表面処理装置は、試料が載置面上に載置される下部基板と、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、上部シート部材の下面に設けられた凹状構造部によって、上部シート部材と下部基板との間に試料の操作を行うための操作構造が形成された試料操作素子に対する表面処理装置であって、(a)下部基板と、下部基板上に配置された上部シート部材とを有する試料操作素子を載置する処理ステージと、(b)処理ステージ上の試料操作素子に対し、その表面処理に用いられるレーザ光を供給するレーザ光源と、(c)試料操作素子に対し、上部シート部材側からまたは下部基板側から所定の照射光軸に沿って、上部シート部材と下部基板との間に形成された操作構造内にビームウエストが位置する集光条件でレーザ光源からのレーザ光を照射する集光光学系とを備え、(d)操作構造内において、レーザ光の集光によって生成されたプラズマにより、上部シート部材における凹状構造部の内側表面を親水化処理するとともに、レーザ光源は、レーザ光として、パルスレーザ光を供給するパルスレーザ光源であって、操作構造の空間内に形成されるビームウエストにおいて、パルスレーザ光の集光によるプラズマを発生させ、試料操作素子に対する照射光軸に沿ったレーザ光のビームウエストの位置である集光位置を調整することで、集光位置とは異なる上部シート部材での表面処理が行われる位置に対する親水化処理の処理条件を設定するための集光位置調整手段を備えることを特徴とする。 Further, the surface treatment apparatus for a sample manipulation element according to the present invention is arranged on a lower substrate on which a sample is placed on a placement surface, and on the lower substrate so that a lower surface thereof is in close contact with the placement surface of the lower substrate. A surface with respect to the sample operation element, wherein an operation structure for operating the sample is formed between the upper sheet member and the lower substrate by a concave structure provided on the lower surface of the upper sheet member. A processing apparatus comprising: (a) a processing stage on which a sample manipulation element having a lower substrate and an upper sheet member disposed on the lower substrate is placed; and (b) a sample manipulation element on the processing stage, A laser light source for supplying laser light used for the surface treatment; and (c) an upper sheet member and a lower substrate with respect to the sample manipulating element from the upper sheet member side or the lower substrate side along a predetermined irradiation optical axis. Between A condensing optical system for irradiating a laser beam from a laser light source under a condensing condition in which a beam waist is positioned in the formed operation structure, and (d) generated by condensing the laser light in the operation structure The inside surface of the concave structure portion of the upper sheet member is hydrophilized by plasma , and the laser light source is a pulse laser light source that supplies pulse laser light as laser light, and is formed in the space of the operation structure. At the beam waist, plasma is generated by condensing pulsed laser light, and the condensing position, which is the position of the beam waist of the laser light along the irradiation optical axis with respect to the sample manipulating element, is adjusted to be different from the condensing position. and characterized in that it comprises a condensing position adjusting means for setting the processing conditions for the hydrophilization processing of a position where the surface treatment of the upper sheet member is carried out That.

上記した試料操作素子の表面処理方法、及び表面処理装置においては、PDMSなどの所定の材料からなる上部シート部材を下部基板の載置面と密着するように配置して構成された試料操作素子を準備し、処理ステージ上に載置する。そして、処理ステージ上の試料操作素子に対して、レーザ光源及び集光光学系を設け、上部シート部材と下部基板との間に形成された操作構造の空間内にビームウエストが位置する集光条件で、上部シート部材側からまたは下部基板側から所定の照射光軸に沿ってレーザ光を照射する。   In the sample processing element surface treatment method and surface treatment apparatus described above, a sample manipulation element configured by arranging an upper sheet member made of a predetermined material such as PDMS so as to be in close contact with the placement surface of the lower substrate is provided. Prepare and place on the processing stage. Then, a laser light source and a condensing optical system are provided for the sample manipulating element on the processing stage, and a condensing condition in which the beam waist is located in the space of the manipulating structure formed between the upper sheet member and the lower substrate. Then, the laser beam is irradiated along the predetermined irradiation optical axis from the upper sheet member side or the lower substrate side.

このとき、試料操作素子の操作構造内にあるレーザ光の集光領域においてプラズマが発生し、このレーザ発生プラズマによって、上部シート部材における凹状構造部の内側表面を親水化処理することができる。特に、このように集光領域におけるレーザ発生プラズマを用いる表面処理では、レーザ光の水平面内での照射位置、及び垂直方向での集光位置を適切に設定することにより、基板とシート部材とが密着した状態の試料操作素子に対し、その操作構造の所望の領域におけるシート部材の内側表面について、選択的に親水化処理を行うことが可能となる。   At this time, plasma is generated in the laser light condensing region in the operation structure of the sample operation element, and the inner surface of the concave structure portion of the upper sheet member can be hydrophilized by the laser generated plasma. In particular, in the surface treatment using the laser-generated plasma in the condensing region as described above, the substrate and the sheet member are made by appropriately setting the irradiation position of the laser beam in the horizontal plane and the condensing position in the vertical direction. It is possible to selectively perform hydrophilic treatment on the inner surface of the sheet member in a desired region of the operation structure for the sample operation element in close contact.

ここで、試料操作素子の表面処理に用いるレーザ光については、表面処理方法は、表面処理ステップにおいて、レーザ光として、パルスレーザ光を用いることが好ましい。同様に、表面処理装置は、レーザ光源が、レーザ光として、パルスレーザ光を供給するパルスレーザ光源であることが好ましい。このように、試料操作素子に対してパルスレーザ光を照射することにより、シート部材の親水化処理を好適に実現することができる。   Here, with respect to the laser light used for the surface treatment of the sample manipulation element, the surface treatment method preferably uses pulsed laser light as the laser light in the surface treatment step. Similarly, in the surface treatment apparatus, the laser light source is preferably a pulse laser light source that supplies pulse laser light as laser light. Thus, the hydrophilic treatment of the sheet member can be suitably realized by irradiating the sample manipulation element with the pulse laser beam.

また、表面処理方法は、表面処理ステップにおいて、試料操作素子に対する照射光軸に直交する面内でのレーザ光の照射位置を調整することで、上部シート部材に対する親水化処理の処理位置を設定する構成を用いても良い。同様に、表面処理装置は、試料操作素子に対する照射光軸に直交する面内でのレーザ光の照射位置を調整することで、上部シート部材に対する親水化処理の処理位置を設定するための照射位置調整手段を備える構成を用いても良い。これにより、試料操作素子に対するレーザ光の水平面内での照射位置を、親水化処理をしようとする所望の領域に応じて適切に設定し、上部シート部材に対して所望パターンで親水化処理を行うことができる。   Further, in the surface treatment method, in the surface treatment step, the treatment position of the hydrophilic treatment for the upper sheet member is set by adjusting the irradiation position of the laser light in the plane orthogonal to the irradiation optical axis for the sample manipulation element. A configuration may be used. Similarly, the surface treatment apparatus adjusts the irradiation position of the laser beam in the plane orthogonal to the irradiation optical axis for the sample manipulation element, thereby setting the irradiation position for setting the treatment position of the hydrophilic treatment for the upper sheet member. You may use the structure provided with an adjustment means. Thereby, the irradiation position in the horizontal plane of the laser beam with respect to the sample operation element is appropriately set according to a desired region to be subjected to the hydrophilic treatment, and the upper sheet member is subjected to the hydrophilic treatment in a desired pattern. be able to.

また、表面処理方法は、表面処理ステップにおいて、試料操作素子に対する照射光軸に沿ったレーザ光の集光位置を調整することで、上部シート部材に対する親水化処理の処理条件を設定する構成を用いても良い。同様に、表面処理装置は、試料操作素子に対する照射光軸に沿ったレーザ光の集光位置を調整することで、上部シート部材に対する親水化処理の処理条件を設定するための集光位置調整手段を備える構成を用いても良い。これにより、試料操作素子に対するレーザ光の垂直方向での集光位置を、親水化処理の状況等に応じて適切に設定することができる。   Further, the surface treatment method uses a configuration in which, in the surface treatment step, the processing conditions for the hydrophilic treatment for the upper sheet member are set by adjusting the condensing position of the laser light along the irradiation optical axis for the sample manipulation element. May be. Similarly, the surface treatment apparatus adjusts the condensing position of the laser beam along the irradiation optical axis with respect to the sample operating element, thereby setting the condensing position adjusting means for setting the processing conditions for the hydrophilic treatment on the upper sheet member. You may use the structure provided with. Thereby, the condensing position of the laser beam in the vertical direction with respect to the sample manipulation element can be appropriately set according to the state of the hydrophilic treatment or the like.

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に確保して、微小操作構造を有する試料操作素子を好適に構成することができる。   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, sufficient adhesion between the substrate and the sheet member can be secured, and a sample manipulation element having a micro manipulation structure can be suitably configured.

本発明の試料操作素子の表面処理方法及び処理装置によれば、シート部材を基板の載置面と密着するように配置した試料操作素子を処理ステージ上に載置し、ステージ上の試料操作素子に対して、シート部材と基板との間の操作構造内にビームウエストが位置する集光条件で、シート部材側からまたは基板側からレーザ光を照射し、レーザ発生プラズマによって、シート部材の内側表面を親水化処理することにより、試料操作素子の操作構造における所望の領域について選択的に親水化処理を行うことが可能となる。   According to the sample processing element surface treatment method and processing apparatus of the present invention, the sample manipulation element in which the sheet member is arranged in close contact with the placement surface of the substrate is placed on the processing stage, and the sample manipulation element on the stage is placed. On the other hand, laser light is irradiated from the sheet member side or the substrate side under the light collecting condition where the beam waist is located in the operation structure between the sheet member and the substrate, and the inner surface of the sheet member is generated by laser-generated plasma. By performing the hydrophilization treatment, it becomes possible to selectively perform the hydrophilization treatment on a desired region in the operation structure of the sample operation element.

基板及びシート部材からなる試料操作素子の基本構成を示す図である。It is a figure which shows the basic composition of the sample operation element which consists of a board | substrate and a sheet | seat member. 試料操作素子の表面処理方法の第1実施形態について示す模式図である。It is a schematic diagram shown about 1st Embodiment of the surface treatment method of a sample operation element. 試料操作素子の表面処理装置の第1実施形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of 1st Embodiment of the surface treatment apparatus of a sample operation element. 試料操作素子の表面処理方法の第2実施形態について示す模式図である。It is a schematic diagram shown about 2nd Embodiment of the surface treatment method of a sample operation element. 試料操作素子の表面処理装置の第2実施形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of 2nd Embodiment of the surface treatment apparatus of a sample operation element. 試料操作素子の表面処理装置による親水化処理を評価するための実験構成について示す図である。It is a figure shown about the experiment structure for evaluating the hydrophilic treatment by the surface treatment apparatus of a sample operation element. 試料操作素子の表面処理装置による親水化処理の評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of the hydrophilic treatment by the surface treatment apparatus of a sample operation element. 試料操作素子の具体的な構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the specific structure of a sample operation element. 図8の試料操作素子における試料のトラップについて示す図である。It is a figure shown about the trap of the sample in the sample operation element of FIG. 図8の試料操作素子に対する表面処理の一例について示す図である。It is a figure shown about an example of the surface treatment with respect to the sample operation element of FIG. 図8の試料操作素子における試料のトラップ状態を示す図である。It is a figure which shows the trap state of the sample in the sample operation element of FIG.

以下、図面とともに、本発明による試料操作素子の表面処理方法、及び表面処理装置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。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a surface treatment method and a surface treatment apparatus for 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.

本発明における表面処理の対象となる試料操作素子は、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、操作対象の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、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、このシート部材の下面と基板の載置面とが密着することで、それらの間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、その基本的な構成、使用形態について説明する。   The sample operation element to be surface-treated in the present invention is an element having an operation structure such as a minute sealing structure or a channel structure for the sample, and a lower part on which the sample to be operated is placed on the placement surface It is comprised by the board | substrate and the upper sheet | seat member arrange | positioned on a lower board | substrate. In addition, a micro structure such as a concave shape or a groove shape is formed on the lower surface of the sheet member, and the lower surface of the sheet member and the mounting surface of the substrate are in close contact with each other, thereby forming a sample operation structure between them. The First, the basic configuration and usage 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技術等を利用した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. PDMS microstructures (microchannels, etc.) using MEMS technology are 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、光学顕微鏡等を用いて生物試料等を観測する場合に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、毒性が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, it can be sealed just by attaching it to the substrate because it is self-adsorbing, and it is colorless and transparent when observing biological samples etc. using an optical microscope etc. There are advantages such as being almost free of autofluorescence, having no adverse effect on biological samples, and having no toxicity. 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は、本発明による表面処理方法及び表面処理装置において処理対象となる、下部基板、及び上部シート部材からなる試料操作素子の基本構成を模式的に示す図である。ここで、図1(a)は、下部基板に上部シート部材を密着させる前における試料操作素子の状態を示し、図1(b)は、下部基板に上部シート部材を密着させて、それらの間に操作構造が形成された試料操作素子とした状態を示している。   FIG. 1 is a diagram schematically showing a basic configuration of a sample manipulation element composed of a lower substrate and an upper sheet member to be processed in the surface treatment method and the surface treatment apparatus according to the present invention. Here, FIG. 1A shows the state of the sample manipulation element before the upper sheet member is brought into close contact with the lower substrate, and FIG. 1B shows the state between the upper sheet member and the lower substrate. Fig. 6 shows a state in which a sample operation element having an operation structure is formed.

試料操作素子10は、図1に示すように、試料が載置面13上に載置される下部基板12と、下部基板12上に配置される上部シート部材14とによって構成されている。上部シート部材14には、下部基板12の載置面13と密着する下面15に、凹状構造部16が設けられている。これにより、シート部材14と基板12との間に、試料の操作を行うための操作構造17が形成される。シート部材14は、上記したように、例えばPDMSシートからなる。また、基板12は、例えばスライドガラス、ガラス基板からなる。   As shown in FIG. 1, the sample manipulation element 10 includes a lower substrate 12 on which a sample is placed on a placement surface 13 and an upper sheet member 14 placed on the lower substrate 12. The upper sheet member 14 is provided with a concave structure portion 16 on a lower surface 15 that is in close contact with the placement surface 13 of the lower substrate 12. Thereby, an operation structure 17 for operating the sample is formed between the sheet member 14 and the substrate 12. As described above, the sheet member 14 is made of, for example, a PDMS sheet. The substrate 12 is made of, for example, a slide glass or a glass substrate.

図1(b)では、試料操作素子10に設けられる操作構造17として、試料に対して微小空間内で封止操作を行う封止構造(試料を封止する微小チャンバ)を用いた例を示している。ここでは、シート部材14と基板12との間で凹状構造部16によって構成された封止構造17の空間内に、例えば分子機械などの目標物質S2を含む試料溶液S1が封止されている。また、操作構造17としては、上記した封止構造以外にも、例えば、試料に対して微小流路内で移動操作を行う流路構造(試料を流す微小流路)など、様々な構造を用いることができる。   FIG. 1B shows an example in which a sealing structure (a micro chamber for sealing a sample) that performs a sealing operation on a sample in a micro space is used as the operation structure 17 provided in the sample operating element 10. ing. Here, a sample solution S1 containing a target substance S2 such as a molecular machine is sealed in a space of a sealing structure 17 constituted by a concave structure portion 16 between the sheet member 14 and the substrate 12. In addition to the sealing structure described above, various structures are used as the operation structure 17 such as, for example, a flow channel structure (a micro flow channel through which a sample flows) that moves a sample in a micro flow channel. be able to.

図2は、試料操作素子の表面処理方法の第1実施形態について示す模式図である。本実施形態による表面処理方法では、まず、下部基板12と上部シート部材14とを有する試料操作素子10を準備して、処理ステージ(後述)上に載置する(素子準備ステップ)。そして、ステージ上の試料操作素子10に対し、基板12側から所定の照射光軸Axに沿って、シート部材14と基板12との間の操作構造17内にビームウエスト18が位置する集光条件でレーザ光Lを照射する。このとき、操作構造17内において、レーザ光Lの集光によってプラズマが生成され、このレーザ発生プラズマによって、シート部材14における凹状構造部16の内側表面が親水化処理される(表面処理ステップ)。   FIG. 2 is a schematic diagram showing the first embodiment of the surface treatment method for the sample manipulation element. In the surface treatment method according to the present embodiment, first, a sample manipulation element 10 having a lower substrate 12 and an upper sheet member 14 is prepared and placed on a processing stage (described later) (element preparation step). Then, with respect to the sample operating element 10 on the stage, the light collecting condition in which the beam waist 18 is positioned in the operating structure 17 between the sheet member 14 and the substrate 12 along the predetermined irradiation optical axis Ax from the substrate 12 side. Then, the laser beam L is irradiated. At this time, in the operation structure 17, plasma is generated by condensing the laser light L, and the inner surface of the concave structure portion 16 in the sheet member 14 is hydrophilized by the laser-generated plasma (surface treatment step).

ここで、以下においては、図2に示すように、基板12の載置面(シート部材14の下面)に直交する方向(垂直方向)をz軸方向とし、z軸に直交し基板12の載置面に沿った方向(水平方向)をx軸方向、y軸方向とする。レーザ光Lの照射光軸Axは、z軸方向と略一致するように設定されている。   Here, in the following, as shown in FIG. 2, the direction (vertical direction) perpendicular to the placement surface of the substrate 12 (the lower surface of the sheet member 14) is defined as the z-axis direction, and the substrate 12 is placed perpendicular to the z-axis. A direction (horizontal direction) along the placement surface is defined as an x-axis direction and a y-axis direction. The irradiation optical axis Ax of the laser light L is set so as to substantially coincide with the z-axis direction.

図3は、試料操作素子の表面処理装置の第1実施形態の構成を示す図である。本実施形態による試料操作素子10の表面処理装置1Aの構成は、図2に示した表面処理方法に対応している。図3に示す表面処理装置1Aは、処理ステージ20と、レーザ光源30と、集光光学系35とを備え、倒立型光学顕微鏡として構成されている。   FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the first embodiment of the surface treatment apparatus for the sample manipulation element. The configuration of the surface treatment apparatus 1A for the sample manipulation element 10 according to the present embodiment corresponds to the surface treatment method shown in FIG. A surface treatment apparatus 1A shown in FIG. 3 includes a processing stage 20, a laser light source 30, and a condensing optical system 35, and is configured as an inverted optical microscope.

処理ステージ20は、下部基板12と、基板12上に配置された上部シート部材14とを有する試料操作素子10を載置する。本実施形態におけるステージ20は、x軸方向、y軸方向、z軸方向に移動可能なXYZ可動ステージによって構成されている。これにより、ステージ20は、試料操作素子10に対する照射光軸Axに直交する面(xy面)内でのレーザ光Lの照射位置を調整することで、シート部材14に対する親水化処理の処理位置を設定するための照射位置調整手段の機能を有する。   The processing stage 20 places the sample manipulation element 10 having the lower substrate 12 and the upper sheet member 14 disposed on the substrate 12. The stage 20 in this embodiment is configured by an XYZ movable stage that can move in the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction. Thereby, the stage 20 adjusts the irradiation position of the laser beam L in the plane (xy plane) orthogonal to the irradiation optical axis Ax with respect to the sample operating element 10, thereby changing the processing position of the hydrophilic treatment on the sheet member 14. It has a function of an irradiation position adjusting means for setting.

また、ステージ20は、試料操作素子10に対する照射光軸Ax(z軸)に沿ったレーザ光Lの集光位置を調整することで、シート部材14に対する親水化処理の処理条件を設定するための集光位置調整手段の機能を有する。具体的には、ステージ20は、試料操作素子10の操作構造17内における、レーザ光Lのビームウエスト18のz軸方向での位置(図2参照)を調整することで、シート部材14の内側表面の親水化処理に用いられる操作構造17内でのレーザ発生プラズマの発生位置を調整、設定する。   Further, the stage 20 adjusts the condensing position of the laser light L along the irradiation optical axis Ax (z axis) with respect to the sample operating element 10, thereby setting the processing conditions for the hydrophilic treatment for the sheet member 14. It has the function of a light collecting position adjusting means. Specifically, the stage 20 adjusts the position (see FIG. 2) of the beam waist 18 of the laser light L in the operation structure 17 of the sample operation element 10 to adjust the inside of the sheet member 14. The generation position of the laser-generated plasma in the operation structure 17 used for the hydrophilic treatment of the surface is adjusted and set.

レーザ光源30は、ステージ20上の試料操作素子10に対し、その表面処理に用いられるレーザ光Lを供給する。このレーザ光源30としては、好ましくは、パルスレーザ光を供給するパルスレーザ光源が用いられる。また、レーザ光Lについては、操作構造17内に集光させることが可能なように、基板12及びシート部材14を透過する波長のレーザ光が用いられる。このようなレーザ光Lとしては、例えば、Q−スイッチNd:YAGレーザ光源からの倍波で、波長532nmの光(可視光)を用いることができる。   The laser light source 30 supplies the laser light L used for the surface treatment to the sample operating element 10 on the stage 20. As the laser light source 30, a pulse laser light source that supplies pulse laser light is preferably used. The laser beam L is a laser beam having a wavelength that passes through the substrate 12 and the sheet member 14 so that the laser beam L can be condensed in the operation structure 17. As such laser light L, for example, light (visible light) having a wavelength of 532 nm, which is a double wave from a Q-switch Nd: YAG laser light source, can be used.

レーザ光源30と、ステージ20との間には、メカニカルシャッタ31と、集光光学系35とが設けられている。メカニカルシャッタ31は、ステージ20上の試料操作素子10に対するレーザ光Lの照射のON/OFFを制御する。また、集光光学系35は、試料操作素子10に対し、基板12側から照射光軸Axに沿って、シート部材14と基板12との間に形成された操作構造17内にビームウエスト18が位置する集光条件でレーザ光源30からのレーザ光Lを集光、照射する。   A mechanical shutter 31 and a condensing optical system 35 are provided between the laser light source 30 and the stage 20. The mechanical shutter 31 controls ON / OFF of the irradiation of the laser light L to the sample operating element 10 on the stage 20. Further, the condensing optical system 35 has a beam waist 18 in the operation structure 17 formed between the sheet member 14 and the substrate 12 along the irradiation optical axis Ax from the substrate 12 side with respect to the sample operation element 10. The laser light L from the laser light source 30 is condensed and irradiated under the condensing condition located.

図3に示す構成例では、集光光学系35は、レーザ光源30及びシャッタ31側から順に、レンズ36、レンズ37、ダイクロイックミラー39、及び集光レンズ38によって構成されている。ダイクロイックミラー39は、シャッタ31、及びレンズ36、37を介してレーザ光源30から供給された所定波長のパルスレーザ光L(例えば、上記した波長532nmの可視光)を反射する。   In the configuration example illustrated in FIG. 3, the condensing optical system 35 includes a lens 36, a lens 37, a dichroic mirror 39, and a condensing lens 38 in order from the laser light source 30 and the shutter 31 side. The dichroic mirror 39 reflects the pulse laser light L having a predetermined wavelength supplied from the laser light source 30 via the shutter 31 and the lenses 36 and 37 (for example, visible light having a wavelength of 532 nm described above).

また、集光レンズ38は、ダイクロイックミラー39で反射されたレーザ光Lを集光して、ステージ20上の試料操作素子10へと照射する。これにより、試料操作素子10の操作構造17内において、レーザ発生プラズマにより、シート部材14における凹状構造部16の内側表面が親水化処理される。ダイクロイックミラー39としては、例えば、レーザ光Lを含む可視光を反射するとともに、近赤外光を透過するものが用いられる。   The condensing lens 38 condenses the laser light L reflected by the dichroic mirror 39 and irradiates the sample operating element 10 on the stage 20. Thereby, in the operation structure 17 of the sample operation element 10, the inner surface of the concave structure part 16 in the sheet member 14 is hydrophilized by the laser-generated plasma. As the dichroic mirror 39, for example, a mirror that reflects visible light including the laser light L and transmits near-infrared light is used.

また、本実施形態による表面処理装置1Aでは、レーザ光源30に加えて、試料操作素子10の透過像を観測するための光(540nm以上、近赤外光を含む)を供給する観測光源40が設けられている。観測光源40は、コリメートレンズ41、近赤外光透過フィルタ42、及びコンデンサレンズ43を介し、シート部材14側から照射光軸Axに沿って、試料操作素子10に対して赤外観測光(破線)を照射する。そして、素子10を透過した観測光は、ダイクロイックミラー39を透過し、反射ミラー44、及びレンズ45を介してCCDカメラ48へと到達し、このカメラ48によって、試料操作素子10の透過像が取得される。   In the surface treatment apparatus 1A according to the present embodiment, in addition to the laser light source 30, the observation light source 40 that supplies light (540 nm or more, including near infrared light) for observing the transmission image of the sample manipulation element 10 is provided. Is provided. The observation light source 40 passes through the collimating lens 41, the near-infrared light transmission filter 42, and the condenser lens 43 from the sheet member 14 side along the irradiation optical axis Ax to the sample operation element 10 with infrared observation light (broken line). Irradiate. The observation light that has passed through the element 10 passes through the dichroic mirror 39 and reaches the CCD camera 48 via the reflection mirror 44 and the lens 45, and a transmitted image of the sample manipulation element 10 is acquired by the camera 48. Is done.

表面処理装置1Aにおいては、処理ステージ20、レーザ光源30、及び集光光学系35等に対し、それらの装置各部の動作を制御する表面処理制御部50が設けられている。制御部50は、ステージ制御部52を介して、処理ステージ20の移動動作を制御する。これにより、試料操作素子10に対するレーザ光Lのxy面内での照射位置、z軸方向での集光位置が制御される。また、制御部50は、レーザ照射制御部53を介して、レーザ光源30のレーザ光供給動作、及びメカニカルシャッタ31の開閉動作を制御する。プラズマ発生時のパルスレーザ光L照射時には、観測系(CCDカメラ48)の保護のため、反射ミラー44とレンズ45との間に設置したメカニカルシャッタ32を閉じる。これにより、表面処理用のレーザ発生プラズマの発生タイミング、発生条件、及び観測条件が制御される。   In the surface treatment apparatus 1A, a surface treatment control unit 50 that controls the operation of each part of the apparatus is provided for the processing stage 20, the laser light source 30, and the condensing optical system 35 and the like. The control unit 50 controls the movement operation of the processing stage 20 via the stage control unit 52. Thereby, the irradiation position in the xy plane of the laser beam L with respect to the sample operation element 10 and the condensing position in the z-axis direction are controlled. Further, the control unit 50 controls the laser light supply operation of the laser light source 30 and the opening / closing operation of the mechanical shutter 31 via the laser irradiation control unit 53. When the pulsed laser beam L is emitted during plasma generation, the mechanical shutter 32 installed between the reflection mirror 44 and the lens 45 is closed to protect the observation system (CCD camera 48). As a result, the generation timing, generation conditions, and observation conditions of the laser-generated plasma for surface treatment are controlled.

このような表面処理制御部50は、例えば、コンピュータによって構成することができる。また、この制御部50に対して、表示装置56及び入力装置57が接続されている。表示装置56は、試料操作素子10の表面処理に関する情報の表示に用いられる。また、入力装置57は、試料操作素子10に対する表面処理の条件、あるいは表面処理の開始、終了等に関する指示の入力に用いられる。   Such a surface treatment control unit 50 can be configured by a computer, for example. A display device 56 and an input device 57 are connected to the control unit 50. The display device 56 is used to display information related to the surface treatment of the sample operation element 10. Further, the input device 57 is used for inputting an instruction relating to the surface treatment conditions for the sample operating element 10 or the start and end of the surface treatment.

本実施形態による試料操作素子10の表面処理方法、及び表面処理装置1Aの効果について説明する。   The effects of the surface treatment method for the sample manipulation element 10 and the surface treatment apparatus 1A according to the present embodiment will be described.

上記した試料操作素子10の表面処理方法、及び表面処理装置1Aにおいては、PDMSなどの所定の材料からなるシート部材14を基板12の載置面と密着するように配置して構成された試料操作素子10を準備し、処理ステージ20上に載置する。そして、ステージ20上の素子10に対してレーザ光源30及び集光光学系35を設け、シート部材14と基板12との間にある操作構造17の空間内にビームウエスト18が位置する集光条件(図2参照)で、基板12側から照射光軸Axに沿ってレーザ光Lを照射する。   In the surface treatment method and the surface treatment apparatus 1A for the sample manipulation element 10 described above, the sample manipulation is configured by arranging the sheet member 14 made of a predetermined material such as PDMS so as to be in close contact with the placement surface of the substrate 12. The element 10 is prepared and placed on the processing stage 20. Then, a laser light source 30 and a condensing optical system 35 are provided for the element 10 on the stage 20, and a condensing condition in which the beam waist 18 is located in the space of the operation structure 17 between the sheet member 14 and the substrate 12. (See FIG. 2), the laser beam L is irradiated from the substrate 12 side along the irradiation optical axis Ax.

このとき、操作構造17内にあるレーザ光Lの集光領域においてプラズマが発生し、このレーザ発生プラズマによって、シート部材14における凹状構造部16の内側表面を親水化処理することができる。特に、このように集光領域におけるレーザ発生プラズマを用いる表面処理方法では、レーザ光Lの水平面内での照射位置、及び垂直方向での集光位置を適切に設定することにより、図2に示したように、基板12とシート部材14とが密着した状態の試料操作素子10に対し、その操作構造17の所望の領域におけるシート部材14の内側表面について、選択的に親水化処理を行うことが可能である。   At this time, plasma is generated in the condensing region of the laser light L in the operation structure 17, and the inner surface of the concave structure portion 16 in the sheet member 14 can be hydrophilized by the laser generated plasma. In particular, in such a surface treatment method using laser-generated plasma in the condensing region, the irradiation position in the horizontal plane of the laser light L and the condensing position in the vertical direction are set appropriately, as shown in FIG. As described above, the sample manipulation element 10 in a state where the substrate 12 and the sheet member 14 are in close contact with each other can be selectively hydrophilized on the inner surface of the sheet member 14 in a desired region of the manipulation structure 17. Is possible.

実際に、強力なナノ秒程度のパルス幅を持つパルスレーザ光を集光することにより発生するプラズマにPDMSシート部材のパターンを暴露したところ、市販のプラズマ処理装置と同等の親水性、あるいはシランカップリング剤への反応性の効果が得られた。また、この親水化(シラノール化)の効果は、表面処理された領域を水中に浸漬しておくと持続するが、大気中におくことにより消失することがわかった。このことは、上記した表面処理の効果が、物理的な構造変化による表面性質の改変ではなく、化学的な変化によるものであることを示唆している。   Actually, when the pattern of the PDMS sheet member was exposed to plasma generated by condensing a pulsed laser beam having a powerful nanosecond pulse width, the hydrophilicity equivalent to a commercially available plasma processing apparatus, or a silane cup The effect of reactivity to the ring agent was obtained. Further, it has been found that the effect of hydrophilization (silanolation) lasts when the surface-treated region is immersed in water, but disappears by placing it in the air. This suggests that the effect of the surface treatment described above is not due to a modification of the surface properties due to a physical structural change but due to a chemical change.

ここで、試料操作素子10の表面処理に用いるレーザ光Lについては、レーザ光源30として、上述したように、パルスレーザ光を供給するパルスレーザ光源を用いることが好ましい。このように、試料操作素子10に対してパルスレーザ光を照射することにより、シート部材14と基板12との間にある操作構造17の空間内に形成されるビームウエスト18において、レーザ光Lの集光によるプラズマを好適に発生させて、レーザ発生プラズマによるシート部材14の親水化処理を好適に実現することができる。   Here, as for the laser light L used for the surface treatment of the sample manipulation element 10, it is preferable to use a pulse laser light source for supplying the pulse laser light as the laser light source 30 as described above. In this way, by irradiating the sample manipulation element 10 with pulsed laser light, the laser beam L is emitted from the beam waist 18 formed in the space of the manipulation structure 17 between the sheet member 14 and the substrate 12. It is possible to suitably generate plasma by condensing and to suitably realize the hydrophilic treatment of the sheet member 14 by the laser-generated plasma.

表面処理に用いられるプラズマ、すなわちイオンと電子の拡散によるPDMSの表面の親水化効果を考えると、マイクロメートルオーダのパターン形成であれば、ナノ秒オーダのパルスレーザでカバーできる範囲であると考えられる。酸素の大気中での拡散速度は、10−6cm/s程度と見積もられる。ただし、実際には、プラズマ発生時の衝撃波により、プラズマが、素子表面に向かって加速している可能性もある。 Considering the plasma treatment used for surface treatment, that is, the hydrophilic effect on the surface of PDMS by diffusion of ions and electrons, it is considered that the pattern can be covered with a pulse laser of nanosecond order if the pattern formation is on the order of micrometers. . The diffusion rate of oxygen in the atmosphere is estimated to be about 10 −6 cm 2 / s. However, actually, there is a possibility that the plasma is accelerated toward the surface of the element due to the shock wave at the time of plasma generation.

さらに、広範囲でのPDMSの表面の改変が必要であれば、レーザ光Lによる走査を行えば良く、また、強力なパルスレーザであれば、ピコ秒からフェムト秒のパルスレーザ光を利用することができるので、微細な親水化パターンの形成が可能である。また、空間光変調器(SLM)のような多点レーザ操作システムが強力なパルスレーザ光の使用に耐えるようになれば、PDMSの表面の2次元的な同時改質も可能になると考えられる。   Furthermore, if it is necessary to modify the surface of the PDMS over a wide range, scanning with the laser beam L may be performed, and if it is a powerful pulse laser, a picosecond to femtosecond pulse laser beam may be used. Therefore, it is possible to form a fine hydrophilic pattern. Also, if a multi-point laser operating system such as a spatial light modulator (SLM) can withstand the use of powerful pulsed laser light, it is believed that two-dimensional simultaneous modification of the surface of the PDMS will be possible.

また、上記実施形態では、照射位置調整手段として機能するステージ20によって、試料操作素子10に対する照射光軸Axに直交する面(xy面)内でのレーザ光Lの照射位置を調整し、それによって、上部シート部材14に対する親水化処理の処理位置を設定している。これにより、試料操作素子10に対するレーザ光Lの水平面内での照射位置を、親水化処理をしようとする所望の領域に応じて適切に設定、あるいは走査し、シート部材14に対して所望かつ任意のパターンで親水化処理を行うことができる。   Moreover, in the said embodiment, the irradiation position of the laser beam L in the surface (xy surface) orthogonal to the irradiation optical axis Ax with respect to the sample operation element 10 is adjusted with the stage 20 which functions as an irradiation position adjustment means, thereby The processing position of the hydrophilic treatment for the upper sheet member 14 is set. Thereby, the irradiation position in the horizontal plane of the laser beam L with respect to the sample operation element 10 is appropriately set or scanned according to a desired region to be subjected to the hydrophilic treatment, and desired and arbitrary for the sheet member 14. Hydrophilization treatment can be performed with this pattern.

また、上記実施形態では、集光位置調整手段として機能するステージ20によって、試料操作素子10に対する照射光軸Ax(z軸)に沿ったレーザ光Lの集光位置を調整し、それによって、上部シート部材14に対する親水化処理の処理条件を設定している。これにより、試料操作素子10に対するレーザ光Lの垂直方向での集光位置を、親水化処理の状況等に応じて適切に設定することができる。   Moreover, in the said embodiment, the condensing position of the laser beam L along the irradiation optical axis Ax (z-axis) with respect to the sample operation element 10 is adjusted with the stage 20 which functions as a condensing position adjusting means, The treatment conditions for the hydrophilic treatment for the sheet member 14 are set. Thereby, the condensing position of the laser beam L in the vertical direction with respect to the sample operating element 10 can be appropriately set according to the status of the hydrophilic treatment or the like.

なお、これらの照射位置調整手段及び集光位置調整手段については、上記実施形態ではXYZ可動ステージ20によって実現しているが、このような構成に限られるものではない。例えば、ステージ20を固定ステージとし、集光光学系35を移動可能または調整可能に構成することで、照射位置調整手段及び集光位置調整手段を実現しても良い。また、ステージ20及び光学系35の両者を可動に構成しても良い。また、これらの照射位置調整手段、集光位置調整手段については、不要であれば設けない構成としても良い。   The irradiation position adjusting unit and the light collecting position adjusting unit are realized by the XYZ movable stage 20 in the above embodiment, but are not limited to such a configuration. For example, the irradiation position adjusting unit and the condensing position adjusting unit may be realized by using the stage 20 as a fixed stage and configuring the condensing optical system 35 to be movable or adjustable. Further, both the stage 20 and the optical system 35 may be configured to be movable. In addition, these irradiation position adjusting means and condensing position adjusting means may be omitted if unnecessary.

基板12の載置面に密着して試料操作素子10の上部を構成するシート部材14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14の材料としては、基板12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12とシート部材14との間の密着性を充分に確保して、操作構造17を有する試料操作素子10を好適に構成することができる。   Silicone (silicone resin, silicone rubber) is preferably used as the material of the sheet member 14 that is in close contact with the mounting surface of the substrate 12 and constitutes the upper portion of the sample manipulation element 10. In particular, as the material of the sheet member 14, it is preferable to use the above-described PDMS that has excellent adhesion to the substrate 12. By using such a material, sufficient adhesion between the substrate 12 and the sheet member 14 can be secured, and the sample manipulation element 10 having the manipulation structure 17 can be suitably configured.

また、上部シート部材14の材料については、上記したシリコーン、PDMS等に限らず、下部基板12に密着して微小操作構造17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。   In addition, the material of the upper sheet member 14 is not limited to the above-described silicone, PDMS, and the like, and various materials may be used as long as the minute operation structure 17 can be formed in close contact with the lower substrate 12. Examples of such materials include polydiene polymers, polyvinylidene chloride (PVDC), polyvinylidene fluoride, polyvinylidene halide, synthetic resins such as polyethylene, natural rubber, and the like.

また、試料操作素子10に対するレーザ光Lの照射については、図2、図3に示した実施形態では、下部基板12側(下方側)からレーザ光Lを照射する構成を示したが、上部シート部材14側(上方側)からレーザ光Lを照射する構成としても良い。   In addition, regarding the irradiation of the laser beam L to the sample manipulation element 10, in the embodiment shown in FIGS. 2 and 3, the configuration in which the laser beam L is irradiated from the lower substrate 12 side (lower side) is shown. It is good also as a structure which irradiates the laser beam L from the member 14 side (upper side).

図4は、試料操作素子の表面処理方法の第2実施形態について示す模式図である。本実施形態による表面処理方法では、処理ステージ上の試料操作素子10に対し、シート部材14側から照射光軸Axに沿って、シート部材14と基板12との間の操作構造17内にビームウエスト18が位置する集光条件でレーザ光Lを照射する。このとき、図2の構成と同様に、操作構造17内において、レーザ光Lの集光によってプラズマが生成され、このレーザ発生プラズマによって、シート部材14における凹状構造部16の内側表面が親水化処理される。   FIG. 4 is a schematic diagram showing a second embodiment of the surface treatment method for the sample manipulation element. In the surface treatment method according to the present embodiment, the beam waist is placed in the operation structure 17 between the sheet member 14 and the substrate 12 along the irradiation optical axis Ax from the sheet member 14 side with respect to the sample operation element 10 on the processing stage. The laser beam L is irradiated under the condensing condition where 18 is located. At this time, similarly to the configuration of FIG. 2, plasma is generated by condensing the laser light L in the operation structure 17, and the inner surface of the concave structure portion 16 in the sheet member 14 is hydrophilized by the laser-generated plasma. Is done.

図5は、試料操作素子の表面処理装置の第2実施形態の構成を示す図である。本実施形態による試料操作素子10の表面処理装置1Bの構成は、図4に示した表面処理方法に対応している。図5に示す表面処理装置1Bは、図3に示した表面処理装置1Aと同様に、処理ステージ20と、レーザ光源30と、集光光学系35と、観測光源40と、表面処理制御部50とを備え、正立型光学顕微鏡として構成されている。   FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the second embodiment of the surface treatment apparatus for the sample manipulation element. The configuration of the surface treatment apparatus 1B for the sample manipulation element 10 according to the present embodiment corresponds to the surface treatment method shown in FIG. The surface treatment apparatus 1B illustrated in FIG. 5 is similar to the surface treatment apparatus 1A illustrated in FIG. 3 in that the treatment stage 20, the laser light source 30, the condensing optical system 35, the observation light source 40, and the surface treatment control unit 50 are performed. And is configured as an upright optical microscope.

レーザ光源30と、ステージ20との間には、メカニカルシャッタ31と、集光光学系35とが設けられている。メカニカルシャッタ31は、ステージ20上の試料操作素子10に対するレーザ光Lの照射のON/OFFを制御する。また、集光光学系35は、試料操作素子10に対し、シート部材14側から照射光軸Axに沿って、シート部材14と基板12との間に形成された操作構造17内にビームウエスト18が位置する集光条件でレーザ光源30からのレーザ光Lを集光、照射する。   A mechanical shutter 31 and a condensing optical system 35 are provided between the laser light source 30 and the stage 20. The mechanical shutter 31 controls ON / OFF of the irradiation of the laser light L to the sample operating element 10 on the stage 20. Further, the condensing optical system 35 has a beam waist 18 in the operation structure 17 formed between the sheet member 14 and the substrate 12 along the irradiation optical axis Ax from the sheet member 14 side with respect to the sample operation element 10. The laser light L from the laser light source 30 is condensed and irradiated under the condensing condition where is located.

図5に示す構成例では、集光光学系35は、レーザ光源30及びシャッタ31側から順に、レンズ36、レンズ37、ダイクロイックミラー39、及び集光レンズ38によって構成されている。ダイクロイックミラー39は、シャッタ31、及びレンズ36、37を介してレーザ光源30から供給されたパルスレーザ光Lを反射する。また、集光レンズ38は、レーザ光Lを集光して、ステージ20上の試料操作素子10へと照射する。これにより、試料操作素子10の操作構造17内において、レーザ発生プラズマにより、シート部材14における凹状構造部16の内側表面が親水化処理される。   In the configuration example illustrated in FIG. 5, the condensing optical system 35 includes a lens 36, a lens 37, a dichroic mirror 39, and a condensing lens 38 in order from the laser light source 30 and the shutter 31 side. The dichroic mirror 39 reflects the pulsed laser light L supplied from the laser light source 30 via the shutter 31 and the lenses 36 and 37. The condensing lens 38 condenses the laser light L and irradiates the sample operating element 10 on the stage 20. Thereby, in the operation structure 17 of the sample operation element 10, the inner surface of the concave structure part 16 in the sheet member 14 is hydrophilized by the laser-generated plasma.

また、観測光源40は、コリメートレンズ41、近赤外光透過フィルタ42、反射ミラー46、及びコンデンサレンズ43を介し、基板12側から照射光軸Axに沿って、試料操作素子10に対して赤外観測光を照射する。そして、素子10を透過した観察光は、ダイクロイックミラー39を透過し、反射ミラー44、及びレンズ45を介してCCDカメラ48へと到達し、このカメラ48によって、試料操作素子10の透過像が取得される。なお、パルスレーザ光L照射時には、観測系(CCDカメラ48)の保護のため、反射ミラー44とレンズ45との間に設置したメカニカルシャッタ32を閉じる。   Further, the observation light source 40 passes through the collimating lens 41, the near-infrared light transmission filter 42, the reflection mirror 46, and the condenser lens 43 from the substrate 12 side along the irradiation optical axis Ax with respect to the sample manipulation element 10. Irradiate outside observation light. Then, the observation light transmitted through the element 10 passes through the dichroic mirror 39 and reaches the CCD camera 48 via the reflection mirror 44 and the lens 45, and a transmission image of the sample manipulation element 10 is acquired by the camera 48. Is done. When the pulse laser beam L is irradiated, the mechanical shutter 32 installed between the reflection mirror 44 and the lens 45 is closed to protect the observation system (CCD camera 48).

次に、試料操作素子10に対するレーザ光Lの照射条件等について検討する。上記した試料操作素子10の表面処理方法は、素子10を構成するPDMS等を用いた上部シート部材14の内側表面を親水化処理するものであるが、図2、図4に示したように、レーザ光Lのビームウエスト18は、操作構造17の空間内に形成されており、ビームウエスト18の位置(集光位置)と、シート部材14に対して表面処理が行われる位置とは異なっている。このため、上記方法では、ビームウエスト18でのプラズマの発生、拡散条件を考慮し、シート部材14に対するレーザ光Lの集光位置を適切に設定する必要がある。   Next, the conditions for irradiating the sample manipulation element 10 with the laser light L will be examined. The above-described surface treatment method of the sample manipulation element 10 is to hydrophilize the inner surface of the upper sheet member 14 using PDMS or the like constituting the element 10, but as shown in FIGS. The beam waist 18 of the laser light L is formed in the space of the operation structure 17, and the position of the beam waist 18 (condensing position) is different from the position where the surface treatment is performed on the sheet member 14. . Therefore, in the above method, it is necessary to appropriately set the condensing position of the laser beam L with respect to the sheet member 14 in consideration of the generation and diffusion conditions of the plasma at the beam waist 18.

このようなレーザ光Lの照射条件を評価するため、図6に示す構成を用いて、試料操作素子の表面処理装置による親水化処理を評価するための実験を行った。ここでは、シート部材14として厚さ5mmのPDMSシートを用いるとともに、親水化処理の対象となるシート部材14の表面と、レーザ光Lの集光位置(ビームウエストの位置)との位置関係(特に、それらの間の距離)を評価するため、シート部材の内側表面ではなく、その上面を処理対象としてレーザ光Lの照射による親水化処理の実験を行った。   In order to evaluate the irradiation condition of such laser light L, an experiment for evaluating the hydrophilization treatment by the surface treatment apparatus for the sample operation element was performed using the configuration shown in FIG. Here, a PDMS sheet having a thickness of 5 mm is used as the sheet member 14, and the positional relationship between the surface of the sheet member 14 to be hydrophilized and the condensing position of the laser beam L (the position of the beam waist) (particularly, In order to evaluate the distance between them, an experiment of hydrophilization treatment by irradiation with laser light L was performed on the upper surface of the sheet member instead of the inner surface of the sheet member.

この実験では、図6(a)に示すように、正立型顕微鏡の構成を用い、レーザ光源30からのパルスレーザ光Lを、レンズ61、62、ダイクロイックミラー63、及び対物レンズ64を介して、シート部材14の上面に照射する構成とした。また、観測光源40については、観測光源40からの赤外観測光を、レンズ65、ミラー66、及び対物レンズ64を介して、シート部材14を含む試料操作素子10に照射し、素子10からの反射像を、レンズ64、ミラー66、及びレンズ67を介して、カメラ60によって取得する構成とした。   In this experiment, as shown in FIG. 6A, the configuration of an upright microscope is used, and the pulsed laser light L from the laser light source 30 is passed through the lenses 61 and 62, the dichroic mirror 63, and the objective lens 64. The top surface of the sheet member 14 is irradiated. Further, with respect to the observation light source 40, the infrared observation light from the observation light source 40 is irradiated to the sample operating element 10 including the sheet member 14 via the lens 65, the mirror 66, and the objective lens 64, and reflected from the element 10. The image is acquired by the camera 60 through the lens 64, the mirror 66, and the lens 67.

レーザ光源30としては、スペクトラフィジックス社製で、最大平均出力が600mJ(10Hz)のGCR−4(Q−スイッチNd:YAGレーザ)を用い、その波長532nmの倍波を表面処理用のパルスレーザ光Lとして用いた。また、シート部材14に対する表面処理の際に照射するレーザ光Lの出力は、例えば10mJに設定した。   As the laser light source 30, GCR-4 (Q-switch Nd: YAG laser) manufactured by Spectra Physics and having a maximum average output of 600 mJ (10 Hz) is used. Used as L. Moreover, the output of the laser beam L irradiated in the case of the surface treatment with respect to the sheet | seat member 14 was set, for example to 10 mJ.

また、シート部材14に対するレーザ光Lの集光条件の評価については、図6(b)に示すように、ステージ20をx軸方向及びz軸方向に所定距離ずつ移動してパルスレーザ光Lの照射を繰り返して行うことで、その評価を行った。具体的な手順としては、まず、プラズマが発生するレーザ光Lの焦点位置(集光位置)Fについて、ステージ20のz軸方向の位置の調整により、シート部材14の上面に焦点位置Fを合わせる。そして、図6(b)に示すように、ステージ20のx軸方向、z軸方向の位置の調整により、シート部材14の上面から50μm上方に対物レンズ64による焦点位置Fをセットし、この状態で、10Hz、1秒間の条件でレーザ光Lの照射による表面処理を行う。   As for the evaluation of the condensing condition of the laser beam L on the sheet member 14, the stage 20 is moved by a predetermined distance in the x-axis direction and the z-axis direction as shown in FIG. The evaluation was performed by repeating the irradiation. As a specific procedure, first, the focus position F is adjusted to the upper surface of the sheet member 14 by adjusting the position in the z-axis direction of the stage 20 with respect to the focus position (condensing position) F of the laser light L generated by plasma. . Then, as shown in FIG. 6B, the focal position F by the objective lens 64 is set 50 μm above the upper surface of the sheet member 14 by adjusting the position of the stage 20 in the x-axis direction and the z-axis direction. Then, the surface treatment is performed by irradiation with the laser beam L under the condition of 10 Hz for 1 second.

次に、ステージ20をx軸方向に50μm、z軸方向でシート部材14が焦点位置Fに近づく上方に10μm移動し、この状態で上記と同様の条件でレーザ光Lの照射を行う。さらに、このようなステージ20の移動、及びシート部材14へのレーザ光Lの照射を繰り返して行う。これにより、シート部材14の上面には、測定点1、2、3と順に、x軸方向に50μm間隔で、焦点位置Fがシート部材14に向けて10μmずつ移動する表面処理済みの面部分が形成される。   Next, the stage 20 is moved by 50 μm in the x-axis direction and the sheet member 14 is moved upward by 10 μm in the z-axis direction and approaches the focal position F. In this state, the laser beam L is irradiated under the same conditions as described above. Further, such movement of the stage 20 and irradiation of the laser beam L to the sheet member 14 are repeated. Thereby, on the upper surface of the sheet member 14, there are surface-treated surface portions in which the focal positions F move by 10 μm toward the sheet member 14 at the intervals of 50 μm in the x-axis direction in order of the measurement points 1, 2, and 3. It is formed.

このように、焦点位置Fが異なる処理済みの面部分がステージの移動方向に配列されたシート部材14に対し、ピペットによってPDMSの表面に水を滴下し、低倍率対物レンズによってPDMSのシート部材14の表面を観測することで、その親水化処理の状態の評価を行った。図7は、試料操作素子の表面処理装置による親水化処理の評価結果を示す図である。PDMSの表面に水を滴下した後、その側方より濾紙を近付けて水を吸い取ると、図7(a)に示すように、処理済みの面部分の配列方向に沿って水滴が残る。   In this way, water is dropped on the surface of the PDMS by a pipette to the sheet member 14 in which the processed surface portions having different focal positions F are arranged in the moving direction of the stage, and the PDMS sheet member 14 by the low magnification objective lens. By observing the surface of the film, the state of the hydrophilic treatment was evaluated. FIG. 7 is a diagram showing an evaluation result of the hydrophilization treatment by the surface treatment apparatus for the sample manipulation element. When water is dropped on the surface of the PDMS and then the filter paper is brought closer to the side of the PDMS to suck up the water, water drops remain along the arrangement direction of the treated surface portions as shown in FIG.

さらに、比較的長時間(1分程度)が経過した後に、PDMSの表面を観測すると、図7(b)に示すように、図中に測定点の番号とともに示した表面処理済みの面部分のx軸方向の位置、すなわち、シート部材14の上面と焦点位置Fとの距離によって、PDMSの表面上に残る水滴の量が異なった状態となる。これは、各表面処理済みの面部分での親水化処理の程度を示すものであり、このような結果を参照して、シート部材14に対するレーザ光Lの集光位置Fの好適な設定についての評価を行うことができる。   Further, when the surface of the PDMS is observed after a relatively long time (about 1 minute), as shown in FIG. 7B, the surface treated surface portion indicated with the number of the measurement point in the drawing is displayed. Depending on the position in the x-axis direction, that is, the distance between the upper surface of the sheet member 14 and the focal position F, the amount of water droplets remaining on the surface of the PDMS varies. This indicates the degree of hydrophilization treatment in each surface-treated surface portion. With reference to such a result, the preferred setting of the condensing position F of the laser beam L with respect to the sheet member 14 is described. Evaluation can be made.

また、ステージ20のz軸方向への走査により、レーザ光Lの焦点位置FがPDMSの表面に近づくと、PDMSの変形や付着物が現れる場合がある。親水化処理の対象であるシート部材14に対するレーザ光Lの集光位置(ビームウエストの位置)については、親水化条件に加えてこのような条件をも考慮して、試料操作素子の操作構造内においてPDMSの表面から適切な距離となるように設定することが好ましい。   Further, when the focal position F of the laser beam L approaches the surface of the PDMS due to the scanning of the stage 20 in the z-axis direction, deformation of the PDMS and attached matter may appear. Regarding the condensing position (beam waist position) of the laser beam L with respect to the sheet member 14 to be subjected to the hydrophilization treatment, in addition to the hydrophilization conditions, such conditions are also taken into consideration in the operation structure of the sample operation element. It is preferable that the distance is set to be an appropriate distance from the surface of the PDMS.

続いて、試料操作素子に対する表面処理の具体的な実施例について説明する。図8は、試料操作素子10の具体的な構成の一例を示す図である。図8においては、シート部材14の下面における凹状構造部16、及びそれによる試料操作素子10での操作構造17のxy面内での平面構造パターンを示している。本実施例では、試料の操作構造17をトラップ型の構成とした場合の試料操作素子10を表面処理の対象としている。ここで、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標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(非特許文献1参照)。   Next, a specific example of the surface treatment for the sample manipulation element will be described. FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a specific configuration of the sample manipulation element 10. In FIG. 8, the planar structure pattern in the xy plane of the concave structure part 16 in the lower surface of the sheet | seat member 14, and the operation structure 17 by the sample operation element 10 by it is shown. In this embodiment, the sample operation element 10 in the case where the sample operation structure 17 has a trap type configuration is the target of the surface treatment. Here, 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 (see Non-Patent Document 1).

図8に示す構成例では、試料の操作構造17は、試料溶液の入力口81と出力口82との間に設けられたトラップ流路部83によって構成されている。トラップ流路部83は、入力口81側にある第1トラップ流路部84と、出力口82側にある第2トラップ流路部85との2段階の流路部によって構成されている。第1トラップ流路部84は、入力口81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、第2トラップ流路部85は、第1トラップ流路部84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82に出力するように構成されている。   In the configuration example shown in FIG. 8, the sample operation structure 17 includes a trap channel portion 83 provided between the sample solution input port 81 and the output port 82. The trap channel portion 83 is constituted by a two-stage channel portion including a first trap channel portion 84 on the input port 81 side and a second trap channel portion 85 on the output port 82 side. The first trap channel 84 is configured to flow the sample solution from the input port 81 from right to left while meandering up and down. The second trap channel portion 85 is configured to flow the sample solution from the first trap channel portion 84 from the left to the right while meandering up and down and to output to the output port 82.

トラップ流路部83には、その上下に蛇行する主流路に加えて、隣り合う主流路の間をショートカットする複数のショートカット流路86が設けられている。ショートカット流路86は、それぞれ、主流路と同一の流路幅の上流側流路部分87と、主流路よりも細い流路幅の下流側流路部分88とによる段差構造を有して構成されている。   In addition to the main flow path meandering up and down, the trap flow path section 83 is provided with a plurality of shortcut flow paths 86 for performing a shortcut between adjacent main flow paths. Each of the shortcut channels 86 has a step structure including an upstream channel portion 87 having the same channel width as the main channel and a downstream channel portion 88 having a channel width narrower than the main channel. ing.

このような流路構成の試料操作素子10において、入力口81から出力口82へと順方向に試料溶液S6を流すと、図9(a)、(b)に模式的に示すように、ショートカット流路86の段差部分において、溶液S6中の目標物質(例えばビーズ)S7がトラップされる。また、この状態で出力口82から入力口81へと逆方向に試料溶液S6を流すと、図9(c)に示すように、ショートカット流路86にトラップされていた目標物質S7が解放される。例えば、流路86において、上流側流路部分87の幅を6μm、下流側流路部分88の幅を2μmとすれば、2μm以上の大きさを持つビーズなどの目標物質S7を段差部分にトラップすることができる。   In the sample operating element 10 having such a flow path configuration, when the sample solution S6 is flowed in the forward direction from the input port 81 to the output port 82, as schematically shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b), a shortcut is performed. In the step portion of the flow path 86, the target substance (for example, beads) S7 in the solution S6 is trapped. In this state, when the sample solution S6 is flowed in the reverse direction from the output port 82 to the input port 81, the target substance S7 trapped in the shortcut channel 86 is released as shown in FIG. 9C. . For example, in the channel 86, if the width of the upstream channel portion 87 is 6 μm and the width of the downstream channel portion 88 is 2 μm, the target substance S7 such as beads having a size of 2 μm or more is trapped in the step portion. can do.

このようなトラップ流路部83を有する試料操作素子10に対し、図10(a)に模式的に示すように、ショートカット流路86の段差部分を構成する上流側流路部分87内においてレーザ光Lの照射による表面処理を行うと、図10(b)に破線によって示すように、段差部分におけるPDMSシート部材の内側表面のみが選択的に親水化される。さらに、図10(c)に示すように、シランカップリング剤による修飾、マレイミドNTAによる反応、NiCLによるNi化の処理を行ったところ、Hisを表面に修飾したビーズをショートカット流路86にトラップすることができた。 With respect to the sample manipulating element 10 having such a trap channel portion 83, laser light is emitted in the upstream channel portion 87 constituting the step portion of the shortcut channel 86, as schematically shown in FIG. When the surface treatment is performed by irradiation with L, only the inner surface of the PDMS sheet member at the stepped portion is selectively hydrophilized as shown by the broken line in FIG. Further, as shown in FIG. 10 (c), when the modification with the silane coupling agent, the reaction with maleimide NTA, and the Ni formation with NiCL 2 were performed, the beads modified with His on the surface were trapped in the shortcut channel 86. We were able to.

また、この場合、逆方向に溶液を流しても、ビーズはショートカット流路86から解放されることはなかった。続いて、高濃度のイミダゾール水溶液(500mM)を流路に流し、その後、溶液を逆に流したところ、ビーズは解放された。このことは、レーザ光Lの照射によるレーザ発生プラズマによって、ショートカット流路86の段差部分が確かに、局所的に親水化され、活性化されたことを示すものである。   In this case, the beads were not released from the shortcut channel 86 even when the solution was flowed in the opposite direction. Subsequently, a high-concentration imidazole aqueous solution (500 mM) was allowed to flow through the flow path, and then the solution was allowed to flow in reverse, releasing the beads. This indicates that the stepped portion of the shortcut channel 86 is surely locally hydrophilized and activated by the laser-generated plasma generated by the irradiation with the laser beam L.

以下、レーザ発生プラズマによる親水化過程と、その後の化学反応手順について説明する。まず、操作構造パターンを形成したPDMSシート部材14と、下部基板12であるスライドガラスとを用意する。スライドガラスは、あらかじめ、20NKOHに一晩浸漬し、MilliQ水で洗浄し、乾燥させておく。   Hereinafter, the hydrophilization process by laser generated plasma and the subsequent chemical reaction procedure will be described. First, a PDMS sheet member 14 on which an operation structure pattern is formed and a slide glass as the lower substrate 12 are prepared. The slide glass is preliminarily soaked overnight in 20NKOH, washed with MilliQ water, and dried.

これらのPDMSシートと、スライドガラスとの両者に対して、あらかじめ、プラズマクリーナ((株)真空デバイス社製、プラズマイオンボンバーダPIB−10型)を用いて、2分間のプラズマ暴露を行う。そして、処理面を貼り合わせて、ホットプレート上で100℃、2分間で処理を行うと、両者は強固に結合する。こうしてPDMSシートとスライドガラスとを貼り合わせた試料操作素子10では、PDMSシートに作成された流路構造の内部は親水的であるため、数時間、大気中に放置する。   Both of these PDMS sheets and the slide glass are preliminarily exposed to plasma for 2 minutes using a plasma cleaner (manufactured by Vacuum Device Co., Ltd., Plasma Ion Bomber PIB-10 type). And if a process surface is bonded together and it processes on a hotplate at 100 degreeC for 2 minutes, both will couple | bond firmly. In the sample manipulation element 10 in which the PDMS sheet and the slide glass are thus bonded, the inside of the flow path structure created in the PDMS sheet is hydrophilic and is left in the atmosphere for several hours.

次に、PDMSシートを貼り付けたスライドガラスを、倒立型顕微鏡(図3参照)のステージ上に設置し、目的とする位置に焦点を合わせた後、パルスレーザ光を数秒間にわたって照射する。PDMSパターンの面より数μmの位置でレーザ光がフォーカスし、プラズマが発生するようにあらかじめ調整してある。ここで、パルスレーザ光Lとしては、上述したQ−スイッチNd:YAGレーザからの波長532nmの倍波を用いた。このときのレーザ発生プラズマの効果は、プラズマクリーナを用いた場合とほぼ同じで、バルクなPDMSシートにレーザ光を照射した場合、その直後は親水性をはっきりと確認でき、また、水中であれば親水性が保持されるが、大気中では親水性が10分程度で失われる。   Next, the slide glass with the PDMS sheet attached is placed on the stage of an inverted microscope (see FIG. 3), focused on a target position, and then irradiated with pulsed laser light for several seconds. Adjustment is made in advance so that the laser beam is focused and plasma is generated at a position of several μm from the surface of the PDMS pattern. Here, as the pulse laser beam L, a harmonic wave having a wavelength of 532 nm from the above-described Q-switched Nd: YAG laser was used. The effect of the laser-generated plasma at this time is almost the same as when using a plasma cleaner. When a bulk PDMS sheet is irradiated with laser light, the hydrophilicity can be clearly confirmed immediately thereafter, and if it is underwater Although hydrophilicity is maintained, hydrophilicity is lost in about 10 minutes in the atmosphere.

ここで、具体的な表面処理及び試料操作の例として、レーザ発生プラズマによる親水化(活性化)において、タンパク質の高精度の精製に用いられるNi−NTA化表面の構築を試みた。HisのNiへのキレートは特異的であり、His残基の数にほぼ比例して強固になる。また、ここでは操作対象の試料において、遺伝子工学的に3つの各βサブユニットのN端に10×His−TagをのばしてあるF−ATPaseを用いた。なお、His−Tag修飾(Hisは合計30個)したF−ATPaseの精製にNi−NTAカラムを用いる場合には、500mMのイミダゾール溶液により溶出させる。また、500mMKCLでは、F−ATPaseは溶出しないことも確認してある。 Here, as a specific example of surface treatment and sample manipulation, an attempt was made to construct a Ni-NTA-modified surface used for high-precision protein purification in hydrophilization (activation) by laser-generated plasma. The chelate of His to Ni is specific and becomes stronger in proportion to the number of His residues. Further, here, F 1 -ATPase in which 10 × His-Tag is extended to the N-terminal of each of the three β subunits was used in the sample to be manipulated. When a Ni-NTA column is used for purification of His-Tag-modified (total 30 His) F 1 -ATPase, elution is performed with a 500 mM imidazole solution. It has also been confirmed that F 1 -ATPase does not elute at 500 mM KCL.

PDMSシートにおけるトラップ型の流路構造パターンは、流路幅6μmで作製した。また、ショートカット流路については、上流側流路部分を幅6μm、段差を構成する下流側流路部分を幅2μmとし、直径4μm程度のビーズをトラップできるように設計した。   The trap-type channel structure pattern in the PDMS sheet was produced with a channel width of 6 μm. The shortcut channel was designed so that the upstream channel portion had a width of 6 μm, the downstream channel portion constituting the step had a width of 2 μm, and beads having a diameter of about 4 μm could be trapped.

まず、PDMSの流路パターンのうちで、ショートカット部分の限られた領域(図10参照)に、表面処理用のパルスレーザ光を照射した後、すぐにパターンにMilliQ水を添加し、流路全体を充填する。そこに、酢酸でpHを4.0に調整した1%(W/W)γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン(モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製、シランカップリング剤TSL8380)を10倍量、流路に添加する。   First, in the PDMS flow path pattern, a region with a limited shortcut (see FIG. 10) is irradiated with a surface treatment pulse laser beam, and immediately after that MilliQ water is added to the pattern. Fill. 10 times the amount of 1% (W / W) γ-mercaptopropyltrimethoxysilane (Momentive Performance Materials, Inc., silane coupling agent TSL8380) whose pH was adjusted to 4.0 with acetic acid. Add to.

操作素子が乾かないように、ウエットチャンバ中で1時間程度静置して、10倍量の水で流路を洗浄した後、2倍量の10%DTT(ディチオスレイトール)水溶液を添加し、シランカップリング剤中のSH基を還元する。同様に、操作素子を1時間、ウエットチャンバ中に静置し、10倍量の超純水で洗浄した後、10mg/mLのMaleimido−C3−NTA(ナカライ社製、pH7.0のバッファに溶解)を2倍量添加して、ウエットチャンバ中で1時間静置する。さらに、10倍量の超純水で流路を洗浄した後、10mMNiCL水溶液を2倍量添加し、ウエットチャンバ中に20分間静置した後、10倍量の超純水で流路を洗浄して、処理を終了する。処理を終了した試料操作素子は使用するまで、ウエットチャンバ中、もしくは水中で保持する。 In order to prevent the operation element from drying, it is allowed to stand in a wet chamber for about 1 hour, and the flow path is washed with 10 times the amount of water, and then 2 times the amount of 10% DTT (dithiothreitol) aqueous solution is added. The SH group in the silane coupling agent is reduced. Similarly, the operating element was left in a wet chamber for 1 hour, washed with 10 times the amount of ultrapure water, and then dissolved in 10 mg / mL Maleimido-C3-NTA (Nacalai, pH 7.0 buffer). ) Is added twice and left in a wet chamber for 1 hour. Further, after washing the flow path with 10 times the amount of ultrapure water, 2 times the amount of 10 mM NiCL 2 aqueous solution was added and left standing in the wet chamber for 20 minutes, and then the flow path was washed with 10 times the amount of ultrapure water. Then, the process ends. The sample manipulation element that has been processed is held in a wet chamber or in water until it is used.

上記処理がなされた試料操作素子を光学顕微鏡に設置して、官能基の働きを観測する。試料は、ストレプトアビジンをコートしたポリスチレンビーズに、F−ATPaseを500:1のモル比で結合したものを用いた。ここで、F−ATPaseについては、3つのβサブユニットのC端には、それぞれ、Hisが10残基のばしてある。また、γサブユニットの先端付近にCysを改変した2つの残基をビオチン化してある(非特許文献8参照)。 The sample manipulation element subjected to the above treatment is placed in an optical microscope and the function of the functional group is observed. The sample used was a polystyrene bead coated with streptavidin and F 1 -ATPase bound at a molar ratio of 500: 1. Here, for F 1 -ATPase, His is extended by 10 residues at the C-terminals of the three β subunits. In addition, two residues obtained by modifying Cys are biotinylated near the tip of the γ subunit (see Non-Patent Document 8).

試料操作素子に試料を添加する前に、あらかじめ、5〜10mg/mLのBSA水溶液を流路に2倍量添加しておくと、流路途中での、壁面やガラス面へのポリスチレンビーズの非特異的な結合を防ぐことができる。そして、1pM程度の濃度に調整したF−ATPase付きポリスチレンビーズを流路に添加する。ここで、図11は、図8に示したトラップ型の試料操作素子における試料のトラップ状態を示す図である。図中、流路内で光って見えるものが目標物質のビーズである。溶液の流速をコントロールすると、図11に示すように、ショートカット流路の段差部分に次々とビーズがトラップされていく。 Before adding the sample to the sample manipulation element, if 5 times the amount of BSA aqueous solution of 5 to 10 mg / mL is added to the flow path in advance, the non-adherence of polystyrene beads on the wall or glass surface in the middle of the flow path. Specific binding can be prevented. Then, polystyrene beads with F 1 -ATPase adjusted to a concentration of about 1 pM are added to the flow path. Here, FIG. 11 is a diagram showing a sample trap state in the trap type sample manipulation element shown in FIG. In the figure, the target substance beads are visible in the flow path. When the flow rate of the solution is controlled, as shown in FIG. 11, beads are trapped one after another at the step portion of the shortcut channel.

水流が入力口から出力口へと流れる状態を10分程度保持すると、水流を逆転しても、ビーズはショートカット流路から解放されないままであった。また、入力口側から500mMKCLを10倍量流しても、ビーズが解放されないことを確認した。これは、出力口側からでも同様であった。   If the state where the water flow flows from the input port to the output port is maintained for about 10 minutes, the beads remain unreleased from the shortcut channel even if the water flow is reversed. Further, it was confirmed that the beads were not released even when 10 times the amount of 500 mM KCL was flowed from the input port side. This was the same from the output port side.

その後、出力口側から、10倍量の500mMイミダゾールを流したところ、10分程度たってビーズがショートカット流路から次々と解放されはじめた。このことは、ビーズがF−ATPaseのHis−Tagを介して、PDMSシートの流路パターンにおけるショートカット流路内に作成されたNiと特異的に結合していたことを意味するものである。すなわち、これは、レーザ発生プラズマにより、PDMSシートの流路パターンにおいて、ショートカット部分のみが活性化され、SH−シランカップリング剤、続いてマレイミド−C3−NTAが反応し、Niがキレートできたことを示すものである。 Thereafter, when 10 times the amount of 500 mM imidazole was allowed to flow from the output port side, the beads began to be released from the shortcut channel one after another after about 10 minutes. This means that the beads were specifically bound to Ni created in the shortcut channel in the channel pattern of the PDMS sheet via the His-Tag of F 1 -ATPase. That is, this was because the laser-generated plasma activated only the shortcut part in the flow path pattern of the PDMS sheet, and the SH-silane coupling agent and then maleimide-C3-NTA reacted to chelate Ni. Is shown.

本発明による試料操作素子の表面処理方法、及び表面処理装置は、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、表面処理の対象となる試料操作素子の構成については、具体的には上記以外にも様々な構成を用いて良い。また、表面処理装置の具体的な構成、例えば、レーザ光源及び集光光学系を含むレーザ光照射用の光学系の構成、試料操作素子を載置する処理ステージの構成等についても、図3、図5に示した構成例以外にも様々な構成を用いて良い。   The sample treatment element surface treatment method and the surface treatment apparatus according to the present invention are not limited to the above-described embodiments and configuration examples, and various modifications are possible. For example, various configurations other than the above may be specifically used for the configuration of the sample manipulation element to be subjected to the surface treatment. Further, a specific configuration of the surface treatment apparatus, for example, a configuration of an optical system for laser light irradiation including a laser light source and a condensing optical system, a configuration of a processing stage on which a sample operation element is placed, and the like are also shown in FIG. Various configurations other than the configuration example shown in FIG. 5 may be used.

本発明は、基板とシート部材とによって構成される試料操作素子に対し、その操作構造における所望の領域について選択的に親水化処理を行うことが可能な試料操作素子の表面処理方法、及び表面処理装置として利用可能である。   The present invention relates to a surface treatment method and a surface treatment for a sample manipulation element capable of selectively hydrophilizing a desired region in the manipulation structure of a specimen manipulation element constituted by a substrate and a sheet member. It can be used as a device.

1A、1B…試料操作素子の表面処理装置、10…試料操作素子、12…下部基板、13…載置面、14…上部シート部材、15…下面、16…凹状構造部、17…操作構造、18…ビームウエスト、
20…処理ステージ、30…レーザ光源、31…メカニカルシャッタ、32…メカニカルシャッタ、35…集光光学系、36、37、38…レンズ、39…ダイクロイックミラー、40…観測光源、41…コリメートレンズ、42…近赤外光透過フィルタ、43…コンデンサレンズ、44、46…反射ミラー、45…レンズ、48…CCDカメラ、
50…表面処理制御部、52…ステージ制御部、53…レーザ照射制御部、56…表示装置、57…入力装置、
81…入力口、82…出力口、83…トラップ流路部、84…第1トラップ流路部、85…第2トラップ流路部、86…ショートカット流路、87…上流側流路部分、88…下流側流路部分。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1A, 1B ... Surface treatment apparatus of sample operation element, 10 ... Sample operation element, 12 ... Lower substrate, 13 ... Mounting surface, 14 ... Upper sheet member, 15 ... Lower surface, 16 ... Concave structure part, 17 ... Operation structure, 18 ... Beam waist,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 ... Processing stage, 30 ... Laser light source, 31 ... Mechanical shutter, 32 ... Mechanical shutter, 35 ... Condensing optical system, 36, 37, 38 ... Lens, 39 ... Dichroic mirror, 40 ... Observation light source, 41 ... Collimating lens, 42 ... Near-infrared light transmission filter, 43 ... Condenser lens, 44, 46 ... Reflection mirror, 45 ... Lens, 48 ... CCD camera,
50 ... Surface treatment control unit, 52 ... Stage control unit, 53 ... Laser irradiation control unit, 56 ... Display device, 57 ... Input device,
81: input port, 82: output port, 83: trap channel, 84: first trap channel, 85: second trap channel, 86: shortcut channel, 87: upstream channel, 88 ... Downstream channel part.

Claims (8)

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の前記下面に設けられた凹状構造部によって、前記上部シート部材と前記下部基板との間に前記試料の操作を行うための操作構造が形成された試料操作素子に対する表面処理方法であって、
前記下部基板と、前記下部基板上に配置された前記上部シート部材とを有する前記試料操作素子を準備して処理ステージ上に載置する素子準備ステップと、
前記処理ステージ上の前記試料操作素子に対し、前記上部シート部材側からまたは前記下部基板側から所定の照射光軸に沿って、前記上部シート部材と前記下部基板との間に形成された前記操作構造内にビームウエストが位置する集光条件でレーザ光を照射し、前記レーザ光の集光によって生成されたプラズマにより、前記上部シート部材における前記凹状構造部の内側表面を親水化処理する表面処理ステップと
を備えるとともに、
前記表面処理ステップにおいて、前記レーザ光として、パルスレーザ光を用いて、前記操作構造の空間内に形成される前記ビームウエストにおいて、前記パルスレーザ光の集光による前記プラズマを発生させ、
前記表面処理ステップにおいて、前記試料操作素子に対する前記照射光軸に沿った前記レーザ光の前記ビームウエストの位置である集光位置を調整することで、前記集光位置とは異なる前記上部シート部材での表面処理が行われる位置に対する親水化処理の処理条件を設定することを特徴とする試料操作素子の表面処理方法。
A lower substrate on which a sample is placed on a placement surface; and an upper sheet member arranged on the lower substrate so that a lower surface thereof is in close contact with the placement surface of the lower substrate. A surface treatment method for a sample operation element in which an operation structure for operating the sample is formed between the upper sheet member and the lower substrate by a concave structure provided on the lower surface of the member,
An element preparation step of preparing the sample manipulation element having the lower substrate and the upper sheet member disposed on the lower substrate and placing the sample manipulation element on a processing stage;
The operation formed between the upper sheet member and the lower substrate along a predetermined irradiation optical axis from the upper sheet member side or the lower substrate side with respect to the sample operation element on the processing stage. Surface treatment that irradiates a laser beam under a condensing condition in which a beam waist is located in the structure, and hydrophilizes the inner surface of the concave structure portion in the upper sheet member by plasma generated by the condensing of the laser beam With steps ,
In the surface treatment step, using the pulsed laser light as the laser light, the plasma generated by condensing the pulsed laser light is generated in the beam waist formed in the space of the operation structure,
In the surface treatment step, the upper sheet member different from the condensing position is adjusted by adjusting a condensing position that is a position of the beam waist of the laser light along the irradiation optical axis with respect to the sample operating element. A surface treatment method for a sample manipulation element, characterized in that a treatment condition for hydrophilic treatment is set for a position where the surface treatment is performed .
前記表面処理ステップにおいて、前記試料操作素子に対する前記照射光軸に直交する面内での前記レーザ光の照射位置を調整することで、前記上部シート部材に対する親水化処理の処理位置を設定することを特徴とする請求項1記載の表面処理方法。 In the surface treatment step, by adjusting the irradiation position of the laser light in a plane orthogonal to the irradiation optical axis with respect to the sample manipulation element, setting the processing position of the hydrophilic treatment for the upper sheet member the surface treatment method according to claim 1 Symbol mounting features. 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または2記載の表面処理方法。 The surface treatment method according to claim 1 or 2, wherein the material constituting the upper sheet member is silicone. 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記載の表面処理方法。 The surface treatment method according to claim 3, wherein the material constituting the upper sheet member is PDMS. 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の前記下面に設けられた凹状構造部によって、前記上部シート部材と前記下部基板との間に前記試料の操作を行うための操作構造が形成された試料操作素子に対する表面処理装置であって、
前記下部基板と、前記下部基板上に配置された前記上部シート部材とを有する前記試料操作素子を載置する処理ステージと、
前記処理ステージ上の前記試料操作素子に対し、その表面処理に用いられるレーザ光を供給するレーザ光源と、
前記試料操作素子に対し、前記上部シート部材側からまたは前記下部基板側から所定の照射光軸に沿って、前記上部シート部材と前記下部基板との間に形成された前記操作構造内にビームウエストが位置する集光条件で前記レーザ光源からの前記レーザ光を照射する集光光学系と
を備え、前記操作構造内において、前記レーザ光の集光によって生成されたプラズマにより、前記上部シート部材における前記凹状構造部の内側表面を親水化処理するとともに、
前記レーザ光源は、前記レーザ光として、パルスレーザ光を供給するパルスレーザ光源であって、前記操作構造の空間内に形成される前記ビームウエストにおいて、前記パルスレーザ光の集光による前記プラズマを発生させ、
前記試料操作素子に対する前記照射光軸に沿った前記レーザ光の前記ビームウエストの位置である集光位置を調整することで、前記集光位置とは異なる前記上部シート部材での表面処理が行われる位置に対する親水化処理の処理条件を設定するための集光位置調整手段を備えることを特徴とする試料操作素子の表面処理装置。
A lower substrate on which a sample is placed on a placement surface; and an upper sheet member arranged on the lower substrate so that a lower surface thereof is in close contact with the placement surface of the lower substrate. A surface treatment apparatus for a sample operation element in which an operation structure for operating the sample is formed between the upper sheet member and the lower substrate by a concave structure provided on the lower surface of the member,
A processing stage on which the sample manipulation element having the lower substrate and the upper sheet member disposed on the lower substrate is placed;
A laser light source for supplying laser light used for the surface treatment to the sample manipulation element on the processing stage;
A beam waist in the operation structure formed between the upper sheet member and the lower substrate along the predetermined irradiation optical axis from the upper sheet member side or the lower substrate side with respect to the sample operation element. And a condensing optical system for irradiating the laser light from the laser light source under a condensing condition, and in the operation structure, in the upper sheet member by plasma generated by condensing the laser light While hydrophilizing the inner surface of the concave structure ,
The laser light source is a pulse laser light source that supplies pulse laser light as the laser light, and generates the plasma by condensing the pulse laser light at the beam waist formed in the space of the operation structure. Let
By adjusting the condensing position, which is the position of the beam waist of the laser beam along the irradiation optical axis with respect to the sample manipulation element, surface treatment is performed on the upper sheet member different from the condensing position. A surface treatment apparatus for a sample operation element, comprising: a light collecting position adjusting means for setting a treatment condition for a hydrophilic treatment for a position .
前記試料操作素子に対する前記照射光軸に直交する面内での前記レーザ光の照射位置を調整することで、前記上部シート部材に対する親水化処理の処理位置を設定するための照射位置調整手段を備えることを特徴とする請求項記載の表面処理装置。 Irradiation position adjusting means for setting the treatment position of the hydrophilic treatment on the upper sheet member by adjusting the irradiation position of the laser beam in a plane orthogonal to the irradiation optical axis with respect to the sample manipulation element. The surface treatment apparatus according to claim 5 . 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5または6記載の表面処理装置。 The surface treatment apparatus according to claim 5 or 6, wherein the material constituting the upper sheet member is silicone. 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記載の表面処理装置。 The surface treatment apparatus according to claim 7, wherein a material constituting the upper sheet member is PDMS.
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