JP6372985B2 - マイクロチップおよびマイクロチップの製造方法 - Google Patents
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マイクロチップでは、マイクロチャンネルとも呼ばれる流路に、試薬が配置された反応領域など、各種機能を有する領域を設けることにより、様々な用途に適したチップを構成できる。マイクロチップの用途としては、遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニングなどの化学、生化学、薬学、医学、獣医学の分野における分析、あるいは、化合物の合成、環境計測などが代表的である。
図12に示すように、マイクロチップ10の流入口13aに試薬溶液注入管101がセットされる。同様に、マイクロチップ10の排出口13bには試薬溶液排出管102がセットされる。試薬溶液注入管101、試薬溶液排出管102の先端にはジョイント103が設けられており、各ジョイント103が流入口13a、排出口13bと接続される。試薬は、試薬溶液注入管101からマイクロチップ10の流路14に注入される。流路14を通過した試薬は、流路14の排出口13bと接続された試薬溶液排出管102により外部へ排出される。
工程(1)において、流路14が洗浄される。工程(2)において、Au薄膜上に自己組織化膜(Self−Assembled Monolayer:SAM膜16)が形成される。工程(3)において、流路14内に残留するSAM形成用液がパージされ、流路14が洗浄される。工程(4)において、SAM膜16上(結果として金属薄膜上)に抗体Igが固定される。工程(5)において、流路内に残留する抗体含有溶液(すなわち抗体)がパージされ、流路14が洗浄される。
そして、先端部が針状に形成され流体放出口となる開口を有する流体放出手段と、この流体放出手段と同様な形状を有する流体回収手段を、上記流入口、排出口に設けられたシリコーンゲルをそれぞれ貫通させて、上記試薬配置領域を有する空間に進入させ、上記試薬配置領域である流路に、嫌気性抗体等の試薬を上記流体放出手段の開口から供給し、また、該流路に供給された試薬を上記流体回収手段の開口から回収するようにした。
図16に示すマイクロチップは、流路14の流入口13a、排出口13bは、厚みが1mm未満、好ましくは200〜300μm以下の薄板部11aにより閉塞され、更に第1のマイクロチップ基板11の上面に自己修復性封止材17が設けられた構造を有する。自己修復性封止材17としては、力が印加されると変形し、力の印加を解除すると力の印加前の形状に戻るものを用いる。例えば、粘着性ゲルであるシリコーンゲルを採用する。
なお、シリコーンゲルは金型では成型しにくい。よって、流入口、排出口のシリコーンゲルによる閉塞は、例えば、流入口13a、排出口13bの周辺部等に凹部(段差部11b)を形成し、シリコーンゲルをこの凹部(段差部11b)に流し込むことにより行われる。ここで、シリコーンゲルを流し込んで流入口13a、排出口13bを閉塞する際、シリコーンゲルが上記流路内に流入しないように、例えば薄板の部材により上記流入口13a、排出口13bを閉塞しておくのが望ましい。図16は、薄板の部材として薄板部11aが設けられた例を示す。
流体放出手段21、流体回収手段22は、ステンレス製の中空筒状部材からなり、それぞれの先端部21b、22bは閉鎖されていて、先端部形状は針状(例えば注射針のようにベベル形状(斜め形状))になっている。そのため、流体放出手段21、流体回収手段22は、容易にマイクロチップの薄板部11aと自己修復性封止材17を貫通する。
ここで上記液面レベルがSAM膜16に固定される抗体Igが試薬(溶液)により完全に浸漬される高さとなるように流体回収手段22の開口部22aの下端の位置を設定しておくことにより、SAM膜16に固定される抗体Igは空気には接触しない。
また、自己修復性封止材を貫通、離脱する注射針状流体放出手段、注射針状流体回収手段により当該自己修復性封止材に生じる孔も速やかに閉塞される。よって、注射針状流体放出手段、注射針状流体回収手段が自己修復性封止材を離脱後も閉塞空間である試薬配置領域への外部からの空気の流入を防止することが可能である。
逆に自己修復性封止材として採用するシリコーンゲルの弾性率を高くすれば上記したようなシリコーンゲルの追随(纏わりつき)に起因する自己修復性封止材の形が崩れることは無くなり、上記シリコーンゲルへの注射針状流体放出手段や注射針状流体回収手段の貫通・離脱はスムーズに行われるものの、シリコーンゲルの自己修復性が乏しくなり、自己修復性封止材の自己修復機能は作用しなくなる。
また、図16に示すように段差部11bに粘着性を有するシリコーンゲル(自己修復性封止材17)が露出していると、手で触ってしまうことも考えられ取り扱いに注意を要すするとともに、シリコーンゲルにごみ等が付着する可能性がある。シリコーンゲルは粘着性があるため、ごみ等が付着すると容易に除去することはできない。特に、上記注射針状の流体放出手段21、流体回収手段22が進入貫通する部分にごみ等が付着すると、流体放出手段21、流体回収手段22を進入貫通させる際、マイクロチップ内部にごみ等が混入することも考えられる。
また、シリコーンゲルにごみ等が付着しないように保護するとともに、マイクロチップの取り扱いを容易にし、流体放出手段、流体回収手段を貫通させる際、ごみ等がマイクロチップ内部に混入することを防ぐことができるマイクロチップおよびその製造方法を提供することである。
本発明者らが鋭意検討した結果、自己修復性機能を有するシリコーンゲル(自己修復性封止材)の流路空間と対向する面と反対側の面側に当該シリコーンゲルより弾性率が高い面状の部材をシリコーンゲル(自己修復性封止材)と一体に密着して設けることで、シリコーンゲルに注射針状の流体放出手段、流体回収手段を容易に貫通させることが可能となることを見出した。なお、上記面状の部材は、少なくとも前記流入口および排出口となる開口に対応した位置に設けられ、シリコーンゲルの全面を覆うようにしてもよいし、その一部を覆うようにしてもよい。
シリコーンゲル上に設ける面状部材としては、シリコーンゲルより弾性率が高いものを使用し、この面状部材をシリコーンゲルに一体に密着して設ける。これにより、シリコーンゲルは図18に示すように延伸せず、流体放出手段、流体回収手段は自己修復性封止材を貫通できるようになる。
これは、流体放出手段、流体回収手段が面状部材を貫通してシリコーンゲルに侵入する際、シリコーンゲルと面状部材との密着力がシリコーンゲルの延伸方向に対する延伸抑制力として作用するためと考えられる。
また、上記のように面状部材を設けることにより、表面にごみ等が付着しても容易に除去することができる。また、粘着性のあるシリコーンゲルが表面に露出する部分が少なくなるため、マイクロチップの取り扱いも容易になる。
さらに、上記面状部材(第1の面状部材)に加え、シリコーンゲルの流路空間と対向する面にも当該シリコーンゲルより弾性率が高い第2の面状の部材(マイクロチップの流入口、排出口に設けられた薄板部であってもよい)を設けることにより、注射針状の流体放出手段、注射針状流体回収手段をマイクロチップの流路から退避させる場合にも、シリコーンゲルと第2の面状部材との密着力がシリコーンゲルの延伸方向に対する延伸抑制力として作用し、シリコーンゲルから流体放出手段、流体回収手段を容易に離脱させることが可能となる
以上に基づき、本発明においては以下のようにして前記課題を解決する。
(1)内部に試薬配置領域を有する空間として流路が形成され、該流路に連通する流入口と排出口となる開口が設けられ、上記流路の開口部である流入口、排出口は共に自己修復性機能を有するシリコーンゲルにより気密に閉塞されているマイクロチップであって、上記マイクロチップは、流入口、排出口を有し、微細な溝部が設けられた第1のマイクロチップ基板と第2のマイクロチップ基板を接合し、上記微細な溝部と第2のマイクロチップ基板表面により上記流路を構成する。
上記第1のマイクロチップ基板の流入口、排出口は上記シリコーンゲルより弾性率が高い薄板の部材により閉塞され、該流入口、排出口の周辺部に段差部が形成され、該段差部の上記薄板の部材表面を含む上部表面に上記シリコーンゲルが配置され、該シリコーンゲルの上に上記シリコーンゲルより弾性率が高い面状部材が配置され、上記薄板の部材、シリコーンゲル、面状部材が密着して一体化される。
(2)内部に試薬配置領域を有する空間として流路が形成され、該流路に連通する流入口と排出口となる開口が設けられ、上記流路の開口部である流入口、排出口は共に自己修復性機能を有するシリコーンゲルにより気密に閉塞されているマイクロチップの製造方法であって、流入口、排出口の周辺部に段差部が形成され、流入口、排出口が上記シリコーンゲルより弾性率が高い薄板の部材により閉塞され、微細な溝部が形成された第1のマイクロチップ基板の上記段差部にシリコーンゲルを流し込み、シリコーンゲルと第1のマイクロチップ基板を密着させて一体化し、当該一体化の結果構成される第2の段差部に上記シリコーンゲルより弾性率が高い面状部材を設置して上記シリコーンゲルに密着させて一体化し、上から順に上記した面状部材とシリコーンゲルを上部に有する第1のマイクロチップ基板を形成し、該第1のマイクロチップ基板と第2のマイクロチップ基板とを接合して上記微細な溝部と第2のマイクロチップ基板表面により上記流路を構成しマイクロチップを形成する。
(1)自己修復性機能を有するシリコーンゲルの流路空間と対向する面と反対側の面側に当該シリコーンゲルより弾性率が高い面状の部材を、少なくとも前記流入口および排出口となる開口に対応した位置に前記シリコーンゲルと一体に密着して設けたので、シリコーンゲルからなる自己修復性封止材に注射針状の流体放出手段、流体回収手段を容易に貫通させることが可能となる。このため、自己修復性機能を有するシリコーンゲルの選定自由度の制約を少なくすることができる。
(2)シリコーンゲルからなる自己修復性封止材の流路空間と対向する面と反対側の面側にシリコーンゲルより弾性率が高い面状部材を設けたので、自己修復性封止材にごみ等が付着しないように保護することができ、また、自己修復性封止材に手が接触し取り扱いに手間取るといったことを防ぐことができ、マイクロチップの取り扱いが容易になる。さらに、面状部材にごみ等が付着しても容易に除去することができるので、流体放出手段、流体回収手段を貫通させる際、ごみ等がマイクロチップ内部に混入することを防ぐことができる。
(3)マイクロチップの流入口及び排出口が設けられた面側に、上から順に第1の面状部材、自己修復性機能を有するシリコーンゲル、第2の面状部材を一体に互に密着して設け、上記第1の面状部材および第2の面状部材を、少なくとも前記流入口および排出口となる開口に対応した位置に設け、第1の面状部材および第2の面状部材として、上記シリコーンゲルより弾性率が高い材料を用いることにより、自己修復性封止材に注射針状の流体放出手段、流体回収手段を容易に貫通させることが可能となるとともに、注射針状の流体放出手段、注射針状流体回収手段をマイクロチップの流路から退避させる際にも、流体放出手段、流体回収手段を容易に離脱させることが可能となる。
(4)面状の部材をシリコーンゲルの流路空間と対向する面の側面部とも密着して設けることにより、マイクロチップを人間の手で持つ場合等において、側面部に露出した自己修復性封止材に手等が接触し取り扱いに手間取るといった問題を回避することができる。
(5)流路の開口部である流入口、排出口が共にシリコーンゲルより弾性率が高い材料からなる薄板部により閉塞されているマイクロチップにおいて、上記薄板部により閉塞されている部分の流路空間と対向する面側に、自己修復性機能を有するシリコーンゲルを当該薄板部に対して一体に密着して設けることにより、薄板部が上記面状の部材と同様に機能し、自己修復性封止材に流体放出手段、流体回収手段を容易に貫通させることができる。このため、自己修復性機能を有するシリコーンゲルの選定自由度の制約を少なくすることが可能となる。また、薄板部に面状部材の機能を持たせた構造であるので、マイクロチップの構造を簡単にすることができる。
図1(a)は本発明に係るマイクロチップ10の外観図であり、図1(b)は、図1(a)のA−A断面図である。なお、理解を容易にするために、図1(a)においては一部簡略化されている。
面状部材30は、自己修復性封止材17を構成するシリコーンゲルより弾性率が高く、シリコーンゲルとの密着性が比較的良好な材料からなり、自己修復性があるシリコーンゲルが流体放出手段21、流体回収手段22の進入方向に延伸するのを抑制する機能を有する。
まず、注射針状の流体放出手段21、流体回収手段22を矢印A方向に駆動し、面状部材30に進入させる。面状部材30は、自己修復性封止材17より弾性率が高い材料からなるので、自己修復機能は殆ど無く、また伸縮性も乏しい(もしくは、伸縮性はない)。よって、面状部材30に進入する注射針状の流体放出手段21、流体回収手段22により、面状部材30には貫通孔が生じる。
面状部材30を貫通した流体放出手段21、流体回収手段22は自己修復性封止材17に到達する。
しかしながら、今回のマイクロチップ10の場合、自己修復性機能を有するシリコーンゲル(自己修復性封止材17)の上部に当該シリコーンゲルに対して密着性が良好な面状部材30が設けられており、逆方向である矢印C方向に面状部材30から自己修復性封止材17を剥離する方向である矢印A方向に対して、剥離に抵抗する方向である矢印C方向に抵抗力が生じる。
マイクロチップ10には流入口13aと排出口13bを有する、例えば幅10〜数100μm、深さ10〜数100μm程度の微細な流路14が形成されている。具体的には、第1のマイクロチップ基板11に形成された微細な溝部と第2のマイクロチップ基板12の表面とにより、上記流路14が構成される。流路14内には金属薄膜15が設置される。金属薄膜15は流路14内の第2のマイクロチップ基板12の表面上に設けられる。金属薄膜15はクロム(Cr)、チタン(Ti)等の薄膜上に金(Au)薄膜が積層された構造を有する。
今回、面状部材30としては、厚み50μmのシリコーンシート(PDMS)を使用した。なお、この場合の面状部材30の弾性率は前記したように、1×106〜1×107N/m2である。
なお、上記面状部材30としては、上記以外に例えば、PMMA(ポリメタクリル酸メチル樹脂:Poly Methyl Methacrylate)、PET(ポリエチレンテレフタラート:Polyethylene terephthalate)等の樹脂シート等を用いることができる。ここで、PMMAの弾性率は、3.1×109N/m2であり、PETの弾性率は、3.1〜4.1×109N/m2である。
第1のマイクロチップ基板11は、例えば、信越シリコーン社製のシリコーン樹脂X−32からなるシリコーン樹脂基板であり、第2のマイクロチップ基板12はガラス基板である。
図3(a)に示すように、まずシリコーン樹脂(X−32)73が第1の金型71および第2の金型72により成形され、第1のマイクロチップ基板11が形成される。
次に、図3(b)に示すように、シリコーン樹脂73が固化後、第2の金型72が取り外される。
粘着性ゲル17は接着性が強く、金型を用いた場合、金型と粘着性ゲルとが接着されて当該金型を取り外すことができない。すなわち、金型を用いた射出成形を行うことが難しい。
よって、今回は金型の代わりに、シリコーン樹脂基板そのものを使用することにより、粘着性ゲルを成形した。
次いで、図4(f)に示すように、上部に面状部材30、自己修復性封止材17が設けられた第1のマイクロチップ基板11とガラス基板である第2のマイクロチップ基板12とを接合することにより、図4(g)(図1(b))に示すように、本発明のマイクロチップ10を得る。
第1のマイクロチップ基板11と第2のマイクロチップ基板12との接合は、例えば、特許文献2に示されているように、両マイクロチップ基板の接合面に波長220nm以下の紫外線(例えば、キセノンエキシマランプから放出される中心波長172nmの紫外線)を照射して、紫外線が照射された接合面同士を密着させることにより行われる。
なお、薄板部11aは、注射針状の流体放出手段21、注射針状流体回収手段22をマイクロチップ10の流路14から退避させる場合、自己修復性封止材17と薄板部11aとの密着力が自己修復性封止材17の延伸方向(流体放出手段21、流体回収手段22の退避方向)に対する延伸抑制力として作用するので、結果として自己修復性封止材17から流体放出手段21、流体回収手段22を容易に離脱させることが可能となる。
このため、流体放出手段21、流体回収手段22を自己修復性封止材17から離脱させる際、シリコーンゲルが延伸して流体放出手段21、流体回収手段22からなかなか離脱しないといった問題を回避することができる。
図1に示す本発明のマイクロチップ10においては、金型と粘着性ゲルとの接着によって金型の取り外しが困難となる問題を回避するために、第1のマイクロチップ基板11に第1の段差部11bを設けて、第1のマイクロチップ基板上に粘着性ゲルを形成した。
図5に示すマイクロチップ10においては、第1の段差部11bを設けることなく、流路14の流入口13a、排出口13bに設けた1mm未満、好ましくは200〜300μm程度の薄膜部11aの外側(薄板部11aの流路14に面する側と反対側)に自己修復性封止材17を設けた構造である。後で述べるように、図5に示すマイクロチップ10を製造する際、金型と粘着性ゲルとが接着されることはない。
なお、図5(a)は、マイクロチップは側面部において自己修復性封止材17が露出している例を示すが、図5(b)に示すように、面状部材30に曲げ部30aを設け、マイクロチップ10の側面部において自己修復性封止材17が露出しないように構成してもよい。
第1のマイクロチップ基板11は、例えば、信越シリコーン社製のシリコーン樹脂X−32からなるシリコーン樹脂基板であり、第2のマイクロチップ基板12はガラス基板である。
図6(a)に示すように、まずシリコーン樹脂(X−32)が第1の金型および第2の金型72により成形され、第1のマイクロチップ基板11が形成される。
次に、図6(b)に示すように、シリコーン樹脂73が固化後、第1、第2の金型71,72が取り外される。図6(b)に示す第1のマイクロチップ基板11においては、下部が後で述べる第2のマイクロチップ基板12との接合面であり、上部には薄板部11aが設けられる。なお、図1に示すマイクロチップ10とは異なり、上部の薄板部11aが設けられた表面は、第1の段差部11bのような段差が無い平面となっている。
一方、面状部材30(例えば、信越シリコーン社製のシリコーン樹脂X−32からなるシリコーンシート)がプレス装置の加熱板(固定側)76に載置され、このシリコーンシート(面状部材30)上に封止材供給器75により液状の自己修復性封止材(例えば信越シリコーン社製X−40−3331−2)が供給される。
第1のマイクロチップ基板11と第2のマイクロチップ基板12との接合は、例えば、特許文献2に示されているように、両マイクロチップ基板の接合面に波長220nm以下の紫外線(例えば、キセノンエキシマランプから放出される中心波長172nmの紫外線)を照射して、紫外線が照射された接合面同士を密着させることにより行われる。
このような不具合を回避するために、前述した図5(b)のように、面状部材30の端部(マイクロチップ10における側面部側端部)において、面状部材30と第1のマイクロチップ基板11とが直接接触するように曲げ部30aを設け、マイクロチップ10の側面部において自己修復性封止材17が露出しないようにしてもよい。
なお、図5(b)に示すマイクロチップの製造方法は、前記図6(c)(d)において、面状部材30に曲げ部30aが設けられたものを使用すること、図7(e)に示す第1のマイクロチップ基板11の側面部から突出した部分を切断する工程が不要なこと、を除き図5(a)に示すマイクロチップの製造方法と同様である。
本構造は、薄板部11aに面状部材30の機能を持たせた構造である。図1に示す構造と同様、自己修復性封止材17は、薄板部11aを含む第1のマイクロチップ基板11との密着性が良好である。よって、マイクロチップ10の流入口13a、排出口13bにそれぞれ設けられた薄板部11aに対し注射針状の流体放出手段21、流体回収手段22が進入する際、薄板部11aと自己修復性封止材17との密着力が自己修復性封止材17の延伸方向に対する延伸抑制力として作用する。
また、薄板部11aに面状部材30の機能を持たせた構造であるので、別途、面状部材30を形成する必要がなく、マイクロチップ10の構造もシンプルに出来る。
なお、この場合には、自己修復性封止材17の流路14側に面状部材あるいは薄板部が設けられていないので、図1、図5に示したものと比べ、流体放出手段21、流体回収手段22を自己修復性封止材17から離脱させにくくなる。
流体放出手段21、流体回収手段22を自己修復性封止材17から容易に離脱させるようにする必要がある場合には、図8において、自己修復性封止材17の流路14側の面に面状部材を設けることも考えられる。
本構造は、自己修復性封止材17を第1の面状部材31と第2の面状部材32とで挟み、第2の面状部材32と第1のマイクロチップ基板11とを接合してなるものである。
本構造のマイクロチップ10は、まず第1の面状部材31の上に自己修復性封止材17が供給され、供給された自己修復性封止材の上部に第2の面状部材32が配置され、熱成形等により第1の面状部材31、自己修復性封止材、第2の面状部材32が一体化される。この一体化構造における第2の面状部材32の表面と別途成形された第1のマイクロチップ基板11の流入口13a、排出口13bが設けられた面とが接合される。そして、第1のマイクロチップ基板11の自己修復性封止材17が設けられた側と反対側表面と、第2のマイクロチップ基板12とが接合される。
すなわち、第2の面状部材32は、図1や図5に示すマイクロチップの薄板部11aと同様の作用を奏する。
すなわち、図9に示した第1のマイクロチップ基板11に薄板部11aを設けない場合であっても、前記図6(d)の工程において、押圧板74の加圧力を適宜調整すれば、自己修復性封止材17が第1のマイクロチップ基板11の流入口13a、排出口13b内に流入しないようにすることができる。したがって、図10に示すような構成も可能である。なお、この場合には、第2の面状部材32が設けられていないので、図9に示したものと比べ、流体放出手段21、流体回収手段22を自己修復性封止材17から離脱させにくくなるものと考えられる。
11 第1のマイクロチップ基板
11a 薄板部
11b,11c 段差部
12 第2のマイクロチップ基板
13a 流入口
13b 排出口
15 金属薄膜
17 自己修復性封止材
21 注射針状流体放出手段
22 注射針状流体回収手段
30 面状部材
30a 曲げ部
31 第1の面状部材
32 第2の面状部材
71 第1の金型
72 第2の金型
73 シリコーン樹脂
74 押圧板
75 封止材供給器
76 加熱板
Claims (2)
- 内部に試薬配置領域を有する空間として流路が形成され、該流路に連通する流入口と排出口となる開口が設けられ、上記流路の開口部である流入口、排出口は共に自己修復性機能を有するシリコーンゲルにより気密に閉塞されているマイクロチップであって、
上記マイクロチップは、流入口、排出口を有し、微細な溝部が設けられた第1のマイクロチップ基板と第2のマイクロチップ基板を接合し、上記微細な溝部と第2のマイクロチップ基板表面により上記流路を構成したものであって、
上記第1のマイクロチップ基板の流入口、排出口が上記シリコーンゲルより弾性率が高い薄板の部材により閉塞され、該流入口、排出口の周辺部に段差部が形成され、該段差部の上記薄板の部材表面を含む上部表面に上記シリコーンゲルが配置され、該シリコーンゲルの上に上記シリコーンゲルより弾性率が高い面状部材が配置され、上記薄板の部材、シリコーンゲル、面状部材が密着して一体化されている
ことを特徴とするマイクロチップ。 - 内部に試薬配置領域を有する空間として流路が形成され、該流路に連通する流入口と排出口となる開口が設けられ、上記流路の開口部である流入口、排出口は共に自己修復性機能を有するシリコーンゲルにより気密に閉塞されているマイクロチップの製造方法であって、
流入口、排出口の周辺部に段差部が形成され、流入口、排出口が上記シリコーンゲルより弾性率が高い薄板の部材により閉塞され、微細な溝部が形成された第1のマイクロチップ基板の上記段差部にシリコーンゲルを流し込み、シリコーンゲルと第1のマイクロチップ基板を密着させて一体化し、
当該一体化の結果構成される第2の段差部に上記シリコーンゲルより弾性率が高い面状部材を設置して上記シリコーンゲルに密着させて一体化し、上から順に上記した面状部材とシリコーンゲルを上部に有する第1のマイクロチップ基板を形成し、
該第1のマイクロチップ基板と第2のマイクロチップ基板とを接合して上記微細な溝部と第2のマイクロチップ基板表面により上記流路を構成しマイクロチップを形成する
ことを特徴とするマイクロチップの製造方法。
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