JPWO2012060186A1 - マイクロチップ、及び、マイクロチップの製造方法 - Google Patents

Abstract

精度の高い流路形状を備えており、容易かつ安定的に量産するのに適しており、更に、ＰＣＲに利用可能なマイクロチップ、及び、マイクロチップの製造方法を提供する。片側の表面に流路用溝が設けられた基板と、この片側の基板面に熱接合されたカバー部材と、を備え、カバー部材は、積層された複数の層を備え、隣接するこれらの層同士を接合することで形成され、カバー部材の複数層のうち、基板から最も遠い第１の層を構成する材質の第１荷重たわみ温度は、マイクロチップ使用時に設定される加熱温度より高く、カバー部材の複数層のうち、基板と接合される第２の層を構成する材質の第２荷重たわみ温度は、第１荷重たわみ温度より低いことを特徴とする。

Description

本発明は、ＰＣＲに利用可能なマイクロチップ、及び、マイクロチップの製造方法に関する。

従来、微細加工技術を利用してシリコンやガラス基板上に微細な流路や回路を形成し、微小空間で核酸、タンパク質、又は血液などの液体試料の化学反応や、分離、分析などを行うマイクロチップ（マイクロ分析チップやマイクロ流体チップとも称される）、或いは、マイクロチップを用いたμＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ）と称される装置が実用化されている。このようなマイクロチップによれば、サンプルや試薬の使用量又は廃液の排出量が軽減され、省スペースで持ち運び可能な安価なシステムの実現が可能となる。

マイクロチップは、少なくとも一方の部材に微細加工が施された２つの部材を貼り合わせることにより製造される。より具体的には、マイクロチップを製造するためには、表面に流路用溝を有する基板と、流路用溝をカバーするカバー部材（例えば、フィルム）とを接合する。このとき、基板とフィルムとは、熱接合させるのが好ましい。これは、フィルムと基板との接合に接着剤を用いると、この接着剤が流路用溝にはみ出して流路用溝を狭めたり、導入された試料と反応したりするという問題が生じることによる。流路用溝を有する基板には、流路用溝の終端等に、厚さ方向に貫通する貫通孔が形成されている。そして、流路用溝を内側にして、表面に流路用溝を有する基板と、カバー部材とを接合する。この接合によって、カバー部材が流路用溝の蓋として機能し、流路用溝とカバー部材とによって流路が形成される。これにより、内部に流路を有するマイクロチップが製造される。また、基板に形成された貫通孔によって、流路とマイクロチップの外部とが繋がり、貫通孔を介して、液体試料の導入や排出などが行われる。

このマイクロチップを用いた分析や解析を容易に行うには、マイクロチップ自体も容易に安定して量産可能である必要がある。そこで、近年は、容易に低コストで製造可能な樹脂製のマイクロチップが提案されている。特許文献１には、用途に応じて用いる樹脂を選択し、例えば、耐熱性が要求される場合には、熱硬化性樹脂を選択して流路用溝を形成する技術について記載されている。

また、特許文献２には、マイクロチップの素材として親水性樹脂を用いたり、疎水性樹脂に親水性付与材や親水性ポリマーを添加させて親水性を付与したりすることで、試料がマイクロチップの接触部分に吸着して残留することを防ぐ技術について記載されている。

特開２００４−２７６１２４号公報 特開２００３−１５９５２６号公報

このようなマイクロチップでは、ＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応、polymerase chain reaction）や電気泳動を用いた遺伝子解析を行うこともできる。ＰＣＲを用いた遺伝子解析（以下、ＰＣＲ法という）では、２本鎖ＤＮＡを含む溶液を高温（例えば、約９５℃）で加熱することにより１本鎖ＤＮＡに変性させ、その後、この１本鎖ＤＮＡを含む溶液を、例えば、約６０℃まで冷却していく。これにより、長い１本鎖ＤＮＡの一部にプライマーが結合する（アニーリング）。この溶液をプライマーの分離が起きず、かつ、ＤＮＡポリメラーゼの活性に適した温度（例えば、約７２℃）まで再び加熱すると、プライマーが結合した部分を起点として１本鎖部分と相補的なＤＮＡが合成される。このような加熱／冷却工程を短周期で繰り返すことにより、標的ＤＮＡを増幅・培養する（遺伝子増幅）ことができる。なお、ＰＣＲ法により得た産物は、この後、電気泳動法（アガロース電気泳動法、キャピラリ電気泳動法）にかけられて標的物質の検出が行われる。

ＤＮＡが含まれる溶液は、ヒータにより加熱される。このヒータは、マイクロチップにおける加熱部位の表面で、カバー部材、または、基材と接触するように配置される。マイクロチップのカバー部材や基材を構成する樹脂は、熱伝導性が低く、マイクロチップとヒータとの接触面は、溶液温度以上、例えば、約１１０℃にまで加熱される。従って、ヒータと接触する基板やカバー部材に用いられる樹脂の材質には、この温度に対する耐熱性が要求される。しかしながら、少なくとも一方がＰＣＲ法で要求される耐熱性を有する（以後、高耐熱性と記す）樹脂であるカバー部材と基板とを熱接合させる場合には、以下のように問題が生じる。

図８Ａ、図８Ｂは、高耐熱性の樹脂によるフィルムを基板と熱接合する場合の接合断面を示した図である。

図８Ａには、高耐熱性樹脂によるカバー部材としてのフィルムを高耐熱性樹脂の基板と熱接合させる場合の接合断面図を示す。基板３とフィルム４とが何れも高耐熱性の場合には、高温で基板３及びフィルム４を接合する結果、フィルム４が破線で示される元の形状から変形したり撓んだりすることで流路用溝３０に押し込まれてしまい、その結果、流路の形状が不均一になったり、閉塞されてしまったりしてしまうという問題が生じる。

一方、図８Ｂには、荷重たわみ温度がＰＣＲ法で要求される耐熱性を有しない（以下、低耐熱性と記す）樹脂の基板と高耐熱性樹脂のフィルムとを熱接合する場合の接合断面図を示す。このとき、フィルム４の荷重たわみ温度に合わせた温度で熱接合を行うことで、基板３が必要以上に軟化してしまう。従って、破線で示した元の基板３及びフィルム４の位置に対し、フィルム４をプレスして熱接合させる際に基板３が圧縮されて流路用溝３０が浅くなってしまうという問題が生じる。
なお、荷重たわみ温度（ＨＤＴ）とは、ＩＳＯ規格７５−１、７５−２（ＡＳＴＭ Ｄ６４８，ＪＩＳ７１９１）に規定された、樹脂の熱的特性（耐熱性など）を表す指標の一つであり、試験法規格に決められた荷重を与えた状態で試料の温度を上げていった場合、撓みの大きさが一定の値になる温度を示すものである。本件明細書においては、ＩＳＯ規格７５−２（０．４５ＭＰａ）での荷重たわみ温度を示すものとする。
このように、フィルムと基板との接合において、流路の形状が正確に保持されるようにすることが必要であることに加え、マイクロチップをＰＣＲ法に利用する場合は、チップが高温に曝され、かつ、比較的広い範囲で繰り返し温度変化を受けることになる。このため、従来のマイクロチップでは、流路に変形を生じたり、フィルムに剥がれが生じたりする恐れがあった。

本発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、精度の高い流路形状を備えており、容易かつ安定的に量産するのに適しており、更に、ＰＣＲに利用可能なマイクロチップ、及び、マイクロチップの製造方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
片側の表面に流路用溝が設けられた基板と、当該基板の前記片側の表面に熱接合されたカバー部材と、を備え、
前記カバー部材は、積層された複数の層を備え、隣接する当該層同士を接合することで形成され、
前記カバー部材の複数層のうち、前記基板から最も遠い第１の層を構成する材質の第１荷重たわみ温度は、マイクロチップ使用時に設定される加熱温度より高く、
前記カバー部材の複数層のうち、前記基板と接合される第２の層を構成する材質の第２荷重たわみ温度は、前記第１荷重たわみ温度より低いことを特徴とするマイクロチップである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のマイクロチップにおいて、
前記カバー部材の前記第２の層の材質と、前記基板の材質とは同一、又は、同じ種類の樹脂を用いたものであることを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のマイクロチップにおいて、
前記基板の前記片側の表面には、前記流路用溝に連通する反応室用凹部が設けられており、前記カバー部材を熱接合することで形成される反応室の容積が、１０ｍｍ^３〜１００ｍｍ^３の範囲内の値であることを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載のマイクロチップにおいて、
前記第１の層の厚さが、５０μｍ〜２００μｍの範囲内の値であることを特徴としている。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載のマイクロチップにおいて、
前記第２の層の厚さが、５０μｍ〜２００μｍの範囲内の値であることを特徴としている。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５の何れか一項に記載のマイクロチップにおいて、
前記カバー部材を構成する複数の層が接着剤を介さずに互いに熱融着されていることを特徴としている。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜５の何れか一項に記載のマイクロチップにおいて、
前記第１の層の、前記カバー部材全体の厚みに占める割合が半分以下であることを特徴としている。

請求項８に記載の発明は、請求項１〜５の何れか一項に記載のマイクロチップにおいて、
前記隣接するカバー部材同士は、接着層を介して接合されることを特徴としている。

請求項９に記載の発明は、請求項８に記載のマイクロチップにおいて、
前記接着層の厚さが３０μｍ以下であることを特徴としている。

請求項１０に記載の発明は、請求項８又は９に記載のマイクロチップにおいて、
前記第１の層の、前記接着層を除く前記カバー部材全体の厚みに占める割合が半分以下であることを特徴としている。

請求項１１に記載の発明は、請求項１〜１０の何れか一項に記載のマイクロチップにおいて、
前記カバー部材の前記基板に対向する面に、導電性の通電部が形成されていることを特徴としている。

請求項１２に記載の発明は、
マイクロチップ使用時に設定される加熱温度より高い第１荷重たわみ温度を有する材質により構成される第１の層と、前記第１荷重たわみ温度より低い第２荷重たわみ温度を有する材質により構成される第２の層とが複数の層の両端に配置されるように積層し、隣接する当該層同士を接合することでカバー部材を形成し、
片側の表面に流路用溝が設けられた基板の当該片側の表面に、前記第２荷重たわみ温度よりも高温、かつ、前記第１荷重たわみ温度よりも低温で、前記カバー部材の前記第２の層を熱接合させることを特徴とするマイクロチップの製造方法である。

請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載のマイクロチップの製造方法において、
前記複数の層を接着層によって接合して前記カバー部材を作製することを特徴としている。

請求項１４に記載の発明は、請求項１２に記載のマイクロチップの製造方法において、
前記複数の層を、接着層を介さずに熱融着して前記カバー部材を作製することを特徴としている。

請求項１５に記載の発明は、請求項１２〜１４の何れか一項に記載のマイクロチップの製造方法において、
加熱された熱板によって前記基板と前記カバー部材とを挟み、前記熱板によって圧力を加えて所定時間保持することで、前記基板と前記カバー部材の前記第２の層とを熱接合することを特徴としている。

請求項１６に記載の発明は、請求項１２〜１５の何れか一項に記載のマイクロチップの製造方法において、
前記カバー部材の、前記基板と対向する面に、印刷によって導電性の通電部をパターニングすることを特徴としている。

本発明によれば、精度の高い流路形状を備えており、ＰＣＲにも利用可能であり、更に、容易かつ安定的に量産し得る、マイクロチップ、及び、マイクロチップの製造方法を提供することができる。

検査装置の外観構成を示す図である。 検査装置の内部構成を示す模式図である。 マイクロチップの概略構成を示す平面図である。 マイクロチップを側方から見た内部形状を示す透視図である。 マイクロチップを側方から見た内部形状を示す透視図である。 マイクロチップの概略構成を示す平面図である。 マイクロチップを側方から見た内部形状を示す透視図である。 マイクロチップを側方から見た内部形状を示す透視図である。 マイクロチップの概略構成を示す平面図である。 マイクロチップを側方から見た内部形状を示す透視図である。 マイクロチップを側方から見た内部形状を示す透視図である。 実験例のマイクロチップの評価結果を示す図表である。 実験例のマイクロチップの評価結果を示す図表である。 基板とフィルムとの接合断面の模式図である。 基板とフィルムとの接合断面の模式図である。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。

（１．検査装置）
最初に、本実施の形態における検査装置について、図１および図２を用いて説明する。
図１は検査装置１の外観構成の一例を示す斜視図であり、図２は検査装置１の内部構成の一例を示す模式図である。

図１に示すように、検査装置１は、マイクロチップ２を載置するためのトレイ１０と、図示しないローディング機構によってトレイ１０上からマイクロチップ２が搬入される搬送口１１と、検査内容や検査対象のデータ等を入力するための操作部１２と、検査結果を表示するための表示部１３等とを備えている。

また、この検査装置１は、図２に示すように、送液部１４と、加熱部１５と、電圧印加部１８と、検出部１６と、駆動制御部１７等とを備えている。

（１−１．送液部）
送液部１４は、マイクロチップ２内の送液を行うためのユニットであり、搬送口１１から検査装置１内に搬入されるマイクロチップ２と接続されるようになっている。この送液部１４は、マイクロポンプ１４０、チップ接続部１４１、駆動液タンク１４２および駆動液供給部１４３等を有している。

このうち、マイクロポンプ１４０は、送液部１４に１つ以上具備されており、マイクロチップ２内に駆動液１４６を注入したり、マイクロチップ２内から分析試料などの流体を吸引したりすることで、マイクロチップ２内の送液を行う。なお、マイクロポンプ１４０が複数具備される場合は、各々のマイクロポンプ１４０は独立に、或いは連動して駆動可能である。なお、マイクロチップに予め媒質や検体、試薬等を注入してある場合には、必ずしも駆動液を使った送液を行わなくても良く、マイクロポンプのみを動作させて媒質の移動を補助しても良い。或いは、試薬や検体の投入のみにマイクロポンプを使用しても良い。
チップ接続部１４１は、マイクロポンプ１４０とマイクロチップ２とを接続して連通させる。

駆動液タンク１４２は、駆動液１４６を貯留しつつ、駆動液供給部１４３に供給する。この駆動液タンク１４２は、駆動液１４６の補充のために駆動液供給部１４３から取り外して交換可能である。
駆動液供給部１４３は、駆動液タンク１４２からマイクロポンプ１４０に駆動液１４６を供給する。

以上の送液部１４においては、チップ接続部１４１によってマイクロチップ２とマイクロポンプ１４０とが接続されて連通される。そして、マイクロポンプ１４０が駆動されると、チップ接続部１４１を介して駆動液１４６がマイクロチップ２に注入されるか、或いはマイクロチップ２から吸引される。このとき、マイクロチップ２内の複数の収容部に収容されている検体や試薬等は、駆動液１４６によってマイクロチップ２内で送液される。これにより、マイクロチップ２内の検体と試薬とが混合されて反応する結果、目的物質の検出や病気の判定等の検査が行われる。

（１−２．加熱部）
加熱部１５は、マイクロチップ２内部の液体試料を複数の設定温度（例えば、約９５℃の熱変性温度、約５５℃のアニーリング温度、約７０℃の重合温度の３つの温度）の間で順次切り替えながら加熱することで、ＰＣＲ法による遺伝子増幅を行う。この加熱部１５による液体試料の加熱には、ヒータやペルチエ素子等の通電によって温度を可変に制御できる素子等が用いられる。また、液体試料の冷却には、通水によって温度を低下させる水冷素子が用いられる。この加熱部１５は、本実施形態の検査装置１では、マイクロチップ２の後述する反応室２０１を加熱するように配置される。

（１−３．電圧印加部）
電圧印加部１８は、複数の電極を有している。これらの電極は、マイクロチップ２内の液体試料に挿入されてこの液体試料に直接電圧を印加するか、或いは、後述の通電部４０に接触してこの通電部４０を介して液体試料に電圧を印加することにより、マイクロチップ２内の液体試料に電気泳動を行わせるようになっている。

（１−４．検出部）
検出部１６は、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザ等の光源と、フォトダイオード（ＰＤ）やフォトマル等の受光部などとで構成され、マイクロチップ２内の反応によって得られる生成液に含まれる標的物質を、マイクロチップ２上の所定位置（後述の検出領域２００）で光学的に検出する。光源と受光部との配置には透過型と反射型とがあり、必要に応じて決定されればよい。

（１−５．駆動制御部）
駆動制御部１７は、図示しないマイクロコンピュータやメモリ等で構成され、検査装置１内の各部の駆動、制御、検出等を行う。

（２．マイクロチップ）
続いて、本実施の形態におけるマイクロチップ２について、図３Ａ〜図３Ｃを用いて説明する。
図３Ａは、マイクロチップ２を示す平面図であり、図３Ｂおよび図３Ｃは、マイクロチップ２を側方から見た内部形状を示す透視図である。

図３Ａおよび図３Ｂに示すように、マイクロチップ２は、互いに貼り合わされた基板３とフィルム４とを備えている。

基板３は、フィルム４に対する接合面（以下、内側面３Ａとする）に流路用溝３０及び反応室用凹部３０１を有している。この流路用溝３０は、基板３とフィルム４とが貼り合わされた場合に、フィルム４と協働して微細流路２０を形成する。また、反応室用凹部３０１は、基板３とフィルム４とが貼り合わされた場合に、フィルム４と協働してＰＣＲを行う反応室２０１を形成する。この反応室２０１は、微細流路２０により連通されている。微細流路２０には、検査装置１の検出部１６による標的物質の検出対象領域として、検出領域２００が設けられている。なお、微細流路２０（流路用溝３０）の形状は、分析試料、試薬の使用量を少なくできること、成形金型の作製精度、転写性、離型性などを考慮して、幅、深さともに、１０μｍ〜２００μｍの範囲内の値であることが好ましいが、特に限定されるものではない。また、微細流路２０の幅と深さは、マイクロチップの用途によって決めれば良い。なお、微細流路２０の断面の形状は矩形状でも良いし、曲面状でも良い。反応室２０１（反応室用凹部３０１）の形状は、特に制限されないが、本実施形態のマイクロチップ２では、楕円形である。また、反応室２０１の深さは、微細流路２０と同一の範囲内の値であることが好ましいが、微細流路２０とは異なる深さであっても良い。なお、反応室２０１の容積は、反応を好適に行うため、１０ｍｍ^３〜１００ｍｍ^３の範囲内の値であることが好ましいが、特に限定されるものではない。

また、基板３は、厚さ方向に貫通する貫通孔３１を複数有している。これらの貫通孔３１は、流路用溝３０の端部や中途部に形成されており、基板３とフィルム４とが貼り合わされた場合に、微細流路２０とマイクロチップ２の外部とを接続する開口部２１を形成する。この開口部２１は、検査装置１の送液部１４に設けられたチップ接続部１４１（たとえば、チューブやノズル）と接続されて、ゲルや液体試料、緩衝液などを微細流路２０に導入したり、微細流路２０から排出したりする。また、この開口部２１には、検査装置１における電圧印加部１８の電極（図示せず）が挿入可能となっている。なお、開口部２１（貫通孔３１）の形状は、円形状や矩形状の他、様々な形状であっても良い。また、例えば図３Ｃに示すように、基板３における内側面３Ａとは反対側の面（以下、外側面３Ｂとする）において貫通孔３１の周囲を筒状に突出させ、チップ接続部１４１を接続しやすくしても良い。

本実施形態において、フィルム４は、流路用溝や反応室凹部を塞ぐためのカバー部材として用いられる。このフィルム４は、基板３における内側面３Ａの側から順番に、低耐熱性フィルム４ａ、接着層４ｃ、及び、高耐熱性フィルム４ｂにより構成される。これらの低耐熱性フィルム４ａ、接着層４ｃ、及び、高耐熱性フィルム４ｂは、それぞれシート状となっており、接着層４ｃを構成する接着剤によって低耐熱性フィルム４ａと高耐熱性フィルム４ｂとが接合されている。検体や試薬、或いは、検査の種類によって必要なときには、電圧印加部１８の電極を開口部２１（貫通孔３１）に挿入して電圧を印加することにより、微細流路２０内の試料に電気泳動を行わせる。なお、低耐熱性フィルム４ａの基板３との接合面にも流路用溝や凹部を設けることとしても良いし、カバー部材としてのフィルム４に貫通孔を設けても良い。

なお、開口部２１の位置や形状は、例えば図４Ａ、図４Ｂや図５Ａ、図５Ｂに示すように、他の態様としても良い。ここで、図４Ｂ、図５Ｂは、図４Ａ、図５Ａにおいて太線で囲まれた部分を側方から見た内部形状を示す透視図である。図４Ａ、図４Ｂのマイクロチップ２では、導電性の通電部４０がフィルム４における基板３との対向面のうち、貫通孔３１との対向位置からフィルム４の縁部までに亘って設けられている。この通電部４０は、フィルム４に対して、印刷などによりパターンニングすると良い。このようなマイクロチップ２によれば、貫通孔３１（開口部２１）に電極を挿入することなく、フィルム４の縁部から通電部４０を介して微細流路２０内の流体に電圧を印加することができるため（図４Ｂ中、右側の矢印記号を参照）、複数のマイクロチップ２を順に使用する場合であっても、電極に液体試料が付着して次回のマイクロチップ２に混入してしまうのを防止することができる。また、図５Ａ、図５Ｂのマイクロチップ２では、貫通孔３１が流路用溝３０の各端部と、当該端部の隣接位置とに並んで設けられるとともに、通電部４０が、隣接する２つの貫通孔３１の対向位置に亘って設けられている。このようなマイクロチップ２によれば、流路用溝３０の端部の貫通孔３１（開口部２１）を用いて液体試料などの供給・排出を行い（図５Ｂ中、左側の矢印記号を参照）、隣接する貫通孔３１（開口部２１）から通電部４０を介して微細流路２０内の流体に電圧を印加することができるため（図５Ｂ中、右側の矢印記号を参照）、複数のマイクロチップ２を順に使用する場合であっても、電極に液体試料が付着して次回のマイクロチップ２に混入してしまうのを防止することができる。これらの場合であっても、図４Ｃ、図５Ｃに示すように、基板３の外側面３Ｂにおいては、貫通孔３１の周囲を筒状に突出させ、チップ接続部１４１を接続しやすくしても良い。

また、基板３及びフィルム４の外形形状は、ハンドリング、分析しやすい形状であれば良く、平面視において正方形や長方形などの形状が好ましい。１例として、１０ｍｍ角〜２００ｍｍ角の大きさであれば良い。また、１０ｍｍ角〜１００ｍｍ角の大きさであっても良い。また、流路用溝３０を有する基板３の板厚は、成形性を考慮して、０．２ｍｍ〜５ｍｍが好ましく、０．５ｍｍ〜２ｍｍがより好ましい。流路用溝を覆うための蓋（カバー部材）として機能するフィルム４の厚さは、全体で３０μｍ〜３００μｍであることが好ましく、５０μｍ〜１５０μｍであることがより好ましい。

また、基板３、低耐熱性フィルム４ａ、及び、高耐熱性フィルム４ｂは、樹脂によって形成される。基板３、低耐熱性フィルム４ａ、及び、高耐熱性フィルム４ｂに用いられる樹脂に関しては、成形性（転写性、離型性）が良いこと、透明性が高いこと、紫外線や可視光に対する自家蛍光の発生効率が低いことなどが条件として挙げられる。例えば、低耐熱性フィルム４ａや高耐熱性フィルム４ｂには熱可塑性樹脂が用いられる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン６、ナイロン６６、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリプロピレン、ポリイソプレン、ポリエチレン、ポリジメチルシロキサン、環状ポリオレフィンなどを用いることが好ましい。特に好ましいのは、ＰＭＭＡ、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレンを用いることである。

なお、基板３と低耐熱性フィルム４ａとを同じ材料にしたり、同じ種類に分類される樹脂（例えば、分子主鎖が同じで側鎖のみが異なる複数の樹脂、用いる単量体の一部が異なる複数の重合体など）を用いた材料としたり、或いは、同じ樹脂や同じ種類に分類される樹脂を母材として添加剤の種類や量を異ならせた材料を用いたりした場合には、互いの相溶性が良くなり、溶融した後に結合し易くすることができる。基板３及び低耐熱性フィルム４ａには、異なる材料を用いても良い。基板３及び低耐熱性フィルム４ａに異なる材料を用いる場合には、相溶性を考慮した材料選択をするか、基板３または低耐熱性フィルム４ａのいずれかの材料に接合を補助するような物質を予め添加しておくと良い。例えば、低耐熱性フィルム４ａとして、ベース材料であるＰＭＭＡに数％程度のアクリル系ゴムを添加した材料（例えば、三菱レイヨン製アクリプレンＨＢＳ００６（商品名））を用いれば、基板３として高耐熱性樹脂（例えば、ポリカーボネート）を使用しても良好に接合させることができる。市販の低耐熱性フィルムとしては、三菱レイヨン製ＰＭＭＡ樹脂アクリプレンＨＢＳ−００６（商品名）、エボニック・デグザ製ＰＭＭＡ樹脂ＰＬＥＸＩＧＬＡＳ（商品名）などを用いることができる。基板に使用可能な市販の樹脂としては、旭化成製ＰＭＭＡ樹脂デルペット７０ＮＨ、帝人化成製ＰＭＭＡ樹脂パンライトＡＤ−５５０３（商品名）、三菱エンジニアリングプラスチックス製ポリカーボネート樹脂ユーピロンＨ−４０００（商品名）などを用いることができる。一方、高耐熱性フィルム４ｂには、特に制限されないが、熱硬化性樹脂や、より好ましくは、ポリカーボネートを用いる。市販の高耐熱性フィルムとしては、帝人化成製ポリカーボネート樹脂パンライトＤ−９２（商品名）、ピュアエースＣ１１０−１００（商品名）、三菱エンジニアリングプラスチックス製ポリカーボネート樹脂ユーピロンＦＥ−２０００（商品名）、旭硝子製ポリカーボネート樹脂レキサン８０１０−１１２Ｃ（商品名）、などを用いることができる。

いずれにしても、カバー部材となるフィルムを構成する複数層のうち、マイクロチップを作製した際に基板から最も遠くに配置されることになる第１の層の材料として、その荷重たわみ温度（第１荷重たわみ温度）が、マイクロチップ使用時に設定される加熱温度より高くなるものを選択し、カバー部材となるフィルムを構成する複数層のうち、マイクロチップを作製した際に基板側に配置されることになる第２の層の材料として、その荷重たわみ温度（第２荷重たわみ温度）が、マイクロチップ使用時に設定される加熱温度より低くなるものを選択する。これにより、流路形状を正確に保ちながら、十分な接合強度で接合を行うことができ、しかも、マイクロチップ使用時にも変形や剥がれなどの問題を生じないマイクロチップを得ることができる。なお、第１荷重たわみ温度は、マイクロチップ使用時の加熱による影響をより確実に防ぐため、マイクロチップ使用時に設定される加熱温度（複数段階の加熱温度がある場合は最大の加熱温度）よりも少なくとも４０℃以上、より好ましくは５０℃以上高くすることが望ましい。また、第２荷重たわみ温度は、第１荷重たわみ温度よりも低く、カバー部材が基板に融着し得る温度であればよいが、反応時の加熱での変形等を防止する観点から、少なくともマイクロチップ使用時の加熱による影響を防止するため、マイクロチップ使用時に設定される加熱温度（複数段階の加熱温度がある場合は最大の加熱温度）に比べて−２５℃低い温度と等しいかそれより高い温度とすること、より好ましくは上記加熱温度と比べて−２０℃低い温度と等しいかそれより高い温度とすることが望ましい。結果的に、第２荷重たわみ温度は、第１荷重たわみ温度に対して、−５０℃〜−７５℃、より好ましくは−５０℃〜−７０℃とすることが望ましい。

また、基板３及びフィルム４は、熱融着によって接合（熱接合）される。例えば、熱板、熱風、熱ロール、超音波、振動、又はレーザなどを用いて、基板３とフィルム４とを加熱することで接合する。１例として、熱プレス機を用いて、加熱された熱板によって基板３とフィルム４とを挟み、熱板によって圧力を加えて所定時間保持することで、基板３と低耐熱性フィルム４ａとを接合する。これにより、フィルム４が流路用溝３０の蓋（カバー部材）として機能し、流路用溝３０とフィルム４とによって微細流路２０が形成されて、マイクロチップ２が製造される。

ここで、上記第２荷重たわみ温度よりも高温、かつ、上記第１荷重たわみ温度よりも低温で、カバー部材であるフィルムの低耐熱性フィルムを基板の流路用溝形成面に熱接合することで、流路用溝の変形や流路へのフィルムの入り込みを生じることなく、良好に接合を行うことができる。

低耐熱性フィルム４ａと高耐熱性フィルム４ｂは、接着層４ｃを構成する接着剤により接合される。接着層４ｃに用いられる接着剤に関しては、異なる機械物性（熱膨張率、弾性率、ポアソン比、ヤング率など）のフィルムに対して接着強度が確保できること、高温下でも接合強度が確保できること、透明性が高いこと、紫外線や可視光に対する自家蛍光の発生効率が低いことなどが条件として挙げられる。この接着剤としては、例えば、アクリル系粘着剤を用いることができる。この接着層４ｃは、接着剤の光透過性および自家蛍光の発生効率を考慮して、低耐熱性フィルム４ａ及び高耐熱性フィルム４ｂに比して薄く形成されている。この接着層４ｃの厚さは、好ましくは３０μｍ以下であり、より好ましくは１５μｍ以下である。また、接着層４ｃは、前述のように１層で構成されていても良いし、基材（例えば、薄いポリエステルフィルム）の両側に薄い接着層を形成した３層構造のものであっても良い。低耐熱性フィルム４ａと高耐熱性フィルム４ｂとを、接着剤を介さずに、例えば、熱ラミネータで熱融着させることも可能である。接着剤、熱融着、又は、それ以外の方法でフィルム４を作製しても良い。

低耐熱性フィルム４ａの厚さについては、低耐熱性フィルムの機能の一つが基板３との接合力をＰＣＲ温度条件下において確保することなので、５０μｍ以上とすることが望ましい。これより薄いと加熱時の接合強度が不足する恐れがある。また、厚くしすぎると、熱伝導性及び透明性の低下や、自家蛍光の発生効率の上昇を招くことから、２００μｍ以下とすることが望ましい。より好ましくは、５０μｍ以上１００μｍ以下である。高耐熱性フィルム４ｂの厚さについては、高耐熱性フィルム４ｂは、直接ヒータに接触して熱的負荷がかかること、或いは、ヒータその他装置部分に接触して機械的負荷がかかることがあるため、５０μｍ以上が望ましい。また、厚くしすぎると、熱伝導性及び透明性の低下や自家蛍光の発生効率の上昇を招くことから、２００μｍ以下が望ましい。より好ましくは、５０μｍ以上１００μｍ以下である。

低耐熱性フィルム４ａ及び高耐熱性フィルム４ｂの内部において、ヒータに接する高耐熱性フィルム４ｂの界面から、ＰＣＲ用の媒体に接する低耐熱性フィルム４ａの界面まで瞬間的に温度勾配が発生すると予想される。低耐熱性フィルム４ａの全フィルム厚に占める割合が高すぎると、ヒータ界面が例えば１１０℃まで加熱された場合やヒータがオーバシュートした場合に、低耐熱性フィルム４ａが軟化、変形してしまう恐れがあるため、低耐熱性フィルム４ａの全フィルム厚に占める割合は、半分以下、より好ましくは１／３以下が望ましい（この場合、接着層の厚さは、全体厚さに含めない）。

［実験例１］
縦４０ｍｍ、横３０ｍｍのサイズで、深さ１８μｍ、幅４０μｍの流路用溝とこれに接続する深さ１８μｍ、体積４０ｍｍ^３の反応室用凹部（反応室）が表面に設けられた厚さ１．５ｍｍのＰＭＭＡ樹脂（旭化成製デルペット７０ＮＨ（商品名））からなる基板を成形により作製した。一方、厚さ１２５μｍのＰＭＭＡ樹脂フィルム（三菱レイヨン製アクリプレンＨＢＳ−００６（商品名）、荷重たわみ温度７７℃）と、厚さ１００μｍのポリカーボネートフィルム（三菱エンジニアリングプラスチックス製ユーピロンＦＥ−２０００（商品名）、荷重たわみ温度１４５℃）とを、ポリエステル基材にアクリル系粘着剤を使用した厚さ１０μｍの３層構成の接着層により接合して、カバー部材となるフィルムを作製した。そして、このフィルムのＰＭＭＡ樹脂フィルム側が上記基板の流路用溝形成面に向き合うように重ねて、８６℃、４ｋＮの条件で熱融着させてマイクロチップを作製した。
［実験例２］
用いる樹脂をポリカーボネート樹脂（帝人化成製パンライトＡＤ−５５０３（商品名））に変えた以外は、上記実験例１と同様にして、流路用溝などが形成されたポリカーボネート製の基板を作製した。そして、上記実験例１と同様にして作製したフィルムのＰＭＭＡ樹脂フィルム側が上記基板の流路用溝形成面に向き合うように重ねて、８６℃、４ｋＮの条件で熱融着させてマイクロチップを作製した。

［実験例３］
上記実験例１と同様の手順で、流路用溝などが形成されたＰＭＭＡ樹脂製の基板を作製した。また、カバー部材として、厚さ１２５μｍのＰＭＭＡ樹脂フィルム（三菱レイヨン製アクリプレンＨＢＳ−００６（商品名））を用い、上記基板の流路用溝形成面に重ねて、７８．８℃、２ｋＮの条件で熱融着させてマイクロチップを作製した。
［実験例４］
上記実験例２と同様の手順で、流路用溝などが形成されたポリカーボネート樹脂製の基板を作製した。また、カバー部材として厚さ１００μｍのポリカーボネートフィルム（帝人化成製ピュアエースＣ１１０−１００（商品名））を用い、上記基板に重ねて、１５７℃、０．０１ｋＮの条件で熱融着させてマイクロチップを作製した。

図６は、これらの実験例１〜４のマイクロチップをそれぞれ２０サンプル作製した際の微細流路の深さの平均値、変動係数（ＣＶ値、Coefficient of Variation）、及び、フィルムと基板との接合力を示した図表である。

図６に示す接合強度は、ＪＩＳＺ０２３７における９０度引き剥がし法にて測定した。具体的な試験装置として、島津製作所製の万能試験機オートグラフを使用し、長さ１ｃｍあたりの接合力を測定した。

図６に示されるように、実験例１、２のマイクロチップに比べて、実験例３、４のマイクロチップでは、微細流路の深さの低下やばらつきがやや増大するか、フィルムと基板との接合力がやや低下する傾向が理解される。

次に、上記実験例１〜４に記載する手順でそれぞれ１０個のサンプルを作製し、これらを用いて、以下の手順により耐熱試験を行った。

マイクロチップの流路に生理食塩水を満たした状態で、常温（室温）から９５℃まで加熱し、さらに常温に冷却するプロセスを５回繰り返した後のフィルム接合状態を顕微鏡で観察し、状況を評価した。

図７に示す実験結果から明らかなように、実験例１、２では、高温使用環境においても流路形状が保たれている。そして、接合したフィルムも剥がれることがなく、使用上問題がないことが示されている。一方、実験例３では、高温負荷によると考えられる基材側の変形や、この変形に基づくフィルムの剥がれが発生している。同様に実験例４では、剥がれ部が多発していることが理解できる。

以上の実施形態で示したように、本発明の実施形態のマイクロチップによれば、片側の表面に流路用溝が設けられた基板と、この基板面に熱接合されたフィルム層とを備え、このフィルム層は、２枚のフィルムを積層し、これら２枚のフィルム同士を接合することで形成され、２枚のフィルムのうち、基板と熱接合されていない側のフィルムは、ＰＣＲの際に設定される加熱温度に対し耐熱性のある高耐熱性フィルムであり、基板と接合される側のフィルムは、高耐熱性フィルムより荷重たわみ温度の低い低耐熱性フィルムであるので、高耐熱性フィルムの側からヒータで加熱することにより、フィルム層の表面ではヒータ温度に耐えることができるとともに、マイクロチップの内部では、液体試料を適切な温度に保つように制御することができ、また、基板と低耐熱性フィルムとにより形成される微細流路のサイズと接合強度とを安定に保つことができる。また、上記のような性質を備えるマイクロチップを容易かつ安定に量産することができる。

また、低耐熱性フィルムの材質と、基板の材質とを同一、又は、同じ種類の樹脂を用いたものとすることで、接合強度を上げることができるので、マイクロチップの耐久性を上げることができる。

また、低耐熱性フィルムと高耐熱性フィルムとを接着層を介して接合することで、異なる性質のフィルムをより確実に接合することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限られるものではなく、様々な変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、高耐熱性フィルムと低耐熱性フィルムとの二層フィルムを示したが、例えば、高耐熱性フィルムと低耐熱性フィルムとの両者に対して接合の相性の良いフィルムを間に挟むなどにより、三種類以上のフィルムを重ねて形成することとしても良い。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であり、マイクロチップの形状、各部の配置やサイズなど、その細部は、請求の範囲で示した発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

産業上の利用の可能性

本発明は、ＰＣＲに利用可能なマイクロチップ、及び、マイクロチップの製造方法に利用することが出来る。

１ 検査装置
２ マイクロチップ
３ 基板
３Ａ 内側面
３Ｂ 外側面
４ フィルム
４ａ 低耐熱性フィルム
４ｂ 高耐熱性フィルム
４ｃ 接着層
１０ トレイ
１１ 搬送口
１２ 操作部
１３ 表示部
１４ 送液部
１４０ マイクロポンプ
１４１ チップ接続部
１４２ 駆動液タンク
１４３ 駆動液供給部
１４６ 駆動液
１５ 加熱部
１６ 検出部
１７ 駆動制御部
１８ 電圧印加部
２０ 微細流路
２００ 検出領域
２０１ 反応室
２１ 開口部
３０ 流路用溝
３０１ 反応室用凹部
３１ 貫通孔
４０ 通電部

Claims (16)

1. 片側の表面に流路用溝が設けられた基板と、当該基板の前記片側の表面に熱接合されたカバー部材と、を備え、
   前記カバー部材は、積層された複数の層を備え、隣接する当該層同士を接合することで形成され、
   前記カバー部材の複数層のうち、前記基板から最も遠い第１の層を構成する材質の第１荷重たわみ温度は、マイクロチップ使用時に設定される加熱温度より高く、
   前記カバー部材の複数層のうち、前記基板と接合される第２の層を構成する材質の第２荷重たわみ温度は、前記第１荷重たわみ温度より低いことを特徴とするマイクロチップ。
2. 前記カバー部材の前記第２の層の材質と、前記基板の材質とは同一、又は、同じ種類の樹脂を用いたものであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップ。
3. 前記基板の前記片側の表面には、前記流路用溝に連通する反応室用凹部が設けられており、前記カバー部材を熱接合することで形成される反応室の容積が、１０ｍｍ^３〜１００ｍｍ^３の範囲内の値であることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロチップ。
4. 前記第１の層の厚さが、５０μｍ〜２００μｍの範囲内の値であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のマイクロチップ。
5. 前記第２の層の厚さが、５０μｍ〜２００μｍの範囲内の値であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のマイクロチップ。
6. 前記カバー部材を構成する複数の層が接着剤を介さずに互いに熱融着されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のマイクロチップ。
7. 前記第１の層の、前記カバー部材全体の厚みに占める割合が半分以下であることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のマイクロチップ。
8. 前記隣接するカバー部材同士は、接着層を介して接合されることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のマイクロチップ。
9. 前記接着層の厚さが３０μｍ以下であることを特徴とする請求項８に記載のマイクロチップ。
10. 前記第１の層の、前記接着層を除く前記カバー部材全体の厚みに占める割合が半分以下であることを特徴とする請求項８又は９に記載のマイクロチップ。
11. 前記カバー部材の前記基板に対向する面に、導電性の通電部が形成されていることを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載のマイクロチップ。
12. マイクロチップ使用時に設定される加熱温度より高い第１荷重たわみ温度を有する材質により構成される第１の層と、前記第１荷重たわみ温度より低い第２荷重たわみ温度を有する材質により構成される第２の層とが複数の層の両端に配置されるように積層し、隣接する当該層同士を接合することでカバー部材を形成し、
    片側の表面に流路用溝が設けられた基板の当該片側の表面に、前記第２荷重たわみ温度よりも高温、かつ、前記第１荷重たわみ温度よりも低温で、前記カバー部材の前記第２の層を熱接合させることを特徴とするマイクロチップの製造方法。
13. 前記複数の層を接着層によって接合して前記カバー部材を作製することを特徴とする請求項１２に記載のマイクロチップの製造方法。
14. 前記複数の層を、接着層を介さずに熱融着して前記カバー部材を作製することを特徴とする請求項１２に記載のマイクロチップの製造方法。
15. 加熱された熱板によって前記基板と前記カバー部材とを挟み、前記熱板によって圧力を加えて所定時間保持することで、前記基板と前記カバー部材の前記第２の層とを熱接合することを特徴とする請求項１２〜１４の何れか一項に記載のマイクロチップの製造方法。
16. 前記カバー部材の、前記基板と対向する面に、印刷によって導電性の通電部をパターニングすることを特徴とする請求項１２〜１５の何れか一項に記載のマイクロチップの製造方法。

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