JP3949118B2

JP3949118B2 - マイクロチップ

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Publication number: JP3949118B2
Application number: JP2004071013A
Authority: JP
Inventors: 幸弘新谷; 健介大草; 正規本川
Original assignee: GL Science Inc
Current assignee: GL Science Inc
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2007-07-25
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: JP2005257544A

Description

本発明は、マイクロチップに関するものである。

半導体微細加工技術による微細構造を持つマイクロ流体チップは、ゲノムやタンパクの解析、化学物質の合成や分析、環境モニタリング等の手段として注目されている。
１９９２年Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．１９９２．６４，１９２６〜１９３２にはハリソン等がガラス基板上にチャンネル（溝）を形成させ、その上から別の板を被せ、該チャンネルで電気泳動により、試料分離を行う提案がなされている。（非特許文献１参照）
又、コバルトの湿式分析に於いて、錯形成、溶媒抽出、相分離後共存塩の分解、除去を行う複数の単位操作の組合せ、複雑な化学プロセスをガイド構造を持つマイクロチャンネルを用いることで一枚のマイクロチップに様々な化学プロセスの集積化が提示されている。
（非特許文献２参照）

又、分析化学装置、その他の化学装置のマイクロ化は、分析装置の小型軽量化、分析時間の短縮、少量サンプルによる分析、高価なサンプルの使用量の減少等研究上、工業上極めて有益性の高い技術である為、注目を浴びている。特に、タンパク質の分離、分析技術に対する期待が大きい。
マイクロチップによる分析は、サンプル量が少なくて済み、更に、多チャンネルにて高速処理が可能であることが利点である。

これまでのマイクロチップを使用した技術に於いて、物質の分離、分析等を行う際、電気泳動法や電気浸透流によるプロセス制御が主流で、有機溶媒や中性化学物質には使用できなかった。電気浸透流では単相流のみで多相流には使用できなかった。
一方、細胞や生体由来のタンパク質の分離、分析から、その処理には前記の如く目的に応じた各種の前処理工程を必要とし、複雑、微妙なプロセス及びそれに応じた処理機構が欠かせない。
又、従来のマイクロチップの利用により、タンパク質を分離する研究が為されてきたが、それらの多くは石英やガラスをチップ材として用いているためにファブリケーションに多くのコストと時間を必要とする欠点があると指摘されている。（非特許文献３参照）
これを要するに電気泳動型チップに於いては、電気泳動が基本であり、試料や分析条件が制限され、試料毎に分析条件の設定が必要である。又、ＨＰＬＣその他に於いて一枚のチップに集積したチップに於いては、対応構造が複雑で極めて製作困難であり、一般製品化されたものは出ていないのが現状である。しかも、チップとして形成する部分、チップの形状、形態により、分析法等が決められてしまい、使用範囲は限定されて実用性が低い。
更に、実際の製品化を考慮すると、一枚のチップ上に多くの構成要素を搭載していると、消耗部や不良部の発見時には全て取替えとなる等問題点が多い。
上記文献に記載されている如く、マイクロチップとして、様々な機材に微少溝・穴を設けたチップデバイスの製作使用が報告されている。

特開２００１−１８１５７９号公報１９９２年Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．１９９２．６４，１９２６〜１９３２第３回化学とマイクロシステム研究会講演予稿集２００１．５．７〜８（化学とマイクロシステム研究会主催）３５頁化学プロセスのマイクロチップへの集積化：コバルト湿式分析の例渡慶次学、皆川朋子、北森武彦第５回化学とマイクロシステム研究会講演予稿集Ｐ５４山田真澄、関實ＰＤＭＳポリマーチップ上でのマイクロＬＣシステム２００２年３月１５日平成７年度岡山県工業技術センター報告（Ｎｏ．２２）金属酸化物表面へのタンパク質の吸着浦野発水・福崎智司平成６年度岡山県工業技術センター報告（Ｎｏ．２１）ステンレス鋼表面へのタンパク質の吸・脱着特性浦野発水・福崎智司・松岡高広

この様に、マイクロ化したデバイスチップが様々に使用され出してきているが、各デバイスには夫々長短があり、問題点を有する。例えば、石英製、ガラス製のマイクロチップは精密な微細加工が可能であり、又溶融させることにより、コンタミ原因にとなる接着剤を使用することなく貼り合わせが可能である。
然し、表面に存在するシラノール基がタンパク質等の成分を吸着させてしまうことが指摘されている。（非特許文献４参照）
シリコン、ステンレス製のマイクロチップは、微細な加工が可能であり、又堅牢なマイクロチップを供することが可能であるが、生体由来試料の代表的な物質であるタンパク質はステンレス表面に吸着を起こすことが指摘されている。（非特許文献５参照）

上記非特許文献３には、ＰＤＭＳをチップ材質とし、その安価さ、製作プロセスの簡単さ、ｂｏｎｄｉｎｇが容易である等の利点を有するツールとポリジメチルシロキサンの利用が述べられている。ここでは完成したチップにＯ_２プラズマで表面処理を行っている。
ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）は、低価格で透明性に優れた生体適合性の材料であり、ガラスやプラスチック製のチップと異なり、ウエットエッチングや高温接合を必要としないため、ＰＤＭＳを用いたマイクロチップの作成例が多数報告されている。
然し、耐圧性がないために、高圧を付与することはできない。又、耐溶媒性がないために、通常のＨＰＬＣ分析条件である溶離液にアセトニトリルやメタノールを使用することは困難である。
このため、ＨＰＬＣのマイクロチップとして、微小溝、微小穴を精度よく加工可能であり、耐溶媒性を有し、高圧に耐える堅牢性を有し、チップ構築の際にコンタミの原因となる物質を用いることなく、貼り合わせ可能であり、更に分析試料の吸着に配慮されたマイクロチップが求められている。
又、ＨＰＬＣ以外の用途としても、反応・分離精製・分析検出用に有用な精密、堅牢で低吸着性を有したマイクロチップが求められている。

そこで、本発明に於いては、マイクロチップを形成する際に、夫々の材質の有する長所はそのまま残し、使用上に問題のあるマイクロチップ上に形成される接液面をポリマーコーティングすることにより、夫々の欠点を解消するようにしたもので、マイクロチップは、ステンレスで作製されていて、その表面及び又は内部に溝及び又は穴を設けると共に、該溝・穴の接液面をポリオレフィン又はフッ素系樹脂でコーティングし、該コーティングとステンレス間に、１級アミノ基或いは２級アミノ基を１分子中に少なくとも１個を有するアミノ系シランカップリング剤又はフッ素系シランカップリング剤をコーティングし、ステンレスに対する固着性を得たことを特徴とする。

上記の如き本発明によれば、マイクロチップの表面、内部に溝・穴等を設けたマイクロチップに於いて、溝・穴等の接液面にポリオレフィン又はフッ素系樹脂をコーティングしたので、マイクロチップの各素材に対応した加工により、微細な加工、堅牢な材質、安価な材質等使用目的に合せて適当な材質の選定が出来ると共に、試料目的物質の吸着を予防し、コンタミの原因を排除し、高圧にも耐え、耐溶媒性が付与される等マイクロチップの使用条件に夫々対応できる微小溝、ウエル等の形成が容易に出来、マイクロチップの使用範囲を拡大できる効果がある。

本発明に於いて、もっとも問題となるのは、マイクロチップの材質に対応したコーティング材としての固着性である。又、もう１つの問題はコーティング材の材質である。
このコーティング材としてガラス、ポリマー、金属（アルミ、銅）、金属酸化物等の材質に対しては、例えば特許文献１に、ポリマーと多官能性エポキシド基含有化合物、有機溶剤、アミノ基含有シランカップリング剤を含んだコーティング組成物が提案されている。
然し、ここにおいて、コーティング剤としては限定されるために例えばタンパクやペプチド系の試料に接液した際の反応は不明である。又、石英、ＳＵＳ等の基材に対する接着性、固着性については何等触れられていない。
本発明に於いて、コーティング資材として、従来から各種試料に対する耐性の高い、例えばポリプロピレン、テフロンが使用できることは極めて有益である。又、チップ基材たる石英、ＳＵＳ等に対する固着性が重要である。

かかる点より、本発明に於いては、チップ基材の石英に対するコーティングとＳＵＳに対するコーティングについて主として説明する。
先ず、ガラス、ＳＵＳ、ポリマーをチップ基材とした場合、シランカップリングを利用した下記の処理を行う。
又、ポリプロピレンのコーティングについて説明する。
例えばタンパク質やペプチド系試料を対象としたマイクロチップの場合、その表面又は内部に形成させた流路たる小溝、ウエル等の接液面に対し、１級アミノ基或は２級アミノ基を１分子中に少なくとも１個有するアミノ系カップリング材を下地に使用することで、ポリプロピレンコーティングが可能である。
勿論チップ基材としては、これに限定されることなく、チップ４の材料は他にソーダガラス、感光性ガラス、ほう珪酸ガラス、シリコン等の無機材料が使用できる。

又、本発明実施に必要なカップリング材としてはアミノ系カップリング材が挙げられる。
下記一般式（Ｉ）で表される少なくとも１種類のアミノ基含有シランカップリング剤とを含んでなるコーティング組成物。
一般式（Ｉ）
Ｈ_２Ｎ−Ｒ^１−Ｓｉ−（ＯＲ^２）_３
（式中Ｒ_１は非置換のアルキレン基（２級アミノ基を含んでもよい。）、Ｒ_２は夫々独立に非置換アルキル基である。）
Ｒ１及びＲ２の炭素数が夫々独立に１〜１０であり、ＯＲ^２基の１つ又は２つがアルコキシ基の代わりにアルキル基であっても構わない。
特に、アミノ基含有シランカップリング剤が、３−アミノプロピルトリエトキシシラン又は３−アミノプロピルトリメトキシシランで良好な結果が得られる。
又、テフロンコーティング用のカップリング剤としては、上記アミノ系カップリング剤以外に下記のフッ素系シランカップリング剤も使用できる。

フッ素含有シランカップリング剤は、下記一般式（II）で示されるフッ素シラン化合物、この化合物単位を有するオリゴマー及びポリマーの少なくとも一種からなることを特徴とする記載のマイクロチップ。
一般式（II）
（Ｒ^１）ａ（Ｒ^２）ｂ−Ｓｉ−（Ｘ）ｃ
式中Ｒ^１はフッ素を含む、炭素数１〜２０のアルキル基、置換アルキル基、アルコキシ基及び置換アルコキシ基から選択される少なくとも一種、Ｒ^２は水素又は炭素数１〜４のアルキル基、置換アルキル基、アルコキシ基及び置換アルコキシ基から選択される少なくとも一種、Ｘはハロゲン基、水酸基、アルコキシ基及びこれらの基の一部が置換された基から選択される少なくとも一種の反応基である

フッ素シラン化合物としては、１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ２Ｈ−パーフルオロデシルトリクロロシラン、１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシルトリプロモシラン、１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシルトリエトキシシラン，１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシルトリヒドロキシシラン、パーフルオロヘプタデシルトリメトキシシラン、パーフルオロオクタデシルジメチルクロロシラン、パーフルオロヘキサデシルメチルジクロロシラン及び３，３，３−トリフルオロプロピルトリクロロシランから選択される少なくとも一種であることを特徴とするマイクロチップ。

石英表面へのポリプロピレン／テフロンコーティング
（１）石英材料をｐＨ１２〜１４のアルカリ性溶液に浸して、表面シラノール基を活性化させる。
（２）該石英基板に１％３−アミノプロピルトリメトキシシラン溶液を塗布する。
（３）高温ａｎｄ／ｏｒ高圧を付与してカップリング反応を促進させる。
（４）ポリプロピレン処理としては、ポリプロピレン粒子を有機溶媒に溶かしたもの（又はポリプロピレンを融解させたもの）にカップリング反応後の石英基板を浸して、加温ａｎｄ／ｏｒ加圧させることにより、ポリプロピレン処理を施す。
（５）一方、テフロン（登録商標）処理としては、テフロン（登録商標）ＡＦ（アモルファスフルオロポリマー）溶液を用い、加温ａｎｄ／ｏｒ加圧する。

ステンレス表面へのポリプロピレン／テフロンコーティング
（１）ステンレス表面をよく洗浄する。
（２）ステンレス材料にポリシラザン溶液を塗布し、加温ａｎｄ／ｏｒ加圧によりステンレス表面のシリカ効果を促進させる。
（３）ポリプロピレン処理としては、ポリプロピレン粒子を有機溶媒に溶かしたもの（又はポリプロピレンを融解させたもの）にカップリング反応後の石英基板を浸して、加温ａｎｄ／ｏｒ加圧させることにより、ポリプロピレン処理を施こす。
（４）一方、テフロン（登録商標）処理としては、テフロン（登録商標）ＡＦ（アモルファスフルオロポリマー）溶液を用い、加温ａｎｄ／ｏｒ加圧する。

ガラス表面へのポリプロピレン／テフロンコーティング
（１）２６×３８ｍｍスライドガラス（厚さ０．８〜１．０ｍｍ、アズワン製Ｓ１１２６）をｐＨ１２〜１４の水酸化ナトリウム水溶液に浸してガラス表面のシラノール基を活性化させる。
（２）当該ガラス基板に１％３−アミノプロピルトリメトキシシラン溶液（ヘキサン溶媒）５０μＬを塗布する。シランカップリング剤はこれに限らず、例えばフッ素系シランカップリング剤では、（３，３，３−トリフルオプロピル）トリメトキシシラン、トリメチル（ペンダフルオロフェニール）シラン、（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシル）トリエトキシシラン等がテフロン（登録商標）コーティングに対して有効であり、アミノ系シランカップリング剤は３−アミノプロピルトリエトキシシラン等がテフロン（登録商標）、ポリプロピレンコーティングに対して有効である。
（３）ＳＵＳ容器内に封入し、２００度に加熱してカップリング反応を促進させる。
（４）ポリプロピレン処理としては、０．１ｇのポリプロピレン粒子（住友精化フローブレン（登録商標））をデカン又はその他の有機溶媒に溶かした溶液（又はポリプロピレンを加熱により溶融させた液）にカップリング反応後のガラス基板を浸して、ポリプロピレン処理を施した。
（５）一方、テフロン（登録商標）処理としては、テフロン（登録商標）ＡＦ２４００（アモルファスフルオロポリマー：テュポン製）溶液（溶媒：３Ｍ製フロリナートＦＣ−３２５５）にカップリング反応後のガラス基板を浸した後に、室温１５分間乾燥させる。その後１２０℃で１０分間加熱する。その後２４５℃で5分間加熱する。必要に応じてその後約３３０℃まで上昇加熱し、約３３０℃で１０分間保つ。
本実験により得られたコーティングガラスの水に対する接触角を超純水を用いて測定した。その結果を表１に示す。
この結果、コーティングなしの硬質ガラスの場合に接触角２０度であったものが、コーティングにより８０度弱から１００度まで改善され、液体の流れが円滑になり、接液面への付着が著しく小となった。
尚、コーティング処理を施したチップは、２ヵ月後に再測定しても変化が見られなかった。これにより経時変化をしていないことが確認された。

ステンレス表面へのポリプロピレン／テフロンコーティング
（１）２０×２０ｍｍステンレス表面（厚み０．５〜１ｍｍ）を純水に浸して超音波洗浄にてよく洗う。
（２）窒素雰囲気下でステンレス材料に２０％ポリシラザン（クラリアントジャパン製ＮＮ１１０：キシレン溶媒）溶液１００μＬを塗布し、４００℃に加温してステンレス表面のシリカ効果を促進させる。
（３）ポリシラザン処理したステンレスに１％３−アミノプロピルトリメトキシシラン溶液（ヘキサン溶媒）５０μＬを塗布する。シランカップリング剤はこれに限らず、例えばフッ素系シランカップリング剤では、（３，３，３−トリフルオプロピル）トリメトキシシラン、トリメチル（ペンダフルオロフェニール）シラン、（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシル）トリエトキシシラン等がテフロン（登録商標）コーティングに対して有効であり、アミノ系シランカップリング剤は３−アミノプロピルトリエトキシシラン等がテフロン（登録商標）、ポリプロピレンコーティングに対して有効である。
（４）ＳＵＳ容器内に封入し、２００度に加熱してカップリング反応を促進させる。
（５）ポリプロピレン処理としては、０．１ｇのポリプロピレン粒子（住友精化製フローブレン（登録商標））をデカンに溶かした溶液（又はポリプロピレンを加熱により溶融させた液）にカップリング反応後のガラス基板を浸して、ポリプロピレン処理を施した。
（６）一方、テフロン（登録商標）処理としては、テフロン（登録商標）ＡＦ２４００（アモルファスフルオロポリマー：テュポン製）溶液（溶媒：３Ｍ製フロリナートＦＣ−３２５５）にカップリング反応後のガラス基板を浸した後に、室温１５分間乾燥させる。その後１２０℃で１０分間加熱する。その後２４５℃で5分間加熱する。必要に応じてその後約３３０℃まで上昇加熱し、約３３０℃で１０分間保つ。
本実験により得られたコーティングガラスの接触角を超純水を用いて測定した。その結果を表２に示す。
この結果、コーティングなしのステンレスの場合に接触角約４０度であったものが、コーティングにより８０度弱から１００度となり、液体の流れが円滑になり、接液面への付着が著しく小となった。
尚、コーティング処理を施したチップは、２ヵ月後に再測定しても変化が見られなかった。これにより経時変化をしていないことが確認された。

マイクロチップ化したデバイスチップが、その基材が本来有する特性、精度よく加工されるとか、高圧に耐える堅牢性を有する等の性質はそのまま残し、その反面の性質例えば分析試料の吸着がなくなるとか、コンタミの原因が排除できるとかの利点を得ることの出来るデバイスチップが形成できることにより、所望の形状、性質を有するデバイスチップが形成できる。
このため、本来基材の有する性質に加えて新たな利点を有する形のデバイスチップが形成され、分析、工業化学のデバイスチップとして多方面の利用が出来る。
又、材質に関係なく、有益な機能を得られるため、各種の機能の集積化が容易であり、目的に応じた対応構造がとり易く、複雑、微妙なプロセスの設定、それに応じた処理機構が形成できる。このため、複雑な化学プロセスを基本単位操作にして、これらを組合わせた集積化が可能となり、各種研究、開発、製造に利用可能である。

本発明デバイスチップとコーティングしない対象品の接触角表示グラフ図本発明デバイスチップとコーティングしない対象品の接触角表示グラフ図

Claims

マイクロチップは、ステンレスで作製されていて、その表面及び又は内部に溝及び又は穴を設けると共に、該溝・穴の接液面をポリオレフィン又はフッ素系樹脂でコーティングし、該コーティングとステンレス間に、１級アミノ基或いは２級アミノ基を１分子中に少なくとも１個を有するアミノ系シランカップリング剤又はフッ素系シランカップリング剤をコーティングし、ステンレスに対する固着性を得たことを特徴とするマイクロチップ。
アミノ系シランカップリング剤が下記一般式（Ｉ）で表される少なくとも１種類のアミノ基含有シランカップリング剤を含んでなる組成物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。
一般式（Ｉ）
Ｈ_２Ｎ−Ｒ^１−Ｓｉ−（ＯＲ^２）_３
式中、Ｒ^１は非置換のアルキレン基（２級アミノ基を含んでもよい。）、Ｒ^２は夫々独立に非置換のアルキル基である。
Ｒ^１及び３つのＲ^２の炭素数が夫々独立に１〜１０であり、ＯＲ^２基の１つ又は２つがアルコキシ基の代わりにアルキル基であっても構わない。
アミノ基含有シランカップリング剤が、３−アミノプロピルトリエトキシシラン又は３−アミノプロピルトリメトキシシランであることを特徴とする請求項２に記載のマイクロチップ。
フッ素含有シランカップリング剤は、下記一般式（ＩＩ）で示されるフッ素シラン化合物、この化合物単位を有するオリゴマー及びポリマーの少なくとも一種から成ることを特徴とする請求項５に記載のマイクロチップ。
一般式（ＩＩ）
（Ｒ^１）ａ（Ｒ^２）ｂ−Ｓｉ−（Ｘ）ｃ
式中Ｒ^１はフッ素を含む、炭素数１〜２０のアルキル基、置換アルキル基、アルコキシ基及び置換アルコキシ基から選択される少なくとも一種、Ｒ^２は水素又は炭素数１〜４のアルキル基、置換アルキル基、アルコキシ基及び置換アルコキシ基から選択される少なくとも一種、Ｘはハロゲン基、水酸基、アルコキシ基及びこれらの基の一部が置換された基から選択される少なくとも一種の反応基である。
フッ素シラン化合物としては、１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシルトリクロロシラン、１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシルトリプロモシラン、１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシルトリエトキシシラン、１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシルトリヒドロキシシラン、パーフルオロヘプタデシルトリメトキシシラン、パーフルオロオクタデシルジメチルクロロシラン、パーフルオロヘキサデシルメチルジクロロシラン及び３，３，３−トリフルオロプロピルトリクロロシランから選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項４に記載のマイクロチップ。