JP5598432B2 - マイクロ流路デバイスの製造方法及びマイクロ流路チップ - Google Patents

Description

本発明は、電極部を有するマイクロ流路デバイスの製造方法、及びそれを用いて製造したマイクロ流路チップに関する。

近年、化学工業（特に、医薬品、試薬等の製造に係る医薬品工業）では、マイクロミキサーまたはマイクロリアクターと呼ばれる微小容器を用いた新しいマイクロ流路デバイスの開発が進められている。マイクロ流路デバイスには、複数本のマイクロチャネル（マイクロ流路と繋がる微小空間（マイクロキャビティ）が設けられており、マイクロチャネルを通して複数の流体を微小空間に合流することで、複数の流体を混合し、又は混合と共に化学反応を生じさせる。

このようなマイクロ流路デバイスは、ガラス製のものが主流である。ガラス基板でマイクロ分析チップを作成するためには、たとえば、基板に金属、フォトレジスト樹脂をコートし、マイクロチャネルのパターンを焼いた後にエッチング処理を行う方法がある。しかしガラスは大量生産に向かず非常に高コストであり、樹脂化が望まれている。

樹脂製のバイオチップやマイクロ分析チップは、種々の樹脂を用いて射出成形等の各種の成形方法で製造することが可能であり、効率よく経済的なチップ製造が可能となっていた（特許文献１参照）。

また、電極を有するマイクロ流路チップの作製方法が特許文献２には記載されている。

特開２００６−１８９２９２号公報 特開２００８−２４９３４６号公報

しかし、上述したような樹脂基板に、射出成形により流路用溝を形成する場合、従来の成形品を成形するよりもより高度なレベルでウェルドラインが発生し、基板表面に微細な凹形状が形成される。また、電極部を有するフィルムとの熱溶着貼り合わせ時に、電極部に接合不良（具体的には浮きが生じる）となる。その結果、流路からの液漏れを起こすことになる。また、電極部の熱溶着貼り合わせを強固に行うと、流路部を構成する樹脂が溶解し、流路の狭窄や目詰まりが発生する。
本発明の目的は、射出成形で得られる樹脂基板と電極部を有する樹脂基板をマイクロ流路デバイスとして用いる場合であっても、接合不良を生じさせないマイクロ流路デバイスの製造方法を提供することにある。

このような目的は、下記（１）〜（８）に記載の本発明により達成される。
（１）一方の面側に流路溝を有するプラスチック樹脂製の板状の第１基板と、一方の面側に電極部および平坦部を有するプラスチック樹脂製の第２基板とを接合してマイクロ流路チップを製造する方法であって、 前記第１基板の流路溝を有する面と、前記第２基板の電極部を接するように積層し、 前記第１基板の他方側の面と、前記第２基板の平坦部とを熱圧着することにより、 前記第１基板と、前記第２基板とを接合することを特徴とす
るマイクロ流路チップの製造方法。
（２）前記第１基板の他方側の面と前記第２基板の平坦部との熱圧着が、低温および高温の二温度の二段階で行い、二温度間の温度差が２０℃以上、５０℃未満である（１）に記載のマイクロ流路チップの製造方法。
（３）前記熱圧着が、前記第１基板又は第２基板のどちらか一方のＴｇ未満の温度で熱圧着する第１圧着工程と、前記第１基板および第２基板のＴｇ以上の温度で熱圧着する第２圧着工程を有する（２）記載のマイクロチップの製造方法。
（４）前記第２圧着工程が、マイクロ流路チップの電極部および外周部を圧着させる（１）ないし（３）いずれか１項に記載のマイクロ流路チップの製造方法。
（５）（１）ないし（４）いずれか１項に記載のプラスチック樹脂が、ポリカーボネート、シクロオレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルペンテン、ポリスチレン、ポリメチルメタアクリレート、ポリエチレンテレフタレートのいずれかから選択されるマイクロ流路チップの製造方法。
（６）前記電極部が、金属またはカーボンのいずれかから選択され、第２基板へ薄膜の接着、または蒸着により形成される（１）記載のマイクロ流路チップの製造方法。
（７）（１）ないし（６）いずれか１項に記載のマイクロ流路チップの製造方法により製造されるマイクロ流路チップ。
（８）（７）記載のマイクロ流路チップにおいて、第１圧着工程と第２圧着工程が、各圧着工程後に目視または、偏光板を用いた干渉縞の有無で判別できるマイクロ流路チップ。

本発明によれば、射出成形で得られる樹脂基板であって、マイクロ流路と電極部を併せ持ち、接合不良を生じないマイクロ流路デバイスを提供することができる。

マイクロ流路デバイスを説明する側面図である。 樹脂基板を説明する上面図である。 マイクロ流路デバイスの製造方法を説明するための側面図である。

以下、本発明のマイクロ流路デバイスの製造方法について説明する。
本発明のマイクロ流路デバイスの製造方法は、第１基板として一方の面に流路用溝が形成された樹脂基板と、電極部を有する樹脂フィルムである第２基板とを、貼り合わせて接合体を得る貼着工程を有することを特徴とする（図１）。

また、電極部の形状は特に限定するものではない。たとえば、流路溝が形成された面を覆うように配置する（図２（ａ））方法。電極部が流路溝とは独立して配置する場合も存在する（図２（ｂ））方法。または、流路溝に電極の一部がかかるように配置する方法（図２（ｃ））がある。

以下、本発明のマイクロ流路デバイスの製造方法について詳細に説明する。

本発明のマイクロ流路デバイス１００では、一方の面に流路用溝１が形成された樹脂基板２である第１基板と、第１基板の流路用溝１が形成された面を覆う樹脂フィルム3の第２
基板とで構成されている（図１）。本発明の第２基板には、通電のための電極部４を有している。この電極部４は、流路内からマイクロチップの外部に電気的シグナルを取り出すためのものである。

図２に示すように、第１基板には、流路用溝１が形成されている。このような流路用溝１
が形成された第１基板を製造する方法としては、例えば射出成形で製造する方法、樹脂基板に流路を切削加工する方法等が挙げられる。これらの中でも射出成形により流路用溝１が形成された第１基板を用いることが生産性の点で好ましい。

流路用溝１とは、具体的に流路用溝１の幅が１，０００μｍ以下で、かつ深さが０．０１〜０．５ｍｍであることが好ましい。これにより、微小なサイズでの実験等が可能となる。

この第１基板を構成する樹脂としては、例えば高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、各種環状ポリオレフィン、ポリメチルメタクリレート、ポリノルボルネン、ポリフェニレンオキサイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル、半硬化状態のフェノール樹脂、半硬化状態のエポキシ樹脂、テフロン（登録商標）、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニル等が挙げられる。これらの内、アクリル樹脂、飽和環状ポリオレフィン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリスチレンおよびポリエチレンテレフタレートの中から選ばれる１種以上が好ましい。これにより、第１基板の透明性を向上することができる。

第１基板の外形形状は、ハンドリング、分析しやすい形状であればどのような形状であってもよい。例えば、１０ｍｍ角〜２００ｍｍ角程度の大きさが好ましく、１０ｍｍ角〜１００ｍｍ角がより好ましい。第１基板の外形形状は、分析手法、分析装置に合わせれば良く、正方形、長方形、円形などの形状が挙げられる。

本発明のマイクロ流路デバイスの製造方法では、上述した流路用溝１を有する第１基板の流路用溝１が形成された側の面を覆うように、第２基板を貼り合わせる（図３）。これにより、流路用溝１が第２基板で蓋をされて、マイクロ流路となる。

このマイクロ流路デバイス１００では、上述した様な流路用溝１が形成された第１基板に蓋をしてマイクロ流路を形成する必要がある。しかし、この蓋を接合する方法について安価・簡便・確実な方式がいまだ見つかっていない。これに対して、本願発明のマイクロ流路デバイスの製造方法では、後述するような加熱処理工程を設けることにより、これまでの問題であった蓋の接合を容易に、かつ得られるマイクロ流路デバイスの性能にも優れることができるマイクロ流路デバイスの製造方法を提供するものである。

第２基板を構成する樹脂は、第１基板と同じものであることが好ましく、具体的には高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、各種環状ポリオレフィン、ポリメチルメタクリレート、ポリノルボルネン、ポリフェニレンオキサイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル、半硬化状態のフェノール樹脂、半硬化状態のエポキシ樹脂、テフロン（登録商標）、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニル等を挙げることができる。これらの中でもアクリル樹脂、飽和環状ポリオレフィン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリスチレンおよびポリエチレンテレフタレートの中から選ばれる１種以上が好ましい。特に好ましくは、ポリカーボネートである。

第２基板の厚さは、特に限定しないが、０．０１〜１ｍｍであることが好ましい。第２基板の厚さが１ｍｍを超えると、第１基板と貼り合わせの際、第２基板が第１基板の凹凸に十分に追従せず、密着性が低下してしまう場合がある。また、第２基板の厚さが０．０１ｍｍ未満では、微細流路部分に水などの液状物質を流した際、第２基板自体が破壊される場合があり、また、貼り合わせ時にプラスチックフィルムに皺が発生しやすく十分に流路を密閉できない場合がある。

樹脂フィルム３の曲げ弾性率は、特に限定しないが、５００〜１５，０００ＭＰａであることが好ましい。樹脂フィルム３の曲げ弾性率が１５，０００ＭＰａを超えると、第１基板との貼り合わせの際、樹脂フィルム３が樹脂基板３の凹凸に十分に追従せず、樹脂フィルム３の密着性が低下する場合がある。また、曲げ弾性率が５００ＭＰａ未満では貼り合わせ時に樹脂フィルム３に皺が発生しやすく十分に流路を密閉できない場合がある。
樹脂フィルム３の曲げ弾性率は、例えば試験法ＡＳＴＭ Ｄ７９０により測定することができる。

前記第２基板は、電極部４を有している。この電極部４は、金属またはカーボンのいずれかから選択され、樹脂フィルム３へ薄膜の接着、または蒸着により形成される。電電極部４を構成する金属は特に限定するものではないが、金、銀、白金、銅のような導電性が高く、薄膜が形成し易い、または蒸着に適したものを使用することが好ましく、その目的においては、金、白金が好適である。また、カーボンは、コスト、取り扱い性、蒸着の点で優れており、最も好適に用いることができる。

前記電極部分は、薄膜の場合は、厚み０．００５〜０．２ｍｍであることが好ましい。この厚み以下で薄膜状態を保つことが難しく、また、厚みが０．２ｍｍを超える場合は、基板と樹脂フィルムの溶着に隙間が生じやすくなる。
一方、蒸着の場合は、通電可能な状態であれば特にその厚みを規定するものではない。

マイクロ流路デバイス１００では、第１基板と第２基板とを接合する方法としては、例えば熱圧着接合、接着剤接合、超音波接合等が挙げられる。これらの中でも流路形状の安定性の面で熱溶着する方法が好ましい。

熱溶着の場合、第２基板に設けた電極部４において、溶着不良を発生することが問題となることから、低温、高温の二温度の二段階で溶着することにより、溶着不良の発生をなくすことができる。

具体的には、以下の二つの工程である。
（１）第１圧着工程：第１基板、または第２基板のどちらか一方のＴｇ温度未満の温度で熱圧着する工程
（２）第２圧着工程：第１基板、および第２基板のＴｇ温度の高い方のＴｇ温度以上の温度で熱圧着する工程

まず、第１圧着工程は、Ｔｇ温度未満の温度で熱圧着することにより、流路１の熱変形を抑制することができ、流路１の閉塞、狭窄を防ぐ。また、電極部４を有しない樹脂部分全体を溶着し接合することができる。そのため、第１圧着工程は、マイクロ流路デバイス全体、または少なくとも流路部分を溶着することが必要である。

次に、第２圧着工程は、電極部４において樹脂基板との溶着不良による流体の漏れを防ぐために、第１圧着工程より、より強固に熱圧着する必要がある。そのためには、第１基板、および第２基板のＴｇ温度以上の温度で熱圧着し、電極部及び両基板外周部を強固に溶着する必要がある。前記の目的から、第２圧着工程は、マイクロ流路チップの電極部、および基板外周部に限って実施する必要があり、電極部が無い流路は、第２圧着工程では十分に熱が加わらないようにする必要がある。そのため、流路部分を除いた、溶着のための溶着型を形成させることが好適である。

また、第１圧着工程と第２圧着工程に用いる二温度間の差は２０℃以上、５０℃未満であることが好ましい。これは、樹脂のＴｇ温度を挟んで、第１、第２圧着工程の温度が離れ
すぎると、第１圧着工程の温度が低すぎると、流路部の接着が不十分となり流路部に流体を流した場合に漏れが生じる可能性が生じることを防ぐためであり、第２圧着工程の温度が高すぎると、チップの変形、流路の狭窄、閉塞を発生させるためである。

第１圧着工程、第２圧着工程を経て作製されたマイクロ流路チップは、各圧着工程後に、目視、または偏光板を用いた干渉縞を観察することで確認することができる。すなわち、第１圧着工程と第２圧着工程では印加する温度が異なるため、樹脂間の溶着の程度が異なり、そのため、樹脂の溶着部分の干渉縞として観察することができ、工程管理が容易となる。

このようにして、本発明の製造方法により、性能に優れたマイクロ流路デバイス１００を得ることができる。
具体的には微細流路部分に設計外の閉塞が無く、かつ微細流路部分に液体を流しても接合部が破損しない。バイオチップもしくはマイクロ分析チップとして用いる場合には、微細流路部分に液体や気体を流すが、それらの流体がチップの接合のときに設計した意図とは異なる微細流路の閉塞が生じることなく、かつ微細流路部分から液体や気体成分が漏れたりしないように実用上十分にシールされている。流す液体は、水溶液である場合が多い。
さらに、プランジャポンプ等でバイオチップもしくはマイクロ化学チップの流路に３００ｋＰａの水を流し、微細流路部分に設計どおり水が通るか、また微細流路部分が破損して水が漏れないかを顕微鏡観察で観測することにより確認できる。

本発明の方法で得られるマイクロ流路デバイス１００は、例えば核酸チップ、プロテインチップ、抗体チップ、アプタマーチップ、及び糖タンパクチップから選ばれる少なくとも１つであるバイオチップ、または各種の化学分析用のマイクロ分析チップに好適に用いることができる。

本発明の方法で得られるマイクロ流路デバイス１００を構成する第２基板について、最も好適なものは、透明性、溶着性から、ポリメタクロイルアセテートまたはポリカーボネートであり、ポリメタクロイルアセテートはヘキサンを、ポリカーボネートは２−プロパノールを貧溶媒として用いるものである。

なお、本発明のマイクロ流路デバイスの製造方法の説明については、上述した流路用溝１について説明したが、本発明のマイクロ流路デバイスの製造方法は、これに限定されず、例えばＹ字状のような分岐を有する溝等を有する樹脂基板にも適用することができる。

１００ マイクロ流路チップ
１ 流路
２ 樹脂基板
３ 樹脂フィルム
４ 電極部

Claims (5)

1. 一方の面側に流路溝を有するプラスチック樹脂製の板状の第１基板と、一方の面側に電極部および平坦部を有するプラスチック樹脂製の第２基板とを接合してマイクロ流路チップを製造する方法であって、
   前記第１基板の流路溝を有する面と、前記第２基板の電極部を接するように積層し、
   前記第１基板の他方側の面と、前記第２基板の平坦部とを熱圧着する際に、低温および高温の二温度の二段階で行い、
   二温度間の温度差が２０℃以上、５０℃未満であり、
   前記熱圧着が、前記第１基板又は第２基板のどちらか一方のＴｇ未満の温度で熱圧着する第１圧着工程と、前記第１基板および第２基板のＴｇ以上の温度で熱圧着する第２圧着工程を有し、
   前記第２圧着工程が、マイクロ流路チップの電極部および外周部を圧着させるものである、マイクロ流路チップの製造方法。
2. 請求項１に記載のプラスチック樹脂が、ポリカーボネート、シクロオレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルペンテン、ポリスチレン、ポリメチルメタアクリレート、ポリエチレンテレフタレートのいずれかから選択されるマイクロ流路チップの製造方法。
3. 前記電極部が、金属またはカーボンのいずれかから選択され、第２基板へ薄膜の接着、または蒸着により形成される請求項１に記載のマイクロ流路チップの製造方法。
4. 請求項１ないし３いずれか１項に記載のマイクロ流路チップの製造方法により製造されるマイクロ流路チップ。
5. 請求項４記載のマイクロ流路チップにおいて、第１圧着工程と第２圧着工程が、各圧着工程後に目視または、偏光板を用いた干渉縞の有無で判別できるマイクロ流路チップ。

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