JP5651707B2 - 多孔質基材に液流案内構造を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、多孔質基材シートに液流案内構造層（液体の流れを案内する構造層）を製造するための、請求項１の前文に記載の方法に関する。

ニトロセルロースシート、セルロース質紙及び多孔質ポリマシートなどの多くの多孔質基材では、液体が基材シートに沿って横方向に流動する。この流動は、一般に毛管現象である。このようなシートは、診断の分野においてバイオセンサや側方流動免疫測定などの多くの用途に利用されている。これらの用途においては、基材シートから切断されたストリップが使用され、このようなストリップでは液体がストリップの幅全体に沿って横方向に流動する。試料液を幾つかの反応／検出領域に輸送しなければならない多重分析テストにおいては、試料液が基材シートの特定の部分にのみ移動するように基材シートを形成する、即ち液流案内構造層をシートに形成することができるようにすることが有利である。

液流案内構造層は、多くの異なる方法で多孔質基材シートに製造することができる。特に次の方法が特許文献１に開示されている。

・基材シートにフォトレジストを染み込ませ、液体流路を規定するフォトマスクを通してＵＶ光で露光し、その結果フォトレジストが液体流路の部分で分解除去され、最終的に現像される。このようして、液体流路のエッジを画定するフォトレジストが浸透した領域を生成させる。

・硬化性ポリマ、例えばポリジメチルシロキシン（ＰＤＭＳ）を液体流路の境界部分を規定するレリーフパターンを有するスタンプに塗布する。その後、スタンプを基材シートに、例えば２０秒間押圧する。最後に、スタンプを取り除き、ポリマを硬化させる。

・それ自体疎水性である液体か、又は基材シートを疎水性に変換し得る液体を、所望のパターンに従って基材シートに塗布することができ、これは、例えば、次の方法、即ち、ステンシルを通して液体をスプレーする方法、シルクスクリーン印刷による方法、インクジェット印刷による方法又はプロッタを使用する方法を用いて、行うことができる。

・基材の所望領域に加熱によりワックスを吸収、浸透させて、所望領域を疎水性にする。

非特許文献１には、ＰＤＭＳ溶液をプロッタペンのインクとして用いて液体の流れを案内する障壁ラインを形成することが開示されている。

フォトレジストベースの方法を除いて、従来技術による上述の方法では液体流路のエッジの精度が問題となる。液体の流れを案内するように基材シートを変更する液体を基材シートの全体に吸収させなければならないため、その液体は同時に横方向にも広がり、よって液体流路のエッジは精確にならない。

非特許文献２には、最初に紙に１．０質量％のポリスチレン−トルエン溶液を染み込ませ、乾燥させ、最後にトルエンによるインクジェット印刷によって液体流路を食刻する方法が開示されている。インクジェット印刷は、一般に十分な食刻深さを達成するために１０−３０回繰り返す必要があり、この方法をロール・ツー・ロール製造プロセスで使用することは困難である。

従来技術による上述の製造方法はすべてかなり低速であるため、工業的な大規模製造プロセスで使用することは困難である。特許文献１の方法では、１０×１０ｃｍの単一基材シートをパターン化するのに、フォトレジストベースの方法では８−１０分、スタンプを用いる方法では約２分かかると推定される。

米国特許出願公開第２００９／０２９８１９１号：「Lateral flow and flow-through bioassay devices based on patterned porous media, methods of making same and methods of using same」

D.A.Bruzewicz, M.Reches, and G.M,Whitesides: "Low-cost Printing of poly (dimetylsiloxane) barriers to define microchannels in paper": Anal. Chem., 2008, 80(9), 3387-3392 K.Abe, K.Suzuki, and D. Citterio: "Inkjet-printed microfluidic multianalyte chemical sensing paper": Anal.Chem., 2008,80(18), 6928-6934

本発明の目的は、液体の流れを案内する液流案内構造層を多孔質基材にコストエフェクティブに迅速に製造することができる新しい方法を提供することにある。例えば、本発明によれば、パターン化した液体流路を多孔質の親水性紙に製造することができる。

本発明の目的は、特に精密なエッジラインを液体流路に与えるともに、コストエフェクティブで迅速な方法を開発することにある。

上記の目的は、印刷溶液を用いてフレキソ印刷又はグラビア印刷で液流案内構造層を多孔質基材シートに製造する本発明の方法によって達成される。ここで、この印刷用液は、印刷された構造層の領域で液体の流れを阻止するように基材シートの特性を変化させる。

もっと正確に言えば、本発明による方法の特徴は請求項１の特徴部分に記載されている。

本発明の一つの重要な利点は、印刷技術の点から見て、本発明は既存の印刷機と互換性があり、よって大量生産に極めて適していることにある。

本発明は更に、ポリマ及び溶剤を含む単純な溶液又は実質的にそれらからなる溶液は、従来技術による方法で使用される溶液、例えば市販のフォトレジストより大幅に経済的であるとの利点も有する。

本発明の実施例は重要な追加の利点を提供する。

一実施例によれば、基材シートの厚さ方向の印刷溶液の浸透は、印刷シリンダと基材シートとの間の圧力を調整することによって制御される。適切な印刷シリンダ圧力を使用するとともに溶剤が急速に蒸発する適切な粘度を有する印刷溶液を使用することによって、印刷溶液の横方向の拡がりを小さく維持することができ、それ故、液流案内構造のエッジ部がシャープになる。印刷溶液の特性は、幾つかの異なる沸点を有する溶剤を用いることによって最適化することができる。

基材シートへの印刷溶液の浸透は、幾つかの印刷溶液層を互いに重ねて印刷することによって促進させることができる。

基材シートが厚いために前面に印刷された印刷溶液層が基材全体に浸透しない場合には、パターン化した又は一体化した印刷用液層を基材の背面に印刷することができる。前面及び背面に印刷された印刷溶液層が接触するとき、液流案内構造層が得られる。本発明を液体流路の製造に使用する場合、背面に印刷した一体化された印刷溶液層は、同時に、基材の下面から液体が漏れるのを阻止する保護層として作用する利点を有する。

以下において、本発明の種々の実施例及び他の利点が図面を参照して詳細に考察される。

本発明の一実施例による構造を示す。 液体の流れを案内する完成構造層の一例を示す。 本発明の方法を用いて製造されたマイクロタイタープレートの一例を示す。 本発明の一実施例による構造の略垂直断面図を示す。 本発明の第２の実施例による構造の略垂直断面図を示す。 異なる方法で製造された液体流路における流動を示す。 製造された構造領域の幅が、横方向の液体の流動を阻止する能力に与える影響を示す。

図１は、本発明の一実施例による構造を示す。基材シート１に構造層２が形成され、この構造層の効果によって、液体は基材シート内を液体流路３に沿ってのみ、検出／反応領域４へ移動することができる。試料液滴５は流路の交点６に供給される。構造層２は、厚さ方向において基材シートの深さ全体に亘って延在している。

例えば、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート又はセルロースアセテートなどの有機溶剤に溶解されたポリマを印刷溶液として使用することができる。ここで、印刷溶液には、液体の流れが印刷層の領域で阻止されるように基材シートを形成するという務めがある。他の可能な物質として、アルキンケテンダイマー及び架橋ポリビニルアルコールＰＶＡがある。ポリスチレンは、熱処理を必要とせず、完全にバイオコンパチブルであるために好ましい。

セルロース質基材の多孔質構造は有機溶剤よりも水の影響で容易に壊れるので、水性の印刷溶液よりも有機溶剤の印刷溶液を使用する方が好ましい。溶剤は、例えばトルエン、キシレン又はこれらの混合物とすることができる。

溶液中のポリマの量は、例えば１−４０質量％とすることができる。

一実施例によれば、比較的低いポリマ濃度、好ましくは２−１０質量％、最適には３．５−７質量％のポリマ濃度の印刷溶液が使用される。低濃度のものを使用することによって、一般により大きな構造深さが達成されるが、基材内のポリマの最終濃度はこれに応じて低くなる。これは、印刷層の数を増加することによって補償することができる。一実施例によれば、このような低いポリマ濃度のものでは、印刷層を少なくとも２層とする。

第２の実施例によれば、比較的高いポリマ濃度、好ましくは１０−４０質量％、最適には１５−３５質量％のものが使用される。ポリスチレンなどの特に分子量が低いポリマを有する印刷溶液では、この濃度範囲における粘度が本発明による印刷方法を用いて印刷するために依然として十分に低く、そして、それらの印刷溶液は基材の気孔内に十分に浸透することを、試験において観測した。加えて、短い鎖のために、印刷された構造の特性は、多くの場合、長い鎖を有するポリマ材料を使用する場合の特性よりも良くなる。特に、このような材料は、ほぼ確実に、より稠密な障壁層を形成する。それ故、少なければ１回の印刷で十分とすることができる。

使用するポリマの分子量は、例えば２５００−５０００００とすることができる。ポリマの濃度が印刷溶液の１０質量％より大きい場合には、最大でも２５００００、好ましくは最大でも１０００００の分子量を有するポリマを使用することが好ましい。例えば、２０質量％の濃度のものを使用する試験において、約３５０００の平均分子量を有するバイモダルなポリスチレンは、形成される流路の液体案内性能に関して極めて良い印刷結果をもたらすことを観測した。しかしながら、最適な分子量は濃度に依存するのみならず、基材材料、流路内に置く材料及び最終用途などの他の要素にも依存することに留意されたい。

図４ａは、本発明の一実施例による構造を概略的に示す。第１疎水性印刷領域４２ａ及び第２疎水性印刷領域４２ｂが基板４０に印刷され、それらの間に印刷されていない親水性試料領域４４が残存する。試料領域４４に提供された液体は印刷領域４２ａ，４２ｂのおかげで当該領域にとどまる。

流路の幅は一般に３０μｍ〜５ｍｍ、特に０．２５ｍｍ〜４ｍｍである。

１つ以上の印刷層を互いに重ねることができる。典型的には１〜３層の印刷層が使用される。数枚の層を互いに重ねて使用することによって、ポリマを基材内により深く組み込んで印刷構造の液体案内効果を補強することができる。印刷基材と印刷シリンダとの間の圧力を増加することによっても、同様の効果を達成することができる。

ポリマ濃度、印刷圧力及び印刷回数は、基材の深さ全体に亘り延在する構造領域を達成するように選択することが好ましい。

図４ｂに示すように、基材の背面に一体化された層又は局所的な層４６を印刷することもできる。この層は典型的には試料領域４４の全幅に亘り延在し、液体が基材を厚さ方向に通り抜けることを阻止する。従って、横方向の障壁層４２ａ，４２ｂに加えて、深さ方向の障壁層４６が構造内に存在する。同時に、横方向の液体案内効果が向上し、基材の前面への印刷層又は加圧の必要性が低減される。また、毛管容積が減少するため、所要の試料量も大幅に減少するという利点がある。基材の基部（例えば、テーブルトップ）から試料領域への異物の移動も、有効に阻止される。

一実施例によれば、基材の背面に印刷された障壁層４６に、開口部が設けられる。この開口部は、試料領域４４に試料を供給するため及び／又はそこから試料を除去するため、例えば第１基材の上に置かれた第２基材に試料を供給するために設けられる。

水性試料が横方向に流動し得る如何なる多孔質基材も、基材として使用することができる。このような基材は、例えばニトロセルロースシート、セルロース質紙及び多孔質ポリマシートである。特に、この目的のために設計されたろ紙を使用することができる。

図２は、ユーカリ樹脂からなる紙（５０ｇ／ｍ^２）上に形成した液流案内構造層の一例を示す。構造層６の作用によって、液体は液体流路７−１１に沿ってのみ移動し得る。流路７は４ｍｍ幅であり、流路１１は０．２５ｍｍ幅である。図中、水滴１２が流路に供給されるが、この水滴１２は、流路中を毛管現象によって広がり、また食品着色料で着色されている。この液流案内構造層６は５質量％のポリスチレン−キシレン溶液の３つの印刷層を互いに重ねてフレキソ印刷することによって、紙に形成される。印刷装置としてRK Flexiproof 100ユニットを使用した。印刷速度は、６０ｍ／ｍｉｎであった。印刷シリンダ圧力は、最良の結果を達成するように最適化した。紙の背面に単一の一体化した印刷溶液層を印刷し、前面に単一のパターン化した層を印刷すれば、パターン化した液体流路を形成するのに十分であった。

図３は、ユーカリ樹脂から作られた紙（５０ｇ／ｍ^２）に形成したマイクロタイタープレートの一例を示す。紙は、７ｍｍ径の「試料ウェル」１４を含み、各試料ウェルには食品着色料で着色された２０μｌの水が供給される。液流案内構造層１３は、図２の例と同様の方法で試料ウェルの周囲に形成される。

図５は、異なる方法で形成された流路内の試料溶液の広がりを示す。ポリスチレン−キシレン（ＰＳ−ＸＹＬ）溶液及びポリスチレン−トルエン（ＰＳ−ＴＯＬ）溶液を使用する場合、どちらも、試料（食品着色料で着色された脱イオン水）の最良の案内効果は、５質量％のポリマ濃度のものを使用するとともに、少なくとも２層の印刷層を使用するときに達成された。図に示すすべての場合において、溶液領域の幅は１ｍｍである。

図６は、障壁領域の横幅が液体の毛管流動に与える影響を示す。５質量％のポリスチレン−キシレン溶液をろ紙上に１００−８００μｍのリング（内部リング）として印刷した。リングの内部に、５μｌの着色された脱イオン水を供給した。約４００μｍの構造幅を使用すると障壁領域に対する横方向への流動は完全に阻止されることが観測された。印刷プロセス及び材料を最適化することによって、約１００μｍであっても、十分に稠密な構造を達成することが可能である。

一実施例によれば、液流案内構造を生成するのと同じ印刷プロセスにおいて、診断学的検査用の生体分子もしくは他の試薬が基材に印刷される。それ故、全分析手段を、例えばロール・ツー・ロール法により容易に製造することが可能となる。

Claims (15)

1. 液体の流れを案内するための構造層を多孔質基材中に製造する方法において、該構造層が、印刷溶液を用いてフレキソ印刷又はグラビア印刷により形成され、該印刷溶液は、基材シートに浸透し、印刷された前記構造層の領域で液体の流れを阻止するように該基材シートの特性を変化させることを特徴とする方法。
2. 前記基材シート内への前記印刷溶液の浸透は、印刷シリンダ圧力、印刷の回数、前記印刷溶液の溶剤及び／又は前記印刷溶液の粘度によって最適化されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記印刷溶液はポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルアルコール、セルロースアセテート又は架橋ポリビニルアルコールＰＶＡから選択されるポリマを含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. トルエン又はキシレンから選択される有機溶剤を一種以上、前記印刷溶液の溶剤として使用することを特徴とする、請求項１−３のいずれかに記載の方法。
5. 前記印刷溶液の幾つかの層を互いに重ねて印刷することを特徴とする、請求項１−４のいずれかに記載の方法。
6. 前記印刷溶液を前記基材シートの両面に印刷することを特徴とする、請求項１−５のいずれかに記載の方法。
7. 一以上のパターン化した印刷溶液層を前記基材シートの前面に印刷し、一以上の一体化した又はパターン化した印刷溶液層をその背面に印刷することを特徴とする、請求項１−６のいずれかに記載の方法。
8. 前記印刷された構造層が、前記基材の厚さ全体に亘って延在することを特徴とする、請求項１−７のいずれかに記載の方法。
9. 前記構造層の間に横方向流路を形成するために、互いに離間した少なくとも２つの印刷層を前記基材の第１表面に印刷することを特徴とする、請求項１−８のいずれかに記載の方法。
10. 少なくとも前記横方向流路の全幅に亘って延在する一体化した構造層を、前記基材の第２表面に印刷することを特徴とする、請求項９記載の方法。
11. 前記基材の横方向における前記構造層の幅は、少なくとも１００μｍであることを特徴とする、請求項１−１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記印刷溶液はポリスチレンを含み、
    前記印刷溶液は溶剤としてトルエン、キシレン又はこれらの混合物を含み、
    前記印刷溶液のポリスチレンの割合は２．５〜４０質量％である、
    ことを特徴とする、請求項１−１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記基材シートに形成される印刷構造は、
    前記印刷構造層により画定された幾つかの流路、
    前記流路の交点に位置する供給領域、及び
    前記流路それぞれに連結する検出又は反応領域
    を具えることを特徴とする、請求項１−１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記印刷溶液は２．５〜１０質量％のポリマを含むことを特徴とする、請求項１−１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記印刷溶液は１０〜４０質量％のポリマを含み、その平均分子量は最大でも２５００００であることを特徴とする、請求項１−１３のいずれかに記載の方法。
    

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