JP7679995B2 - マイクロ流路チップ - Google Patents

Description

本発明は、微少量の生体試料等を分析するために用いられるマイクロ流路チップ（μTASやLab-on-Chipとも呼ばれる。）に関する。

半導体製造技術を応用したMEMS（Micro Electro Mechanical Systems、微小電気機械システム）技術を用いて製造されるマイクロ流路チップは、微少量の試料を対象として、流路内で送液、混合、反応、合成、分析、分離、抽出、検出等の化学的或いは物理的な操作を行うことができる。

マイクロ流路チップは一般に、一方の面に流路が形成された平板（流路板）と、その面（流路）を塞ぐ平板（閉鎖板）の2枚の透明平板を接合することにより作製される。通常、流路の両端には試料の導入口及び排出口となる開口が設けられる。

分析のみを行う場合、流路は単純な1本流路であることも多いが、複数の試料の混合や反応等の複雑な操作を行う場合、流路も十字形や樹状分岐形等、様々な形態のものが用いられる。

一方、特許文献１や特許文献２には、導入口及び排出口の位置を一致させた流路板（単位板）を複数枚積層して形成したマイクロ流路チップが開示されている。このマイクロ流路チップでは複数の流路が共通の導入口と排出口の間で並列に形成されているので、単位時間あたりの収量等が多いという利点がある。また、このマイクロ流路チップでは複数の単位板を接合する際に熱接合を行うが、その際にいずれかの単位板の流路が変形して閉塞してしまったとしても、試料は他の単位板の流路を流れることができるという利点がある。

特開2003-130883号公報（図１４等） 特開2008-142578号公報（図３） 特開2020-011305号公報

流路内を流れる試料に対して反応や合成、分離の化学的・物理的操作を十分に行うためには、流路が相当程度長いことが求められる。そこで、幅をできるだけ小さくした流路を前記一方の面内で多数回折り返したり旋回させることにより長い流路を確保することが行われるが、チップの面の大きさは定まっていることからそれにも限界がある。

本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、長い流路を有するマイクロ流路チップを提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係るマイクロ流路チップは、
一方の主面である第１主面の表面に第１端と第２端を有する流路溝が形成され、該第１端において該流路溝から他方の主面である第２主面に連通する第１孔が形成された第１板と、
前記第１主面と合致する第３主面を有し、前記第２端に対応する位置において前記第３主面から他方の主面である第４主面に連通する第２孔が形成された第２板と
を備えることを特徴とする。

本発明に係るマイクロ流路チップでは、第１板の第１孔の第２主面側の開口（第１開口）と第２板の第２孔の第４主面側の開口（第２開口）の間に、第１孔、流路溝、第２孔により構成される流路が形成される。従って、第１開口及び第２開口のいずれかを導入口、他方を排出口とすることにより、試料を両者間に流し、分析や反応等の試料に対する操作を行うことができる。

本発明に係るマイクロ流路チップにおいて、互いに合致する前記第１主面と前記第３主面は、例えば共に平面としておくことができる。或いは、相補的な曲面や相補的な屈曲面であってもよい。

本発明に係るマイクロ流路チップにおいて、第１板の第１主面の表面に形成されている流路溝は、いかなる形状であってもよい。すなわち、単純な直線状であってもよいし、ジグザグ状に屈曲したり渦巻き状に旋回したものであってもよい。

また、独立した流路溝を複数設け、それら流路溝の第１端にそれぞれ第２主面に連通する第１孔を形成するようにしてもよい。この場合、第２板の方にも各流路溝の第２端に対応する位置に第２孔を設けておく。

さらには、独立でない、互いに交差する流路溝を複数設け、同様にしてもよい。

第２板の第３主面の表面に、第１板の流路溝に対応する流路溝を形成し、第１主面と第３主面を合致させたときに両流路溝が合致するようにしておいてもよい。これにより、流路の断面積を増加させることができる。

本発明に係るマイクロ流路チップでは、前記の第１板の第１主面と第２主面を互いに合致する面としておく（例えば、共に平面とする。また、相補的な曲面としたり、相補的な屈曲面としてもよい。）ことにより、前記第１板と同じ板（これを第３板と呼ぶ）を用意し、第３板の流路溝の第２端を前記第１板の第１開口位置に合わせるようにして第３板の第１主面と第１板の第２主面を合致させることにより、前記流路を長くすることができる。
このようにして前記第１板を順次重ねてゆくことにより、流路を更に延長してゆくことができる。

第１板及び第２板、そしてそれ以降に接合する第３板以降の板の材料としては、ガラスやシクロオレフィンポリマー（COP）（その共重合体であるシクロオレフィンコポリマー(COC)やシクロブロックコポリマー(CBC)を含む）、ポリジメチルシロキサン（PolyDiMethylSiloxane, PDMS）等を用いることができる。COPは自家蛍光が非常に少なく光学特性に優れる点で好適に用いることができる。PDMSの場合、表面にパリレン（ポリパラキシリレン, Poly-para-Xylylene。「パリレン」は日本パリレン合同会社の登録商標。）をコーティングすることで表面のバリア性を高め、材料自体から低分子シロキサンが放出されて試料に侵入することを防止する方策が採られる（特願2019-179658号参照）。また、COP板とPDMS板を使用する場合には、それらの接合には、接合面を水蒸気プラズマで処理した後、接合面に小さな圧力を付与することにより接合するという方法をとることができる（特許文献３）。

本発明により、長い流路を有するマイクロ流路チップを作製することができる。

本発明に係るマイクロ流路チップの基本的形態を説明するための説明図であり、(a)は閉鎖板の平面図、(b)は流路板の平面図、(c)は両者を接合したマイクロ流路チップの流路を示す概念的断面図。 本発明に係るマイクロ流路チップの他の基本的形態を示す側面図であり、(a)は第１及び第３主面が円弧面、(b)はそれらが屈曲面であるマイクロ流路チップの断面図。 本発明の第１の実施形態のマイクロ流路チップの各単位板の平面図と側面図(a)及び全体の流路を示す概念的断面図(b)。 本発明の第２の実施形態のマイクロ流路チップの各単位板の平面図(a)及び全体の流路を示す概念的断面図(b)。 本発明の第３の実施形態のマイクロ流路チップの各単位板の平面図と両側面図。 本発明の第４の実施形態のマイクロ流路チップの各単位板の平面図。

本発明に係るマイクロ流路チップの基本的形態を図１により説明する。本発明に係るマイクロ流路チップ１０は、第１板１１と第２板１２を必須構成要素とする。図１において第１板１１と第２板１２は平板として描かれているが、これは後述するようにそれに限定されるものではない。

図１(b)に示すように、第１板１１は流路板であり、その一方の主面（第１主面）の表面には流路溝１１１が形成されている。流路溝１１１の一方の端（第１端）には、流路溝１１１からその反対側の面（第２主面）まで連通する孔（第１孔）１１２が設けられている。図１では第１孔１１２は流路溝１１１の幅よりも大きく描かれているが、これは必須ではない。流路溝１１１の他方の端（第２端）にも流路溝１１１の幅よりも大きい円形の空間が描かれているが、これも必須ではない。

図１(a)に示すように、第２板１２の、前記流路溝１１１の第２端に対応する位置には、第２板１２の両主面（第１板１１に対向する面を第３主面、その反対側の面を第４主面とする。）を貫く第２孔１２１が形成されている。図１ではこの第２孔１２１についても、流路溝１１１の幅よりも大きい円形として描かれているが、これも必須ではない。

これら第１板１１と第２板１２を第１主面と第３主面で接合すると、流路溝１１１が閉鎖されたマイクロ流路チップが形成される。このマイクロ流路チップは、図１(c)に示すように、第２板１２に設けられた第２孔１２１から試料を第１板１１の流路溝１１１に供給し、そこで反応や分析等の操作を行った後、第１板１１に設けられた第１孔１１２の第２主面側の開口から排出する。なお、試料を第１孔１１２の第２主面側の開口から供給し、第２板１２に設けられた第２孔１２１から排出してもよい。

第１板１１と第２板１２の接合強度が向上する点で、第１主面と第３主面の接合前に両主面に酸素プラズマ、水蒸気プラズマ、または、エキシマUV光を照射することが好ましく、なかでも、板の光学特性に影響を与えない点で、水蒸気プラズマが好ましい。このような水蒸気プラズマの照射はサムコ株式会社製のAQ-2000（商品名）を用いて行うことができる。

図１では第１主面と前記第３主面は共に平面であったが、図２(a)に示すように、共に曲面（円筒面、球面等）であってもよい。また、図２(b)に示すように、互いに相補的な屈曲面であってもよい。

このような基本的形態を有する本発明に係るマイクロ流路チップは、さまざまな形態に変化させることができる。図３(a)、(b)は、流路溝を有する第１板を多数枚重ねて、流路を長くしたマイクロ流路チップ２０の例を示す。マイクロ流路チップ２０は、第１板と同じ板である第３板の流路溝の第２端が第１板の第１開口の位置に合うように第３板の第１主面と第１板の第２主面の両主面に水蒸気プラズマを照射したのちに順次多数重ねて作成することができる。図３(a)、(b)の例のマイクロ流路チップ２０は、第１板である流路板が4枚（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）と、第２板である閉鎖板２２が1枚で構成される。流路板をさらに増やすことにより、流路２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ、２１１ｄをさらに延ばすことができる。

また、各流路板の流路の位置は必ずしも同一でなくてもよい。図４(a)、(b)に示すように、マイクロ流路チップ３０の流路３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃの位置を各流路板３１ａ、３１ｂ、３１ｃ毎に変えることにより、例えば、マイクロ流路チップ３０の一方の面から測定光を照射し、他方の面から出てくる光を測定することにより試料の分析を行うような場合、このように流路３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃの位置が流路板３１ａ、３１ｂ、３１ｃ毎に異なっている方が試料への測定光の照射効率が良くなる。

図５は、互いに独立した流路を形成した流路板４１ａ、４１ｂを重ねて構成されるマイクロ流路チップ４０の例である。流路板を多数重ねることにより、それぞれの流路４１１、４１２、４１３が延長される。

図６は、1枚の流路板５１ａに流路溝が複数（５１１ａ、５１１ｂ、５１１ｃ）設けられ、それらが１つの流路溝５１１ｄに合流する構成を有するマイクロ流路チップ５０の例である。3種の試料を混合し、混合した後の試料を均等化するために長い流路が望まれることから、単一の流路５１１ｅ、５１１ｆを有する流路板５１ｂ、５１ｃを重ねるようにしたものである。

なお、上記の例ではいずれも閉鎖板には流路溝は設けられていないが、閉鎖板の方にも対応する流路溝を設け、流路の断面積を増加させるようにしてもよい（図示せず）。

１０、２０、３０、４０、５０…マイクロ流路チップ
１１、２１ａ～２１ｄ、３１ａ～３１ｃ、４１ａ、４１ｂ、５１ａ～５１ｃ…流路板
１２、２２、３２、４２、５２…閉鎖板
１１１、２１１ａ～２１１ｄ、３１１ａ～３１１ｃ、４１１～４１３、５１１ａ～５１１ｆ…流路溝
１１２…第１孔
１２１…第２孔

Claims (7)

1. 一方の主面である第１主面の表面に第１端と第２端を有する第１流路溝が形成され、該第１端において該第１流路溝から他方の主面である第２主面に連通する第１孔が形成された第１板と、
   前記第１主面と合致する第３主面を有し、前記第２端に対応する位置において前記第３主面から他方の主面である第４主面に連通する第２孔が形成された第２板と、
   前記第２主面と合致する一方の主面である第５主面の表面に第３端と第４端を有する第２流路溝が、前記第１孔に対応する位置に該第３端が位置するように形成され、該第４端において該第２流路溝から他方の主面である第６主面に連通する第３孔が形成された第３板と、
   を備え、前記第１板、前記第２板、前記第３板のいずれもが透明なガラス又は透明な樹脂からなり、前記第１流路溝及び前記第２流路溝が、１つの方向に沿って往復する部分を有することを特徴とするマイクロ流路チップ。
2. 前記第１主面と前記第３主面が共に平面である請求項１に記載のマイクロ流路チップ。
3. 前記第１板に独立した前記第１流路溝が複数設けられ、それら複数の第１流路溝のそれぞれの前記第１端にそれぞれ前記第１孔が、前記第２板の前記複数の第１流路溝のそれぞれの前記第２端に対応する位置に前記第２孔が形成されている請求項１又は２に記載のマイクロ流路チップ。
4. 前記第１板に互いに交差する前記第１流路溝が複数設けられ、それら複数の第１流路溝のそれぞれの前記第１端に前記第１孔が、前記第２板の前記複数の第１流路溝のそれぞれの前記第２端に対応する位置に前記第２孔が形成されている請求項１又は２に記載のマイクロ流路チップ。
5. 前記第１流路溝の前記１つの方向に沿って往復する部分と前記第２流路溝の前記１つの方向に沿って往復する部分が、面直方向から見て互いに重ならないことを特徴とする、請求項１～４のいずれかに記載のマイクロ流路チップ。
6. 請求項１～５のいずれかに記載のマイクロ流路チップを製造する方法であって、
   前記第３板の第５主面と前記第１板の第２主面の両主面に水蒸気プラズマを照射したのちに該両主面を接合する、マイクロ流路チップの製造方法。
7. 請求項１～５のいずれかに記載のマイクロ流路チップを製造する方法であって、
   前記第１板の第１主面と前記第２板の第３主面の両主面に水蒸気プラズマを照射したのちに該両主面を接合する、マイクロ流路チップの製造方法。

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