JP2007260678A - マイクロ化学チップ - Google Patents

Abstract

【課題】
生産性が高く、安価で、かつ耐薬品性に優れ、種々の条件で使用することのできるマイクロ化学チップおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】
セラミックグリーンシート３２の表面に、予め定める形状の型を押圧して溝部３６を形成した後、溝部３６を覆うように別のセラミックグリーンシート３１を積層し、積層したセラミックグリーンシート３１，３２を所定の温度で焼結させることによって、被処理流体を流通させる流路が形成されたセラミック材料から成る基体を形成し、マイクロ化学チップを得る。このマイクロ化学チップは、生産性が高く、また製造原価も低いので、安価である。また、耐薬品性に優れ、種々の条件で使用することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、微小な流路を流通する基質や試薬などの被処理流体に対して、反応や分析などの予め定める処理を施すことのできるマイクロ化学チップに関する。

近年、化学技術やバイオ技術の分野では、試料に対する反応や試料の分析などを微小な領域で行うための研究が行われており、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ；略称：ＭＥＭＳ）技術を用いて化学反応や生化学反応、試料の分析などのシステムを小型化したマイクロ化学システムが研究開発されている。

マイクロ化学システムにおける反応や分析は、マイクロ流路、マイクロポンプおよびマイクロリアクタなどが形成されたマイクロ化学チップと呼ばれる１つのチップを用いて行われる。たとえば、シリコン、ガラスまたは樹脂から成る１つの基体に、試料や試薬などの流体を供給するための供給口と、処理後の流体を導出するための採取口とを形成し、この供給口と採取口とを断面積が微小なマイクロ流路で接続し、マイクロ流路の適当な位置に送液のためのマイクロポンプを配置したマイクロ化学チップが提案されている（特許文献１および特許文献２参照）。また、送液の手段として、マイクロポンプに代えて、電気浸透現象を利用したキャピラリ泳動型のものも提案されている（特許文献３参照）。これらのマイクロ化学チップでは、マイクロ流路は所定の位置で合流または分岐しており、合流部で流体の混合が行われ、または分岐部で流体の分離が行われる。

マイクロ化学システムでは、従来のシステムに比べ、機器や手法が微細化されているので、試料の単位体積あたりの反応表面積を増大させ、反応時間を大幅に削減することができる。また流量の精密な制御が可能であるので、反応や分析を効率的に行うことができる。

さらに反応や分析に必要な試料や試薬の量を少なくすることができる。

このような利点を有することから、マイクロ化学システムの医療分野への応用が期待されている。たとえば、血液検査にマイクロ化学チップを用いることによって、検体である血液の量を少なくすることができるので、患者への負担を軽減することができる。また検査に必要な試薬の量を少なくすることができるので、検査の費用を下げることができる。

さらに医療分野では、マイクロ化学チップに半導体技術を組合せることが検討されている。たとえば、自宅や外出先の患者の血液を検査し、その検査結果を医療機関に送信するためのデバイスとして、シリコンから成る１つの基体に、マイクロ流路、マイクロポンプおよびマイクロリアクタに加えて、血液を採取するための針、血液をろ過するためのろ過器および血液を分析するためのマイクロ分光器、マイクロプラズマ電源、集積回路、検出回路が搭載された「ヘルスケアデバイス」の概念が示されている（非特許文献１参照）。
特開２００２−２１４２４１号公報（第４−５頁，第１図） 特開２００２−２３３７９２号公報（第５−６頁，第１図，第３図） 特開２００１−１０８６１９号公報（第５頁，第１図，第２図） 「日経マイクロデバイス（ＮＩＫＫＥＩ ＭＩＣＲＯＤＥＶＩＣＥＳ） ２０００年７月号」，日経ＢＰ社，２０００年７月，ｐ．８８−９７

前述のマイクロ化学チップの基体は、シリコン、ガラスまたは樹脂から成るので、流路を形成する際には、ＭＥＭＳ技術を用いたエッチング加工が必要である。

たとえば、特許文献２に記載の技術では、シリコン基板に対するエッチングを何度も行うことによって流路内に突起部を有するマイクロチップを製造している。したがって、生産性が悪く、また製造原価も高いので、シリコン、ガラスまたは樹脂から成る基体を用いたマイクロ化学チップは高価である。また、エッチング加工では、流路の側壁の表面形状までは制御できないので、側壁が所望の表面形状を有する流路を形成することは困難である。

また、樹脂から成る基体を用いたマイクロ化学チップは、耐薬品性の問題から、使用条件が制限される。

本発明の目的は、生産性が高く、安価で、かつ耐薬品性に優れ、種々の条件で使用することのできるマイクロ化学チップを提供することである。

本発明は、被処理流体を流通させる流路が形成された基体を有し、前記流路を流通する被処理流体に予め定める処理を施すマイクロ化学チップであって、前記基体は、セラミック材料から成るとともに、前記流路に被処理流体を流入させる供給部と、処理後の流体を外部に導出する採取部と、前記処理を施す処理部とを有し、前記処理部には、所定の物質が仮固定され、前記供給部から前記流路に被処理流体を流入させて、流入された該被処理流体を前記物質と反応させた後に、前記採取部から反応後の流体を外部に導出することを特徴とするマイクロ化学チップである。

本発明に従えば、検体や基質などの被処理流体は、セラミック材料から成る基体に形成された流路を流通し、流路を流通している被処理流体に、分析や反応などの予め定める処理が施される。基体はセラミック材料から成るので、シリコン、ガラスまたは樹脂から成る基体に流路を形成する際に必要なエッチング加工のような複雑な加工を行うことなく、簡単な加工を行うだけで流路を有する基体を形成することができる。したがって、本発明のマイクロ化学チップは、生産性が高く、また製造原価が低いので、安価である。またセラミック材料は、樹脂などに比べ、耐薬品性に優れるので、本発明のマイクロ化学チップは、種々の条件で使用することができる。

すなわち、基体がセラミック材料から成ることによって、生産性が高く、安価で、かつ耐薬品性に優れ、種々の条件で使用することのできるマイクロ化学チップを得ることができる。

また本発明は、前記基体は、前記流路に被処理流体を流入させる供給部と、処理後の流体を外部に導出する採取部とを有し、
前記供給部から前記流路に被処理流体を流入させ、流入された被処理流体に予め定める処理を施した後に、前記採取部から処理後の流体を外部に導出することを特徴とする。

本発明に従えば、被処理流体を供給部から流路に流入させると、流入された被処理流体に予め定める処理が施された後に、処理後の流体が採取部から外部に導出される。したがって、たとえば、供給部から流路に基質を含む流体を流入させ、流路内の所定の位置で基質を反応させた後、採取部から反応生成物を取り出すことのできるマイクロ化学チップを得ることができる。

また本発明は、一表面に溝部が形成されたセラミック材料から成る基体本体と、該基体本体の前記一表面を被覆部で覆うことにより、被処理流体を流通させる流路を形成する被覆部とを有し、前記流路を流通する被処理流体に予め定める処理を施すマイクロ化学チップであって、前記流路に被処理流体を流入させる供給部と、処理後の流体を外部に導出する採取部と、前記処理を施す処理部とを有し、前記処理部には、所定の物質が仮固定され、前記供給部から前記流路に被処理流体を流入させて、流入された該被処理流体を前記物質と反応させた後に、前記採取部から反応後の流体を外部に導出することを特徴とするマイクロ化学チップである。

本発明に従えば、基体はセラミック材料から成る基体本体と被覆部とを含み、検体や基質などの被処理流体は、一表面に溝部が形成された基体本体の前記一表面を被覆部で覆うことによって形成される流路を流通し、流路を流通している被処理流体に、分析や反応などの予め定める処理が施される。基体本体はセラミック材料から成るので、シリコン、ガラスまたは樹脂から成る基体本体に流路を形成する際に必要なエッチング加工のような複雑な加工を行うことなく、簡単な加工を行うだけで流路を有する基体本体を形成することができる。したがって、本発明のマイクロ化学チップは、生産性が高く、また製造原価が低いので、安価である。またセラミック材料は、樹脂などに比べ、耐薬品性に優れるので、本発明のマイクロ化学チップは、種々の条件で使用することができる。すなわち、基体本体がセラミック材料から成ることによって、生産性が高く、安価で、かつ耐薬品性に優れ、種々の条件で使用することのできるマイクロ化学チップを得ることができる。

また本発明は、前記基体は、前記流路に被処理流体を流入させる供給部と、処理後の流体を外部に導出する採取部とを有し、前記供給部から前記流路に被処理流体を流入させ、流入された被処理流体に予め定める処理を施した後に、前記採取部から処理後の流体を外部に導出することを特徴とする。

本発明に従えば、被処理流体を供給部から流路に流入させると、流入された被処理流体に予め定める処理が施された後に、処理後の流体が採取部から外部に導出される。したがって、たとえば、供給部から流路に基質を含む流体を流入させ、流路内の所定の位置で基質を反応させた後、採取部から反応生成物を取り出すことのできるマイクロ化学チップを得ることができる。

また本発明のマイクロ化学チップは、例えば、以下の製造方法、すなわち、セラミックグリーンシートの表面に、予め定める形状の型を押圧して溝部を形成し、溝部が形成されたセラミックグリーンシートの表面に、前記溝部を覆うように別のセラミックグリーンシートを積層し、積層したセラミックグリーンシートを、所定の温度で焼結させることによって前記基体を形成することを特徴とするマイクロ化学チップの製造方法により製造することができる。

上述の方法に従えば、セラミックグリーンシートの表面に、型を押圧して溝部を形成した後、溝部を覆うように別のセラミックグリーンシートを積層し、積層したセラミックグリーンシートを焼結させることによって、流路を有する基体が形成される。したがって、シリコン、ガラスまたは樹脂から成る基体に流路を形成する際に必要となるエッチング加工のような複雑な加工を行うことなく、簡単な加工を行うだけでマイクロ化学チップを製造することができる。また上述のマイクロ化学チップの製造方法では、流路となる溝部には、押圧された型の形状が転写されるので、型の表面形状を調整することによって、底面および側壁が所望の表面形状を有する流路を容易に形成することができる。

また上述の方法において、前記基体を、３枚以上のセラミックグリーンシートが積層されたものを焼成して硬化させることによって形成するにあたっては、
２枚以上のセラミックグリーンシートの表面に、予め定める形状の型をそれぞれ押圧して溝部を形成するとともに、異なるセラミックグリーンシートにそれぞれ形成された溝部を連通するための貫通孔を必要に応じて形成し、
溝部が形成されたセラミックグリーンシートの表面に、前記溝部を覆うように、別のセラミックグリーンシートを積層し、
積層されたセラミックグリーンシートを、所定温度で焼結させることによって前記基体を形成することを特徴とする。

上述の方法に従えば、３枚以上のセラミックグリーンシートが積層されたものを焼結させることによって基体を形成する場合には、２枚以上のセラミックグリーンシートの表面に型をそれぞれ押圧して溝部を形成するとともに、異なるセラミックグリーンシートにそれぞれ形成された溝部を連通するための貫通孔を必要に応じて形成し、溝部が形成されたセラミックグリーンシートの表面に、溝部を覆うように別のセラミックグリーンシートを積層し、積層されたセラミックグリーンシートを焼結させることによって、立体的な流路を有する基体を形成する。

たとえば、マイクロ化学チップの基体を、３枚のセラミックグリーンシートが積層されたものを焼結させることによって形成する場合には、以下のようにして基体を形成する。

まず、２枚のセラミックグリーンシートの表面に、それぞれ予め定める形状の型を押圧し、溝部を形成するとともに、溝部の形成された２枚のセラミックグリーンシートのうちの１枚に、２枚のセラミックグリーンシートにそれぞれ形成された溝部を連通するための貫通孔を形成する。次に、溝部のみが形成されたセラミックグリーンシートの表面に、このセラミックグリーンシートの溝部を覆うように、溝部および貫通孔の形成されたセラミックグリーンシートを積層する。さらに、溝部および貫通孔の形成されたセラミックグリーンシートの表面に、このセラミックグリーンシートの溝部を覆うように、別のセラミックグリーンシートを積層し、積層されたセラミックグリーンシートを、所定温度で焼結させることによって基体を形成する。このようにして基体を形成することによって、流路が立体的に形成されたマイクロ化学チップを製造することができる。

また本発明のマイクロ化学チップは、例えば、以下の製造方法、すなわち、
セラミックグリーンシートの表面に、予め定める形状の型を押圧して溝部を形成し、
溝部が形成されたセラミックグリーンシートを、所定の温度で焼結させることによって基体本体を形成し、
該基体本体の表面の前記溝部を被覆部で覆うことによって前記基体を形成することを特徴とするマイクロ化学チップの製造方法により製造することができる。

上述の製造方法に従えば、セラミックグリーンシートの表面に型を押圧して溝部を形成し、溝部が形成されたセラミックグリーンシートを所定の温度で焼結させることによって基体本体を形成し、該基体本体の表面の前記溝部を被覆部で覆うことによって、流路を有する基体が形成される。

したがって、シリコン、ガラスまたは樹脂から成る基体に流路を形成する際に必要となるエッチング加工のような複雑な加工を行うことなく、簡単な加工を行うだけでマイクロ化学チップを製造することができる。

また上述のマイクロ化学チップの製造方法では、流路となる溝部には、押圧された型の形状が転写されるので、型の表面形状を調整することによって、底面および側壁が所望の表面形状を有する流路を容易に形成することができる。

また上述の製造方法において、前記基体本体を、複数枚のセラミックグリーンシートが積層されたものを焼結させることによって形成するにあたっては、
２枚以上のセラミックグリーンシートの表面に、予め定める形状の型をそれぞれ押圧して溝部を形成するとともに、異なるセラミックグリーンシートにそれぞれ形成された溝部を連通するための貫通孔を必要に応じて形成し、
溝部が形成されたセラミックグリーンシートの表面に、前記溝部を覆うように、別のセラミックグリーンシートを積層し、
積層されたセラミックグリーンシートを、所定温度で焼結させることによって前記基体本体を形成することができる。

上述の方法に従えば、複数枚のセラミックグリーンシートが積層されたものを焼成して硬化させることによって基体本体を形成する場合には、２枚以上のセラミックグリーンシートの表面に型をそれぞれ押圧して溝部を形成するとともに、異なるセラミックグリーンシートにそれぞれ形成された溝部を連通するための貫通孔を必要に応じて形成し、溝部が形成されたセラミックグリーンシートの表面に、溝部を覆うように別のセラミックグリーンシートを積層し、積層されたセラミックグリーンシートを焼結させることによって基体本体を形成する。

そして、基体本体上で露出している溝部を被覆部で覆うことによって、立体的な流路を有する基体を形成することができる。

たとえば、２枚のセラミックグリーンシートが積層されたものを焼結させることによって基体本体を形成する場合には、以下のようにして基体を形成する。

まず、２枚のセラミックグリーンシートの表面に、それぞれ予め定める形状の型を押圧し、溝部を形成するとともに、溝部の形成された２枚のセラミックグリーンシートのうちの１枚に、２枚のセラミックグリーンシートにそれぞれ形成された溝部を連通するための貫通孔を形成する。

次に、溝部のみが形成されたセラミックグリーンシートの表面に、このセラミックグリーンシートの溝部を覆うように、溝部および貫通孔の形成されたセラミックグリーンシートを積層し、積層されたセラミックグリーンシートを、所定温度で焼結させることによって基体本体を形成する。

このようにして形成された基体本体上で露出している溝部を被覆部で覆うことによって、流路が立体的に形成されたマイクロ化学チップを製造することができる。

以上のように本発明によれば、基体がセラミック材料から成るので、生産性が高く、安価で、かつ耐薬品性に優れ、種々の条件で使用することのできるマイクロ化学チップを得ることができる。

また本発明によれば、基体を構成する基体本体がセラミック材料から成るので、生産性が高く、安価で、かつ耐薬品性に優れ、種々の条件で使用することのできるマイクロ化学チップを得ることができる。

また本発明によれば、供給部から流路に流入された被処理流体に予め定める処理を施した後に採取部から外部に導出するので、たとえば供給部から流路に基質を含む流体を流入させ、流路内の所定の位置で基質を反応させた後、採取部から反応生成物を取り出すことのできるマイクロ化学チップを得ることができる。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態によるマイクロ化学チップ１の基本的な構成を示す平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すマイクロ化学チップ１の切断面線Ｉ−Ｉにおける断面構成を示す断面図である。

マイクロ化学チップ１は、被処理流体を流通させる流路１２が形成されたセラミック材料から成る基体１１を有し、流路１２を流通する被処理流体に予め定める処理を施す。

基体１１には、さらに流路１２に被処理流体を流入させる供給部１３と、処理部１４と、処理後の流体を外部に導出する採取部１５とが設けられる。

供給部１３は、外部から流路１２に被処理流体を注入することができるように開口で実現されている。

また採取部１５は、流路１２から被処理流体を外部に取り出すことができるように開口で実現されている。

マイクロ化学チップ１では、供給部１３から流路１２に被処理流体を流入させ、流入された被処理流体に処理部１４において予め定める処理を施した後、採取部１５から処理後の流体を外部に導出する。

たとえば、処理部１４に試薬を仮固定しておき、供給部１３から基質を含む流体を流入させると、処理部１４において基質と試薬とを反応させることができるので、採取部１５から反応生成物を取り出すことができる。

さらに、処理部１４の流路１２の下方にヒータなどの加熱手段を設け、処理部１４の流路１２を加熱すれば、基質と試薬とをより確実に反応させることができる。

前述のように、基体１１はセラミック材料から成るので、シリコン、ガラスまたは樹脂から成る基体に流路を形成する際に必要なエッチング加工のような複雑な加工を行うことなく、簡単な加工を行うだけで流路１２を有する基体１１を形成することができる。

したがって、マイクロ化学チップ１は、生産性が高く、また製造原価が低いので、安価である。

またセラミック材料は、樹脂などに比べ、耐薬品性に優れるので、マイクロ化学チップ１は、種々の条件で使用することができる。

すなわち、基体１１がセラミック材料から成ることによって、生産性が高く、安価で、かつ耐薬品性に優れ、種々の条件で使用することのできるマイクロ化学チップ１を得ることができる。

基体１１を構成するセラミック材料としては、たとえば酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体またはガラスセラミックス焼結体などを用いることができる。

なお、マイクロ化学チップ１では、供給部１３から被処理流体を注入する際に、マイクロシリンジなどで被処理流体を押込むことによって、被処理流体を供給部１３から採取部１５まで送液することができる。

また注入する際に、外部に設けられるポンプなどで被処理流体に圧力を加えながら注入することによって送液することもできる。

また供給部１３から被処理流体を注入した後に、採取部１５からマイクロシリンジなどで吸引することによって送液することもできる。

次に、本発明の実施の形態によるマイクロ化学チップの構成を具体的に説明する。

図２（ａ）は、本発明の実施の一形態であるマイクロ化学チップ２の構成を簡略化して示す平面図である。

図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すマイクロ化学チップ２の切断面線ＩＩ−ＩＩ、ＩＩＩ−ＩＩＩおよびＩＶ−ＩＶにおける断面構成を示す断面図である。

なお、図２（ｂ）では、切断面線ＩＩ−ＩＩ、ＩＩＩ−ＩＩＩおよびＩＶ−ＩＶにおける断面構成を並べて示す。

マイクロ化学チップ２は、セラミック材料から成る基体２１を有し、基体２１には、流路２２と、２つの供給部２３ａ，２３ｂと、処理部２４と、採取部２５とが設けられる。

供給部２３ａは、供給流路２７ａと、供給流路２７ａの端部に設けられる供給口２６ａと、供給流路２７ａの上方に設けられるマイクロポンプ２８ａとを含む。

同様に、供給部２３ｂは、供給流路２７ｂと、供給流路２７ｂの端部に設けられる供給口２６ｂと、供給流路２７ｂの上方に設けられるマイクロポンプ２８ｂとを含む。

供給口２６ａ，２６ｂは、外部から供給流路２７ａ，２７ｂに被処理流体を注入することができるように開口されている。

また採取部２５は、流路２２から被処理流体を外部に取り出すことができるように開口で実現されている。

基体２１の内部であって、処理部２４の流路２２の下方には、ヒータ２９が設けられる。

処理部２４の流路２２は、ヒータ２９の上方を複数回数通過するように折り返して形成される。

基体２１の表面には、ヒータ２９と外部電源とを接続するための図示しない配線がヒータ２９から導出されている。

この配線は、ヒータ２９よりも抵抗値の低い金属材料で形成される。

マイクロ化学チップ２では、２つの供給部２３ａ，２３ｂから流路２２に被処理流体をそれぞれ流入させて合流させ、必要に応じて処理部２４においてヒータ２９を用いて流路２２を所定の温度で加熱し、流入された２種類の被処理流体を反応させ、得られた反応生成物を採取部２５から導出させる。

たとえば、供給部２３ａから原料となる化合物を含む流体を流入させ、供給部２３ｂから試薬を含む流体を流入させ、処理部２４の流路２２をヒータ２９で加熱すれば、化合物の合成を行うことができ、得られた化合物を採取部２５から取り出すことができる。

また、本実施形態とは異なるが、採取部２５または採取部２５よりも被処理流体の流通方向上流側に検出部を設ければ、化学反応や抗原抗体反応、酵素反応などの生化学反応の反応物を検出することができる。

なお、使用後のマイクロ化学チップ２は、供給部２３ａ，２３ｂから洗浄液を流入させて洗浄すれば、再度使用することができる。

流路２２および供給流路２７ａ，２７ｂの断面積は、供給部２３ａ，２３ｂから流入される検体、試薬または洗浄液などを効率よく送液し混合するために、２．５×１０−３ｍｍ２以上１ｍｍ２以下であることが好ましい。

流路２２および供給流路２７ａ，２７ｂの断面積が１ｍｍ２を超えると、送液される検体、試薬または洗浄液の量が多くなり過ぎるので、単位体積あたりの反応表面積を増大させ、反応時間を大幅に削減させるというマイクロ化学チップの効果を充分に得ることができない。

また流路２２および供給流路２７ａ，２７ｂの断面積が２．５×１０−３ｍｍ２未満であると、マイクロポンプ２８ａ，２８ｂによる圧力の損失が大きくなり、送液に問題が生じる。

したがって、流路２２および供給流路２７ａ，２７ｂの断面積を２．５×１０−３ｍｍ２以上１ｍｍ２以下とした。

また、流路２２および供給流路２７ａ，２７ｂの幅ｗは、５０〜１０００μｍであることが好ましく、より好ましくは１００〜５００μｍである。

また流路２２および供給流路２７ａ，２７ｂの深さｄは、５０〜１０００μｍであることが好ましく、より好ましくは１００〜５００μｍであって、上記断面積の範囲となるようにすればよい。

そして、幅と深さの関係は、短辺長／長辺長≧０．４が好ましく、より好ましくは短辺長／長辺長≧０．６である。

短辺長／長辺長＜０．４では、圧力損失が大きくなり、送液に問題が生じる。

マイクロ化学チップ１の外形寸法は、たとえば、幅Ａが約４０ｍｍであり、奥行きＢが約７０ｍｍであり、高さＣが１〜２ｍｍであるが、これにかかわらず、必要に応じて適切な外形寸法とすればよい。

上述の構成において、前記基体は、前記流路に複数の被処理流体をそれぞれ流入させる複数の供給部と、処理後の流体を外部に導出する採取部とを有し、前記複数の供給部から前記流路に複数の被処理流体をそれぞれ流入させ、流入された複数の被処理流体を合流させて予め定める処理を施した後に、前記採取部から処理後の流体を外部に導出することを特徴とする。

上述の構成に従えば、複数の被処理流体を複数の供給部から流路にそれぞれ流入させると、流入された複数の被処理流体を合流させてから予め定める処理が施された後に、処理後の流体が採取部から外部に導出される。したがって、たとえば２つの供給部を有し、一方の供給部から原料となる化合物を含む流体を流入させ、他方の供給部から試薬を含む流体を流入させ、化合物を含む流体と試薬を含む流体とを合流させて反応させた後、得られた化合物を採取部から取り出すことのできるマイクロ化学チップを得ることができる。

次に、図２に示すマイクロ化学チップ２の製造方法を説明する。

図３は、セラミックグリーンシート３１，３２，３３の加工状態を示す平面図である。

図４は、セラミックグリーンシート３１，３２，３３を積層した状態を示す断面図である。

まず、原料粉末に適当な有機バインダおよび溶剤を混合し、必要に応じて可塑剤または分散剤などを添加して泥漿にし、これをドクターブレード法またはカレンダーロール法などによってシート状に成形することによって、セラミックグリーンシート（別称：セラミック生シート）を形成する。

原料粉末としては、たとえば、基体２１が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合には、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウムなどを用いる。

本実施形態では、このようにして形成されるセラミックグリーンシートを３枚用いる。

まず、図３（ａ）に示すように、１枚目のセラミックグリーンシート３１の供給口２６ａ，２６ｂおよび採取部２５となるべく予め定められる位置に、図３（ｂ）に示す２枚目のセラミックグリーンシート３２に形成される溝部３６に連通する貫通孔３４ａ，３４ｂ，３５を形成する。

次に、図３（ｂ）に示すように、２枚目のセラミックグリーンシート３２の表面に型を押圧し、溝部３６を形成する。

このとき、型には、所望の溝部３６の形状が転写された形状の型を用いる。

また型を押圧する際の押圧力は、セラミックグリーンシートに成形される前の泥漿の粘度に応じて調整される。

たとえば、泥漿の粘度が１〜４Ｐａ・ｓである場合には、２．５〜７ＭＰａの押圧力で押圧する。

なお、型の材質は特に制限されるものではなく、金型であっても木型であってもよい。

次に、図３（ｃ）に示すように、３枚目のセラミックグリーンシート３３の表面に、導電性ペーストをスクリーン印刷法などによって所定の形状に塗布することによって、ヒータ２９および外部電源接続用の配線パターン３７を形成する。

導電性ペーストは、タングステン、モリブデン、マンガン、銅、銀、ニッケル、パラジウムまたは金などの金属材料粉末に、適当な有機バインダおよび溶剤を混合して得られる。

なお、ヒータ２９を形成する導電性ペーストには、焼成後に所定の抵抗値になるように、前述の金属材料粉末にセラミック粉末が５〜３０重量％添加されたものが用いられる。

図４に示すように、ヒータ２９の形成されたセラミックグリーンシート３３の表面に、溝部３６の形成されたセラミックグリーンシート３２を積層し、さらにセラミックグリーンシート３２の表面に、溝部３６を覆うように貫通孔３４ａ，３４ｂ，３５の形成されたセラミックグリーンシート３１を積層する。

積層されたセラミックグリーンシート３１，３２，３３を温度約１６００℃で焼成して焼結一体化させる。

次いで、貫通孔３４ａ，３４ｂ，３５が形成された表面側の予め定められる位置に、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ；組成式：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）などの圧電材料を貼り付け、マイクロポンプ２８ａ，２８ｂを形成する。圧電材料は、印加された電圧に応じて伸縮することによって流路２２の上方の基体２１を振動させることができるので、送液を行うマイクロポンプ２８ａ，２８ｂとして機能する。

以上のようにして、図２に示す基体２１を形成し、マイクロ化学チップ２を得る。

このように、本実施形態のマイクロ化学チップ２の製造方法では、セラミックグリーンシート３２の表面に、溝部３６を形成した後、溝部３６を覆うようにセラミックグリーンシート３１を積層し、積層したセラミックグリーンシート３１，３２，３３を焼成して焼結一体化させることによって、流路２２を有する基体２１を形成する。すなわち、シリコン、ガラスまたは樹脂から成る基体に流路を形成する際に必要となるエッチング加工のような複雑な加工を行うことなく、簡単な加工を行うだけでマイクロ化学チップ２を製造することができる。したがって、マイクロ化学チップ２は、生産性が高く、また製造原価も低いので、安価である。また本実施形態のマイクロ化学チップ２の製造方法では、流路２２となる溝部３６には、押圧された型の形状が転写されるので、型の表面形状を調整することによって、底面および側壁が所望の表面形状を有する流路２２を容易に形成することができる。

以上に述べたように、本実施形態のマイクロ化学チップ２は、２つの供給部２３ａ，２３ｂを有するけれども、これに限定されることなく、３つ以上の供給部を有してもよい。

供給部が２つ以上設けられる場合、供給部の供給流路は、１点で合流するように設けられる必要はなく、流路２２の異なる位置に接続されるように設けられてもよい。またヒータ２９は、１箇所に設けられる構成であるけれども、これに限定されることなく、２箇所以上に設けられてもよい。このように、３つ以上の供給部を設け、ヒータを２箇所以上に設けることによって、複雑な反応を制御することができる。

なお、ヒータ２９は、加熱しなくても反応が進行するような場合には、設ける必要はない。

また、本実施形態では、送液手段として、マイクロポンプ２８ａ，２８ｂを設ける構成であるけれども、図１に示すマイクロ化学チップ１のように、マイクロポンプ２８ａ，２８ｂを設けない構成も可能である。この場合には、マイクロ化学チップ１と同様に、供給口２６ａ，２６ｂから被処理流体を注入する際に、マイクロシリンジなどで被処理流体を押込むことによって、被処理流体を供給口２６ａ，２６ｂから採取口２５まで送液することができる。また注入する際に、外部に設けられるポンプなどで被処理流体に圧力を加えながら注入することによって送液することもできる。また供給口２６ａ，２６ｂから被処理流体を注入した後に、採取口２５からマイクロシリンジなどで吸引することによって送液することもできる。

また、本実施形態のマイクロ化学チップ２の製造方法では、基体２１を形成する際には、溝部３６が形成されたセラミックグリーンシート３２の表面に、溝部３６を覆うように、別のセラミックグリーンシート３１を積層した後、積層されたセラミックグリーンシート３１，３２，３３を焼成するけれども、これに限定されることなく、溝部を露出させたまま焼成し、その後溝部を被覆部で覆うことによって基体を形成してもよい。

このようにして形成された基体では、溝部の形成された基体本体と溝部を覆う被覆部とによって流路が形成される。

被覆部としては、ガラスまたはセラミック材料から成る蓋体を用いることができる。蓋体は、溝部の形成されたセラミックグリーンシートの焼成後に、形成された基体本体に接着される。蓋体と基体本体とは、たとえば蓋体がガラスから成る場合には加熱および加圧によって接着され、蓋体がセラミック材料から成る場合にはガラス接着剤などによって接着される。なお、蓋体は、必ずしも基体本体に接着されている必要はなく、基体本体から取外し可能に取り付けられていてもよい。たとえば、基体本体と蓋体との間にシリコーンゴムなどを挟み、マイクロ化学チップ全体に圧力を加えるような構成であってもよい。このように蓋体を基体本体から取り外せるようにすることによって、再利用する際の洗浄が容易になる。

また、本実施形態のマイクロ化学チップ２の製造方法では、基体２１の流路２２の部分は、溝部３６の形成されたセラミックグリーンシート３２と溝部３６を覆うように積層されるセラミックグリーンシート３１の２枚のセラミックグリーンシートから形成されるけれども、これに限定されることなく、３枚以上のセラミックグリーンシートから形成されてもよい。この場合には、２枚以上のセラミックグリーンシートに溝部を形成し、異なるセラミックグリーンシートにそれぞれ形成された溝部を連通するための貫通孔を形成する。

たとえば、流路の部分を３枚のセラミックグリーンシートから形成する場合には、以下のようにして基体を形成する。まず、１枚目のセラミックグリーンシートに図３（ａ）に示すセラミックグリーンシート３１と同様に、２枚目のセラミックグリーンシートに形成される溝部に連通する貫通孔を形成する。次に、２枚目および３枚目のセラミックグリーンシートの表面に、それぞれ予め定める形状の型を押圧し、溝部を形成する。また２枚目のセラミックグリーンシートに、２枚目および３枚目のセラミックグリーンシートにそれぞれ形成された溝部を連通するための貫通孔を形成する。

次に、溝部が形成されたセラミックグリーンシートの表面に、溝部を覆うように、別のセラミックグリーンシートを積層する。

すなわち、３枚目のセラミックグリーンシートの表面に、３枚目のセラミックグリーンシートに形成された溝部を覆うように２枚目のセラミックグリーンシートを積層し、２枚目のセラミックグリーンシートの表面に、２枚目のセラミックグリーンシートに形成された溝部を覆うように１枚目のセラミックグリーンシートを積層する。

このとき、２枚目のセラミックグリーンシートに形成された溝部と３枚目のセラミックグリーンシートに形成された溝部とが、２枚目のセラミックグリーンシートに形成された貫通孔で連通するように、各セラミックグリーンシートを積層する。

このように積層されたセラミックグリーンシートを、前述の基体２１を形成する場合と同様に、所定の温度で焼結させることによって基体を形成する。

このようにして形成された基体では、流路が立体的に形成される。

マイクロ化学チップにおける流路を流れる被処理流体は層流になるため、複数の被処理流体を混合するために流路を平面的に合流させた場合、被処理流体の混合は拡散によってのみ起こり、完全に混合するまで長い距離が必要になるが、合流部の下流部近傍の流路を立体的に形成することで、乱流を発生させ複数の被処理流体を容易に混合することが可能になる。

なお、流路の部分を４枚のセラミックグリーンシートから形成する場合には、２枚目および４枚目のセラミックグリーンシートに溝部を形成するとともに、２枚目および３枚目のセラミックグリーンシートに、２枚目および４枚目のセラミックグリーンシートにそれぞれ形成された溝部を連通するための貫通孔を形成し、４枚目のセラミックグリーンシートの表面に、３枚目、２枚目および１枚目の順にセラミックグリーンシートを積層して焼成すればよい。

また、マイクロポンプ２８ａ，２８ｂとして機能する圧電材料は、積層されたセラミックグリーンシートの焼成後に貼り付けられるけれども、前述のＰＺＴのようなセラミック圧電材料を用いる場合には、セラミックグリーンシート３１の予め定められる位置にセラミック圧電材料を取り付けた後、同時に焼成することもできる。

さらに、セラミックグリーンシートに代えて、樹脂材料から成るシートを用いてマイクロ化学チップを製造することもできる。

上述のマイクロ化学チップの製造方法によれば、セラミックグリーンシートの表面に、型を押圧して溝部を形成した後、溝部を覆うように別のセラミックグリーンシートを積層し、焼結させることによって、流路を有する基体を形成するので、シリコン、ガラスまたは樹脂から成る基体に流路を形成する際に必要となるエッチング加工のような複雑な加工を行うことなく、簡単な加工を行うだけでマイクロ化学チップを製造することができるとともに、底面および側壁が所望の表面形状を有する流路を容易に形成することができる。

また上述のマイクロ化学チップの製法によれば、セラミックグリーンシートの表面に型を押圧して溝部を形成し、焼結させることによって基体本体を形成した後、基体本体の表面の溝部を被覆部で覆うことによって、流路を有する基体を形成するので、シリコン、ガラスまたは樹脂から成る基体に流路を形成する際に必要となるエッチング加工のような複雑な加工を行うことなく、簡単な加工を行うだけでマイクロ化学チップを製造することができるとともに、底面および側壁が所望の表面形状を有する流路を容易に形成することができる。

また上述のマイクロ化学チップの製造方法によれば、２枚以上のセラミックグリーンシートの表面に溝部を形成するとともに、異なるセラミックグリーンシートの溝部を連通するための貫通孔を必要に応じて形成し、溝部が形成されたセラミックグリーンシートの表面に溝部を覆うように別のセラミックグリーンシートを積層し、焼結させることによって、立体的な流路を有する基体または基体本体を形成するので、流路が立体的に形成されたマイクロ化学チップを製造することができる。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態によるマイクロ化学チップ１の基本的な構成を示す平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すマイクロ化学チップ１の切断面線Ｉ−Ｉにおける断面構成を示す断面図である。 図２（ａ）は、本発明の実施の一形態であるマイクロ化学チップ２の構成を簡略化して示す平面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すマイクロ化学チップ２の切断面線ＩＩ−ＩＩ、ＩＩＩ−ＩＩＩおよびＩＶ−ＩＶにおける断面構成を示す断面図である。 セラミックグリーンシート３１，３２，３３の加工状態を示す平面図である。 セラミックグリーンシート３１，３２，３３を積層した状態を示す断面図である。

符号の説明

１，２ マイクロ化学チップ１１，２１ 基体１２，２２ 流路１３，２３ａ，２３ｂ 供給部１４，２４ 処理部１５，２５ 採取部２６ａ，２６ｂ 供給口２７ａ，２７ｂ 供給流路２８ａ，２８ｂ マイクロポンプ２９ ヒータ３１，３２，３３ セラミックグリーンシート３４ａ，３４ｂ，３５ 貫通孔３６ 溝部３７ 配線パターン

Claims (2)

1. 被処理流体を流通させる流路が形成された基体を有し、前記流路を流通する被処理流体に予め定める処理を施すマイクロ化学チップであって、
   前記基体は、セラミック材料から成るとともに、前記流路に被処理流体を流入させる供給部と、処理後の流体を外部に導出する採取部と、前記処理を施す処理部とを有し、
   前記処理部には、所定の物質が仮固定され、前記供給部から前記流路に被処理流体を流入させて、流入された該被処理流体を前記物質と反応させた後に、前記採取部から反応後の流体を外部に導出することを特徴とするマイクロ化学チップ。
2. 一表面に溝部が形成されたセラミック材料から成る基体本体と、該基体本体の前記一表面を被覆部で覆うことにより、被処理流体を流通させる流路を形成する被覆部とを有し、前記流路を流通する被処理流体に予め定める処理を施すマイクロ化学チップであって、
   前記流路に被処理流体を流入させる供給部と、処理後の流体を外部に導出する採取部と、前記処理を施す処理部とを有し、
   前記処理部には、所定の物質が仮固定され、前記供給部から前記流路に被処理流体を流入させて、流入された該被処理流体を前記物質と反応させた後に、前記採取部から反応後の流体を外部に導出することを特徴とするマイクロ化学チップ。

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