JP4205988B2 - マイクロ化学チップおよびマイクロ化学チップ作製方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ化学チップおよびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
マイクロ化学チップは、光学的な分析のための幅100μm、深さ50μm程度の微細な溝や、直径数百μmの窪み等を含む流路を一辺が数十mmのガラス基板上に集積したもので、DNAチップが代表的なものである。
【0003】
このマイクロ化学チップを用いた分析は、ガラス基板上に設けられた上述した溝を流れる流体あるいは窪みに蓄積された化学物質を分析対象とし、これら微小な溝あるいは窪みに赤外光や赤外光を照射して、その部分からの反射光、透過光を光学素子を通して分析部に導くことにより行われる。
【0004】
したがって、反射光、透過光を少ない損失で効率良く分析部に伝えるには、精密な光学系が必要不可欠であり、しかも、微小溝、微小窪みと各種光学素子との間の位置関係は、きわめて正確に調整されたものでなければならない。
【0005】
図1はマイクロ化学チップの一例の構成を示す断面図、図2はこのマイクロ化学チップに用いられる流路形成基板の構成を示す平面図である。
【0006】
これらの図によれば、ガラス基板1の表面に溝2とウェル3、4、5が形成された流路形成基板10の表面側に、カバーガラス11上にレンズ12を有するレンズ形成基板20を貼り合わせた2層構造となっている。カバーガラス11にはウェル3、4に対応して薬液注入口13、14が設けられ、ウェル5に対応して生成物取り出し口15が設けられている。
【0007】
ここに示したマイクロ化学チップは、次のように使用される。
【0008】
混合対象の2つの薬液をウェル3および4にそれぞれ注入し、これらのウェルからの流路に流すと、その交点部分6で混合/反応が生じる。この反応生成物はウェル5に蓄積される。流路の途中の円7で図示された分析部分で生成物が分光分析される。このため、この部分に対応してレンズ形成基板においては光学素子としてのレンズ12が組込まれており、このレンズを通じて紫外光16を照射し、その透過光をスペクトル分析して反応生成物を特定する。
【0009】
したがって、レンズ12の前面には、紫外光あるいは赤外光を発する光源(図示せず)が設けられ、ガラス基板1の背面には、透過光17を分析するための分析装置30が設置される。この分析装置30によりスペクトル分析が行われる。
【0010】
次に、従来のマイクロ化学チップの製造方法について図3のフローチャートを参照して説明する。ここでは、図1により説明したマイクロ化学チップを例にとって説明する。
【0011】
このマイクロ化学チップにおいては流路形成基板10、レンズ形成基板20は別個に形成される。
【0012】
まず、溝形成対象のガラス基板1の表面にレジストを塗布し(ステップS1)、この塗布されたレジスト面に所定のパターンを形成したマスクを介して紫外線を照射してレジストを露光させた(ステップS2)後、現像すると(ステップS3)レジストがパターニングされる。この状態のレジストを用い、これをフッ化水素HFなどでレジスト下層のガラスをエッチングして流路(溝)を形成する(ステップS4)。これらの各工程では、必ず洗浄工程が含まれるがエッチング後には特に慎重に洗浄が行われる(ステップS5)。次に不要なレジストが剥離除去され(ステップS6)、最後に図1に示されたウェル3、4、5をそれぞれ機械加工などで形成する(ステップS7)。
【0013】
このように、従来技術によれば、マイクロ化学チップの溝の形成は通常、半導体プロセスにより行われている。
【0014】
このような流路形成基板とは別個に、レンズ形成基板の製作が行われる。
【0015】
まず、レンズ形成基板となるガラス板(カバーガラス)に薬液注入口の穴あけ加工を行う(ステップS11)。ワークが脆性材料であるため、少々特殊な加工が必要となるが、機械加工は可能である。
【0016】
次に別途レンズの製作を行う(ステップS12)。レンズは機械加工で行っても良いし、成形でも可能である。加工されたレンズは、UV接着剤などで、上記カバーガラス11上の所定の位置に接着される(ステップS13)。
【0017】
なお、光学分析のための光は、精度良く流路に照射されなくてはならないため、レンズ等の光学素子の搭載時には、その位置決めについて細心の注意を要する。通常の流路の幅は100μm程度であるから、レンズ固定時の精度もこれを満足しなくてはならない。このようにして、光学素子が組込まれたレンズ形成基板が完成する。
【0018】
そして、最後にレンズ形成基板20と流路形成基板10とのはり合わせを行うことにより(ステップS20)、マイクロ化学チップが完成する。
【0019】
なお、以上説明した例では、カバーガラス側にレンズを設けたが、逆に流路形成基板側にレンズを設けて、分析のための紫外光、赤外光を流路形成基板側から入射させても良い。
【0020】
また、2つの薬液の混合比を変化させるために、前記各薬液用の流路の断面積(溝深さ)を変えるようにしても良い。
【0021】
【非特許文献1】
「マイクロマシニング技術を用いた石英製電気泳動チップの作製とその基本特性評価」中西博昭他、島津評論vol.56 No.1-2, 1999.8
【0022】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のマイクロ化学チップの製造方法は、以下に述べる欠点を有している。
【0023】
1) 複数の深さを有した溝を形成する場合、流路形成のためのエッチングは、一度に処理できず、複数回に分けて処理せざるを得ない。薬液の種類がより多い場合にば、さらにエッチング回数は増大することになる。またエッチングの回数と共に、必要となるレジスト塗布工程、マスクの数・種類、露光工程、及び現像工程、洗浄工程の数も著しく増加することとなる。これにより工程は複雑となり、かつ製造コストも高くなる。
【0024】
2) カバーガラスあるいは、流路形成基板と、レンズなど光学素子とのアセンブリを精度良く一体化することが困難である。すなわち、このような精密なアセンブリは、機械化することが困難で、人手により行われることになってコストが上昇する。また、光学素子の固定に使用した接着剤が、乾燥する際に収縮して、光学素子の位置がずれてしまうという問題もある。
【0025】
3) 流路の形成にエッチングプロセスを使用しているために、特殊な周辺設備、あるいはユーティリティを必要とする。
【0026】
4) レジストヘの露光についても半導体装置と同様な精度が要求されることから、半導体プロセスで使用されているような高価な設備が必要不可欠となる。
【0027】
5) ウェルの形成は、流路の形成とは別の機械加工で行われるため、工程が煩雑化する。
【0028】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、光学素子が搭載された高精度のマイクロ化学チップを安価にかつ効率良く製造する方法を提供することを目的とする。
【0029】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様によれば、複数の微細流路に対応した突起を一方側に、単一あるいは複数の光学素子に対応した窪みを他方側に有する金型を準備する過程と、
前記金型の間に加熱により軟化する透明素材を位置させるとともに、前記窪みに予め準備された光学素子材料を配置する過程と、
前記透明素材の軟化温度以上の加熱雰囲気中で前記透明素材をプレス成形する過程とを含み、
複数の微細流路と共に、単一或いは複数の光学素子を同時に一体的に成形することを特徴とするマイクロ化学チップ製造方法が提供される。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0032】
図4は本発明にかかるマイクロ化学チップの実施の一形態を説明する断面図であり、図5は図4の左側から見た平面図である。
【0033】
これらを参照すると、例えば石英などの透明素材基板板101の表面側に流路102やウェル103、104、105が形成され、裏面側にレンズ109が形成された流路基板110と、前述したウェル103〜105に対応して形成された薬液注入口113、114および生成物取り出し口115が形成されたカバーガラス120とが貼り合わされた構成となっている。なお、この実施形態ではレンズ109は球面レンズとなっているが、非球面レンズ、例えばシリンドリカルレンズであっても良い。このシリンドリカルレンズは流路に沿って光を収集/集光させて分析装置に伝える能力が高い。
【0034】
本実施の形態は、レンズ109が流路やウェルの形成と同時に所定位置に形成されている点に特徴がある。この点につき詳述する。
【0035】
図10は本発明にかかるマイクロ化学チップの製造方法を示すフローチャートである。
【0036】
まず、金型を準備する(ステップS101)。図6は下型の上面図、図7はそのA−A断面図、図8は上型の下面図、図9はそのB−B断面図である。
【0037】
下型150には、製作する流路基板の大きさに対応する凹部151が形成されており、その中には流路に対応する凸状部分152およびウェルに対応する突起153〜155が設けられている。
【0038】
一方、上型160にはレンズに対応する窪み161が設けられている。図9においては、この型を用いて流路基板を製作する際にこの窪み161に載置されるレンズ170も示されている。
【0039】
これらの凸状部分や窪みは通常の機械加工により形成される。なお、金型における流路に対応する凸状部分と流路基板における溝やウェルの形状や位置は鏡像関係の対称性を有する。また、この実施の形態では流路の溝深さがすべて同一なものを想定しているが、溝深さが流路ごとに異なる場合であっても、金型製作上は特に困難性がない。さらに、金型を精密に作製しておけば、製品である流路基板の精度を容易に向上させることができる。
【0040】
なお本実施例では、流路及びウェルを形成する金型を下型にしたが、上下金型を反転させても良い。
【0041】
また、この実施の形態では流路の形成を機械加工で行ったが、より微細なパターンが要求される場合には、エッチングなどの手法で金型を製作しても良い。しかし、この場合には、異なる深さの溝、ウェルの形成は、流路形成用凸状部とは別に製作しておく必要がある。
【0042】
次に、図11に示すように、流路形成基板を形成するためのワーク180が金型150、160間に配置される(ステップS103)。ここでは、OH基を2000ppm含んだ合成石英ガラスを使用した。
【0043】
また、上型160の窪み161には、別途作製されたレンズ170が例えば非常に弱い粘着力を持つ粘着材等で取り付けられる。
【0044】
金型間でレンズと溝の位置関係を確保するために、上下の金型は位置合わせ手段としてのピン(図示せず)を使用している。この結果、本実施の形態では上下金型のズレ量は、数μm程度となっている。このずれ量は溝幅が100μm程度であることを考慮すると十分な精度を有する値である。
【0045】
次にプレスを行う(ステップS103)。この際、上下金型組みと、石英ガラスを共に1450℃まで昇温させてガラスを軟化させ、高精度なプレスを行った。この際のプレス力は800kgfである。また転写性の向上を図るため成形は真空中で実施した。
【0046】
これにより、軟化した石英ガラス板には下型の凸状部分に対応した溝が形成される。また、レンズは石英ガラス板と一体化され、しかも両者間の位置精度はきわめて高いものとなる。
【0047】
次に、このようにしてできた流路形成基板にカバーガラスが貼り合わされる。図10のフローチャートに示すように、このカバーガラスとなる例えば石英ガラス板に注入穴、生成物取り出し穴が形成され(ステップS111)、洗浄が行われる(ステップS112)。このフローチャートから明らかなように、レンズ載置関係は流路形成基板で行われるため、カバーガラスとしての加工は不要である。
【0048】
そして、レンズが取り付けられたプレス後の流路形成基板180Aとカバーガラス190は図12に示すように重ねられ、プレス機で加熱雰囲気中で再度加熱プレスされることにより貼り合わせが完了する(ステップS120)。
【0049】
この際の位置決めは、カバーガラス190に形成された穴を、流路形成基板180’に形成されている比較的大きなウェルとを一致させる程度であるので、きわめて容易に行うことができる。
【0050】
また、この貼り合わせは専用の貼り合わせ用プレスを用いても良いが、流路形成基板を成形した成形装置を用いることができる。
【0051】
このようにして得られたマイクロ化学チップにおいては、溝加工などを行う必要がなく、また、レンズ等の光学素子との位置決め精度を大幅に改善することが無可能となる。
【0052】
なお、上述した発明の実施の形態では、平板の基板を使用してレンズ素子の成形を行ったが、図13に示したように、石英ガラス平板であるワーク180上に石英ガラスであるレンズ硝材171を設置しても良い。このレンズ硝材としては石英ガラスに限るものではなく、他の光学特性の良好な材料も使用できる。例えば、ポリジメチルシロキサン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ソーダ石灰ガラス、ホウ珪酸ガラス、シリカガラスのいずれかを使用することができる。
【0053】
以上の実施の形態では、レンズ形状は通常の形状であったが、必要に応じ、シリンドリカルレンズや他の形状を採用することもできる。
【0054】
【発明の効果】
以上のように、本発明にかかるマイクロ化学チップによれば、透明素材基板の一表面に複数の流路を、反対面に光学素子を一体成型してなる流路形成基板を有しているため、流路と光学素子間の高精度な位置関係を得ることができる。
【0055】
また、本発明にかかるマイクロ化学チップの製造方法によれば、流路やウェルを形成するための部分を有する金型を準備して材料を成形することにより、分析用の光学素子と、流路やウェルを同一の成形プロセスで形成できるため、流路と光学素子の高精度な位置関係を得ることができるとともに、製造工程の簡略化、素子の低廉化を図ることができる。
【0056】
さらに、露光やエッチングなどを使用しないため、そのための設備が不要であり、また危険なガスを使用しないために、排ガス処理設備等を必要としない。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のマイクロ化学チップの構成を示す断面図である。
【図2】図1に示すマイクロ化学チップの平面構成を示す平面図である。
【図3】従来のマイクロ化学チップの製造工程を示すフローチャートである。
【図4】本発明の実施の一形態によるマイクロ化学チップの構成を示す断面図である。
【図5】図4に示すマイクロ化学チップの平面図である。
【図6】図4に示すマイクロ化学チップの流路形成基板を成形するための下型の上面図である。
【図7】図7におけるA−A断面を示す断面図である。
【図8】図4に示すマイクロ化学チップの流路形成基板を正券するための下型の底面図である。
【図9】図8におけるB−B断面を示す断面図である。
【図10】本発明にかかるマイクロ化学チップの製造方法の実施の一形態を示すフローチャートである。
【図11】図10の製造フローのうち、金型への材料の配置工程を示す説明図である。
【図12】図10の製造フローのうち、貼り合わせ工程を示す説明図である。
【図13】レンズの成形を同時に行う変形例を示す説明図である。
【符号の説明】
1 ガラス基板
2 溝
3、4、5、103、104、105 ウェル
10、110 流路形成基板
11、120、190 カバーガラス
12、109、170 レンズ
13、14 薬液注入口
15 生成物取り出し口
20 レンズ形成基板
101 透明素材基板
102 流路
150 下型
151 凹部
152 突状部分
160 上型
161 窪み
170 レンズ
171 硝材
180 ワーク
Claims (4)
- 複数の微細流路に対応した突起を一方側に、単一あるいは複数の光学素子に対応した窪みを他方側に有する金型を準備する過程と、
前記金型の間に加熱により軟化する透明素材を位置させるとともに、前記窪みに予め準備された光学素子材料を配置する過程と、
前記透明素材の軟化温度以上の加熱雰囲気中で前記透明素材をプレス成形する過程とを含み、
複数の微細流路と共に、単一或いは複数の光学素子を同時に一体的に成形することを特徴とするマイクロ化学チップ製造方法。 - 前記光学素子材料は、前記窪みの体積に相当する体積を有し、前記窪みと同様の形状を有する予め準備された光学レンズ体であることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ化学チップ製造方法。
- 前記光学素子材料は前記窪みの体積に相当する体積を有する光学ガラス材料塊であることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ化学チップ製造方法。
- 前記透明素材がポリジメチルシロキサン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ソーダ石灰ガラス、ホウ珪酸ガラス、シリカガラスのいずれかであることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のマイクロ化学チップ製造法。
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