(57)【要約】【課題】COP等の樹脂材料を射出成形することにより製造される板を素材としたマイクロ流路チップの製造方法において、流路等の部分における変形の少ないマイクロ流路チップを製造する方法を提供する。【解決手段】射出成形により製造される、流路溝が形成された流路板と、開口が形成された閉鎖板とを接合して成るマイクロ流路チップを製造する方法において、前記流路板と前記閉鎖板とを重ね合わせた後、前記流路板と前記閉鎖板を、前記開口を含む部分が前記流路溝を含む部分よりも単位面積当たりの押圧力が高くなるように押圧する。開口においてバリやカエリが存在しても、それらは大きな圧力により潰され、流路板と閉鎖板はその部分において確実に閉鎖されるようになる。一方、流路溝の部分では押圧の圧力が小さいため、流路の形状や寸法が変化する恐れが少なく、接合後も所期の流路が確保される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
射出成形により製造される、流路溝が形成された流路板と、開口が形成された閉鎖板とを接合して成るマイクロ流路チップを製造する方法において、
前記流路板と前記閉鎖板とを重ね合わせた後、前記流路板と前記閉鎖板を、前記開口を含む部分が前記流路溝を含む部分よりも単位面積当たりの押圧力が高くなるように押圧する工程を含むことを特徴とするマイクロ流路チップ製造方法。
【請求項２】
前記押圧工程において、前記開口を含む部分が前記流路溝を含む部分よりも高い温度となるようにすることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流路チップ製造方法。
【請求項３】
前記流路板と前記閉鎖板が共にCOPであることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ流路チップ製造方法。
【請求項４】
前記流路板と前記閉鎖板とを重ね合わせる工程の前に、前記流路板と前記閉鎖板の接合面をH2Oプラズマに曝す工程を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロ流路チップ製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タンパク質やDNA等を含む生体試料を主に対象とした分析を行うために用いられるマイクロ流路チップの製造方法に関する。マイクロ流路チップはその他に、創薬、製薬、食料品、化粧品、エネルギー、化学材料などにも用いられている。
【背景技術】
【０００２】
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（μTASやLab-on-Chipとも呼ばれる。）は、微少量の試料の分析を行う際等に広く用いられる。また、様々な形態の流路を形成することができることから、複雑な処理を含む分析にも対応することができる。
【０００３】
マイクロ流路チップの流路を流れる試料の分析には様々な手法が用いられるが、簡便であることから、光透過率や屈折率の相違・変化により試料の分析を行う光学的分析が多く用いられる。この場合、マイクロ流路チップ自体が高い透過率を有する等の良好な光学的特性を持つことが求められるが、それに適した材料として、飽和炭化水素系の非晶質プラスチックであるシクロオレフィンポリマー(COP)が知られている。COPは、可視光領域において透明で複屈折が小さいという優れた光学的特性を有する上、バックグラウンドの蛍光強度がガラスに匹敵するほど低いことから、蛍光検出系のマイクロ流路チップへの利用にも適している。さらには、成形加工性の良さ、耐酸性・アルカリ性、低不純物、水による膨張が少ない点も、マイクロ流路チップへの利用に適した特性として挙げることができる。なお、その共重合体であるシクロオレフィンコポリマー(COC)も、これらの点についてはほぼ同様の特性を持つことから、本明細書ではシクロオレフィンポリマー(COP)にはシクロオレフィンコポリマー(COC)が含まれるとして扱う。
【０００４】
ただ、COPは疎水性樹脂であり、濡れ性や接着性が低いことから、マイクロ流路チップとして使用する際には流路が狭くなるにつれて試料の流通抵抗が大きくなり、また、製造時には接着において困難を伴う。そこで、エキシマUV光を照射することにより表面を改質して濡れ性を持たせ、接着剤を使用することなくCOP同士を接合する技術が報告されている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2007-309868号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「光表面活性化によるシクロオレフィンポリマーの接合：接合強度評価とマイクロ流路への応用」、谷口義尚他、表面技術 Vol. 65(2014), No. 5, p. 234-239
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
マイクロ流路チップは、通常、2枚の透明板のうちの一方の板（以下、これを「流路板」と呼ぶ。）の表面に所定形状の流路溝を形成し、他方の透明板（以下、これを「閉鎖板」と呼ぶ。）でそれを覆うことにより閉じた流路を形成する。また、流路の端部又は途中に対応する閉鎖板に、液体試料を導入するための導入口、及び液或いは空気を排出する排出口を設ける（以下、導入口と排出口をまとめて「開口」と呼ぶ。）。
【０００８】
流路板や閉鎖板がCOP等の樹脂材料から成る場合、量産性の観点から、多くの場合、これらは射出成形により製造されることになる。ところが、射出成形では、バリやカエリ（主にエッジ部に発生する樹脂の突出）、ヒケ（樹脂が形状を満たさない部分）などと呼ばれる形状の不良が発生しやすい。マイクロ流路チップの場合、これらの形状不良が存在すると、流路板と閉鎖板を接合したときに流路以外の部分が完全には接合されず、また、流路内にも障害物が入り込むなどして所期の流路が形成されない。特に開口は流路に比べて寸法が大きいため、バリやカエリ、ヒケも大きなものが生じ、その開口の近傍（すなわち、流路の端部の近傍）において流路板と閉鎖板の密着を妨げる可能性が高い。
【０００９】
そこで、流路溝を形成した流路板と開口を形成した閉鎖板を合わせた後、両板の接合面を強制的に合わせるために両板間に圧力を付加することが考えられる。しかし、マイクロ流路チップでは流路の寸法が非常に小さいことから、流路に変形が生じてしまう恐れがある。
【００１０】
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、COP等の樹脂材料を射出成形することにより製造される板を素材としたマイクロ流路チップの製造方法において、流路等の部分における変形の少ないマイクロ流路チップを製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために成された本発明は、射出成形により製造される、流路溝が形成された流路板と、開口が形成された閉鎖板とを接合して成るマイクロ流路チップの製造方法において、
前記流路板と前記閉鎖板とを重ね合わせた後、前記流路板と前記閉鎖板を、前記開口を含む部分が前記流路溝を含む部分よりも単位面積当たりの押圧力が高くなるように押圧する工程を含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係るマイクロ流路チップ製造方法では、流路板と閉鎖板を押圧して接合する際に、その圧力（単位面積あたりの押圧力）を、開口の部分において高くし、流路溝の部分において低くなるようにする。これにより、大きな開口においてバリやカエリが存在しても、それらは大きな圧力により潰され、流路板と閉鎖板はその部分において確実に閉鎖されるようになる。一方、流路溝の部分では押圧の圧力が小さいため、流路の形状や寸法が変化する恐れが少なく、接合後も所期の流路が確保される。
【００１３】
本発明に係るマイクロ流路チップ製造方法は、その性質上、射出成形により製造されるものであれば、流路板と閉鎖板の材質は問わないが、マイクロ流路チップ用として一般的に使用されているシクロオレフィンポリマー(COP)（シクロオレフィンコポリマー(COC)を含む。）製の板を用いるのが好ましい。流路板と閉鎖板の材質は具体的には、ポリアミド、ポリエステル、ポリウレタン、ポリシロキサン、フエノール樹脂、ポリサルフアイド、ポリアセタール、ポリアクリロニトリル、ポリビニルクロライド、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルアセタート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイソプレン、ポリカーボネート、ポリエーテル、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリオキサジアゾール、ポリトリアゾール、ポリキノキサリン、ポリイミダゾピロロン、エポキシ樹脂、並びに芳香族成分及びビニルやシクロブタン基から選択される成分を含む共重合体のような有機物であってもよく、あるいは、ガラス、サファイア、酸化亜鉛、酸化インジウムスズ（ITO）のような無機物であってもよい。
【００１４】
また、接合には接着剤を用いても良いが、H2Oプラズマ処理を用いて、接着剤を使用せずに接合することが望ましい。すなわち、流路板と閉鎖板のそれぞれの接合面の表面粗さを所定値（例えば、Ra10nm）以下にした後、両接合面をH2Oプラズマに曝すことにより、流路部分（すなわち、本発明において、単位面積あたりの押圧力を低くするようにする部分）についてはほとんど圧力を付与することなく、十分な接合が完成する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るマイクロ流路チップ製造方法では、COP等の樹脂材料を射出成形することにより製造される板を素材としたマイクロ流路チップの製造方法において、流路等の部分における変形の少ないマイクロ流路チップを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の好適な実施形態であるマイクロ流路チップ製造方法で用いるプラズマ処理装置の一例の概略構成図。
【図２】前記実施形態で用いたマイクロ流路チップの素材である流路板(a)及び閉鎖板(b)の平面図、並びに、それらを重ねて構成されるマイクロ流路チップの断面図(c)。
【図３】前記実施形態であるマイクロ流路チップ製造方法のフローチャート。
【図４】前記実施形態におけるH2Oプラズマの処理条件をまとめた表。
【図５】前記実施形態において流路板と閉鎖板を接合する際に両板を押圧するための押圧装置の一例の正面図(a)及び側面図(b)。
【図６】前記実施形態におけるマイクロ流路チップの押圧方法を説明する平面図。
【図７】前記実施形態におけるマイクロ流路チップの押圧方法の一例の条件を示す表。
【図８】別の流路パターンを有するマイクロ流路チップの押圧方法を説明する平面図。
【図９】各種熱処理を行った場合のCOP板の純水接触角を測定した結果のグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の好適な実施形態であるマイクロ流路チップの製造方法の一例について、図面を参照しつつ説明する。
＜１．装置構成＞
まず、本発明を実施する際に用いるプラズマ処理装置の一例について、その概略構成図である図１を参照しながら説明する。該プラズマ処理装置１００は図１に示されるとおり平行平板型（容量結合型）プラズマ処理装置であり、処理すべき対象物が配置される処理空間Ｖを内部に形成するプラズマ処理室１０、処理空間Ｖに水（具体的には、気体状の水である水蒸気）を導入する水導入部３０、処理空間Ｖを排気する排気部４０、処理空間Ｖに対向配置された一対の電極１１，１２、及びこれら各部を制御する制御部２０を備える。
【００１８】
プラズマ処理室１０には、処理空間Ｖ内にガスを導入するガス導入口１３と、処理空間Ｖ内を排気するための排気口１４とが設けられている。ガス導入口１３には、後述する配管３１が接続されている。また、排気口１４には、後述する配管４１が接続されている。
【００１９】
水導入部３０は、一端がガス導入口１３と接続され、他端が水供給源３５と接続された配管３１を備える。配管３１の途中には、バルブ３２と、配管３１を流れるガスの流量を自動調整するマスフローコントローラ３３と、導入される流体を気化する（ここでは、水を気化して水蒸気とする）ヴェーパライザ（気化装置）３４が設けられている。これら各部３２，３３，３４は制御部２０と電気的に接続されており、制御部２０によって処理空間Ｖへの水蒸気の導入及び停止が制御される。
【００２０】
排気部４０は、一端が排気口１４と接続され、他端が排気ラインに接続された配管４１を備える。配管４１の途中にはバルブ４２と真空ポンプ４３とが設けられている。これら各部４２，４３は制御部２０と電気的に接続されており、制御部２０によって、処理空間Ｖ内からのガスの排気が制御される。
【００２１】
プラズマ処理室１０内に対向配置された一対の電極１１，１２のうち、一方の電極１１には、コンデンサ５１を介してRF電源５２から電力が供給される（以下、この電極１１を「パワード電極１１」と呼ぶ）。また、他方の電極１２は接地される（以下、この電極１２を「接地電極１２」と呼ぶ）。この構成において、パワード電極１１にRF電力が供給されることによって、処理空間Ｖ内に導入されているガスがプラズマ化される。このパワード電極１１へのRF電力の供給も制御部２０により制御される。
【００２２】
なお、このプラズマ処理装置１００では、処理するべき対象物（６１，６２）をパワード電極１１上に載置するRIE（Reactive Ion Etching）モード、接地電極１２上に載置するPE（Plasma Etching）モードの二つのモードから選択してプラズマ処理を行うことができるが、本発明を実施するにあたっては、どちらのモードを用いてもよい。図１ではPEモードでプラズマ処理する場合の配置が例示されている。
【００２３】
対象物（６１，６２）が載置される予定の電極（図１の例では接地電極１２）には、対象物（６１，６２）を該電極に固定するための対象物固定機構と、対象物（６１，６２）のプラズマ処理中の温度を制御するための温度制御機構が設けられている。対象物固定機構としては例えば静電チャックを用いることができる。また、温度制御機構としては、プラズマ処理による処理対象物の温度上昇を制御（抑制）するための冷却機構の他、積極的に加熱するためのヒーターを用いることができる。これら対象物固定機構及び温度制御機構も制御部２０により制御される。
【００２４】
制御部２０は、上記の各要素を制御して、一連の処理を実行させる。制御部２０は、パーソナルコンピュータをハードウエア資源とし、該パーソナルコンピュータにインストールされた専用の制御・処理ソフトウエアを実行することにより、該制御に必要な各種の機能ブロックが具現化される構成とすることができる。
【００２５】
＜２．処理の流れ＞
上記プラズマ処理装置１００を用いた本発明に係るマイクロ流路チップ製造方法について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。
【００２６】
ステップＳ１：まず、射出成形により、1枚のマイクロ流路チップを構成する流路板６１及び閉鎖板６２を作製する。流路板６１及び閉鎖板６２はいずれも、シクロオレフィンポリマー（COP）をそれぞれの型内に射出する、又はインプリントすることにより形成する。流路板６１及び閉鎖板６２を形成する型にはいずれも横70mm、縦30mm、深さ（厚さ）0.5mmのキャビティが形成されており、流路板６１を形成する型には流路溝のパターンが、閉鎖板６２を形成する型には開口のパターンが、それぞれ形成されている。こうして作製された流路板６１の平面図を図２(a)に、閉鎖板６２の平面図を図２(b)に示す。流路板６１の一方の表面（流路形成面）には流路溝６３のパターンが、閉鎖板６２にはそれを貫通する開口６４が形成されている。流路溝６３の幅は100μm、深さは50μmであり、開口６４の径は6mmである。なお、両型の表面を整備しておくことにより、流路板６１及び閉鎖板６２の接合面の表面粗さは、共にRa10nm以下としておくことが望ましい。
【００２７】
ステップＳ２：次に、流路板６１及び閉鎖板６２の接合面をH2Oプラズマで処理する。具体的には、まず、図示しない搬入口を介して流路板６１及び閉鎖板６２をプラズマ処理室１０に搬入し、接合面を上にして接地電極１２上に載置する。流路板６１では流路形成面が接合面となるので、流路形成面を上にする。閉鎖板６２はいずれの面を上にしても構わないが、上にした面が後に接合面となる。両板６１、６２を接地電極１２上にセットした後、対象物固定機構で該電極上に固定する。なお、前述のとおり、処理モードによっては対象物である流路板６１及び閉鎖板６２を載置するのはパワード電極１１上となる。
【００２８】
続いて、処理空間ＶにH2Oプラズマを形成する。具体的には、前記搬入口を閉鎖してプラズマ処理室１０を密閉した後、処理空間Ｖへの水蒸気（H2Oガス）の導入を行い、これと同時に、処理空間Ｖの排気を行って、処理空間Ｖ内の圧力が10Paとなるようにする。この圧力は、0.1〜200Paの範囲内としておくことが望ましい。処理空間Ｖ内に導入される水蒸気（H2Oガス）の流量は20sccmである（本実施形態では、処理空間Ｖの容積は120000cm3である）。この流量は、1〜400sccmにしておくことが望ましい。続いて、パワード電極１１に100Wの高周波電力を投入する（本実施形態では、パワード電極１１の面積は2975cm2であり、投入電力が100Wの場合、電極面積当たりの投入電力（パワー密度）は33mW/cm2である。）。パワー密度は0.3〜336mW/cm2の範囲内としておくことが望ましい。
【００２９】
H2Oプラズマによる処理が開始されてから所定時間が経過すると、制御部２０はバルブ３２を閉鎖して水蒸気の供給を停止するとともに高周波電力の供給を停止して、処理を終了する。この所定時間（すなわち、両板６１，６２の接合面をH2Oプラズマに曝す時間）は、80秒程度とする。この時間は、1〜3600秒の範囲内としておくことが望ましい。これにより、両接合面の親水化が達成される。本実施形態によるH2Oプラズマの処理条件を図４にまとめた。図４の上段が、様々な条件を勘案した場合に望ましい範囲であり、下段が本発明者らが一例として実施した際の数値である。
【００３０】
H2Oプラズマによる流路板６１及び閉鎖板６２の表面処理が終了した後、処理空間Ｖが大気圧に戻され、前記搬入口を介して両板６１，６２がプラズマ処理室１０から搬出される。
【００３１】
ステップＳ３：続いて、流路板６１と閉鎖板６２を接合する。まず、流路板６１の接合面と閉鎖板６２の接合面を合わせて重ねる。この状態を図２(c)に示す。こうして重ねた2枚の板６１，６２に対して、その両側から圧力を付与するが、その際、流路６３を含む部分と開口６４を含む部分とで単位面積当たりの力を異なる値とする。そのような押圧の方法として、例えば図５に示すような装置を用いることができる。図５の押圧装置７０は、4本の剛性の高い柱７３で連結された上下の定盤７１、７２の間に3個のエアシリンダ７５、７６、７７が設けられた構造を有している。3個のエアシリンダ７５、７６、７７は互いに同一であるが、そのピストン７５ａ、７６ａ、７７ａの先端には、様々なプレス板が取り付け・取り外し可能となっている。これらのプレス板７５ｂ、７６ｂ、７７ｂにはヒーターが内蔵可能となっている。
【００３２】
図２(a)〜(c)に示すマイクロ流路チップ６０の場合、図６に示すように、下定盤７１上の押圧台７４上に載置した後、中央の流路６３の部分（エリアB）にはプレス板７６ｂで、両側の開口６４の部分（エリアA、エリアC）にはプレス板７５ｂ、７７ｂで、それぞれ押圧するようにする。これらのプレス板７５ｂ、７６ｂ、７７ｂにはヒーターが内蔵されており、それにより、マイクロ流路チップ６０の加圧時に、同時に加熱も行うようにする。
【００３３】
各エリアの押圧圧力と温度の一例を図７に示す。流路６３のみを含むエリアBでは圧力、温度とも、開口を含むエリアA、Cよりも低くしている。このような押圧を行うことにより、マイクロ流路チップ６０の流路６３の変形を防ぐ一方、開口６４の近傍では流路板６１と閉鎖板６２を十分に密着させ、全体として流路板６１と閉鎖板６２を完全に接合してマイクロ流路チップ６０を完成することができた。
【００３４】
図８に、別の流路パターン及び開口配置を有するマイクロ流路チップ６５の例を示す。このマイクロ流路チップ６５についても、接合時に、開口を含むエリアA、Cについては、流路のみを含むエリアBよりも高い圧力、温度で押圧する。
【００３５】
このように、各箇所毎に適切な圧力で押圧を行うことにより、流路６３の変形を防ぎつつ全体として流路板６１と閉鎖板６２を完全に接合してマイクロ流路チップ６０を完成することができるが、COPなどのポリマーは一般的に、温度が上昇すると濡れ性が低下する（疎水性となる）性質を持つ。そのため、ステップＳ２において接合面に対してH2Oプラズマによる表面処理を行い、十分な濡れ性を付与した後、上記のように接合のために加熱を行った場合、その濡れ性が低下することが懸念される。そこで、H2Oプラズマ処理後の加熱による濡れ性の変化を調べるため、次のような実験を行った。
【００３６】
まず、上記マイクロ流路チップ６０の素材としたCOP板に対して、H2Oプラズマ処理前に、80℃、90℃、100℃の各温度で15分及び60分の加熱（これを「プリアニール」と呼ぶ。）を行い、COP板の表面における純水の接触角を測定した。その結果、いずれの温度、いずれの時間で処理した場合も、純水接触角はほぼ95〜100゜となった（図９の左「プリアニール後」）。
【００３７】
このようなプリアニールを施したCOP板に対して前記の条件（図４下段）でH2Oプラズマ処理を行い、表面の純水接触角を測定したところ、いずれの温度、いずれの時間でプリアニール処理した試料についても、純水接触角はほぼ0゜となった（図９の「H2Oプラズマ処理後」）。すなわち、いずれの試料についても、H2Oプラズマ処理を行うことにより良好な濡れ性が付与された。
【００３８】
そして、H2Oプラズマ処理を行った各試料に対して、15分及び60分の加熱を行った（これを「ポストアニール」と呼ぶ）。その結果は図９の右側に示すとおり、ポストアニールの加熱温度（すなわち、接合時の加熱温度）が80℃（15分、60分どちらにおいても）では、マイクロ流路チップの流路内の濡れ性として期待される純水接触角30゜以下の要件を満たしている。前記のとおり、流路部分では加圧時の温度は更に低く、その時間も短いことから、H2Oプラズマ処理により付与されたCOPの濡れ性（低純水接触角）は、押圧接合後も十分に維持されていると考えられる。
【符号の説明】
【００３９】
１０…プラズマ処理室
１００…プラズマ処理装置
１１…パワード電極
１２…接地電極
１３…ガス導入口
１４…排気口
２０…制御部
３０…水導入部
４０…排気部
５２…RF電源
６０、６５…マイクロ流路チップ
６１…流路板
６２…閉鎖板
６３…流路溝
６４…開口（導入口・排出口）
７０…押圧装置
７４…押圧台
７５〜７７…エアシリンダ
７５ｂ〜７７ｂ…プレス板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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