(57)【要約】  本発明は、複数のサンプルの光ファイバーによる検査に使用可能なマイクロ流体装置を提供する。装置は、複数の光ファイバーを一体的に構成した基板を備える。基板表面に形成される層は、１つのサンプルの検査用の少なくとも１つの光ファイバーと通じる少なくとも１つの構造特徴を画定する。装置は、微小井戸（ウエル）、チャンネルあるいはそれらのあらゆる組み合わせのパターン化された配列からなる複数の構造特徴を好適に備える。本発明の装置の複数の光ファイバーは、数千のサンプルに同時に検査が可能である。これらのサンプルには制限がなく、分子、細胞、プロテオーム、ゲノムあるいは気体材料または分析試料を含む。本発明は、マイクロ流体装置の製造方法も開示する。本発明は、ここに提供されるマイクロ流体装置を経由して並行に多数のサンプルを検査する方法も含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数サンプルの光ファイバーによる検査用マイクロ流体装置であって、
表面を有する基板であって、複数の光ファイバーを一体的に備える基板と、
基板の表面上に形成される層であって、少なくとも１つの構造特徴を画定する層とからなり、
前記構造特徴は１つのサンプルの検査用の少なくとも１つの光ファイバーと連通するマイクロ流体装置。
【請求項２】
基板はさらにクラッドガラスを一体的に備える請求項１のマイクロ流体装置。
【請求項３】
少なくとも１つの光ファイバーはコアガラスの領域を備える、請求項１のマイクロ流体装置。
【請求項４】
マイクロ流体装置の構造特徴は微小井戸（ウエル）を備える請求項１のマイクロ流体装置。
【請求項５】
マイクロ流体装置の構造特徴はチャンネルを備える請求項１のマイクロ流体装置。
【請求項６】
マイクロ流体装置は複数の構造特徴を備え、複数の構造特徴は、微小井戸、チャンネルまたはそれらの組合せを備える請求項４または５のマイクロ流体装置。
【請求項７】
複数の構造特徴はパターン配列を備える請求項６のマイクロ流体装置。
【請求項８】
基板の表面に形成された層はフォトレジスト材料から構成される請求項１のマイクロ流体装置。
【請求項９】
フォトレジスト材料は高分子樹脂から構成される請求項８のマイクロ流体装置。
【請求項１０】
高分子樹脂が架橋されている請求項９のマイクロ流体装置。
【請求項１１】
基板の表面に形成された層は約１０００ｍｍよりも薄い厚さを有する請求項１のマイクロ流体装置。
【請求項１２】
基板の表面に形成された層は約２５０μｍよりも薄い厚さを有する請求項１のマイクロ流体装置。
【請求項１３】
少なくとも１つの微小井戸の直径は約１０ｍｍよりも小さい請求項６のマイクロ流体装置。
【請求項１４】
少なくとも１つの光ファイバーは、サンプルの検査用の少なくとも１つの電荷結合素子と対応付けられる請求項１のマイクロ流体装置。
【請求項１５】
サンプルは、生物学的、化学的または物理的事象と対応付けられる請求項１のマイクロ流体装置。
【請求項１６】
該層上に形成される第２の層をさらに備える請求項１のマイクロ流体装置。
【請求項１７】
第２の層は少なくとも１つの構造特徴を画定する請求項１６のマイクロ流体装置。
【請求項１８】
第２の層はサンプル流体の検査に動作可能なネットワークを構成する請求項１６のマイクロ流体装置。
【請求項１９】
該層は、マイクロ流体装置の識別用層と一体のラベルを備える請求項１のマイクロ流体装置。
【請求項２０】
多数サンプルの光ファイバーによる検査用マイクロ流体装置を製造する方法であって、
表面を有する基板であって、複数の光ファイバーを一体的に備える基板を準備し、
少なくとも１つの構造特徴を画定する層を、基板の表面上に沈積することからなり、
前記構造特徴は、１つのサンプルの検査用の少なくとも１つの光ファイバーと通じるマイクロ流体装置の製造方法。
【請求項２１】
さらに層の一部分を選択的に硬化することからなる請求項２０の方法。
【請求項２２】
層の該部分は、フォトマスク中の開口を通して露光することにより選択的に硬化される請求項２１の方法。
【請求項２３】
さらに層の硬化されない部分を除去することからなる請求項２１の方法。
【請求項２４】
層の硬化されない部分は溶媒から構成される溶液により除去される請求項２２の方法。
【請求項２５】
層は、スピンオン工程により基板の表面に沈積される請求項２０の方法。
【請求項２６】
さらに層上に第２の層を沈積させることからなる請求項２０の方法。
【請求項２７】
第２の層は少なくとも１つの構造特徴を画定する請求項２６の方法。
【請求項２８】
第２の層はサンプル流体の検査に動作可能なネットワークを構成する請求項２６の方法。
【請求項２９】
多数サンプルの並行な光ファイバーによる検査方法であって、
請求項１のマイクロ流体装置を準備し、
層をサンプルと接触させることからなり、
サンプルは少なくとも１つの構造特徴を部分的に含む方法。
【請求項３０】
さらにサンプルまたはサンプルに関連する事象を検査することからなり、さらに、検査は少なくとも１つの光ファイバーにより行なわれる請求項２９の方法。
【請求項３１】
複数のサンプルが層に接触しており、各サンプルは少なくとも１つの構造特徴を部分的に含む請求項２９の方法。
【請求項３２】
さらに複数のサンプルまたは各サンプルに関連する事象に同時に検査することからなり、さらに、同時検査は少なくとも２つの光ファイバーにより行なわれる請求項３１の方法。
【請求項３３】
少なくとも１つの事象は、生物学的、化学的または物理的事象である請求項３０または３２の方法。
【請求項３４】
少なくとも１つの光ファイバーは、少なくとも１つの電荷結合素子と動作可能に対応付けられる請求項３０または３２の方法。
【請求項３５】
電荷結合素子は少なくとも１つの光ファイバーからデータを受信する請求項３４の方法。
【請求項３６】
少なくとも１つの光ファイバーから受信するデータは、少なくとも１つのサンプルまたは事象と関連付けられる請求項３５の方法。
【請求項３７】
多数サンプルの検査または解析用のマイクロ流体装置であって、
表面を有する基板であって、複数の診断素子を一体的に備える基板と、
基板の表面上に形成される層であって、少なくとも１つの構造特徴を画定する層とからなり、
前記構造特徴は、１つのサンプルの検査または解析用の少なくとも１つの診断素子と通じるマイクロ流体装置。
【請求項３８】
マイクロ流体装置用の構造特徴は微小井戸から構成される請求項３７のマイクロ流体装置。
【請求項３９】
マイクロ流体装置用の構造特徴はチャンネルから構成される請求項３７のマイクロ流体装置。
【請求項４０】
マイクロ流体装置は複数の構造特徴を備え、複数の構造特徴は微小井戸、チャンネルまたはそれらの組合せを備える請求項３８または３９のマイクロ流体装置。
【請求項４１】
複数の構造特徴はパターン配列から構成される請求項４０のマイクロ流体装置。
【請求項４２】
基板の表面に形成される層はフォトレジスト材料から構成される請求項３７のマイクロ流体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、「大口径のマイクロアレイプレート、高分解能ウエル（微小井戸）、マイクロ流体光ファイバー検査マイクロ・ウエル（微小井戸）・バイオチップ」という名称の２００４年１月２２日付けで提出された米国特許仮出願番号第６０／５３８，４５０号の優先権を主張するものであり、本明細書の一部を構成するものとしてここに組み入れる。
【０００２】
発明の背景
マイクロ流体工学の分野は、マイクロメーター（μｍ）〜ミリメーター（ｍｍ）のオーダーの寸法を有する装置の製造および用途にかかわっている。これらの装置の微小な寸法および微小な特徴は、医学、生化学、化学および生物学などの分野における研究及び応用に対して大きな可能性を与えている。個々のマイクロ流体装置は、生物学的および化学的材料または分析試料の異なるグループから数千のサンプルまでを同時に調査するために使用可能である。生物学的、化学的または物理的事象の検査、観察に加えて、これらの装置の別の応用には、分子、細胞、プロテオーム、ゲノムあるいは気体の分析及び診断がある。
【０００３】
大きな関心を集めているマイクロ流体装置のクラスまたはグループは、マイクロアレイプレートである。そのようなプレートは、一般にシリコン、ガラスあるいはプラスチックを含む材料から構成される。マイクロアレイプレートは、プレート表面上、あるいは境界またはプレートの全面にエッチングされ分配されたその他の物理的特徴中に沈積する調査用のサンプルを支持または含有してもよい。例えば、典型的なマイクロアレイプレートは、数千の離散的サンプル微小井戸（ウエル）を含むことが可能である。通常これらの微小井戸(ウエル)は、直径が１μｍ〜２５０μｍである。そのような微小井戸中に沈積したサンプルを調査する便利な手段は存在しない。１つの方法は、微小井戸中に診断手段を挿入することにより、診断手段を用いてサンプル微小井戸を検査することであるが、この方法は高感度な材料に対しては実用的でない。
【０００４】
サンプル微小井戸を検査するために用いられる別の方法は、光ファイバーの底面を有する微小井戸を化学的にエッチングして用いるものである。これらのエッチング微小井戸の製造では、溶融クラッド(被覆)ガラスに囲まれたコア(芯)ガラスの中心領域を有する光ファイバーからなるプレートを巻き込むことがよくある。鉱酸などの化学エッチング液は、エッチング液に対してより抵抗力のあるクラッドガラスを乱すことなく、ファイバーの溶解性コアガラスを選択的に溶解させる。コアガラスは溶解し、微小井戸の直径が特定の光ファイバーの直径に対応するように、無傷のクラッドガラスにより物理的に画定される微小井戸を生成する。
【０００５】
生物学及び化学の研究において広範囲に用いられているマイクロ流体装置の第２のグループは、マイクロタイタープレートである。典型的にマイクロタイタープレートは、標準マイクロアレイプレートの微小井戸よりもはるかに大きな離散的な微小井戸を配列したことを特徴とするプラスチックの装置である。スクリーニングの規則により、マイクロタイタープレート上の微小井戸の配列及び寸法が標準化されている。そのような標準として必要な個々のプレートあたりの微小井戸の数は、９６、１９２、３８４あるいは１５３６である。マイクロタイタープレートの微小井戸は、約１．５ｍｍ〜約７．０ｍｍの範囲で変化する傾向がある。微小井戸中で起きる生物学的、化学的あるいは物理的事象を観測することが可能な診断装置も開発されている。Ｊｉａｎｂｉｎｇらによる「高密度光ファイバー配列技術およびゲノム研究におけるその応用」Ｃｈｉｎ．Ｓｃｉ．Ｂｕｌｌ．，Ｖｏｌ．４８，Ｎｏ．１８，ｐｐ．１９０３−０５（２００３）。これらの装置は、一般にマイクロタイタープレートと一体化しておらず、それにより光学的な解像度及び感度の両方を妨げる傾向がある。
【０００６】
光ファイバー検査マイクロ流体装置の開発には、使い勝手のよい製造方法が必要である。その方法は、個々の光ファイバーの微小な特徴や寸法を制限してはならない。マイクロアレイまたはマイクロタイタープレートのいずれかとして実行可能な装置を製造するために、標準化された方法が必要である。製造方法は、化学エッチング液に曝されるマスクまたは同等の手段を必要としないものである。さらに製造方法は、重大な環境問題を引起す残留物やガラス副産物の製造を最小限にすべきである。
【０００７】
そのような制限がない方法で製造されたマイクロ流体装置は、数千のサンプルを同時に調査するのに好都合であることが要求される。数千のサンプルを並行して検査する能力があれば、有効な診断あるいは分析手段を提供することになるであろう。ある特別な分野の研究用のマイクロ流体装置を容易に特注生産するという需要がある。この装置は、従来の製造標準により制限されるべきではない。寸法が変化する多数サンプルの微小井戸を一体的に検査するマイクロ流体装置が求められている。サンプル検査は、光学的な解像度及び感度を高めるように、装置と一体化された手段により行なわれる。この装置は、光学的な検査を曲げることが必要であるようなサンプルを見るガラス、プラスチックカバー片あるいはその他の透光性のプラットフォームも不要である。
【０００８】
発明の要約
本発明は、多数サンプルの光ファイバーによる検査用に使用可能なマイクロ流体装置を提供する。装置は、複数の光ファイバーを一体的に備える基板を備える。基板の表面上に形成される層は少なくとも１つの構造特徴を画定し、構造特徴は、１つのサンプルの検査用の少なくとも１つの光ファイバーと連通する。本発明の装置は、複数の構造特徴を備え、複数の構造特徴は、微小井戸、チャンネルまたはそれらの組合せのパターン配列を備える。マイクロ流体装置と対応付けられる複数の光ファイバーは、同時に１０００個までのサンプルに検査可能である。サンプルには制限がなく、分子、細胞、プロテオーム、ゲノムあるいは気体などの材料または分析試料であってもよい。そのような材料または分析試料と対応付けられるあらゆる生物学的、化学的または物理的事象に本発明の装置は検査可能である。マイクロ流体装置は、使用が意図される特定の応用に基づき、光ファイバー検査マイクロアレイまたはマイクロタイタープレートとして製造可能である。
【０００９】
基板の表面に形成された層は、光ファイバー検査に干渉することなく基板に実用的に接着するあらゆる材料により構成することが可能である。１つの実施形態において、例えば、スピンオン沈積、スクリーン印刷、テープ成形、コールドプレス、インクジェット印刷、ホットエンボシングあるいは化学気相成長などの好適な沈積手法により基板上に層を沈積させる。好適に層は、基板上にスピンオンにより形成された高分子樹脂などのフォトレジスト材料である。層の１つ以上の部分は、フォトマスク中の開口を通して光源に露光することにより硬化させてもよい。露光した部分は、層に沿って硬化する構造特徴を形成する。露光しない層の部分は未硬化のままであり、その後これらの部分は機械的あるいは化学的に溶媒などにより除去される。
【００１０】
層を硬化させることは、例えば光重合、重合、熱硬化または光硬化を含むプロセスにより行なわれる。層の構造特徴は、微小井戸、チャンネルまたはそれらの組合せのパターン配列からなる。層が硬化すると、基板の表面への接着が始まる。基板表面が均一に研磨されているとき、層は最もよく基板に接着する。光学的な検査に干渉しないあらゆる基板材料を用いてもよいが、本発明の１つの実施形態は、クラッドガラスにより囲まれたコアガラス領域を有する光ファイバーを一体的に備える基板を特徴とする。光学的な検査に干渉または光学的な検査を曲げることが可能な固有のガラス許容値を基板が有しない場合に、本発明のマイクロ流体装置は、好適に光ファイバーを一体的に備える基板からなる。
【００１１】
層の構造特徴は、寸法がマイクロメーター（μｍ）からミリメーター（ｍｍ）の範囲で変化し、体積も変化する。基板に接着される硬化層の厚さも、マイクロ流体装置の意図した用途に応じて変化する傾向がある。本発明の１つの実施形態において、マイクロアレイプレートとして用いた場合、装置の層の厚さは約１μｍ〜２００μｍである。本発明の別の実施形態の場合、装置は、単層または基板の表面上に次々と沈積する数層である層として、約１０００ｍｍまでの厚さを有する。本発明による硬化層は、特定の装置の基板と一体化することになる。
【００１２】
所定の層に形成される微小井戸は、基板の少なくとも１つの光ファイバーと通じる。１つの実施形態において、特定の微小井戸は数千にまで達する複数の光ファイバーと連絡可能である。個々の微小井戸と通じる複数の光ファイバーを有する本発明の実施形態は、一般にマイクロアレイまたはマイクロタイタープレートとして用いる。装置は、多数サンプルに同時に検査可能な異なる光ファイバーと通じる多数の微小井戸を含んでもよい。本発明の光ファイバーは、例えば少なくとも１つの電荷結合素子（ＣＣＤ）からなる標準検出装置に接続できる。従来の検出装置は、光学的な検査に適合したハードウェアおよびソフトウェアを備えるものが多い。マイクロ流体装置は、流体などの異なるサンプルの検査用の装置の部分を分離する硬化層により形成された数チャンネルを備えることも可能である。装置は、相中に形成されるラベル、または別の方法で装置認識用の基板上に沈積される層と一体化したラベルを備えてもよい。
【００１３】
本発明の別の実施形態は、マイクロ流体装置の本来の層上に形成される第２の層を備える。第２の層は、好適に高分子樹脂などのフォトレジスト材料である。第２の層は、前述のようなすべての好適な沈積手法により、基板上に沈積される。例えば光重合、重合、熱硬化または光硬化を含むプロセスにより硬化する際に、フォトマスクを用いて第２の層に沿って構造特徴を形成してもよい。第２の層は、ネットワークとして動作可能なマイクロ流体装置を提供可能である。ネットワークは、分子、細胞、プロテオームあるいはゲノム材料または分析試料などの流体サンプルの光ファイバー検査用に用いることが可能である。ネットワークは、そのような材料または分析試料と対応付けられるすべての生物学的、化学的あるいは物理的事象を検査するために用いることもできる。
【００１４】
また本発明は、マイクロ流体装置を製造する方法を提供する。本方法は、複数の光ファイバーを一体的に備える基板を準備することからなる。基板の表面を研削し研磨して均一な分布の層を提供する。そのような層は、スピンオン沈積、スクリーン印刷、テープ成形、コールドプレス、インクジェット印刷、ホットエンボシングあるいは化学気相成長などの沈積手法により基板表面上に沈積させる。その後、層の１つ以上の部分を硬化してサンプルの検査用の少なくとも１つの光ファイバーと連絡可能な構造特徴を形成する。マイクロ流体装置は複数の構造特徴を好適に備え、複数の構造特徴は、微小井戸、チャンネルまたはそれらの組合せのパターン配列を備える。本発明は、さらに本発明の方法により製造されたマイクロ流体装置を経由して多数サンプルを並行して検査する方法を提供する。
【００１５】
図面の説明
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照した次の本発明の詳細な説明により明らかになるであろう。
図１は、複数の光ファイバーを一体的に備える本発明の基板の部分図である。
図２は、本発明の基板の沈積層上に、第２の層を沈積させるための４つの略図を示す。
図３は、各装置が異なるマイクロ井戸のパターン配列を有する、本発明による６つのマイクロ流体装置の拡大図である。
図４は、図３中の第３のマイクロ井戸パターン層からの１つのマイクロ井戸の拡大図である。
図５は、本発明のマイクロ流体装置を製造する略図を示す。
図６は、４×４マイクロ井戸パターン配列の拡大図である。
図７は、チャンネル化された特徴を有する層を備える本発明の装置の部分図である。
図８は、第１の層上に配置されたチャンネル化された特徴を有する第２の層を備える図７中のマイクロ流体装置の部分図である。
【００１６】
定義
特に断りのない限り、以下の定義は、ここに用いられる用語についての意味と例を提供する。そのような定義は、当業者により予期されるあらゆる意味をも包含するように意図されている。
【００１７】
「構造特徴」という用語は、すべての材料の表面に沿う、あるいは近接する、あるいは一体である、ある種の構造または要素を言う。そのような構造または要素としては制限がなく、微小井戸、チャンネル、挿入口、流量制御チャンネル、栄養管、混合及び反応区域、回収微小井戸あるいはそれらの組合せが含まれる。
【００１８】
「配列」という用語は、一般に、複数の微小井戸（ウエル）、チャンネル、挿入口、流量制御チャンネル、栄養管、混合及び反応区域、回収微小井戸あるいはそれらの組合せの複数の特徴の配置を言う。
【００１９】
「検査」という用語は、サンプルの観察、解析あるいは試験を広範に言う。観察、解析あるいは試験は、少なくとも１つの光ファイバーまたは光ファイバープローブなどの関連する素子を用いて容易にしてもよい。さらに、観察、解析あるいは試験は、電荷結合素子（ＣＣＤ）やオートフォーカス顕微鏡などの従来の検出手段に補助されることも可能である。
【００２０】
「マイクロアレイプレート」という用語は、一般に特徴の配列を備えるプレートを言う。例えば、プレートは複数の均一に分配された微小井戸を備えており、各微小井戸は、直径が約１マイクロメーター（μｍ）〜２５０μｍの範囲であり、材料または分析試料などのサンプルを物理的に含有または保持することが可能である。
【００２１】
「許容値」または「ガラス許容値」という用語は、一般に観察、解析、検査あるいは試験を行なう例えばガラスなどの実質的に透光性の材料の厚さにより観察、解析、検査あるいは試験を行なう際の結果である限定されたあるいは減少した光学的な解像度、感度などに関するものである。例えば、下から光学的な検査を行なうガラスカバースライドはガラスの厚さとともに増加する固有のガラス許容値を有する。
【００２２】
「マイクロタイタープレート」という用語は、一般に特徴の配列を備えるプレートを言う。例えば、プレートはあらゆる個数の微小井戸から構成することが可能であり、微小井戸はパターン中に配置されることが多い。プレートは、制限なしに、９６、１９２、３８４あるいは１５３６個の均一に分配された微小井戸から構成することが可能であり、各微小井戸は直径が約１０ミリメーター（ｍｍ）までであり、材料または分析試料などのサンプルを物理的に含むことが可能である。
【００２３】
「事象」という用語は、一般に分子、細胞、プロテオーム、ゲノムあるいは気体材料または分析試料およびそれらのすべての組合せにおいて制限なしに観察されるある種の生物学的、化学的あるいは物理的出来事または活動を言う。そのような生物学的、化学的あるいは物理的出来事または活動としては、限定はないが、反応、化学発光、有糸分裂、蛍光、劣化あるいは成長が含まれる。
【００２４】
「サンプル」という用語は、限定ではないが、それらのすべての組合せを含む、分子、細胞、プロテオーム、ゲノムあるいは気体材料または分析試料を一般に言う。
【００２５】
「特徴解像度」という用語は、一般に、制限がなく、微小井戸、チャンネル、挿入口、流量制御チャンネル、栄養管、混合及び反応区域、回収微小井戸あるいはそれらの組合せを含む具体的な特徴または特別な特徴の違いに関する、寸法または微小な寸法の繰返し精度あるいは再現精度を言う。
【００２６】
発明の詳細な説明
本発明は、多数サンプルの光ファイバー検査用に使用可能なマイクロ流体装置を提供する。装置は、基板を含み、複数の光ファイバーと基板の表面に形成された層とを一体的に備える。形成された層は、サンプルの検査用の少なくとも１つの光ファイバーと通じる少なくとも１つの構造特徴を画定する。本発明の装置は、微小井戸、チャンネルあるいはそれらの組合せのパターン配列を含む複数の構造特徴を好適に備える。複数の光ファイバーにより、マイクロ流体装置を多数サンプルに同時に検査するために用いることができる。サンプルは、制限がないが、分子、細胞、プロテオーム、ゲノムあるいは気体の材料または分析試料を含んでもよい。そのような材料または分析試料と関係付けられる生物学的、化学的あるいは物理的事象は、本発明のマイクロ流体装置により検査することも可能である。また装置は、使用を意図した用途に応じて、製造して光ファイバー検査マイクロアレイあるいはマイクロタイタープレートにすることが可能である。
【００２７】
本発明によるマイクロ流体装置は、基板またはプレート上に層を沈積することにより製造することができる。基板は、複数の光ファイバーを一体的に備えてもよい。図１は、クラッドガラス８により囲まれた中央のコアガラス領域６を有する光ファイバー４を一体的に備える基板２の部分図である。複数の光ファイバーが、クラッドガラスにより束ねられて互いに溶融している状態を示している。標準的な製造において用いられるすべての好適な手法により、ファイバーを束ねて互いに溶融してもよい。複数の光ファイバーは、少なくとも１つの電荷結合素子（ＣＣＤ）から構成される従来の検出装置に接続してもよい。
【００２８】
本発明による典型的な光ファイバーおよび検出装置は、Ｓｃｈｅｍｐｐによる「光ファイバー画像化：入門」ＳＣ３２  Ｓｈｏｒｔ  Ｃｏｕｒｓｅ  Ｎｏｔｅｓ，ＳＰＩＥ（１９９４）に記載されている。とりわけ、上記参照文献は、制限なしに、本発明の光ファイバーおよび検出装置についての配置、構成、組立、材料あるいはその他の変形例についても記載している。本発明のマイクロ流体装置は、例えば、オートフォーカス顕微鏡などの従来の検出装置と共に用いることもできる。オートフォーカス顕微鏡は、一般に自動化して高スループットの選別用途において使用可能である。これらの顕微鏡は、例えば、数千の生物学的、化学的あるいは物理的事象を迅速に検査あるいは観察するために用いることが可能である。
【００２９】
さらに図１中の基板の表面１０は、層を沈積するために均一に研削し研磨するように示されている。本発明の１つの実施形態において、基板が光学的な検査に干渉する固有のガラス許容値を持たないとき、マイクロ流体装置は光ファイバーを一体的に備える基板から構成されてもよい。ファイバーを経由する検査がガラス、プラスチックカバー片あるいはその他の種類の光ファイバー４は、透光性プラットフォームなどの材料により行なわれる必要がないように基板とその表面１０を一体的に備えているので、図１の基板２はガラス許容値を持たない。典型的なマイクロ流体装置は、基板を一体的に備える光ファイバー上に沈積した層を有する。
【００３０】
そのような装置の典型的な基板が固有のガラス許容値を持たないので、本発明のマイクロ流体装置は、少なくとも１つのオートフォーカス顕微鏡と共に用いるように特別に合わせた微小井戸である。固有のガラス許容値がないと、いかなる種類の検査もガラス、プラスチックカバー片あるいはその他の透光性プラットフォームにより行う必要がない。従来のオートフォーカス顕微鏡の場合、そのようなカバースライドあるいはその他の透光性プラットフォームは検査あるいは観察を行なう窓として機能する。窓を通して行なう観察は、そのような顕微鏡に対して重大な焦点調節上の問題を引起す。本発明の典型的なマイクロ流体装置は、上または下から行なう検査においてガラス、プラスチックカバー片あるいは透光性プラットフォームを必要としないことにより、焦点調節上のあらゆる問題を解決することが可能である。そのようなガラス、プラスチックカバー片あるいはその他の透光性プラットフォームを必要としないことにより、とりわけ、サンプル検査の品質、解像度および速度が向上する傾向がある。Ｃｏｏｋらによる「表示用光ファイバー」Ｉｎｆ．Ｄｉｓｐ．，ｐｐ１４−１６（１９９１）。
【００３１】
図１は、光ファイバー４がクラッドガラス８により囲まれたコアガラス領域６を備えることも示している。光ファイバー４は、上端１２を通過する光を受光するような方向を向いており、従来の検出装置を用いて検出を行うために下端１４から光を出射する。そのような検出装置の例は、光学的な検査に好適なハードウェアおよびソフトウェアを含んでもよい。本発明の実施形態は、少なくとも１つのＣＣＤを含む標準的な検出装置を備えてもよい。ＣＣＤは少なくとも１つの光ファイバーに接続されてファイバーからデータまたは信号を受信して、それを画像に電子的に変換する。得られた画像は、基板を備える複数の光ファイバーの中の少なくとも１つの光ファイバーにより行なわれた検査を表す。標準的な検出装置および光ファイバーに接続された少なくとも１つのＣＣＤの部品、材料および組立品の例は、Ｓｃｈｅｍｐｐらによる「大面積ＣＣＤ−光ファイバー撮像装置組立品」Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．１９０１，ｐｐ．１４２−４５（１９９３）に記載されている。
【００３２】
本発明のマイクロ流体装置の基板またはプレートは、すべての好適な材料により構成することも可能である。材料は、光学的な検査に干渉せず沈積した層と良好な密着性を有するものを含む。基板は、生物学的、人工生物高分子、金属、高分子あるいは非金属材料により囲まれる光ファイバーを一体的に備えてもよい。例えば、基板は、プラスチックの基材中に光ファイバーの集合を一体的に備えることができる。前述のように、本発明の光ファイバーは、溶融クラッドガラスにより囲まれた中央のコアガラス領域を有する。好適な実施形態において、コアガラスは基板を有する各光ファイバーの中央領域を備えてもよい。
【００３３】
本発明のマイクロ流体装置は、部分的または全体的にプラスチックであるとともに、中空のコア領域を有する光ファイバーを備えることもできる。本発明による実施形態において、基板は多くの種類の検査または診断要素を一体的に備えることができる。これらの要素は、分子、細胞、プロテオーム、ゲノムあるいは気体材料または分析試料、および基板の表面に沿ってあるいは近傍で起きる、そのような材料または分析試料と対応付けられる生物学的、化学的あるいは物理的事象に検査あるいは分析可能である微小な寸法の光ファイバープローブまたはあらゆる装置をさらに含むことができる。そのような診断要素とは、実質的にガラスまたはプラスチックである光ファイバーをいう。
【００３４】
従来の製造法は、図１に示すような基板を製造するために確立されたものである。代表的な製造工程は、クラッドガラスチューブに嵌合する寸法にしたコアガラスロッドから始まる。次に、コアガラスロッドおよびクラッドガラスチューブを、ロッドとチューブが互いに溶融する炉に入れて、約２．５ミリメーター（ｍｍ）の標準直径を有する１本のロッドに引く。数本のロッドを、再び引いて複数構造を作ることができるビレットに組立てる。次に、複数構造を、さらに引いて多数の複数構造を形成する第２のビレットに組立てる。次に、これらのビレット複数構造を所望の長さに切断して、組立成形品を形成する圧縮固定具中に積み重ねる。次に、組立成形品を圧縮炉中に置く。
【００３５】
圧縮炉は、荷重を成形品に印加した状態で数本のロッドを加熱して軟化させる。その後、結果として得られるブロックをアニールして、溶融クラッドガラスにより囲まれたコアガラス光ファイバーを一体的に備える基板を製造する。基板を、特定応用または用途などに応じた基準厚さの長方形プレートに切断することができる。次に、１つ以上のガラス研磨スラリーおよび材料を用いて、基板を研削し研磨して特定の寸法にする。本発明による基板の製造に関するその他の変更および変形は、当業者には明らかである。
【００３６】
また、本発明による基板の製造は、Ｋｒａｎｓによる「光ファイバー撮像入門」第１版、スコット光ファイバー社に一般的に記載されている。この参照文献は、本発明の検査用光ファイバーとともに用いることができるＣＣＤなどの検出装置についても記載がある。さらに参照文献は、とりわけ、典型的な基板を一体的に備えるように使用される本発明の光ファイバーについての、配置、構成、組立、材料あるいはその他の変更についての記載がある。本発明による基板製造は、ここに本明細書の一部として援用する米国特許第４，７７８，５０１号および第４，９２５，４７３号にさらに開示記述されている。
【００３７】
本発明の基板またはプレートは、そのような上記の従来の製造法により製造可能である。これらの標準的な手法により製造された基板は、一般に光ファイバーの軸が基板の光入力および出力表面に垂直となるように、配列され互いに整列された光ファイバーを備える。前述のように、入力表面に入射する光が出力表面に直接透過するとき、基板は固有の許容値を持たない。この結果は、すべての光学的な歪の範囲を限定する傾向があり、検査の解像度を向上することもできる。本発明による基板は、光をより効率的に集めるためのテーパーが付いている光ファイバーを備えてもよい。本発明のマイクロ流体装置は、ガラス、プラスチックカバー片あるいはその他の透光性プラットフォームにより生じる光ファイバー検査を必要としない。これらのスライドやプラットフォームは、光を集めて透過する窓として機能し、光学的な解像度及び品質に効果をもたらすとともに、光学的な歪の範囲を増加させる。
【００３８】
基板の光ファイバー用クラッドおよびコアガラスの両方の選択は、それらの化学的および物理的特性が一致するように行なう。光ファイバーの全体の面積に対するコアガラス面積の比は、特定の応用によって変化する。全体の面積に対するコアガラス面積の代表的な百分率は、約７０パーセント（％）〜９０％である。同様に、所定の光ファイバーの光学特性も、コアとクラッドガラスとの相対的な屈折率に依存する。ある種の実施形態において、入射光が光ファイバーのコアに拘束されてクラッドガラス中に漏れないようにコアガラスの屈折率はクラッドガラスの屈折率よりも大きいことが好ましい。
【００３９】
本発明は、さらにＥＭＡ（Ｅｘｔｒａ  Ｍｕｒａｌ  Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）ガラスを使用することも意図している。ＥＭＡガラスは、吸収性が高く、基板のクラッドガラスと一体化して光ファイバーのコアガラスから漏れる光を吸収することができる種類のガラスである。光ファイバーのコアガラスから漏れる光を吸収することは、光学的な信号伝達および画像品質を改良する傾向がある。前述のように、本発明の基板を一体的に備える光ファイバーは、基板の表面に対して実質的に垂直である。本発明は、あらゆる種類の検査を高めるために用いることができるその他の光ファイバー構成をも意図している。
【００４０】
本発明の基板は、光の損失および検査中に発生する光学的な歪を最小化または防止する。例えばガラスやプラスチックの窓を通して生物学的、化学的あるいは物理的事象を観察する代表的な検査システムに比較して、光ファイバーを一体的に備える基板は、優れた解像度および光学的な透過率も有する。１つの実施形態において、ファイバーは検査する基板表面と少なくとも１つのＣＣＤなどの標準的な検出装置との間の光学的なリンクを形成する。この配列は、標準的な検出装置が直接観察に使用されるとき、または光学レンズや透光性プラットフォームにより検査が起きるときに発生するような共通の検査問題や制限を克服できる。例えば、直接観察に少なくとも１つのＣＣＤを用いるには、一般に検査する表面は平坦であることが必要である。少なくとも１つのＣＣＤに接続される本発明の光ファイバーによる検査は、検査用の平坦な表面を必要としない。
【００４１】
基板上に沈積する層は、光ファイバー検査に干渉することなく基板に実用的に接着するすべての材料により構成することができる。そのような材料としては、限定ではないが、高分子、生物学的、人工、金属、生物高分子あるいは非金属材料が含まれる。沈積層は特徴解像度及び特定の応用を満足させるその他の関連する寸法精度を有する少なくとも１つの構造特徴を画定することが可能である。本発明の１つの実施形態は、微小な寸法の複数の構造特徴を有する層を特徴とする。例えば、マイクロ流体装置は層の全体にわたる複数の微小井戸を備え、各微小井戸は微小目盛の深さと直径を有してもよい。個々の微小井戸は、微小井戸の中心から他の微小井戸の中心までを計測した場合、互いに数マイクロメーターずつ離れさせることもできる。１つの微小井戸の中心から別の微小井戸の中心までの距離は、ピッチと呼ばれる。
【００４２】
１つの実施形態において、層は実質的にフォトレジスト材料である。フォトレジストは好適に高分子樹脂である。層を構成するフォトレジスト材料は、マイクロ流体装置の基板の表面上に沈積させた後、光重合、重合、熱硬化、光硬化することもできる。層は、紫外（ＵＶ）または近紫外光に反応してもよい。層に入射する紫外または近紫外光は、水銀または水素アーク光源または放電ランプなどの光源からのものでよい。層が基板表面上に沈積した後、紫外または近紫外光は、層を光硬化または光重合させることができる。本発明は、高分子樹脂の組合せであるフォトレジスト層をも意図している。
【００４３】
光硬化可能な高分子樹脂の例は、フォトレジストＳＵ−８である。ＳＵ−８およびいくつかの関連するＳＵ−８高分子樹脂としては、ＳＵ−８  ２０００、ＳＵ−８  ２００１、ＳＵ−８  ２００２、ＳＵ−８  ２００７、ＳＵ−８  ２０１０、ＳＵ−８  ２０１５、ＳＵ−８  ２０２５、ＳＵ−８  ２１００あるいはＳＵ−８  ３０００などがマサチューセッツ州ニュートンのＭｉｃｒｏＣｈｅｍ社から入手可能である。これらの高分子樹脂は、本発明の基板上に沈積することが可能である。ＳＵ−８および関連するＳＵ−８樹脂は、樹脂を本発明の基板に接着する際にも好適なフォトレジストであり、良好な濡れ性を示す。これらのフォトレジスト樹脂は、樹脂が硬化して十分に架橋した後、非常に耐久性がある傾向がある。
【００４４】
化学的にＳＵ−８は、好適な光酸発生剤（ＰＡＧ）などの陽イオンＰＡＧと組み合わせるときに厚膜ネガフォトレジストになる、十分にエポキシ化したビスフェノールＡおよびホルムアルデヒドノボラック共重合構造である。硬化するために紫外または近紫外光に露光するとすぐに、強酸およびプロトンが発生して、ＰＡＧの光化学反応によりエポキシモノマーの陽イオン重合反応が始まる。Ｌｉらによる「走査レーザシステムを用いたマイクロ流体構造の急速な３次元的製造」Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．８５，Ｎｏ．１２，ｐｐ．２４２６−２８（２００４）。一般に、後続の露光後ベーキングあるいはその他の熱処理の後、反応が終了して樹脂が十分に架橋する。
【００４５】
すべてのＳＵ−８および関連するＳＵ−８樹脂を紫外または近紫外光で硬化することおよび樹脂の露光後ベーキングにより、化学的、熱的および機械的に安定な高密度に架橋した高分子ができる。基板上に沈積したＳＵ−８フォトレジスト層は、基板と一体化することができる。また、ＳＵ−８硬化層は、溶媒、酸あるいは塩基に対して抵抗性があり、良好な特徴解像度を示す傾向がある。約３５０ナノメーター（ｎｍ）〜４５０ｎｍの波長範囲の紫外または近紫外光で露光すると、ＳＵ−８樹脂層は硬化することができる。硬化または露光後ベーキング前のＳＵ−８の高分子構造は、一般に架橋されておらず、限定なしに、シクロペンタノン、ガンマブチルアセトン（ＧＢＬ）、ジアセトンアルコール、メチルイソブチルケトン、エチルラクテートあるいはプロピレングリコールメチルエーテル（ＰＧＭＥ）などの溶媒に容易に溶解することができる。
【００４６】
ＳＵ−８および関連するＳＵ−８樹脂は、例えば、シクロペンタノン、ＧＢＬ、ジアセトンアルコール、メチルイソブチルケトン、エチルラクテートあるいはＰＧＭＥを配合することができる。本発明のフォトレジスト樹脂層は、様々な厚さに沈積される。１つの実施形態において、２００μｍの厚さをＳＵ−８または関連するＳＵ−８樹脂により得てもよい。本発明による別の実施形態は、単層または基板表面に互いに沈積した数層からなる、約１０００ｍｍまでの層の厚さを有することができる。１０００ｍｍのＳＵ−８フォトレジスト層の１つの例が、Ｌｏｅｃｈｅｌによる「表面マイクロマシニング用の厚膜レジスト」Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．，Ｖｏｌ．１０，ｐｐ．１０８−１５（２０００）に記載されている。本発明のフォトレジスト層は、一般に基板の表面全体に均一に分配されるように沈積される。柔軟性などの樹脂の特性を向上するために、添加剤によりＳＵ−８および関連するＳＵ−８樹脂を改良してもよい。
【００４７】
装置基板上の典型的なフォトレジストの沈積および層形成は、フォトレジストのスピンオン沈積、ソフトベーキング、紫外または近紫外光による露光、露光後ベーキング、層の未露光部分の選択的除去、基板から未露光部分を洗浄除去および最終硬化として層の露光部分をハードベーキングすることが必要である。本発明の１つの実施形態は、マイクロ流体装置の基板表面上に単層を沈積することである。基板の表面を洗浄、研磨して均一な沈積表面を形成する。限定ではないが、スピンオン沈積、スクリーン印刷、テープ成形、コールドプレス、インクジェット印刷、ホットエンボシングあるいは化学気相成長などの好適な沈積手法により基板上に層を沈積させる。沈積の前に、接着促進剤を基板の表面に塗布して層と基板との密着性を高めることも可能である。
【００４８】
層を沈積させた後、可塑剤、分散剤、結合剤、溶媒あるいは層中にあるその他の材料を除去するように、例えば、ホットプレート上または対流オーブン中で随意的に層をベークすることができる。ホットプレートは、そのような材料を層の底から頂部に追い立てて排出されるガスの気泡形成を最小にすることが可能であるため、一般にベーキングに好適である。層のベーキングは、層の均一性と基板表面への密着性を促進する。次に、層を紫外または近紫外光源で露光する。そのような光源の例としては、水銀アーク光源あるいは放電ランプがある。層中の構造特徴を硬化するように、フォトマスク中の開口を通して紫外または近紫外光に露光する。典型的なフォトマスクは、溶融シリカまたはガラス上のクロムにより構成される。硬化した構造特徴は、層の露光部分に対応する。すべての未露光部分が機械的あるいは化学的な手法などにより層から除去され溶解されるように、硬化した構造特徴が形成される。
【００４９】
紫外または近紫外光により露光した後、層を十分に架橋する露光後ベーキングを、層に随意的に施すことができる。この露光後ベーキングは、好適には層の未露光部分を除去する前に、例えば、ホットプレート上または対流オーブン中で行ってもよい。沈積した層のすべての未露光部分は、シクロペンタノン、ＧＢＬ、ジアセトンアルコール、メチルイソブチルケトン、エチルラクテートあるいはＰＧＭＥなどの溶媒により現像または除去できる。次に、溶媒を、未露光の層部分とともに基板から洗浄除去する。前述のように、層の残存する露光硬化部分は、マイクロ流体装置用の構造特徴を画定する。層の種々の物理的、機械的、熱的および化学的特性を向上させるように、制限なく対流オーブン中で層に最終硬化を施すことも可能である。
【００５０】
本発明によるマイクロ流体装置上に沈積する層は、フォトマスクを使用しないあるいは必要としない方法により、複数の構造特徴を形成することも可能である。これらの方法には、微小パターンを施したモールドを用いるソフトリソグラフィなどの従来のパターン転写手法がある。モールドパターンの反転を、層に転写してその表面に沿って構造特徴を形成する。一般的なソフトリソグラフィ手法としては、制限なしに、マイクロ転写成形、毛管中のマイクロ成形およびレプリカ成形がある。基板の表面上に層を沈積した後かつ層を紫外または近紫外光に露光する前に、そのような手法を用いることができる。
【００５１】
本発明による装置に対する基板の表面上に沈積した層に沿って様々な構造特徴を形成することができる。これらの特徴は本発明により意図された多くの異なる特徴を制限するものではないが、微小井戸およびチャンネルのパターン配列については以前に説明した。そのような種々の特徴としては、限定するものではないが、挿入口、流量制御チャンネル、混合及び反応区域、栄養管、回収微小井戸あるいはそれらの組合せが含まれる。これらの特徴は、光ファイバー検査マイクロアレイまたはマイクロタイタープレートとして製造する本発明の装置において使用可能である。５μｍの特徴解像度を本発明のマイクロ流体装置により達成可能であることも意図されている。ＳＵ−８あるいはＳＵ−８に関連する樹脂層の化学的、熱的、物理的特性を向上させる工程特性は、「ＳＵ−８の工程能力改善、第ＩＩ部、ｐｐ．１−７」ｗｗｗ．ｍｉｃｒｏｃｈｅｍ．ｃｏｍ／ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ／ｓｕ８＿ｐｒｏｃｅｓｓ＿ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ＿ｐａｐｅｒ＿２．ｐｄｆに全般的に記載されている。
【００５２】
別の実施形態において、マイクロ流体装置基板の本来の層上に第２の層を沈積させる。図２は、第２の沈積層１８を支える層１６についての４つの異なる図を示す。第２の層１８は、マイクロ流体装置２０の第１の層１６上に沈積してサンプル流体などの流体の流れに好適なネットワークを形成することができる。最初の図面に関しては、充填材料２２を用いて第１の層１６および第２の層１８と一体のチャンネル２４を形成する。図２中のすべての図に対するチャンネル２４は、分子、細胞、プロテオーム、ゲノム材料または分析試料などの流体サンプルの流れに好適である。制限なしで、生物学的、化学的あるいは物理的事象など、材料あるいは分析試料に対応付けられる事象を検査することも可能である。流体サンプルは、装置２０の少なくとも１つの光ファイバーにより検査可能である。
【００５３】
２番目の図は、第１の層と第２の層１８との間にチャンネル２４が形成できるように第１の層１６を保護するマスク２６を示す。３番目の図は、チャンネル２４を形成するために第１の層１６上に積層される第２の層１８を示す。図２に示すように、この積層は重り２８により補助される。次に、４番目の図は、沈積した第２の層１８を支える第１の層１６の未露光部分３０を示す。またこの図は、第２の層１８により未露光部分３０を光から覆うように、紫外または近紫外光３２により硬化する両層を示す。未露光部分３０は硬化せず、除去してその他の図に示されるものと同様なチャンネルを形成する。チャンネルに加えて、第１の層および第２の層の沈積により、あらゆる好適な特徴をマイクロ流体装置と一体に製造可能である。
【００５４】
前述のように、フォトマスク中の開口を通して光源で露光することにより、層の１つ以上の部分を硬化させることができる。代表的なフォトマスクは、溶融シリカまたはガラス上のクロムにより構成される。次に、露光した部分を、層に沿って硬化した構造特徴に形成する。層の未露光部分は未硬化部分として残り、これらの部分はあらゆる好適な機械的または化学的工程により除去可能である。層は、所定のマイクロ流体装置の識別用にその中に形成された、あるいは一体に形成されたラベルまたはマーキングを備えることもできる。本発明による基板または光ファイバーは、限定するものではないが、ここに本明細書の一部として援用する米国特許第４，６９３，５５２号、第４，６６９，８１３号、第４，６４７，１５２号、第４，５９１，２３２号および第４，５３３，２１０号に開示記載される配置、構成、組立、材料あるいはその他すべての変更を含むこともできる。
【００５５】
図３は、溶融クラッドガラスにより囲まれたコアガラスを有する３μｍ径の光ファイバーを一体的に備える基板上にＳＵ−８  ２０２５樹脂層が形成された、６個の本発明によるマイクロ流体装置の拡大図である。図に示すマイクロ流体装置は、種々の微小寸法の地形的特徴を画定する６つの異なるパターン層を備える。パターン層は、具体的に各層が１から６までに番号付けされた、マイクロ井戸の離散的な配列から構成される。これらの装置は、マイクロアレイプレートの応用において用いることができる。配列層のそれぞれは、表１にほぼ特定される異なる寸法を有するが、本発明の開示や特別な実施形態の範囲を制限するものではない。
【００５６】
表１
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【００５７】
図３中の各パターン層に対する層の厚さまたはマイクロ井戸の深さは、約５６μｍ〜５７μｍである。典型的なマイクロ井戸の特徴解像度は、約５μｍよりも小さくすることができる。
【００５８】
複数の光ファイバーは、図３に示す各マイクロ井戸の底辺を実質的に画定する。図４は、図３に示す第３のパターン層から１つのマイクロ井戸を拡大した図である。図に示すように、マイクロ井戸３６の底辺に沿った光ファイバー３４はマイクロ井戸と通じており、事実上分子、細胞、プロテオーム、ゲノムあるいは気体である材料または分析試料の多様なグループからなるサンプルに検査可能である。材料または分析試料は、検査することができる生物学的、化学的あるいは物理的事象と関連付けることができる。マイクロ井戸３６の底辺に沿った光ファイバー３４の量は、例えばノイズやその他の干渉の範囲を限定する状態で、特別な光学的または画像解像度を与える傾向がある。図４中のマイクロ井戸の層の厚さは、約５６μｍ〜５７μｍである。
【００５９】
図５は、本発明のマイクロ流体装置を製造する図である。図に示すように、基板２は、共に溶融するクラッドガラス８により囲まれたコアガラス領域６を有する光ファイバー４を一体的に備える。スピンオン工程により、１つの層３８を基板の表面１０上に沈積する。未露光部分４２は硬化させないままで、層の部分４０を紫外または近紫外光で露光して硬化させる。紫外または近紫外光は、例えば、沈積層３８と紫外または近紫外光源との間に配置したフォトマスク中の開口を通して層の露光部分４０に到達する。沈積層の未露光部分４２を機械的または化学的処理により除去して層に沿った構造特徴４４を形成する。次に、露光後ベーキング中に層３８を十分に架橋させてその特性を向上させることができる。最終的な装置４６は、基板２と一体的に接着するとともに実質的にサンプルを含む構造特徴４４を有する層３８を備える。
【００６０】
図６は、６μｍ径の光ファイバーからなる基板上に形成された典型的なＳＵ−８層を拡大したものを示す。図示された装置は、地形的な特徴を画定する層４８を備える。特徴は、マイクロタイタープレートを形成するマイクロ井戸５０のパターン配列により構成される。マイクロ井戸５０は、約２マイクロリッター（μｌ）である流体のサンプル体積を個々に含むことができる。フォトマスクは、応力を減らす傾向のあるスロット５２により境界を定められた離散的な４×４配列にする、マイクロ井戸５０の製造を手助けするために用いられる。図６に示すパターン配列は、１５３６個の微小井戸のマイクロタイタープレートの一部分である。
【００６１】
本発明のすべての層の硬化は、光重合反応、重合反応、熱硬化あるいは光硬化を含む工程により行なってもよい。そのような層の構造特徴は、微小井戸、チャンネルあるいはそれらの組合せのパターン配列を備えることもできる。層が硬化するにつれて、基板の表面にも密着するようになる。基板表面が均一に研磨されたときに、層は最適に基板に密着する。層の種々の構造特徴のすべては、体積ばかりでなく寸法もμｍ〜ｍｍの範囲で異なる。また、基板に密着する硬化層の厚さは、装置の意図された用途に依存して変わる傾向がある。一般に装置の厚さは、マイクロアレイプレートとして使用するとき、例えば約１μｍ〜２００μｍである。
【００６２】
形成された微小井戸は、基板の少なくとも１つの光ファイバーに通じている。１つの実施形態において、特別な微小井戸が数千までの数を含む複数の光ファイバーに通じている。個々の微小井戸と通じる複数の光ファイバーを有する本発明の実施形態は、マイクロアレイあるいはマイクロタイタープレートとして用いることができる。マイクロ流体装置は、多数サンプルに同時に検査可能な種々の光ファイバーと通じる多数の微小井戸から構成されてもよい。本発明の光ファイバーは、例えば、少なくとも１つのＣＣＤを備える標準的な検出装置に接続されてもよい。標準的な検出装置は、サンプル検査に適するハードウェアとソフトウェアも備える。マイクロ流体装置は、流体サンプルなどの種々のサンプルの検査または解析を行なう装置の部分同士を分離可能な硬化層により形成された、いくつかのチャンネルから構成することもできる。
【００６３】
図２を参照して説明したように本発明の別の実施形態は装置の本来の層上に形成される第２の層を備える。第２の層は、好適に高分子樹脂などのフォトレジスト材料である。前述のように好適な沈積方法により、第２の層を基板上に沈積させる。例えば、光重合反応や光硬化などの工程により硬化するので、ソフトリソグラフィやフォトマスクを用いて第２の層に沿った構造特徴を形成することも可能である。次に、第２の層はネットワークとして動作するマイクロ流体装置を作成する。ネットワークは、例えば、材料または分析試料などの流体サンプルの光ファイバー検査に用いることができる。
【００６４】
図７は、チャンネル化された特徴５８を画定する層５６を備える本発明の装置５４の部分図である。図のように、基板２は、クラッドガラス８により囲まれたコアガラス６を有する光ファイバー４を一体的に備える。層５６は、スピンオン工程により、基板の表面上に沈積させてもよい。次に、層５６の部分を紫外または近紫外光により露光して硬化するが、層のその他の未露光部分は硬化しない。紫外または近紫外光は、例えば、沈積層と紫外または近紫外光源との間に配置されたフォトマスク中の開口を通して層５６の露光部分に到達する。沈積層の未露光部分を機械的または化学的な処理により除去して、チャンネル５８である、層に沿った構造特徴を形成する。
【００６５】
次に、層５６およびチャンネル５８のパターン配列を十分に架橋してその特性を向上させてもよい。最終的な装置５４は、基板２に一体的に密着しかつ検査用の少なくとも１つのサンプルの流れを実質的に含む構造特徴を有する層５６である。例えば、試薬が基板およびその一体層を横切って流れる。そのような試薬には、制限なしに、分子、細胞、プロテオーム、ゲノム材料または分析試料を含んでもよい。図７に示す装置５４のチャンネル５８は、例えば、流量制御チャンネル、混合及び反応区域、栄養管、挿入口あるいはそれらの組合せとして機能することも可能である。形成された層の構造特徴のそれぞれは、本発明による光学的に検査、観察可能な生物学的、化学的あるいは物理的事象を含むために用いることもできる。
【００６６】
ネットワークは、装置の本来の層上に層を沈積させることにより、図７に示す装置により構成することもできる。そのようなネットワークは、試薬の流れなどのサンプルの流れを調査するために用いてもよい。図８は、チャンネル化された特徴６２を有しかつ第１の層５６上に沈積された第２の層６０を備える図７の装置５４の部分図である。層６０は一般に第１の層５６と一体の平坦な層であるため、第２の層６０は実質的に形成される構造特徴を持つ必要がない。そのような平坦層は、前述の図２において示されている。図８中のネットワークは、サンプル検査ばかりでなく、例えば、挿入口、栄養チャンネル、流量制御チャンネル、混合及び反応区域あるいはそれらの組合せを含む種々の応用にも好適である。
【００６７】
本発明は、マイクロ流体装置を製造する方法も提供する。本方法は、複数の光ファイバーを一体的に備える基板を用意することからなる。基板の表面を、研磨し洗浄して均一な分布の層を形成する。研磨するにもかかわらず、基板表面は、例えば、山対谷の差が約０．００５μｍである測定可能な表面モルフォロジを有する。スピンオン沈積、スクリーン印刷、テープ成形、コールドプレス、インクジェット印刷、ホットエンボシングあるいは化学気相成長などの沈積手法により、層を研磨された基板表面上に沈積することができる。層の一部分あるいはいくつかの部分を硬化して、サンプル検査用の少なくとも１つの光ファイバーに通じる構造特徴を形成する。
【００６８】
本発明の方法により製造されたマイクロ流体装置は、例えば、微小井戸、チャンネルあるいはそれらの組合せのパターン配列を有する複数の構造特徴を好適に備える。さらに、意図されたその他の特徴として、制限なしに、挿入口、流量制御チャンネル、混合及び反応区域、栄養管、回収微小井戸あるいはそれらの組合せが含まれる。さらに本発明は、本発明により製造されたマイクロ流体装置を経由して多数サンプルに並行に検査する方法を提供する。そのような検査には、前述のもの、あるいは意図することができるその他の検査、解析または診断を含めてもよい。
【００６９】
上記の実施形態は、マイクロアレイあるいはマイクロタイタープレートのいずれかとして用いることができる。さらに本発明によるマイクロ流体装置は、特別な装填機構と増幅チャンバを用いるバイオセンサーあるいはバイオチップを典型的に含む用途に用いることができる。１つの実施形態において、マイクロ流体装置を特定のデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）配列の小さな変化を検出するために用いることができる。マイクロ流体装置はさらに、病気の素因を示す単一ヌクレオチド多型（ＳＮＰ）を検出するために用いることもできる。本発明のマイクロ流体装置を、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）増幅用のプラットフォームまたは構造として用いてもよい。
【００７０】
別の実施形態において、装置を配列技術と併用して、費用効率が高く高スループットな遺伝子型決定を可能にすることもできる。本発明のマイクロ流体装置と併用する同様な配列型技術は、組み替え核酸（ＲＮＡ）プロファイリング用として有効である。また、バクテリア、ウイルス、細胞などは、開示されたマイクロ流体装置により成長およびモニター可能である。さらに本発明のマイクロ流体装置は、従来の自動化装置がサンプルを挿入したり装置からサンプルを取り出したりするように、製造することができる。９６、１９２、３８４あるいは１５３６個の微小井戸のマイクロタイタープレートとして機能するマイクロ流体装置は、そのような装置とともに用いることができる装置の例である。
【００７１】
本発明の１つの実施形態は、装置の層の少なくとも１つの構造特徴中に配置する微小井戸を備えてもよい。そのようなマイクロ流体装置は、鉱酸のような化学エッチング液を用いて、基板のより抵抗性のあるクラッドガラスが不安定になることなく、装置基板を備える光ファイバーの溶解性コアガラスを選択的に溶解させて製造することができる。コアガラスを溶解し、次に洗い落として、無傷のクラッドガラスにより物理的に画定される微小井戸を形成する。複数のエッチングした微小井戸は、装置の層の少なくとも１つの構造特徴内に配置することができる。そのようなマイクロ流体装置の例は、層の微小井戸の夫々に配置された、光ファイバーのエッチング井戸を備えてもよい。光ファイバーのエッチング微小井戸は、マイクロ流体装置の層に沿った微小井戸よりも小さい直径が必要である。
【００７２】
本発明の装置を製造する方法は使い勝手がよく、また標準的な手法及び装置を用いて行うことができる。また、この方法は、そのような装置を製造することも可能であるが、光ファイバーと連絡あるいは応答するのに構造特徴を限定または制限することがない。本発明の方法は、マイクロアレイまたはマイクロタイタープレートのいずれかとして動作するマイクロ流体装置を製造するために有用である。さらに、この方法は、環境問題を引起す残留物やガラス副産物を過剰に製造することがない。ここに記載された方法および装置は、本発明の層をその上に沈積する基板を標準化することができる。そのような標準化は研究および関連設備の全体的な在庫コストを削減することができる。
【００７３】
本発明の方法および装置は、制限なく、数千までの材料または分析試料を並行に好都合に調査するために用いることもできる。これらの材料または分析試料は、例えば、種々の分子、細胞、プロテオーム、ゲノムあるいは気体材料または分析試料を含む。本発明によるマイクロ流体装置を用いて、基板およびその一体層を横切って流れるサンプルの試薬を検査することも可能である。多層を有する装置を備えるネットワークを用いて、材料または分析試料などのサンプルの流れを調査することもできる。本発明による実施形態は、その他の光学に基づく工程や手法に比較して、光学的な検査の解像度を高める傾向がある。
本発明の製造方法を用いて、研究の特別な領域用のマイクロ流体装置を容易に特注製造することもできる。前述のように、本発明の装置の光学的な感度および解像度は、検査、観察中のサンプルや関連する事象に干渉したり妨害したりする大きなアドオン式の装置や道具を含む従来の検査手法を越える傾向がある。さらに本発明のマイクロ流体装置は、沈積し密着した層と一体のラベルを備えることができる。そのようなラベルを用いて特定のマイクロ流体装置を識別して目録を作ってもよい。
【００７４】
ここで以前に説明しなかった本発明の優位性を例示し、当業者が本発明によるマイクロ流体装置を製造するのを支援する実施例を提供する。これらの実施例は、前述の本発明の変更または実施形態を包含または組み込むことができる。さらに、前述の実施形態は、本発明のいずれかあるいはすべての変更を包含または組み込むことができる。次の実施例は、本開示の範囲をいかなる形においても制限する意図のものではない。
【実施例１】
【００７５】
本実施例は、本発明によるマイクロ流体装置の基板上に沈積したフォトレジスト層を含む。フォトレジストは高分子樹脂ＳＵ−８である。ＳＵ−８層は、約３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの波長範囲である紫外または近紫外光により処理される。ＳＵ−８を紫外または近紫外光で露光して露光後ベーキングを行なうことにより、基板表面上の層を十分に架橋させる。ＳＵ−８層を紫外または近紫外光で露光する際に、フォトレジストが強酸を形成するので、ＳＵ−８層を部分的に架橋してもよい。マイクロ流体装置の基板上にＳＵ−８層を沈積させて層を形成するには、フォトレジストのスピンオン沈積、ソフトベーキング、紫外または近紫外光での露光、露光後ベーキング、層の未露光部分の選択的除去、未露光部分の基板からの洗浄除去および、最終硬化として層の露光部分をハードベーキングすることが必要である。
【００７６】
その上にＳＵ−８フォトレジスト層が沈積する基板を、洗浄して研磨し均一な沈積表面を形成する。また基板は、互いに溶融したクラッドガラスにより囲まれた中央のコアガラス領域を有する複数の光ファイバーを一体的に備える。基板の表面を、溶媒または希釈酸により洗浄した後、脱イオン水で洗浄除去する。フォトレジストの沈積に先立って、基板を随意的にエッチングすることもできる。ホットプレートに接触させて２５０℃で約５分間または対流オーブン中において２５０℃で約３０分間ベーキングすることにより、基板を脱水することができる。ＳＵ−８フォトレジスト層の沈積と硬化は、ｗｗｗ．ｍｉｃｒｏｃｈｅｍ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｐｄｆ／ＳＵ８＿２００２−２０２５．ｐｄｆによりさらに説明される。
【００７７】
約４〜６インチ径のウェハである基板を製造する。光ファイバーとクラッドガラスからなる所定の基板の場合、光ファイバーとクラッドガラスの大きなブロックからウェハを切断する。ウェハを好適に切断して約１ｍｍの厚さにすることができる。基板の完全性と均一性を検査することもできる。これらの検査は、例えば、基板の一般的な製造において生じる欠陥、破損、すりへり、傾斜あるいはクラックなどの問題に対応する傾向がある。次に、実験室用洗剤、脱イオン水およびイソプロパノールアルコールを用いて基板を洗浄し、研磨して均一な沈積表面を形成する。フォトレジストの沈積の前に、一般に２５０℃で約１０分より少ない時間の間、基板をホットプレート上でベーキングする。
【００７８】
基板直径の１インチあたり約１ミリリッター（ｍｌ）のアリコート体積で、ＳＵ−８を基板表面に沈積させる。スピンオン沈積のサイクルは、ＳＵ−８アリコートを薄く塗る初期スピン速度と、層の厚さを決定する最終スピン速度とからなる。サイクルの薄く塗る部分においては、加速度が毎秒１００ｒｐｍで５００ｒｐｍまで基板の回転数を増加させる。次に、サイクルの薄く塗る部分に続いて、加速度が毎秒約３００ｒｐｍで約１０００ｒｐｍ〜約３０００ｒｐｍの最終スピン速度まで回転数を増加させる。次に、最終スピン速度を全体で約３０秒保持する。基板上にフォトレジストを沈積させた後、ソフトベーキングを行い、溶媒を蒸発させて層を緻密にする。ＳＵ−８のソフトベーキングは、ホットプレートまたは対流オーブンにより行なうことができる。フォトレジストのソフトベーキングは、層から溶媒を均一に蒸発させるように好適には段階的に行なう。溶媒の蒸発を均一に制御することにより、フォトレジストの稠度が向上し、層と基板の密着度が向上する。
【００７９】
次に、約３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの波長範囲の紫外または近紫外光でＳＵ−８フォトレジストを露光する。紫外または近紫外光源の例の１つの種類は、水銀アーク光源または放電ランプでもよい。本発明によるそのような露光を、例えば、電子線、ｉ線またはｘ線光源で行なってもよい。層中に複数の構造特徴を形成するために、紫外または近紫外光がフォトマスク中の開口を通過してフォトレジスト材料を硬化させるようにフォトマスクを用いることができる。紫外または近紫外光で露光した後、層に露光後ベーキングを施す。前述のように、露光後ベーキングにより、紫外または近紫外光で露光した層のすべての部分を十分に架橋させる。露光後ベーキングは、ホットプレート上または対流オーブン中で行うことができる。露光後ベーキングは、層の応力を最小にするために、好適には段階的に行なう。
【００８０】
エチルラクテート、ジアセトンアルコールまたはその他の上記溶媒などの溶媒により、ＳＵ−８層の未露光部分を現像または溶解する。層の未露光部分の溶解は、攪拌した状態で好適に行なわれる。未露光部分を除去するために溶媒を用いる時間の長さは、約１分〜約１０分である。すべての溶解時間を、攪拌速度や温度を変えることにより短縮することも可能である。層の未露光部分を基板表面から洗浄除去した後、基板と層を不活性ガス流により乾燥させる。層の未露光部分の最終硬化を、ホットプレート上または対流オーブン中で行う。最終硬化は、約１５０℃〜２００℃の温度範囲のハードベーキングであり、層の全特性を向上させるために好適には段階的に行なう。そのような特性は、制限なく、本発明によるマイクロ流体装置に層を密着させることを含む。
【実施例２】
【００８１】
本実施例は、クラッドガラスにより囲まれた光ファイバーを一体的に備える所定の基板を含む。基板の表面に沈積させたＳＵ−８  ２１００樹脂層を硬化させるためにフォトマスクを用いる。フォトマスクを構成するガラス上の典型的なクロムは、マサチューセッツ州ノースアンドーバーのアドバンストリプロダクション社から入手した。フォトマスクを用いて、３２×４８マイクロ井戸配列に均一にパターン化された１５３６個のマイクロ井戸を製造した。実験室用洗剤、脱イオン水およびイソプロパノールアルコールを用いて、層沈積のために基板を準備した。層沈積の前に、２５０℃で約１０分以上基板をホットプレート上でベーキングした。例えば、層沈積の前に約１０分間４００℃などの高温度に基板を加熱して水の接触角をごく小さくすることも好適である。
【００８２】
ＳＵ−８  ２１００樹脂層を、約６３６μｍの最小目標厚さを達成するように、２層に塗布した。第１の層をホットプレート上で、約６５℃で約５分間ベーキングした後、約９５℃で３０分間加熱した。第２の層を沈積させた後、層をホットプレート上で、約６５℃で約５分間ベーキングし、約９５℃で６０分間加熱した。また、ＳＵ−８  ２１００層の厚さは、光学切片顕微鏡またはマイクロメーターを用いて、ベーキング後に測定した。次に、１平方センチあたり約１０ミリワット（ｍＷ）であるように測定して決定した強度の、フィルターをかけた紫外または近紫外光源を用いて、沈積層のすべての露光部分を硬化させた。
【００８３】
次に、現像剤からなる溶液中に装置を沈めた。溶液をカバー付きのビーカー中に入れて、標準的な攪拌装置で攪拌した。また、攪拌速度と継続時間をモニターし制御した。溶液の現像剤は、紫外または近紫外光に未露光であった沈積層を実質的に溶解させた。次に、サンプルを、現像剤を含む新鮮な溶液で洗浄除去し、さらにイソプロパノールアルコールで洗浄除去した後、乾燥させた。この実施例に使用したフォトマスクは、構造特徴の形成を支援する意図があった。
【００８４】
本実施例により説明される同様な関連するパラメーターを、本発明によるマイクロ流体装置の製造にさらに用いた。そのような装置を製造するために使用できるパラメーターは、本発明のいずれかの特定の実施形態の開示の範囲をいかなる形においても限定するものではないが、表２中に例が示されている。表２は、第１の樹脂層の沈積速度（ｒｐｍ）と厚さ（μｍ）および第２の樹脂層の沈積速度と全体の厚さも示している。表２は、層の厚さや露光強度などの製造パラメーターを決めることができる標準品としてシリコン基板材料を使用することを示している。
【００８５】
表２
2007522448.tif 000004
【００８６】
表２は、コア−クラッドガラス基板材料として表示されるクラッドガラスにより囲まれたコアガラスを有する光ファイバーを一体的に備える基板をも示している。次に、時間と強度のパラメーターに応じて、ミリジュール（ｍＪ）で測定した、全体の層を紫外または近紫外光で露光してもよい。
【００８７】
本発明を好適な実施形態と共に説明したが、当業者は前述の説明を読んだ後にここで説明した装置および方法の種々の変更、等価物の置き換えおよびその他の修正を行うことができるであろう。例えば、マイクロ流体装置用の基板は、基板またはその上に沈積させる層に密着させるオーバーレイやラミネートを備えてもよい。装置の製造中あるいは製造後にすべての従来手法により、オーバーレイやラミネートを本発明のマイクロ流体装置に密着させることができる。前記の各実施形態は、その他の実施形態のいずれかあるいはすべてに関して開示される変形例を包含あるいは組み込むことも可能である。したがって、この特許状によって与えられる保護は、添付の特許請求の範囲に含まれる定義およびそれらと等価なものすべてによってのみ限定されることを意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】複数の光ファイバーを一体的に備える本発明の基板の部分図
【図２】本発明の基板の沈積層上に、第２の層を沈積させるための４つの略図
【図３】各装置が異なるマイクロ井戸のパターン配列を有する、本発明による６つのマイクロ流体装置の拡大図
【図４】図３中の第３のマイクロ井戸パターン層からの１つのマイクロ井戸の拡大図
【図５】本発明のマイクロ流体装置を製造する略図
【図６】４×４マイクロ井戸パターン配列の拡大図
【図７】チャンネル化された特徴を有する層を備える本発明の装置の部分図
【図８】第１の層上に配置されたチャンネル化された特徴を有する第２の層を備える図７中のマイクロ流体装置の部分図
【符号の説明】
【００８９】
３４    光ファイバー
３６    マイクロ井戸
【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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【手続補正書】
【提出日】平成18年9月25日(2006.9.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【国際調査報告】
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