(57)【要約】【課題】複数のプレートを接合層を介して接合し、中空のマイクロ流路を作製するときの接合層の硬化度を確認する。【解決手段】少なくとも１つの基板に微細な溝を有する基板と他の基板を、光を照射して硬化度に応じた接触角を有する接着層を介して接合した中空の流路を有するデバイスにおいて、前記光の照射後に液体が存在しない状態の前記流路内を、毛管力により溶液が流れる速度を計測する工程、を有することを特徴とする流体デバイスの検査方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの基板に溝を有する基板と他の基板を、硬化度に応じて接触角が変化する接着層を介して接合した中空の流路を有するデバイスの検査方法において、前記流路内を、毛管力により溶液が流れる速度を計測する工程、を有することを特徴とする流体デバイスの検査方法。
【請求項２】
前記溶液が流れる速度により前記接着層の硬化の度合いを検査する、請求項１に記載の検査方法。
【請求項３】
硬化前の前記溶液と前記接着層との接触角は８０°から９０°であり、硬化後の前記溶液と前記接着層との接触角は７０°以下である、請求項１又は２に記載の検査方法。
【請求項４】
前記接着層と、光を照射する前の前記溶液の接触角は７０°以下であり、光を照射した後の前記溶液の接触角は８０°から９０°である、請求項１又は２に記載の検査方法。
【請求項５】
前記接着層は、光の照射によって硬化することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の検査方法。
【請求項６】
前記流路の幅は、１μｍ以上１ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の検査方法。
【請求項７】
少なくとも１つの基板に微細な溝を有する基板と他の基板を、硬化度に応じて接触角が変化する接着層を介して接合した中空の流路を有するデバイスの検査装置において、前記光の照射後に液体が存在しない状態の前記流路内の毛管力に起因する溶液の流れを取得する撮像装置と、前記撮像装置のデータから溶液が流れる速度を計算する計算機と、を有することを特徴とする流体デバイスの検査装置。
【請求項８】
前記溶液が流れる速度により前記接着層の硬化の度合いを検査する、請求項７に記載の検査方法。
【請求項９】
硬化前の前記溶液と前記接着層との接触角は８０°から９０°であり、硬化後の前記溶液と前記接着層との接触角は７０°以下である、請求項７又は８に記載の検査装置。
【請求項１０】
前記接着層と、光を照射する前の前記溶液の接触角は７０°以下であり、光を照射した後の前記溶液の接触角は８０°から９０°である、請求項７又は８に記載の検査装置。
【請求項１１】
前記接着層は、光の照射によって硬化することを特徴とする、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の検査装置。  
【請求項１２】
前記流路の幅は、１μｍ以上１ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流路に対する検査装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学および生化学反応の経過や結果を確かめるために濃度、成分などの所望の情報を得ることは分析化学の基礎的な事項であり、それらの情報の取得を目的としたさまざまな装置およびセンサが発明されている。それらの装置やセンサを微細化し、所望の情報を得るまでの全工程をマイクロデバイス上にての実現を目指す、マイクロ・トータル・アナリシス・システム（μ−ＴＡＳ）またはラブオンチップと呼ばれるコンセプトがある。これは、採取された原料や未精製検体をマイクロデバイス内の流路を通過させることにより、検体精製や化学反応などの工程を経て、最終的な化学合成物や検体中に含まれる成分の濃度などを得ることを目標とするコンセプトである。また、これらの分析や反応を司るマイクロデバイスは、必然的に微小量の溶液や気体を扱うことから、マイクロ流路デバイス、あるいはマイクロ流体デバイスと呼ばれることが多い。
【０００３】
従来技術のデスクトップサイズの分析機器と比較すると、マイクロ流路デバイスを用いることによってデバイス内に含まれる流体は低容量化されるため、必要試薬量の低減および分析物量の微量化による反応時間の短縮が期待される。このようなマイクロ流路デバイスの利点が認知されるにつれて、μ−ＴＡＳに関わる技術が注目を集めている。
【０００４】
複数の基板を貼り合わせてマイクロ流路を接着剤などの接合層を用いて作製する際には、接合層が基板を強固につなぎ合わせる必要がある。強固に接合するためには、接合層が完全に硬化していることが望ましく、代表的には特許文献１に示されるように紫外線硬化型の接着剤を用いて接合するものがある。
【０００５】
作製したマイクロ流路内の検査は一般に流路断面積が微小であり、その大きさに合うセンサ類を流路内に配置し、かつセンサ類により流体の流れが阻害されないことが必要である。そのため、作製されたマイクロ流路内を検査するには外観検査に頼ることが多く、機能面における検査は実施しにくい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３８８０９３１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載のマイクロ流路は、表面に溝を有する基板と溝を有しない基板を、中空の流路を形成するように接触させ、２枚の基板の隙間に毛管力により接着剤を浸透させたうえで、紫外線を照射して接着剤を硬化させることによりマイクロ流路を構成する。このとき、接着剤膜は薄くなる。
【０００８】
厚い膜のものと比較すると、薄い接着剤膜は比界面積が増大するため、硬化中に酸素阻害を受ける面積も増大する。マイクロ流路を構成するための接着剤は部分的に流路内の空気に露出しているため、厚い膜を作製するときと同等の紫外線照射量では、流路に露出している部位は接着剤が硬化しない可能性がある。接着剤が完全に硬化していないときは、粘着性は有しているため基板同士は接着された状態であるが、流動性を失い流路内を液体は通過しにくくなる。また、接着剤が未硬化であると、接着剤の一部が流れによって剥がれたり、マイクロ流路内における反応を阻害する要因になり得る。しかし、接着剤が未硬化であるか完全に硬化したかを外観検査のみで判断することはできない。
【０００９】
本発明は、このような背景技術を鑑みてなされたものであり、接着層を用いて接合したマイクロ流路に対して、外観検査では判別しえない、接着層が完全に硬化したか否かを検査する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決する検査方法は、少なくとも１つの基板に溝を有する基板と他の基板を、硬化度に応じて接触角が変化する接着層を介して接合した中空の流路を有するデバイスの検査方法において、前記流路内を、毛管力により溶液が流れる速度を計測する工程、を有することを特徴とする流体デバイスの検査方法である。
【００１１】
上記の課題を検査する装置は、少なくとも１つの基板に微細な溝を有する基板と他の基板を、硬化度に応じて接触角が変化する接着層を介して接合した中空の流路を有するデバイスの検査装置において、前記光の照射後に液体が存在しない状態の前記流路内の毛管力に起因する溶液の流れを取得する撮像装置と、前記撮像装置のデータから溶液が流れる速度を計算する計算機と、を有することを特徴とする流体デバイスの検査装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、複数の基板を接合層を介して接合することにより構成されたマイクロ流路における接合層の硬化の度合いを簡便に検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の接触角の変化と流速の相関を示す図である。
【図２】本発明の検査方法を実施するための一態様である。
【図３】本発明の検査方法を実施する一実施態様の流路断面図である。
【図４】本発明の検査方法を実施した一実験結果である。
【図５】本発明の検査方法を実施する一実施態様の流路断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明に関わる検査方法は、少なくとも１つの基板に溝を有する基板と他の基板を、硬化度に応じて接触角が変化する接着層を介して接合した中空の流路を有するデバイスの検査方法において、前記流路内を、毛管力により溶液が流れる速度を計測する工程、を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明に関わる検査装置は、少なくとも１つの基板に微細な溝を有する基板と他の基板を、硬化度に応じて接触角が変化する接着層を介して接合した中空の流路を有するデバイスの検査装置において、前記光の照射後に液体が存在しない状態の前記流路内の毛管力に起因する溶液の流れを取得する撮像装置と、前記撮像装置のデータから溶液が流れる速度を計算する計算機と、を有することを特徴とする流体デバイスの検査装置である。
【００１６】
基板の材質は、ガラス、プラスチック、シリコン、セラミックなどがある。溝の幅は毛管力の影響が観測しやすいように１μｍ以上１ｍｍ以下程度でよいが、その作製方法は、材質に大きく依存する。例えば、シリコンであればフォトリソグラフィーを用いた微細加工、プラスチックであれば射出成型、ホットエンボス、ガラスであればドリル加工も可能であるが、特に限定されない。
【００１７】
接着層は代表的には接着剤であり、紫外線硬化型、熱硬化型、２液混合型の接着剤などがある。また、基板との親和性を考慮し、数マイクロメートル程度の厚さで一様に塗布できる接着剤が望ましい。例えば、基板が親水的なガラスであれば、接着剤も親水的であることが望ましい。接着剤の中でも、特に紫外線硬化型は硬化速度が速いことに利点がある。ただし、基板を貫通させて紫外線を照射する必要があるため、基板による紫外線吸収が少ないことや基板の厚さに制限が生じる。
【００１８】
接着剤の硬化度は光の照射量や照射密度、硬化開始剤の含有量などに依存する。ある特定の紫外線硬化型の接着剤を基板表面に塗布し貼り合わせる前であれば、一定の紫外線照射密度において紫外線照射量を変化させたときの例えば水との接触角の計測、またはＦＴＩＲの計測により硬化度を見積もることが可能である。同時に検査に使用する溶液との接触角を測定すると、硬化度と接触角の相関が得られる。
【００１９】
数十から数百マイクロメートルの深さのマイクロ流路を接着剤により閉塞することなく接合するためには、接着層の厚さは数マイクロメートル程度が望ましい。この厚さを実現するには、接着剤を溶剤に溶かしてスピンコートする方法、スプレーコートする方法、ディップコートする方法、印刷する方法などがあるが特に限定されない。
【００２０】
流速を計測するための溶液は、表面張力、接触角が硬化度に応じて既知である流体であればよい。ただし、基板や接着層を溶解する溶剤、マイクロ流路で実施される反応を阻害する可能性のある溶液は好ましくない。
【００２１】
半径ｒおよび長さＬを有する流路における毛管力による溶液の流れはＬｕｃａｓ−Ｗａｓｈｂｕｒｎの式で見積もることが可能であり、以下の式、
Ｌ＝｛ｒＴｃｏｓθ・ｔ／２μ｝１／２
によって導かれる。ここで、Tは流体の表面張力、θは溶液の流路との接触角、ｔは時間、μは溶液の粘度である。これを時間ｔについて解くと、
ｔ＝２μL２／（ｒTｃｏｓθ）
となる。よって、特定の２地点間を流れる時間の値は接触角θに依存する。
【００２２】
図１は、流路半径５０μｍ、流路長さ２０ｍｍのマイクロ流路において、粘度が１ｍＰａ・ｓ、表面張力が７３ｍN／ｍの溶液がマイクロ流路を毛管力によってのみ進行している流体の接触角の速度に対する依存性を示した図である。進行時間は、接触角のｃｏｓｉｎｅ成分に反比例するため、９０°付近では急激に増加する。そのため、速度は理論的に０となる。つまり、接着剤の硬化前に接触角が９０°付近（たとえば、８０°から９０°）で完全硬化後に７０°以下となる接着剤であれば、溶液の通過速度に差が生じる。また、硬化前の接触角が７０°以下で、硬化後に９０°付近（たとえば、８０°から９０°）の接触角でも同様である。具体的には、接触角θが７０°のとき、時間ｔは０．６４秒なので速度は０．０３１ｍｍ／ｓと計算される。また、同じ流路を接触角θが８５°であるとき、時間ｔは２．４９秒なので速度は０．００８ｍｍ／ｓと計算される。この程度の時間差・速度差であれば特殊な装置を用いることなく簡便に計測することが可能である。
【００２３】
本発明は上記の原理を利用して、硬化度により接触角が変化する接着層を用いて作製したマイクロ流路内を毛管力により進行する流体の速度を計測することによって、接着層の硬化度を見積もり、流体デバイスの検査を行う。
【００２４】
本発明の検査方法によれば、マイクロ流体デバイスの流路内の状態を非破壊で検査できる。検査によって、接着剤膜の完全硬化が確認できない場合は、検査溶液を流路から除去し、再び紫外線などを照射して、完全硬化させることが可能である。よって、デバイスの製造工程において、検査のためだけにデバイスを抜き取る必要がないという効果がある。
【００２５】
本発明は、上記の効果により、接着剤膜の完全効果の判定を製造ライン内に組み込むことが可能となる。例えば、図２に示すようなシステムにおいて、流体デバイス４１は内部に中空の流路４２と溶液の注入口４３および注出口４４を有している。ピペット４５により流速の測定に用いる溶液を滴下し、毛管力によって進行する様子を撮像装置４６で撮影する。撮影された画像データは計算機４７へ送られ、任意の異なる時間の２画像に基づいて画像解析を行うことにより流速を計算することが可能である。このとき、画像を解析しやすいように、観測のために特定の波長や白色光を照射し、検査溶液は着色してもよく、蛍光を発するものであってもよい。また、撮像に必要なフィルター類が必要な際は蛍光波長などに応じたフィルターを適宜使用してもよい。
【実施例】
【００２６】
以下、実施例を示し本発明をさらに具体的に説明する。なお、以下の実施例は本発明をより詳細に説明するための例であって、実施形態は以下の実施例のみに限定されない。
【００２７】
（実施例１）
実施例１において、硬化前の水との接触角が約８０°の紫外線硬化型接着剤を用いて作製されたマイクロ流路における接着剤硬化の検査方法を説明する。
【００２８】
図３は本実施例におけるマイクロ流路デバイスの断面図であり、アクリル素材の基板表面２１に、ドリル加工によって複数の長さが異なる幅１００μｍ、深さ５０μｍの溝が加工され、溝の両端に液体を注入するための半径約１ｍｍの穴が加工されている。もう１枚の表面には何も加工されていない基板２２に、例えばＷｏｒｌｄ  Ｒｏｃｋ  ５５４１（登録商標）（協立化学産業製、粘度２０００ｍＰａ・ｓ）の紫外線硬化型接着剤２４を約３μｍの厚さで塗布し、溝と穴がある基板と貼り合わせてマイクロ流路２３を構成した。このとき、形成された流路に接着剤は埋まらず、流路に接する空隙の発生もなかった。
【００２９】
接着剤２４を基板２２に塗布した状態で、紫外線を５０ｍＷ／ｃｍ２の照射密度で、３Ｊ／ｃｍ２と２４Ｊ／ｃｍ２の照射量で硬化させ、水との接触角を測定したところ、それぞれ８０°、６８°と観測された。照射量が３Ｊ／ｃｍ２のときは、接着剤膜はタック性を有しており、流動性は失っているものの、粘着性は残存している状態であった。また、照射量が２４Ｊ／ｃｍ２のときは、接着剤膜の粘着性は失われ完全に硬化された状態であった。
【００３０】
次に、基板２１と基板２２を接着剤２４を介して接合し、紫外線を５０ｍＷ／ｃｍ２の照射密度で、３Ｊ／ｃｍ２と２４Ｊ／ｃｍ２の照射量で硬化させて２つの流体デバイスを構成した。この時点で双方のマイクロ流路を顕微鏡で検査したが、外観上は全く差異が見られなかった。なお、マイクロ流路２３の４つの断面壁面のうち接着剤と接しているのは１つだけである。
【００３１】
基板２１にある穴に水を約１０μＬ滴下して、水が流路内を進行する時間を各流路に対して測定した。図４は、各流路に対して３Ｊ／ｃｍ２、２４Ｊ／ｃｍ２の照射をしたときの、それぞれ計測された流速を表す。各流路ともに接着剤の完全な硬化が確認されている２４Ｊ／ｃｍ２の流速が上昇している。なお、本実施例における流路は、図３に示されるように接着層と溶液が接している面は流路を構成する４面のうち、１面だけであるため、接触角の変化による流速の変化はＬｕｃａｓ−Ｗａｓｈｂｕｒｎの式によって導かれるほどの流速の変化はない。それでも、流速を調べることによって接着剤が硬化したかどうかがわかることは明らかである。
【００３２】
（実施例２）
実施例２おいて、硬化前の接着剤膜と水との接触角が６０°程度になるように調整された紫外線硬化型の接着剤について記載する。
【００３３】
接着剤の接触角は、接着剤の含有剤量に大きく影響される。例えば、接着剤に含まれる溶剤と混和できる界面活性剤を添加すると、硬化前における接触角は低下する。ガラス基板などの親水的な基板を用いる場合、接着剤の均一な塗布には、より接触角の低い接着剤が望ましい。
【００３４】
さらに、接着剤の硬化後に接触角が９０°付近まで上昇するようにすると、マイクロ流路内の毛管力による流速に接着剤の硬化前後で簡便に観測できる程度の差を生じさせることが可能である。
【００３５】
図１からも明らかなように、接触角が８０°から９０°程度にまで上昇すると、流速は急速に低下する。そのため、硬化の度合いをより容易に見積もることができる。
【００３６】
（実施例３）
実施例３として、接着剤に過剰な照射を行い、硬化の判断を容易にする例を示す。
【００３７】
図５のような基板５１と５２を接着剤５４を介して貼り合わせた、マイクロ流路５３を考える。接着剤５４はマイクロ流路５３の一部分のみに露出しているため、接着剤硬化に起因する接触角の変化による流速の変化は図３の状態と比較すると小さい。その流速の変化が小さいため、簡便な方法で測定できない可能性がある。
【００３８】
このような場合、基板と接着剤膜が紫外線によって損傷を受けない程度であれば、必要な紫外線照射量以上の過剰な紫外線を照射することにより、さらに接触角を変化させることが可能である。実施例１で用いた接着剤の場合、４５Ｊ／ｃｍ２の紫外線照射により、接着剤表面と水との接触角は約４３°まで低下した。
【００３９】
本実施例の方法を有効に機能させるには、流路素材と接着剤の組み合わせを考慮する必要がある。例えば、水との接触角が約９０°になるような環状ポリオレフィンやポリプロピレンのような基板素材であるとき、接着剤と水との接触角は未硬化状態では約９０°、硬化後のさらなる過剰照射で約４０°程度まで低下すると、流速差が計測しやすくなる。
【００４０】
また、基板素材がガラスのような親水的な素材であるとき、接着剤と水との接触角は未硬化状態では約３０°、硬化後のさらなる過剰照射で約９０°程度まで上昇すると、流速差が計測しやすくなる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、化学反応、化学分析を実施するためのマイクロ流体デバイスに利用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
２１、２２、５１、５２  基板
２３、５３  マイクロ流路
２４、５４  接着剤
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図４】
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