(57)【要約】【課題】加熱を伴う化学反応および分析に用いるための、局所加熱が可能なチップを提供すること。【解決手段】本発明の局所加熱部材は、透明かつ電気絶縁性の樹脂の表面または内部にパルスレーザー光を照射して、炭素を部分的に析出させて電気抵抗領域を形成することによって得られる。この局所加熱部材は、電気抵抗領域に接する位置または近傍に、試料を配置するための１または複数の窪みあるいは液状試料の流路を有する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明かつ電気絶縁性の樹脂の表面または内部に電気抵抗領域を有する、局所加熱部材。
【請求項２】
前記電気抵抗領域に接する位置または近傍に、試料を配置するための１または複数の窪みを有する、請求項１に記載の局所加熱部材。
【請求項３】
前記電気抵抗領域に接する位置または近傍に、１または複数の液状試料の流路を有する、請求項１または２に記載の局所加熱部材。
【請求項４】
前記電気抵抗領域が、炭素偏析領域である、請求項１から３のいずれかに記載の局所加熱部材。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の局所加熱部材の製造方法であって、透明かつ電気絶縁性の樹脂の表面または内部にパルスレーザー光を照射して、炭素を部分的に析出させる工程を含む、方法。
【請求項６】
請求項１から４のいずれかに記載の局所加熱部材を配置するためのステージ；該局所加熱部材に高周波を印荷し得る位置に配置された高周波発生器；該局所加熱部材および該高周波発生器を覆う電磁波シールド；ならびに該高周波発生器の制御装置を備える、局所加熱装置。
【請求項７】
局所加熱部材を、高周波印荷によって加熱する工程を含む、試料加熱方法であって、該局所加熱部材が、透明かつ電気絶縁性の樹脂の表面または内部に電気抵抗領域を有し、そして該電気抵抗領域に接する位置または近傍に、試料を配置するための１または複数の窪みおよび／または１または複数の液状の試料の流路を有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱を伴う化学反応および分析に用いられる局所加熱用部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、加熱を伴う化学反応または分析には、例えば、反応させるべき物質、分析すべき溶液などの試料をビーカーや試験管などの反応用のガラスまたはプラスチック容器に入れ、これらの容器をホットプレート、電気炉などに入れて加熱反応を行っていた。反応後、必要に応じて、試料を分取し、改めて分析器にかけるという操作も必要であった。このような方法では、スループットが低いという問題がある。また、反応のために大量の試料が必要であり、廃棄物も多くなる。
【０００３】
近年は、微細加工技術の進歩により、微量試料を分析できるＤＮＡチップあるいはμＴＡＳチップなどが開発されている。しかし、特定の部位のみの加熱は困難であり、チップ全体を加熱せざるを得ない。そのため、個々の部位で異なる加熱条件を設定することは不可能である。
【０００４】
局所加熱の目的で、２ｃｍ角のフッ素樹脂製の基板上に直径約０．５ｍｍの小さな窪みを１００個設け、その窪みの内側に銅メッキを施して釜状構造物とし、その各釜を電熱器で加熱する、極少試料の反応用チップが開発されている（非特許文献１）。しかし、加熱用の金属表面を基板表面に形成しなければならないため、複雑な形状のパターニングは難しい。例えば、プラスチック内部に設けられた管の内表面にこのような金属表面を形成することは、非常に困難である。
【０００５】
【非特許文献１】
日本経済新聞、２００３年１月１０日朝刊、第１７面
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、局所加熱部材、例えば、局所加熱が可能なチップなどを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、パルスレーザー光の照射によって樹脂の表面または内部に炭素が析出する現象を見出したことによって完成されたものである。
【０００８】
本発明は、透明かつ電気絶縁性の樹脂の表面または内部に電気抵抗領域を有する、局所加熱部材を提供する。
【０００９】
好適な実施態様では、上記電気抵抗領域に接する位置または近傍に、試料を配置するための１または複数の窪みを有する。
【００１０】
他の好適な実施態様では、上記電気抵抗領域に接する位置または近傍に、１または複数の液状試料の流路を有する。
【００１１】
さらに好適な実施態様では、上記電気抵抗領域は、炭素偏析領域である。
【００１２】
本発明はまた、透明かつ電気絶縁性の樹脂の表面または内部にパルスレーザー光を照射して、炭素を部分的に析出させる工程を含む、局所加熱部材の製造方法を提供する。
【００１３】
本発明はさらに、局所加熱部材を配置するためのステージ；該局所加熱部材に高周波を印荷し得る位置に配置された高周波発生器；該局所加熱部材および該高周波発生器を覆う電磁波シールド；ならびに該高周波発生器の制御装置を備える、局所加熱装置を提供する。
【００１４】
本発明はまた、局所加熱部材を、高周波印荷によって加熱する工程を含む、試料加熱方法を提供し、該局所加熱部材は、透明かつ電気絶縁性の樹脂の表面または内部に電気抵抗領域を有し、そして該電気抵抗領域に接する位置または近傍に、試料を配置するための１または複数の窪みおよび／または１または複数の液状の試料の流路を有する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の局所加熱部材は、所望の形状に成形された透明かつ電気絶縁性の樹脂の表面または内部に、電気抵抗領域を有する。この電気抵抗領域は、主として、この樹脂の光誘起物質変化によって部分的に析出した炭素からなる領域をいい、炭素単体だけではなく、炭素と電気抵抗性の化合物や金属とが共析出した領域も含む。例えば、樹脂中に含まれる（微量）金属も、レーザー光照射によって炭素とともに析出し得、電気抵抗領域を形成し得る。詳細には、本発明の局所加熱部材は、射出成形、エンボス加工などによって所望の形状に成形された透明かつ電気絶縁性の樹脂成形体の表面または内部に、炭素析出を起こすエネルギー量を有するレーザー光を集光し、樹脂の表面または内部で集光点を相対移動させ、所望の位置に析出した炭素を含む電気抵抗領域を形成することにより製造される。本発明の局所加熱部材は、具体的には、例えば、図１および２に示すように、試料を搭載するための窪み２および／または試料の流路３において加熱しようとする所望の部位に接する位置または近傍に、炭素偏析領域からなる電気抵抗部位４が形成されている。ここで、炭素偏析領域とは、部分的に炭素が析出した領域をいう。
【００１６】
本発明において、樹脂とは、透明かつ電気絶縁性の樹脂をいう。ここで、透明とは、レーザー光に対して透過性を有することをいい、可視光域（４００ｎｍ程度）以上から中赤外線域（５μｍ程度）未満までの波長域で透明であることを指す。
【００１７】
樹脂としては、その構成元素のうち、炭素、水素、および酸素の合計質量に基づいて算出した炭素含有量が６０％を超える、好ましくは７０％を超える樹脂が用いられ、光重合架橋性樹脂、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂が好ましく用いられる。このような樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリスチレン、エポキシ樹脂、ポリカルボジイミド、フラン樹脂、フルフラール樹脂、ポリフェニレンサルファイド、ブタジエンスチレン樹脂、ジアリルテレフタレート樹脂、アクリロニトリルスチレン共重合体、メラミン樹脂、ポリアミド、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、不飽和ポリエステル樹脂、ポリエチレングリコールビスアリルカーボネート、ベンゾグアナミン樹脂、ポリメチルペンテンなどが挙げられる。これらは、単独でまたは組み合わせて用いられる。炭素含量が多い点で、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、およびポリイミドがより好ましい。樹脂は、離型剤、色素などを含む組成物であってもよい。
【００１８】
このような樹脂または樹脂組成物は、例えば図３または４に示すような所望の形状に成形される。成形体の形状および大きさは、その用途に応じて適宜設計される。好ましくは、チップと称される程度の小片からなる基板１であり、この基板１は、表面に試料を搭載するための窪み２を有するか、および／または内部に試料の流路３を有する。試料を搭載するための窪み２および試料の流路３は、１つであっても複数であってもよく、両方が存在してもよい。また、それらの大きさも適宜設計され得る。成形方法としては、射出成形、プレス成形、キャスティング成形、遠心成形、エンボス加工などが用いられる。
【００１９】
本発明の局所加熱部材の電気抵抗領域４は、レーザー光５を、例えばレンズ６によって集光することによって形成される（図５を参照のこと）。
【００２０】
レーザー光としては、樹脂の種類によっても異なるが、炭素析出変化を起こすためには、集光点におけるピークパワー強度が１×１０１４Ｗ／ｃｍ２以上であることが好ましい。ピークパワー強度は、１パルス当たりの出力エネルギー（Ｊ）／パルス幅（秒）の比で表されるピーク出力（Ｗ）を照射単位面積当りで表した値である。ピークパワー強度が１×１０１３Ｗ／ｃｍ２に満たないと有効な炭素析出変化が起こらない。ピークパワー強度が高いほど炭素析出変化が促進され、所望の電気抵抗領域が容易に形成される。ピークパワーを高くすることで、レーザー光の集光点のみならず、その近傍においても炭素析出の閾値を超えるので、炭素偏析領域を大きくするなどの制御が可能となる。しかし、アブレーションが発生して、樹脂表面にダメージも発生しやすくなるため、樹脂内部に電気抵抗領域を形成する場合は、集光点を表面付近に近づけ過ぎないようにするなどの配慮が必要である。
【００２１】
通常のパルスレーザー光は、パルス幅が広いため、レーザー照射によるエネルギーがレーザー集光点の周辺に熱拡散し、その結果、集光点の周辺部にクラックなどが発生するおそれがある。パルス幅を狭くすると、レーザー照射によるエネルギーが効率よく伝達され、熱拡散を防止できる。このような熱拡散が発生しないパルス幅は、樹脂の種類によっても異なるが、数百フェムト秒以下であることが好ましい。
【００２２】
また、レーザー光の繰り返し周波数については、ピークパワー強度に及ぼす影響は少ないため、特に限定されない。通常は、約１ＫＨｚ〜約２００ｋＨｚである。
【００２３】
レーザー光の波長は、樹脂の種類によって異なるが、４００ｎｍ〜１５００ｎｍが好ましく用いられる。特に、フェムト秒レーザーでは、Ｔｉサファイアレーザーを用いる場合が多く、その中心波長は８００ｎｍであるため、８００ｎｍが好適である。
【００２４】
レーザー光５は、例えば図５に示すようにレンズ６などの集光装置により集光される。このとき、集光点を、樹脂の表面または内部に位置するように調節する。この集光点を樹脂の表面または内部で相対移動させることにより、加熱部として働く連続した電気抵抗領域４が樹脂の表面または内部に形成される。具体的には、レーザー光５の集光点に対し、樹脂を連続的に移動させ、あるいは樹脂の表面または内部でレーザー光の集光点を連続的に移動させることにより、集光点を相対移動させる。相対移動させる速度は、レーザー光や樹脂によっても異なるが、連続した電気抵抗領域を形成できる速度になるように調整する。このように相対移動させることによって、例えば、図６に示すような平らな同心円状の電気抵抗領域４や、図７に示すようなコイル状の電気抵抗領域４を形成し得る。
【００２５】
パルスレーザー光の照射によって樹脂内部に炭素が析出するという現象の機構は明らかではないが、以下のように考えられる。レーザー光の集光によるエネルギーによって有機分子の炭素−酸素結合および炭素−水素結合が切断された際に、酸素イオンおよび水素イオンの移動度が炭素イオンのそれよりも大きいために、酸素イオンおよび水素イオンは樹脂中に拡散しやすいのに対し、炭素のみが拡散しにくいことから、炭素同士の新たな結合が形成される。結果として、レーザー集光部に炭素の析出を選択的に行わせることができるため、集光点を移動することにより炭素を連続的に析出させることができる。
【００２６】
このようにして形成した連続的または部分的な電気抵抗領域は、高周波の印荷によって温度が上昇するため、加熱部とすることができる。ここで、高周波の印荷による加熱とは、磁場の変化により導電体に電流が流れ、その際、電気抵抗により加熱が行われる作用をいう。この加熱部は、同一の高周波を印荷した場合に、電気抵抗領域の面積または体積が大きいほど、発熱量が大きくなる。したがって、高周波の強度および印荷時間を変化させるだけでなく、加熱部の面積または体積を適宜変化させることによっても、発熱温度を調節することができる。同一樹脂内に複数の加熱部が存在する場合、個々の加熱部の面積または体積を変えることによって、各加熱部での発熱温度を変えることもできる。
【００２７】
このようにして製造された本発明の局所加熱部材は、任意の位置に任意の形状で加熱部を配置した樹脂成形体である。したがって、部材の表面だけでなく、部材の内部にも容易に加熱部を配置できる。例えば、図８に示すように、部材の内部を貫通した筒状の流路３に沿って、例えば、流路３のまわりにコイル状にレーザー集光部を移動させて電気抵抗領域４を形成し、流路３に対する局所的な加熱部を形成することもできる。すなわち、本発明により、複雑な形状の樹脂の任意の位置に任意の大きさで加熱部を有する局所加熱部材が容易に得られる。
【００２８】
上記局所加熱部材は、上述のように、高周波を印荷することによって、その表面または内部に形成された電気抵抗領域が加熱されて発熱し、局所加熱部材に搭載または投入された試料が加熱される。局所加熱部材に搭載または投入される試料は、特に限定されず、液体および固体のいずれであってもよい。
【００２９】
このような局所加熱部材を加熱するための局所加熱装置を、図９を例に挙げて説明する。本発明の局所加熱装置は、局所加熱部材１０を配置するためのステージ２０；該局所加熱部材に高周波を印荷し得る位置に配置された高周波発生器３０；該局所加熱部材および該高周波発生器を覆う電磁波シールド４０；ならびに該高周波発生器の制御装置５０を備える。この局所加熱装置は、どのような形状、構造、および大きさであってもよい。
【００３０】
局所加熱部材１０を配置するためのステージ２０は、局所加熱部材１０を配置すべき位置が認識できるものであればよく、その構造はどのようなものであってもよい。その上面のどの位置に配置してもよいのであれば、単なる平板であってもよく、あるいは局所加熱部材１０を固定できるような構造であってもよい。また、局所加熱部材１０のみを配置するだけではなく、局所加熱部材１０と接続された他の部材も一緒に配置し得る構造であってもよい。このステージ２０には、高周波によって発熱しない材質が用いられる。
【００３１】
高周波発生器３０から印荷される高周波は、その制御装置５０によって、強度および時間が制御され、それにより、局所加熱部材１０の加熱部の発熱温度を制御することができる。
【００３２】
【実施例】
以下、実施例を挙げて図面に基づき本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例および図面に限定されるものではない。
【００３３】
（実施例１）
射出成形によって表面に直径２００μｍおよび深さ１００μｍの窪み２を４個有するエポキシ樹脂基板１（１０ｍｍ×１０ｍｍ×３ｍｍ）を作製した（図３）。次に、基板１の上部より、フェムト秒レーザー５を、窪み２の底面からさらに２０μｍの深さの位置に集光照射し、電気抵抗領域４を形成した（図５）。レーザー５としては、アルゴンレーザー励起のＴｉ：Ａｌ２Ｏ３レーザーから発振されたパルス幅１３０フェムト秒、繰り返し周波数１ｋＨｚ、波長８００ｎｍ、および平均出力２００ｍＷのレーザーを使用した。パルスレーザー光をレンズ６（顕微鏡の対物レンズ、ＮＡ０．４６）で集光し、ピークパワー強度（フルエンス）を１×１０１４Ｗ／ｃｍ２とした。スキャン速度を２０μｍ／秒とし、連続的に相対移動させた。各窪みについて、スキャンを繰り返し、図６のＡ〜Ｄに黒く示すように異なる面積の電気抵抗領域４をそれぞれ形成した。面積は、Ｂ、Ｃ、およびＤは、それぞれＡの２倍、３倍、および４倍であった。なお、各電気抵抗領域４の厚さは同一とした（図１を参照のこと）。
【００３４】
各窪み２の底面に、融点が７０℃の固形ワックス８を入れ、高周波加熱装置で高周波を１０分間印荷した後、取り出して形状の変化を光学顕微鏡で観察した。結果を図１０に模式図として示す。ＡおよびＢでは、ワックス８は融解していなかった。Ｃでは軟化して変形していた。Ｄでは、ワックス８は完全に融解して底面に広がっていた。このことから、一様な高周波の印荷においても、炭素偏析領域の面積を変化させることによって、加熱温度を制御し得ることがわかった。
【００３５】
（実施例２）
フェノール樹脂成形体（製品名：ユニベックス、ユニチカ（株）製、炭素含有量７０．６％）から、２０ｍｍ×２０ｍｍ×１０ｍｍの基板をダイヤモンドカッターで切り出し、表面を研磨仕上げした。この基板１に、直径５００μｍの貫通穴３をドリル加工によって３本形成した（図４）。次に、１本の貫通穴３の側面に沿って、フェムト秒レーザー５の集光スポットをスキャンすることによって、直径約１００μｍのコイル状の電気抵抗領域４を形成した（図７）。レーザー照射は、上記実施例１と同様のレーザーを用い、フルエンスを１．３３×１０１５Ｗ／ｃｍ２とし、スキャン速度を６０μｍ／秒とした。さらに、他の２本の貫通穴３についても、スキャン速度を遅くして同様にレーザー照射を行って、それぞれ直径約２５０μｍおよび３００μｍのコイル状の電気抵抗領域４を側面に形成した。
【００３６】
図８に示すように、貫通穴３の一方から水を流しながら高周波加熱装置で高周波を印荷したところ、水流中に気泡７が認められた。このことから、水の沸点を超える加熱が可能であることが確認された。また、炭素の析出量が多いほど、水流中の気泡７が多く見られた。したがって、液体の流路３においても、炭素の析出量を変化させることによって、加熱温度を制御できることがわかった。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の局所加熱部材は、微量試料を局所加熱することができ、そして同一部材内において、試料ごとに個別に異なる温度設定が可能である。また、試料を搭載するための窪みおよび試料の流路が複雑な形状であっても、局所加熱が可能である。本発明の局所加熱部材は、配線を施す必要がないため取り扱いが容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の局所加熱部材の一実施態様の斜視図である。
【図２】本発明の局所加熱部材の他の一実施態様の斜視図である。
【図３】本発明の局所加熱部材を製造するための材料となる、試料を搭載するための窪みを有する基板の斜視図である。
【図４】本発明の局所加熱部材を製造するための材料となる、試料の流路を有する基板の斜視図である。
【図５】照射したフェムト秒レーザーをレンズで集光して炭素を析出させる工程を示す模式図である。
【図６】電気抵抗領域が直下に形成された窪みＡ〜Ｄの底面の各上面図である。
【図７】照射したフェムト秒レーザーをレンズで集光して炭素を析出させる工程を示す模式図である。
【図８】試料の流路に水を流しながら加熱した場合の試料の流路の模式図である。
【図９】本発明の局所加熱部材をセットした場合の、本発明の局所加熱装置の模式図である。
【図１０】図６の窪みＡ〜Ｄにそれぞれワックスを配置して加熱した後の、ワックスの形状を示す模式図である。
【符号の説明】
１  基板
２  試料を搭載するための窪み
３  貫通穴
４  電気抵抗領域
５  フェムト秒レーザー
６  レンズ
７  気泡
８  ワックス
１０  局所加熱部材
２０  局所加熱部材を配置するためのステージ
３０  高周波発生器
４０  電磁波シールド
５０  高周波発生器の制御装置
【図１】
2004309204.tif 000002
【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】
2004309204.tif 000009
【図９】
2004309204.tif 000010
【図１０】
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