(57)【要約】【課題】  マイクロ化学デバイス基体の基本物性を殆ど変えずに、マイクロ化学デバイス表面の特性を、それも、選択された同一種基体の表面特性を任意に、或いは異種基体の表面特性を選択された同一の特性に変更する事を可能にする。【解決手段】  試料又は／及び、媒体又は溶液が接触する部位の少なくとも一部が、金属アルコキシドを用いた縮重合化合物、或いは金属アルコキシドに金属塩又は／及び金属有機酸塩を添加した混合物を用いた縮重合化合物からなる被覆層によって薄く被覆されたマイクロ化学デバイスを提供する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料又は／及び、媒体又は溶液が接触する部位の少なくとも一部が、金属アルコキシドを用いた縮重合化合物、或いは金属アルコキシドに金属塩又は／及び金属有機酸塩を添加した混合物を用いた縮重合化合物からなる被覆層によって薄く被覆されたことを特徴とするマイクロ化学デバイス。
【請求項２】
試料又は／及び、媒体又は溶液が接触する部位の少なくとも一部が、金属アルコキシドを用いた縮重合化合物の中に、或いは金属アルコキシドに金属塩又は／及び金属有機酸塩を添加した混合物を用いた縮重合化合物の中に、金属コロイド又は金属酸化物コロイドを分散させた被覆層によって薄く被覆されたことを特徴とするマイクロ化学デバイス。
【請求項３】
マイクロ化学デバイスの基体を構成する主たる材料が熱可塑性合成樹脂又は熱硬化性合成樹脂である請求項１又は２のマイクロ化学デバイス。
【請求項４】
マイクロ化学デバイスの基体を構成する主たる材料が、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリデイメチルシロキサン、ポリスチレン、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミド、ポリプロピレン、ポリシクロオレフィン、ポリパーフロロアルコキシ樹脂の少なくとも何れか１種からなる請求項１又は２のマイクロ化学デバイス。
【請求項５】
マイクロ化学デバイスの少なくとも一部を被覆する被覆層の主たる材料を構成する素原料である金属アルコキシド、金属塩あるいは金属有機酸塩の金属が、珪素、ジルコニウム、チタン、硼素、アルミニウム、ニッケル、タンタル、カルシウム、マグネシウム、亜鉛又は燐酸エステルの少なくとも何れか１種である請求項１〜４何れか１項に記載のマイクロ化学デバイス。
【請求項６】
マイクロ化学デバイスの少なくとも一部を被覆する被覆層の材料が、テトラエチルシリケート、ホウ酸トリメチル、ジルコニウムブトキシド、チタンプロポキシド、アルミニウムブトキシド、塩化亜鉛、酸化チタン、エトキシトリメチルシラン、の内の少なくとも何れか１種である請求項１〜４何れか１項に記載のマイクロ化学デバイス。
【請求項７】
マイクロ化学デバイスの表面を被覆するに際し、マイクロ化学デバイス基体に下塗りを施したのち、その上に表面被覆を形成した請求項１〜６何れか１項に記載のマイクロ化学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微少な量で分析や検査、培養、反応等を行うのに用いるマイクロチップ、マイクロリアクター等マイクロ化学デバイスに係り、特に、分析や検査、培養、反応等を行うのに用いる試料や媒体との相互作用を除去又は増強した表面を有する合成樹脂よりなるマイクロ化学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＤＮＡ分析、ポリメラーゼ連鎖反応、電気泳動による分離、細胞反応、細胞ソーテイング、マイクロ燃料電池用燃料の改質、ＮＯX分析等の生化学分析、生化学反応、環境分析、微量化学反応、コンビナトリアルケミストリーあるいはコンビナトリアルバイオエンジニアリングの分析あるいは反応等の各種分析や反応をハイスループット（数多く、短時間に、或いは簡易に）で行うため、あるいは精度の高い均一条件下で行うため、微少な量で分析や反応が行えるマイクロチップ、マイクロリアクター等マイクロ化学デバイスの開発が進んでいる。
【０００３】
マイクロ化学デバイスは、一般に、基体（マイクロ化学デバイスの主たる構成要素）である、小型の通常平板上に微細な流路（チャンネル）や容器（ウェル）、デバイス内部の液体に外部のガスを吸収する隔膜あるいは電極や外部とのインターフェースであるコネクターなどが、必要に応じて集積化されて形成されており、これらの微細な流路や容器などを用いて少量の試料や化学品によって上記のような分析や反応を行うものである。
【０００４】
本発明では、以下のような流路又は／及び容器が少なくとも1乃至多数設置されたものをマイクロ化学デバイスと云う。即ち、基体に設置される微細な流路のサイズが、幅及び深さが１〜１０００μｍ、好ましくは１０〜５００μｍ、より好ましくは３０〜３００μｍの範囲にあり、また基体に設置される容器のサイズは、容器の形状が角形の場合、その最大辺及び深さが、また円や楕円状の場合、その直径又は長径及び深さが、１〜１０００μｍ、好ましくは１０〜５００μｍである。尚、このマイクロ化学デバイスには、少なくとも上述の範囲の流路又は容器が設置されていれば良く、従って前記範囲外の流路や容器が同時に設置されていても構わないし、また流路や容器以外の機能が同時に設置されていても差し支えない。このようなマイクロ化学デバイスは、分離、分析、検査、診断、反応、培養等に利用される。
【０００５】
一般に、流路や容器（チャンバー）を微細化すればするほど、比表面積が増大し、表面にかかわる効果が支配的になってくる。マイクロスケールでは、マクロスケールと比較して相対的に、熱交換効率が高く、分子の拡散効果が大きくなり、さらに液体の流れが層流になる。従って、このような物性的特性を積極的に活用するマイクロ化学デバイスでは、流路や容器の表面状態の制御が重要になる。
【０００６】
これらのマイクロ化学デバイスを構成する基体材料としては、一般にガラス、合成樹脂、金属やセラミックなどが使用されている。
【０００７】
しかし、このような材料を用いたマイクロ化学デバイスの表面の特性は、基体の材料そのものによって決まってしまい、例えば、ＤＮＡや細胞のような試料を媒体によって流路の中を輸送しようとしても、試料とマイクロ化学デバイス表面との親和性が強かったりすると、試料が媒体の流動から取り残されて、正常な分析や反応が出来なくなることがある。また、逆に試料とマイクロ化学デバイス流路表面との相互作用を利用する分析又は反応手法を採用しようとしても、これが叶わないことなどがある。
【０００８】
このような問題点を解決する一つの方法として、マイクロ化学デバイスを構成する材料が疎水性の場合、これを親水性にするため、疎水性ポリマーに親水性ポリマーを混合した材料を用いてマイクロ化学デバイスを作成する等の改良が提案されている（特許文献１）。しかし、この方法で表面特性は改良されるが、基体を構成する材料としてポリマーを混合するため、マイクロ化学デバイス基体の表面特性以外の物性（例えば、成形性、透明性、耐熱性など）が低下する問題が生じた。
【特許文献１】特願２００１−３６３１２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、マイクロ化学デバイス基体の基本物性を殆ど変えずに、マイクロ化学デバイス表面の特性を、それも、選択された同一種基体の表面特性を任意に、或いは異種基体の表面特性を選択された同一の特性に変更することを可能にすることによって、従来技術の問題点を解決するものである。
【００１０】
すなわち、本発明においては、上記のようなマイクロ化学デバイスの製造が簡単に行えて、安価に量産できるようにするとともに、分析や反応に用いられる試料や媒体がマイクロ化学デバイスと接する面の表面化学特性（具体的特性として、表面自由エネルギー、これの実験的表現値である水の接触角）を広い範囲に亘って任意に変更できるようにして、求める分析や反応をハイスループットに実施できるようにすることを課題にするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前述の課題解決のために、本発明は、試料又は／及び、媒体又は溶液が接触する部位の少なくとも一部が、金属アルコキシドを用いた縮重合化合物、或いは金属アルコキシドに金属塩又は／及び金属有機酸塩を添加した混合物を用いた縮重合化合物からなる被覆層によって薄く被覆されたことを特徴とするマイクロ化学デバイスを提供する（請求項１）。
【００１２】
また、前述の課題解決のために、本発明は、試料又は／及び、媒体又は溶液が接触する部位の少なくとも一部が、金属アルコキシドを用いた縮重合化合物の中に、或いは金属アルコキシドに金属塩又は／及び金属有機酸塩を添加した混合物を用いた縮重合化合物の中に、金属コロイド又は金属酸化物コロイドを分散させた被覆層によって薄く被覆されたことを特徴とするマイクロ化学デバイスを提供する（請求項２）。
【００１３】
ここで、マイクロ化学デバイスの基体を構成する主たる材料が熱可塑性合成樹脂又は熱硬化性合成樹脂であることが好ましい（請求項３）。
【００１４】
また、マイクロ化学デバイスの基体を構成する主たる材料が、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリジメチルシロキサン、ポリスチレン、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミド、ポリプロピレン、ポリシクロオレフィン、ポリパーフロロアルコキシ樹脂の少なくとも何れか１種からなることも好ましい（請求項４）。
【００１５】
そして、マイクロ化学デバイスの少なくとも一部を被覆する被覆層の主たる材料を構成する素原料である金属アルコキシド、金属塩あるいは金属有機酸塩の金属が、珪素、ジルコニウム、チタン、硼素、アルミニウム、ニッケル、タンタル、カルシウム、マグネシウム、亜鉛又は燐酸エステルの少なくとも何れか１種であることが好ましい（請求項５）。
【００１６】
また、マイクロ化学デバイスの少なくとも一部を被覆する被覆層の材料が、テトラエチルシリケート、ホウ酸トリメチル、ジルコニウムブトキシド、チタンプロポキシド、アルミニウムブトキシド、塩化亜鉛、酸化チタン、エトキシトリメチルシラン、の内の少なくとも何れか１種であることが好ましい（請求項６）。
【００１７】
マイクロ化学デバイスの表面を被覆するに際し、マイクロ化学デバイス基体に下塗りを施したのち、その上に表面被覆を形成することも好ましい（請求項７）。
【発明の効果】
【００１８】
以上詳述したように、本発明によって、マイクロ化学デバイスの表面化学特性を、使用目的に応じて、任意に設定できるので、精度の高い、或いはハイスループットの分析や反応が可能になり、さらにマイクロ化学デバイスの使用用途の範囲が可能になる。また射出成形法等によって、合成樹脂製の、表面特性の優れたマイクロ化学デバイスを容易に且つ大量に製造でき、表面処理容易にできるので、マイクロ化学デバイスを安価に提供できるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態に係るマイクロ化学デバイスについて説明する。
【００２０】
本発明においては、上記のような課題を解決するため、マイクロ化学デバイスの試料又は／及び媒体が接する表面に、金属アルコキシドを用いた縮重合化合物、或いは金属アルコキシドに金属塩又は／及び金属有機酸塩を添加した混合物を用いた縮重合化合物からなる被覆層、若しくは金属アルコキシドを用いた縮重合化合物の中に、或いは金属アルコキシドに金属塩又は／及び金属有機酸塩を添加した混合物を用いた縮重合化合物の中に、金属コロイド又は金属酸化物コロイドを分散させた被覆層によって薄く被覆することによって、マイクロ化学デバイス表面の水との接触角を広い範囲に亘って任意に設定できるようにした。本発明では、いわゆるゾルゲル法を用いてマイクロ化学デバイスの必要個所に被覆層を形成し、所望の水の接触角を有する表面を形成することを特徴としている。
【００２１】
本発明のマイクロ化学デバイスにおいては、基体を構成する主たる材料として、例えば熱可塑性や熱硬化性の合成樹脂を用いることができ、マイクロ化学デバイス表面に微細な流路やウェルを射出成形等によって簡単に設けることができ、さらに金属アルコキシドを用いた縮重合化合物、或いは金属アルコキシドに金属塩又は／及び金属有機酸塩を添加した混合物を用いた縮重合化合物からなる被覆層、若しくは金属アルコキシドを用いた縮重合化合物の中に、或いは金属アルコキシドに金属塩又は／及び金属有機酸塩を添加した混合物を用いた縮重合化合物の中に、金属コロイド又は金属酸化物コロイドを分散させた被覆層によって表面を薄く被覆するため、高品質のマイクロ化学デバイスの製造が簡単に行え、量産が可能になって安価に提供することが可能になる。
【００２２】
また、上記のようにこのマイクロ化学デバイスの表面を、目的とする分析や反応に対応してその目的に合致するように改質できるので、これらの分析や反応を正確に、あるいはハイスループットに行えるようになる。
【００２３】
本発明のマイクロ化学デバイスは、基体の成形後、その表面を上記のような他種の材料によって被覆するので、マイクロ化学デバイスの基体材料としては、適切な成形性や目的とする用途から基体に対して求められる特性（例えば、透明性や耐熱性など）を満たしていれば、任意の合成樹脂を選択できる。例えば、ポリメチルメタクリレート等のポリメタクリル酸エステル、ポリカーボネート、ポリスチレン、ＡＢＳ、ポリエチレンテレフタレートやポリブチレンテレフタレート等の芳香族ポリエステル、ポリプロピレンやポリシクロオレフィン等の各種ポリオレフィン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリ乳酸やポリパーフロロアルコキシ樹脂といった熱可塑性合成樹脂のほか、ポリジメチルシロキサン等の熱硬化性の合成樹脂やポリテトラフッ化エチレンなども用いることができる。
【００２４】
これらの合成樹脂は単独で使用しても良いし、必要に応じて２種以上混合しても良い。或いは多色成形法等を用いて、２種以上の個別の合成樹脂をマイクロ化学デバイスの異なる位置に配置させたマイクロ化学デバイスを構成することも可能である。また、使用目的に対応して、上記の合成樹脂にカーボンブラックや黒鉛、あるいは酸化チタンや酸化亜鉛などの添加剤を混合することもできる。カーボンブラックや黒鉛を添加すると、マイクロ化学デバイス基体の自家蛍光の発生を抑制して、分析の精度を上げることができる。
【００２５】
マイクロ化学デバイスの少なくとも一部を被覆する被覆層の主たる材料を構成する素原料である金属アルコキシド、金属塩あるいは金属有機酸塩の金属は、珪素、ジルコニウム、チタン、硼素、アルミニウム、ニッケル、タンタル、カルシウム、マグネシウム、亜鉛又はリンの少なくとも何れか１種である。
【００２６】
金属アルコキシドを用いた縮重合化合物、或いは金属アルコキシドに金属塩又は／及び金属有機酸塩を添加した混合物を用いた縮重合化合物は、主たる材料を混合し、ゾルゲル反応により得ることができる。ゾルゲル反応は、主たる材料を混合した後、酢酸とアルコールをエステル反応することにより得られる水、もしくは直接滴下することによって得られた水によって、金属アルコキシドが加水分解反応され、金属含有縮重合化合物が得られる。
【００２７】
また、金属アルコキシドを用いた縮重合化合物或いは金属アルコキシドに金属塩又は／及び金属有機酸塩を添加した混合物を用いた縮重合化合物の中に、金属コロイド又は金属酸化物コロイドを分散させることも可能である。
【００２８】
そのように作製された縮重合化合物を、スピンコート法、ディッピング法、スクリーン印刷法などの方法により基体へ被覆する。その際、基体への密着性を増すために、下塗りを施した後、縮重合化合物を被覆することも可能である。下塗りに用いられる材料としては、樹脂、縮重合化合物があり、樹脂材料としては、アクリルなどがあり、縮重合化合物は、上塗りに使用される被覆材料、もしくは上塗りに使用される被覆材料へ樹脂又は／及び金属酸化物又は／及び金属コロイドを添加したものが使用できる。
【００２９】
縮重合化合物をコートした基体を、室温から３００℃、好ましくは５０℃から１５０℃の温度で加熱することにより、縮重合化合物を乾燥固化する。
【実施例】
【００３０】
金属アルコキシド、金属塩あるいは金属有機酸塩の少なくとも１種あるいは１種以上から選択され、金属元素（酸化数ｎとする）１モル当たり１〜ｎモルの水及び硝酸、塩酸などの触媒をエタノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、ｓｅｃ−ブタノールの溶媒中で加水分解して得られる液をマイクロ化学デバイス基板に塗布して酸化物被膜を形成する。加水分解に際してはＴｉ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｎｂ、Ａｌは安定化剤としてアセチルアセトン、アセト酢酸エチル、アセト酢酸メチル、酢酸、モノエタノールアミン、ジエタノールアミンを添加する。表１には実施例１〜１２の組成を記載した。これらの組成物には表中のａ、ｂ、ｃの化合物も添加することが出来る。ここで、ａは3-アミノプロピルトリエトキシシラン（3-Aminopropyltriethoxysilane）、ｂは3-グリシジルオキシプロピルトリメトキシシラン（3-Glycidyloxypropyltrimethoxysilane）、ｃはトリス(1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロイソプロピル)エトキシシラン｛Tris(1,1,1,3,3,3-Hexafluoro-isopropyl)ethoxysilane｝である。
【００３１】
そして、合成したコート剤は目的の樹脂表面にスピンコート法や浸漬法などの手法で塗布し、室温から１８０℃までの温度で適宜乾燥して膜を形成することができる。表面が更に撥水性を要求する場合には表中のフッ素系の化合物ｃ、或いはトリエトキシ-1,1,2,2-テトラフルオロ-n-オクチルシラン(Triethoxy-1,1,2,2-tetrafluoro-n-octylsilane)を入れることで対応でき、親水性を更に要求する場合には成膜後に水蒸気などで処理することで対応することが出来る。
【００３２】
コート剤の溶媒の選択は記載したもの以外でも組成物が溶解するもので、成膜可能なものであればいかなる溶媒でも使用できる。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
表1の実施例１２に記載された組成物を、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、又はポリエーテルイミドよりなる射出成形品の表面に薄く塗布し、さらに水蒸気で処理した。その結果、未塗布品の表面の水の接触角が７２°〜８０°であったのに対し、これら塗布水処理品表面の水の接触角は、いずれも３２°〜４０°になった。尚、親水性材料の代表格であるガラスにおける水の接触角は、３０°〜４０°である。
【００３５】
ここで、水の接触角は、水平に置いた試験片の表面に、５０ｍｍの高さから液滴サイズが２０μＬのシリンジにて水を滴下し、その水滴を試験片の表面に平行な方向から写真撮影し、試験片と水滴と空気とが接触する境界線において、水滴面が試験片表面となす角で水滴側の角を実測して求めた。この接触角の測定は、各試験片について同一雰囲気下（温度２５℃、湿度６０ＲＨ）で行い、各試験片の表面３箇所を測定した値の平均値として算出した。
【００３６】
また、図１〜図４に示すように、ポリメチルメタクリレートを材料にした基体プレート１に、表面側の直径が大きく裏面側の直径が小さいテーパー状の貫通穴２を複数形成し、各貫通穴２，２の小径側を結ぶ連続した幅１００μｍ、深さ５０μｍの溝３を設け、つまり基体プレート１の裏面側に溝３を設け、そして基体プレート１の裏面側に同じくポリメチルメタクリレートを材料にした厚さ５０μｍのカバーシート４を接着したマイクロチップＡを作製した。このマイクロチップＡは、溝３とカバーシート４とで形成されるパイプ状のチャンネル５の両端に、貫通穴２とカバーシート４とで形成される液溜６，６を有する構造で、電気泳動用チップである。このマイクロチップＡのチャンネル５内部に、表1の実施例１２に記載された組成物を薄く塗布し、さらに水蒸気処理を行った。ここで、細いチャンネル５の内部に、表1の実施例１２に記載された組成物を注入するには、圧力を加えて圧入するか、或いは減圧注入する。そして、その後の乾燥処理には減圧乾燥手段を用いた。この処理によってチャンネル５の内面には、厚さ１μｍ以下のＳｉＯ2膜が形成された。
【００３７】
そして、前記マイクロチップＡのチャンネル５の液溜６にスポイドより水を滴下したところ、水は毛管現象で直ちに自動的にチャンネル５内に充填された。一方、未塗布のチャンネル５の液溜６にスポイドより水を滴下しても、水はチャンネル５内に全く充填されなかった。未塗布のチャンネル５内に水を供給するには、液溜６にスポイドの出口を密着させて水を圧入する必要があった。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】電気泳動用マイクロチップの平面図である。
【図２】同じく分解斜視図である。
【図３】同じく拡大断面図である。
【図４】同じくチャンネル部分の一部拡大断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
Ａ  マイクロチップ
１  基体プレート
２  貫通穴
３  溝
４  カバーシート
５  チャンネル
６  液溜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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