(57)【要約】【課題】  塩基性条件下、あるいは酸性条件下等の各種条件下の反応系においても、安定して生成物や沈殿の付着、そしてマイクロチャンネルの閉塞等の不具合を抑えることのできる、マイクロチャンネル内壁の新しい修飾方法を提供する。【解決手段】  基板に形成されたマイクロチャンネル内壁面の化学修飾方法であって、マイクロチャンネル内壁面にラジカル開始剤を固定し、次いでマイクロチャンネル内に重合性モノマー溶液を流して重合性モノマーをラジカル重合させてマイクロチャンネル内壁面に高分子膜を形成する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成されたマイクロチャンネル内壁面の化学修飾方法であって、マイクロチャンネル内壁面にラジカル開始剤を固定し、次いでマイクロチャンネル内に重合性モノマー溶液を流して重合性モノマーをラジカル重合させてマイクロチャンネル内壁面に高分子膜を形成することを特徴とするマイクロチャンネル内壁面の化学修飾方法。
【請求項２】
重合性モノマー溶液にラジカル開始剤を添加することを特徴とする請求項１のマイクロチャンネル内壁面の化学修飾方法。
【請求項３】
光照射によりラジカル重合させることを特徴とする請求項１または２のマイクロチャンネル内壁面の化学修飾方法。
【請求項４】
ガラスもしくは表面水酸基を有する物質からなるマイクロチャンネル内壁面をシランカップリング剤を反射処理し、次いでラジカル開始剤を反応固定化することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかのマイクロチャンネル内壁面の化学修飾方法。
【請求項５】
重合性モノマーは、アクリル酸系もしくはメタクリル酸系モノマーであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかのマイクロチャンネル内壁面の化学修飾方法。
【請求項６】
重合性モノマーは、１以上の弗素原子を有するフルオロアルキル基を持っていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかのマイクロチャンネル内壁面の化学修飾方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかの方法によって修飾されたマイクロチャンネルを備えることを特徴とするマイクロチップ。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれかの方法によって修飾されたマイクロチャンネル内にて重合反応を行うことを特徴とするマイクロチャンネル重合方法。
【請求項９】
界面重合によりナイロン合成することを特徴とする請求項８のマイクロチャンネル重合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明はマイクロチャンネル内壁面の化学修飾方法に関するものであって、さらに詳しくは、ガラス等の基板に形成したマイクロチャンネル（微細流路）の内壁面を高分子膜により修飾するのに有用な、新しい化学修飾方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガラス等の基板に、たとえば幅５００μｍ以下、深さ３００μｍ以下程度のマイクロチャンネルを形成したマイクロチップは、比表面積が大きく、分子拡散距離が短い等の特徴を有し、マイクロチャンネル内で化学的あるいは生化学的超微量分析や合成反応、さらには抽出分離等の精密操作を行うことを可能とするものとして注目されている。
【０００３】
このようなマイクロチップについては、微細なマイクロチャンネル内で高分子を合成することも検討されている。たとえばこの出願の発明者によっても、マイクロチャンネル内で高分子合成を行って、マイクロチャンネル内に高分子膜を形成する方法が提案されている（特許文献１）（非特許文献１）。
【０００４】
しかしながら、このような壁面に膜形成をされていないマイクロチャンネル内での高分子の合成は必ずしも容易ではなく、たとえばマイクロチャンネル内での界面重合によるナイロン合成の場合には、界面に生成したナイロン膜がマイクロチャンネル内壁に付着し、界面の乱れやナイロン高分子がマイクロチャンネルを閉塞してしまうという重大な問題がある。
【０００５】
また、このようなナイロン合成に限られずに、マイクロチャンネル内で生成物の沈殿を生じる反応も、沈殿物がマイクロチャンネル内壁面に付着する恐れがあり、閉塞といった事態をまねくためその実現は困難である。
【０００６】
このようなことから、高分子合成や沈殿物生成反応においてマイクロチャンネル内壁への付着やマイクロチャンネルの閉塞という不都合を回避するための手段として、マイクロチャンネルの内壁を表面修飾することが考慮される。つまり、従来よりマイクロチャンネル内での流体の制御や触媒の担持等のための手段として知られている表面修飾の方法を適用することである。
【０００７】
マイクロチャンネルの内壁面を修飾する方法としては、従来、以下のような方法が知られている。
【０００８】
１）シランカップリング法：ガラス表面処理剤として汎用されているシランカップリング剤溶液をマイクロチャンネル内に通液し、マイクロチャンネル内壁に機能性単分子層を形成する方法である。
【０００９】
２）フッ素樹脂法：ガラス表面処理剤として汎用されているフッ素樹脂の溶液をマイクロチャンネル内に通液し、マイクロチャンネル表面の接触面を変更する方法である。フッ素樹脂としては、代表的には主鎖に脂肪族環構造を有するポリマーが知られている。
【００１０】
しかしながら、シランカップリング剤溶液を通液してマイクロチャンネル内壁の表面修飾を行う方法では、形成された単分子層が塩基性条件下では剥離しやすく、繰り返し使用が難しくなる場合がある。また一方、フッ素樹脂法の場合には、膜の強度が弱く、同様に繰り返し使用が難しくなるという問題がある。
【００１１】
このため、従来の表面修飾法には、その適用目的や機能が限られており、たとえばナイロン合成が困難であるだけでなく、各種の高分子合成や沈殿物の生成反応の場合に広く適用することができなかった。
【００１２】
また、フッ素樹脂法による膜強度の問題を解消するために、マイクロチャンネル内壁のガラス表面をラジカル高分子で反応修飾することも考えられるが、この場合には、反応の制御が困難で、マイクロチャンネル内全体で反応が起こり、マイクロチャンネルを閉塞するなどの不都合が生じることになる。
【特許文献１】ＷＯ  ０２／０７５３２４
【非特許文献１】H.Hisamoto et al.,Anal.Chem.75 350(2003)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
この出願の発明は、以上のような背景を踏まえ、塩基性条件下、あるいは酸性条件下等の各種条件下の反応系においても、安定して生成物や沈殿の付着、そしてマイクロチャンネルの閉塞等の不具合を抑えることのできる、マイクロチャンネル内壁の新しい修飾方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、基板に形成されたマイクロチャンネル内壁面の化学修飾方法であって、マイクロチャンネル内壁面にラジカル開始剤を固定し、次いでマイクロチャンネル内に重合性モノマー溶液を流して重合性モノマーをラジカル重合させてマイクロチャンネル内壁面に高分子膜を形成することを特徴とするマイクロチャンネル内壁面の化学修飾方法を提供する。
【００１５】
第２には、重合性モノマー溶液にラジカル開始剤を添加することを特徴とするマイクロチャンネル内壁面の化学修飾方法を提供し、第３には、光照射によりラジカル重合させることを特徴とするマイクロチャンネル内壁面の化学修飾方法を、第４には、ガラスもしくは表面水素基を有する物質からなるマイクロチャンネル内壁面をシランカップリング剤を反射処理し、次いでラジカル開始剤を反応固定化することを特徴とするマイクロチャンネル内壁面の化学修飾方法を、第５には、重合性モノマーは、アクリル酸系もしくはメタクリル酸系モノマーであることを特徴とするマイクロチャンネル内壁面の化学修飾方法を、第６には、重合性モノマーは、１以上の弗素原子を有するフルオロアルキル基を持っていることを特徴とするマイクロチャンネル内壁面の化学修飾方法を提供する。
【００１６】
そして、この出願の発明は、第７には、上記いずれかの方法によって修飾されたマイクロチャンネルを備えていることを特徴とするマイクロチップを提供する。
【００１７】
また、この出願の発明は、第８には、上記いずれかの方法によって修飾されたマイクロチャンネル内にて重合反応を行うことを特徴とするマイクロチャンネル重合方法を提供し、第９には、界面重合によりナイロン合成することを特徴とするマイクロチャンネル重合方法を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
この出願の第１の発明によれば、従来よりも膜強度が大きい高分子膜を、膜厚調節を容易として形成し、各種条件下での反応においても、膜の剥離もなく、生成物や沈殿物がマイクロチャンネル内壁面に付着し、マイクロチャンネルを閉塞してしまうという従来の問題を解消した、安定性に優れた修飾が可能とされる。
【００１９】
また、第２の発明によれば、修飾のための高分子膜の形成がより効率的に短時間で可能とされ、しかも形成された高分子膜はより高強度となる。
【００２０】
第３の発明によれば、簡便に光照射だけで高分子膜形成のためのラジカル重合が実現される。
【００２１】
さらに第４の発明によればは、ラジカル開始剤のガラス等の内壁面への固定化が容易とされる。
【００２２】
第５の発明によれば、簡便、かつ円滑に、高強度の、しかも透明性の高分子膜の形成も可能とされる。さらにまた、第６の発明によれば、高分子膜修飾面での接触角の調節が容易となる。
【００２３】
第７の発明では、マイクロチャンネル内壁面が化学修飾されたマイクロチップとして、化学合成をはじめ、分析、合成、そして分離等の精密操作において有用となる。マイクロチャンネル内での再結晶操作にも適用可能とされる。
【００２４】
そして第８および第９の発明によれば、従来では困難であった、塩基性条件下でのナイロン界面重合等の各種の重合反応がマイクロチャンネルで可能とされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施のための最良の形態について説明する。
【００２６】
この出願の発明のマイクロチャンネルは、ガラス、セラミックス、樹脂等の基板に、たとえば従来と同様に、幅５００μｍ以下、深さ３００μｍ以下程度に微細加工されたものや、さらに微細な大きさに加工されたもので、各種の平面、あるいは立体パターンで配置されたものであってよい。これら各種の形態の微細流路、すなわちマイクロチャンネルの内壁面に対してこの出願の発明の修飾方法が適用されることになる。
【００２７】
この出願の発明のマイクロチャンネル化学修飾方法では、次の工程を基本としている。
【００２８】
（１）マイクロチャンネル内壁面にラジカル開始剤を固定させる。
【００２９】
（２）重合性モノマー溶液を流してラジカル重合させ、マイクロチャンネル内壁面に高分子膜を形成する。
【００３０】
工程（１）でのラジカル開始剤は、各種のものであってよく、マイクロチャンネル内壁面への固定化の方法も各種であってよい。基板の種類やその表面の性質に応じて固定化方法が定められることになる。たとえばガラスや石英、樹脂等においては、表面の水酸基を利用してラジカル開始剤を直接に、あるいはカップリング剤の反応結合を介して固定化反応させることができる。もちろん水酸基以外にも、スルフィド基やカルボキシル基、アミノ基等の官能基を利用してもよい。
【００３１】
ラジカル開始剤は様々であってよい。たとえば基板表面のアミノ基やカップリング剤のアミノ基に対してアミド形成反応により固定化するためのラジカル開始剤としては、酸クロリド型のものを用いることができ、これらは、たとえば文献記載の公知の方法；D-K,Kim et al.,Journal of Applied Polymer Science,74,1917(1999),T.Stohr et al.,Macromoleculea,33,4501(2000) に従って合成して使用することができる。
【００３２】
カップリング剤を用いる場合には、たとえばガラスや表面水酸基を有するマイクロチャンネルに対しては、シランカップリング剤を用いることができる。これらのシランカップリング剤の場合、従来の高分子膜ではアルカリや酸によって剥離してしまうが、この出願の発明の場合には、形成される高分子膜がアルカリや酸等によるアタックを防御するため、剥離等の不都合は生じない。もちろん、カップリング剤についても各種のものが考慮される。
【００３３】
ラジカル開始剤の固定化は、たとえば、ラジカル開始剤の溶液をマイクロチャンネル内に導入することによって可能とされる。
【００３４】
工程（２）でのモノマー溶液を導入してのラジカル重合では、モノマー溶液中にさらに上記と同種または別異の各種のラジカル開始剤を添加することにより反応が促進されることになる。この場合のモノマーとしてはラジカル重合性のモノマーのうちの各種のものが考慮され、マイクロチャンネルを用いる目的に応じて定められてよい。たとえばアクリル酸系、あるいはメタクリル酸系モノマーが考慮され、これらの種類を選択することによって、マイクロチャンネルの内壁面に各種の所望の機能を付与することが可能になる。
【００３５】
たとえば１以上の弗素原子を結合するフルオロアルキル基をモノマーを用いることによって、ラジカル重合後の高分子膜の接触毎の調節等が容易に可能となる。
【００３６】
ラジカル重合は、光照射、放射線等のその他のエネルギー、粒子線の照射、あるいは加熱等の各種の手段で行うことができる。
【００３７】
そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん、以下の例によって発明が限定されることはない。
【実施例】
【００３８】
図１に示した手段に従って、Ｙ字形分担とともに、ガラス基板（３×７ｃｍ）上に形成した長さ５ｃｍ、２００μｍ、深さ４０μｍのマイクロチャンネルの内壁面の修飾を行った。
【００３９】
＜シラン化、重合開始剤の固定化＞
マイクロシリンジを用いて、マイクロチャンネル内に３−アミノプロピルトリエトキシシラン１％エタノール／水溶液を１μｌ／ｍｉｎで一晩流した。次いでトリエチルアミン１％ジクロロメタン溶液を１０μｌ／ｍｉｎで１ｍｌ流した後に、４，４′−Ａzobis(４−cyanovaleic acid chloride)１％ジクロロメタン溶液を１０μｌ／ｍｉｎで１ｍｌ流した。
【００４０】
これによってラジカル開始剤を固定した。
【００４１】
＜ラジカル重合反応＞
3.3,4.4,5.5,6.6,7.7,8.8,−トリデカフルロオクチルアクリレートにＡＩＢＮを１％、エタノールを１０％程加えた溶液をチャネルに導入し、溶液を止めてＵＶライトを当て２０分間重合を行った。
【００４２】
シリンジポンプで押し溶液を１０μｌ／ｍｉｎでしばらく流し、止めた。再びＵＶライトを当てて２０分間重合させ、また流した。この２０分止めて流すという操作をを計６回行った。
【００４３】
トリフルオロエタノール、ヘキサフルオロプロパノールで未反応のモノマーを洗浄した。
【００４４】
マイクロチャンネルのガラス内壁面上に上記アクリル酸系モノマーによる高分子膜が生成していることを確認するために、図２のように、バルクでスライドガラスを上記と同様の方法で処理し、アクリル酸系ポリマーの生成はラマン分光法とＧＰＣにより評価した。
【００４５】
図３は、トリデカフルオロオクチルアクリレートモノマーとスライドガラス上の生成物のラマンスペクトルを示したものである。これにより、高分子が生成されていることが確認された。
【００４６】
以上のことから、マイクロチャンネル内壁面上には、上記アクリル酸系ポリマーの高分子膜が形成されていると評価された。その部分構造は、次式のように確認される。
【００４７】
【化１】
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＜ナイロン合成＞
次に図４に従って、壁面修飾したマイクロチャンネルにセバコイル酸クロリドの１，２−ジクロロエタン溶液（０．０１Ｍ）、０．０１Ｍヘキサメチレンジアミンノ０．２Ｍ水酸化ナトリウム水溶液（０．０１Ｍ）を、有機相と水相の液液界面を安定に保ったまま一定流量で導入し、ナイロン６−１０を合成した。なお、反応停止剤としては０．２２Ｍ塩酸を用いた。採取したナイロン６−１０の分子量はＧＰＣで評価した。
【００４８】
図５に示したように、無修飾のマイクロチャンネルやトリエトキシトリデカフルオロオクチルシランでシラン化したマイクロチャンネル内でナイロン６−１０を合成した場合、生成したナイロン６−１０が壁面に付着しチャネルが閉塞したが、壁面修飾したマイクロチャンネル内でのナイロン６−１０の合成は、チャネルが閉塞することなく可能であった。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】この出願の修飾法の手順を実施例として例示した図である。
【図２】スライドガラスの修飾を行った場合の手順を示した図である。
【図３】スライドガラス上の固体物質のラマンスペクトル図である。
【図４】実施例としてのナイロン合成の形態を例示した図である。
【図５】ナイロンの付着の有無を示した図である。
【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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