(57)【要約】ポリマーベースの微細流体素子およびその製造方法。この微細流体素子は、流体中の成分の検出が紫外線（ＵＶ）分光学によるクロマトグラフィーおよび電気泳動分離に好適である。この素子はさらに、分離チャネルに近接した少なくとも１つの冷却チャネルを有しており、この冷却チャネルは、分離チャネルからの熱を除去するための素子へ冷却流体を導く。分離チャネルの少なくとも一つのセクションは、前記チャネルの他のセクションに対して断面寸法が大きくなっており、素子を紫外線検出構成で用いるときに光路長が長くなる。
2004517304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の表面を有する平面基材と第１の表面を有する平面カバーとを含む微細流体素子であって、前記カバーの前記第１の表面は前記平面基材の前記第１の表面に結合されており、前記基材またはカバーの少なくとも一つがポリマー材料から実質的に製造されており、前記素子は、前記結合表面の界面に配置された少なくとも第１および第２の交差チャネルを有しており、前記チャネルは水性および／または有機／水性バッファで任意で濡らした内部表面と、それに関連したゼータ電位を有しており、ゼータ電位は、少なくとも１×１０−５ｃｍ２Ｖ−１ｓ−１の前記チャネルの流体の電気浸透移動度をサポートすることができ、前記流体が、イオン強度約１〜約５０ミリモル（ｍＭ）、ｐＨ約７〜約９．５のホウ酸ナトリウムバッファであり、少なくとも前記第１及び第２の交差チャネルの少なくとも一つが約０．１マイクロメートル〜約１０００マイクロメートルの少なくとも一つの断面寸法を有している微細流体素子と、
前記第１のチャネルの末端および前記第２のチャネルの少なくとも１つの末端に配置された、少なくとも第１、第２および第３のポートであって、前記ポートが前記第１および第２のチャネル中の流体と電気的に接触している第１、第２および第３のポートと、
前記第１、第２および第３のポートのうち少なくとも２つに電圧を同時に印加して、電気浸透フローにより前記第１および第２の交差チャネル中の流体のフローを選択的に方向付けする電気制御システムと、
を含む改良された微細流体システムであって、
前記改良には前記ポリマー材料がシクロオレフィンコポリマーまたはアモルファスフルオロポリマーのいずれかであるシステム。
【請求項２】
前記チャネルの前記内面が、表面修飾化学によりさらに修飾されて、前記チャネル中の流体の電気浸透移動度を７×１０−４ｃｍ２Ｖ−１ｓ−１までサポートすることのできるゼータ電位が得られる、請求項１に記載のシステムの微細流体素子。
【請求項３】
前記微細流体素子が、厚さ０．５ｍｍ〜２ｍｍの基材と、２４０ナノメートル〜３５０ナノメートルの波長で入射光子の少なくとも１０％を透過するカバーとを有し、前記基材は前記第１の表面に鋳造されたミクロンスケールの特徴を有しており、前記特徴が幅２０μｍ〜２００μｍおよび奥行き１０μｍ〜１００μｍのチャネルを有している、請求項１に記載の微細流体システム。
【請求項４】
前記チャネルが、ＵＶ光を実質的に透過するカバーによりシールされている、請求項３に記載の微細流体素子。
【請求項５】
前記ポリマー材料がポリエチレンと多環式オレフィンを含む飽和コポリマーを含む、請求項１に記載のシステムの微細流体素子。
【請求項６】
前記多環式オレフィンがノルボルネンである、請求項５に記載の微細流体素子。
【請求項７】
射出成形を約１６０℃〜２００℃の樹脂およびノズル温度、および約６０℃の成形温度で実施する、請求項３に記載の微細流体素子。
【請求項８】
前記射出成形された素子の表面をプラズマ処理して水性バッファにより湿潤特性が改良された、請求項７に記載の微細流体素子。
【請求項９】
前記射出成形素子の前記プラズマ処理された表面を、さらに１種類以上の表面処理溶液で処理して、極性バッファ溶液を用いるとき帯電される表面が作製されている、請求項８に記載の微細流体素子。
【請求項１０】
前記表面処理溶液がオクチルトリエトキシシランを含む、請求項９に記載の微細流体素子。
【請求項１１】
前記ポリマー材料がパーフルオロジメチルジオキソールの繰り返し単位を含む、請求項１に記載のシステムの微細流体素子。
【請求項１２】
前記ポリマー材料がＴｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）として知られているアモルファスフルオロポリマーである、請求項１１に記載の微細流体素子。
【請求項１３】
前記改良がさらに、前記第１の表面の少なくとも一つにポリビニルアルコール層をスピンコーティングして、表面に親水性を与え、２つの第１の表面の結合を促すことを含む、請求項１２に記載の微細流体素子。
【請求項１４】
前記少なくとも第１および第２の交差チャネルに近接した少なくとも一つの冷却チャネルを含み、前記冷却チャネルが、少なくとも第１および第２の交差チャネルからの熱を除去するための素子に冷却流体を導く、請求項１に記載のシステムの微細流体素子。
【請求項１５】
前記少なくとも第１および第２の交差チャネルのうち一つの少なくとも一つのセクションが、前記チャネルの他のセクションに対して断面寸法が大きく、紫外線検出構成で用いられるときに光路長が長い、請求項１に記載のシステムの微細流体素子。
【請求項１６】
前記少なくとも第１および第２の交差チャネルのうち一つの少なくとも一つのセクションが、前記チャネルの他のセクションに対して断面寸法が大きく、紫外線検出構成で用いられるときに光路長が長い、請求項１４に記載の微細流体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、ポリマーベースの微細流体素子およびその製造方法に関する。この微細流体素子は、流体中の成分の検出が紫外線（ＵＶ）分光学によるクロマトグラフィーおよび電気泳動分離に、そして流体中の成分の検出が可視光、蛍光、化学発光または散乱により、または電気化学的および導電率検出によるクロマトグラフィーおよび電気泳動分離に好適である。
【０００２】
発明の技術的背景
主に液体および粒子の電気浸透、動電および／または圧力駆動運動を流体移動手段として用いる平面微細加工素子の製造については多くの文献がある。微細流体素子は、低コスト、多様性の高い操作を可能とする技術であると考えられ、バイオテクノロジーや薬品工業に多大な有用性が見出されている。Ｊｏｒｇｅｎｓｏｎら、クロマトグラフィージャーナルｖｏｌ．２１８、１９８１年、２０９〜２１４頁および米国特許第４，９０８，１１２号は、かかる素子にとって一般的な用途である細管電気泳動（ＣＥ）を用いて個別の操作を実施するガラスカバーを備えたケイ素からなる微細流体素子の使用について教示している。その用途は、蛍光検出用のインターカレート（ｉｎｔｅｒｃｏｌａｔｉｎｇ）染料でラベリングされた二本鎖ＤＮＡフラグメントの電気泳動分離であった。毛管電気泳動分離素子中で流体を動かすのに必要な電界がケイ素の絶縁破壊フィールドを超えることが多いため、ケイ素はこの用途については制限があることが知られている。米国特許第５，１２６，０２２号および米国特許第５，８５８，１８８号は、光またはレーザー誘導蛍光（ＬＩＦ）検出システム用の絶縁基板を用いる例である。ポリマー材料、特にポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）は、かかるＬＩＦ検出システムに必要な可視波長に光学明瞭度を有している。ＰＭＭＡを射出成形して、これらの素子中の微細流体チャネルの構造において有用な寸法である約１００μｍの特徴を再生することができると、示されている。しかしながら、１００μｍより小さな寸法で射出成形することは開示されていない。これらの小さな寸法は、毛管電気泳動分離にとって特に望ましい。これらの小さな寸法だと、試料入口チャネル中の試料の詰まりが空間的に広がるのを最小化する。米国特許第５，８８５，４７０号および同一譲渡人による続く特許は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ＰＭＭＡ、ポリウレタン、ポリスルホンおよびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）およびポリカーボネートからなるポリマー素子を開示している。これらのポリマーにはそれぞれ欠点がある。これらの材料はすべて疎水性である。ＰＤＭＳおよびポリウレタンは射出成形できず、ＰＶＣは一般に化学的に不純であり、ＰＭＭＡおよびポリカーボネートはＵＶ透過性でなく、ＰＴＦＥは典型的に光学的にはクリアではない。
【０００３】
マイクロ総合分析システムズ−２０００シンポジウムの議事録、Ａ．Ｖａｎ  Ｄｅｎ  ＢｅｒｇおよびＷ．Ｏｌｔｈｕｉｓ編、Ｋｌｕｗｅｒ  Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ、Ｄｏｒｔｒｅｃｈｔ、２０００年によれば、この分野、素子製造方法、複雑性および用途において進歩が実証されている。ガラスからなる微細流体素子は、Ｚｈｏｎｇｈｕｉ  Ｈ．ＦａｎおよびＤ．Ｊｅｄ  Ｈａｒｒｉｓｏｎ、分析化学、ｖｏｌ．６６、１９９４年、１７７〜１８４頁およびＡ．Ｍ．Ｗｏｏｌｌｅｙら、分析化学、ｖｏｌ．６９、１９９７年、２１８１〜２１８６頁により実証されている。ポリマー基板からなる微細流体素子は、Ｒ．Ｍ．ＭｃＣｏｒｍｉｃｋら、分析化学、ｖｏｌ．６９、１９９７年、２６２６〜２６３０頁、Ｈｏｕ−ｐｕ  Ｃｈｏｕら、ソリッドステートセンサーおよびアクチュエータワークショップ議事録、１９９８年６月、１１−１４頁、Ｃ．Ｓ．Ｅｆｆｅｎｈａｕｓｅｒら、分析化学、ｖｏｌ．６９（１９９７年）３４５１〜３４５７、Ｔ．Ｄ．Ｂｏｏｎｅら、ソリッドステートセンサーおよびアクチュエータワークショップ議事録、１９９８年６月、８７〜９２頁およびＭ．Ａ．Ｒｏｂｅｒｔｓら、分析化学、ｖｏｌ．６９、１９９７年、２０３５−２０４２頁により実証されている。
【０００４】
これらの素子を用いた用途の大部分は、蛍光検出によるＤＮＡ分析である。Ｅ．Ｃ．Ｌａｇａｌｌｙら、マイクロ総合分析システムズ−２０００シンポジウム、２１７〜２２０頁には、集積ＰＣＲによる高スループットのＤＮＡ分析について述べられている。Ｃ．Ｓ．Ｅｆｆｅｎｈａｕｓｅｒ、同上、はＤＮＡ制限酵素について述べている。Ａ．Ｅｃｋｅｒｓｔｅｎら、マイクロ総合分析システムズ−２０００シンポジウム、５２１〜５２４頁には、使い捨て微細加工毛管電気泳動（ＣＥ）素子における高スループット単一ヌクレオチド多形（ＳＮＰ）スコアリングについて述べられている。その他の用途としては、化学発光、導電率および質量分析検出が挙げられる。米国特許第５，６３７，４６９号（Ｗｉｌｄｉｎｇら）には、化学発光検出による精子試料分析が教示されている。Ｇ．Ｗｅｂｅｒら、マイクロ総合分析システムズ−２０００シンポジウム、３８３〜３８６頁には、導電率検出を用いた有機酸分離および検出について述べられている。Ｔ．Ｍｉｌｉｏｔｉｓ、マイクロ総合分析システムズ−２０００シンポジウム、３８７〜３９０頁には、質量分析検出を用いたタンパク質とペプチドの分離について述べられている。ＤＮＡ分析に対する微細流体用途についての商業システムもまた市場に出回り始めている。
【０００５】
蛍光検出またはレーザー誘導蛍光（ＬＩＦ）は、非常に感度のある検出技術であるが、分析物を蛍光染料により誘導させる必要がある。この方法は、染料誘導が標準手順であるＤＮＡ分析において広く用いられている。一方、検出技術としてのＵＶ分光光度測定法は、当該の多くの分析物はＵＶ発色団であるため、蛍光体による標識分析物のような試料調製手順を必要としないことから魅力的である。さらに、光学技術であるＵＶ分光学は、導電率のような技術よりも強力である。
【０００６】
導電率検出は、電極が汚染される問題を受けやすく、バックグラウンドに高電気泳動電圧があるために、毛管電気泳動において操作するのが難しい。このため、ＵＶ検出は、タンパク質、小分子、キラル化合物等の分析をはじめとする様々な用途を有している。微細構造製造について最も一般的な基板材料はＰｙｒｅｘ（登録商標）であり、これは４００ナノメートル（４００ｎｍ）より小さい波長では特に透過性でない。Ｐｙｒｅｘ（登録商標）を微細流体素子に用いると、これらの素子をＵＶ分光学に用いることができなくなる。同様に、ＰＭＭＡのような、可視波長光学用途に用いられる最も一般的なポリマー樹脂は、３００ナノメートル（３００ｎｍ）未満で特に透過性でない。前述の米国特許第５，８８５，４７０号の透明ポリマーは、射出成形できないＰＤＭＳ以外はＵＶ透過性でない。
【０００７】
検出技術としてＵＶ分光測光を組み込む他の障害は、ＵＶ感受性が光蛍光分光学よりも数倍低くなるということである。従来のクロマトグラフィーおよび毛管電気泳動に用いられてきた材料である水晶は、微細加工構造を有する表面にカバーを結合するのに非常に高い温度を必要とする。この問題を解決するため、最近いくつかの検討がなされている。Ｔ．Ｎｉｓｈｉｍｏｔｏら、マイクロ総合分析システムズ−２０００シンポジウム、３９５〜３９８頁には、結合工程を容易にする特別のＨＦボンディング法および検出窓にケイ素スリットを組み込んで、バックグラウンドの迷光をカットし、シグナル対ノイズ強度を増大させることが記載されている。Ｒ．Ｊ．Ｊａｃｋｍａｎ、マイクロ総合分析システムズ−２０００シンポジウム、１５５〜１５８頁は、接着剤としてフォトレジスト層を用いる他の戦略を採用している。Ｈ．Ｂｊｏｒｋｍａｎら、マイクロ総合分析システムズ−２０００シンポジウム、１８７〜１９０頁により開示された更に他の戦略は、光学窓材料として人工ダイヤモンドを用いるものである。しかしながら、人工ダイヤモンドは、高価なプロセスにより作成される。
【０００８】
科学文献は、ポリマー素子のチャネルをシールするための特定の方法に関してやや曖昧である。ポリマー基板中の微細流体チャネルをシールする一般的な方法は、単純にチャネルを、可視波長でのバックグラウンド蛍光の低い接着剤でカバーされたテープによりカバーすることである。テープは一般的に、ＵＶ結合または業界で知られる同様技術を用いて基板に結合される。テープは機械的強度が限られていて、通常、ＵＶ透過性でないため素子シーリングの最良の解決策ではない。
【０００９】
従来技術のポリマー材料は特定の欠点があるものの、微細流体素子を製造するための一般的な選択肢となってきている。従来技術のポリマー材料は紫外光を十分に透過しない。ポリマー材料は、微細流体素子の構造の元の材料であるケイ素やガラスより熱伝導性が低いという欠点がある。総合分析素子について、特に、紫外線検出を用いる素子について感受性が増えることが一般的に求められている。本発明はこれらの欠点を克服するものである。
【００１０】
発明の概要
開示されているのは、第１の表面を有する平面基材と第１の表面を有する平面カバーとを含む微細流体素子であって、カバーの第１の表面は平面基材の第１の表面に結合されており、基材またはカバーの少なくとも一つがポリマー材料から実質的に製造されており、素子は、結合表面の界面に配置された少なくとも第１および第２の交差チャネルを有しており、チャネルは水性および／または有機／水性バッファで任意で濡らした内部表面と、それに関連したゼータ電位を有しており、ゼータ電位は、少なくとも１×１０−５ｃｍ２Ｖ−１ｓ−１のチャネルの流体の電気浸透移動度をサポートすることができ、流体が、イオン強度約１〜約５０ミリモル（ｍＭ）、ｐＨ約７〜約９．５のホウ酸ナトリウムバッファであり、少なくとも第１及び第２の交差チャネルの少なくとも一つが約０．１マイクロメートル〜約１０００マイクロメートルの少なくとも一つの断面寸法を有している微細流体素子と、
第１のチャネルの末端および第２のチャネルの少なくとも一つの末端に配置された、少なくとも第１、第２および第３のポートであって、ポートが第１および第２のチャネル中の流体と電気的に接触している第１、第２および第３のポートと、
第１、第２および第３のポートのうち少なくとも２つに電圧を同時に印加するための電気制御システムであって、電気浸透フローにより第１および第２の交差チャネル中の流体のフローを選択的に方向付けする電気制御システムと、
を含む改良された微細流体システムであって、
改良にはポリマー材料がシクロオレフィンコポリマーまたはアモルファスフルオロポリマーのいずれかを含むシステムである。Ｔｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）として知られたフルオロポリマーを用いるのが好ましい。
【００１１】
前記チャネルの内部表面は、表面修正化学によりさらに修正してもよく、前記チャネル中の流体の電気浸透移動度を７×１０−４ｃｍ２Ｖ−１ｓ−１までサポートすることのできるゼータ電位が得られる。
【００１２】
この改良にはまた、前記シクロオレフィンコポリマーからできた微細流体素子を製造する安価な射出成形法および前記平面を結合して封止チャネルを形成する熱／圧力法も含まれる。
【００１３】
この改良はまた、Ｔｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）表面に親水性を与える手段と、前記２枚の平面基板を流体移動のために結合する手段とを含む。この改良によってまた、チャネルを動く分析物を検出するのに紫外線分光測光を用いるとき、微細流体素子を用いることができるようになる。
【００１４】
さらに開示されているのは、試薬を含むチャネルとは別の少なくとも１つの冷却チャネルを有する本体と、冷却流体を微細流体素子に通過させて、熱を試薬含有チャネルから除去して試薬の温度を制御する冷却チャネルとを含む実質的にポリマーの微細流体素子である。
【００１５】
さらに開示されているのは、試薬含有チャネルを有する本体を含み、少なくともそのうち一つのセクションが、前記試薬含有チャネルの他のセクションに対して断面寸法の増大している実質的にポリマーの微細流体素子である。この寸法の増大により、チャネル中の試薬になされる光学ベースの分析の感度を増大するために試薬を通る光路長が長くなる。
【００１６】
さらに開示されているのは、冷却チャネルと試薬含有チャネルの特徴を結合する本体を含み、少なくともそのうち一つのセクションが、前記試薬含有チャネルの他のセクションに対して断面寸法の増大している実質的にポリマーの微細流体素子である。
【００１７】
微細流体素子の一実施形態において、少なくとも第１および第２の交差チャネルのうち一つの少なくとも一つのセクションが、前記チャネルの他のセクションに関して断面寸法が大きく、紫外線検出構成で用いるときに光路長が長い。
【００１８】
本発明の詳細な説明
本発明は、紫外線波長で実質的に透明な、すなわち、２５０ナノメートル以上（＞２５０ｎｍ）の波長で５０パーセント（５０％）を超え、透明で、可視波長での蛍光バックグラウンドの低いポリマー樹脂の使用を開示している。例えば、４８８ｎｍの光を励起源として用いると、蛍光バックグラウンドは無視でき、有効なＬＩＦ検出が可能となる。
【００１９】
一実施形態において、用いられるこのポリマー樹脂は、Ｔｏｐａｓ（登録商標）という商品名の安価な（１ポンド数ドル）エチレンとノルボルネンのコポリマーである。この樹脂は二重結合を含まず、炭素と水素以外の化学原子は含んでいない。化学的に従来技術の化合物とは違う。この化学組成は、２５０ｎｍを超えるＵＶを＞５０％の効率で透過するためである。また、比較的化学的に純粋である（ポリマー添加剤の浸出がない）。プラズマ処理して、水性バッファを完全に濡らすこともできる。この樹脂を射出成形して、幅２０μｍおよび奥行き１２μｍという小さい特徴を再現する。このようにして作成されたマイクロチャネルは、他のポリマーの層を「接着剤」として用いて、または用いずにポリマー樹脂の他の片でシールすることができる。
【００２０】
本発明の他の実施形態は、波長範囲が２００ｎｍからの赤外の光学的検出技術と組み合わせて用いることのできるポリマー微細粒子素子について記載している。微細粒子素子はＴｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）アモルファスフルオロポリマーからできている。Ｔｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）アモルファスフルオロポリマーは元々疎水性であり、他の材料に容易に結合されない。この材料を微細粒子用途に用いることを阻害するこれらの問題を回避するために、ポリビニルアルコール（水中５％ＰＶＡ）の層をカバーとして用いるＴｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）アモルファスフルオロポリマーフィルムの表面にスピンコートする。微細粒子特徴を、業界に知られたネガ特徴のマスターにより圧縮成形または熱エンボス加工によりＴｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）アモルファスフルオロポリマーへ作成した。ＰＶＡコーティングの付いたＴｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）アモルファスフルオロポリマーフィルムを、ＰＶＡコーティングが２枚のアモルファスフルオロポリマーフィルムに挟まれるようにして、微細加工特徴のあるＴｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）アモルファスフルオロポリマー側の上部へ配置する。このサンドイッチ構造を７５℃および１平方インチ当たり５００〜１０００ポンド（ｐｓｉ）（３４４８〜６８９５ｋＰａ）で水圧プレスに入れる。得られた構造は２００ｎｍを超える波長で、５０％を超える高い効率で光を伝える。このようにして作成された微細流体素子は、これらに限られるものではないが、タンパク質およびペプチド、有機化合物、標識ＤＮＡフラグメントおよびＳＮＰをはじめとする様々な材料の分析に用いられる。
【００２１】
本発明は、通常の射出成形技術から得られるミクロン規模の特徴を備えたポリマー微細流体素子から構成される。これらの特徴は、厚さ０．５ｍｍ〜２ｍｍのポリマー基板の表面に幅２０μｍ〜２００μｍ、奥行き１０μｍ〜１００μｍのチャネルとして実証されており、２４０〜３５０ｎｍの波長範囲において入射光子を少なくとも１０％透過する。微細粒子チャネルは、やはりＵＶ光を透過するカバーによりシールされている。
【００２２】
ポリマー樹脂は、ポリエチレンおよびノルボルネンのような多環式オレフィンを含む飽和コポリマーであるのが好ましい。かかる樹脂の一例を挙げると、Ｃｅｌａｎｅｓｅ  ＡＧのＴｉｃｏｎａ部門より入手可能なＴｏｐａｓ（登録商標）環状オレフィンコポリマーである。本発明にとって最も好ましいＴｏｐａｓ（登録商標）環状オレフィンコポリマーの等級はＴｏｐａｓ（登録商標）８００７である。Ｔｏｐａｓ（登録商標）８００７等級についての好ましい射出成形熱条件は、樹脂およびノズルについて１６０℃〜２００℃、鋳型について６０℃である。微細粒子構造のある、またはない射出成形片をプラズマ処理して、水性バッファの湿潤特性を改良する。射出成形片のプラズマ処理された表面をさらに、オクチルトリエトキシシランのような表面処理溶液で濯いで、極性バッファ溶液を用いるとき帯電できる表面を作成してもよい。
【００２３】
表面処理後、微細流体チャネルを以下の方法のいずれかによりシールする。第１の方法では、微細流体構造のある、またはないＴｏｐａｓ（登録商標）８００７の射出成形プラークを微細流体チャネルのあるプラークの上部に置く。２片に５００〜１０００ｐｓｉ（３４４８〜６８９５ｋＰａ）の圧力を７５℃で、最大で数分間かける。圧力を緩める前に、この２片を少なくとも約６０℃まで冷やす。この結果、２つのプラークの間に流体の固い結合が得られる。
【００２４】
第２の方法では、微細流体構造のある、またはないＴｏｐａｓ（登録商標）８００７の射出成形プラークをスピンコータに入れ、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）の層をプラーク上にスピンコートする。１０００ｒｐｍで、得られたＰＶＡ層はスピンコーティングプロセスの最後でまだ「湿潤」している。ＰＶＡコーティングのある、またはない他の射出成形プラークを湿潤ＰＶＡ層に置き、軽い圧力をかける。ＰＶＡ層が乾燥したら、２つのプラークを上述した圧力／熱プロセスで結合する。ＰＶＡが微細流体チャネル内部に入るのを防ぐよう注意を払わなければならない。
【００２５】
Ｔｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）として知られているアモルファスフルオロポリマーをポリマーとして用いると、２００ｎｍより長いＵＶ波長で５０％よりも高い透過の微細流体素子が生成される。かかる素子は、具体的には、２３０℃および１０００〜２００００ｐｓｉ（６８９５〜１３７，９００ｋＰａ）での圧縮成形からできたＴｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）アモルファスフルオロポリマーの実質的に平面なフィルムから構成されている。成形マスターが幅２０〜１０００μｍ、奥行き１０〜４０μｍの微細加工特徴を含んでいる場合には低い圧力範囲を用いる。作成されたＴｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）アモルファスフルオロポリマーフィルムが微細加工特徴を含んでいない場合には、高範囲の圧力を用いる。あるいは、ＰＶＡ層を、水溶液中約５％のＰＶＡを用いて、微細加工構造なしで、Ｔｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）アモルファスフルオロポリマーフィルム側へスピンコートする。ＰＶＡはＴｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）フィルム表面を湿潤させる。微細構造特徴を備えたＴｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）フィルムの側を、ＰＶＡコーティングを備えたＴｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）フィルムの側に配置して、このサンドイッチ構造を７５〜８０℃、５００〜１０００ｐｓｉ（３４４８〜６８９５ｋＰａ）で数分間プレスに入れる。得られた微細流体素子は２１０ｎｍを超えるＵＶを５０％を超える効率で透過する。
【００２６】
ここに開示された素子は、ＵＶとＬＩＦの両方を検出技術として用いる広い範囲の「Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ」用途に用いることのできる安価に製造できる素子や特別なＵＶ透過特性を有する素子として有用である。
【００２７】
本発明の微細流体素子を図１に示す。この射出成形素子において、分離チャネル１０は幅１００マイクロメートル（１００μｍ）である。２つ射出チャネル２０，３０のそれぞれは図の外側境界で幅５０マイクロメートル（５０μｍ）、分離チャネルで交差するところで、幅２０マイクロメートル（２０μｍ）まで狭くなっている。全てのチャネルにおいて、奥行きは約１５マイクロメートル（１５μｍ）である。
【００２８】
ベンチトップ毛管電気泳動器において、分離中毛管の効率的な冷却が得られる結果の品質にとって重要である。ピーク領域と保持時間の両方の再現性が影響する。厳しい状況で、冷却が不適切だと、高温を伴う気泡の生成のために分離が止まる恐れがある。ベンチスケールの素子においては、一般的にエチレングリコールを用いた毛管の液体浸漬冷却、場合によっては圧縮ガスまたは気流冷却を用いる。予期通り、浸漬冷却は、液体の高い熱容量および高い熱伝達率のために空気冷却より効果的である。冷却を改良することによって、分析結果の改良につながる。ジュール熱効果（Ｉ２Ｒ熱）がかなりの場合、８０マイクロアンペア（８０μＡ）を超える高電流を用い、バッファ中の塩含量が高い分離においてはとりわけ効果がある。
【００２９】
微細加工毛管電気泳動素子において、ジュール熱効果はあまり厳しいとは考えられない。というのは、たいていの微細加工毛管電気泳動チャネルが、比較的良好な熱導体であるガラスまたはケイ素基板に作成されているためである。チャネルを囲むガラスまたはケイ素のバルクが不適切に生成された熱を消失させる。さらに、微細加工チャネルは、一般に、同じ直径の円柱シリカ管よりも小さな電流を含有する台形断面（広くて浅い）を有している。これらの理由のため、ガラスまたはケイ素中のマイクロチャネルにおける分離チャネルの能動的な冷却は必要ないと考えられる。ポリマー基板を用いる傾向が広がるにつれて、ジュール熱の効果は、分離品質に大きく影響する。なぜなら、ポリマー基板は一般に、ガラスに比べて熱伝導性が乏しいためである。高スループットのスクリーニングＣＥ素子のようなチャネルの密度が高い素子にこれは特に当てはまる。
【００３０】
第１の冷却実施形態を図２に示す。基板２およびカバー４により形成される分離チャネル１０の断面を示すこの断面図に見られるように、基板２中の１つ以上の冷却チャネル４０を分離チャネル１０に沿って与える。冷却剤、強制空気または液体冷却剤を、熱源、例えば、チャネル中の電解質流体近くにチャネル４０を通して循環することができる。冷却チャネル４０を分離チャネル１０に近接させるのが、ポリマー材料の熱伝導性の欠陥を回避する有効な方法である。他の実施形態において、冷却チャネル５０に示されるように、冷却チャネルをカバー板上に、同じく、分離チャネルとして同じ基板中に作成することができる。第３の実施形態において、特別に構築した冷却チャネル含有カバー板を、微細流体素子を含有する従来の非冷却基板に用いることができる。
【００３１】
好ましい分析技術としての毛管電気泳動の主な変更は感度の向上である。毛管電気泳動における最良検出モードはＵＶ検出である。毛管電気泳動のＵＶ検出感度を改良する一つの効果的な方法は、検出領域におけるＵＶ光の光路を長くすることである。シリカを毛管として用いるベンチトップ毛管電気泳動器において、このやり方は成功している。ＬＰ  Ｐａｃｋｉｎｇｓにより開発されたいわゆる「Ｚセル」、ヒューレットパッカードにより販売されている「泡セル」および「高感度セル」が、マクロ規模の計装におけるこのやり方を成功させる例として挙げられる。
【００３２】
Ｚセル素子において、分離チャネルは、基板の第１の表面上の第１のセクションと、基板を貫く第２のセクションと、基板の第２の表面上の第３のセクションとを有している。検出光路は、分離チャネルの第２のセクション、すなわち、基板の厚さを通過する。「素子を通過する」光路が光路を長くしても、基板の厚さに対して長さは実際制限される。ｚセルの場合には、基板と「基板を通過する」素子の両面に製造されたチャネルを穿孔する必要があり、この操作は素子のコストを増やす。
【００３３】
本発明の素子は、ｚセル素子のシグナル向上と等価のシグナル向上を与える。分離チャネル１０に沿った断面図の図３に見られるように、本発明の素子は基板２の一表面全体に分離チャネル１０を有しており、分離チャネルの同表面の光路長は長い。本発明の構成は、製造を容易にし、路長を変える柔軟性を与えて検出を最適化するため望ましいものと考えられる。
【００３４】
本発明の素子は、垂直寸法が増大したチャネルの光学検出セクション８０を有する微細加工チャネル１０を含む。光路Ｐの光路長が長くなると、検出領域を通る分析物の断面が大きくなって、ＵＶ吸収感度が増大する。図３に示すように、この光路長の増大は、チャネル１０の通常の奥行きの約２倍である。検出セクションの垂直寸法を増やすと、従来の毛管電気泳動で得られるのとほぼ同じくらいまで素子のＵＶ感度を増大することができる。これは、パラ−ヒドロキシケイ皮酸についてほぼマイクロモルの感度に変換される。増大した感度はＵＶ分光測光において特に有益である。
【００３５】
実施例
実施例１：
直径３インチのケイ素ネガマスター金型インサートを、当該技術では周知の手順を用いて製造した。ケイ素マスターはウェハ上に３つの別個の微細流体素子を有した。各微細流体素子は幅１００μｍの分離チャネルと２つのＴ注入接合部から構成された。注入チャネルは、注入ウェルと結合する端部では幅５０μｍで、分離チャネルとの結合部では２０μｍまで狭くなっていた。この金型インサートを射出成形キャビティの鋳型に両面接着テープで取り付けた。鋳型が、射出成形機のノズルを保持するチャックの動きに対して垂直に配置された水平タイプの射出成形機であった。垂直射出成形機では、両面テープは必要ない。
【００３６】
鋳型キャビティの表面を約６０℃まで加熱した。Ｔｏｐａｓ（登録商標）８００７ペレットを５０℃以下の温度で真空オーブン中で一晩脱ガスした。樹脂温度およびノズル温度を約１８０℃に設定したが、これは、ベンダー推奨温度より約２０℃高かった。この高温が、樹脂のフロー粘度を改良し、光学的によりクリアなプラークを得られると自判断された。鋳型キャビティは、プラークと呼ばれる成形部の厚さが約３〜４ミリメートル（約１／８インチ）、微細加工特徴が高い忠実度でプラーク内に再生されるようなものであった。
【００３７】
図１に２つのＴ注入結合部を示す。これらは、光学顕微鏡下で見たときの代表的な特徴である。幅１００μｍの分離チャネルの側面を側面計で測定した。チャネルの奥行きを測定したところ１２μｍ±０．２μｍであった。測定した側面には、射出成形プロセスがサブミクロンの精度を示すことを実証した。幅２０μｍのチャネルもまた同様の精度で再現された。これらの側面の正確性および精度は、ケイ素マスター金型インサートそのものから得られたものと同一であった。微細加工特徴のないブランクプラークを同様に射出成形した。他の等級の樹脂Ｔｏｐａｓ（登録商標）５０１３も用いた。この樹脂のフロー粘度は８００７の粘度より高く、上述した同じ射出成形条件を用いた最終プラークにおいて目視されるフローラインを得た。
【００３８】
微細加工特徴のある、またはないプラークを、２５０ｐｓｉ（１７２４ｋＰａ）の空気、プラークの上１〜２インチ、手持形プラズマジェネレータにプラークを５〜１０回通過させるという条件下で、手持形プラズマジェネレータでプラズマ処理した。この代わりに、その他の条件は全て一定に保持しつつ、１２２ｐｓｉ（８４１ｋＰａ）の圧力で水飽和空気を用いた。
【００３９】
プラズマ処理後、Ｔｏｐａｓ（登録商標）プラークの表面が水で完全に濡れているのが分かった。ＵＶ透過スキャンをこれらのプラークに行った。２００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲にわたって厚さ３ミリメートル（１／８”）プラークの透過スペクトルを測定してＵＶ透過性を確認した。励起光源として４８８ｎｍの光を用いてバックグラウンド蛍光スキャンも行った。蛍光は無視できる程度であった。
【００４０】
Ｔｏｐａｓ（登録商標）プラークの一面にオープンチャネルのある微細加工特徴をシールするために、以下の２つの手順を実施した。第１の結合手順において、２つのＴｏｐａｓ（登録商標）プラークからのプラズマ処理表面を互いに対向配置させて、７５℃に維持したプレスに入れた。５００〜１０００ｐｓｉ（３４４８〜６８９５ｋＰａ）の圧力を７５℃で１５分間にわたってかけた。プラークをプレス内で約６０℃まで冷やし、圧力を解除した。プラークをプレスから取り出すと、互いに結合されており、すなわち力をかけずに離すことはできなかった。
【００４１】
第２の結合手順において、ブランクＴｏｐａｓ（登録商標）プラークのプラズマ処理側を５０００ｒｐｍで１分間にわたってＰＶＡスピンコート層でカバーした。ブランクプラークのＰＶＡコート側を、成形特徴を有する他のＴｏｐａｓ（登録商標）プラークのプラズマ処理側に押し付け、このサンドイッチ構造を７５℃で保持されたプレスに入れた。５００〜１０００ｐｓｉ（３４４８〜６８９５ｋＰａ）の圧力を１５分間にわたってかけた。プラークをプレス内で約６０℃まで冷やし、圧力を解除した。プラークをプレスから取り出すと、互いに結合されており、すなわち力をかけずに離すことはできなかった。
【００４２】
実施例２：
微細加工特徴を有するケイ素ポジにニッケルを電気メッキすることによりニッケル鋳型を製造した。得られたニッケル鋳型をプレスの下部プレートに置いた。直径〜２．５”（インチ）の円形穴を厚さ０．００４”（インチ）のＫａｐｔｏｎ（登録商標）ポリイミドフィルムから切断した。得られた円形スペースを、ニッケル鋳型上の微細加工特徴が円形スペースの内部に含まれるようにニッケル鋳型に置いた。プレスの温度を約２３０℃に維持した。Ｔｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）顆粒を円形スペース内側に置き、円形スペースをやや過剰に充填した。Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）の他のシートをＴｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）顆粒の表面に置いた。円よりやや大きな銅ディスクをＫａｐｔｏｎ（登録商標）シートに置いた。プレスを閉じ、数分間にわたって徐々に圧力をかけ、１５００ｐｓｉ（１０，３４３ｋＰａ）で５〜６分間その圧力を維持した。Ｔｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）の得られたフィルムは光学的に非常にクリアで、微細加工特徴はフィルム上のニッケル鋳型から転写された。Ｔｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）のブランクフィルムもまた同様の方法で圧縮成形された。ブランクフィルムについてはニッケル鋳型は必要なかった。ブラックフィルムについては２３０℃で５分間１０，０００ｐｓｉ（６８，９５０ｋＰａ）まで圧力を増大させた。
【００４３】
得られたＴｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）フィルムは、実施例１に記載したように、プラズマ処理後でも疎水性であった。Ｔｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）フィルムに親水性を与えつつ、かつ光学特性を保持するためには、ＰＶＡ（脱イオン水中分子量〜１００，０００の５％ＰＶＡ）層を１０００〜５０００ｒｐｍでブランクのＴｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）フィルムの一面にスピンコートした。意外なことに、プラズマ処理なしでもＰＶＡはＴｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）に結合することが分かった。ＰＶＡフィルムが乾燥したとき、ＰＶＡをコーティングしたフィルムの側を微細加工特徴を有するＴｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）フィルムの面と接触させて配置した。このサンドイッチ構造を、２枚のＫａｐｔｏｎ（登録商標）シート間のプレスに置き、５００〜１０００ｐｓｉ（３４４８〜６８９５ｋＰａ）で４分間、７５℃〜８０℃に保持した。２枚のＴｅｆｌｏｎ  ＡＦ（登録商標）フィルムが結合した。ＰＶＡコーティングを水性湿潤素子および「グルー」として用いて、微細加工特徴にカバーを結合した。得られた微細流体素子は、２１０ナノメートルの波長でＵＶ光を約５０％透過することが分かった。
【００４４】
実施例３
ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）からなる素子は、垂直寸法が２００ミクロンの「泡」と呼ばれるチャネルのセクションを有する幅１００マイクロメートルの分離チャネルを含有する鋳造物（ｃａｓｔ）であった。ＰＤＭＳ素子を、電気泳動素子として用いられる内蔵白金電極を備えた水晶板に結合した。供給タンクを分離チャネルの一端に接続し、廃棄タンクを他端に接続した。泡を長さ２００ミクロン×幅１００ミクロンの光学検出スリットに配列した。メタノール中４００マイクロモルのパラ−ヒドロキシケイ皮酸の標準溶液を、ｐＨ９．３水性ホウ酸塩バッファを充填した幅１００ミクロンの分離チャネルに、図１と同様のＴ−注入結合部中の５０ミクロン幅の交差チャネルを通して注入した。３．５ｋＶの電位差を、ｐＨ９．３の水性ホウ酸バッファを充填した供給タンクと接触し、廃棄タンクと接触する電極間に与えられた。３０ワットの出力で動作する重水素ランプの光からフィルタをかけられた２８０ｎｍの紫外光を、素子のスリットおよび泡に通過させた。約０．０２吸収単位の強度のＵＶ吸収の鋭いピークが、電気泳動電圧をかけて約１分後に観察された。
【図面の簡単な説明】
【図１】分離チャネルと２つの注入チャネルを含むポリマー微細流体素子の写真。
【図２】試薬含有分離チャネルおよび２つの近接冷却チャネルを示すポリマー微細流体素子の分離チャネルの断面図。
【図３】垂直寸法の増大した分離チャネルのセクションを示す分離チャネルに沿った断面図。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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