(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を導入するための導入口及び流体を排出するための排出口を備え、貫通孔を有したカバー体と微小流路を有した基板とを重ねあわせて貼り合わせ、積層一体化してなる微小流路構造体において、前記微小流路には下部に微小突起を有しており、当該微小流路の流路両脇に無電界メッキ液を流路中央部に純水を導入し、層流状態で送液することにより前記微小流路下部の突起を境として流路両脇のみに無電界メッキの金属薄膜を形成することを特徴とする微小流路構造体の製造方法。
【請求項２】
前記微小流路の下部に２つの突起を有しており、当該微小流路の流路両脇に無電界メッキ液を流路中央部に純水を導入し、３液からなる層流を送液して前記微小流路下部の突起を境として流路両脇のみに無電界メッキの金属薄膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の微小流路構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小流路内において流体の送液、化学反応、分析、分離、抽出、検出などの化学的物理的操作を行なうに好適な微小流路構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、数ｃｍ角のガラス基板上に長さが数ｃｍ程度で、幅と深さがサブμｍから数百μｍの微小流路をを有する微小流路構造体を用い、この微小流路内で流体の送液、化学反応、分析、分離、抽出、検出などの化学的物理的操作を行なう、いわゆる集積化化学実験室が注目されている。このような集積化化学実験室は、微小空間の短い分子拡散距離および大きな比界面積の効果により効率のよい化学反応を行なう事ができ、また、反応から分離、抽出、検出までを一貫して行なう事ができ、各種研究開発の迅速化、省力化、省資源化、省エネルギー化、省スペース化、さらには実験廃液や廃棄物の削減、繰り返し実験の合理化等のメリットがある。図１には導入口が１つ、排出口が２つの微小流路構造体の例を、また、図２には導入口が２つ、排出口が２つの微小流路構造体の例を示している。
【０００３】
このような微小流路構造体は、例えば、入力ポートが２つ、出力ポートが１つのＹ字型の微小流路内では空間が狭いことによる分子の拡散距離を短くすることができ、また、２種の異なる液体の導入により形成される界面を発生させた場合、容易に比界面積を大きくすることで、反応効率、反応時間を短くすることが可能である。さらに、このような特徴を有する微小流路構造体を組み合わせるあるいは入出力ポートを増減することにより、様々な化学反応・分離を集積化することが可能である。
【０００４】
これらを示す例として、「Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ  ｏｆ  Ｃａｐｉｌｌａｒｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ  Ｉｎｊｅｃｔｅｒｓ  ａｎｄ  Ｓｅｐａｒａｔｏｒｓ  ｏｎ  Ｇｌａｓｓ  Ｃｈｉｐｓ  ａｎｄ  Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｆｌｏｗ  ａｔ  Ｃａｐｉｌｌａｒｙ  Ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎｓ」（Ａｎａｌ．  Ｃｈｅｍ．  １７７〜１８４頁，  １９９４年）には、微小流路形成手法としてホウケイ酸ガラス基板に溝加工を施した後、カバー体であるホウケイ酸ガラス基板を加熱によって溶着して形成した流路について開示されている。しかしながら、この手法においては、液試薬と接する流路内壁が凹凸基板材料及びカバー体により決定されるため、基本的に流路構造形成材料であるガラスの耐薬品性あるいは付着性により、送液試薬が限定される。また、樹脂により形成される微小流路構造体においては、カバー体の厚さ及び接着強度により送液圧力上限が限定されるという課題があった。
【０００５】
また、従来、上記微小流路構造体の流路断面構造は、流路パターンが作成された基板とそれを密閉するためのカバー体材質及び封止手法によっては接着物質によって構成され、流路の構造状の耐久性及び耐薬品性に対して考慮されていなかった。
【０００６】
さらに、導電性物質あるいは半導体物質を配線してセンサー、発熱素子等を複合化・機能化させる場合、カバー体の表面あるいは凹凸基板上の流路近傍にエッチング処理等により配線加工をして実現されているが、この方式においては、センシングあるいは加熱する流路内部から遠ざかるためデータ精度及び温度制御性に問題が発生するという課題があった。
【０００７】
また、ガラス材料あるいは樹脂で形成された微小流路構造体に、電気的・化学的・磁気的・物理的な機能を持たせるためには流路内部あるいは外部に金属・酸化物・半導体・高分子等をパターニングする必要がある。具体的には、例えばヒーター、冷却機能、温度センサー、磁界印可素子、電界印可素子、圧電素子、放電管等が存在する。これら機能の一部には流路壁面内へ直接配線を実施する必要があるが、現状では実現されていなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、かかる従来の実状に鑑みて提案されたものであり、液体あるいは気体といった流体を流すための流路壁面に薄膜層構造が円筒状に形成されることにより、流路構造強度及び耐薬品性の向上、流路壁面への配線による液体及び気体の流体内での電気化学的現象の誘起、電界・磁界・温度等の測定精度や流体加熱精度を向上させたり、触媒反応等の化学反応を促進することが可能な微小流路構造体を提供する事にある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は上記問題点を解決するために、基板の表面に微小流路を形成させ、この基板に貫通孔を有するあるいは有しないカバー体と重ねあわせて構造体を形成させしめた微小流路構造体において、微小流路の内壁面を１種以上の材質からなる層構造とすることで、上記の従来技術による微小流路構造体の課題を解決することができ、遂に本発明を完成させることができた。
【００１０】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１１】
本発明は、その内部にガスや液体などの流体を充填又は移動させるための微小流路を有し、かつ、該微小流路の内壁面が１種以上の材質からなる層構造となっている微小流路構造体である。
【００１２】
ここで、本発明の微小流路構造体自体の材質としては、その目的に応じて適宜選択すればよいが、例えば、ソーダガラス、石英ガラス等の無機材料、樹脂等の高分子物質等が挙げられる。また、基板に微小流路を形成させる方法としても実施例にも記載の方法などにより目的に応じた形状を適宜形成させればよい。
【００１３】
本発明の微小流路構造体は、上記した微小流路基板とカバー体を重ねあわせて貼り合わせ、積層一体化して形成されるものであり、内壁面の全体あるいは一部に基板材料及びカバー体材料と異なるあるいは同一の１種以上の材質が層状に構成されている。
【００１４】
層を形成する手法としては、貼り合わせ前に予め形成してから重ね合わせて接着する手法や、貼り合わせを実施後に層形成される物質であるＰＣ（ポリカーボネート）等の高分子材料、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ等の金属、合金などの金属類、金属酸化物等の金属化合物を導入すればよい。さらに具体的には、ＵＶ硬化樹脂、熱硬化樹脂、有機金属錯体、無電界メッキ液を導入して形成することにより所望の薄膜を順次形成することにより形成可能である。これらの内、金属類と金属化合物とは両者を併存させて形成させることもできる。また、ＵＶ硬化樹脂、熱硬化樹脂、有機金属錯体を用いた場合には、流路長手方向の任意の場所に選択的に層構造を形成することが可能である。
【００１５】
また、本発明の微小流路構造体に、流体を導入するための導入口及び流体を排出するための排出口を備えしめる場合、貫通孔を有したカバー体と微小流路を有した基板とを重ねあわせて貼り合わせ、積層一体化させればよい。
【００１６】
さらに、本発明の微小流路構造体は導入口、排出口といった開放口を備えるような微小流路が外界と通じている構造のみならず、微小流路が構造体の内部に密閉されている構造も含まれる。このような密閉構造を有した微小流路構造体は、開放構造となった微小流路構造体の流体導入口より目的に応じた充填剤を導入させ、その後、微小流路構造体の開放口よりＵＶ硬化樹脂、熱硬化樹脂などを導入し、これを熱融着あるいは硬化させて封止させるといった方法で得られる。
【００１７】
図３には上記に説明した微小流路構造体の例として、各種流路構造断面図を示す。図３の内、（ａ）〜（ｃ）では、微小流路の内壁などに上記の所定の材質を層状に塗布して流路内壁層７を形成させた基板８にカバー体２を重ね合わせて貼り合わせたものである。
【００１８】
また、図３（ｄ）は、例えば、微小流路の流れ方向に対してその両脇に所定の材質を塗布して薄膜を形成させた基板８にカバー体２を重ね合わせて貼り合わせたものである。
【００１９】
このように、本発明の微小流路構造体においては、複数の入力ポート流路から合流する流路内の一部に選択的に薄膜形成が可能であるため、壁面内部を直接電極にすることが可能であり、流路内に液体のみならず気体を導入して、例えば発光物質を導入し、放電させることで発光機能を実現することも可能である。
【００２０】
さらにその具体的な形成方法を例示すれば、図４に示されるように、微小突起２３を有した微小流路に無電界メッキ液２１と純水２２を導入すると、微小突起２３を境として無電界メッキ液２１と純水２２の３液で層流が発生し、これらの液は互いに混ざることはない。この層流の発生により各突起を境として流路両脇のみに無電界メッキの金属薄膜が形成される。金属薄膜が形成された微小流路構造体の無電界銅メッキ導入口２４、２つの無電界銅メッキ排出口２６及び純水排出口２７を封止し、純水導入口２５から真空ポンプで真空とする。その後、ネオン、アルゴン、炭酸ガス等の発光ガスや発光に必要な水銀等の添加物を微量導入し、純水導入口２５を封止する。そして銅メッキ部（図３（ｄ）の流路内壁層７）を放電電極として使用することにより、いわゆるネオン管ができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００２２】
実施例１
微小流路樹脂成形体の作成は、図５に示すように厚さ８ｍｍ直径２００ｍｍソーダガラス基板上にＣｒ  ２０ｎｍ、Ａｕ  １００ｎｍをＤＣスパッタ法により形成した後、東京応化製８９００Ｄレジスト８μｍをスピンコート法により塗布し、ガラス原盤を作成した。本ガラス原盤上に、図６に示す幅５０μｍ長さ５０ｍｍの直線パターンが形成されたフォトマスクを設置しＵＶ露光装置により一括露光を行い、現像処理してパターニング処理を行った。
【００２３】
次に、パターニング処理して金薄膜面が露出した部分をヨウ素・ヨウ化アンモニウム混合液によりエッチングしＣｒ面を露出させる。Ｃｒ薄膜は硝酸セリウム硝酸２アンモニウムセリウム  Ｃｅ（ＮＨ4）2（ＮＯ3）6溶液によりエッチング処理しガラス面を露出させた。該ガラス原盤を５０％フッ酸水溶液に１０分浸漬させ、図７に示すような幅２５０μｍ  深さ１００μｍの流路を形成した後、エッチングマスク膜である８９００Ｄ、Ａｕ、Ｃｒを除去しガラス面のみ露出したガラス原盤を作成した。
該ガラス原盤にＮｉ薄膜をＤＣスパッタにより８００ｎｍ形成した後、スルファミン酸Ｎｉ電鋳液に浸漬し電気鋳造法により３００μｍのＮｉスタンパを作成した。該Ｎｉスタンパを用い射出成形法によりＰＣ樹脂成形体を作成した。
【００２４】
パターニング処理された樹脂成形基板に、予め所定の位置に０．５ｍｍ径の貫通穴を作成した厚さ１００μｍのＰＣ樹脂製カバー体を１４５℃雰囲気下において加圧溶着した。
中空構造となった樹脂成形体の送入出ポート  とキャピラリーチューブ  をＯ−リングを介したアダプターにより接続し、シリンジポンプによりＵＶ硬化樹脂である三菱レーヨン製ＳＤ−３１８を注入した。ＳＤ−３１８が微小流路内全体に行き渡るのを確認した後、シリンジ内のＳＤ−３１８の代わりに窒素ガスを充填して微小流路内を窒素パージした。流路内を窒素パージした状態でＵＶ光を１０分間露光して流路壁面に付着したＳＤ−３１８を光硬化させた。図８に流路断面構造の拡大図を示す。
【００２５】
作成した微小流路に酢酸エチルを流速１００μｌ／ｍｉｎ、送液圧力１ＭＰａで１時間連続送液を実施したが微小流路に化学的変化及びカバー層の破損は発生しなかった。
【００２６】
比較例１
実施例１で作成したパターニング処理された樹脂成形基板に、予め所定の位置に０．５ｍｍ径の貫通穴を作成した厚さ１００μｍのＰＣ樹脂製カバー体を１４５℃雰囲気下において加圧溶着した。本微小流路成形体にＵＶ硬化樹脂による流路壁面コートを実施しない状態において、酢酸エチルを流速５０μｌ／ｍｉｎにて送液したところ、瞬時に微小流路が白濁し、最終的に熱溶着したシートが溶解し、液洩れが発生した。また、純水を流速１００μｌ／ｍｉｎ、送液圧力１ＭＰａで送液したところ流路部分でのカバーが剥離した。
【００２７】
実施例２
実施例１で作成したパターニング処理された樹脂成形基板に、予め所定の位置に０．５ｍｍ径の貫通穴を作成した厚さ１００μｍのＰＣ樹脂製カバー体を１４５℃雰囲気下・加圧状態において２時間４５分放置して溶着した。本微小流路構造体にＡｕ無電界メッキ溶液を流速１００μｌ／ｍｉｎにて５分間送液した後、基板断面を破断し、ＳＥＭ（２次電子顕微鏡）にて断面観察を実施した結果、流路壁面にＡｕ薄膜が形成されていることを確認した。本微小流路成形体に酢酸エチルを流速１００μｌ／ｍｉｎで送液したが微小流路に化学的変化は現れなかった。
【００２８】
実施例３
実施例１で作成した射出成形体基板及び予め所定の位置に０．５ｍｍ径の貫通穴を作成した厚さ１００μｍのＰＣ樹脂製カバー体の双方の接着面側に三菱レーヨン製ＳＤ−３１８ＵＶ硬化樹脂をスピンコート法により塗布した。塗布面を貼り合わせた後ＵＶランプにより１０分間露光して硬化させた。本微小流路成形体に酢酸エチルを流速１００μｌ／ｍｉｎで送液したが微小流路に化学的変化は現れなかった。
【００２９】
実施例４
実施例１で作成した微小流路構造体にＡｕ無電界メッキ溶液を流速１００μｌ／ｍｉｎにて５分間送液した後、基板断面を破断し、ＳＥＭ（２次電子顕微鏡）にて断面観察を実施した結果、流路壁面にＳＤ−３１８／Ａｕ薄膜の多層構造が円筒状に形成されていることを確認した。本微小流路内に酢酸エチル溶液を流速１００μｌ／ｍｉｎで送液したが微小流路に化学的変化は現れなかった。
【００３０】
実施例５
実施例１で作成したパターニング処理された樹脂成形基板上に図９に示すような成膜マスクを設置した。本手法を用いて流路部分から０．５ｍｍの幅内にＳｉＯ2薄膜をＲＦスパッタ方法により２００ｎｍ成膜した。同様にカバー体にも同一マスクを設置し、ＳｉＯ2薄膜を２００ｎｍ形成した。上記手法により作成した樹脂成形基板とカバー体のＳｉＯ2薄膜パターンを一致するように挟み込み、１４５℃雰囲気下・加圧状態で２時間４５分放置して溶着を実施した。本微小流路内に酢酸エチル溶液を流速１００μｌ／ｍｉｎで送液したが微小流路に化学的変化は生じなかった。
【００３１】
実施例６
実施例１で作成したパターニング処理された樹脂成形基板上に図９に示すような成膜マスクを設置した。本手法を用いて流路部分から０．５ｍｍの幅内にＮｉＣｒ薄膜をＤＣスパッタ方法により５００ｎｍ成膜した。同様にカバー体にも同一マスクを設置し、ＮｉＣｒ薄膜を５００ｎｍ形成した。上記手法により作成した樹脂成形基板とカバー体のＮｉＣｒ薄膜パターンを一致するように挟み込み、１４５℃雰囲気下・加圧状態で２時間４５分放置して溶着を実施した。流路の入出力ポート部に露出したＮｉＣｒ薄膜上に配線を施し、電圧を印可して純水が８０℃になることを確認した。
【００３２】
実施例７
図１０に示すような流路底部に凸部を有するパターンを樹脂成形基板上に作成し、入出力流路の幅１００μｍ深さ１００μｍ長さ１５ｍｍを３つ、幅３００μｍ深さ１００μｍ長さ４０ｍｍの合流流路を得た。この３つの流路の両脇流路にＣｕ無電界液を１００μｌ／ｍｉｎ、中央流路に純水を１００μｌ／ｍｉｎ  ５ｍｉｎ間同時送液することにより中央流路の両脇部分にのみＣｕ薄膜層の形成を確認した。本微小流路構造体の図１０中、１、３のポートに電圧を印可できるように電気配線を施し、水酸化ナトリウム水溶液を１００μｌ／ｍｉｎで送液し、電圧を印可した。ポート１'、２'、３'に水素及び酸素の混合気体の発生を確認した。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の微小流路構造体は、微小流路が形成された基板とカバー体の貼り合わせて得られる微小流路内壁面の表面の全体あるいは一部に基板材料及びカバー体材料と異なるあるいは同一の少なくとも一種類以上の材質が層状に構成されており、液体あるいは気体ガス等の流体による流路壁面の腐蝕防止、液圧・ガス圧による流路強度の向上、さらには触媒反応等の化学反応の促進が可能となる。また、微小流体を構造体内部に密閉した構造をとる場合にはいわゆるネオン管等への適用も可能となり、産業上有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】微小流路構造の一例を示す図である。
【図２】導入口及び排出口を２つ有する微小構造体を示す図である。
【図３】微小流路の各種断面構造を示す図である。
【図４】図３（ｄ）の微小流路を形成するための説明図である。
【図５】微小流路構造体の作成手法を示す図である。
【図６】一括露光時に使用するマスクを示す図である。
【図７】微小流路構造体を示す図である。
【図８】微小流路の断面構造を示す図である。
【図９】成膜時に使用するスパッタマスクを示す図である。
【図１０】実施例７における微小流路構造体を示す図である。
【符号の説明】
１：微小流路
２：カバー体
３：微小流路基板
４：導入口
５：排出口
６：貫通孔
７：流路内壁層
８：基板
９：ソーダガラス
１０：フォトレジスト
１１：金属薄膜層Ｃｒ／Ａｕ
１２：表面用フォトマスク
１３：Ｎｉ
１４：表面用スタンパ
１５：金型
１６：樹脂
１７：凹凸パターンが形成された基板
１８：カバー体（ＰＣ樹脂製）
１９：ＰＣ樹脂
２０：ＵＶ硬化樹脂層
２１：無電界銅メッキ液
２２：純水
２３：微小突起
２４：無電界銅メッキ液導入口
２５：純水導入口
２６：無電界銅メッキ液排出口
２７：純水排出口
【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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【図６】
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【図７】
0004192450.tif 000008
【図８】
0004192450.tif 000009
【図９】
0004192450.tif 000010
【図１０】
0004192450.tif 000011